CN109789286A - 用于清净和富氧化空气的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭露一种用于可吸入空气的富氧化的可携式呼吸设备，包括：一吸附容器；一空气压缩机，用于将空气泵入所述吸附容器；一阀件，用于从所述吸附容器卸除压力；一吸附剂，设置在所述吸附容器内，在对所述容器加压时吸附空气的非氧成分，从而产生富氧化空气，并在卸除压力时脱附非氧成分。

Description

用于清净和富氧化空气的设备和方法
交叉引用相关申请
本申请主张2016年7月8日提交的美国临时专利申请的优先权第62/359,953号，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及一种用于供应可吸入空气的装置和方法。
背景技术
空气污染存在主要问题，尤其是在人口密集的大城市中。
此外，尽管某些建筑物可能具有空气质量控制，但是城市中心的居民可能在户外或在没有空气质量控制的建筑物中花费可观的时间。
吸入受污染的空气与许多不利于健康和生活质量的效应有关。与空气污染有关的急性和慢性健康问题也可能造成公共卫生问题。
因此，个人佩戴一次性口罩已变得很普遍。
然而，这种口罩通常难以呼吸并提供有限的过滤和空气质量改善。相反地，现有的氧气输送装置往往体积大、复杂且难以使用。
发明内容
本发明提供一种用于可吸入空气的富氧化的可携式呼吸设备的示例，包括：一吸附容器；一空气压缩机，用于间歇地将大气泵入所述吸附容器，以对所述吸附容器加压；一阀件，用于通过将所述容器对环境排气来选择性地从所述吸附容器卸除压力；一吸附剂，设置在所述吸附容器内，用于在对所述容器加压时优先吸附大气的非氧成分，从而产生富氧化空气，并在卸除压力时脱附非氧成分。
本发明提供一种富集化可吸入空气中的氧含量的示例性方法，包括：将大气泵入吸附腔室中；
从大气吸附非氧成分以产生富氧化空气；排出用于呼吸的富氧化空气；将吸附腔室对环境排气，以对吸附腔室减压并且脱附非氧成分；从吸附腔室排出非氧成分。
本发明提供一种生产富氧化空气的示例性装置，包括：一可再生吸附单腔室，其包括：一入口，用于接收具有一第一流阻的大气，以及一单向出口，用于输送在所述可再生吸附单腔室外部的具有一第二流阻的富氧化空气，其中所述第一流阻大于所述第二流阻；以及一吸附剂，具有一吸附表面区域，限定富氧化空气的生产速率；其中大气通过所述入口并且在第一腔室压下接触吸附表面区域以产生富氧化空气。
本发明提供一种富氧化空气的示例性工艺，包括：在第一压力下使大气与可再生吸附单腔室内的吸附剂接触，使大气中的非氧成分相对于氧气优先吸附到吸附剂以产生富氧化空气；将可再生吸附单腔室减压至第二腔室压，使吸附的非氧成分从吸附剂脱附。
根据本文的公开内容，其他方面对于技术人员将是显而易见的。
附图说明
在图式中，示出了示例性实施例：
图1是具有呼吸设备的个人的立体图；
图2A-图2B是图1的呼吸设备的前立体图和后立体图；
图3A-图3B是图1省略了壳体组件的呼吸设备的前立体图和后立体图；
图3C-图3D是示例性吸附容器的示意性剖面图；
图4是图1的呼吸设备的吸附容器的分解图；
图5是图1的呼吸设备的组件之间的流体连接示意图；
图6是图1的呼吸设备的组件之间的电性连接示意图；
图7A-图7D是示出图1的呼吸设备的阀件的操作状态示意图；
图8A-图8B是描述富氧化可吸入空气的方法的流程图；
图9是示出图1的呼吸设备的组件的操作状态和氧含量的时序图；
图10是另一个呼吸设备的示意图；
图11是具有壳体被部分切除以示出内部组件的另一个呼吸设备的等角视图；以及
图12是具有壳体被部分切除以示出内部组件的另一个呼吸设备的等角视图。
具体实施方式
图1描述了具有示例性呼吸设备102的个体用户100。
呼吸设备102包含富氧化单元104和呼吸管106。
呼吸设备102可以将大气吸入富氧化单元104，增加其氧含量，并经由呼吸管106将其输送给用户100。
呼吸设备102可以由用户100佩戴，例如，安装到用户100。例如，呼吸设备102可以附接到用户100的腰带或衣物上，例如，使用夹子附接。或者，呼吸设备102可以携带在背包中。
呼吸管106可以是用于向个体100输送可吸入空气的任何合适的导管。在一些实施例中，呼吸管106可以由可挠性塑料或橡胶形成，以符合配戴者的动作。呼吸管106可以具有适于接合佩戴者的鼻子或口部的面罩(图未显示)。在一些实施例中，面罩可以与配戴者的面部形成密封或基本上形成密封。例如，呼吸管106可以配置为与适当修改的全面型或半面型呼吸器面罩连接，或者可以与其一体地形成，例如，3M 6900全面型呼吸器(3M 6900Full-Face Respirator)或3M中型专业多功能呼吸器(3M Medium Professional Multi-PurposeRespirator)。具体地，呼吸管106可以连接到吸气阀。当使用面罩时，5-6L/min的氧气流可以避免面罩内的CO2累积，尽管已知各种隔开吸气和呼气的方案，并且可以通过使用单向阀将呼出的气体与吸入的气体隔离以避免再呼吸。另外，管件106可以与鼻插管结合使用(例如，与鼻插管连接或一体地形成)。
图2A和图2B描述了富氧化单元104的前等角视图和后等角视图。如图所示，富氧化单元104包含外壳108，外壳108可以形成为多个部件，例如前盖108A和后盖108B。
富氧化单元104包含空气箱110，可以将外部空气经由空气箱110吸入壳体108中，并且可以将空气经由空气箱110从壳体108排出。富氧化单元104还具有用于分配富氧化空气的呼吸出口112。如本文所使用，术语“富氧化空气”是指具有高于大气中的浓度的氧气浓度的空气。或者，可以为进气和排气提供单独的空气箱。也就是说，空气箱110可以是第一空气箱，并且可以用于允许将外部空气吸入壳体108中，同时可以提供第二空气箱，空气经由第二空气箱离开壳体108。
富氧化单元104包含连接到壳体108外部的控制器。例如，富氧化单元104包含用于启动富氧化单元104的主电源开关114。还可以提供状态指示器，例如发光二极管(LED)116。LED 116能以一种以上的颜色或图案照明，以指示富氧化单元104的操作状态。
图3A和图3B示出了富氧化单元104的等角视图，分别省略前盖108A和后盖108B，以示出内部组件件。
富氧化单元104的空气箱110可以包含进气过滤器118。进气过滤器118可以包含一个以上的过滤组件，例如格栅或筛网，用于去除夹带在进气空气中的大颗粒。进气过滤器118可以进一步包含精细过滤组件，例如滤纸或滤布。可以根据合适的过滤标准来验证这种过滤器。例如，过滤器118可以包含HEPA过滤器等。在一些实施例中，进气过滤器118可以去除空气中的微粒；特别是直径小至2.5μm-10μm的精细微粒。例如，进气过滤器118可以是PM10过滤器，其能够去除直径为至少10μm的微粒；或者可以是PM2.5过滤器，其能够去除直径为至少2.5μm的微粒。在一些实施例中，可以代替或除了进气过滤器118之外而设置静电除尘器。进气过滤器118可以包含使用界面活性剂分子改质的膜型或吸附过滤器，用于从进气空气中去除挥发性有机化合物(VOC)以及微粒。
空气箱110还可以包含干燥剂包装120，并且可以界定通过过滤器118和干燥剂包装120的流动路径。干燥剂包装120可以包含干燥剂颗粒，用于从进气空气中除去水分。例如，干燥剂颗粒可以是硅胶或活性氧化铝干燥剂。在一个示例中，干燥剂颗粒可以是直径约0.5-0.8mm的粒状颗粒。
空气箱110可以经由开口122可移除地插入壳体108中，从而可以容易地更换过滤器118或干燥剂包装120。例如，在长时间使用之后，过滤器118可能变得堵塞，或者干燥剂包装120可能变得充满水分，使得它们失去有效性。方便地，过滤器118和干燥剂包装120可以通过匣或小袋的形式提供，以便于安装在空气箱110中。空气箱110可以通过任何合适的机构保持在壳体108中。例如，空气箱110可以可滑动地容纳在壳体108中界定的轨道中，或者可以通过夹子固定。
空气箱110可以通过阀件128与压缩机进气管124以及压缩机输出管126连通。阀件128还可以与吸附容器进气/排气流道130连通，并且可以进一步包含用于将空气排放到大气的净气出口132。
可以选择性地将阀件128操作为第一状态，以将压缩机进气管124与空气箱110和压缩机134连接，并将压缩机输出管126与吸附容器进气/排气流道130连接。可以进一步将阀件128操作为第二状态，以将吸附容器进气/排气流道130连接到净气出口132。可以电性控制阀件128。例如，阀件128可以通过所提供的电信号在其状态之间切换。
富氧化单元104还可以包含压缩机134，用于经由空气箱110抽吸空气，并且对空气加压。特别地，压缩机134可以经由压缩机进气管124接收空气供应，并且经由压缩机输出管126排出加压空气。压缩机134可以由电动马达驱动，例如DC电动马达，并且可以由电信号控制。压缩机134可以产生至少100kPa的压差以及每分钟2升或更高的流速。在一些实施例中，压缩机134可以是帕克汉尼汾公司(Parker Hannifin Corporation)制造的型号C103E-13或C134D-13压缩机。
如上所述，压缩机输出管126可以连接到压缩机134以从其接收加压空气，并且可以经由阀件128选择性地连接到吸附容器进气/排气流道130。吸附容器进气/排气流道130可以接着与吸附容器136连接。
吸附容器136可以是基本上气密的容器，具有第一端口138与吸附容器进气流道130连通，并且第二端口140用于排出处理过的空气。
吸附容器136可以包含吸附剂，用于增加由压缩机134供应的空气的氧气浓度。在一些实施例中，反应物可以是沸石的颗粒。
当进行循环加压和减压时，沸石可以通过吸附来增加空气中的氧气浓度。例如，当经受高于大气压力的压力(例如，高于大气压力1-2bar)时，沸石可以优先吸附空气中的非氧成分，并且，当经受较低的压力(例如，等于或小于大气压力)时，沸石可以脱附先前吸附的分子。因此，通过吸附容器136内的压力循环，可以活化沸石颗粒以吸附非氧气体，并且接着通过释出这些气体来更新沸石颗粒(即恢复吸附容量)。
在一些示例中，可以选择在加压时吸附氮气并且在减压时脱附氮气的沸石。例如，合适的沸石可以包含LTA型沸石(例如：5A、4A)或八面沸石型沸石(例如：13X)及这些沸石的改质形式，或者这些沸石的混合物。在一些示例中，沸石可以是来自建龙化工(JianlongChemical)的JLOX-101沸石或北京-DF-13X(Beijing-DF-13X)沸石。或者，或另外，可以选择不同的吸附剂来吸附空气的其他非氧成分，例如二氧化碳和VOC。
在一些实施例中，容器136可以配置为分子筛吸附管柱。容器136可以部分地或完全地填充有沸石颗粒。在一些示例中，沸石颗粒的尺寸可以为0.4-1.15Φ。可以在容器136内松散地填充沸石管柱。在一些示例中，所述管柱可以是大致上圆柱形的，并且长度可以是大约4-4.5英寸，直径可以是1.25英寸。沸石颗粒可以提供每克约100-600m2的表面积。已经根据实验确定，如果根据本文揭露的方法在大气压力和高于大气压力约2bat的压力之间循环，具有这种特性的沸石管柱可以提供高达约2升/分钟的输出空气，具有氧气体积浓度高达约为30-50％。
在一些实施例中，沸石颗粒可以由容器136内的结构支撑。例如，容器136可以具有支撑沸石颗粒的框架或一个以上的挡板。这种容器可以界定填充有沸石颗粒的迷宫式流动路径。空气可以途经迷宫式路径和沸石颗粒。
图3C-图3D分别描述了两个示例性容器136'和136”的简化纵向剖面图。容器136'具有一个内部挡板139。在流出容器136'之前，空气可以流入容器并且绕过挡板139而倒转方向。容器136”具有三个内部挡板139。在流出容器136”之前，空气可以流入容器136”并倒转方向三次，即绕过挡板139的每一个倒转方向三次。容器136'、136”可以填充基本上参照如上所述的容器136的类型和数量的沸石颗粒。
挡板139可以提供通过吸附容器的更长流动路径，因此，空气在吸附床中的滞留时间更长。这反而可以为吸附床提供更多的时间来去除非氧成分。换句话说，由挡板139界定的迷宫式路径可以增加吸附床的富氧化效果。迷宫式流动路径的长度以及空气的滞留时间可以随着挡板的数量而增加。除了增加滞留时间之外，由挡板139界定的迷宫式路径可以确保大部分吸附剂颗粒暴露于空气中。
图4描述了示例性吸附容器136的分解图，更详细地示出了其内部组件。
如图所示，吸附容器136是大致上中空的，界定了用于循环加压和减压的内部腔室160。吸附容器136在其入口端具有分配器组件162。分配器组件162包含具有多个穿孔166的薄板164。经由端口138接收的空气被引导抵靠薄板164并且穿过穿孔166，以将流入的空气分散到腔室160内。
分配器组件162可以界定第一端口138和薄板164之间的空隙。在一些实施例中，可以将干燥剂材料放置在其中。例如，干燥剂材料可以是粒状活性氧化铝或硅胶干燥剂，并且可以松散地插入由分配器组件162界定的空隙中，或者包含在放置在其中的包装内。因此，吸入富集化单元104的大气可以流过干燥剂，所述干燥剂可以从空气中去除水分。已经确定，这种水分的去除可以改善至少一些沸石的吸附。
吸附容器136还可以包含位于分配器组件162附近以及第二端口140附近的过滤组件168。过滤组件168防止干燥剂或沸石颗粒迁移到腔室160中或从腔室160中迁移出来。例如，过滤组件可以是金属丝网筛或多孔滤纸或滤布过滤器。
吸附容器136的第一端口138和第二端口140具有各自的孔170、172，用于使空气流入和流出容器136。在一些实施例中，孔170、172可以配置为避免在容器136中引入背压(back pressure)。也就是说，孔172可以比孔170更少限制性(例如，更大)，使得端口140限制流出容器136的空气不超过端口138限制流入容器136的空气。
容器136的端口140通向第一容器输出管142，其与阀件144连通。可以将阀件144操作为第一状态，以将第一容器输出管142连接到第二容器输出管146；并且可以将阀件144操作为第二状态下，以将第一容器输出管142连接到用于将容器136对大气排气的排气管148。阀件144可以是电性控制的。也就是说，可以通过电信号在其状态之间切换阀件144。
第二容器输出管146经由单向止回阀150通向呼吸出口112。止回阀150配置为自由地允许空气经由呼吸出口112流出富氧化单元104，并且防止空气经由出口112流入富氧化单元104。
流量控制阀149可以放置在阀件144和止回阀150之间。流量控制阀149可以是，例如：针阀。流量控制阀149可以启动可变流量，并且可以被电性控制以允许空气以特定的流速流过。当阀件144处于其第一状态时，即当容器136与呼吸出口112连通时，可以打开阀件149，使得其允许气流到达呼吸出口，但是限制所述流动以维持腔室136内的升高的压力。这反而可以防止腔室136内的沸石释放非氧成分，从而保持经由呼吸出口112输送的空气的富氧性。
图5示出了富氧化单元104的组件之间的流体连接示意图。
如图所示，经由空气箱110从大气中抽吸空气，从而通过过滤器118和干燥剂120。将进气空气经由压缩机入口管124提供给压缩机134。将压缩空气从压缩机134经由压缩机输出管126、阀件128和容器入口/出口流道130的路径供应到容器136。
如上所述，阀件128可以改为打开以允许将容器136内的压力经由排气管132排放到大气。
容器136经由第一容器出口管142与阀件144连通。阀件144将第一出口管142连接到第二出口管146。单向止回阀150介于第二出口管146和出口端口120之间。流量控制阀149介于阀件144和止回阀150之间。
参照图3B，富氧化单元104进一步包含控制器模块152和电源154，控制器模块152和电源154的每一个可以通过合适的布线(图未显示)与压缩机134和阀件128、阀件144的每一个电性连接。
例如，电源154可以包含一个以上的电池156，其可以根据压缩机154和阀件128、144的电压和电流需求并联或串联连接。尽管电源被显示为电池供电，但是电源可以包含AC/DC转换器并且可以从壁面插座向所述单元供电或者用于对可再充电电池再充电。电源还可以从具有USB、微型USB(micro USB)、闪电连接器(lightning)或火线连接器(firewireconnector)等的电缆接收电力。电源还可以使用电感或其他已知机制来无线地接收电力。
控制器模块152可以包含一个以上的控制器芯片或印刷电路板，并且可以操作为将信号提供给压缩机134和阀件128、144的每一个，以在期望的时间或期望的时段内启动压缩机134或阀件128。在一些实施例中，控制器模块152可以另外具有用于接收指示富氧化单元104的组件状态的信号的输入端。例如，控制器模块152可以具有用于接收指示容器136中的压力或离开容器136的空气的氧含量的信号的输入端。控制器模块152还可以包含处理器和无线数据电路，用于与诸如智能手机或校准仪器的外部设备通信数据信号。在一些实施例中，控制器模块152可以与位于呼吸出口112附近的氧气传感器通信。氧气传感器可以向控制器模块152提供指示经由呼吸出口112排出的空气的氧含量的信号。例如，来自氧气传感器的信号可以用于测试富氧化单元104的操作。可以通过诸如屏幕、一个以上的LED指示器等的显示组件，或通过与诸如计算机或智能电话的装置的无线通信来提供测试结果。在一些实施例中，可以提供控制端以允许用户调节经由呼吸出口112排出的空气的期望氧含量。可以在富氧化单元114上提供诸如一个以上的刻度盘(dial)或小键盘(keypad)的控制端。或者，或另外，富氧化单元104可以通过与智能手机、计算机等的无线通信来接收控制端输入。
控制器152还可以与容器136内的压力传感器通信，并且湿度传感器定位为测量进入容器136的空气的水分含量。控制器152可以使用来自压力传感器和湿度传感器的信号来产生指示操作状态的输出。例如，可以使用显示组件或通过使用诸如计算机或智能电话的装置的无线通信来呈现输出。例如，当压力和水分含量在设计参数内时，控制器152可以将LED 116操作为第一颜色或第一照明图案；并且将LED 116操作为不同的颜色或照明图案以指示压力或水分含量太低或太高。
控制器152可以包含一个以上的定时器，用于追踪组件的使用时间的。例如，可以提供定时器以测量自更换空气过滤器、干燥剂包装或沸石以来所经过的时间。控制器152可以输出指示组件是否需要更换的信号，例如，当对应的定时器超过阈值时。可以使用诸如屏幕或LED的显示组件或通过使用诸如计算机或智能电话的装置的无线通信来呈现信号。
图6为富氧化单元104的组件之间的电性连接示意图。如图所示，电源154连接到控制器模块152，并且通过控制器模块152提供动力给压缩机134、阀件128和阀件144。控制器模块152可以配置为在特定的时间间隔将电力输送给压缩机134、阀件128和阀件144，使得压缩机134周期性地运行特定的持续时间，并且使得阀件128、144在特定时间周期性地切换状态。如以下将进一步详细描述的，这种操作可以允许对容器136的加压，以有效地从进气空气中吸附非氧分子，接着允许对容器136减压以脱附和排出非氧分子。对容器136的加压和减压可以是循环的，并且可以控制每个阶段的持续时间，以在输出空气中产生特定的期望氧气浓度，并且在循环之间提供沸石的再活化(refreshing)。
图7A-图7D描述了阀件128、144的四种操作状态。在第一操作状态中，如图7A所示，阀件128将压缩机输出管126与反应器输入/排气流道130连接。将来自压缩机134的加压空气供应给容器136。阀件144阻挡第一容器出口管142，并且将第二容器出口管146对大气排气。因此，在这种状态下，可以迫使压缩空气进入容器136，并且可以防止压缩空气流出容器136。
如图7B所示，在第二状态下，阀件128将压缩机输出管126与反应器输入/排气流道130连接。阀件144将第一容器出口管142与第二容器出口管146连接。因此，在这种状态下，可以迫使压缩空气进入容器136并流出容器136，并且经由第一出口管142和第二出口管146流到呼吸出口112。
如图7C所示，在第三状态下，阀件128将反应器输入/排气流道130对大气排气，并且阻挡压缩机输出管126。阀件144将第一容器出口管142与第二容器出口管146连接。因此，在这种状态下，可以通过阀件128将空气从容器136排出，并且可以从容器136经由第一出口管142和第二出口管146流到呼吸出口112。
如图7D所示，在第四状态下，阀件128将反应器输入/排气流道130对大气排气，并且阻挡压缩机输出管126。阀件144阻挡第一容器出口管142，并且将第二容器出口管146对大气排气。因此，在这种状态下，可以通过阀件128将空气从容器136排出。
图8A-图8B描述了富氧化单元104的操作的方法S1000。图8A描述了一连串的操作阶段；图8B描述了阀件128、144和压缩机134的状态的对应变化。图9为描述阀件128、144和压缩机134的对应状态的时序图，以及容器160中的空气的氧含量的示例图。
在方块S1100，富氧化单元104由用户启动，例如，通过电源开关114的操作。
在方块S1200，富氧化单元104对吸附容器136的腔室160加压。具体地，在方块S1202(图9中的时间t1)，控制器模块152将信号发送给压缩机134，引发压缩机的启动，使得其经由进气管124吸入空气并且经由输出管126输出加压空气。
在方块S1204(图9中的时间t1)，控制器模块152进一步将信号发送给阀件128，使阀件128将压缩机输出管126与容器进气/排气流道130连接。控制器模块152进一步将信号发送给阀件144，使阀件144阻挡第一容器输出管142，并且使第二容器输出管144对大气排气。因此，阀件128、144处于图7A所示的第一状态。控制器模块152可以在启动压缩机134时启动定时器。
在压缩机134运行并且阀件128、144处于图7A所示的第一状态的情况下，迫使空气进入容器136，从而导致腔室160内的压力增大。控制器模块152可以继续运行压缩机134达特定的时间间隔，即从图9中的t1到t2，或者直到达到特定的压力阈值，或者直到高于阈值的压力已经保持一段时间。
腔室160内达到的压力可以取决于压缩机134的特性。在一些实施例中，压缩机134可以产生至少2bar的压力的增加，以及大约每分钟2升的流速。在这样的示例中，腔室160内的压力可以达到高于大气压力约2bar。
腔室160内的沸石对氮气的吸附以及这种吸附的速率可以取决于：腔室160内的压力；沸石的类型、量和饱和度；以及空气在腔室160内的滞留时间等因素。考虑到这些因素，和压缩机产生的压力增加和流速，以及容器136和腔室160的容积，可以根据输出空气中的期望氧含量来选择压缩机134在阀件144关闭的情况下运行的持续时间。
对于如本文所述的压缩机134、容器136和沸石，在方块S1100，压缩机134可以在大约2bar的最大压力增加下操作大约10秒，其可以在腔室160中产生足够的压力以引发氮气吸附。
在方块S1300(图9中的时间t3)，控制器模块152发送信号给阀件144，使阀件144将第一出口管142与第二出口管146连接，允许空气流到流量控制阀149。控制器模块152同样发送信号给阀件149，使阀件149充分打开以允许气流进入并且保持腔室136中的压力。空气从腔室136经由阀件144、149、150的路径，通过呼吸出口112到达用户。因此，如图7B所示，在方块S1300，将阀件128、144置于第二状态。在方块S1300，控制器模块持续将信号发送给压缩机134，从而引发压缩机的操作。
当将阀件128、144转换为到其在方块S1300的第二状态时，容器136内的压力升高。因此，在打开阀件144时，阀件144两边存在压差，并且将空气朝向呼吸出口112推出容器136。
被迫使进入容器136的空气可以在腔室160内停留一段时间，直到其被迫使或抽吸经由出口管142、146和呼吸出口112出去。在氮气在升高的压力下的腔室160中滞留期间，氮气可以被腔室160中的沸石吸附。因此，离开容器136的空气的氧含量可以高于大气。在一些示例中，离开容器136的空气中的氧含量可以高达50体积％。
随着更多的氮气被腔室160中的沸石吸附，吸附速率可能减慢。因此，在方块S1400(图9中的时间t4)，控制器模块152可以引发容器136的排气。具体地，在方块S1402，控制器模块152使压缩机134停止运行，例如通过将信号发送给压缩机134或通过中断对压缩机134的供电。
在方块S1404，控制器模块152将信号发送给阀件128，使阀件128阻挡压缩机输出管126，并使容器入口/排气管130对大气排气。因此，如图7C所示，在方块S1404，将阀件128、144置于第三状态。
如图7C所示，虽然阀件128、144处于第三状态，但是空气可以自由地从腔室160经由入口/排气管130和阀件128流到大气。因此，可以释放腔室160中的压力。当阀件144保持打开时，用户可以继续经由呼吸出口112呼吸空气。
在方块S1406，控制器模块152将信号发送给阀件144，使阀件144阻挡第一出口管142，并且使第二出口管146对大气排气。因此，如图7D所示，在方块S1406，将阀件128、144置于第四状态。在这种状态下，可以继续经由阀件128排出容器136中的压力。同时，压缩机134保持不启动。
在打开阀件128以排气的情况下，容器136内的状态(例如：压力、氧含量和氮含量)可以接近或等于大气状态。腔室160的减压可以引发沸石的氮气脱附。当脱附氮气时，沸石恢复在压力下吸附氮气的容量。容器136的排气(以及随后的氮气的脱附)可以被允许直到沸石基本上恢复其吸附氮气的所有容量，使得富集化单元104可以循环而不降低其富氧化效率。在示例中，在方块S1404，压缩机134可以保持不启动，并且阀件128、144可以保持在图7C的第三状态大约10-15秒；并且在方块S1406，压缩机134可以保持不启动，并且阀件128、144可以保持在图7D的第四状态持续大约10-15秒。
从容器136排出压力的速率可以部分地取决于富氧化单元104中的管件的长度和直径。在所示实施例中，富氧化单元104内的管件具有大约0.2英寸的内径，并且具有大约5-6英寸的总长度。在其他实施例中，管件的尺寸可以不同。如果管件内径明显较大或管件明显较短，则所需的排气时间可能较短(例如，缩短1-2秒)。相反地，如果管件内径明显较小或者管件明显较长，则所需的排气时间可能较长(例如，延长1-2秒)。
在一些实施例中，可以省略方块S1406。也就是说，不是关闭阀件144以关闭容器136，而是可以在容器136的整个排气期间，阀件128和阀件144都保持打开，使得容器136既经由入口/排气管130/阀件128，也经由出口管142、出口管146/阀件144排气。在这种情况下，可以将容器136经由阀件128、144排气总共大约20-30秒。经由阀件144排出的空气可以输送给用户以用于呼吸，或者可以排放到大气。
在其他实施例中，阀件128可以在方块S1404保持关闭。也就是说，不是在图7C的第三状态下操作，而是富氧化单元104可以仅将容器136经由阀件144排气以供用户呼吸。这种排气可以避免从容器136释放富氧化空气到大气。在这种情况下，与图7C的配置相比，排气可能相对地慢。
可以设定打开和关闭阀件128、144的时间，以避免在低于大气氧气浓度的情况下将空气释放给用户。
呼吸设备102和方法S1000可以允许可携带，并且经济地生产富氧化空气以供用户呼吸。呼吸设备102可以与至少一吸附单腔室和至少一个单独的压缩机一起操作。因此，呼吸设备102可以相对轻质以便于携带。此外，这里揭露的管件和阀件的配置相对地简单，并且各种组件的控制组同样可以相对地简单。这可以提供操作简易性，并且可以允许经济的生产和操作。
在一些实施例中，从容器136排出的富氧化空气可以与其他可吸入空气混合，并且可以将其混合物输送给用户。图10描述了代表这些实施例的富集化单元104'。富氧化单元104'具有与富氧化单元104类似的许多组件，类似的组件以相同的组件符号标记。富氧化单元104'具有空气箱110'，其包含过滤器和干燥剂(例如干燥剂包装)。所述空气箱具有两个出口。一个出口经由压缩机134通向容器136。另一个出口通向旁通管200。旁通管200向用户提供过滤的、干净的，而且没有流经容器136的可吸入空气流。旁通管200可以选择性地具有鼓风机202，用于迫使气流通过其中。另外，止回阀204可以定位在旁通管204中，用于防止气流逆向朝向空气箱110'。旁通管200和止回阀150的输出管相交于T形接头206。T形接头接收在容器136中的已富氧化的干净的、可吸入的空气以及已绕过容器136的干净的、可吸入的空气，并且允许在输送给用户之前将两者混合。选择性地，可以提供一个以上的可调节阀以供用户或控制器152操作，以改变空气流混合的比率，从而改变提供给用户的空气的体积和氧含量。
如上所述，容器136为大致上圆柱形。在其他实施例中，容器136可以不同地成形。例如，图11描述了具有细长矩形容器236的富氧化单元204，其可以被称为平坦包装(flatpack)。富氧化单元204的其他组件大致上类似于富氧化单元104的那些组件，并且为了简单起见将其省略。
容器236相对于圆柱形容器136可以具有减小的厚度。同样地，富氧化单元204的壳体208可以比富氧化单元104的壳体108更薄。这种减小的厚度可以提供增加的便携性或用户对便携性的感受。
在一些实施例中，吸附剂容器136/吸附剂容器236装配有一系列的外部鳍片。例如，图12描述了富氧化单元204'，除了其具有带有鳍片239的吸附剂容器236'之外，大致上与富氧化单元204相同。鳍片239从容器的外壁向外突出。鳍片239促进由对吸附容器内的空气的加压产生的热耗散。吸附剂容器和鳍片239的热耗散可以足够地高，使得容器可以完全被动地冷却，也就是说，不需要诸如冷却鳍片的组件。例如，在如本文所述的一些实施例中，在峰值压力值为约2bar(25-30psi)的情况下，冷却可以完全是被动的。值得注意的是，略高于典型环境室温的操作温度可以助于消除吸附剂腔室内的水气或湿气，这反而可以促进吸附剂颗粒吸附非氧空气成分。
鳍片239还提供吸附剂容器的结构增强。也就是说，装配有鳍片239的容器一般来说比没有鳍片239的相同容器(例如，相同尺寸和规格的容器)更硬和更坚固。
吸附剂容器可以由一系列的材料形成。在一些实施例中，吸附剂容器可以是金属的，例如钢或铝。在一些其他实施例中，吸附剂容器可以由聚合物形成，例如塑料。在具有非金属吸附剂容器的实施例中，鳍片239的热效应和结构效应可能特别重要。具体地，在一些实施例中，鳍片239为聚合物容器提供足够的强度或热耗散，而诸如钢或铝容器的金属容器可以足够地强并且在没有鳍片239的情况下耗散足够的热。
本文描述的装置、系统和方法的实施例可以通过硬件和软件的组合来实现。这些实施例可以在可程序化计算机上实现，每个计算机包含：至少一处理器、数据存储系统(包含易失性存储器(volatile memory)或非易失性存储器(non-volatile memory)或其他数据存储组件或其组合)，以及至少一通信界面。处理器可以在存储器中存储使用时间、自系统的组件被改变或替换以来的总使用持续时间、传感器读数、随时间构成趋势的传感器读数，以及与装置的操作相关的其他数据。
前面的讨论提供了许多示例性实施例。尽管每个实施例代表发明组件的单个组合，但是其他示例可以包含所揭露组件的所有可能组合。因此，如果一个实施例包括组件A、组件B和组件C，并且第二实施例包括组件B和组件D，则也可以使用A、B、C或D的其他剩余组合。
术语“连接到”或“耦合到”可以包含直接耦合(其中两个彼此耦合的组件彼此接触)和间接耦合(其中至少一个附加组件位于两个组件之间)。
尽管已经详细描述了实施例，但是应当理解，在不脱离由所附权利要求界定的范畴的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和更改。

Claims (44)

1.一种用于可吸入空气的富氧化的可携式呼吸设备，其特征在于，包括：
一吸附容器；
一空气压缩机，用于间歇地将大气泵入所述吸附容器，以对所述吸附容器加压；
一阀件，用于通过将所述容器对环境排气，以选择性地从所述吸附容器卸除压力；
一吸附剂，设置在所述吸附容器内，用于在对所述容器加压时优先吸附大气的一非氧成分，从而产生富氧化空气，并在卸除所述压力时脱附所述非氧成分。
2.根据权利要求1所述的可携式呼吸设备，其特征在于，所述吸附剂包括多个吸附剂颗粒，界定一吸附表面区域。
3.根据权利要求2所述的可携式呼吸设备，其特征在于，所述吸附剂包括一沸石。
4.根据权利要求3所述的可携式呼吸设备，其特征在于，所述非氧成分包括氮气。
5.根据权利要求3所述的可携式呼吸设备，其特征在于，所述吸附剂包括一LTA或八面沸石型沸石。
6.根据权利要求1所述的可携式呼吸设备，其特征在于，所述空气压缩机配置为将所述吸附容器加压至高于大气压力约2bar。
7.根据权利要求1所述的可携式呼吸设备，其特征在于，所述吸附容器经由一排气出口与所述阀件连通，并且其中所述吸附容器具有一呼吸出口，用于将所述可吸入空气输送给用户。
8.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述LTA或八面沸石型沸石包括多个颗粒，每个颗粒具有一约φ0.4mm至约φ2.5mm的尺寸范围。
9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述LTA或八面沸石型沸石包括多个颗粒，每个颗粒具有一约φ0.4mm至约φ0.8mm的尺寸范围。
10.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述LTA或八面沸石型沸石包括多个颗粒，每个颗粒具有一约φ0.85mm至约φ1.15mm的尺寸范围。
11.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述可再生吸附单腔室进一步包括：一扩散器，用于将由所述入口接收的所述大气分配于所述反应表面区域上方。
12.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，进一步包括至少一微粒过滤器，用于过滤大气。
13.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，进一步包括一干燥剂，用于从所述大气去除水分。
14.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，进一步包括多个散热片，从所述吸附容器的一外表面突出。
15.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述吸附容器为细长并且为矩形的形状。
16.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述吸附剂可以操作为在每分钟2升的速率下，生产具有一约30-50％的氧气体积浓度的空气。
17.一种富集化可吸入空气中的氧含量的方法，其特征在于，包括：
将大气泵入一吸附腔室以对所述吸附腔室加压；
从所述大气中吸附一非氧成分以生产富氧化空气；
排出用于呼吸的富氧化空气；
将所述吸附腔室对环境排气，以对所述吸附腔室减压并且吸附所述非氧成分；
从所述吸附腔室排出所述非氧成分。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，包括：将大气泵入一吸附腔室，以将所述吸附腔室加压至高于大气压力约2bar。
19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述非氧成分包括氮气。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述吸附包括通过一LTA或八面沸石型沸石吸附。
21.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，包括扩散泵入所述腔室的所述大气。
22.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，包括在所述吸附之前从所述大气去除水分。
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述去除水分包括将所述大气流过一干燥剂。
24.一种用于生产富氧化空气的装置，其特征在于，包括：
一可再生吸附单腔室，包括：
一入口，用于接收具有一第一流阻的大气，以及一单向出口，用于在所述可再生吸附单腔室外部输送具有第二流阻的所述富氧化空气，其中所述第一流阻大于所述第二流阻；以及
一吸附剂，具有一吸附表面区域，限定所述富氧化空气的一生产速率；
其中所述大气通过所述入口，并且在一第一腔室压下接触所述吸附表面区域以产生所述富氧化空气。
25.根据权利要求24所述的装置，其特征在于，相对于氧气，所述吸附剂优先吸附在所述第一腔室压下的大气的一非氧成分。
26.根据权利要求25所述的装置，其特征在于，所述装置进一步包括一压力装置，用于在所述腔室内的所述第一压力和一第二压力之间循环。
27.根据权利要求26所述的装置，其特征在于，所述第一腔室为约2bar至约3bar，并且所述第二压力为约1bar。
28.根据权利要求27所述的装置，其特征在于，所述吸附的非氧成分在所述第二压力下从所述吸附剂脱附。
29.根据权利要求28所述的装置，其特征在于，所述非氧成分在脱附之后从所述入口释出。
30.根据权利要求24所述的装置，其特征在于，所述吸附剂为粒状沸石。
31.根据权利要求30所述的装置，其特征在于，所述粒状沸石为一LTA或八面沸石型沸石。
32.根据权利要求30所述的装置，其特征在于，所述粒状沸石包括多个颗粒，每个颗粒具有一约φ0.4mm至约φ2.5mm的尺寸范围。
33.根据权利要求30所述的装置，其特征在于，所述粒状沸石包括多个颗粒，每个颗粒具有一约φ0.4mm至约φ0.8mm的尺寸范围。
34.根据权利要求30所述的装置，其特征在于，所述粒状沸石包括多个颗粒，每个颗粒具有一约φ0.85mm至约φ1.15mm的尺寸范围。
35.根据权利要求24所述的装置，其特征在于，所述可再生吸附单腔室进一步包括：一扩散器，用于将由所述入口接收的所述大气分配于所述反应表面区域上方。
36.根据权利要求35所述的装置，其特征在于，所述扩散器为一网状板，设置在所述可再生吸附单腔室中。
37.根据权利要求24所述的装置，其特征在于，所述装置进一步包括至少一微粒过滤器，用于过滤大气。
38.根据权利要求24所述的装置，其特征在于，所述单向出口进一步包括一文氏管，用于将大气挟带入富氧化空气流。
39.根据权利要求24所述的装置，其特征在于，所述吸附剂可以操作为在每分钟2升的速率下，生产具有一约30-50％的氧气体积浓度的空气。
40.一种生产富氧化空气的工艺，其特征在于，包括：
在一第一压力下使大气与一可再生吸附单腔室内的一吸附剂接触，使大气中的一非氧成分相对于氧气优先吸附到所述吸附剂以产生富氧化空气，
将所述可再生吸附单腔室减压至一第二腔室压，使所述吸附的非氧成分从所述吸附剂脱附。
41.根据权利要求39所述的工艺，其特征在于，所述富氧化空气经由一单向出口从所述可再生吸附单腔室输送。
42.根据权利要求39所述的工艺，其特征在于，所述第一腔室压为约2bar至约3bar，并且所述第二腔室压为约1bar。
43.根据权利要求39所述的工艺，其特征在于，具有一约30-50％的氧气体积浓度的富氧化空气在每分钟2升的速率下被生产。
44.根据权利要求39所述的工艺，其特征在于，所述非氧成分包括氮气。
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