CN110382945B - 气体储存装置的改进 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在压力下分配氧气(30)的装置(10)。该装置包括在室温下测量的在4巴和20巴之间的压力下用活性炭(14)和氧气(30)填充的罐(12)。罐用阀组件(18)密封，该阀组件(18)允许在阀组件启动时从罐中释放氧气。为了确保活性炭不与氧气反应产生一氧化碳，该装置还包括防止或显著减少一氧化碳的存在的催化剂(16)。在另一方面，存在一种用于在压力下分配气体(30)的装置(10)，该装置包括容积为1升或更小的罐(12)，该罐(12)填充有活性炭(14)，以在室温下测量的4巴和20巴之间的压力下吸附气体。罐(12)用阀组件(18)密封，阀组件(18)在密封件上方压接到罐，允许在阀组件启动时从罐中释放气体(30)，其中气体是二氧化碳、氧气、氮气或空气，并且罐是钢罐。在一个特别有利的实施例中，该装置用二氧化碳填充，并且包括大容量排放阀，使得其可用作宠物行为矫正装置。

Description

气体储存装置的改进
本发明涉及气体储存装置的改进，并且更具体地说，涉及用例如氧气或二氧化碳填充的装置的改进。本发明还涉及一种在装置中储存气体，特别是氧气、二氧化碳、氮气或空气的改进方法，并且涉及储存装置本身。
背景
传统上，填充有气体的罐可以用压缩气体填充，或者使用推进剂，例如HFA-134a，以便于排放。这种系统有许多缺点。
举例来说，GB2411812公开了一种宠物行为矫正装置，其包括填充有氢氟烃(HFC)形式的加压惰性冷凝气体的罐。在使用中，气体朝着例如狗的头部排放，以产生咝咝声。然而，这种装置有许多限制，包括：HFC的不良性质(环境损害)导致其被立法逐步淘汰，它们的液体性质限制了使用方向的事实(当倒置时它们不能有效发挥作用)，以及在减压时发生快速冷却，这对于宠物来说可能是痛苦的(并且是潜在有害的)，如果离动物太近时被激活，以及如果被意外触发，例如在用户的口袋中，会导致冻伤。
可使用替代推进剂替代HFC，但例如碳氢化合物气体(比如丁烷)非常易燃，而且还有潜在的滥用挥发性物质。许多推进剂还会留下残留沉积物，在诸如气体除尘器的应用中，这些残留沉积物会对灵敏的电子设备造成损害。气体除尘器是一种用于清洁难以触及的表面(比如设备和电子或灵敏器具中的凹槽和裂缝)的装置，其用常规解决方法无法触及或清洁。
然而，因为空气及其包括氧气、氮气和二氧化碳的组分不容易液化，所以在不需要提供强化以获得过高的压力的情况下，只能储存少量的气体。
WO2005/054742公开了一种用于气体的储存容器，其包括含有一定量活性炭和吸附在活性炭上的气体的密封容器。
一种这样的气体是氧气。
填充有压缩氧气的容器可用于多种应用，比如，举例来说治疗或运动增强的目的。
使用活性炭作为储存手段能够在给定的容积中储存更大体积的气体。对于氧气，根据活性炭的等级，在相同的压力下，这大约是只通过压缩获得的储存体积的2到3倍。
通常，气体在4-17巴的压力下储存(在室温下测量)，并且通常容器包含按容积计至少40％的活性炭。然而，一些罐可以承受20巴的压力。
该装置可适于接纳面罩、嘴件和/或鼻件，并且通常包括允许填充和分配的阀组件。它还可以包含在活性炭和阀组件的阀之间的过滤器。
该装置可以经由连接器(例如管)连接到面罩、嘴件和/或鼻件，并且这些部件可以单独出售或者作为成套零件出售。
在该装置以高于约8巴的压力填充有氧气的情况下，希望使用高活性炭(活性高于60％CTC(四氯化碳)的碳)，尽管也可以使用低活性炭，特别是填充压力较低时。
申请人已经确定，由于活性炭和氧气之间的反应，在压力下填充有氧气或空气的包含活性炭的装置含有不少的一氧化碳量(浓度超过100ppmv)。虽然在这些水平上一氧化碳本身并不危险，但一氧化碳对血红蛋白的结合亲和力是氧的250倍。因此，即使相对低水平的一氧化碳也会抵消呼吸纯氧带来的好处。事实上，浓度为200ppmv的一氧化碳会引起头痛和恶心。
本发明的目的是确保使用活性炭输送的氧气或空气大体上不含一氧化碳。
第二个且独立的方面是管理与用气体填充罐相关的热效应，该方面不限于氧气。事实上，在气体是二氧化碳的情况下，该第二个方面可能是一个更大的问题，因为在填充有活性炭的罐中大得多的量(压缩二氧化碳的量的25倍)可以被吸附，吸附是放热的。
事实上，在气体是二氧化碳的情况下，WO2005/054742教导了用固体二氧化碳或干冰填充装置以抵消任何放热反应。
然而，精确地分配干冰被证明是困难的，并且对于1升的罐来说，小至+3g的变化会导致多达1.6升的二氧化碳的变化，这反过来会在装置平衡到室温时导致装置的过度加压。
可选择地，WO2008/064293教导了一种填充方法，该方法通过将干冰放置在罐中，并且然后将阀组件压接到罐，消除了进行涉及多个冷却和再填充步骤的逐步填充过程的需要。
这种方法的原因是装置通常使用铝罐制成，并且阀组件在塑料(例如PET或硅橡胶)密封件上方压接到罐。申请人已经确定，由于铝的高导热性，在小装置(1升或更小)中，热量快速传递到罐会使密封件变形，导致装置失效——压接部周围泄漏——因此使用WO2008/064293中教导的方法。
WO2005/070788教导了填充罐。罐被填充有液体产品，该液体产品将通过插入到中空管中的针分配，并且该罐操作以克服偏压装置的作用打开阀，以允许液体通过通道和汲取管，并且使罐填充到产品水平。
WO2014/037086教导了需要使罐的填充符合现有的商业罐生产/填充技术和装置，以允许其被容易地引入气雾剂行业并被气雾剂行业接受。所公开的装置是阀上袋装置(bag-on-valve arrangement)，其中阀上袋装置通过孔插入，并在气体填充操作期间宽松地保持在其中，在气体填充操作中，气体通过宽松定位的阀组周围的孔供给。理想地，气体填充被快速实现，例如在大约1秒钟内，并且然后，阀组立即紧密配合在孔中，并通过压接部/垫圈被密封在其中。这样，碳已经被引入与阀上袋装置结合的罐1中，并以密封状态保持在其中，而不需要管理或监控其状态。
事实上，当涉及到管理热量时，WO2014/037086教导了在放置在罐中之前使用覆盖气体并保持碳颗粒/丸粒/环形物与二氧化碳或其他吸附气体(特别是冷气、液体或雪)源接触。
本发明的另一个且独立的目的是找到替代方法来管理热量，或者以其他方式改进制造过程，以确保在制造活性炭填充装置时更简单且重要的是更精确的填充，同时减少装置故障。
与上述相比之下，申请人已经确定，至少对于小容积的装置，例如容积为1升或更小的罐，通过选择钢罐，而不是更常规的铝罐，可以在单个或两个步骤的过程中，通过装置的阀组件，在室温下至少高达17巴或甚至高达20巴的压力下，使用商用气井(gasser)来填充罐。这消除了填充部分组装的装置和随后将阀组件压接到罐或者以逐步方式多次填充该装置、在每次部分填充之间冷却的需要。
这具有以下显著优势：
i)加速填充过程；和
ii)减少因压接部周围的罐故障或因罐的过度加压而导致的故障。
与WO2008/064293的教导相比，第二且独立方面的方法包括通过装置的阀组件在一个或两个步骤过程中对装置(该装置包括活性炭填充的钢罐)充气或基本上由其构成。
特别地，该气体是二氧化碳，但也可以是氧气、氮气或空气。
该装置优选为罐容积不超过1升的装置。
本公开的简要概述
根据本发明的第一方面，提供了一种用于在压力下分配氧气的装置，该装置包括在室温下测量的在4和20巴之间的压力下填充有活性炭和氧气的罐，该罐用阀组件密封，该阀组件允许在阀组件启动时从罐中释放氧气，其特征在于，该装置还包括防止或显著减少一氧化碳的存在的催化剂。
优选的催化剂在环境温度下将一氧化碳转化为二氧化碳。
优选的催化剂是霍加拉特剂(Hopcalite)，它是铜和锰氧化物的混合物。有多种组成成分可供选择，包括申请人专有配方SB100TM。
优选地，催化剂包括二氧化锰和氧化铜。
仅作为示例，霍加拉特剂I是50％的MnO、30％的CuO、15％的Co2O3和5％的Ag2O的混合物，并且“霍加拉特剂II”是大约3∶1的二氧化锰∶氧化铜。
优选地，霍加拉特剂以大于0.4％(w/w)的浓度使用。
霍加拉特剂有多种形式，而优选的形式是丸粒。
活性炭可以是经过专门处理以开发出吸附待吸附气体的广泛能力的任何碳。
合适的碳包括碳源，例如，举例来说泥炭、木材、煤、果壳、石油、焦炭和骨头，或者合成物源，例如聚(丙烯腈)或苯酚-甲醛。
优选地，活性炭源自椰子壳或煤基。
优选地，活性炭具有0.4-0.5g/cm3的密度。
如WO2005/054742(通过引用并入)中所公开的，存在许多活化碳的方法，并且活化过程形成了从大孔(孔径大于50nm)到亚微孔(孔径小于2nm)的各种尺寸的孔的复杂网络。较大的孔被称为输送孔，并用于提供进入较小孔的通道，气态物种的大部分吸附发生在较小孔中。
活性炭可以以粉末、颗粒或丸粒的形式提供且被提供各种尺寸，提供形式和尺寸两者都会影响吸附动力学。技术人员将根据所需的期望的材料吸附性能选择合适的组合。
如WO2005/054742的示例1中所述，与氧气一起使用的合适的活性炭包括不同来源、密度、活性和网孔尺寸的活性炭，为了使吸附最大化来做出选择。优选的形式是申请人专有活性炭SBCTM。
选择具有高微孔率(小于2nm)和高表面积(大于500m2/g，以及更优选地大于1000m2/g)的活性炭显然是期望的。WO2005/054742的表3中示出了一种这样的材料，WO2005/054742的公开内容通过引用并入，并且该表如下表1被再现：
表1
Figure GDA0003473826020000051
Figure GDA0003473826020000061
Figure GDA0003473826020000062
对于填充有气体的装置，WO2005/054742教导了例如二氧化碳的吸收可以随着活化程度(以吸收四氯化碳(CTC)蒸汽的能力来测量)而变化。在WO2005/054742中，参考活性炭说明了这一点，其中CTC值范围为27％的CTC至111％的CTC，压力范围为0-20巴。
据报道，在低于约8巴的较低压力下(其中的图2)，低活性炭可以显示较高的吸收，并且进一步教导活性炭的体积密度(bulk density)是最大化吸附的最重要因素之一。该教导说明了范围为0.35-0.55g/cm3的体积密度。
从这一教导可以明显看出，为给定的应用选择合适的活性炭是技术人员通常要做的事情。
选择了合适的活性炭后，罐用活性炭被填充，对于大多数应用，活性炭通常大于40％、至50％、60％、70％甚至更大(按容积计)。然而，在一些应用中，可以使用非常小体积的活性炭。
优选地，该装置还装配有过滤器，该过滤器位于活性炭和阀组件的阀之间。更优选地，过滤器是HEPA过滤器。
在该装置被氧气或空气填充的情况下，优选地，该装置设有嘴件和/或鼻件、面罩或类似物以及连接器，例如用于连接到该装置的柔性管。致动器允许吸附气体通过阀和可选的调节器从罐中释放。
优选地，该装置通过阀组件充气，注意控制填充过程的放热性质。这可以通过使用容积约为1升或更小的钢罐来有效地实现。
根据本发明的第二个且独立的方面，提供了一种对在压力下分配气体的装置进行充气的改进方法，该装置包括容积为1升或更小的罐，该罐填充有活性炭，以在室温下测量的在4巴和20巴之间的压力下吸附气体，该罐用阀组件密封，该阀组件在密封件上方压接到罐，允许在阀组件启动时从罐中释放气体，其中气体是二氧化碳、氧气或空气，罐包括钢，并且罐通过阀组件在单个或两个步骤操作中被填充。
优选地，所述方法还包括使用振动使活性炭的装填最大化的步骤。
优选地，罐具有1升或更小的容积，并且包括例如大约370ml、640ml和980ml的罐。
这种尺寸的罐在被填充时通常可以分别容纳大约10升、20升和30升的氧气或40升、70升或100升的二氧化碳。
根据本发明的第三方面，提供了一种在压力下分配气体的装置，该装置包括容积为1升或更小的罐，该罐填充有活性炭，以在室温下测量的在4和20巴之间的压力下吸附气体，该罐由在密封件上方压接到罐的阀组件密封，该阀组件允许在阀组件启动时从罐中释放气体，其中气体是二氧化碳、氧气或空气，并且罐包括钢。
该装置优选填充有氧气或二氧化碳。
优选地，罐具有1升或更小的容积，并且包括例如370ml、640ml和980ml的罐。
填充有二氧化碳的优选装置是宠物行为矫正装置，该装置包括大容量排放阀。
大容量排放阀具有阀杆，该阀杆的孔口直径至少为0.3mm、更优选至少为0.4mm、并且高达约0.6mm。
填充有二氧化碳的另一个优选装置是气体除尘器装置，并且其包括可连接到阀组件的管，以允许气体在排放时被引导到目标表面。
优选地，用活性炭将罐填充到按容积计至少85％，更优选地至少90％，并且最优选地至少95％。如果该装置用干冰填充，必须为干冰留出足够的空间，这样就不可能最大限度地提高填充效率。
在气体是氧气或空气的情况下，该装置可以与面罩、嘴件和/或鼻件以及连接器(例如管)中的一个或更多个一起提供，并且这些部件可以单独出售或者作为成套零件出售。
该装置或套件可以与使用说明一起提供。
在另一个实施例中，该装置可以包括调节器和/或计数器或用于确定用途的其他装置。计数器可以与装置集成在一起，或者可以将使用情况传达给用户携带或佩戴的装置，例如智能电话或可佩戴装置，例如Fit
Figure GDA0003473826020000081
这使用户或第三方能够监控吸氧对性能和恢复的影响。
附图简述
在下文中参考附图进一步描述本发明的实施例，其中：
图1是根据本发明的第一方面的装置。
详细描述
图1图示了根据本发明的第一方面的装置10。其包括填充有活性炭14和催化剂16的罐12，罐12优选为钢的，罐12用包括阀20和致动器22的阀组件18密封。过滤器24防止活性炭堵塞阀杆26。
根据本发明的第二方面，该装置填充有气体30，例如氧气，其被吸附到活性炭中，并且其随后可以通过致动器22的操作从该装置中释放。
为了填充装置10，气体30使用专有气井在压力下经由阀20被迫使进入罐12中。
参考示例1和2中产生的测试数据进一步举例说明本发明。
示例1
催化剂对一氧化碳水平的影响
下文陈述了1升以下各种尺寸的罐12的组装：
a)将霍加拉特剂16的一个或两个丸粒加入到空(钢)罐12中，使得霍加拉特剂的净浓度高于约0.5％w/w；
b)罐12填充有颗粒状活性炭14，优选使用振动来最大化装填；
c)将过滤器24安装到阀组件18的阀杆26，并将受保护的阀杆24、26插入活性炭14中；
d)将阀组件18压接到罐12；并且
e)用专有气井，用氧气30给装置10充气。
在填充后分析时注意到，在高压下，氧气与高活性炭表面的相互作用出现形成少量一氧化碳的现象。测试显示出，在室温下储存1个月后，从装置中排出的气体中的一氧化碳浓度约为300ppmv，并且可高达600ppmv。
这种浓度虽然对健康不是直接危害，但在这种类型的产品中是非常不理想的，因此申请人进行了一些进一步的测试，看看是否可以通过添加催化剂(例如霍加拉特剂)来缓解该问题。
活性炭前体的类型不同，如表2所示，霍加拉特剂的量也不同，并且一氧化碳的量在填充后约200天确定。
表2
Figure GDA0003473826020000101
从表2中可以看出，霍加拉特剂的加入大大降低了一氧化碳浓度，并且数据表明>0.4％的浓度足以有效确保一氧化碳浓度为零。
用氧气对罐进行充气是使用商用气井进行的，商用气井通常在10巴的压力下操作。
示例2
罐的类型对热传递和装置故障的影响
当传统的铝结构的罐用二氧化碳充气时，由于二氧化碳在活性炭上的放热吸附，注意到，温度上升了46.5℃。这种快速的温度上升导致罐和阀组件之间的密封件(通常是橡胶)变形，导致装置泄漏和过早减压。
因此，且为了避免过热和过度加压的风险，有必要以逐步方式引入气体，以允许装置在步骤之间被冷却。
然而，当类似尺寸的钢罐用二氧化碳充气时，注意到罐的温度上升仅为3.7℃，因此申请人能够在一个步骤过程中填充该装置，而没有给橡胶密封件加压力或给容器过度加压的风险。
测试结果给出如下：
使用的气体：二氧化碳
钢罐尺寸：直径65mm，高度195mm。容积＝πr2h＝646ml
铝罐尺寸：直径66mm，高度218mm。容积＝πr2h＝745ml
室温下的钢罐：14.5℃
铝罐：室温下：14.5℃
钢罐中的碳的量：265克
铝罐中的碳的量：282克
两个罐都是在10巴的压力下充气
加压至10巴后的钢罐温度：18.2℃
加压至10巴后的铝罐温度：61℃
热管理是这一过程中的一个重要考虑因素，因为过多的热量产生会导致装置故障，这通常是由于设置在罐和阀组件(其中两个部件压接在一起)之间的橡胶密封件的变形造成的。
以前，这已经通过使用固体二氧化碳或填充过程(该填充过程需要在压力下的多个充气步骤，并且然后冷却)来解决。
优选活性炭源
尽管活性炭的这些形式和衍生物中的任何一种可适用于氧气储存应用，但是优选使用源自椰子壳的颗粒状活性炭，也称为HDS活性炭，因为这提供了具有低灰分的优异物理性能，并且是具有环境友好认证的可持续材料。
精确的粒度测量应能在不造成操作困难的情况下，使罐中的填充物达到最大重量。
合适的网孔范围(mesh range)是，例如，30×70或12×20US网孔，其中CTC活性>85％和水分<5％。
合适的但非限制性的密度范围是0.4-0.5g/cm3。

Claims (11)

1.一种用于分配在压力下储存的氧气(30)的装置(10)，所述装置(10)包括罐(12)，所述罐(12)填充有按体积计至少40％的活性炭(14)和被所述活性炭吸附并且在室温下测量时在4巴和20巴之间的压力下储存的氧气(30)，所述罐用阀组件(18)密封，所述阀组件(18)允许在所述阀组件启动时从所述罐中释放氧气，其中，所述装置还包括在环境温度下将一氧化碳转化为二氧化碳以防止或显著减少一氧化碳的存在的催化剂(16)，其中所述催化剂包括铜和锰氧化物并且所述催化剂以大于0.4％w/w的浓度使用，并且其中所述罐的容积为1L或更小。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述催化剂包括二氧化锰和氧化铜。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述催化剂是霍加拉特剂。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其中，所述活性炭源自椰子壳或煤基。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其中，所述活性炭具有0.4-0.5g/cm3的密度。
6.根据权利要求4所述的装置，其中，所述活性炭具有0.4-0.5g/cm3的密度。
7.根据权利要求1-3和6中任一项所述的装置，还包括用于监控所述装置的气体使用的调节器和/或计数器。
8.根据权利要求4所述的装置，还包括用于监控所述装置的气体使用的调节器和/或计数器。
9.根据权利要求5所述的装置，还包括用于监控所述装置的气体使用的调节器和/或计数器。
10.一种套件，包括权利要求1-6中任一项所述的装置以及面罩、嘴件和/或鼻件。
11.根据权利要求10所述的套件，还包括连接器。
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