CN113677418A - 用于治疗呼吸障碍的方法和装置 - Google Patents

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CN113677418A
CN113677418A CN202080025148.4A CN202080025148A CN113677418A CN 113677418 A CN113677418 A CN 113677418A CN 202080025148 A CN202080025148 A CN 202080025148A CN 113677418 A CN113677418 A CN 113677418A
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sieve bed
pressure
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oxygen
remaining capacity
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CN202080025148.4A
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沙延·米拉丽波
罗纳德·詹姆斯·休比
阮洁明
大卫·阿戈斯蒂内利
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Resmed Pty Ltd
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Resmed Pty Ltd
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Abstract

一种装置，例如便携式氧气浓缩器(100)或与其通信的其他设备，可以配置为例如具有处理器，以估计浓缩器的筛床的剩余容量。这样的装置可以配置为针对氧气浓缩器的变压吸附循环的阶段，访问筛床的测量的压力‑时间特性的参数。该装置可以配置为访问压力‑时间特性的参数和筛床的一个或多个操作特性的一个或多个函数。该装置可以配置为通过将一个或多个函数应用于测量的压力‑时间特性的参数来估计剩余容量。然后，这样的估计可以用作提供通知的基础，例如在显示器上或通过电子消息传送，以告知筛床的剩余寿命，或以其他方式方便消耗部件的及时更换。

Description

用于治疗呼吸障碍的方法和装置
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年2月6日提交的美国临时申请第62/802076的权益，其全部公开内容通过引用并入本文。
技术领域
本技术总体上涉及用于治疗呼吸障碍的方法和装置，更具体地涉及用于估计氧气浓缩器使用的筛床的剩余寿命/容量的方法和装置，氧气浓缩器用于将富氧气体供给患有呼吸障碍的患者。
相关技术描述
有许多用户需要补充氧气作为长期氧气治疗(LTOT)的一部分。目前，接受LTOT的绝大多数用户都被诊断为属于慢性阻塞性肺病(COPD)的一般类别。这种一般诊断包括慢性哮喘、肺气肿和其他几种心肺疾病等常见疾病。其他用户也可能需要补充氧气，例如，肥胖个体以维持升高的活动水平，或患有囊性纤维化或支气管肺发育不良的婴儿。
医生可以为这些用户规定氧气浓缩器或便携式医用氧气罐。通常规定特定的连续氧流量(例如，1升/分钟(LPM)、2LPM、3LPM等)。本领域的专家还已经认识到，对这些用户进行锻炼提供了长期益处，其减缓了疾病的进展，提高了生活质量并延长了使用者的寿命。然而，大部分固定形式的锻炼，例如踏车和固定自行车，对于这些用户来说是过于费力的。因此，人们早就认识到需要移动性。直到最近，小型压缩氧气罐的使用促进了这种移动性。这些罐的缺点是它们的氧气量有限，而且当安装在带小轮的手推车上时它们很重，重约50磅。
氧气浓缩器已经使用了大约50年，以为患有呼吸功能不全的用户提供补充氧气和富氧气体。用于提供这些流量的传统氧气浓缩器体积庞大且笨重，使得普通的救护活动困难且不实用。近来，制造大型固定式家用氧气浓缩器的公司开始开发便携式氧气浓缩器(POC)。POC的优点在于它们可以产生理论上无限的富氧气体供应。为了使这些装置更小以获得移动性，浓缩了生产富氧气体所需的各种系统。
氧气浓缩器可以利用变压吸附(PSA)。变压吸附涉及使用压缩机来提高含有气体分离吸附剂颗粒的罐内的气压，气体分离吸附剂对氮气的吸附能力强于对氧气的吸附。罐内的大量吸附剂颗粒被称为筛床。环境空气通常包括大约78％的氮气和21％的氧气，余量包括氩气、二氧化碳、水蒸气和其他微量气体。如果进料气体混合物例如空气在压力下通过筛床，部分或全部氮气将被筛床吸附，而从容器出来的气体将富集氧气。当筛床吸附氮气达到容量极限时，可通过减压再生，从而释放吸附的氮气。然后，它准备好进行另一个产生富氧气体的“PSA循环”。通过在双罐系统中交替使用罐，一个罐可以正在浓缩氧气(所谓的“吸附阶段”)，而另一个罐正在净化(“净化阶段”)。这种交替使得氧气与氮气几乎连续分离。通过这种方式，可以将氧气从空气中浓缩出来以满足各种需求，包括为用户提供补充氧气。关于氧气浓缩器的进一步细节可以在例如2009年3月12日公开的标题为“OxygenConcentrator Apparatus and Method(氧气浓缩器装置和方法)”的美国公开专利申请第2009-0065007号中找到，其通过引用并入本文。
POC中使用的气体分离吸附剂对水具有非常高的亲和力。这种亲和力如此之高以至于它克服了氮气的亲和力，因此当进料气流(例如环境空气)中的水蒸气和氮气都可得时，吸附剂将优先吸附水蒸气而不是氮气。此外，当被吸附时，水不会像氮气那样容易脱附。因此，水分子甚至在再生之后仍然保持吸附，因此堵塞了用于氮气的吸附位点。因此，随着时间的推移和使用，水会积聚在吸附剂上，吸附氮的效率越来越低，到了需要更换筛床的程度，因为几乎不会再发生氧气浓缩。这样的筛床可以称为是耗尽的或失活的。
POC能够估计其筛床的剩余氮气吸附容量将是有利的。然后，用户可以随时了解剩余容量，以便计划更换耗尽的筛床，或接近耗尽使得其性能无法接受的筛床。
发明内容
本文公开了用于估计便携式氧气浓缩器中的筛床的剩余容量的方法和装置。随着筛床变得失活，吸附剂吸附的氮气减少，因此更多的氮气增加了筛床内的压力。因此，随着进料气体被送入，压力增加得更快。因此，分析PSA循环中的筛床压力-时间特性使得能够估计筛床中吸附材料的剩余吸附容量。所公开的方法和装置提取压力-时间特性的一个或多个参数，并且基于一个或多个参数来估计筛床的剩余容量。
本技术的一些版本包括一种用于估计氧气浓缩器中的筛床的剩余容量的方法。该方法可以包括针对氧气浓缩器的变压吸附循环的阶段，访问筛床的测量的压力-时间特性的参数。该方法可以包括访问测量的压力-时间特性的参数和筛床的一个或多个操作特性的一个或多个函数。该方法可以包括通过将一个或多个函数应用于测量的压力-时间特性的参数来估计剩余容量。
在一些版本中，对于与筛床相同类型的新鲜筛床，一个或多个函数可以使用参数的新鲜值。该方法可以包括调节(a)参数的新鲜值和(2)参数中的至少一者，以补偿自参数的新鲜值被测量以来的环境条件的变化。对于与筛床相同类型的耗尽筛床，一个或多个函数可以使用参数的耗尽值。该方法可以包括调节参数的耗尽值，以补偿自参数的耗尽值被测量以来的环境条件的变化。一个或多个函数可以包括使用参数的新鲜值和参数的耗尽值的插值，例如线性插值。参数可以是压力上升时间。参数可以是送入筛床的进料气体的未吸附分数。一个或多个函数可以包括表示送入筛床中的进料气体的总摩尔数的参数。一个或多个函数可以包括表示送入筛床中的进料气体的质量流量的参数。一个或多个函数可以包括表示增加了筛床的罐的压力的送入筛床中的未吸附进料气体的量的参数。一个或多个函数可以包括表示阶段中的压力变化、筛床的罐的空隙体积、送入筛床中的进料气体的温度以及通用气体常数的参数。一个或多个函数可以包括将送入筛床中的未吸附进料气体的量除以送入筛床中的进料气体的量。
在一些版本中，一个或多个函数可以包括一个或多个查找表。该方法还可以包括重复访问和估计以获得剩余容量的进一步估计。该方法还可以包括根据估计和剩余容量的进一步估计来估计筛床的剩余使用时间。该方法还可以包括在氧气浓缩器的显示器上显示剩余容量的估计的指示。该方法还可以包括基于剩余容量的估计生成消息。
在一些版本中，该方法可以包括针对氧气浓缩器的变压吸附循环的阶段，测量筛床的压力-时间特性以产生参数。该方法可以包括重复测量以获得剩余容量的进一步估计。
本技术的一些版本可以包括一种用于估计氧气浓缩器中的筛床的剩余容量的方法。该方法可以包括针对氧气浓缩器的变压吸附循环的阶段，测量筛床的压力-时间特性。该方法可以包括提取压力-时间特性的参数。该方法可以包括使用压力-时间特性的参数来估计剩余容量。
在一些版本中，参数是送入筛床的进料气体的未吸附分数。在一些版本中，参数是压力上升时间。该方法还可以包括重复测量、提取和估计以获得剩余容量的进一步估计。该方法可以包括根据估计和剩余容量的进一步估计来估计筛床的剩余使用时间。
本技术的一些版本可以包括一种氧气浓缩器。氧气浓缩器可以包括筛床，筛床含有气体分离吸附剂。氧气浓缩器可以包括压缩系统，压缩系统配置为将进料气体送入筛床中。氧气浓缩器可以包括存储器和控制器。控制器可以包括一个或多个处理器。一个或多个处理器可以被存储在存储器中的程序指令配置为执行一种用于估计筛床的剩余容量的方法，例如在本文中先前描述或进一步描述的方法中的一种方法。
本技术的一些版本可以包括一种氧气浓缩器。氧气浓缩器可以包括筛床，筛床含有气体分离吸附剂。氧气浓缩器可以包括压缩系统，压缩系统配置为将进料气体送入筛床中。氧气浓缩器可以包括存储器和控制器。控制器可以配置为针对氧气浓缩器的变压吸附循环的阶段，访问筛床的测量的压力-时间特性的参数。控制器可以配置为访问压力-时间特性的参数和筛床的一个或多个操作特性的一个或多个函数。控制器可以配置为通过将一个或多个函数应用于测量的压力-时间特性的参数来估计剩余容量。
本技术的一些版本可以包括一种氧气浓缩器。氧气浓缩器可以包括筛床，筛床含有气体分离吸附剂。氧气浓缩器可以包括压缩系统，压缩系统配置为将进料气体送入筛床中。氧气浓缩器可以包括存储器。氧气浓缩器可以包括控制器。控制器可以配置为针对氧气浓缩器的变压吸附循环的阶段，测量(例如使用一个或多个传感器)筛床的压力-时间特性。控制器可以配置为提取压力-时间特性的参数。控制器可以配置为使用压力-时间特性的参数来估计剩余容量。
本技术的一些版本可以包括一种连接式氧气治疗系统。该系统可以包括便携式氧气浓缩器，便携式氧气浓缩器可以包括含有气体分离吸附剂的筛床。该系统可以包括外部计算设备，外部计算设备与便携式氧气浓缩器通信。该系统可以包括存储器，以及处理器，处理器被存储在存储器中的程序指令配置为执行如本文所述的一种用于估计筛床的剩余容量的方法。这种方法可以包括针对便携式氧气浓缩器的变压吸附循环的阶段，访问筛床的测量的压力-时间特性的参数。这种方法可以包括访问压力-时间特性的参数和筛床的一个或多个操作特性的一个或多个函数。这种方法可以包括通过将一个或多个函数应用于测量的压力-时间特性的参数来估计剩余容量。
在一些版本中，处理器和存储器可以为便携式氧气浓缩器的一部分。处理器还可以配置为将剩余容量估计传输到外部计算设备。处理器和存储器可以为外部计算设备的一部分。该系统可以包括显示器。处理器可以进一步配置为在显示器上显示剩余容量的估计的指示。外部计算设备可以是便携式计算设备。外部计算设备可以是服务器。该系统还可以包括便携式计算设备，便携式计算设备与服务器通信。个人计算设备可以配置为与由服务器托管的门户系统交互。个人计算设备可以配置为从门户系统接收剩余容量估计。个人计算设备可以配置为在个人计算设备的显示器上显示剩余容量估计。
在一些版本中，该系统还可以包括便携式计算设备，便携式计算设备与服务器通信。便携式计算设备可以配置为从服务器接收剩余容量估计。便携式计算设备可以配置为在便携式计算设备的显示器上显示剩余容量估计。
本技术的一些版本可以包括一种装置，该装置可以包括用于针对氧气浓缩器的变压吸附循环的阶段，访问筛床的测量的压力-时间特性的参数的工具；该装置可以包括用于访问压力-时间特性的参数和筛床的一个或多个操作特性的一个或多个函数的工具。该装置可以包括用于通过将一个或多个函数应用于测量的压力-时间特性的参数来估计筛床的剩余容量的工具。
本技术的一些版本可以包括一种装置，该装置包括用于针对氧气浓缩器的变压吸附循环的阶段，测量筛床的压力-时间特性的工具。该装置可以包括用于提取压力-时间特性的参数的工具。该装置可以包括用于使用压力-时间特性的参数来估计筛床的剩余容量的工具。
当然，这些方面的各部分可以形成本技术的子方面。此外，各个子方面和/或方面可以以各种方式组合，并且还构成本技术的附加方面或子方面。
考虑到以下详细描述、摘要、附图和权利要求书中包含的信息，本技术的其他特征将变得显而易见。
附图说明
得益于以下实施例的详细描述并参考附图，本技术的优点对于本领域技术人员将变得显而易见，在附图中：
图1描绘了氧气浓缩器的部件的示意图；
图2描绘了氧气浓缩器的主要部件的实例的侧视图；
图3A描绘了压缩系统的透视侧视图；
图3B描绘了包括热交换导管的压缩系统的侧面透视图；
图4A描绘了氧气浓缩器的出口部件的示意图；
图4B描绘了用于氧气浓缩器的出口导管；
图4C描绘了用于氧气浓缩器的替代出口导管；
图5描绘了用于氧气浓缩器的外壳；
图6描绘了用于氧气浓缩器的控制面板；
图7是可以在连接式氧气治疗系统50中实现的示例性设备的通信布置；
图8是示出了根据基于“新鲜分数”的计算分数的剩余容量线性插值的曲线图。
图9是示出了根据基于“新鲜”压力上升时间和“耗尽”压力上升时间的测量的压力上升时间的剩余容量线性插值的曲线图。
图10包含本技术的一个实现方式中的一种用于估计筛床的剩余容量的方法的流程图。
图11包含本技术的一个实现方式中的一种用于估计筛床的剩余容量的方法的流程图。
虽然所述技术易于作出各种修改和替代形式，但其特定实施例以实例的方式在图式中展示且将在本文中详细描述。然而，应当理解，附图及其详细描述并非旨在将技术限于所公开的特定形式，相反，意图是覆盖落入如所附权利要求所限定的本技术的精神和范围内的所有修改、等同物和替代方案。
具体实施方式
应当理解，本技术不限于特定的设备或方法，其当然可以变化。还应当理解的是，本文使用的术语仅用于描述具体实施例的目的，而不意图是限制性的。标题仅用于组织目的，并不意味着用于限制或解释说明书或权利要求。如在本说明书和所附权利要求中使用的，单数形式“一个”、“一种”和“该”包括单数和复数指示对象，除非内容另外清楚地指示。此外，词语“可以”在整个申请中以允许的意义使用(即，可能、能够)，而不是以强制性的意义使用(即，必须)。术语“包括”及其派生词表示“包括但不限于”。
如本文所用，术语“联接”意指一个或多个对象或部件之间的直接连接或间接连接(例如，一个或多个中间连接)。短语“连接”意指对象或部件之间的直接连接，使得对象或部件彼此直接连接。如本文所用，短语“获得”设备意指购买或构建该设备。
图1示出了根据一个实施例的氧气浓缩器100的示意图。氧气浓缩器100可以将氧气从空气流中浓缩出来以向用户提供富氧气体。如本文所用，“富氧气气体”由至少约50％的氧气、至少约60％的氧气、至少约70％的氧气、至少约80％的氧气、至少约90％的氧气、至少约95％的氧气、至少约98％的氧气或至少约99％的氧气组成。
氧气浓缩器100可以是便携式氧气浓缩器。例如，氧气浓缩器100的重量和尺寸可以允许用手和/或用手提箱携带氧气浓缩器。在一个实施例中，氧气浓缩器100的重量小于约20磅、小于约15磅、小于约10磅或小于约5磅。在一个实施例中，氧气浓缩器100的体积小于约1000立方英寸、小于约750立方英寸；小于约500立方英寸、小于约250立方英寸或小于约200立方英寸。
罐
通过在含有气体分离吸附剂的罐302和304中对进料气体进行加压，可以从进料气体中收集氧气。用于氧气浓缩器的气体分离吸附剂能够至少从空气流中分离氮气，以留下富氧气体。气体分离吸附剂的实例包括能够从空气流中分离氮气的分子筛。可以用于氧气浓缩器的吸附剂的实例包括但不限于沸石(天然)或合成结晶硅铝酸盐，其在升高的压力下将空气流中的氮与氧气分离。可使用的合成结晶硅铝酸盐的实例包括但不限于：可从UOPLLC(Des Plaines,IW)获取的OXYSIV吸附剂；可从W.R.Grace&Co(Columbia,MD)获取的SYLOBEAD吸附剂；可从CECA S.A.(Paris,France)获取的SILIPORITE吸附剂；可从ZeochemAG(Uetikon,Switzerland)获取的ZEOCHEM吸附剂；以及可从Air Products andChemicals,Inc.(Allentown，PA)获取的AgLiLSX吸附剂。
如图1所示，空气可以通过空气入口107进入氧气浓缩器。空气可以被压缩系统200抽吸到空气入口107中。压缩系统200可以从氧气浓缩器的周围吸入空气并压缩空气，迫使压缩空气进入一个或两个罐302和304。在一个实施例中，入口消声器108可以联接至空气入口107以减少由压缩系统200将空气吸入氧气浓缩器而产生的声音。在一个实施例中，入口消声器108可以是湿气和声音吸收消声器。例如，吸水材料(例如聚合物吸水材料或沸石材料)可以用于从进入的空气中吸收水并降低进入空气入口107的空气的声音。
压缩系统200可以包括一个或多个能够压缩空气的压缩机。由压缩系统200产生的加压空气可以被迫使进入罐302和304中的一个或两个中。在一些实施例中，可以将罐中的进料气体加压到大约高达30磅/平方英寸(psi)范围内的压力。也可以使用其他压力，这取决于设置在罐中的气体分离吸附剂的类型。
入口阀122/124和出口阀132/134联接到每个罐302/304。如图1所示，入口阀122联接到罐302，入口阀124联接到罐304。出口阀132连接到罐302，出口阀134连接到罐304。入口阀122/124用于控制空气从压缩系统200到相应罐的通路。出口阀132/134用于在排气过程中从相应罐释放气体。在一些实施例中，入口阀122/124和出口阀132/134可以是硅柱塞电磁阀。然而，也可以使用其他类型的阀。柱塞阀比其他类型的阀门具有安静和低泄漏的优势。
在一些实施例中，可以使用两级阀致动电压控制入口阀122/124和出口阀132/134。例如，可以向入口阀施加高电压(例如，24V)以打开入口阀。然后可以降低电压(例如，至7V)以保持入口阀打开。使用较小的电压来保持阀打开可以使用较少的功率(功率＝电压*电流)。电压的降低使来自电源180(以下描述)的热累积和功耗最小化，以延长运行时间。当切断阀门的电源时，它通过弹簧作用关闭。在一些实施例中，电压可以作为时间的函数被施加，其不一定是阶跃响应(例如，初始24V和最终7V之间的弯曲向下的电压)。
在一个实施例中，将加压空气供应到罐302或304之一中，同时使另一罐减压。例如，在使用期间，入口阀122打开，而入口阀124关闭。来自压缩系统200的加压空气被迫使进入罐302，同时被入口阀124阻止进入罐304。在一个实施例中，控制器400电联接至阀122、124、132和134。控制器400包括可操作以执行存储在存储器420中的程序指令的一个或多个处理器410。程序指令可操作以执行用于操作氧气浓缩器的各种预定方法。控制器400可以包括用于使入口阀122和124彼此异相操作的程序指令，即，当入口阀122或124中的一个打开时，另一个阀关闭。在罐302的加压期间，出口阀132关闭，出口阀134打开。与入口阀类似，出口阀132和134彼此异相地操作。在一些实施例中，用于打开输入阀和输出阀的电压和电压持续时间可以由控制器400控制。
止回阀142和144分别联接至罐302和304。止回阀142和144是单向阀，它们通过在罐加压和排气时出现的压差被动地操作。止回阀142和144联接至罐，以允许在罐加压期间产生的富氧气体流出罐，并阻止富氧气体或任何其他气体回流到罐中。以此方式，止回阀142和144充当允许富氧气体在加压的同时离开相应罐的单向阀。
如本文所用，术语“止回阀”是指允许流体(气体或液体)沿一个方向流动并阻止流体回流的阀。适合使用的止回阀的实例包括但不限于：球形止回阀；隔膜止回阀；蝶形止回阀；旋启式止回阀；鸭嘴阀；以及升降式止回阀。在压力下，加压的进料气体中的氮气分子被加压的罐中的气体分离吸附剂吸附。随着压力增加，更多的氮气被吸附，直到罐内的气体富含氧气。当与罐联接的止回阀两端的压差达到足以克服止回阀阻力的值时，未吸附的气体分子(主要是氧气)流出加压罐。在一个实施例中，止回阀在正向上的压降小于1psi。相反方向上的突破压力大于100psi。然而，应当理解，一个或多个部件的修改将改变这些阀的操作参数。如果正向流压力增加，则通常产生的富氧气体减少。如果反向流动的突破压力降低或设置得太低，则通常富氧气体压力降低。
在示例性实施例中，罐302被在压缩系统200中产生并进入罐302的压缩空气加压。在罐302的加压期间，入口阀122打开，出口阀132关闭，入口阀124关闭，出口阀134打开。当出口阀132关闭时，出口阀134打开，以在罐302加压的同时允许罐304基本上同时排气。罐302被加压直到罐内的压力足以打开止回阀142。在罐302中产生的富氧气体通过止回阀离开，并且在一个实施例中，被收集在蓄积器106中。
一段时间后，气体分离吸附剂将被氮气饱和，并且无法从进入的空气中分离出大量的氮气。在上述实施例中，当罐302中的气体分离吸附剂达到该饱和点时，停止压缩空气的流入并使罐302排气以除去氮气。在排气过程中，入口阀122关闭，出口阀132打开。在罐302正在排气的同时，以与上述相同的方式对罐304加压以产生富氧气体。罐304的加压是通过关闭出口阀134并打开入口阀124来实现的。富氧气体通过止回阀144离开罐304。
在罐302的排气过程中，出口阀132打开，允许加压气体(主要是氮气)通过浓缩器出口130离开罐。在一个实施例中，排出的气体可以被引导通过消声器133以减少从罐释放加压气体而产生的噪音。当气体从罐302释放时，罐内的压力下降，使许氮气能够从气体分离吸附剂解吸。释放的氮气通过出口130离开罐，将罐重置为允许从空气流中重新分离氧气的状态。消声器133可以包括开孔泡沫(或其他材料)以压低离开氧气浓缩器的气体的声音。在一些实施例中，用于空气输入和气体输出的组合的消声部件/技术可以实现低于50分贝的声级下的氧气浓缩器操作。
在罐的排气过程中，有利的是除去至少大部分氮气。在一个实施例中，在再次使用罐从空气中分离氧气之前，除去罐中的至少约50％、至少约60％、至少约70％、至少约80％、至少约90％、至少约95％、至少约98％或基本上所有的氮气。在一些实施例中，可以使用从另一个罐引入到罐中的富氧气流来进一步清除罐中的氮气。
在示例性实施例中，当罐304排出氮气时，一部分富氧气体可以从罐302转移到罐304。在罐304排气期间，将富氧气体从罐302转移至304有助于进一步从罐中清除氮气(和其他气体)。在一个实施例中，富氧气体可行进通过两个罐之间的限流器151、153和155。限流器151可以是滴流限流器。限流器151例如可以是0.009D限流器(例如，限流器的半径为0.009"，小于其内部的管的直径)。限流器153和155可以是0.013D限流器。其他限流器类型和尺寸也是可以考虑的，并且可以根据具体构造和用于联接罐的管道来使用。在一些实施例中，限流器可以是压配合限流器，其通过在它们各自的管中引入较窄的直径来限制气流。在一些实施例中，压配合限流器可以由蓝宝石、金属或塑料(也可以考虑其他材料)制成。
还通过使用阀152和阀154来控制富氧气流。阀152和154可以在排气过程中短暂地打开(并且可以以其他方式关闭)，以防止从净化罐损失过多氧气。也可以考虑其他持续时间。在示例性实施例中，罐302正在排气，并且期望通过将罐304中产生的富氧气体的一部分通入罐302中来净化罐302。在对罐304加压时，一部分富氧气体在罐302排气期间将通过限流器151进入罐302。另外的富氧气体从罐304通过阀154和限流器155进入罐302。阀152可以在输送过程中保持关闭，或者如果需要额外的富氧气体，阀152可以打开。选择适当的限流器151和155，结合阀154的受控打开，允许将受控量的富氧气体从罐304送到302。在一个实施例中，受控量的富氧气体是足以净化罐302并使通过罐302的排气阀132的富氧气体损失最小化的量。虽然本实施例描述了罐302的排气，但是应当理解，可以使用相同的过程使用限流器151、阀152和限流器153来对罐304进行排气。
一对均衡/排气阀152/154与限流器153和155一起工作以优化两个罐之间的气流平衡。这可以使得能够用来自另一个罐的富氧气体来对罐的排气进行更好地流动控制。它还可以在两个罐之间提供更好的流动导向。已经发现，虽然流动阀152/154可以作为双向阀操作，但是通过这些阀的流量根据流过阀的流体的方向而变化。例如，通过阀152从罐304流向罐302的富氧气体的流量比通过阀152从罐302流向罐304的富氧气体的流量更快。如果使用单个阀，最终将在罐之间输送过多或过少的富氧气体，并且随着时间的推移，罐将开始产生不同量的富氧气体。在平行的空气通路上使用相对的阀和限流器可以使两个罐之间的氧气的流动模式相等。平衡流量可以允许用户在多个循环中获得稳定量的氧气，并且还可以允许可预测量的氧气来净化另一个罐。在一些实施例中，空气通路可以不具有限流器，而是可以具有内置阻力的阀，或者空气通路自身可以具有较窄的半径以提供阻力。
有时，氧气浓缩器可以关闭一段时间。当氧气浓缩器关闭时，罐内的温度可能由于来自压缩系统的绝热热量损失而下降。当温度下降时，罐内气体所占据的体积将下降。罐的冷却可导致罐中的负压。通向和来自罐的阀(例如，阀122、124、132和134)是动态密封的，而不是气密密封的。因此，外部空气可以在关机后进入罐以适应压差。当外部空气进入罐时，随着空气冷却，来自外部空气的湿气可能在罐内凝结。罐内的水的凝结可以导致气体分离吸附剂逐渐退化，稳定地降低气体分离吸附剂产生富氧气体的能力。
在一个实施例中，可以通过在关机之前对两个罐加压，来抑制在氧气浓缩器关闭之后外部空气进入罐。通过将罐存放在正压下，可以通过罐内空气的内部压力使阀处于气密关闭位置。在一个实施例中，在关机时，罐中的压力应至少大于环境压力。如本文所用，术语“环境压力”是指氧气浓缩器所位于的周围环境的压力(例如，室内、外部、平面内等的压力)。在一个实施例中，在关机时，罐中的压力至少大于标准大气压(即，大于760mmHg(Torr)、1atm、101,325Pa)。在一个实施例中，在关机时，罐中的压力比环境压力大至少约1.1倍；比环境压力大至少约1.5倍；或比环境压力大至少约2倍。
在一个实施例中，可通过将加压空气从压缩系统引导到每一罐中且关闭所有阀以将加压空气截留在罐中来实现罐的加压。在示例性实施例中，当启动关机序列时，入口阀122和124打开，出口阀132和134关闭。因为入口阀122和124通过共同的导管连接在一起，由于来自一个罐的空气和/或富氧气体可以传输到另一个罐，罐302和304都可以加压。当压缩系统和两个入口阀之间的通路允许这种传输时，可能发生这种情况。因为氧气浓缩器以交替加压/排气模式操作，所以在任何给定时间至少一个罐应该处于加压状态。在替代实施例中，可通过压缩系统200的操作来增加每个罐中的压力。当入口阀122和124打开时，罐302和304之间的压力将均衡，然而，任一罐内的均衡压力可能不足以阻止空气在关机期间进入罐。为了确保抑制空气进入罐，压缩系统200可以操作足以将两个罐内的压力增加到至少大于环境压力的水平的时间。不管罐的加压方法如何，一旦罐被加压，入口阀122和124就关闭，将加压空气截留在罐内部，这抑制了空气在关机时段期间进入罐。
参照图2，示出了氧气浓缩器100的实施例。氧气浓缩器100包括设置在外壳体170内的压缩系统200、罐组件300和电源180。入口101位于外壳体170中以允许空气从环境进入氧气浓缩器100。入口101可以允许空气流入隔腔以帮助冷却隔腔中的部件。电源180为氧气浓缩器100提供电源。压缩系统200通过入口107和消声器108吸入空气。消声器108可以降低由压缩系统吸入的空气的噪音，并且还可以包括干燥剂材料以从进入的空气中除去水蒸气。氧气浓缩器100还可以包括用于从氧气浓缩器排出空气和其他气体的风扇172。
压缩系统
在一些实施例中，压缩系统200包括一个或多个压缩机。在另一实施例中，压缩系统200包括联接至罐系统300的所有罐的单个压缩机。转至图3A和图3B，描绘了压缩系统200，其包括压缩机210和电动机220。电动机220联接至压缩机210并向压缩机提供操作力以操作压缩机构。例如，电动机220可以是提供旋转部件的电动机，该旋转部件引起压缩空气的压缩机部件的循环运动。当压缩机210是活塞式压缩机时，电动机220提供使压缩机210的活塞往复运动的操作力。活塞的往复运动使得压缩机210产生压缩空气。压缩空气的流量部分地由压缩机运行的速度(例如，活塞往复运动多快)来估计。因此，电动机220可以是变速电动机，其可在各种速度下操作以动态地控制由压缩机210产生的空气的流量。
在一个实施例中，压缩机210包括具有活塞的单头摇盘式压缩机。可以使用其他类型的压缩机，例如隔膜压缩机和其他类型的活塞压缩机。电动机220可以是DC或AC电动机，并且向压缩机210的压缩部件提供操作功率。在一个实施例中，电动机220可以是无刷DC电动机。电动机220可以是能够以可变速度操作压缩机210的压缩部件的变速电动机。电动机220可以联接至控制器400，如图1所示，控制器400向电动机发送操作信号以控制电动机的操作。例如，控制器400可以向电动机220发送信号以：接通电动机，关闭电动机，以及设置电动机的运行速度。
压缩系统200固有地产生大量热量。热量是由电动机220的功率消耗以及功率转换成机械运动引起的。由于被压缩的空气增加了对压缩机部件运动的阻力，压缩机210产生热量。还因为压缩机210对空气的绝热压缩而固有地产生热量。因此，空气的持续加压在外壳中产生热量。另外，当向压缩系统200供电时，电源180可以产生热量。此外，氧气浓缩器的用户可能会在环境温度可能比室内更高的未调节环境(例如室外)中操作设备，因此进入的空气将已经处于加热状态。
在氧气浓缩器100内产生的热量可能是有问题的。锂离子电池由于其寿命长和重量轻而通常用作氧气浓缩器的电源。然而，锂离子电池组在高温下是危险的，并且如果检测到危险的高电源温度，则在氧气浓缩器100中采用安全控制来关闭系统。另外，随着氧气浓缩器100的内部温度升高，由浓缩器产生的富氧气体中的氧气分数可能降低。这部分地是由于在较高温度下给定体积的空气中氧气量减少。如果氧气分数下降到低于预定量，则氧气浓缩器100可以自动关闭，或者发出警报。
由于氧气浓缩器的紧凑性，散热可能很困难。解决方案通常涉及使用一个或多个风扇来产生通过外壳的冷却空气流。然而，这样的解决方案需要来自电源180的额外电力，并且因此缩短了氧气浓缩器的便携式使用时间。在一个实施例中，可以使用被动冷却系统，其利用由压缩机210的电动机220产生的机械功率。参照图3A和图3B，压缩系统200包括具有外部旋转电枢230的电动机220。具体地，电动机220(例如，DC电动机)的电枢230缠绕在驱动电枢的静态场周围。因为电动机220是整个系统的热量的主要贡献者，所以有助于将热量从电动机传递出去并将其扫出外壳。随着外部高速旋转，电动机的主要部件与其所在空气的相对速度非常高。外部安装的电枢表面积比内部安装的大。因为热交换的速率与表面积和速度的平方成比例，所以使用安装在外部的表面积更大的电枢提高了从电动机220散热的能力。通过在外部安装电枢而获得的冷却效率使得能够去除一个或多个冷却风扇，因此减少了重量和功耗，同时将氧气浓缩器的内部维持在适当的温度范围内。此外，外部安装的电枢的旋转会产生靠近电机的空气运动，以产生额外的冷却。
此外，外部旋转电枢可以有助于提高电动机的效率，使得能够产生较少的热。具有外部电枢的电动机以类似于飞轮在内燃机中工作的方式工作。当电动机驱动压缩机时，在低压下旋转阻力较低。当压缩空气的压力较高时，电动机的旋转阻力较高。因此，电动机不能维持一致的理想旋转稳定性，而是根据压缩机的压力需求而波动和减速。电动机的这种波动然后减速的趋势是低效的并且因此产热。使用外部电枢向电动机增加了更大的角动量，这有助于补偿电动机所经受的可变电阻。由于电动机不必那么努力地工作，因此可以减少电动机产生的热量。
在一个实施例中，可以通过将空气传送装置240联接至外部旋转电枢230来进一步提高冷却效率。在一个实施例中，空气传送装置240联接至外部电枢230，使得外部电枢的旋转引起空气传送装置240产生气流经过电动机的至少一部分。在一个实施例中，空气传送装置240包括联接至电枢的一个或多个风扇叶片。在一个实施例中，多个风扇叶片可以被布置成环形环，使得空气传送装置240充当通过外部旋转电枢的移动而旋转的叶轮。如图3A和图3B所示，空气传送装置240可以与电动机对准地安装到外部电枢230的外表面。将空气传送装置240安装到电枢上允许气流被引导朝向外部旋转电枢的主要部分，从而在使用期间提供冷却效果。在一个实施例中，空气传送装置240引导气流，使得外部旋转电枢的大部分处于气流路径中。
此外，参见图3A和图3B，由压缩机210加压的空气在压缩机出口212处离开压缩机210。压缩机出口导管250联接至压缩机出口212以将压缩空气传送到罐系统300。如前所述，空气的压缩引起空气温度的升高。这种温度升高可能对氧气浓缩器的效率不利。为了降低加压空气的温度，将压缩机出口导管250放置在由空气传送装置240产生的空气流动路径中。压缩机出口导管250的至少一部分可以被定位成靠近电动机220。因此，由空气传送装置240产生的气流可以接触电动机220和压缩机出口导管250。在一个实施例中，压缩机出口导管250的大部分被定位成靠近电动机220。在一个实施例中，压缩机出口导管250缠绕电动机220，如图3B所示。
在一个实施例中，压缩机出口管道250由热交换金属构成。热交换金属包括但不限于，铝、碳钢、不锈钢、钛、铜、铜-镍合金，或由这些金属的组合形成的其他合金。因此，压缩机出口导管250可以充当热交换器以去除由空气的压缩固有地引起的热量。通过从压缩空气中去除热量，在给定压力下的给定体积中的分子数量增加。因此，可以增加在每个变压循环期间可以由每个罐产生的富氧气体的量。
在本文中描述的散热机构，或者是被动的，或者利用氧气浓缩器100所需的元件。因此，例如，可以提高散热而不使用需要额外功率的系统。通过不需要额外功率，可以增加电池组的运行时间，并且可以使氧气浓缩器的尺寸和重量最小化。同样，可以取消使用额外的箱式风扇或冷却单元。取消这样的附加特征降低了氧气浓缩器的重量和功耗。
如上所述，空气的绝热压缩导致空气温度升高。在罐系统300中的罐排气期间，从罐释放的气体压力降低。罐中气体的绝热减压导致气体在排出时温度下降。在一个实施例中，来自罐系统300的冷却的排出气体被导向电源180和压缩系统200。在一个实施例中，压缩系统200的基部315接收从罐排出的气体。排出的气体327通过基部315导向基部的出口325并导向电源180。如上所述，排出的气体由于气体的减压而被冷却，因此被动地向电源180提供冷却。当压缩系统工作时，空气传送装置240将收集冷却的排出气体并将气体导向压缩系统200的电动机。风扇172还可以帮助引导排出的气体穿过压缩系统200并离开壳体170。以这种方式，可以获得额外的冷却而不需要来自电池的更多的电力。
出口系统
出口系统联接至一个或多个罐，并且包括用于向用户提供富氧气体的一个或多个导管。在一个实施例中，在罐302和304中任一者中产生的富氧气体分别通过止回阀142和144而被收集在蓄积器106中，如图1中示意性描绘的。离开罐的富氧气体可以在被提供给用户之前被收集在氧气蓄积器106中。在一些实施例中，管可以联接到蓄积器106以向用户提供富氧气体。可以通过将富氧气体传送到用户的嘴和/或鼻子的气道输送装置来将富氧气体提供给用户。在一个实施例中，出口可以包括将氧气导向用户的鼻子和/或嘴的管，该管可以不直接联接至用户的鼻子。
转向图4A，示出了用于氧气浓缩器的出口系统的实施例的示意图。供应阀160可以联接至出口管，以控制富氧气体从蓄积器106向用户的释放。在一个实施例中，供应阀160是电磁致动的柱塞阀。供应阀160由控制器400致动以控制富氧气体向用户的释放。供应阀160通常默认关闭，除非如下所述。
如图4A所示，蓄积器106中的富氧气体经限流器175通过供应阀160进入氧气传感器162。在一个实施例中，氧气传感器162可以包括用于确定通过该室的气体的氧浓度的一个或多个装置。然后，富氧气体通过质量流量传感器185和颗粒过滤器187。
供应阀160的致动可以不与变压吸附过程定时或同步。相反，在一些实施例中，供应阀160的致动与用户的呼吸同步。此外，与开/关或二元致动相反，供应阀160可以具有连续值致动。
限流器175是一种被动装置，其配置为在供应阀160被致动时限制从蓄积器106释放到用户的富氧气体的流量。即使供应阀160是二元的，供应阀160和限流器175的组合也限制了所输送的团注的幅度。可替代地，连续可致动供应阀160的适当致动使得控制器400能够为团注建立临床上有效的且/或舒适的可变幅度剖面，而不需要限流器175。
质量流量传感器185可以是能够估计流过导管的气体的质量流量的任何传感器。颗粒过滤器187可以在将富氧气体输送给用户之前过滤细菌、灰尘、颗粒等。富氧气体穿过过滤器187到达连接器190，连接器190将富氧气体经由导管192送到用户并且送到压力传感器194。
出口通路的流体动力学与供应阀160的致动相结合，可使得氧气团在正确的时间输送，并且其幅度剖面确保快速输送到用户肺部而不会产生过多浪费。
氧气传感器162可以用于确定通过传感器的气体的氧浓度。氧气传感器162可以是化学氧气传感器、超声氧气传感器，或一些其他类型的氧气传感器。
质量流量传感器185可以用于确定流过出口系统的气体的质量流量。质量流量传感器185可以联接至控制器400。流过出口系统的气体的质量流量可以指示用户的呼吸量。流过出口系统的气体的质量流量的变化也可以用于确定用户的呼吸速率。控制器400可以基于由质量流量传感器185估计的用户的呼吸速率和/或呼吸量来控制供应阀160的致动。
富氧气体通过质量流量传感器185到达过滤器187。过滤器187在向用户提供富氧气体之前去除细菌、灰尘、颗粒等。富氧气体通过过滤器187到达连接器190。连接器190可以是将过滤器187的出口耦接至压力传感器194和出口导管192的“Y”连接器。压力传感器194可以用于监测通过导管192到达用户的气体压力。压力传感器194感测到的压力变化可以用于确定吸气的开始(也称为触发时刻)。因此，来自这种压力传感器的压力信号可以表示用户的呼吸速率。控制器400可以基于由压力传感器194估计的用户的呼吸速率和/或吸气开始来控制供应阀160的致动。在一个实施例中，控制器400可以基于由氧气传感器162、质量流量传感器185和压力传感器194提供的信息来控制供应阀160的致动。
富氧气体可以通过导管192提供给用户。在一个实施例中，导管192可以是硅胶管。可以使用气道联接构件(例如，气道输送装置710)将导管192联接至用户，如图4B和图4C中所示。气道输送装置710可以是能够向鼻腔或口腔提供富氧气体的任何装置。气道连接构件的实例包括但不限于：鼻罩、鼻枕、鼻叉、鼻导管和衔嘴。鼻导管气道输送装置在图4B中示出。在使用期间，通过导管192和气道联接构件(例如，气道输送装置710)将来自氧气浓缩器100的富氧气体提供给用户。气道输送装置710定位成靠近用户的气道(例如，靠近用户的嘴和/或鼻子)，以允许将富氧气体输送至用户，同时允许用户从周围环境呼吸空气。
在可替代实施例中，可以使用衔嘴向用户提供富氧气体。如图4C所示，衔嘴720可以联接至氧气浓缩器100。衔嘴720可以是用于向用户提供富氧气体的唯一装置，或者衔嘴可以与鼻输送装置(例如鼻导管)结合使用。如图4C所示，可以通过鼻联接构件(例如，气道输送装置710)和衔嘴720将富氧气体提供给用户。
衔嘴720可移除地定位在用户的嘴中。在一个实施例中，衔嘴720可移除地联接至用户嘴中的一个或多个牙齿。在使用期间，富氧气体经由衔嘴被引导到用户的嘴中。衔嘴720可以是模制成符合用户牙齿的夜用防护衔嘴。可替代地，衔嘴可以是下颌骨复位装置。在一个实施例中，至少大部分衔嘴在使用期间位于用户的嘴中。
在使用期间，当在衔嘴附近检测到压力变化时，可以将富氧气体引导至衔嘴720。在一个实施例中，衔嘴720可以联接至压力传感器194。当用户通过用户的嘴吸入空气时，压力传感器可以检测到衔嘴附件的压降。氧气浓缩器100的控制器400可以在吸气开始时向用户输送富氧气体团。
在个体的典型呼吸期间，吸气可以通过鼻子、通过嘴或通过鼻子和嘴两者发生。此外，取决于多种因素，呼吸可以从一个通道变化到另一个通道。例如，在更加活跃的活动期间，用户可以从通过其鼻子的呼吸切换到通过其嘴的呼吸，或者通过其嘴和鼻子的呼吸。如果停止通过所监测的通道的呼吸，则依赖单一输送模式(鼻或嘴)的系统可能无法正常工作。例如，如果鼻导管用于向用户提供富氧气体，则吸气传感器(例如，压力传感器或流量传感器)可以联接至鼻导管以确定吸气的开始。如果用户停止通过他们的鼻子呼吸，并且切换到通过他们的嘴呼吸，则氧气浓缩器100可能不知道何时提供富氧气体，因为没有来自鼻导管的反馈。在这种情况下，氧气浓缩器100可以增加流量和/或增加提供富氧气体的频率，直到吸气传感器检测到用户的吸气。如果用户经常在呼吸模式之间切换，则提供富氧气体的默认模式可能会氧气浓缩器100更加努力地工作，从而可能限制系统的便携使用时间。
在一个实施例中，如图4C所示，衔嘴720与气道输送装置710(例如，鼻导管)结合使用以向用户提供富氧气体。衔嘴720和气道输送装置710两者都耦接至吸气传感器。在一个实施例中，衔嘴720和气道输送装置710耦接至同一吸气传感器。在可替代实施例中，衔嘴720和气道输送装置710耦接至不同的吸气传感器。在任一实施例中，吸气传感器现在可以检测从嘴或鼻子吸气的开始。氧气浓缩器100可以配置为将富氧气体提供给在其附近检测到吸气开始的装置(即，衔嘴720或气道输送装置710)。可替代地，如果在任一装置附近检测到吸气开始，可将富氧气体提供给衔嘴720和气道输送装置710两者。使用双输送系统(例如图4C中所描绘的)对于睡眠中的用户可以是特别有用的，可以在没有意识的情况下在鼻呼吸和嘴呼吸之间切换。
控制器系统
如本文所述，氧气浓缩器100的操作可以使用耦接至氧气浓缩器100的各个部件的内部控制器400来自动执行。控制器400包括一个或多个处理器410和内部存储器420，如图1所示。用于操作和监测氧气浓缩器100的方法可以通过存储在存储器420或耦接至控制器400的载体介质中并由一个或多个处理器410执行的程序指令来实现。存储器介质可以包括各种类型的存储器设备或存储设备中的任何一种。术语“存储介质”旨在包括安装介质，例如，压缩盘只读存储器(CD-ROM)、软盘或磁带设备；计算机系统存储器或随机存取存储器，例如动态随机存取存储器(DRAM)、双倍数据速率随机存取存储器(DDR RAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、扩展数据输出随机存取存储器(EDO RAM)、内存总线随机存取存储器(RAM)等；或诸如磁介质的非易失性存储器，例如硬盘驱动器、闪存或光存储器。存储介质也可以包括其他类型的存储器，或其组合。
在一些实施例中，控制器400包括处理器410，处理器410包括例如设置在氧气浓缩器100中的电路板上的一个或多个现场可编程门阵列(FPGA)、微控制器等。处理器410能够执行存储在存储器420中的编程指令。在一些实施例中，可以将编程指令内置到处理器410中，使得可以不单独访问处理器外部的存储器(即，存储器420可以在处理器410内部)。
处理器410可以耦接至氧气浓缩器100的各个部件，包括但不限于，压缩系统200、用于控制通过系统的流体流动的一个或多个阀(例如，阀122、124、132、134、152、154、160)、氧气传感器162、压力传感器194、质量流量传感器185、温度传感器、冷却风扇、湿度传感器、动作传感器、高度计，以及可以被电控制或监测的任何其他部件。在一些实施例中，单独的处理器(和/或存储器)可以耦接至一个或多个部件。
控制器400被编程为操作氧气浓缩器100，并进一步被编程为监测氧气浓缩器100的故障状态。例如，在一个实施例中，控制器400被编程为在系统正在操作并且用户在预定时间量内没有检测到呼吸的情况下触发警报。例如，如果控制器400在75秒的时间段内没有检测到呼吸，则可以点亮警报器LED和/或可以发出听觉警报。如果用户确实停止了呼吸，例如，在睡眠呼吸中止发作期间，警报可能足以唤醒用户，使用户恢复呼吸。呼吸的动作可以足以使控制器400重置该报警功能。可替代地，如果当从用户移除输出导管192时系统意外地保持开启，则警报器可以用作提醒用户关闭氧气浓缩器100以节省电力。
控制器400进一步耦接至氧气传感器162，并且可以被编程用于连续或定期监测通过氧气传感器162的富氧气体的氧浓度。可将最小氧浓度阈值编程到控制器400中，使得控制器点亮LED视觉警报和/或听觉警报以警告用户氧浓度低。
控制器400还耦接至内部电源180，并且能够监视内部电源的充电水平。可以将最小电压和/或电流阈值编程到控制器400中，使得控制器点亮LED视觉警报和/或听觉警报以警告用户低功率状况。当电池接近零可用电量时，可以间歇性地并且以增加的频率激活警报。
控制器400可以通信地耦接至一个或多个外部计算设备以构成连接式氧气治疗系统。图7示出了连接式氧气治疗系统50的一个实现方式，其中控制器400可以包括蜂窝无线模块(CWM)430或其他无线通信模块，其配置为允许控制器400使用无线通信协议(例如，全球移动电话系统(GSM)或其他协议(例如，WIFI))与远程计算设备进行通信(例如，服务器440)，例如基于云的服务器，例如通过网络。控制器400还可以包括短程无线模块(SRWM)450，其配置为使得控制器400能够使用短程无线通信协议(例如，蓝牙)与便携式计算设备460(例如，智能电话)进行通信。便携式计算设备460(例如，智能电话)可以与POC 100的用户相关联。
服务器440还可以使用无线通信协议(例如，GSM)与便携式计算设备460进行无线通信。便携式计算设备460(例如，智能电话)的处理器可以执行称为“app”的程序，以控制智能电话与POC 100和/或服务器440的交互。
服务器440还可以经由到广域网(例如，因特网)或局域网(例如，以太网)的有线或无线连接与个人计算设备470通信。个人计算设备470的处理器可执行“客户端”程序以控制个人计算设备470与服务器440的交互。客户端程序的一个实例是浏览器。
连接式氧气治疗系统50可以包括多个POC或POC“机群”(未示出)，如POC 100，全部与服务器440直接通信或经由与POC的相应用户相关联的相应便携式计算设备460通信。个人计算设备470可以与健康管理实体(HME)相关联，健康管理实体负责POC机群的用户群体的治疗。
控制器400的其他功能在本公开的其他部分中详细描述。
外壳体-控制面板
图5示出了氧气浓缩器100的外壳体170的实施例。在一些实施例中，外壳体170可以由轻质塑料构成。外壳体包括压缩系统入口107、位于外壳体170的每个端部处的冷却系统被动入口101和出口173、出口端口174以及控制面板600。入口101和出口173允许冷却空气进入壳体，流过壳体，并离开壳体170的内部，以帮助冷却氧气浓缩器100。压缩系统入口107允许空气进入压缩系统。出口端口174用于附接导管以将由氧气浓缩器100产生的富氧气体提供给用户。
控制面板600用作用户和控制器400之间的接口，以允许用户启动氧气浓缩器100的预定操作模式并监测系统的状态。充电输入端口605可以布置在控制面板600中。图6示出了控制面板600的实施例。
在一些实施例中，控制面板600可以包括按钮以激活氧气浓缩器100的各种操作模式。例如，控制面板可以包括电源按钮610、剂量按钮620至626、活动模式按钮630、睡眠模式按钮635和电池检查按钮650。在一些实施例中，一个或多个按钮可以具有相应的LED，LED可以在相应的按钮被按压时点亮(并且可以在相应的按钮被再次按压时断电)。电源按钮610可以接通或断开系统的电源。如果电源按钮被激活以关闭系统，则控制器400可以启动关机序列以将系统置于关机状态(例如，两个罐都加压的状态)。剂量按钮620、622、624和626允许选择富氧气体的指定连续流量(例如，1LPM(按钮620)、2LPM(按钮622)、3LPM(按钮624)和4LPM(按钮626))。当用户将要处于比用户经常使用氧气浓缩器100更高海拔的位置时，可以选择海拔按钮640。在本文中更详细地描述了由氧气浓缩器100响应于激活海拔模式进行的调节。
电池检查按钮650启动氧气浓缩器100中的电池检查程序，这使得控制面板600上的一个或多个相对电池电量剩余LED 655被点亮。
通过将检测到的呼吸速率或深度与阈值进行比较来估计用户相对不活跃(例如，睡着、坐着等)，则用户可以具有低呼吸速率或深度。如果相对活跃(例如，步行、锻炼等)，则用户可以具有高呼吸速率或深度。可以自动估计活动/睡眠模式和/或用户可以通过按下用于活动模式的按钮630和用于睡眠模式的按钮635来手动指示相应的活动或睡眠模式。在本文中更详细地描述了由氧气浓缩器100响应于激活活动模式或睡眠模式进行的调节。
输送富氧气体的方法
氧气浓缩器100的主要用途是向用户提供补充氧气。可以在氧气浓缩器100的控制面板600上选择一个或多个流量设置，然后将根据所选择的流量设置来控制操作以实现富氧气体的生产。在一些版本中，可以实现多个流量设置(例如，五个流量设置)。如本文中更详细地描述的，控制器可以实现POD(脉冲氧气输送)或需求操作模式以调节一个或多个释放团的大小，从而根据所选择的流量设置实现富氧气体的输送。
为了使输送的富氧气体的效果最大化，控制器400可以被编程为将每团富氧气体的释放与用户的吸气同步。当用户吸气时向用户释放一团富氧气体，可以通过例如当用户呼气时不释放氧气来防止氧气的浪费。对于在POD模式下操作的浓缩器，控制面板600上的流量设置可以对应于所输送的氧气的分钟体积(团注体积乘以每分钟的呼吸速率)，例如0.2LPM、0.4LPM、0.6LPM、0.8LPM、1.1LPM。
由氧气浓缩器100产生的富氧气体储存在氧气蓄积器106中，并在用户吸气时释放给用户。由氧气浓缩器100提供的富氧气体的量部分地由供应阀160控制。在一个实施例中，供应阀160打开足够的时间量，以将由控制器400估计的适量富氧气体提供给用户。为了最大限度地减少氧气的浪费，可以与用户检测到的吸气同步地将富氧气体作为团输送。例如，可以在用户吸气的前几毫秒内输送富氧气体团。
在一个实施例中，压力传感器194可以用于确定用户吸气的开始。例如，可以通过使用压力传感器194来检测用户的吸气。在使用中，用于提供富氧气体的导管通过气道输送装置710和/或720耦接至用户的鼻子和/或嘴。在吸气开始时，用户开始通过鼻子和/或嘴将空气吸入到他们的身体中。当空气被吸入时，在管道的端部产生负压，部分原因是空气穿过输送管道的端部被吸入的文丘里管作用。可以在由压力传感器194或其他合适的传感器提供的信号中检测这种压降，以指示吸气的开始。在检测到吸气的开始时，供应阀160打开以从蓄积器106输送富氧气体团。在一些情况下，通过实施被称为启动延迟的等待间隔，供应阀的打开可以任选地相对于开始检测延迟。压力的正变化或上升表示用户呼气，并且通常是停止释放富氧气体的时间。通常，当检测到正压变化时，供应阀160关闭，直到下一次吸气的开始。可替代地，供应阀160可以在被称为团注持续时间的预定间隔之后关闭。通过测量相邻吸气开始之间的间隔，可以估计用户的呼吸速率。通过测量吸气开始和随后的呼气开始之间的间隔，可以估计用户的吸气时间。
筛床剩余容量的估计
在任一个罐(302或304)的PSA循环开始时，将进料气体送入其中一个罐以将罐的压力提高预定的罐压力升高量ΔP(“加压阶段”)。加压阶段持续时间可以预先确定为使新鲜罐的罐压力提高罐压力升高量ΔP所花费的时间。在加压阶段之后，止回阀142或144打开并且“吸附阶段”开始，在此期间罐压力比加压阶段期间稳定或上升得更慢。在另一预定间隔之后，通过关闭入口阀122或124并打开出口阀132或134持续另一预定间隔(“减压阶段”)来对罐进行减压。
随着筛床变得失活，吸附剂吸附的氮气减少，因此更多的氮气增加了筛床内的压力。因此，随着给定量的进料气体被送入，压力增加得更快。因此，对于给定的输入流量，筛床压力提高罐压力升高量ΔP所需的时间反映了筛床中的吸附剂材料的剩余吸附容量，假设环境条件没有变化。
在填充筛床内通常存在两个空隙空间。一个是颗粒之间的空隙空间，该空隙空间是未被颗粒的固体物质占据的罐的体积。该空隙空间称为床空隙。另一个空隙空间在每个颗粒内，因为用于便携式氧气浓缩器的吸附剂是多孔的。该空隙空间称为颗粒空隙。这两个空隙空间相结合构成填充床中的总空隙。空隙体积(床空隙和颗粒空隙，它们总计在一起可以被认为是总空隙)通常表示为分数ε。
床空隙分数εb是床空隙体积与罐体积的比率。床空隙率εb可以如下计算
Figure BDA0003282448430000161
其中ρ体积是罐中吸附剂的“体积”密度(每单位体积的质量)，ρ颗粒是单个吸附剂颗粒的“物质”密度(每单位体积的质量，具有与ρ体积相同的单位)。体积密度ρ体积是罐中吸附剂颗粒的质量(已知罐参数)与罐的体积V的比率，通常为500至800毫克/立方厘米。物质密度ρ颗粒是由吸附剂材料的制造商指定的量，通常为900至1500毫克/立方厘米。
如果制造商不知道或不提供ρ颗粒，则可通过本领域技术人员已知的Ergun方程由筛床压降计算εb。
颗粒空隙分数或εp是颗粒空隙体积与颗粒体积的比率。该值可以由材料制造商提供。如果该值不能通过材料制造商获得，则可以通过气体比重计数据计算该值。气体比重计可提供材料骨架密度ρ骨架，其为颗粒中固体组分的质量与体积的比(取出所有空隙和空的空间)。使用该数据和ρ颗粒，颗粒空隙分数εp可以如下计算
Figure BDA0003282448430000162
基于εp和εb两者，总空隙分数ε总可以如下计算
ε总＝εb+εp-(εb×εp) (3)
当进料气体分子被送入筛床中时，它们或者留在空隙中(在这种情况下它们增加了筒中的压力)或者被吸附剂吸附(在这种情况下它们不增加筒中的压力)。如果罐中的压力提高ΔP，那么增加压力的气体摩尔数n空隙，即留在空隙中的，可以根据理想气体方程计算如下：
Figure BDA0003282448430000163
其中，R是通用气体常数(以SI为单位大约等于8.31)，T是筛床内进料气体的温度，V空隙是空隙体积，即方程(3)的总空隙分数ε总乘以罐的体积V。罐压力升高量ΔP是PSA循环的预定参数。筛床内的气体的温度T可以设定为由位于罐附近的气体路径中的一个或多个温度传感器测量的进料气体的温度，或者更准确地，设定为沿筛床定位的多个温度传感器测量的进料气体的温度。例如，温度传感器可以位于压缩机200与一个或两个罐之间，和/或在一个或两个罐内，和/或在一个或两个罐的出口处。在多个温度传感器的情况下，可以将T的值估计为来自相应温度传感器的多个温度测量值的组合，例如平均值。
可以根据压缩系统200的质量流量Q(以摩尔每秒为单位)和压力上升时间Δt(即，使罐压力提高罐压力升高量ΔP所花费的时间)计算送入筛床中的进料气体的摩尔总数N(其由留在空隙中的方程(4)的n空隙摩尔数和被吸附剂吸附的n吸附摩尔数组成)，如下：
N＝QΔt (5)
可以通过多种方式获得通过压缩系统200送入筛床的进料气体的质量流量Q的值。一种方式是在压缩机200的输出处使用质量流量传感器以给出Q的实时准确测量值。另一种方式是使用根据当前的压缩机特性(例如，电动机速度)和当前的环境条件(例如，温度、大气压力、海拔和湿度中的一个或多个)来计算质量流量Q的函数。可以在校准压缩器200的期间开发这种函数，并在制造POC 100时将其实现在存储在存储器420中的例如查找表(例如多维查找表)中。可替代地，这种函数可以根据理想气体定律开发(对于往复式压缩机210)。由于没有合适的传感器而无法获得的环境条件可以设置为典型值，例如20℃的温度、70％的相对湿度和海平面的海拔。
进料气体的质量流量Q可以在加压阶段随时间变化。在这样的实现方式中，送入筛床的进料气体的摩尔总数N可以计算为质量流量Q(t)相对于时间对压力上升时间Δt的积分。
如果罐包含吸附剂上游的干燥剂层，则实际上到达筛床的气体的摩尔数N小于离开压缩机的气体的摩尔数。在这样的实现方式中，可以从由方程(5)计算的值中扣除下式中的值N。扣除量是进料气体中水蒸气摩尔分数的函数，而后者又是相对环境湿度H以及环境温度和压力的函数。可以使用公知的方法，例如基于环境温度的Antoine方程，将相对湿度H转化为进料气体中水蒸气的分压。然后，可以将进料气体中水蒸气的分压除以环境压力，以获得进料气体中水蒸气的摩尔分数。然后，可以将水蒸气的摩尔分数扣除一些小的量以反映干燥剂层没有吸附进料气体中的所有水蒸气的事实。然后，由方程(5)计算的N的值可以乘以1减去扣除的水蒸气摩尔分数。
在其他实现方式中，可以根据制造商的数据以与前述吸附剂材料的空隙分数ε总类似的方式来估计干燥剂材料的空隙分数。干燥剂材料和吸附剂的空隙分数的质量加权平均值可用作总空隙分数，以计算用于方程(4)中的空隙体积V空隙。
送入筛床的进料气体的摩尔数的“未吸附分数”X可以如下计算
Figure BDA0003282448430000171
其中，N是送入筛床的摩尔数。
分数X是筛床耗尽的量度，当筛床完全耗尽时，筛床的分数X将等于1，因为将不再吸附输入气体分子，而对于新鲜筛床，分数X将更低。筛床的剩余容量与分数X逆相关，在该意义上，随着容量在筛床寿命内降低，X的值增加。
可替代实现方式考虑了这样一个事实，即吸附剂床对氧气的吸附速率与对氮气的吸附速率不同。该效应可以通过假定送入筛床中的氧气分子(进料气体的21％)被特定地吸附在筛床的顶部来模拟，然后，随着氮气吸附前沿行进通过筛床，被释放到空隙中以增加罐内的压力。因此，除了未吸附分子的分数X乘以送入筛床的进料气体的摩尔数的总数N之外，另外的进料气体的剩余(1-X)N摩尔的21％也有助于罐压力升高。即，
n空隙＝XN+0.21(1-X)N (7)
可以重新排列方程(7)以允许如下计算分数X
Figure BDA0003282448430000181
注意，当筛床完全耗尽并且当所有气体进料分子到达空隙以增大压力(n空隙＝QΔt)时，分数X在公式(8)下评估为1，就像在较简单的公式(6)下一样。
当筛床是新鲜的(即，剩余容量C＝100％)时，分数X将具有小于1的某个值X新鲜。对于任何给定的筛床，该“新鲜分数”X新鲜是筛床的操作特性，其可以根据罐中吸附材料的量和性质、PSA过程的参数和环境条件来估计得到，或在相同类型(即，相同尺寸和成分)的筛床的一个或多个更多的初始加压期间使用方程(4)和方程(6)或方程(8)，根据压缩机质量流量Q、气体温度T、“新鲜”压力上升时间Δt新鲜、罐压力升高量ΔP和空隙体积V空隙来计算得到。如果使用多个初始加压，则可以将Δt新鲜的值(也是筛床的操作特性)估计为在每次加压下测量的压力上升时间的组合，例如平均值。
然后在筛床使用期间，可以使用方程(4)和方程(6)或方程(8)根据压缩机质量流量Q、气体温度T、压力上升时间Δt、罐压力上升量ΔP和空隙体积V空隙来计算分数X。然后可以使用“新鲜”值1(当X＝X新鲜时)和“耗尽”值0(当X等于“耗尽”分数，即1时)作为分数X的函数来估计筛床的剩余容量C。在一种实现方式中，该函数可以是线性插值：
Figure BDA0003282448430000182
图8是示出了根据基于新鲜分数X新鲜的计算分数X的剩余容量C(X)的线性插值的曲线图800。
另一种实现方式是基于从方程(6)观察到的，给定恒定的气体温度T、罐压力上升量ΔP、空隙体积V空隙和压缩机质量流量Q，压力上升时间Δt与分数X成反比。根据方程(8)中的替代公式，压力上升时间Δt不与分数X成反比，但是X随着Δt上升单调下降，因此可以说压力上升时间Δt通常与分数X成反比。
因此，容量C的插值(例如，线性插值)可以基于压力上升时间Δt，而不是分数X。为此，新鲜压力上升时间Δt新鲜和“耗尽”压力上升时间Δt耗尽(筛床的另一操作特性)可以分别使用方程(4)至(6)根据新鲜分数X新鲜和耗尽分数(1)来估计，或根据给定筛床类型(尺寸和成分)的新鲜和耗尽样品来测量。相同类型的筛床的剩余容量C可以在使用期间作为测量的压力上升时间Δt的函数使用新鲜压力上升时间Δt新鲜和耗尽压力上升时间Δt耗尽来估计。在一种实现方式中，该函数可以是线性插值：
Figure BDA0003282448430000183
图9是示出了根据基于新鲜压力上升时间Δt新鲜和耗尽压力上升时间Δt耗尽的测量的压力上升时间Δt的剩余容量C(Δt)的线性插值的实例的曲线图900。
对于具有给定空隙体积和给定剩余容量的筛床，给定压缩机实现给定罐压力升高量ΔP所花费的压力升高时间Δt将随环境条件(温度、湿度和压力中的一个或多个)而变化。因此，为了更精确地估计剩余容量C，可以在应用方程(10)之前调节压力上升时间Δt，以补偿当前使用环境条件与在测量新鲜压力上升时间Δt新鲜和耗尽压力上升时间Δt耗尽时普遍存在的的那些条件之间的任何差异。在一些实现方式中，可以在测量新鲜压力上升时间Δt新鲜和耗尽压力上升时间Δt耗尽时使用适当的传感器(例如温度、湿度和压力传感器)来测量环境条件。这些测量值可以存储在存储器420中。可以使用相同的传感器来测量使用期间的当前环境条件，并且可以在应用方程(10)之前基于环境条件的任何变化来调整压力上升时间Δt的值。可替代地，自这些参数被测量以后，可以基于环境条件的任何变化调节新鲜压力上升时间Δt新鲜和耗尽压力上升时间Δt耗尽(保留压力上升时间Δt未调节)。在调节的一个示例性实现方式中，测量的压力上升时间Δt可以与绝对温度的变化成反比地缩放。在另一示例性实现方式中，测量的压力上升时间Δt可以与压缩机质量流量Q的变化成反比地缩放。(压缩机质量流量Q的变化可以使用将质量流量Q与当前环境条件相关联的函数来建模，如上所述。)
上述方程中的任一个或多个，以及它们的操作的任何形式，可以通过诸如POC的设备实现为一个或多个函数，用于估计筛床的剩余容量。在一些情况下，这些功能可以用一个或多个数据查找表来实现。
例如，图10包含本技术的一个实现方式中的估计筛床的剩余容量C的方法1000的示例性流程图。方法1000可以由一个或多个处理器执行(例如控制器400的一个或多个处理器410)，一个或多个处理器由存储在存储器(例如，POC 100的存储器420)中的程序指令(例如包括如前所述的一个或多个函数和/或与之对应的相关数据)配置。可替代地，如上所述，方法1000的一些或全部步骤可以类似地由外部计算设备的一个或多个处理器执行，POC100的控制器400配置为与该外部计算设备通信。在后一实现方式中，处理器410可以由存储在POC 100的存储器420中的程序指令配置为将在外部计算设备处执行这些步骤所需的测量值和参数传输到外部计算设备。外部计算设备可以是远程计算设备(例如，服务器440)、便携式计算设备460或个人计算设备470。
任选地，方法1000可以在步骤1010开始，步骤1010估计或计算新鲜分数X新鲜。可以使用上面的方程(6)或方程(8)作为压缩机质量流量Q、气体温度T、新鲜压力上升时间Δt新鲜、罐压力上升量ΔP和空隙体积V空隙的函数来计算新鲜分数X新鲜。步骤1010可以是对所有相同类型的筛床进行一次或对给定筛床进行一次的初始步骤。例如，这样的信息可以被预先确定(例如，通过其他设备或通过POC 100)并存储在POC 100或其他设备的存储器中，以供用于该方法的后续步骤。后续步骤1020至1050可以在每次估计与步骤1010中使用的相同类型的筛床或与步骤1010中使用的相同的筛床的剩余容量时进行。
步骤1020测量在PSA循环的加压阶段中被加压的罐的温度T。步骤1030，例如与步骤1020同时，测量压力上升时间Δt。然后，步骤1040使用上面的方程(6)或方程(8)作为压缩机质量流量Q、气体温度T、压力上升时间Δt、罐压力上升量ΔP和空隙体积V空隙的函数来计算分数X。任选的步骤1050基于自新鲜分数X新鲜被测量以来的环境条件的变化调节分数X或新鲜分数X新鲜，如上所述。最后，步骤1060使用方程(9)作为分数X和新鲜分数X新鲜的函数来计算剩余容量C的估计。
图11包含本技术的一个实现方式中的一种用于估计筛床的剩余容量C的方法1100的流程图。方法1100可以由控制器400被存储在POC 100的存储器420中的程序指令配置来执行。可替代地，如上所述，方法1100的一些或全部步骤可以由外部计算设备的一个或多个处理器执行，POC 100的控制器400配置为与该外部计算设备通信。在后一实现方式中，处理器410可以由存储在POC 100的存储器420中的程序指令配置为将在外部计算设备处执行这些步骤所需的测量值和参数传输到外部计算设备。外部计算设备可以是远程计算设备(例如，服务器440)、便携式计算设备460或个人计算设备470。
方法1100可以任选地在步骤1110开始，步骤1110估计或测量新鲜筛床的新鲜压力上升时间Δt新鲜。步骤1120估计或测量相同筛床耗尽时或相同类型的耗尽筛床的耗尽压力上升时间Δt耗尽。
步骤1110和1120是任选的可以对所有相同类型的筛床执行一次的初始步骤。例如，这样的信息可以被预先确定(例如，通过其他设备或通过POC 100)并存储在POC 100或其他设备的存储器中，以供用于该方法的后续步骤。步骤1110也可以对于给定的筛床执行一次，例如在设置过程中。后续步骤1130至1150可以在每次估计与步骤1110和1120中使用的相同类型的筛床或与步骤1110中使用的相同的筛床的剩余容量时进行。
步骤1130测量PSA循环的加压阶段的压力上升时间Δt。任选的步骤1140基于自新鲜压力上升时间Δt新鲜和耗尽压力上升时间Δt耗尽被测量以来的环境条件的变化调节压力上升时间Δt，或新鲜压力上升时间Δt新鲜和耗尽压力上升时间Δt耗尽，如上所述。然后，步骤1150使用方程(10)作为压力上升时间Δt、新鲜压力上升时间Δt新鲜和耗尽压力上升时间Δt耗尽的函数来计算剩余容量C的估计。
其他可替代方法可以以类似于方法1000和1100如何使用压力上升时间Δt来估计筛床剩余容量C的方式，使用筛床的压力-时间特性P(t)的加压阶段的其他参数。这种参数的一个实例是初始斜率压力-时间特性的dP/dt，当剩余容量C为100％时较低，并随着剩余容量C的减小而增加。这种参数的另一个实例是吸附阶段期间的压力-时间特性的斜率dP/dt。这种参数的又一个实例是吸附阶段期间的压力-时间特性的初始斜率dP/dt与压力-时间特性的斜率dP/dt的比率。
再其他可替代方法可以以类似于方法1000和1100如何使用加压阶段的压力上升时间Δt来估计筛床剩余容量C的方式，使用筛床的压力-时间特性P(t)的减压阶段的其他参数。这种参数的一个实例是压力下降时间。
如上所述，控制器400耦接至氧气传感器162，并且可以被编程用于连续或定期监测通过氧气传感器162的富氧气体的氧浓度。氧浓度pO2已经用于产生筛床剩余容量的估计C氧。根据氧浓度估计的剩余容量C氧可以与如上所述的根据压力-时间特性参数估计的剩余容量C进行比较。剩余容量的两个估计之间的显著差异可用于指示POC 100内的内部系统故障，例如泄漏、凝结、传感器故障或气体阻塞。
可替代地，氧浓度pO2可以用作根据压力-时间特性估计的剩余容量C的“完整性检查”。例如，如果剩余容量C接近0％但是氧浓度pO2保持在其最大值附近，则这可以用作系统故障的指示。相反，如果氧浓度pO2已经显著下降(例如低于90％)，则这可以用作确认剩余容量下降估计的指标。
在时间t1、t2、……、tN的剩余容量C(t1)、C(t2)、……、C(tN)的多个估计可以转换为筛床耗尽之前剩余使用时间的估计R。在一种实现方式中，可以从剩余容量的估计C(t1)、C(t2)、...、C(tN)中提取趋势或时间曲线C(t)，并且时间曲线C(t)可以外推以估计剩余容量C(t0)将达到零的时间t0，假设产生估计C(t1)、C(t2)、...、C(tN)的类似使用模式连续。然后，可以将剩余使用时间的估计R设置为t0与当前时间之差。
剩余容量/使用时间估计的用途
剩余筛床容量和/或使用时间的估计可以进一步由连接式氧气治疗系统50中的各种实体使用。
在一种实现方式中，剩余容量和/或使用时间估计可以显示在POC 100的控制面板600上。例如，LED655可以用于指示剩余容量估计的当前值(例如，示出的100％、75％、50％、25％)，而不是剩余电池电量。可以响应于控制面板600上的单独按钮(未示出)被激活而发生该显示。类似地，数字(例如，8-段)显示器(未示出)可用于显示剩余容量和/或使用时间估计的当前值。
在另一实现方式中，在便携式计算设备460上运行的“app”可以使得剩余容量和/或使用时间估计的值被显示在便携式计算设备460的显示器上。这可以在服务器440的指令下经由对app的“推送通知”发生，或者在app的主动下发生。任选地，在一些情况下，便携式计算设备的处理器可以访问由POC测量的数据，例如通过从POC接收这样的数据，并且使用如前所述的任何处理方法来计算剩余容量和/或使用时间估计的值。
在另一实现方式中，服务器440可以配置为托管门户系统。门户系统可以从便携式计算设备460或直接从POC 100接收与POC 100的操作有关的数据。例如，这样的操作数据可以包括POC 100中的筛床的剩余容量或使用时间的估计，或者用于在门户系统的服务器处计算这些估计的测量值。如上所述，个人计算设备470可以执行诸如浏览器的客户端应用以允许个人计算设备470的用户(例如，HME的代表)经由服务器440托管的门户系统来访问POC100以及连接式氧气治疗系统50中的其他POC的操作数据。以这种方式，HME可以利用这样的门户系统来管理POC设备(例如，连接式氧气治疗系统50中的POC设备100)的用户群体。
门户系统可以基于由门户系统接收的操作数据为POC设备群及其用户提供对用户或设备条件的可动作洞察。这种洞察可以基于应用于操作数据的规则。在一种实现方式中，POC机群的估计的剩余使用时间可以在与门户系统交互的客户端程序的“窗口”中在个人计算设备470的显示器上向HME的代表显示。此外，可以将规则应用于每个剩余使用时间估计。这种规则的一个实例是“如果POC的剩余使用时间小于三周，则在使用时间的显示中突出显示POC”。将这种规则应用于估计的剩余使用时间会使得在筛床接近耗尽的POC的显示器上突出显示。然后，HME可以注意到突出显示的POC，提示即将更换筛床。这是通过在连接式氧气治疗系统50内操作的用于估计筛床剩余容量的方法1000和1100实现的基于规则的机群管理类型的一个实例。
任选地，例如在POC 100确定筛床的剩余容量C的估计的情况下，POC 100可以向系统50的外部计算设备传送消息，该消息可以基于该估计，例如通过与阈值的比较(例如，如果估计处于或低于阈值)，从而提供筛床需要的通知消息。这样的消息可以包括对新鲜筛床的请求，例如通过用图7的任何设备实现的订购或履行系统来安排新鲜筛床的购买或更换订单。这样的消息也可以由系统50的任何设备生成，该设备接收估计或确定该估计所需的测量值以及参数。在这种情况下，消息可以进一步被传输到其他系统，例如购买、定购或履行系统或服务器，其可以配置为与系统50的设备通信以安排和/或完成这样的定购。更进一步地，在一些版本中，POC可以基于估计或估计与一个或多个阈值的比较来改变POC的控制参数。例如，可以基于比较来调节用于控制POC的PSA循环的一个或多个参数。这样的调节可以包括，例如，用于控制通过罐的流量的阀门的各种阀门正时的参数和/或压缩机速度等。可以实施这样的调节，以对于被检测到部分受损的床(例如，小于100％、50％等)增加剩余筛床使用寿命，或恢复正常操作参数(例如，大于50％或等于或接近100％)以用于检测更新的床。任选地，系统50的任何设备可以被配置成向POC传送命令以用于POC实现POC的控制参数改变，例如当这样的设备基于估计或该估计与一个或多个阈值的比较在POC操作中检测到需要进行这样的改变时。
一般说明
在本公开中，某些美国专利、美国专利申请和其他材料(例如，文章)已经通过引用并入。然而，此类美国专利、美国专利申请和其他材料的文本仅在此类文本与本文中陈述的其他陈述和附图之间不存在冲突的情况下通过引用并入。如果发生此类冲突，则在通过引用并入的美国专利、美国专利申请和其他材料中的任何此类冲突文本都不会特别通过引用并入本专利中。
根据本说明书，本技术的各个方面的进一步修改和替换实施例对于本领域技术人员而言是显而易见的。因此，本说明书应被解释为仅仅是说明性的，并且是为了教导本领域技术人员实施该技术的一般方式。应当理解，这里示出和描述的技术的形式应被认为是实施例。元件和材料可以替代本文所示和所述的那些，部件和工艺可以颠倒，并且可以独立地利用技术的某些特征，所有这些对于受益于该技术描述的本领域技术人员而言是显而易见的。在不脱离所附权利要求中描述的技术的精神和范围的情况下，可以对本文描述的元件进行改变。
例如，对于以下描述性段落的实例，可以进一步考虑上述技术：
实例1.一种用于估计氧气浓缩器中的筛床的剩余容量的方法，所述方法包括：
针对氧气浓缩器的变压吸附循环的阶段，测量筛床的压力-时间特性；
提取压力-时间特性的参数；以及
使用压力-时间特性的参数来估计剩余容量。
实例2.根据实例1所述的方法，其中，对于与筛床相同类型的新鲜筛床，估计还使用参数的新鲜值。
实例3.根据实例2所述的方法，还包括：调节(a)参数和(b)参数的新鲜值中的至少一者，以补偿自参数的新鲜值被测量以来的环境条件的变化。
实例4.根据实例2所述的方法，其中，对于与筛床相同类型的耗尽筛床，一个或多个函数使用参数的耗尽值。
实例5.根据实例4所述的方法，还包括：调节参数的耗尽值，以补偿自参数的耗尽值被测量以来的环境条件的变化。
实例6.根据实例2至5中任一项所述的方法，其中，估计剩余容量包括在参数与参数的新鲜值之间进行插值。
实例7.根据实例1至6中任一项所述的方法，其中，参数是送入筛床的进料气体的未吸附分数。
实例8.根据实例7所述的方法，其中，提取参数包括将未吸附进料气体的量除以送入筛床中的进料气体的量。
实例9.根据实例1至6中任一项所述的方法，其中，对于与筛床相同类型的耗尽筛床，估计还使用参数的值。
实例10.根据实例9所述的方法，其中，参数是压力上升时间。
实例11.根据实例1至10中任一项所述的方法，还包括：
重复测量、提取和估计以获得剩余容量的进一步估计，以及
根据估计和剩余容量的进一步估计来估计筛床的剩余使用时间。
实例12.根据实例1至11中任一项所述的方法，还包括：在氧气浓缩器的显示器上显示剩余容量的估计的指示。
实例13.一种氧气浓缩器，包括：
筛床，筛床含有气体分离吸附剂；
压缩系统，压缩系统配置为将进料气体送入筛床中；
存储器；以及
控制器，控制器包括一个或多个处理器，一个或多个处理器被存储在存储器中的程序指令配置为执行如权实例1至12中任一项所述的用于估计筛床的剩余容量的方法。
实例14.一种连接式氧气治疗系统，包括：
便携式氧气浓缩器，便携式氧气浓缩器包括含有气体分离吸附剂的筛床；
外部计算设备，外部计算设备与便携式氧气浓缩器通信；
存储器，以及
处理器，处理器被存储在存储器中的程序指令配置为估计筛床的剩余容量，处理器配置为：
针对氧气浓缩器的变压吸附循环的阶段，测量筛床的压力-时间特性；
提取压力-时间特性的参数；以及
使用压力-时间特性的参数来估计剩余容量。
实例15.根据实例14所述的连接式氧气治疗系统，其中，处理器和存储器为便携式氧气浓缩器的一部分。
实例16.根据实例15所述的连接式氧气治疗系统，其中，处理器还配置为将剩余容量估计传输到外部计算设备。
实例17.根据实例14所述的连接式氧气治疗系统，其中，处理器和存储器是外部计算设备的一部分。
实例18.根据实例14至17中任一项所述的连接式氧气治疗系统，还包括：显示器。
实例19.根据实例18所述的连接式氧气治疗系统，其中，处理器还配置为在显示器上显示所估计的剩余容量的指示。
实例20.根据实例14至19中任一项所述的连接式氧气治疗系统，其中，外部计算设备是便携式计算设备。
实例21.根据实例14至19中任一项所述的连接式氧气治疗系统，其中，外部计算设备是服务器。
实例22.根据实例21所述的连接式氧气治疗系统，还包括：便携式计算设备，便携式计算设备与服务器通信。
实例23.根据实例22所述的连接式氧气治疗系统，其中，个人计算设备配置为与由服务器托管的门户系统交互。
实例24.根据实例23所述的连接式氧气治疗系统，其中，个人计算设备配置为：
从门户系统接收剩余容量估计；以及
在个人计算设备的显示器上显示剩余容量估计。
实例25.根据实例21所述的连接式氧气治疗系统，还包括：便携式计算设备，便携式计算设备与服务器通信。
实例26.根据实例25所述的连接式氧气治疗系统，其中，便携式计算设备配置为：
从服务器接收剩余容量估计；以及
在便携式计算设备的显示器上显示剩余容量估计。
实例27.一种装置，包括：
用于针对氧气浓缩器的变压吸附循环的阶段，测量筛床的压力-时间特性的工具；
用于提取压力-时间特性的参数的工具；以及
用于使用压力-时间特性的参数来估计筛床的剩余容量的工具。
标记列表
Figure BDA0003282448430000241
Figure BDA0003282448430000251
Figure BDA0003282448430000261
Figure BDA0003282448430000271

Claims (41)

1.一种用于估计氧气浓缩器中的筛床的剩余容量的方法，所述方法包括：
针对所述氧气浓缩器的变压吸附循环的阶段，访问所述筛床的测量的压力-时间特性的参数；
访问所述测量的压力-时间特性的参数和所述筛床的一个或多个操作特性的一个或多个函数；以及
通过将所述一个或多个函数应用于所述测量的压力-时间特性的参数来估计所述剩余容量。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，对于与所述筛床相同类型的新鲜筛床，所述一个或多个函数使用所述参数的新鲜值。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括：调节(a)所述参数的新鲜值和(b)所述参数中的至少一者，以补偿自所述参数的新鲜值被测量以来的环境条件的变化。
4.根据权利要求2至3中任一项所述的方法，其中，对于与所述筛床相同类型的耗尽筛床，所述一个或多个函数使用所述参数的耗尽值。
5.根据权利要求4所述的方法，还包括：调节所述参数的耗尽值，以补偿自所述参数的耗尽值被测量以来的环境条件的变化。
6.根据权利要求4至5中任一项所述的方法，其中，所述一个或多个函数包括使用所述参数的新鲜值和所述参数的耗尽值的插值。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，所述参数是压力上升时间。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，所述参数是送入所述筛床的进料气体的未吸附分数。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述一个或多个函数包括表示送入所述筛床中的进料气体的总摩尔数的参数。
10.根据权利要求8至9中任一项所述的方法，其中，所述一个或多个函数包括表示送入所述筛床中的进料气体的质量流量的参数。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的方法，其中，所述一个或多个函数包括表示送入所述筛床中的未吸附进料气体的量的参数。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的方法，其中，所述一个或多个函数包括表示所述阶段中的压力变化、所述筛床的罐的空隙体积、送入所述筛床中的进料气体的温度以及通用气体常数的参数。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的方法，其中，所述一个或多个函数包括将送入所述筛床中的未吸附进料气体的量除以送入所述筛床中的进料气体的量。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其中，所述一个或多个函数包括一个或多个查找表。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的方法，还包括：
重复所述访问和所述估计以获得剩余容量的进一步估计，以及
根据所述估计和所述剩余容量的进一步估计来估计所述筛床的剩余使用时间。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的方法，还包括：在所述氧气浓缩器的显示器上显示所估计的所述剩余容量的指示。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的方法，还包括：基于所估计的所述剩余容量生成消息。
18.根据权利要求1至17中任一项所述的方法，还包括：针对所述氧气浓缩器的所述变压吸附循环的阶段，测量所述筛床的压力-时间特性以产生所述参数。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括：重复所述测量以获得剩余容量的进一步估计。
20.一种用于估计氧气浓缩器中的筛床的剩余容量的方法，所述方法包括：
针对所述氧气浓缩器的变压吸附循环的阶段，测量所述筛床的压力-时间特性；
提取所述压力-时间特性的参数；以及
使用所述压力-时间特性的参数来估计所述剩余容量。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述参数是送入所述筛床的进料气体的未吸附分数。
22.根据权利要求20至21中任一项所述的方法，其中，所述参数是压力上升时间。
23.根据权利要求20至22中任一项所述的方法，还包括：
重复所述测量、所述提取和所述估计以获得剩余容量的进一步估计，以及
根据所述估计和所述剩余容量的进一步估计来估计所述筛床的剩余使用时间。
24.一种氧气浓缩器，包括：
筛床，所述筛床含有气体分离吸附剂；
压缩系统，所述压缩系统配置为将进料气体送入所述筛床中；
存储器；以及
控制器，所述控制器包括一个或多个处理器，所述一个或多个处理器被存储在所述存储器中的程序指令配置为执行如权利要求1至23中任一项所述的用于估计所述筛床的剩余容量的方法。
25.一种氧气浓缩器，包括：
筛床，所述筛床含有气体分离吸附剂；
压缩系统，所述压缩系统配置为将进料气体送入所述筛床中；
存储器；以及
控制器，所述控制器配置为：
针对所述氧气浓缩器的变压吸附循环的阶段，访问所述筛床的测量的压力-时间特性的参数；
访问所述测量的压力-时间特性的参数和所述筛床的一个或多个操作特性的一个或多个函数；以及
通过将所述一个或多个函数应用于所述测量的压力-时间特性的参数来估计所述筛床的剩余容量。
26.一种氧气浓缩器，包括：
筛床，所述筛床含有气体分离吸附剂；
压缩系统，所述压缩系统配置为将进料气体送入所述筛床中；
存储器；以及
控制器，所述控制器配置为：
针对所述氧气浓缩器的变压吸附循环的阶段，测量所述筛床的压力-时间特性；
提取所述压力-时间特性的参数；以及
使用所述压力-时间特性的参数来估计所述筛床的剩余容量。
27.一种连接式氧气治疗系统，包括：
便携式氧气浓缩器，所述便携式氧气浓缩器包括含有气体分离吸附剂的筛床；
外部计算设备，所述外部计算设备与所述便携式氧气浓缩器通信；
存储器；以及
处理器，所述处理器被存储在所述存储器中的程序指令配置为估计所述筛床的剩余容量，所述处理器配置为：
针对所述便携式氧气浓缩器的变压吸附循环的阶段，访问所述筛床的测量的压力-时间特性的参数；
访问所述测量的压力-时间特性的参数和所述筛床的一个或多个操作特性的一个或多个函数；以及
通过将所述一个或多个函数应用于所述测量的压力-时间特性的参数来估计所述剩余容量。
28.根据权利要求27所述的连接式氧气治疗系统，其中，所述处理器和所述存储器为所述便携式氧气浓缩器的一部分。
29.根据权利要求28所述的连接式氧气治疗系统，其中，所述处理器还配置为将所述剩余容量估计传输到所述外部计算设备。
30.根据权利要求27所述的连接式氧气治疗系统，其中，所述处理器和所述存储器是所述外部计算设备的一部分。
31.根据权利要求27至30中任一项所述的连接式氧气治疗系统，还包括：显示器。
32.根据权利要求31所述的连接式氧气治疗系统，其中，所述处理器还配置为在所述显示器上显示所估计的所述剩余容量的指示。
33.根据权利要求27至32中任一项所述的连接式氧气治疗系统，其中，所述外部计算设备是便携式计算设备。
34.根据权利要求27至32中任一项所述的连接式氧气治疗系统，其中，所述外部计算设备是服务器。
35.根据权利要求34所述的连接式氧气治疗系统，还包括：便携式计算设备，所述便携式计算设备与所述服务器通信。
36.根据权利要求35所述的连接式氧气治疗系统，其中，所述个人计算设备配置为与由所述服务器托管的门户系统交互。
37.根据权利要求36所述的连接式氧气治疗系统，其中，所述个人计算设备配置为：
从所述门户系统接收所述剩余容量估计；以及
在所述个人计算设备的显示器上显示所述剩余容量估计。
38.根据权利要求34所述的连接式氧气治疗系统，还包括：便携式计算设备，所述便携式计算设备与所述服务器通信。
39.根据权利要求38所述的连接式氧气治疗系统，其中，所述便携式计算设备配置为：
从所述服务器接收所述剩余容量估计；以及
在所述便携式计算设备的显示器上显示所述剩余容量估计。
40.一种装置，包括：
用于针对氧气浓缩器的变压吸附循环的阶段，访问筛床的测量的压力-时间特性的参数的工具；
用于访问所述测量的压力-时间特性的参数和所述筛床的一个或多个操作特性的一个或多个函数的工具；以及
用于通过将所述一个或多个函数应用于所述测量的压力-时间特性的参数来估计所述筛床的剩余容量的工具。
41.一种装置，包括：
用于针对氧气浓缩器的变压吸附循环的阶段，测量筛床的压力-时间特性的工具；
用于提取所述压力-时间特性的参数的工具；以及
用于使用所述压力-时间特性的参数来估计所述筛床的剩余容量的工具。
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