CN1221303C - 可佩带的小型氧浓缩器 - Google Patents

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Abstract

一种组分气体浓缩器，包括一空气压缩机、一气密的第一容器和一气密的第二容器，第一容器包括一分子筛床，第一容器通过一第一气体导管与压缩机流体连通，第二容器通过一第二气体导管与第一容器流体连通。一气流控制器比如PLC控制着被安装到气体导管上的阀的驱动。

Description

可佩带的小型氧浓缩器
技术领域
本发明涉及气体浓缩器领域，特别涉及一种便携式的小型气体浓缩器以及使气体浓缩器小型化的方法。
背景技术
压力回转吸附循环是由Charles Skarstrom研究出来的。图17A和图17B示出Skarstrom“无热干燥器”的操作过程。具体地说，周围的湿润空气被一压缩机从一进气口吸入该系统。该压缩空气从该压缩机通过导管9流到一开关阀4。当该阀处于图17A所示位置时，压缩空气通过导管5a流入一压力容器6a。空气流入该压力容器并到一限流口1a。该限流口的作用是限制从压力容器溢出的气体的流量。当压力容器中的压力增大时，水蒸气在筛材料8上冷凝。湿度减小的空气通过孔1a流入导管12。在导管接合处11，一部分空气从排气口2排出以便使用，而剩余空气通过导管13流到限流口1b。流过该限流口1b的具有较小湿度的空气被用来将湿润空气吹出非压力容器6b，通过导管5b和阀4，到达出气口7。当阀4转换到图17B所示位置时，则开始相反的循环。
因此，当阀4循环地从图17A的位置到图17B的位置间循环时，在排气口2处抽样的空气的湿度就逐渐减少。同样地，也可以通过将在选择性的分子筛上的气体组分吸附而分离气体。
根据实验室观察，在氧分离器或浓缩器上采用Skarstrom循环，氮可以被分子筛床吸附以递增地生成富氧空气，并在图1所示的浓缩器10上设置一预报器，则发现，在所述排气口11进行检测，小型化的(此时为公制19.05毫米(3/4英寸)常温常压管×152.4毫米(6英寸长))分子筛床12和14仅仅能够达到最大值30％的浓缩氧或富集氧。认为这是因为，在所有氮被从所述分子筛床和排气管线排出之前，试验设备的控制阀正在转换。然而，根据在这些地方的测量显示，其氧浓度比正常值要高。因而，这不是问题。
还发现，在所述分子筛床被完全压缩之前，存在大量空气流从分子筛床流出。好象是，在所述分子筛床被最后压缩之前它已被氮渗透。图2示意性地示出这样一种分子筛床16。压缩空气沿方向A通过进气道16a进入分子筛床16。空气的体积B被包含在床腔内。当分子筛床压缩时，空气的一部分体积C通过一排出针阀18溢出。认为，该溢出的空气体积C可以比所述床16内的空气体积B大许多。这样问题就变为，在小型化期间当分子筛床的容积被减小而其它一切都保持相同时会发生什么？
在将旧的床体积B与小型化床的体积进行比较，以计算出在一压力差下通过一小孔比如针阀18的流体的流量时，采用Poiseauille法。
其中Q为流体流量，立方米每秒。“r”为小孔半径。“P床内-P床外”等于分子筛床内部与分子筛床外部之间的压力差。“η”为流体的粘度，“L”为小孔的深度。
流量Q(立方米每秒)乘以流量发生的时间等于流体的体积(立方米)。
2)       V＝Qt
公式1中的变量Q此时为恒量。
3)    V＝Kt
其中K为某恒定值。
利用上述信息，将原氧浓缩器的床空间的流量和体积与新床空间的比较表示为：
Figure C0181385400161
由于压缩分子筛床的时间可以用一可编程序逻辑控制(PLC)定时器精确定时，因而可以表示为下式：
或者
Figure C0181385400163
通过采用现有技术的床和一小型化床(这里为19.05毫米(3/4英寸)常温常压管×152.4毫米(6英寸长))的代表值进行插入值而计算出比值。比如：
7 ) - - - R = ( 1 ) ( 0.001885741 ) ( 7 ) ( 0.0000434375 ) = 6.2
因此，可以得出结论，公称19.05毫米(3/4英寸)常温常压管×152.4毫米(6英寸长)(此例用于公式7)的分子筛床的分子筛材料在其压缩周期具有为现有技术的氧浓缩器的分子筛材料在其压缩周期约6.2倍的空气。
作为上述分析的推论可以发现，其可以以不同方式使分子筛床压缩和排气，因而比现有技术的压力回转吸附(PSA)技术更加优越。在本发明的方法中，直到床基本上被完全压缩后才排气，下面称为一种空气包系统或方法。
发明内容
总之，本发明的气体比如氧气浓缩器用于使一种目标组分气体的浓度富集，比如氧浓度，并使气流中的一种废弃组分气体的浓度比如氮浓度减少，该浓缩器包括：一空气压缩机、一气密的第一容器和一气密的第二容器，该第一容器包括一分子筛床用以吸附所述废弃组分气体，该第一容器通过一第一气体导管与所述压缩机流体连通，该第二容器通过一第二气体导管与所述第一容器流体连通。诸如PLC等气流控制器控制着被安装到所述气体导管上的阀的驱动。所述阀用于调节流过导管的空气流，以便顺序地重复循环：
(a)阻止第一与第二容器之间的气体流动，并在第一气体压缩阶段允许压缩空气从压缩机流入第一容器，从而第一容器被压缩至一阈值压力水平以形成一气体包，该气体包具有一递增富集的目标组分气体浓度，比如递增富集的富氧空气；
(b)阻止气体从压缩机流入第一容器，并在一气体包转换阶段允许气体从第一容器流入第二容器，其中在该转换阶段气体包被转换到第二容器；
(c)阻止气体从第一容器流入第二容器，并允许气体从第一容器通过第一容器的一排气阀而排入到大气中；
(d)允许在一空气包逆流阶段气体在第一和第二容器之间从第二容器流入第一容器，其中在该逆流阶段气体包从第二容器流入到第一容器；以及
(e)阻止气体流从第一容器通过第一容器的排气阀而排出。
一气流分离器被安装到第二气体导管用于将气体包的一部分转移到一气体管线中，以便将目标组分气体比如氧气、富集空气提供给最终用途，包括供应给沿气体管线下游的最终用户使用。
在本发明的一个实施例中，第一和第二容器均包含分子筛床，用于吸附废弃的组分气体，在此情况下，第二容器也与压缩机流体连通；比如，通过一第三导管。而且，此时，在空气包转换阶段之后和在阻止气体从第一容器流入第二容器步骤之后，气流控制器在一第二气体压缩阶段允许压缩空气从压缩机流入第二容器，因而第二容器被压缩到一阈值压力水平。在阻止气流从第一容器通过第一容器的排气阀排出步骤之后和在第一气体压缩阶段阻止第一和第二容器之间的气体流动之后，该气流控制器允许气体从第二容器通过第二容器的一排气阀排入到大气中，并阻止气体从压缩机流入第二容器。
气流控制器可以是与压缩机配合作用的一个处理器，以便当气体被禁止从压缩机流入第一和第二容器时，关闭压缩机。该处理器和压缩机可以由电池供电。所述第一和第二容器、导管、阀、处理器、压缩机和电池可以被装配在一箱体内。
所述第一和第二容器可以是细长的中空导管。当废弃组分气体为氮时，所述分子筛床可以包括沸石(Zeolite)作为分子筛材料。第一和第二容器通常是平行的并以平行排列的方式安装在箱体内。它们可以相对于容器的长度方向彼此横向间隔布置，以便在它们之间形成一通道。处理器和压缩机可以被安装在该通道内。一阀与歧管箱体也可以被安装在该通道内，所述阀被安装在该阀与歧管箱体内。该阀与歧管箱体包括用于通过气体导管将所述阀互连到所述第一和第二容器和压缩机上的互连歧管。
可以设置一气体存储器，比如可以形成为所述阀与歧管箱体的一部分，并与气流分离器流体连通。该存储器用于存储富氧空气以便提供最终用途。其中一个阀为一需求阀(demand valve)，其设置在气体管线与存储器之间，用于根据一触发事件将存储器中的存储物释放到气体管线中，该触发事件用以触发该需求阀的驱动动作。在一实施例中，一压力传感器配装在气体管线上，所述触发事件就是指由该压力传感器所感触到的气体管线上压力的下降。该压力传感器根据检测到的压降提供一触发信号以触发所述需求阀的驱动，比如，低于一预设的低阈值压力，此时该压力传感器提供该触发信号。
在一实施例中，所述压缩机根据来自所述处理器的驱动信号间歇地运行，以便仅在需要时运行，包括在压缩阶段。
在其最终用途是向一最终用户比如一个病人供应比如氧气的所述实施例中，所述第一和第二容器可以沿其长度方向是细长形的和弧形的，以便当气体浓缩器被穿戴在最终用户身上时与该用户的体形相适合。在任何情形下，当最终用途是向一最终用户提供氧气时，其意图就是该气体浓缩器可以适用于被该最终用户穿戴。
因此，本发明的方法包括以下顺续的步骤，并重复循环：
(a)阻止第一与第二容器之间的气体流动，并在一第一气体压缩阶段允许压缩空气从压缩机流入第一容器，从而第一容器被压缩至一阈值压力水平以形成一气体包，该气体包具有一递增富集的目标组分气体浓度；
(b)阻止气体从压缩机流入第一容器，并在一气体包转换阶段允许气体从第一容器流入第二容器，其中在该转换阶段气体包被转换到第二容器；
(c)阻止气体从第一容器流入第二容器，并允许气体从第一容器通过第一容器的一排气阀排入到大气中；
(d)允许在一空气包逆流阶段气体在第一和第二容器之间从第二容器流入第一容器，其中在该逆流阶段气体包从第二容器流入到第一容器；以及
(e)阻止气体从第一容器通过第一容器的排气阀排出。
所述气体浓缩器还包括一分子筛床，用于吸附在第二容器内的废弃组分气体，而该第二容器通过一第三导管与该压缩机流体连通，本发明的方法还包括以下步骤：
(a)在空气包转换阶段之后和在阻止气体从第一容器流入第二容器步骤之后，气流控制器在一第二气体压缩阶段允许压缩空气从压缩机流入第二容器，藉此第二容器被压缩到一阈值压力水平；以及
(b)在阻止气流从第一容器通过第一容器的排气阀排出的步骤之后和在所述第一气体压缩阶段阻止气体在第一和第二容器之间流动的步骤之后，该气流控制器允许气体从第二容器通过第二容器的一排气阀排入到大气中，并阻止气体从压缩机流入第二容器。
附图说明
图17A和图17B示出Skarstrom无热空气干燥设备。
图1为本发明的氧气浓缩器的一典型实施例的透视图。
图1a为图1所示分子筛床的一端的部分剖视放大图。
图2为一单个分子筛床的示意图，其具有一无控制的排出孔，这可以在现有技术的压力回转吸附方法中发现。
图3为本发明的氧气浓缩器的一个实施例的方框图。
图4为本发明的氧气浓缩器的另一实施例的方框图，其显示了第一分子筛床在初始压缩阶段的压缩期间。
图5为图4所示氧气浓缩器在一空气包转换阶段的方框图。
图6为图5所示氧气浓缩器在一第二分子筛床压缩期间的方框图。
图6a为本发明氧气浓缩器的一实施例的方框图。
图7为本发明氧气浓缩器的一实施例的分解透视图。
图8为本发明氧气浓缩器的再一实施例的透视图。
图8a为沿图8中8a-8a线的截面图。
图9为根据本发明氧气浓缩器一个实施例的箱体的端视透视图。
图10为一最终用户穿戴着根据本发明一个实施例的氧气浓缩器的透视图。
图11为根据本发明的氧气浓缩器的方框图。
图12为根据本发明的氧气浓缩器一实施例的阀与歧管箱体的透视图。
图13为图12所示阀与歧管箱体的侧视图。
图14为图13所示阀与歧管箱体的俯视图。
图15为图12所示阀与歧管箱体沿截面线15-15的截面图。
图16为本发明氧气浓缩器的分子筛床的再一实施例的部分剖视透视图。
图16a为图16所示分子筛床的一端的部分剖视放大图。
具体实施方式
现在参见附图对本发明的浓缩步骤和装置进行详细描述，在每一附图中，相同的部件具有相同的附图标记。在这里并包括在下面所附权利要求书中，所涉及到的氧气和富氧都是指包括其它最终用途气体，这些最终用途气体一旦根据本发明从原气体(比如周围空气)中分离或者浓缩出来，就在任何最终用途上具有优点，其中所述的原气体包括最终用途气体(比如氧气)和可被分子筛床吸附的废弃气体(比如氮气)。
参见图3，它为实现本发明目的的氧气浓缩器的一种设置的示意图，空气通过进气过滤器20被过滤并被压缩机22压缩。通过使供气阀24开启并使氮气排出口26关闭，从而将空气流导入压缩床12。控制阀28被关闭以便所述压缩床12压缩而无任何空气排出。阀24、26和28可以是电磁阀。当床12被压缩，比如压缩到0.6805标准大气压(10psi)时，供气阀24关闭，以便没有更多的空气进入压缩床12。同时，控制阀28暂时开启以允许富氧空气通过空气导管30流入并流过气流分离器32，以便通过一排气口和气流导管34分离出一定百分比的气流，从而向位于导管34端部的最终用户比如一位需要吸取该富氧空气流的病人供应富氧空气。导管34沿方向D通过一针阀36向一最终用途(诸如正需要或正使用富氧空气的机器)或者一最终用户(如图10所示)供应气流。气流的剩余部分继续通过导管38及通过开启的控制阀40流入床14，以被保存在那里。流入床14以净化带有氮气的床的富氧空气通过氮气排出口42排出。在一实施例中，压缩机不被开启和关闭以节省电池寿命，而床12正在生成富氧空气，减压阀44可以从压缩机22排出空气，除非该压缩机22正在按照下面将要详细描述的原理根据需要进行间歇地运行。通过利用PLC时控电磁阀或者减压阀可以释放压力。已经发现，采用10埃(Angstrom)沸石(Zeolite)比如Oxi-sive 5(13X)TM沸石是有利的，其由OUP在卡尔加里、阿尔伯达、加拿大销售，尽管也可以采用其它形式的沸石。
图4-6示意性地表示浓缩氧气的步骤。第一步是将周围空气引入所述床12(比如一充满沸石的腔体)内，然后使床12压缩。
图4第一次示出压缩床12。这里，加宽和加黑的供气管50和涂黑的床12表示被压缩的气流或者被压缩的静态气体。控制阀28、氮排出床26和用于床14的供气阀46关闭，而供气阀24开启。在这一点上，压缩机22将周围空气引入床12并使之压缩。继续压缩，直到由压力计52显示的床的压力达到比如0.6805标准大气压(10psi)。接着，供气阀24关闭，被容纳在床12内的压缩空气被粒状的沸石分子筛材料48(最好参见图1a)分离成氧气和氮气。在分子水平，氮气被沸石吸附，并且只要床处于压力条件下就能保留氮气。这就将富氧气体保留在该床的压缩腔内。已经观察到，该步骤几乎是在瞬间发生的。床14内的压力保持为环境气压，如压力计54所显示。
接着，如图5所示，控制阀28开启。当通过控制阀28释放压力时，已经被分离在床12的腔内的氧气是离开床12的第一种气体。该富氧空气从床12通过导管30和38流入床14。在该转换期间，一些富氧空气也通过分离器34沿着气流方向D并经由导管34而释放给最终用途或者最终用户，并被可调针阀36调节。分离器32和阀36可以为一T形接头，其具有一针阀以允许控制被分离的流速。下面将详细描述，这也可以通过用一校准孔控制分离气流的流速来实现。当富氧空气进入床14时，它置换了床14中的周围空气使之从氮排出口42排出。结果，被容纳在床14内的氧浓度净增加。在氮气进入该系统之前停止逆流，以防止氧浓度降低。比如，床的初始压力为1.361标准大气压(20psi)，当压力降低到约0.4764标准大气压(7psi)时停止逆流，因为在这点上氮气将开始滤入空气流。在本发明的一个较大工业实施例中，可以采用本发明的包系统以与大型的床一起使用，然后，当达到最佳氧浓度水平(比如峰值)时，采用氧或氮传感器来检测，或者当氮浓度开始升高时进行检测，以便控制逆流的持续时间。这种传感器可以被安装在比如邻近控制阀，诸如控制阀28和40。
然后，重复该步骤，但是是以相反顺序。如图6所示，显示出床14的压缩情形，已被引入床14的富氧空气被正处于关闭状态的控制阀40和氮排出口42保持在床14内。接着，供气阀46开启，压缩机22开始压缩该富氧空气，再次升高到比如0.6805标准大气压(10psi)，并通过导管56进入床14。而且，此时，控制阀28和氮排出口26被开启以排出床12内剩余的氮气。供气阀24被关闭。
在所述分子筛材料48和被容纳在床14内的气体被压缩后，控制阀40，控制阀28和氮排出口26被开启。然后，富氧空气被从床14返回到床12。当该空气被引入床12时，它有助于将床12内的剩余氮气从氮排出口26排出。在一最佳时间后，氮排出口26连同控制阀28一起被关闭，而供气阀24被开启，以便从开始再重新开始循环。
将富氧空气从一个床转换或者分流到另一个床的步骤就是通常所说的逆流。在每一分子筛床的进口上游安装有一存储器58，用来增加逆流体积与供应给最终用户的气体体积之比率。
作为选择，如图6a所示，可以通过利用仅仅一个分子筛床12′和一个存储器14′来实现逆流。压缩机22通过阀24′将空气流压缩进入床12′。富氧空气通过阀28′被从床12′转移到存储器14′而不是进入一第二床，然后，利用本发明的包气流系统使逆流从存储器返回进入该床。这也可以使空气包中的氧浓度每经过一循环都实现递增，其中空气包被来回地从该床和向该床转移，以便允许通过孔128′和阀134′而分离或者排出供应给一最终用户富氧空气。在床12′内的氮气通过阀26′被清除或者排出。或者，根据本发明的氧浓缩也可以通过采用多个分子筛床而实现。
所述逆流步骤最好被定时，以达到每一循环氧浓度都递增。实现它的一个方式是，在最终用户气流导管34上设置一氧浓度传感器，然后，比如用一可调节的或者可调整的分离器32以使被沿方向D转移到最终用户的气流的百分比不同，并监测导管34内的百分比氧浓度。这已经成为申请人的经验，即，在此方式中，可以确定流过导管34的最大百分比氧浓度，而且以前还发现，分离器32的构造已经相当优化了。以前，对于一种特别的结构，一最佳流速或者阀装配已经被确定，分离器32可以用一种不可调的流量分离器代替，该流量分离器具有一用在最终用户气流管线上的节流器，该管线被预置或具有预定大小以重复所述最佳最终用户气流流速。申请人已经发现，当使逆流最佳以便以过剩逆流开始，然后减少逆流的量(减少逆流时间)，比如，以等于使床增压到0.6805标准大气压(10psi)所需时间的75％为逆流时间开始，这是有利的。然而，这不能被认为它意味着仅仅可以用一种基于时间的方法来进行压缩，因为其意图在于，本发明的范围包括采用一种空气包方法，该方法是用基于压力的方法而不是用基于时间的方法。就是说，不是使床增压或者减压一预定时间，可以是，床的压力被监测，并且当预置压力阈值被满足时就转移空气包。申请人还发现，采用本发明的方法，分子筛床的尺寸可以比现有技术中所发现的减小，比如减小到为目前现有技术的使用的尺寸的75％。申请人还发现，采用本发明的方法和装置，最终用户管线内的氧含量可以超过90％，氧含量达到95％被认为是基本上可能的。
在图7所示的实施例中，分子筛床12和14被包容在箱体60内并平行间隔排列设置，以便将床横向布置在箱体的空腔内，从而在沿箱体长度方向伸展的床之间留出一空间。在一实施例中，可以通过从箱体60上移除面板62而进入床之间的该空间，面板62被可拆除地安装在箱体60上，比如通过螺钉紧固件64安装。
在箱体60内的床12和14之间安装有：一压缩机66，一阀与歧管箱体68，一分流阀70(起到分离器32的作用)和各种软管或管道以起到空气导管的作用，这将在下面描述。阀动作的驱动定时和压缩机的驱动定时被来自一PLC或其它处理器的信号控制。在图7所示的实施例中，处理器远离箱体60并通过接口插头74而进行通讯。在图8所示的实施例中，也基本上类似于图7，所述远离箱体的PLC或处理器被替换为一插件PLC或处理器76，它安装在电路板78上，而电路板78安装在压缩机66与阀箱体68之间。而且，在图8所示的实施例中，面板62被替换为一个半只蛤壳型的盖(未示出)，就是说，箱体被形成为如图9所示的蛤壳盖结构，其用标记60′表示。一端部安装的控制板可以包含有开/关电源开关63、排气孔34′、多孔的进气板或格栅65，以及12伏直流电接线插头67。
箱体60′可以沿其一个侧面设有一手柄80，用于携带本发明的氧浓缩器，可以理解的是，设置手握式支撑也不应认为是限制。在一优选实施例中本发明也可以被使用者穿戴，比如，放在或者作为一背包或者所谓的坤包81，如图10所示。导管34从箱体延伸到最终用户，以便在最终用户是一个需要供应富氧空气的病人的地方，导管34可以设有鼻管35，这与现有技术相同。
在图7和图8所示的实施例中，床12和14可以是内径为50.8毫米(2英寸)的管，其长度约304.8毫米(12英寸)，以便在这里设置分子筛材料，在一实施例中，分子筛材料的长度至少为228.6和12.7毫米(即，分别为9和1/2英寸)，以便得到大于90％的氧浓度。所述床的端部被端盖82密封，该端盖82被钻孔或者打孔以便与形成气压管路(为清晰起见，图7中未示出)的空气导管相配接，并允许将端盖安装到床管的端部，比如通过细长螺栓84，如图7所示。所述沸石分子筛材料48被纵向嵌夹在每一床的圆柱管管壁内形成夹层结构，所述床位于一对多孔膜86之间，而这对多孔膜86又被夹在一对多孔支承板88之间。多孔支承板88、多孔膜86和分子筛材料48的夹层结构可以被一弹性偏置元件比如螺旋弹簧90弹性地推到床的一端。所述多孔膜86可以是多孔衬底材料或其它材料以包含通过多孔支承板88的孔的分子筛床的材料，支承板88的大小适于将全部孔口包括在圆柱形床内。多孔支承板88可以是具有钻透通孔的刚性板。端板82可以借助O形环92而被密封到形成床腔体的管路的端部。
压缩机66可以是一种ThomasTM8009DC压缩机，其安装板被拆除并适于将顶部入口(head port)旋转180度，或者是一种ThomasTM7006系列压缩机，如图8所示；压缩机66可以通过一弹性安装板94被安装在箱体60内，安装板94由开孔高密度泡沫或SorbothaneTM或其它阻尼材料制成。还有另一弹性安装板96，它也可以由开孔高密度泡沫制成，用来将阀箱体68安装在箱体60内。在图7所示的实施例中，阀与歧管箱体68包括一系列7个HumphreyTM310系列24伏直流单阀(stand-alone valve)，它们通过细长螺栓98而并列地相邻排列。如图8所示，所述阀还可以是HumphreyTMHK5阀。
所述阀与歧管箱体68具有一排阀，它们相邻安装以组成一个阀块68a，并且，有利的是沿阀块的背面设置一存储器和消声器歧管68b。空气导管通向该消声器的腔体内，它可以是形成于歧管68b内的孔并被填满消声材料，比如纤维素纤维，而且一导管从该消声器导引至压缩机，以便向压缩机供应空气。然后，导管从压缩机导引至阀块68a，以便将压缩空气供应给供气阀。因而如图8所示，管接头100及其相应的空气导管将空气从箱体外部吸入并使之流入消声器102，消声器102用虚线表示。消声器102可以通过端盖104而接触到，端盖104可以螺纹安装在消声器孔的端部内。空气从进气管接头100进入并沿方向F穿过消声器102，以便通过消声器的输出管接头106及其相应的空气导管而排出，其中所述相应空气导管将空气送入压缩机66，尤其是送入压缩机的气缸盖66a。通过由发动机66b操作被包容在压缩机气缸盖箱体66a内的压缩机缸体进行空气压缩，空气被压缩并通过压缩机输出管接头108及其相应的空气导管而输出。
如图8a所示，其示出了阀块68a的正面，设置有7个空气导管管接头。不要局限于它们的布置，它们是：位于供气阀24与床12之间的床12的进气管接头110，从氮气排出口26和氮气排出口42共同排出的共用氮气排出口管接头112，压缩机22上的压缩空气进气管接头114，在床14与供气阀46之间的床14进气管接头116，在床12与控制阀28之间的床12排气管接头118，在床14与控制阀40之间的床14排气管接头120，以及病人气流管接头122。这些管接头被示出在图11的框图中，图11还显示出，氮气排出口26和42通过排气管124进行共用排气，移去了图3的减压阀，因需接通和切断压缩机22，故减压阀是不必需要的。图11还显示出阀与歧管箱体68的一优选实施例的特征，尤其是图12-16示出了阀与歧管箱体126。
图11还示出了本发明氧浓缩器的另一实施例。不是采用一可调分流器32或者一可调针阀36，沿方向D通过导管34的富氧空气流的比例可以由一预调的最佳孔128来调节，然后通过一单向阀130流入存储器132。从存储器132的排出可以被需求阀134控制。然后气流可以被分离，一部分沿导管136流向病人，而另一部分沿导管138流向一压力传感器(未示)。然后，当病人正在请求从存储器132中释放出富氧空气时，导管138上的传感器可以用来感测到。因此，当病人使得导管136内的压力降低时，比如是由于将吸力作用在导管136上而导致的，则传感器检测出压力降低至低于一预定阈值并导致处理器触发以释放被容纳在存储器132中的富氧空气。在替换的实施例中，存储器可以足够大以便容纳足够量的富氧空气，以便使病人能够通过需求阀134而进行多次吸氧。
这一实施例也被反映在图12-16中，它们显示出，一带孔存储器132被设置在歧管块126b的孔中并与消声器102平行。由于具有该消声器，该存储器可以被钻孔并用一带螺纹的端盖104密封。
如图16和16a所示，作为本发明的一部分，所示分子筛床12″和14″可以是弧形的而不是直线的。比如，分子筛床12″和14″沿着它们的长度方向可以是弧形的，以便当用户穿戴着它们时能够更好地适合于用户的腰部，如图10所示。端板69可以通过螺栓孔71分别连接在所述箱体或者床的框架或者外壳上，以密封床的端部。所述床可以形成为一对相邻近的彼此平行的弧形床，如图16所示，或者与上述实施例所描述的一致，在一箱体内横向间隔开并彼此平行，箱体也具有一相应的弧形表面以便方便和舒适地穿戴本发明的氧浓缩器。在所有这些可穿戴的实施例中，可以在支承载体上安装：控制开关比如“开/关”开关、进气管、最终用户气流出气管等等，支承载体诸如背包，坤包等，以便从箱体的一端和从支承载体的一侧露出。这样，如图10所示，用户就能够容易地使用其控制功能和气流出口，气流导管从气流出口延伸出来以方便使用。
虽然对本发明的优选实施例已经进行了详细描述，但是，应当知道，本领域的技术人员可以在不背离本发明的精神的条件下进行许多变化和修改。因此，本发明的范围由所附权利要求书限定的主题构成。

Claims (40)

1、一种氧浓缩器，用于使气流中的氧气浓度富集并使氮气浓度减小到最少，包括：
一空气压缩机，
一气密的第一容器和一气密的第二容器，该第一容器通过一第一气体导管与所述压缩机流体连通，该第二容器通过一第二气体导管与所述第一容器流体连通，
其特征在于：所述第一容器包括一分子筛床以用于吸附氮气，
一气流控制器，用于控制被安装到所述气体导管上的阀的顺序驱动的多个重复循环，所述阀用于顺序调节流过所述导管、所述气流控制器和所述阀的空气流，以顺序地重复循环：
(a)阻止在所述第一与第二容器之间的气体流动，并在一第一气体压缩阶段允许压缩空气从所述压缩机流入所述第一容器，从而所述第一容器被增压至一阈值压力水平以形成一具有递增的富氧空气的气体包；
(b)随后，阻止气体从所述压缩机流入所述第一容器，并在一气体包转换阶段允许气体从所述第一容器流入所述第二容器，其中，所述具有递增的富氧空气的气体包被转换到所述第二容器；
(c)随后，阻止气体从所述第一容器流入所述第二容器，并允许气体从所述第一容器通过所述第一容器的一排气阀排入到大气中；
(d)随后，允许在一空气包逆流阶段气体在所述第一和第二容器之间从所述第二容器流入所述第一容器，其中，所述具有递增的富氧空气的气体包从所述第二容器流入到所述第一容器；以及
(e)随后，阻止气体从所述第一容器通过第一容器的所述排气阀排出，
(f)通过所述阀的顺序驱动的所述多个重复循环，顺序地循环所述气流控制器和所述阀，由于所述具有递增的富氧空气的气体包被来回地在所述第一容器和第二容器之间转移，从而在多个重复循环中，所述具有递增的富氧空气的气体包中的氧浓度每经过一循环都实现递增；以及
一气流导管，其与所述第二容器流体连通，以将具有递增的富氧空气的所述气体包的一部分沿所述气流导管向下流动提供给一最终用途。
2、根据权利要求1所述的氧浓缩器，其特征在于：所述第一和第二容器均包含分子筛床，所述第二容器通过第三导管与所述压缩机流体连通，
在所述空气包转换阶段之后和在所述阻止气体从所述第一容器流入所述第二容器之后，所述气流控制器在一第二气体压缩阶段允许压缩空气从所述压缩机流入所述第二容器，从而所述第二容器被增压到所述阈值压力水平，
在所述阻止气流从第一容器通过第一容器的所述排气阀排出之后以及在所述第一气体压缩阶段阻止第一和第二容器之间的气体流动之后，所述气流控制器允许气体从第二容器通过第二容器的一排气阀排入到大气中，并阻止气体从所述压缩机流入所述第二容器。
3、根据权利要求2所述的氧浓缩器，其特征在于：所述气流控制器是与所述压缩机配合作用的一个处理器，以便当气体被禁止从所述压缩机流入第一和第二容器时关闭所述压缩机；所述处理器和压缩机由电池供电；所述第一和第二容器、所述导管、所述阀、所述处理器、所述压缩机和所述电池被安装在一箱体内。
4、根据权利要求1所述的氧浓缩器，其特征在于：所述第一容器为一细长中空导管，所述分子筛床为沸石。
5、根据权利要求2所述的氧浓缩器，其特征在于：所述第一和第二容器为细长中空导管，所述分子筛床为沸石。
6、根据权利要求3所述的氧浓缩器，其特征在于：所述第一和第二容器为细长中空导管，所述分子筛床为沸石，所述第一和第二容器通常平行设置并以平行排列方式安装在所述箱体内。
7、根据权利要求6所述的氧浓缩器，其特征在于：所述排列是相对于所述容器的长度横向间隔开，以便在容器之间形成一通道。
8、根据权利要求7所述的氧浓缩器，其特征在于：所述处理器和所述压缩机被安装在所述通道内。
9、根据权利要求8所述的氧浓缩器，其特征在于：还包括一安装在所述通道内的阀与歧管箱体，所述阀安装在所述阀与歧管箱体内，所述阀与歧管箱体具有互连歧管，用于通过所述气体导管将所述阀互连到所述第一和第二容器以及所述压缩机。
10、根据权利要求9所述的氧浓缩器，其特征在于：所述氧浓缩器还包括一气体存储器，所述存储器与所述气流分离器流体连通，所述存储器用于存储所述富氧空气以供应给所述最终用途，所述阀之一为一需求阀，该需求阀装配在所述气体管线与所述存储器之间，用于根据触发所述需求阀的驱动的触发事件将存储器的气体释放到所述气体管线内。
11、根据权利要求10所述的氧浓缩器，其特征在于：所述氧浓缩器还包括一配装在所述气体管线上的压力传感器，所述触发事件是指由该压力传感器所感触到的所述气体管线上的压力下降，该压力传感器根据检测到的所述压降提供一触发信号以触发所述需求阀的驱动。
12、根据权利要求11所述的氧浓缩器，其特征在于：所述压降是一预定的较低阈值压力，低于该阈值压力时所述压力传感器提供所述触发信号。
13、根据权利要求12所述的氧浓缩器，其特征在于：所述压缩机根据来自所述处理器的驱动信号间歇地运行，以便仅在需要时运行。
14、根据权利要求1所述的氧浓缩器，其特征在于：所述最终用途是向一最终用户供应氧气，而且所述第一和第二容器沿其长度方向是细长形的和弧形的，以便当所述氧浓缩器被穿戴在所述最终用户身上时与该用户的体形相适应。
15、根据权利要求1所述的氧浓缩器，其特征在于：所述最终用途是向一最终用户提供氧气，而且所述氧浓缩器适用于被该最终用户穿戴。
16、根据权利要求3所述的氧浓缩器，其特征在于：所述最终用途是向一最终用户提供氧气，而且所述第一和第二容器沿其长度方向是细长形的和弧形的，以便当所述氧浓缩器被穿戴在所述最终用户身上时与该用户的体形相适应。
17、根据权利要求3所述的氧浓缩器，其特征在于：所述最终用途是向一最终用户提供氧气，而且所述氧浓缩器适用于被该最终用户穿戴。
18、一种增加包含有氧气和氮气的气流中的氧气浓度的方法，包括以下步骤：
提供一空气压缩机，
提供一气密的第一容器和一气密的第二容器，该第一容器通过一第一气体导管与所述压缩机流体连通，该第二容器通过一第二气体导管与所述第一容器流体连通，
提供安装在所述第一容器内的一分子筛床用于吸附氮气，
提供一气流控制器，用于控制被安装到所述气体导管上的阀的驱动，
提供一气流导管，其与所述第二容器流体连通，以将具有递增的富氧空气的所述气体包的一部分沿所述气流导管向下流动提供给一最终用途，
通过下述循环，控制所述阀的顺序驱动的多个重复循环，从而顺序调节流过所述导管和所述阀的空气流，使得在多个重复循环中，所述具有递增的富氧空气的气体包被来回地在所述第一容器和第二容器之间转移：
(a)阻止在所述第一与第二容器之间的气体流动，并在一第一气体压缩阶段允许压缩空气从所述压缩机流入所述第一容器，从而所述第一容器被增压至一阈值压力水平，以形成一具有递增的富氧空气的气体包；
(b)随后阻止气体从所述压缩机流入所述第一容器，并在一空气包转换阶段允许气体从第一容器流入第二容器，其中，所述具有递增的富氧空气的包被转换到第二容器；
(c)随后阻止气体从所述第一容器流入所述第二容器，并允许气体从第一容器通过第一容器的一排气阀排入到大气中；
(d)随后允许在一空气包逆流阶段气体在第一和第二容器之间从第二容器流入第一容器，其中，所述具有递增的富氧空气的空气包从第二容器流入到第一容器；
(e)随后阻止气体从所述第一容器通过第一容器的所述排气阀排出；
(f)通过所述阀的顺序驱动的所述多个重复循环，顺序地循环所述气流控制器和所述阀，由于所述具有递增的富氧空气的气体包被来回地在所述第一容器和第二容器之间转移，从而在多个重复循环中，所述具有递增的富氧空气的气体包中的氧浓度每经过一循环都实现递增；以及
(g)通过所述气流导管将具有递增的富氧空气的所述气体包的一部分沿所述气流导管向下流动提供给一最终用途。
19、根据权利要求18所述的方法，还包括以下步骤：提供一设置在所述第二容器内的第二分子筛床，而所述第二容器通过第三导管与所述压缩机流体连通，并通过以下步骤控制所述阀的顺序驱动：
(a)在所述空气包转换阶段之后和在阻止气体从第一容器流入第二容器步骤之后，所述气流控制器在一第二气体压缩阶段允许压缩空气从所述压缩机流入所述第二容器，从而所述第二容器被增压到所述阈值压力水平；以及
(b)在阻止所述气流从所述第一容器通过第一容器的所述排气阀排出的步骤之后和在所述第一气体压缩阶段阻止气体在所述第一和第二容器之间流动的步骤之后，所述气流控制器允许气体从所述第二容器通过第二容器的一排气阀排入到大气中，并阻止气体从所述压缩机流入所述第二容器。
20、根据权利要求19所述的方法，其特征在于：所述气流控制器是与所述压缩机配合作用的一个处理器，还包括以下步骤，当气流从所述压缩机流入所述第一和第二容器被阻止时，关闭所述压缩机。
21、一种气体浓缩器，用于使气流中的一种目标组分气体浓度富集，并使一种废弃组分气体浓度最小化，包括：
一空气压缩机，
一气密的第一容器和一气密的第二容器，该第一容器通过一第一气体导管与所述压缩机流体连通，该第二容器通过一第二气体导管与所述第一容器流体连通，
所述第一容器包括一分子筛床用于吸附所述废弃组分气体，
一气流控制器，用于控制被安装到所述气体导管上的阀的顺序驱动的多个重复循环，所述阀用于顺序调节流过所述导管、所述气流控制器和所述阀的空气流，以便顺序地重复循环：
(a)阻止在所述第一与第二容器之间的气体流动，并在一第一气体压缩阶段允许压缩空气从所述压缩机流入所述第一容器，从而所述第一容器被增压至一阈值压力水平以形成一气体包，该气体包具有一递增的富集目标组分气体浓度；
(b)随后阻止气体从所述压缩机流入所述第一容器，并在一气体包转换阶段允许气体从所述第一容器流入所述第二容器，其中所述气体包被转换到所述第二容器；
(c)随后阻止气体从所述第一容器流入所述第二容器，并允许气体从所述第一容器通过第一容器的一排气阀排入到大气中；
(d)随后允许在一空气包逆流阶段气体在所述第一和第二容器之间从第二容器流入第一容器，其中所述气体包从第二容器流入到第一容器；以及
(e)随后阻止气体从第一容器通过第一容器的所述排气阀排出，
(f)通过所述阀的顺序驱动的所述多个重复循环，接着顺序地循环所述气流控制器和所述阀，由于所述气体包被来回地在所述第一容器和第二容器之间转移，从而在多个重复循环中，所述气体包中的目标组分气体浓度每经过一循环都实现递增；以及
一气流导管，其与所述第二容器流体连通，以将所述气体包的一部分沿所述气流导管向下流动提供给一最终用途。
22、根据权利要求21所述的气体浓缩器，其特征在于：所述第一和第二容器均包含分子筛床，所述第二容器通过第三导管与所述压缩机流体连通，
在所述空气包转换阶段之后和在所述阻止气体从第一容器流入第二容器的步骤之后，所述气流控制器在一第二气体压缩阶段允许压缩空气从所述压缩机流入第二容器，从而所述第二容器被增压到所述阈值压力水平，
在所述阻止气流从第一容器通过第一容器的所述排气阀排出步骤之后和在所述第一气体压缩阶段阻止第一和第二容器之间的气体流动之后，所述气流控制器允许气体从第二容器通过第二容器的一排气阀排入到大气中，并阻止气体从压缩机流入第二容器。
23、根据权利要求22所述的气体浓缩器，其特征在于：所述气流控制器是与所述压缩机配合作用的一个处理器，以便当气体被禁止从所述压缩机流入第一和第二容器时关闭所述压缩机；所述处理器和压缩机由电池供电；所述第一和第二容器、所述导管、所述阀、所述处理器、所述压缩机和所述电池被安装在一箱体内。
24、根据权利要求21所述的气体浓缩器，其特征在于：所述第一容器为一细长中空导管。
25、根据权利要求22所述的气体浓缩器，其特征在于：所述第一和第二容器均为细长中空导管。
26、根据权利要求23所述的气体浓缩器，其特征在于：所述第一和第二容器为细长中空导管，而且所述第一和第二容器通常平行并以平行排列方式安装在所述箱体内。
27、根据权利要求26所述的气体浓缩器，其特征在于：所述排列是相对于所述容器的长度横向间隔开，以便在容器之间形成一通道。
28、根据权利要求27所述的气体浓缩器，其特征在于：所述处理器和所述压缩机被安装在所述通道内。
29、根据权利要求28所述的气体浓缩器，其特征在于：还包括一安装在所述通道内的阀与歧管箱体，安装在所述阀与歧管箱体内的所述阀，所述阀与歧管箱体具有互连歧管，用于通过所述气体导管将所述阀互连到所述第一和第二容器以及所述压缩机。
30、根据权利要求29所述的气体浓缩器，其特征在于：还包括一气体存储器，所述存储器与所述气流分离器流体连通，所述存储器用于存储所述目标组分气体富集的空气以供应给所述最终用途，所述阀之一为一需求阀，该需求阀装配在所述气体管线与所述存储器之间，用于根据触发所述需求阀的驱动的触发事件将存储器的气体释放到所述气体管线内。
31、根据权利要求30所述的气体浓缩器，其特征在于：还包括一配装在所述气体管线上的压力传感器，所述触发事件是指由该压力传感器所感触到的所述气体管线上的压力下降，该压力传感器根据检测到的所述压降提供一触发信号以触发所述需求阀的驱动。
32、根据权利要求31所述的气体浓缩器，其特征在于：所述压降是一预定的较低阈值压力，低于该阈值压力时所述压力传感器提供所述触发信号。
33、根据权利要求32所述的气体浓缩器，其特征在于：所述压缩机根据来自所述处理器的驱动信号间歇地运行，以便仅在需要时运行。
34、根据权利要求21所述的气体浓缩器，其特征在于：所述最终用途是向一最终用户供应氧气，而且所述第一和第二容器沿其长度方向是细长形的和弧形的，以便当所述气体浓缩器被穿戴在所述最终用户身上时与该用户的体形相适应。
35、根据权利要求21所述的气体浓缩器，其特征在于：所述最终用途是向一最终用户提供氧气，而且所述气体浓缩器适用于被该最终用户穿戴。
36、根据权利要求23所述的气体浓缩器，其特征在于：所述最终用途是向一最终用户提供氧气，而且所述第一和第二容器沿其长度方向是细长形的和弧形的，以便当所述气体浓缩器被穿戴在所述最终用户身上时与该用户的体形相适应。
37、根据权利要求23所述的气体浓缩器，其特征在于：所述最终用途是向一最终用户提供氧气，而且所述气体浓缩器适用于被该最终用户穿戴。
38、一种使包含有目标组分气体和废弃组分气体的气流中的目标组分气体浓度增大的方法，包括以下步骤：
提供一空气压缩机，
提供一气密的第一容器和一气密的第二容器，该第一容器通过一第一气体导管与所述压缩机流体连通，该第二容器通过一第二气体导管与所述第一容器流体连通，
提供安装在所述第一容器内的一分子筛床用于吸附一废弃组分气体，
提供一气流控制器，用于控制被安装到所述气体导管上的阀的驱动，
提供一气流导管，其与所述第二容器流体连通，以将所述气体包的一部分沿所述气流导管向下流动提供给一最终用途，
通过下述循环，控制所述阀的顺序驱动的多个重复循环，从而顺序调节流过所述导管的空气流，使得在多个重复循环中，所述气体包被来回地在所述第一容器和第二容器之间顺序转移：
(a)阻止在所述第一与第二容器之间的气体流动，并在一第一气体压缩阶段允许压缩空气从所述压缩机流入所述第一容器，从而所述第一容器被增压至一阈值压力水平以形成一气体包，该气体包具有一递增的富集目标组分气体浓度；
(b)随后阻止气体从所述压缩机流入所述第一容器，并在一气体包转换阶段允许气体从所述第一容器流入所述第二容器，其中所述气体包被转换到所述第二容器；
(c)随后阻止气体从所述第一容器流入所述第二容器，并允许气体从所述第一容器通过第一容器的一排气阀排入到大气中；
(d)随后允许在一空气包逆流阶段气体在所述第一和第二容器之间从第二容器流入第一容器，其中所述气体包从第二容器流入到第一容器；
(e)随后阻止气体从第一容器通过第一容器的所述排气阀排出；
(f)通过所述阀的顺序驱动的所述多个重复循环，顺序地循环所述气流控制器和所述阀，由于所述气体包被来回地在所述第一容器和第二容器之间转移，从而在多个重复循环中，所述气体包中的所述目标组分气体浓度每经过一循环都实现递增；以及
(g)通过所述气流导管将具有递增的目标组分气体的所述气体包的一部分沿所述气流导管向下流动提供给一最终用途。
39、根据权利要求38所述的方法，还包括以下步骤，提供设置在所述第二容器内的分子筛床，所述第二容器通过第三导管与所述压缩机流体连通，并通过以下步骤控制所述阀的顺序驱动：
(a)在所述空气包转换阶段之后和在所述阻止气体从所述第一容器流入第二容器步骤之后，所述气流控制器在一第二气体压缩阶段允许压缩空气从所述压缩机流入第二容器，从而所述第二容器被增压到所述阈值压力水平；以及
(b)在所述阻止气流从所述第一容器通过第一容器的所述排气阀排出步骤之后和在所述第一气体压缩阶段阻止第一和第二容器之间的气体流动之后，所述气流控制器允许气体从第二容器通过第二容器的一排气阀排入到大气中，并阻止气体从所述压缩机流入所述第二容器。
40、根据权利要求39所述的方法，其特征在于：所述气流控制器是与所述压缩机配合作用的一个处理器，还包括以下步骤，当气体被禁止从所述压缩机流入所述第一和第二容器时，关闭所述压缩机。
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