CN1310698C - 气体分离装置 - Google Patents

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Abstract

一种气体分离装置包括：至少两个吸收床，吸收床分别包括用于吸收特定气体的吸收剂；至少两个三通阀，三通阀分别安装在导管上，用于分别连接吸收床和气体分离装置的外面；和分别连接到吸收床和三通阀的每一端的一个泵，用于排出由吸收剂吸收的气体和未被吸收剂吸收的气体。吸收剂吸收的气体和未被吸收剂吸收的气体被单泵排出，因此具有简单的结构并减少安装空间和制造成本。

Description

气体分离装置
技术领域
本发明涉及到气体分离装置，尤其涉及到按照真空回转吸收(VSA)方法的气体分离装置。
背景技术
通常，气体分离装置是用于分离氮气和氧气，氮气和氧气是空气的主要成分，并被用作家庭或工业用途。
气体分离装置既用作氧气发生器又用作氮气发生器。作为氧气发生器，气体分离装置多样化地用作个人、家庭、汽车、急救、工业用途，等等，并且，通过提供到家用水质净化机的饮用水中，现在被用于增加在饮用水中的溶解氧。又，作为氮气发生器，气体分离装置被用于生成工业用高纯度的氮，并且被用于控制长期储藏食物的储藏气氛。气体分离装置通过吸入空气并因此传送空气到用于吸收特定气体的吸收剂或富集膜分离特定的气体。
用于吸入空气并因此传送到吸收剂或富集膜的方法包括：施加压力并产生气流的压力回转吸收(PSA)方法，和降低导管里面的压力并利用导管里面的压力和空气压力之间的压力差产生空气流的真空回转吸收(VSA)方法。
如在图1中所示，基于VSA方法的常规的气体分离装置包括：第一和第二吸收床111和112，吸收床包括用于吸收特定气体的吸收剂；一个用于在第一和第二吸收床111和112的内部形成真空状态的真空泵113；一个排气泵114，用于排出由第一和第二吸收床111和112的吸收剂分离的气体；一个过滤器115，用于过滤引入到第一和第二吸收床111和112中的外来的气体；和安装在导管上的第一和第二三通阀121和122，导管分别连接第一和第二吸收床111和112、真空泵113、和过滤器115，第一和第二三通阀121和122用于有选择地连接第一和第二吸收床111和112到真空泵113，或者有选择地连接第一和第二吸收床111和112到过滤器115，即空气。
基于VSA方法的常规的气体分离装置的运行将在下面解释。
首先，分离来自第一吸收床111的气体并因此排出的过程将被解释。
当通过第一三通阀121的操作，第一吸收床111和真空泵113被相互连接时，真空泵113被运行，并因此第一吸收床111的内部压力被降低，因此形成真空状态。又，当通过第一三通阀121的操作，第一吸收床111和过滤器115(即：气体分离装置的外面)被相互连接时，在第一吸收床111的内部和气体分离装置的外面之间的压力差被生成。由此，已经通过过滤器115的气体被引入到第一吸收床111。在引入到第一吸收床111的气体中，特定气体被吸收剂吸收，并且，通过排气泵114的运行，未被吸收剂吸收的气体被排出到气体分离装置的外面。
当通过第一三通阀121的操作，第一吸收床111和真空泵113被相互连接时，通过真空泵113的吸力，已经被第一吸收床111中的吸收剂吸收的气体与吸收剂分开。与吸收剂分离的气体通过真空泵113，因此被排出到气体分离装置的外面。同时，第一吸收床111的内部再次成为真空状态。
从第二吸收床112分离气体的过程与从第一吸收床111分离气体的过程相同。如果第一和第二三通阀121和122的运行周期被交替地设置，那么，通过真空泵113和排气泵114的分离的气体的排出被连贯地执行。即：当通过第一三通阀121，真空泵113和第一吸收床111被相互连接时，通过第二三通阀122，过滤器115和第二吸收床112被相互连接。又，当通过第一三通阀121，真空泵115和第一吸收床111被相互连接时，通过第二三通阀122，真空泵113和第二吸收床112被相互连接。
所说的操作被重复地执行，并且，未被第一和第二吸收床111和112中的吸收剂吸收的气体通过排气泵114被排出。又，被吸收剂吸收的气体通过真空泵113被排出。在这种运行的情况下，当吸收剂具有吸收氮气的特性时，引入到气体分离装置的空气中的氧气通过排气泵114被排出，并且，氮气通过真空泵113被排出。
然而，在基于VSA方法的常规的气体分离装置中，用于排出由吸收剂吸收的气体的真空泵113和用于排出未被吸收剂吸收的气体的排气泵114必须被全部配备，因此，具有高的成本并具有复杂的结构。
发明内容
因此，本发明的目的是要提供一种气体分离装置，通过提供一个用于同时地排出由吸收剂吸收的气体和未被吸收剂吸收的气体的真空泵，这种气体分离装置能够简化结构并因此降低制造成本。
为了获得这些和其它的优点和按照本发明的目的，如在这里具体和广泛描述的，提供了一种气体分离装置，包括：至少两个吸收床，吸收床分别包括用于吸收特定气体的吸收剂；至少两个三通阀，三通阀分别安装在导管上，用于分别连接吸收床和装置的外面；和分别连接到吸收床和三通阀的每一端的一个泵，用于排出由吸收剂吸收的气体和未被吸收剂吸收的气体。该真空泵包括：连接到导管并排出未被在第一和第二吸收床中的吸收剂吸收的气体的第一排气装置；连接到导管的第二排气装置，用于降低第一和第二吸收床的内压力，因此形成真空状态，并把已由在第一和第二吸收床中的吸收剂吸收的气体与吸收剂分开，因此排出；一个驱动马达，用于同时驱动第一排气装置和第二排气装置；以及连接活塞到驱动马达的机械装置。
当与附图一起，通过下面的对本发明的详细描述，本发明的前述的和其它的目的、特征、状况和优点将会变得更明白。
附图说明
附图，它们被用于提供对本发明的进一步的理解并构成说明书的一部分，说明本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
在图中：
图1为表示按照现有技术的气体分离装置的示意图；
图2为表示按照本发明的气体分离装置的示意图；
图3为表示配备在按照本发明的气体分离装置上的真空泵的截面图；
图4和5为配备在按照本发明的气体分离装置上的真空泵的运行状态图；和
图6和7为按照本发明的气体分离装置的运行状态图。
具体实施方式
现在，将详细说明本发明的优选实施方式，在附图中给出说了其实施例。
如在图2中所示，按照本发明的气体分离装置包括：通过第一和第二导管1和2分别被连接到外面的第一和第二吸收床11和12，并因此被平行安置，并且，第一和第二吸收床11和12分别包括用于吸收特定气体的吸收剂；一个安装在第一和第二导管1和2上并过滤包含在吸入的外来气体中的异物的过滤器15；安装在第一和第二导管1和2上的第一和第二三通阀21和22；和一个真空泵30，真空泵30连接到第三导管3，第三导管3分别连接到第一和第二吸收床11和12，并且，真空泵30连接到第四导管4，第四导管4分别连接到第一和第二三通阀21和22，用于同时排出由吸收剂吸收的气体和未被吸收剂吸收的气体。
优选在第一吸收床11和第三导管3之间的连接部分处以及在第二吸收床12和第三导管3之间的连接部分处安装止回阀23和24。止回阀23和24允许不被在第一和第二吸收床11和12中的吸收剂吸收的气体被引入第三导管3，并防止第三导管里面的气体回流到第一和第二吸收床11和12。
在本发明的优选的实施方式中，两个吸收床被安装。又，在多于两个吸收床被安装的情况中，优选平行安置吸收床。
如在图3中所示，真空泵30包括：第一排气装置40，第一排气装置40连接到第三导管3并排出未被在第一和第二吸收床11和12中的吸收剂吸收的气体；连接到第四导管4的第二排气装置50，用于降低第一和第二吸收床11和12的内压力，因此形成真空状态，并把已由在第一和第二吸收床11和12中的吸收剂吸收的气体与吸收剂分开，因此排出；和一个驱动马达60，用于同时驱动第一排气装置40和第二排气装置50。
第一排气装置40包括：一个具有特定容量的气缸41；一个活塞42，活塞42被安置在气缸41中并通过机械装置70连接到驱动马达60，因此在气缸41中做往复运动，用于改变气缸41的内部容量；一个吸气端口43，吸气端口43安装在气缸41被连接到第三导管3的一边，用于吸入通过第三导管3引入到气缸41的气体；一个排气端口44，用于排出在气缸41里面的气体；和一个安装在气缸41和吸气端口43以及排气端口44之间的阀组件45，用于控制气体的吸入和排出。
阀组件45包括：一个安装在气缸41的一端，并分别具有连接到吸气端口43的一个吸气开口45b和连接到排气端口44的一个排气开口45c的阀板45a；和安装在阀板45a处的弹性打开/关闭部件45d和45e，用于分别覆盖吸气开口45b和排气开口45c。
第二排气装置50包括：一个具有特定容量的气缸51；一个活塞52，活塞52被安置在气缸51中并通过机械装置70连接到驱动马达60，因此在气缸51中做往复运动，用于改变气缸51的内部容量；一个吸气端口53，吸气端口53安装在气缸51连接到第四导管4的一边，用于吸入通过第四导管4引入到气缸51的气体；一个排气端口54，用于排出在气缸51里面的气体；和一个安装在气缸51和吸气端口53以及排气端口54之间的阀组件55，用于控制气体的吸入和排出。
阀组件55包括：一个安装在气缸51的一端并分别具有连接到吸气端口53的一个吸气开口55b和连接到排气端口54的一个排气开口55c的阀板55a；和安装在阀板55a处的弹性打开/关闭部件55d和55e，用于分别覆盖吸气开口55b和排气开口55c。
机械装置70包括：一个延伸到驱动马达60两边的转动轴71；连接到转动轴71，因此被转动的曲臂72；以与曲臂72的转动中心成偏心状态连接到曲臂72的曲轴73；和连接到曲轴73以及活塞42和52的连杆74。机械装置70转换驱动马达60的旋转运动为活塞42和52的线性往复运动。
如在图4和5中所示，第一和第二排气装置40和50按如下运行。首先，通过活塞42和52的线性往复运动，在气缸41和51里面的容量发生变化，并且，气体通过吸气端口43和53被吸入到气缸41和51，并通过排气端口44和54被排出。通过气缸41和51里面的压力，使得打开/关闭部件45d、55d、45e、和55e发生弹性变形，因此，打开或关闭吸气开口45b和55b以及排气开口45c和55c。
第一和第二排气装置40和50的活塞42和52能够以彼此相同的方向或不同的方向做往复运动。即：活塞42和52能够相互独立地做往复运动。
第一排气装置40排出未被在第一和第二吸收床11和12中的吸收剂吸收的气体。第二排气装置50降低在第一和第二吸收床11和12里面的压力，因此形成真空状态，并且，把由在第一和第二吸收床11和12中的吸收剂吸取的气体与吸收剂分开，因此排出。由此，第一排气装置40的吸入压力必须是在由第一和第二吸收床11和12中的吸收剂吸收的气体不与吸收剂分开的程度。又，第二排气装置50的吸入压力必须足够把由第一和第二吸收床11和12中的吸收剂吸收的气体与吸收剂分开。因此，优选第二排气装置50的吸入压力被设置成大于第一排气装置40的吸入压力。
通过几种方法，第二排气装置50的吸入压力能够大于第一排气装置40的吸入压力。作为一个典型的实例，通过控制机械装置70的曲臂72或连杆74，第二排气装置50的活塞52的冲程距离可以大于第一排气装置40的活塞42的冲程距离，或者，第二排气装置50的气缸51的容量可以大于第一排气装置40的气缸41的容量。
此后，按照本发明的气体分离装置的运行将参考图6和7进行解释。
如在图6中所示，当第一三通阀21被运行时，第一吸收床11和真空泵30被相互连接，并且当驱动马达60被运行时，第二排气装置50被运行。然后，由在第一吸收床11中的吸收剂吸收的气体与吸收剂分开，因此，通过第一和第四导管1和4以及第二排气装置50的吸气端口53，被吸入到气缸51，并且，第一吸收床11的里面变成真空状态。第二排气装置50的气缸51里面的气体，通过排气端口54被排出到具有被吸收剂吸收的性质的气体被使用的位置。这里，通过安装在第一吸收床11和第三导管3之间的止回阀23，在第三导管3里面的气体被防止回流到第一吸收床11。
同时，当随着第二三通阀22被运行，第二吸收床12和过滤器15(即：气体分离装置的外面)被相互连接时，通过第二导管2，外来的气体被引入到第二吸收床12。又，当随着驱动马达60被运行，第一排气装置40被操作时，通过第三导管3和第一排气装置40的吸气端口43，未被在第二吸收床12中的吸收剂吸收的气体被吸入到气缸41。然后，通过排气端口44，气体被排出到具有不被吸收剂吸收的性质的气体被使用的位置。
如在图7中所示，随着第二三通阀22被运行，当第一吸收床11和过滤器15(即：气体分离装置的外面)被相互连接时，通过第二导管2，外来的气体被引入到第二吸收床12。又，随着驱动马达60被运行，当第一排气装置40被运行时，通过第三导管3和第一排气装置40的吸气端口43，未被在第二吸收床12中的吸收剂吸收的气体被吸入到气缸41。然后，通过排气端口44，气体被排出到具有不被吸收剂吸收的性质的气体被使用的位置。
同时，当第二吸收床12和真空泵30随着第二三通阀22被运行而被相互连接，并且第二排气装置50随着驱动马达60被运行而被运行时，已经由在第二吸收床12中的吸收剂吸收的气体与吸收剂分开，因此，通过第二和第四导管2和4以及第二排气装置50的吸气端口53，被引入到气缸51，并且，第二吸收床12的里面变成真空状态。然后，第二排气装置50的气缸51里面的气体，通过排气端口54被排出到具有被吸收剂吸收的性质的气体被使用的部分。这里，通过安装在第二吸收床12和第三导管3之间的止回阀24，在第三导管3里面的气体被防止回流到第二吸收床12。
如果第一和第二三通阀21和22的运行周期被交替地设置，那么，通过真空泵30，具有被吸收剂吸收的性质的气体的排出和具有不被吸收剂吸收的性质的气体的排出，被连贯地执行。
所说的操作被重复地执行，并且，通过真空泵30的第一排气装置40的运行，未被在第一和第二吸收床11和12中的吸收剂吸收的气体被排出。又，通过真空泵30的第二排气装置50的运行，被在第一和第二吸收床11和12中的吸收剂吸收的气体被排出。在吸收剂具有吸收氮气特性的情况中，引入到气体分离装置的空气中的氧气通过第一排气装置40被排出，并且，氮气通过第二排气装置50被排出。由吸收剂吸收的气体的吸收率根据吸收剂的类型、吸收床的尺寸、和泵的容量而变化，并因此排出的分离的气体的浓度发生变化。
本发明的气体分离装置具有一个单独的真空泵，用于排出由吸收剂吸收的气体和未被吸收剂吸收的气体，因此具有简单的结构并减少安装空间。
而且，真空泵具有两个分别具有吸气端口和排气端口的排气装置，因此增加气体分离效率。另外，因为排气装置的吸入压力能够被不同地控制，所以气体分离装置的性能能够被最优化。
由于本发明可以按照几种形式被实现而不会偏离其精神或实质特征，也应该明白：上述的实施方式不被前述说明的任何所限制，除非另有指明，而是应该在其权利要求定义的精神和范围内广义地解释，并因此，落入权利要求的边界和范围内的所有的变化和修改，或者这样的边界和范围内的等同物，都将被权利要求所包含。

Claims (9)

1、一种气体分离装置，该气体分离装置包括：
至少两个吸收床(11)和(12)，吸收床分别包括用于吸收特定气体的吸收剂；
至少两个三通阀(21)和(22)，三通阀分别安装在导管上，用于分别连接吸收床和气体分离装置的外面；和
分别连接到吸收床(11)、(12)和三通阀(21)、(22)的每一端的一个真空泵(30)，其特征在于，该真空泵(30)包括：
连接到第三导管(3)并排出未被在第一和第二吸收床(11)和(12)中的吸收剂吸收的气体的第一排气装置(40)；
连接到第四导管(4)的第二排气装置(50)，用于降低第一和第二吸收床(11)和(12)的内压力，因此形成真空状态，并把已由在第一和第二吸收床(11)和(12)中的吸收剂吸收的气体与吸收剂分开，因此排出；
一个驱动马达(60)，用于同时驱动第一排气装置(40)和第二排气装置(50)；以及
连接活塞(42)、(52)到驱动马达(60)的机械装置(70)。
2、按照权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的第一排气装置(40)和第二排气装置(50)分别包括：
一个具有特定容量的气缸(41)和(51)；
一个活塞(42)和(52)，活塞(42)和(52)分别被安置在气缸(41)和(51)中并通过机械装置(70)连接到驱动马达(60)，因此分别在气缸(41)和(51)中做往复运动，用于改变气缸(41)和(51)的内部容量；
一个吸气端口(43)和(53)，分别安装在气缸(41)和(51)的一端，用于吸入气体；
一个排气端口(44)和(54)，分别安装在气缸(41)和(51)的一端，用于排出气体；和
一个分别安装在气缸(41)、(51)和吸气端口(43)、(53)以及排气端口(44)、(54)之间的阀组件(45)、(55)，用于控制气体的吸入和排出。
3、按照权利要求2所述的装置，其特征在于，所述的阀组件(45)、(55)包括：
一个安装在气缸(41)、(51)的一端并分别具有连接到吸气端口(43)、(53)的一个吸气开口(45b)、(55b)和连接到排气端口(44)、(54)的一个排气开口(45c)、(55c)的阀板(45a)、(55a)；
安装在阀板(45a)、(55a)处弹性打开/关闭部件(45d)、(45e)和(55d)、(55e)，用于分别覆盖吸气开口(55b)和排气开口(55c)。
4、按照权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第二排气装置(50)的气缸容量大于第一排气装置(40)的气缸容量。
5、按照权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第二排气装置(50)的活塞(52)的冲程距离长于第一排气装置(40)的活塞(42)的冲程距离。
6、按照权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的机械装置(70)包括：
一个延伸到驱动马达(60)两边的转动轴(71)；
连接到转动轴(71)而被转动的曲臂(72)；
与曲臂(72)的转动中心成偏心状态并连接到曲臂(72)的曲轴(73)；以及
连接到曲轴(73)及活塞(42)和(52)的连杆(74)。
7、按照权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括安装在吸收床(11)、(12)和第三导管(3)之间的止回阀(23)和(24)，用于防止在第三导管(3)里面的气体回流到吸收床(11)、(12)。
8、按照权利要求1所述的装置，其特征在于，多个吸收床被平行安装。
9、按照权利要求1所述的装置，其特征在于，连接吸收床和气体分离装置的外边的导管具有过滤器(15)，用于在过滤器(15)上过滤包含在引入吸收床的外来气体中的异物。
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