DE60115458T2

DE60115458T2 - Miniaturisierter tragbarer sauerstoffkonzentrator

Info

Publication number: DE60115458T2
Application number: DE60115458T
Authority: DE
Inventors: Lee John WARREN
Original assignee: Wearair Oxygen Inc
Current assignee: Wearair Oxygen Inc
Priority date: 2000-08-02
Filing date: 2001-08-02
Publication date: 2006-08-17
Anticipated expiration: 2021-08-03
Also published as: JP2004504927A; WO2002009848A2; CN1221303C; HK1060860A1; WO2002009848A3; US6547851B2; ATE311239T1; EP1307277A2; AU2001279527A1; US20020033095A1; IL154244A0; EP1307277B1; CA2354795C; CA2354795A1; ES2254458T3; JP2013236941A; EP1307277B9; CN1460032A; DE60115458D1; IL154244A

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft das Gebiet von Gaskonzentratoren und insbesondere einen miniaturisierten tragbaren Gaskonzentrator sowie ein Verfahren zur miniaturisierten Gaskonzentration.
Hintergrund der Erfindung
Der Druckschwingungs-Adsorbtionszyklus wurde von Charles Skarstrom entwickelt. Die Figur A und B beschreiben die Funktionsweise des wärmelosen Trockners nach Skarstrom. Insbesondere wird feuchte Umgebungsluft von einem Kompressor von einer Einlassöffnung aus in das System gesaugt. Die unter Druck gesetzte Luft strömt aus dem Kompressor durch eine Leitung 9 zu einem Schaltventil 4. Wenn sich das Ventil in der in Figur A dargestellten Position befindet, gelangt unter Druck gesetzte Luft durch eine Leitung 5a zu einem Druckbehälter 6a. Die Luft wird in den Druckbehälter bis zu einer Drosselöffnung 1a zugeführt. Die Wirkung der Drosselöffnung besteht darin, den Gasstrom zu drosseln, der aus dem Druckbehälter entweicht. Während sich der Druck im Druckbehälter aufbaut, kondensiert Wasserdampf auf dem Siebmaterial 8. Luft mit verminderter Feuchtigkeit tritt durch die Öffnung 1a in die Leitung 12 ein. An einer Leitungsverbindung 11 wird ein Teil der Luft zum Gebrauch aus einer Gasentnahmeöffnung 2 abgezogen, während der Rest durch eine Leitung 13 zu einer Drosselöffnung 1b gelangt.
Die weniger feuchte Luft, die durch die Öffnung 1b hindurch tritt, wird benutzt, um feuchte Luft aus dem nicht unter Druck gesetzten Behälter 6b durch eine Leitung 5b, durch ein Ventil 4 zu einer Entlüftungsöffnung 7 zu blasen. Wenn das Ventil 4 in die Position umschaltet, wie in Figur B dargestellt, findet der entgegengesetzte Zyklus statt.
Während das Ventil 4 zyklisch aus der Position von Figur A in die Position von Figur B schaltet, kommt es somit zu einer allmählichen Verringerung der Feuchtigkeit der Luft, wie sie an der Öffnung 2 abgegriffen wird. Gleichermaßen können Gase getrennt werden, indem Komponenten des Gases auf selektiven Molekularsieben adsorbiert werden.
Aus Laborbeobachtungen unter Verwendung des Skarstrom-Zyklus im Zusammenhang mit einem Sauerstoffseparator oder -konzentrator, in dem Stickstoff von Molekularsiebbetten absorbiert wird, um schrittweise mit Sauerstoff angereicherte Luft zu erzeugen, und unter Verwendung eines Vorläufers der Konzentratoranordnung 10 aus 1, wurde beobachtet, dass miniaturisierte (in diesem Fall NPT-Rohr mit einer Nennweite von 3/4 Inch × 6 Inch Länge) Molekularsiebbetten 12 und 14 nur ein Maximum von 30 konzentriertem oder angereichertem Sauerstoff erreichen konnten, der an den Gasentnahmeöffnungen 11 erfasst wurde. Es wurde angenommen, dass dies der Fall war, weil das Steuerventil der Laboranordnung umschaltete, bevor der gesamte Stickstoff aus den Molekularsiebbetten und den Abgasleitungen entlüftet werden konnte. Jedoch zeigten Messungen aus diesem Plätzen, dass die Sauerstoffkonzentration höher war als normal. Daher war dies nicht das Problem.
Es wurde auch beobachtet, dass eine Menge Luftstrom aus dem Molekularsiebbett kam, bevor das Molekularsiebbett vollständig unter Druck gesetzt war. Es schien, als ob das Molekularsiebbett mit Stickstoff gesättigt war, bevor die Druckerhöhung des Betts abgeschlossen war. 2 stellt schematisch ein solches Molekularsiebbett 16 dar. Komprimierte Luft tritt in Richtung A durch einen Einlasskanal 16a in das Bett ein. Ein Luftvolumen B ist innerhalb des Betthohlraums enthalten. Ein Anteil des Luftvolumens B ist innerhalb des Betthohlraums enthalten. Ein Anteil des Luftvolumens C entweicht durch ein Ausström-Nadelventil 18 nach außen, während sich der Druck im Molekularsiebbett aufbaut. Es wurde angenommen, dass das entweichende Luftvolumen C ein viel größeres Volumen als das Luftvolumen B innerhalb des Betts 16 sein konnte. Somit stellte sich die Frage, was passiert, wenn das Volumen des Molekularsiebbetts während der Miniaturisierung verkleinert wird, jedoch ansonsten alles beim Alten bleibt; Beim Vergleich des alten Bettvolumens B mit dem miniaturisierten Bettvolumen wurde das Poiseuille'sche Gesetz verwendet, um den Strom eines Fluids zu berechnen, der unter einer Druckdifferenz durch eine kleine Öffnung hindurchtritt, wie das Nadelventil 18.
wobei "Q" der Fluidstrom in Kubikmetern pro Sekunde ist, "r" der Radius der kleinen Öffnung ist "p_{InnerhalbBett} – p_{AußerhalbBett}" gleich der Druckdifferenz zwischen innerhalb des Molekularsiebbetts und außerhalb des Molekularsiebbetts ist, "η" die Fluidviskosität ist, und "L" die Tiefe der kleinen Öffnung ist.
Die Durchflussmenge Q in Metern pro Sekunde multipliziert mit der Zeit, während der die Durchflussmenge auftrat, ist gleich dem Volumen des Strom in Kubikmetern. v = Qt 2)
Die Variable für Q in Gleichung 1 ist in diesem Fall konstant, so dass V = Kt 3)wobei K ein gewisser konstanter Wert ist.
Indem diese Informationen verwendet wurden, um einen Vergleich der Ströme und Volumina des ursprünglichen Bettvolumens des Sauerstoffkonzentrators mit dem neuen Bettvolumen zu erzeugen, kann dies beschrieben werden als:
Da die Zeit, um das Molekularsieb unter Druck zu setzen, unter Verwendung eines programmierbaren Logiksteuerungs(PLC)-Zeitgebers genau zeitlich festgelegt werden kann, kann das Folgende festgestellt werden.
Das Verhältnis kann dann berechnet werden, indem man Werte einsetzt, wobei repräsentative Werte für ein Bett aus dem Stand der Technik und ein miniaturisiertes Bett (in diesem Fall 3/4 Inch NPT × 6 Inch lang) verwendet werden. So ist zum Beispiel:
Daraus wurde geschlossen, dass durch das Molekularsiebmaterial eines Molekularsiebbetts in einem NPT-Rohr mit 3/4 Inch Nennweite und 6 Inch Länge (das in Gleichung 7 verwendete Beispiel) während seines Druckbeaufschlagungszyklus ungefähr das 6,2-fache der Luft hindurchtritt, wie durch das Molekularsiebmaterial eines Sauerstoffkonzentrators aus dem Stand der Technik während seines Druckbeaufschlagungszyklus.
Als Konsequenz der Ergebnisse dieser Analyse hat man gefunden, dass es vorteilhaft ist, die Molekularsiebbetten in einer anderen Weise als bei der Druckschwingungsadsorbtions(PSA)-Technik aus dem Stand der Technik unter Druck zu setzen und zu entlüften. Bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung wird das Bett nicht entlüftet, bis das Bett im Wesentlichen voll unter Druck gesetzt ist, was nachfolgend als Luftpaket-System oder Luftpaket-Verfahren bezeichnet wird. Die US-A-5 871 564 und die US-A-5 531 807 sind beispielhaft für Systeme aus dem Stand der Technik.
Zusammenfassung der Erfindung
Zusammenfassend schließt der Gaskonzentrator, wie ein Sauerstoffkonzentrator, der vorliegenden Erfindung zur Anreicherung einer Zielkomponenten-Gaskonzentration, wie der Sauerstoffkonzentration, und zum Minimieren einer Abfallkomponenten-Gaskonzentration, wie der Stickstoffkonzentration ein: einen Luftkompressor, einen luftdichten ersten Behälter, der ein Molekularsiebbett zum Adsorbieren des Abfallkomponenten-Gases enthält, wobei der erste Behälter durch eine erste Gasleitung mit dem Kompressor in Fluidverbindung steht, sowie einen luftdichten zweiten Behälter, der durch eine zweite Gasleitung mit dem ersten Behälter in Fluidverbindung steht. Eine Gasstrom-Steuereinheit, wie ein PLC, steuert die Betätigung von Ventilen, die an den Gasleitungen angebracht sind. Die Ventile regulieren den Luftstrom durch die Leitungen, so dass in sich wiederholenden Zyklen nacheinander:

(a) während einer ersten Gasdruckbeaufschlagungsphase bzw. Gasdruckerhöhungsphase ein Gasstrom zwischen dem ersten und dem zweiten Behälter verhindert und komprimiertes Gas aus dem Kompressor in den ersten Behälter gelassen wird, wodurch der erste Behälter bis zu einem Schwellendruckpegel unter Druck gesetzt wird, um ein Gaspaket zu erzeugen, das eine schrittweise angereicherte Zielkomponenten-Gaskonzentration aufweist, wie schrittweise mit Sauerstoff angereicherte Luft;
(b) während einer Gaspaketüberführungsphase ein Gasstrom aus dem Kompressor in den ersten Behälter verhindert wird und ein Gasstrom aus dem ersten Behälter in den zweiten Behälter zugelassen wird, wobei das Gaspaket zum zweiten Behälter überführt wird;
(c) ein Gasstrom aus dem ersten Behälter in den zweiten Behälter verhindert wird und Gas durch ein Entlüftungsventil des ersten Behälters aus dem ersten Behälter heraus zur Atmosphäre entweichen gelassen wird;
(d) während einer Gaspaketgegenstromphase ein Gasstrom zwischen dem ersten und dem zweiten Behälter aus dem zweiten Behälter in den ersten Behälter zugelassen wird, wobei das Gaspaket aus dem zweiten Behälter zum ersten Behälter strömt; und
(e) verhindert wird, dass ein Gasstrom durch das Entlüftungsventil des ersten Behälters aus dem ersten Behälter entweicht.

Ein Gasstromteiler ist in der zweiten Gasleitung angebracht, um einen Teil des Gaspakets in eine Gasleitung abzuzweigen, zur Abgabe von Zielkomponenten-Gas, wie mit Sauerstoff angereicherter Luft für einen Endverbrauch, einschließlich eines Verbrauchs durch einen Endverbraucher, stromabwärts entlang der Gasleitung.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten sowohl der erste und der zweite Behälter Molekularsiebbetten zum Adsorbieren des Abfallkomponenten-Gases, in welchem Fall der zweite Behälter ebenfalls mit dem Kompressor in Fluidverbindung steht; zum Beispiel durch eine dritte Leitung. Auch in diesem Fall lässt die Gasstrom-Steuereinheit im Anschluss an die Luftpaketüberführungsphase und im Anschluss an ein Verhindern eines Gasstroms aus dem ersten Behälter in den zweiten Behälter während einer zweiten Gasdruckerhöhungsphase komprimiertes Gas aus dem Kompressor in den zweiten Behälter, wodurch der zweite Behälter bis zum Schwellendruckpegel unter Druck gesetzt wird. Die Gasstrom-Steuereinheit lässt im Anschluss an ein Verhindern eines Entweichens des Gasstroms durch das Entlüftungsventil des ersten Behälters aus dem ersten Behälter und im Anschluss an ein Verhindern eines Gasstroms zwischen dem ersten und dem zweiten Behälter während der ersten Gasdruckerhöhungsphase Gas durch ein Entlüftungsventil des zweiten Behälters aus dem zweiten Behälter heraus zur Atmosphäre entweichen und verhindert einen Gasstrom aus dem Kompressor in den zweiten Behälter.
Die Gasstrom-Steuereinheit kann ein Prozessor sein, der mit dem Kompressor zusammenwirkt, so dass der Kompressor abgestellt wird, wenn ein Gasstrom aus dem Kompressor sowohl in den ersten und in den zweiten Behälter verhindert wird. Der Prozessor und der Kompressor können durch eine Batterie getrieben werden. Der erste und der zweite Behälter, die Leitungen, die Ventile, der Prozessor, der Kompressor und die Batterie können in einem Gehäuse angebracht sein.
Der erste und der zweite Behälter können langgestreckte hohle Leitungen bzw. Röhren sein. Dort, wo das Abfallkomponenten-Gas Stickstoff ist, können die Molekularsiebbetten Zeolith als Molekularsiebmaterial enthalten. Der erste und der zweite Behälter können allgemein parallel und in paralleler Anordnung im Gehäuse angebracht sein. Sie können bezogen auf die Länge der Behälter in seitlichem Abstand angeordnet sein, so dass dazwischen ein Kanal begrenzt wird. Der Prozessor und der Kompressor können im Kanal angebracht sein. Ein Ventil- und Verteilergehäuse kann ebenfalls im Kanal angebracht sein, wobei die Ventile am Ventil- und Verteilergehäuse angebracht sind. Das Ventil- und Verteilergehäuse schließt Verbindungsverteiler ein, um die Ventile über die Gasleitungen mit dem ersten und dem zweiten Behälter und dem Kompressor zu verbinden.
Ein Gasspeicher kann in Fluidverbindung mit dem Gasstromteiler vorgesehen sein, zum Beispiel als Teil des Ventil- und Verteilergehäuses ausgebildet sein. Der Speicher dient dazu, eine Reserve bzw. einen Vorrat von, zum Beispiel, der mit Sauerstoff angereicherten Luft zur Abgabe zum Endverbrauch aufzunehmen. Eines der Ventile ist ein zwischen der Gasleitung und dem Speicher wirkendes Anforderungsventil zur Freigabe der Reserve in die Gasleitung auf ein auslösendes Ereignis hin, das eine Betätigung des Anforderungsventils auslöst. Bei einer Ausführungsform wirkt ein Drucksensor mit der Gasleitung zusammen, und das auslösende Ereignis ist ein Druckabfall in der Gasleitung, der vom Drucksensor erfasst wird. Der Drucksensor liefert ein Auslösesignal, um nach Erfassung des Abfalls des Drucks, zum Beispiel auf einen voreingestellten niedrigeren Schwellendruck, unter welchem der Drucksensor das Auslösesignal liefert, die Betätigung des Anforderungsventils auszulösen.
Bei einer Ausführungsform wird der Kompressor intermittierend auf Betätigungssignale vom Prozessor hin in Betrieb genommen, so dass er nur läuft, wenn es erforderlich ist, einschließlich während der Druckbeaufschlagungs- bzw. Druckerhöhungsphase.
Bei den Ausführungsformen, bei denen der Endverbrauch zum Beispiel eine Sauerstoffzufuhr zu einem Endverbraucher ist, wie einem Patienten, können der erste und der zweite Behälter langgestreckt und entlang ihrer Länge gekrümmt sein, so dass sie einer Körperform des Endverbrauchers entsprechen, wenn der Gaskonzentrator vom Endverbraucher getragen wird. Wenn der Endverbrauch eine Sauerstoffzufuhr zu einem Endverbraucher ist, ist in jedem Fall beabsichtigt, dass der Gaskonzentrator angepasst sein kann, um vom Endverbraucher getragen zu werden.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung schließt so die Folgeschritte, in sich wiederholenden Zyklen, ein:

(a) Verhindern eines Gasstroms zwischen dem ersten und dem zweiten Behälter und Lassen von komprimiertem Gas aus dem Kompressor in den ersten Behälter während einer ersten Gasdruckerhöhungsphase, wodurch der erste Behälter bis zu einem Schwellendruckpegel unter Druck gesetzt wird, um ein Gaspaket mit schrittweise angereicherter Zielkomponenten-Gaskonzentration zu erzeugen;
(b) Verhindern eines Gasstroms aus dem Kompressor in den ersten Behälter und Zulassen eines Gasstroms aus dem ersten Behälter in den zweiten Behälter während einer Gaspaketüberführungsphase, in der das Gaspaket zum zweiten Behälter überführt wird;
(c) Verhindern eines Gasstroms aus dem ersten Behälter in den zweiten Behälter und Zulassen, dass Gas durch ein Entlüftungsventil des ersten Behälters aus dem ersten Behälter heraus zur Atmosphäre entweicht;
(d) Zulassen eines Gasstroms zwischen dem ersten und dem zweiten Behälter aus dem zweiten Behälter in den ersten Behälter während einer Luftpaketgegenstromphase, bei der das Gaspaket aus dem zweiten Behälter zum ersten Behälter strömt; und
(e) Verhindern, dass ein Gasstrom durch das Entlüftungsventil des ersten Behälters aus dem ersten Behälter entweicht.

Dort, wo der Gaskonzentrator weiter ein Molekularsiebbett zum Adsorbieren des Abfallkomponenten-Gases im zweiten Behälter einschließt, und bei dem der zweite Behälter durch eine dritte Leitung mit dem Kompressor in Fluidverbindung steht, schließt das Verfahren der vorliegenden Erfindung weiter die Schritte ein:

(a) im Anschluss an die Gaspaketüberführungsphase und im Anschluss an ein Verhindern eines Gasstroms aus dem ersten Behälter in den zweiten Behälter lässt die Gasstrom-Steuerung während einer zweiten Gasdruckerhöhungsphase komprimiertes Gas aus dem Kompressor in den zweiten Behälter, wodurch der zweite Behälter bis zu dem Schwellendruckpegel unter Druck gesetzt wird; und
(b) im Anschluss an ein Verhindern eines Entweichens des Gasstroms durch das Entlüftungsventil des ersten Behälters aus dem ersten Behälter und im Anschluss an ein Verhindern eines Gasstroms zwischen dem ersten und dem zweiten Behälter während der ersten Gasdruckerhöhungsphase lässt die Gasstrom-Steuerung Gas durch ein Entlüftungsventil des zweiten Behälters aus dem zweiten Behälter heraus zur Atmosphäre entweichen und verhindert einen Gasstrom aus dem Kompressor in den zweiten Behälter.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Figuren A und B veranschaulichen die wärmelose Lufttrocknungsvorrichtung nach Skarstrom.
1 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Prototyp-Ausführungsform des Sauerstoffkonzentrators der vorliegenden Erfindung.
1a zeigt in teilweise weggeschnittener vergrößerter Ansicht ein Stirnende eines Molekularsiebbetts aus 1.
2 ist eine schematische Ansicht eines einzelnen Molekularsiebbetts, das eine ungesteuerte Auslassöffnung aufweist, wie man sie bei dem Druckschwingungs-Adsorptionsverfahren aus dem Stand der Technik finden würde.
3 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform des Sauerstoffkonzentrators der vorliegenden Erfindung.
4 ist ein Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsform des Sauerstoffkonzentrators der vorliegenden Erfindung während einer Druckbeaufschlagung bzw. Druckerhöhung eines ersten Molekularsiebbetts während einer anfänglichen Druckbeaufschlagungs- bzw. Druckerhöhungsphase.
5 ist ein Blockdiagramm des Sauerstoffkonzentrators aus 4 während einer Luftpaketüberführungsphase.
6 zeigt den Sauerstoffkonzentrator aus 5 während einer Druckbeaufschlagung des Molekularsiebbetts.
6a ist ein Blockdiagramm von einer Ausführungsform des Sauerstoffkonzentrators der vorliegenden Erfindung.
7 zeigt in auseinandergezogener perspektivischer Ansicht eine Ausführungsform des Sauerstoffkonzentrators der vorliegenden Erfindung.
8 zeigt in perspektivischer Ansieht eine weitere Ausführungsform des Sauerstoffkonzentrators der vorliegenden Erfindung.
8a ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie 8a-8a in 8.
9 zeigt in perspektivischer Stirnseitenansicht ein Gehäuse gemäß einer Ausführungsform des Sauerstoffkonzentrators der vorliegenden Erfindung.
10 zeigt in perspektivischer Ansicht einen Endverbraucher, der einen Sauerstoffkonzentrator gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung trägt.
11 ist ein Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsform des Sauerstoffkonzentrators gemäß der vorliegenden Erfindung.
12 zeigt in perspektivischer Ansicht ein Ventil- und Verteilergehäuse gemäß einer Ausführungsform des Sauerstoffkonzentrators der vorliegenden Erfindung.
13 zeigt in Seitenansicht das Ventil- und Verteilergehäuse aus 12.
14 zeigt in Draufsicht das Ventil- und Verteilergehäuse aus 13.
15 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie 15-15 in 12.
16 zeigt in teilweise weggeschnittener perspektivischer Ansicht eine weitere Ausführungsform der Molekularsiebbetten des Sauerstoffkonzentrators der vorliegenden Erfindung.
16a zeigt in teilweise weggeschnittener vergrößerter Ansicht ein Stirnende der Molekularsiebbetten aus 16.
Ausführliche Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung
Mit Bezugnahme auf die begleitenden Figuren, in denen gleiche Teile in jeder Ansicht dieselben Bezugszeichen aufweisen, werden nun Einzelheiten des Konzentrationsverfahrens und der Konzentrationsvorrichtung der vorliegenden Erfindung bereit gestellt. So, wie sie hier verwendet werden, einschließlich so, wie sie in den unten angegebenen Ansprüchen verwendet werden, sollen alle Verweise auf Sauerstoff und mit Sauerstoff angereichert andere Endverbrauchsgase einschließen, die vorteilhaft bei einem beliebigen Endverbrauch verwendet werden können, sobald sie einmal gemäß der vorliegenden Erfindung aus einem Muttergas (zum Beispiel Umgebungsluft) abgetrennt oder konzentriert worden sind, welches das Endverbrauchsgas (zum Beispiel Sauerstoff) umfasst, sowie Abfallgase (zum Beispiel Stickstoff), welche von einem Molekularsiebbett adsorbiert werden können.
Wie man auch in 3 sehen kann, welche eine schematische Darstellung einer den Sauerstoffkonzentrator der vorliegenden Erfindung verwirklichenden Anordnung ist, wird Luft durch einen Ansaugfilter 20 gefiltert und wird von einem Kompressor 22 unter Druck gesetzt. Der Luftstrom ist gerichtet, um ein Bett 12 unter Druck zu setzen bzw. mit Druck zu beaufschlagen, indem man ein Zufuhrventil 24 für das Bett 12 offen und eine Stickstoff-Entlüftungsöffnung 26 für das Bett 12 geschlossen lässt. Ein Steuerventil 28 ist geschlossen, so dass das Bett 12 ohne jegliches Entweichen von Luft unter Druck gesetzt wird. Die Ventile 24, 26 und 28 können Magnetventile sein. Wenn das Bett 12 zum Beispiel auf 10 psi unter Druck gesetzt ist, dann wird das Zufuhrventil 24 geschlossen, so dass keine Luft mehr in das Bett 12 eintritt. Gleichzeitig wird das Steuerventil 28 für eine Zeit geöffnet, um mit Sauerstoff angereicherte Luft durch eine Luftleitung 30 und dann durch einen Luftstromteiler 32 strömen zu lassen, so dass ein Prozentanteil des Luftstroms durch eine Gasentnahmeöffnung und eine Luftstromleitung 34 abgespalten wird, so dass mit Sauerstoff angereicherte Luft zu einem Endverbrauch am Ende der Leitung 34 zugeführt wird, wie einem Patienten, der den mit Sauerstoff angereicherten Luftstrom einatmet. Die Leitung 34 liefert durch ein Nadelventil 36 einen Strom in Richtung D zu einem Endverbrauch (wie einer Maschine, die mit Sauerstoff angereicherte Luft benötigt oder verwendet) oder einem Endverbraucher (wie man in 10 sieht). Der Rest des Luftstroms fließt weiter durch eine Leitung 38 durch ein offenes Steuerventil 40 in ein Bett 14, so dass er darin eingeschlossen wird. Mit Sauerstoff angereicherte Luft, die in das Bett 14 strömt, um das Bett von Stickstoff zu spülen, entweicht durch die Stickstoff-Entlüftungsöffnung 42 nach außen. Bei einer Ausführungsform, wo der Kompressor zur Erhaltung der Batterielebensdauer nicht ein- und ausgeschaltet wird, während das Bett 12 mit Sauerstoff angereicherte Luft erzeugt, kann ein Druckentlastungsventil 44 Luft aus dem Kompressor 22 entweichen lassen, sofern man nicht den Kompressor intermittierend auf anforderungsbasierender Grundlage laufen lässt, wie unten besser beschrieben ist. Der Druck kann durch die Verwendung von zeitgesteuerten PLC-Magnetventilen oder Druckentlastungsventilen entlastet werden. Es wurde gefunden, dass es vorteilhaft war, 10 Angstrom-Zeolith zu verwenden, zum Beispiel Oxi-Sive 5 (13×)TM-Zeolith, der von OUP in Calgary, Alberta, Kanada vermarktet wird, obwohl andere Formen von Zeolith ebenfalls funktionieren werden.
Die Schritte beim Konzentrieren von Sauerstoff sind schematisch in den 4–6 dargestellt. Der erste Schritt besteht darin, Umgebungsluft ins Innere des Betts 12 (d.h. eine mit Zeolith gefüllte Kammer) zuzuführen, dann das Bett 12 unter Druck zu setzen.
4 veranschaulicht die erstmalige Druckbeaufschlagung des Betts 12. Darin zeigen die dick und dunkel eingezeichneten Luftzufuhrleitungen 50 und das dunkel eingezeichnete Bett 12 einen unter Druck gesetzten Strom oder ein unter Druck gesetztes statisches Gas. Das Steuerventil 28, die Stickstoffbett-Entlüftungsöffnung 26 und das Zufuhrventil 46 für das Bett 14 sind geschlossen, während das Zufuhrventil 24 offen ist. An diesem Punkt führt der Kompressor 22 Umgebungsluft in das Bett 12 zu und setzt sie unter Druck. Dies dauert an, bis das Bett zum Beispiel 10 psi erreicht, wie durch den Druckmesser 52 angezeigt. Als nächstes wird das Zufuhrventil 24 geschlossen und die im Bett 12 enthaltene, unter Druck gesetzte Luft wird vom körnigen Zeolith-Molekularsiebmaterial 48, das man in 1a besser sieht, in Sauerstoff und Stickstoff getrennt. Auf molekularer Ebene wird der Stickstoff vom Zeolith adsorbiert und festgehalten, solange das Bett unter Druck steht. Dadurch bleibt innerhalb der unter Druck gesetzten Kammer oder des unter Druck gesetzten Hohlraums des Betts das mit Sauerstoff angereicherte Gas zurück. Es ist beobachtet worden, dass dieser Vorgang nahezu sofort stattfindet. Der Druck im Bett 14 bleibt auf Umgebungsdruck, wie durch einen Druckmesser 54 angezeigt.
Wie in 5 dargestellt, wird als nächstes das Steuerventil 28 geöffnet. Der Sauerstoff, der innerhalb der Kammer des Betts 12 abgetrennt worden war, ist das erste Gas, welches das Bett 12 verlässt, wenn der Druck durch das Steuerventil 28 entlastet wird. Diese mit Sauerstoff angereicherte Luft wird aus dem Bett 12 durch Leitungen 30 und 38 in das Bett 14 zugeführt. Während dieser Überführung wird auch ein Teil der mit Sauerstoff. angereicherten Luft durch den Stromteiler 32 durch die Leitung 34 als Luftstrom in Richtung D zum Endverbrauch oder Endverbraucher freigesetzt, wie durch ein verstellbares Nadelventil 36 reguliert. Der Stromteiler 32 und das Ventil 36 können eine T-Verbindung mit einem Nadelventil sein, das eine Steuerung der abgezweigten Durchflussmenge erlaubt. Wie unten besser beschrieben wird, kann dies auch durch eine kalibrierte Öffnung erreicht werden, welche die abgezweigte Durchflussmenge steuert. Wenn die mit Sauerstoff angereicherte Luft in das Bett 14 eintritt, verdrängt sie die Umgebungsluft im Bett 14 aus der Stickstoff-Entlüftungsöffnung 42 heraus. Daraus resultiert eine Nettozunahme der Sauerstoffkonzentration, die im Bett 14 enthalten ist. Der Gegenstrom wird unterbrochen, bevor Stickstoff in das System eintritt, um einen Abfall der Sauerstoffkonzentration zu verhindern. Zum Beispiel würde bei einem anfänglich unter einen Druck von 20 psi gesetzten Bett der Gegenstrom unterbrochen, wenn der Druck auf ungefähr 7 psi absinkt, weil an diesem Punkt Stickstoff in den Luftstrom auszutreten beginnt. Bei einer größeren industriellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wo das Paket-System der vorliegenden Erfindung zum Gebrauch mit großen Betten verwendet wird, können dann Sauerstoff- oder Stickstoffsensoren verwendet werden, um festzustellen, wann optimale Sauerstoffkonzentrationspegel erreicht sind (d.h. die Spitzen), oder um festzustellen, wann die Stickstoffpegel zu steigen beginnen, so dass die Dauer des Gegenstroms gesteuert wird. Solche Sensoren können zum Beispiel benachbart zu den Steuerventilen, zum Beispiel den Steuerventilen 28, 40, eingebaut werden.
Der Vorgang wiederholt sich dann, jedoch in umgekehrter Reihenfolge. Wie man in 6 sieht, welche die Druckerhöhung des Betts 14 zeigt, wird die mit Sauerstoff angereicherte Luft, die in das Bett 14 zugeführt worden war, eingeschlossen, indem das Steuerventil 40 und die Stickstoffentlüftungsöffnung 42 geschlossen werden. Als nächstes wird das Zufuhrventil 46 geöffnet, und der Kompressor 22 beginnt, die mit Sauerstoff angereicherte Luft durch Luftleitungen 56 in das Bett 14 zu komprimieren, wiederum zum Beispiel bis zu 10 psi. Zu diesem Zeitpunkt sind auch das Steuerventil 28 und die Stickstoffentlüftungsöffnung 26 geöffnet, um den restlichen Stickstoff aus dem Bett 12 zu entlüften. Das Zufuhrventil 24 ist geschlossen.
Nachdem das Molekularsiebmaterial 48 und innerhalb des Betts 14 enthaltenes Gas unter Druck gesetzt sind, werden das Steuerventil 40, das Steuerventil 28 und die Stickstoffentlüftungsöffnung 26 geöffnet. Die mit Sauerstoff angereicherte Luft wird dann aus dem Bett 14 in das Bett 12 zurück geleitet. Wenn diese Luft in das Bett 12 zugeführt wird, trägt sie dazu bei, den restlichen Stickstoff aus dem Bett 12 aus der Stickstoffentlüftungsöffnung 26 heraus zu verdrängen. Nach einer optimierten Zeit wird das Stickstoffentlüftungsventil 26 zusammen mit dem Steuerventil 28 geschlossen, und das Zufuhrventil 24 wird geöffnet, um den Zyklus vom Beginn an wieder zu starten.
Das Verfahren zum Überführen oder Verschieben von mit Sauerstoff angereicherter Luft aus einem Bett zu einem anderen ist als Gegenstrom bekannt. Ein stromaufwärts vom Einlass für jedes Molekularsiebbett angebrachter Speicher 58 kann verwendet werden, um das Gasströmungsverhältnis von Gegenstromvolumen zu Volumen-zum-Endverbraucher zu vergrößern.
Wie man in 6a sieht, kann ein Gegenstrom alternativ durch Verwendung von nur einem Molekularsiebbett 12' und einem Speicher 14' erreicht werden. Der Kompressor 22 drückt einen Luftstrom durch das Ventil 24' in das Bett 12'. Mit Sauerstoff angereicherte Luft wird durch das Ventil 28' aus dem Bett 12' in den Speicher 14' statt in ein zweites Bett geschoben, und dann unter Verwendung des Paket-Luftstromsystems der vorliegenden Erfindung im Gegenstrom aus dem Speicher zurück in das Bett geleitet. Dies bewirkt ebenfalls schrittweise Vergrößerungen pro Zyklus der Sauerstoffkonzentration des Luftpakets, das aus und zu dem Bett vor und zurück verschoben wird, so dass ein Abzweigen oder Ablassen eines mit Sauerstoff angereicherten Luftnachschubs durch eine Öffnung 128' und ein Ventil 134' zu einem Endverbraucher ermöglicht wird. Stickstoff im Bett 12' wird durch ein Ventil 26' gespült oder entlüftet. Alternativ kann die Sauerstoffkonzentration gemäß der vorliegenden Erfindung unter Verwendung einer Mehrzahl von Molekularsiebbetten erreicht werden.
Das Gegenstromverfahren wird optimal zeitgesteuert, um eine schrittweise Zunahme der Sauerstoffkonzentration pro Zyklus zu erreichen. Eine Art und Weise, mit der dies erreicht wird, besteht darin, an der Endverbraucher-Luftstromleitung 34 einen Sauerstoffkonzentrationssensor anzubringen und dann, zum Beispiel, einen verstellbaren oder auf andere Weise regulierbaren Stromteiler 32 zu verwenden, um den Prozentanteil des in Richtung D zum Endverbraucher abgelenkten Luftstroms zu verändern und den Prozentanteil der Sauerstoffkonzentration in der Leitung 34 zu überwachen. Es ist die Erfahrung des Anmelders gewesen, dass auf diese Weise ein maximaler, durch die Leitung 36 hindurchtretender Prozentanteil Sauerstoffkonzentration sichergestellt werden kann, und sobald sie einmal gefunden wurde, ist die Einstellung des Stromteilers 32 entsprechend optimiert worden. Sobald für eine bestimmte Anordnung eine optimierte Durchflussmenge oder Ventileinstellung sichergestellt worden ist, kann der Stromteiler 32 gegen einen nicht verstellbaren Stromteiler ersetzt werden, der in der Endverbraucher-Gasstromleitung eine Drossel aufweist, die voreingestellt oder vorbemessen wird, um die optimierte Endverbraucher-Gasströmungsmenge nachzubilden. Der Anmelder hat gefunden, dass es bei der Optimierung des Gegenstroms vorteilhaft ist, mit einem übergroßen Gegenstrom zu beginnen und dann die Größe des Gegenstroms zu verringern (Verkleinerung der Gegenstromzeit), wobei zum Beispiel mit einer Gegenstromzeit begonnen wird, die äquivalent zu 75% der Zeit ist, welche benötigt wird, um die Betten auf einen Druck von 10 psi zu bringen. Dies soll jedoch nicht so angesehen werden, als ob es implizieren würde, dass die Druckerhöhung nur unter Verwendung eines auf der Zeit basierenden Verfahrens vorgenommen werden kann, da beabsichtigt ist, dass der Umfang dieser Erfindung die Verwendung eines Luftpaket-Verfahrens einschließt, das auf dem Druck statt auf der Zeit basiert. Das heißt, statt den Druck der Betten über eine voreingestellte Zeit zu erhöhen oder zu entlasten, kann es sein, dass der Bettdruck überwacht wird und das Luftpaket verschoben wird, sobald ein voreingestellter Druckschwellenwert erreicht ist. Der Anmelder hat auch gefunden, dass durch Verwendung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung die Größe der Molekularsiebbetten verringert werden kann, und zwar von derjenigen, die man augenblicklich im Stand der Technik findet, zum Beispiel auf 75% der Größe verringert werden kann, die augenblicklich im Stand der Technik verwendet wird. Der Anmelder hat auch gefunden, dass unter Verwendung des Verfahrens und der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung die Sauerstoffgehalte in der Endverbraucher-Gasstromleitung mehr als 90% erreichen können, wobei Sauerstoffgehalte von 95% als dauerhaft verfügbar angenommen werden.
Wie man bei der Ausführungsform aus 7 sieht, sind die Molekularsiebbetten 12 und 14 in einer parallelen, im Abstand angeordneten Anordnung im Gehäuse 60 eingeschlossen, so dass die Betten in seitlicher Richtung versetzt innerhalb des Gehäusehohlraums angeordnet sind, wodurch zwischen den Betten ein der Länge des Gehäuses nach verlaufender Zwischenraum verbleibt. Dieser Zwischenraum zwischen den Betten ist bei einer Ausführungsform durch Entfernen einer Stirnplatte 62 vom Gehäuse 60 zugänglich, wobei die Stirnplatte 62 zum Beispiel mit Hilfe von Befestigungsschrauben 64 lösbar am Gehäuse 60 angebracht ist.
Zwischen den Betten 12 und 14 innerhalb des Gehäuses 60 sind ein Kompressor 66, ein Ventil- und Verteilergehäuse 68, ein Stromteilerventil 70 (um die Funktion des Stromteilers 32 zu erfüllen) und verschiedene flexible Röhren oder Rohrleitungen angeordnet, um als Luftleitungen zu dienen, wie unten besser beschrieben. Die Betätigungs-Zeitsteuerung der Ventilbetätigung und die Betätigungs-Zeitsteuerung des Kompressors werden durch Signale von einem PLC oder einem anderen Prozessor gesteuert. Bei der Ausführungsform aus 7 ist der Prozessor fern vom Gehäuse 60 und kommuniziert über einen Schnittstellenstecker 74. Bei der Ausführungsform aus 8, die ansonsten derjenigen aus 7 im Wesentlichen ähnlich ist, ist der entfernte PLC oder Prozessor durch einen Bord-PLC oder Prozessor 76 ersetzt, der auf einer Leiterplatte 78 angebracht ist, wobei die Leiterplatte 78 zwischen dem Kompressor 66 und dem Ventilgehäuse 68 angebracht ist. Bei der Ausführungsform aus 8 ist auch die Stirnplatte 62 durch einen halben muschelschalenartigen Deckel (nicht dargestellt) ersetzt, das heißt, das Gehäuse ist als Muschelschalendeckelanordnung ausgebildet, wie man besser in 9 sieht, und als Gehäuse 60' bezeichnet. Ein stirnseitig angebrachtes Steuerpaneel kann einen Ein-/Aus-Stromschalter 63, eine Luftentnahmeöffnung 34', eine perforierte Luftansaugplatte oder -gitter 65 und einen 12 Volt-Gleichstromstecker 67 enthalten.
Das Gehäuse 60' kann einen Griff 80 aufweisen, der zum Tragen des Sauerstoffkonzentrators der vorliegenden Erfindung entlang von einer lateralen Seite angebracht ist, wobei es sich versteht, dass das Tragen in der Hand nicht einschränkend sein soll. Die vorliegende Erfindung soll bei alternativen Ausführungsformen auch von einem Verbraucher getragen werden, zum Beispiel in einem oder als ein Rucksack oder eine Hüfttasche oder eine sogenannte Po-Tasche 81, wie man sie in 10 sieht. Die Leitung 34 erstreckt sich aus dem Gehäuse zum Endverbraucher, so dass dort, wo der Endverbraucher ein Patient ist, der eine Zufuhr von mit Sauerstoff angereicherter Luft benötigt, die Leitung 34 Nasenröhrchen 35 versorgen kann, wie sie im Stand der Technik üblicherweise in Gebrauch sind.
Bei den Ausführungsformen aus den 7 und 8 können die Betten 12 und 14 ein Rohr mit 2 Inch Innendurchmesser sein, das eine Länge von ungefähr 12 Inches aufweist, um dafür zu sorgen, dass darin Molekularsiebmaterial mitgeführt werden kann, das bei einer Ausführungsform eine Länge von mindestens 9 und 1/2 Inches aufweist, um Sauerstoffkonzentrationen von mehr als 90 Prozent zu erhalten. Die Betten sind an ihren Stirnenden durch Stirndeckel 82 verschlossen, die in geeigneter Weise durchbohrt oder auf andere Weise mit Öffnungen versehen sind, so dass sie mit einer Luftleitungsröhre zusammenwirken, die den Druckluftkreislauf bildet (in 7 zur Verdeutlichung nicht dargestellt), und um die Befestigung der Stirndeckel auf den Enden der Bettröhren zu ermöglichen, zum Beispiel durch Verwendung von langgestreckten Bolzen 84, wie man in 7 sieht. Das Zeolith-Molekularsiebmaterial 48 ist innerhalb des zylindrischen Röhrengehäuses von jedem Bett in Längsrichtung sandwichartig zwischen ein Paar poröse Membranen 86 eingefügt, die selbst sandwichartig zwischen ein Paar poröse Unterlageplatten 88 eingefügt sind. Die Sandwich-Anordnung aus porösen Unterlageplatten 88, porösen Membranen 86 und Molekularsiebmaterial 48 kann durch eine elastische Vorspanneinrichtung, wie eine Schraubenfeder 90, federnd zu einem Stirnende des Betts hin gedrückt werden. Die porösen Membranen 86, die poröses Filz-Unterlagematerial oder anderes Material sein können, um Molekularsiebbettmaterial am Hindurchtritt durch die Öffnungen der porösen Unterlageplatten 88 zu hindern, sind bemessen, um die gesamte Öffnung innerhalb der zylindrischen Betten abzudecken. Die porösen Unterlageplatten 88 können starre Platten sein, die durch sie hindurch gebohrte Öffnungen aufweisen. Die Stirndeckel 82 können auf den Enden der Rohrstücke, welche die Bettgehäuse bilden, mittels O-Ringen 92 abgedichtet sein.
Der Kompressor 66, der ein Thomas^TM 8009 Gleichstrom-Kompressor sein kann, bei dem seine Montageplatte abgenommen und angepasst ist, um die Kopföffnungen um 180 Grad zu drehen, oder ein Thomas^TM Kompressor der Baureihe 7006, wie in 8 dargestellt, kann im Gehäuse 60 mittels einer elastischen Montageplatte 94 angebracht werden, die aus offenzelligem hochdichtem Schaumstoff oder Sorbothane^TM oder einem anderen Dämpfungsmaterial bestehen kann. Eine weitere elastische Montageplatte 96, die ebenfalls aus offenzelligem hochdichtem Schaumstoff bestehen kann, kann verwendet werden, um das Ventilgehäuse 68 im Gehäuse 60 anzubringen. Bei der Ausführungsform aus 7 schließt das Ventil- und Verteilergehäuse 68 eine Reihe von 7 Humphrey^TM 24-Volt-Gleichstrom-Autonomventilen der Baureihe 310 ein, die mit Hilfe von langgestreckten Bolzen 98 zu einer nebeneinander liegenden benachbarten Anordnung zusammengeschraubt sind. Wie in 8 dargestellt, können die Ventile auch Humphrey^TM HK5-Ventile sein.
Das Ventil- und Verteilergehäuse 68 weist eine Anordnung von benachbart als Block 68a angebrachten Ventilen auf, und entlang der Rückseite des Blocks ist zweckmäßig ein Speicher- und Schalldämpferverteiler 68b angeordnet. Luftleitungen führen in den Schalldämpferhohlraum, der eine im Verteiler 68b ausgebildete und mit schalldämpfendem Material, zum Beispiel Zellulosefaser, gefüllte Bohrung sein kann, und eine Leitung führt vom Schalldämpfer aus zum Kompressor, so dass dem Kompressor Luft zugeführt wird. Eine weitere Leitung führt dann vom Kompressor aus in den Ventilblock 68a, so dass den Zufuhrventilen komprimierte Luft zugeführt wird. Wie man in 8 sieht, saugen somit die Kupplung 100 und die ihr entsprechende Luftleitung Luft von außerhalb des Gehäuses an und führen sie in den in unterbrochenen Umrisslinien dargestellten Schalldämpfer 102 zu. Der Schalldämpfer 102 ist durch einen Stirndeckel 104 zugänglich, der in das Ende der Schalldämpferbohrung eingeschraubt sein kann. Luft aus der Luftansaugkupplung 100 tritt in Richtung F durch den Schalldämpfer 102 hindurch, so dass sie durch die Schalldämpferauslasskupplung 106 und die ihr entsprechende Luftleitung austritt, die Luft in den Kompressor 66 und insbesondere in den Kompressorzylinderkopf 66a zuführt. Bei der Kompression der Luft durch den Betrieb des im Kompressorzylinderkopfgehäuse 66a enthaltenen Kompressorzylinders durch den Betrieb des Motors 66b wird Luft komprimiert und durch die Kompressorauslasskupplung 108 und die ihr entsprechende Luftleitung abgegeben.
Wie man besser in 8a sieht, welche die Vorderseite des Ventilblocks 68a veranschaulicht, sind sieben Luftleitungs-Kupplungen vorgesehen. Ohne die Absicht einer Einschränkung bei ihrer Anordnung sind sie die Zufuhrkupplung 110 für das Bett 12 zwischen dem Zufuhrventil 24 und dem Bett 12, die gemeinsame Stickstoffentlüftungsöffnungskupplung 112, welche gewöhnlich sowohl aus der Stickstoffentlüftungsöffnung 26 und der Stickstoffentlüftungsöffnung 42 entlüftet, die Druckluftzufuhrkupplung 114 vom Kompressor 22, die Zufuhrkupplung 116 für das Bett 14 zwischen dem Bett 14 und dem Zufuhrventil 46, die Abfuhrkupplung 118 für das Bett 12 zwischen dem Bett 12 und dem Steuerventil 28, die Abfuhrkupplung 120 für das Bett 14 zwischen dem Bett 14 und dem Steuerventil 40 und die Patientenluftstromkupplung 122. Diese Kupplungen sind im Schaubild aus 11 dargestellt, das auch die gemeinsame Entlüftung der Stickstoffentlüftungsöffnungen 26 und 42 durch eine Entlüftungsleitung 124 und die Beseitigung des Druckentlastungsventils aus 3 als unnötig wegen des Ein- und Ausschaltens des Kompressors 22 zeigt. 11 zeigt auch Merkmale einer alternativen Ausführungsform für ein Ventil- und Verteilergehäuse 68, und insbesondere das Ventil- und Verteilergehäuse 126, wie in den 12–16 dargestellt.
11 veranschaulicht auch eine weitere Ausführungsform des Sauerstoffkonzentrators der vorliegenden Erfindung. Statt einen verstellbaren Stromteiler 32 oder ein verstellbares Nadelventil 36 zu verwenden, wird der Anteil des in Richtung D durch die Leitung 34 strömenden, mit Sauerstoff angereicherten Luftstroms durch eine voreingestellte optimierte Öffnung 128 reguliert, aus der die Luft dann durch ein Rückschlagventil 130 in den Speicher 132 strömt. Der Abfluss aus dem Speicher 132 wird durch ein Anforderungsventil 134 gesteuert. Der Luftstrom kann dann in einen Luftstrom zum Patienten entlang der Leitung 136 und einen Luftstrom zu einem Drucksensor (nicht dargestellt) entlang einer Leitung 138 aufgeteilt werden. Der Sensor an der Leitung 138 kann dann verwendet werden, um festzustellen, wann ein Patient eine Stoßfreisetzung von mit Sauerstoff angereicherter Luft aus dem Speicher 132 anfordert. Wenn der Patient einen Druckabfall in der Leitung 136 erzeugt, wie er durch einen an der Leitung 136 angelegten Unterdruck verursacht würde, erfasst der Sensor somit den Druckabfall unter einen voreingestellten Schwellenwert und bewirkt, dass der. Prozessor die Freigabe der im Speicher 132 enthaltenen Reserve von mit Sauerstoff angereicherter Luft auslöst. Bei alternativen Ausführungsformen kann der Speicher groß genug sein, um auf Anforderung durch den Patienten durch das Anforderungsventil 134 eine ausreichende Versorgung von mit Sauerstoff angereicherter Luft für mehr als eine Inhalation zu enthalten.
Diese Ausführungsform spiegelt sich auch in den 12-16 wieder, die einen gebohrten Speicher 132 zeigen, der parallel zum Schalldämpfer 102 in den Verteilerblock 126b gebohrt ist. Wie beim Schalldämpfer kann der Speicher gebohrt und unter Verwendung eines mit einem Gewinde versehenen Stirndeckels 104 verschlossen werden.
Wie man in den 16 und 16a sieht, soll einen Teil des Umfangs der vorliegenden Erfindung bilden, dass die Molekularsiebbetten 12'' und 14'' eher gekrümmt als gerade sind. Zum Beispiel können die Betten 12'' und 14'' entlang ihrer Länge gekrümmt sein, so dass sie besser um die Taille eines Benutzers herum passen, der sie so trägt, wie in 10. Stirnplatten 69 können durch Schraubenöffnungen 71 mit dem Rahmen oder Gestell des Gehäuses bzw. der Betten verschraubt sein, um die Enden der Betten abzudichten. Die Betten können als ein gekrümmtes benachbartes paralleles Paar von Betten ausgebildet sein, wie man es in 16 sieht, oder können entsprechend der zuvor beschriebenen Ausführungsform in seitlichem Abstand und parallel innerhalb eines Gehäuses angeordnet sein, das dann ebenfalls eine entsprechend gekrümmte Oberfläche besitzen würde, um die Tragebequemlichkeit und den Tragekomfort des Sauerstoffkonzentrators der vorliegenden Erfindung zu verbessern. Bei sämtlichen derartigen tragbaren Ausführungsformen kann es sein, dass Steuerschalter, wie der "Ein/Aus"-Schalter, der Lufteinlass, der Endverbraucher-Luftstromauslass und dergleichen innerhalb des Tragmediums angebracht sind, wie einem Rucksack, einer Po-Tasche usw., so dass sie von einem Ende des Gehäuses und von einer Seite des Tragemediums aus frei liegen. Wie man in 10 sieht, hat der Benutzer so einen leichten Zugang zu den Steuerfunktionen und zum Luftstromauslass, aus dem sich die Luftstromleitung zum Gebrauch erstreckt.
Wie für den Fachmann im Licht der vorangehenden Offenbarung ersichtlich wird, sind bei der Ausführung dieser Erfindung viele Veränderungen und Abwandlungen möglich, ohne ihren Umfang zu verlassen. Dementsprechend soll der Umfang der Erfindung als der Substanz entsprechend angesehen werden, die durch die folgenden Ansprüche definiert wird.

Claims

Gaskonzentrator zur Anreicherung einer Zielkomponenten-Gaskonzentration und zum Minimieren einer Abfallkomponenten-Gaskonzentration in einem Gasstrom, umfassend: einen Luftkompressor, einen luftdichten ersten Behälter, der durch eine erste Gasleitung mit dem Kompressor in Fluidverbindung steht, einen luftdichten zweiten Behälter, der durch eine zweite Gasleitung mit dem ersten Behälter in Fluidverbindung steht, wobei der erste Behälter ein Molekularsiebbett zum Adsorbieren eines Abfallkomponenten-Gases enthält, eine Gasstrom-Steuereinheit, die eine Mehrzahl von sich wiederholenden Zyklen einer Folge-Betätigung von in den Gasleitungen angebrachten Ventilen steuert, wobei die Ventile einen Luftstrom durch die Leitungen in einer Folge regulieren, wobei die Gasstrom-Steuereinheit und die Ventile liefern: (a) Einrichtungen, um als erstes während einer ersten Gasdruckerhöhungsphase einen Gasstrom zwischen dem ersten und dem zweiten Behälter zu verhindern und komprimiertes Gas aus dem Kompressor in den ersten Behälter zu lassen, wodurch der Druck im ersten Behälter bis zu einem Schwellendruckpegel erhöht wird, um ein Gaspaket zu erzeugen, das eine schrittweise angereicherte Zielkomponenten-Gaskonzentration aufweist; (b) Einrichtungen, um als nächstes in der Folge während einer Luftpaketüberführungsphase einen Gasstrom aus dem Kompressor in den ersten Behälter zu verhindern und einen Gasstrom aus dem ersten Behälter in den zweiten Behälter zu lassen, wobei das Gaspaket zum zweiten Behälter überführt wird, (c) Einrichtungen, um als nächstes in der Folge einen Gasstrom aus dem ersten Behälter in den zweiten Behälter zu verhindern und Gas durch ein Entlüftungsventil des ersten Behälters aus dem ersten Behälter heraus zur Atmosphäre entweichen zu lassen; (d) Einrichtungen, um als nächstes in der Folge während einer Luftpaketgegenstromphase einen Gasstrom zwischen dem ersten und dem zweiten Behälter aus dem zweiten Behälter in den ersten Behälter zu lassen, wobei das Gaspaket aus dem zweiten Behälter zum ersten Behälter strömt; (e) Einrichtungen, um als nächstes in der Folge ein Entweichen eines Gasstroms durch das Entlüftungsventil des ersten Behälters aus dem ersten Behälter zu verhindern, und (f) Einrichtungen, um die Gasstrom-Steuereinheit und die Ventile in der Folge periodisch wiederkehrend durch die Mehrzahl von sich wiederholenden Folgebetätigungszyklen der Ventile zu führen, so dass die Zielkomponenten-Gaskonzentration im Gaspaket pro Zyklus in der Mehrzahl von sich wiederholenden Zyklen schrittweise vergrößert wird, während das Gaspaket zwischen dem ersten und dem zweiten Behälter vor und zurück verschoben wird, eine Gasstromleitung in Fluidverbindung mit dem zweiten Behälter, um einen Teil des Gaspakets für einen Endverbrauch stromabwärts abzugeben.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher das Zielkomponenten-Gas Sauerstoff ist, und bei welcher das Abfallkomponenten-Gas Stickstoff ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei welcher sowohl der erste und der zweite Behälter ein Molekularsiebbett enthalten, und bei welcher der zweite Behälter durch eine dritte Leitung mit dem Kompressor in Fluidverbindung steht, und bei welcher die Gasstrom-Steuereinheit, im Anschluss an die Luftpaketüberführungsphase und im Anschluss an ein Verhindern des Gasstroms aus dem ersten Behälter in den zweiten Behälter, während einer zweiten Gasdruckerhöhungsphase komprimiertes Gas aus dem Kompressor in den zweiten Behälter lässt, wodurch der Druck im zweiten Behälter auf den Schwellendruckpegel erhöht wird, und bei welcher die Gasstrom-Steuereinheit, im Anschluss an ein Verhindern des Entweichens des Gasstroms durch das Entlüftungsventil des ersten Behälters aus dem ersten Behälter und im Anschluss an ein Verhindern eines Gasstroms zwischen dem ersten und dem zweiten Behälter während der ersten Gasdruckerhöhungsphase, Gas durch ein Entlüftungsventil des zweiten Behälters aus dem zweiten Behälter heraus zur Atmosphäre entweichen lässt und einen Gasstrom aus dem Kompressor in den zweiten Behälter verhindert.
Vorrichtung nach Anspruch 3, bei welcher die Gasstrom-Steuereinheit ein Prozessor ist, der mit dem Kompressor zusammenwirkt, so dass der Kompressor abgestellt wird, wenn ein Gasstrom aus dem Kompressor in sowohl den ersten und den zweiten Behälter verhindert wird, und bei welcher sowohl der Prozessor und der Kompressor durch eine Batterie batteriegetrieben sind, und bei welcher der erste und der zweite Behälter, die Leitungen, die Ventile, der Prozessor, der Kompressor und die Batterie in einem Gehäuse angebracht sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei welcher der erste Behälter eine langgestreckte hohle Röhre ist und bei welcher das Molekularsiebbett Zeolith ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, bei welcher der erste und der zweite Behälter langgestreckte hohle Röhren sind, und bei welcher die Molekularsiebbetten Zeolith sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4, bei welcher der erste und der zweite Behälter langgestreckte hohle Röhren sind, und bei welcher die Molekularsiebbetten Zeolith sind, und bei welcher der erste und der zweite Behälter allgemein parallel und in paralleler Anordnung in dem Gehäuse angebracht sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7, bei welcher die Anordnung in seitlicher Richtung bezogen auf die Länge der Behälter im Abstand angeordnet ist, so dass dazwischen ein Kanal gebildet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 8, bei welcher der Prozessor und der Kompressor in dem Kanal angebracht sind.
Vorrichtung nach Anspruch 9, weiter umfassend ein in dem Kanal angebrachtes Ventil- und Verteilergehäuse, wobei die Ventile in dem Ventil- und Verteilergehäuse angebracht sind, wobei das Ventil- und Verteilergehäuse verbindende Verteiler aufweist, um die Ventile durch die Gasleitungen mit dem ersten und dem zweiten Behälter und dem Kompressor zu verbinden.
Vorrichtung nach Anspruch 10, weiter umfassend einen Gasspeicher in Fluidverbindung mit dem Gasstromteiler, wobei der Speicher zur Aufnahme einer Reserve der mit Sauerstoff angereicherten Luft zur Abgabe an den Endverbrauch dient, und bei welcher eines der Ventile ein zwischen der Gasleitung und dem Speicher wirkendes Anforderungsventil ist, zur Freigabe der Reserve in die Gasleitung auf ein auslösendes Ereignis hin, das eine Betätigung des Anforderungsventils auslöst.
Vorrichtung nach Anspruch 11, weiter umfassend einen mit der Gasleitung zusammenwirkenden Drucksensor, bei welcher das auslösende Ereignis ein vom Drucksensor erfasster Druckabfall in der Gasleitung ist, bei welcher der Drucksensor ein auslösendes Signal liefert, um auf eine Erfassung des Druckabfalls hin die Betätigung des Anforderungsventils auszulösen.
Vorrichtung nach Anspruch 12, bei welcher der Druckabfall bis zu einem voreingestellten unteren Schwellendruck erfolgt, unterhalb von welchem der Drucksensor das auslösende Signal liefert.
Vorrichtung nach Anspruch 11, bei welcher der Kompressor intermittierend auf Betätigungssignale von dem Prozessor hin in Betrieb genommen wird, so dass er nur läuft, wenn es erforderlich ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei welcher der Endverbrauch eine Sauerstoffzufuhr zu einem Endverbraucher ist, und bei welcher der erste und der zweite Behälter langgestreckt und entlang ihrer Länge gekrümmt sind, so dass sie einer Körperform des Endverbrauchers entsprechen, wenn der Sauerstoffkonzentrator vom Endverbraucher getragen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei welcher der Endverbrauch eine Sauerstoffzufuhr zu einem Endverbraucher ist, und bei welcher der Sauerstoffkonzentrator angepasst ist, um vom Endverbraucher getragen zu werden.
Vorrichtung nach Anspruch 4, bei welcher der Endverbrauch eine Sauerstoffzufuhr zu einem Endverbraucher ist, und bei welcher der erste und der zweite Behälter langgestreckt und entlang ihrer Länge gekrümmt sind, so dass sie einer Körperform des Endverbrauchers entsprechen, wenn der Sauerstoffkonzentrator vom Endverbraucher getragen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 4, bei welcher der Endverbrauch eine Sauerstoffzufuhr zu einem Endverbraucher ist, und bei welcher der Sauerstoffkonzentrator angepasst ist, um vom Endverbraucher getragen zu werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher sowohl der erste und der zweite Behälter Molekularsiebbetten enthalten, und bei welcher der zweite Behälter durch eine dritte Leitung mit dem Kompressor in Fluidverbindung steht, und bei welcher die Gasstrom-Steuereinheit, im Anschluss an die Luftpaketüberführungsphase und im Anschluss an ein Verhindern eines Gasstroms aus dem ersten Behälter in den zweiten Behälter, während einer zweiten Gasdruckerhöhungsphase komprimiertes Gas aus dem Kompressor in den zweiten Behälter lässt, wodurch der Druck im zweiten Behälter auf den Schwellendruckpegel erhöht wird, und bei welcher die Gasstrom-Steuereinheit, im Anschluss an ein Verhindern eines Entweichens des Gasstroms durch das Entlüftungsventil des ersten Behälters aus dem ersten Behälter und im Anschluss an ein Verhindern eines Gasstroms zwischen dem ersten und dem zweiten Behälter während der ersten Gasdruckerhöhungsphase, Gas durch ein Entlüftungsventil des zweiten Behälters aus dem zweiten Behälter heraus zur Atmosphäre entweichen lässt und einen Gasstrom aus dem Kompressor in den zweiten Behälter verhindert.
Vorrichtung nach Anspruch 19, bei welcher die Gasstrom-Steuereinheit ein Prozessor ist, der mit dem Kompressor zusammenwirkt, so dass der Kompressor abgestellt wird, wenn ein Gasstrom aus dem Kompressor in sowohl den ersten und den zweiten Behälter verhindert wird, und bei welcher sowohl der Prozessor und der Kompressor durch eine Batterie batteriegetrieben sind, und bei welcher der erste und der zweite Behälter, die Leitungen, die Ventile, der Prozessor, der Kompressor und die Batterie in einem Gehäuse angebracht sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der erste Behälter eine langgestreckte hohle Röhre ist.
Vorrichtung nach Anspruch 19, bei welcher der erste und der zweite Behälter langgestreckte hohle Röhren sind.
Vorrichtung nach Anspruch 20, bei welcher der erste und der zweite Behälter langgestreckte hohle Röhren sind, und bei welcher der erste und der zweite Behälter allgemein parallel und in paralleler Anordnung in dem Gehäuse angebracht sind.
Vorrichtung nach Anspruch 23, bei welcher die Anordnung in seitlicher Richtung bezogen auf die Länge der Behälter im Abstand angeordnet ist, so dass dazwischen ein Kanal gebildet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 24, bei welcher der Prozessor und der Kompressor in dem Kanal angebracht sind.
Vorrichtung nach Anspruch 25, weiter umfassend ein in dem Kanal angebrachtes Ventil- und Verteilergehäuse, wobei die Ventile in dem Ventil- und Verteilergehäuse angebracht sind, wobei das Ventil- und Verteilergehäuse verbindende Verteiler aufweist, um die Ventile durch die Gasleitungen mit dem ersten und dem zweiten Behälter und dem Kompressor zu verbinden.
Vorrichtung nach Anspruch 26, weiter umfassend einen Gasspeicher in Fluidverbindung mit dem Gasstromteiler, wobei der Speicher zur Aufnahme einer Reserve der mit dem Zielkomponenten-Gas angereicherten Luft zur Abgabe an den Endverbrauch dient, und bei welcher eines der Ventile ein zwischen der Gasleitung und dem Speicher wirkendes Anforderungsventil ist, zur Freigabe der Reserve in die Gasleitung auf ein auslösendes Ereignis hin, das eine Betätigung des Anforderungsventils auslöst.
Vorrichtung nach Anspruch 27, weiter umfassend einen mit der Gasleitung zusammenwirkenden Drucksensor, bei welcher das auslösende Ereignis ein vom Drucksensor erfasster Druckabfall in der Gasleitung ist, bei welcher der Drucksensor ein auslösendes Signal liefert, um auf eine Erfassung des Druckabfalls hin die Betätigung des Anforderungsventils auszulösen.
Vorrichtung nach Anspruch 28, bei welcher der Druckabfall bis zu einem voreingestellten unteren Schwellendruck erfolgt, unterhalb von welchem der Drucksensor das auslösende Signal liefert.
Vorrichtung nach Anspruch 29, bei welcher der Kompressor intermittierend auf Betätigungssignale von dem Prozessor hin in Betrieb genommen wird, so dass er nur läuft, wenn es erforderlich ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der Endverbrauch eine Sauerstoffzufuhr zu einem Endverbraucher ist, und bei welcher der erste und der zweite Behälter langgestreckt und entlang ihrer Länge gekrümmt sind, so dass sie einer Körperform des Endverbrauchers entsprechen, wenn der Sauerstoffkonzentrator vom Endverbraucher getragen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der Endverbrauch eine Sauerstoffzufuhr zu einem Endverbraucher ist, und bei welcher der Sauerstoffkonzentrator angepasst ist, um vom Endverbraucher getragen zu werden.
Vorrichtung nach Anspruch 20, bei welcher der Endverbrauch eine Sauerstoffzufuhr zu einem Endverbraucher ist, und bei welcher der erste und der zweite Behälter langgestreckt und entlang ihrer Länge gekrümmt sind, so dass sie einer Körperform des Endverbrauchers entsprechen, wenn der Sauerstoffkonzentrator vom Endverbraucher getragen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 20, bei welcher der Endverbrauch eine Sauerstoffzufuhr zu einem Endverbraucher ist, und bei welcher der Sauerstoffkonzentrator angepasst ist, um vom Endverbraucher getragen zu werden.
Verfahren zur Erhöhung der Konzentration eines Zielkomponenten-Gases in einem Gas, welches das Zielkomponenten-Gas und ein Abfallkomponenten-Gas enthält, umfassend die Schritte: Bereitstellen eines Gaskompressors, der durch eine erste Gasleitung mit einem luftdichten ersten Behälter in Fluidverbindung steht, Bereitstellen eines zweiten Behälters, wobei der erste Behälter durch eine zweite Gasleitung mit dem zweiten Behälter in Fluidverbindung steht, Bereitstellen eines im ersten Behälter angebrachten Molekularsiebbetts, Bereitstellen von in den Gasleitungen angebrachten Ventilen, sowie von einer die Betätigung der Ventile steuernden Gasstrom-Steuereinheit, Bereitstellen einer weiteren Gasstromleitung in Fluidverbindung mit dem zweiten Behälter, um einen Teil eines Gaspakets von schrittweise mit Zielkomponenten-Gas angereichertem Gas stromabwärts entlang der weiteren Gasstromleitung an einen Endverbrauch abzugeben, Steuern einer Betätigung der Ventile, so dass ein Luftstrom durch die Leitungen reguliert wird, um das Gaspaket in sich wiederholenden Zyklen in einer Folge zwischen dem ersten und dem zweiten Behälter vor und zurück zu verschieben, indem: (a) man während einer ersten Gasdruckerhöhungsphase einen Gasstrom zwischen dem ersten und dem zweiten Behälter verhindert und komprimiertes Gas aus dem Kompressor in den ersten Behälter lässt, wodurch der Druck im ersten Behälter auf einen Schwellendruckpegel erhöht wird, um ein Paket von schrittweise mit Zielkomponenten-Gas angereichertem Gas zu erzeugen; (b) man während einer Gaspaketüberführungsphase einen Gasstrom aus dem Kompressor in den ersten Behälter verhindert und einen Gasstrom aus dem ersten Behälter in den zweiten Behälter lässt, wobei das Paket von schrittweise mit Zielkomponenten-Gas angereichertem Gas zum zweiten Behälter überführt wird; (c) man einen Gasstrom aus dem ersten Behälter in den zweiten Behälter verhindert und Gas durch ein Entlüftungsventil des ersten Behälters aus dem ersten Behälter heraus zur Atmosphäre entweichen lässt; (d) man während einer Gaspaketgegenstromphase einen Gasstrom zwischen dem ersten und dem zweiten Behälter aus dem zweiten Behälter in den ersten Behälter lässt, wobei das Paket von schrittweise mit Zielkomponenten-Gas angereicherter Luft aus dem zweiten Behälter zum ersten Behälter strömt; und (e) man verhindert, dass ein Gasstrom durch das Entlüftungsventil des ersten Behälters aus dem ersten Behälter entweicht.
Verfahren nach Anspruch 35, bei welchem das Verfahren weiter einschließt: Bereitstellen eines im zweiten Behälter angebrachten zweiten Molekularsiebbetts und Verbinden des zweiten Behälters durch eine dritte Gasleitung in Fluidverbindung mit dem Kompressor, und weiter Steuern einer Betätigung der Ventile, so dass weiter in Folge: a. im Anschluss an die Gaspaketüberführungsphase und im Anschluss an ein Verhindern eines Gasstroms aus dem ersten Behälter in den zweiten Behälter man während einer zweiten Gasdruckerhöhungsphase komprimiertes Gas aus dem Kompressor in den zweiten Behälter lässt, wodurch der Druck im zweiten Behälter auf den Schwellendruckpegel erhöht wird; und b. im Anschluss an ein Verhindern eines Entweichens des Gasstroms durch das Entlüftungsventil des ersten Behälters aus dem ersten Behälter und im Anschluss an ein Verhindern eines Gasstroms zwischen dem ersten und dem zweiten Behälter während der ersten Gasdruckerhöhungsphase man Gas durch ein Entlüftungsventil des zweiten Behälters aus dem zweiten Behälter entweichen lässt und einen Gasstrom aus dem Kompressor in den zweiten Behälter verhindert.
Verfahren nach Anspruch 36, bei welchem die Gasstrom-Steuereinheit ein mit dem Kompressor zusammenwirkender Prozessor ist, weiter umfassend den Schritt eines Abstellens des Kompressors, während ein Gasstrom aus dem Kompressor in sowohl den ersten und den zweiten Behälter verhindert wird.
Verfahren nach Anspruch 35, bei welchem das Gas Luft ist und das Zielkomponenten-Gas Sauerstoff ist.
Verfahren nach Anspruch 38, bei welchem das Verfahren weiter einschließt: Bereitstellen eines im zweiten Behälter angebrachten zweiten Molekularsiebbetts und Verbinden des zweiten Behälters durch eine dritte Leitung in Fluidverbindung mit dem Kompressor, und weiter Steuern einer Betätigung der Ventile, um weiter in Folge (a) im Anschluss an die Gaspaketüberführungsphase und im Anschluss an ein Verhindern eines Gasstroms aus dem ersten Behälter in den zweiten Behälter während einer zweiten Gasdruckerhöhungsphase komprimierte Luft aus dem Kompressor in den zweiten Behälter zu lassen, wodurch der Druck im zweiten Behälter auf den Schwellendruckpegel erhöht wird; und (b) im Anschluss an ein Verhindern eines Entweichens des Gasstroms durch das Entlüftungsventil des ersten Behälters aus dem ersten Behälter und im Anschluss an ein Verhindern eines Gasstroms zwischen dem ersten und dem zweiten Behälter während der ersten Gasdruckerhöhungsphase Luft durch ein Entlüftungsventil des zweiten Behälters aus dem zweiten Behälter heraus zur Atmsphäre entweichen zu lassen und einen Luftstrom aus dem Kompressor in den zweiten Behälter zu verhindern.
Verfahren nach Anspruch 39, bei welchem die Gasstrom-Steuereinheit ein mit dem Kompressor zusammenwirkender Prozessor ist, weiter umfassend den Schritt eines Abstellens des Kompressors, während ein Gasstrom aus dem Kompressor in sowohl den ersten und den zweiten Behälter verhindert wird.