DE60118652T2 - Gasgeneratorsystem mit variabler Ladegeschwindigkeit - Google Patents

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft allgemein Gaserzeugungssysteme, und spezieller betrifft sie Gaserzeugungssysteme, die ein Produktgas, wie Sauerstoff oder Stickstoff, bei zwei verschiedenen Drücken erzeugen können.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Das US-Patent Nr. 5,858,062, das durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit in die Beschreibung eingeschlossen wird, und das auf den Rechtsnachfolger in der vorliegenden Sache übertragen ist, offenbart eine Vorrichtung zum Erzeugen eines mit Sauerstoff angereicherten Gases auf einem ersten Druck und einem zweiten Druck, wobei der zweite Druck größer als der erste ist. Wie es im Patent '062 offenbart ist, verfügt die Vorrichtung über ein Druckschwankungs-Adsorptionssystem und einen Druckverstärker. Das Druckschwankungs-Adsorptionssystem ist so ausgebildet, dass es an einem ersten Auslass mit Sauerstoff angereicherte Luft auf dem ersten Druck und mit Sauerstoff angereicherte Luft auf dem ersten Druck an einen Druckverstärker liefert. Der Druckverstärker setzt die mit Sauerstoff angereicherte Luft unter Druck, und er liefert mit Sauerstoff angereicherte Luft auf dem zweiten Druck an einen zweiten Auslass. Nachteiligerweise wird beim im Patent '62 offenbarten System ein Hochdruckbehälter unabhängig davon, ob am Niederdruck-Auslassstutzen eine Strömung existiert oder nicht, mit konstanter Rate beladen oder gefüllt. Dabei ist eine lange Zeitperiode zum Laden eines Behälters erforderlich (nämlich acht Stunden zum Laden von 240 Litern mit einer konstanten Rate von 0,5 Litern pro Minute (lpm)). So existiert in der Technik Bedarf nach einem System, das gleichzeitig ein Produktgas an einem Hochdruckauslass und einem Niederdruckauslass liefern kann, wobei die Hochdruck-Laderate abhängig vom Niederdruckauslass benötigten Fluss variiert werden kann.
  • Weitere Information zum Stand der Technik findet sich im US-Patent 5,988,165, das eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen von mit Sauerstoff an gereichertem Gas und für Kompression desselben zur mobilen Hochdruck-Speichernutzung offenbart, wobei mit Sauerstoff angereichertes Gas von einer Sauerstoffanreicherungseinrichtung über einen wahlweise vorhandenen Regler und einen Strömungsmesser an einem Patienten geliefert wird. Gas von der Sauerstoffanreicherungsrichtung wird auch über ein Zweiwegeventil und einen Speichertank an einen Kompressor geliefert. Das Zweiwegeventil wird durch einen Sauerstoffsensor gesteuert, der die Sauerstoffkonzentration im Gasfluss zum Patienten erfasst. Wahlweise kann ein Drucksensorschalter auf einen vorbestimmten Wert eingestellt werden, um zu gewährleisten oder mit Priorität dafür zu sorgen, dass eine ausreichende Gasflussmenge an den Patienten geliefert wird.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Daher ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Gaserzeugungssystem zu schaffen, das einen Gaszylinder schneller als bekannte Systeme füllen kann.
  • Diese und andere Aufgaben der Erfindung sind durch eine Vorrichtung zum Liefern von Gas auf einem ersten Druck und einem zweiten Druck, wie im Anspruch 1 definiert, sowie das Verfahren des Anspruchs 16 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen genannt.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform verfügt die Vorrichtung über ein Gaserzeugungssystem mit einem Gaserzeugungssystem-Auslass. Mit dem Gaserzeugungssystem-Auslass steht ein Strömungsschalter in Verbindung, mit einem zugehörigen Auslass, der einen Gasauslass für den ersten Druck bildet. Mit dem Gaserzeugungssystem-Auslass steht ein Druckregler in Verbindung, um Gas, das zum Gasauslass strömt, auf den ersten Druck zu regeln. Durch den Strömungsschalter wird ein Magnetventil elektrisch angesteuert, das mit dem Gaserzeugungssystem-Auslass in Verbindung steht und über einen Magnetventil-Auslass verfügt. Mit dem Magnetventil steht ein Druckverstärker in Verbindung, um den Druck des durch das Gaserzeugungssystem erzeugten Gases zur Ausgabe an einen Auslass auf einem zweiten Druck zu erhöhen.
  • Die vorstehenden und andere Aufgaben der Erfindung sind durch ein Verfahren zum Laden eines Hochdruckbehälters mit Produktgas mit variabler Rate gelöst. Durch das Verfahren wird mit Sauerstoff angereichertes Gas an einen Niederdruckauslass und einen Druckverstärker geliefert. Die Flussrate des mit Sauerstoff angereicherten Gases wird beim Strömen zum Niederdruckauslass erfasst. Die Flussrate zum Druckverstärker wird auf Grundlage des erfassten Flusses zum Niederdruckauslass gesteuert.
  • Die vorstehenden und andere Aufgaben der Erfindung sind durch eine Vorrichtung zum Liefern von Gas auf einem ersten Druck und einem zweiten Druck gelöst. Die Vorrichtung verfügt über ein Gaserzeugungssystem mit einem Gaserzeugungssystem-Auslass in Verbindung mit einem Niederdruckauslass und einem Hochdruckauslass. Ein Strömungsschalter mit Detektor steht mit einem Gaserzeugungssystem-Auslass in Verbindung und erfasst eine Gasflussrate zu niedrigem Druck hin. Eine Steuerung steuert den Gasfluss auf Grundlage eines durch einen Strömungsschalter gelieferten Signals auf einen hohen Druck. Ein Druckverstärker steht mit einem Hochdruckauslass in Verbindung, um den Druck des durch ein Gaserzeugungssystem erzeugten Gases zur Ausgabe an einen Hochdruckbehälter zu erhöhen.
  • Das erfindungsgemäße Gaserzeugungssystem mit dem Merkmal des Ladens mit mehreren Raten kann auf einfache Weise die Laderate im Vergleich zu bekannten Ladesystemen verdoppeln und bis zu vervierfachen, wenn am Niederdruckauslass kein Fluss existiert. Dies verringert die Ladezeit auf die Hälfte.
  • Noch andere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden dem Fachmann aus der folgenden detaillierten Beschreibung leicht ersichtlich werden, in der die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung angegeben und beschrieben sind, und zwar einfach durch Veranschaulichen der Art, die als Beste zum Ausführen der Erfindung angesehen wird. Wie es zu erkennen sein wird, ist die Erfindung anderen und verschiedenen Ausführungsformen zugänglich, und ihre verschiedenen Einzelheiten sind Modifizierungen in verschiedener Hinsicht zugänglich, und war alles ohne Abweichung von der Erfindung. Demgemäß sind die Zeichnungen und die zugehörige Beschreibung als der Art nach veranschaulichend und nicht als beschränkend anzusehen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die Erfindung wird beispielhaft, und nicht beschränkend, durch die Figuren der beigefügten Zeichnungen veranschaulicht, wobei Elemente mit denselben Bezugszahlkennzeichnungen durchgehend gleiche Elemente repräsentieren und wobei:
  • 1 ein schematisches Blockdiagramm eines Gaserzeugungssystems gemäß der Erfindung mit dem Merkmal eines Ladens mit mehreren Raten ist.
  • Beste Art zum Ausführen der Erfindung
  • Die 1 zeigt das Gaserzeugungssystem 10 gemäß der Erfindung mit einem Laden mit mehreren Raten. In der 1 sind Funktionsblöcke mit pneumatischen Verbindungen mit durchgezogenen Linien mit Pfeilen dargestellt, während Steuersignale mit gestrichelten Linien dargestellt sind. Ein Druckschwankungs-Adsorptions(PSA)system 20 bilden den Gaserzeugungsteil des Systems 10. Bei der Erfindung wird vorzugsweise ein PSA-System an Stelle anderer Gaserzeugungssysteme verwendet. Jedoch funktioniert das Konzept mit jedem beliebigen anderen Typ von Gaserzeugungssystemen (Festkörper, selektive Filterung, Elektrolysen usw. Durch das PSA-System 20 erzeugtes Gas wird durch einen Druckregler 38 reguliert und an einem Niederdruckauslass 30 verfügbar gemacht. Um die Strömung am Niederdruckauslass zu erfassen, ist zwischen das PSA-System 20 und den Auslass 30 ein Strömungsschalter 35 eingesetzt. Der Strömungsschalter 35 ist eine Vorrichtung, die den Fluss (über oder unter einem Schwellenwert) erfasst und entweder durch einen mechanischen Schaltkontakt oder einen Festkörperschalter ein Logiksignal ausgibt. Es kann ein im Normalzustand offener oder im Normalzustand geschlossener Schaltkontakt ausgewählt werden (im Normalzustand hoher oder niedriger Logikwert, was von der Steuerung abhängt). Der Strömungsschalter 35 kann dazu verwendet werden, das Magnetventil 70 anzusteuern, um den Druckregler 25 zu umgehen.
  • durch das PSA-System 20 an den Druckverstärker 40 geliefertes Gas kann durch den Druckregler 25 reguliert werden. Das Ergebnis ist eine höhere Laderate am Hochdruckauslass 50. Das Logiksignal des Strömungsschalters 35 wird auch in die Zykluszeitsteuerung 60 zum Ändern der Systemzykluszeit eingegeben. Ohne Strömung kann die Steuerung 60 die Zykluszeit verkürzen, um die Laderate am Hochdruckauslass 50 zu erhöhen. Die Kombination aus der Umgehung des Druckreglers 25 und der Verkürzung der Zykluszeit kann dazu verwendet werden, die gewünschte Laderate zu erreichen. Ein typischer Druck am Niederdruckauslass beträgt 0,4 Bar (6 psig). Der Hochdruckauslass 50 ist normalerweise mit einem Speicherraum (Behälter) zum Aufladen der Speichermenge verbunden. Der Maximaldruck am Hochdruckauslass 50 beträgt 138 Bar (2000 psig).
  • Ein Druckverstärker 40 empfängt ein Eingangssignal vom PSA-System 20, um einen am Hochdruckauslass 50 verfügbaren hohen Druck zu erzeugen. Ein Beispiel für ein pneumatisch betriebenes Druckschwankungs-Adsorbersystem mit pneumatisch betriebenem Kompressor ist im am 11. Oktober 1994 erteilten US-Patent Nr. 5,354,361 offenbart und wird hier durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit in die vorliegende Beschreibung eingeschlossen.
  • Es wurde ein gleichzeitiger Fluss von fünf Litern pro Minute (LPM) am Niederdruckauslass und eine Laderate von 0,75 LPM (für den Stand der Technik typisch) demonstriert. Die Zykluszeit beträgt 19 Sekunden. Durch Variieren der Zykluszeit oder durch Umgehen des Druckreglers 25, wenn der Fluss am Niederdruckauslass unter einem Schwellenwert (nämlich 2,5 LPM) liegt, kann die Laderate auf bis zu 3 LPM geändert werden (bei einer Zykluszeit von 11 Sekunden und einem Einlassdruck von 5,5 Bar (80 psig)). Die Flussrate (Laderate) des Verstärkers 40 hängt vom Druck am Einlass desselben und vom Betriebszyklus ab. Der Einlassdruck am Verstärker 40 kann dadurch kontrolliert werden, dass ein Druckregler 25 (bereits beschrieben) zwischen das PSA-System 20 und den Verstärker 40 eingefügt wird.
  • Der Betriebszyklus wird durch eine Zykluszeitsteuerung 60 (normalerweise eingebaute Systemsteuerung) gesteuert. Um die Laderate zu steuern, kann der Strömungsschalter 25 ein Magnetventil 70 so ansteuern, dass der Verstärker 40 auf den vollen PSA-Auslassdruck oder einen partiellen (regulierten) Auslassdruck des PSA 20 betrieben wird. Außerdem kann das Eingangssignal des Strömungsschalters 35 dazu verwendet werden, die Zykluszeit für den Verstärker 40 zu bestimmen, um die Laderate zu variieren. Wie oben angegeben, erfasst der Strömungsschalter den Minimalfluss, und er schaltet dann einen elektrischen Schalter oder einen mechanischen Kontakt ein und aus, wenn der Fluss einen Schwellenwert schneidet.
  • Mit der Hauptsteuerung (nicht dargestellt), die den Ladevorgang steuert, ist ein O2-Sensor 32 verbunden. Wenn die Sauerstoffkonzentration unter einem Schwellenwert (nämlich 90%) liegt, stoppt die Zyklussteuerung 60 den Verstärker 90 hinsichtlich des Ladevorgangs zum Hochdruckauslass 50. Ein Beispiel für eine Überwachungseinrichtung für die Sauerstoffgaskonzentration ist im am 4. April 1995 erteilten US-Patent Nr. 5,402,665 offenbart. Vom Sauerstoffsensor 32 wird eine kleine, vom PSA 20 ausgegebene Gasmenge, beispielsweise typischerweise weniger als 250 ccm pro Minute, kontinuierlich überwacht, um zu gewährleisten, dass die Sauerstoffreinheit über einem vorbestimmtem Wert (beispielsweise 90%, liegt. Wenn die Reinheit unter dem vorbestimmten oder Schwellenwert liegt, kann ein Mikroprozessor eine Warnleuchte aktivieren, um darüber zu warnen, dass hinsichtlich des Gases eine Fehlfunktion der Anlage aufgetreten ist, und um den zyklischen Betrieb des Druckverstärkers 40 zu verhindern. Der Druckverstärker 40 kann eine standardmäßige, zweistufige Vorrichtung mit einem Antriebsluftzylinder und Produktgaszylindern einer ersten und einer zweiten Stufe sein. Es können andere Verfahren und Vorrichtungen als die gemäß der obigen Beschreibung dazu verwendet werden, die Druck- und Zykluszeitsteuerung zu implementieren (Verwendung eines elektronisch gesteuerten Druckreglers an Stelle des Reglers und des Magnetventils usw.)
  • Bei Ausführungsformen der Erfindung liegt der erste Druck im Bereich von 0–5,5 Bar (0–80 psi), und der zweite Druck liegt im Bereich von bis zu 207 Bar (3000 psi).
  • Der Sauerstoffgehalt der mit Sauerstoff angereicherten Luft kann über einen großen Bereich variiert werden, jedoch beträgt er vorzugsweise mindestens 85 Volumen. Bei bevorzugten Ausführungsformen beträgt der Sauerstoffgehalt mindestens 90 Volumenprozent, und er liegt insbesondere im Bereich von 92–94 Volumenprozent.
  • Die hier beschriebene Sauerstoffkonzentriereinrichtung nutzt einen Druckverstärker 40 zum Erhöhen des Drucks eines Teils der mit Sauerstoff angereicherten Luft auf einen geeigneten Druck, beispielsweise 138 Bar (2000 psig), zur Speicherung in Druckbehältern, beispielsweise einen Zylinder, zur Verwendung durch ambulant betreute Patienten. Es ist ersichtlich, dass dann, wenn der Zylinder leer ist, der Druckverstärker 40 mit Sauerstoff angereicherte Luft mit relativ niedrigem Druck liefert, beispielsweise ungefähr mit dem Druck im Speicherraum, beispielsweise 2 Bar (30 psig), wobei jedoch dieser Druck ansteigt, wenn sich der Zylinder füllt, beispielsweise auf die oben genannten 138 Bar (2000 psig).
  • Das Gaserzeugungssystem mit dem Merkmal eines Ladens mit mehreren Raten gemäß der Erfindung kann leicht die Laderate im Vergleich zu bekannten Ladesystemen verdoppeln und bis zu vervierfachen, wenn am Niederdruckauslass kein Fluss vorliegt. Dies verringert die Ladezeit auf die Hälfte.
  • Der Fachmann erkennt leicht, dass die Erfindung die oben dargelegten Aufgaben löst. Nach dem Lesen der vorstehenden Beschreibung ist der Fachmann dazu in der Lage, verschiedene Änderungen, Ersetzungen von Äquivalenten und verschiedenen anderen Gesichtspunkten der Erfindung, wie sie hier umfassend offenbart ist, vorzunehmen. Daher soll der hierauf gewährte Schutz nur durch die in den beigefügten Ansprüchen enthaltene Definition beschränkt sein.

Claims (20)

  1. Vorrichtung zum Liefern von Gas auf einem ersten Druck und einem zweiten Druck, mit: – einem Gaserzeugungssystem (20) mit einem Gaserzeugungssystem-Auslass; – einem Strömungsschalter und einem Strömungsratendetektor (35) in Verbindung mit dem Gaserzeugungssystem-Auslass, und dessen Auslass einen ersten Gasauslass (30) zur Ausgabe auf dem ersten Druck bildet; – einer Steuerungseinrichtung (70) in Verbindung mit dem Gaserzeugungssystem-Auslass zum Steuern des Gasflusses zu einem zweiten Gasauslass; und – einem Druckverstärker (40) in Verbindung mit dem zweiten Gasauslass zum Erhöhen des Drucks des durch das Gaserzeugungssystem erzeugten Gases zur Ausgabe auf dem zweiten Druck; dadurch gekennzeichnet, dass – die Steuerung auf Grundlage eines Signals erfolgt, das vom Strömungsschalter und Strömungsratendetektor geliefert wird.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, mit: – einem Druckregler (25) in Verbindung mit dem Gaserzeugungssystem-Auslass zum Regeln des zum ersten Gasauslass strömenden Gases auf den ersten Druck; wobei – die Steuerung über ein Magnetventil (70) verfügt, das elektrisch durch den Strömungsschalter gesteuert wird und mit dem Gaserzeugungssystem-Auslass in Verbindung steht und über einen Magnetventilauslass verfügt; – der Druckverstärker (40) in Verbindung mit dem Magnetventil steht, um den Druck des durch das Gaserzeugungssystem erzeugten Gases zur Ausgabe an einen Auslass (50) auf einem zweiten Druck anzuheben.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der der Druckregler so einstellbar ist, dass der erste Druck variiert werden kann.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, bei der der Druckregler elektronisch gesteuert wird.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der – der Gaserzeugungssystem-Auslass mit einem Niederdruckauslass (30) und einem Hochdruckauslass in Verbindung steht; – der Strömungsschalter (35) und ein Detektor in Verbindung mit dem Gaserzeugungssystem-Auslass stehen und sie so konfiguriert und ausgebildet sind, dass sie eine Gasströmungsrate durch den Niederdruckauslass erfassen; – die Steuerungseinrichtung (70) so konfiguriert und ausgebildet ist, dass sie den Gasfluss zum Hochdruckauslass auf Grundlage eines durch den Strömungsschalter gelieferten Signals steuert; und – der Druckverstärker (40) in Verbindung mit dem Hochdruckauslass steht, um den Druck des durch das Gaserzeugungssystem erzeugten Gases zur Ausgabe an einen Hochdruckbehälter anzuheben.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der – der Niederdruckauslass der erste Gasauslass ist und – der Hochdruckauslass der zweite Gasauslass ist.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 5 oder 6, ferner mit einem Druckregler (25) zum Steuern des Auslassdrucks des Gaserzeugungssystems.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 5, 6 oder 7, ferner mit einem Magnetventil (70), das elektrisch durch den Strömungsschalter gesteuert wird und mit dem Gaserzeugungssystem-Auslass in Verbindung steht und über einen Magnetventilauslass verfügt.
  9. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner mit einer Zyklustimer-Steuerungseinrichtung (60), die so arbeitet, dass sie die Zykluszeit des Druckverstärkers steuert.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der die Zeitdauer der Zykluszeit umgekehrt proportional zur Zeitdauer ist, während der sich der Strömungsschalter in einem offenen Zustand befindet.
  11. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der das Gaserzeugungssystem ein Sauerstoffkonzentrator (20) ist.
  12. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der der Sauerstoffkonzentrator ein Druckschwankungsadsorption (PSA) verwendender Sauerstoffkonzentrator ist.
  13. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der der zweite Druck bis 207 bar (3000 psi) beträgt.
  14. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der der erste Druck im Bereich von 0–5,5 bar (0–80 psi) liegt.
  15. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der der erste Druck ungefähr 0,4 bar (6 psi) beträgt.
  16. Verfahren zum Füllen eines Hochdruckbehälters mit einem Produktgas mit variabler Rate, umfassend: – Liefern von mit Sauerstoff angereichertem Gas an einen Niederdruckauslass (30) und einen Druckverstärker (40); – Erfassen der Strömungsrate von mit Sauerstoff angereichertem Gas, das zum Niederdruckauslass strömt; und – Steuern der Strömungsrate zum Druckverstärker; dadurch gekennzeichnet, dass – die Steuerung auf Grundlage der erfassten Strömungsrate zum Niederdruckauslass erfolgt.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, umfassend einen Zyklustimingvorgang für den Druckverstärker auf Grundlage der erfassten Strömungsrate zum Niederdruckauslass.
  18. Verfahren nach Anspruch 16, umfassend das Regulieren des zugeführten, mit Sauerstoff angereicherten Gases unter Verwendung eines Druckreglers (25).
  19. Verfahren nach Anspruch 18, umfassend das Umgehen des Druckreglers, um mit Sauerstoff angereichertes Gas an den Druckverstärker zu liefern.
  20. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem das mit Sauerstoff angereicherte Gas durch einen Sauerstoffkonzentrator (20) geliefert wird.
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