DE60312837T2

DE60312837T2 - Sauerstoffkonzentrator mit reduziertem geräuschpegel

Info

Publication number: DE60312837T2
Application number: DE60312837T
Authority: DE
Inventors: Norman R. Tonawanda MCCOMBS; James A. Lockport ALESSI; Robert E. Buffalo CASEY
Original assignee: Airsep Corp
Current assignee: Airsep Corp
Priority date: 2002-04-24
Filing date: 2003-04-23
Publication date: 2007-12-06
Anticipated expiration: 2023-04-24
Also published as: ES2283764T3; US6908503B2; AU2003223693A1; ATE357962T1; EP1497012A4; DE60312837D1; WO2003090903A1; US20030200865A1; EP1497012B1; EP1497012A1; JP2005523135A; JP4398736B2

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Sauerstoffkonzentrationsvorrichtung und insbesondere auf die Konzentration von Sauerstoff durch Druckschwankungsadsorption.
Hintergrund der Erfindung
Es sind bereits verschiedene Gerätebauarten bekannt, um Patienten mit Sauerstoff und sauerstoffangereicherter Luft zu versorgen, um auf diese Weise Lebensunterstützungssysteme zu betreiben oder Symptome verschiedener Arten von Krankheiten zu beseitigen, insbesondere was die Lungen anlangt. In der Vergangenheit wurde reiner Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherte Gase von Druckzylindern geliefert. Solche Zylinder sind jedoch umständlich und besitzen eine relativ kurze Lebensdauer, bevor sie wieder gefüllt oder ersetzt werden müssen. Sauerstoffkonzentrationsvorrichtungen unter Verwendung des Prinzips der Druckschwankungsadsorption wurden zur Überwindung dieser Nachteile entwickelt.
Im Allgemeinen wird das Druckschwankungsadsorptionsverfahren, wie es im Folgenden als PSA (pressure swing adsorption technique) bezeichnet wird, – dazu verwendet, um ein ausgewähltes Gas aus einer Mischung von Gasen zu konzentrieren. Die Sauerstoffkonzentrationsvorrichtung ist insbesondere eine Vorrichtung, die dazu verwendet wird, um Sauerstoff aus der Umgebungstemperatur zu konzentrieren und um die konzentrierten Sauerstoff enthaltende Mischung für medizinische oder andere Zwecke bereitzustellen, wobei ein sauerstoffreiches Gas erforderlich ist. Die allgemeine Bauart und die Betriebsprinzipien einer PSA-Vorrichtung auf die sich die vorliegende Erfindung bezieht, sind in US-A-3,564,816; US-A-3,636,679; US-A-3,717,974, US-A-3,717,974; US-A-4,802,899; US-A-5,531,807 und US-A-5,871,564 unter anderem beschrieben. Beispielsweise kann eine Druckschwankungsadsorptions vorrichtung einen oder mehrere Adsorber aufweisen, wobei jeder ein festes Siebbett aus Adsorptionsmaterial aufweist, um mindestens ein Bestandteilsgas aus der gasförmigen Mischung durch Adsorption in das Bett abzutrennen, wenn die gasförmige Mischung von einem Speisestrom sequenziell durch die Adsorber in einer Gleichstromrichtung geleitet wird. Während ein Adsorber die Adsorption ausführt, wird ein weiterer Adsorber gleichzeitig hinsichtlich seines adsorbierten Bestandteilsgases gereinigt und zwar durch einen Teil des Produktgases, das vom ersten oder dem produzierenden Adsorber begezogen wird und durch den anderen Absorber in einer Gegenstromrichtung geleitet wird. Sobald der andere Adsorber gereinigt oder gespült ist, wird der derzeitige Speisestrom zum anderen Adsorber in der Gleichstromrichtung geleitet, so dass der andere Adsorber die Adsorption ausführt. Dann wird der erste Adsorber entweder gleichzeitig gespült oder in einer anderen zeitlich gesteuerten Sequenz, wenn mehr als zwei Adsorber vorhanden sind, wobei sich all dies aus einem Studium der oben genannten Patente ergibt. Sauerstoffkonzentrationsvorrichtungen haben sich als sehr nützlich für viele medizinische und andere Anwendungen erwiesen, wobei die bekannten Konzentratoren einen Geräuschpegel erzeugen, der ihre Brauchbarkeit in vielen Umgebungen einschränkt, wie beispielsweise auf öffentlichen Plätzen oder in Anstalten der Gesundheitsbehandlung.
Zusätzlich erfordert die kompakte Größe dieser Vorrichtung, dass die inneren oder eingebauten Komponenten dicht gepackt sind in enger Nachbarschaft zueinander. Ein Beispiel eines derartigen kompakten Sauerstoffkonzentrators ist in US-A-5,871,564 beschrieben.
Obwohl die kompakte Größe der Vorrichtung einen deutlichen Vorteil verleiht, können bei der Reparatur oder Wartung Schwierigkeiten auftreten. Die Entfernung oder die Reparatur einer speziellen Komponente, selbst bei modularen Komponenten, wie in US-A-4,511,377 gezeigt macht oftmals das Entfernen von darum herum befindlichen Komponenten erforderlich, um so den Zugriff zu erhalten.
Es besteht daher ein Bedürfnis in der Technik eine kompakte und mobile Sauerstoffkonzentrationsvorrichtung mit reduziertem Geräusch vorzusehen.
Ferner wird ein Sauerstoffkonzentrator benötigt, der leicht zugängliche Komponenten besitzt, um so die Wartung und die Reparatur zu erleichtern.
Zusammenfassung der Erfindung:
Die vorliegende Erfindung sieht eine neue und verbesserte Druckschwankungsadsorptionsvorrichtung (eine PSA-Vorrichtung oder einen Sauerstoffkonzentrator) vor, die mit einem geringeren Geräuschpegel arbeitet als bekannte Sauerstoffkonzentratoren und die den Zugang zu internen oder inneren Komponenten erleichtert. Dies wird durch eine einzigartige Konfiguration der internen Komponenten erreicht, und zwar kombiniert mit einer strategischen Anordnung von Schallabtötungs- bzw. Dämpfungsmaterial. Die bekannten Sauerstoffkonzentrationsvorrichtungen arbeiten beispielsweise bei Geräuschniveaux zwischen ungefähr 48 und 54 Dezibel. Die erfindungsgemäße Sauerstoffkonzentrationsvorrichtung arbeitet auf einem signifikant niedrigeren Geräuschpegel von ungefähr 38 Dezibel und darunter. Diese Verbesserung wird erreicht durch die strategische Anordnung von Geräuschadsorptionsmaterial und durch die Neuanordnung des körperlichen Layouts der hauptsächlichen geräuscherzeugenden Komponenten in einem entfernbaren Modul innerhalb des Gesamtgehäuses oder Kabinetts der PSA-Vorrichtung. Das entfernbare Modul hat während der Wartung und Reparatur einen Vorteil, da sämtliche Hauptkomponenten auf diese Weise leicht nach Entfernung des Moduls zugänglich sind. Auch von einem Herstellungsstandpunkt aus kann die Komponentenanordnung und das diese aufnehmende Kabinett oder die Vorrichtung standardisiert werden, derart, dass Mehrfachmodelle geliefert werden können, um die Kundennachfrage durch den Ersatz verschiedener Modulanordnungen zu befriedigen.
Die Modulanordnung enthält praktisch alle geräuschverursachenden Elemente einer PSA-Vorrichtung, und zwar einschließlich des Luftströmung erzeugen den Gebläses, des Resonators und des Kompressors verwendet, um die Einlassluft zu fraktionieren, wobei Ventile die Gasströmung durch die Adsorber betten und den Ausstoßdämpfer steuern. Die Geräuschreduzierqualitäten dieser Vorrichtung werden ferner durch die Hinzufügung von mindestens einer Schicht aus geräuschabsorbierendem Material verbessert, und zwar positioniert zwischen den Außenwänden des Moduls und den benachbarten Wänden des äußeren Gehäuses und den inneren Komponenten, die nicht innerhalb des Moduls angeordnet sind. Dieses geräuschabsorbierende Material dämpft durch die Struktur hervorgehobenen Vibrationen oder Schwingungen, reduziert Strahlungsgeräusch und absorbiert auch durch die Luft kommendes Geräusch.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
Die oben genannten sowie weitere Merkmal und Vorteile der Erfindung sowie die Art und Weise wie diese zu erhaltne sind, ergibt sich für ein vollständigeres Verständnis durch die Bezugnahme auf die folgende Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen; in der Zeichnung zeigt:
1. eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen kombinierten PSA-Vorrichtung;
2 eine Vorderansicht des reduziertes Geräusch aufweisenden Sauerstoffkonzentrator, wobei die Vorderplatte der Komponentenmodulanordnung entfernt ist.
3 ist eine Rückansicht des reduziertes Geräusch erzeugenden Sauerstoffkonzentrators, wobei die Rückwand entfernt ist.
4 ist eine isometrische Ansicht der Komponentemodulanordnung und vorne und oben ohne das Schallreduziermaterial.
5a und 5b sind detaillierte Zeichnungen des auf der Gebläseanordnungsplatte angebrachten Gebläses und
6 ist eine Seitenansicht der Komponentenmodulanordnung, wobei die Seitenabdeckung entfernt ist.
Entsprechende Bezugszeichen dienen zur Angabe entsprechender Teile in sämtlichen Ansichten. Obwohl ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel veranschaulicht und beschrieben ist, soll es nicht in einer die Erfindung beschränkenden Weise ausgelegt werden.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die Zeichnungen zeigen ein erfindungsgemäßes spezielles Ausführungsbeispiel einer allgemein mit 20 bezeichneten Druckschwankungsadsorptionsvorrichtung, die zur Fraktionierung mindestens einer Komponente nämlich Stickstoff aus einer gasförmigen Mischung verwendet wird, und zwar im Allgemeinen aber nicht notwendigerweise aus Umgebungsluft, um durch Druckschwankungsadsorption ein Produkt- oder Erzeugnisgas zu erzeugen. Obwohl die Erfindung entsprechend der Beschreibung 2 Stickstoffadsorber aufweist, kann die Erfindung auch bei einer PSA-Vorrichtung verwendet werden, die einen oder mehr als zwei Adsorber verwendet.
Wie in 1 gezeigt, wird Umgebungsluft an die PSA-Vorrichtung 20 über einen gefilterten Einlass 21 und einen Einlassresonator 22 geliefert, um das Geräusch vom Einlass des Umgebungsluftspeisestroms zu vermindern. Der Speisestrom fließt vom Resonator 22 und bewegt sich von dessen Auslass 22a durch eine Speiseluftkompressor/Wärmeaustauschanordnung 24 alternativ zur ersten bzw. zweiten Adsorbern 30 bzw. 32 und zwar über Speiseventile 40 bzw. 42. Die Kompressor/Wärmetauschanordnung 24 ist als ein Kompressor 24a mit einem Lufteinlass 24c und einem Auslass 24d aufweisend dargestellt, und zwar gefolgt von dem Wärmetauscher 24b.
Umgebungsluft wird an die Vorrichtung 20 durch ein Gebläse 63 geliefert, welches dazu verwendet wird, um Luft in das Innere der Vorrichtung 20 zu ziehen, wobei ein Teil der Luft in den gefilterten Einlass 21 gezogen wird und der größte Teil der Luft durch das Innere der Vorrichtung zu Kühlung der Betriebskomponenten geleitet wird.
Wenn der Speisestrom alternativ in die Einlässe 30a, 32a der Adsorber 30, 32 in einer Gleichstromrichtung eintritt, so fraktioniert der entsprechende Adsorber den Speisestrom in die gewünschte Konzentration von Produktgas. Das Adsorptionsmaterial, welches für die Betten verwendet wird, um den Stickstoff von der Umgebungsluft zu trennen, kann ein synthetischer Ziolit oder ein anderes bekanntes Adsorbermaterial sein mit äquivalenten Eigenschaften.
Der substantielle oder brauchbare Teil des mit Sauerstoff angereicherten Produktgases erzeugt durch die Umgebungsluft die in Gleichstromrichtung sequentiell durch einen der Adsorber 30, 32 fließt wird durch den Auslass 30b, 32b und Rückschlagventil 34, 36 des entsprechenden Adsorbers zu einer Produktsammelleitung 48 geleitet, von wo aus dieser Teil an einen Mischtank geliefert wird. Vom Mischtank 56 wird das Produktgas durch einen Bakterienfilter 57 zu einem Benutzerauslass geliefert, und zwar mit einem regulierten oder geregelten Druck und einer Strömungsrate bestimmt durch eine Strömungssteuervorrichtung 59 und einen Druckregulator 58. Das Gleichgewicht des durch jeden Adsorber erzeugten Produktgases wird zeitgesteuert, um durch eine Spülzumessöffnung 50 und ein entsprechend zeitgesteuertes Ausgleichsventil 52 und ein wahlweises Strömungseinschränkelement 53 zur Strömung durch den anderen Adsorber 30 oder 32 in Gegenstromrichtung abgeleitet zu werden, und zwar von dem entsprechenden Auslass 30b, 32b und zu dem entsprechenden Einlass 30a, 32a des anderen Adsorbers, um die adsorbierten Gase in erste Linie Stickstoff zu spülen. Das Gegenstromproduktgas und die gespülten Gase werden sodann zur Atmosphäre von den Adsorbern abgegeben und zwar durch entsprechend zeitgesteuerte Ablassventile 44, 46, Rohrleitung 47 und einen Schallabsorptionsdämpfer 48.
Da die hauptsächlichen Geräuscherzeugungskomponenten das Gebläse 63, der Einlassresonator 22, die Kompressor/Wärmetauscheranordnung 24, die Einspeisung- und Ableitungsventile 40, 42, 44, 46 und der Schallabsorptionsdämpfer 48 sind, sind diese Komponenten erfindungsgemäß in einer geson derten, entfernbaren Modulanordnung 60 angeordnet, was im Folgenden beschrieben wird.
Bezugnehmend auf 2 erkennt man eine Vorderansicht des mit reduziertem Geräusch arbeitenden Sauerstoffkonzentrators 20. Die Betriebs- bzw. Arbeitskomponenten der Vorrichtung sind innerhalb eines Außengehäuses oder Kabinetts 25 eingeschlossen, wobei die Frontabdeckung desselben entfernt wurde, um die Komponentenmodulanordnung 60 zu veranschaulichen.
Angebracht an der Außenoberfläche der Modulseitenwände 61 befindet sich an beiden Seiten und der oberen Wand 69 eine Schicht aus Schallabtötungs- oder Schalldämpfungsmaterial 74. Ebenfalls in 2 ist eine Gebläseanordnungsplatte 66 gezeigt. Zusätzlich ist eine Schicht aus Schallabtötungsmaterial dargestellt, und zwar zur Anbringung an der Innenoberfläche der Rückwand 67 der (nicht gezeigten) Kabinettüberstruktur, wo die Außenoberfläche der Rückwand 67 der Modulanordnung 60 mit der Innenoberfläche der Rückwand zusammentrifft.
Wiederum unter Bezugnahme auf 2 sei bemerkt, dass die Arbeitskomponenten, die an der Vorderseite der Konzentrationsvorrichtung 20 innerhalb des Moduls 60 angebracht sind, Folgendes aufweisen:
den Einlassresonator 22, das Gebläse 63, einen Ventilblock 64, der die Einspeise- und Auslassventile 40, 42, 44, 46 bildet und einen Ablassdämpfer 48. Die Arbeitskomponenten der Rückseite des Konzentrators wie in 3 und teilweise in 2 gezeigt, umfassen das Paar von Adsorbern 30 und 32 Ausgleichsventil 52, eine Schaltungsplatte 70, die elektronische Komponenten enthält, die die Betriebssequenz der Vorrichtung 20 steuern und die Kompressoranordnung 24. Der Kompressor 24 ist an der Bodenwand 62 des Moduls 60 befestigt, und zwar mittels geeigneter Schrauben oder anderer geeigneter Befestigungsvorrichtungen.
Der Ventilblock 64, wie er in den 2 und 3 gezeigt ist, ist innerhalb des Moduls 60 angeordnet und zwar unmittelbar unterhalb und vor der Kompres soranordnung 24. Der Ventilblock 64 kann in geeigneter Weise an der Bodenwand 62 angebracht sein und zwar mittels einer Schnellfreigabebefestigungsvorrichtung wie beispielsweise Velcro^TM. Die Speiseventile 30a, 32a sind in dem Strömungspfad zwischen dem Wärmetauscher 24b und den Adsorbereinlässen 30a, 32a angebracht, und zwar durch geeignete Rohrleitungen, die bei 71 und 72 mit lösbaren Kupplungen verbunden sind, um das entfernen des Moduls 60 zu gestatten. Obwohl es nicht dargestellt ist, sind die elektrische Verbindungen vorgesehen zwischen den Betriebskomponenten innerhalb des Moduls 60 auf der einen Seite und der Leistungsquelle und Schaltungsplatte 70 auf der anderen Seite, und zwar ebenfalls hergestellt durch lösbare Sammel- oder Busverbindungen in einer aus dem Stand der Technik bekannten Art und Weise.
Unmittelbar oberhalb der Bodenwand 62 des Moduls 60 befindet sich der Einlassresonator 22. Der Einlassresonator 22 ist wie in 5 gezeigt in enger Nachbarschaft zum Gebläse 63 angeordnet, um durch den (nicht gezeigten) gefilterten Einlass 21, die den zu fraktionierenden Luftteil zu erhalten. Umgebungsluft wird ins Gehäuse 25 angesaugt, und zwar durch eine geeignete (nicht gezeigte) Belüftungsöffnung in der Rückwand 67 des Gehäuses 25.
Die obere Wand 69 der Komponentenmodulanordnung 60 besitzt eine Öffnung 65, die mit der Innengebläseplatte 66 zusammenfällt. Die Gebläseplatte 66 ist unter einem Winkel von ungefähr 20° derart angeordnet, dass das Gebläse 63 Luft von der Innenseiten des Gehäuses 25 ansaugt, und zwar in die Komponentenmodulanordnung 60, um teilweise in den Einlass 21 und der Rest über die Betriebskomponenten innerhalb des Moduls 60 geleitet zu werden, bevor der Austritt durch eine Öffnung in der Rückwand des Moduls 60 erfolgt.
Zur weiteren Verbesserung dieses Ziels sind das Gebläse und der Kompressor innerhalb der Wände des Moduls so angeordnet, dass der Geräuschpegel reduziert wird, dies wird erreicht durch das Positionieren des Kompressors, im Wesentlichen zu der Rückwand hin entgegengesetzt zu der Gebläseplatte 66.
4 veranschaulicht ferner die Öffnung 65 in der Oberseite des Moduls 60 benachbart zum Gebläse 63. 5a und 5b sind zwei Ansichten des Gebläses 63 und der Gebläseplatte 66 und veranschaulichen die Mittel und den Winkel mit dem das Gebläse 63 befestigt auf der Gebläseplatte 66 angeordnet ist. 5b veranschaulicht ferner eine Schicht aus Schallabsorptionsmaterial 75 zwischen der Gebläseanordnungsplatte 66 und dem Gebläse 63. Die Gebläseanordnungsplatte 66 ist sodann zwischen den Seitenwänden winkelmäßig auf die Öffnung in der oberen Wand hinweisend angebracht. Die Geräuschreduktionsqualitäten dieser Vorrichtungen werden weiter durch die Zufügung einer Schicht aus Schallabsorptionsmaterial 75 verbessert. Dieses Schallabsorptionsmaterial dämpft durch die Struktur entwickelte Schwingungen und reduziert das Strahlungsgeräusch. Geeignete (nicht gezeigte) Öffnungen sind in den Modulwänden vorgesehen, wie beispielsweise an der Bodenwand 62 und der Rückwand 67 der Komponentenmodulanordnung 60, wo die Zirkulationsluft, welche die enthaltenen Komponenten kühlt und das Abgas vom Dämpfer 48 die Komponentenmodulanordnung verlassen.
6 ist eine Seitenansicht der Komponentenmodulanordnung, wobei die Seitenabdeckung entfernt ist. Die Figur veranschaulicht insbesondere einen Kompressor 24, angebracht in enger Nachbarschaft zur Rückwand 67 der Komponentenmodulanordnung. Die Figur veranschaulicht auch eine Seitenansicht der Gebläseplatte 66, angebracht in enger Nachbarschaft zur Vorderwand 68 der Komponentenmodulanordnung. Geräusche, die normalerweise mit der Abgabe eines unter Druck stehenden Gasstromes zur Atmosphäre assoziiert sind, werden durch die Geräuschdämpfungsvorrichtung (silencer) 48 gedämpft.

Claims

Druckschwankungsabsorptionsvorrichtung (20) mit Betriebskomponenten zur Erzeugung einer Konzentration von Sauerstoff oder einem anderen Gas aus einer Gasmischung, wie beispielsweise Umgebungsluft, wobei die Vorrichtung ein äußeres Gehäuse (25) hat, welches die Betriebskomponenten umschließt, die einen Gebläseventilator (63), einen Einlassresonator (22), einen Gaskompressor (24), Betriebsventile (64), Mittel zur Erzeugung der Gaskonzentration (30, 32) und einen Auslassdämpfer (48) aufweisen, wobei die Vorrichtung weiter ein Komponentenmodul (60) aufweist, welches in dem Gehäuse (25) positioniert ist und seitliche, obere und untere Wände (61, 69, 62) besitzt, die zumindest den Gebläseventilator (63), den Einlassresonator (22), den Gaskompressor (24) und die Betriebsventile (64) enthalten und im Wesentlichen umschließen, wobei die Wände (61, 69, 62) eine Öffnung (65) in Strömungsmittelverbindung mit dem Gebläse (63) definieren, um die Gasmischung in das Modul (60) und teilweise in den Einlassresonator (22) zu ziehen, wobei die Wände (61, 69, 62) weiter eine Öffnung definieren, um aus dem Modul (60) und in das Gehäuse (25) den Teil der Gasmischung auszuleiten, der nicht in den Einlassresonator (22) gezogen wird, weiter Schall- und Schwingungsmittel (74) an den Modulwänden (61, 69, 62), um im Wesentlichen Schall und Schwingungen zu dämpfen, die von den Komponenten kommen, die in dem Modul (60) umschlossen sind, und Mittel (71, 72) zur entfernbaren Befestigung des Moduls (60) mit den umschlossenen Komponenten als eine Einheit in dem Gehäuse (25).
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Modul (60) weiter den Auslassdämpfer (48) umschließt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Gebläseventilator (63) an einer der Wände (61, 69, 62) befestigt ist, und wobei die Schall- und Schwingungsmittel Schwingungsabsorptionsmittel (74) zwischen dem Gebläseventilator (63) und den Wänden (61, 69, 62) des Moduls (60) aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Schall- und Schwingungsmittel (74) zumindest eine Materialschicht aus Schall absorbierendem Material aufweisen, die zumindest einen Teil einer Oberfläche von zumindest jeder der oberen, vorderen und seitlichen Wände (61, 69, 62) bedeckt.