DE68923773T2 - Gewinnung einer Gaskomponente. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Extrahieren einer Komponente aus einer Gasmischung mit Sorptionsbetten, die die Komponente adsorbieren und nach dem Adsorbieren der Komponente regeneniert werden. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf das alternierende Betreiben eines Sorptionsbettes, wobei die Komponente adsorbiert wird und ein Produktgas erzeugt wird, aus dem die Komponente extrahiert wird, während ein zweites Sorptionsbett regeneriert wird. Die Betriebs- und Regenerierungsintervalle der Sorptionsbetten werden bei der Erfindung unter Optimierung der Produktgasmenge für eine Gasmischungszufuhr kontrolliert. Die Vorrichtung kann in vorteilhafter Weise verwendet werden, wobei ein Sauerstoff angereichertes, einatmungsfähiges Gas aus Luft für die Crew eines Luftfahrzeuges hergestellt wird.
• Crewmitglieder, die ein Luftfahrzeug für mäßige bis hohe Höhe, insbesondere ein Hochleistungsmilitärluftfahrzeug, fliegen, müssen mit einer einatmungsfähigen Gasmischung versehen werden, welche eine höhere Konzentration an Sauerstoff, als aus der Umgebungsluft in der Flughöhe verfügbar ist, enthält. Traditionelle Luftfahrzeug-Einatmungssysteme verwenden an Bord des Luftfahrzeuges befindliche komprimierte Gase oder flüssige Sauerstoffzufuhr, woraus das einatmungsfähige Gas abstammt.
• In den letzten Jahren sind Sorptionstechniken verwendet worden, wobei eine einatmungsfähige Gasmischung aus Umgebungsluft hergestellt wird. Weil Luft in den betroffenen Höhen unzureichenden Sauerstoff für Crewmitglieder enthält, werden Sorptionsbetten, die vorzugsweise Stickstoff adsorbieren, verwendet, wobei die einatmungsfähige Mischung hergestellt wird. Umgebungsluft, die durch einen Luftfahrzeugmotor oder einen Hilfskompressor komprimiert wird, wird zu der Sorptionsvorrichtung geführt, wo ein Sorptionsmaterial, typischerweise ein Molekularsieb, vorzugsweise Stickstoff adsorbiert, während das Durchleiten von Sauerstoff und den anderen Luftkomponenten, in der Hauptsache Argon, ermöglicht wird. Molekularsiebsorptionsbetten können leicht ein Produktgas erzeugen, welches mehr als 94% Sauerstoff enthält. Entsprechende Molekularsiebmaterialien sind kommerziell erhältlich, wie beispielsweise Type 5A, welches von Union Carbide Corporation und Bayer AG hergestellt wird, und Typ 13X, welches auch von Union Carbide Corporation erhältlich ist. Diese Molekularsiebe sind in der Druckschwankungsadsorptionstechnologie gut bekannt.
• In der Druckschwankungsadsorptionstechnologie ist ein Sorptionsbett wirksam in bezug auf das Adsorbieren einer Komponente eines Gases, wenn eine Gasmischung unter Druck dem Bett zugeführt wird. Schließlich wird während des Betriebes des Sorptionsbettes das Bett mit der adsorbierten Komponente gefüllt, und die Adsorptionswirkung nimmt ab. Ein Sorptionsbett wird regeneriert, d.h. dessen Adsorptionswirkung wird wiederhergestellt, indem der Gasdruck freigegeben wird und das Bett üblicherweise in Umkehrflußrichtung mit etwas des Produktgases, das durch ein anderes Bett erzeugt wird, gespült wird. Der Umkehrfluß von Sauerstoff fördert die Desorption von adsorbiertem Stickstoff. Der Regenerierungsprozeß umfaßt auf diese Weise einen Schritt, bei dem auf Normaldruck umgestellt wird, und einen Spülungsschritt.
• Die Adsorptionseigenschaften eines Sorptionsbettmaterials, d.h. die Wirksamkeit der Adsorption im Verlauf der Zeit, hängt von dem Druck und der Temperatur der zugeführten Gasmischung ab. In ähnlicher Weise hängen die Desorptions- oder Regenerierungseigenschaften eines Sorptionsbettes von dem Druck innerhalb des Bettes ab. In bezug auf ein bestimmtes Sorptionsbettmaterial können diese Adsorptions- und Regenerierungseigenschaften mit Hilfe von Labormessungen bestimmt werden.
• Bei einer typischen Anwendung der Vorrichtung zum Liefern einer einatmungsfähigen Gasmischung für die Besatzung eines Luftfahrzeuges ist die Einlaßgasmischung Luft, welche unter Druck gesetzt und von einem der Luftfährzeugmotoren abgeblasen wird. Diese unter Druck gesetzte Luft wird weiterhin klimatisiert, d.h. ihre Temperatur wird reduziert und Aerosole (kleine Flüssigkeitsteilchen) und Teilchen werden für die Verwendung in den von der Crew benutzten Räumen eines Luftfahrzeuges oder in dem hier beschriebenen Generierungssystem für einatmungsfähiges Gas herausfiltriert.
• Die Menge der für die An-Bord-Sauerstoffgenerierung abgeblasenen Luft ist begrenzt. Darüber hinaus sind deren Druck und Temperatur relativ weiten Schwankungen ausgesetzt. Bei einer konventionellen Vorrichtung werden Sorptionsbetten mit einer Kapazität in Bezug auf die Anpassung der höchsten Druck - niedrigsten Temperatur - Einlaßgassituation verwendet. Während diese Betten die maximal erwartete Eilaßgasmischungsfließgeschwindigkeit bewerkstelligen können, werden die Betten während eines Großteils der Zeit nicht vollständig genutzt. Die überschüssige Kapazität bedeutet, daß diese Betten relativ groß und schwer sind, welches beides kritische Nachteile bei einer Luftfahrzeug-Anwendung sind.
• Deshalb würde es wünschenswert sein, eine Sorptionsbettvorrichtung und ein Verfahren, welches gegenüber Änderungen in Bezug auf die Einlaß- Gastemperatur und den Druck reagiert, unter Optimierung der Leistung der Sorptionsbetten zur Verfügung zu stellen. Durch Reaktion auf die Einlaßgaszustandsänderungen könnten die Größe und das Gewicht der Betten reduziert werden, während die Leistung der kleineren Betten bei der Herstellung von Produktgas aus einer begrenzten Zufuhr von Einlaßgas optimiert wird.
• Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Zuführen einer einatmungsfähigen Gasmischung zu Luftfahrzeugcrewmitgliedem aus komprimierter klimatisierter Luft mit einer kontrollierten Fließgeschwindigkeit zur Verfügung gestellt, umfassend erste und zweite Sorptionsbetten, wobei jedes Bett einen Einlaß für das Zuführen von Luft und einen Auslaß zum Entlassen von Luft aufweist, wobei diese Betten in Betriebszustand Stickstoff aus Luft adsorbieren und eine an Sauerstoff angereicherte Mischung als Produktgas liefern und im Regenerierungszustand adsorbierten Stickstoff aus diesen Betten desorbieren; eine Einlaßleitung zum Zuführen der Einiaßgasmischung zu den Einlässen der ersten und zweiten Betten; erste und zweite Einlaßventile, die zwischen der Einlaßleitung und den Einlässen der ersten und zweiten Betten verbunden sind, zum selektiven Zuführen von Luft zu den ersten und zweiten Betten; erste und zweite Lüftungsventile in der Fluidverbindung mit den ersten und zweiten Betten zum Belüften der ersten und zweiten Betten; Mittel zum Zuführen von Produktgas von einem Bett im Betriebszustand zu dem anderen Bett im Regenerierungszustand für die Spülung des anderen Bettes; erste und zweite Sensoren in der Fluidverbindung mit der Einlaßzuführung zum Abtasten des Druckes und der Temperatur der zu den ersten und zweiten Einlaßventilen zugeführten Luft; einen dritten Sensor zum Abtasten des Umgebungsdruckes in der Nähe der ersten und zweiten Betten; und Kontrollmittel, welche die Sorptionseigenschaften der ersten und zweiten Betten als Funktion des Umgebungsdruckes und der Temperatur und des Luftdrucks speichern, zum Bestimmen, als Reaktion auf die ersten, zweiten und dritten Sensoren und die Sorptionseigenschaften der ersten und zweiten Betten, der Intervalle für die Adsorption und das Spülen der ersten und zweiten Betten und für die Inbewegungsetzung der ersten und zweiten Einlaßund Lüftungsventile, so daß für jeden Zyklus der ersten und zweiten Betten die Betriebs- und Regenerierungsbedingungen der Betten in Übereinstimmung mit den festgesetzten Adsorptions- und Spülintervallen gesetzt werden, wodurch die Herstellung von Produktgas für die wahrgenommene Einlaßluft und die Umgebungsbedingungen optimiert wird.
• Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird zur Verfügung gestellt: ein Verfahren zum Optimieren der Herstellung einer Produktgasmischung in einer Druckswingvorrichtung, welche zwei regenerierbare Sorbensbetten umfaßt, aus einer Einlaßgasmischung, aus der diese Sorbensbetten eine Komponente unter Herstellung der Produktgasmischung extrahieren, umfassend Extrahieren einer Komponente aus einer unter Druck gesetzten, klimatisierten Einlaßgasmischung, welche mit einer kontrollierten Geschwindigkeit fließt, durch Durchführen dieser durch ein erstes Sorbensbett während eines Adsorptionsintervalles, wobei eine Produktgasmischung erzeugt wird; Regenerieren eines zweiten Sorbensbettes während des Adsorptionsintervalles des ersten Sorbensbettes, umfassend Durchführen einer Menge des Produktgases von dem ersten Sorbensbett durch das zweite Sorbensbett in Umkehrrichtung während eines Spülintervalles, während das zweite Sorbensbett mit Umgebungsluft belüftet wird; Wechseln der ersten und zweiten Betten zwischen den Adsorptions- und Regenerierungsvorgängen; Abtasten des Umgebungsdruckes und der Temperatur und des Druckes der unter Druck gesetzten Einlaßgasmischung; Bestimmen der Länge der Adsorptions- und Spülintervalle, die die Herstellung des Produktgases optimieren, aus dem abgetasteten Umgebungsdruck und der Temperatur und dem Druck der unter Druck gesetzten Einlaßgasmischung und aus den Sorptionseigenschaften der Sorbensbetten; und Festsetzen der Adsorptions- und Spülintervalle der ersten und zweiten Sorptionsbetten auf die entsprechenden festgesetzten Intervalle, die die Herstellung von Produktgas optimieren.
• Figur 1 ist eine schematische Darstellung einer Gaskomponentenextraktionsvorrichtung gemäß einer Ausfühmngsform der Erfindung.
• Figur 2 ist ein schematisches Elektrodiagramm einer Kontrolleinheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
• Figur 3 ist eine Ventilsequenzkarte gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
• Figur 4 ist ein Blockdiagramm, welches eine besondere Anwendung der Erfindung veranschaulicht.
• Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen beschrieben. In allen Figuren werden ähnliche Elemente mit den gleichen Bezugsnummern bezeichnet. Die vorhergehende und nachfolgende Beschreibung betont die Verwendung der Erfindung in einem Luftfahrzeug für die Herstellung einer an Sauerstoff angereicherten, einatmungsfähigen Gasmischung. Jedoch ist die Erfindung nicht auf diese Ausfühmngsform begrenzt und kann bei anderen Anwendungen, wie beispielsweise Trocknen des Sorptionsbettes, verwendet werden.
• Unter Bezugnahme auf Figur 1 ist eine Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der Erfindung in einer schematischen Form als Blockdiagramm dargestellt. Jene Vorrichtung umfaßt eine Einlaßzufühmng 1, durch die eine unter Druck gesetzte Einlaßgasmischung der Vorrichtung zugeführt wird. Diese Mischung kann aus einem Luftfahrzeugmotor abgeblasene Luft sein. Wenn sie Wasserdampf und andere Verunreinigungen enthält, wird die Abblasluft durch Trocknen, Filtern und/oder andere Schritte aufbereitet, bevor sie der Zuführung 1 zugeführt wird. Der Druck und die Temperatur des durch die Zuführung 1 zur Verfügung gestellten Gases werden mit Hilfe eines Drucksensors 2 und Temperatursensors 3 abgetastet. Diese Sensoren sind von konventioneller Konstruktion und erzeugen elektrische Analogsignale als Anzeigen des Druckes und der Temperatur der Gasmischung. Der Drucksensor 2 ist ein Halbleiterdrucksensor von der Art eines konventionellen Dehnungsmessgerätes. Der Temperatursensor 3 kann ein Widerstandstemperaturdetektor (RTD) sein.
• Die Zuführung 1 teilt sich in zwei identische Arme. In einem von ihnen kontrolliert ein Einlaßventil 4, vorzugsweise ein pneumatisch gesteuertes, magnetisch betriebenes Diaphragmaventil, den Fluß des Einiaßgases zu einem Einlaß 5 eines Sorptionsbettes 6. Ein Lüftungsventil 7 ist auch mit dem Einlaß 5 des Sorptionsbettes 6 zum Belüften des Bettes während des Regenerierungsverfahrens verbunden. Das Ventil 7 ist auch vorzugsweise ein pneumatisch geführtes, magnetisch betriebenes Diaphragmaventil. Während des Adsorptionsbetriebes des Bettes 6 ist das Ventil 4 offen, und das Ventil 7 ist geschlossen. Einlaßgas fließt in das Bett 6 durch den Einlaß 5, und Produktgas fließt durch einen Auslaß 8 heraus. Der Auslaß 8 ist durch ein Rückschlagventil 9 mit einem Reservetank 12 verbunden, welcher ein Volumen des Produktgases enthält. Das Rückschlagventil 9 ermöglicht, das Gas von dem Bett 6 zum Tank 12 fließt, aber verhindert Rückflüsse in das Bett 6 durch den Auslaß 8. Eine Umieitung 10, welche ein den Fluß beschränkendes Element wie beispielsweise eine Öffnung enthält, ist pneumatisch parallel mit dem Rückschlagventil 9 verbunden. Die Umieitung 10 ermöglicht einen eingeschränkten Fluß des Produktgases in das Sorptionsbett und daraus hinaus durch den Auslaß 8 und wird bei der Regenerierung des Bettes 6, wie im nachfolgenden beschrieben, verwendet.
• Die Anordnung des Sorptionsbettes in der unteren Hälfte der Figur 1 ist identisch zu derjenigen in der oberen Hälfte. Ähnliche Elemente werden durch ähnliche, um 10 erhöhte Bezugszeichen identifiziert. Ein Einlaßventil 14 liefert selektiv die Einlaßgasmischung zu dem Einlaß 15 des Sorptionsbettes 16. Ein mit dem Einlaß 15 verbundenes Lüftungsventil 17 wird bei der Regenerierung des Bettes 16 verwendet. Das Bett 16 umfaßt einen mit einem Rückschlagventil 19 verbundenen Auslaß 18. Das durch das Sorptionsbett 16 erzeugte Produktgas wird durch das Rückschlagventil 19 dem Tank 12 zugeführt. Eine Umleitung 20, welche ein den Fluß beschränkendes Element enthält, ist pneumatisch parallel mit dem Rückschlagventil 19 verbunden, wodurch ein Rückfluß des Produktgases zu dem Sorptionsbett 16 ermöglicht wird, während das Bett regeneriert wird. Der Tank 12 funktioniert als Reservoir und glättet auch Druckwellen des Produktgases, die beispielsweise dann erzeugt werden können, wenn ein Bett aus der zu regenerierenden Adsorptionsvorrichtung herausgenommen wird. Der Tank 12 umfaßt eine Auslaßleitung zum Transportieren des Produktgases zu anderen Vorrichtungen wie beispielsweise Regulatoren und/oder Atmungsmasken für Luftfahrzeugbesatzungsmitglieder.
• Die Anordnung der Figur 1 ist stark schematisch und so dargestellt, daß sie dem Verständnis der Erfindung dient. Die Sorptionsbetten 6 und 16 müssen weder geometrisch identisch noch mit Zwischenraum angeordnet sein. Beispielsweise könnten diese Betten konzentrisch in getrennten, benachbarten Kammern, wie in EP-A1-0 225 736 beschrieben, angeordnet sein.
• Neben den Sensoren und Ventilen für das Einlaß- und Produktgas ist ein Drucksensor 21 zum Messen des Umgebungsdruckes vorgesehen. Wie der Sensor 2 ist der Drucksensor 21 vorzugsweise ein Halbleiterdrucksensor von der Art eines konventionellen Dehnungsmeßgerätes.
• Die Vorrichtung der Figur 1 umfaßt eine Kontrolleinheit 22, die in elektrischer Verbindung mit den Sensoren 2, 3 und 21 wie auch mit den Solenoiden (Magneten) steht, die die Ventile 4, 7, 14 und 17 betreiben. (Die gestrichelten Linien der Fig. 1 zeigen elektrische Verbindungen, während die festen Linien Fluidverbindungen anzeigen.) Die Kontrolleinheit 22 empfängt die elektrischen Signale von den Sensoren und verwendet sie bei Berechnungen zum Kontrollieren der Adsorptions- und Regenerierungsvorgänge der Sorptionsbettvorrichtung. Die Kontrolleinheit 22 reagiert durch Inbewegungsetzen der Ventile 4, 7, 14 und 17, Öffnen oder Schließen dieser im Laufe eines Gaskomponenten-Extraktionsverfahrens.
• Die Betten 6 und 16 wirken in einem Zyklus von variabler Dauer zusammen. Während eines Teils des Zyklus ist Bett 6 in Betrieb, adsorbiert eine Gaskomponente und erzeugt Produktgas. Während eines anderen Teils des Zyklus adsorbiert Bett 16 und erzeugt Produktgas. Das bedeutet, daß während eines Teils des Zyklus ein Bett in Betrieb ist und daß während dieses Teils des Zyklus das andere Bett nicht in Betrieb ist. Während eines Teils der Zeit, in der ein Bett außer Betrieb ist, wird es durch auf Normaldruck bringen, d.h. Aussetzen auf Umgebungsdruck, regeneriert, und man läßt Produktgas dadurch strömen, indem man es durch das Bett in umgekehrter Richtung, d.h. in den Auslaß und durch ein geöffnetes Lüftungsventil heraus fließen läßt. Der Rückwärtsfluß des Produktgases fördert die Desorption der adsorbierten Gaskomponente durch das Bett, wodurch der Regenerierungsprozeß beendet wird. Die Regenerierung eines Off-Line-Bettes kann sofort nach Außerbetriebnahme eines Bettes beginnen oder kann um ein Intervall verzögert werden, nachdem das Einlaßventil zu dem Bett geschlossen worden ist. Die Zyklusdauer, die variablen Adsorptionsintervalle der Betten, die variablen Regenerierungsintervalle und die Wahl der richtigen Zeitpunkte werden festgelegt und durch die Kontrolleinheit 22 als Reaktion auf die wahrgenommenen Daten und gespeicherten Daten bezüglich der Adsorptions- und Regenerierungseigenschaften durchgeführt.
• Zu einem Zeitpunkt während des Betriebes kann das Bett 6 adsorbieren. Das Ventil 4 ist offen, und das Ventil 7 ist geschlossen, so daß eine Einlaßgasmischung dem Bett 6 zugeführt wird, wo eine Komponente der Gasmischung adsorbiert wird. Das Produktgas fließt durch das Check- Ventil 9 zum Tank 12. Am Ende des durch die Kontrolleinheit 22 festgelegten Adsorptionsintervalles des Bettes 6 wird das Ventil 4 geschlossen. Anschließend wird das Ventil 7 für die Belüftung, d.h. für das auf Normaldruck bringen des Bettes 6, geöffnet. Bett 6 erreicht einen Druck, welcher im wesentlichen dem Normaldruck entspricht. Dieser Druck kann unter Atmosphärendruck sein, wenn Ventil 7 bei einer hohen Höhe belüftet wird. Etwa zu dem gleichen Zeitpunkt, zu dem Bett 6 außer Betrieb genommen wird, wird Bett 16 durch Öffnen des Ventils 14 in Betrieb genommen und beginnt eine Komponente der Einlaßgasmischung zu adsorbieren. Das Produktgasbett 16 erzeugt durch das Check-Ventil 19 Flüsse zum Tank 12. Nach auf Normaldruck bringen des Bettes 6 fließt etwas des Produktgases durch die Umleitung 10 und durch das Bett 6 in umgekehrter Richtung zum Fluß während der Adsorption und heraus aus dem offenen Ventil 7. Der Umkehrfluß des Reinigungsgases tritt wegen des hohen Druckes des Produktgases im Vergleich zum Umgebungsdruck neben dem offenen Ventil 7 auf. Das fließende Produktgas reinigt vom Bett 6 adsorbiertes Gas. Somit umfaßt der Regenerierungsprozeß eine Stufe für das auf Normaldruck bringen, gefolgt von einer Reinigungsstufe. Nach Beendigung der Reinigungsstufe wird das Ventil 7 geschlossen. Falls das Bett 16 fortfährt, Produktgas zu erzeugen, bevor Bett 6 wieder in Betrieb gebracht wird, setzt dieses Produktgas Bett 6 durch die Umleitung 10 unter inneren Überdruck. Schließlich wird Bett 16 aus der Adsorptionsvorrichtung für die Regenerierung herausgenommen, indem das Ventil 14 geschlossen wird und das Bett 6 zurück auf Adsorptionsbetriebsweise durch Öffnen des Ventils 4 gebracht wird. Alle diese Handlungen in einem Zyklus werden durch die Kontrolleinheit 22 durchgeführt.
• Neben dem Empfangen der Sensorsignale speichert die Kontrolleinheit 22 auch die charakteristischen Eigenschaften des in den Sorptionsbetten 6 und 16 verwendeten Sorbensmaterials. Die Kontrolleinheit 22 umfaßt ein Berechnungspotential für das Vorhersagen der Leistung der Sorbensbetten während der Adsorption einer Komponente aus einer Gasmischung unter Druck und für das Vorhersagen des Regenerierungsgrades der Betten, wenn diese auf Normaldruck umgestellt und gespült werden. Diese Berechnungen werden basierend auf der zu der Kontrolleinheit 22 durch die Sensoren 2, 3 und 21 und die gespeicherten Eigenschaften des Sorptionsbettes gelieferten Information durchgeführt. Am bevorzugtesten umfaßt die Kontrolleinheit 22 einen Mikroprozessor und verbundene programmierbare Nur-Lese-Speicher.
• In Fig. 2 ist eine Anordnung aus einem Mikroprozessor 41, in Verbindung gebrachten Sensoren 2, 3 und 21, einer Frequenzkontrolle 43, Speichern 45 und 47 und Ventilen 4, 7, 14 und 17 mit in Verbindung gebrachten Puffern und pneumatischen Kontrollen 49 bis 56 schematisch dargestellt. Der Mikroprozessor 41 kann ein konventioneller; kommerziell erhältlicher Mikroprozessor wie beispielsweise ein Intel 8097 sein. Dieser Typ von Mikroprozessor ist besonders vorteilhaft, weil er einen Achtkanalmultiplexer und einen aufeinanderfolgenden Annäherungs-Analog-Zu- Digital-Umwandler umfaßt, so daß die durch die verschiedenen Sensoren gelieferten Mehrfachanalogsignale leicht in ein Digitalformat umgewandelt werden. Daneben linearisiert der Mikroprozessor 41 die Reaktion der Sensoren. Die Taktfolge des Mikroprozessors wird durch eine als ein Kristall 43 dargestellte externe Frequenzkontrolle zum Kontrollieren der Frequenz des Grundoszillators innerhalb des Mikroprozessors kontrolliert. Der Speicher 45 ist ein programmierbarer Nur-Lese-Speicher (EPROM) zum Speichern des durch den Mikroprozessor 41 durchgeführten Programms. Die Adsorptions- und Regenerierungseigenschaften des Sorptionsbettmaterials als Funktion des Umgebungsdruckes und des Druckes und der Temperatur der Einlaßgasmischung werden in dem Speicher 45 für die Verwendung bei den durch den Mikroprozessor 41 durchgeführten Ventilkontrollberechnungen gespeichert. Der Speicher 47 ist ein statischer Random(Access)-Speicher; welcher einen elektrisch löschbaren, programmierbaren Nur-Lese-Speicher (RAM/EEPROM) umfaßt, in dem Kalibrierungsdaten für die Sensoren und Fehlercodeinformation gespeichert werden. Der Speicher 47 stellt auch einen Scratch-Pad für Berechnungen zur Verfügung.
• Als Ergebnis der durch den Mikroprozessor 41 durchgeführten Berechnungen unter Verwendung von gespeicherter und wahrgenommener Information werden die Ventile 4, 7, 14 und 17 unter Durchführung des gewünschten Produktgasherstellungsverfahren betätigt. Diese Ventile verwenden typischerweise Solenoide (Magneten), die Luft zu einem Diaphragma unter Betätigung des Ventils einlassen. Wie in der Fig. 2 dargestellt, werden durch den Mikroprozessor 41 erzeugte Output-Signale zu Trennverstärkern 49, 50, 51 und 52 und anschließend zu den Zylinderspulen 53, 54, 55 und 56 geleitet. Diese Solenoide lassen unter Druck gesetzte Luft unter Betätigung der Ventile 4, 7, 14 und 17 mit bevorzugter Konstruktion ein. Zusätzlich umfaßt der Mikroprozessor 41 ein eingebautes Testprogramm zum Bestimmen des richtigen Betriebes der Elektronik zu jedem Zeitpunkt, zu dem Strom dem Mikroprozessor zugeführt wird, und zum periodischen Überwachen des Zustandes der Sensoren. Wenn beispielsweise ein Sensor ein Signal erzeugt, welches außerhalb eines vernünftigen Bereiches liegt, wird angenommen, daß der Sensor versagt hat. Der Mikroprozessor ignoriert anschließend das Sensorsignal und verwendet als Ersatz einen äußerst schlechten, extremen Wert als Sensorsignal. Diese Reaktion gewährleistet eine fortgesetzte Herstellung von Produktgas, aber mit einer verminderten Wirksamkeit. Bei Aufdecken eines katastrophalen Fehlers gibt das Programm einen zuvor festgesetzten Zustand für die Ventile vor. In jedem Fall wird ein Meldesignal erzeugt und zu einer Anzeige 57 als Warnung bezüglich des Vorhandenseins eines Fehlers und möglicherweise dessen Schwere geleitet. Die Warnung 57 kann ein Licht sein, welches bei Auftreten eines Versagens aufleuchtet. Daneben wird ein Fehlercode in einem Permanentspeicher in Bezug auf die nachfolgende Identifizierung der Fehlerquelle gespeichert. Im zuletzt genannten Fall offenbart der Fehlercode während der regelmäßigen Wartung der Vorrichtung die Abnormalität, die aufgetreten ist, so daß entsprechende Wartungsmaßnahmen durchgeführt werden können. Vorzugsweise liefert ein katastrophaler Fehler eine sofortige Warnung, so daß etwas unternommen werden kann. Bei einem Luftfahrzeug kann die erforderliche Maßnahme in einem Schalten auf einen Hilfsvorrat an einatmungsfähiger Luft oder einem Abstieg auf eine Höhe, in der der Sauerstoffgehalt der Umgebungsluft akzeptabel ist, bestehen.
• Fig. 3 ist ein Flußdiagramm, welches eine Ventilbetriebsfolge anzeigt, die aus den Stufen 60 bis 75 besteht. Ein Adsorptionsverfahren für ein erstes Bett beginnt bei der Stufe 60, wo das Einlaßventil offen ist, und endet bei der Stufe 66, wo das Einlaßventil geschlossen ist. Zwischen diesen Stufen gibt es eine variable Längenverzögerung 100 bei der Stufe 61, nach der der Regenerierungsprozeß für das zweite Bett mit dem Öffnen von dessen Belüftungsventil in Stufe 62 beginnt. Das Ventil bleibt während eines Spülintervalles 63 offen und wird in Stufe 64 geschlossen. Während dieses Spülintervalles fährt das erste Bett damit fort, eine Gaskomponente zu adsorbieren. Die Adsorption dauert bis zum Ablauf des Verzögerungsintervalles der Stufe 65, närnlich dem Gesamtadsorptionsintervall minus der Summe aus dem Spülintervall und der Anfangsverzögerung der Stufe 61, an. Eine weitere Verzögerung 200 findet zwischen den Adsorptionsvorgängen der ersten und zweiten Betten in der Stufe 67 statt.
• Bestimmte der Verzögerungen sind in Fig. 3 im Hinblick auf ihre Identifizierung numeriert, aber diese Identifizierungsnummern geben nicht die Dauer der Verzögerungen an. Tatsächlich sind gemäß der vorliegenden Erfindung alle Verzögerungen in Bezug auf die Dauer variabel, und die Dauer wird durch die im nachfolgenden beschriebene Kontrolleinheit 22 unter Optimierung der Leistung festgelegt.
• Nach Beendigung einer variablen Längenverzögerung 200 in Stufe 67 wird die Reihenfolge der Stufen 60 bis 66 als Stufen 68 bis 74 wiederholt, wobei aber die ersten und zweiten Betten vertauscht sind. Danach kehrt bei einer Stufe 75 nach einer Verzögerung, die der Verzögerung der Stufe 67 entspricht, die Reihenfolge zur Stufe 60 zurück und wird wiederholt. Bei diesem bevorzugten Ventilreihenfolgenbetrieb können berechnete Änderungen bezüglich der optimalen Adsorptions- und Spülintervalle, die auf der auf den neuesten Stand gebrachten Information in Bezug auf den Druck und die Temperatur der Einlaßgasmischung beruhen, am Ende jedes Verzögerungsintervalles erfüllt werden. Das bedeutet, daß am Anfang und Ende der verschiedenen Schritte die Kontrolleinheit 22 Einstellungen bei der Wahl des richtigen Zeitpunktes der Ventilreihenfolge machen kann, wodurch eine optimale Herstellung von Produktgas in dem Adsorptions-/Regenerierungszyklus gewährleistet wird. Es können andere Ventilreihenfolgen verwendet werden. Während beispielsweise die Fig. 3 Adsorptionsintervalle in regelmäßiger Reihenfolge für die getrennten Betten zeigt, könnten in einigen Fällen die Adsorptionsintervalle im Laufe der Zeit überlappen. In diesem Fall würde beispielsweise die Verzögerung 200 in der Fließkarte der Fig. 3 negativ sein.
• Der Betrieb der Ventile unter Kontrolle der Einheit 22 gewährleistet, daß die optimale Menge an Produktgas erzeugt wird, wenn das Einlaßgas relativ weiten Ausschlägen der Temperatur und des Druckes ausgesetzt ist, und wenn dessen Menge begrenzt ist. Beispielsweise kann bei der Anwendung in einem Luftfahrzeug die nominale Durchschnittsmenge von als Abblasgas von einem Motor erhältlicher komprimierter Luft auf 0,68 kg/min (1,5 Ibs/min) begrenzt sein. Es ist deshalb von wesentlicher Bedeutung, daß eine optimale Menge einer einatmungsfähigen Gasmischung aus einer begrenzten Menge stark variabler Quelle hergestellt wird. Dieses Ergebnis wird bei der Erfindung durch Kontrollieren und Ändern der Adsorptions- und Reinigungsintervalle als Reaktion auf die Änderungen des Umgebungsdruckes und des Druckes und der Temperatur der Einlaßgasmischung erreicht.
• Bei verschiedenen Anwendungen der Erfindung können unterschiedliche Tests für die Bestimmung der Adsorptions- und Spülintervalle in Abhängigkeit von dem Betriebsmodus verwendet werden. Zwei Beispiele von Betriebsmodi, beide für die Herstellung von einatmungsfähiger Luft für Luftfahrzeugmitglieder, sind im nachfolgenden beschrieben. In dem ersten Beispiel wird angenommen, daß das Produktgas, welches aus den Sorptionsbetten fließt, direkt den Crewmitgliedern ohne Verdünnung zugeführt wird. Um den Anforderungen der Besatzungsmitglieder zu entsprechen, muß das Produktgas mindestens einen festgesetzten Sauerstoffgehalt enthalten und mit einer festgesetzten minimalen Fließgeschwindigkeit geliefert werden. Der Sauerstoffgehalt wird in Bezug auf den Sauerstoffpartialdruck ausgedrückt, welcher beispielsweise 26,66 kPa (200 mmHg) betragen kann, und eine typische minimale Fließgeschwindigkeit kann 100 Standardliter pro Minute (slpm) betragen. Für die Auswahl der zu jeder bestimmten Zeit zu verwendenden entsprechenden Adsorptions- und Spülintervalle werden die Zeitintervalle t&sub0;, t&sub1;, t&sub2;, t&sub4; und t&sub5; wiederholt mit Hilfe der Kontrolleinheit als Reaktion auf die wiederholten Messungen des Umgebungsdruckes und der Bedingungen des Einlaßgases berechnet. Das Zeitintervall t&sub3; wird auch für die Bestimmung der entsprechenden Adsorptions- und Spülintervalle verwendet.
• t&sub0; ist das Minimum-Adsorptions-Intervall. Bei jedem Zyklus der Vorrichtung wird eine bestimmte Menge des Einlaßgases verschwendet, d.h. nichts davon wird Produktgas. Wenn beispielsweise ein Bett in Off-Line- Betrieb genommen wird, enthält es eine Menge Einlaßgas. Wenn das Bett belüftet wird, fließt das Einlaßgas heraus, ohne daß Produktgas hergestellt worden ist. Eine kurzere Zykluszeit bedeutet häufigeren Ventilbetrieb, einschließlich Belüften, und größeren Verlust, d.h. nicht benutztes Einlaßgas. Das bedeutet, mehr Gas wird sowohl für die Herstellung von Produktgas wie auch als Abfall verbraucht, wenn die Zykluszeit verkürzt wird. Wenn die Menge an Einlaßgas pro Zeiteinheit begrenzt ist, wird bei einem bestimmten Adsorptionsintervall, t&sub0;, das gesamte Einlaßgas, das der Extraktionsvorrichtung zugewiesen wird, verbraucht. Deshalb kann das Adsorptionsintervall, d.h. die Dauer des Adsorptionsbetriebes durch jedes Bett in einem Zyklus, nicht kürzer als t&sub0; sein.
• t&sub1; ist das Spülintervall, das für die Spülung eines Bettes mit einer Menge Produktgas erforderlich ist, die die minimale Spülmenge übersteigt, die für eine wirksame Regenerierung durch eine zuvor festgelegte überschüssige Menge benötigt wird, d.h. 20% plus der für den Betrieb der Ventile benötigten Zeit. t' £ legt das minimale Zeitintervall für die Adsorption durch ein Bett fest, während ein anderes Bett mit dem festgesetzten Überschuß über der minimalen Menge Produktgas, welche für eine wirksame Regenerierung notwendig ist, gespült wird. Die Regenerierungswirksamkeit hängt von der Druckschwankung der Betten, hier dem Unterschied zwischen dem Einlaßgasdruck und dem Umgebungsdruck, und der Menge fließenden Spülgases ab. Die Spülgasfließgeschwindigkeit ist eine Funktion des Einlaßdruckes. Somit bestimmt das Spülintervall die Menge des fließenden Spülgases. Die Kontrolleinheit 22 kann das Spülintervall unter Berücksichtigung der benötigten Menge Spülgas, die ein Bett mit einem bestimmten Grad an Adsorptionsleistung wiederherstellt, aus den gespeicherten Betteigenschaften und wahrgenommenen Drücken berechnen. Der hier verwendete Ausdruck "wirksame Regenerierung" bezieht sich auf die Spülung, die gerade ausreichend ist, um ein Bett mit dem festgesetzten Grad an Adsorptionsleistung wiederherzustellen.
• t&sub2; ist das Adsorptionsintervall, das eine ausreichende Menge Produktgas für die Spülung des Off-Line-Regenerierungsbettes mit einer festgesetzten überschüssigen Menge Produktgas erzeugt, d.h. die 1,2fache minimale Menge von Produktgas, die für eine wirksame Regenerierung benötigt wird, und gleichzeitig Produktgas erzeugt, welches einen festgelegten Minimumpartialdruck einer gewünschten Komponente bei einer bestimmten minimalen Fließgeschwindigkeit enthält. t&sub2; legt einen ersten oberen Grenzwert für das Adsorptionsintervall fest.
• t&sub3; ist das erlaubte Minimum-Adsorptionsintervall. Das erlaubte minimale Adsorptionsintervall wird für eine bestimmte Vorrichtungskonfiguration festgelegt und kann beispielsweise etwa 3 Sekunden betragen. Unterschiedliche Werte von t&sub3; beziehen sich auf unterschiedliche Vorrichtungskonfigurationen.
• t&sub4; ist das Intervall, welches für die Spülung eines Regenerierungsbettes mit der minimalen Menge Produktgas für die wirksame Regenerierung erforderlich ist, plus der für den Betrieb der Ventile benötigten Zeit. t&sub4; ist ähnlich zu t&sub1;, jedoch mit der Ausnahme, daß für die Berechnung von t&sub4; eher die minimale Menge Produktgas für eine wirksame Regenerierung angenommen wird als die überschüssige, die für die Berechnung von t&sub1; angenommen wird.
• t&sub5; ist das Adsorptionsintervall, das eine ausreichende Menge Produktgas für die Reinigung des Off-Line-Regenerierungsbettes mit der minimalen Menge Produktgas, die für eine wirksame Regenerierung erforderlich ist, erzeugt und gleichzeitig Produktgas bei dem festgesetzten minimalen Partialdruck einer gewünschten Komponente bei der festgesetzten minimalen Fließgeschwindigkeit erzeugt. t&sub5; setzt einen zweiten oberen Grenzwert für das Adsorptionsintervall fest.
• Die Zeitintervalle t&sub0;, t&sub1;, t&sub2;, t&sub4; und t&sub5; werden in der Kontrolleinheit 22 berechnet, indem die gespeicherten Sorbensbettmaterialeigenschaften, welche eine Funktion des Umgebungsdruckes und der Temperatur und des Druckes des Einlaßgases sind, zurückgeholt werden. Diese charakteristischen Eigenschaften lassen eine Vorhersage bezüglich der Menge und Qualität des Produktgases, welches für verschiedene Umgebungsdrücke und Einlaßgasbedingungen hergestellt wird, unter Berücksichtigung der Geometrie und der Größe der verwendeten bestimmten Sorbensbetten zu. Diese charakteristischen Merkmale ermöglichen die Berechnung der Zeitintervalle t&sub0;, t&sub1;, t&sub2;, t&sub4; und t&sub5; unter Berücksichtigung der abnehmenden Wirkung des Sorbensmaterials bei Durchführung des Adsorptionsverfahrens und der Wirksamkeit des Regenerierungsverfahrens. Somit kann die Länge des Adsorptionsintervalles basierend auf einer Berechnung, die das Intervall verkürzt oder verlängert, so daß die optimale Menge von Produktgas mit geeigneter Qualität erhalten wird, ausgewählt werden. Bei der Erfindung legt die Kontrolleinheit 22 automatisch und wiederholt die Adsorptions- und Spülintervalle basierend auf jedem Satz von berechneten Werten für t&sub0;, t&sub1;, t&sub2;, t&sub4; und t&sub5; und t&sub3; fest, wodurch die Produktgasherstellung optimiert wird. Bei den Bestimmungen werden t&sub4; und t&sub5; bei extremen Betriebsbedingungen (d.h. niedriger Einlaßgasdruck, hohe Einlaßgastemperatur, hoher Umgebungsdruck) verwendet, wo die Schwierigkeit für das Erhalten der gewünschten Leistung am größten ist.
• Die Wahl des Adsorptionsintervalles wird basierend auf dem berechneten Wert von t&sub2;, dem maximalen Adsorptionsintervall, wenn eine ausgedehnte Spülung während der Regenerierung durchgeführt werden kann, gemacht. Diese Wahl ist wünschenswert für den Erhalt überlegener Adsorptionswirkung. Das Intervall t&sub2; wird, wie zuvor beschrieben, basierend auf den charakteristischen Eigenschaften der Einlaßgaszuführung zu der Vorrichtung für die Extraktion einer Komponente berechnet. Wenn der Wert t&sub2; größer als oder gleich dem maximalen Wert von t&sub0;, t&sub1; und t&sub3; ist, dann liefert ein Adsorptionsintervall dieser Länge einen Betriebszyklus, und t&sub2; wird als Adsorptionsintervall gewählt. Diese Wahl bedeutet, daß ein Bett eine Komponente aus dem Einlaßgas adsorbieren kann, während ein anderes Bett das gesamte Regenerierungsverfahren einschließlich Spülen mit einer überschüssigen Menge von Produktgas beendet. In diesem Fall wird der Spülungsteil des Regenerierungsverfahrens gleich t&sub1; minus den Ventilöffnungs- und -schließzeiten gesetzt. Wenn t&sub2; nicht größer als oder gleich dem maximalen Wert von t&sub0;, t&sub1; und t&sub3; ist, dann legt die Kontrolleinheit als Adsorptionsintervall den maximalen Wert von t&sub3;, t&sub4; und t&sub5; fest. Diese Auswahl ermöglicht, daß das Adsorptionsintervall mindestens gleich dem minimal erlaubten Intervall ist, und setzt, falls möglich, das Adsorptionsintervall so fest, daß es das Spülungsintervall überschreitet, wenn die minimale Menge Produktgas für eine wirksame Regenerierung bei der Spülung verwendet wird. In diesem Fall wird das Spülungsintervall gleich t&sub4; minus der Ventilöffnungs- und -schließzeit gesetzt.
• Das vorhergehende Beispiel betrifft bei der Anwendung für die Crew eines Luftfahrzeuges das direkte Zuführen eines einatmungsfähigen Gases zu den Besatzungsmitgliedern. Wenn die Einlaßgaszuführung und -bedingungen die Herstellung einer überschüssigen Menge Produktgas ermögliche, kann das überschüssige Produktgas für die spätere Verwendung in einem Reservoir gespeichert werden, während der Rest des gegenwärtig erzeugten Produktgases den Besatzungsmitgliedern zugeführt wird. Ob das Produktgas gelagert werden kann, hängt auch von dessen Druck, dem Druck des schon in dem Reservoir gespeicherten Gases und der Qualität des Produktgases ab. Bei diesem Beispiel wird üblicherweise ein Verdünnungsregulator verwendet, der das Produktgas verdünnt, so daß eine Gasmischung mit der gewünschten Konzentration die Crewmitglieder erreicht.
• Bei diesem zweiten Beispiel werden die Intervalle t&sub0; bis t&sub6; anfänglich berechnet. Die Intervalle t&sub0;, t&sub1;, t&sub3; und t&sub4; haben die gleichen Definitionen wie die entsprechenden Intervalle in dem ersten Beispiel. Die Intervalle t&sub1; und t&sub4; werden auf die gleiche Weise wie die zuvor beschriebenen entsprechenden Male für das erste Beispiel berechnet. Bei diesem Beispiel, bei dem das Produktgas ein Reservoir füllen kann und unter Herstellung einer einatmungsfähigen Gasmischung verdünnt wird, unterscheidet sich die Zeit t&sub2; von derjenigen des vorhergehenden Beispiels. Bei diesem zweiten Beispiel werden die benötigte minimale Fließrate zu dem Verdünnungsregler mit einer angenommenen Minimumqualität, d.h. 93% Sauerstoffgehalt, und zu dem Reservoir festgelegt. Die gewünschten Flüsse werden für die Berechnung eines Intervalls t&sub2; verwendet, welches ein Adsorptionsintervall ist, das den gewünschten Fluß unter der Annahme erzeugt, daß ein überschüssiges Volumen Produktgas bei der Spülung von Regenerierungsbetten verwendet wird. Bei einem bestimmten Beispiel werden 120% der minimalen Menge von Produktgas, welche für eine wirksame Regenerierung eines Bettes erforderlich ist, für die Spülung eines Regenerierungsbettes verwendet. Der berechnete Wert t&sub2; ist somit das maximale Adsorptionsintervall für ein einzelnes Bett, während das Reservoir gefüllt wird. Das Intervall t&sub5; wird als Adsorptionsintervall berechnet, wenn die benötigte Fließrate den Verdünnungsregulatoren zugeführt wird, ohne daß jedoch das Reservoir gefüllt wird, wobei angenommen wird, daß eine Menge Produktgas im Überschuß über derjenigen, die für eine wirksame Regenerierung erforderlich ist, beim Spülen eines Regenerierungssorptionsbettes verwendet wird. Dieses Intervall t&sub5; ist das maximale Adsorptionsintervall, wenn das Reservoir nicht gefüllt ist. Das Intervall t&sub6; wird auch berechnet, wobei dieses ähnlich zu demjenigen von t&sub5; ist, jedoch mit der Ausnahme, daß die Spülungsstufe des Regenerierungsverfahrens nur das minimal benötigte Volumen Produktgas für die wirksame Spülung eines Regenerierungsbettes verwendet.
• Weil dieses zweite Beispiel die zusätzliche Option des Füllens eines Reservoirs umfaßt, ist die Bestimmung eines Adsorptionsintervalles aus den Intervallen t&sub0; bis t&sub6; komplizierter als bei dem ersten Beispiel. Ein Sensor zum Messen des Druckes des aus den Betten fließenden Produktgases und ein weiterer Sensor zum Messen des Druckes des Produktgases in dem Reservoir können benötigt werden. Diese Druckinformation ist wichtig für die Wahl der Adsorptions- und Spülintervalle. Weil jedoch diese Sensoren (welche nicht in Fig. 1 dargestellt sind) den Druck direkt messen, vergrößern sie nicht übermäßig die Komplexität der Vorrichtung.
• Wenn t&sub2;, die Adsorptionszeit, wenn das Reservoir gefüllt ist und übermaßige Spülmengen verwendet werden, größer als oder gleich dem maximalen Wert von t&sub0;, t&sub1; und t&sub3; ist, und der Druck in dem Reservoir geringer als der Druck des Produktgases ist, dann wird t&sub2; als Adsorptionsintervall gewählt. Das Spülintervall wird dann gleich t&sub1; minus der Ventilschaltzeit gewählt. Bei diesem Betriebsmodus kann das Reservoir gefüllt werden. Wenn andererseits t&sub2; nicht mindestens gleich dem maximalen Wert von t&sub0;, t&sub1; und t&sub3; ist, oder der Druck des Produktgases nicht den Druck in dem Reservoir übersteigt, wird ein sekundärer Test verwendet. Wenn t&sub5; größer als oder gleich dem maximalen Wert von t&sub0;, t&sub1; und t&sub3; ist, dann kann ausreichend Produktgas für die Befriedigung von Atmungsbedürfnissen erzeugt werden, obwohl nicht ausreichend übermäßiges Produktgas für die Füllung des Reservoirs vorhanden sein kann. Das Adsorptionsintervall wird dann als t&sub5; festgesetzt, und das Spülintervall wird als t&sub1; minus der Ventilschaltzeit, das gleiche Spülintervall wie in der vorhergehenden Situation dieses zweiten Beispiels, festgesetzt. Beide vorhergehenden Situationen setzen Spülen mit einer überschüssigen Menge Produktgas voraus. Wenn t&sub5; nicht mindestens gleich dem maximalen Wert von t&sub0;, t&sub1; und t&sub3; ist, dann liefert das Adsorptionsintervall von t&sub5; keinen durchführbaren Zyklus. In diesem Fall wird für die Optimierung der Produktgasherstellung nur die minimale Menge von Produktgas in der Spülstufe verwendet. Das Adsorptionsintervall wird somit gleich dem maximalen Wert von t&sub0;, t&sub4; und t&sub6; gesetzt. Wie bei dem ersten Beispiel gewährleistet diese Zyklusanordnung, daß das Regenerierungs verfahren nicht mehr Zeit benötigt als das Adsorptionsverfahren. Bei dieser dritten Situation wird das Spülintervall als t&sub4; minus der Ventilschaltzeit festgesetzt. Bei dieser dritten und mit Fehlern behafteten Möglichkeit des zweiten Beispiels kann das Produktgasreservoir nicht gefüllt werden.
• Die beiden beschriebenen Beispiele erschöpfen nicht die Verfahren in bezug auf die Anwendung der Erfindung. Jedoch veranschaulichen diese Beispiele die Verwendung der Sorptionsbetten bei einer begrenzten und hochvariablen Zufuhr der Einlaßgasmischung, wodurch die Wirksamkeit des Sorptionsverfahrens maximal gestaltet und die Herstellung von Produktgas selbst bei extremen Luft- und Gasdrücken und Temperaturen optimiert wird. Während die beiden Beispiele jeweils eine einzelne Bestimmung eines Adsorptionsintervalles erklärt haben, werden die Berechnungen und Bestimmungen wiederholt in der realen Zeit in der Vorrichtung durchgeführt. Beispielsweise können der Umgebungsdruck und die Temperatur und der Druck der Einlaßgasmischung 20 mal pro Minute mit den entsprechenden Bestimmungen der optimierten Adsorptions- und Spülintervalle gemessen werden. Die tatsächlich verwendeten Intervalle ändern sich üblicherweise am Ende einer Ventilzustandsänderung, wodurch kontinuierlich die Betteffizienz und Produktgaserzeugung optimiert wird. Die beiden Beispiele haben auch Vorrichtungen unter Verwendung von zwei Sorptionsbetten beschrieben, welche abwechselnd betrieben und regeneriert werden. Die Erfindung kann auch für Vorrichtungen, welche mehr als zwei Sorptionsbetten umfassen, verwendet werden.
• Weil die Erfindung auf Änderungen des Umgebungsdruckes und der Temperatur und des Druckes der Einlaßgasmischung reagiert, ist ihre Produktgaserzeugung optimiert. Das bedeutet, daß für Betten mit einer bestimmten Kapazität die maximal mögliche Menge Produktgas erzeugt werden kann. Die Bettkapazität muß nicht so gewählt werden, daß sie groß genug ist, um den maximal erwarteten Einlaß-Gasmischungsfluß zu handhaben. Stattdessen können kleinere, leichtere Betten verwendet werden, um Produktgasmengen zu erzeugen, die vergleichbar zu denjenigen sind, die von viel größeren Betten hergestellt werden. Dieses Resultat kann erzielt werden, weil bei großen Einlaßgasmischungsflüssen das Adsorptionsintervall und die Zykluszeit verkürzt werden, wobei die Betten dazu gebracht werden, bei ihren maximalen Adsorptionsraten zu wirken. Bei geringeren Einlaßgasfließgeschwindigkeiten verlängert sich das Adsorptionsintervall. Wiederum werden die Betten bis zur maximalen Wirkung für die Bedingungen gebracht, jedoch eher mit Betonung auf längere Adsorptionsintervalle hin als auf maximale Adsorptionsraten.
• Die Verwendung der neuen Vorrichtung und des Verfahrens können eine Hilfsausrüstung erforderlich machen. Figur 4 zeigt ein Blockdiagramm der Erfindung, welche in einem Zufuhrsystem für einatmungsfähige Luft für eine Luftfahrzeugbesatzung verwendet wird. Dieses System umfaßt zwei Atmungsmasken (nicht dargestellt), von denen jede mit einem getrennten Atmungsregulator 78 versorgt ist. Die Atmungsregulatoren 78 liefern Produktgas direkt zu den Masken oder mischen das Produktgas mit einem Verdünnungsgas in Abhängigkeit von dem ausgewählten Betriebsmodus. An der Einlaßseite der Vorrichtung wird ein Filter 80 verwendet, um Aerosole und Teilchen aus der Luft, in diesem Fall klimatisierte Luft, welche von einem Luftfahrzeugmotor abgeblasen wird, zu entfernen. Die filtrierte Gasmischung wird einem Konzentrator 82 zugeführt, welcher die zuvor im Detail beschriebene Zweifach-Bettsorptionsvorrichtung ist. Das Produktgas wird einem Teilchenfilter 84 zugeführt, welcher alle Teilchen des Sorptionsbettes, die von dem Bett durch das Fließgas getragen werden, entfernt. Das fließende Produktgas wird zu einem Reservoirventil 86 geführt, welches den Fluß des Produktgases in und aus einem Reservoir 88 kontrolliert. Das Reservoir 88 liefert eine Unterstützungszufuhr des Produktgases, um das Produkt des Konzentrators 82 erforderlichenfalls zu ergänzen oder zu ersetzen.
• Eine Sauerstoffanzeige 90 kann verwendet werden, um die Qualität des zu dem Atmungsregulator 78 zugeführten Produktgases anzuzeigen. Die Information bezüglich der Sauerstoffreinheit wird einer Kontrolleinheit 92 zugeführt, welche den Mikroprozessor und zuvor beschriebenen, in Verbindung gebrachten Schaltkreis umfaßt. Die gestrichelten Linien in Figur 4 zeigen elektrische Verbindungen für die Zuführung der Information zur Kontrolleinheit 92 und für die Kontrolle der verschiedenen Ventile. Somit kann die Kontrolleinheit 92 den Druck im Reservoir 88 und die Reinheit und den Druck des Produktgases festlegen, um zu bestimmen, ob Produktgas dem Reservoir zugeführt werden kann oder davon abgezogen werden sollte, um anderes Produktgas, welches hergestellt wird, zu ergänzen. In ähnlicher Weise kann die Kontrolleinheit 92 Atmungsregulatoren 78 in Betrieb setzen, möglicherweise als Reaktion auf die Auswahl der Crewmitglieder, so daß Produktgas direkt den Masken zugeführt wird oder mit einer Verdünnungsgasmischung gemischt wird. Die Kontrolleinheit 92 umfaßt auch eine Systemfehlerwarnungsanzeige 94, wie beispielsweise ein Licht, um die Crew vor einem katastrophalen Versagen des Systems zu warnen, welches ein Absinken des Luftfahrzeuges auf eine Höhe erforderlich macht, in der einatmungsfähige Luft verfügbar ist, bevor das im Reservoir 88 gelagerte Produktgas erschöpft ist.
• Die Erfindung ist unter Bezugnahme auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen beschrieben worden. Verschiedene Modifikationen und Zusätze ergeben sich für die Fachleute.

Claims (13)

1. Vorrichtung zum Zuführen einer einatmungsfähigen Gasmischung aus komprimierter klimatisierter Luft zu Luftfahrzeugcrewmitgliedern mit einer kontrollierten Fließgeschwindigkeit, umfassend

erste und zweite Sorptionsbetten (6, 16), wobei jedes Bett einen Einlaß (5, 15) zum Zuführen von Luft und einen Auslaß (8, 18) zum Entlassen von Luft aufweist, wobei diese Betten im Betriebszustand Stickstoff aus Luft adsorbieren und eine an Sauerstoff angereicherte Mischung als Produktgas liefern, und im Regenerierungszustand adsorbierten Stickstoff von den Betten desorbieren;

eine Einlaßleitung (1) zum Liefern der Einlaßgasmischung zu den Einlässen (5, 15) der ersten und zweiten Betten (6, 16);

erste und zweite Einlaßventile (4, 14), die zwischen der Einlaßleitung (1) und den Einlässen (5, 15) der ersten und zweiten Betten (6, 16) verbunden sind, zum selektiven Zuführen von Luft zu den ersten und zweiten Betten;

erste und zweite Lüftungsventile (7, 17) in der Fluid-Verbindung mit den ersten und zweiten Betten (6, 16) zum Belüften der ersten und zweiten Betten (6, 16);

Mittel (9, 10, 19, 20) zum Zuführen von Produktgas von einem Bett im Betriebszustand zu dem anderen Bett im Regenerierungszustand für die Spülung des anderen Bettes;

erste und zweite Sensoren (2, 3) in der Fluid-Verbindung mit der Einlaßzuführung (1) zum Abtasten des Druckes und der Temperatur der zu den ersten und zweiten Einlaßventilen (4, 14) zugeführten Luft;

einen dritten Sensor (21) zum Abtasten des Umgebungsdruckes in der Nähe der ersten und zweiten Betten (6, 16); und

Kontrollmittel (22), welche die Sorptionseigenschaften der ersten und zweiten Betten (6, 16) als Funktion des Umgebungsdruckes und der Temperatur und des Luftdruckes speichern, zum Bestimmen - als Reaktion auf die ersten, zweiten und dritten Sensoren (2, 3, 21) und die Sorptionseigenschaften der ersten und zweiten Betten (6, 16) - der Intervalle für die Adsorption und das Spülen der ersten und zweiten Betten und für die Inbewegungsetzung der ersten und zweiten Einlaß- und Lüftungsventile (9, 14, 7, 17), so daß für jeden Zyklus der ersten und zweiten Betten (6, 16) die Betriebs- und Regenerierungsbedingungen der Betten in Übereinstimmung mit den festgelegten Adsorptions- und Spülintervallen gesetzt werden, wodurch die Herstellung von Produktgas für die wahrgenommene Einlaßluft und die Umgebungsbedingungen optimiert wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Kontrollmittel (22) einen Mikroprozessor (41) umfaßt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der das Kontrollmittel (22) ein durch den Mikroprozessor (41) zugängliches Speicherelement (45) zum Speichern der Adsorptions- und Desorptionseigenschaften der ersten und zweiten Betten (6, 16) als Funktion von Druck und Temperatur umfaßt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Mittel zum Zuführen von Produktgas (9, 10, 19, 20) erste und zweite Rückschlagventile (9, 19), die mit den Auslässen (8, 18) der ersten und zweiten Sorptionsbetten (6, 16) verbunden sind, und erste und zweite den Fluß beschränkende Umlenkmittel (10, 20), die pneumatisch über die ersten und zweiten Rückschlagventile (9, 19) verbunden sind, umfaßt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, welche Mittel zum Testen der Sensoren und Kontrollmittel in Bezug auf Defekte umfaßt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, welche einen Fehlerstatusindikator (57) zum Anzeigen eines Fehlers bei den Sensoren und Kontrollmitteln umfaßt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der der Fehlerstatusindikator (57) Mittel zum Speichern eines Fehlercodes, welcher die Fehlerquelle offenbart, umfaßt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, welche einen Behälter (12), der Produktgas aus den Auslässen (8, 18) der ersten und zweiten Betten (6, 16) empfängt, zum Glätten von Druckwellen in dem Produktgas enthält.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Kontrollmittel (22) Mittel zum wiederholten Abtasten des Umgebungsdruckes und der Lufttemperatur und des Luftdruckes und zum wiederholten Bestimmen und Ändern der Adsorptions- und Spülintervalle umfaßt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, welche einen Filter (80) zum Entfernen von Aerosolen und Teilchen aus der Einlaßgasmischung enthält.

11. Verfahren zum Optimieren der Herstellung einer Produktgasmischung in einer Druckswingvorrichtung, welche zwei regenerierbare Sorbensbetten umfaßt, aus einer Einlaßgasmischung, aus der die Sorbensbetten eine Komponente unter Herstellung der Produktgasmischung extrahieren, umfassend

Extrahieren einer Komponente aus einer unter Druck gesetzten, klimatisierten Einlaßgasmischung, welche mit einer kontrollierten Geschwindigkeit fließt, durch Durchführen dieser durch ein erstes Sorbensbett während eines Adsorptionsintervalles, wobei eine Produktgasmischung erzeugt wird;

Regenerieren eines zweiten Sorbensbettes während des Adsorptionsintervalles des ersten Sorbensbettes, umfassend Durchführen einer Menge des Produktgases von dem ersten Sorbensbett durch das zweite Sorbensbett in umgekehrter Richtung während eines Spülintervalles, während das zweite Sorbensbett mit Umgebungsluft belüftet wird;

Wechseln der ersten und zweiten Betten zwischen den Adsorptions- und Regenerierungsvorgängen;

Abtasten des Umgebungsdruckes und der Temperatur und des Druckes der unter Druck gesetzten Einlaßgasmischung;

Bestimmen der Länge der Adsorptions- und Spülintervalle, die die Herstellung des Produktgases optimieren, aus dem abgetasteten Umgebungsdruck und der Temperatur und dem Druck der unter Druck gesetzten Einlaßgasmischung und aus den Sorptionseigenschaften der Sorbensbetten; und

Festsetzen der Adsorptions- und Spülintervalle der ersten und zweiten Sorptionsbetten auf die entsprechenden festgesetzten Intervalle, die die Herstellung von Produktgas optimieren.

12. Verfahren nach Anspruch 11, umfassend Festsetzen der Länge des Adsorptionsintervalles, indem man aus dem Umgebungsdruck und der Temperatur und dem Druck der unter Druck gesetzten Einlaßgasmischung und aus den Sorptionseigenschaften der Betten ein Adsorptionsintervall berechnet, das ein Produktgas erzeugt, welches mindestens einen festgesetzten Minimumpartialdruck einer gewünschten Komponente enthält und eine ausreichende Menge Produktgas für die Spülung eines Regenerierungsbettes mit einer zuvor festgesetzten Menge Produktgas erzeugt, die die minimale Menge Produktgas, die für eine wirksame Regenerierung erforderlich ist, übersteigt, und Festsetzen dieses Intervalls als Adsorptionsintervall, sofern es nicht kurzer ist als das Intervall, welches für die Spülung eines Bettes mit der zuvor festgesetzten Menge Produktgas erforderlich ist, welche die Minimummenge Produktgas, die für eine wirksame Regenerierung erforderlich ist, übersteigt.

13. Verfahren nach Anspruch 11, umfassend Festsetzen der Länge des Adsorptionsintervalles, indem man aus dem Umgebungsdruck und der Temperatur und dem Druck der unter Druck gesetzten Einlaßgasmischung und aus den Sorptionseigenschaften der Betten ein Adsorptionsintervall berechnet, das ein Produktgas erzeugt, welches mindestens einen festgesetzten Minimumpartialdruck einer gewünschten Komponente enthält und eine ausreichende Menge Produktgas für die Spülung eines Regenerierungsbettes durch eine zuvor festgesetzte Menge Produktgas erzeugt, welche im wesentlichen gleich der minimalen Menge Produktgas ist, welche für eine wirksame Regenerierung erforderlich ist, und Festlegen dieses Intervalls plus einer festgesetzten Ventilbetätigungszeit als Adsorptionsintervall, sofern es nicht kürzer ist als das Intervall, welches für die Spülung eines Bettes mit der zuvor festgesetzten Menge Produktgas erforderlich ist, welche im wesentlichen zu der Minimummenge Produktgas gleich ist, welche für eine wirksame Regenerierung des Bettes erforderlich ist, und, falls kürzer, Festlegen des Intervalles, welches für die Spülung eines Bettes mit der zuvor festgesetzten Menge Produktgas erforderlich ist, welche im wesentlichen gleich der minimalen Produktgasmenge ist, die für eine wirksame Regenerierung notwendig ist, als Adsorptionsintervall.