DE69617043T2

DE69617043T2 - Molekularsieb gastrennungsvorrichtung und verfahren

Info

Publication number: DE69617043T2
Application number: DE69617043T
Authority: DE
Inventors: Robert John Phillips
Original assignee: Honeywell Normalair Garrett Holdings Ltd
Current assignee: Honeywell UK Ltd; Honeywell Aerospace BV
Priority date: 1995-12-02
Filing date: 1996-11-28
Publication date: 2002-03-21
Anticipated expiration: 2016-11-29
Also published as: US6383256B1; US6077331A; DE69617043D1; EP0876192A1; EP0876192B1; KR100476573B1; AU7701796A; CA2236506C; JP2000501335A; JP4091657B2; GB9524721D0; KR19990071762A; WO1997020616A1; ES2167613T3; AU717258B2; CA2236506A1

Description

Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Molekularsieb-Gastrennungsvorrichtung zum Trennen von Produktgas von einem Gasstrom. Eine Molekularsieb-Gastrennungsvorrichtung aus dem Stand der Technik wird in der bekannten EP 0 129 304 beschrieben und umfaßt in dem Beispiel drei Siebbetten, welche jeweils ein Material enthalten, welches Stickstoff und andere Gase von einer Gasversorgung adsorbiert, während es Produktgas, welches Sauerstoff in dem Beispiel enthält, ermöglicht, aus der Vorrichtung zu gelangen und in einem Sauerstoffatmungssystem, beispielsweise für eine Flugzeugbesatzung in einem Flugzeug, verwendet zu werden.
In der bekannten Beschreibung der EP 0 129 304 wird eine Vorrichtung beschrieben, in der der Betrieb jedes Siebbetts im Zyklus verläuft. In jedem Zyklus wird jedes Siebbett einer Adsorptionsbeladungsphase unterworfen, in welcher in erster Linie Stickstoff durch das Siebbett adsorbiert wird, und einer Desorptionsregenerationsphase, in welcher der Stickstoff, welcher ein Nicht-Produktgas ist, von dem Siebbett desorbiert wird. Dies wird erreicht, wie in dem Stand der Technik gut bekannt ist, durch Einführen der Gasversorgung in das Siebbett bei einem ersten Druck während der Adsorptionsbeladungsphase, und während der Desorptionsregenerationsphase wird das Bett einem zweiten Druck unterworfen, welcher geringer ist als der erste.
Für eine Flugzeugbesatzung ist es notwendig, mit steigenden Konzentrationen an Sauerstoff in dem Produktgas zum Atmen mit steigender Höhe versorgt zu werden. In der bekannten Beschreibung der EP 0 129 304 wird die Konzentration an Sauerstoff in dem Produktgas variiert durch Einstellen der Gesamtzykluszeit für das oder jedes Siebbett, während die relativen Dauern der Adsorptionsbeladungs- und Desorptionsregenerationsphasen im wesentlichen konstant gehalten werden.
Obwohl die Vorrichtung, die aus dem Stand der Technik bekannt ist, in der Praxis zufriedenstellend arbeitet, besteht ein Bedürfnis, die Vorrichtung noch effektiver zu machen.
Versuche für den Betrieb der Siebbetten haben gezeigt, wie das Adsorptionsmaterial besser von dem adsorbierten Gas durch Steigern der Dauer der Desorptionsregenerationsphase in jedem Zyklus gereinigt wird.
Gemäß einer ersten Erscheinung der Erfindung stellen wir eine Molekularsieb- Gastrennungsvorrichtung gemäß Anspruch 1 bereit.
Die Anmelder haben somit gefunden, daß durch Einstellen der Dauer der Adsorptionsbeladungsphase relativ zu der Dauer der Desorptionsregenerationsphase in jedem Zyklus des Siebbetts (oder der Betten) eine verbesserte Steuerung für die Konzentration des gewünschten Bestandteils in dem Produktgas erreicht werden kann.
Während in der bekannten Beschreibung der EP 0 129 304 die Zykluszeit während einer Betriebsperiode variiert wird, während die relativen Dauern der Adsorptionsbeladungs- und Desorptionsregenerationsphasen im allgemeinen konstant gehalten werden, wird in der Vorrichtung der Erfindung die Gesamtzykluszeit für das oder jedes Siebbett im allgemeinen konstant während einer Betriebsperiode gehalten, während die relativen Dauern der Adsorptionsbeladungs- und Desorptionsregenerationsphasen in jedem Zyklus eingestellt werden.
Die Erfindung stellt zahlreiche Vorteile bereit. Insbesondere kann die Abweichung der Konzentration eines gewünschten Bestandteils in dem Produktgas von einem gewünschten Gehalt im allgemeinen deutlich reduziert werden, und somit wird das Risiko einer Produktion von Produktgas mit einer geringeren oder höheren als der akzeptierbaren Konzentration des gewünschten Bestandteils darin deutlich reduziert.
Die US-A-4,693,730 stellt Steuermittel für eine Aufnahme geeigneter Korrektivmaßnahmen bereit, die auf eine Eigenschaft des auströmenden Gases ansprechen, ohne die Gesamtzykluszeit während einer Betriebsperiode konstant zu halten.
Überdies kann insbesondere dort, wo geringe Konzentrationen des gewünschten Bestandteils in dem Produktgas gewünscht sind, die Dauer der Desorptionsregenerationsphase reduziert werden, was bedeutet, daß die Gesamtmenge an der Gasversorgung, welche der Vorrichtung zugeführt werden muß, reduziert werden kann, was in einer höheren Effizienz resultiert.
In einer bevorzugten Anordnung schließt die Vorrichtung eine Vielzahl an Siebbetten ein, und das Steuermittel kann angepaßt werden an die Vorrichtung, so daß bei Verwendung wenigstens eines der Betten immer in einer Adsorptionsbeladungsphase betrieben wird und somit Produktgas erzeugt.
Es ist daher bevorzugt, wo N Siebbetten zwischen Adsorptionsbeladungs- und Desorptionsregenerationsphasen in gemeinsamen Zykluszeiten geschaltet werden, jedoch außer Phase zueinander, daß die Vorrichtung angepaßt ist, um so betrieben zu werden, daß das Verhältnis von Dauer der Adsorptionsbeladungsphase zur Gesamtzykluszeit in jedem Bett immer größer als oder gleich 1 : N ist.
Um ein Schalten zwischen den Adsorptionsbeladungs- und Desorptionsregenerationsphasen zu erreichen, kann jedes Bett der Vorrichtung assoziierte Ventile aufweisen, und das Steuermittel kann angepaßt sein, um die Ventile zu öffnen und zu schließen, um die Einführung der Gasversorgung und die Lieferung von Produktgas während der Adsorptionsbeladungsphase zu ermöglichen, und ein Entlüften des Nicht-Produktgases während der Desorptionsregenerationsphase.
Die Vorrichtung kann einen Behälter umfassen, welcher das oder jedes Siebbett enthält, und obwohl jedes Ventil ein einfaches Auf/Zu-Ventil sein kann, welches es einem geeigneten Gas erlaubt, in den Behälter einzutreten oder diesen zu verlassen, kann, falls gewünscht, wenigstens eines der Ventile ein aktives Ventil sein, wobei das Ausmaß des Öffnens und Schließens des Ventils, um es der Gasversorgung oder Produktgas oder Nicht-Produktgas zu erlauben, in den Behälter einzutreten oder diesen zu verlassen, einstellbar ist, und/oder wobei die Geschwindigkeit, mit welcher das Ventil zwischen geöffneten und geschlossenen Zuständen geschaltet werden kann, variabel sein kann.
Am Ende der Desorptionsregenerationsphase des oder jedes der Betten, vor der nächsten Adsorptionsbeladungsphase, kann, falls gewünscht, Produktgas in die Vorrichtung eingeführt werden, um verbliebenes Nicht-Produktgas aus dem Behälter zu spülen.
Das Steuermittel kann so angepaßt sein, um eine Pausenphase zwischen wenigstens einigen der Adsorptionsbeladungs- und Desorptionsregenerationsphasen bereitzustellen, in welcher Pausenphase es keiner oder einer minimalen Gasversorgung oder Produktgas oder Nicht- Produktgas ermöglicht ist, in den Behälter einzutreten oder ihn zu verlassen.
Das Steuermittel kann so angepaßt sein, um eine Überlappungsphase zwischen wenigstens einigen der Adsorptionsbeladungs- und Desorptionsregenerationsphasen bereitzustellen, in welcher Überlappungsphase wenigstens zwei der folgenden Punkte gleichzeitig auftreten: Zuführung von Gasversorgung zu dem Bett, Abführung von Produktgas aus dem Bett und Abführung von Nicht-Produktgas aus dem Bett.
Die Erfindung ist insbesondere, jedoch nicht ausschließlich anwendbar bei sogenannten Sauerstoffkonzentratoren, in welchem Falle der gewünschte überwachte Bestandteil in dem Produktgas Sauerstoff sein kann, und das oder jedes der Siebbetten Siebbettmaterial enthalten kann, welches fähig ist, Stickstoffgas zu adsorbieren, so daß das erzeugte Gas zum Atmen, z. B. durch ein Flugzeugbesatzungsmitglied in einem Flugzeug, verwendet werden kann. Somit kann das Steuermittel angepaßt werden, um die Vorrichtung so zu betreiben, um eine Sauerstoffkonzentration in dem Produktgas in der Nähe einer Zielkonzentration zu erreichen, welche mit der Höhe variieren kann.
Gemäß einer zweiten Erscheinung der Erfindung stellen wir ein Flugzeug bereit mit einer Gastrennungsvorrichtung gemäß der ersten Erscheinung der Erfindung.
Gemäß einer dritten Erscheinungsform der Erfindung stellen wir ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung gemäß der ersten Erscheinungsform der Erfindung bereit, umfassend die Schritte eines Messens der Konzentration eines Bestandteils in dem Produktgas, und eines Einstellens der Dauer der Adsorptionsbeladungsphase relativ zu der Dauer der Desorptionsregenerationsphase in jedem Zyklus für das oder jedes der Siebbetten, um eine Konzentration des Bestandteils in dem Produktgas innerhalb vorgegebener Grenzen zu erreichen.
Die Erfindung wird nun beschrieben unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in welchen:
Fig. 1 eine veranschaulichende Ansicht einer Gastrennungsvorrichtung der Art des Gegenstands der Erfindung ist.
Fig. 2 ein Graph ist, welcher zeigt, wie die Bedürfnisse für eine unterschiedliche Sauerstoffkonzentration in Abhängigkeit von der Höhe, für Atemgas, variieren.
Fig. 3 eine graphische Veranschaulichung ist, welche zeigt, wie die Konzentration an Sauerstoff in dem Produktgas in einem Steuerverfahren nach dem Stand der Technik sich verändert.
Fig. 3a eine graphische Veranschaulichung ist, welche zyklische Schwünge der Sauerstoffkonzentration bei Betrieb einer Vorrichtung aus dem Stand der Technik zeigt.
Fig. 4 eine graphische Veranschaulichung ähnlich zu Fig. 4 ist, welche jedoch zeigt, wie die Sauerstoffkonzentration in dem Produktgas durch Betrieb einer Vorrichtung gemäß der Erfindung variiert.
Fig. 4a eine graphische Veranschaulichung ist, welche zyklische Schwünge der Sauerstoffkonzentration bei Betrieb einer Vorrichtung gemäß der Erfindung zeigt.
Sich beziehend auf Fig. 1 wird eine Molekularsieb-Gastrennungsvorrichtung 10 gezeigt, welche in diesem Beispiel beabsichtigt ist, mit Sauerstoff angereicherte Luft (Produktgas) an Besatzungsmitglieder eines Flugzeuges zu liefern.
In diesem Beispiel umfaßt die Vorrichtung 10 drei Molekularsiebbetten 11, 12, 13, die geeignet eingefaßt und angeordnet sind, um Luft(Gas)-Versorgung von einer Quelle 14 aufzunehmen, wie eine Kompressorstufe in einem Motor eines Flugzeugs, und um Produktgas in der Form von Luft, welche mit Sauerstoff angereichert ist, an eine Auslaßleitung 18 zu liefern.
Die Luftversorgung 14 kann vor ihrer Lieferung zu der Vorrichtung 10 gefiltert werden, und der Druck der Luft(Gas)-Versorgung kann so reguliert werden, daß die Luftversorgung bei einem vorgegebenen Druck geliefert wird.
Produktgas gelangt von jedem der Betten 11 bis 13 über die Auslaßleitung 18 zu einem geeigneten Bedarfsflußregulatormittel, welches nicht gezeigt ist und keinen Teil dieser Erfindung bildet, durch Mittel, durch welche ein Flugzeugbesatzungsmitglied das Produktgas entweder allein; oder gemischt mit anderen Gasen, wie Luft, einatmen kann.
Jedes der Betten 11 bis 13 ist angeordnet, um in erster Linie Stickstoffgas aus der Luftversorgung 14, welche den Betten 11 bis 13 geliefert wird, zu adsorbieren, und kann Molekularsiebmaterial enthalten, welches als "Zeolithe" bekannt ist, welches Sauerstoff hindurchläßt, so daß das Produktgas, das an 18 geliefert wird, mit Sauerstoff angereicherte Luft ist. Beim Betrieb der Vorrichtung 10 gemäß der Erfindung kann die Konzentration an Sauerstoff in dem Produktgas variiert werden, beispielsweise um sich für unterschiedliche Bedürfnisse zu eignen.
Sich beziehend auf Fig. 2 wird ein Graph gezeigt, welcher veranschaulicht, wie die gewünschte Sauerstoffkonzentration in Atemgas mit der Höhe variiert, wobei der Graph sowohl die maximale als auch die minimale gewünschte Konzentration an Sauerstoff für ein komfortables Atmen anzeigt, wenn die Höhe zunimmt. Es kann erkannt werden, daß bei einer geringeren Höhe eine viel geringere Sauerstoffkonzentration in dem Produktgas erforderlich ist, das Minimum, welches verfügbar sein muß in Bodennähe, ist die natürliche Konzentration an Sauerstoff in der Atmosphäre (21%).
Sich wieder beziehend auf Fig. 1 wird die Vorrichtung 10 durch ein Steuermittel, welches mit 20 bezeichnet ist, gesteuert. Jedes der Betten 11 bis 13 weist ein assoziiertes Luftversorgungseinlaßventil 21, 22 bzw. 23 und ein (Einweg)-Produktgasauslaßventil 28, 29 bzw. 30 auf.
Jedes Bett wird zyklisch betrieben, und in jedem Zyklus ist eine Adsorptionsbeladungsphase vorhanden, in welcher das geeignete Luftversorgungseinlaßventil 21 bis 23 und Produktgasauslaßventil 28 bis 30 so geöffnet wird, daß die Luft, welche in das Bett 11 bis 13, welches innerhalb eines Behälters eingefaßt ist, eintritt, in Nicht-Produktgas, welches durch das Material des Betts 11 bis 13 adsorbiert wird, getrennt wird, während Produktgas über und durch das Bett gelangt und von dem Behälter aus dem Bett 11 bis 13 durch das Auslaßventil 28 bis 30 zu der Auslaßleitung 18 aus der Vorrichtung 10. Während der Adsorptionsbeladungsphase wird das Material des Siebbetts 11 bis 13 zunehmend mit Nicht- Produktgas beladen werden.
Während einer Desorptionsregenerationsphase sind das geeignete Luftversorgungsventil 21 bis 23 und Produktgasauslaßventil 28 bis 23 geschlossen, während ein geeignetes entsprechendes Belüftungsventil 25, 26, 27 von dem Bett 11 bis 13 geöffnet wird, so daß das Bett 11 bis 13 über eine Belüftungsleitung 31 atmosphärischem Druck ausgesetzt ist, welches ein niedrigerer Druck ist als jener der Luftversorgung 14. Somit wird Nicht-Produktgas von dem entsprechenden Bett 11 bis 13 desorbiert, um das Bett 11 bis 13 zu reinigen und zu regenerieren, und gelangt von dem entsprechenden Behälter zu der Belüftungsauslaßleitung 31, z. B. zu der Außenseite des Flugzeugs.
Der Betrieb der Luftversorgungsventile 21 bis 23, der Produktgasauslaßventile 28 bis 30 und der Belüftungsventile 25 bis 27 erfolgt unter der Steuerung des Steuermittels.
Zum Ende der Desorptionsregenerationsphase, wenn das Bett 11 bis 13 einen ausreichend niedrigen Druck aufweist, kann Produktgas zurück in den Behälter des Betts 11 bis 13 gelangen, ungeachtet der Tatsache, daß die Produktgasventile 28 bis 30 geschlossen sind, über entsprechende Spülventile oder Öffnungen 32 bis 34. Die Spülventile 32 bis 34 ermöglichen es lediglich einer kleinen Menge an Produktgas zurück in die Betten 11 bis 13 zu gelangen, um die Betten 11 bis 13 von verbliebenem Nicht-Produktgas zu spülen.
Die Vorrichtung 10 wird so betrieben, daß die Adsorptionsbeladungs- und Desorptionsregenerationsphasen der drei Betten 11 bis 13 aufeinander abgestimmt sind, so daß immer wenigstens eines der Betten 11 bis 13 in einer Adsorptionsphase, erzeugend Produktgas, betrieben wird.
Ein Sauerstoffsensor 36 ist an der Produktgasauslaßleitung 18 vorgesehen, um die Konzentration an Sauerstoff in dem Produktgas zu messen. Die Ausgabe des Sensors 36 wird verwendet von dem Steuermittel 20, um den Betrieb der Betten 11 bis 13 zu steuern, um die Sauerstoffkonzentration in dem Produktgas zu variieren und die Sauerstoffkonzentration innerhalb vorgegebener Grenzen zu halten.
Sich beziehend auf Fig. 3 wird dort graphisch gezeigt, wie bei einer Vorrichtung aus dem Stand der Technik die tatsächliche Sauerstoffkonzentration in dem Produktgas mit variierender Zykluszeit variiert. Herkömmlich wird eine Vorrichtung, wie sie in der bekannten Beschreibung der EP 0 129 304 beschrieben wird, lediglich zwischen zwei festen Zykluszeiten betrieben, beispielsweise 9 oder 30 Sekunden. In Fig. 3 ist die mittlere Sauerstoffkonzentration, die gezeigt ist, die gewünschte Sauerstoffkonzentration in dem Produktgas für variierende Höhe für Atemgas. Die gezeigten maximalen und minimalen Sauerstoffkonzentrationen sind die zyklischen Abweichungen von dem Mittel aufgrund von Steuerungenauigkeiten.
Wenn die Sauerstoffkonzentration in der Produktgasauslaßleitung 18, die durch den Sensor 36 gemessen wird, in dem Verfahren nach dem Stand der Technik variiert, würde die Zykluszeit für jedes Bett zwischen 9 Sekunden und 30 Sekunden abhängig davon geschaltet werden, ob weniger oder mehr Sauerstoff in dem Produktgas benötigt wird. Würde beispielsweise die Vorrichtung bei einer festen Zykluszeit von 9 Sekunden für jedes Bett betrieben werden und der Sensor 36 in der Produktgasaulaßleitung 18 ermitteln, daß die Sauerstoffkonzentration sich in Richtung der maximal gewünschten Konzentration für eine bestimmte Höhe bewegt, würde die Zykluszeit auf 30 Sekunden geschaltet werden, um die Sauerstoffkonzentration in dem Produktgas zu reduzieren.
Das Wechseln der Zykluszeiten kann innerhalb eines Zyklus oder am Beginn und am Ende eines Zyklus erfolgen.
In Fig. 3a ist die tatsächliche Sauerstoffkonzentration veranschaulicht, die JUr eine bestimmte gewünschte (mittlere) Sauerstoffkonzentration gemessen wird, von welcher erkannt werden kann, daß die tatsächliche Sauerstoffkonzentration in dem Produktgas an der Auslaßleitung 18 zwischen maximalen und minimalen Sauerstoffkonzentrationsgehalten um den mittleren oder gewünschten Sauerstoffkonzentrationsgehalt schwingt. Die Schwingung kann wie gezeigt zyklisch sein, wäre jedoch gewöhnlicher eine irreguläre Schwingung um die mittlere gewünschte Sauerstoffkonzentration.
Natürlich wird, beispielsweise, da in einem Flugzeug die Höhe sich kontinuierlich ändern kann und die Atemgeschwindigkeit der Flugzeugbesatzung sich ändern kann, ein stationärer Zustand, wie in Fig. 3a gezeigt, in der Praxis niemals erreicht. Somit können, wenn das Bedürfnis nach Sauerstoff sich ändert, wenn sich die Höhe ändert, die Schwingungen der tatsächlichen Sauerstoffkonzentration in der Auslaßleitung 18 beträchtlich sein.
Sich nun beziehend auf Fig. 4 ist dort ein Graph gezeigt, der dem in Fig. 3 gezeigten ähnlich ist, jedoch das Ergebnis eines Betriebs der Vorrichtung 10 gemäß der Erfindung veranschaulicht. Wiederum sind die maximalen, mittleren und minimalen Sauerstoffkonzentrationen in dem Produktgas in der Auslaßleitung 18 aufgetragen, jedoch, anstelle einer Auftragung gegen einzelne Zykluszeiten für jedes der Betten 11 bis 13 der Vorrichtung 10, ist die Sauerstoffkonzentration gegen eine zunehmende relative Dauer der Adsorptionsbeladungsphase zur Gesamtzykluszeit für Adsorptionsbeladungsphase und Desorptionsregenerationsphase der Betten 11 bis 13 aufgetragen. In dem vorliegenden Beispiel ist die tatsächliche Zykluszeit, welche fest ist, etwa 7,2 Sekunden und diese Zykluszeit wird zu Zwecken des Graphs in 18 Einheiten aufgeteilt.
Auf der linken Seite des Graphs, wenn die Sauerstoffkonzentration bei einem Maximum ist, sich nähernd 94% des Produktgases, welches etwa das Maximum ist, was in der Praxis erreichbar ist), werden die Siebbetten 11 bis 13 so betrieben, daß die relative Dauer der Adsorptionsbeladungsphase zur Gesamtzykluszeit für Adsoptionsbeladungsphase und Desorptionsbeladungsphase jeweils 6 : 18 ist, und diese relative Dauer nimmt in Anteilen bis 18 : 18 auf der rechten Seite des Graphs zu, wenn im Prinzip die Siebbetten 11 bis 13 niemals in einer Desorptionsbeladungsphase betrieben werden, so daß die Betten mit Nicht- Produktgas gesättigt werden, so daß die Maximalkonzentration an Sauerstoff, die in dem Produktgas möglich ist, diejenige ist, die natürlicherweise in der Atmosphäre auftritt, d. h. etwa 21%.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Vorrichtung 10 so betrieben, daß als Antwort auf die Ausgabe des Sauerstoffsensors 36 in der Auslaßleitung 18 für das Produktgas die relative Dauer der Adsorptionsbeladungsphase zur Desorptionsbeladungsphase in jedem Zyklus verändert wird, um so eine gewünschte Sauerstoffkonzentration zu erreichen. Es kann aus Fig. 4 erkannt werden, daß der Abstand zwischen den maximalen und minimalen Sauerstoffkonzentrationen so angeordnet werden kann, um viel kleiner zu sein als beim Betrieb der Vorrichtung bei variierender Zykluszeit, wie gezeigt in Fig. 3.
Als ein Ergebnis, wie in Fig. 4a gesehen werden kann, obwohl die tatsächliche Sauerstoffkonzentration noch um eine mittlere oder gewünschte Sauerstoffkonzentration bei einer bestimmten Höhe (gewünschte Sauerstoffkonzentration) schwingt, sind die Schwingungen beträchtlich geringer als verglichen mit der Anordnung aus Fig. 3a, in welcher tatsächliche Zykluszeiten variiert werden.
Natürlich ist es mit einer Anordnung aus drei Siebbetten wünschenswert, die Betten außerhalb einer Phase zu betreiben, so daß wenigstens eines der Betten 11 bis 13 immer Produktgas beiträgt, d. h. in einer Adsorptionsbeladungsphase betrieben wird. Bevorzugt sollte die relative Dauer der Adsorptionsbeladungsphase zur Gesamtzykluszeit für Adsorptionsbeladungsphase und Desorptionsbeladungsphase für jedes Bett niemals weniger als 1 : 3 (6 : 18) sein, oder allgemein gültig, wo N Betten vorhanden sind, sollte die relative Dauer der Adsorptionsbesladungsphase zur Gesamtzykluszeit niemals geringer als 1 : N sein, so daß eines der Betten 11 bis 13 immer Produktgas erzeugt.
Es wird aus Fig. 4a bewußt sein, daß, da die Schwingung der tatsächlichen Sauerstoffkonzentration in der Auslaßleitung 18 weniger um das Mittel als in vorangegangenen Anordnungen herum ist, das Risiko der Lieferung einer geringeren oder höheren als der akzeptablen Sauerstoffkonzentration in dem Produktgas beträchtlich reduziert ist. Überdies, da die Dauer der Desorptionsregenerationsphase keine feste Dauer ist, wie in vorherigen Anordnungen, kann insgesamt, wenn wenigstens über eine Vielzahl von Zyklen gemessen wird, die tatsächliche Gesamtdauer der Desorptionsregenerationsphase geringer sein als bei herkömmlichen Anordnungen, was in einer Verminderung in der Menge an zugeführter Luft resultiert, wobei es notwendig ist, die Vorrichtung 10 zu versorgen und somit die Wirksamkeit der Vorrichtung zu steigern.
Während beim Betrieb der Vorrichtung 10 unter Verwendung variabler Zykluszeiten es nicht möglich sein kann, die Sauerstoffkonzentration auf einen ausreichend geringen, gewünschten Gehalt zu reduzieren, so daß es notwendig ist, Produktgas zu lüften, um eine gewünschte geringe Sauerstoffkonzentration in dem zu atmenden Produktgas zu erreichen, ist es in der Anordnung der Erfindung möglich, außerordentlich geringe Gehalte an Sauerstoffkonzentration durch Anordnung auf einen Ansatz 1 : 1 für die Dauer der Adsorptionsbeladungsphase relativ zu der Gesamtzykluszeit für die Adsorptionsbeladungsphase und Desorptionsregenerationsphase.
Zahlreiche Modifikationen sind möglich, ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen.
Es wird verstanden werden, daß Fig. 1 lediglich für eine Vorrichtung gemäß der Erfindung repräsentativ ist und daß viele Veränderungen durchgeführt werden können.
In einer typischen Anordnung ist jedes der Ventile 21 bis 23 und 25 bis 27 bevorzugt ein über eine Magnetspule betriebenes Ventil, kann jedoch aus einer alternativen geeigneten Konstruktion sein. Die Ventile 28 bis 30 können einfache, mechanisch gesteuerte Rückschlagventile sein, oder können unter dem Steuermittel 20, wie gezeigt in den Zeichnungen, betrieben werden. Falls gewünscht, können die Spülventile 32 bis 34, wie gezeigt, einfache Öffnungen sein, oder Rückschlagventile, oder Magnetspul- oder andere Ventile, gesteuert durch das Steuermittel 20, wie gezeigt durch die gestrichelten Linien in Fig. 1. Die Ventile können Ventile sein mit linear beweglichen Spulen oder rotierbaren Ventilbauteilen. Die Ventile können einfach zwischen vollständig geöffneten und vollständig geschlossenen Positionen geschaltet werden, oder das Ausmaß des Öffnens und Schließens von wenigstens einigen der Ventile kann gesteuert werden, so daß entweder die Gasversorgung, das Produktgas oder Nicht-Produktgas in den Behälter, welcher ein Siebbett 11 bis 13 einfaßt, eintritt oder diesen verlassen kann, während ein anderes der Ventile vollständig oder teilweise geschlossen ist und/oder die Geschwindigkeit, mit der eines oder mehrere der Ventile zwischen geöffneten und geschlossenen Zuständen geschaltet werden kann, variabel gestaltet sein kann. Auf diese Weise kann der Stoß, dem die Vorrichtung 10 unterworfen ist, wenn eines der Betten 11 bis 13 der Vorrichtung von der Adsorptionsbeladungs- zur Desorptionsregenerationsphase geschaltet wird, vermindert werden. Dies kann nützlich sein beim noch weiteren Reduzieren zyklischer Schwingungen der Sauerstoffkonzentration in der Auslaßleitung 18.
Überdies kann, eher als ein plötzliches Umschalten zwischen Adsorptionsbeladungs- und Desorptionsregenerationsphasen, falls gewünscht und als nützlich befunden, die Vorrichtung 10 so betrieben werden, daß eine Pausenphase vorhanden ist zwischen wenigstens einigen der Adsorptionsbeladungs- und Desorptionsregenerationsphasen, in welcher keine oder eine minimale Gasversorgung oder Produktgas oder Nicht-Produktgas in den bestimmten Behälter, welcher das Siebbett 11 bis 13 enthält, eintreten oder diesen verlassen kann, und/oder eine Überlappungsphase zwischen wenigstens einigen der Adsorptionsbeladungs- und Desorptionsbeladungsphasen, in welcher wenigstens zwei der folgenden Punkte gleichzeitig auftreten: Zuführen von Gasversorgung zu dem Bett 11 bis 13 oder den Betten, Abführen von Produktgas aus dem Bett oder den Betten 11 bis 13 und Abführung von Nicht-Produktgas aus dem Bett oder den Betten 11 bis 13.
Die Siebbetten 11 bis 13 können eine rechtwinklige, zylindrische oder jede andere Form eines Behälters umfassen, der das aktive Siebbettmaterial enthält, wie es am geeignetsten und effizientesten gefunden wird. Während eine Vorrichtung 10 mit drei aktiven Siebbetten 11 bis 13 beschrieben worden ist, wobei die Betten 11 bis 13 außer Phase betrieben wurden, kann eine Vorrichtung 10 mit irgendeiner Anzahl an Siebbetten bereitgestellt werden, und wenigstens einige dieser können, falls gewünscht, in Phase betrieben werden.
Obwohl die Erfindung beschrieben worden ist in bezug auf eine Vorrichtung zum Erzeugen von mit Sauerstoff angereichertem Produktgas zum Atmen in einem Flugzeug, kann die Gastrennungsvorrichtung 10 zum Trennen anderer Gase, falls gewünscht, in anderen Anwendungen, verwendet werden.

Claims

1. Molekularsieb-Gastrennungsvorrichtung (10) zum Trennen von Produktgas von einer Gasversorgung (14), wobei die Vorrichtung (10) wenigstens ein Siebbett (11-13) umfaßt, welches während einer Adsorptionsbeladungsphase eines Zykluses Nicht-Produktgas in der Gasversorgung (14) adsorbiert und in einer Desorptionsregenerationsphase des Zykluses das zuvor adsorbierte Nicht-Produktgas desorbiert, wobei die Vorrichtung (10) weiter ein Auslaßmittel (18) umfaßt, zu welchem Produktgas während der Adsorptionsbeladungsphase geliefert wird, und ein Auslaßmittel (18) für Nicht- Produktgas während der Desorptionsregenerationsphase, ein Sensormittel (36), welches auf die Konzentration eines Bestandteils in dem Produktgas anspricht, und ein Steuermittel (20), um die Vorrichtung (10) zwischen der Adsorptionsbeladungs- und Desorptionsregenerationsphase zu schalten, dadurch gekennzeichnet daß das Steuermittel (20) angepaßt ist, um die Dauer der Adsorptionsbeladungsphase relativ zu der Dauer der Desorptionsregenerationsphase in jedem Zyklus einzustellen, während die Gesamtzykluszeit im allgemeinen konstant gehalten wird während einer Betriebsperiode.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (10) eine Vielzahl an Siebbetten (11-13) einschließt und das Steuermittel (20) angepaßt ist, um die Vorrichtung (10) so zu betreiben, daß bei Verwendung wenigstens eines der Betten (11- 13) immer in einer Adsorptionsbeladungsphase betrieben wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß N Siebbetten (11-13) vorhanden sind, welche zwischen Adsorptionsbeladungs- und Desorptionsregenerationsphasen in gemeinsamen Zykluszeiten geschaltet werden, und die Vorrichtung (10) angepaßt ist, um so betrieben zu werden, daß das Verhältnis von Dauer der Adsorptionsbeladungsphase zur Gesamtzykluszeit in jedem Bett (11-13) immer größer als oder gleich 1 : N ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuermittel (20) angepaßt ist, um das oder jedes der Betten (11-13) der Vorrichtung (10) zwischen den Adsorptionsbeladungs- und Desorptionsphasen durch den Betrieb von Ventilen (21-23, 25-27) zu schalten.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (10) einen Behälter umfaßt, welcher das oder jedes der Siebbetten (11-13) enthält, und wobei wenigstens eines der Ventile (21-23, 25-27) ein aktives Ventil ist, wobei das Ausmaß des Öffnens und Schließens des Ventils (21-23, 25-27), um es der Gasversorgung oder dem Produktgas oder dem Nicht-Produktgas zu erlauben, in den Behälter einzutreten oder diesen zu verlassen, einstellbar ist, und/oder wobei die Geschwindigkeit, mit welcher das Ventil (21-23, 25-27) zwischen geöffneten und geschlossenen Zuständen geschaltet werden kann, variabel ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (10) einen Behälter umfaßt, welcher das Siebbett (11-13) enthält, und wobei am Ende der Desorptionsregenerationsphase des oder jedes der Betten vor der nächsten Adsorptionsbeladungsphase ein Produktgasmittel bereitgestellt ist, um in die Vorrichtung einzuführen, um verbliebenes Nicht-Produktgas aus dem Behälter zu spülen.

7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (10) einen Behälter umfaßt, welcher das Siebbett (11-13) enthält, wobei das Steuermittel angepaßt ist, um die Vorrichtung so zu betreiben, um eine Pausenphase zwischen wenigstens einigen der Adsorptionsbeladungs- und Desorptionsregenerationsphasen bereitzustellen, in welcher Pausenphase es keiner oder einer minimalen Gasversorgung oder Produktgas oder Nicht-Produktgas ermöglicht ist, in den Behälter einzutreten oder ihn zu verlassen.

8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (10) einen Behälter umfaßt, welcher das Siebbett (11-13) enthält, wobei das Steuermittel angepaßt ist, um die Vorrichtung so zu betreiben, um eine Überlappungsphase zwischen wenigstens einigen der Adsorptionsbeladungs- und Desorptionsregenerationsphasen bereitzustellen, in welcher Überlappungsphase wenigstens zwei der folgenden Punkte gleichzeitig auftreten: Zuführung von Gasversorgung zu dem Behälter, Abführung von Produktgas aus dem Behälter und Abführung von Nicht-Produktgas aus dem Behälter.

9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der gewünschte Bestandteil in dem Produktgas Sauerstoff ist und das oder jedes Siebbett (11- 13) Siebbettmaterial enthält, welches fähig ist, Stickstoffgas zu adsorbieren, so daß das Produktgas zum Atmen verwendet werden kann.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (10) in einem Flugzeug bereitgestellt ist und das Produktgas von einem Flugzeugbesatzungsmitglied eingeatmet wird.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuermittel (20) angepaßt ist, um die Vorrichtung (10) so zu betreiben, um eine Sauerstoffkonzentration in dem Produktgas in der Nähe einer Zielsauerstoffkonzentration in dem Produktgas zu erreichen, wobei die Zielkonzentration mit der Höhe variiert.

12. Flugzeug mit einer Gastrennungsvorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche.

13. Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, umfassend die Schritte eines Messens der Konzentration eines Bestandteils in dem Produktgas, und eines Einstellens der Dauer der Adsorptionsbeladungsphase relativ zu der Dauer der Desorptionsregenerationsphase in jedem Zyklus für das oder jedes der Siebbetten (11-13), um eine Konzentration des Bestandteils in dem Produktgas innerhalb vorgegebener Grenzen zu erreichen.