基于氧气输出流速控制氧气浓缩器定时循环的制作方法

本申请要求于2014年3月28日提交的题为“Controlling Oxygen Concentrator Timing Cycle Based on Flow Rate of Oxygen Output(基于氧气输出流速控制氧气浓缩器定时循环)”的共同未决的美国专利申请序列号61/971632的优先权。该临时申请通过引用并入本文且要求到申请日的优先权。

背景技术：

氧气浓缩器通常允许用户(例如患者)基于临床医生的推荐来调整氧气流速。在机械上，这些氧气浓缩器包括用于调节氧气流速的控制方案。氧气浓缩器通常包括用于压缩环境空气以支持产生氧气的压缩机、用于浓缩氧气的一个或多个分子筛床以及用于储存浓缩氧气的氧气罐。

用于这种氧气浓缩器的传统控制方案包括在低氧气流速下的高压分子筛床，这是由于从氧气罐输出的氧气产物的量低。这增加了压缩机上的负荷，从而缩短了压缩机的产品限制使用寿命。此外，传统控制方案在根据固定的预设时间循环(其通常包括预设的高压循环步骤和预设的低压循环步骤)执行氧气生产功能的同时调整氧气流速。通过在所产生的氧气中保留氩气，固定的循环时间不利地在低流量下降低所输送的氧气的纯度，并且不利地在高流量下携带氮气。此外，固定的循环不是针对所有出口气体流速或环境空气条件(例如温度或与高度相关的压力)的任何变化而优化的。

技术实现要素：

控制电路包括变压吸附装置的微处理器，其丰富从气体混合物吸取的气体流；比如氧气浓缩器。微处理器基于以下中的两个或更多个来控制阀控制器的功能：由氧气浓缩器向用户(例如患者)输送的用户可调节的氧气流速、环境温度和环境压力。控制器的功能还通过氧气浓缩器的筛床控制各种气体(例如氮气)的吸附，以产生高纯度氧气产物气体。

还描述了计算机程序产品，其包括存储指令的非暂时性计算机可读介质，其在由一个或多个计算系统的至少一个数据处理器执行时使至少一个数据处理器执行本文的操作。类似地，还描述了可以包括一个或多个数据处理器和耦合到该一个或多个数据处理器的存储器的计算机系统。存储器可以临时或永久地存储使至少一个处理器执行本文描述的操作中的一个或多个的指令。此外，方法可以由或在单个计算系统内或分布在两个或更多个计算系统之间的一个或多个数据处理器实现。

本文所描述的主题提供了许多优点。例如，控制方案允许氧气浓缩器的定时循环针对整个流量设定范围内的所有流量值进行优化，该范围可以是例如每分钟0.5升至每分钟5升。优化的循环导致氧气浓缩器产生针对所有流量值具有比常规浓缩器更高纯度的氧气，特别是对于最佳高流动性能，特别是在流量设定范围的极端情况下。与传统浓缩器产生的纯度较低的氧气相比，较高纯度的氧气对患者更有益。此外，控制方案能够实现低的氧气流速。由于快速优化的循环，这些低流速保证了压缩机上的低压负荷，从而提高了压缩机的可靠性。由于压缩机通常是最常需要修理的氧气浓缩器的部件之一，所以压缩机的增加的可靠性可以提供显著的成本节约以及提供氧气浓缩器的改进的功能质量，包括在环境温度和压力的宽范围的条件下。

在一个方面，公开了一种气体浓缩器系统，包括：气体压缩机，其接收和压缩环境空气以提供加压气体混合物的供应；至少两个气体分离筛床，其配置为从所述压缩机吸附来自所述加压气体混合物的至少一种气体种类，以便提供富集气体产物，其中所述气体分离筛床在加压和排气周期之间循环；第一和第二阀，其独立地调节加压气体混合物到筛床的流动；流体管线，其联接到所述气体分离筛床，所述流体管线向出口提供所述富集气体产物；至少两个传感器，其联接到所述流体管线，其中所述至少两个传感器是以下中的至少两个：(a)流速传感器，其测量通过所述流体管线的富集气体产物的流速；(b)温度传感器，其联接到所述流体管线，其中所述温度传感器测量环境温度；以及(c)压力传感器，其联接到所述流体管线，其中所述压力传感器测量环境压力；以及控制器，其基于所测量的流速、环境温度和环境压力中的至少两个来选择性地控制所述第一和第二阀，以控制所述筛床的加压和排气周期中的任一个。

在附图和以下描述中阐述了本文所描述的主题的一个或多个变型的细节。通过说明书和附图以及权利要求书，本文描述的主题的其它特征和优点将是显而易见的。

附图说明

图1示出了执行控制电路以控制由氧气浓缩器产生的氧气流的氧气浓缩器；

图2示出了氧气浓缩器的控制电路；以及

图3示出了氧气浓缩器的控制电路的替代实施方式。

各个附图中相同的附图标记表示相同的元件。

具体实施方式

公开了一种气体浓缩器系统，其包括控制器，该控制器基于所测量的气体流速、所测量的环境温度和所测量的环境压力中的至少两个来选择性地控制通过两个或更多个筛床(sieve beds)的加压气体混合物的循环的至少一部分；以便降低或优化压力和相关的压缩机负荷，以获得最佳效率、成本、尺寸或所关注的其他设计参数或者这些的组合。控制器可以在加压模式、均衡模式和排气模式之间改变循环时间和切换时间，以便减少峰值压力和压缩机负荷。在一实施例中，系统包括两个或更多个独立的阀，其控制加压气体混合物到筛床流动。在这点上，控制器基于所测量的流速、环境温度和环境压力中的至少两个来选择性地控制两个或更多个阀，以控制筛床的加压和排气周期中的任一个。该系统还包括气体压缩机，其接收和压缩环境空气以向一对气体分离筛床提供加压气体混合物供应，所述气体分离筛床从加压气体混合物吸附气体物种，以便提供富集气体产物。

本文通过使用非限制性示例描述了该系统，其中富集气体产物是氧气或氮气，尽管富集气体产物可以变化并且可以是多种气体中的任何一种。在非限制性示例中，该系统用于将诸如氧气的气体引导至患者用于吸入。在另一非限制性示例中，氮气被引导到饮料输送系统。在另一非限制性实例中，富集气体产物是甲烷，且甲烷被引导到冷凝器。

图1示出了气体浓缩器系统的示意图，其中压缩机将加压气体施加到两个或更多个分离元件比如筛床，以从加压气体吸附至少一种气体种类来提供富集气体产物。为了描述的目的，在本上下文中描述的系统是氧气浓缩器系统，其使用于氧气供应的加压气体混合物通过阻挡氮气流的一对筛床。应当理解的是，这是一个示例，并且该系统不限于用作氧气浓缩器。

参考图1，系统100包括气体入口101，诸如环境空气的气体可通过气体入口101流入系统100。该系统还包括出口103，气体产物可通过出口103输送到患者。该系统包括具有管腔的一个或多个流体管线，气体可以通过该管腔从入口流向出口。一对筛床110(或其它气体分离元件)沿着气体入口101与气体出口103之间的流动路径定位。应当理解的是，该系统中还可以使用多于两个筛床。流体控制阀108调节到筛床110的气流，如下面更详细描述。控制阀108可以是各种类型中的任何一种，例如包括电磁阀或旋转阀。

阀108连通地联接到阀控制器134，阀控制器134联接到微处理器132。此外，系统100包括联接到系统100和/或阀控制器134的环境温度传感器124和环境压力传感器130。该系统还包括测量朝向气体出口103的气体流速的流速传感器122。如下面进一步详细描述，控制器134至少基于所测量的流速、所测量的环境温度和所测量的环境压力中的至少两个而选择性地控制筛床的加压、均衡和排气的周期。除了用于加压、均衡和排气的任何组合的总循环时间之外，控制器可以控制在一个循环内彼此独立的筛床的加压，均衡和/或排气的时间周期。

系统100还可以包括辅助气体浓缩功能的其他部件。例如，空气压缩机104定位在空气入口102与筛床110之间的流动管线中。空气压缩机104在来自入口的空气进入筛床110之前对其进行压缩或加压。过滤器102也可以定位在用于过滤气体的流动管线中。系统100还包括吹扫或排气出口106，富含氮气的气体可以通过其从系统排出，如下面更全面地描述。

仍参照图1，筛床110可以具有通过校准的交叉孔112连接在一起的出口端口，该交叉孔允许富含氧气的气体的受控流动从最高压力筛床流动到最低压力筛床，从而平衡筛床之间的压力。一对止回阀114调节从筛床流向氧气产物罐116的流体。压力调节器118可定位在氧气产物罐116与气体出口103之间的流动管线中。压力调节器118使富含氧气的产物气压降低，以减少患者的高压风险。

其它部件可以定位在流动管线中或者联接到流动管线，例如包括止回阀120、一个或多个过滤器128以及流量计126。当通过消除气体回流而关闭单元时，止回阀120隔离筛床110。应当理解的是，系统100中可以包括其他部件，并且系统100不限于图1所示的具体构造。

下面对系统100的操作进行描述。环境空气通过空气入口102流入空气压缩机104。空气压缩机104向两个或更多个阀108提供过滤的、压缩的(加压的)空气，阀108控制压缩空气到筛床的流动。每个筛床部分地填充有合适的过滤材料，其允许一种类型的气体通过同时阻挡另一种类型的气体通过。在该非限制性示例中，筛床110允许氧气通过同时保留氮气。还可以吸附除氮气以外的气体，比如氩气。

通过使用来自流量传感器122、环境温度传感器124和环境压力传感器130中的至少两个的传感器输入，阀108联接到阀控制器134和微处理器132和/或由它们控制。根据加压/分离模式、均压模式和排气/吹扫模式，空气被循环地引导通过每个筛床110。根据操作的一个方面，控制器基于所测量的流速、环境温度和环境压力选择性地控制筛床的加压、均衡和排气的周期中的至少一个，以便降低峰值压力和压缩机负荷。也就是说，控制器可以独立地控制加压、均衡和排气的周期或每个周期的任何方面，并且还可以控制整个循环的周期。控制器可以基于所测量的流速、环境温度和环境压力中的至少两个来控制。

控制器134控制阀108，以将每个筛床的入口侧连接到空气压缩机104，用于分离通过该筛床或至吹扫出口106的气体，以便选择性地将筛床通风到大气。阀可以由控制器独立地控制，使得任何阀可以独立于任何其它阀操作。在一种操作模式中，阀操作成供给第一筛床的入口侧，并通过使其入口侧排气来吹扫第二筛床。在压力均衡模式中，阀阻塞每个海床的入口侧以通过交叉孔口112进行压力平衡。在下一模式中，阀供给第一筛床的入口侧，并通过使其入口侧排气来吹扫第二筛床，然后阀进行另一个循环，其中它们阻塞两个床的入口侧以进行压力均衡。

根据分离模式，筛床交替地操作以将氮气与空气分离，以便产生富氧气体产物。每个筛床通过允许氧气流过并阻断氮气流而用作筛子。在操作的筛床被氮气饱和之前，控制器134操作阀108，以将不同的筛床连接到压缩机104，用于产生富氧气体流，且饱和的筛床被切换到吹扫模式。在吹扫模式中，饱和的筛床的入口通过排气出口106排气到大气。筛床的出口通过交换孔112连接在一起，这允许加压富氧产物气体的有限流在吹扫模式下流动到饱和的筛床，以从饱和的筛床驱除氮气。在从筛床吹扫氮气之后，可以关闭排气入口侧，以允许压力在吹扫的筛床被切换到分离模式之前在压力平衡模式下在筛床之间平衡。

来自筛床的富氧空气流入并收集在氧产物罐116中。氧产物罐116通过压力调节器118、可变面积流量计126和过滤器将富氧气体输送到患者。通过使用流量传感器122、温度传感器124和环境压力传感器130，微处理器132可以导出定时值，以通过使用预定公式来启动和停用阀控制器134。

本文所述的氧气浓缩器可以包括变压吸附(PSA)和/或真空PSA(VPSA)气体浓缩器，其中VPSA循环还包括用于排气步骤的泵，以将床压力降低到环境水平以下，以便在筛床中具有更大的容量。

图2示出了氧气浓缩器的控制电路200，并且示出了系统100的高级示意图。控制电路200包括压缩机104、分子筛床110、气体产物罐116、控制器134、微处理器132、流量传感器122、温度传感器124和环境压力传感器130。在一个示例中，微处理器132和流量传感器122可以在单个电路板上实现。在另一示例中，温度传感器124和环境压力传感器130还可以在该相同的电路板上实现。例如，控制器134可以是由微处理器132控制的电机或电磁阀108。

当富氧气体从气体产物罐116提供给患者时，流速传感器122测量富氧气体的流速。温度传感器124测量环境温度。环境压力传感器130测量环境压力。微处理器132接收输送给患者的富氧气体的流速、环境温度和环境压力的值。微处理器132然后基于所接收的流速、环境温度和环境压力的值来执行计算，以控制由控制器134启动和停用阀108的定时。在一个实施例中，微处理器包括软件模块，其允许控制器控制阀门的方式和/或筛网的操作周期被改变。以这种方式，控制器操作可以通过使用软件解决方案来改变，而不必机械地操作阀。

通过根据下面参考的数学方程(其是非限制性示例)，基于输送到患者的氧气控制氧气净化，在低氧气流速下压缩机中的压力增加和在筛床净化的氧气纯度的降低可以得到减小。在一个示例中，通过控制器134打开电磁阀108(将压缩空气供应到筛床)的时间量可以基于如上所述的输入且在功能上如下面示出：

V_开启时间＝(T_环境)(P_环境)(Ax²+Bx+C)

其中：

V_开启时间＝阀保持开启时间，秒

T_环境＝环境温度，℃

P_环境＝环境压力，psia

x＝当前流速，lpm

A,B和C＝实验确定的常量

在一些替代实施方式中，温度传感器124和环境压力传感器130可以是可选的，并且可以基于控制电路200的位置而被包括。例如，温度传感器124和环境压力传感器130可以仅在高幅值(即当控制电路200在高于阈值的幅值执行时)包括在控制电路中。在这样的实施例中，控制器基于幅值优化筛床的操作周期。

图3示出了氧气浓缩器302的控制电路300的替代实施方式的一个示例。控制电路300的功能类似于控制电路101，除了通过使用电机速度控制器304控制空气压缩机104的输出之外。微处理器132可以基于来自流量传感器122、温度传感器124和环境压力传感器130的输入来确定空气压缩机104需要操作以获得最佳性能的最佳速度。此外，上述所实现的附加控制可以与控制电路101一起使用。

在数字电子电路、集成电路、专门设计的专用集成电路(ASIC)、计算机硬件、固件、软件和/或其组合中可以实现/实施本文描述的主题的各种实施方式。这些各种实施方式可以在一个或多个计算机程序中实现。一些实施方式可以使用微机电系统(MEMS)来执行。这些计算机程序可以在可编程系统上执行和/或解释。可编程系统可以包括至少一个可编程处理器，其可以具有特殊目的或通用目的。至少一个可编程处理器可以耦合到存储系统、至少一个输入设备和至少一个输出设备。至少一个可编程处理器可以从存储系统、至少一个输入设备和至少一个输出设备接收数据和指令，并且可以向它们发送数据和指令。

这些计算机程序(也称为程序、软件、软件应用或代码)可以包括用于可编程处理器的机器指令，并且可以以高级过程和/或面向对象的编程语言、和/或以汇编/机器语言来实现。如本文中可使用的，术语“机器可读介质”可以指用于向可编程处理器提供机器指令和/或数据的任何计算机程序产品、装置和/或设备(例如磁盘、光盘、存储器、可编程逻辑器件(PLD)，包括可以接收机器指令作为机器可读信号的机器可读介质。术语“机器可读信号”可以指用于向可编程处理器提供机器指令和/或数据的任何信号。

虽然上面已经详细描述了一些变型，但其他修改也是可能的。例如，在附图中描绘和本文描述的逻辑流程不需要所示的特定顺序或顺序次序来实现期望的结果。其他实施例可以在所附权利要求的范围内。