分离氧气的装置和方法

专利名称：分离氧气的装置和方法
技术领域：
本发明涉及氧气分离领域。特别地，本发明涉及利用产生等离子体在治疗学应用的氧气分离的领域。
背景技术：
氧疗是作为治疗物理疗法的给氧。它广泛用于慢性和急性病人护理的各种目的，因为它对细胞新陈代谢是重要的，并且，相应地，组织氧合对于所有的生理功能是重要的。氧疗可通过增加到肺的氧气供应从而增大到身体组织的可用氧气，尤其是当患者遭受缺氧和/或低氧时，从而使得患者受益。氧疗可以用在医院场合，或者用于家庭监护中。氧疗的主要家庭监护应用是对于具有严重的慢性阻塞性肺病(COPD)的患者。氧气可以以许多方式给送。优选的给氧方式分别是由所谓的按需产氧或者就地产氧给出。对此，商业解决方案，即所谓的氧气浓缩器，或者分离器，分别已广为人知。这些氧气浓缩器主要从包含氧气的气体中分离氧气，以使得氧气按需提供，也就是，在使用前才提供。最熟知的氧气浓缩器需要压缩机以压缩包含氧气的气体。而且，必须产生氧气，优选地纯氧气。因此，最熟知的氧气浓缩器包括膜，特别地有机膜，分子筛等类似物，以从包含氧气的气体中分离氧气。已知的氧气浓缩器的一个主要缺点是由于生产和操作所述装置所致的高成本。而且，包含氧气的气体的不期望成分，主要是氮气，被吸附在膜上，从而导致需要所谓的摇摆工艺(swing process),通过该工艺,被吸附的气体从膜上脱附。在脱附步骤过程中,氧气的分离是不可能的，因此需要两个膜来以反周期的方式工作，这进一步增大了成本。除此之夕卜，压缩机大多嘈杂，从而导致便利性降低，尤其是当整晚使用氧气浓缩器时。而且，产生的氧气是未消毒的，因此，通常期望或者有必要采取进一步的消毒措施。传统的氧气浓缩器是大体积且笨重的，并需要患者和家庭监护提供者持续的维护。这样的装置产生噪音和热量。而且，期望降低成本(压缩机单元对成本的贡献显著)，例如周期性的购买成本以及维护成本。

发明内容
本发明的目的之一是提供一种用于分离氧气的装置和方法，其克服上述的不利因素的至少之一。本发明的进一步的目的是提供一种成本节省并改善关于维护和噪音的便利性的分离氧气的装置和方法。该目的通过一种用于从含氧气体分离氧气的装置实现，该装置包括:膜单元和电极单元，其中膜单元包括多孔基板、致密膜和至少一个电极，其中所述多孔基板朝向所述电极单元，并且其中所述电极单元包括至少一个电极，所述至少一个电极包括至少一个可旋转的电极翼，该电极翼至少部分地导电。本发明提供很适合通 过利用等离子体的生成从含氧气体分离氧气的装置。
本发明是基于这样的意想不到的发现:通过利用等离子体来加热和压缩含氧气体，以及利用类似于特别是无机膜的致密膜来从含氧气体分离氧气，这二者的组合导致令人惊喜的且非常有益的协同效应。通过产生等离子体，含氧气体在一个步骤中被压缩和加热。这实现如下优点:无需用于加热和加压含氧气体的单独的装置或者膜等。与此相反，气体具有足够高的温度以加热膜，从而使得足够高的氧气流动通过所述膜。因此，通过利用等离子体来压缩具有升高温度的该被压缩的含氧气体非常适用于与无机膜组合使用。而且，根据本发明的装置工作时噪声降低，从而实现明显的便利性提高，尤其是在家庭监护应用中。该便利性通过以下事实甚至更为改善:通过提供如前所述的电极来产生用于加热和加压含氧气体的等离子体，根据本发明的装置具有减小的尺寸和重量，这特别有利于家庭监护应用。此外，根据本发明的装置的操作实现氧气更低成本地被分离，这是因为这样的事实:这样的装置可以设计为比现有技术中已知的传统的氧气分离器便宜很多，而且，能量效率与现有技术中已知的方法相比提高。根据本发明的装置的进一步的优点在于生成无菌氧气。无需额外的消毒或者灭菌步骤。根据本发明，提供无菌氧气的按需生成。而且，通过提供具有电极的膜单元，其中膜单元的基板朝向电极单元，可以获得若干有益效果。通过提供包括电极的膜单元以及包括可旋转电极翼的电极单元二者，电极单元和膜单元的密切耦合可以得以实现。根据本发明，它使得能够在膜单元的基板的孔内部产生等离子体。这允许实现非常有效的分离状态。此外，电极单元和膜单元的密切耦合实现降低不必要的热损失。具体地，等离子体不仅用于压缩含氧气体，而且还用于加热含氧气体以相应地加热膜到它的操作温度。因此，含氧气体应当优选被加热到高于膜的所述操作温度的温度。由于电极单元和膜单元的密切耦合，气体可以至少部分地在如此的膜单元中被加热，从而直接接触膜，从而不产生或者仅产生非常少的热量损耗。此外，耐热阀的提供可以被省掉，耐热阀用于在膜的供料侧产生超压以迫使气体流动通过膜。这允许根据本发明的装置以容易且成本节省的方式形成。由于包括可旋转电极翼的电极单元和包括进一步的电极的膜单元的组合，根据本发明的装置可形成为非常紧凑。因此，它非常适用于家庭监护应用，尤其是适用于用于分离氧气的便携装置。在下面，形成的气体被定义为氧气。但是，尽管通过利用根据本发明的装置可以形成高达100%的高纯度的氧气，但是所形成的氧气可以包括一些杂质，这也是在本发明的范围内。因此，术语氧气包括其中氧气为主要成分的气体混合物。根据本发明的装置因此提供成本、价格、保养和噪音方面的优势。在本发明的一优选实施方式中，多孔基板的孔由连续通道形成。这实现在紧邻膜的位置点燃和保持等离子体。该实施方式因此实现了被加热和加压的含氧气体与膜的紧密接触，这对于加热膜以及提供迫使氧气流动通过膜的压力是有利的。据此，根据本发明的装置可以非常有效地进行操作。
在本发明的进一步优选的实施方式中，多孔基板的孔具有> O, 02毫米的直径。这实现含氧气体的适当量被导引到孔中，从而允许形成有效的等离子体。换句话说，这些尺寸改善根据本发明的装置的效率。在本发明的进一步优选的实施方式中，电极形成为设置在多孔基板的孔内部的导电层。这对于在电极之间产生等离子体是尤其优选的配置。具体地，由于多孔基板朝向可旋转电极的事实，等离子体可以以尤其有效的方式直接地产生在孔内部。此外，这允许依据待形成的等离子体的特征来设计孔。结果，可以良好地调节根据本发明的装置所被操作的条件。在本发明的进一步优选的实施方式中，膜是基于具有钙钛矿结构或者萤石晶体结构的材料。尤其优选的是，膜是基于钙钛矿，该钙钛矿选自SivyBayCcvxFexCVz,其可以未掺杂或者掺杂有供体或者受体AahSryFehCrxCVz,其可以未掺杂或者掺杂有铌、镁、钛或者镓Jr1IxBayLaxCcvi^FebCreCVz,其可以未掺杂或者掺杂有例如供体或者受体，诸如铌、镁、钛或者镓！BahSrxTiCVz,其可以未掺杂或者掺杂有诸如猛、铁、铬的供体或者受体,或者任何其它的掺杂化合物；以及PbZivxTixCVz,其可以未掺杂或者掺杂有诸如铁、铌、镧、铬的供体或者受体；或者任何其它的掺杂化合物。这种类型的陶瓷化合物呈现良好的气体通量并且具有关于氧气的优秀选择性。具体地，如果包括该组分的膜的上游侧受到例如空气的超压，它将仅让氧气通过。因此，可以产生高达100%纯度的氧气。在本发明的进一步优选的实施方式中，覆盖层安置在基板的一个或者两个侧面上。对此，覆盖层可以优选地由氮化硅或者玻璃形成。这尤其实现抑制存在于膜中的组分与存在于基板中的组分的反应。具体地，作为膜的适当组分的钡与作为基板的适当组分的硅的反应可以得以抑制。此外，如果设置在与膜相对的基板的侧面，覆盖层可分别有助于以期望的方式形成或者成 形基板的孔，从而用作例如掩膜。特别地，覆盖层可以为致密的或者多孔的，并可以通过任何的沉积技术，例如热氧化施加。氮化硅层被通过任何的沉积技术例如化学蒸汽沉积施加。玻璃层例如为旋转涂布(spin-on)玻璃层。在本发明的进一步优选的实施方式中，阻挡层设置在膜和覆盖层之间。该阻挡层优选地包括选自氧化娃、氧化钛、氧化镁、氧化错、钛酸错、氧化招和氧化钽或者其任何组合的组的材料。阻挡层可以通过任何沉积方法，例如氧化物反应溅射或者金属溅射，随后进行热氧化，旋转涂布或者化学蒸汽沉积而施加。它可以用作覆盖层和膜之间的中间层，如果膜和覆盖层由彼此一定程度上相互反应的材料形成。在本发明的进一步优选实施方式中，在膜单元的上游设置吹风机。这允许更多气流被传送到电极单元以及因此到膜单元。根据本发明的装置的效率因而可以得以改善。在本发明的进一步优选的实施方式中，加热装置，特别是热交换器，设置在膜单元的上游。加热装置使得能够预热包含氧气的气体，从而减少通过等离子体必须输入给包含氧气的气体的热能的量。通过设置热交换器，后者从而可使用被耗尽其中的氧气并在分离周期后离开膜单元的气体的热量。因此可以减少用于操作根据本发明的装置所需的能量输入。在本发明的进一步优选的实施方式中，冷却装置设置在膜单元的下游。这允许冷却产生的氧气到它可以被直接使用的温度范围。对此，尤其优选的是，可以分别按需或者就地使用根据本发明的装置。冷却装置因而可以连接到设置在等离子体生成单元上游的热交换器。这实现根据本发明的装置的尤其成本节省的操作。本发明还涉及用于从含氧气体分离氧气的方法。该方法包括步骤:提供根据本发明的装置，电极单元与含氧气体流体连通，旋转至少一个可旋转电极翼，以及施加电压到电极和至少一个可旋转电极翼以在多孔基板的孔中产生等离子体。根据本发明的方法提供类似于关于根据本发明的装置所描述的优点。在本发明的优选实施方式中，> IOOff到彡350W的功率用于产生等离子体。该功率足以在孔内部产生有效的等离子体，从而为能量节省的。这允许甚至在家庭监护应用中使用根据本发明的方法。在本发明的进一步优选的实施方式中，使用每分钟> I升/分钟的氧气通量。该通量对于大多数应用，例如治疗应用是非常可用且足够的，而且甚至可以在家庭监护应用中良好地提供。


本发明的这些和其它的方面将参照在此及后描述的实施例变得明显并被阐明。在附图中:图1示出根据本发明的装置的截面侧视图；图2示出在A-A’平面中的可旋转电极的顶视图；图3示出膜单元的一个实施方式；图4示出膜单元的进一步的实施方式；

图5示出膜单元的进一步的实施方式。
具体实施例方式在图1中，根据本发明的装置10被示意性地示出。根据本发明的装置10特别适于从含氧气体分离氧气。装置10因此可以分别为氧气分离装置或者氧气浓缩器的一部分。装置10非常适于例如在家庭监护应用中的氧疗。但是，装置10并不限于治疗应用，而且还适用于各种类型的氧气生成。作为进一步的示例性应用，它可以涉及在飞机中的氧气生成。根据本发明的装置10包括膜单元12。膜单元12包括膜14。膜14优选地为氧气分离膜。在此情形中，它的目的是从含氧气体的剩余组分中分离氧气，从而提供氧气流，所述氧气流有利地为100%纯度的氧气流。这示意性地通过箭头16示出。大多地，主要的剩余组分是氮气，尤其是在当空气被用作含氧气体的情形中。为了得到充分的分离结果，因此重要的是，膜14是非常致密的。致密膜14特别地为可选择性地渗透氧气的膜，但严格地或者至少实质性地不可渗透其它气体，尤其是氮气。膜14可以或者为纯氧传导膜，或者为混合离子-电子传导膜。一般地，必须施加力以使得氧气传递通过膜14。这可以为电力。但是，优选地，氧气由于膜14的供料侧和透过侧之间的压差而通过膜14，如将在下面变得明显的。膜单元12进一步包括设计来适于产生等离子体的电极18，如将在下面变得明显的。根据图1，电极18可以形成为安置在膜14的供料侧，换言之在膜14的上游侧的导电层。而且，膜14由多孔基板20支撑。多孔基板20包括孔22，其优选地形成为贯穿基板20的全部厚度的连续通道。膜单元12的详细讨论将在下面参照图3-5进行。多孔基板20朝向电极单元24。该电极单元24安置为直接邻近基板20。它优选为盘状的，并包括至少一个可旋转的电极翼26和在电极翼26的平面中的气隙28。但是，最优选地，电极24包括多个可旋转的电极翼26和安置在翼之间的气隙28。优选地，至少一个电极翼26至少部分地由钼、钯、铱或者金属氧化物，特别地SrRuO3或者SrRhO3,或者上述化合物的合金形成。这些化合物尤其适于在形成等离子体中用作电极。此外，这些化合物在大多数含氧气体中甚至在通过所述等离子体产生的升高的温度下都是稳定的。至少一个电极翼26因此可以通过在电极翼26的表面上设置导电层而为导电的。这优选地可实现在朝向膜单元12的侧面上。所述层因此可以包括上述化合物之一。这允许电极翼26由任何适当的材料形成。导电层因此提供电极的特征。这实现如此的可旋转的电极翼26以及根据本发明的装置10能够以成本节省的方式制备。作为替代方案，如此的电极翼26可以由所述材料形成。这实现尤其容易地生产电极翼26。可旋转电极翼26的表面和基板20之间的距离应当小于孔22的直径以具有用于点燃和保持等离子体的尤其优选的条件。出于该原因，额外地，在可旋转电极翼26的表面和基板20之间的距离应当短于孔22的长度，例如基板20的厚度。此外，翼26的传导表面应当大于各气隙28的表面。电极单元24的顶视图示出在图2中。根据图2，电极单元24以非限定性的方式包括四个电极翼26以及因此还包括安置在翼之间的四个气隙28。在气隙28后面以及因此在电极单元24后面，可以看到多孔基板20以及安置在那里的孔22。由于电极翼26是可旋转的的事实，膜单元12的区域以交替的方式被翼26覆盖或者通过气隙28打开。电极翼26，或者多个翼26，分别地特别地在朝向膜单元12的侧面上至少部分地为导电的。因此，电极 翼26可用作用于产生等离子体的电极。具体地，与膜单元12中的电极18 一起，可旋转电极翼26形成多个小的等离子体泵。电极单元24以及在膜单元12中的电极18因此主要目的是在它们之间产生等离子体，从而加热和加压含氧气体以从气体中分离出氧气。回过来参照图1，因此，用于分离氧气的装置10可以如下地以优选和示例性的方式工作。含氧气体，特别地空气，被导引到电极单元24。为了将含氧气体输送到电极24，吹风机30可以设置在电极单元24的上游。吹风机30可增加分别到电极单元24或者其供料侧的含氧气体流。此外，在吹风机30的下游，可以设置加热装置32，特别地热交换器。加热装置32通过预热含氧气体例如空气而改善装置10的能量效率。后者然后被导引到电极单元24。这通过箭头34示意性地示出。然后可执行氧气分离步骤。为了实现氧气分离，可旋转电极翼26分别在膜单元12或者基板20的前面旋转。在气隙28的区域中，新鲜空气分别通过电极翼26或者电极单元24，并被分别导引到膜单元12中以及孔22中，这示意性地由箭头36示出。在这个阶段，气体可以具有常压，也就是大约I巴。在膜单元12的电极18和电极翼26连接到在此未示出的电源的情形中，等离子体被点燃并且在翼26和电极18之间燃烧，因而在孔22内部燃烧。这由箭头38示意性地示出。一般地，对于产生等离子体，相当少量的能量输入就足够了。具体地，取决于温度和膜条件，彡IOOff到彡350W的功率输入对于在透过侧上产生彡I升/分钟的氧气流，特别是每分钟几升的氧气流，会是足够的。该范围的功率输入非常适于家庭监护应用。但是，一般地，存在若干产生等离子体的模式。特别地，可以使用直流等离子体，交流等离子体，RF等离子体，脉冲等离子体等。提供等离子体导致升高的温度。由于翼26以及气隙28是旋转的事实，被充注新鲜空气的孔22闭合并且在等离子体生成期间由翼26相对于周围空气进行密封。膜单元12的孔22中的含氧气体或者其基板20因此分别被加热和加压。示例性地，由于由等离子体所致的高达900K温度的升高的气体温度，压力因此可以增加到大于I巴的值，特别地3巴。由于超压，含氧气体被压靠到膜14，从而通过流动通过氧气分离膜14而导致氧气被分离，从而形成基本纯净的氧气流16。由于电极翼26是旋转的事实，在下一阶段中翼26随后跟随着气隙28。归因于仍存在于孔22中的超压以及当气隙28位于各个孔22的前面时等离子体继续燃烧一个短的时间段，氧气耗尽的气体移出孔22。这通过箭头44示意性地示出。因为在翼26不再存在于该区域中的情形下等离子体将熄灭，氧气耗尽的气体将冷却，这在孔22中产生低压，特别地〈〈I巴的压力，从而导致新鲜空气被吹入孔22中。随后，可以通过随后的翼26或者如果仅使用一个翼的话则通过同一翼26，而开始另一周期。电极单元，或者旋转电极翼26，因此可以分别用作负责保持加压空气在孔22中以及实现气体交换的阀。在各个孔22中产生等离子体的开始和结束因此分别通过电极单元24或者至少一个翼26的旋转而限定。但是，如果需要，可以增加循环的点燃脉冲。一般地，彡10kV/cm的电场强度应当用于点燃(再次点燃)孔中的等离子体。在此情形中，翼26或者多个翼26的表面可以被结构化。具体地，导电材料的区域可以在旋转方向跟随有非导电材料区域。由于各区域的尺寸，点燃脉冲可以被调节到期望的应用。例如，点燃电压可以分别在引导区域(leading area)或者条带(stripe)处产生,而等离子体供应电压可以在剩余的导电表面产生。
根据上面，电极单元24用作气体泵。尽管由于电极翼26的旋转它以不同的周期工作，但是由于优选高频率的工作周期，它可以产生含氧气体的直接且连续的流动。结合翼26的数量以及它们的尺寸，转动频率可以被调节到要求的应用。它可以在大约100Hz。摇摆工艺不是必需的，因为氮气并不吸附到膜14，因而不会限制关于氧气的渗透条件。为了收集产生的氧气流，管40分别连接到膜单元12或者膜14。当然，优选地，管40以气密的方式被密封以允许导引全部的产生的氧气到期望的应用。而且，气体泵可以设置在管40内部以导引分离的氧气到期望的应用。此外，在膜14的下游，可以设置冷却装置42用于冷却分离的氧气流。冷却装置42可以例如安置在管40中，或者与管40流体连通。相应地，在装置10以特别优选的方式在就地工艺中使用的情形中，氧气可以直接使用，或者，氧气可以存储在适当的容器中。产生的氧气的温度可以调节到接近于在期望应用中所需的温度的范围，或者恰好在所述温度，所述期望的应用可以例如为医疗应用或者治疗应用。冷却装置42优选地连接到作为加热装置32的热交换器以进一步提高够根据本发明的装置10的效率。所有部件当然可以相对于环境空气被密封，和/或它们可以连接到各自的适当的能量源。此外，如果适当的话，可以提供适当的隔热。例如，电极单元24以及膜单元12可以设置在用于热绝缘这些部件的壳体内部以为了提高效率。参照图3-5，描述膜单元的不同实施方式。在图3中，膜单元12被示意性地示出。膜单元12有利于点燃和保持等离子体的工艺，因此对于根据本发明的装置10是重要的。根据图3的膜单元12包括作为一个重要部件的膜14。类似于上面的描述，为了从含氧气体分离氧气，膜14是致密的。因此，它可以选择性地渗透氧气。为了实现这些属性，膜14可以是包括被选取的无机氧化物的固体的陶瓷膜。优选的膜14是基于钙钛矿或者萤石晶体结构的。作为一个例子，钙钛矿可以选自Sr1_yBayCo1_xFex03_z,其可以未掺杂或者掺杂有供体或者受体^a1ISryFehCrxCVz,其可以未掺杂或者掺杂有铌、镁、钛或者镓^1IxBayLaxCcvbIFebCrcXVz，其可以未掺杂或者掺杂有例如供体或者受体，诸如银、镁、钛或者镓；BahSrxTiCVz,其可以未掺杂或者掺杂有诸如猛、铁、铬的供体或者受体，或者任何其它的掺杂化合物；PbZr ^xTixCVz，其可以未掺杂或者掺杂有诸如铁、铌、镧、铬的供体或者受体，或者任何其它的掺杂化合物。作为优选的例子，钙钛矿有关的材料Baa5Sra5Coa5Fea2CVs (BSCF)是非常适合的。作为替代方案，例如，可以使用Sr0.5Ba。.5Co。.8Fe。.203_x 薄膜。这是这些类型的无机膜14的一般属性，即，它们在室温下对于所有气体完全不可渗透，但是当加热到升高温度时允许氧气分子通过。主要地，高于700K的温度对于仅小尺寸的膜的要求实现良好的氧气流动是必需的。例如，上述BSCF可以以示例性的方式在1275K产生13ml/cm2分钟 的氧气流，其中小的膜厚度是足够的。一般地，膜14具有在
0.1 μ m-50 μ m的范围的厚度会是足够的。这允许形成紧凑的装置10，以及通过膜14的高的气体通量。此外，对于加热薄的膜，需要更少的热量。膜14由多孔基板20支撑。基板20可以例如由硅、玻璃、石英或者氧化铝形成。但是，也可以使用任何其它的基板20，例如金属基板。基板可以具有>50微米且< I毫米的厚度，特别地> 100微米且< 650微米的厚度。这允许基板20为稳定且紧凑的，从而允许根据本发明的装置10例如用于便携家庭监护装置中。在基板20中，可以形成孔22。具体地，优选地，基板20包括柱46，其中，可以在基板20中设置限定的连续通道作为孔22，用于产生与膜14受控接触的气体。这可以例如通过蚀刻或者喷砂处理基板20实现。一般地，可以施加微机加工。柱46可优选地具有50微米到< I毫米的宽度，特别地> 200微米到(800微米的宽度，以使得能够以足够高稳定性地获得良好的气体流动。基板20优选地具有5%和90%之间，特别地20%和80%之间的多孔性。这实现非常高的气体通量通过膜单元12。此外，基板20还包括足够大尺寸的足够的柱46以避免膜单元12不稳定。尽管多孔性可因此主要由良好限定的通道形成，也可以在与限定的通道相邻的基板20内部，也就是在柱46中，提供限定的多孔性。这可以分别通过如此的基板材料的多孔性或者柱46的多孔性形成。由于通道通过适当的工艺提供的事实，它们被良好限定且实现例如空气流对膜14的良好的限定的且受控的接触。良好限定的通道，或者限定的通道，因而应分别意味着，通道的结构和尺寸根据要求的需要而成形。它们因此可以根据期望的应用进行布置和适配。具体地，它们可以具有彡30微米到< 5毫米，特别地彡100微米到< 800微米的宽度。但是，最优选地，通道或者孔22分别具有> O, 02毫米的直径。
根据本发明的装置10因此适于形成有效的氧气生成系统，从而允许高且良好限定的气体通量，而且实现用于处理甚至薄的膜14的稳定系统。为了允许等离子体如上所述地生成，膜单元12包括电极18。根据图1和图3，电极18形成为安置在基板20和膜14之间的薄层48。电极18可至少部分地由钼、钛、和铱或者金属氧化物，特别地氧化铱、SrRuO3或者SrRhO3或者前述化合物的合金形成。但是,任何其它的电极也是可以的。作为替代，基板20可以直接连接到膜14，而形成电极18的层48可以安置在膜14的下游侧，也就是在背对基板20的侧面。独立于形成电极18的层48的确切位置，重要的是，电极18使得能够在电极18和至少一个可旋转电极翼26之间产生等离子体，但是它并不阻碍氧气流动通过膜14。相应地，如果位于基板20和膜14之间，它可以仅定位在柱46的区域中，或者在柱46和膜14之间，从而接触孔22。因此，它将不会妨碍氧气流动通过膜14。如果它定位为在整个表面上与膜14相邻，层48可优选地为多孔的以允许氧气无阻碍地流动通过所述层48。作为替代配置，层48可设置孔以使得气体能够流动。因此它可以设计为例如筛子。层48在膜14的渗出侧的布置同样如此。主要优选地，层48位于整个表面上。在此情形中，它可以提供例如筛子形式的整体，或者它可以为多孔的，因而可以透过氧气。膜单元12的进一步的实施方式示出在图4中。根据图4，膜单元12进一步包括在基板20的一个或者两个侧面上的覆盖层50，50’。对此，覆盖层50，50’或者覆盖层50，50’二者可优选地由氮化硅或者玻璃形成。这尤其允许抑制包含在膜14中的组分与存在于基板20中的组分反应。具体地，作为膜14的适当组分的钡和作为基板20的适当组分的硅的反应可以得以抑制。此外，如果设置在基板20的背对膜14定位的侧面，覆盖层50’可有助于以期望的方式分别形成或者成形孔22或者通道，从而用作例如掩膜。特别地，覆盖层50，50’可以通过任何沉积技术，例如热氧化施加。氮化硅层可以通过任何的沉积技术，例如化学蒸汽沉积施加。玻璃层例如为旋转涂布的玻璃层。覆盖层50，50’的厚度优选地在IOOnm和100 μ m之间，尤其是在IOOnm和IOym之间。再一次地，形成电极18的层48可以安置在膜14的下游侧，如同在图4中一样。但是，电极层48也可安置在膜14的上游侧。在此情形中，它可以安置在覆盖层50和膜14之间，或者覆盖层50和基板20之间。在进一步的实施方式中，阻挡层例如氧化钛可以施加在覆盖层50和电极18之间。如同上面关于层48提及的，层48以及覆盖层50不应影响氧气的流动。因此，如果设置在整个表面上，它应当为多孔的，或者提供孔，用于允许氧气适当地流动通过膜14，也就是在孔22中。膜单元12的进一步的实施方式示出在图5中。根据图5的实施方式与根据图4的实施方式是相当的。但是，根据图5，膜单元12进一步包括在膜14和覆盖层50之间的阻挡层52。该阻挡层52优选地包括选自氧化娃、氧化钛、氧化镁、氧化错、钛酸错酸盐、氧化招和氧化钽，或者其任何组合的组的材料。阻挡层52可以通过任何的沉积方法，例如氧化物的反应溅射、跟随热氧化的金属溅射、或者旋转涂布或者化学蒸汽沉积而施加。它可以用作覆盖层50和膜14之间的中间层，如果分别形成膜14和覆盖层50的材料可以一定程度上彼此相互反应。再者，电极层48可安置在膜的上游侧和下游侧。类似于上面关于层48提及的，层48以及阻挡层52应当不影响氧气的流动。因此如果设置在整个表面上，它应当为多孔的或者设置孔，用于允许氧气适当地流动通过膜14，也就是在孔22中。此外，在所示的全部实施方式中，进一步的保护层可分别安置在膜14上，或者在电极层48上。该保护层可例如机械地保护膜14，从而可以改善根据本发明的膜14的耐用性。保护层优选地形成为无机层或者有机层。再者，它优选地包括孔，或者形成为多孔，从而允许氧气适当地流动通过膜4。而且，各层，也就是电极层48、覆盖层50，50’和/或阻挡层52可以分别设置在柱20中，或者在孔22中，或者在通道中，或者它们彼此互相独立。如果设置在孔22中，氧气流动应当不受影响。必须注意到，关于图3-5描述的所有实施方式可以用于根据本发明的装置10中。尽管在附图中以及前面的描述中已经详细地示例和描述了本发明，但是这样的示例和描述应当被认为是示例性的或者例子性的，而不是限制性的；本发明并不限于公开的实施方式。对公开实施方式的其它变化可以在研读附图、说明书以及权利要求后在实践所要求保护的发明中被本领域技术人员所理解和实现。在权利要求中，术语“包括”并不排除其它要素或者步骤，“一”或者“一个”并不排除多个的可能性。某些特征在相互不同的从属权利要求被描述的事实并不表明这些特征的组合不能用于产生有益技术效果。在权利要求中的任何附图标记不应解释为对保护范围的缩限。
权利要求
1.用于从含氧气体分离氧气的装置，其包括: 膜单元(12)，和电极单元(24)，其中: 所述膜单元(12)包括多孔基板(20)、致密膜(14)和至少一个电极(18)，其中: 所述多孔基板(20)朝向所述电极单元(24)，并且其中: 所述电极单元(24)包括至少一个电极，所述至少一个电极包括至少部分地导电的至少一个可旋转的电极翼(26)。
2.如权利要求1所述的装置，其中，所述多孔基板(20)的孔(22)由连续通道形成。
3.如权利要求1所述的装置，其中，所述多孔基板(20)的孔(22)具有>O, 02毫米的直径。
4.如权利要求1所述的装置，其中，所述电极(18)形成为设置在所述多孔基板(20)的孔(22)内部的导电层(48)。
5.如权利要求1所述的装置，其中，所述膜(14)是基于具有钙钛矿型结构或者萤石晶体结构的材料。
6.如权利要求1所述的装置，其中，在基板(20)的一侧或者两侧上布置有覆盖层(50，50，)。
7.如权利要求6所述的装置，其中，在所述膜(14)和所述覆盖层(50)之间设置有阻挡层(52)ο
8.如权利要求1所述的装置，其中，在所述膜单元(12)的上游提供有吹风机(30)。
9.如权利要求1所述的装置，其中，在所述膜单元(12)的上游设置有加热装置(32)。
10.如权利要求1所述的装置，其中，在所述膜单元(12)的下游设置有冷却装置(42)。
11.用于从含氧气体分离氧气的方法，所述方法包括步骤: 提供如权利要求1所述的装置(10)，所述电极单元(24)与含氧气体流体连通， 旋转所述至少一个可旋转的电极翼(26)，和 施加电压到所述电极(18)和所述至少一个可旋转的电极翼(26)以在多孔基板(20)的孔(22)中产生等离子体。
12.如权利要求11所述的方法，其中，将>100W到彡350W的功率用于产生所述等离子体。
13.如权利要求11所述的方法，其中，使用>I升/分钟的氧气通量。
全文摘要
本发明涉及用于从含氧气体分离氧气的装置。它包括膜单元(12)和电极单元(24)。膜单元(12)包括多孔基板(20)、致密膜(14)和至少一个电极(18)，其中多孔基板(20)朝向电极单元(24)，其中电极单元(24)包括至少一个电极，所述电极包括至少部分地导电的至少一个可旋转的电极翼(26)。根据本发明的装置实现以提高的效率以及在维护和噪音方面以改善的便利性来分离氧气。
文档编号C01B13/02GK103180027SQ201180050835
公开日2013年6月26日 申请日期2011年10月18日 优先权日2010年10月22日
发明者R·希尔比希, M·克莱, W·C·科尔 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司