通过吸附来浓缩气体的系统和方法
【专利摘要】提供了用于生产产品气体的系统和方法。在一个实施例中，系统包括：至少一个分离床，其使可吸附成分与气体源分离；阀调装置，其选择性地将气体从所述气体源引至所述至少一个分离床；至少一个感测设备，其与所述至少一个分离床相关联以感测在所述分离床内的吸附区的进度；以及控制器。所述控制器包括逻辑，以便读取所述至少一个感测设备的输出并基于所述吸附区的所述进度控制气体分离过程。
【专利说明】通过吸附来浓缩气体的系统和方法
[0001]相关申请的交叉引用
本申请要求于2012年3月9日提交的美国临时申请系列号第61/608，874号的优先权和权益，其全部内容以引用的方式并入本文。
【背景技术】
[0002]存在各种应用用于分离气态混合物。例如,氮气与大气的分离可提供高浓度的氧气源。这些各种应用包括为医疗患者和飞行人员提供浓度增高的氧气。因此，期望提供分离气态混合物的系统以提供浓缩产品气体，诸如具有氧浓度的呼吸气体。
[0003]例如，在共同转让给俄亥俄州伊利里亚的Invacare Corporat1n公司的美国专利第 4，449，990,5, 906，672,5, 917，135,5, 988，165,7, 294，170,7, 455，717,7, 722，700、7,875，105、8，062，003、8，070，853 号和美国专利申请序列第 12/106，861、61/661，260、61/750，517,13/790, 312和13/790，473号中公开了多种现有的产品气体或氧气浓缩系统和方法，这些申请的全部内容通过引用的方式并入本文。
【发明内容】
[0004]在一个实施例中，提供了一种用于生产产品气体的系统。所述系统包括:例如，至少一个分离床,其使可吸附成分与气体源分离；阀调装置，其选择性地将气体从所述气体源引至所述至少一个分离床；至少一个感测设备,其与所述至少一个分离床相关联以感测在所述分离床内的吸附区的进度；以及控制器。所述控制器包括逻辑，以便读取所述至少一个感测设备的输出并基于所述吸附区的所述进度控制气体分离过程。
[0005]本发明的说明不以任何方式限制在权利要求书中所使用的词语或权利要求书或本发明的范围。权利要求书中使用的词语全部均为其普通含义。
【专利附图】
【附图说明】
[0006]在并入本说明书并构成本说明书的一部分的附图中，说明了本发明的实施例，本发明的实施例和以上给出的本发明的一般说明以及以下给出的详细说明一起用于举例说明本发明的实施例。
[0007]图1说明了气体浓缩系统的实施例；
图2说明了气体浓缩系统的分解图；
图3A和3B以示意图的形式说明了具有与分离床相关联的感测设备的气体浓缩系统的两个实施例；
图4A和4B以示意图的形式说明了具有与分离床的出口相关联的感测设备的气体浓缩系统的两个实施例；
图5A和5B说明了用于调整与气体浓缩系统相关联的参数的控制图的两个实施例；
图6A和6B以示意图的形式说明了具有与分离床的出口相关联的感测设备的气体浓缩系统的两个实施例； 图7A和7B以示意图的形式说明了具有与分离床的出口和入口相关联的感测设备的气体浓缩系统的两个实施例；
图8以示意图的形式说明了具有与两个分离床相关联的两个感测设备的气体浓缩系统的一个实施例；
图9以示意图的形式说明了具有与两个分离床的出口和入口相关联的两个感测设备的气体浓缩系统的一个实施例；以及
图10说明了调整与气体浓缩系统相关联的参数组的方法的一个实施例的流程图。
【具体实施方式】
[0008]如本文所描述的，当将一个或多个部件描述或示出为连接、接合、粘附、联接、附接或以其它方式相互连接时，这类互连可为在部件之间的直接互连或可为诸如通过使用一个或多个中间部件的间接互连。仍如本文所描述的,对组件、部件或部的参考不应限于单个结构构件、部件、元件或部,而是能够包括部件、构件、元件或部的组件。此外,可将任何一个或多个部件集成到共同的外壳、组件或其他部件中。
[0009]图1说明了不例性气体浓缩系统100的一."Is.实施例。系统100可为氧气浓缩系统。该系统可为固定的，诸如，例如,供在医院或患者家中使用。该系统还可为非固定的或移动的，诸如，例如，当患者离开家时,供患者使用。该系统能够配置为使得允许患者携带系统，诸如，例如，通过过肩背带或通过一种装置，由此,该系统包括手柄和轮子。还包括其他移动性配置。
[0010]系统100包括具有前部104和后部106的外壳102。前后部104和106包括多个供各种气体吸入和排出的开口，诸如，例如，在氧浓缩的情况下，吸入室内空气并且排出氮气和其他气体。系统100—般吸入主要由氮气和氧气组成的室内空气并使氮气与氧气分离。可将氧气存储在一个或多个储存罐中，而将氮气排回室内空气中。例如,氧气可通过管路和输氧鼻管通过端口 108排至使用者(诸如，患者)。在另一实施例中，氧气可通过补充端口排至氧气瓶填充装置，诸如由美国俄亥俄州伊利里亚的Invacare Corp.公司制备的H0MEFILL?。
[0011]图2是图1的示例性气体浓缩系统100的分解透视图。系统100进一步包括中央框架202,该中央框架202具有与其连接的电路板和其他部件。这些部件包括:电池组204、滤筛/分离床和产品罐组件206和208、冷却扇212和阀组件214。然而,这些部件均描述为连接至中央框架202，但是，这并非是必要的。一个或多个这些部件可连接至外壳部104或106。其他部件还可容放在氧气系统100内，该氧气系统100包括:例如，压缩机组件210,其可包括压力和/或真空泵、声音衰减器或消音器216和218以及入口过滤器220。示例性压缩机和泵包括:例如，W0B-L活塞式空气压缩机和真空泵,包括型号8003、8005、8006和8009。这些均包括各种规格的单头、双头和可调速泵。在其他实施例中，更多或更少的部件可为系统100的部分。例如,可使用附加的分离床和产品罐、压缩机、泵、真空装置、过滤器、流路径、传感器等。系统100还可包括一个以上的阀组件214。
[0012]参考图3A,示出了气体浓缩系统300的示意图的一个示例性实施例。示例性系统300利用压力转换吸附(PSA)过程并包括至少两个分离床310、312，该分离床310,312包含分离材料,诸如，例如，物理分离介质或材料。分离材料选择性地吸附一个或多个可吸附成分并穿过气态混合物的一个或多个不可吸附成分到达分离床出口 314、316。一般而言,物理分离材料为具有大小均匀的孔和分子大小基本相同的的分子筛。这些孔根据分子形状、极性、饱和度等选择性地吸附分子。在一个实施例中，物理分离介质为具有4至5.ANG.(埃)孔的铝硅酸盐组合物。更具体地，分子筛为铝硅酸盐的钠或钙形式，诸如5A类型的沸石。替代地,铝硅酸盐可具有更高的硅铝比、更大的孔和极性分子的亲和力，例如，13x类型的沸石。沸石吸附氮气、一氧化碳、二氧化碳、水蒸气和空气中的其他重要成分。还可使用其他类型的分离介质。同样,可使用两个以上的分离床。
[0013]转换(cross-over)阀调装置320可包括各种组合和类型的阀门，诸如,例如，四通阀321,以选择性地和周期性地以交替的方式连接两个分离床310,312的其中之一的入口端，在气体混合物源的生产/填充阶段或周期期间，例如，由压缩机或压力源322供应的处于压力下的空气，而其他分离床310、312在清除阶段或周期期间排气到大气。转换阀调装置320选择性地连接分离床310、312中与气泵或压缩机322流体连通的一个分离床,该分离床在填充阶段期间供应每平方英寸约15-30磅的空气。如本文所使用的“流体连通”是指允许适当气体流动的装置。在清除阶段期间还可使用另一压力或真空源(未示出)以增强清除床的抽空。压缩机322连接至驱动电机323。
[0014]螺线管或其他转换阀致动装置可选择性地使转换阀调装置320在第一与第二位置之间交替移动。在图3所说明的第一位置中，第^-分离床310与压缩机322连接以在填充周期期间在产品气体中引起氮吸附和富氧，以及，第二分离床312排气到大气以在清除周期期间允许抽空氮气。在第二位置中，将第一床310排气到大气以在清除周期期间允许抽空氮气，以及,第二床312与压缩机322连接以在填充周期期间引起氮吸附和氧浓缩。在某些实施例中,在清除周期期间的排气可由真空装置协助。
[0015]当气体混合物通过分离床入口 315、317引至吸附的、不含气体的或再生的分离床310,312时，便形成了有限的、相对大尺寸的吸附区。该吸附区是分离床310,312的用于保持可吸附成分的全容量吸附剂尚未到达的区域。在沸石空隙中的气体组合物从在分离床出口 314、316处的基本上纯原产品气体变化到在分离床入口 315、317处的环境气态混合物组合物。
[0016]该吸附区按照明显小于分离床310、312中的表面气速的速度从分离床入口 315、317移向分离床出口 314、316。当吸附区到达分离床出口 314,316时，可吸附成分开始流动经过分离床出口 314,316流入不可吸附的原产品流。该时间在下文中称为“突破(breakthrough)”。针对给定的气态组合物,该突破由床容器的大小和配置、分子筛的包装配置、以及流速和床气压限定。床容器配置一般为圆柱形，而输出容积率可从约每分钟0升变化至每分钟6升,更具体地，分别为3升、5升和6升。突破是在氮气饱和并弱结合至分离床310,312分离介质时进行扩散反应所需的时间。
[0017]在突破发生之前，在沸石空隙中的富含原产品的床气体从在分离床出口 314,316处的较高原产品气体浓度变为在分离床入口 315、317处的较低浓度。由于在床310、312内的吸附区近乎或完全被填充,所以，当突破发生时，在分离床出口 314、316处的原产品气体浓度开始转变为在分离床入口 315,317处发现的较低浓度。在说明的实施例中，富原产品床气体是在突破时的原产品的约80%或更多。由于大气排气所导致的压力下降和因为暴露至来自第一分离床310,312的相对纯的原产品气体，因此,当在一个分离床310,312中发生吸附时,从其他分离床310,312清除由其他分离床310,312的分离介质所吸附的可吸附成分。
[0018]控制装置350使转换阀调装置320在各个周期段期间的适当时期在其第一与第二位置之间交替。周期段可为产品气体生成(例如,填充)周期或清除周期。选择或确定周期持续时间，从而使各个分离床310、312与空气源连接^-持续时间,例如,该持续时间可等于或小于突破时间。
[0019]第一分离床310通过第一阀332与忙存器或产品罐330连接,第一阀332在该实施例中可为止回阀或其他单向阀调装置。产品罐330可为单个罐或多个单独罐。当在第一分离床310中的产品气体压力超过在贮存器或产品罐330中的产品气体压力时,第一阀332可允许原产品气体从第一分离床310流入贮存器或产品罐330。当在第一分离床310中的压力低于在贮存器或产品罐330中的压力时，第一阀332可禁止产品气体从贮存器或产品罐330流出0例如,第一阀332可强加1.5 psi的偏压，从而使仅当在第一分离床310中的压力超过在贮存器或产品罐330的压力1.5 psi时才允许流动。与产品罐330相关的产品气体浓度和压力还可由传感器343和345读取。
[0020]第二分离床312通过第二阀334与贮存器或产品罐330连接,第二阀334在该实施例中可为止回阀或其他单向阀调装置。第二阀334又可通过产品导管346提供原产品气体从第二分离床312到贮存器或产品罐330的单向流。在某些实施例中，系统300可包括另一阀或接头336。在其他实施例中，分离床310和312在结构上可与产品罐330结合，诸如美国专利申请公开第2008/0257145号中所描述的那样，该特征和其他特征通过引用的方式全部并入本文。
[0021]在该实施例中，均压流路径340在第--和第二分离床310和312的分离床出口 314和316之间延伸。可为阀或相似流控制装置的均衡设备或装置342打开或关闭以选择性地允许或防止气体流经均衡流路径340。均衡阀342可用于均衡在均衡阀342任一侧上的气体压力和/或气体浓度。可为执行逻辑或软件的微处理器的控制装置350可周期性地使转换阀致动装置(例如,螺线管)320和均衡阀342运行。控制装置350可定期地或周期性地启用均衡阀致动器，该均衡阀致动器也可为螺线管。
[0022]在该背景下，将气体混合物供应至第一分离床310、312直到压力达到32磅。同时，将第二分离床310、312 (即用过的”床)排放到大气中以便清除富氮分子筛。在突破时间之前,可打开均衡阀342,从而允许来自填充的第一床310,312的富原产品气体流入抽空的第二床310、312。在均衡期期间，将或者已将一个床310,312抽空，而另一个床310,312刚刚到达可驱动在床310、312之间的流的压力设置点。均衡流具有高氧含量，从而使从刚填充的床310、312穿入到产品罐330的第一产品气体本质上为产品气体而不是排出气体。
[0023]在来自第^-床310,312的富原产品气体通过第二床310,312抽空之后,可致动转换阀调装置320以颠倒其位置。致动转换阀调装置320中止向第一床310,312供应气体混合物并开始排出气态混合物，同时，中止排出第二床310,312并开始向其供应气态混合物。
[0024]在致动转换阀调装置320之后，可保持打开均衡阀342并继续允许富产品气体的清除供应流入第二床310、312。由于该循环是按顺序进行的,所以,这均衡了向产品罐330供应的气体的压力和/或浓度，从而使产品气体在突破之前流入产品罐330中。随后，关闭均衡阀342并终止在床310,312之间的原产品气体的流动。
[0025]在周期的第二段中，在第二床310、312中的压力增加到接近32 psi气体混合物源压力。同时，在第一床310、312中的压力减少到接近大气压力。在副产品分子已经穿过第二床310、312之前，可打开均衡阀342，从而允许在第二床310,312的沸石空隙中的富原产品气体流至第一床310、312。当富原产品气体流入第一床310、312时，可致动转换阀调装置320。致动转换阀调装置320中止第一床310,312的抽空并开始供应气态混合物，同时中止向第二床310,312供应气态混合物并开始对其抽空。在致动转换阀调装置320之后，可关闭均衡阀342,从而终止在床310、312之间均衡富原产品气体的流动的压力。周期性地重复这些步骤以从源气体混合物提供原产品气体的持续分馏。
[0026]在-一个实施例中，触发转换阀调装置320和/或均衡设备342的机制为在如由感测设备352所感测的各个分离床310、312内的吸附区的进度。基于感测设备352的读数(例如，氧浓度、氮浓度、温度、压力、流速等)，当吸附区到达或几乎到达分离床出口 314、316时，触发机制可适当地致动转换阀调装置320和/或均衡设备342。触发机制还可是基于通过多次填充循环的采样，其是吸附区到达分离床出口 314、316所需的平均时间。进-一步地,触发机构可以是基于小于全时的平均时间百分比。
[0027]在其他实施例中，上述触发机制可进一步与压力结合,诸如压力设置点或设置点范围，该压力与来自产品罐330的用于基于压力的控制周期的放气管相关联，或者，其可严格基于来自产品生产床310,312的输入气体停留时间,诸如在基于定时周期的控制周期中。根据本发明的另一实施例，控制周期可利用可变压力，从而基于计划的突破时间实现使输入气体停留时间处于限定范围内。
[0028]在这些实施例中，可通过各种感测设备或装置352感测吸附区至活性分离床出口314,316的进度(例如,氧浓度、氮浓度、温度、压力、流速等)。针对生产分离床310、312的氧气，当吸附区到达分离床出口 314,316时,可感测到氧浓度显著下降(或，氮浓度显著上升)。相似地，当吸附区到达分离床出口 314、316时，可感测到温度和/或压力上升。该信息由控制装置350通过感测设备或装置352读取并用于调整系统的气动部件，诸如，例如,如上描述的压缩机322、转换阀调装置320、均衡设备342等。还可控制其他部件,包括例如压缩机322的速度。
[0029]在如图3B所7]^的另一实施例中，不出了另一气体浓缩系统300’的意图。不例性系统300’还利用PSA过程,但是，仅包括分离床310。系统300’的运行与系统300相似，包括:交替填充和清除周期。然而,系统300’包括阀调装置324、326、328以控制通过分离床310的气体流。在填充周期期间，压缩机322通过阀324和326向分离床310提供源气体混合物并向分离床入口 315提供源气体混合物。浓缩的氧气产品气体通过分离床出口 314离开分离床310并通过阀328和836流至产品罐330。阀336可为止回阀。
[0030]当分离床310接近如由感测设备或装置352感测的突破时,控制装置350可改变阀324、326和328的位置，从而使阀324防止源气体混合物进入分离床310,使阀328防止产品气体流入产品罐330，以及当均衡了分离床310内的压力时，使阀326将分离床入口 315连接至大气以允许分离床排出氮气。在另一实施例中，如由虚线流路径所示，阀324和328还可将气体混合物引至分离床出口 314以在清除周期期间协助将氮气从分离床310清除出来。一旦清除了分离床310,则阀324、326、328返回至其填充周期方向以开始下一个填充周期。
[0031]应了解,吸附和解吸附过程对于许多类型和配置的气体浓缩系统都是通用的,例如，如以引用的方式全部并入本文的美国专利申请序列第13/790，312号所描述的那样。另夕卜，与本文中所描述的感测设备(例如，352)相关联的反馈和控制都适用于这些气体浓缩系统。
[0032]在一个实施例中，如图4A所示,示例性气体浓缩系统400包括用于感测吸附区何时到达分离床出口 314、316的感测设备或装置352。在一个实施例中，感测设备352经由线402、404联接至分离床出口 314、316。感测设备352由用于确定事件何时发生的控制装置350读取。例如，感测设备352可在分离床310的填充阶段期间监测分离床31.0接着可在分离床312的填充阶段期间监测分离床312。通过监测分离床310、312各自的吸附区何时到达它们各自的分离床出口 314、316或近乎到达分离床出口 314、316，控制装置350可确定随后的事件可能何时发生，诸如，例如，转换阀调装置320和均衡阀342的致动以及分离床310、312的填充/清除周期定时。这样,均衡阀342 (在一个方向上)保持打开的时间以及因此允许流入正被抽空的分离床的原产品气体的量可由控制装置350控制,以优化(即，最大化)来自系统400的氧气流出量。
[0033]在该实施例中，可使用适当的控制阀调来控制分离床310、312感测设备或装置352从其获取读数。控制阀调可位于感测设备或装置352的内部或可位于感测路径402和404 中。
[0034]虽然感测设备或装置352可为任何适当的传感器，但是，在一个实施例中，其可为氧浓度传感器或其他类型的氧气传感器。此外，感测设备或装置352可为氮气传感器。更进一步地，当吸附区经过分离床时,感测设备或装置352可为测量温度差的温度传感器。可利用任何其他类型的适用于指示在分离床310、312内的吸附区的进度的传感器。另外，在其他实施例中，可使用多个传感器和传感器类型。
[0035]仍参考图4A，与产品罐330相关的产品气体浓度和压力可由传感器343和345读取。在一个实施例中，氧气传感器343记录产品气体的氧浓度,并且可位于产品罐330中或接近产品罐330。传感器343可向微处理器(即，控制装置)传送感测到的值。相似地,压力传感器345可记录在产品罐330中的压力并可向微处理器350传送该压力。
[0036]相似地,参考图4B,示例性气体浓缩系统400’包括当吸附区到达单个分离床310实施例的分离床出口 314时进行感测的感测设备或装置352。在系统400’中，通过对于吸附区何时到达分离床出口 314或近乎到达分离床出口 314来监测分离床310,控制装置350可确定随后的事件，诸如，例如，阀调装置324、326、328和分离床310的填充/清除定时何时可发生。这样，控制装置350可优化(g卩，最大化)来自系统400’的氧气流出量。
[0037]参考图5A，说明了，诸如，例如，气体浓缩系统的控制图500的一个示例性实施例。控制图500包括用于控制系统的气动部件、控制装置350、转换阀调装置320和/或均衡设备342、感测设备或装置352和其余的气体浓缩系统部件504 (例如，系统400较小的部件320,342,350和352)的初始控制参数组502。将初始控制参数组502读取或输入控制装置350。控制装置350使用该初始参数组来限定转换阀调装置320和/或均衡设备342的初始定时(即，在分离床之间的均衡时间)。控制装置350还使用该初始参数组502来限定在框504中的其他部件的定时(包括转换阀调装置320或均衡设备342的初始定时，如果尚未定时)。感测设备或装置352感测在分离床310、312中的吸附区的进度(由框404表示)并向控制装置350传送该信息或数据。控制装置350接着使用来自感测设备或装置352的信息来调整控制装置350在运行气体浓缩系统时所用的控制参数。
[0038]在一个示例中，初始控制参数502包括均衡设备342的时序。控制装置350使用这些参数对均衡设备342何时允许产品气体从如上所描述的一个分离床310、312流到另一床310、312以及允许持续多久进行初始控制。在^-个或多个填充/清除周期之后,控制装置350读取来自感测设备或装置352的数据(感测设备或装置352可为与分离床出口 314、316相关联的氧浓度传感器)并使用该数据来调整在填充/清除周期期间均衡设备342的打开和关闭的定时和/或持续时间。控制装置350可将来自感测设备或装置352的数据使用于由一个或多个填充/清除周期所限定的每个填充!清除周期或间隔、时间或任何其他序列。
[0039]相似地,参考图5B,说明了，诸如，例如，系统400’的气体浓缩系统的控制图500，的另一示例性实施例。控制图500，包括:用于控制系统的气动部件、控制装置350、阀调装置324和/或阀调设备328、感测设备或装置352和其余的气体浓缩系统部件504’(例如，系统400，较小的部件324,328,350和352)的初始控制参数组502，。将初始控制参数组502’读取或输入控制装置350。控制装置350使用该初始参数组来限定阀调装置324和/或阀调装置328的初始定时。控制装置350还使用该初始参数组502，来限定在框504，中的其他部件的定时(包括阀调装置324或阀调装置328的初始定时,如果尚未定时)。感测设备或装置352感测在分离床310中吸附区的进度(由框404’表示)并向控制装置350传送该信息或数据。控制装置350接着使用来自感测设备或装置352的信息来调整控制装置350在运彳T气体浓缩系统时所用的控制参数。
[0040]图6A和6B说明了示例性气体浓缩系统600、600，的示意图的其他实施例。系统600、600’与图4A和4B的系统400、400’相似并说明了用于感测吸附区何时接近分离床出口 314,316的感测设备或装置352。在一个实施例中，感测设备352经由线602、604联接至靠近分离床出口 314、316的分离床310、312的内部。在一个实施例中，感测设备352可连接至圆柱形分离筛床的侧壁的上部。这样,感测设备352可识别突破何时接近分离床出口314、316。控制装置350可控制与系统600、600’的填充和清除周期相关联的各种部件以防止突破到达分离床出口 314、316。例如，这在防止与突破相关联的产品气体氧浓度显著下降的同时，可最大化填充周期时间。随着填充周期时间的增加,发生突破的风险也增加。换言之,控制装置350在突破之前可开始从填充周期切换到清除周期。
[0041]图7A和7B说明了示例性气体浓缩系统700、700，的示意图的其他实施例。系统700、700，与图6A和6B的系统600、600，相似并说明了感测设备或装置352,该感测设备或装置352可额外地感测靠近分离床入口 315,317的分离床310、312的特性(例如，氧浓度、氮浓度、温度、压力、流速等)。在-一个实施例中，感测设备352经由线702、704联接至靠近分离床出口 314、316的分离床310,312的内部,并另外经由线706,708联接至靠近分离床入口 315、315的分离床310,312的内部。在该实施例中，感测设备352可连接至圆柱形分离筛床的侧壁的上部和下部。
[0042]这样,例如,感测设备352在分离床310,312的清除周期期间可另外地识别吸附区何时接近分离床入口 315、317。具体地说，例如，当例如与特定预定阈值相比氮浓度水平F降时,吸附区已恢复至其未吸附大小，则认为是清除床进行了清除并准备好下一个填充周期。控制装置350可控制与系统700、700’的填充和清除周期相关联的各种部件以额外优化如上所提及的清除周期以及填充周期的优化。换言之，控制装置350在一定数量的解吸附发生之后可开始从清除周期切换为填充周期。在其他实施例中，感测设备可连接在分离筛床的上下段之间的部分。
[0043]如上所提及的’在该实施例和其他实施例中，适当的控制阀调可用于控制感测设备或装置352从分离床310,312的哪个位置获取读数,例如，从感测路径702、704、706和708获取读数。控制阀调可位于感测设备或装置352内部或可位于感测路径702、704、706和708中。
[0044]图8示出了气体浓缩系统800的示意图的另一示例性实施例。系统800与系统300相似并说明了感测设备或装置352在一个实施例中可包括与各自的各个分离床310、312相关联的感测设备852和854。在该实施例中，在填充和/或清除周期期间，根据感测到的位置和参数,控制装置350读取与各自分离床310、312相关联的感测设备852、854。在另外的实施例中，感测设备或装置352可包括任何数量的集成在其中的或作为独立的单独设备的感测设备。还可使用提供能够感测与分离床310、312相关联的参数的控制装置350的任何其他设备或配置，这些参数包括:例如，在填充周期期间吸附区的进度、在清除周期期间解吸附的进度、及其组合等。
[0045]任何上述感测设备或装置352及其相关联的感测到的位置均可组合在任何数量的各种实施例中。例如，图9示出了气体浓缩系统900的示意图的另一示例性实施例。与图8的系统800相似,系统900说明了感测设备或装置352在一."Is.实施例中可包括与各自的各个分离床310、312相关联的感测设备852和854。另外，与图7A的系统700相似,感测设备852、854中的每^-个均联接至两个感测到的位置——与分离床310、312的顶部相关联的一个位置以及与分离床310,312的底部相关联的另一个位置。与图6A的系统600相似，针对顶部位置，感测设备852、854中的每一个均联接至靠近分离床出口 314、316的分离床310、312的内部。另外以及未在以上系统中不出的，针对底部位置，感测设备852、854中的每一个均联接至在靠近分离入口 315,317的分离床310、312的外部的位置。另外,与一个分离床310、312相关联的感测设备和感测到的位置可不同于与在相同气体浓缩系统中的另一分离床310,312相关联的感测设备和感测到的位置。
[0046]现参考图10,说明了气体浓缩系统的示例性处理流程图1000的一个实施例。矩形元件指处理框并表示计算机软件指令或指令组。本文所示出并描述的流程图未描述任何特定程序语言的语法。相反，流程图说明了可用于制备电路或生成计算机软件以执行系统的处理的功能信息。应注意，许多例行程序元件，诸如循环和变量初始化以及临时变量的使用均未示出。此外，过程步骤的准确顺序并不一定是按照本文所示出或描述的顺序进行并且可以修改。
[0047]在框1002中，控制逻辑可读取与气体浓缩系统的控制相关联的第一组参数。这些参数可，例如，从与控制装置350相关联的存储器读取。这些参数可包括，例如，气体浓缩系统的气动和其他部件的所有运行设置，诸如，例如,在两床气体浓缩系统、转换阀调装置320、均衡设备342和其他诸如电机和阀的可控制设备中的运行设置。该数据可包括定时、序列、压力、氧浓度、氮浓度和前述的其他过程或流设置和子集。在框1004中，逻辑根据第一组参数运行气体浓缩系统的部件，从而产生浓缩的气体产品。
[0048]在框1006中，将感测设备或装置352读入或输入控制装置350。如上所描述的，感测设备或装置352提供指示与分离床310,312相关联的参数的信息，包括，例如,在填充周期期间吸附区的进度或在清除周期期间解吸附的进度。在一个示例中，对感测设备或装置352进行监测以确定吸附区何时将到达出口 314、316或接近分离床310、312的出口 314、316的区域。在这种情况下,感测设备或装置352将指示其读数的变化以指示,例如，吸附区已经到达分离床310、312的出口 314、316，从而造成在出口 314、316处测量的氧浓度降低和/或氮浓度升高。这类事件的定时用于在框1008中调整一个或多个气体浓缩系统控制参数,诸如,例如，均衡设备342的打开和关闭。还可调整其他气动和其他部件，诸如，例如,转换阀调装置320的定时。调整^-个或多个这些参数可使来自系统的产品气体更高效生产。
[0049]在框1010中，调整后的控制参数存储在存储器中并用于据此运行系统的气动和其他部件。接着，逻辑循环回到框1006中再次读取感测设备或装置352的输出。如上所描述的，在各个填充/清除周期之后或在指定的多个填充/清除周期之后，逻辑可循环回到框1006。
[0050]这样，气体浓缩系统可，例如，基于在分离床中发生的实际吸附和解吸附过程的特性调整其运行参数，这可使系统考虑到影响吸附和解吸附过程的有效性和/或效率的各种其他因素，包括，例如，环境温度、环境湿度、源气体的浓度/含量等。影响吸附和解吸附过程的有效性和/或效率的其他因素可包括:未预料到的流障碍(包括,例如,流路径障碍、脏过滤器等)、分离床中聚集的湿气、分离材料耗尽或受到污染、泄漏阀、弱压力和/或真空源等。因为这些类型的因素可影响吸附和解吸附过程并且调整后的参数组可变为与原参数组完全不同，所以根据由原参数未预料到的许多可能的状况最大化系统的有效性、效率等。在某些情况下，原参数组可以基于理想状况,而调整过的参数组可能考虑到了非理想状况。在这些情况下，最佳系统性能也许是不可能的，然而，最大化非理想系统的有效性、效率等扔可以是可期望的。
[0051]本文所示出和描述的控制或流逻辑优选地存在于计算机可读介质中或可读介质上，诸如，例如，只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、可编程只读存储器(PROM)、电可编程只读存储器(EPROM)、电可擦可编程只读存储器(EEPR0M)、磁盘或磁带以及包括CD-ROM和DVD-ROM的光学可读介质。更进一步地，可将本文所描述的过程和逻辑并入一个大过程流中或分为许多子过程流。本文中的过程流的描述顺序无关紧要并且可重新排列，而仍然能够实现相同的效果。事实上,本文所描述的过程流在其所保证或期望的实施方案中可重新排列、合并和/或重新组织。
[0052]虽然已经通过本发明实施例的说明对本发明进行说明，并且虽然已经非常详细地描述了实施例，但是， 申请人:并不旨在如此详细地约束或以任何方式限制所附权利要求的范围。另外的优点和修改对于本领域的技术人员来说将是显而易见的。例如,可采用感测包括压力、流和浓度(氧和/或氮)来控制填充和清除周期时间。此外，通过使用诸如，例如，微型泵的元件，可使整个气体浓缩系统更小、噪声更小、更紧凑、振动更少以及在能量使用方面更高效。该系统可由一个或多个电池或其他移动动力源提供动力。此外,通过集成一个或多个部件,可使模块组件协助系统的装配、拆卸和维修。因此,在其更广泛的方面,本发明不限于示出并描述的特定细节、代表性设备及说明性示例。因此，在不脱离 申请人:的整体发明构思的精神或范围的情况下,可以脱离这类细节。
【权利要求】
1.一种用于生产产品气体的系统,包括: 第一分离床，其使可吸附成分与气体源分离； 阀调装置，其连接至所述第一分离床以选择性地将气体从所述气体源引至所述第一分离床； 至少一个感测设备,其与所述第一分离床相关联以感测在所述第一分离床内的吸附区的进度并提供输出； 控制器，其包括逻辑，以便: 读取所述至少一个感测设备的所述输出;以及 至少部分地基于在所述分离床内的吸附区的所述进度,控制所述阀调装置。
2.根据权利要求1所述的系统,其中,所述控制器进一步包括逻辑，以便: 至少部分地基于所述至少一个感测设备的所述输出，确定所述吸附区何时到达或几乎到达所述第一分离床的出口 ;以及 其中，控制所述阀调装置包括:基于所述吸附区到达或几乎到达所述第一分离床的出口的时间，选择性地将气体引至所述第一分离床。
3.根据权利要求1所述的系统,进一步包括: 第二分离床； 均衡设备,其连接至所述第一和第二分离床以选择性地将气体从一个分离床引至另一个分离床； 其中，所述控制器进一步包括逻辑，以便: 至少部分地基于所述至少一个感测设备的所述输出，控制所述均衡设备以选择性地将气体从一个分离床引至另一个分离床。
4.根据权利要求3所述的系统,其中，所述控制器进^-步包括逻辑，以便: 至少部分地基于所述至少一个感测设备的所述输出，确定所述吸附区何时到达或几乎到达所述第一和第二分离床的出口 ;以及 其中，控制所述均衡设备包括:当所述吸附区到达或几乎到达所述第一和第二分离床的出口时,选择性地将气体引至所述第一和第二分离床。
5.根据权利要求3所述的系统，其中,所述控制器进一步包括逻辑，以便..经由使填充周期和清除周期交替来协调所述阀调装置和所述均衡设备的致动，以生产所述产品气体。
6.根据权利要求1所述的系统,其中,所述控制器进一步包括逻辑，以便: 至少部分地基于所述至少一个感测设备的所述输出，确定所述吸附区到达或几乎到达所述第一分离床的出口的平均时间；以及 其中，至少部分地基于所述吸附区到达或几乎到达所述第一分离床的出口的所述平均时间,控制所述阀调装置。
7.根据权利要求6所述的系统,其中，所述控制器进一步包括逻辑，以便: 计算所述吸附区到达或几乎到达所述第一分离床的出口的所述平均时间的百分比；以及 其中，至少部分地基于所述吸附区到达或几乎到达所述第^-分离床的出口的所述平均时间的所述百分比，控制所述阀调装置。
8.根据权利要求1所述的系统,进^-步包括: 压力传感器，其感测生产的产品气体的压力并提供输出；以及 其中，至少部分地基于所述压力传感器的所述输出，控制所述阀调装置。
9.根据权利要求1所述的系统,进一步包括: 气体浓度传感器，其感测生产的产品气体的气体成分的浓度并提供输出；以及 其中，至少部分地基于所述浓度传感器的所述输出，控制所述阀调装置。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，与所述第一分离床相关联的所述至少一个感测设备包括气体浓度传感器、温度传感器、流速传感器和压力传感器中的至少一个。
11.根据权利要求1所述的系统,其中，与所述第一分离床相关联的所述至少一个感测设备进一步包括: 第二感测设备，其感测在所述第一分离床内的解吸附进度并提供第二输出；以及 其中,进一步至少部分地基于所述第二感测设备的所述第二输出，控制所述阀调装置。
12.根据权利要求1所述的系统,其中，与所述第一分离床相关联的所述至少一个感测设备从所述第一分离床内部感测所述第一分离床的特性。
13.根据权利要求1所述的系统，其中，与所述第一分离床相关联的所述至少一个感测设备从所述第一分离床外部感测所述第一分离床的特性。
14.一种用于生产产品气体的系统,包括: 至少一个分离床组件，其使可吸附成分与气体源分离； 阀调装置，其连接至所述至少一个分离床组件以选择性地将气体从所述气体源引至所述至少一个分离床组件； 至少一个感测设备,其与所述至少一个分离床组件相关联以感测在所述至少一个分离床组件内的吸附区的进度并提供输出； 控制器，其包括逻辑，以便: 读取第一组运行参数； 读取所述至少--个感测设备的所述输出; 基于所述至少一个感测设备的输出，调整所述一组运行参数；以及 基于调整后的一组运行参数，控制所述阀调装置。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述控制器进一步包括逻辑，以便: 至少部分地基于所述至少一个感测设备的所述输出，确定所述吸附区何时到达或几乎到达所述至少一个分离床组件的出口 ;以及 其中，至少部分地基于所述吸附区到达或几乎到达所述至少一个分离床组件的出口的时间,调整所述一组运行参数。
16.根据权利要求14所述的系统,其中，所述控制器进一步包括逻辑，以便: 至少部分地基于所述至少一个感测设备的所述输出，确定所述吸附区到达或几乎到达所述至少一个分离床组件的出口的平均时间；以及 其中，至少部分地基于所述吸附区到达或几乎到达所述第一和第二分离床组件的出口的所述平均时间，调整所述一组运行参数。
17.根据权利要求16所述的系统,其中，所述控制器进一步包括逻辑，以便: 计算所述吸附区到达或几乎到达所述至少一个分离床组件的出口的所述平均时间的百分比；以及 其中，至少部分地基于所述吸附区到达或几乎到达所述至少一个分离床组件的出口的所述平均时间的所述百分比，调整所述一组运行参数。
18.根据权利要求14所述的系统,其中，所述至少一个分离床组件包括第一和第二分离床组件,且其中，所述至少一个感测设备与所述第一和第二分离床组件相关联,且其中，所述阀调装置连接至所述第一和第二分离床组件以选择性地将气体从所述气体源引至所述第一和第二分离床组件。
19.根据权利要求18所述的系统,进一步包括: 均衡设备，其连接至所述第一和第二分离床组件以选择性地将气体从一个分离床组件引至另一个分离床组件；以及 其中,所述控制器进一步包括逻辑，以便: 基于调整后的一组运行参数，控制所述均衡设备。
20.根据权利要求18所述的系统,其中，与所述第一和第二分离床组件相关联的所述至少一个感测设备包括: 第一感测设备，其感测在所述第一分离床组件内的吸附区的进度并提供第一输出；以及 第二感测设备，其感测在所述第一分离床组件内的解吸附进度并提供第二输出；以及其中，至少部分地基于所述第一感测设备的所述第一输出和所述第二感测设备的所述第二输出，调整所述一组运行参数。
21.—种用于生产产品气体的系统,包括: 用于使可吸附成分与气体源分离的装置； 用于选择性地将气体从所述气体源弓I至用于分离可吸附成分的所述装置的装置； 用于感测在用于分离可吸附成分的所述装置内的吸附区的进度并提供输出的装置； 用于控制的装置,其中，用于控制的所述装置包括逻辑，以便: 读取用于感测在用于分离可吸附成分的所述装置内的吸附区的所述进度的所述装置的所述输出；以及 至少部分地基于用于感测在用于分离可吸附成分的所述装置内的吸附区的所述进度的所述装置的所述输出，控制用于选择性地将气体从所述气体源引至用于分离可吸附成分的所述装置的所述装置。
22.一种用于生产产品气体的系统,包括: 用于使可吸附成分与气体源分离的装置； 用于选择性地将气体从所述气体源引至用于分离可吸附成分的所述装置的装置； 用于感测在用于分离可吸附成分的所述装置内的吸附区的进度并提供输出的装置； 用于控制的装置，其中，用于控制的所述装置包括逻辑，以便: 读取第一组运行参数； 读取用于感测在用于分离可吸附成分的所述装置内的吸附区的所述进度的所述装置的所述输出； 基于用于感测在用于分离可吸附成分的所述装置内的吸附区的所述进度的所述装置的所述输出，调整所述一组运行参数；以及 基于调整后的一组运行参数,控制用于选择性地将气体从所述气体源引至用于分离可吸附成分的所述装置的所述装置。
23.一种用于生产产品气体的方法,包括: 读取第一组运行参数； 测量在至少一个分离床内的吸附区的进度； 基于测得的所述吸附区的进度，改变所述运行参数；以及 基于改变后的运行参数,生产所述产品气体。
【文档编号】C01B21/04GK104271218SQ201380024109
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2013年3月8日 优先权日:2012年3月9日
【发明者】J.B.里基二世, W.J.丹尼尔斯 申请人:英瓦卡尔公司