Система датчиков и сепаратор кислорода, содержащий систему датчиков Российский патент 2018 года по МПК G01N25/48 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к системам датчиков. Изобретение, в частности, относится к системам датчиков, применяемым, например, в области сепарации кислорода.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Датчики для обнаружения газов используются в различных областях применения. Часто необходимо, чтобы датчики газа были очень чувствительными и экономически эффективными как при монтаже, так и при использовании. В качестве примера, газовые датчики могут использоваться в концентраторах кислорода, предназначенных для кислородной терапии для управления условиями процесса.

Кислородная терапия является областью применения кислорода с целью терапевтического воздействия. Она широко применяется для множества целей при лечении пациентов как с хроническими, так и острыми заболеваниями, поскольку кислород важен для метаболизма клеток, а насыщение тканей кислородом, в свою очередь, важно для всех физиологических функций. Кислородная терапия должна применяться для оказания благоприятного действия на пациента путем усиления снабжения кислородом легких и, тем самым, повышения доступности кислорода для тканей тела, особенно когда пациент страдает от гипоксии и/или гипоксемии. Кислородная терапия может применяться как в больницах, так и для медицинской помощи на дому. Основное применение кислородной терапии при домашнем уходе предназначено для пациентов, имеющих тяжелое хроническое обструктивное заболевание легких (ХОЗЛ).

Кислород можно применять различными способами. Предпочтительный способ применения кислорода представляет собой использование так называемой генерации кислорода по требованию. В этой связи широко известны коммерческие решения, так называемые концентраторы кислорода или сепараторы кислорода, соответственно. Данные концентраторы кислорода в основном выделяют кислород из кислородсодержащего газа, так что кислород генерируется по требованию, т.е. непосредственно перед применением.

Из ЕР 1029577 А2 известно устройство для получения обогащенного кислородом газа из воздуха. Согласно данному документу, устройства для сепарации производят обогащенный кислородом газ для использования при кислородной ингаляционной терапии. Устройства для сепарации включают в себя источник воздуха для подачи воздуха и множество колонн для содержания в них адсорбирующего вещества для адсорбирования газообразного азота. Каждая из колонн имеет первый и второй концы. Воздух направляют от источника воздуха в колонну через первые открытые концы соответствующих колонн. Датчик температуры измеряет температуру боковой стенки одной из колонн. Устройство для сепарации изменяет время для адсорбции газообразного азота адсорбирующим веществом на основе измеренной температуры.

В документе US 2013209315 А1 раскрыт датчик концентрации газа. Указанный датчик концентрации газа представляет собой тепловой датчик для измерения повышения температуры в результате экзотермической реакции вследствие абсорбции указанного газа абсорбирующим веществом.

В документе US 2005109081 А1 раскрывается миниатюрный датчик, содержащий тонкопленочную мембрану. Тонкая пленка слоя наночастиц действует в качестве поверхности раздела между детектируемым веществом и датчиком. При адсорбции заданного количества вещества на поверхности тонкой пленки слоя наночастиц выделяется соответствующее количество теплоты. Данное количество теплоты измеряется датчиком и соотносится с количеством адсорбата в среде.

В документе DE 4132034 A1 раскрываются способы и устройства, в которых используется химически чувствительный слой, который подвергается воздействию газа. Выделение теплоты во время воздействия газа соотносится с присутствием конкретного вещества в указанном газе.

Документ ЕР 1114666 А2 раскрывает управление процессом сепарации газа при переменном давлении, и, более конкретно, способ регулирования длительности этапов адсорбции/десорбции, а также длительности и хода выполнения этапа опорожнения резервуара на основании измеренных параметров давления и чистоты, для поддержания давления в резервуаре на заданном уровне или ниже него для оптимизации и достижения максимальной производительности.

В документе US 20130233168 A1 раскрывается концентратор кислорода. Датчик связан с разделительным слоем для восприятия хода адсорбции в разделительном слое, а также с контроллером. Контроллер считывает данные с датчика и осуществляет управление процессом сепарации газа на основании хода процесса в зоне адсорбции.

В документе WO 2013038315 А1 описано портативное устройство для концентрации кислорода путем адсорбции из воздуха, и способ использования такого устройства. Для подачи воздуха на подложку молекулярного сита при одной или более необходимых величин давления в устройстве используется компрессор.

Документ WO 2013038299 A1 раскрывает сброс давления в линии подачи кислорода, используемой в концентраторах кислорода. Описаны портативный концентратор кислорода, содержащий резервуар, выполненный с возможностью хранения обогащенного кислородом газа, и подающая линия, выполненная с возможностью подачи к пользователю обогащенного кислородом газа из резервуара.

Однако все еще существует возможность для улучшения условий работы устройств для сепарации кислорода, особенно в отношении измерения чистоты кислорода.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задача настоящего изобретения состоит в создании системы датчиков, которая является экономичной при монтаже и при использовании, которая имеет хорошую чувствительность и/или которая особенно хорошо подходит для концентраторов кислорода.

Данная задача решается при помощи концентратора кислорода по п. 1 формулы изобретения, а также способа обнаружения по меньшей мере одного химического соединения по п. 8 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления охарактеризованы в зависимых пунктах формулы изобретения.

Предложена система датчиков для количественного определения по меньшей мере одного химического соединения в смеси текучих сред, содержащей химическое соединение, подлежащее обнаружению. Система датчиков содержит сорбирующий материал, способный сорбировать по меньшей мере одно химическое соединение, подлежащее обнаружению, при этом сорбирующий материал подвержен изменению температуры при сорбировании по меньшей мере одного химического соединения; по меньшей мере первый датчик температуры для измерения температуры сорбирующего материала; и блок управления, выполненный с возможностью количественного определения по меньшей мере одного химического соединения, подлежащего определению, на основании изменения температуры сорбирующего материала. Сорбирующим материалом является цеолит. По меньшей мере одним химическим соединением является азот. Смесь текучих сред представляет собой газ, содержащий кислород.

Система датчиков, аналогичная описанной выше, обеспечивает высокую чувствительность, а также возможность экономически выгодного производства, а также удобство в использовании и, таким образом, может быть особенно пригодной для определения чистоты кислородсодержащего газа. Система датчиков, таким образом, будет, в частности, описана применительно к концентратору кислорода или сепаратору кислорода, соответственно.

Более подробно, система датчиков, как указано выше, содержит сорбирующий материал, способный сорбировать по меньшей мере одно химическое соединение, подлежащее определению. Таким образом, под сорбирующим материалом можно понимать материал, который сорбирует, и, следовательно, адсорбирует или абсорбирует по меньшей мере одно химическое соединение из смеси текучих сред, например, газовой смеси или смеси, содержащей один или более газов, и одну или более жидких сред намного лучше, чем по меньшей мере одно дополнительное химическое соединение данной смеси. Химическое соединение, подлежащее определению, таким образом, предпочтительно является текучей средой, например, газообразным химическим соединением или химическим соединением в жидком состоянии. Сорбирующий материал предпочтительно является высокоизбирательным в отношении соединения, подлежащего определению, и сорбирует данное химическое соединение гораздо более эффективно по меньшей мере в отношении дополнительных соединений, присутствующих в смеси текучих сред, например, в газообразной смеси.

Сорбирующий материал, таким образом, выбирается применительно к соединению, подлежащему определению, так что сорбирующий материал испытывает изменение температуры при сорбции соединения, подлежащего определению. Этот эффект, в общем, хорошо известен для сорбирующих материалов. Действительно, в зависимости от адсорбционной энтальпии, например, соединения, подлежащего определению, с учетом состояния сорбирующего материала и процесса сорбции, если сорбируются дополнительные соединения, температура сорбирующего материала может изменяться. Таким образом, данное изменение температуры, в частности, с учетом ее величины, зависит от количества сорбируемого соединения и, следовательно, от концентрации соответствующего соединения в среде, образованной смесью текучих сред и окружающей сорбирующий материал.

Система датчиков, таким образом, основана на том факте, что в случае, если сорбирующий материал сорбирует определенное химическое соединение, такой процесс сопровождается изменением температуры сорбирующего материала, например, в основном ростом температуры. Таким образом, изменение температуры, в частности, в сочетании с ее величиной можно использовать как индикатор того, какое химическое соединение и какое количество соединения сорбировано сорбирующим материалом. Таким образом, изменение температуры можно использовать как качественный и дополнительно как количественный индикатор присутствия искомого химического соединения в среде, окружающей сорбирующий материал, и, таким образом, в смеси текучих сред, подлежащей анализу.

В связи с тем, что система датчиков основана на процессе сорбции искомого химического соединения сорбирующим материалом, сорбирующий материал может присутствовать в среде или в смеси текучих сред, соответственно, подлежащей анализу. Для обнаружения соединения, например, в потоке газа, сорбирующий материал может располагаться по меньшей мере внутри соответствующего газопровода.

Для измерения изменения температуры сорбирующего материала предусмотрен по меньшей мере первый датчик температуры для измерения температуры сорбирующего материала. Таким датчиком температуры в общем может быть любой датчик температуры, известный в уровне техники, подходящий для измерения температуры сорбирующего материала. Таким образом, может быть предусмотрен непосредственный термический контакт датчика температуры с сорбирующим материалом, либо он может измерять соответствующую температуру посредством излучения, такого как, например, инфракрасное излучение. Таким образом, с целью измерения изменения температуры сорбирующего материала с особой эффективностью и точностью, приемлемо, но не строго необходимо, чтобы датчик температуры был предусмотрен в непосредственной близости от сорбирующего материала и, следовательно, вместе с сорбирующим материалом, а также в среде или в смеси текучих сред, соответственно, подлежащих анализу. Первый датчик температуры вместе с сорбирующим материалом, таким образом, может быть выполнен в виде компактного унифицированного конструктивного элемента.

Дополнительно, для сопоставления измеренного изменения температуры сорбирующего материала использован блок управления, при этом блок управления выполнен с возможностью количественного определения по меньшей мере одного химического соединения, подлежащего определению, на основании изменения температуры сорбирующего материала. В соответствии с этим блок управления может содержать, например, память, в которой имеется справочная таблица, при этом данная справочная таблица предоставляет информацию об изменениях температуры, которые соответствуют соответствующим концентрациям или изменениям концентрации соединений, подлежащих определению. Таким образом, справочная таблица может быть подготовлена путем калибровки блока управления при помощи измерения зависимости изменения температуры относительно определенных концентраций или изменений концентрации соединения, подлежащего определению, и, таким образом, соответствующих процессов сорбции.

Система датчиков, аналогичная описанной выше, обеспечивает множество преимуществ по сравнению с решениями предшествующего уровня техники.

На самом деле, система датчиков, аналогичная описанной выше, может быть изготовлена экономически очень эффективным способом, поскольку необходимые компоненты не являются дорогостоящими сложными деталями, а напротив, могут быть обеспечены без значительных затрат. Более подробно, необходимый сорбирующий материал известен в уровне техники для многих различных вариантов применения и имеет незначительную стоимость изготовления. Дополнительно, используемый датчик температуры дополнительно также является несложной и недорогостоящей деталью и также может обеспечить экономию при массовом производстве изделия. Поскольку блок управления может присутствовать в большинстве вариантов применения, становится ясно, что не требуется изготавливать никакие сложные установки.

Кроме того, система датчиков может быть легко настроена на соединение, подлежащее обнаружению, а также на используемую смесь текучих сред. Это происходит благодаря тому, что должен заменяться только сорбирующий материал, так что можно достичь подходящей избирательности и чувствительности в отношении соединения, подлежащего определению. Таким образом, идентификация сорбирующего материала, подходящего для требуемого применения, является просто вопросом изучения эталонных веществ. Система датчиков может быть откалибрована в отношении используемого сорбирующего материала и соединения, подлежащего обнаружению, для формирования соответствующей справочной таблицы соответствия и, например, после данной калибровки система датчиков может быть немедленно работоспособной. Таким образом, система датчиков может работать для каждого требуемого применения без дополнительной сложной установки.

Наряду с этим, система датчиков может с высокой чувствительностью обнаруживать соответствующее химическое соединение, и подходить для многих различных вариантов применения, например, в области концентрации кислорода. Более подробно, особенно в случае, если сорбирующий материал обладает высокой избирательностью к соединению, подлежащему обнаружению, относительно других соединений, присутствующих в среде, окружающей сорбирующий материал, процесс сорбции может привести к значительному и хорошо обнаруживаемому изменению температуры уже в том случае, если сорбировано только небольшое количество соединения, подлежащего обнаружению. Таким образом, возможным является высокочувствительное измерение.

Помимо этого, изменение температуры сорбирующего материала является эффектом, который мгновенно сопровождает процесс сорбции, так что возможно также очень динамичное измерение параметров соединения, подлежащего обнаружению, и, следовательно, практически без какой-либо задержки во времени. Следовательно, в случае, если управление технологическим процессом зависит от результата соответствующего измерения, управление может выполняться особенно динамично, обеспечивая возможность быстрого реагирования на изменяющиеся условия.

Описанное выше очень динамичное измерение может быть даже ускорено в случае, если датчик выполнен очень небольшим и, следовательно, с наименьшим возможным количеством сорбирующего материала. В результате этого теплоемкость и, следовательно, время задержки его реакции можно дополнительно уменьшить.

Кроме того, принцип работы системы датчиков обеспечивает возможность повышенного энергосбережения благодаря тому, что такой датчик температуры может использоваться без потребления значительного количества энергии, и процесс сорбции, за исключением возможных этапов регенерации, также не требует большой энергии извне. Таким образом, система датчиков может, в частности, подходить для применения в портативных устройствах.

Подводя итог, система датчиков, аналогичная описанной выше, позволяет использовать чувствительную и динамичную технологию количественного определения химического соединения в смеси текучих сред, например, в газовой смеси.

Согласно варианту осуществления, система датчиков дополнительно содержит второй датчик температуры для измерения температуры смеси текучих сред, при этом блок управления выполнен с возможностью количественного определения по меньшей мере одного химического соединения, подлежащего обнаружению, на основании изменения температуры сорбирующего материала относительно величины изменения температуры смеси текучих сред.

Согласно данному варианту осуществления, обнаружение искомого химического соединения может быть достигнуто особенно точным и безошибочным способом. Фактически, согласно данному варианту осуществления отказываются от того, что определение соединения, подлежащего обнаружению, основано на изменении температуры сорбирующего материала, в частности, его величины, поскольку оно является не только результатом процесса сорбции соответствующего соединения сорбирующим материалом, но также результатом других эффектов. Фактически, помимо химического эффекта процесса сорбции, изменения давления, например, также могут вызвать тепловые эффекты в сорбирующем материале из-за адиабатического нагрева и охлаждения. Для компенсации данных чисто физических эффектов предусмотрен второй датчик температуры, причем второй датчик температуры выполнен с возможностью измерения температуры смеси текучих сред, например, газа или среды, окружающей сорбирующий материал, соответственно. Таким образом, изменения температуры, которые не являются явным результатом процессов сорбции, могут определяться и могут приниматься в расчет при определении концентрации газа, подлежащего обнаружению, на основании измерения первого датчика температуры. Это позволяет предотвратить ухудшение результатов измерения из-за нежелательных температурных воздействий на сорбирующий материал. В результате система датчиков согласно данному варианту осуществления может быть особенно надежной и особенно точной.

Согласно дополнительному варианту осуществления, сорбирующий материал предусмотрен на поверхности первого датчика температуры. В частности, сорбирующий материал может быть предусмотрен на поверхности активной части датчика температуры. Другими словами, активная часть первого датчика температуры и, таким образом, часть, которая измеряет температуру, находится в непосредственном контакте с сорбирующим материалом. Например, сорбирующий материал может покрывать поверхность датчика температуры. В неограничивающем примере сорбирующий материал может быть приклеен к поверхности датчика температуры. В связи с этим можно использовать клей, имеющий повышенную теплопроводность, чтобы не затруднять или незначительно затруднять измерение температуры. Согласно данному варианту осуществления, между сорбирующим материалом и датчиком температуры может создаваться особенно плотный термический контакт. Вследствие этого изменение температуры сорбирующего материала датчиком температуры можно обнаруживать очень быстро, что позволяет производить особенно динамичные измерения. В связи с этим, в зависимости от соответствующего применения системы датчиков, можно получить очень быстрый ответ в отношении результатов измерений. Дополнительно, первый датчик температуры, снабженный сорбирующим материалом, может быть выполнен в виде компактной части вместе с сорбирующим материалом, которая может быть легко заменяемой в отношении желаемых применений.

Согласно дополнительному варианту осуществления, по меньшей мере один из датчиков, первый датчик температуры или второй датчик температуры, содержит термистор или термопару. В частности, термистор является датчиком температуры, который хорошо применим для системы датчиков, аналогичной описанной выше, в связи с очень полезными синергетическими эффектами. Подробнее под термистором можно понимать датчик, который представляет собой тип резистора, сопротивление которого значительно изменяется с температурой. Таким образом, при использовании термистора температуру можно определять, измеряя ток или сопротивление, соответственно, резистора. Таким образом можно легко разместить сорбирующий материал вблизи резистора, обеспечив плотный термический контакт между сорбирующим материалом и термистором и, соответственно, датчиком. В качестве примера резистор может быть непосредственно покрыт сорбирующим материалом для особенно эффективного осуществления измерения теплоты. Кроме того, термистор в основном очень устойчив в отношении множества рабочих условий, обеспечивая высокую надежность и срок службы. Таким образом, термистор может быть очень полезным, например, в области сепарации кислорода. Кроме того, термистор дополнительно является высокоэкономичным. В качестве примера подходящий термистор, а именно, его активная часть, может быть изготовлен на основе платины, и может быть приобретен как образец под названием РТ1000 в компании Labfacility. Однако, в общем, может подойти любой термистор, выдерживающий условия использования.

Что касается термопары, она представляет собой устройство для измерения температуры, содержащее два разнородных проводника, которые находятся в контакте друг с другом в одной или более точках. В случае, если температура одной из точек отличается от эталонной температуры на других участках цепи, прикладывается напряжение. Таким образом, термопара может быть особенно предпочтительной в случае, если предусмотрен первый и второй датчик температуры. Это связано с тем, что при правильном подключении, например, обратном, две части термопар могут непосредственно давать разность температур между датчиком и эталонным датчиком. Соответственно, изменение температуры будет обнаружено только в случае наличия разности между сорбирующим материалом и смесью текучих сред, поскольку нежелательные температурные влияния, например, в результате изменений давления, не должны будут приниматься во внимание.

Согласно дополнительному варианту осуществления, предложено нагревающее устройство для нагрева сорбирующего материала. Согласно данному варианту осуществления, ему может сопутствовать эффект, в соответствии с которым сорбирующий материал после некоторого времени измерения может загрязняться загрязняющими веществами, потенциально присутствующими в газе, подлежащем обнаружению, например, но не ограничиваясь ими, водой или двуокисью углерода, которые были сорбированы сорбирующим материалом, что привело к уменьшению чувствительности. Благодаря наличию нагревающего элемента, сорбирующий материал может быть регенерирован путем нагрева до температуры, например, в пределах 300-500°С, для возобновления чувствительности. Нагревающий элемент может содержать, например, нагревательные провода, которые расположены в непосредственной близости от сорбирующего материала или могут проходить, например, через него.

Сорбирующий материал является цеолитом. В частности, сорбирующий материал может содержать натрий или литий, цеолиты с каркасной структурой LTA или FAU, например, сорбирующий материал фожазит Li-LSX, имеющийся в продаже под названием SXSDM от фирмы СЕСА. Другой пример может содержать, например, цеолит типа 5А.

Использование данных сорбирующих материалов очень выгодно с точки зрения сорбирования желаемых соединений, например, азота, и дополнительно для демонстрации температурного эффекта при сорбции соответствующего соединения. Однако следует отметить, что выбранный сорбирующий материал может быть выбран в зависимости от химического соединения, подлежащего обнаружению, а также смеси, в которой химическое соединение присутствует.

Согласно дополнительному варианту осуществления, сорбирующий материал выполнен с возможностью сорбировать азот. Вследствие этого, система датчиков может действовать, в частности, как датчик азота, делая его подходящим для использования в области сепарации кислорода, например, являясь частью концентратора кислорода, как будет пояснено ниже.

Дополнительные преимущества и технические признаки системы датчиков приведены при описании концентратора кислорода и способа, а также представлены на чертежах и в соответствующем им описании.

Настоящее изобретение дополнительно относится к концентратору кислорода для производства обогащенного кислородом газа, при этом упомянутый концентратор кислорода содержит систему датчиков, подобную описанной выше.

Концентратор кислорода согласно настоящему изобретению является устройством, которое может использовать газовую смесь, например, воздух, и вырабатывать газ, содержащий большее количество кислорода по сравнению с исходной газовой смесью. В примерном варианте осуществления концентратор кислорода может содержать по меньшей мере одно устройство для сепарации кислорода. Концентратор кислорода может, таким образом, содержать только одно устройство для сепарации кислорода или предпочтительно множество устройств для сепарации кислорода. Например, концентратор кислорода может содержать два устройства для сепарации кислорода и в целом может образовывать установку адсорбции при переменном давлении (pressure swing adsorption, PSA). Однако, концентратор кислорода также может образовать, например, установку вакуумной короткоцикловой адсорбции (vacuum swing adsorption, VSA) или вакуумной адсорбции при переменном давлении (vacuum pressure swing adsorption, VPSA).

Для целей сепарации и в примерном варианте осуществления, устройство для сепарации кислорода содержит или наполнено, соответственно, сорбентом, отделяющим кислород, для сепарации кислорода из кислородсодержащего газа. Следовательно, устройство для сепарации кислорода может образовывать подложку молекулярного сита. Таким образом, сорбент для сепарации кислорода способен отделять кислород от кислородсодержащего газа, сорбируя из кислородсодержащего газа по меньшей мере одно химическое соединение помимо кислорода, или по меньшей мере лучше, чем кислород. Данный признак соответствует основным настройкам установки адсорбции при переменном давлении, в соответствии с которыми сорбент для сепарации кислорода взаимодействует по меньшей мере с одним химическим соединением кислородсодержащего газа помимо кислорода или взаимодействует лучше, чем с кислородом, и таким образом, обеспечивает возможность прохождения кислорода. Данный признак позволяет по меньшей мере временно связывать одно или более соединений кислородсодержащего газа, полученных в результате сепарации кислорода, от дополнительных химических соединений кислородсодержащего газа. Например, сорбент для сепарации кислорода может предназначаться для адсорбирования азота, но в меньшей или большей степени взаимодействовать с кислородом для обеспечения возможности прохождения кислорода через сорбент, и создавать поток чистого или в основном чистого кислорода, или, соответственно, обогащенного кислородом газа при направлении потока кислородсодержащего газа, например, воздуха, через сорбент.

Неограничивающие примеры сорбентов для сепарации кислорода включают в себя цеолиты, например, натриевый или литиевый низкотемпературный адсорбер (LTA) или цеолиты типа фожазита (FAU) с каркасной структурой, например, сорбирующий материал фожазит Li-LSX, который продается под названием SXSDM компанией СЕСА.

Чтобы направлять кислородсодержащий газ в устройство для сепарации кислорода, устройство для сепарации кислорода, в частности, каждое имеющееся устройство для сепарации кислорода, содержит на первичной стороне впуск газа, соединенный с впускным трубопроводом для направленного перемещения потока кислородсодержащего газа в устройство для сепарации кислорода, и на вторичной стороне - газовыпускной патрубок, соединенный с выпускным трубопроводом для направленного перемещения потока обогащенного кислородом газа из устройства для сепарации кислорода.

Поток газа, в частности, поток кислородсодержащего газа в устройство для сепарации кислорода, и поток обогащенного кислородом газа из устройства сепарации кислорода, следовательно, могут создаваться за счет обеспечения устройства подачи газа, создающего разность давлений между первичной стороной и вторичной стороной устройства для сепарации кислорода. Устройство подачи газа может представлять собой, например, компрессор, расположенный на первичной стороне устройства для сепарации кислорода, и/или оно может быть выполнено в виде вакуумного насоса, расположенного на вторичной стороне устройства для сепарации кислорода.

Наряду с созданием разности давлений между первичной и вторичной сторонами устройства для сепарации кислорода, устройство подачи газа, таким образом, может успешно использоваться для подачи кислородсодержащего газа от источника кислородсодержащего газа к впуску газа, через устройство для сепарации кислорода, и выработанного кислорода через выпускной трубопровод. Данный этап главным образом выполняется в случае, если устройство для сепарации кислорода вырабатывает кислород и, следовательно, находится в режиме сепарации кислорода или в режиме подачи, соответственно.

Однако в отношении устройств для сепарации кислорода и, соответственно, сорбентов для сепарации кислорода для этих устройств, известно, что после некоторого времени использования сорбирующий материал должен быть регенерирован, чтобы десорбировать сорбированные вещества, как, в частности азот. Известно, что для этого концентратор кислорода или, соответственно, устройство для сепарации кислорода, должно работать в режиме продувки, когда через устройство для сепарации кислорода подается продувочный газ. В связи с этим вторичная сторона устройства для сепарации кислорода, например, газовыпускной патрубок устройства для сепарации кислорода, предпочтительно соединена с источником продувочного газа для направленного перемещения продувочного газа через устройство для сепарации кислорода к первичной стороне, а первичная сторона устройства для сепарации кислорода, например, впуск газа устройства для сепарации кислорода, предпочтительно соединена с трубопроводом отработанного газа для направленного перемещения отработанного газа из сепаратора кислорода.

Таким образом, сепаратор кислорода разделяет кислородсодержащий газ, например воздух, в основном на азот и кислород в циклическом режиме работы. В первой фазе цикла кислородсодержащий газ подают в виде «входящего потока» в устройство для сепарации кислорода под более высоким давлением подачи, и, например, азот удерживается внутри данного устройства в адсорбированном виде, а чистый кислород собирают в виде выходного «продукта». Во второй фазе цикла выполняют регенерацию устройства для сепарации, то есть, продувочный газ, например, часть выработанного обогащенного кислородом газа подают обратно в устройство продувки под более низким давлением, и ранее адсорбированный азот высвобождается в качестве «отработанного» в окружающую среду. Используется, например, по меньшей мере два устройства для сепарации, наполненные подходящим сорбентом для селективной сепарации кислорода: когда одно устройство находится в фазе «подачи», вырабатывая обогащенный кислородом газ под более высоким давлением, другое устройство, находящееся в фазе «продувки» под более низким давлением, регенерируют, например, с частью потока кислорода, выработанного первым устройством. Через некоторое время переключаются клапаны, расположенные в соответствующем порядке, и оба устройства меняются местами.

Хорошо известным требованием при использовании концентраторов кислорода является адаптация процесса к изменяющимся условиям процесса, например, температуре внешней среды, внешнему давлению, фактической потребности потока кислорода и/или состоянию отдельных устройств для сепарации. Таким образом, концентраторы кислорода могут управляться блоком электронного управления, предпочтительно содержащим микроконтроллер.

Неожиданно для себя авторы изобретения обнаружили, что, оснащая концентратор кислорода системой датчиков, аналогичной описанной выше, для определения концентрации по меньшей мере одного конкретного газового соединения, обнаружение химических соединений в газовом потоке, выработанном концентратором кислорода, может быть особенно эффективным и, таким образом, управление концентратором кислорода, а следовательно и чистота, и качество выработанного обогащенного кислородом газа могут быть значительно улучшены.

Действительно, в соответствии с описанием вышеупомянутой системы датчиков и в отношении ее применения в концентраторе кислорода, система датчиков является датчиком азота и может иметь принцип работы, основанный на том факте, что сорбирующий материал, используемый в системе датчиков, обладает большим сродством к азоту (N₂), чем к кислороду (O₂). Соответственно, если насыщенный кислородом сорбирующий материал, в частности, подвергается воздействию газообразного азота, оно будет сорбировать азот и выделять кислород. Это сопровождается тепловым эффектом, благодаря которому температура сорбирующего материала повышается. Соответственно, система датчиков, аналогичная описанной выше, очень хорошо подходит для измерения концентрации азота и, следовательно, например, чистоты кислорода в обогащенном кислородом газе.

Таким образом, применение системы датчиков, аналогичной описанной выше, может быть особенно предпочтительным благодаря тому, что сорбирующий материал, используемый для сорбирования вещества, подлежащего обнаружению, может быть таким же, что и сорбент для сепарации кислорода, используемый в устройстве для сепарации кислорода. Вследствие этого, благодаря устройствам для сепарации кислорода можно предотвратить ухудшение процесса сепарации кислорода, а также ухудшение качества измерений.

Кроме того, благодаря тому, что сорбент для сепарации кислорода в основном адаптирован к соответствующим свойствам газовой смеси, с которой он входит в контакт, отсутствует риск того, что сорбирующий материал в системе датчиков окажется нестабильным в отношении имеющихся свойств. Поэтому надежность, а также срок службы системы датчиков не являются проблематичными.

Управление концентратором кислорода, например, в отношении быстродействия устройства регулирования давления, регулирования времени подачи и фаз продувки, этапа устранения дисбаланса между множеством устройств для сепарации может выполняться особенно эффективно. Это дополнительно позволяет еще больше повысить чистоту выработанного обогащенного кислородом газам. Соответствующий блок управления может быть, таким образом, аналогичным тому, который описан в отношении системы датчиков.

Предпочтительно сепаратор кислорода выполнен в виде портативного устройства. В основном, согласно изобретению, «портативный» может означать полностью независимый и автономный вариант осуществления. Такой вариант осуществления в свою очередь означает, что не требуется никаких подключений, например, к источнику энергии или к источнику кислородсодержащего газа при последующем использовании для сепарации дополнительных химических соединений после, например, сепарации кислорода. В частности, не требуется никаких подключений к стационарным элементам во время использования, и, следовательно, во время выработки кислорода. Такое портативное устройство может иметь ручку для переноски, или оно может располагаться в устройстве для переноски, например, сумке и оно, например, может быть оборудовано источником энергии. Портативные концентраторы кислорода особенно чувствительны к влиянию условий работы из-за ограниченного размера устройства для сепарации кислорода или ограниченного количества выделяющего кислород вещества, соответственно. Например, по отношению к портативным концентраторам кислорода, факторы, такие как наличие примесей в веществе, сепарирующем кислород, изменение рабочей температуры и тому подобное при определенных обстоятельствах может быстро привести к снижению селективной способности к кислороду, что может потребовать, например, динамического управления последним. Следовательно, сепаратор кислорода согласно изобретению особенно эффективен для портативных устройств или для устройств, содержащих небольшое устройство для сепарации кислорода и/или ограниченное количество вещества, выделяющего кислород.

Согласно варианту осуществления концентратора кислорода, по меньшей мере сорбирующий материал системы датчиков предусмотрен в уравнительном трубопроводе. Предпочтительно сорбирующий материал вместе с датчиком температуры расположен в уравнительном трубопроводе. Уравнительный трубопровод, таким образом, является трубопроводом или трубой, соответственно, который может быть предусмотрен в случае, если предусмотрено более одного устройства для сепарации кислорода. Он расположен на стороне продукта в устройствах для сепарации кислорода и соединяет последние на их сторонах продукта. Он может быть снабжен клапанами для его перекрытия во время обычной работы, например, во время фазы продувки или фазы подачи. Задача уравнительного трубопровода состоит в обеспечении фазы выравнивания во время цикла сепарации кислорода. Более подробно, эффективность цикла адсорбции при переменном давлении (PSA), например, увеличивается, если часть энергии сжатого воздуха, запасенной в первом устройстве после фазы подачи, используется повторно для увеличения давления во втором устройстве до промежуточного давления. С этой целью между основными фазами рабочего цикла добавляется короткая фаза выравнивания, во время которой оба устройства соединены на своих сторонах продукта посредством упомянутого уравнительного трубопровода.

Согласно данному варианту осуществления, польза от эффекта достигается тем, что несмотря на незначительные примеси например, аргона, в уравнительном трубопроводе может присутствовать газ, обогащенный кислородом, и, следовательно, может присутствовать почти чистый кислород в случае, если процесс протекает при требуемых условиях. Если процесс отклоняется от данных идеальных условий, концентрация азота повышается, что непосредственно поддается обнаружению системой датчиков, аналогичной описанной выше. Дополнительно, максимальная концентрация азота в фазах выравнивания обычно выше с коэффициентом от двух до трех по сравнению с концентрацией азота в полученном газе, например, в резервуаре продукта. Кроме того, объемы газа, передающиеся между устройствами для сепарации в фазах выравнивания, обычно в два раза больше, чем объемы газа, выходящие из устройств для сепарации в фазах получения продукта.

Таким образом, предложенная система диагностики, содержащая систему датчиков в уравнительном трубопроводе, является более чувствительной и быстрой, чем другая система диагностики технологического процесса, например, на основании содержания кислорода только в продукте. Действительно, содержание кислорода в уравнительном трубопроводе по сравнению с его содержанием в полученном газе, и, следовательно, в обогащенном кислородом газе, например, измеренное датчиком кислорода в резервуаре продукта, в соответствии с уровнем техники, на практике реагирует на изменения в технологическом процессе гораздо быстрее. Дополнительно, максимальное давление внутри устройства для сепарации, измеренное датчиком давления в трубопроводе или резервуаре продукта, на практике дает менее конкретный или менее чувствительный сигнал по сравнению с полученным при измерении газа в уравнительном трубопроводе, так что, согласно данному варианту осуществления, можно добиться более надежного управления процессом.

Другими словами, результирующий сигнал системы датчиков в уравнительном трубопроводе обеспечивает возможность особенно надежной диагностики технологического процесса для управления процессом сепарации, например, для предотвращения прорыва фронта азота в поток продукта, предотвращения колебаний чистоты кислорода в продукте и/или, в конечном итоге, минимизации необходимой входной мощности.

Дополнительные преимущества и технические признаки концентратора кислорода приведены при описании системы датчиков и способа, а также представлены на чертежах и в соответствующем им описании.

Настоящее изобретение дополнительно относится к способу количественного определения по меньшей мере одного химического соединения в смеси текучих сред, содержащей химическое соединение, подлежащее обнаружению, при этом способ включает в себя следующие этапы: сорбирование химического соединения, подлежащего обнаружению, сорбирующим материалом, причем сорбирующий материал подвержен изменению температуры при сорбировании указанного по меньшей мере одного химического соединения; измерение температуры сорбирующего материала; и количественное определение указанного по меньшей мере одного соединения на основе изменения температуры сорбирующего материала.

Такой способ, следовательно, подходит для количественного определения по меньшей мере одной конкретной текучей среды, то есть газообразного или жидкого соединения в текучей смеси химических соединений или, другими словами, для определения концентрации или изменения концентрации искомого химического соединения. В частности, данный способ подходит для определения концентрации или изменения концентрации одного искомого химического соединения в смеси соединений. Данный способ является особенно эффективным для концентратора кислорода. Данный способ можно использовать, например, для обнаружения азота в кислородной среде. Способ, однако, можно дополнительно использовать для определения концентрации текучей среды или соответствующих изменений концентрации в газе. Примером может служить обнаружение воды в газе, например, в кислороде или в инертном газе. Данный способ имеет существенные преимущества, которые описаны при соответствующем описании системы датчиков. Подводя итог, данный способ обеспечивает энергоэффективное, экономически эффективное, легко адаптируемое и/или быстрое измерение для осуществления точного определения искомого компонента. Это, следовательно, позволяет управлять процессами, например, в области сепарации кислорода, делая их очень динамичными и эффективными.

По меньшей мере одно химическое соединение, которым является азот, определяют количественно на основе изменения температуры сорбирующего материала относительно изменения температуры смеси текучих сред. Согласно данному варианту осуществления определение искомого химического соединения может достигаться особенно точно и тщательно вследствие исключения того фактора, что изменение температуры сорбирующего материала происходит не только в результате процесса сорбции соответствующего соединения, а изменение температуры может также происходить в результате других эффектов, тем самым потенциально ухудшая данные измерений.

Согласно дополнительному варианту осуществления, данный способ является частью способа сепарации кислорода из кислородсодержащего газа.

Такой способ сепарации кислорода в соответствии с первым этапом может в основном содержать этап сепарации кислорода, причем этап сепарации кислорода содержит направленное перемещение кислородсодержащего газа на первичную сторону одного или более устройств для сепарации кислорода и создание потока кислорода через устройство или устройства для сепарации кислорода за счет создания разности давлений между первичной и вторичной сторонами, например, при помощи компрессора или вакуумного насоса. Таким образом, данный этап относится к общеизвестному этапу сепарации кислорода с использованием сепаратора кислорода, в котором кислородсодержащий газ направляют в устройство для сепарации кислорода, в котором дополнительные компоненты помимо кислорода сорбируются сорбентом для сепарации кислорода, а кислород выводят из устройства для сепарации кислорода.

Чтобы десорбировать сорбированные вещества из одного или более ранее использованных устройств для сепарации кислорода, или, соответственно, сорбентов для сепарации кислорода, после этапа сепарации кислорода по меньшей мере одно устройство для сепарации кислорода продувается при помощи направленного перемещения продувочного газа через устройство для сепарации кислорода от вторичной стороны к первичной стороне, а также при помощи направленного вывода отработанного газа через трубопровод отработанного газа. Данный этап регенерации, который может также выполняться при помощи устройства подачи газа, например, компрессора или вакуумного насоса, таким образом, является обычным этапом, который известен, например, для систем адсорбции при переменном давлении.

Кроме того, способ может дополнительно содержать этап, который обычно может выполняться во время одного или более ранее описанных этапов, или как отдельный этап. В соответствии с данным этапом по меньшей мере одно химическое соединение определяют, как описано выше, путем использования системы датчиков, аналогичной описанной выше, путем сорбции соединения, подлежащего обнаружению, сорбирующим материалом, во время которой сорбирующий материал подвержен изменению температуры при сорбировании по меньшей мере одного химического соединения, во время чего измеряется температура сорбирующего материала, и во время чего по меньшей мере одно химическое соединение определяется количественно на основе изменения температуры сорбирующего материала.

Согласно дополнительному варианту осуществления, по меньшей мере одно химическое соединение обнаруживают во время фазы выравнивания и, следовательно, в частности, в уравнительном трубопроводе. Согласно данному варианту осуществления, польза от эффекта достигается тем, что, несмотря на незначительные примеси, например, аргона, например, в уравнительном трубопроводе может присутствовать чистый кислород, если процесс идет при требуемых условиях. Если процесс отклоняется от данных идеальных условий, концентрация азота повышается, что непосредственно поддается обнаружению системой датчиков, аналогичной описанной выше. Дополнительно, максимальная концентрация азота в фазах выравнивания в уравнительном трубопроводе обычно от двух до трех раз выше по сравнению с концентрацией азота в полученном газе, например, в резервуаре для продукта. Кроме того, объемы газа, передающиеся между устройствами для сепарации в фазах выравнивания, обычно в два раза больше, чем объемы газа, выходящего из устройств для сепарации в фазах получения продукта. Вследствие этого, предложенная диагностика с датчиком уравнивания является более чувствительной и быстрой, чем другая диагностика технологического процесса, например, на основе содержания кислорода только в продукте.

Дополнительные преимущества и технические признаки способа выработки кислорода представлены при описании сепаратора кислорода, на чертежах и соответствующем им описании.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Эти и другие аспекты изобретения будут очевидны и пояснены со ссылкой на варианты осуществления, описанные ниже.

На чертежах:

Фиг. 1 показывает схематический вид варианта осуществления системы датчиков согласно изобретению;

Фиг. 2 показывает схематический вид варианта осуществления концентратора кислорода, содержащего систему датчиков в соответствии с фиг. 1; и

Фиг. 3 показывает график результатов измерений, полученных при помощи системы датчиков в соответствии с фиг. 1.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг. 1 показана система 100 датчиков, используемая для количественного определения по меньшей мере одного химического соединения в смеси текучих сред. В качестве неограничивающего примера систему 100 датчиков можно использовать в концентраторе 10 кислорода, как показано на фиг. 2.

Система 100 датчиков содержит сорбирующий материал 102, способный сорбировать по меньшей мере одно химическое соединение, подлежащее обнаружению. Сорбирующий материал 102 выбирается так, что он подвержен изменению температуры при сорбции по меньшей мере одного химического соединения. Например, сорбирующий материал 102 может быть веществом типа цеолита.

Система 100 датчиков дополнительно содержит по меньшей мере первый датчик 104 температуры для измерения температуры сорбирующего материала 102. Датчик 104 температуры может быть, например, термистором. Что касается первого датчика 104 температуры, показанного на фиг. 1, сорбирующий материал 102 предусмотрен на поверхности первого датчика 104 температуры. Его можно фиксировать, например, при помощи клея 106, например, термостойкого цемента на водной основе. В качестве иллюстративного и не ограничивающего примера можно использовать клей под названием Hydra от компании Griffon. Дополнительно, может присутствовать нагревательное устройство, которое можно использовать для нагрева и, таким образом, регенерации сорбирующего материала 102. На фиг. 1 показан нагревательный провод 108, проходящий через сорбирующий материал 102 и дополнительно через клей 106. Нагревательным проводом 108 может быть канталовая проволока.

Предпочтительно система 100 датчиков дополнительно содержит второй датчик 105 температуры для измерения температуры смеси текучих сред. Дополнительно предусмотрен блок 110 управления, выполненный с возможностью определения концентрации по меньшей мере одного химического соединения, подлежащего обнаружению, только на основании изменения температуры сорбирующего материала 102 или, предпочтительно, относительно изменения температуры смеси текучих сред.

Датчики 104, 105 температуры можно соединять с блоком управления при помощи соединений 112, которые могут служить для использования датчиков 104, 105 температуры, например, путем измерения соответствующих сопротивлений.

В частности, в случае если систему 100 датчиков применяют на воздухе с использованием клея на водной основе, например, термостойкого цемента на водной основе, сорбирующий материал 102, который может иметь высокое сродство к воде, может быть насыщен водой, и в этом случае не будет чувствительным или будет лишь очень незначительно чувствительным к азоту. В результате этого сорбирующий материал 102 может быть нагрет, например, обычно до 400°С для испарения связанной воды и связанного азота. Данный этап может представлять собой режим активации и может выполняться в среде чистого или по существу чистого сухого азота для удаления примеси, например, воды, и предотвращения воздействия на соответствующие компоненты и, таким образом, предотвращения реакции окисления компонентов. После охлаждения, например, до комнатной температуры система датчиков или, соответственно, ее сорбирующий материал может быть подвергнут воздействию кислородной среды, которая быстро выдувает азот, адсорбированный сорбирующим материалом.

На фиг. 2 схематически показан пример варианта осуществления сепаратора 10 кислорода для выработки кислорода. Сепаратор 10 кислорода можно использовать для выработки кислорода в терапевтических целях, например, при лечении хронического обструктивного заболевания легких (ХОЗЛ). Сепаратор 10 кислорода может быть сконструирован как стационарный, например, для использования в больницах, или может быть портативным устройством, например, для использования при амбулаторном лечении. Однако сепаратор 10 кислорода, кроме того, можно использовать в любых областях применения, в которых должен обеспечиваться чистый или в основном чистый кислород, например, в самолетах или для сварки. Такой концентратор кислорода или сепаратор 10 кислорода, соответственно, может быть основан на концентраторе кислорода, например, известном под названием SimplyGo, выпускаемым компанией Philips Respironics.

Сепаратор 10 кислорода на фиг. 2 содержит по меньшей мере одно устройство 12 для сепарации кислорода, выполненное с возможностью выделения кислорода из кислородсодержащего газа. Однако предпочтительно, чтобы сепаратор 10 кислорода содержал по меньшей мере два устройства 12, 14 для сепарации кислорода, расположенных параллельно. В дальнейшем изобретение описано в отношении двух устройств 12, 14 для сепарации кислорода. Однако, специалисту в данной области техники понятно, что каждый признак, соответственно, можно обеспечить за счет использования только одного устройства 12 для сепарации кислорода или более чем двух устройств 12, 14 для сепарации кислорода. Каждое устройство 12, 14 для сепарации кислорода может создаваться в виде подложки молекулярного сита и может быть снабжено сорбентом 16, 18 для сепарации кислорода. Сорбент 16, 18 для сепарации кислорода, в частности, выполнен с возможностью пропускания потока кислорода без значительных затруднений, но для взаимодействия, или адсорбции, соответственно, других соединений, присутствующих в кислородсодержащем газе. В случае если воздух используется в качестве кислородсодержащего газа, предпочтительно чтобы сорбент 16, 18 для сепарации кислорода был выполнен с возможностью адсорбирования азота. Подходящие сорбенты 16, 18 для сепарации кислорода могут содержать вещество типа цеолита, например, вещество Li-LSX. Однако можно использовать любой подходящий сорбент 16, 18 для сепарации кислорода, известный в уровне техники, например, для использования в процессах с переменным давлением, таких как адсорбция при переменном давлении или вакуумная адсорбция при переменном давлении.

Для направленного перемещения потока кислородсодержащего газа к впуску 24 газа устройства 12 для сепарации кислорода к его первичной стороне предусмотрен впускной трубопровод 20. Соответствующим образом, для направленного перемещения потока кислородсодержащего газа к впуску 28 газа устройства 14 для сепарации кислорода на первичной стороне предусмотрен, соответственно, впускной трубопровод 26. Кроме того, выпускные трубопроводы 30, 32 для направленного перемещения обогащенного кислородом газа или, соответственно, чистого кислорода из устройств 12, 14 для сепарации кислорода соединены с выпусками газа 34, 36 соответствующего устройства 12, 14 для сепарации кислорода.

Впускные трубопроводы 24, 26 устройств 12, 14 для сепарации кислорода соединены с впуском 38 газа сепаратора 10 кислорода. С впуском 38 газа соединен источник кислородсодержащего газа, например, устройство хранения газа или воздух, окружающий сепаратор 10 кислорода. Дополнительно можно предусмотреть устройство 40 регулирования давления для создания разности давлений между первичной стороной и вторичной стороной устройств 12, 14 для сепарации кислорода. В соответствии с фиг. 2, устройство 40 регулирования давления выполнено в виде компрессора для сжатия кислородсодержащего газа и подачи его под давлением к устройствам 12, 14 для сепарации кислорода через впускные трубопроводы 42, 44, которые могут быть частью впускных трубопроводов 22, 26 или соединяться с ними. Таким образом, согласно настоящему изобретению, выражение «впускной трубопровод» означает один, несколько или все указанные впускные трубопроводы 42, 44, 22, 26. Ниже или выше по потоку относительно устройства 40 регулирования давления может быть предусмотрен впускной фильтр 46 для выполнения первого этапа очистки кислородсодержащего газа. Говоря подробнее, из кислородсодержащего газа могут быть отфильтрованы главным образом твердые частицы.

Для обеспечения возможности прерывистой подачи кислородсодержащего газа через устройства 12, 14 для сепарации кислорода, во впускных трубопроводах 42, 44 могут быть выполнены впускные клапаны 48, 50. Клапаном, согласно изобретению, является любое устройство, которое может позволить проходить потоку газа, прерывать поток газа и/или регулировать величину потока газа. Следовательно, путем закрытия клапана 50 и открытия клапана 48 кислородсодержащий газ можно направлять через первое устройство 12 для сепарации кислорода, при этом кислородсодержащий газ можно направлять через второе устройство 14 для сепарации кислорода, открывая клапан 50 и закрывая клапан 48. Соответственно, клапан 52, например, обратный клапан, может быть выполнен в выпускном трубопроводе 30, а клапан 54, например, обратный клапан, может быть выполнен в выпускном трубопроводе 32. Для направленного перемещения кислородсодержащего газа через первое устройство 12 для сепарации кислорода клапан 52 можно открыть, в то время как клапан 54 можно закрыть. Соответственно, для направленного перемещения кислородсодержащего газа через второе устройство 14 для сепарации кислорода клапан 54 можно открыть, в то время как клапан 52 можно закрыть.

Ниже по потоку относительно клапанов 52, 54 выпускные трубопроводы 30, 32 соединены с накопителем 56 кислорода или, соответственно, с газовым резервуаром для хранения выработанного кислорода. Накопитель 56 кислорода можно соединить с выпускным трубопроводом 58, который может быть оснащен контроллером 60 потока для управления потоком чистого кислорода. Таким образом, согласно настоящему изобретению, выражение «выпускной трубопровод» означает один, несколько или все из указанных выпускных трубопроводов 58, 30, 32. Кроме того, до того, как выработанный кислород направляется в патрубок 64, в выпускном трубопроводе 58 может быть предусмотрен дополнительный фильтр 62. Выработанный газ, обогащенный кислородом, из патрубка 64 может направляться для целевого использования, например, к пациенту.

Выпускной трубопровод 30 первого устройства 12 для сепарации кислорода и выпускной трубопровод 32 второго устройства 14 для сепарации кислорода могут быть соединены выше по потоку относительно клапанов 52, 54 уравнительным трубопроводом 66, в котором может быть предусмотрен клапан 68, например, двухходовой клапан, который может переключаться между открытым и закрытым положениями. Это позволяет в целях выравнивания направлять определенную часть выработанного кислорода, например, выработанного в устройстве 12, 14 для сепарации кислорода, дополнительно на устройство 14, 12 для сепарации кислорода или наоборот. Подробнее, в случае, если первое устройство 12 для сепарации кислорода находится в режиме сепарации кислорода, а второе устройство 14 для сепарации кислорода находится в режиме регенерации или режиме продувки, соответственно, клапан 68 может открываться, что позволяет выравнивать избыточное давление первого устройства 12 для сепарации кислорода и давление второго устройства 14 для сепарации кислорода, тем самым направляя поток через уравнительный трубопровод 66 перед изменением режимов работы устройств 12, 14 для сепарации кислорода. Таким образом, уравнительный поток проходит от устройства 12 для сепарации кислорода к устройству 14 для сепарации кислорода в одной фазе выравнивания, и от устройства 14 для сепарации кислорода к устройству 12 для сепарации кислорода в следующей фазе выравнивания. Система 100 датчиков может быть предусмотрена в упомянутом уравнительном трубопроводе 66.

Даже притом, что в большинстве случаев это не является проблемой, в случае если сорбирующий материал 102 загружен слишком большим количеством компонента, подлежащего обнаружению, этот компонент может быть удален путем его простой продувки при температуре внешней среды, например, кислородом, в случае если сорбирующий материал 102 чувствителен, например, к азоту.

Вблизи уравнительного трубопровода, выше по потоку относительно клапанов 52, 54, выпускной трубопровод 30 первого устройства 12 для сепарации кислорода и выпускной трубопровод 32 второго устройства 14 для сепарации кислорода могут дополнительно соединяться поперечным трубопроводом 67, в котором может быть предусмотрен регулятор 69 потока, например, дроссельная заслонка, или контроллер потока. Это позволяет направлять определенную часть выработанного кислорода, например, выработанного в устройстве 12, 14 для сепарации кислорода, обратно через дополнительное устройство 14, 12 для сепарации кислорода или, наоборот, для целей продувки и, следовательно, для регенерации устройств 12, 14 для сепарации кислорода.

Дополнительно вторичная сторона устройства 12, 14 для сепарации кислорода может соединяться с дополнительным источником продувочного газа, например, резервуаром, содержащим кислород высокой чистоты, например, для направленного перемещения продувочного газа через устройства 12, 14 для сепарации кислорода, соответственно. В связи с этим на первичных сторонах устройств 12, 14 для сепарации кислорода предусмотрены трубопроводы 70, 72 отработанного газа, каждый из которых содержит клапан 74, 76. Если продувочный газ, например, обогащенный кислородом газ в целях регенерации направлен через устройства 12, 14 для сепарации кислорода от их вторичной стороны к их первичной стороне, выходящий поток можно затем избирательно направить через трубопроводы 70, 72 отработанного газа. Дополнительно, каждый из трубопроводов 70, 72 отработанного газа может быть направлен к выпускному отверстию, или они могут быть объединены в один общий трубопровод 73 отработанного газа и, таким образом, могут быть направлены к одной общей выпускной трубе 78.

Хотя система 100 датчиков разработана конкретно для использования в уравнительном трубопроводе 66 при его использовании в концентраторе 10 кислорода, она не ограничена этим. Ее, например, можно использовать в шланге, подающем кислород пациенту.

Фиг. 3 показывает схематически и пример измерения с помощью системы 100 датчиков с химическими соединениями, присутствующими в концентраторе 10 кислорода. Фактически, показана зависимость температуры в градусах по Цельсию (Т (°С)) от времени в секундах (t(s)). Линия А, таким образом, относится к первому датчику 104 температуры, измеряющему температуру сорбирующего материала 102, в то время как линия В относится ко второму датчику 105 температуры, измеряющему температуру среды, окружающей сорбирующий материал 102. Используемый сорбирующий материал 102 является сорбентом, чувствительным к азоту, и, таким образом, подвержен повышению температуры при сорбировании азота. Можно видеть, что изменение среды, окружающей сорбирующий материал 102, непосредственно поддается обнаружению за счет изменения температуры. Фактически, изменение среды кислорода на среду азота поддается обнаружению благодаря повышению температуры, или, соответственно, пику показания первого датчика 104 температуры. В противоположность сказанному, изменение среды азота на среду кислорода поддается обнаружению благодаря падению температуры, или минимуму показания, соответственно, первого датчика 104 температуры. Другими словами, в случае если сорбирующий материал 102 находится в чистом кислороде или газе, обогащенном кислородом, и при этом появляется некоторое количество азота, это непосредственно поддается обнаружению первым датчиком 104 температуры за счет повышения температуры.

Фиг. 3 дополнительно показывает температуру, измеренную вторым датчиком 105 температуры (линия В). Таким образом, также показано, что повышение давления, например, с 1 бара до 1,9 бара, показанное в момент времени, равный приблизительно 300 сек, можно обнаружить, поскольку это дает пик на втором датчике 105 температуры, или, соответственно, эталонном датчике температуры. Следовательно, сигнал на втором датчике 105 температуры можно использовать, например, для компенсации эффекта, вызванного разностью давлений.

Несмотря на то, что изобретение было проиллюстрировано на чертежах и подробно описано в вышеприведенном описании, указанную иллюстрацию и описание следует рассматривать как иллюстративные или приведенные в качестве примера, но не предназначенные для ограничения; настоящее изобретение не ограничивается описанными возможными вариантами осуществления. Другие варианты раскрытых вариантов осуществления могут быть понятны и осуществлены специалистами в данной области техники при осуществлении заявленного изобретения, при изучении чертежей, описания и прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения слово «содержащий» не исключает других элементов или шагов, а неопределенный артикль английского языка «а» или «an» не исключает множественного числа. Сам по себе тот факт, что определенные меры перечислены во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не означает, что комбинация этих мер не может быть использована для получения преимуществ. Любые ссылочные обозначения в формуле изобретения не должны быть истолкованы как ограничивающие объем изобретения.

Изобретение относится к концентратору кислорода для производства обогащенного кислородом газа, содержащему систему датчиков для количественного определения азота в кислородсодержащем газе, содержащем азот. Концентратор кислорода включает систему (100) датчиков, содержащих цеолит, способный сорбировать азот, причем цеолит подвержен изменению температуры при сорбировании азота; по меньшей мере первый датчик (104) температуры для измерения температуры цеолита; и блок (110) управления, выполненный с возможностью количественного определения азота на основании изменения температуры цеолита и динамического управления устройством (12) сепарации кислорода в зависимости от результатов количественного определения азота. Дополнительно представлен способ управления устройством сепарации кислорода с помощью количественного определения азота в кислородсодержащем газе. Технический результат – повышение чувствительности метода. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Концентратор кислорода для производства обогащенного кислородом газа, содержащий:

систему датчиков для количественного определения азота в кислородсодержащем газе, содержащем азот, причем указанная система (100) датчиков содержит:

цеолит, способный сорбировать азот, причем цеолит подвержен изменению температуры при сорбировании азота;

по меньшей мере первый датчик (104) температуры для измерения температуры цеолита; и

блок (110) управления, выполненный с возможностью количественного определения азота на основании изменения температуры цеолита, а также динамического управления устройством (12) для сепарации кислорода в зависимости от результата количественного определения азота.

2. Концентратор кислорода по п. 1, в котором система датчиков дополнительно содержит второй датчик (105) температуры для измерения температуры указанного газа, причем блок (110) управления дополнительно выполнен с возможностью количественного определения азота на основании изменения температуры цеолита относительно изменения температуры указанного газа.

3. Концентратор кислорода по п. 1, в котором цеолит размещен на поверхности первого датчика (104) температуры.

4. Концентратор кислорода по п. 1, в котором первый датчик (104) температуры содержит термистор или термопару.

5. Концентратор кислорода по п. 2, в котором второй датчик (105) температуры содержит термистор или термопару.

6. Концентратор кислорода по п. 1, в котором предусмотрено нагревающее устройство для нагрева цеолита.

7. Концентратор кислорода по п. 1, в котором цеолит системы (100) датчиков размещен в уравнительном трубопроводе (66).

8. Способ управления устройством для сепарации кислорода с помощью количественного определения азота в кислородсодержащем газе, содержащем азот, включающий в себя следующие этапы:

сорбирование азота цеолитом, причем цеолит подвержен изменению температуры при сорбции азота;

измерение температуры цеолита;

количественное определение азота на основании изменения температуры цеолита; и

динамическое управление устройством для сепарации кислорода в зависимости от результата количественного определения азота.

9. Способ по п. 8, в котором азот количественно определяют на основании изменения температуры цеолита относительно изменения температуры указанного газа.

10. Способ по любому из пп. 8 или 9, в котором способ является частью способа сепарации кислорода из указанного кислородсодержащего газа.

11. Способ по любому из пп. 8 или 9, в котором азот обнаруживают во время фазы выравнивания цикла адсорбции при переменном давлении.