具有氧气侧平衡的混合氧气浓缩器

相关申请的交叉引用

本专利申请根据35U.S.C.§119(e)要求享有于2018年8月23日提交的美国临时申请US 62/721635的优先权权益，通过引用将其内容并入本文。

技术领域

本公开涉及一种用于浓缩氧气的系统和方法。

背景技术

用于氧气的按需生成的商业方案或氧气浓缩器是已知的。这样的氧气浓缩器中使用的变压吸附(PSA)技术在诸如美国专利US6551384的文献中描述。在典型的氧气浓缩器中，压缩机通过筛床将气体(空气)馈送到产物积累器(用于氧气存储)。有机膜还已知为使能气体的分离和/或气体混合物中的特定气体的富集。

发明内容

本公开的方面是提供一种用于生成氧气的方法和装置。本公开的另一方面是提供一种用于生成氧气的方法和系统，其可以在高纯度和低维护成本的情况下提供氧气。

这些方面由一种生成氧气的方法实现，所述方法包括以下步骤：通过各自装备有氧气分离吸附剂的至少第一和第二吸附室间歇地引导含氧气体流，所述含氧气体流在所述第一吸附室和所述第二吸附室的吸附模式期间通过所述氧气分离吸附剂引导，从而关于氧气来富集所述含氧气体流并且生成富集的含氧气体流；将富集的含氧气体引导到对于氧气可渗透的有机膜的初级侧；生成通过所述有机膜到所述有机膜的次级侧的氧气流，从而将所述氧气从富集的含氧气体分离并且形成氧气流，其中，所述方法还包括以下步骤：通过处于解吸附模式的至少第一和第二吸附室引导保留氧气的至少部分。

根据本公开，氧气通过使用一种基本上包括两个主要步骤的方法生成。第一步包括相对于含氧气体的氧气的富集，导致富集的含氧气体流。该步骤通过由氧气分离吸附剂吸附剩余组分或者剩余组分的至少部分执行。因此，根据本公开的氧气分离吸附剂是让氧气通过但是与其他组分或者至少与含氧气体的一个其他组分相互作用的吸附剂。例如，如果含氧气体是空气，则所述吸附剂优选地吸附氮气。所述氧气分离吸附剂从而布置在吸附室中。该第一步提供关于氧气来富集并且因此预净化的气体流。

在第二步中，富集的含氧气体被引导到具有有机膜的膜模块，详细地到所述膜的初级侧。这使得能够生成通过所述有机膜的富集的含氧气体流或者后者的氧气，从而进一步将氧气与富集的含氧气体的剩余组分分离。特别地通过使用适合的有机膜，富集的含氧气体进一步净化并且因此基本上纯氧气流当在所述有机膜的次级侧处渗透时生成。因此，相对于氧气耗尽的气体生成作为所述有机膜的初级侧处的渗余物流。该渗余物流在再生(即，解吸附阶段，参见下文)期间用作清洗气体。

所述有机膜的初级侧是朝向所述吸附室引导的侧，即，从其中所述富集的含氧气体引导到所述膜的侧。因此，所述有机膜的次级侧是与所述初级侧相对的侧，即，在所述次级侧处，提供具有增加的纯度的氧气。此外，归因于含氧气体通过所述吸附室间歇地引导的事实，定义至少第一吸附室和第二吸附室的吸附模式和解吸附模式。

详细地，在含氧气体通过所述吸附室引导的情况下，后者处于吸附模式，因此吸附含氧气体的剩余构成的至少部分。在吸附的某个间隔之后(即，所述吸附室处于吸附模式的间隔)，所述吸附剂必须再生。这意指所述吸附成分必须再次解吸附，例如通过利用富氧空气冲洗所述吸附剂。在该时间段期间，所述吸附室处于解吸附模式，其意指吸附物质(即，N

根据一个实施例，所述吸附剂通过使用所述膜模块的渗余物流的至少部分(即，相对于氧气耗尽的气体)在其解吸附模式中再生。因此，所述膜模块的渗余物流的至少部分当后者处于解吸附模式时通过至少第一和第二吸附室引导。

此外，在一个实施例中，从吸附模式到解吸附模式的转换通过使用所谓的压力平衡执行以重新使用压力工作。在使用两个筛圆柱体的情况下，这可以简单解释：在转换处，第一筛圆柱体在较高压力处(在吸附阶段的结束处)，而第二筛圆柱体在较低压力处的解吸附阶段的结束处(例如，接近于大气压)。压力平衡通过使两个圆柱体短路完成。在一个实施例中，短路在具有分离吸附剂(即，氧气侧平衡)的圆柱体的所谓的产物侧执行。

通过将相对于氧气的含氧气体的富集连同有机膜的使用一起组合，氧气可以利用更高的纯度(例如，大于95％)生成。然而，归因于所述氧气在到达所述有机膜之前由导致高氧气浓度的氧气分离吸附剂预净化的事实，所述有机膜的分离性能与单个膜系统相比较但是还仅使用分离吸附剂相对于氧气浓缩器改进。此外，根据提出与现有氧气浓缩器相同氧气纯度的本公开，功率效率与这些现有系统相比较增加。

根据本公开的示范性实施例，含氧气体流通过并行连接的至少两个吸附室交替地引导。如上文所提到的，所述膜模块的渗余物流的至少一部分，即，相对于氧气耗尽的气体当处于解吸附模式时通过相应吸附室引导。详细地，第一解吸附室可以处于吸附模式，即，含氧气体通过该吸附室引导，从而关于氧气来富集含氧气体，而第二吸附室处于解吸附模式，即，后者的吸附剂再生。因此，通常存在处于吸附模式的至少一个吸附室，在该时间处，至少一个另外的吸附室处于解吸附模式，导致富集的含氧气体的连续流。对于技术人员来说清楚的是，该实施例可以利用两个或超过两个吸附室执行。在一些实施例中，利用的吸附室的数目可以根据吸附剂类型调节，期望应用(即，期望数目的吸附室)可以处于吸附模式或者解吸附模式中。

此外，从吸附模式到解吸附模式的转换通常通过使用所谓的压力平衡执行(以重新使用压力工作)。在使用两个筛圆柱体的情况下，这可以简单解释：在转换处，筛圆柱体之一在较高压力处(在吸附阶段的结束处)，而第二圆柱体在较低压力处的解吸附阶段的结束处(例如，接近于大气压)。压力平衡通过使两个圆柱体短路完成在一个实施例中，这样的短路在具有分离吸附剂(即，氧气侧平衡)的圆柱体的所谓的产物侧执行。

因此，本公开的一个或多个方面涉及一种被配置为生成氧气的系统。所述系统包括：压缩机，其被配置为摄取含氧的气体流并且对含氧的气体流加压；以及氧气分离单元，其包括第一筛床和第二筛床。所述氧气分离单元从所述压缩机的输出部接收所述含氧的气体流，并且被配置为通过将氧气从所述含氧的气体流分离来生成浓缩氧气流，所述系统还包括至少一个膜模块，其与所述氧气分离单元的输出部流体连接，其中，所述至少一个膜模块被配置为净化由所述氧气分离单元生成的所述浓缩氧气流，并且经由所述氧气分离单元清洗从净化所述浓缩氧气流而产生的渗余物气体。阀装置被配置为通过所述第一筛床和所述第二筛床周期性地引导来自所述至少一个膜模块的所述渗余物气体以利用所述渗余物气体来清洗所述第一筛床和所述第二筛床并且排出这样的渗余物气体。

所述系统还包括一个或多个处理器，其被配置为控制所述阀装置，从而控制所述氧气流和通过以下操作对所述第一筛床和所述第二筛床的清洗：(1)将所述阀装置配置为利用所述压缩机对所述第一筛床加压，并且使得所述第一筛床将所述浓缩氧气流输出到所述至少一个膜模块，同时利用来自一个膜模块的渗余物流来清洗所述第二筛床；(2)切换所述阀装置以利用所述浓缩氧气流使所述第一筛床与所述第二筛床压力平衡，使得所述第一筛床中的压力降低以与所述第二筛床中的压力至少部分地平衡；(3)切换所述阀装置以利用所述压缩机对所述第二筛床加压，并且使得所述第二筛将所述氧气流输出到所述至少一个膜模块，同时利用来自一个膜模块的渗余物流来清洗所述第一筛床；(4)切换所述阀装置以利用所述浓缩氧气流使所述第二筛床与所述第一筛床压力平衡，使得所述第二筛床中的所述压力降低以与所述第一筛床中的所述压力至少部分地平衡；(5)重复步骤1-4。

本公开的另一方面涉及一种用于利用氧气生成系统生成氧气的方法，所述氧气分离系统包括：压缩机；氧气分离单元，其包括第一筛床和第二筛床；至少一个膜模块，其与所述氧气分离单元的输出部流体连接。所述至少一个膜模块被配置为净化由所述氧气分离单元生成的浓缩氧气流，并且经由所述氧气分离单元清洗从净化所述浓缩氧气流而产生的渗余物气体。所述氧气分离系统还包括阀装置，其被配置为通过所述第一筛床和所述第二筛床周期性地引导来自所述至少一个膜模块的所述渗余物气体以利用所述渗余物气体来清洗所述第一筛床和所述第二筛床并且排出这样的渗余物气体；以及一个或多个处理器。

所述方法包括：(1)利用所述一个或多个处理器将所述阀装置配置为利用所述压缩机对所述第一筛床加压，使得所述第一筛床将所述浓缩氧气流输出到所述至少一个膜模块，同时利用来自一个膜模块的渗余物流来清洗所述第二筛床；(2)利用所述一个或多个处理器来切换所述阀装置以使所述第一筛床与所述第二筛床压力平衡，使得所述第一筛床中的压力降低以与所述第二筛床中的压力至少部分地平衡；(3)利用所述一个或多个处理器来切换所述阀装置以利用所述压缩机对所述第二筛床加压，从而使得所述第二筛将所述浓缩氧气流输出到所述至少一个膜模块，同时利用来自一个膜模块的渗余物流来清洗所述第一筛床；(4)利用所述一个或多个处理器来切换所述阀装置以使所述第二筛床与所述第一筛床压力平衡，使得所述第二筛床中的所述压力降低以与所述第一筛床中的所述压力至少部分地平衡；并且(5)重复步骤1-4。

本公开的又一方面涉及一种氧气生成设备。所述设备包括：用于对第一筛床加压并且使得所述第一筛床将浓缩氧气流输出到至少一个膜模块的装置，所述至少一个膜模块被配置为净化所述浓缩氧气流并且清洗从净化所述浓缩氧气流而产生的渗余物气体。所述设备包括用于使所述第一筛床与第二筛床压力平衡以使得所述第一筛床中的第一压力降低以与所述第二筛床中的第二压力至少部分地平衡的装置；用于对所述第二筛床加压并且使得所述第二筛将所述浓缩氧气流输出到所述至少一个膜模块的装置；用于利用所述浓缩氧气流使所述第二筛床与所述第一筛压力平衡以使得所述第二筛床中的所述第二压力降低以与所述第一筛床中的所述第一压力至少部分地平衡的装置；以及用于交替地通过所述第一筛床和所述第二筛床周期性地引导来自所述至少一个膜模块的所述渗余物气体的至少部分以排出所述渗余物气体并且清洗所述第一筛床和第二筛床的装置。

本公开的这些和其他方面、特征和特性以及结构的相关元件的操作和功能的方法和部件的组合和制造的经济性将在参考附图考虑以下描述和权利要求书时变得更显而易见，其全部形成本说明书的部分，其中，相似的附图标记指代各附图中的对应的部分。然而，应明确地理解到，附图仅出于图示和描述的目的并且不旨在作为本公开的范围的定义。

附图说明

图1是根据一个或多个实施例的用于生成氧气的系统的示意性图示；

图2是根据一个或多个实施例的筛床的示范性图示；

图3图示了根据一个或多个实施例的用于生成氧气的系统的示范性实施例；

图4图示了根据一个或多个实施例的用于生成氧气的系统的另一示范性实施例；

图5图示了根据一个或多个实施例的用于生成氧气的系统的又一示范性实施例；并且

图6图示了根据一个或多个实施例的由系统执行的操作的范例图。

具体实施方式

如本文所使用的，单数形式的“一”、“一个”和“所述”包括复数参考，除非上下文另行清楚指出。如本文所使用的，两个或多个部分或部件被“耦合”的陈述应意指部分直接或间接地(即通过一个或多个中间部分或部件)结合在一起或一起操作，只要链接发生。如本文所使用的，“直接耦合”意指两个元件彼此直接接触。如本文所使用的，“固定地耦合”或“固定”意指两个部件被耦合从而在维持相对于彼此的恒定取向的同时作为一体移动。如本文所使用的，“操作性地耦合的”意指两个元件以两个元件一起运行的这样的方式耦合。应理解到，两个元件“操作性地耦合”不要求其之间的直接连接或永久连接。

本文所使用的，词语“单式”意指部件被创建为单个件或单元。即，包括单独创建并且然后耦合在一起作为单元的件的部件不是“单式”部件或主体。如本文所采用的，两个或多个部分或部件彼此“接合”的陈述应意指部分直接或通过一个或多个中间部分或部件彼此施力。如本文所采用的，术语“数量”应该意指一或大于一的整数(即，多个)。

本文所使用的方向性短语，例如但不限于，顶部、底部、左侧、右侧、上部、下部、正面、背面及其派生词，与附图中所示元件的取向有关，并且不限制权利要求，除非在其中明确记载。

氧气治疗是作为治疗模态的氧气的管理。氧气治疗增加将氧气供应到患者的肺，从而增加氧气对身体组织的可用性。氧气治疗的主要家庭护理应用用于具有严重慢性阻塞性肺疾病(COPD)(影响美国超过1300万患者的疾病)的患者。

通常，氧气可以通过被称为变压吸附(PSA)的过程从氧气浓缩器中的空气净化。氧气浓缩器通常利用填充有分子筛材料(例如，沸石)的两个管建立。该材料被设计为优选地吸附氮气超过氧气或氩气。该属性可以被用于通过从流移除大多数氮气分子当加压空气流动通过分子筛床之一时产生氧气和/或氩气富集的产物气体流。周围空气由大约78.09％氮气、大约20.95％氧气、0.93％氩气、大约0.039％二氧化碳组成并且跟踪大量的其他气体，包括水蒸气。如果大多数氮气从空气移除，那么所得产物气体将近似是大约95.58％氧气和大约4.24％氩气。通常，分子筛(筛床或筛列)的单个管具有在氮气吸附均衡到达并且氮气开始穿透筛床的氧气端之前的任何固定压力和温度处的有限氮气吸附能力。在到达该点之前不久，氧气生产切换到第二床，而第一床排出其压力并且再生以在周围条件处均衡。该过程在两个床之间来回继续以将几乎连续富氧气体流供应给患者。

使用空气作为原料气的有机膜(例如，非正式纤维)还已知使得氧气(O

至少针对轻量的便携式氧气浓缩器，需要的电力的进一步的降低是期望的。这样的降低可以直接地转译为供应能量的电源组的重量降低。然而，系统的复杂性(成本)还应当是低的。本文所描述的示范性实施例提供PSA单元和提供优于现有技术的改进的膜模块的组合。

现在参考图1，图1描绘了氧气生成系统100。如图1所示，氧气生成系统100包括入口过滤器102、压缩机104、包括筛床106、108的氧气分离单元105、阀装置110、膜模块120和控制模块140。

在一个实施例中，入口过滤器102、压缩机104和膜模块120经由阀装置110与筛床106、108流体连接。入口过滤器102可以被配置为过滤接收到氧气生成系统100中的周围空气以便防止固体颗粒进入氧气系统100。压缩机104可以从入口过滤器102摄取气体并且对气体流加压。

在一个实施例中，压缩机104可以包括以下各项中的一项或多项：单级/两级往复式压缩机、复合压缩机、旋转-螺旋压缩机、旋转叶片式压缩机、涡旋压缩机、涡轮压缩机和/或轴向压缩机。在另一实施例中，压缩机可以包括空气泵。在又一实施例中，压缩机104可以被配置为对气体流加压并且经由阀装置110使气体流交替流入筛床106、108。

如图1所示，阀装置110和气体流导管111可以被配置用于贯穿氧气生成系统100传递气体流和净化氧气流。互连阀装置110的气体流导管111在图1中被示出为具有指示气体流方向的定向箭头的线。导管可以包括例如平衡线130和清洗线124。在一些实施例中，导管111可以包括塑料管，其被配置为包含并且传输气体流。在其他实施例中，导管111可以包括适合于在被配置为摄取和存储气体的特征之间传递气体流的任何其他材料。

阀装置110可以包括筛床排出阀112、116、筛床输入阀114、118、清洗线124、清洗阀126、128、平衡阀132、检验阀134、136和产物阀146。阀装置110的部件112、114、116、118、132、126、128、136、134、和144经由导管111(即，图1中的互连线)流体连接。在一些实施例中，阀装置110可以包括更多或更少部件。如本文所使用的，阀可以包括通过限制气体流、抑制气体流、并且以其他方式调节流过阀的气体流的量为气体流提供控制的任何设备。例如，通过闭合阀或者通过打开阀，氧气/气体流可以通过导管111引导以便利用氧气分离单元105实现变压吸附循环，其在下文更详细地描述。并且，通常，清洗阀126、128将包含通过这些阀限制气体流的元件(例如，每个阀中的孔口)，因为其分别地是操作条件中的连接线124线117A和117B，其中，线124中的压力显著地高于线117A或117B。

在一些实施例中，氧气分离单元105可以包括从压缩机104的输出部接收气体流的输入部。如图1所示，氧气生成系统100包括两个筛床106、108。在一些实施例中，氧气生成系统100可以包括三个筛床。在其他实施例中，氧气生成系统100可以包括超过三个筛床。筛床108、106可以经由阀装置110并行连接。筛床106、108可以包括用于经由筛床输入阀114、118和对应导管111从压缩机的输出部接收气体流的输入部。如下文详细讨论的，氧气分离单元100可以被配置为通过将氧气从气体流生成氧气流。

在实施例中，膜模块120可以被配置为净化由氧气生成单元105生成的氧气流。如图1所示，膜模块120可以与氧气分离单元105的输出部107流体连接。膜模块120可以包括产物输出部123，其被配置为经由产物阀144递送净化氧气产物146。在一个实施例中，膜模块120可以被配置为通过利用膜127净化由氧气分离单元105生成的氧气流。

在一个实施例中，膜127可以包括适于从流动空气中分离氮气和氧气的有机透氧膜。在另一实施例中，膜127可以包括由聚酰亚胺制成的有机膜。在又一实施例中，膜模块120可以包括多个中空纤维系统，其被配置为通过利用一束数百至数百万中空纤维从流动空气中分离氮气和氧气。在又一实施例中，膜127可以包括其他类型的生物膜或合成膜，诸如：单独和/或组合的管状膜、螺旋卷式膜、和/或陶瓷和聚合平板膜。

在另一实施例中，膜模块120可以包括有机纤维结构，包括150克的有机纤维、300mL的气体体积、和450mL的管的外部体积，其提供减少的功耗处的氧气纯度，如下文更详细地讨论的。在一些实施例中，膜模块120可以包括100g-330g的纤维之间的有机纤维结构、250mL-350mL之间的气体体积；以及350mL-550mL之间的管的外部体积。在一个实施例中，膜模块120可以包括单独和/或组合的Parker中空纤维膜模块HiFluxx ST304和/或其他膜或膜材料。在一些实施例中，膜模块120可以包括2或更多个膜模块(在图1中未示出)，其中，每个吸附室106、108可以利用专用膜模块。通过向每个吸附室106、108提供专用膜模块，可以实现氧气纯度的进一步的增加。

在一个实施例中，膜模块120可以被配置为经由膜模块120的膜入口121接收从氧气分离单元105输出的氧气流，其与导管111流体连接。膜入口121可以被配置为通过调节阀装置110周期性地或间歇地从每个吸附室106、108接收富集的含氧气体。

在一些实施例中，膜入口121可以包括到膜模块120的一个或多个入口。在一些实施例中，每个入口121可包括一个端口或多个端口，其通向膜模块120中。在一个实施例中，膜入口121可以包括通向膜模块120中的两个入口端口(未在图1中示出)。在另一实施例中，每个入口121和/或每个端口可以包括额外主动或者被动阀(未在图1中示出)，其被配置为独立地将来自吸附室106、108的富集的含氧气体提供给膜模块120。如本文所使用的，对膜入口121的任何参考可以包括一个或多个入口，每个包括一个端口、两个端口、或超过2个端口。膜入口121不应当被解释为限于单个入口或单个端口，并且相反可以涵盖具有一个或多个端口的超过一个入口。

在一些实施例中，膜模块120可以被配置为净化从氧气分离单元105接收的氧气流并且生成包括清洗气体122的渗余物流，经由清洗线124输出清洗气体122，并且经由产物阀144将氧气产物146的净化流递送到患者。产物阀144可以包括由患者的呼吸控制的被动阀。在一个实施例中，检验阀134、136可以被配置为允许氧气无论何时筛床106、108的压力超过膜模块120的入口121处的压力时流动到膜模块120中，其可以由控制模块140监测和实现。

控制模块140可以被配置为与氧气生成系统100的个体部件通信以实现本文所描述的示范性功能。如图1所示，控制模块140可以被配置为与膜模块120、阀装置110、压缩机104、和/或系统100的其他部件通信。控制模块140可以包括一个或多个处理器142，其被配置为执行存储在存储器(未示出在图1中)上的软件代码以便实现本文所描述的PSA周期。处理器142可以包括一个或多个硬件处理器、虚拟处理器、一个或多个现场可编程门阵列(FPGA)、和/或能够接收、发送和执行命令的任何其他计算设备。处理器142可以包括用于存储用于执行本文所描述的示范性实施例的固件的高速缓存。

如在图1中所描绘的，通过控制模块140的双箭头，控制模块140可以被配置为从氧气生成100的部件接收数据。在一个实施例中，阀装置110可以包括可以被配置为将操作状态和对应于气体流的其他数据传递到控制模块140的部件。操作状态和对应于气体流的其他数据可以包括：阀装置110的部件112、114、116、118、132、126、128、136、134、和144的当前状态(例如，打开/闭合)、压缩机104的操作状态(例如，开启/关闭)、用于筛床106、108的吸附和压力水平和/或膜127、和/或贯穿氧气生成系统100的气体流率和压力水平。在一个实施例中，控制模块140可以被配置为经由用户接口(未示出在图1中)显示操作数据/流率度量，其可能对氧气生成系统100的用户可见。

在一个实施例中，系统100可以被配置用于生成氧气，其中，筛床106、108包括吸附室106、108。系统100可以包括：吸附室106、108，其包括氧气分离吸附剂(未示出在图1中)；入口119，其用于将含氧气体提供到吸附室106、108中；以及出口117，其用于将富集的含氧气体引导到第一和第二吸附室106、108外部。在一个实施例中，吸附室106、108可以包括三个或更多吸附室。

在实施例中，系统100可以包括膜模块120，其包括有机透氧膜127，与吸附室106、108的出口117流体连通的膜模块120的初级侧的入口121。I入口121可以被配置用于将富集的含氧气体提供到膜模块120中。膜模块120的次级侧的出口123可以用于还将富集的含氧气体引导到膜模块120外部。膜模块120的初级侧的出口125可以被配置用于将渗余物气体122引导到膜模块120外部。

在示范性实施例中，膜模块120的初级侧可以包括膜127的侧，其朝向吸附室106、108引导并且接收来自吸附室106、108的入口气体并且包括渗余物气体122。有机膜的次级侧是与初级侧相对的侧，以及其中提供具有增加的纯度的净化渗透氧气流144的侧。膜模块120的次级侧可以包括膜127的相对侧，其接收已经行进通过膜127的渗透气体，并且将净化渗透氧气流144输出到系统100的用户。

在一个实施例中，系统100包括将膜模块120的出口125与吸附室106、108的出口107连接的导管124。导管124可以被配置用于通过吸附室106、108清洗渗余物气体122。在实施例中，阀装置110和导管124可以被配置为通过吸附室106、108周期性地引导来自膜模块120的渗余物气体122中的至少一些以利用渗余物气体122清洗吸附室106、108并且经由导管124排出渗余物气体122。在一个实施例中，一个或多个处理器142可以被配置为控制阀装置110，从而控制含氧气体和对吸附室106、108的清洗。

在另一实施例中，吸附室106包括出口117a，并且吸附室108包括产物出口117b(在本文中统称为出口117)。出口117可以被配置为通过导管130输出富集的含氧气体。连接吸附室106、108的出口117的导管130可以被配置用于压力平衡(即，产物侧压力平衡)。在一个实施例中，产物侧压力平衡包括利用导管130和阀装置110在吸附室106、108之间传递富集的含氧气体，从而均衡吸附室106、108中的压力。在又一实施例中，压力平衡吸附室106、108可以利用排出阀112、114、116、118和排出导管111(在图1中示出为标记“排出”的虚线框)实现以用于输入侧压力平衡。在一个示范性实施例中，系统100可以被配置用于通过在吸附室106、108的吸附模式期间通过吸附室106、108的氧气分离吸附剂引导含氧气体流通过吸附室106、108间歇地引导含氧气体流，每个吸附室被装备有氧气分离吸附剂，从而关于氧气来富集含氧气体流并且生成富集的含氧气体流。

在一个实施例中，系统100可以被配置用于将富集的含氧气体流引导到有机透氧膜127的初级侧并且通过膜127生成氧气流到膜模块120的次级侧，从而进一步将氧气从富集的含氧气体流分离并且形成净化氧气流146和渗余物气体122，渗余物气体122包括相对于富集的含氧气体流的减少的氧气。在另一实施例中，系统100可以被配置用于通过处于解吸附模式的吸附室106、108引导渗余物气体122的至少部分。系统100可以被配置用于使解吸附模式的结束和/或吸附模式的结束处的吸附室106、108压力平衡。

现在参考图2，图2描绘了示范性筛床200，其是图1的筛床106、108的实施例(即，吸附室106、108)。如图2所示，筛床200可以包括筛材料202，其被设计为优选地吸附氮气超过氧气或氩气。该属性可以被用于产生氧气和/或氩气。筛材料202可以被配置为接收气体流并且将氧气穿过筛床200的壳体204。在一个实施例中，筛材料202可以被配置为从气体流吸附氮气。筛材料202可以包括沸石筛材料和/或其他材料。在另一实施例中，筛材料202可以包括Li沸石筛材料和/或其他材料。在又一实施例中，筛材料202可以包括NaX材料或适合于将氮气从气体分离的其他筛材料。

在一些实施例中，筛床200包括壳体204，其被配置为定义用于气体流的路径(在图2中示出为壳体204的定向箭头)。筛床200包括：气体入口206，其被配置为通过壳体204摄取和引导气体流；以及气体出口208，其被配置为在穿过筛床200内的筛材料202之后将富氧气体流引导到筛床200外部。在一些实施例中，气体入口206和气体出口208可以位于筛床200的不同端。在一个实施例中，筛材料202可以通过加载在壳体204的闭合端处或朝向壳体204的闭合端定位的弹簧210来压缩。如图2所示，弹簧210被定位在筛床200的压力部分外部以便使压力空间最小化。

筛床200具有在到达氮气吸附均衡之前的有限氮气吸附能力。在该点处，氮气开始穿透筛床200的氧气出口。为了防止氮气进入氧气输出部，如下文更详细描述的，本文实现的变压吸附周期提供切换到第二筛床，而第一筛床排出其压力并且再生以在周围条件处均衡，如下文详细描述的。

现在返回参考图1，氧气生成系统100可以被配置为实现用于生成氧气的变压吸附周期。在一个实施例中，控制模块140可以经由处理器142被配置为控制阀装置110以便实现下文更详细描述的变压吸附周期。在另一实施例中，氧气生成系统100可以被配置为实现真空变压吸附(VSA)和/或混合变压吸附过程(PVSA)，并且包括附接到排出口的额外真空泵，其被要求用于实现VSA和/或PVSA。在又一实施例中，氧气生成系统100可以被配置为根据下文表1实现PSA周期。

如表1中所示，阀装置110可以以用于根据本文所描述的一个或多个实施例实现PSA周期的各种配置来配置。产物阀144在表1中被示出为通常开放的，然而，在一些实施例中，阀144可以是由控制模块140操作以将产物的某个体积(“丸剂”)递送给患者的主动阀。通常，丸剂的递送由吸入阶段的开始触发，这引起由传感器148检测的产物线146的压力下降。

表1：用于示范性PSA周期的阀控制

在一些实施例中，变压吸附周期可以包括针对筛床106循环通过以下阶段：加压和生产，朝向较低压力的压力平衡，排出和氧气清洗，朝向较高压力的压力平衡，以及重复周期。筛床108经历相同操作，然而，半周期移位，使得上文所描述的过程在筛床106、108之间交替。

如图1所示，控制模块140被配置为将控制命令传递到阀装置110。在一个实施例中，控制模块140可以被配置为根据上文表1的步骤1-4布置阀装置110。根据示范性实施例，变压吸附(PSA)周期可以通过将阀装置110配置为利用压缩机104对筛床106加压使得筛床106经由输出部107将氧气流输出到膜模块120开始。在一个实施例中，控制模块140可以将阀控制命令发出到阀装置110以对筛床106加压并且通过闭合阀114、116、128、132并且打开输入阀118、排出阀112和清洗阀126来清洗筛床108(例如，上文表1的步骤1)。以这种方式，由压缩机104产生的加压气体流可以经由导管111通过输入阀118从压缩机104的输出部流到筛床106。

在一个实施例中，筛床106中的空气压力可以初始地在周围条件(即，大气压力)处开始并且可以升高到较高压力。当筛床106中的空气压力超过存在于膜模块120的入口121处的空气压力，阀装置110可以被配置为打开校验阀136以便允许在氧气生成单元105的输出部107处发射富氧空气。在一个实施例中，阀134、136可以被配置用于被动地打开并且闭合以允许空气在仅一个方向上穿过。该富氧空气是膜模块120的流入。如下文更详细讨论的，膜模块120可以然后被配置为净化流入并且将净化氧气递送到产物阀144，同时通过阀装置110馈送清洗气体122以便清洗包含在氧气生成单元105中的筛材料。

在一个实施例中，氧气生成系统100可以被配置为通过使得较高压力处的筛床106在压力方面下降同时筛床108经历向上平衡(即，压力增加)，使氧气分离单元105压力平衡。在筛床106已经经由来自压缩机104的输入到达预定压力水平之后，控制模块140可以被配置为通过切换阀装置110(例如，表1的步骤2)使筛床106压力平衡到较低压力以使筛床106与筛床108压力平衡。控制模块140可以被配置为发出控制命令，使得阀装置110打开平衡阀132和输入阀114并且闭合阀112、116、118、126、128。以这种方式，筛床106中的压力降低以与筛床108中的压力至少部分地平衡。在一些实施例中，一旦氧气分离单元105完全压力平衡，则压缩机104流出从筛床106切换到筛床108，其在下文详细描述。在其他实施例中，压缩机104流出在完全压力平衡氧气分离单元105之前切换。

如图1所示，平衡线130可以被配置为将氧气流从筛床106传递到筛床108，并且从筛床108传递到筛床106。在一个实施例中，切换阀装置110以使筛床106、108压力平衡包括利用平衡线130和平衡阀132在筛床106、108之间传递氧气流。控制模块140可以被配置为通过闭合清洗阀126、128并且打开平衡阀132以便经由平衡线130使筛床106朝向较低压力压力平衡来实现压力平衡筛床106、108。以这种方式，压力平衡实现增加的氧气纯度，但是没有增加的功耗，因为筛床108中的氧气流已经由筛床106净化。因此，利用来自氧气生成单元105的输出部的氧气流的压力平衡以相对低的功耗实现增加的氧气纯度。在另一实施例中，压力平衡可以通过闭合阀112、116、126、128、132并打开阀114、118经由空气侧阀实现。

在一个实施例中，在氧气平衡的结束处或者在氧气平衡期间，筛床108中的压力通过切换阀装置110(例如，表1的步骤3)以利用压缩机104对筛床108加压增加到较高压力，从而使得筛床108将氧气流输出到膜模块120。控制模块140可以被配置为使得阀装置110闭合阀112、118、126、132并且打开阀114、116和128。通过这样做，由压缩机104输出的加压气体流将重定向到筛床108，并且筛床106将被清洗。

在一个实施例中，切换阀装置110以利用压缩机104对筛床106或筛床108加压包括在切换压缩机流量之前使筛床106和筛床108完全压力平衡。使筛床106和筛床108完全压力平衡意指允许筛床106和筛床108的加压状态当筛床106、108连接在封闭系统中(例如，经由平衡线130)时到达动态均衡状态。在另一实施例中，切换阀装置110以利用压缩机104对筛床108加压从而使得筛床108将氧气流输出到膜模块120包括：在完全压力平衡之前(即，在到达动态均衡之前)切换阀装置110。

在一个实施例中，控制模块140可以被配置为切换阀装置110(例如，表1的步骤4)以从筛床106排出清洗气体122的至少部分(例如，渗余物流)。控制模块140可以被配置为发出控制命令，其使得阀装置110打开平衡阀132和输入阀118并且闭合阀112、114、116、126、128。如图1所示，膜模块120可以包括经由清洗线124与筛床106、108流体连接的清洗气体输出部125。在一个实施例中，清洗线124可以包括清洗阀126、128，其分别地与筛床108、106的输出部串联连接。在另一实施例中，切换阀装置110以从筛床106或筛床108排出清洗气体122(例如，渗余物流量)的至少部分可以包括利用清洗气体122以经由清洗线130和清洗阀126、128交替地清洗筛床106和筛床108(例如，表1的步骤1和3)。

为了从筛床106、108中移除吸附氮气，阀装置110可以被配置为从筛床106、108排出吸附氮气。如图1所示，由膜模块120输出的清洗气体122可以通过氧气生成单元105通过清洗阀126、128呼出并且通过排出阀112、116离开氧气生成系统100。筛床106、108内的吸附氮气的呼出由渗余物气体流(即，经由清洗输出125由膜模块120输出的清洗气体122)清洗线124和主动清洗阀126、128支持。

在一个实施例中，至少在排出的开始，清洗气体输入阀128闭合并且排出阀116打开。阀装置110可以被配置为通过筛床106、108周期性地引导来自膜模块120的净化氧气流中的至少一些以利用清洗气体122清洗筛床106、108以排出这样的清洗气体，包括渗余物流。在排出阶段的结束处，筛床106、108中的压力在大气压力附近。

在一个实施例中，压缩机104不被用于清洗氧气生成105。相反，仅由膜模块120产生的清洗气体122(即，渗余物气体流)清洗氧气生成单元105。在一个实施例中，清洗期间的流阻力(经由清洗线124和阀126、128)和产物压力(经由产物阀146)限于预定压力以便以要求的纯度实现需要的氧气产物流146。限制压力和流动阻力可以由控制模块140实现。在一个实施例中，氧气产物146纯度可以由纯度传感器148检测并且传递到控制模块140。纯度传感器148可以包括被配置为确定气体的组成中的氧气纯度水平的任何传感器。

已经排空筛床106，同时筛床108已经达到较高压力水平，控制模块104可以被配置为通过切换阀装置110(例如，表1的步骤4)以将筛床108与筛床106压力平衡再次实现压力平衡，使得筛床108中的压力降低以与压力筛床106至少部分平衡。控制模块140可以被配置为发出控制命令，其使得阀装置110打开阀132并且闭合阀112、114、116、118、126、128。类似于以上平衡讨论，朝向较高压力的压力平衡可以包括利用平衡线130和平衡阀132。清洗阀126、128两者连同校验阀134、136一起闭合，同时平衡阀132打开。利用氧气侧平衡，筛床106现在从筛床108得到富氧气体并且在压力方面增加。类似于以上讨论，筛床108经历向下平衡。在朝向较高压力平衡期间，压缩机104流出从筛床108切换到筛床106。

类似于以上讨论，在将筛床108从较高压力压力平衡到较低压力之后，控制模块140可以被配置为通过切换阀装置110(例如，表1的步骤1)利用清洗气体122清洗来自筛床108的氮气以从筛床108排出清洗气体122的至少部分。控制模块140可以被配置为发出控制命令，其使得阀装置110打开阀112、118、126并且闭合阀114、116、128、132。PSA周期可以然后重复前述步骤(例如，表1的步骤1-4)，只要由氧气生成系统100的用户期望。

现在参考图3，图3描绘了氧气生成系统300，其是其类似标记部分对应于具有类似功能的类似特征的图1的氧气生成系统100的示范性实施例。如图3所示，氧气生成系统300与氧气生成系统100之间的主要差异在于，不包括平衡线130和平衡阀132。在该实施例中，氧气侧平衡通过打开两者清洗阀332是可能的。通过减少主动阀的数目，较低功耗可以实现并且材料清单缩小。

现在参考图4，图4描绘了氧气生成系统400，其是其类似标记部分对应于具有类似功能的类似特征的图3的氧气生成系统300的示范性实施例。如图4所示，氧气生成系统400与氧气生成系统300之间的主要差异在于，在膜模块420的清洗输出部425与氧气清洗和平衡阀432之间存在清洗线424中的孔口450的添加。额外孔口450使能定义相等清洗流进入两者筛床406、408，其独立于阀容限。即，由于具有比开关切换清洗阀432高得多的流阻力的孔口450(其对筛床406和筛床408两者的清洗路径共同)现在独立于个体清洗阀432的流动特性定义清洗流，其可能是不同的。阀432可以具有相对于先前描述的阀332的更简单的设计(例如，仅开关切换和无需要的流限制)，因此实现用于切换需要的较低成本和较低能耗。

现在参考图5，图5描绘了氧气生成系统500，其是其类似标记部分对应于具有类似功能类似特征的图1的氧气生成系统100的示范性实施例。如图5所示，氧气生成系统500与氧气生成系统400之间的一个不同特征在于，主动阀由校验阀526替换，并且在清洗输出525与校验阀526之间存在孔口550的添加。氧气生成系统500独立于阀容限，并且主动阀由校验阀替换，从而减少制造成本和功耗。氧气生成系统500可以类似于氧气生成系统100操作，其中，要清洗的筛床接近于大气压力，而另一筛床以及从膜模块520输出的清洗气体522在较高压力处。

现在返回参考图1，在一些实施例中，为了进一步减少功耗并且增加氧气纯度，在实现3L每分钟氧气的平均产物流时，生成系统100可以利用典型的氧气生成单元(诸如PHILIPS SIMPLYGO(例如，氧气分离单元105))配置有以下参数以实现各种功耗处的各种氧气纯度。

●第一范例

○循环时间 t

■加压和生产： 3.5s

■压力平衡 0.7s

■排出和氧气清洗 3.5s

○平均压缩空气流入 φ

○流入膜中(生产阶段)： φ

○生产期间的产物流(渗透) φ

○清洗阶段期间的清洗流(渗余物) φ

○最大.压力 p

○平均输入压力膜模块 p

○渗透(产物)的平均压力 p

○压缩机功率： P

○氧气产物纯度 A

●第二范例

○循环时间 t

■加压和生产： 2.9s

■压力平衡 0.6s

■排出和氧气清洗 2.9s

○平均压缩空气流入 φ

○流入膜中(生产阶段)： φ

○生产期间的产物流(渗透) φ

○清洗阶段期间的清洗流(渗余物) φ

○最大.压力 p

○平均输入压力膜模块 p

○渗透(产物)的平均压力 p

○压缩机功率： P

○氧气产物纯度 A

如上文在范例1和2中所示，利用本文所描述的示范性实施例实现与传统单元相比较更低功耗率处的更高产物纯度，其下文在范例3中测试。第三范例中的传统单元实现120W处的90％产物纯度，而当前实例中的氧气生成系统100实现110W处的95％产物纯度以及96W处的89％纯度。因此，当前实例的混合氧气生成系统100实现几乎相同产物纯度，但是在基本上较小功耗处。

测试还示出，为了产生低功耗处的3L/min的产物流，需要筛床106、108中的更大量的筛材料。为了实现的3L/min产物流，使用330g Li沸石筛材料每筛床单元(例如，单元105)；应用产物侧平衡，使用具有～45％的效率的压缩机。

●第三范例

●操作

○循环时间 t

■加压和生产： 5.1s

■压力平衡 0.4s

■排出和氧气清洗 5.1s

○孔口参考流： φ

○平均压缩空气流入 φ

○最大.压力 p

○压缩机功率： P

○氧气产物纯度 A

为了示出较低功耗处的增加的氧气纯度，膜模块120经受具有如下文所描述的各种操作容限的测试。膜模块120测试包括用于具有高氧气含量的流入的HiFluxx ST304的测试性能。特别地，商业Parker中空纤维膜模块HiFluxx ST304上的性能测量结果被表征为确定具有显著高于空气的氧含量的氧含量(>65％)的气体流入处的性能。

在下文表2中给出一些测量结果的概述。表2提供为气体流入(流入)、其压力(压力in)和其氧含量(纯度in)、对应的膜模块流出参数[产物和清洗流、其纯度(纯度perm&纯度ret.)和渗余物气体的压力(压力perm)]。流入是压缩干燥空气和纯氧气的适合的混合物。

表2：膜模块上的测量的结果

测试还包括确定膜模块120(例如，HiFluxx ST304)的要求的体积和重量以便实现最大效率。膜模块120的测量有效气体体积是大约300mL；管的外部体积是大约450mL。假定膜模块120的主动部分以与HiFluxx ST304的内部有机纤维结构类似的形式制造。当内部有机纤维结构可以定位在管中时，氧气生成系统100在低得多的压力处运行。因此，氧气生成系统100利用主动膜模块120替换针对产物罐的需要。

对膜模块120(聚酰亚胺有机纤维)的主动部分(例如，膜127)的最小需要大小进行估计。使用最新文献数据用于氮气/氧气选择性[～5]和氧气渗透[～10GPU]、直径～9μ和壁厚度d～0.450μ的纤维，大约2L/min纯氧气可以渗透通过～15m

该估计证明使用在氧气生成系统100中的膜模块120(例如，具有～0.45L的体积的HiFluxx ST304)的大小(和重量)可以通过粗略地数量级降低。相对于与传统单元相比较本文所描述的氧气生成系统100的重量，仅添加有机膜模块120(其可以代替产物罐放置)。但是筛床106、108中的较小材料(例如，本公开的236g vs.330g每单位[标准])使用在氧气生成系统100中。因此，甚至在使用来自(过大的)商业膜模块(HiFluxx ST304)的有机纤维的情况下，氧气生成系统100的重量是可与现有系统相比较的。并且，使用如上文所描述的良好大小的膜模块120将导致甚至更低的重量。

在一个示范性实施例中，膜模块120可以包括在100g-330g之间的纤维或有机纤维。在另一示范性实施例中，膜模块120可以包括250mL-350mL之间的气体体积。在又一示范性实施例中，膜模块120可以包括350mL-550mL之间的管的外部体积。

在一个示范性实施例中，膜模块120可以包括在50g-1000g之间的纤维或有机纤维。在另一示范性实施例中，膜模块120可以包括100mL-2000mL之间的气体体积。在又一示范性实施例中，膜模块120可以包括50mL-2000mL之间的管的外部体积。

现在参考图6，图6图示了用于生成氧气的方法600。下文呈现的方法600的操作旨在是说明性的。在一些实施例中，方法600可以在有未描述的一个或多个额外操作的情况下和/或没有讨论的操作中的一个或多个的情况下完成。此外，在图6中图示并且下文描述方法600的操作的次序不旨在是限制性的。

在操作602处，将阀装置配置为利用压缩机对第一筛床加压，使得第一筛床将氧气流输出到膜模块，同时利用来自膜模块的渗余物流清洗第二筛床。在一些实施例中，操作602由与图1的阀装置110相同或者相似的阀装置执行。

在操作604处，切换阀装置以使第一筛床与第二筛床压力平衡，使得第一筛床中的压力降低以与第二筛床中的压力至少部分地平衡。在一些实施例中，操作604由与图1的阀装置110相同或者相似的阀装置执行。

在操作606处，切换阀装置以利用压缩机对第二筛床加压从而使得第二筛将氧气流输出到膜模块，同时利用来自膜模块的渗余物流清洗第二筛床。在一些实施例中，操作606由与图1的阀装置110相同或者相似的阀装置执行。

在操作处608，切换阀装置以将第二筛床与第一筛床压力平衡，使得第二筛床中的压力降低以与第一筛床中的压力至少部分地平衡。在一些实施例中，操作608由与图1的阀装置110相同或者相似的阀装置执行。

在权利要求中，放在括号内的任何附图标记不应解释为对权利要求的限制。词语“包括”或“包含”不排除权利要求中列出的元件或步骤之外的元件或步骤的存在。在列举几个模块的设备权利要求中，这些模块中的若干可以由同一项硬件来实现。元件之前的词语“一”或“一个”不排除多个这样的元件的存在。在列举了若干模块的任何设备权利要求中，这些模块中的若干可以由同一项硬件来实现。尽管在互不相同的从属权利要求中记载了某些元件，但是这并不指示这些元件不能组合使用。

尽管以上提供的描述基于当前被认为是最实际的实施例出于说明的目的提供了细节，但是应当理解，这种细节仅仅是出于该目的，并且本公开不限于明确公开的实施例，而是相反，其旨在覆盖所附权利要求的精神和范围内的修改和等效布置。例如，应当理解，本公开预期在可能的范围内，任何实施例的一个或多个特性可以与任何其他实施例的一个或多个特性组合。