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Dokumentenidentifikation DE69832036T2 13.07.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0000932439
Titel GESCHLOSSENER REGELKREIS FÜR SAUERSTOFFKONZENTRATOR
Anmelder Invacare Corp., Elyria, Ohio, US
Erfinder MICHAELS, A., Gregory, Seven Hills, US;
BIRANGI, Homayoun, Willoughby, US;
POLASECK, D., David, Elyria, US
Vertreter Fuchs, Mehler, Weiß & Fritzsche, 65201 Wiesbaden
DE-Aktenzeichen 69832036
Vertragsstaaten DE, FR, GB, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 05.06.1998
EP-Aktenzeichen 989263132
WO-Anmeldetag 05.06.1998
PCT-Aktenzeichen PCT/US98/11581
WO-Veröffentlichungsnummer 1998056488
WO-Veröffentlichungsdatum 17.12.1998
EP-Offenlegungsdatum 04.08.1999
EP date of grant 26.10.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.07.2006
IPC-Hauptklasse B01D 53/04(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse B01D 53/047(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   A61M 16/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]
ERFINDUNGSGEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fraktionieren von Gasen und eine Gaskonzentratoreinrichtung zum Implementieren des Verfahrens.

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK

Für die Trennung von gasförmigen Mischungen und insbesondere für die Trennung von Stickstoff von atmosphärischer Luft zur Bereitstellung einer Quelle hochkonzentrierten Sauerstoffs existieren verschiedene Anwendungen. Diese Anwendungen beinhalten die Bereitstellung erhöhter Sauerstoffkonzentrationen für (1) Patienten, die selbigen in ihrer Atemluft benötigen, und (2) Flugpersonal. Zusätzliche Anwendungen betreffen Prozesse wie etwa das Trocknen von hochreinen Gasen wie etwa das Trennen von Wasserstoff von Kohlenwasserstoffen.

Das am 12. Juli 1960 an Charles Skarstrom erteilte US-Patent Nr. 2,94,627 veranschaulicht eine frühe Vorrichtung und ein frühes Verfahren zum Fraktionieren von Gasen mit ersten und zweiten Fraktioniergefäßen, die mit Molekularsiebmaterial gepackt sind, das selektiv eine oder mehrere Komponenten des Gases adsorbierte, um ein angereichertes Produktgas durchzuleiten. Eine Umschaltventilbaugruppe gestattete eine Strömungsübereinstimmung zwischen den Gefäßen und einem Abgasaustrag. Produktgas von einem Gefäß wurde zu einem Primärproduktauslaß kanalisiert, wobei eine große Fraktion zu dem anderen Gefäß kanalisiert wurde. Diese Fraktion spülte die adsorbierten oder Abgase, die von dem anderen Gefäß gefangen worden waren. Die Umschaltventilbaugruppe schaltete die Verbindung der Gefäße mit dem ankommenden Gas und mit dem Abgasaustrag zyklisch um. Dieses zyklische Umschalten der Gefäße lieferte einen regelmäßigen Strom des Primärproduktgases von dem Primärproduktauslaß.

Das an Berlin erteilte US-Patent Nr. 3,313,091 verbesserte das Skarstrom-System durch den Einsatz einer Vakuumpumpe, um adsorbierte Gase oder Abgase aus dem gespülten Gefäß oder Bett abzuziehen. Zusätzlich verwendete diese Erfindung ein komplexeres Ventilsystem zum Erzeugen eines Zyklus, der Gefäß- oder Bettdruckausgleich, Wiederunterdrucksetzungsproduktproduktion, Bettdruckausgleich, Ablassen und Spülen beinhaltete.

Das US-Patent Nr. 4,222,750 an Gauthier et al. betraf einen spezifisch definierten Zeitsteuerzyklus, in dem Primärproduktgas von dem adsorbierenden Bett während des Desorptionszyklus durch das desorbierende Bett geleitet wurde. Die Gefäße waren während einer Adsorptionsperiode mit einem Kompressor und während einer Desorptionsperiode mit einer Vakuumpumpe verbunden.

Das US-Patent Nr. 4,449,990 an Tedford Jr. verbesserte diese Patente nach dem Stand der Technik durch die Lehre eines Verfahrens und einer Vorrichtung zum Fraktionieren von Sauerstoff, bei dem ein Paar von Molekularsiebbetten zyklisch in einem zeitlich gesteuerten Zyklus durch ein erstes Umschaltventil (d.h. ein Vierwegeventil) mit einer Druckluftquelle verbunden waren, und ein Verfahren zum Herabsetzen des Drucks des Betts. Die Auslaßenden der Betten waren weiter verbunden über einen Strömungsweg, der bezeichnet ist als ein Druckausgleichsströmungsweg mit einem Druckausgleichsventil ("PE"-Ventil) zum selektiven Öffnen und Schließen des Strömungswegs. Der Weg enthielt zwei Strömungskanäle mit einem begrenzten Kanal, der immer offen ist, und einem regulierten Strömungskanal, der das PE-Ventil für eine variable Strömungsrate aufweist. Weiter regelte in diesem Patent eine Takt- und Steuerschaltung das Umschaltventil derart, dass das Druckausgleichsventil 1 Prozent der Zyklusdauer offen war, bevor das Umschaltventil die Positionen umkehrte, und 2 Prozent der Zyklusdauer geschlossen war, nachdem das Umschaltventil Positionen änderte.

Im allgemeinen wird im Stand der Technik, wie durch diese und andere Patente dargestellt, ein Ausgleichsventil zwischen einem Paar von Rückschlagventilen an den Auslaßenden eines Paars von Siebbetten in einem Sauerstoffkonzentratorsystem angeordnet. Während das Ausgleichsventil von Tedford als Druckausgleichsventil (d.h. ein „PE"-Ventil) bezeichnet wurde, beziehen wir uns bei der vorliegenden Erfindung auf das entsprechende Ventil als ein Konzentrationsausgleichsventil (d.h. ein „CE"-Ventil). Das gleiche Ergebnis wird letztlich erzielt, indem man eine Spülzufuhr aus Produktgas in ein benutztes Bett eintreten lässt; bei einer druckbasierten Zufuhr jedoch ändert sich die Argumentation für den Einsatz des Ventils geringfügig. Insbesondere wirkt das Ausgleichsventil dahingehend, die Schwingung der Ausgabegaskonzentration in den Produkttank zu dämpfen, die ansonsten auftreten könnte. Ein Sauerstoffkonzentrationssensor misst und liefert eine Angabe darüber, ob ein bestimmter Sauerstoffpegel erreicht ist oder nicht. Beispielsweise kann ein normaler oder annehmbarer Betrieb ein grünes Licht bei einem Messwert von 85 Prozent oder darüber aufweisen; ein gelbes Licht kann bei einem Messwert zwischen 73 und 85 Prozent aufleuchten und ein rotes Licht leuchtet bei einem Messwert unter 73 Prozent auf, und die Einrichtung schaltet sich danach ab. Diese Informationen werden lediglich dem Patienten oder Techniker angezeigt. Das heißt, der Techniker steuert manuell das Ausgleichsventil bei dem Bemühen, die Sauerstoffzufuhr zu dem Patienten auf der Basis der Indikatorlichter und Sauerstoffmesswerte fein abzustimmen.

Aus DE-U-29605889 ist eine Einrichtung zum Erzeugen von sauersoffangereicherter Luft bekannt, bei der Raumluft von einem Kompressor angesaugt und durch ein oder zwei Molekularsiebe geleitet wird. Der sauerstoffangereicherte Teil der Luft wird in einem Behälter gesammelt und einem Patienten zur Verfügung gestellt. Ein Teil der von einer der Molekularsiebe erzeugten sauerstoffangereicherten Luft wird vorübergehend zum Rückspülen des verbleibenden Molekularsiebs verwendet, um selbiges wiederaufzuladen.

Um eine höhere Konzentration an Sauerstoff zu erzeugen, schlägt die bekannte Einrichtung das Einstellen der Spül- und Vorladezeiten des jeweiligen Molekularsiebs vor, das nicht verwendet wird, um den Leistungsverlust der Einrichtung zu kompensieren. Eine Messeinrichtung überwacht die Sauerstoffkonzentration und liefert die entsprechenden Messwerte an eine Programmsteuereinheit. Die Messwerte werden mit einem festen Sollwert verglichen, und wenn eine vorbestimmte Abweichung auftritt, werden die Spül- und/oder Vorladezeiten entsprechend geändert, bis der feste Sollwert erreicht ist.

Zudem ist aus US-A-4,648,888 ein Sauerstoffkonzentrator mit einem oder mehreren Molekularsiebbetten zum Erhöhen der Sauerstoffkonzentration eines Produktgases bekannt. Der Druck des von den Siebbetten zu einem Reservoirtank gelieferten Produktgases wird überwacht, um die Entnahme von Produktgas zu bestimmen. Der Taktzyklus zum Unterdrucksetzen oder Laden der Molekularsiebbetten wird variiert, so dass nur die kleinste Menge an atmosphärischer Luft in die Siebbetten zum Wiederauffüllen des Reservoirs geladen wird, um die Gaslieferanforderungen zu erfüllen. Zusammenfassend lehrt diese bekannte Vorrichtung das Optimieren der Ladezeit für die Siebbetten, um Energie zu sparen.

Abweichend von diesen Einrichtungen nach dem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren und eine Einrichtung zum Fraktionieren von Gasen zu entwickeln, die eine Optimierung der gewünschten Komponentengaskonzentration gestatten.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können den abhängigen Ansprüchen entnommen werden.

KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Fraktionieren von Komponenten einer gasförmigen Mischung bereitgestellt. Gleichzeitig wird die gasförmige Mischung unter Druck einem Bett eines physikalischen Separationsmediums zugeführt, das mindestens eine adsorbierbare Komponente adsorbiert und mindestens eine im wesentlichen nichtadsorbierbare Komponente der Mischung durchlässt, während ein zweites Bett evakuiert wird. Bevor die Kapazität des mit einer gasförmigen Mischung belieferten Betts zum Adsorbieren der adsorbierbaren Komponente erreicht wird, werden die Betten auf gleichen Druck gebracht, indem das Gas zwischen den Betten strömen (d.h. in Fluidkommunikation) kann. Während Gas zwischen den Betten strömt, werden die Zufuhr der gasförmigen Mischung und die Evakuierung der Betten umgekehrt. Das heißt, die gasförmige Mischung wird dem bisher evakuierten Bett zugeführt, und das bisher mit einer gasförmigen Mischung belieferte Bett wird evakuiert. Nach der Umkehr der Zufuhr der gasförmigen Mischung und der Evakuierung der Betten wird die Druckausgleichsströmung beendet. Diese Schritte werden zyklisch wiederholt, um eine anhaltende Produktion der nichtadsorbierbaren Komponente bereitzustellen.

Die Erfindung umfasst weiterhin ein neuartiges Verfahren zum Steuern des Spülstroms zwischen dem ersten und zweiten Siebbett, insbesondere zum Optimieren der relativen Zeit des Stroms zwischen den Betten. Dieses neue Steuerverfahren erreicht eine höhere Durchsatzeffizienz zum Patienten, maximiert die Betteffizienz und erleichtert weiterhin die Fernsteuerung des Sauerstoffkonzentrators. Wenn der Mikroprozessor die Fähigkeit besitzt, die relativen Strömungseffizienzen der Siebbetten zu vergleichen, reduziert er die Notwendigkeit dafür, dass ein Techniker den Sauerstoffkonzentrator sofort aufsucht und sich um ihn kümmert, wenn beispielsweise eine Einrichtung einen Alarmzustand signalisiert.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines über Software angesteuerten Mikrocontrollers, der die Leistung des Sauerstoffkonzentrators ständig prüft, wodurch ein ordnungsgemäßer Betrieb und eine Warnung vor extremen Druckwerten sichergestellt wird. Ein zusätzlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass eine druckbasierte Softwarelogik bereitgestellt wird, die für die Kompressoreffizienz hohe Sauerstoffkonzentrationen bei höheren Werten sicherstellt sowie den Verfall eines alternden Kompressors kompensiert.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird auch eine Vorrichtung zum physikalischen Trennen von Sauerstoffmolekülen aus einer gasförmigen Mischung bereitgestellt. Die Vorrichtung umfasst erste und zweite Betten, die jeweils ein physikalisches Separationsmaterial enthalten. Ein Umschaltventilmittel verbindet selektiv einen Einlass eines der ersten und zweiten Betten mit einer Zufuhr der gasförmigen Mischung unter Druck und einen Einlass des anderen Betts mit einer Vakuumquelle. Ein Steuermittel bewirkt, dass das Umschaltventilmittel jedes des ersten und zweiten Betts zyklisch mit der Zufuhr der gasförmigen Mischung, d.h. dem Kompressor, verbindet und zur Evakuierung in die Atmosphäre entlüftet wird. Der Zeitraum, in dem eines der Betten einen Zyklus des Verbundenwerdens mit der Zufuhr für die gasförmige Mischung und des Evakuiertwerdens durchläuft, ist als eine Zyklusdauer bezeichnet. Alternativ kann der Produktionszyklus auf der Basis des Ausgabedrucks von den Betten bei Messung durch Druckwandler in dem Auslaßströmungsweg geregelt werden. Ein Strömungsweg, der Auslässe der ersten und zweiten Betten verbindet, weist eine Gasströmungskapazität auf, die ausreicht, um die ersten und zweiten Betten hinsichtlich der Sauerstoffausgabe in eine substantielle Übereinstimmung zu bringen.

Ein Konzentrationsausgleichsventil, das selektiv eine Gasströmung durch den Strömungsweg gestattet und verhindert, steht mit dem Steuermittel in Kommunikation. Das Steuermittel bewirkt, dass sich das Konzentrationsausgleichsventil für einen Teil der Zyklusdauer vor jeder Betätigung des Umschaltmittelventils öffnet und für einen Teil der Zyklusdauer nach jeder Betätigung des Umschaltventilmittels geschlossen wird. Ein Reservoir oder Produkttank ist in Betrieb durch unidirektionale Ventilmittel mit den Auslässen der ersten und zweiten Betten verbunden, um Sauerstoffmoleküle zu sammeln, die durch die ersten und zweiten Betten separiert worden sind. Das Steuermittel verwendet einen Rückführkreis, um die Konzentrationsausgleichsventilströmungseinstellung (d.h. die Zeit zum Erreichen einer optimalen Evakuierung) zwischen den beiden Betten auszuwerten. Der Begriff „Rückführungskreis", wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf einen Kreislauf, der anhand einer Variablen arbeitet und dann diese Variable mit ihrem vorausgegangenen Wert vergleicht, um eine Funktion auszuführen, und zwar in diesem Fall die Zeiteinstellung des Konzentrationsausgleichsventils (CE) auf der Basis der Sauerstoffkonzentration auszuwerten.

Ein zusätzlicher Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung eines Steuersystems, das zum Ansteuern des Umschaltventils und Umschalten der Taktsteuerung relativ zu den ersten und zweiten Molekularsiebbetten eine variable druckbasierte Steuerung verwendet. Insbesondere verstellt die Steuerung den Siebbettdruck, damit die Verweilzeit der Fraktioniergase innerhalb eines bestimmten definierten Bereichs bleibt. Wenn beispielsweise eine gegebene Siebbettgröße und Packungsanordnung eine minimale Diffusionszeit erfordert, verstellt der Controller somit wieder den Druck, um beispielsweise eine höhere Strömungsrate zu kompensieren, die ein Kompressor höherer Leistung möglicherweise liefert. Somit wendet der Kreislauf eine Druck- und Zeitparameter nutzende Logik zum Definieren der Produktzyklusdauer an. Gleichermaßen kann die Sauerstoffkonzentration am Bettausgang zum Definieren der Produktzyklusdauer eingesetzt werden.

Ein Primärvorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass er eine relativ hohe Primärproduktproduktionskapazität liefert.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass der Sauerstoff mit einer ausreichend hohen Strömungsrate und Reinheit für medizinische Anwendungen und zur Bereitstellung von sauerstoffangereicherter Atemluft für Patienten produziert.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die zusätzlichen Steuerfunktionen an einen verbesserten Mikroprozessor delegiert werden, um die Notwendigkeit für einen Vor-Ort-Service durch einen Techniker zu reduzieren.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist ein Blockschaltbild einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zum Trennen eines Primärproduktgases von einer gasförmigen Mischung;

2 veranschaulicht eine Sauerstoffproduktionskapazität als Funktion einer Konzentrationsausgleichseinstellventilbetriebszeit für die Vorrichtung von 1;

3 ist ein Schemadiagramm der Steuerung für den Stand der Technik und

4 ist ein Schemadiagramm der Steuerung für die vorliegende Erfindung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Unter Bezugnahme auf 1 enthält die Vorrichtung mindestens zwei Betten 10 und 12, die mit einem physikalischen Separationsmedium oder -material gefüllt sind. Das Separationsmaterial adsorbiert selektiv eine oder mehrere adsorbierbare Komponenten und lässt eine oder mehrere nichtadsorbierbare Komponenten einer derartigen gasförmigen Mischung durch. Das physikalische Separationsmaterial ist ein Molekularsieb mit Poren mit gleichförmiger Größe und im Wesentlichen den gleichen molekularen Abmessungen. Diese Poren adsorbieren selektiv Moleküle gemäß der molekularen Form, Polarität, Sättigungsgrad und dergleichen. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist das physikalische Separationsmedium eine Aluminasilikatzusammensetzung mit 4 bis 5 Å (Angström) großen Poren. Insbesondere ist das Molekularsieb eine Natrium- oder Calciumform von Aluminasilikat, wie etwa Typ 5A-Zeolith. Alternativ kann das Aluminasilikat ein höheres Silizium-Aluminiumverhältnis, größere Poren und eine Affinität für polare Moleküle aufweisen, zum Beispiel Typ 13x-Zeolith. Das Zeolith adsorbiert Stickstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasserdampf und andere signifikante Komponenten der Luft.

Ein Umschaltventilmittel 20, das bevorzugt ein Vierwegeventil 21 enthält, verbindet selektiv und zyklisch das Einlaßende von jeweils einem von zwei Betten während einer Produktionsphase mit einer Quelle der Gasmischung, zum Beispiel Druckluft, die von einem Kompressor 22 geliefert wird, während das andere Bett während einer Spülphase zur Atmosphäre entlüftet wird. Spezifisch bei der bevorzugten Ausführungsform verbindet das Umschaltventilmittel selektiv eines der Betten in Fluidkommunikation mit einer Luftpumpe oder einem Kompressor 22, der Luft unter etwa 15–30 Pounds per square inch liefert. Der Ausdruck „Fluidkommunikation", wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf Mittel, die den Strom der entsprechenden Gase gestatten. Natürlich kann auch Vakuum während der Spülphase mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um die Evakuierung zu verstärken. Der Kompressor ist mit einem Antriebsmotor 23 verbunden, bei der bevorzugten Ausführungsform einem Elektromotor mit etwa ¼ PS. Ein nicht gezeigter Elektromagnet oder ein anderes Umschaltventilbetätigungsmittel bewirkt selektiv, dass sich das Umschaltventilmittel abwechselnd zwischen erster und zweiter Position bewegt. In der ersten Position, die in 1 dargestellt ist, ist das erste Bett 10 mit dem Kompressor 22 verbunden, um eine Stickstoffadsorption und Sauerstoffanreicherung in dem Produktgas zu bewirken, und das zweite Bett 12 wird zur Atmosphäre entlüftet, um eine Evakuierung zu gestatten. In der zweiten Position wird das erste Bett zur Atmosphäre entlüftet, um Evakuierung zu gestatten, und das zweite Bett wird mit dem Luftkompressor verbunden, um eine Stickstoffadsorption zu verursachen.

Während das Gasgemisch durch einen Betteinlaß in ein adsorbiertes gasfreies oder regeneriertes Bett eingeleitet wird, entsteht eine Adsorptionszone mit endlicher, relativ großer Größe. Diese Adsorptionszone ist ein Gebiet des Betts, in dem die volle Kapazität des Adsorptionsmittels, die adsorbierbaren Komponenten zu halten, nicht erreicht worden ist. Die Zusammensetzung des Gases in den Hohlräumen des Zeoliths variiert von einem im wesentlichen reinen Primärproduktgas am Auslaßende zu der gasförmigen Umgebungsmischungszusammensetzung am Einlaßende. Diese Adsorptionszone bewegt sich vom Betteinlaß in Richtung auf einen Bettauslaß, und zwar mit einer Geschwindigkeit, die signifikant geringer ist als die Gasanströmungsgeschwindigkeit im Bett. Wenn die Adsorptionszone das Auslaßende des Betts erreicht, beginnen die adsorbierbaren Komponenten durch den Bettauslaß in den nichtadsorbierbaren Primärproduktstrom zu fließen. Diese Zeit wird im weiteren als der „Durchbruch" bezeichnet. Für eine gegebene gasförmige Zusammensetzung wird der Durchbruch durch die Größe und Konfiguration des Bettbehälters sowie die Packungskonfiguration des Molekularsiebs und die Strömungsrate und den Bettgasdruck definiert. Die Konfiguration ist im allgemeinen zylindrisch, während die Ausgabevolumenrate von etwa 0 bis 6 Liter pro Minute variieren kann bzw. insbesondere bei 3, 5 und 6 Litern liegt. Der Durchbruch ist die Zeit, die für die Diffusionsreaktion erforderlich ist, wenn sich der Stickstoff anreichert und schwach an das Siebbett gebunden wird. Wenn der Durchbruch eintritt, variiert mit einem Primärprodukt angereichertes Bettgas in den Zeolithhohlräumen von einer höheren Primärproduktgaskonzentration am Bettauslaß zu einer niedrigeren Konzentration am Betteinlaß. Bei der bevorzugten Ausführungsform beträgt das mit Primärprodukt angereicherte Bettgas etwa 80 Prozent des Primärprodukts beim Durchbruch. Während in einem Bett eine Adsorption auftritt, werden die von dem Separationsmedium des anderen Betts adsorbierten adsorbierbaren Komponenten aus dem anderen Bett gespült, und zwar aufgrund des Druckabfalls wegen der Entlüftung zur Atmosphäre und wegen einer Exposition mit einem relativ reinen Produktgas von dem ersten Bett.

Das erste Bett 10 ist über ein erstes Rückschlagventil 32 oder ein anderes unidirektionales Ventilmittel mit einem Reservoir oder Produkttank 30 verbunden. Das erste Rückschlagventil 32 gestattet, dass das Primärproduktgas von dem ersten Bett 10 in das Reservoir oder in den Produkttank 30 strömt, wenn der Produktgasdruck im ersten Bett 10 den Druck des Produktgases im Reservoir oder Produkttank 30 übersteigt. Das erste Rückschlagventil verhindert, dass das Produktgas von dem Reservoir oder Produkttank 30 fließt, wenn der Druck im ersten Bett 10 niedriger ist als im Reservoir oder Produkttank. Bei der bevorzugten Ausführungsform legt insbesondere das Rückschlagventil eine Vorspannung von 1,5 psi der Art auf, dass eine Strömung nur dann gestattet ist, wenn der Druck im ersten Bett den Druck im Reservoir oder Produkttank um 1,5 psi übersteigt. Das zweite Bett 12 ist über ein zweites Rückschlagventil 34 oder ein anderes unidirektionales Ventilmittel mit dem Reservoir oder Produkttank 30 verbunden. Das zweite Rückschlagventil 34 sorgt wieder für eine unidirektionale Strömung des Primärproduktgases vom zweiten Bett 12 zum Reservoir oder Produkttank 30.

Ein Druckausgleichsströmungsweg 40 verläuft zwischen Auslässen der ersten und zweiten Betten. Ein Konzentrationsausgleichsventil 42 ist entweder offen oder geschlossen, um selektiv eine Gasströmung durch den Strömungsweg zwischen den ersten und zweiten Betten zu gestatten oder zu verhindern. Ein Steuermittel 50 bewirkt zyklisch, dass das Umschaltventilbetätigungsmittel (d.h. zwei Elektromagnete) und das Konzentrationsausgleichsventil 42 betrieben werden. Das Steuermittel gibt periodisch und zyklisch einen Konzentrationsausgleichsventilaktuator frei, der ebenfalls ein Elektromagnet ist.

Ein Sauerstoffsensor 43 registriert die Sauerstoffkonzentration des Produktgases und kann im Produkttank 30 angeordnet sein. Der Sensor 43 übermittelt einen erfassten Wert an den Mikroprozessor (d.h. Steuermittel). Analog registriert ein Drucksensor 45 den Druck im Produkttank und übermittelt selbigen an den Mikroprozessor.

Das Steuermittel bewirkt, dass das Umschaltventilmittel 20 zwischen seiner ersten und zweiten Position für die entsprechende Periode während jedes Zyklussegments abwechselt. Ein Zyklussegment kann entweder der Produktgaserzeugungszyklus oder der Spülzyklus sein. Die Zyklusdauer wird so gewählt, dass jedes Bett für eine Dauer mit der Luftquelle verbunden ist, die gleich oder kleiner ist als die Durchbruchzeit. Der Mechanismus, der die Umschaltventiltätigkeit auslöst, kann auf dem Druck, wie etwa einem Drucksollpunkt oder -sollpunktbereich, in der Entlüftungsleitung des Produkttanks basieren, wie dies in einem druckbasierten Steuerzyklus verwendet wird, oder er kann strickt auf einer Verweilzeit von dem Produkt produzierenden Bett basieren, wie etwa bei einem taktzyklusbasierten Steuerzyklus. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann der Steuerzyklus einen variablen Druck verwenden, um eine Verweilzeit innerhalb eines definierten Bereichs auf der Basis einer projizierten Durchbruchzeit zu erreichen. Bei der bevorzugten Ausführungsform weisen die Betten einen Durchmesser von 3,5 Inch und eine Länge von 15 Inch auf und enthalten jeweils 6,5 Pounds an 5A-Zeolith.

Die Gasmischung wird mit einem Druck von bis zu 32 Pounds dem ersten Bett zugeführt. Gleichzeitig wird das zweite Bett (d.h. ein „benutztes" Bett) zur Atmosphäre entlüftet, um ein Spülen der mit Stickstoff angereicherten Molekularsiebe zu verursachen. Vor der Durchbruchzeit wird das Konzentrationsausgleichsventil geöffnet, wodurch mit Primärprodukt angereichertes Gas von dem ersten Bett in das evakuierte zweite Bett strömen kann. Während der Konzentrationsausgleichsperiode wird ein Bett evakuiert und das andere hat gerade den Drucksollwert erreicht, der die Strömung zwischen den Betten antreibt. Die Strömung weist einen hohen Sauerstoffgehalt auf, so dass das erste Produkt, das in den Produkttank eintritt, im wesentlichen von den Sauerstoffbetten produziertes Produktgas ist. Das Gas vom zweiten Bett ist mit Produkt angereichertes Gas zum Spülen des Siebbetts. Bevor das mit Primärprodukt angereicherte Gas von dem ersten Bett durch das zweite Bett evakuiert wird, wird das Umschaltventilmittel 20 betätigt, um seine Position umzukehren. Das Betätigen des Umschaltventilmittels stoppt die Zufuhr der gasförmigen Mischung zu dem ersten Bett und beginnt seine Evakuierung und stoppt gleichzeitig die Evakuierung des zweiten Betts und beginnt, es mit der gasförmigen Mischung zu versorgen.

Nach der Betätigung des Umschaltventilmittels bleibt das Konzentrationsausgleichsventil 42 offen, um weiterhin das Strömen einer Spülzufuhr aus mit Produkt angereichertem Gas in das zweite Bett zu gestatten. Dies gleicht die Konzentration von Gas aus, das dem Produkttank zugeführt wird, da die Taktung so gesteuert ist, dass das Produktgas die Durchbruchzone durchläuft und in den Produkttank strömt. Danach schließt sich das Konzentrationsausgleichsventil und beendet die Strömung von Primärproduktgas zwischen den Betten. In dem zweiten Segment des Zyklus nimmt der Druck im zweiten Bett zu und nähert sich dem Quellendruck der Gasmischung von 32 psi an. Gleichzeitig nimmt der Druck im ersten Bett ab und nähert sich atmosphärischem Druck. Bevor die Sekundärproduktmoleküle das zweite Bett durchquert haben, wird das Konzentrationsausgleichsventil 42 geöffnet, wodurch das mit dem Primärprodukt angereicherte Gas in den Zeolithhohlräumen des zweiten Betts zum ersten Bett strömen kann. Während das mit dem Primärprodukt angereicherte Gas zum ersten Bett strömt, wird das Umschaltventilmittel betätigt. Das Betätigen des Umschaltventilmittels stoppt die Evakuierung des ersten Betts und beginnt die Zufuhr der gasförmigen Mischung und stoppt gleichzeitig die Zufuhr der gasförmigen Mischung zu dem zweiten Bett und beginnt mit seiner Evakuierung. Nach der Betätigung des Umschaltventilmittels wird das Konzentrationsausgleichsventil geschlossen, was die druckausgleichende Strömung des mit Primärprodukt angereicherten Gas zwischen den Betten beendet. Die Schritte werden zyklisch wiederholt, damit man eine fortgesetzte Fraktionierung des Primärproduktgases aus der Mischung erhält.

Gemäß der Erfindung wird die Zeit, während das Konzentrationsausgleichsventil (in einer Richtung) offen bleibt und folglich die Menge an Primärproduktgas, die in das Bett strömen darf, das evakuiert wird, von dem Mikroprozessor gesteuert, um den Sauerstoffausfluß zum Patienten zu optimieren (zu maximieren). 2 veranschaulicht die Sauerstoffkonzentration des Produktgases, während sie mit der Konzentrationsausgleichsventileinstellung variiert. Die Einstellung ist so gezeigt, dass sie bei einer Konzentrationsausgleichsventileinstellung eine optimale Sauerstoffkonzentrationsausgabe erreicht.

3 und 4 sind schematische Darstellungen des Steuerverfahrens für einen Sauerstoffkonzentrator, wobei 3 den Stand der Technik und 4 die vorliegende Erfindung darstellt.

Insbesondere beginnt das Konzentrationsausgleichsströmungsventil mit einer Anfangseinstellung, und nach einer ersten Warteperiode, die zufälligerweise zwischen etwa 1 Minute und 1 Stunde, bevorzugt zwischen 2 Minuten und 30 Minuten und besonders bevorzugt zwischen 5 und 12 Minuten liegt, bewirkt der Mikroprozessor, dass sich ein Konzentrationsausgleichsströmungsventiljustiermittel um ein Zeiteinheiteninkrement ändert. Jedes Zeiteinheitsinkrement beträgt zwischen etwa 1 und etwa 50 Millisekunden, besonders bevorzugt etwa 10 bis 30 Millisekunden. Nach einer zusätzlichen inkrementalen Warteperiode, d.h. einer zweiten 10-Minuten-Periode, vergleicht der Rückführsteuerkreis einen Spannungswert von dem Sauerstoff entsprechend der Sauerstoffausgabe mit dem zuletzt bestimmten Wert unmittelbar vor der inkrementalen Zeiteinheitsänderung. Wenn der Wert zunimmt, bewirkt der Mikroprozessor, dass das Konzentrationsausgleichsventiljustiermittel ein zusätzliches Zeiteinheitsinkrement in der gleichen Richtung ändert (z.B. durch Lenken einer längeren oder kürzeren Strömung von Ausgabegas in das reinigende Bett). Der Mikroprozessor setzt diesen Prozess der inkrementalen Zeiteinheitsjustierung und des Vergleichs des Sauerstoffausflusses in der gleichen Richtung fort, bis der Kreis einen Abfall bei dem Wert erfasst, wobei dann der Kreis das Zeiteinheitsjustiermittel anweist, einen Schritt zurück um eine Einheit zu der letzten optimierten Einstellung auszuführen.

Wieder unter Bezugnahme auf 1 hält bei der bevorzugten Ausführungsform das Reservoir oder Produkttank 30 ein Sauerstoffreservoir auf einem Mindestdruck von etwa 18 psi. Das Reservoir oder der Produkttank ist mit einem Druckregler 70 verbunden, um die Druck- oder Strömungsrate von Sauerstoff zum Patienten zu steuern. Ein Strömungsmeßgerät 72 liefert eine visuelle Anzeige der Rate, mit der der Patient Sauerstoff empfängt. Ein Befeuchter 74 feuchtet das Sauerstoffprimärprodukt an, um die von den Betten entfernte Feuchtigkeit zu ersetzen. Eine Beatmungsvorrichtung 76 unterstützt die Zufuhr des Sauerstoffs zu dem Patienten. Die meisten medizinischen Rezepte erfordern, dass Sauerstoff dem Patienten mit der Rate von 6 Litern pro Minute oder weniger zugeführt wird.

Wenngleich gemäß den Patentgesetzen die beste Weise und bevorzugte Ausführungsform dargelegt worden sind, wird der Schutzbereich der Erfindung nicht darauf beschränkt, sondern vielmehr durch den Schutzbereich der beigefügten Ansprüche.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zum Fraktionieren eines ersten Komponentengases von einem zweiten Komponentengas und Optimieren der Konzentration des ersten Komponentengases durch eine Rückführkreissteuerung in einem Gaskonzentrator, aufweisend:

    a) mindestens zwei Fraktionierbetten (10, 12) mit einem Einlaßende und von einem Auslaßende beabstandet, wobei die Betten jeweils über einen Konzentrationsausgleichsströmungsweg (40) mit dem anderen Bett an dem Auslaßende in selektiver Fluidkommunikation stehen, wobei das Strömen von Gas in dem Konzentrationsausgleichsströmungsweg von einem Konzentrationsausgleichsventil (42) mit mehreren inkrementalen Zeitkonzentrationsausgleichseinstellungen reguliert wird,

    b) Elektroniksteuermittel (50) mit Speichermitteln, die in Betrieb mit dem Konzentrationsausgleichsventil (42) kommunizieren, und

    c) Sensormittel (43) zum Bestimmen der Konzentrationsausgabe eines ersten Komponentengases, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

    i) Bestimmen einer Konzentrationsausgabe eines ersten Komponentengases, die einen ersten Wert aufweist, von mindestens einem der beiden Fraktionierbetten durch die Sensormittel (43);

    ii) Speichern des ersten Werts in den Speichermitteln;

    iii) Ändern des Konzentrationsausgleichsventils (42) durch mindestens eine inkrementale Zeiteinstellung auf eine zweite Ventilzeiteinstellung durch das Elektroniksteuermittel (50);

    iv) Bestimmen eines zweiten Werts durch Messen der Konzentrationsausgabe des ersten Komponentengases des mindestens einen Fraktionierbetts mit dem Konzentrationsausgleichsventil (42) bei der zweiten Ventilzeiteinstellung durch die Sensormittel (43);

    v) Speichern des zweiten Werts in den Speichermitteln;

    vi) Vergleichen des zweiten Werts mit dem ersten Wert und – falls er zugenommen hat – Ändern des Konzentrationsausgleichsventils durch eine inkrementale Zeiteinstellung in der gleichen Richtung und – falls er abgenommen hat – Ändern des Konzentrationsausgleichsventils in der entgegengesetzten Richtung, um die Konzentrationsausgabe des ersten Komponentengases durch das Elektroniksteuermittel (50) zu optimieren.
  2. Verfahren zum Fraktionieren von Gasen nach Anspruch 1, wobei der erste und zweite Wert die Ausgabe des ersten Komponentengases des ersten und zweiten Fraktionierbetts (10, 12) zusammen darstellen.
  3. Verfahren zum Fraktionieren von Gasen nach Anspruch 2, wobei das Elektroniksteuermittel (50) ein Mikroprozessor ist, der in den Gaskonzentrator integriert ist.
  4. Verfahren zum Fraktionieren von Gasen nach Anspruch 2, wobei das Verfahren periodisch wiederholt wird.
  5. Verfahren zum Fraktionieren von Gasen nach Anspruch 4, wobei eine Verzögerung zwischen etwa 0,1 und etwa 10 Minuten zwischen der Bestimmung des ersten Werts und des zweiten Werts vorliegt und eine Periode zwischen etwa 0,001 und etwa 2 Sekunden zwischen der Konzentrationsausgleichsventileinstellung vorliegt.
  6. Verfahren zum Fraktionieren von Gasen nach Anspruch 5, wobei die Verzögerung zwischen etwa 1 und 5 Minuten zwischen der Bestimmung des ersten Werts und des zweiten Werts beträgt und die Periode zwischen etwa 0,001 und etwa 1 Sekunden zwischen der Konzentrationsausgleichsventileinstellung beträgt.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Elektroniksteuermittel (50) von dem Gaskonzentrator entfernt ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Elektroniksteuermittel (50) in Telefonkommunikation mit dem Gaskonzentrator steht.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Konzentrationsventileinstellung inkremental geändert wird, um die Zeit der Fluidkommunikation von dem ersten Bett zu dem zweiten Bett zu ändern, während die Zeit der Fluidkommunikation von dem zweiten Bett zu dem ersten Bett die gleiche bleibt.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Inkrement der Zeitänderung der Fluidkommunikation zwischen etwa 1 und 50 Millisekunden beträgt.
  11. Verfahren nach Anspruch 1, wobei sich die inkrementalen Konzentrationsausgleichsventileinstellungen auf die Zeitperiode beziehen, während der Ausgabegas von dem zweiten Bett durch den Konzentrationsausgleichsströmungsweg (40) strömt, relativ zu der zeitlichen Dauer, während der das Ausgabegas von dem ersten Bett durch den Konzentrationsausgleichsströmungsweg (40) strömt.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die inkrementalen Einstellungen die Zeitdauer erhöhen, während der das Gas von dem zweiten Fraktionierbett durch den Konzentrationsausgleichsströmungsweg (40) strömt, während die Zeitdauer, während der das Gas von dem ersten Fraktionierbett durch den Konzentrationsausgleichsströmungsweg (40) strömt, konstantgehalten wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Einstellungen Inkremente in der Zeit von 1 bis 40 Millisekunden darstellen.
  14. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Komponentengas Sauerstoff und das zweite Komponentengas Luft ist.
  15. Gaskonzentratoreinrichtung zum Fraktionieren eines ersten Komponentengases von einem zweiten Komponentengas und Optimieren der Konzentration des ersten Komponentengases durch Rückführkreissteuerung, umfassend:

    a) mindestens zwei Fraktionierbetten (10, 12) in Fluidkommunikation miteinander am Auslaßende der Betten über einen Konzentrationsausgleichsströmungsweg (40), wobei ein Konzentrationsausgleichsventil (42) mit inkrementalen Zeiteinstellungen in dem Konzentrationsausgleichsströmungsweg (40) angeordnet ist,

    b) Elektroniksteuermittel (50), das mit dem Konzentrationsausgleichsventil (42) verbunden ist und Speichermittel und ein Mittel zum Vergleichen von relativen Werten aufweist, und

    c) Meßmittel, die so ausgelegt sind, dass sie die Ausgabe des ersten Komponentengases von mindestens einem der Fraktionierbetten (10, 12) bestimmen, und mit dem Elektroniksteuermittel (50) verbunden sind,

    ausgelegt zum Bestimmen eines ersten Werts durch Messen der Konzentrationsausgabe des ersten Komponentengases des mindestens einen Betts und Speichern des ersten Werts in dem Speicher und

    ausgelegt zum weiteren Ändern des Konzentrationsausgleichsventils um mindestens eine inkrementale Zeiteinstellung und ausgelegt zum Bestimmen eines zweiten Werts durch Messen der Konzentrationsausgabe des ersten Komponentengases des Betts und zum Speichern des zweiten Werts in den Speichermitteln,

    wobei das Elektroniksteuermittel (50) weiterhin so ausgelegt ist, dass es den ersten und zweiten Wert vergleicht und die inkrementale Einstellung des Konzentrationsausgleichsventils (42) entsprechend ändert, um die Konzentrationsausgabe des ersten Komponentengases zu optimieren.
  16. Einrichtung nach Anspruch 15, wobei das Elektroniksteuermittel (50) einen Mikroprozessor in Kommunikation mit einem Elektromagneten umfasst, der auf das Konzentrationsausgleichsventil (42) einwirkt.
  17. Einrichtung nach Anspruch 15, wobei das Meßmittel mindestens einen Sauerstoffkonzentrationssensor (43) und einen Druckwandler (45) umfasst.
  18. Einrichtung nach Anspruch 17, wobei die mindestens zwei Gasfraktionierbetten (10, 12) ein Einlaßende aufweisen, das durch einen Bereich, der Fraktioniermedien enthält, von einem Auslaßende beabstandet ist,

    – wobei die Betten (10, 12) jeweils in einer ersten selektiven Fluidkommunikation mit einer unter Druck stehenden Gasversorgungsquelle (22, 23) und alternativ mit einer Druckreduzierquelle in einer zweiten selektiven Fluidkommunikation am Auslaßende durch den Konzentrationsausgleichsströmungsweg (40) stehen,

    – wobei ein Umschaltventil (21) in der ersten selektiven Fluidkommunikation angeordnet ist und in Betrieb mit dem Elektroniksteuermittel (50) verbunden ist, um einen Verweilzeitbereich zu definieren, während dessen Gas von der Gasversorgungsquelle (22, 23) mit den Fraktioniermedien in Kontakt steht.
Es folgen 4 Blatt Zeichnungen






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