CN111971107A - 用于从空气中分离氧气的***、装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本申请举例说明了用于从空气中分离氧气的***、装置和方法。本***包括分离塔、与分离塔热耦合的加热器、除热装置和气流控制器，分离塔包括填充在塔中的氧气分离化合物，用于对空气中的氧气进行选择性和可逆的结合，在加热时释放选择性结合的氧气。

Description

用于从空气中分离氧气的***、装置和方法
技术领域
本文公开的实施例涉及从空气中分离氧气，具体地说，涉及采用快速循环变温吸附(temperature swing absorption)方式从空气中分离氧气。
背景技术
便携式制氧机是主要采用电动方式工作的便携式设备，其常见的设计原理是将环境空气中的氧气进行浓缩，然后将浓缩的氧气输送给需要氧气疗法的患者，一般是通过相连的鼻插管输送。便携式制氧机通常使用内部的过滤***处理环境空气，过滤***可从环境空气中分离出氧气。
现在的制氧机通常依靠压力变化从空气中分离氧气，因此被称为变压吸附(pressure-swing absorption)***。自21世纪初以来，在例如便携式制氧机等小型或小体量应用场合，变压吸附***已成为从空气中分离氧气的主要设备。
变压吸附***需要笨重且高能耗的压缩机，因此通常难以运输。
发明内容
根据一个方面，本申请描述了一种用于从空气中分离氧气的***。所述***包括分离塔，所述分离塔包括：入口；入口下游的出口；连接入口和出口的塔体；填充在塔体内的氧气分离化合物，所述氧气分离化合物被配置为在接触通过入口接收的空气时对空气中的氧气进行选择性和可逆的结合，在加热时释放选择性结合的氧气；热耦合到分离塔的加热器，用于向分离塔供热，以从氧气分离化合物中释放选择性结合的氧气；用于从氧气分离化合物中除热的除热装置；气流控制器，用于控制空气进入分离塔和从分离塔释放所结合的氧气。
根据一个方面，氧气分离化合物是螯合化合物(chelating compound)。
根据一个方面，氧气分离化合物是氟胺或氟胺的衍生物。
根据一个方面，所述***具有第一状态和第二状态：在第一状态下，氧气选择性地结合到所述氧气分离化合物；在第二状态下，选择性地结合的氧气从所述氧气分离化合物中释放出来。
根据一个方面，当***处于第二状态时，氧气分离化合物的温度处于约40℃至120℃的范围内。
根据一个方面，当***处于第二状态时，氧气分离化合物的温度处于60℃至100℃的范围内。
根据一个方面，当***处于第二状态时，氧气分离化合物的温度处于约80℃至90℃的范围内。
根据一个方面，所述除热装置是冷却模块，其位于所述分离塔附近以从所述分离塔除热。
根据一个方面，冷却模块包括用于从氧气分离化合物除热的液体。
根据一个方面，所述液体是水，乙二醇，二甘醇，丙二醇或其混合物。
根据一个方面，分离塔还包括高表面积结构，所述高表面积结构设在塔体中以将热量从加热器传递到氧气分离化合物。
根据一个方面，高表面积结构包括用于容纳氧气分离化合物的隔间。
根据一个方面，所述***还包括真空泵，用于当氧气分离化合物释放选择性结合的氧气时，就从分离塔中去除所述选择性结合的氧气。
根据一个方面，分离塔的入口是选择性结合的氧气的出口。
根据一个方面，所述***还包括一个以上串行工作的分离塔。
根据一个方面，所述***还包括三个分离塔，所述三个分离塔被配置为连续供氧。
根据一个方面，氧气分离化合物的粒径(particle size，或称粒度)在约50μm至50nm的范围内。
根据一个方面，分离塔可从***中移除。
根据一个方面，所述***还包括至少一个用于监视***状况的传感器。
根据一个方面，所述至少一个传感器是热传感器、颜色传感器、能量传感器、压力传感器、氧气流速传感器以及氧气浓度传感器之一。
根据一个方面，所述***还包括控制器，所述控制器被配置为从一个或多个传感器接收信息并进行控制。
根据一个方面，响应于所接收的信息，所述控制器控制***参数，以使氧气降级速率最小化。
根据一个方面，响应于所接收的信息，所述控制器控制***的循环时间，以在每秒产生更多的氧气。
根据一个方面，响应于所接收的信息，所述控制器通过最小化所述***运行在所述第二状态下的时间来控制所述氧气分离化合物的降级。
根据一个方面，本申请描述了一种用于从空气中分离氧气的装置。所述装置包括：入口；入口下游的出口；连接入口和出口的塔体，所述塔体被配置为在所述塔体内存储氧气分离化合物，所述氧气分离化合物被配置为在与通过所述入口接收到的空气接触时对空气中的氧气进行选择性和可逆的结合，在加热时释放选择性结合的氧气；所述塔体被配置为从加热器接收热量，以释放氧气分离化合物中选择性结合的氧气；塔体被配置为向除热装置供热，以从氧气分离化合物中除热；所述塔体与气流控制器耦合，用于控制空气进入所述塔体并从所述塔体释放所结合的氧气。
根据一个方面，氧气分离化合物是螯合化合物。
根据一个方面，氧气分离化合物是氟胺或氟胺的衍生物。
根据一个方面，所述装置具有第一状态和第二状态：在第一状态下，氧气选择性结合到所述氧气分离化合物；在第二状态下，选择性结合的氧气从所述氧气分离化合物中释放出来。
根据一个方面，当装置处于第二状态时，氧气分离化合物的温度处于约40℃至120℃的范围内。
根据一个方面，当装置处于第二状态时，氧气分离化合物的温度处于60℃至100℃的范围内。
根据一个方面，当装置处于第二状态时，氧气分离化合物的温度处于约80℃至90℃的范围内。
根据一个方面，所述除热装置是冷却模块，所述冷却模块位于所述塔体附近以从所述塔体除热。
根据一个方面，冷却模块包括用于从氧气分离化合物除热的液体。
根据一个方面，所述液体是水，乙二醇，二甘醇，丙二醇或其混合物。
根据一个方面，所述塔体还包括高表面积结构，所述高表面积结构设在所述塔体中以将热量从所述加热器传递到所述氧气分离化合物。
根据一个方面，高表面积结构
根据一个方面，所述塔体连接至真空泵，用于当氧气分离化合物中释放出选择性结合的氧气，就从塔体中排出选择性结合的氧气。
根据一个方面，塔体的入口是选择性结合的氧气的出口。
根据一个方面，氧气分离化合物的粒径处于约50μm至50nm范围内。
根据一个方面，塔体可从氧气分离***移除。
根据一个方面，所述装置还包括至少一个用于监视***状况的传感器。
根据一个方面，所述至少一个传感器是热传感器、颜色传感器、能量传感器、压力传感器、氧气流速传感器以及氧气浓度传感器之一。
根据一个方面，提供了一种从空气中分离氧气的方法。所述方法包括：在用于从空气中分离氧气的装置处接收空气，所述装置包括塔体，塔体被配置为容纳氧气分离化合物，所述氧气分离化合物被配置为对空气中的氧气进行选择性和可逆的结合，在加热时释放选择性结合的氧气。加热器对氧气分离化合物进行加热，以释放选择性结合的氧气；从所述装置中提取选择性结合的氧气。
通过阅读以下对示例性实施例的描述，其他方面和特征对于本领域普通技术人员将是显而易见的。
附图说明
附图用于说明本说明书的物件、方法和装置的各种示例。在附图中：
图1是根据一个实施例的变温氧气装置的气流示意图；
图2是根据另一个实施例的变温氧气装置的气流示意图；
图3是根据另一个实施例的变温氧气装置的气流示意图；
图4所示气流示意图是图1所示气流图的一部分；
图5是根据一个实施例的变温氧气装置的分离塔的气流示意图；
图6是根据另一个实施例的变温氧气装置的气流示意图；
图7是根据另一个实施例的变温氧气装置的气流示意图；
图8是根据另一个实施例的变温氧气装置的气流示意图；
图9是根据另一个实施例的变温氧气装置的气流示意图；
图10是图9装置的内部元件图；
图11是显示氟胺容量的图表，显示为以5℃为步进量的重量损失；
图12是连续监测和调节氧气分离化合物性能的软件的流程图。
具体实施方式
下面将要描述各种装置或方法，以举例说明权利要求所保护的各个实施例。以下描述的实施例对任何要求保护的方案并不构成限制，并且任何要求保护的方案均可涵盖与下面描述不同的方法或装置。要求保护的方案并不强求装置或方法具有下面描述的任何一个装置或方法的所有特征，也不强求具有下面描述的多个或所有装置的共有特征。
图1所示的***1000用于从空气中分离氧气和/或用于产生富含氧气的产物气流(例如主要是氧气)。具体而言，装置1000包括用于从空气中分离氧气的分离塔(separatingcolumn，或称分离柱)。在图1所示的实施例中，装置1000有三个分离塔10、11、12。分离塔10、11、12中的每一个都具有至少两种状态：第一状态下，分离塔从空气中吸收氧气(例如状态1)；第二状态下，分离塔将氧气释放到产物流中(例如状态2)。为了使装置1000连续提供富含氧气的产物气流，需要有两个分离塔，这样，一个分离塔始终处于第二状态并将氧气释放到产物气流中。在图1所示的实施例中，提供了三个分离塔，这样，一个分离塔可以处于第一状态，一个分离塔可以处于第二状态，一个分离塔可以在第一状态和第二状态之间转换。
图1显示了使用三个或更多的气泵1、2、3将空气输送到每个分离塔中。如果分离塔处于吸收氧气的状态1，则引导空气通过三通阀4、5、6进入干燥室7、8、9。例如，在图1中，三通阀4和6显示为处于第一状态，分离塔10和12分别从空气中吸收氧气，三通阀5显示为处于第二状态，分离塔11释放氧气。
由于空气分别通过三通阀4、5、6进入分离塔10、11、12，相应地，当分离塔10、11、12处于第一状态时，空气分别通过干燥室7、8、9除去水分，然后再进入分离塔10、11、12。
离开干燥室7、8、9的干燥空气分别继续前行进入分离塔10、11、12。相应地，分离塔10、11、12各自装满了氧气分离化合物(未显示)，用于从空气中分离出氧气。在一些实施例中，氧气分离化合物是螯合化合物。在另一些实施例中，氧气分离化合物是金属有机络合物。例如，在一些实施例中，氧气分离化合物可以是氟胺(即，双(3-氟水杨醛)乙二亚胺钴)，氟胺的衍生物，N，N'-双(水杨基)亚乙基二氨基钴(II)，(即，席夫碱钴或双(亚水杨基)乙二亚胺钴)，N，N'-二亚乙基胺双(水杨酰亚胺)，N'N'-亚氨基二正丙基双(水杨亚胺基)钴(II)，双(乙酰丙酮)亚乙基二亚氨基钴(II)(即阿卡森钴)以及[(bpbp)Co2lll(02)}2(bdc)](PF6)4中的一种；其中bpbp-＝2，6-双(N，N-双(2-吡啶基甲基)氨基甲基)-4-叔丁基苯酚，以及bdC2-＝1，4-苯二甲酸(即海王晶体)。
氧气分离化合物被配置为选择性地从空气中吸附氧气，同时将空气中存在的所有其他大气气体通过单向阀13、14、15之一排出，单向阀将这些气体排放到周围环境中。一旦分离塔10、11、12中填充的氧气分离化合物附载了预定容量的氧气，分离塔就从第一状态切换到第二状态，从而可以释放氧气。为了从氧气分离化合物中释放氧气，可以关闭三通阀4、5、6，以防止再有额外的空气分别进入分离塔10、11、12，并且可以对分离塔施加热量，以便从氧气分离化合物中分离氧气(下文进一步描述)。
在一些实施例中，在第一状态下从分离塔10、11、12中分离出的氧气可以在第二状态下用真空泵16收集，如图1所示，氧气要么存储到蓄积器17中，要么直接输送到装置的出口。
值得注意的是，当分离塔10、11、12(例如，图1中的分离塔11)处于第二状态时，在分离塔10、11、12中产生的氧气可以穿过干燥室7、8、9；同时，氧气朝着蓄积器17移动，以便进行存储或直接输送到出口。在一些实施例中，分离塔10、11、12中产生的氧气在朝着蓄积器17或出口方向移动时，也可以绕开(不经过)干燥室7、8、9。干燥室7、8、9包括用于干燥空气的干燥剂(未显示)；干燥剂可以是但不限于二氧化硅。
图2示出了另一装置1001的配置，其中，气泵1、2、3现在已被挪到单向阀13、14、15与干燥室7、8、9之间。在这个实施例中，气泵1、2、3可同时在第一和第二状态下运行，以分别管理(或提供)空气或从氧气分离化合物中去除氧气。此外，应当注意，在这个实施例中，不再需要如图1所示的真空泵16。
图3示出了装置1002的另一个实施例，其中，已经从装置上去掉了气泵1、2、3，通过单个供应泵100将空气供应到三通阀4、5、6。在这个实施例中，可以按照前述参照图1描述的相同方式将氧气从空气中分离出来。同样，空气中的氧气可以选择性地与分离塔10、11、12中的氧气分离化合物结合，可以在加热时可控地从分离塔10、11、12释放出去(如下所述)。从分离塔10、11、12释放的氧气然后可以由提取泵200收集，提取泵200将氧气通过可选的过滤装置99导入蓄积器17，或者直接传导给使用者。在一些实施例中，可以在蓄积器17之前添加过滤装置99，以去除可能从分离塔10、11、12中排出的任何挥发性化合物。
本领域技术人员能够理解，填充到分离塔10、11、12中的氧气分离化合物可以从空气中吸附和释放氧气，但其使用寿命有限。所述有限的使用寿命取决于氧气分离化合物不可逆氧化的速度，或者说是氧气分离化合物不可逆氧化速度的函数。例如，氧气分离化合物不可逆地氧化的速度会改变氧气分离化合物的电结构，致使其不能从空气中分离氧气(即不能隔离双原子氧气)。
因此，本文描述的氧气分离装置的分离塔可从装置中移除，并替换为另一分离塔。在一些实施例中，可以设计每个分离塔的包装方式，使氧气分离装置的使用者可以从氧气分离装置中移除含有各分离塔10、11、12的盒体，然后***新的替换盒体，例如，当氧气分离装置提醒他们这样做或者他们希望这样做的时候。其他组件，包括加热/冷却元件、阀门、空气过滤器和气泵(如下所述)也可以包含在可替换的盒体中。
现在转到图4，其中示出了图1氧气分离装置1000中一部分的两个流程图，每个图都描述了当分离塔处于不同状态时两种不同配置中的一种，即第一状态(例如状态1)和第二状态(例如状态2)。当分离塔想要吸收氧气时，我们说它处于第一状态，此时阀4将入口泵1连接到干燥剂塔7。在这种状态下，干燥空气中的氧气选择性地与分离塔10中的氧气分离化合物(例如，氟胺)结合，而空气中的其他气体通过单向阀13排出。
当分离塔处于第一状态时阀4将入口泵1连接到干燥剂塔7(如图1所示)，当分离塔处于第二状态(例如状态2)时，阀4现在将干燥剂塔7连接至真空泵16。当塔组件从第二状态转换回第一状态时，此过程反向进行。
分离塔
本文公开的氧气分离装置通常在空气流经填充有氧气分离化合物(例如，氟胺)的塔时通过对空气流中的氧气进行化学吸附的方式来产生富含氧气(即主要为氧气)的产物流。
现在转向图5，其中示出了分离塔10、11、12的一个示例。在图5所示的分离塔10、11、12的实施例中，空气通过入口歧管19引入，在所述歧管中膨胀，然后通过入口分流器20喷出。分流器20将空气流散布在塔体18的整个横截面上，以使塔体18内填充的所有氧气分离化合物都能吸附空气中的氧气(应注意，周围空气中的氧气浓度约为21％)。与空气的其他成分(例如氮气，氩气，二氧化碳等)相比，存储在塔体18中的氧气分离化合物通常对氧气具有更高的亲和力及选择性。因此，这些其他气体通常流经出口分流器24，进入出口歧管25和单向阀13。
入口歧管19和出口歧管25可包括填充材料，例如但不限于玻璃棉，以保留住穿行入口分流器20或出口分流器24的任何氧气分离化合物。塔体18内也可以装入一些填充材料(例如，片状或疏松的材料)，装在紧靠入口分流器20或出口分流器24之一或二者的最内侧。
分离塔捕获的氧气可以通过加热氧气分离化合物而从塔体18内的氧气分离化合物中释放出来。例如，加热器21可以加热氧气分离化合物。在一些实施例中，加热器21是轻量级的加热器。在其他实施例中，加热器21能够以每秒约1℃至每秒约500℃范围内、或者每秒约20℃至约300℃范围内、或者每秒约50℃至每秒约200℃范围内、或者每秒约100℃至每秒约500℃范围内的速度升高温度。例如，加热器21可以是购自希顿(Heatron)公司(利文沃斯堡，堪萨斯州)的厚膜氮化铝加热器。加热器21可以用绝热材料71绝缘，以便保留由加热器21产生的热量并将其引导至塔体23。
加热器21位于塔体18附近。在一些实施例中，电流通过加热器21传导，对加热器21进行加热。加热器21可位于塔体18附近，使得加热器21产生的热量能够热传递给塔体18以及其中的氧气分离化合物。在一些实施例中，加热器21可以被配置为围绕塔体18。在其他实施例中，加热器21可以至少部分地***塔体18中，以将热量传递给其中的氧气分离化合物。
在一些实施例中，塔体18可以经由高表面积结构70将热量快速且均匀地分散给其中的氧气分离化合物。高表面积结构70在塔的入口和出口之间延伸穿过整个塔体18，使得高表面积结构70的至少一部分从加热器21(例如，直接或间接地)接收热量。高表面积结构70可以与塔体18部分地接触。在一些实施例中，高表面积结构70可以由导热材料制成，并将加热器21接收的热量传递给其中所包含的氧气分离化合物。在一些实施例中，高表面积结构70可包括多个容纳氧气分离化合物的隔间。高表面积结构70可以比氧气分离化合物本身更有效地导热。当氧气分离化合物填充在高表面积结构70的隔间中时，高表面积结构70增大氧气分离化合物的表面积，使其暴露于加热器21的热量。因此，高表面积结构70可以将热量均匀地分布在整个塔体18中。在其他实施例中，当加热器21位于塔体18的一侧时，高表面积结构70可使从加热器21延伸穿过塔体18的热梯度变化率最小，或当加热器位于塔体18中时，使从加热器21穿过塔体18延伸到塔体18壁的热梯度变化率最小。应当注意，加热器21和塔体18可以具有热传感器，以分别测量加热器21和塔体18的温度。此外，塔体18可以包括光电传感器，以显示氧气分离化合物的颜色变化，从而确定在氧气分离化合物上所载氧气的度或量。
在一些实施例中，加热器21将塔体18、高表面积结构70和/或氧气分离化合物加热至约40℃至120℃的温度范围内，或加热至约60℃至100℃的温度范围内，或加热至约80℃至90℃的温度范围内，以便释放与氧气分离化合物选择性结合的氧气。
在一些实施例中，可以基于上述装置要产生的氧气的速率和/或数量来选择塔体18、高表面积结构70和/或氧气分离化合物的温度。
当从第二状态转变为第一状态时，应将热量从塔体18及其内容物(即高表面积结构70和氧气分离化合物)中迅速消散。使用热泵22将热能传递到除热装置(例如，冷却模块23)中可以有利于达成这一点。然后，液体冷却模块23的流动液体可以吸收热能，并将其消散到上述装置的其他位置。液体在获得热量之后，通过冷却模块入口26进入冷却模块23，然后通过冷却模块出口27离开冷却模块23。液体可以是但不限于水，乙二醇，二甘醇，丙二醇，它们的混合物，等。
热泵22工作时使得其可以达到峰值效率并且将最大的电能转换成热能梯度。例如，其出现可以取决于当前存在的热梯度和供应给热泵22的电能量。当塔处于第二状态时，热泵22可以与加热器21一起运作。这可以提高塔体18内氧气分离化合物的加热速率，并用于减少总的加热时间。这可以从流经冷却模块23的液体中除热。
现转到图6，根据另一个实施例，提供了一种氧气分离装置1110。在所述实施例中，加热器29可以向塔体30供热。填充在塔体30中的氧气分离化合物对加热器29的加热起反应，释放其吸附的氧气。热泵33、37、41放置在任意数量的塔体30、34、38之间，并且用于将热量从一个塔体30、34、38沿着远离加热器29的方向移动到相邻的塔体。每个塔体30、34、38都使用热能量进行加热，所述热能量要么使用热泵传递，要么直接从加热器传递，此时，存储在塔体30内的氧气分离化合物通过相应的各个塔入口/出口31、35、39释放氧气。
在一些实施例中，液体冷却模块42具有冷却液体入口43和冷却液体出口44，放置在与最终的热泵41接触的地方，以散发来自***的热量。
每个塔体30、34、38中的氧气分离化合物能够通过使空气流经塔体入口/出口31、35、39的方式来重新吸附氧气。现在，已除去氧气的空气通过单向阀32、36、40排出，这样，空气单向流出塔体30、34、38。
在这个实施例中，当加热器29所提供的热能以脉冲的形式穿过每个塔体30、34、38时，可以连续或半连续地提供氧气。如图5所示，当所有塔体入口/出口31、35、39连接在一起时，存储在其中的氧气将依次从每个塔中释放出来，形成几乎连续或完全连续的气流。
现转到图7，其中示出了根据另一个实施例的氧气分离装置1200。在这个实施例中，氧气分离装置1200旨在减少能量损耗(相比装置1000和1100而言)，并且不需要借助冷却模块42进行液体冷却，而这在先前附图所示的实施例中是必需的。在这个实施例中，可以将任意数量的塔体放置在一起，使得第一个塔体和最后一个塔体也彼此相邻。塔体51、52、53、54、55、56与分别位于两个塔体之间的热泵57、58、59、60、61、62热接触。在这种配置下，热泵57、58、59、60、61、62可以同时加热一个塔，而冷却位于热泵57、58、59、60、61、62相对侧的另外一个塔。
可以将加热器69放置到与第一塔体54存在热接触的位置，从而启动循环并迫使塔体54进入状态2。然后，在短时间后打开相邻的热泵59，从第一塔体54中去除大量的热，其结果就是进行冷却。热量被泵输入第二塔体53，经过加热后，第二塔体53进入状态2并从氧气分离化合物中释放出氧气。应当指出的是，加热器69只是可选的，这不是启动加热过程所必须的，因为任何热泵57、8、59、60、61、62都可能自行提供这一功效。
本实施例的气流控制方式与图5所示实施例完全相同。空气通过塔的入口/出口45、46、47、48、49、50进入每个塔。从空气中抽离氧气后，所得的气体穿过各塔体51、52、53、54、55、56通过任何一个单向阀63、64、65、66、67、68后，流回周围环境中。一旦进入状态2，存储的氧气便从塔中释放出来，然后氧气流经塔的入口/出口45、46、47、48、49、50，无论其是否存储在蓄积器17中，都将被泵送至使用者。
在这个实施例中还假设发生了空气干燥，这一过程的发生与实施例1相同，但为简单起见，在图7中未显示出干燥室7、8、9。可以说，空气在流入任何一个塔的入口/出口45、46、47、48、49、50之前都是干燥的。
现转到图8，在这个实施例中，分别使用热的液体供应78和冷的液体供应80来加热和冷却任何数量的分离塔72、74、76。热液体供应装置78具有加热液体(例如水)并将其通过出口79泵送的手段。加热后的液体可以自由地行进至任何塔的入口三通阀82、84、86。
应注意，图5实施例中所示的高表面积结构70也在本实施例中，但是所述结构是中空的，以供液体从中流过。所述结构位于分离塔72、74、76的内部，类似于之前的描述，但不同之处在于，现在所述结构也可连接到每个分离塔72、74、76的入口三通阀82、84、86和出口三通阀88、90、92。
因此，作为示例，为了将分离塔72转换到状态2，来自热液体供应出口79的热液体可以流经入口三通阀82，通过实施例1的中空高表面积结构70横行分离塔72，通过出口三通阀88，返回到热液供应入口81。类似地，在使所述分离塔返回到状态1的过程中，冷液体可以从冷液体出口83流出，通过入口三通阀82，所述入口三通阀82现在已经改变了配置以将冷液体供应80连接到分离塔72，通过实施例1的中空高表面积结构70穿过分离塔72，通过出口三通阀88，出口三通阀88现在已经改变了配置，以将分离塔72连接到冷液体供应入口85，回到冷液体供应入口85。任何数量的附加分离塔72、74、76都可以采用与此类似的加热机制。
最后，应注意，指示空气和氧气流入和流出分离塔的所有其他组件也存在于本实施例中，但是为简单起见，它们在图8中未显示出来。这特别是指干燥剂塔7、8、9和三通阀4、5、6。在本实施例中，空气在状态1下穿过分离塔72、74、76后清除了氧气，它必须通过一个单向阀94、96、98退出分离塔，所述单向阀使得去氧的空气回归周围环境。在加热时从每个塔中分别收集氧气，然后可以将其存储在蓄积器17中或直接输送给使用者。
如图9所示，在这个实施例中，分离塔102、104、106堆叠放置以改善热传递并优化循环时间(例如，第一状态和第二状态之间的转换)。这种设计方案类似于图7所示的实施例，但不同之处在于，氧气分离化合物的薄层108、110、112、114、116、118与相似薄度的热泵120、122、124、126、128直接发生热接触。基础塔单元102、104、106可以堆叠放置或以任何数量投入使用，以满足所需的氧气流和能量要求。氧气分离化合物108、110、112、114、116、118的薄层能够实现快速直接的热传递，对于优化循环时间和以最少量需求来提供尽量多的氧气而言，这是至关重要的。
氧气分离化合物108、110、112、114、116、118可以与热泵120、122、124、126、128热接触。热泵120、122、124、126、128用于对一侧的塔进行加热，并对相反一侧的塔进行冷却。热侧和冷侧定期互换。热泵的每一侧均密封，且与另一侧相隔离。每个塔与任何其他塔进行状态同步，每个塔各自的入口歧管130、132、134可并联连接。101、103代表堆叠的每一端的最后一层，根据堆叠的大小或数量，它可以是最后一层氧气分离化合物或者散热装置(heatsink)。
采用氧气分离化合物的压缩薄层，空气流动就受到了限制。图10显示了如何将空气通道进行模板化成多个部分，以实现在状态1期间有效吸入氧气和在状态2期间有效释放氧气。通道的数量和每个通道相应的大小取决于压缩的氧气分离化合物的几何形状，并且会改变状态1和状态2的总循环时间。在状态1下，经常有空气通过入口歧管136进来。然后，空气可以穿过填充材料138和分流器140。这样，空气流可以穿过氧气分离化合物中的空气通道148、150、152流通。氧气分离化合物吸附氧气，而残余的空气流经填充材料142和分流器144，通过出口歧管146上的阀门排出。在状态2下，氧气分离化合物释放氧气，从空气通道148、150、152流入进气歧管136和三通阀，导向使用者。
在这个实施例中也会发生空气干燥。这一过程以与实施例1相同的方式发生，但为简单起见，在图9中未画出干燥室。可以说，空气在流入任何塔入口/出口之前都是干燥的。
氧气分离化合物处理
在一些实施例中，可以对塔体18内的分离塔10、11、12中填充的氧气分离化合物(例如，氟胺)进行处理，使其在较低的温度下释放氧气。例如，减小氧气分离化合物晶体的个体粒径(particle size，或称粒度)可使得氧气分离化合物在较低温度下释放氧气。可用于减小氧气分离化合物粒径的处理示例包括但不限于：从压缩抗溶剂中沉淀、低温研磨、任何其他的快速膨胀喷雾技术、溶胶凝胶合成方法等。这些处理通常发生在化合物进行初始合成之后。
一旦氧气分离化合物经过处理使得其在较低温度下释放氧气，则第一状态和第二状态之间的温差也可以减小。对于便携式制氧机而言，这可以省电和延长电池寿命。例如，散布在高表面积结构70内的氧气分离化合物的温度一旦达到约40℃至约80℃范围内的一个温度，就可以实现第二状态。当氧气分离化合物冷却至约10℃至约60℃范围内的一个温度时，则实现第一状态。
因为在第二状态下用于释放氧气的温度降低了，所以这使得氧气分离化合物不可逆氧化的速率变慢了。化合物的氧化减慢，则意味着化合物的使用寿命可以延长，氧气分离化合物在必须更换之前可以经历更多次的状态循环。
除了化合物的寿命增加外，减小氧气分离化合物的粒径还使得氧气分离化合物对空气中氧气的选择性结合能力/容量提高。图11表明，随着氟胺颗粒尺寸(粒径)的减小，氧气分离化合物可吸附氧气的总量显著增加。
氧气分离化合物可以在水中、含有母液的水中、含有哌啶、乙醇、异丙醇或任何其他短链醇分子的水中进行洗涤，以便从晶体中提取水和/或哌啶分子，并将其活化。也可以从化合物中提取其他分子，以活化用于接纳氧气的材料。
软件控制
该装置的基本逻辑操作是简单的状态机，其反映(或模拟)吸附剂的状态：吸附和解吸(desorption，或者说排放)。尽管吸附和解吸是活性材料状态，但是也可以出现中间状态，以便在两种状态之间转换。这些状态是由压力、温度、颜色和氧气浓度的组合所触发的。下面举例列出这些状态和采取的重要动作：
Figure BDA0002700291100000141
如图12所示，状态机控制每个塔的状态并管理控制器，以使氧气***适当地循环，如下所述。
可以使用一组控制器(超前滞后，PID，***等)来控制热量和气流。氧气的释放相对于能量输入是非线性的。循环时间和流速的约束条件要求使用模型预测控制(MPC)来优化操作。
随着时间的流逝，吸附性氧气分离化合物的容量(或者说能力)不断降级。考虑到这种降级，可使用随时间变化的MPC，确保可以在预定的时间范围内略微维持氧气的产生。这是通过两种方法控制的。首先，减少循环时间，每秒产生更多的氧气；其次，增加温度波动幅度，以便使用更大比例的总氧气容量。在这两种情况下，尽管材料的容量降低了，但氧气流速仍保持稳定。最后，控制器通过减少塔从解吸状态(状态2)转变为吸附状态(状态1)时的氧气量，使氧气分离化合物的容量降级速率最小化。在温度升高状态下花费的时间也最小化了。
虽然在使用所述装置时不能直接测量所述吸附材料的氧气容量和降级速率，但是可以根据流量、氧气纯度和压力传感器进行估算。在循环使用所述吸附材料的同时对这些参数进行卡尔曼滤波，如此就可以在任何时间点准确估算所述吸附剂的总容量和降级速率。图12中的虚线区域演示了如何将此功能集成到标称的软件流程中。
软件逐步跟踪装置的异常操作。当与模型参数出现明显差异时，发出警报，指示需要维护。例如，如果吸附剂的降级速率超过预期量，则向使用者显示更新维护状态。如果一个分离塔在任何时间点出现故障，则装置的其余操作元件可以弥补所述故障组件导致的性能下降。附加的安全功能可以包括以下警报：氧气浓度低、流速低、异常机械振动、电池电压/电流低、过滤器状态。
尽管以上描述对一个或多个装置、方法或***进行了举例说明，但可以理解的是，其它装置、方法或***也处于本领域普通技术人员解释的权利要求保护范围内。

Claims (43)

1.一种用于从空气中分离氧气的***，所述***包括：
分离塔，包括：
入口；
入口下游的出口；
连接入口和出口的塔体；
填充在塔体内的氧气分离化合物，所述氧气分离化合物被配置为在接触通过入口接收的空气时对空气中的氧气进行选择性和可逆的结合，在加热时释放选择性结合的氧气；
热耦合到分离塔的加热器，用于向分离塔供热，以从氧气分离化合物中释放选择性结合的氧气；
除热装置，用于从氧气分离化合物中除热；
气流控制器，用于控制空气进入分离塔和从分离塔中释放所结合的氧气。
2.根据权利要求1所述的***，其中，所述氧气分离化合物是螯合化合物。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的***，其中，所述氧气分离化合物是氟胺或氟胺的衍生物。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的***，其中，所述***具有第一状态和第二状态：在第一状态下，氧气选择性地结合到所述氧气分离化合物；在第二状态下，选择性地结合的氧气从所述氧气分离化合物中释放出来。
5.根据权利要求4所述的***，其中，当所述***处于第二状态时，所述氧气分离化合物的温度处于约40℃至120℃的范围内。
6.根据权利要求4所述的***，其中，当所述***处于第二状态时，所述氧气分离化合物的温度处于约60℃至100℃的范围内。
7.根据权利要求4所述的***，其中，当所述***处于第二状态时，所述氧气分离化合物的温度处于约80℃至90℃的范围内。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的***，其中，所述除热装置是冷却模块，所述冷却模块位于所述分离塔附近，以从所述分离塔除热。
9.根据权利要求8所述的***，其中，所述冷却模块包括用于从所述氧气分离化合物除热的液体。
10.根据权利要求9所述的***，其中，所述液体是水，乙二醇，二甘醇，丙二醇或其混合物。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的***，其中，所述分离塔还包括高表面积结构，所述高表面积结构设置在塔体中，以将热量从所述加热器传递至所述氧气分离化合物。
12.根据权利要求11所述的***，其中，所述高表面积结构包括用于存储所述氧气分离化合物的隔间。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的***，还包括真空泵，所述真空泵用于当所述氧气分离化合物中释放出选择性结合的氧气时，就从所述分离塔中排出选择性结合的氧气。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的***，其中，所述分离塔的入口是选择性结合的氧气的出口。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的***，包括一个以上并行运作的分离塔。
16.根据权利要求1至14中任一项所述的***，包括三个分离塔，所述三个分离塔被配置为提供连续的供氧。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的***，其中，所述氧气分离化合物的粒径在约50μm至50nm的范围内。
18.根据权利要求1至17中任一项所述的***，其中，所述分离塔可从所述***中移除。
19.根据权利要求1至18中任一项所述的***，其中，所述***还包括至少一个用于监视***状况的传感器。
20.根据权利要求19所述的***，其中，所述至少一个传感器是热传感器、颜色传感器、能量传感器、压力传感器、氧气流速传感器以及氧气浓度传感器之一。
21.根据权利要求20所述的***，其中，还包括控制器，所述控制器被配置为从所述至少一个传感器接收信息并进行控制。
22.根据权利要求21所述的***，其中，响应于所接收的信息，所述控制器控制***参数，以使氧气降级速率最小化。
23.根据权利要求21所述的***，其中，响应于所接收的信息，所述控制器控制所述***的循环时间，以在每秒产生更多的氧气。
24.根据权利要求21所述的***，其中，响应于所接收的信息，所述控制器通过最小化所述***运行在所述第二状态下所花费的时间，以控制所述氧气分离化合物的降级。
25.一种用于从空气中分离氧气的装置，所述装置包括：
入口；
入口下游的出口；
连接入口和出口的塔体，所述塔体被配置为在所述塔体内存储氧气分离化合物，所述氧气分离化合物被配置为在与通过所述入口接收到的空气接触时对空气中的氧气进行选择性和可逆的结合，在加热时释放选择性结合的氧气；所述塔体被配置为从加热器接收热量，以释放氧气分离化合物中选择性结合的氧气；所述塔体被配置为向除热装置供热，以从氧气分离化合物中除热；所述塔体与气流控制器耦合，用于控制空气进入所述塔体并从所述塔体释放所结合的氧气。
26.根据权利要求25所述的装置，其中，所述氧气分离化合物是螯合化合物。
27.根据权利要求25或26所述的装置，其中，所述氧气分离化合物是氟胺或氟胺的衍生物。
28.根据权利要求25至27中任一项所述的装置，其中，所述装置具有第一状态和第二状态：在第一状态下，氧气选择性结合到所述氧气分离化合物；在第二状态下，选择性结合的氧气从所述氧气分离化合物中释放出来。
29.根据权利要求28所述的装置，其中，当所述装置处于第二状态时，所述氧气分离化合物的温度处于约40℃至120℃的范围内。
30.根据权利要求28所述的装置，其中，当所述装置处于第二状态时，所述氧气分离化合物的温度处于约60℃至100℃的范围内。
31.根据权利要求28所述的装置，其中，当所述装置处于第二状态时，所述氧气分离化合物的温度处于约80℃至90℃的范围内。
32.根据权利要求25至31中的任一项所述的装置，其中，所述除热装置是冷却模块，所述冷却模块位于所述塔体附近以从所述塔体除热。
33.根据权利要求32所述的装置，其中，所述冷却模块包括用于从所述氧气分离化合物中除热的液体。
34.根据权利要求33所述的装置，其中，所述液体是水，乙二醇，二甘醇，丙二醇或其混合物。
35.根据权利要求1至34中任一项所述的装置，其中，所述塔体还包括高表面积结构，所述高表面积结构设置在所述塔体中以将热量从所述加热器传递至所述氧气分离化合物。
36.根据权利要求35所述的装置，其中，所述高表面积结构包括用于容纳所述氧气分离化合物的隔间。
37.根据权利要求1至36中任一项所述的装置，其中，所述塔体连接至真空泵，所述真空泵用于当所述氧气分离化合物释放选择性结合的氧气时，就从所述塔体去除选择性结合的氧气。
38.根据权利要求1至37中任一项所述的装置，其中，所述塔体的入口是选择性结合氧气的出口。
39.根据权利要求25至38中任一项所述的装置，其中，所述氧气分离化合物的粒径在约50μm至50nm的范围内。
40.根据权利要求25至39中任一项所述的装置，其中，所述塔体可从氧气分离***中移除。
41.根据权利要求25至40中任一项所述的装置，其中，所述装置还包括至少一个用于监视***状况的传感器。
42.根据权利要求41所述的装置，其中，所述至少一个传感器是热传感器、颜色传感器、能量传感器、压力传感器、氧气流速传感器以及氧气浓度传感器之一。
43.一种用于从空气中分离氧气的方法，所述方法包括：
在用于从空气中分离氧气的装置处接收空气，所述装置包括塔体，所述塔体被配置为容纳氧气分离化合物，所述氧气分离化合物被配置为对空气中的氧气进行选择性和可逆的结合，在加热时释放选择性结合的氧气；
对氧气分离化合物进行加热，以释放选择性结合的氧气；
从所述装置中提取选择性结合的氧气。
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