Устройство для сепарации кислорода для адсорбционной системы с реверсированием давления

Устройство для сепарации кислорода для адсорбционной системы с реверсированием давления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к области сепарации кислорода. Более конкретно, настоящее изобретение относится к области сепарации кислорода посредством адсорбции с реверсированием давления. Более подробно, изобретение относится к устройству для сепарации кислорода для адсорбционной системы с реверсированием давления, к генератору кислорода, содержащему такое устройство для сепарации кислорода, и к способу создания устройства для сепарации кислорода для адсорбционной системы с реверсированием давления.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Генерация кислорода или, соответственно, сепарация кислорода играет важную роль в различных практических областях, охватывая, например, генерацию кислорода высокой чистоты и реакции частичного окисления углеводородов в реакторах. Кроме того, производство кислорода высокой чистоты представляет также особый интерес для небольших бесшумных генераторов кислорода для медицинских приложений, таких как лечение в домашних условиях.

Например, кислородная терапия представляет собой назначение кислорода как средства лечения. Кислородная терапия приносит пациенту пользу посредством увеличения доставки кислорода к легким и тем самым увеличивает наличие кислорода в тканях тела. В основном, использование кислородной терапии для лечения в домашних условиях показано для пациентов с тяжелым хроническим обструктивным легочным заболеванием (COPD), заболеванием, которым, например, в США страдают более чем 13 миллионов пациентов.

Известны коммерческие решения для повседневного производства кислорода, так называемые "кислородные концентраторы". Например, компания "Philips Respironics" предлагает семейство продуктов - кислородных концентраторов для пациентов, которым необходима кислородная терапия на дому ("EverFlo") и во время движения ("EverGo"). Такие системы могут быть основаны на процессе адсорбции с реверсированием давления.

Кроме того, такой процесс адсорбции с реверсированием давления известен, например, из публикации US 6551384 В1. Этот документ раскрывает способ адсорбции с реверсированием давления, использующий двухситечное устройство. Такой способ включает в себя следующие этапы: одновременную подачу и повышение давления продукта; адсорбцию; выравнивание; вывод и очистку; одновременное выравнивание и подачу.

Тем не менее, все еще остается потребность в улучшениях, особенно в том, что касается повседневного производства кислорода.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Целью настоящего изобретения является обеспечить устройство для сепарации кислорода для адсорбционной системы с реверсированием давления, которое обеспечивает по меньшей мере одно из улучшения технического обслуживания, более длительного срока службы и пониженного потребления энергии.

Эта цель достигнута устройством для сепарации кислорода в соответствии с пунктом 1 формулы изобретения и сепаратором кислорода в соответствии с пунктом 11. Далее, эта цель достигнута посредством способа создания устройства для сепарации кислорода для адсорбционной системы с реверсированием давления в соответствии с пунктом 13. Предпочтительные варианты исполнения могут быть получены из зависимых пунктов формулы изобретения.

Устройство для сепарации кислорода для адсорбционной системы с реверсированием давления содержит впуск для газа на первичной стороне для направления тока кислородосодержащего газа в устройство для сепарации кислорода и выпуск для газа на вторичной стороне для направления тока обогащенного кислородом газа из устройства для сепарации кислорода, мембрану для сепарации кислорода, содержащую сорбент для сепарации кислорода, способный производить сепарацию кислорода из кислородосодержащего газа посредством сорбирования по меньшей мере одного компонента кислородосодержащего газа, кроме кислорода, и опорную структуру для удержания мембраны для сепарации кислорода, при этом опорная структура содержит множество опорных стоек, являющихся прикрепленными к мембране для сепарации кислорода.

Термин "устройство для сепарации кислорода" может относиться, в частности, к активной части сепаратора кислорода. Оно может содержать, например, сорбент для сепарации кислорода, который может взаимодействовать с кислородосодержащим газом или с определенными составляющими последнего и, таким образом, может отделять кислород от кислородосодержащего газа посредством взаимодействия с по меньшей мере одним из составляющих кислородосодержащего газа, кроме кислорода. Следовательно, как таковое устройство для сепарации кислорода или, соответственно, его сорбент для сепарации кислорода в состоянии отделять кислород от кислородосодержащего газа, в частности, посредством процессов сорбции, таких как процессы адсорбции. В качестве примера, оно может быть выполнено в виде компактного устройства, установленного или содержащегося в корпусе.

Выражение "адсорбционная система с реверсированием давления" может, в частности, относиться к системе сепарации кислорода, которая производит чистый или по существу чистый кислород посредством, соответственно, процессов сорбции или процессов адсорбции. При использовании такой системы по меньшей мере один компонент кислородосодержащего газа сорбируется в сорбент, в то время как кислород не связывается или в меньшей степени связывается с сорбирующим материалом и таким образом может быть отделен от сорбированных компонентов. Для того чтобы удалить сорбированное вещество или вещества, сорбирующий материал обеспечивается током газа в обратном направлении, в частности, реверсированием режима давления с одной и с другой стороны относительно сорбента и, таким образом, посредством реверсирования давления.

Термин "сепаратор кислорода" в том смысле, как он здесь используется, может относиться, в частности, к устройству, которое способно сепарировать кислород из кислородосодержащего газа. Следовательно, посредством сепаратора кислорода, начиная от кислородосодержащего газа, может быть получен чистый или почти чистый кислород или по меньшей мере обогащенный кислородом газ.

Далее, в том смысле, как он здесь используется, термин "первичная сторона" устройства для сепарации кислорода может относиться к стороне или к части устройства для сепарации кислорода, направленной в том направлении, с которого кислородосодержащий газ направляется в устройство для сепарации кислорода, в то время как термин "вторичная сторона" устройства для сепарации кислорода в том смысле, как он здесь используется, может относиться к стороне или к части устройства для сепарации кислорода, направленной в направлении противоположной стороны, то есть в ту сторону, в которой находится полученный чистый кислород или обогащенный кислородом газ.

Дополнительно, термин "кислородосодержащий газ" в том смысле, как он здесь используется, может относиться к любому газу, который по меньшей мере частично содержит газообразный кислород или который состоит из кислорода. Тем самым термин "обогащенный кислородом газ" будет конкретно означать газ, который имеет более высокую концентрацию в отношении кислорода по сравнению с кислородосодержащим газом и который в крайнем случае может быть чистым кислородом.

Кроме того, "мембрана для сепарации кислорода" в контексте настоящего изобретения может пониматься как слой, в частности как плоский слой, например, в виде тонкой пленочной структуры, содержащий сорбент для сепарации кислорода, и, таким образом, являющийся основным ответственным за достижение эффекта сепарации кислорода посредством, соответственно, процессов сорбции или адсорбции.

Далее, термин "опорная стойка" относится к структуре, удерживающей мембрану для сепарации кислорода, но являющейся пространственно ограниченной и, таким образом, имеющей меньший размер по сравнению с мембраной для сепарации кислорода. Вследствие того факта, что имеется множество, то есть две или более чем две, опорные стойки, соответственно, между этими опорными стойками обеспечен путь тока для кислородосодержащего газа или для обогащенного кислородом газа. Дополнительно, может быть предпочтительно, чтобы опорные стойки не имели касания одна с другой.

Устройство для сепарации кислорода, подобное описанному выше, может, в частности, обеспечивать повышенные характеристики по техническому обслуживанию, меньшее потребление энергии, повышенный срок службы, а также повышенные характеристики по переносу массы и передаче тепла в процессе сепарации кислорода посредством адсорбционной системы с реверсированием давления.

Более подробно, вследствие того факта, что активная часть, являющаяся ответственной за сепарацию кислорода, образована мембраной и, таким образом, выполнена в форме чрезвычайно тонкого слоя, потенциальные недостатки известных в уровне техники конфигураций, в частности, такие как недостатки ситечных слоев, содержащих адсорбирующие гранулы, подобные известным недостаткам адсорбционных систем с реверсированием давления, могут быть исключены.

Например, при использовании мембранной конструкции для сепарации кислорода, подобной описанной выше, могут быть получены значительные преимущества в том, что касается характеристик по теплопередаче и переносу массы. Это обусловлено тем фактом, что для адсорбционных систем с реверсированием давления традиционно применяемые сорбенты используются в форме гранул или экструдатов, упорядоченных в большие адсорбирующие слои. Скорость переноса массы в кристаллах определяется диффузионным пробегом. Однако в адсорбционных процессах с реверсированием давления может иметь место взаимный обмен между ограничениями по передаче тепла и переносу массы. В случае, когда используемые гранулы имеют увеличивающийся диаметр, перепад давления может быть уменьшен, но при этом могут иметь место нарушенные ограничения по передаче тепла и переносу массы. Следовательно, размер гранул в ситечных слоях традиционно использовался в зависимости от использованных процессов и условий. Гранулы меньшего размера демонстрируют увеличенный перенос массы, но имеют тот недостаток, что эти гранулы характеризуются истиранием на стенках, соответственно, контейнера или корпуса, что может приводить к выходу из гранул пылевых частиц. Это истирание может привести к уменьшенному сроку службы соответствующих сит. Получающиеся в результате истирания небольшие частицы, кроме того, могут заблокировать фильтры, установленные, соответственно, во впуске для газа и в выпуске для газа, что может значительно уменьшить характеристики системы или даже ограничить работу системы. Кроме того, получающиеся в результате истирания небольшие частицы могут сильно влиять на распределение давления в обычном ситечном слое.

В результате, посредством использования мембранной структуры, например, в виде тонкой пленки могут быть исключены недостатки ситечных слоев, содержащих адсорбенты в виде гранул, то есть увеличенные ограничения по переносу массы и передаче тепла при больших гранулах и повышенное истирание о стенки контейнера при малых гранулах.

Использованием мембраны, такой как тонкая пленка, в качестве активной части сепарации кислорода обеспечивается возможность получать небольшие частицы с большой площадью поверхности, что приводит к повышенному переносу массы общим количеством гранул. Поэтому может быть обусловлена высокая сепарационная способность кислорода. Тем самым частицы или, соответственно, сорбент фиксируются или слипаются в определенном слое, самом по себе чрезвычайно стабильном, на опорной структуре и, таким образом, не перемещаются по меньшей мере в нормальных рабочих условиях, следовательно, в мембране никакого истирания не происходит, так что истирание может быть предотвращено или по меньшей мере значительно уменьшено. Следовательно, вслед за улучшенными ограничениями по переносу массы может быть предотвращено образование пыли или чрезвычайно мелких частиц, приводя к значительному повышению характеристик сепарации кислорода и, соответственно, к значительному сокращению повреждающего режима устройства для сепарации кислорода. Следовательно, срок службы, а также характеристики по техническому обслуживанию такого устройства для сепарации кислорода, как описанное выше, могут быть значительно повышены.

Помимо этого, а также вследствие того факта, что опорная структура содержит множество опорных стоек, являющихся прикрепленными к мембране для сепарации кислорода либо непосредственно, либо опосредованно, через дополнительный слой, может быть сокращен контакт мембраны с последующими компонентами устройства для сепарации кислорода. Следовательно, при этом улучшены ограничения по передаче тепла, приводя к более экономичному режиму работы по потреблению энергии. При этом очевидно, что та особенность, что опорные стойки являются прикрепленными к мембране, может быть зависимой от способа изготовления этой конфигурации, и ее можно понимать как то, что мембрана прикреплена к опорным стойкам. Вследствие того факта, что при этом не обеспечено никакого непрерывного опорного слоя, а удержание достигнуто множеством опорных стоек, то есть по меньшей мере двумя или, предпочтительно, более чем двумя опорными стойками, перепад давления - вследствие того факта, что обеспечена правильно определенная открытая конструкция опорной структуры, позволяющая выполнять обладающий преимуществами хорошо определенный газовый обмен и осуществлять контакт кислородосодержащего газа с мембраной, - может удерживаться в минимальных диапазонах.

Тем самым внешние опорные стойки могут действовать как тип корпуса, при этом впускное отверстие между опорными стойками может действовать как впуск для газа, а противоположная сторона мембраны может действовать как выпуск или, например, наоборот, так что создание корпуса в данных условиях может быть опущено.

В соответствии с одним вариантом исполнения сорбент для сепарации кислорода может содержать цеолитный материал. Цеолитные материалы являются особенно эффективными материалами для сепарации кислорода от азота, например, посредством сорбирования азота, так что кислородосодержащим газом может быть воздух. Таким образом, устройство для сепарации кислорода может работать в безопасном экономичном режиме. Помимо этого, оно может не содержать никаких газовых цилиндров, включая кислородосодержащий газ, так что при этом механические характеристики повышаются еще больше. Далее, особенностью цеолитных материалов является то, что небольшие частицы могут быть закреплены на опорной структуре, содержащей множество опорных стоек, и, таким образом, являются особенно пригодными для устройства для сепарации кислорода в соответствии с настоящим изобретением. Тем самым могут быть опущены глинистые связывающие вещества и еще больше улучшены характеристики по переносу массы. В неограничивающем примере слой кристаллического цеолитного материала имеет состав Mⁿ⁺_x/n [(AlO₂)^-_x (SiO₂)_y], где М - ион щелочного металла или ион щелочно-земельного металла и где ⁿ⁺ - заряд катиона М, и он может быть 1 или 2. Отношение y/х равно 1 или больше чем 1. В качестве примера цеолитного материала можно взять Li-замещенный цеолит X с низким содержанием двуокиси кремния с отношением y/х между 1 и 1,5.

В соответствии со следующим вариантом исполнения опорные стойки выполнены из кремния (Si), стекла, керамики, такой как окись алюминия, стеклянной керамики, металла или одной или более комбинации одного или более из вышеупомянутых материалов. Например, опорные стойки могут быть выполнены из одного или более из вышеупомянутых материалов, в частности, таких как кремний. Этот вариант исполнения дает возможность получать вполне определенный и высокочистый поток кислорода вследствие того факта, что эти материалы не имеют или почти не имеют никаких взаимодействий с кислородосодержащим газом, так что нет никаких нежелательных побочных продуктов, которые могли бы оказывать разрушительное воздействие на мембрану или созданный поток чистого или почти чистого кислорода. Помимо этого, вышеупомянутые материалы, особенно такие как кремний, можно обрабатывать посредством микропроцессов нанесения рисунка, например, известных из области полупроводниковых материалов, позволяющих создавать вполне определенную опорную структуру и, таким образом, вполне определенный режим работы даже при очень малых размерах. Материалы такого типа, кроме того, демонстрируют достаточно высокую стабильность в удержании мембраны, особенно если мембрана выполнена очень тонкой.

В соответствии со следующим вариантом исполнения на одном конце опорных стоек образован слой, при этом слой содержит двуокись кремния, нитрид кремния, комбинацию вышеупомянутых материалов или является стеклянным слоем, нанесенным центрифугированием. Такой слой, например, может быть образован между опорными стойками и мембраной, или на противоположной стороне опорных стоек, или на обоих вышеупомянутых положениях. В том случае, когда образован между токовыми путями, он может быть локально ограниченным. Локально ограниченный слой может в данном случае, в частности, означать слой, который присутствует смежно с опорными стойками или, соответственно, на них, но который по существу отсутствует в области путей потока, которые образованы между соответствующими опорными стойками. Такой слой, содержащий двуокись кремния, или нитрид кремния, или их смесь или являющийся стеклянным слоем, может, в частности, функционировать как слой, который может способствовать фиксации мембраны к подложке и, таким образом, может действовать в качестве активатора сцепления. Таким образом, такой слой может повысить стабильность устройства для сепарации кислорода, еще более повышая срок службы и характеристики по техническому обслуживанию. Дополнительно, если он образован с той стороны опорных стоек, которая расположена напротив мембраны, слой в соответствии с этим вариантом исполнения может, соответственно, способствовать образованию или формированию стоек и соответствующих токовых путей требуемым образом, тем самым действуя, например, в качестве маски. В частности, эти слои могут быть сплошными или пористыми и могут быть нанесены посредством любой техники осаждения, например термоокислением или химическим осаждением из пара. Слой нитрида кремния, предпочтительно, может быть нанесен посредством химического осаждения из пара. Стеклянный центрифужный слой, например, может быть известен из полупроводниковых устройств. Толщина нитрида кремния, окиси кремния или центрифужного стеклянного слоя, предпочтительно, имеет величину в диапазоне между ≥100 нм и ≤100 мкм, предпочтительно, между ≥100 нм и ≤10 мкм.

В соответствии со следующим вариантом исполнения опорные стойки содержат пористый материал. Например, опорные стойки могут состоять из пористого материала. Обеспечение пористых материалов для опорных стоек позволяет еще более увеличить поток газа от впуска устройства для сепарации кислорода к мембране для сепарации кислорода вследствие того факта, что кислородосодержащий газ может протекать к мембране для сепарации кислорода через токовые пути, образованные между опорными стойками, но, кроме того, может протекать через опорные стойки или, соответственно, через ее пористую структуру. Следовательно, кислородосодержащий газ может также протекать через мембрану для сепарации кислорода в области, смежной с опорными стойками.

В соответствии со следующим вариантом исполнения обеспечено множество, таким образом, две или более мембраны для сепарации кислорода, при этом одна мембрана для сепарации кислорода расположена ниже по току относительно дополнительной мембраны для сепарации кислорода. Этот вариант исполнения позволяет обеспечить особенно улучшенную возможность сепарации газа, допуская протекание больших токов газа и, например, особо продолжительный срок службы. Помимо этого, в соответствии с данным вариантом исполнения особенно улучшаются характеристики по техническому обслуживанию вследствие того факта, что даже если одна мембрана, полностью загруженная сорбированным материалом, повреждена или не работает должным образом, требуемую процедуру сепарации кислорода обеспечит одна или более следующая мембрана для сепарации кислорода. Помимо этого, мембраны для сепарации кислорода могут быть сформированы очень тонкими вследствие того факта, что выполнение сепарации кислорода может быть распределено по множеству мембран для сепарации кислорода, тем самым позволяя обеспечить достаточно материала сорбента для требуемого процесса сепарации кислорода. В целом, в соответствии с этим вариантом исполнения могут быть обеспечены две мембраны или даже более чем две, например может быть обеспечено от 5 до 10 мембран или даже больше. Множество мембран для сепарации кислорода может быть соединено посредством множества опорных стоек или же они могли бы быть также свободно установлены одна на другую, будучи, например, прикрепленными по боковым сторонам, например, к корпусу.

В соответствии со следующим вариантом исполнения опорные стойки имеют длину ≥50 мкм. Например, опорные стойки имеют длину от ≥50 мкм до ≤1000 мкм. В связи с этим эта длина может быть определена как расстояние, которое заключено между началом опорных стоек до достижения смежного компонента, а именно мембраны для сепарации кислорода или дополнительного слоя, например, такого как слой двуокиси кремния, и в направлении тока кислородосодержащего газа. В соответствии с этим вариантом исполнения вполне возможно образовать устройство для сепарации кислорода с очень малыми размерами, являющееся особенно пригодным для портативных устройств для лечения в домашних условиях. В этом случае при обеспечении одной мембраны для сепарации кислорода или каскада множества мембран, идущих одна за другой, в направлении тока кислородосодержащего газа с распределенными между ними опорными стойками, так или иначе достигаются очень компактные размеры. Следовательно, этот вариант исполнения при определенных обстоятельствах может быть особенно предпочтителен в отношении устройств для лечения в домашних условиях. Помимо этого, такие опорные стойки характеризуются достаточной устойчивостью при удержании мембраны, для того чтобы обеспечить минимизацию вероятности образования трещин или повреждений.

В соответствии со следующим вариантом исполнения мембрана для сепарации кислорода имеет толщину от ≥1 мкм до ≤500 мкм. Это позволяет увеличить поток кислорода, проходящий через мембрану, поскольку толщина мембраны при определенных обстоятельствах имеет основное влияние на проницаемость последней. Поскольку мембранные системы в соответствии с настоящим изобретением могут быть изготовлены на оборудовании, обычно используемом для производства полупроводниковых устройств, возможно производство с низкой себестоимостью. Дополнительно, мембранная система в соответствии с изобретением может быть использована в небольших плоских устройствах, которые важны для применений, таких как медицинские применения, особенно в области лечения на дому. Следовательно, образованием мембраны с толщиной в диапазоне от ≥1 мкм до ≤500 мкм, в частности от ≥1 мкм до ≤30 мкм, может быть увеличена проницаемость и, таким образом, газовый поток мембранной системы, позволяя, например, обеспечить более эффективные и небольшие устройства для сепарации кислорода.

В соответствии со следующим вариантом исполнения именно в качестве сорбентного материала мембрана для сепарации кислорода содержит цеолитные кристаллиты, или цеолитные частицы, или цеолитные гранулы. Может иметь место использование процессов в тонких пленках цеолитных кристаллитов, выращенных рядом друг с другом. Они могут образовывать имеющую тонкую структуру цеолитную мембрану. Имеющие тонкую структуру цеолитные мембраны получаются, главным образом, когда используются способы осаждения, такие как центрифужная обработка или напыление, в которых получают тонкие плотные цеолитные пленки, при этом могла бы быть также применена высокотемпературная обработка. Альтернативно, цеолитные мембраны могут состоять из цеолитных частиц, которые в соответствии с настоящим изобретением могут, в частности, содержать небольшие цеолитные кристаллиты или состоят из них. Цеолитные мембраны с частицами могут быть получены, например, в способах осаждения, при которых наносятся пленки с меньшей плотностью, таких как центрифужная обработка и низкотемпературная обработка или печать. В зависимости от техники осаждения и приложенной при обработке температуры из цеолитных кристаллов или зерен или частиц могут быть образованы цеолитные пленки с плотным или пористым слоем. Таким образом, в этом варианте исполнения цеолитный слой может содержать цеолитные кристаллы или зерна или частицы, которые имеют размеры от более или равных 10 нм до нескольких десятков микрометров, как, например, 30 мкм. Они могут быть получены нанесением цеолитных слоев посредством технологий нанесения пленок, таких как центрифужная обработка, гидротермическая обработка или любая другая пленочная технология. Альтернативно, возможно также, чтобы мембрана для сепарации кислорода была выполнена, соответственно, из агломератов цеолитных кристаллов или цеолитных частиц. Агломераты цеолитных кристаллов или цеолитных частиц называются также гранулами. Эти агломераты цеолитных кристаллов, называемых также гранулами, могут быть получены в любом - плотном или пористом - упорядочении, так чтобы образовать мембрану. Для получения цеолитных мембран могут быть использованы, например, печатные технологии. Соответственно, гранулы или агломераты могут иметь диаметры от нескольких микрометров, как, например, от 3 мкм вплоть до нескольких десятков микрометров, как, например, 30 мкм или даже больше. В данном конкретном случае толщина мембраны может превышать неограничивающую величину в 500 мкм. Этот вариант исполнения позволяет обеспечивать цеолитный материал, подобный известному по обычным устройствам сепарации кислорода, таким как адсорбционные системы с реверсированием давления. Получение фиксированного в мембране цеолитного материала делает возможным отсутствие какого бы то ни было истирания цеолита и, таким образом, предотвращение загрязнения цеолитного слоя частицами. Следовательно, в соответствии с этими вариантами исполнения преимущества тонкозернистого цеолитного материала по отношению к характеристикам по переносу массы, а также передаче тепла могут быть реализованы без порождения соответствующих недостатков, связанных с истиранием очень малых частиц, подобным вышеописанным.

В соответствии со следующим вариантом исполнения мембрана для сепарации кислорода вместе с опорной структурой установлена в корпусе. Это чрезвычайно легкий и экономичный способ построения устройства для сепарации кислорода. Более подробно, в том случае, когда мембрана вместе с опорой заключена в корпус, в то время как в упомянутом корпусе выполнены впуск для газа, а также выпуск для газа, кислородосодержащий газ может быть легко направлен в корпус и к передней стороне мембраны для сепарации кислорода, и затем от вторичной стороны мембраны для сепарации кислорода из корпуса. Тем самым легко может быть предотвращено нежелательное взаимодействие между мембраной для сепарации кислорода и внешней атмосферой, что приводит к специально определенным условиям внутри корпуса и, таким образом, у мембраны для сепарации кислорода. Важно, что при этом могут быть заранее определены характеристики сепарации кислорода. Помимо этого, может быть предотвращено ухудшение характеристик сепарации кислорода, обусловленное влиянием кислорода из атмосферы, окружающей устройство для сепарации кислорода, так что могут быть еще более улучшены характеристики технического обслуживания, а также срок службы такого устройства для сепарации кислорода.

Что касается дополнительных технических признаков, а также преимуществ устройства для сепарации кислорода по настоящему изобретению, следует обратиться к описанию сепаратора кислорода, способа создания устройства для сепарации кислорода и к чертежам.

Изобретение, далее, относится к сепаратору кислорода, содержащему по меньшей мере одно устройство для сепарации кислорода, подобное вышеописанному, и, таким образом, с одним или более из вышеупомянутых признаков, и к устройству для регулировки давления для создания разности давления между первичной стороной и вторичной стороной устройства для сепарации кислорода.

Термин "устройство для регулировки давления" может относиться к любому устройству, которое способно создавать разность давления между первичной стороной и вторичной стороной устройства для сепарации кислорода. Это может быть, например, газокомпрессорное устройство, соединенное с первичной стороной устройства для сепарации кислорода, или вакуумный насос, подсоединенный к вторичной стороне устройства для сепарации кислорода.

Таким образом, сепаратор кислорода, подобный определенному выше, содержит по меньшей мере одно устройство для сепарации кислорода. Соответственно, он может содержать только одно устройство для сепарации кислорода или множество из двух или более чем двух устройств сепарации кислорода и, в целом, может образовывать адсорбционную систему с реверсированием давления (PSA-система). Например, сепаратор кислорода может содержать два устройства сепарации кислорода, расположенные параллельно между собой. Однако, в зависимости от требуемого приложения, параллельно могут быть установлены более чем два устройства для сепарации кислорода. В качестве примера, все присутствующие устройства для сепарации кислорода могут быть расположены параллельно между собой.

Такой сепаратор кислорода обеспечивает значительные улучшения, например, в отношении характеристик технического обслуживания и срока службы. В частности, могут быть улучшены характеристики по загрязнению, обусловленному небольшими частицами, создаваемыми истиранием. Помимо этого, могут быть значительно улучшены характеристики по переносу массы, а также характеристики по передаче тепла.

Что касается дополнительных технических признаков, а также преимуществ сепаратора кислорода по настоящему изобретению, следует обратиться к описанию устройства для сепарации кислорода, способа создания устройства для сепарации кислорода и к чертежам.

Изобретение далее относится к способу создания устройства для сепарации кислорода для адсорбционной системы с реверсированием давления, подобной описанной выше, при этом упомянутый способ включает в себя этапы обеспечения подложки, в частности, в виде слоя подложки; обеспечения мембраны на подложке; и обработки подложки формированием из подложки множества опорных стоек.

Такой способ является очень экономичным и легким в производстве для создания устройства для сепарации кислорода, которое способно улучшить по меньшей мере одни из характеристик по передаче тепла, характеристик по переносу массы, увеличения срока службы и характеристик по техническому обслуживанию. Кроме того, в соответствии с этим способом может быть обеспечена конфигурация, содержащая мембрану, которая скреплена с опорными стойками, имеющими специально определенные размеры и геометрию. Этот способ, например, является подходящим для обеспечения тонкопленочной молекулярной ситочной системы, в которой небольшие частицы адсорбента, такие как цеолитные кристаллиты, посажены на носитель, такой как кремниевый носитель.

Более подробно, на первом этапе обеспечивают подложку. Подложка может быть сформирована в виде слоя и может, например, состоять или быть образована из кремния с соответствующей толщиной. Выбранная толщина может определять длину опорных стоек, создаваемых на более позднем этапе, и может находиться в диапазоне от ≥50 мкм до ≤1000 мкм. Кроме того, подходящий материал может быть пористым или нет.

В соответствии со следующим этапом на подложке обеспечивают мембрану. Мембрана содержит главным образом сорбентный материал для выделения кислорода из кислородосодержащего газа. Например, в качестве сорбентного материала, подобного описанному выше, на слой подложки может быть осажден цеолитный материал, такой как материал, содержащий кристаллическую решетку фауджазита. Более подробно, это может быть сделано, например, посредством золь-гель процесса с использованием центрифужного нанесения и (или) напыления, предпочтительно, получая толщину в диапазоне от ≥1 мкм до ≤500 мкм. Например, может быть использован нагрев в печи или гидротермальный процесс. Но могут быть использованы и другие способы осаждения, такие как печать, или способы напыления, такие как химическое осаждение из пара. Сорбентный материал, такой как цеолитный материал, может присутствовать в мембранном слое в форме небольших кристаллов или частиц или, соответственно, в форме агломератов или гранул. Способы нанесения тонких пленок, такие как центрифужная обработка, позволяют создавать тонкокристаллические цеолитные слои с размерами кристаллов в от 10 нм вплоть до нескольких микрометров. Но используя, например, печатные технологии, могут быть реализованы также сорбентные материалы в форме слоев толщиной до нескольких десятков микрометров.

На следующем этапе подложку обрабатывают, формируя из подложки множество опорных стоек. Этот этап может быть выполнен, например, посредством процессов, обычно известных из области обработки полупроводников, особенно в том случае, когда подложка содержит кремний.

На следующем "опциональном" этапе сформированная таким образом конфигурация может быть закреплена в корпусе, при этом корпус, предпочтительно, содержит впуск для газа и выпуск для газа. Поэтому может быть предпочтительно, чтобы стойки были расположены в направлении тока кислородосодержащего газа и, таким образом, чтобы мембрана была установлена перпендикулярно этому направлению тока, для того чтобы создать наилучший поток газа. Кроме того, опорные стойки могут быть расположены в направлении первичной стороны устройства для сепарации кислорода. Это могло бы способствовать направлению тока к мембранам вполне определенным образом. Но возможно также расположение и в противоположном направлении. Тем самым внутри корпуса может быть обеспечена только одна конфигурация, содержащая множество опорных стоек и мембрану, или же может быть обеспечено более одной конфигурации, одна за другой.

В соответствии с одним вариантом исполнения на по меньшей мере часть подложки нанесен слой, содержащий окись кремния, или нитрид кремния, или комбинацию окиси и нитрида кремния, или нанесенный центрифугированием стеклянный слой. Этот вариант исполнения обуславливает возможность создания слоя, расположенного между опорной стойкой и мембраной, или на ее противоположном конце, или в обоих вышеупомянутых положениях. Такой слой, содержащий, например, окись кремния, может, в частности, функционировать как слой, который может способствовать фиксации мембраны к подложке и, таким образом, может действовать в качестве активатора сцепления. Альтернативно, такой слой мог бы также оставаться под мембраной, а также в области токовых путей. Таким образом, такой слой повышает устойчивость устройства для сепарации кислорода, еще более увеличивая срок службы и характеристики технического обслуживания. Дополнительно, если он обеспечен со стороны стойки, расположенной с противоположной стороны мембраны, слой в соответствии с этим вариантом исполнения может, соответственно, способствовать образованию или формированию стоек и соответствующих токовых путей требуемым образом, тем самым действуя, например, в качестве маски. В частности, эти слои могут быть сплошными или пористыми и могут быть нанесены посредством любой техники осаждения, например, термическим окислением или химическим осаждением из пара. Слой нитрида кремния может быть нанесен посредством любого способа осаждения, например химическим осаждением из пара. Слой окиси кремния может быть нанес