Портативный кислородный концентратор

Предлагаемая полезная модель относится к адсорбционным устройствам получения кислорода из атмосферного воздуха методом адсорбции, используемым для обеспечения кислородом людей, страдающих от негативных последствий гипоксии.
Известен портативный мембранно-адсорбционный концентратор кислорода (RU №196293 U1, МПК B01D 53/047, А61М 16/10, опубл. 25.02.2020), состоящий из двух последовательных блоков обогащения кислородосодержащей газовой смеси кислородом: блока сорбционного обогащения, основанного на методе короткоцикловой безнагревной адсорбции и блока мембранного обогащения, основанного на технологии мембранного разделения газов. Газ подается первой ступенью двухступенчатого вакуум-компрессора на сорбционный блок, состоящий из трех адсорберов, в один из адсорберов, в котором происходит избирательная сорбция азота, и обогащение газовой смеси кислородом. Обогащенный кислородом газ поступает в накопительный ресивер, из которого подается в мембранный модуль блока мембранного для дальнейшего обогащения кислородом и очистки от продуктов истирания сорбентов. Прошедший через мембрану газ подается потребителю, а не прошедший возвращается в сорбционный блок и поступает в другой адсорбер для осуществления регенерации сорбента методом противоточной продувки и дальнейшего заполнения адсорбера. В этот же момент в третьем адсорбере происходит сброс имеющегося в нем отработанного газа в атмосферу, после чего с помощью второй ступени двухступенчатого вакуум-компрессора из него откачиваются остатки газа - происходит вакуумная регенерация адсорбента. Через некоторое время адсорберы меняются выполняемыми функциями: адсорбер, в котором происходила сорбция, сбрасывает газ и откачивается; в адсорбер после вакуумной регенерации начинает подаваться не прошедший через мембрану газ для противоточной продувки и заполнения, а в заполненный адсорбер поступает газ с вакуум-компрессора и начинается продуцирование обогащенной кислородом смеси.
Несмотря на заявленные увеличение производительности, степени извлечения и концентрации кислорода в получаемом продукте, в описании изобретения не указаны габаритные размеры портативного мембранно-адсорбционного концентратора.
Известно устройство и способ выделения кислорода (RU №2571132С2, МПК B01D 53/22, опубл. 20.12.2015) из кислородсодержащего газа, содержащее мембранный блок и электродный блок. Мембранный блок содержит пористую подложку, плотную мембрану и по меньшей мере один электрод. Пористая подложка обращена к электродному блоку, который включает в себя по меньшей мере один электрод, содержащий по меньшей мере одно поворотное электродное крыло, которое по меньшей мере частично проводит электричество.
Несмотря на то, что устройство позволяет выделить кислород с улучшенной эффективностью и с большей комфортностью в отношении обслуживания и шума, не указаны размеры и стоимость устройства, являющиеся основными показателями известных концентраторов кислорода, так как высокая стоимость связана с производством и эксплуатацией указанных устройств.
Известен концентратор кислорода (RU №2117522 С1, МПК B01D 53/04, G05D 27/00, опубл. 20.08.1998), содержащий компрессор, пневмораспределитель и два адсорбера. Выходы адсорберов подключены к выводам дросселя и входам емкости для сбора кислорода. Концентратор содержит блок управления, выходы которого соединены с управляющими входами пневмораспределителя и нормально закрытого пневмоклапана. Каждый адсорбер выполнен в виде полого цилиндрического корпуса и полой вставки, заполненных сорбентом, с односторонне расположенными патрубками.
Недостатком известного изобретения является высокая металло- и энергоемкость технологической линии, что экономически неэффективно.
Известен автономный комплекс обеспечения кислородом пострадавших (RU №2261218 С1, МПК С01В 13/02, опубл. 27.09.2005), включающий взаимоподключенные с помощью коммутатора газов, стационарно размещенные, или в кузове-контейнере, или кузове-фургоне анестизиолого-реанимационно-оксигенотерапевтический модуль, энергетический модуль, баллоны с закисью азота и кислородный модуль. Последний включает переносной комплект адсорбционного концентратора кислорода, соединенные для работы с аппаратами искусственной вентиляции легких, аппаратами ингаляции кислородом, ингаляционного наркоза. Последние входят в состав анестизиолого-реанимационно-оксигенотерапевтического модуля и взаимосвязаны с кислородным модулем и источником электропитания. Каждый термохимический генератор кислорода содержит предохранительный клапан, соединенный через первый противопылевой фильтр с первым выходом реактора, второй выход реактора через второй противопылевой фильтр подключен к входам вентиля сброса давления и теплообменника, выход которого соединен через выходной фильтр тонкой очистки с обратным клапаном, выход обратного клапана подключен к кислородному редуктору, вентилю выхода высокого давления, сдвоенному сигнализатору и кислородному баллону. Коммутатор газа включает их переключатели, индикаторы и сигнализаторы минимальных пороговых значений давления всех газов.
К недостаткам известного устройства относятся громоздкость и сложность автономного комплекса. Не указано максимально возможное время автономной работы кислородного концентратора, входящего в комплекс обеспечения кислородом.
Известен кислородный сепаратор и способ производства кислорода (RU №2631348 С2, МПК B01D 53/047, опубл. 21.09.2017), включающий в себя по меньшей мере одно отделяющее кислород устройство, содержащее кислородоотделяющий сорбент для отделения кислорода от кислородсодержащего газа. Отделяющее кислород устройство имеет газовый впуск на первичной стороне, присоединенный к впускному трубопроводу для направления потока кислородсодержащего газа в отделяющее кислород устройство, и имеет газовый выпуск на вторичной стороне, присоединенный к выпускному трубопроводу для направления потока обогащенного кислородом газа из отделяющего кислород устройства. Вторичная сторона отделяющего кислород устройства дополнительно соединена с источником продувочного газа для направления продувочного газа через отделяющее кислород устройство. Первичная сторона отделяющего кислород устройства соединена с отводным трубопроводом для направления отходящего газа из кислородного сепаратора. Кислородный сепаратор дополнительно включает в себя регулирующее давление устройство для создания перепада давления между первичной стороной и вторичной стороной отделяющего кислород устройства. В отводном трубопроводе предусмотрен газовый датчик для определения концентрации по меньшей мере одного компонента отходящего газа.
Несмотря на то, что изобретение обеспечивает улучшенную управляемость, в описании не указано максимальное время работы и габаритные размеры известного кислородного сепаратора.
Из уровня техники известно эжекторное мембранно-сорбционное устройство для разделения газовых смесей (RU №139877 U1, МПК B01D 53/00, опубл. 27.04.2014), содержащее компрессор, к выходу которого подключены по меньшей мере два адсорбера, заполненных твердым адсорбентом, и вход эжекционного смесителя. Выход последнего подключен через первый распределительный клапан к входным патрубкам адсорберов. Выходы адсорберов снабжены управляющими клапанами для отвода газа из адсорберов в сбросной трубопровод и подключены через второй распределительный клапан к мембранному фильтру, один из патрубков отвода которого соединен с потребителем, а второй с эжекционным смесителем.
Основным недостатком данного устройства является организация регенерации используемого адсорбента методом прямоточного снижения давления, который не позволяет достичь глубокой регенерации адсорбента и как следствие получить высокие концентрации кислорода. Кроме того, в установке для снижения давления реализована сложная система эжекционной откачки: сбрасываемый газ сначала поступает в ресивер, а затем газ из ресивера через эжектор должен увлечь за собой газ из адсорбера, что является достаточно сложным.
Из уровня техники также известно эжекторное мембранно-сорбционное устройство для разделения газовых смесей (RU №2625983 С1, МПК B01D 53/047, опубл. 20.07.2017), содержащее, по меньшей мере, два адсорбера, заполненных твердым адсорбентом, компрессор, выходной патрубок которого соединен с адсорберами через регулируемые клапаны и с входом в эжекционный смеситель, выход которого подключен через первый распределительный клапан к входным патрубкам адсорберов. Выходы адсорберов снабжены управляющими клапанами для отвода газа из адсорберов в сбросной трубопровод и подключены через второй распределительный клапан к мембранному фильтру, один из патрубков отвода которого соединен с потребителем, а второй с эжекционным смесителем.
Основными недостатками известного устройства являются использование для регенерации адсорбента эжекционного устройства, питаемого частью потока компрессора установки, и смесительного эжекционного устройства, которое в силу своего устройства создает значительное дополнительное сопротивление потоку, выходящему из компрессора. В сумме два этих недостатка приводят к значительным энергозатратам.
Из уровня техники также известен концентратор кислорода, описанный в патенте (RU №149979 U1, МПК B01D 53/04, опубл. 27.01.2015), содержащий соединенные трубопроводами компрессор с выходным фильтром, два параллельных адсорбера и ресивер кислорода, блок управления электропневмоавтоматикой, помещенные в корпус. При этом каждый адсорбер внутри оснащен подпружиненным перфорированным диском.
Основным недостатком данного устройства является невозможность организации постоянного по давлению и величине продуктового потока кислорода без использования дополнительных ресиверов. Кроме того, для очистки продуктового потока от продуктов истирания сорбента используется дополнительный фильтр.
Известна установка для получения кислорода из атмосферного воздуха, описанная в патенте (RU №101646 U1, МПК B01D 53/047, опубл. 27.01.2011). Данное устройство состоит из блока подачи сжатого воздуха, включающего воздушный компрессор и устройство осушки воздуха, ресивера, двух заполненных сорбентом адсорберов, мембранного газоразделительного модуля. Входные патрубки адсорберов соединены с компрессором и двумя параллельными входными трубопроводами, соединенными со сбросным трубопроводом. На входных трубопроводах установлены клапаны управления газовыми потоками, соединенные с блоком их управления для переключения потока из компрессора между адсорберами и для сброса воздуха из адсорберов через сбросной трубопровод. Два параллельных выходных трубопровода соединяют выходные клапаны адсорберов. Первый выходной трубопровод соединен с входом в ресивер и снабжен обратными клапанами. Выход ресивера соединен газовой коммуникацией с входом мембранного газоразделительного модуля, выполненного в виде разделенных селективной мембраной двух технологических объемов высокого и низкого давлений. Выход из объема низкого давления которого соединен с потребителем, а выход из объема высокого давления через расходное устройство соединен со вторым выходным трубопроводом, на котором установлены два выходных клапана управления газовыми потоками для переключения газового потока между газоразделительным модулем и адсорберами. Перед входом ресивера установлен обратный клапан.
Основными недостатками такой установки являются, во-первых, невозможность организации стационарного по величине и давлению потока питания мембранного модуля, во-вторых, использование обогащенного целевым компонентом потока, не прошедшего через мембрану при продувке адсорберов, что способствует снижению коэффициента извлечения.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемой полезной модели является концентратор кислорода (RU №145367 U1, МПК B01D 3/04, опубл. 20.09.2014), работающий посредством разделения атмосферного воздуха короткоцикловой безнагревной адсорбцией на синтетических цеолитах. Концентратор кислорода содержит соединенные трубопроводами компрессор с входным фильтром, два приспособления для разделения воздушного потока, выполненных в виде цеолитовых колонок, ресивер, блок управления. Компрессор на выходе соединен с конденсатором через клапан влагоудаления и с цеолитовыми колонками через блок соленоидных клапанов, чередующих последовательность подачи осушенного воздушного потока в цеолитовые колонки, с возможностью обеспечения их работы в противофазе. Управление работой соленоидных клапанов осуществляется по обратной связи, зависящей от входного давления на входе из цеолитовых колонок, которые соединены с ресивером через два обратных клапана, имеющих разную пропускную способность в зависимости от направления воздействия напора воздушного потока. Устройство снабжено ресивером и редуктором для получения давления 0,36÷0,4 МПа.
К недостаткам известного устройства относится отсутствие информации о максимальной продолжительности работы и габаритных размерах устройства, что не позволяет в полной мере оценить эффективность полезной модели.
Технической задачей полезной модели является разработка портативного кислородного концентратора как малогабаритной автономной установки в условиях пандемии и кризисных ситуаций с медицинскими аппаратами ивл.
Техническим результатом полезной модели является возможность работы от различных источников питания для обеспечения бесперебойной работы устройства.
Указанный технический результат достигается тем, что в создаваемом портативном кислородном концентраторе, включающем корпус, в котором расположены фильтр, компрессор с регулируемым объемом забора воздуха, адсорбционный блок, включающий адсорбционные цеолитовые колонки, ресивер и осушитель, аккумулятор, впускной и выпускной клапаны, блок управления и контроля, штуцер, согласно полезной используют фильтр многоступенчатой очистки поступающего воздуха и аккумулятор литий-ионный со встроенным механизмом зарядки, при этом штуцер оснащен сменными двойником и тройником.
Использование литий-ионного аккумулятора и оснащение штуцера сменными двойником и тройником обеспечивает возможность работы от различных источников питания для обеспечения бесперебойной работы устройства - зарядки аккумулятора от солнечных батарей, сети 220 В, сети 12 В, Power-Bank, обеспечить кислородом с концентрацией 70-97% 1-3 человека одновременно за счет использования подсоединения к штуцеру двойника или тройника.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах полезной модели, позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленной полезной модели. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволило установить совокупность существенных по отношению к рассматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном устройстве, изложенном в формуле полезной модели.
Предлагаемый портативный концентратор кислорода поясняется чертежом, где представлена принципиальная схема устройства для получения кислорода.
Портативный кислородный концентратор представляет собой устройство для выделения кислорода из кислородсодержащего газа, состоящее из корпуса 1, в котором расположены фильтр 2 многоступенчатой очистки поступающего воздуха, компрессор 3 с регулируемым объемом забора воздуха, адсорбционный блок, включающий адсорбционные цеолитовые колонки 4 и 5, ресивер 6 и осушитель 7, литий-ионный аккумулятор 8 со встроенным механизмом зарядки от солнечных батарей, сети 220 В, сети 12 В, Power-Bank. Устройство также включает впускной 9 и выпускной 10 клапаны, блок управления и контроля 11, штуцер 12. Устройство оснащено контейнером 13 со сменными двойником 14 и тройником 15, позволяющими подсоединить кислородные маски (назальные канюли) 16 и обеспечить кислородом от одного до трех человек одновременно.
Заявляемое устройство согласно схеме работает следующим образом.
Компрессор 3, работа которого поддерживается аккумулятором 8, всасывает атмосферный воздух, представляющий собой кислородсодержащую газовую смесь через впускной клапан 9 в фильтр 2 и нагнетает его в осушитель 7, где происходит конденсация водяных паров, содержащихся в газовой смеси. Фильтр 2, компрессор 3, адсорбционный блок и блок управления и контроля 11 соединены между собой электрокабелем, воздушными и кислородными шлангами. Затем осушенная газовая смесь поступает в первую цеолитовую колонку 4, где происходит сорбция азота цеолитом, и газовая смесь с повышенным содержанием кислорода направляется в ресивер 6. Часть этой смеси подают потребителю через штуцер 12, а часть направляют во вторую цеолитовую колонку 5 для десорбции азота и вывода его в атмосферу через выпускной клапан 10. Блок управления и контроля 11, трубопроводы которого соединяют адсорберы с ресивером, компрессором, потребителями кислорода и их между собой, осуществляет управление питанием компрессора 3 и системой переключения электромагнитных клапанов обоих адсорберов для чередования работы колонок таким образом, что каждые 15 минут работы происходила смена работы колонок 4 и 5. Блок управления и контроля 11 также содержит кислородные вентили, электропневмоклапаны адсорбция-десорбция и обратные клапаны. Устройство позволяет получать кислород со скоростью 1 л/мин с максимальной концентрацией 97%. Аккумулятор 8 со встроенным механизмом зарядки позволяет зарядить устройство от солнечных батарей, сети 220 В, сети 12 В, Power-Bank, что обеспечивает бесперебойную работу устройства. Оснащение щтуцера сменными двойником и тройником позволяет подсоединить 2 и 3 кислородные маски (назальные канюли) соответственно и обеспечить кислородом от одного до трех человек одновременно.
Практическую проверку работы портативного кислородного концентратора проводили на базе ООО «МИП «БайкалЭкоПродукт» Восточно-Сибирского государственного университета технологий и управления.
Предлагаемый портативный концентратор кислорода подходит для использования как в медицинских учреждениях, так и для частного использования гражданами в качестве переносного мобильного устройства для снабжения кислородом людей в мегаполисах при смоге, для военных, несущих службу в высокогорье, для спортсменов-альпинистов, при сильной задымленности и лесных пожарах, курильщикам со стажем. Устройство является универсальным.
Преимущества заявляемого кислородного концентратора:
- Максимальная концентрация кислорода 97%;
- Низкая шумность;
- Мобильный;
- Позволяет получать как сухой, так и увлажненный кислород в зависимости от целей;
- Зарядка от солнечных батарей, сети 220 В, сети 12 В, от Power-Bank;
- Время работы не ограничено (в отличие от аппаратов других производителей, время работы которых ограничено 5 часами);
- Обеспечение кислородом одновременно до 3-х человек.
Небольшие размеры предлагаемой полезной модели позволяют использовать кислородный концентратор в стационарах и домашних условиях для оказания экстренной помощи или длительной кислородной терапии при легочных, сердечных заболеваниях, ХОБЛ и т.д., жителям мегаполисов для компенсации гипоксии при смоге, курильщикам для снижения негативного влияния табачного дыма на организм, спортсменам-альпинистам и военным, служащих в высокогорье, для насыщения организма кислородом, при сильной задымленности и лесных пожарах, при химических техногенных катастрофах, детям для укрепления иммунитета, повышения физической и умственной активности.