專利名稱：分離氧氣的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氧氣分離領(lǐng)域。特別地，本發(fā)明涉及利用產(chǎn)生等離子體在治療學(xué)應(yīng)用的氧氣分離的領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
氧療是作為治療物理療法的給氧。它廣泛用于慢性和急性病人護(hù)理的各種目的，因?yàn)樗鼘?duì)細(xì)胞新陳代謝是重要的，并且，相應(yīng)地，組織氧合對(duì)于所有的生理功能是重要的。氧療可通過(guò)增加到肺的氧氣供應(yīng)從而增大到身體組織的可用氧氣，尤其是當(dāng)患者遭受缺氧和/或低氧時(shí)，從而使得患者受益。氧療可以用在醫(yī)院場(chǎng)合，或者用于家庭監(jiān)護(hù)中。氧療的主要家庭監(jiān)護(hù)應(yīng)用是對(duì)于具有嚴(yán)重的慢性阻塞性肺病(COPD)的患者。氧氣可以以許多方式給送。優(yōu)選的給氧方式分別是由所謂的按需產(chǎn)氧或者就地產(chǎn)氧給出。對(duì)此，商業(yè)解決方案，即所謂的氧氣濃縮器，或者分離器，分別已廣為人知。這些氧氣濃縮器主要從包含氧氣的氣體中分離氧氣，以使得氧氣按需提供，也就是，在使用前才提供。最熟知的氧氣濃縮器需要壓縮機(jī)以壓縮包含氧氣的氣體。而且，必須產(chǎn)生氧氣，優(yōu)選地純氧氣。因此，最熟知的氧氣濃縮器包括膜，特別地有機(jī)膜，分子篩等類似物，以從包含氧氣的氣體中分離氧氣。已知的氧氣濃縮器的一個(gè)主要缺點(diǎn)是由于生產(chǎn)和操作所述裝置所致的高成本。而且，包含氧氣的氣體的不期望成分，主要是氮?dú)猓晃皆谀ど?，從而?dǎo)致需要所謂的搖擺工藝(swing process),通過(guò)該工藝,被吸附的氣體從膜上脫附。在脫附步驟過(guò)程中,氧氣的分離是不可能的，因此需要兩個(gè)膜來(lái)以反周期的方式工作，這進(jìn)一步增大了成本。除此之夕卜，壓縮機(jī)大多嘈雜，從而導(dǎo)致便利性降低，尤其是當(dāng)整晚使用氧氣濃縮器時(shí)。而且，產(chǎn)生的氧氣是未消毒的，因此，通常期望或者有必要采取進(jìn)一步的消毒措施。傳統(tǒng)的氧氣濃縮器是大體積且笨重的，并需要患者和家庭監(jiān)護(hù)提供者持續(xù)的維護(hù)。這樣的裝置產(chǎn)生噪音和熱量。而且，期望降低成本(壓縮機(jī)單元對(duì)成本的貢獻(xiàn)顯著)，例如周期性的購(gòu)買成本以及維護(hù)成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一是提供一種用于分離氧氣的裝置和方法，其克服上述的不利因素的至少之一。本發(fā)明的進(jìn)一步的目的是提供一種成本節(jié)省并改善關(guān)于維護(hù)和噪音的便利性的分離氧氣的裝置和方法。該目的通過(guò)一種用于從含氧氣體分離氧氣的裝置實(shí)現(xiàn)，該裝置包括:膜單元和電極單元，其中膜單元包括多孔基板、致密膜和至少一個(gè)電極，其中所述多孔基板朝向所述電極單元，并且其中所述電極單元包括至少一個(gè)電極，所述至少一個(gè)電極包括至少一個(gè)可旋轉(zhuǎn)的電極翼，該電極翼至少部分地導(dǎo)電。本發(fā)明提供很適合通 過(guò)利用等離子體的生成從含氧氣體分離氧氣的裝置。
本發(fā)明是基于這樣的意想不到的發(fā)現(xiàn):通過(guò)利用等離子體來(lái)加熱和壓縮含氧氣體，以及利用類似于特別是無(wú)機(jī)膜的致密膜來(lái)從含氧氣體分離氧氣，這二者的組合導(dǎo)致令人驚喜的且非常有益的協(xié)同效應(yīng)。通過(guò)產(chǎn)生等離子體，含氧氣體在一個(gè)步驟中被壓縮和加熱。這實(shí)現(xiàn)如下優(yōu)點(diǎn):無(wú)需用于加熱和加壓含氧氣體的單獨(dú)的裝置或者膜等。與此相反，氣體具有足夠高的溫度以加熱膜，從而使得足夠高的氧氣流動(dòng)通過(guò)所述膜。因此，通過(guò)利用等離子體來(lái)壓縮具有升高溫度的該被壓縮的含氧氣體非常適用于與無(wú)機(jī)膜組合使用。而且，根據(jù)本發(fā)明的裝置工作時(shí)噪聲降低，從而實(shí)現(xiàn)明顯的便利性提高，尤其是在家庭監(jiān)護(hù)應(yīng)用中。該便利性通過(guò)以下事實(shí)甚至更為改善:通過(guò)提供如前所述的電極來(lái)產(chǎn)生用于加熱和加壓含氧氣體的等離子體，根據(jù)本發(fā)明的裝置具有減小的尺寸和重量，這特別有利于家庭監(jiān)護(hù)應(yīng)用。此外，根據(jù)本發(fā)明的裝置的操作實(shí)現(xiàn)氧氣更低成本地被分離，這是因?yàn)檫@樣的事實(shí):這樣的裝置可以設(shè)計(jì)為比現(xiàn)有技術(shù)中已知的傳統(tǒng)的氧氣分離器便宜很多，而且，能量效率與現(xiàn)有技術(shù)中已知的方法相比提高。根據(jù)本發(fā)明的裝置的進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)在于生成無(wú)菌氧氣。無(wú)需額外的消毒或者滅菌步驟。根據(jù)本發(fā)明，提供無(wú)菌氧氣的按需生成。而且，通過(guò)提供具有電極的膜單元，其中膜單元的基板朝向電極單元，可以獲得若干有益效果。通過(guò)提供包括電極的膜單元以及包括可旋轉(zhuǎn)電極翼的電極單元二者，電極單元和膜單元的密切耦合可以得以實(shí)現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明，它使得能夠在膜單元的基板的孔內(nèi)部產(chǎn)生等離子體。這允許實(shí)現(xiàn)非常有效的分離狀態(tài)。此外，電極單元和膜單元的密切耦合實(shí)現(xiàn)降低不必要的熱損失。具體地，等離子體不僅用于壓縮含氧氣體，而且還用于加熱含氧氣體以相應(yīng)地加熱膜到它的操作溫度。因此，含氧氣體應(yīng)當(dāng)優(yōu)選被加熱到高于膜的所述操作溫度的溫度。由于電極單元和膜單元的密切耦合，氣體可以至少部分地在如此的膜單元中被加熱，從而直接接觸膜，從而不產(chǎn)生或者僅產(chǎn)生非常少的熱量損耗。此外，耐熱閥的提供可以被省掉，耐熱閥用于在膜的供料側(cè)產(chǎn)生超壓以迫使氣體流動(dòng)通過(guò)膜。這允許根據(jù)本發(fā)明的裝置以容易且成本節(jié)省的方式形成。由于包括可旋轉(zhuǎn)電極翼的電極單元和包括進(jìn)一步的電極的膜單元的組合，根據(jù)本發(fā)明的裝置可形成為非常緊湊。因此，它非常適用于家庭監(jiān)護(hù)應(yīng)用，尤其是適用于用于分離氧氣的便攜裝置。在下面，形成的氣體被定義為氧氣。但是，盡管通過(guò)利用根據(jù)本發(fā)明的裝置可以形成高達(dá)100%的高純度的氧氣，但是所形成的氧氣可以包括一些雜質(zhì)，這也是在本發(fā)明的范圍內(nèi)。因此，術(shù)語(yǔ)氧氣包括其中氧氣為主要成分的氣體混合物。根據(jù)本發(fā)明的裝置因此提供成本、價(jià)格、保養(yǎng)和噪音方面的優(yōu)勢(shì)。在本發(fā)明的一優(yōu)選實(shí)施方式中，多孔基板的孔由連續(xù)通道形成。這實(shí)現(xiàn)在緊鄰膜的位置點(diǎn)燃和保持等離子體。該實(shí)施方式因此實(shí)現(xiàn)了被加熱和加壓的含氧氣體與膜的緊密接觸，這對(duì)于加熱膜以及提供迫使氧氣流動(dòng)通過(guò)膜的壓力是有利的。據(jù)此，根據(jù)本發(fā)明的裝置可以非常有效地進(jìn)行操作。
在本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施方式中，多孔基板的孔具有> O, 02毫米的直徑。這實(shí)現(xiàn)含氧氣體的適當(dāng)量被導(dǎo)引到孔中，從而允許形成有效的等離子體。換句話說(shuō)，這些尺寸改善根據(jù)本發(fā)明的裝置的效率。在本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施方式中，電極形成為設(shè)置在多孔基板的孔內(nèi)部的導(dǎo)電層。這對(duì)于在電極之間產(chǎn)生等離子體是尤其優(yōu)選的配置。具體地，由于多孔基板朝向可旋轉(zhuǎn)電極的事實(shí)，等離子體可以以尤其有效的方式直接地產(chǎn)生在孔內(nèi)部。此外，這允許依據(jù)待形成的等離子體的特征來(lái)設(shè)計(jì)孔。結(jié)果，可以良好地調(diào)節(jié)根據(jù)本發(fā)明的裝置所被操作的條件。在本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施方式中，膜是基于具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)或者螢石晶體結(jié)構(gòu)的材料。尤其優(yōu)選的是，膜是基于鈣鈦礦，該鈣鈦礦選自SivyBayCcvxFexCVz,其可以未摻雜或者摻雜有供體或者受體AahSryFehCrxCVz,其可以未摻雜或者摻雜有鈮、鎂、鈦或者鎵Jr1IxBayLaxCcvi^FebCreCVz,其可以未摻雜或者摻雜有例如供體或者受體，諸如鈮、鎂、鈦或者鎵！BahSrxTiCVz,其可以未摻雜或者摻雜有諸如猛、鐵、鉻的供體或者受體,或者任何其它的摻雜化合物；以及PbZivxTixCVz,其可以未摻雜或者摻雜有諸如鐵、鈮、鑭、鉻的供體或者受體；或者任何其它的摻雜化合物。這種類型的陶瓷化合物呈現(xiàn)良好的氣體通量并且具有關(guān)于氧氣的優(yōu)秀選擇性。具體地，如果包括該組分的膜的上游側(cè)受到例如空氣的超壓，它將僅讓氧氣通過(guò)。因此，可以產(chǎn)生高達(dá)100%純度的氧氣。在本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施方式中，覆蓋層安置在基板的一個(gè)或者兩個(gè)側(cè)面上。對(duì)此，覆蓋層可以優(yōu)選地由氮化硅或者玻璃形成。這尤其實(shí)現(xiàn)抑制存在于膜中的組分與存在于基板中的組分的反應(yīng)。具體地，作為膜的適當(dāng)組分的鋇與作為基板的適當(dāng)組分的硅的反應(yīng)可以得以抑制。此外，如果設(shè)置在與膜相對(duì)的基板的側(cè)面，覆蓋層可分別有助于以期望的方式形成或者成 形基板的孔，從而用作例如掩膜。特別地，覆蓋層可以為致密的或者多孔的，并可以通過(guò)任何的沉積技術(shù)，例如熱氧化施加。氮化硅層被通過(guò)任何的沉積技術(shù)例如化學(xué)蒸汽沉積施加。玻璃層例如為旋轉(zhuǎn)涂布(spin-on)玻璃層。在本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施方式中，阻擋層設(shè)置在膜和覆蓋層之間。該阻擋層優(yōu)選地包括選自氧化娃、氧化鈦、氧化鎂、氧化錯(cuò)、鈦酸錯(cuò)、氧化招和氧化鉭或者其任何組合的組的材料。阻擋層可以通過(guò)任何沉積方法，例如氧化物反應(yīng)濺射或者金屬濺射，隨后進(jìn)行熱氧化，旋轉(zhuǎn)涂布或者化學(xué)蒸汽沉積而施加。它可以用作覆蓋層和膜之間的中間層，如果膜和覆蓋層由彼此一定程度上相互反應(yīng)的材料形成。在本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選實(shí)施方式中，在膜單元的上游設(shè)置吹風(fēng)機(jī)。這允許更多氣流被傳送到電極單元以及因此到膜單元。根據(jù)本發(fā)明的裝置的效率因而可以得以改善。在本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施方式中，加熱裝置，特別是熱交換器，設(shè)置在膜單元的上游。加熱裝置使得能夠預(yù)熱包含氧氣的氣體，從而減少通過(guò)等離子體必須輸入給包含氧氣的氣體的熱能的量。通過(guò)設(shè)置熱交換器，后者從而可使用被耗盡其中的氧氣并在分離周期后離開膜單元的氣體的熱量。因此可以減少用于操作根據(jù)本發(fā)明的裝置所需的能量輸入。在本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施方式中，冷卻裝置設(shè)置在膜單元的下游。這允許冷卻產(chǎn)生的氧氣到它可以被直接使用的溫度范圍。對(duì)此，尤其優(yōu)選的是，可以分別按需或者就地使用根據(jù)本發(fā)明的裝置。冷卻裝置因而可以連接到設(shè)置在等離子體生成單元上游的熱交換器。這實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的裝置的尤其成本節(jié)省的操作。本發(fā)明還涉及用于從含氧氣體分離氧氣的方法。該方法包括步驟:提供根據(jù)本發(fā)明的裝置，電極單元與含氧氣體流體連通，旋轉(zhuǎn)至少一個(gè)可旋轉(zhuǎn)電極翼，以及施加電壓到電極和至少一個(gè)可旋轉(zhuǎn)電極翼以在多孔基板的孔中產(chǎn)生等離子體。根據(jù)本發(fā)明的方法提供類似于關(guān)于根據(jù)本發(fā)明的裝置所描述的優(yōu)點(diǎn)。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，> IOOff到彡350W的功率用于產(chǎn)生等離子體。該功率足以在孔內(nèi)部產(chǎn)生有效的等離子體，從而為能量節(jié)省的。這允許甚至在家庭監(jiān)護(hù)應(yīng)用中使用根據(jù)本發(fā)明的方法。在本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施方式中，使用每分鐘> I升/分鐘的氧氣通量。該通量對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，例如治療應(yīng)用是非?？捎们易銐虻?，而且甚至可以在家庭監(jiān)護(hù)應(yīng)用中良好地提供。


本發(fā)明的這些和其它的方面將參照在此及后描述的實(shí)施例變得明顯并被闡明。在附圖中:圖1示出根據(jù)本發(fā)明的裝置的截面?zhèn)纫晥D；圖2示出在A-A’平面中的可旋轉(zhuǎn)電極的頂視圖；圖3示出膜單元的一個(gè)實(shí)施方式；圖4示出膜單元的進(jìn)一步的實(shí)施方式；

圖5示出膜單元的進(jìn)一步的實(shí)施方式。
具體實(shí)施例方式在圖1中，根據(jù)本發(fā)明的裝置10被示意性地示出。根據(jù)本發(fā)明的裝置10特別適于從含氧氣體分離氧氣。裝置10因此可以分別為氧氣分離裝置或者氧氣濃縮器的一部分。裝置10非常適于例如在家庭監(jiān)護(hù)應(yīng)用中的氧療。但是，裝置10并不限于治療應(yīng)用，而且還適用于各種類型的氧氣生成。作為進(jìn)一步的示例性應(yīng)用，它可以涉及在飛機(jī)中的氧氣生成。根據(jù)本發(fā)明的裝置10包括膜單元12。膜單元12包括膜14。膜14優(yōu)選地為氧氣分離膜。在此情形中，它的目的是從含氧氣體的剩余組分中分離氧氣，從而提供氧氣流，所述氧氣流有利地為100%純度的氧氣流。這示意性地通過(guò)箭頭16示出。大多地，主要的剩余組分是氮?dú)猓绕涫窃诋?dāng)空氣被用作含氧氣體的情形中。為了得到充分的分離結(jié)果，因此重要的是，膜14是非常致密的。致密膜14特別地為可選擇性地滲透氧氣的膜，但嚴(yán)格地或者至少實(shí)質(zhì)性地不可滲透其它氣體，尤其是氮?dú)狻Ｄ?4可以或者為純氧傳導(dǎo)膜，或者為混合離子-電子傳導(dǎo)膜。一般地，必須施加力以使得氧氣傳遞通過(guò)膜14。這可以為電力。但是，優(yōu)選地，氧氣由于膜14的供料側(cè)和透過(guò)側(cè)之間的壓差而通過(guò)膜14，如將在下面變得明顯的。膜單元12進(jìn)一步包括設(shè)計(jì)來(lái)適于產(chǎn)生等離子體的電極18，如將在下面變得明顯的。根據(jù)圖1，電極18可以形成為安置在膜14的供料側(cè)，換言之在膜14的上游側(cè)的導(dǎo)電層。而且，膜14由多孔基板20支撐。多孔基板20包括孔22，其優(yōu)選地形成為貫穿基板20的全部厚度的連續(xù)通道。膜單元12的詳細(xì)討論將在下面參照?qǐng)D3-5進(jìn)行。多孔基板20朝向電極單元24。該電極單元24安置為直接鄰近基板20。它優(yōu)選為盤狀的，并包括至少一個(gè)可旋轉(zhuǎn)的電極翼26和在電極翼26的平面中的氣隙28。但是，最優(yōu)選地，電極24包括多個(gè)可旋轉(zhuǎn)的電極翼26和安置在翼之間的氣隙28。優(yōu)選地，至少一個(gè)電極翼26至少部分地由鉬、鈀、銥或者金屬氧化物，特別地SrRuO3或者SrRhO3,或者上述化合物的合金形成。這些化合物尤其適于在形成等離子體中用作電極。此外，這些化合物在大多數(shù)含氧氣體中甚至在通過(guò)所述等離子體產(chǎn)生的升高的溫度下都是穩(wěn)定的。至少一個(gè)電極翼26因此可以通過(guò)在電極翼26的表面上設(shè)置導(dǎo)電層而為導(dǎo)電的。這優(yōu)選地可實(shí)現(xiàn)在朝向膜單元12的側(cè)面上。所述層因此可以包括上述化合物之一。這允許電極翼26由任何適當(dāng)?shù)牟牧闲纬?。?dǎo)電層因此提供電極的特征。這實(shí)現(xiàn)如此的可旋轉(zhuǎn)的電極翼26以及根據(jù)本發(fā)明的裝置10能夠以成本節(jié)省的方式制備。作為替代方案，如此的電極翼26可以由所述材料形成。這實(shí)現(xiàn)尤其容易地生產(chǎn)電極翼26?？尚D(zhuǎn)電極翼26的表面和基板20之間的距離應(yīng)當(dāng)小于孔22的直徑以具有用于點(diǎn)燃和保持等離子體的尤其優(yōu)選的條件。出于該原因，額外地，在可旋轉(zhuǎn)電極翼26的表面和基板20之間的距離應(yīng)當(dāng)短于孔22的長(zhǎng)度，例如基板20的厚度。此外，翼26的傳導(dǎo)表面應(yīng)當(dāng)大于各氣隙28的表面。電極單元24的頂視圖示出在圖2中。根據(jù)圖2，電極單元24以非限定性的方式包括四個(gè)電極翼26以及因此還包括安置在翼之間的四個(gè)氣隙28。在氣隙28后面以及因此在電極單元24后面，可以看到多孔基板20以及安置在那里的孔22。由于電極翼26是可旋轉(zhuǎn)的的事實(shí)，膜單元12的區(qū)域以交替的方式被翼26覆蓋或者通過(guò)氣隙28打開。電極翼26，或者多個(gè)翼26，分別地特別地在朝向膜單元12的側(cè)面上至少部分地為導(dǎo)電的。因此，電極 翼26可用作用于產(chǎn)生等離子體的電極。具體地，與膜單元12中的電極18 一起，可旋轉(zhuǎn)電極翼26形成多個(gè)小的等離子體泵。電極單元24以及在膜單元12中的電極18因此主要目的是在它們之間產(chǎn)生等離子體，從而加熱和加壓含氧氣體以從氣體中分離出氧氣?；剡^(guò)來(lái)參照?qǐng)D1，因此，用于分離氧氣的裝置10可以如下地以優(yōu)選和示例性的方式工作。含氧氣體，特別地空氣，被導(dǎo)引到電極單元24。為了將含氧氣體輸送到電極24，吹風(fēng)機(jī)30可以設(shè)置在電極單元24的上游。吹風(fēng)機(jī)30可增加分別到電極單元24或者其供料側(cè)的含氧氣體流。此外，在吹風(fēng)機(jī)30的下游，可以設(shè)置加熱裝置32，特別地?zé)峤粨Q器。加熱裝置32通過(guò)預(yù)熱含氧氣體例如空氣而改善裝置10的能量效率。后者然后被導(dǎo)引到電極單元24。這通過(guò)箭頭34示意性地示出。然后可執(zhí)行氧氣分離步驟。為了實(shí)現(xiàn)氧氣分離，可旋轉(zhuǎn)電極翼26分別在膜單元12或者基板20的前面旋轉(zhuǎn)。在氣隙28的區(qū)域中，新鮮空氣分別通過(guò)電極翼26或者電極單元24，并被分別導(dǎo)引到膜單元12中以及孔22中，這示意性地由箭頭36示出。在這個(gè)階段，氣體可以具有常壓，也就是大約I巴。在膜單元12的電極18和電極翼26連接到在此未示出的電源的情形中，等離子體被點(diǎn)燃并且在翼26和電極18之間燃燒，因而在孔22內(nèi)部燃燒。這由箭頭38示意性地示出。一般地，對(duì)于產(chǎn)生等離子體，相當(dāng)少量的能量輸入就足夠了。具體地，取決于溫度和膜條件，彡IOOff到彡350W的功率輸入對(duì)于在透過(guò)側(cè)上產(chǎn)生彡I升/分鐘的氧氣流，特別是每分鐘幾升的氧氣流，會(huì)是足夠的。該范圍的功率輸入非常適于家庭監(jiān)護(hù)應(yīng)用。但是，一般地，存在若干產(chǎn)生等離子體的模式。特別地，可以使用直流等離子體，交流等離子體，RF等離子體，脈沖等離子體等。提供等離子體導(dǎo)致升高的溫度。由于翼26以及氣隙28是旋轉(zhuǎn)的事實(shí)，被充注新鮮空氣的孔22閉合并且在等離子體生成期間由翼26相對(duì)于周圍空氣進(jìn)行密封。膜單元12的孔22中的含氧氣體或者其基板20因此分別被加熱和加壓。示例性地，由于由等離子體所致的高達(dá)900K溫度的升高的氣體溫度，壓力因此可以增加到大于I巴的值，特別地3巴。由于超壓，含氧氣體被壓靠到膜14，從而通過(guò)流動(dòng)通過(guò)氧氣分離膜14而導(dǎo)致氧氣被分離，從而形成基本純凈的氧氣流16。由于電極翼26是旋轉(zhuǎn)的事實(shí)，在下一階段中翼26隨后跟隨著氣隙28。歸因于仍存在于孔22中的超壓以及當(dāng)氣隙28位于各個(gè)孔22的前面時(shí)等離子體繼續(xù)燃燒一個(gè)短的時(shí)間段，氧氣耗盡的氣體移出孔22。這通過(guò)箭頭44示意性地示出。因?yàn)樵谝?6不再存在于該區(qū)域中的情形下等離子體將熄滅，氧氣耗盡的氣體將冷卻，這在孔22中產(chǎn)生低壓，特別地〈〈I巴的壓力，從而導(dǎo)致新鮮空氣被吹入孔22中。隨后，可以通過(guò)隨后的翼26或者如果僅使用一個(gè)翼的話則通過(guò)同一翼26，而開始另一周期。電極單元，或者旋轉(zhuǎn)電極翼26，因此可以分別用作負(fù)責(zé)保持加壓空氣在孔22中以及實(shí)現(xiàn)氣體交換的閥。在各個(gè)孔22中產(chǎn)生等離子體的開始和結(jié)束因此分別通過(guò)電極單元24或者至少一個(gè)翼26的旋轉(zhuǎn)而限定。但是，如果需要，可以增加循環(huán)的點(diǎn)燃脈沖。一般地，彡10kV/cm的電場(chǎng)強(qiáng)度應(yīng)當(dāng)用于點(diǎn)燃(再次點(diǎn)燃)孔中的等離子體。在此情形中，翼26或者多個(gè)翼26的表面可以被結(jié)構(gòu)化。具體地，導(dǎo)電材料的區(qū)域可以在旋轉(zhuǎn)方向跟隨有非導(dǎo)電材料區(qū)域。由于各區(qū)域的尺寸，點(diǎn)燃脈沖可以被調(diào)節(jié)到期望的應(yīng)用。例如，點(diǎn)燃電壓可以分別在引導(dǎo)區(qū)域(leading area)或者條帶(stripe)處產(chǎn)生,而等離子體供應(yīng)電壓可以在剩余的導(dǎo)電表面產(chǎn)生。
根據(jù)上面，電極單元24用作氣體泵。盡管由于電極翼26的旋轉(zhuǎn)它以不同的周期工作，但是由于優(yōu)選高頻率的工作周期，它可以產(chǎn)生含氧氣體的直接且連續(xù)的流動(dòng)。結(jié)合翼26的數(shù)量以及它們的尺寸，轉(zhuǎn)動(dòng)頻率可以被調(diào)節(jié)到要求的應(yīng)用。它可以在大約100Hz。搖擺工藝不是必需的，因?yàn)榈獨(dú)獠⒉晃降侥?4，因而不會(huì)限制關(guān)于氧氣的滲透條件。為了收集產(chǎn)生的氧氣流，管40分別連接到膜單元12或者膜14。當(dāng)然，優(yōu)選地，管40以氣密的方式被密封以允許導(dǎo)引全部的產(chǎn)生的氧氣到期望的應(yīng)用。而且，氣體泵可以設(shè)置在管40內(nèi)部以導(dǎo)引分離的氧氣到期望的應(yīng)用。此外，在膜14的下游，可以設(shè)置冷卻裝置42用于冷卻分離的氧氣流。冷卻裝置42可以例如安置在管40中，或者與管40流體連通。相應(yīng)地，在裝置10以特別優(yōu)選的方式在就地工藝中使用的情形中，氧氣可以直接使用，或者，氧氣可以存儲(chǔ)在適當(dāng)?shù)娜萜髦?。產(chǎn)生的氧氣的溫度可以調(diào)節(jié)到接近于在期望應(yīng)用中所需的溫度的范圍，或者恰好在所述溫度，所述期望的應(yīng)用可以例如為醫(yī)療應(yīng)用或者治療應(yīng)用。冷卻裝置42優(yōu)選地連接到作為加熱裝置32的熱交換器以進(jìn)一步提高夠根據(jù)本發(fā)明的裝置10的效率。所有部件當(dāng)然可以相對(duì)于環(huán)境空氣被密封，和/或它們可以連接到各自的適當(dāng)?shù)哪芰吭?。此外，如果適當(dāng)?shù)脑?，可以提供適當(dāng)?shù)母魺?。例如，電極單元24以及膜單元12可以設(shè)置在用于熱絕緣這些部件的殼體內(nèi)部以為了提高效率。參照?qǐng)D3-5，描述膜單元的不同實(shí)施方式。在圖3中，膜單元12被示意性地示出。膜單元12有利于點(diǎn)燃和保持等離子體的工藝，因此對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的裝置10是重要的。根據(jù)圖3的膜單元12包括作為一個(gè)重要部件的膜14。類似于上面的描述，為了從含氧氣體分離氧氣，膜14是致密的。因此，它可以選擇性地滲透氧氣。為了實(shí)現(xiàn)這些屬性，膜14可以是包括被選取的無(wú)機(jī)氧化物的固體的陶瓷膜。優(yōu)選的膜14是基于鈣鈦礦或者螢石晶體結(jié)構(gòu)的。作為一個(gè)例子，鈣鈦礦可以選自Sr1_yBayCo1_xFex03_z,其可以未摻雜或者摻雜有供體或者受體^a1ISryFehCrxCVz,其可以未摻雜或者摻雜有鈮、鎂、鈦或者鎵^1IxBayLaxCcvbIFebCrcXVz，其可以未摻雜或者摻雜有例如供體或者受體，諸如銀、鎂、鈦或者鎵；BahSrxTiCVz,其可以未摻雜或者摻雜有諸如猛、鐵、鉻的供體或者受體，或者任何其它的摻雜化合物；PbZr ^xTixCVz，其可以未摻雜或者摻雜有諸如鐵、鈮、鑭、鉻的供體或者受體，或者任何其它的摻雜化合物。作為優(yōu)選的例子，鈣鈦礦有關(guān)的材料Baa5Sra5Coa5Fea2CVs (BSCF)是非常適合的。作為替代方案，例如，可以使用Sr0.5Ba。.5Co。.8Fe。.203_x 薄膜。這是這些類型的無(wú)機(jī)膜14的一般屬性，即，它們?cè)谑覝叵聦?duì)于所有氣體完全不可滲透，但是當(dāng)加熱到升高溫度時(shí)允許氧氣分子通過(guò)。主要地，高于700K的溫度對(duì)于僅小尺寸的膜的要求實(shí)現(xiàn)良好的氧氣流動(dòng)是必需的。例如，上述BSCF可以以示例性的方式在1275K產(chǎn)生13ml/cm2分鐘 的氧氣流，其中小的膜厚度是足夠的。一般地，膜14具有在
0.1 μ m-50 μ m的范圍的厚度會(huì)是足夠的。這允許形成緊湊的裝置10，以及通過(guò)膜14的高的氣體通量。此外，對(duì)于加熱薄的膜，需要更少的熱量。膜14由多孔基板20支撐?；?0可以例如由硅、玻璃、石英或者氧化鋁形成。但是，也可以使用任何其它的基板20，例如金屬基板?；蹇梢跃哂?gt;50微米且< I毫米的厚度，特別地> 100微米且< 650微米的厚度。這允許基板20為穩(wěn)定且緊湊的，從而允許根據(jù)本發(fā)明的裝置10例如用于便攜家庭監(jiān)護(hù)裝置中。在基板20中，可以形成孔22。具體地，優(yōu)選地，基板20包括柱46，其中，可以在基板20中設(shè)置限定的連續(xù)通道作為孔22，用于產(chǎn)生與膜14受控接觸的氣體。這可以例如通過(guò)蝕刻或者噴砂處理基板20實(shí)現(xiàn)。一般地，可以施加微機(jī)加工。柱46可優(yōu)選地具有50微米到< I毫米的寬度，特別地> 200微米到(800微米的寬度，以使得能夠以足夠高穩(wěn)定性地獲得良好的氣體流動(dòng)。基板20優(yōu)選地具有5%和90%之間，特別地20%和80%之間的多孔性。這實(shí)現(xiàn)非常高的氣體通量通過(guò)膜單元12。此外，基板20還包括足夠大尺寸的足夠的柱46以避免膜單元12不穩(wěn)定。盡管多孔性可因此主要由良好限定的通道形成，也可以在與限定的通道相鄰的基板20內(nèi)部，也就是在柱46中，提供限定的多孔性。這可以分別通過(guò)如此的基板材料的多孔性或者柱46的多孔性形成。由于通道通過(guò)適當(dāng)?shù)墓に囂峁┑氖聦?shí)，它們被良好限定且實(shí)現(xiàn)例如空氣流對(duì)膜14的良好的限定的且受控的接觸。良好限定的通道，或者限定的通道，因而應(yīng)分別意味著，通道的結(jié)構(gòu)和尺寸根據(jù)要求的需要而成形。它們因此可以根據(jù)期望的應(yīng)用進(jìn)行布置和適配。具體地，它們可以具有彡30微米到< 5毫米，特別地彡100微米到< 800微米的寬度。但是，最優(yōu)選地，通道或者孔22分別具有> O, 02毫米的直徑。
根據(jù)本發(fā)明的裝置10因此適于形成有效的氧氣生成系統(tǒng)，從而允許高且良好限定的氣體通量，而且實(shí)現(xiàn)用于處理甚至薄的膜14的穩(wěn)定系統(tǒng)。為了允許等離子體如上所述地生成，膜單元12包括電極18。根據(jù)圖1和圖3，電極18形成為安置在基板20和膜14之間的薄層48。電極18可至少部分地由鉬、鈦、和銥或者金屬氧化物，特別地氧化銥、SrRuO3或者SrRhO3或者前述化合物的合金形成。但是,任何其它的電極也是可以的。作為替代，基板20可以直接連接到膜14，而形成電極18的層48可以安置在膜14的下游側(cè)，也就是在背對(duì)基板20的側(cè)面。獨(dú)立于形成電極18的層48的確切位置，重要的是，電極18使得能夠在電極18和至少一個(gè)可旋轉(zhuǎn)電極翼26之間產(chǎn)生等離子體，但是它并不阻礙氧氣流動(dòng)通過(guò)膜14。相應(yīng)地，如果位于基板20和膜14之間，它可以僅定位在柱46的區(qū)域中，或者在柱46和膜14之間，從而接觸孔22。因此，它將不會(huì)妨礙氧氣流動(dòng)通過(guò)膜14。如果它定位為在整個(gè)表面上與膜14相鄰，層48可優(yōu)選地為多孔的以允許氧氣無(wú)阻礙地流動(dòng)通過(guò)所述層48。作為替代配置，層48可設(shè)置孔以使得氣體能夠流動(dòng)。因此它可以設(shè)計(jì)為例如篩子。層48在膜14的滲出側(cè)的布置同樣如此。主要優(yōu)選地，層48位于整個(gè)表面上。在此情形中，它可以提供例如篩子形式的整體，或者它可以為多孔的，因而可以透過(guò)氧氣。膜單元12的進(jìn)一步的實(shí)施方式示出在圖4中。根據(jù)圖4，膜單元12進(jìn)一步包括在基板20的一個(gè)或者兩個(gè)側(cè)面上的覆蓋層50，50’。對(duì)此，覆蓋層50，50’或者覆蓋層50，50’二者可優(yōu)選地由氮化硅或者玻璃形成。這尤其允許抑制包含在膜14中的組分與存在于基板20中的組分反應(yīng)。具體地，作為膜14的適當(dāng)組分的鋇和作為基板20的適當(dāng)組分的硅的反應(yīng)可以得以抑制。此外，如果設(shè)置在基板20的背對(duì)膜14定位的側(cè)面，覆蓋層50’可有助于以期望的方式分別形成或者成形孔22或者通道，從而用作例如掩膜。特別地，覆蓋層50，50’可以通過(guò)任何沉積技術(shù)，例如熱氧化施加。氮化硅層可以通過(guò)任何的沉積技術(shù)，例如化學(xué)蒸汽沉積施加。玻璃層例如為旋轉(zhuǎn)涂布的玻璃層。覆蓋層50，50’的厚度優(yōu)選地在IOOnm和100 μ m之間，尤其是在IOOnm和IOym之間。再一次地，形成電極18的層48可以安置在膜14的下游側(cè)，如同在圖4中一樣。但是，電極層48也可安置在膜14的上游側(cè)。在此情形中，它可以安置在覆蓋層50和膜14之間，或者覆蓋層50和基板20之間。在進(jìn)一步的實(shí)施方式中，阻擋層例如氧化鈦可以施加在覆蓋層50和電極18之間。如同上面關(guān)于層48提及的，層48以及覆蓋層50不應(yīng)影響氧氣的流動(dòng)。因此，如果設(shè)置在整個(gè)表面上，它應(yīng)當(dāng)為多孔的，或者提供孔，用于允許氧氣適當(dāng)?shù)亓鲃?dòng)通過(guò)膜14，也就是在孔22中。膜單元12的進(jìn)一步的實(shí)施方式示出在圖5中。根據(jù)圖5的實(shí)施方式與根據(jù)圖4的實(shí)施方式是相當(dāng)?shù)?。但是，根?jù)圖5，膜單元12進(jìn)一步包括在膜14和覆蓋層50之間的阻擋層52。該阻擋層52優(yōu)選地包括選自氧化娃、氧化鈦、氧化鎂、氧化錯(cuò)、鈦酸錯(cuò)酸鹽、氧化招和氧化鉭，或者其任何組合的組的材料。阻擋層52可以通過(guò)任何的沉積方法，例如氧化物的反應(yīng)濺射、跟隨熱氧化的金屬濺射、或者旋轉(zhuǎn)涂布或者化學(xué)蒸汽沉積而施加。它可以用作覆蓋層50和膜14之間的中間層，如果分別形成膜14和覆蓋層50的材料可以一定程度上彼此相互反應(yīng)。再者，電極層48可安置在膜的上游側(cè)和下游側(cè)。類似于上面關(guān)于層48提及的，層48以及阻擋層52應(yīng)當(dāng)不影響氧氣的流動(dòng)。因此如果設(shè)置在整個(gè)表面上，它應(yīng)當(dāng)為多孔的或者設(shè)置孔，用于允許氧氣適當(dāng)?shù)亓鲃?dòng)通過(guò)膜14，也就是在孔22中。此外，在所示的全部實(shí)施方式中，進(jìn)一步的保護(hù)層可分別安置在膜14上，或者在電極層48上。該保護(hù)層可例如機(jī)械地保護(hù)膜14，從而可以改善根據(jù)本發(fā)明的膜14的耐用性。保護(hù)層優(yōu)選地形成為無(wú)機(jī)層或者有機(jī)層。再者，它優(yōu)選地包括孔，或者形成為多孔，從而允許氧氣適當(dāng)?shù)亓鲃?dòng)通過(guò)膜4。而且，各層，也就是電極層48、覆蓋層50，50’和/或阻擋層52可以分別設(shè)置在柱20中，或者在孔22中，或者在通道中，或者它們彼此互相獨(dú)立。如果設(shè)置在孔22中，氧氣流動(dòng)應(yīng)當(dāng)不受影響。必須注意到，關(guān)于圖3-5描述的所有實(shí)施方式可以用于根據(jù)本發(fā)明的裝置10中。盡管在附圖中以及前面的描述中已經(jīng)詳細(xì)地示例和描述了本發(fā)明，但是這樣的示例和描述應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為是示例性的或者例子性的，而不是限制性的；本發(fā)明并不限于公開的實(shí)施方式。對(duì)公開實(shí)施方式的其它變化可以在研讀附圖、說(shuō)明書以及權(quán)利要求后在實(shí)踐所要求保護(hù)的發(fā)明中被本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解和實(shí)現(xiàn)。在權(quán)利要求中，術(shù)語(yǔ)“包括”并不排除其它要素或者步驟，“一”或者“一個(gè)”并不排除多個(gè)的可能性。某些特征在相互不同的從屬權(quán)利要求被描述的事實(shí)并不表明這些特征的組合不能用于產(chǎn)生有益技術(shù)效果。在權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記不應(yīng)解釋為對(duì)保護(hù)范圍的縮限。
權(quán)利要求
1.用于從含氧氣體分離氧氣的裝置，其包括: 膜單元(12)，和電極單元(24)，其中: 所述膜單元(12)包括多孔基板(20)、致密膜(14)和至少一個(gè)電極(18)，其中: 所述多孔基板(20)朝向所述電極單元(24)，并且其中: 所述電極單元(24)包括至少一個(gè)電極，所述至少一個(gè)電極包括至少部分地導(dǎo)電的至少一個(gè)可旋轉(zhuǎn)的電極翼(26)。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述多孔基板(20)的孔(22)由連續(xù)通道形成。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述多孔基板(20)的孔(22)具有>O, 02毫米的直徑。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述電極(18)形成為設(shè)置在所述多孔基板(20)的孔(22)內(nèi)部的導(dǎo)電層(48)。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述膜(14)是基于具有鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)或者螢石晶體結(jié)構(gòu)的材料。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，在基板(20)的一側(cè)或者兩側(cè)上布置有覆蓋層(50，50，)。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其中，在所述膜(14)和所述覆蓋層(50)之間設(shè)置有阻擋層(52)ο
8.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，在所述膜單元(12)的上游提供有吹風(fēng)機(jī)(30)。
9.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，在所述膜單元(12)的上游設(shè)置有加熱裝置(32)。
10.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，在所述膜單元(12)的下游設(shè)置有冷卻裝置(42)。
11.用于從含氧氣體分離氧氣的方法，所述方法包括步驟: 提供如權(quán)利要求1所述的裝置(10)，所述電極單元(24)與含氧氣體流體連通， 旋轉(zhuǎn)所述至少一個(gè)可旋轉(zhuǎn)的電極翼(26)，和 施加電壓到所述電極(18)和所述至少一個(gè)可旋轉(zhuǎn)的電極翼(26)以在多孔基板(20)的孔(22)中產(chǎn)生等離子體。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，將>100W到彡350W的功率用于產(chǎn)生所述等離子體。
13.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，使用>I升/分鐘的氧氣通量。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于從含氧氣體分離氧氣的裝置。它包括膜單元(12)和電極單元(24)。膜單元(12)包括多孔基板(20)、致密膜(14)和至少一個(gè)電極(18)，其中多孔基板(20)朝向電極單元(24)，其中電極單元(24)包括至少一個(gè)電極，所述電極包括至少部分地導(dǎo)電的至少一個(gè)可旋轉(zhuǎn)的電極翼(26)。根據(jù)本發(fā)明的裝置實(shí)現(xiàn)以提高的效率以及在維護(hù)和噪音方面以改善的便利性來(lái)分離氧氣。
文檔編號(hào)C01B13/02GK103180027SQ201180050835
公開日2013年6月26日 申請(qǐng)日期2011年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月22日
發(fā)明者R·希爾比希, M·克萊, W·C·科爾 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司