專利名稱：便攜式節(jié)能型家用的由環(huán)境空氣廉價制氧的制作方法
技術領域：
本發(fā)明主要涉及空氣中的氣體分離，特別涉及從環(huán)境空氣中制氧的裝置和方法，以提供便宜、便攜、個體使用的氧源。
背景技術：
很多人需要富氧源來改善呼吸或者從中得到好處。這種氧氣通常由一裝有壓縮氧氣的高壓罐中提供給病人。通過大規(guī)模工業(yè)操作將氧氣充入罐中，包括從空氣中分離氧氣，壓縮氧氣并充入罐中。然后分銷系統將氧氣罐分配給個體病人。當氧氣罐中的氧氣用盡時，氧氣罐可以回收然后重新充滿。
現有技術中氧氣分離法包括使用透平冷氣發(fā)動機和通過環(huán)境空氣接觸足夠冷的表面，因此空氣中一種或多種成分的氣體得以冷凝而達到液化?？諝庵械某煞纸洺１灰夯蛛x后作為單獨的氣體售賣，盡管液態(tài)氮也用于冷凝空氣中的氧氣?，F有技術的液化一般大量消耗冷卻能量來完成。液化后，余下能量不再利用，而浪費，因為能量在分離成分中帶走和/或在壓縮過程中丟失。
盡管常規(guī)氧氣分離和分銷系統對需要氧氣的病人很有益處，但仍有一些不足之處，如氧氣價格提高和氧源運輸困難?，F有技術的系統需要把吸入的空氣壓縮至至少1巴以上大氣壓來完成常規(guī)分離和液體通過系統流動?；厥盏难鯕庖脖仨毥浉叱潭葔嚎s，以致于在罐中所裝的總氧量很多，足以分攤比大量氧氣重得多的氧氣罐的運輸費用，因此降低單位運輸和分銷的費用。
壓縮通常在分離過程的一或兩個階段完成。
在分離之前壓縮吸入的空氣，不僅在分離機上產生一壓差，迫使空氣及其分離成分通過分離系統，而且提供足夠的分離效率或生產率。另外，分離之后，經常將分離的成分再壓縮并灌入罐中。然而，壓縮機不僅噪音大，很笨重，而且價格昂貴，耗能大，特別是當設計成提供適合人體呼吸的無污染氣體時，因此增加生產氧氣的能源成本。當氧氣回到基本上大氣壓以便病人使用時，這種能量即丟失。另外，除了處理氧氣罐對供應者、病人和任何照顧者帶來不便外，需要笨重的氧氣罐也增加氧氣的運輸費用。
這種常規(guī)氧氣供應系統已經存在了幾十年，因為依照現有技術氧氣分離和壓縮可更為有效，因此大規(guī)模生產時費用減少。大批量生產系統專門用來分離空氣中的組分以便以不同純度的壓縮或液體單組分轉售。為了個體家用使常規(guī)分離系統按比例縮小是不切實際，且很昂貴。
例如，U.S.5,893,275中所述的是一種家用系統，然而，它需要多重階段，其包括一壓縮機；一使用吸附法的第一階段分離機；一膜分離機或離子導電系統以及一液化器，其可使氣體液化但不能通過液化分離氣體。U.S.5,704,227闡明了用一種液氮冷卻劑作為冷卻介質，以使揮發(fā)性化合物如一低級醛、一乙二醇化合物和水從一氣體如氮氣中冷凝。盡管用一熱交換器對吸入的空氣預冷，這個系統還是需要液氮源，使得這樣的系統不能在家里使用。
因此，需要一種氧氣分離系統可以經濟且小規(guī)模地實現，以便可以在家里使用，且尺寸要足夠小，重量足夠輕，便于攜帶。
本發(fā)明的一個目的和特征是提供一種不需要壓縮的氧氣分離系統，因此可以更有效地操作，使得吸入的空氣在分離之前不需要壓縮，也不需要為貯存在罐中而壓縮氧氣。
本發(fā)明的另一目的和特征是提供了一種通過僅僅氧氣直接液化而從空氣中分離氧氣的氧氣分離系統。
本發(fā)明的再一目的和特征是提供了一種液化氧氣分離系統，其通過在液化過程中，使用冷卻能量而將其回收，以及作為回收和使用這一能量的結果是使能量消耗降低，并能夠使用需要較少能量輸入的較簡單組分。

發(fā)明內容
本發(fā)明在較低氣壓下，較佳在基本上大氣壓下，通過使在密閉容器中一表面冷卻到高于氮氣的沸點及不高于氧氣的沸點的溫度，從空氣中直接冷凝和分離氧氣。迫使空氣從大氣中進入容器中并接觸冷卻的表面。在表面上冷凝的氧滴落下，通過一液體/氣體分離機收集，容器中氧氣和殘留氣體沿著分離路徑流出，在大氣壓下從系統中排出。吸入的空氣經預冷，而吸入空氣中的水通過將熱量從吸入的空氣傳送到從容器向外流的分離氣體冷凝。
為了實現這個過程，環(huán)境空氣輸入端包括環(huán)境空氣入口通路，從大氣通到密閉容器。一低溫冷卻機的冷卻表面位于容器中，用以直接冷凝容器中氣體內的氧氣。一低溫冷卻機的溫度控制系統可使待冷卻的冷卻表面的溫度高于氮氣的沸點而不高于氧氣的沸點溫度，以致于只有氧氣在冷卻表面冷凝。一液體/氣體分離機與容器連接，其接收從冷卻表面流出的液態(tài)氧，并使液態(tài)氧與容器內的殘留氣體分離。一氧氣輸出端包括一氧氣出口通路，與分離機的液體輸出端連接，使氧氣從容器中排出。一殘留氣體輸出端包括一殘留氣體出口通路，與分離機的氣體輸出端連接，用于在基本上大氣壓下使容器中的殘留氣體排出。一通風機僅僅用于推進空氣及分離氣體以足以分離出有效數量氧的流量通過系統。因為系統與大氣相通，通風機僅僅需要將壓力升高到略高于大氣壓。通風機使氣體通過環(huán)境空氣入口通路、殘留氣體通路和容器。一熱交換器與輸入和輸出端連接，用于把吸入氣體的熱量傳遞到排出氣體。


圖1所示為本發(fā)明的一基本實施例的示意圖。
圖2所示為本發(fā)明的另一實施例的示意圖。
在描述附圖中所示的本發(fā)明的較佳實施例時，采用具體術語為的是清楚。然而，這并不意味本發(fā)明僅限于所選擇的具體術語，而應當理解為，每個具體術語都包括所有以相似方式操作來實現相似目的的技術等同物。例如，經常用到的連接語或其相似術語。
它們不限于直接連接，但包括通過其他元件的連接，這種連接本領域的技術人員則認為是等同的。
具體實施例方式
圖1是闡明本發(fā)明基本原理的一實施例的示意圖。本發(fā)明從空氣中分離氧氣，其過程完全在大氣壓下操作，因為沒有用到壓縮機。本發(fā)明輸出了空氣中所有的通常氣體組元混合物，但混合物富含氧氣，即氧氣比例基本上比吸入系統的空氣中氧含量高。富氧的混合物在大氣壓下可即時使用。
參照圖1，環(huán)境空氣輸入端10包括一從開口12引出的環(huán)境空氣入口通路，用于通過一隔離室13將大氣輸入到一密封氣體的容器14。本領域公知的一種類型的自由活塞斯特靈低溫冷卻機16的冷凝管18伸進容器14，以提供一冷卻表面20?？諝庵械难鯕馔ㄟ^空氣輸入端10吸入，直接在此冷卻表面20冷凝。
低溫冷卻機16有一常規(guī)溫度控制系統，以維持冷卻表面的溫度高于氮氣的沸點溫度(標準大氣壓下為77°K)，且不高于氧氣的沸點溫度(標準大氣壓下為90.1°K)。
斯特靈低溫冷卻機可以以可攜帶小規(guī)模地提取有效量的氧氣。
密閉容器14包括一下部分24，以重力使液態(tài)氧因從冷卻表面20滴到一液體/氣體分離機26。液體/氣體分離機26可以是現有技術公知的一種類型，并與容器14連接，以接收冷卻表面滴下的液態(tài)氧，并使液態(tài)氧與殘留氣體分離，而殘留氣體則在氧氣冷凝后留在容器14中。合適的分離機是常規(guī)收集式分離機，其中液體因重力流入一容器，容器在或靠近其底部有一開口，后面是一收集器，其中收集液體而液體阻止通過收集器的氣體通路。其結果是，當收集器充滿液體時，其成為氣體的一道屏障，所以只有液體能夠通過收集器。分離機可以與容器成一體，液體可以從容器中直接流出。吸入系統的空氣體積流量和冷凝率應該維持足以使收集器充滿液態(tài)氧，以保證它成為氣體的屏障。
一氧氣輸出端28包括一氧氣出口通路并與分離機26的液體輸出端連接，將氧氣從容器14中引出給使用者。
同樣，殘留氣體輸出端30包括一殘留氣體出口通路并與分離機26的氣體輸出端連接，使殘留氣體在基本上大氣壓下排出容器。
吸入的氣體和分離的氣體必須以足以冷凝有效量氧氣的流量在系統中流動。當氧氣在冷卻表面20冷凝時，必須將新鮮的氧氣輸到容器中以補充冷凝的氧氣。為了達到這個目的，在環(huán)境空氣輸入端10內安裝一電動機驅動的通風機32。系統需要一通風機以有效流量推動空氣通過系統，因此僅僅需要在系統中建立足以克服系統流阻的壓力梯度，以提供所需流量。盡管通風機可以位于在系統中的氣流循環(huán)中任何其他地方，但最好位于輸入端10中和隔離室13外面。因為通風機通過一系列開口通路和沒有任何小孔或關閉的閥門的封閉空間驅動氣體，故而空氣基本上以大氣壓下沿著環(huán)境空氣入口通路、殘留氣體通路和容器推進。
本發(fā)明的一個特別重要的特征是包括一熱交換器34，因為這是回收用于冷凝氧氣的能量的主要裝置。因為從分離機26通過氧氣輸出端28流出的氧氣和從分離機26通過殘留氣體輸出端30流出的殘留氣體均業(yè)已冷卻到遠遠低于環(huán)境空氣溫度的溫度，在這些排出的氣體中的冷卻能量可以用于預冷通過環(huán)境空氣輸入端10輸入容器14中的空氣。為了達到這個目的，熱交換器34較佳是一對流熱交換器，其有三個由氣體密封的熱傳導壁分開的通路。三個熱交換器通路分別與環(huán)境空氣輸入端10、氧氣輸出端28和殘留氣體輸出端30連接。這使得待傳遞的熱量從吸入的環(huán)境空氣傳遞到輸出的氧氣和輸出的殘留氣體。這種預冷和能量轉移不僅減少冷卻表面20冷凝氧氣所需的能量，而且使輸出的氧氣和殘留氣體預熱至接近環(huán)境溫度。這使得系統更安全，并以對吸氧者較安全又舒服的溫度給使用者供氧。
采用對流熱交換器的配置使傳熱最有效，其中放熱氣體以一個方向流動而吸熱氣體從相對方向流動。然而，盡管因為對流的高效而差不多較佳，但對流并不是必要。類似地，熱交換器也可以只有兩個通路，從僅僅一種排出氣體回收熱量，排出氣體最有效的是殘留氣體，但是這樣會削弱本發(fā)明的高效能量回收的優(yōu)點。
冷凝管溫度控制因為斯特靈低溫冷卻機和控制其指形冷凝管溫度的控制系統在現有技術中已公知，所以本文不作詳細描述?？刂葡到y通常包括一冷凝管溫度傳感器，其連接在反饋控制系統中，以控制低溫冷卻機傳遞的冷卻能量，將其維持在一設定溫度。既然標準氣壓下O2的沸點溫度是90.1°K而N2的沸點溫度是77°K，因此冷卻表面20必須冷卻到標準氣壓下至少90.1°K，氧氣才可以冷凝，但是不能低至77°K，以致于氮氣不會冷凝。冷卻表面20較佳冷卻到剛剛90.1°K以下，如，87°K。這個溫度足以冷凝氧氣，但是在氮氣的沸點溫度以上，以避免過度和不必要的冷卻所造成的能量損耗。因此，本發(fā)明提高了能量效率，因為冷卻表面不需要更低的溫度來冷凝空氣中其他的氣體組分。
因為沸點溫度隨著壓力的改變而改變，這些溫度，特別是控制系統的設定溫度，可根據其他周圍壓力作相應地改變，例如，當本發(fā)明的一實施例在海拔較高的地方工作。類似地，因為兩端的壓力梯度必須提高以便推動氣體通過系統，所以可以對溫度控制系統設定溫度進行調節(jié)以從周圍壓力補償系統內的微小變化。
通風機參數 與現有技術的系統對比，本發(fā)明的實施例實質上可在大氣壓下操作，因為沒有壓縮機、閥門或小孔來維持較高的壓力。系統與大氣相通。因此，通風機僅僅必須使其兩端的壓力梯度增大到足夠大，以克服通路中和沿著氣流路徑的壓降和附加損失，以及得到將足夠的氧氣供給使用者所需的容積流量。然后，通風機兩端的壓力梯度沿著系統下降，以致于離開系統的氣體維持在大氣壓下。因為大多數人每分鐘需要消耗2-3升空氣，而空氣含氧20％，所以如果系統效率為100％且供應純氧，則系統需要每分鐘大約10-15升空氣的流量。
然而，系統效率并不是100％，并認為每分鐘50升的流量已經足夠且較佳。另外，較低氧氣分離效率是可容許的，因為較高流量可以補償效率不足，而且不會出現任何大的附加費用因為不需要壓縮吸入的空氣。
當然，通風機所需的壓力梯度是通路直徑及影響液體流動的路徑的其他物理性能的函數。然而，跟現有技術不同的是，本發(fā)明要求通風機的壓力梯度低于1巴，且能在遠遠低于1巴的壓力梯度下進行最有效地操作。
初步計算表明，為了得到上述流量，通風機應當需要低于1psi，而更實際地來說，應該比周圍大氣壓高約0.33psi的壓力。因此，本發(fā)明在基本上大氣壓下操作。從環(huán)境空氣中氧氣轉換到供給使用者的高氧輸送的過程中，系統中的任何氣體沒有一個階段需要加壓至基本上大氣壓以上。
本發(fā)明的實施例中的電耗的初步估算表明，通風機電動機的電耗大約是0.5瓦特，而低溫冷卻機的電耗大約是160-200瓦特。因此，本發(fā)明的實施例中的能耗非常小。
水分排出因為吸入系統的大氣在熱交換器34中預冷，大氣中的濕氣會在熱交換器34中冷凝。從吸入的空氣中排出水分很重要，其包括系統中的排水位置。水分應該在空氣吸入容器14之前，從吸入的空氣中抽取及分離。這可以避免系統流動通路結冰和阻塞，以及防止凍水沉積在冷卻表面20上。
圖1所示為水分去除靠排水管36將水分從系統中輸出。
從吸入的空氣中抽取的水分可以簡單排出。然而，較佳還可以通過使冷水在熱交換器內循環(huán)，從冷水中回收能量，熱交換器位于主要熱交換器34的上游，以為吸入的空氣初步預冷。另外，水分可以用于濕潤輸出的氧氣。這兩種方法中任何一種或兩種之后或者不是任何一種或兩種，水分可以通過使其返回到輸出的殘留氣流中去除。將水分返回到殘留氣流的優(yōu)點是流量較大，因為空氣中80％的是氮氣，因此水可以蒸發(fā)到殘留氣流中，再回到大氣中。將至少一部分水回收到氧氣氣流中的優(yōu)點是它可以使氧氣濕潤，可以盡量不使用者的組織干燥。
圖2所示為附加這些和那些特征的另一實施例。
如圖1所示的實施例中，一低溫冷卻機冷凝器50伸入一容器54中，且有一冷卻表面52。一通風機58通過一空氣輸入通路56使吸入的空氣進入容器54。氧氣在冷卻表面52冷凝并滴入氣體/液體分離機60中，然后通過氧氣輸出通路62流出。在吸入的空氣壓力和其沿著路徑蒸發(fā)所產生的蒸汽壓下迫使氧氣沿著其流徑流動。容器54中的殘留氣體在吸入的空氣壓力下通過殘留氣體輸出通路64排出。
通過熱交換器66在環(huán)境空氣輸入通路56的部分上冷凝的水，在重力下向下經一液體/氣體分離機流動，分離機包括一出水口68和一氣體收集器70，然后流入水套72或其他的熱交換器，其以熱傳導與環(huán)境空氣輸入通路56連接。這種水初步預冷吸入的環(huán)境空氣。其他熱交換器構造可以用其他排水構造。水應該通過一在熱交換器中或其下的出口排出，該處溫度最適宜水分的收集和排出。
在水套72中收集的水分可以如上所述的一種或多種方法使用或排出。水套72中一些或所有水分可以通過一排水口74排出。可使水或水蒸氣通過一通路或管道76流到或泵至殘留氣體輸出通路64的出口端78和/或氧氣輸出通路62的出口端80。這可以用現有技術已知用于濕潤氣體的裝置和方法實現，如使氣體通過一水槽或通過一與過濾器相似的吸水纖維基質。另外，水套72中的水可直接蒸發(fā)到大氣中。
考慮到氧氣和殘留氣體進入熱交換器66(或圖1中的熱交換器34)的溫度較低，在環(huán)境空氣輸入通路56中的冷凝水可能會在熱交換器內或靠近其結冰，聚集的冰塊會阻塞通路。為了預防這個問題，用以下的一或多種方法可控制在此附近的輸出通路的溫度(1)調節(jié)斯特靈低溫冷卻機供應的冷卻能量；(2)一帶有溫度傳感器和溫度控制系統的專用加熱器；和(3)使用斯特靈低溫冷卻機放出的熱量。圖2所示為一溫度控制器82，其有一溫度輸入傳感器84并接合控制一加熱器86，如一電阻性電加熱帶?？刂破鞯脑O定溫度略高于水的結冰溫度，以確保沒有水在環(huán)境空氣輸入通路56內結冰。然而，如圖1所示，排水口可位于沿著熱交換器內流動路徑的中間位置。因為從熱交換器的一端到相對的一端有溫度梯度，所以可以測量沿著貫穿熱交換器的流動路徑的溫度，且排水所處位置溫度略高于本發(fā)明的一實施例通常穩(wěn)定狀態(tài)操作下的水的結冰溫度。其結果是，預防水結冰只需很少熱能。
操作本發(fā)明的實施例通過使一密閉容器內的一表面冷卻到高于氮氣的沸點且不高于氧氣的沸點的溫度。將空氣從大氣中吸入到容器中，接觸冷卻表面，空氣的組分從容器中排出，以上均在基本上大氣壓下進行。使凝結在冷卻表面上及滴下的氧滴與容器中的殘留氣體分離。通過將熱量從吸入的空氣傳遞到從容器中排出的氣體使吸入的空氣冷卻及水分凝結。
因為冷卻表面在系統中溫度最低，氧氣在通過分離機后很快開始蒸發(fā)。因此，在氧氣輸出通路中的氧氣因溫度回升而蒸發(fā)膨脹，這種膨脹使氣化氧排出。殘留氣體主要由氮氣組成并由吸入空氣的壓力被排出。結果，空氣中所有組分回復到氣體狀態(tài)，從系統中排出。
排出的氧氣濃度很高但不是純氧。一些氧氣仍然殘留在排出的殘留氣體中，殘留氣體中大部分是氮氣以及空氣中其他的氣體組分。另外，一些氮氣和其他氣體組分與氧氣混合。作為殘留氣體的一屏障，液體/氣體分離機的收集器并不需要總是充滿。本發(fā)明的目的不是提供純氧，而是提供可被人類使用的富氧的混合物。因為能量不會浪費在氣體壓縮上，所以不需要冷凝甚高濃度的氧氣。
為了使液態(tài)氧能有機會蒸發(fā)和防止液態(tài)氧從系統中排出，氧氣輸出通路最好有足夠長度的組合以及升高到分離機內液體水平以上。這可以由本領域的普通技術人員的實驗和知識中確定。另外，可將液態(tài)氧排入到貯存罐中。
優(yōu)點 本發(fā)明的優(yōu)點是以下幾點相結合氧氣通過在冷卻表面冷凝而分離，在基本上大氣壓下操作以及從進入系統的排出空氣組分中回收能量。采用斯特靈低溫冷卻機特別有利，因為其小、輕而且高效。
本發(fā)明最顯著的優(yōu)點是其規(guī)模小。
跟現有技術不一樣的是，本發(fā)明既沒有也不需要壓縮機或濃縮機，在現有技術的整個過程中，分離之前需要壓縮機或濃縮機作為推動氣體的裝置。本發(fā)明也沒有蒸發(fā)機或膨脹閥門，不使用昂貴的分離機如膜分離機。現有技術的氧氣分離系統一般涉及大規(guī)模工業(yè)系統，其用來分離空氣中的組分，再以各種純度的壓縮或單個液態(tài)成分氣體轉賣。這些大規(guī)模系統的液化裝置一般是透平膨脹機。斯特靈低溫冷卻機并沒有應用于現有技術的系統中，因為其不能按比例達到商業(yè)氣體售賣的操作的規(guī)模。
本發(fā)明的實施例小到便于攜帶。可攜帶性可以分為兩種。第一種是，該裝置小到可從一個地方到一個地方地走動，但還是需要一電源插口提供輸入電力?，F有技術的個人使用裝置仍然需要壓縮機或濃縮機，這種裝置顯著地增加了裝置的重量。現有技術的個人氧裝置需非常沉重的氧氣罐，因此對個人來說，搬運非常困難。第二種是真正的可便攜性，吸氧器靠電池供力，因此可以自由移動，個人可以攜帶使用，不再需要帶氧氣罐。
本發(fā)明的實施例中推動空氣和氣體所需的壓力非常小。
本發(fā)明僅需有足夠的氣流來保持供應新鮮空氣進入系統，以獲得所需氧氣流量。為此，通風機僅需一小風扇。當然，也可以使用其他低壓力、高流量的排氣裝置，如膜盒或隔膜型的泵。
因為有溫度控制，本發(fā)明的實施例可以在較低大氣壓下操作，如在海拔較高的地方進行?？梢院唵蔚卣{節(jié)溫度控制以補償環(huán)境大氣壓的改變而造成的沸點溫度改變。
熱交換器可使吸入空氣的熱量能夠由排出的冷的已分離空氣組分吸收。在分離過程中，本發(fā)明回收從空氣中吸收的幾乎全部熱量?，F有技術以保持所需氣體呈液狀來丟失能量，或將輸入氣體不需要的部分以冷態(tài)排放到大氣中的形式廢棄能量，而沒有回收帶走的能量。盡管在現有技術的其他機器中對流熱交換器為眾所周知，但對流熱交換器是本發(fā)明的一非常重要的組成部分。這里，從系統排出的氣體，如O2和N2(與其他的空氣組分一起)，理想地來說，應當處于室溫下，這樣，進入本系統的吸入空氣中的所有熱量由排出的氣體帶走，也就是說，它們冷卻(或“預冷”)吸入的空氣。
因此，低溫冷卻機所需冷卻則達最小，僅限于去除無用熱量，如通過周圍保溫層的輻射和傳導、無用的熱能回收、將空氣在系統中推進的功以及在低溫冷卻機內的損失。
雖然本文已經詳細揭示了本發(fā)明的一些較佳實施例，但應當理解，在不脫離本發(fā)明的精神或如下權利要求的范圍內，可以作出各種變型。
權利要求
1.一種從空氣中分離氧氣以及提供大氣壓下氧氣使用的裝置，其特征在于，所述裝置包括(a)一密封氣體的容器；(b)一環(huán)境空氣輸入端，其包括從大氣通到所述容器的環(huán)境空氣入口通路；(c)一低溫冷卻機，其在容器中有一冷卻表面，可以直接冷凝空氣中氧氣，低溫冷卻機有一控制系統，將冷卻表面的溫度冷卻到高于氮氣的沸點及不高于氧氣的沸點溫度，使容器內的空氣中氧氣冷凝；(d)一液體/氣體分離機，其與容器連接，收集從冷卻表面滴下的液態(tài)氧并使液體與留在容器內的殘留氣體分離；(e)一氧氣輸出端，其包括一與分離機的液體輸出端連接的氧氣出口通路，使氧氣從容器中直接排出；(f)一殘留氣體輸出端，其包括一與分離機的氣體輸出端連接的一殘留氣體出口通路，使容器中的殘留氣體以基本上大氣壓下排出；(g)一通風機，其通過環(huán)境空氣入口通路、殘留氣體通路和容器推動空氣，通風機維持小于1巴壓力的梯度；和(h)一熱交換器，其有至少兩條由一氣體密封、熱傳導的壁分開的通路，將第一通路中的氣體的熱量傳遞至第二通路的氣體，第一熱交換器通路連接在空氣輸入通路中，第二通路連接在殘留氣體輸出通路中，將熱量從吸入的空氣傳遞至排出的殘留氣體。
2.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，將所述的熱交換器作為連接成對流熱交換器。
3.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述的裝置還包括一在環(huán)境空氣輸入端中的液體/氣體分離機，通過熱交換器中熱傳遞使空氣中冷凝的水分與吸入的空氣分離。
4.如權利要求2所述的裝置，其特征在于，所述的熱交換器還包括一由一氣體密封的熱傳導壁與第一通路分開以及由一密封壁與第二通路分開的第三通路，第三熱交換器通路連接在氧氣輸出通路中，使熱量從吸入的環(huán)境空氣傳導至排出的氧氣。
5.如權利要求4所述的裝置，其特征在于，所述的熱交換器連接成對流熱交換器。
6.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述的壓力梯度小于1psi。
7.如權利要求6所述的裝置，其特征在于，所述的壓力梯度基本不超過0.33psi。
8.如權利要求1或2或3或4或5或6或7所述的裝置，其特征在于，所述的裝置還包括一水通路，與所述的熱交換器第一通路相通連接，使在環(huán)境空氣入口通路中冷凝的水排出。
9.如權利要求8所述的裝置，其特征在于，所述的水通路與輸出通路之一連接，使水回到排出的空氣中。
10.如權利要求8所述的裝置，其特征在于，一溫度傳感器和一加熱器與水通路或熱交換器連接，且與一熱控制系統連接，將水溫維持在冰點以上。
11.如權利要求1或2或3或4或5或6或7所述的裝置，其特征在于，所述的低溫冷卻機是一自由活塞斯特靈低溫冷卻機。
12.如權利要求11所述的裝置，其特征在于，所述的低溫冷卻機的功率基本不超過2千瓦。
13.一種從空氣中直接冷凝分離氧氣的方法，其特征在于，所述的方法包括以下的步驟(a)使一密閉容器內一表面冷卻到高于氮氣的沸點及不高于氧氣的沸點的溫度；(b)迫使大氣中空氣進入容器內，接觸所述的表面，然后從容器中排出，排出的氣體壓力比環(huán)境大氣壓高不到1巴的壓力；(c)收集從冷卻表面滴下的冷凝氧滴，使氧氣與容器中的氣體分離；和(d)通過把熱量從吸入的空氣傳遞到自容器外流的未冷凝的氣體，冷卻吸入的空氣，以及冷凝吸入的空氣中的水分。
14.如權利要求13所述的方法，其特征在于，所述的方法還包括通過把熱量從吸入的空氣傳遞給分離的氧氣，冷卻吸入的空氣，以及冷凝吸入的空氣中的水分。
15.如權利要求13所述的方法，其特征在于，所述的方法還包括在將熱量從容器中外流氣體中傳遞之前，通過將熱量從冷凝的水傳遞至吸入的空氣，冷卻吸入的空氣。
16.如權利要求13所述的方法，其特征在于，所述的方法還包括將從冷卻表面吸收的熱量傳遞給密封容器中排出的氣體。
17.如權利要求13所述的方法，其特征在于，所述的方法還包括使冷凝的水分蒸發(fā)到容器中排出的氧氣中。
18.如權利要求13所述的方法，其特征在于，所述的方法還包括用足夠的熱量加熱冷凝的水分，以防水結冰。
19.如權利要求13所述的方法，其特征在于，所述的排出氣體的壓力小于1psi。
20.如權利要求13所述的方法，其特征在于，所述的排出氣體的壓力基本上不超過0.33psi。
全文摘要
本發(fā)明涉及從空氣中直接分離氧氣的裝置和方法，該裝置和方法在基本上大氣壓下操作以及回收冷卻吸入空氣的能量。一環(huán)境空氣輸入端從大氣中伸入壓縮空氣的容器。一低溫冷卻機在容器中有一冷卻表面，其在基本上大氣壓下直接冷凝空氣中的氧氣。對于冷凝氧氣，低溫冷卻機使冷卻表面冷卻到高于氮氣的沸點但不高于氧氣的沸點的溫度。一液體/氣體分離機使液態(tài)氧通過分離輸出端從殘留的氣體中流出。在基本上大氣壓下用一通風機迫使空氣通過系統。熱交換器通過將熱量從吸入的空氣傳遞到排出的氣體回收冷卻的能量并將吸入的空氣除濕。
文檔編號F25J3/00GK101027527SQ200580032343
公開日2007年8月29日 申請日期2005年6月8日 優(yōu)先權日2004年8月3日
發(fā)明者R·Z-M·昂格爾 申請人:圣波爾股份有限公司