專利名稱：基于膜的壓縮空氣呼吸系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
發(fā)明大體涉及基于膜(mebrane-based)的壓縮空氣呼吸系統(tǒng)和方法。更具體地， 本發(fā)明涉及例如利用凈化外部清除氣流的膜分離器。
背景技術：
在現有技術中已知，具有在包括呼吸空氣系統(tǒng)、食品包裝、制藥實驗室和集成電路制造中的多種用途的壓縮空氣可以被處理以去除污染物和水蒸氣。壓縮呼吸空氣(CBA)可以通過呼吸空氣凈化系統(tǒng)(BAPS)產生。BAPS可以為了兩個主要功能而采用(i)脫水以從未處理的空氣去除過量的水分；和(ii)凈化以從未處理的空氣去除固體顆粒、油氣溶膠和烴蒸氣。BAPS的凈化功能還可以被配置為將一氧化碳轉化為二氧化碳。便攜且穩(wěn)定的BAPS可以被用于向面具、頭盔和頭罩供應純凈的CBA。CBA系統(tǒng)可以被用于對參與像救火、噴砂、噴漆、化學溢出物清掃、焊接、磨削、管和罐清潔以及反復暴露于能夠對健康構成威脅的未處理空氣的相似活動的工人提供呼吸質量的空氣。聯邦條例要求CBA被使用在未處理的空氣可能立即產生身體不適、在反復暴露后產生慢性中毒、或在長期暴露后產生極為有害的生理癥狀的環(huán)境中。傳統(tǒng)的BAPS通常利用干燥器或冷卻干燥器技術以使壓縮空氣脫水。這些裝置均不是非常便攜的并需要電控或復雜且昂貴的氣動控制來操作。期望提供具有增強的便攜性和減小的制造成本同時消除對任何外部功用(除了壓縮空氣之外)的需要同時從壓縮空氣去除水、液態(tài)油、油蒸汽、一氧化碳和可發(fā)覺的氣味的BAPS。此外，一些傳統(tǒng)的BAPS，比如利用干燥劑干燥器的BAPS，需要清除(吹掃)空氣以有效地運行。如果該清除空氣從先于系統(tǒng)中空氣凈化的的部位取得，則清除空氣可能包含致命污染物，比如一氧化碳。清除空氣隨后被從系統(tǒng)排出到周圍環(huán)境中，潛在地將環(huán)境污染。期望提供產生技術安全規(guī)程和勞動保護條例(OSHA)中D級質量的呼吸空氣且不會污染系統(tǒng)的安裝區(qū)域或周圍環(huán)境的BAPS。

發(fā)明內容
上述需要通過本發(fā)明被很大程度上滿足，其中在一個實施例中呼吸空氣凈化系統(tǒng)可以被利用以通過不會污染BAPS的安裝區(qū)域的膜清除排氣氣流來提供OSHA中D級質量的呼吸空氣。該改進的BAPS通過利用帶有純凈的外部清除氣流的膜干燥器來實現。清除入口設在催化劑過濾器處理之后的膜干燥器的下游，該催化劑過濾器從清除入口氣流去除一氧化碳(CO)。在發(fā)明的示例實施例中，可以使用具有不包含一氧化碳的清除氣流的呼吸空氣凈化裝置。使用膜干燥器將水蒸氣從壓縮空氣氣流去除，膜干燥器包括具有滲透部分和非滲透部分的膜、容納該膜的膜外殼、連接到膜的膜原料入口導管和流體連接到膜的非滲透部分的非滲透氣體出口導管。膜的中間部分的輸送管可以被用于將一部分非滲透產品氣體從膜的非滲透部分輸送到非滲透氣體出口導管。在一些實施例中，過濾器安裝支架被用于安裝膜分離部件。為了能夠提供外部清除氣流，膜外殼可以具體表現為“T型”過濾器外殼。用于清洗膜干燥器的外滲透部分的清除氣流可以從催化劑過濾器取得。該催化劑過濾器包括含有催化劑床的濾筒、將濾筒保持在催化劑床外殼內并具有出口孔的兩個端件、連接到催化劑床的催化劑入口導管和連接到出口孔的產品氣體出口導管。在一些實施例中，催化劑過濾器包括濕度計和塞緊口，塞緊口用于由使用者選擇性添加一氧化碳監(jiān)測裝置。
在示例實施例中，清除入口管或導管提供從催化劑過濾器部件到膜的滲透部分的氣體連接。因此，基本上不含有一氧化碳的清除氣體氣流從催化劑過濾器部件流動到膜分離部件。呼吸空氣凈化裝置還可以包括膜外殼內的清除入口導管。呼吸空氣凈化裝置可以進一步包括用于計量進入膜的滲透部分的氣體量的清除節(jié)流口。在一些實施例中，過濾器安裝支架被用于安裝催化劑過濾器部件。在發(fā)明的一些實施例中，清除過濾器，比如燒結青銅過濾器，被流體連接到清除入口管。在示例實施例中，管螺紋的催化劑配件與催化劑床外殼相交而形成配合密封，并且適配器配件保持催化劑配件的管螺紋與清除入口管之間的連接。在發(fā)明的一些實施例中，預過濾器可被用于在壓縮空氣在膜干燥器中被處理之前處理壓縮空氣。如此，BAPS可以包括位于膜分離部件上游的至少一個預過濾器。呼吸空氣凈化裝置可進一步包括位于催化劑過濾器下游的活性碳過濾器和位于活性碳過濾器下游的微粒過濾器。在發(fā)明的示例實施例中，可以提供一種具有不含有一氧化碳的清除氣流的呼吸空氣凈化裝置，該呼吸空氣凈化裝置包括膜分離機構，該膜分離機構具有分離機構，用于將滲透部分從非滲透部分分離；容納機構，用于容納所述分離機構；原料入口機構，用于將原料氣體運送到所述裝置中；和非滲透產品氣體出口機構，用于將非滲透產品氣體運送出所述膜分離機構。所述裝置可進一步包括催化劑過濾器機構，該催化劑過濾器機構具有濾筒機構，用于容納催化劑床；端件機構，用于將所述濾筒保持在催化劑床外殼內并具有用于將催化劑處理后的出口氣體運送出所述催化劑過濾器的出口機構；和催化劑入口機構，用于將所述非滲透產品氣體引入到所述催化劑床中。所述裝置還包括清除入口機構，用于提供從所述催化劑過濾器部件到膜的滲透部分的氣體連接。在本發(fā)明的實施例中，一種使用呼吸空氣凈化裝置的方法包括使用膜分離部件將水蒸氣從壓縮空氣氣流去除，包括將所述壓縮空氣氣流運送到所述裝置中；將滲透部分從所述壓縮空氣氣流的非滲透部分分離；和將非滲透氣體運送出所述膜分離部件。所述方法還包括使用催化劑過濾器將一氧化碳從所述非滲透氣體去除，通過使用端件將濾筒保持在催化劑床外殼內，所述端件具有用于將催化劑處理后的氣體運送出所述催化劑過濾器部件的出口孔；和將所述非滲透氣體引入收容在所述濾筒內的催化劑床中。最后所述方法可以包括將所述催化劑處理后的氣體從所述催化劑過濾器部件經由清除入口導管輸送到所述膜的所述滲透部分，使得所述催化劑處理后的氣體基本不含有一氧化碳。在此相對寬泛地勾畫出了發(fā)明的特定實施例以使本發(fā)明的詳細說明可以被更好地理解，且可以更好地認識到本發(fā)明對現有技術的貢獻。當然還有將在以下說明且將形成所附權利要求的主題的發(fā)明的附加實施例。為此，在詳細解釋發(fā)明的至少一個實施例前，應該理解的是本發(fā)明不將其應用限于以下說明中列舉的或附圖中示出的構造細節(jié)或部件布局。發(fā)明能夠是所描述的實施例之外的以各種方式實踐和實施的實施例。而且，應該理解的是，本文所采用的措辭和術語以及摘要是為了說明的目的而不應被認為是為了限制。如此，本領域技術人員將認識的是，本公開基于的構思可以被容易地利用作為執(zhí)行本發(fā)明的若干目的的其他結構、方法和系統(tǒng)的基礎。因此，重要的是，權利要求被認為包含在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內的這種等效結構。


圖1是示出根據本發(fā)明的示例實施例的呼吸空氣凈化系統(tǒng)的平面圖。圖2提供圖1的呼吸空氣凈化系統(tǒng)的剖視圖。
具體實施例方式發(fā)明的示例實施例可以被用于防止呼吸空氣凈化系統(tǒng)(BAPS)的安裝區(qū)域受到污染。根據本發(fā)明的BAPS可以為基于膜的以允許更加緊湊和省電的脫水工藝。發(fā)明的示例實施例利用需要清除空氣(sweep air)的干燥劑或膜。例如，為了從膜纖維吸收水蒸氣，膜干燥器使用干燥的壓縮空氣的一部分來沖刷來自中空纖維的外側/滲透側的水蒸氣，并由此清除膜的水蒸氣。在發(fā)明的示例實施例中，清除空氣在干燥空氣在催化劑床中被處理后從系統(tǒng)中的一部位取得，在催化劑床中的處理將致命的一氧化碳(CO)轉化為二氧化碳。隨后該基本不含有CO的清除空氣可以被安全地從系統(tǒng)排放到周圍環(huán)境中，而不對環(huán)境造成污染。下面將參照附圖對發(fā)明進行說明。圖1是示出根據本發(fā)明的示例實施例的呼吸空氣凈化系統(tǒng)(BAPS)的平面圖。如圖1中所示，基于膜的BAPSlO的示例實施例可以包括(i) 兩個入口預過濾器12a、12b，用于去除大團液體，主要是水和油；(ii)膜分離部件比如膜干燥器15，用于減小壓縮空氣的相對濕度；(iii)催化劑過濾器20，用于將存在的任何一氧化碳轉化為二氧化碳；(iv)活性碳過濾器25，用于吸收油蒸汽和可發(fā)覺的氣味；(ν)微粒過濾器30，用于捕捉任何混入的微小催化劑或碳細粒；以及(vi)選擇性過濾器安裝支架32。圖2提供圖1的基于膜的BAPSlO的剖視圖。使用膜干燥器15來清潔壓縮空氣去除了污染物和水蒸氣并且還降低了其露點，露點是為了使水蒸氣組分凝結成水而使空氣在恒定大氣壓力下必須被冷卻到的溫度。膜干燥器15可以被用于將相對濕度降低至3%或更低。壓縮空氣可以移動通過被特別設計用于去除水蒸氣的包括一束中空纖維的膜37。由此，當壓縮空氣穿過膜37時，水蒸氣被吸收到纖維的內側上并迅速穿過到膜37的外層。膜束居中配件39起使膜束37在其外殼60內居中的作用。在本發(fā)明的示例實施例中，包含水蒸氣和其他雜質的壓縮空氣通過入口氣流Is進入BAPS。傳統(tǒng)的預過濾器可以被用于在壓縮空氣在膜干燥器15中被處理之前對壓縮空氣進行處理。入口氣流Is進入去除大團液體和微粒的第一預過濾器12a。第一預過濾器12a 包括設計用于承受高液體負載的過程過濾元件(course filter element) 47a。液體經由漂浮式排水器49a從預過濾器1 排放。氣流隨后進入以更高的效率去除液體和微粒的第二預過濾器12b。第二預過濾器12b包括能夠去除懸浮塵粒的精細過濾元件47b。更多液體經由另一漂浮式排水器49b從預過濾器12b排放。模塊化連接套件50可被用于在BAPS的不同部件之間，比如第一預過濾器1 與第二預過濾器12b之間，形成密封。另外，每個預過濾器12a、12b包括壓差計53，以指示何時需要更換預過濾元件47a、47b。離開第二預過濾器的氣流隨后進入干燥器15的膜頭部55。壓縮空氣穿過容納在膜干燥器筒或殼60中的膜干燥器束37?？杀宦菪尉砝@的膜干燥器束37特別地被設計用于去除水蒸氣，并且在本發(fā)明的一個實施例中可以由一束中空纖維組成。水蒸氣分壓力差存在于膜干燥器中空纖維37的內側與膜干燥器中空纖維37的外側之間，使得水蒸氣將遷移到中空纖維37的外側。由此，當壓縮空氣穿過膜纖維的內側時， 水蒸氣被吸收到纖維壁的內側上并迅速穿過纖維壁到達膜纖維37的外部。干燥器15通過中空膜纖維的內側與外側之間的水蒸氣分壓力差來驅動。為了連續(xù)干燥氣體氣流，如以下進一步討論的，必須使用清除氣流來驅散(清掃)膜纖維37的外層的水蒸氣。干燥空氣團向上移動通過輸送管65并通過膜頭部55離開干燥器15。產品干燥空氣隨后進入催化劑過濾器20。催化劑過濾器20將一氧化碳(CO)與氧氣(O2)轉化為二氧化碳(CO2)。該轉化的化學反應為2C0+02 —C02。催化劑入口氣流必須為了催化劑過濾器20而干燥，以從氣流去除CO。為了監(jiān)測入口，濕度計70位于催化劑過濾器外殼74的頭部73處。濕度計70使用指示器凝膠測試催化劑過濾器20入口氣流，指示器凝膠在氣流干燥時為綠色而在存在水分時變?yōu)辄S色。干燥的氣流連續(xù)進入去除CO的催化劑床75。端件 77將容納催化劑床75的濾筒保持在其外殼79內。凈化的空氣氣流經由底部端件77中的出口孔離開催化劑床75。凈化空氣團隨后離開催化劑過濾器20的頭部73。在發(fā)明的一些實施例中，塞緊口 93可包括在催化劑過濾器20的頭部內，用于選擇性添加傳統(tǒng)的CO監(jiān)測裝置(未示出)?？諝鈿饬麟x開催化劑過濾器20的頭部73并進入活性碳過濾器25?；钚蕴歼^濾器 25包括填充有顆粒狀活性碳的過濾器元件85。該過濾器25被設計用于從空氣氣流去除可發(fā)覺的味道、油蒸汽和其他有機蒸汽。最后，氣流進入微粒過濾器30，微粒過濾器30具有設計用于捕獲可能在前兩個過濾步驟中進入氣流的任何催化劑或碳細粒。微粒過濾器30包括壓差計53，用于指示何時需要更換過濾器元件90。產品空氣氣流通過出口氣流Os離開 BAPS。在中空纖維膜氣體分離裝置中，比如在膜干燥器15中，清除氣體可被用于增加驅動所述系統(tǒng)的壓力差，增加產品空氣的干燥度并提高膜干燥器15的生產率。保持膜干燥器 15的脫水性能所需要的清除空氣從催化劑過濾器20的外殼的底部取得。小部分產品干燥空氣通過將膜干燥器15的可移除外殼的底部連接到催化劑過濾器20的底部的清除入口管 ；35被轉移。在本發(fā)明的示例實施例中，清除控制節(jié)流孔41可以被用于計量適當的清除空氣量。清除過濾器，比如燒結青銅過濾器45，可以被安裝在清除入口管35的催化劑過濾器端， 以確保沒有潛在地堵塞清除空氣控制節(jié)流孔的固體微粒能夠進入清除空氣控制節(jié)流孔41。 清除居中配件95被設計用于與底部束帽97對齊。清除空氣氣流動通過配件95，隨后沿著膜束纖維37的外表面99進行清除。催化劑配件102與催化劑過濾器20的外殼74相交而形成配合密封104。適配器配件105可被用于保持配件102的管螺紋與清除入口管35之間的連接。清除廢氣經由孔100離開束37并向下流動到排氣通氣閥107，排氣通氣閥107將清除廢氣排放到周圍環(huán)境中。在發(fā)明的示例實施例中，膜干燥器15被容納在“T型”過濾器外殼中，如此命名是因為其在外殼的頭部處具有入口導管和出口導管，并具有利用來自附接到外殼底部的外部來源的清除空氣的能力。由于清除入口氣流在再次進入膜干燥器15 之前被凈化，所以清除廢氣在被排放到周圍環(huán)境時基本不含有C0，因此凈化的清除廢氣不會污染環(huán)境。 通過詳細說明，本發(fā)明的許多特征和優(yōu)點是明顯的，因此所附權利要求意在覆蓋落入發(fā)明的實際的精神和范圍內的所有發(fā)明的這種特征和優(yōu)點。此外，由于本領域技術人員容易進行各種修改和變更，不期望將本發(fā)明局限于圖示和描述的確切的結構和操作，并且因此，所有適當的修改和等同方案可以被訴諸為落入發(fā)明的范圍內。
權利要求
1.一種呼吸空氣凈化裝置，包括 膜分離部件，包括膜，具有滲透部分和非滲透部分； 膜外殼，容納所述膜；和膜原料入口導管，連接到所述膜；和非滲透氣體出口導管，流體連接到所述膜的所述非滲透部分； 催化劑過濾器部件，包括 濾筒，包含催化劑床；兩個端件，將所述濾筒保持在催化劑床外殼內并具有出口孔； 催化劑入口導管，連接到所述催化劑床；和產品氣體出口導管，連接到所述出口孔；以及清除入口管，提供從所述催化劑過濾器部件到所述膜的所述滲透部分的氣體連接。
2.根據權利要求1所述的呼吸空氣凈化裝置，進一步包括用于計量進入所述膜的所述滲透部分的氣體量的清除節(jié)流孔。
3.根據權利要求1所述的呼吸空氣凈化裝置，進一步包括位于所述膜分離部件上游的至少一個預過濾器。
4.根據權利要求1所述的呼吸空氣凈化裝置，進一步包括在所述膜外殼內的清除入口導管。
5.根據權利要求1所述的呼吸空氣凈化裝置，進一步包括在所述膜的中心部分中用于將一部分非滲透產品氣體從所述膜的所述非滲透部分輸送到所述非滲透氣體出口導管的輸送管。
6.根據權利要求1所述的呼吸空氣凈化裝置，進一步包括位于所述催化劑過濾器下游的活性碳過濾器。
7.根據權利要求6所述的呼吸空氣凈化裝置，進一步包括位于所述活性碳過濾器下游的微粒過濾器。
8.根據權利要求1所述的呼吸空氣凈化裝置，其中所述催化劑過濾器包括濕度計裝置。
9.根據權利要求1所述的呼吸空氣凈化裝置，其中所述催化劑過濾器包括用于一氧化碳監(jiān)測裝置的塞緊口。
10.根據權利要求1所述的呼吸空氣凈化裝置，進一步包括附接到所述膜分離部件的過濾器安裝支架。
11.根據權利要求1所述的呼吸空氣凈化裝置，進一步包括附接到所述催化劑過濾器部件的過濾器安裝支架。
12.根據權利要求1所述的呼吸空氣凈化裝置，進一步包括流體連接到所述清除入口管的清除過濾器。
13.根據權利要求12所述的呼吸空氣凈化裝置，其中所述清除過濾器是燒結青銅過濾ο
14.根據權利要求1所述的呼吸空氣凈化裝置，其中所述膜外殼具體表現為“T型”過濾器外殼。
15.根據權利要求1所述的呼吸空氣凈化裝置，進一步包括管螺紋催化劑配件，該管螺紋催化劑配件與所述催化劑床外殼相交而形成配合密封。
16.根據權利要求15所述的呼吸空氣凈化裝置，進一步包括適配器配件以保持所述催化劑配件的所述管螺紋與所述清除入口管之間的連接。
17.根據權利要求1所述的呼吸空氣凈化裝置，其中基本不含有一氧化碳的清除氣體氣流從所述催化劑過濾器部件流動到所述膜分離部件。
18.—種呼吸空氣凈化裝置，具有不含有一氧化碳的清除氣流，該呼吸空氣凈化裝置包括膜分離機構，包括分離機構，用于將滲透部分從非滲透部分分離；容納機構，用于容納所述分離機構；原料入口機構，用于將原料氣體運送到所述裝置中；和非滲透產品氣體出口機構，用于將非滲透產品氣體運送出所述膜分離機構；催化劑過濾器機構，包括濾筒機構，用于容納催化劑床；端件機構，用于將所述濾筒保持在催化劑床外殼內并具有用于將催化劑處理后的出口氣體運送出所述催化劑過濾器機構的出口機構；和催化劑入口機構，用于將所述非滲透產品氣體引入到所述催化劑床中；以及清除入口機構，用于提供從所述催化劑過濾器部件到所述膜的所述滲透部分的氣體連接。
19.根據權利要求18所述的呼吸空氣凈化裝置，進一步包括用于計量進入所述滲透部分的氣體量的清除節(jié)流孔機構。
20.根據權利要求19所述的呼吸空氣凈化裝置，進一步包括用于將微粒從進入所述清除入口機構的氣體去除的清除過濾器機構。
21.根據權利要求18所述的呼吸空氣凈化裝置，進一步包括管螺紋催化劑配件機構， 該管螺紋催化劑配件機構用于與所述催化劑床外殼相交而形成配合密封。
22.根據權利要求21所述的呼吸空氣凈化裝置，進一步包括適配器配件機構以保持所述管螺紋催化劑配件機構與所述清除入口機構之間的連接。
23.一種使用呼吸空氣凈化裝置的方法，包括使用膜分離部件將水蒸氣從壓縮空氣氣流去除，包括 將所述壓縮空氣氣流運送到所述裝置中； 將所述壓縮空氣氣流的滲透部分與非滲透部分分離；和將非滲透氣體運送出所述膜分離部件；使用催化劑過濾器部件將一氧化碳從所述非滲透氣體去除，包括 使用端件將濾筒保持在催化劑床外殼內，所述端件具有用于將催化劑處理后的氣體運送出所述催化劑過濾器部件的出口孔；和將所述非滲透氣體引入收納在所述濾筒內的催化劑床中；以及將所述催化劑處理后的氣體從所述催化劑過濾器部件經由清除入口導管輸送到所述膜的所述滲透部分。
24.根據權利要求23所述的使用呼吸空氣凈化裝置的方法，進一步包括計量進入所述清除入口導管的氣體量。
25.根據權利要求23所述的使用呼吸空氣凈化裝置的方法，其中所述催化劑處理后的氣體基本不含有一氧化碳。
全文摘要
一種具有不含有一氧化碳的清除氣流的呼吸空氣凈化裝置和方法。水蒸氣被使用膜干燥器從壓縮空氣氣流去除，該膜干燥器包括具有滲透部分和非滲透部分的膜、容納所述膜的膜外殼、連接到所述膜的膜原料入口導管和流體連接到所述膜的所述非滲透部分的非滲透氣體出口導管。用于清潔所述膜干燥器的外滲透部分的清除氣流從催化劑過濾器取得。該催化劑過濾器包括包含催化劑床的濾筒、將所述濾筒保持在催化劑床外殼內并具有出口孔的兩個端件、連接到所述催化劑床的催化劑入口導管和連接到所述出口孔的產品氣體出口導管。清除入口管提供從所述催化劑過濾器部件到所述膜的所述滲透部分的氣體連接。
文檔編號F24F3/00GK102282425SQ200980154532
公開日2011年12月14日 申請日期2009年11月23日 優(yōu)先權日2008年12月11日
發(fā)明者蒂莫西·J·?？怂? 馬克·F·霍納斯 申請人:Spx公司