ES2288880T3 - Produccion de oxigeno liquido. - Google Patents

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Alexey M. Arkharov
Leslie C. Kun
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Abstract

Un aparato (100) para licuar y almacenar un gas enriquecido, recibiendo dicho aparato un gas de alimentación desde una fuente de gas de alimentación y comprende un tubo de alimentación de gas (212, 530) que presenta un orificio de entrada para recibir dicho gas de alimentación desde dicha fuente de alimentación de gas y un orificio de salida, en el que dicho aparato incluye un criorrefrigerador (202, 302, 502) que posee un dedo frío (308, 512) y un conjunto intercambiador de calor, en el cual dicho gas de alimentación se entrega desde dicho orificio de salida hasta dicho conjunto intercambiador de calor (204, 304, 504) y en el que dicho gas de alimentación se enfría mediante dicho conjunto e intercambiador de calor para formar un condensado, en el que por lo menos una parte de dicho conjunto intercambiador de calor está interconectada térmicamente con dicho dedo frío (308, 512); comprendiendo además dicho aparato un subsistema aislante (206, 306, 506), en el cual dicho subsistema aislante comprende un termo (106, 234, 324, 510), caracterizado porque dicho subsistema aislante comprende además: un elemento aislante (232, 322) que presenta unos primer y segundo extremos abiertos, en el que dicho primer extremo de dicho elemento aislante rodea por lo menos una parte de una periferia de dicho conjunto intercambiador de calor (204, 304, 504) y una longitud de dicho elemento aislante se extiende más allá de un extremo de dicho conjunto intercambiador de calor; presentando dicho termo (dewar) un extremo abierto en comunicación con dicho segundo extremo de dicho elemento aislante.

Description

Producción de oxígeno líquido.
Campo de la invención
La presente solicitud se refiere a un aparato para licuar y almacenar gas enriquecido según el preámbulo de la reivindicación 1. Tal aparato es conocido por la patente WO-A-9858219.
Antecedentes de la invención
La licuefacción de gases de bajo punto de ebullición, tales como aire y los componentes del aire tales como oxígeno, nitrógeno y argón, lleva practicándose durante más de 100 años, y la licuefacción de tales gases en escala industrial lleva practicándose desde principios del siglo veinte. Normalmente, los licuefactores comerciales están diseñados para producir centenares de toneladas de criógenos líquidos al día. Tales licuefactores industriales son fiables y son capaces de producir gas licuado con un rendimiento energético relativamente elevado. Para consumidores de gas licuado que precisan de cantidades relativamente pequeñas, se llenan pequeños contenedores aislantes, conocidos como termos (bombonas de Dewar), de gas licuado producido por instalaciones comerciales y transportado hasta el consumidor. Como consumidores de pequeñas cantidades de gas licuado se incluyen los hospitales, que precisan de oxígeno para administración a pacientes, y nitrógeno para uso como refrigerante. Igualmente, a las personas que padecen insuficiencia respiratoria crónica a la que sus médicos han recetado oxígeno en casa se les puede entregar en sus domicilios oxígeno licuado.
Sin embargo, el coste de distribución de pequeñas cantidades de gas licuado es relativamente elevado. Asimismo, se deben realizar entregas frecuentes de gases licuados por las pérdidas debidas al calentamiento y pérdidas por evaporación final de gas licuado almacenado en los contenedores. Por lo tanto, existe la necesidad de un licuefactor capaz de producir eficazmente gas licuado en el punto de utilización. Por ejemplo, existe la necesidad de un licuefactor capaz de producir en el intervalo de 0,4 a 5 kilogramos al día de oxígeno líquido para el uso en una residencia de un paciente con oxígeno, o cantidades semejantes de nitrógeno líquido para el uso en consultorios médicos o en laboratorios, en los que se puede usar para congelar lesiones de piel o refrigerar muestras biológicas.
Los intentos de proporcionar un licuefactor de tales características implicaron inicialmente esfuerzos para miniaturizar instalaciones de licuefacción en gran escala. Sin embargo, debido a la complejidad de tales sistemas, los cuales están basados normalmente en el ciclo de Claude o sus variantes, estos intentos fracasaron. Igualmente, los componentes mecánicos extremadamente pequeños resultantes de la miniaturización de tales licuefactores fueron costosos en su producción y poco fiables en su funcionamiento.
En los últimos años se han desarrollado criorrefrigeradores de forma intensiva. Inicialmente se desarrollaron criorrefrigeradores para uso militar, en aplicaciones tales como para refrigeración de sensores de infrarrojo, chips de semiconductores, electrónica de las microondas, aplicaciones de superconductividad a elevadas temperaturas, amplificadores de fibra óptica, etc. Los criorrefrigeradores desarrollados para estas aplicaciones han funcionado en un intervalo de temperaturas de desde aproximadamente 20K hasta 150K y su potencia frigorífica se ha extendido desde menos de un vatio hasta más de 100 vatios. Para tales aplicaciones militares, se ha requerido que los criorrefrigeradores tengan características particulares. Por ejemplo, en algunas aplicaciones es importante un enfriamiento rápido. En otras aplicaciones, son deseables ruido y vibración bajos. Igualmente, en ciertas aplicaciones, por ejemplo aquéllas utilizadas en relación con dispositivos electrónicos, es importante una regulación precisa de la temperatura de la cabeza refrigerante. Asimismo, determinadas aplicaciones se han dedicado a impedir la formación de helada sobre la envolvente aislante y la entrada de humedad en los componentes refrigerantes. Asimismo, los criorrefrigeradores desarrollados para las aplicaciones militares anteriormente descritas se han previsto con su entrada de calor en o cerca del punto de más baja temperatura del criorrefrigerador. Por ejemplo, el componente destinado a enfriarse se ha fijado normalmente al punto frío (el "dedo frío") del criorrefrigerador, transfiriendo calor directamente a ese componente, con pérdidas de conducción mínimas. Sin embargo, para usar en pequeña escala licuefactores de gas, no son necesarias características tales como control preciso de temperatura y enfriamiento rápido, y sólo sirven para incrementar el coste del dispositivo. Igualmente, el enfriamiento puntual es ineficaz a efectos de uso para licuar gases.
Respecto a la necesidad de cantidades de oxígeno relativamente pequeñas pero constantes por parte de pacientes sometidos a terapia con oxígeno, han existido varias formas en las que se han satisfecho las necesidades de tales pacientes. El procedimiento más común para que pacientes de terapia con oxígeno reciban oxígeno es a través de entregas regulares de oxígeno producido en una instalación comercial. El oxígeno se puede entregar bien como gas a presión, bien como líquido. Cuando se entrega como gas a elevada presión, el oxígeno presenta un peligro, dada la alta presión a la que está almacenado y porque el oxígeno es altamente reactivo. El oxígeno entregado como líquido está sujeto a pérdidas -resultantes de la pérdida por evaporación-, que tienen lugar debido al calentamiento inevitable con el tiempo del gas licuado. Dado que tales pérdidas tienen lugar incluso cuando se usan contenedores especialmente aislantes, o termos (bombonas de Dewar), las entregas de oxígeno líquido nuevo se deben realizar con una frecuencia semanal.
También se conoce proporcionar dispositivos que extraen o concentran oxígeno que se halla en el aire ambiental. Estos dispositivos obvian la necesidad de almacenar un material potencialmente peligroso. Sin embargo, normalmente estos dispositivos no son portátiles y por lo tanto una persona sometida a oxigenoterapia continua debe seguir dependiendo de oxígeno que ha sido "embotellado" comercialmente para poder salir de su domicilio. Tal dependencia ha sido necesaria dado que, aunque se conocen concentradores de oxígeno que tienen una capacidad de producción mayor que las necesidades de pacientes con oxígeno, no ha existido un aparato y un procedimiento disponible para producir y almacenar oxígeno líquido en un domicilio.
Por las razones anteriormente expuestas, sería ventajoso proporcionar un procedimiento y un aparato para producir y almacenar cantidades relativamente pequeñas de gas licuado en la ubicación donde ha de utilizarse el gas licuado. En particular, sería ventajoso proporcionar un procedimiento y un aparato para licuar oxígeno producido en un domicilio de un paciente de oxigenoterapia. Asimismo, sería ventajoso proporcionar un procedimiento y un dispositivo tales que tengan una explotación económica y sean fiables. La única solución con repercusión a este problema emana de la patente WO9858219.
Resumen de la invención
La invención se refiere a un aparato según la reivindicación 1 y un procedimiento según la reivindicación 5.
De acuerdo con la presente invención, se proporciona un sistema para licuar gas a escala relativamente pequeña. El sistema desvelado incluye un criorrefrigerador, un conjunto intercambiador de calor y un subsistema aislador. El sistema funciona mediante enfriamiento de un gas de alimentación hasta un punto por debajo de la temperatura de ebullición de ese gas de alimentación, y almacenamiento del condensado líquido resultante.
El criorrefrigerador puede operar según uno cualquiera de cierto número de ciclos termodinámicos de sobra conocidos. El dedo frío del criorrefrigerador está asociado al conjunto intercambiador de calor, el cual recibe el gas de alimentación entrante. En una forma de realización preferida, el conjunto intercambiador de calor incluye un intercambiador sensible al calor que presenta unas aletas de enfriamiento u otros medios para incrementar el área de la superficie del conjunto intercambiador de calor refrigerado por el dedo frío del criorrefrigerador. Esto aumenta al máximo el contacto con el gas de alimentación entrante, incrementando la eficacia refrigerante del dispositivo. El subsistema aislante se extiende generalmente alrededor de la periferia del conjunto intercambiador de calor, aislando este conjunto de la temperatura ambiente. De esta manera, los componentes fríos del dispositivo quedan aislados de pérdidas a la atmósfera. El subsistema aislante incluye además un espacio de almacenamiento aislante, tal como un termo (dewar) de almacenamiento, destinado a la recogida y el almacenamiento del condensado líquido producido en el conjunto intercambiador de calor.
El sistema desvelado se puede adaptar, en una forma de realización preferida, para proporcionar oxígeno licuado para el uso en un domicilio de un paciente que precisa oxígeno. En consecuencia, el sistema desvelado está particularmente bien adaptado para producir desde aproximadamente 0,4 hasta 5 kilogramos al día de oxígeno líquido. Adicionalmente, el sistema descrito puede estar provisto de medios para transferir a otros dispositivos gas licuado producido por el sistema, tales como termos (dewars) de almacenamiento portátiles. En consecuencia, al usarse para producir oxígeno licuado, el condensado así producido se puede transferir a termos (dewars) de almacenamiento portátiles, para permitir que el paciente de oxigenoterapia lleve consigo un suministro de oxígeno cuando sale de su domicilio.
El procedimiento y aparato desvelado proporciona un medio económico para producir gases licuados a una escala relativamente pequeña. A tal efecto, el sistema proporciona un aparato que es relativamente sencillo desde el punto de vista mecánico, de ensamblaje económico y fácil de usar. La utilización del sistema desvelado también evita la necesidad de tener que entregar oxígeno líquido u otros gases licuados en el punto de utilización, lo que se ha probado ineficaz en cuanto a costes de transporte y a pérdidas debidas a la evaporación causada por el calentamiento inevitable del gas licuado entre la producción y el uso final. En consecuencia, al producir el gas licuado en el punto de utilización, se elimina la necesidad de transportar gas licuado y se reduce el tiempo que debe estar almacenado el gas licuado antes de su uso.
Basándose en el resumen precedente, se distinguen fácilmente cierto número de características destacadas de la presente invención. Se proporciona un procedimiento y un aparato para licuar pequeñas cantidades de gas. La invención permite la producción de gas licuado en un entorno residencial o de negocios, previendo la producción de gas licuado por demanda y obviando la necesidad, por parte de los usuarios que tienen una exigencia de un suministro de gas licuado pequeño pero constante, de recibir entregas regulares y frecuentes de tal gas procedentes de productores externos.
A partir de la siguiente descripción se desprenderán claramente ventajas suplementarias de la presente invención, especialmente al considerarla junto con los dibujos que se adjuntan.
Breve descripción de los dibujos
La Fig. 1 representa el uso de una versión bimodular del sistema de producción de gas licuado por un paciente que precisa oxígeno en casa;
la Fig. 2 es una representación esquemática del subsistema criogénico de la presente invención;
la Fig. 3 es una representación parcial de los componentes principales de un subsistema criogénico según una forma de realización de la presente invención;
la Fig. 4 es una representación esquemática del flujo de gases y líquidos a través del subsistema criogénico de la presente invención;
la Fig. 5 es una representación parcial de los componentes principales de una forma de realización del subsistema criogénico de la presente invención;
la Fig. 6 es una representación esquemática de las válvulas reguladoras y los pasos de flujo asociados al uso del sistema desvelado.
Descripción detallada
De acuerdo con la presente invención, se proporciona un procedimiento y aparato para producir y almacenar oxígeno líquido en un domicilio de un paciente que precisa oxígeno.
Con referencia a la Fig. 1, se representa una forma de realización de un sistema (100) de producción y almacenamiento de oxígeno líquido en un domicilio de un paciente que necesita oxígeno. El sistema (100) incluye un subsistema de concentración de oxígeno (102) para producir un gas enriquecido con oxígeno a partir del aire ambiental y un subsistema criogénico (104) para licuar y almacenar oxígeno proporcionado por el concentrador de oxígeno (102). El subsistema criogénico (104) puede incluir un termo (dewar) de almacenamiento portátil (106), el cual permite al paciente que precisa oxígeno transportar oxígeno licuado producido por el sistema (100) cuando el paciente está lejos de casa. Aunque se represente el sistema (100) en la Fig. 1 como un sistema bimodular, también se puede proporcionar en un único armario.
Con referencia ahora a la Fig. 2, se representan esquemáticamente los componentes principales del subsistema criogénico (104) y su interconexión con el subsistema de concentración de oxígeno (102). Estos componentes incluyen por lo general un criorrefrigerador (202), un conjunto intercambiador/condensador de calor (204) y un subsistema aislante (206). En una forma de realización preferida, la configuración del subsistema criogénico (104) es tal y como se ilustra en la Fig. 2, con el criorrefrigerador (202) en la parte superior y el subsistema aislante (206) debajo y rodeando al conjunto intercambiador/condensador (204) de calor.
Un gas de alimentación enriquecido con oxígeno se alimenta al subsistema criogénico (104) mediante el subsistema concentrador (102). En la configuración ilustrada en la Fig. 2, el gas de alimentación enriquecido con oxígeno se alimenta a un filtro final (208) mediante un conducto (210). Desde el filtro final (208) se alimenta el gas de alimentación enriquecido con oxígeno al conjunto intercambiador/condensador (204) de calor, del subsistema criogénico (104) mediante un tubo de gas de alimentación (212). El gas enriquecido con oxígeno se enfría y licua en el conjunto intercambiador/condensador (204) de calor. Los gases de desecho y la porción evaporada salen del subsistema criogénico (104) a través del conducto de descarga (218).
En la Fig. 2 se ilustran igualmente medios para mejorar la potencia frigorífica del criorrefrigerador (202). Estos incluyen un sistema de refrigeración por compresión de vapor (220) presenta un evaporador (222) envuelto alrededor del área de rechazo del calor (224) del criorrefrigerador (202). Adicionalmente, el criorrefrigerador (202) puede estar provisto de aletas de enfriamiento (226) para ayudar en la eliminación del calor residual del criorrefrigerador (202). Se puede proporcionar un ventilador (228) para dirigir una corriente de aire sobre las aletas de enfriamiento (226), aumen-
tando más el rechazo del calor, incrementando con ello la eficacia y la potencia frigorífica del criorrefrigerador (202).
El subsistema aislante (206) sirve para aislar el conjunto intercambiador/condensador (204) de calor del entorno exterior y para proporcionar un espacio aislado de almacenamiento destinado a almacenar el condensado (230) producido a partir del enfriamiento del gas de alimentación en el conjunto intercambiador/condensador (204) de calor. Como se ilustra en la Fig. 2, el subsistema aislante (206) puede incluir un elemento superior aislante (232) así como un termo (dewar) aislado (234). El elemento aislante (232) incrementa la eficacia y la potencia frigorífica del dispositivo, aislando del aire ambiental los componentes fríos del criorrefrigerador (202) y el conjunto intercambiador/condensador (204) de calor. El termo (dewar) de almacenamiento (234) recoge y almacena el condensado frío (230) producido a partir del gas de alimentación. El termo (dewar) de almacenamiento puede ser cualquier contenedor térmicamente aislado. De acuerdo con una forma de realización, el termo de almacenamiento (234) es un contenedor de vidrio para almacenamiento con aislamiento por vacío de 1,8 litros.
Con referencia ahora a la Fig. 3, se ilustra una sección transversal parcial de partes del subsistema criorrefrigerador (104) según una primera forma de realización (300). Como con el sistema anteriormente descrito, los componentes principales del subsistema criorrefrigerador (300) son un criorrefrigerador (302), un conjunto intercambiador de calor (304) y un subsistema aislante (306). De acuerdo con la forma de realización del subsistema criorrefrigerador ilustrado en la Fig. 3, los componentes están dispuestos por lo general verticalmente, con el criorrefrigerador (302) en la parte superior, el conjunto intercambiador de calor (304) en general por debajo del criorrefrigerador (302), y el subsistema aislante (306) debajo del y rodeando al conjunto intercambiador de calor (304). Esta configuración ayuda por lo general en la producción y recogida de un condensado enriquecido con oxígeno según se describe a continuación de forma más completa.
El criorrefrigerador (302) incluye por lo general un dedo frío (308) y un área de rechazo del calor (310). El área de rechazo del calor (310), en la forma de realización ilustrada, está rodeada por el evaporador (312) de un refrigerador por compresión de vapor (no mostrado en la Fig. 3), que se mantiene contra el área de rechazo del calor (310) mediante una abrazadera (314). El refrigerador por compresión de vapor se usa para hacer descender la temperatura del área de rechazo del calor (310) del criorrefrigerador (302) a aproximadamente -15ºC hasta -5ºC, mejorando la capacidad de refrigeración del criorrefrigerador (302), impulsando la eliminación del calor del área de rechazo del calor (310). Se puede ayudar al flujo del calor procedente del área de rechazo del calor (310) hasta el evaporador (312) mediante el uso de una grasa termoconductora, reduciendo el obstáculo al flujo de calor debido a la resistencia de contacto. El rechazo del calor del área de rechazo del calor (310) se puede mejorar más proporcionando un espacio anular alrededor del área de rechazo del calor (310) en el que llevar a ebullición el refrigerante del refrigerador por compresión de vapor. La transferencia térmica hasta el refrigerante se podría mejorar más usando una superficie sinterizada porosa o una superficie ranurada para el área de rechazo del calor (310), según es bien conocida en la técnica.
El conjunto intercambiador de calor (304) incluye por lo general un intercambiador/condensador (316) sensible al calor y un volumen de condensador (318). El intercambiador/condensador (316) sensible al calor, está situado en contacto directo con el dedo frío (308) del criorrefrigerador (302). Como variante y en una forma de realización preferida, el intercambiador/condensador (316) sensible al calor, tiene unas aletas de enfriamiento (320) que están integradas con el dedo frío (308), a fin de incrementar el área de la superficie y así aumentar al máximo la transferencia térmica entre el intercambiador/condensador (316) sensible al calor, y a fin de asegurar una transferencia de calor sumamente eficaz desde el gas de alimentación. Cuando el dedo frío (308) y las aletas de enfriamiento (320) están formados de componentes separados, estos se unen entre sí preferentemente con cobresoldadura o con estañosoldadura para reducir al mínimo la resistencia de contacto. El volumen de condensador (318) se forma, en la manera de realización ilustrada, a partir de una superficie del subsistema aislante (306).
Como se muestra en la forma de realización ilustrada, el subsistema aislante (306) puede incluir un órgano aislador (322), el cual se extiende por todo el trayecto hasta un adsorbente (350), y un termo (dewar) de almacenamiento aislante (324). El órgano aislador (322) rodea preferentemente al intercambiador de calor sensible (316) en aquellos lados del intercambiador de calor (316) que no son coincidentes con el dedo frío (308), y se extiende alrededor de una periferia del dedo frío (308) hasta un punto hacia el área de rechazo del calor (310) del criorrefrigerador (302) en un primer extremo. Igualmente en un primer extremo, el órgano aislador (322) forma el volumen de condensador (318) y encierra un conducto de flujo bifásico (326). Un primer intercambiador de calor de prerrefrigeración (328) puede ir posicionado en un segundo extremo de dicho órgano aislador (322). El órgano aislador (322) puede encerrar partes de la tubería de alimentación (212), un segundo intercambiador de calor de prerrefrigeración (330), un separador de fases (334), un conducto de líquido (336) y un conducto de gas incondensable (338).
Cuando el subsistema (300) está en funcionamiento, se suministra gas de alimentación desde un subsistema concentrador (102) (no ilustrado en la Fig. 3) u otra fuente de gas hasta el subsistema criogénico (300). En la forma de realización del subsistema criorrefrigerador (300) ilustrada parcialmente en la Fig. 3, el gas de alimentación se hace pasar inicialmente a través de un primer intercambiador de calor de prerrefrigeración (328). El primer intercambiador de calor de prerrefrigeración (328) incluye por lo general un serpentín (340) formado mediante envoltura de una continuación de la tubería de alimentación (212) alrededor de una parte del órgano aislador (322). El serpentín (340) y el gas de alimentación que pasa a su través son enfriados por gas de desecho producido durante el procedimiento de licuefacción (descrito más detalladamente a continuación). El gas de desecho se hace pasar por el serpentín (340) del primer intercambiador de calor de prerrefrigeración (328) al interior de una primera cámara de prerrefrigeración anular (342). El gas de alimentación enriquecido con oxígeno, que se ha enfriado a aproximadamente 0ºC, continúa entonces a través de la tubería de transferencia (344) hasta un segundo intercambiador de calor de prerrefrigeración (330), ubicado por lo general dentro del órgano aislador (322). El segundo intercambiador de calor de prerrefrigeración (330) se forma mediante cobresoldadura o estañosoldadura de una parte de la tubería de transferencia (344) a una parte del conducto de gas incondensable o de corriente de desecho (338). Como variante, el segundo intercambiador de calor de prerrefrigeración (330) se puede formar de una única pieza de material termoconductivo, con orificios de entrada y orificios de salida destinados a la tubería de transferencia (344) y al conducto de gas incondensable (338) previstos, a fin de permitir una transferencia térmica eficaz entre las corrientes. Después de atravesar el segundo intercambiador de calor de prerrefrigeración (330), el gas de alimentación tiene una temperatura de aproximadamente -25ºC.
El gas de alimentación se entrega al intercambiador (316) sensible al calor, a la altura del orificio de salida del tubo de alimentación (346). Dentro del volumen del condensador (318), el gas de alimentación se enfría por contacto con las aletas de enfriamiento (320) del intercambiador sensible al calor (316). El condensado formado a partir del enfriamiento del gas de alimentación cae al fondo del volumen del condensador (318) y penetra en el colector de condensación (348). El condensado, junto con los gases que se han enfriado pero no licuado, se desplaza hacia abajo a través del conducto de fluido bifásico (326) y penetra en el separador de fases (334). En el separador de fases (334), el gas que se ha enfriado pero no licuado se separa del condensado líquido y se retira del separador de fases (334) a través del conducto de gas incondensable (338). Como se ha descrito anteriormente, el conducto de gas incondensable (338) se hace pasar al lado de la tubería de transferencia (344) en un segundo intercambiador de calor de prerrefrigeración (330), y el gas de desecho también se hace pasar por un serpentín (340) formado por una prolongación de la tubería de alimentación (212) al interior de una cámara anular (342), que comprende al primer intercambiador de calor de prerrefrigeración (328). Al gas de desecho incondensable procedente del separador de fases (334) se une la fracción evaporada procedente del condensado en el termo (dewar) de almacenamiento (324) en la cámara anular (342) para enfriar más el gas de alimentación entrante. Los gases de desecho y la fracción evaporada se desprenden entonces a la atmósfera a través del conducto de vaciado (332). El gas de alimentación licuado sale del separador de fases (334) y es transportado por el conducto de líquido (336) para su recogida en el termo (dewar) de almacenamiento (324).
En general, el órgano aislador (322) mejora la eficacia y el rendimiento del subsistema criogénico (300) al aislar las partes frías de este subsistema de las temperaturas ambiente. Se puede hacer el vacío en el órgano aislador (322) para reducir el flujo de calor desde los componentes a temperatura ambiente hasta las partes a baja temperatura. En este caso, el adsorbente (350) y el rarefactor (352) se pueden encerrar en el espacio de vacío. Después de establecer el nivel deseado de vacío por medio del tubo de evacuación (354), se sella el tubo de evacuación (354) mediante estrangulamiento y estañosoldadura.
Con referencia ahora a la Fig. 4, se explicará el alcance material del subsistema criogénico (104) según la presente invención, en el contexto de un gas de alimentación enriquecido con oxígeno suministrado desde un concentrador de oxígeno. Como se muestra en la Fig. 4, el gas de alimentación (F) se introduce, a través del tubo de alimentación (212), en el subsistema criogénico (104), ilustrado esquemáticamente en la Fig. 4, y en el conjunto intercambiador de calor/condensador (204) se produce oxígeno licuado, indicado como una corriente (P) en la Fig. 4. El oxígeno líquido se almacena como condensado (230) en el termo (dewar) (234). Para una producción neta de oxígeno líquido de 40 gramos a la hora (corriente P), deben proporcionarse aproximadamente 60 gramos a la hora de gas de alimentación (F). Una corriente afluente de 60 gramos a la hora es una tasa normalmente disponible en concentradores de oxígeno (102) médicos conocidos. Las corrientes (B), (C) y (D) representan gases de desecho que salen del subsistema criogénico (104) a través del conducto de descarga (218). El mayor componente de la corriente de desecho es la corriente de evaporación (B). En el ejemplo dado, la corriente de evaporación (B) consiste en aproximadamente 12 gramos a la hora de oxígeno. La corriente de evaporación (B9 resulta de una fuga de calor desde la atmósfera ambiente a través del termo (dewar) de almacenamiento (234). De las corrientes de desecho, la corriente (B) es la mayor consumidora de capacidad de refrigeración del subsistema criogénico (104). Esto es debido a que tiene el mayor flujo de masa y porque se ha licuado y, así, se le ha quitado una cantidad de calor latente.
La corriente de desecho (C) consiste en gases no condensados que fluyen a una tasa de aproximadamente 7 gramos a la hora. Esta corriente es relativamente rica en argón y también contiene nitrógeno y oxígeno. La corriente de desecho (D) representa una sobrealimentación desde la tubería de alimentación (212) hasta el subsistema criogénico (104) y, así, es gas para cuyo licuado el subsistema criogénico no tiene potencia frigorífica. La sobrealimentación es deseable para asegurar una pequeña presión positiva en el termo (dewar) de almacenamiento (234), a fin de impedir la fuga de aire ambiental caliente al interior del subsistema criogénico (104).
La energía consumida para enfriar las corrientes de desecho (B), (C) y (D) se puede recuperar en parte por medio del uso de intercambiadores de calor de prerrefrigeración. De este modo, en los intercambiadores de calor de prerrefrigeración, el gas de alimentación (F) se enfría mediante las corrientes de desecho (B), (C) y (D) antes de condensar en el intercambiador sensible al calor. El calor latente empleado para licuar la corriente de evaporación (B) no se puede recuperar, pero la cantidad de evaporación se puede reducir al mínimo por medio del uso de un termo (dewar) perfectamente aislado (234). Aproximadamente el 40% de la capacidad de refrigeración utilizada por las corrientes de desecho se pierde en el cambio de fase de la corriente de evaporación (B).
En una forma de realización preferida, el criorrefrigerador (202) funciona en el ciclo Stirling. Un criorrefrigerador normal lineal de tipo Stirling apropiado para el uso en relación con el procedimiento y aparato desvelado proporciona 4 vatios nominales de refrigeración a 77K. La capacidad real de refrigeración de las formas de realización desveladas de la presente invención es aproximadamente dos veces la capacidad asignada, dado que los puntos de ebullición de los gases suministrados por el concentrador de oxígeno (102) son algo superiores a 77K y ello debido al uso de la prerrefrigeración.
Con referencia ahora a la Fig. 5, se ilustra parcialmente, en sección transversal, una forma de realización alternativa (500) del subsistema criogénico (104) del aparato para producir y almacenar gas licuado. El subsistema criogénico (500) de la presente forma de realización incluye por lo general un criorrefrigerador (502), un conjunto intercambiador de calor (504) y un subsistema aislante (506). Los componentes que estos subsistemas comprenden son generalmente similares a los descritos anteriormente con referencia a la primera forma de realización descrita; no obstante, difiere la configuración de los componentes.
El subsistema aislador (506) comprende por lo general un órgano aislante (508) y un termo (dewar) de almacenamiento (510). En la Fig. 5 sólo está visible el dedo frío (512) del criorrefrigerador (502), y está rodeado por el órgano aislante (508) para mejorar la eficacia del dispositivo.
El conjunto intercambiador de calor (504) incluye un intercambiador/condensador (514) sensible al calor y un intercambiador de calor de prerrefrigeración (516). El intercambiador/condensador (514) sensible al calor incluye unas aletas de enfriamiento (518) en contacto con el dedo frío (512) del criorrefrigerador (502). Rodeando las aletas de enfriamiento (518) del intercambiador/condensador (514) sensible al calor, está el condensador volumétrico (520). El condensado formado en el intercambiador/condensador (514) sensible al calor, cae y se recoge en el colector de condensación (522). El colector de condensación (522) forma parte de un separador de fases (524). Desde el separador de fases (524), el condensado sale a través de un conducto de líquido (526). El gas de desecho sale entonces del separador de fases (524) a través del conducto de gas de desecho (528).
El gas de alimentación se suministra al intercambiador/condensador (514) sensible al calor a través de la tubería de alimentación (530). El orificio de salida de la tubería de alimentación (530) está en comunicación con un espacio anular (532), el cual contiene una pantalla (534). La pantalla (534) está fabricada preferentemente de cobre de elevada conductividad y está unida térmicamente a la parte superior, fría del separador de fases (524) a la altura de un primer extremo, y a la parte inferior del espacio anular (532) a la altura de un segundo extremo.
La evaporación procedente del condensado líquido en el termo (dewar) (510) sale del termo (dewar) (510) a través del conducto de retorno de evaporación (536). Una parte del conducto de retorno de evaporación (536), del conducto de gas de desecho (528) y del tubo de gas de alimentación (530) forman un intercambiador de calor de prerrefrigeración (516), quedando dispuestas de modo que los conductos de evaporación (536) y de gas de desecho (528) están en contacto térmico con el tubo de gas de alimentación (530). De este modo, el calor procedente del gas de alimentación en el tubo de gas de alimentación (530) se transfiere a los gases de los conductos de gas de desecho (528) y de evaporación (536).
De acuerdo con la forma de realización ilustrada en la Fig. 5, el gas de alimentación que penetra en el subsistema criogénico (500) debe atravesar la pantalla (534) antes penetrar en el intercambiador/condensador (514) sensible al calor. Dado que la pantalla (534) está en contacto térmico con la parte superior, fría del separador de fases (524), las impurezas más condensables contenidas en el gas de alimentación se depositarán sobre la pantalla fría (534). Esta configuración ayuda a impedir la obstrucción de la tubería de alimentación (530) y del intercambiador/condensador (514) sensible al calor con escarcha. Sin embargo, la propia pantalla (534) puede terminar quedando obstruida con escarcha. Por lo tanto, se han incluido disposiciones para purgar la escarcha del sistema cuando se desee.
A fin de eliminar escarcha, se proporciona un conducto de purga (538) que deje pasar aire seco, relativamente caliente al espacio anular (532). La introducción de aire seco caliente en esta área tiene como efecto la descongelación y la nueva purga de toda impureza depositada sobre la pantalla (534) y el orificio de salida del tubo de alimentación (530). Por lo general, es beneficioso purgar de escarcha el sistema aproximadamente cada 30-60 días.
Con referencia ahora a la Fig. 6, se ilustra una representación esquemática de las válvulas reguladoras utilizadas para efectuar varias operaciones que implican al subsistema criogénico (104). Durante la operación normal de licuefacción, el gas que ha de licuarse se introduce en el subsistema criogénico a través de un tubo de gas de alimentación (802). La válvula de admisión de la alimentación (804), mostrada con una unidad de control de solenoide asociada (806), se abre y la válvula de admisión de desescarchado (808), mostrada con el solenoide asociado (810), se cierra. La válvula de salida de desescarchado (812), mostrada con el solenoide asociado (814), también se cierra. En consecuencia, durante la licuefacción, el gas penetra en el sistema a través del tubo de gas de alimentación (802) y se desplaza directamente hasta el orificio de entrada del condensador (816), donde licúa. Durante la licuefacción, el gas de desecho procedente del condensador penetra en el orificio de entrada de gas de desecho (818) y atraviesa la válvula de gas de desecho abierta (820), mostrada con el solenoide asociado (822). El gas de desecho también se hace pasar a través del adsorbedor (824), a fin de purificar el adsorbedor (824) y regenerar sus propiedades de adsorción. Preferentemente, la longitud del conducto entre el orificio de entrada de gas de desecho (818) y el adsorbedor (824) es lo bastante grande para reducir la temperatura del gas de desecho a aproximadamente la temperatura ambiente antes de su introducción en el adsorbedor (824). El gas de desecho se evacua entonces a la atmósfera a través del orificio de salida de gas de desecho (826).
Cuando se desea la transferencia de condensado de gas desde el termo (dewar) de almacenamiento hasta un termo (dewar) de almacenamiento portátil, se detiene opcionalmente la operación del criorrefrigerador. La válvula de admisión de gas de alimentación (804), la válvula de admisión de desescarchado (808), la válvula de salida de desescarchado (812) y la válvula de gas de desecho (820) se cierran. La válvula de retención (828) se abre y el compresor (830) se pone en funcionamiento para impeler el aire ambiental al interior del adsorbedor (824). La conexión entre el compresor (830) y el adsorbedor (824) se puede proveer de una válvula de seguridad (832) para mantener la presión en torno de 69 kPa (10 psig). El adsorbedor (824) contiene un desecante para eliminar la humedad del aire comprimido entrante y ayuda a impedir la introducción de impurezas en el interior del sistema. El aire a presión deja el adsorbedor (824) a través del conducto de aire a presión (834), el cual está interconectado con el orificio de salida de residuo (818), a cuyo través el aire a presión penetra en el interior del termo de almacenamiento. La presión así introducida en el interior del termo (dewar) de almacenamiento expulsa el gas licuado a través del tubo de llenado inferior (no ilustrado en la Fig. 6) según se ha descrito anteriormente. En una forma de realización preferida, se utiliza una presión de transferencia de entre 55 y 69 kPa (8 y 10 libras por pulgada cuadrada) para expulsar el condensado del termo (dewar).
También es deseable prever el desescarchado del subsistema criogénico (104). El desescarchado es deseable porque, con el tiempo, el vapor de agua introducido por el gas de alimentación puede encostrar los componentes del conjunto intercambiador/condensador de calor y el conducto de gas de alimentación. Igualmente, durante el procedimiento de transferencia, se introducen humedad y contaminantes en el interior del subsistema criogénico (104). Para desescarchar el sistema, se para el funcionamiento del criorrefrigerador. La válvula de admisión de desescarchado (808) y la válvula de salida de desescarchado (812) se abrirán ambas. La válvula de admisión de gas de alimentación (804) y la válvula de gas de desecho (820) se cerrarán. Con las válvulas así configuradas, se introduce gas de alimentación en el interior del intercambiador/condensador de calor a través del orificio de salida de gas de desecho (818). El gas así alimentado puede atravesar entonces los componentes interiores del conjunto intercambiador/condensador de calor, que en estado inactivo es calentado por el gas de alimentación, permitiendo que los contaminantes se evaporen. Los contaminantes se expulsan del sistema a la atmósfera ambiente a través de la válvula de salida de desescarchado (812).
Como variante, el flujo de desescarchado se puede introducir en el sistema a través del orificio de entrada del condensador (816) y evacuar a la atmósfera desde el orificio de salida de gas de desecho (818).
Si bien las formas de realización examinadas al detalle anteriormente se han descrito en general con referencia al uso en combinación con un concentrador de oxígeno, no tiene por qué ser así necesariamente. Por ejemplo, el subsistema criogénico (104) de la presente invención se puede utilizar con concentradores adaptados para proporcionar gases de alimentación enriquecidos que comprendan otros componentes del aire, tales como nitrógeno. Igualmente, el subsistema criogénico (104) se puede usar en combinación con gases que se han purificado en otro emplazamiento, para la licuefacción mediante el subsistema criogénico (102) en el punto de utilización. Con carácter añadido, el subsistema criogénico (102) descrito se puede utilizar para licuar aire ambiental.
También están contempladas por los inventores otras alteraciones y modificaciones. Por ejemplo, la transferencia de gas licuado a un contenedor aislante portátil se puede efectuar usando aire seco u otro gas, tal como nitrógeno, desde un cilindro a presión en combinación con un regulador de presión. Como variante, la transferencia se puede conseguir mediante calentamiento del condensado, o mediante el uso de una bomba.
De acuerdo con la presente invención, se proporciona un aparato para producir y almacenar oxígeno líquido en un domicilio de un paciente que necesita oxígeno. La invención en sus aspectos más amplios se refiere a un sistema que forma un gas enriquecido con oxígeno a partir de aire ambiental, para el uso por un paciente que precisa oxígeno. Más particularmente, la invención proporciona un procedimiento y aparato para licuar oxígeno producido en el domicilio de un paciente que necesita oxígeno para su almacenamiento y posterior uso. Además de su utilidad para licuar oxígeno, el subsistema criogénico desvelado de la presente invención se puede utilizar en la licuefacción de otros gases.

Claims (6)

1. Un aparato (100) para licuar y almacenar un gas enriquecido, recibiendo dicho aparato un gas de alimentación desde una fuente de gas de alimentación y comprende un tubo de alimentación de gas (212, 530) que presenta un orificio de entrada para recibir dicho gas de alimentación desde dicha fuente de alimentación de gas y un orificio de salida, en el que dicho aparato incluye un criorrefrigerador (202, 302, 502) que posee un dedo frío (308, 512) y un conjunto intercambiador de calor, en el cual dicho gas de alimentación se entrega desde dicho orificio de salida hasta dicho conjunto intercambiador de calor (204, 304, 504) y en el que dicho gas de alimentación se enfría mediante dicho conjunto e intercambiador de calor para formar un condensado, en el que por lo menos una parte de dicho conjunto intercambiador de calor está interconectada térmicamente con dicho dedo frío (308, 512); comprendiendo además dicho aparato un subsistema aislante (206, 306, 506), en el cual dicho subsistema aislante comprende un termo (106, 234, 324, 510), caracterizado porque dicho subsistema aislante comprende además:
un elemento aislante (232, 322) que presenta unos primer y segundo extremos abiertos, en el que dicho primer extremo de dicho elemento aislante rodea por lo menos una parte de una periferia de dicho conjunto intercambiador de calor (204, 304, 504) y una longitud de dicho elemento aislante se extiende más allá de un extremo de dicho conjunto intercambiador de calor;
presentando dicho termo (dewar) un extremo abierto en comunicación con dicho segundo extremo de dicho elemento aislante.
2. Un aparato (100) según la reivindicación 1, caracterizado porque dicho conjunto intercambiador de calor (204, 304, 504) comprende además un intercambiador/condensador sensible al calor (316, 514), comprendiendo dicho intercambiador/condensador sensible al calor, unas aletas de enfriamiento (320, 518) y un colector de condensación (348, 522).
3. Un aparato (100) según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque dicho aparato comprende además un refrigerador por compresión de vapor destinado a refrigerar un área de rechazo del calor de dicho criorrefrigerador (202, 302, 502).
4. Un aparato según la reivindicación 1, caracterizado porque dicho aparato comprende además:
un compresor (830) conectado de forma operativa con un volumen interior de por lo menos una parte de dicho subsistema aislante; y
un tubo de llenado colocado dentro de dicho volumen interior de por lo menos una parte de dicho subsistema aislante, en el cual dicho compresor (830) presuriza dicho volumen interior para expulsar de dicho tubo de llenado dicho condensado de dicho gas de alimentación.
5. Un procedimiento de producción y almacenamiento de un gas licuado que comprende:
proporcionar una alimentación de gas;
proporcionar un criorrefrigerador que presenta un dedo frío (308, 512) y un intercambiador sensible al calor en contacto térmico con dicho dedo frío;
proporcionar un subsistema aislante (206, 306, 506), en el cual dicho subsistema aislante comprende un termo (dewar) (106, 234, 324, 510) y un elemento aislante (232, 322) que presenta un primer y un segundo extremos abiertos, en el cual dicho primer extremo de dicho elemento aislante rodea por lo menos una parte de la periferia de dicho intercambiador/condensador sensible al calor, y en el cual una longitud de dicho elemento aislante se extiende más allá de un extremo de dicho intercambiador/condensador sensible al calor, presentando, dicho termo (dewar) un extremo abierto en comunicación con dicho segundo extremo de dicho elemento aislante;
enfriar dicho gas de alimentación a una temperatura menor que la temperatura de condensación del oxígeno, entregando dicho gas de alimentación a dicho intercambiador/condensador sensible al calor, para producir un condensado;
retirar dicho condensado de dicho intercambiador/condensador sensible al calor; y
recoger dicho condensado retirado en dicho termo (dewar) (106, 234, 324, 510); proporcionar una fuente de gas a presión ubicada al exterior de dicho termo (dewar); presurizar un interior de dicho termo (dewar) usando dicho gas a presión; y
retirar dicho condensado de dicho termo (dewar) a través de un tubo de llenado.
\newpage
6. Un procedimiento según la reivindicación 5, caracterizado porque dicho procedimiento comprende además:
desescarchar dicho intercambiador/condensador sensible al calor;
desconectando dicho criorrefrigerador (202, 302, 502), entregando dicho gas de alimentación al intercambiador/condensador de calor a través de un orificio de salida de gas de desecho (818) del intercambiador/condensador de calor, atravesando entonces dicho gas de alimentación los componentes interiores del intercambiador/condensador de calor, en el que se evaporan los contaminantes; y
expulsando dichos contaminantes y dicho gas de alimentación.
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