Sistema concentrador de oxígeno portátil (100) adaptado para su transporte fácil por un usuario,

que comprende:

una fuente de energía recargable (104);

un concentrador (114) alimentado por dicha fuente de energía recargable (104) y adaptado para convertir aire ambiente en oxígeno gaseoso concentrado para dicho usuario, incluyendo el concentrador (114) una serie de lechos de adsorción (300) y un conjunto de válvula rotativa (310), siendo rotativo el conjunto de válvula rotativa (310), con respecto a la serie de lechos de adsorción (300), para proporcionar una acción de válvula para transferir selectivamente fluidos a través de la serie de lechos de adsorción (300) para poner los lechos de adsorción (300) en un ciclo de adsorción de presión de vacío oscilante y convertir aire ambiente en oxígeno gaseoso concentrado para dicho usuario,

caracterizado porque el sistema concentrador de oxígeno portátil (100) está configurado para suministrar aire ambiente al concentrador (114) en el rango de 36,5 kPa a 83,4 kPa y extraer gas de salida del concentrador (114) en el rango de -60,7 kPa a -30,3 kPa; y la proporción de potencia adiabática a caudal de oxígeno para el concentrador (114) se encuentra en el rango de a

Sistema portátil para la concentración de oxígeno.

Antecedentes de la invención

El sector al que pertenece esta invención se refiere en general a concentradores de oxígeno y, en particular, a sistemas para la concentración de oxígeno de tipo portátil, para pacientes respiratorios de tipo ambulatorio, para permitir que puedan llevar una vida normal y productiva.

Existe una creciente necesidad de suministro de oxígeno domiciliario y ambulatorio. Es necesario oxígeno suplementario para pacientes que sufren enfermedades pulmonares; por ejemplo, fibrosis pulmonar, sarcoidosis o enfermedad pulmonar ocupacional. Para estos pacientes, la terapia de oxígeno es un elemento cada vez más beneficioso y vital. Si bien no es una curación para las enfermedades de los pulmones, el oxígeno suplementario aumenta la oxigenación de la sangre, lo que invierte la hipoxemia. Esta terapia impide efectos a largo plazo de la deficiencia de oxígeno en sistemas orgánicos, en particular el corazón, cerebro y riñones.

El tratamiento con oxígeno se prescribe también para la Enfermedad Pulmonar Obstructiva Crónica (COPD), que afecta aproximadamente a seiscientos millones de personas en los Estados Unidos, y para otras enfermedades que debilitan el sistema respiratorio, tales como enfermedades cardíacas y SIDA. La terapia de oxígeno suplementario se prescribe también para asma y enfisema.

La prescripción normal para pacientes de COPD requiere oxígeno suplementario por una cánula para vía nasal o una mascarilla veinticuatros horas al día. La prescripción media para un paciente es de dos litros por minuto de oxígeno de alta concentración para aumentar el nivel de oxígeno del aire total inspirado por el paciente desde el 21% normal hasta aproximadamente el 40%. Si bien la exigencia de caudal de oxígeno promedio es de dos litros por minuto, el concentrador promedio de oxígeno tiene una capacidad de 4 a 6 litros de oxígeno por minuto. Esta capacidad adicional es ocasionalmente necesaria para algunos pacientes que han desarrollado problemas más graves, en general no son capaces de salir de su casa (como pacientes ambulatorios) y no requieren un suministro portátil de oxígeno.

Existen en la actualidad tres modalidades de oxígeno medico suplementario: cilindros de gas a alta presión, líquido criogénico en contenedores aislados al vacío o botellas termo llamadas corrientemente termos, así como concentradores de oxígeno. Algunos pacientes requieren oxígeno en aplicación doméstica mientras que otros requieren oxígeno en aplicación doméstica y también ambulatoria, dependiendo de su prescripción. Las tres modalidades se aplican para utilización en el hogar, si bien son preferidos los concentradores de oxígeno a causa de que no requieren relleno de termos o cambio de cilindros vacíos por otros cilindros llenos. No obstante, los concentradores de oxígeno de tipo doméstico tienen también sus inconvenientes. Consumen cantidades relativamente importantes de electricidad (350-400 Vatios), son relativamente grandes (aproximadamente tienen las dimensiones de una mesilla de noche), son relativamente pesados (pesan unos 22,7 kg (50 libras)), emiten bastante calor y son relativamente ruidosos.

Solamente las botellas pequeñas de gas a alta presión y pequeños termos líquidos son realmente portátiles en grado suficiente para su utilización para necesidades ambulatorias (fuera del domicilio). Cualquiera de las modalidades puede ser utilizada tanto para utilización doméstica como ambulatoria, o se puede combinar con un concentrador de oxígeno, que proporciona utilización doméstica.

Tal como se describe más adelante, los métodos actuales de suministro de oxígeno y sus dispositivos se han mostrado engorrosos y poco flexibles, y ha existido una necesidad sentida desde hace mucho tiempo de disponer de un dispositivo portátil mejorado para suministrar oxígeno a los usuarios.

Para personas que necesitan tener oxígeno y que se encuentran alejadas de una fuente generadora de oxígeno o de almacenamiento de oxígeno, tal como un sistema estacionario de oxígeno (o incluso un sistema portátil que no puede ser fácilmente transportado), las dos opciones más corrientemente prescritas disponibles en general para los pacientes son: (a) llevar pequeños cilindros típicamente en un carrito con ruedas; y (b) llevar contenedores portátiles típicamente en una mochila. Estas dos opciones de oxígeno gaseoso y de oxígeno líquido tienen sustanciales inconvenientes, pero desde el punto de vista médico ambos tienen la capacidad de aumentar la vida productiva de un paciente.

El inconveniente más importante de la opción de oxígeno gaseoso es que los pequeños cilindros de oxígeno gaseoso pueden proporcionar gas solamente durante un corto periodo de tiempo. Otro inconveniente es que los cilindros de oxígeno gaseoso de alta presión del paciente no son permitidos en algunos lugares, tales como avienes, a causa de consideraciones de seguridad. Otro inconveniente del oxígeno gaseoso es la exigencia de relleno del oxígeno una vez que éste ha sido agotado en el cilindro. Estos pequeños cilindros de gas deben ser recogidos y rellenados por el profesional de cuidados domésticos en una instalación especializada. Esto requiere visitas regulares al domicilio del paciente por parte del profesional del servicio y una inversión sustancial en pequeños cilindros por parte de dicho profesional, dado que muchos de ellos quedan en el domicilio del paciente y en la instalación de rellenado. Si bien es técnicamente posible rellenar estos cilindros en el domicilio del paciente utilizando un concentrador de oxígeno comercial que extrae el oxígeno del aire, esta tarea requeriría de manera típica un compresor de oxígeno en el propio lugar para aumentar la presión de salida del concentrador a un nivel elevado a efectos de llenar los cilindros. Algunas desventajas de los compresores de oxígeno habituales para utilización en el propio lugar son su carácter oneroso, ruidoso y que emiten mucho calor. Además, el intentar comprimir el oxígeno en recipientes a presión en el hogar es una actividad potencialmente peligrosa, especialmente para personas sin entrenamiento para ello.

Este sistema presenta, desde luego, varias preocupaciones de seguridad para la utilización doméstica. Por ejemplo, para disponer suficiente cantidad de gas en un contenedor portátil, éste debe ser comprimido típicamente a alta presión: ~13,8 MPa (2000 psi). La compresión del oxígeno desde 34,5 kPa (5 psi) (valor típico de salida de un concentrador de oxígeno) a 13,8 MPa (2000 psi) producirá una gran cantidad de calor. (Suficiente para aumentar la temperatura 165ºC por etapa basándose en las tres etapas de compresión adiabáticas con refrigeración intermedia.) Este calor, combinado con el oxígeno que resulta más reactivo a altas presiones, presenta un peligro de combustión potencial en el compresor en el hogar del paciente. Por lo tanto, la utilización de un sistema de gas a alta presión en el hogar doméstico es peligrosa y no es, por lo tanto, una solución práctica.

Los temas de comodidad y seguridad no son los únicos inconvenientes de este enfoque de oxígeno comprimido. Otro inconveniente es que los compresores o amplificadores de presión necesarios son costosos porque requieren especiales cuidados y materiales para compatibilidad con el oxígeno a alta presión.

Haciendo referencia nuevamente a la opción de almacenamiento de oxígeno líquido, su inconveniente más importante es que requiere un recipiente de base, un recipiente de base estacionario dentro del domicilio del paciente que tiene las dimensiones habituales de un barril de cerveza, que puede ser rellenado aproximadamente una vez a la semana de una fuente externa. El oxígeno líquido puede ser transferido desde la unidad de base del paciente a un termo portátil, que puede ser utilizado por el paciente en situación ambulatoria. Asimismo, con la opción de oxígeno líquido, existe un desperdicio sustancial, dado que una cantidad determinada de oxígeno se pierde durante la transferencia a los contenedores portátiles y por evaporación. Se estima que el 20% del contenido total del cilindro de base se perderá en el curso de dos semanas a causa de pérdidas en la transferencia y evaporación normal. Estas unidades, típicamente se vaciarán en un periodo de 30 a 60 días aunque no se extraiga oxígeno.

Se han propuesto sistemas de relleno domésticos que producen oxígeno líquido y que tienen capacidad para rellenar los termos de oxígeno líquido portátiles. No obstante, estos dispositivos requieren que el usuario lleve...

1. Sistema concentrador de oxígeno portátil (100) adaptado para su transporte fácil por un usuario, que comprende:

una fuente de energía recargable (104);

un concentrador (114) alimentado por dicha fuente de energía recargable (104) y adaptado para convertir aire ambiente en oxígeno gaseoso concentrado para dicho usuario, incluyendo el concentrador (114) una serie de lechos de adsorción (300) y un conjunto de válvula rotativa (310), siendo rotativo el conjunto de válvula rotativa (310), con respecto a la serie de lechos de adsorción (300), para proporcionar una acción de válvula para transferir selectivamente fluidos a través de la serie de lechos de adsorción (300) para poner los lechos de adsorción (300) en un ciclo de adsorción de presión de vacío oscilante y convertir aire ambiente en oxígeno gaseoso concentrado para dicho usuario,

caracterizado porque el sistema concentrador de oxígeno portátil (100) está configurado para suministrar aire ambiente al concentrador (114) en el rango de 36,5 kPa a 83,4 kPa y extraer gas de salida del concentrador (114) en el rango de -60,7 kPa a -30,3 kPa; y la proporción de potencia adiabática a caudal de oxígeno para el concentrador (114) se encuentra en el rango de a

2. Sistema concentrador de oxígeno portátil (100), según la reivindicación 1, en el que el concentrador (114) incluye exactamente cinco lechos de adsorción (300).

3. Sistema concentrador de oxígeno portátil (100), según la reivindicación 1 ó 2, en el que el conjunto de válvula rotativa (310) comprende una placa con orificios de válvula (510) y una zapata rotativa de válvula (500) que tienen superficies correspondientes acopladas y que son rotativas de manera relativa alrededor de un eje común de rotación para proporcionar acción de válvulas para transferir selectivamente fluidos a través de las mismas, y un mecanismo de centraje distinto de un motor para centrar la zapata de válvula rotativa (500) con respecto a la placa con orificios de válvula (510).

4. Sistema concentrador de oxígeno portátil (100), según la reivindicación 3, en el que la placa con orificios de válvula (510) y la zapata de válvula rotativa (500) comprenden respectivos orificios centrales, y el mecanismo de centrado comprende un pasador de centrado (920) dispuesto en los orificios centrales de la placa con orificios de válvula (510) y una zapata de válvula rotativa (500) para centrar la zapata de válvula rotativa (500) con respecto a la placa de válvula con orificios (510).

5. Sistema concentrador de oxígeno portátil (100), según la reivindicación 3, en el que la placa con orificios de válvula (510) y la zapata rotativa de válvula (500) comprenden paredes laterales cilíndricas, y el mecanismo de centrado comprende un anillo de centrado (930) dispuesto alrededor de las paredes laterales de la placa con orificios de válvula (510) y la zapata de válvula rotativa (500) para centrar la zapata de válvula rotativa (500) con respecto a la placa con orificios de válvula (510).

6. Sistema concentrador de oxígeno portátil (100), según cualquiera de las reivindicaciones 1-5, en el que los lechos de adsorción (300) llevan material adsorbente y comprenden un primer extremo (360), un segundo extremo (350), un medio adsorbente dispuesto en los lechos de adsorción (300) entre el primer extremo (360) y el segundo extremo (350), una caperuza de retención de medios (800) dispuesta entre los medios adsorbentes y el segundo extremo (350), un resorte (810) para forzar la caperuza (800) de retención de medios contra el material adsorbente para soportar el material adsorbente en su lugar y el resorte (810) no situado en una trayectoria de flujo de los lechos de adsorción (300).

7. Sistema concentrador de oxígeno portátil (100), según la reivindicación 6, en el que la caperuza (800) de retención de medios comprende una superficie (860) que establece contacto con los medios adsorbentes, incluyendo la superficie (860) un orificio central (880) y una serie de nervios (870) en disposición radial desde el orificio central (880).

8. Sistema concentrador de oxígeno portátil (100), según la reivindicación 6, en el que la caperuza (800) de retención de medios comprende una base de fondo (820) con una parte interior, y el resorte (810) está dispuesto en la parte interior de la base de fondo (820).

9. Sistema concentrador de oxígeno portátil (100), según cualquiera de las reivindicaciones 1-8, en el que el conjunto (310) de válvula rotativa comprende una placa con orificios de válvula y una zapata de válvula rotativa teniendo respectivas superficies en contacto y siendo rotativas una con relación a otra alrededor de un eje central de rotación para proporcionar una acción de válvula para transferir selectivamente fluidos a través de las mismas, y el sistema concentrador de oxígeno portátil (100) comprende además un motor (118) para obligar a girar la zapata de válvula rotativa y uno o varios eslabones elásticos (970) para acoplar el motor a la zapata de válvula rotativa.

10. Sistema concentrador de oxígeno portátil (100), según la reivindicación 9, en el que el motor (118) comprende un eje de impulsión (950) y una rueda de impulsión (960) con uno o varios elementos de soporte salientes (990), comprendiendo la zapata de válvula rotativa uno o varios elementos de soporte salientes (1010), y el eslabón elástico conecta el elemento o elementos salientes de soporte (990) de la rueda de impulsión (960) con el elemento o elementos de soporte salientes (1010) de la zapata de válvula rotativa.

11. Sistema concentrador de oxígeno portátil (100), según cualquiera de las reivindicaciones 1-10, en el que el concentrador (114) comprende lechos de adsorción de plástico (300) y una tapa metálica (330) que rodea los lechos de adsorción de plástico (300).

12. Sistema concentrador de oxígeno portátil (100), según la reivindicación 11, en el que los lechos de adsorción (300) son recipientes alargados, moldeados de plástico.

13. Sistema concentrador de oxígeno portátil (100), según la reivindicación 12, en el que la tapa de metal (330) está realizada a base de aluminio y rodea los lechos de adsorción (300) para formar un depósito de producto.

14. Sistema concentrador de oxígeno portátil (100), según cualquiera de las reivindicaciones 1-13, en el que el conjunto de válvula rotativa (310) comprende una placa (510) con orificios de válvula y una zapata de válvula rotativa (500) que tienen respectivas superficies acopladas y que son rotativas alrededor de un eje común de rotación para proporcionar acción de válvulas para poner los lechos adsorbentes (300) en un ciclo de adsorción de presión oscilante, y el ciclo de adsorción de presión oscilante comprende una serie de etapas de igualación en cada lecho de adsorción comprendidas entre dos y ocho.

15. Sistema concentrador de oxígeno portátil (100), según la reivindicación 14, en el que el ciclo de adsorción con oscilación de presión comprende una serie de etapas de igualación en cada lecho de adsorción (300) comprendidas entre dos y seis.

16. Sistema concentrador de oxígeno portátil (100), según la reivindicación 14, en el que el ciclo de adsorción con oscilación de presión comprende cuatro etapas de igualación en cada lecho de adsorción (300).

17. Sistema concentrador de oxígeno portátil (100), según la reivindicación 14, en el que las etapas de igualación comprenden una primera etapa de igualación descendente, una segunda etapa de igualación descendente, una primera etapa de igualación ascendente y una segunda etapa de igualación ascendente.

18. Sistema concentrador de oxígeno portátil (100), según la reivindicación 14, en el que los lechos de adsorción (300) comprenden un extremo de alimentación y un extremo de salida de producto, y la igualación tiene lugar entre los extremos de producto de los lechos de adsorción (300).

19. Sistema concentrador de oxígeno portátil (100), según cualquiera de las reivindicaciones 1-18, que comprende además un compresor de velocidad variable (112) para suministrar aire ambiente al concentrador (114).

20. Sistema concentrador de oxígeno portátil (100), según cualquiera de las reivindicaciones 1-19, en el que la recuperación de oxígeno del aire desde el concentrador (114) es de 45-71% a 90% de pureza.

21. Sistema concentrador de oxígeno portátil (100), según cualquiera de las reivindicaciones 1-20, en el que el conjunto de válvula rotativa (310) comprende una placa con orificios de válvula y una zapata de válvula rotativa que tiene superficies correspondientes acopladas y que son rotativas una con respecto a la otra alrededor de un eje común de rotación para proporcionar una acción de válvula para transferir selectivamente fluidos a través de las mismas, teniendo dicha placa con orificios de válvula, como mínimo, dos orificios interconectados, como mínimo, con dos lechos de adsorción (300), y teniendo dicha zapata de válvula rotativa una segunda superficie de válvula dispuesta en oposición a dicha superficie de acoplamiento que tiene, como mínimo, un paso de igualación para su comunicación, como mínimo, con dichas dos aberturas de la placa con orificios para igualar la presión en, como mínimo, los dos mencionados lechos de adsorción (300).

22. Sistema concentrador de oxígeno portátil (100), según cualquiera de las reivindicaciones 1-21, en el que la pérdida de carga a través del conjunto de válvula rotativa (310) no es superior a 6,9 kPa cuando el concentrador (114) produce 3 L/min de oxígeno gaseoso.

23. Sistema concentrador de oxígeno portátil (100), según cualquiera de las reivindicaciones 1-22, en el que el conjunto de válvula rotativa (310) incluye una placa con orificios de válvula y una zapata de válvula rotativa que tienen respectivas superficies acopladas y que son giratorios entre sí alrededor de un eje común de rotación para proporcionar acción de válvulas para transferir de forma selectiva fluidos a través de los mismos, siendo variada la velocidad de rotación de la zapata de válvula rotativa con respecto a la placa con orificios de válvula a efectos de proporcionar la sincronización de ciclo deseada para una determinada producción de producto.

24. Sistema concentrador de oxígeno portátil (100), según la reivindicación 23, que comprende además un compresor de velocidad variable para suministrar aire ambiente comprimido al concentrador (114), y la velocidad de rotación de la zapata de válvula rotativa con respecto a la placa con orificios de válvula es variada en combinación con la variación de la velocidad del compresor de velocidad variable a efectos de proporcionar la sincronización de ciclo deseada y el suministro deseado de aire ambiente al concentrador (114) para una determinada producción del producto.

25. Sistema concentrador de oxígeno portátil (100), según cualquiera de las reivindicaciones 1-24, en el que el conjunto de válvulas rotativa (310) comprende una placa con orificios de válvula y una zapata de válvula rotativa que tiene respectivas superficies acopladas y que son rotativas una con respecto a otra alrededor de un eje común de rotación para proporcionar acción de válvula para transferir de manera selectiva fluidos a través del mismo y la zapata de válvula rotativa comprende un mecanismo de estanqueización de vacío que contrarresta la fuerza de la presión que funciona para separar la zapata de válvula rotativa con respecto a la placa con orificios de válvula.

26. Sistema concentrador de oxígeno portátil (100), según cualquiera de las reivindicaciones 1-24, en el que cada uno de los lechos de adsorción (300) comprende un lecho adsorbente de varias capas que tiene dos o más capas distintas de material adsorbente.

27. Sistema concentrador de oxígeno portátil (100), según la reivindicación 26, en el que cada uno de los lechos de adsorción (300) comprende un extremo de alimentación y un extremo de producto, y las dos o más capas de materiales adsorbentes distintas incluyen, como mínimo, una capa de adsorción de agua y una capa de adsorción de nitrógeno, estando situada la capa de adsorción de agua más cerca del extremo de alimentación que la capa de adsorción de nitrógeno.

28. Sistema concentrador de oxígeno portátil (100), según la reivindicación 27, en el que la capa de adsorción de agua es de alúmina activada o gel de sílice.

29. Sistema concentrador de oxígeno portátil (100), según la reivindicación 27 ó 28, en el que la capa de adsorción de nitrógeno es una zeolita de tipo X con intercambio de litio.