越来越多的人在医院之外使用氧气治疗，允许他们过上积极的、有价值的生活。患有哮喘、气肿、慢性支气管炎、职业肺病、肺癌、囊肿性纤维化、充血性心力衰竭或者其它呼吸障碍的人们会在家中使用氧气治疗以及在家庭之外使用便携式氧气治疗装置。近年来氧气治疗技术的发展给予那些依赖于氧气的人们多种室内及便携选择来进行氧气治疗。就个人而言，在医疗机构之外有三种主要的方式来施行氧气治疗：(1)氧气浓缩器，(2)液态氧气装置，以及(3)压缩气体装置。这三种类型方案中的每一种都提供了各自的优点和不利之处。
第一，通常为变压吸附系统形式的氧气浓缩器是一种用于家庭使用的氧气治疗的良好来源。变压吸附(“PSA”)系统是有利的，原因是它们能够处理包含大约21％氧气的环境空气，并且使氧气与环境空气分离。由此，能够向使用者供应高浓度氧气。然而为了与它们的使用目的相适应，氧气浓缩器通常是笨重的并且需要连接到动力源(例如插座)。由此，氧气浓缩器不适于便携性并且不能用于走动人员的使用。
第二，液态氧气(“LOX”)系统能够提供一种便携式氧气治疗的便利方法。液态氧气是有利的，原因是与压缩气态氧气相比占用显著更小的空间。常规的LOX系统包括放置在室内的大型固定LOX存储罐。常规的系统还包括小型、便携式输送设备，该设备能够通过固定单元而被填充用于户外旅行。许多第一代现有技术系统由于便携式输送设备的低LOX容积以及受限的LOX低流量而具有有限的应用。为了保持液态状态，氧气必须保持在相对较低的温度，例如大约零下300华氏温度(-300°F)。由此，存储在LOX系统中的液态氧气将会蒸发，即便是没有被使用者所使用。以这种方式，LOX系统具有相对较短的使用阶段，无论使用者是否实际上使用氧气该使用阶段都会终止。
第三，压缩氧气系统通常用于各种不同类型的氧气治疗病人，包括那些相对活动的病人和/或那些不是始终需要氧气的病人，例如仅仅在走路时或者进行身体活动时。容纳压缩氧气的小型罐非常适用于便携性，原因是它们具有相对较轻的重量以及它们能够在没有使用时保持氧气的供应。然而，小型便携式压缩氧气装置受限于依赖于规定的流速它们能够持续多久、罐的尺寸(体积)以及罐的压力等级。由此，便携式压缩氧气装置必须经常重新填充。
许多现有技术系统尝试解决由列举的家庭氧气治疗装置所带来的缺点。例如，一些氧气浓缩器被设计成使得使用者能够从氧气浓缩器填充便携式压缩氧气罐。美国专利No.5,853,062(’062专利)描述了一种变压吸附系统，该系统能够提供第一压力和第二压力氧气浓缩空气。如’062专利的图1中所示，PSA能够接收环境空气以及将浓缩氧气的空气在第一低压出口106输出，以用于被使用者使用。通常地，使用者会以类似于多数PSA系统的方式将鼻套管连接到第一低压出口106。此外，’062专利的PSA系统提供了从浓缩器104到压力增强器109的第二输出。压力增强器109具有驱动气缸以及第一和第二级集气筒。压力增强器109的驱动气缸能够进行操作从而压缩浓缩器104的气态氧气以及被连接到高压出口112。由此，使用者能够使气筒与压缩气体连接以及再次装填。
美国专利No.6,446,630(’630专利)描述了一种PSA系统，该系统被配置成同时地向使用者提供氧气治疗以及填充便携式氧气罐。如’630专利的图1中所示，系统提供了与流量位置控制阀14相连接的氧气浓缩器11，该控制阀14与吸入传感器21连通。当吸入传感器21检测到使用者在吸入时，浓缩器向使用者提供氧气。当使用者没有吸入时，流量位置控制阀14将氧气浓缩器11的输出连接到压缩机17。压缩机17进行操作从而压缩由氧气浓缩器11所生成的、没有被使用者所使用的气体。一旦压缩了足够的气体量，则便携式气筒18能够被填充以用于使用者使用。
美国专利No.6,889,726(’726专利)描述了一种装置用于填充具有压缩机和氧气浓缩器的便携式高压罐。如’726专利中图2所示，系统提供了氧气浓缩器12，其具有筛床24和流量限定器28的标准配置，该筛床连接到产品罐22。由此，氧气浓缩器12可以进行操作从而向使用者装置14(例如鼻套管)提供浓缩氧气的气体。此外，当浓缩器12的输出大于供应使用者装置14的需求时，来自于使用者装置14的过多浓缩气体被引导到压缩机60。
如’726专利中图1所示，压缩机60使流入其中的浓缩氧气气体压缩并且将气体输出到连接器70。当便携式罐连接到连接器70时，从压缩机60输出的相对高压的气态氧气流动穿过连接器70并且流入便携式罐20中。如’726专利中所公开，通过压缩机60来填充便携式罐20需要大约1到12小时。’726专利还公开了连接到压缩机60的存储罐90。当便携式罐20没有连接到连接器70时，压缩机60能够填充存储罐90。一旦存储罐90被填满，便携式罐20能够连接到连接器70并且在与直接从压缩机60填充相比更短的时间阶段内进行填充。如’726专利中所公开，用于存储罐90的最初填充时间可以长达一个星期。
尽管适用于它们预期的目的，但是常规的氧气转换填充系统遭受许多缺点。最显著的缺点是这些系统需要压缩机。压缩机的使用给使用者带来了许多缺点。值得注意地，压缩机需要极大数量的能量来进行操作。例如，’726专利中公开的系统的压缩机必须不间断地运行整整一个星期来填充系统的存储罐。这种大量的使用会需要大量的电能并且对于使用者来说是昂贵的。此外，压缩机通常是笨重的并且在操作中以及在动力循环期间产生巨大的噪音。例如，用于现有技术中气态氧气转换填充系统的压缩机可能根据使用者的氧气需求而定期地开启和关闭，原因是压缩机仅仅在存在过度供应时才接收氧气。
对于基于压缩机的气态氧气转换填充系统的使用者而言，另一个缺点是压缩机通常需要周期性的维护和修理。由于要在现有的气态氧气转换填充系统的压缩机上实施相对较高的需求，例如连续地产生超过2000psi的压力，因此这些压缩机经常发生故障。当压缩机发生故障时，由于来自于浓缩器的气态氧气的压力远远低于便携式压缩氧气装置所需要的压力，因此整个气态氧气转换填充系统不能进行操作。
现有技术中气态氧气转换填充系统的另一个缺点涉及到对于填充便携式气体容器所必需的时间周期。例如，’726专利中气态氧气转换填充系统需要长达12小时来从压缩机填充便携式罐。由于从浓缩器输出的氧气压力较低，因此需要大量的时间将气体加压到足以用于便携的水平。
在商业规模上，便携式压缩氧气装置最常见地是使用工业规模装置的系统并且在工业过程中填充气态氧气。例如，商用氧气供应者通常具有包括使用大容量液态氧气杜瓦瓶以及气动压缩机的转换填充系统。常规的大容量液态氧气杜瓦瓶通常是存储在商用氧气供应者仓库中的不灵便且极其笨重的装置。这些常规的大容量液态氧气杜瓦瓶通常产生相对较低压力的气态氧气，在每平方英寸大小约为100到300磅力。
在气动压缩机已经对气态氧气施加压力之后，能够向便携式压缩氧气装置填充受压气体。该方法具有许多缺点和限制。最显著的一个是工业过程对于氧气治疗装置的使用者而言是完全不能获得的。此外，该工业过程必须由熟练技术人员在工业环境中以极高精度完成从而减小损伤风险。此外，该过程需要商用氧气提供者从使用者家中取回便携式压缩氧气装置，将这些装置带回到工业系统的场所以便再次填充，并且随后将便携式压缩氧气装置送回到使用者家中。这样对于商用氧气提供者和使用者来说花费很高、效率低下而且缓慢复杂。

本发明描述了氧气转换填充方法及系统。本发明的示例性实施例提供了一种氧气(气体)转换填充方法，该方法包括将一定量液态氧气(气体)输送到液态氧气蒸发装置中的蒸发室的步骤。接下来，该方法包括使一定量液态氧气中的一部分在蒸发室内蒸发以及将一定量气态氧气在蒸发室内保持在预定压力水平的步骤。最后，该方法包括向便携式压缩氧气装置填充预定压力水平的一定量气态氧气。
本发明的另一个示例性实施例提供了一种高压氧气(气体)转换填充系统，该系统包括具有蒸发室的液态氧气(气体)蒸发装置，该蒸发室能够接收一定量液态氧气并且将该一定量液态氧气中的一部分蒸发成一定量气态氧气。蒸发室能够将一定量气态氧气保持在足以存储在便携式压缩氧气装置中的预定压力水平。
通过接下来参考附图而给出的说明以及附加的权利要求，本发明的这些及其它目的、特征和特性，以及结构中相关元件的操作方法及功能、部件的组合以及制造的经济性将会变得更加清楚，所有这些构成了该说明书的一部分，其中不同附图中类似的参考标记表示的对应部件。然而，可以清楚理解到，附图仅仅用于解释和描述的目的并且不被看作是对发明范围的限定。如在说明书和权利要求书中所使用的，单数形式“一个”和“该”包括复数个对象，除非行文中明确地表示出相反的含义。

图1提供了根据本发明示例性实施例的氧气转换填充系统的示意图；
图2提供了根据本发明示例性实施例的氧气转换填充方法的示意图；
图3提供了根据本发明示例性实施例的氧气转换填充系统、LOX源杜瓦瓶、以及便携式压缩氧气装置的示意图；
图4提供了根据本发明可选实施例的氧气转换填充系统的示意图；
图5提供了根据本发明可选实施例的氧气转换填充系统的示意图。

本发明设法解决常规氧气转换填充系统的缺点。显著地，本发明提供了用于氧气转换填充的方法和系统，其有效地将气态氧气输送到便携式压缩氧气装置。由此，根据本发明提供的氧气转换填充系统能够安全且快速地填充便携式容器。本发明提供了与常规受控的工业过程截然不同的方法和系统，该方法和系统能够让使用者在家中安全地完成氧气转换填充。
应当认识的是，尽管氧气在此被描述作为本发明转换填充过程中所使用的气体，但是其它气体或气体混合物例如氮气、氦气、氦气-氧气(氦氧混合气)等同样地适用于在本发明的设备和方法中使用。
在示例性实施例中，本发明提供了一种氧气转换填充方法，该方法包括将一定量液态氧气输送到液态氧气蒸发装置中的蒸发室的步骤。接下来，该方法包括使该一定量液态氧气中的一部分在蒸发室内蒸发并且将该一定量气态氧气在蒸发室内保持在预定压力水平的步骤。最后，该方法包括向便携式压缩氧气装置填充在预定压力水平的一定量气态氧气的步骤。
除了氧气转换填充方法之外，本发明还提供了一种氧气转换填充系统，该系统包括具有蒸发室的液态氧气蒸发装置，该蒸发室能够接收一定量液态氧气并且将该一定量液态氧气中的一部分蒸发成一定量气态氧气。该蒸发室能够将该一定量气态氧气保持在预定压力水平，该压力水平足以用来存储到便携式压缩氧气装置中。
根据本发明的氧气转换填充系统和方法允许使用者在家中安全地完成从液态氧气源的气态氧气转换填充。在这之前，使用者不能够在家中对低温液态状态下的氧气完成氧气转换填充。通过现有技术装置向便携式氧气容器填充的主要方法需要压缩机的昂贵且耗时的使用。依靠压缩机将气态氧气从低压状态变到高压状态需要大量的时间和电力，增加了使用者的费用。对于多数常规系统，使用者必须提前计划出何时需要便携式气态氧气容器，从而使得压缩机要被驱动足够长的时间段(有时数小时)来填充这些容器。本发明的系统和方法克服了现有技术的这些缺点，并且允许使用者快速地填充便携式氧气容器以便使用。更像是制作一壶咖啡，使用者通过本发明的系统和方法能够快速地填充便携式压缩氧气装置以及出行。
图1提供了根据本发明示例性实施例的氧气转换填充系统100的示意图。图1显示了根据氧气转换填充系统100的示例性实施例、用于液态氧气蒸发装置105的基本配置。如图1所示，液态氧气蒸发装置105包括蒸发室110。此外，液态氧气蒸发装置105能够通过端口115接收液态氧气120。端口115与蒸发室110连通。由此，液态氧气120能够被输送到蒸发室110。一旦处于蒸发室110内，液态氧气120被允许沸腾或者蒸发从而生成一定量气态氧气125。该一定量气态氧气125被保持在蒸发室110的空的部分或者顶部空间中。明显地，液态氧气蒸发装置105的蒸发室110能够将气态氧气125保持在相对高的压力。
在示例性实施例中，蒸发室110能够将气态氧气保持在从100psig到5,000psig范围的压力。例如并且非限制性地，蒸发室110可以始终地将气态氧气保持在大约2000psig。在可选实施例中，蒸发室110可被配置以及设置成将氧气保持在4000psig或者4000psig左右的压力。本领域技术人员可以理解到，氧气转换填充系统的不同实施方式具有不同的需要，由此，蒸发室110能够被配置成适应不同的压力范围。
在示例性实施例中，蒸发室110中的液态氧气120被允许沸腾，直到在蒸发室内部达到气态氧气125的某一预定压力。一旦达到预定压力，使用者能够通过端口115输出气态氧气125，从而填充便携式压缩氧气装置。
本发明的氧气转换填充系统100相对传统转换填充系统具有许多显著改进，原因是没有其它装置提供了液态到气态氧气的转换填充。与许多现有技术中的氧气转换填充系统不同，本发明的氧气转换填充系统100不需要压缩机。例如，现有技术系统中的可呼吸气态氧气通常以较低压力水平供应，并且由此必须使用压缩机将气体压缩到足以存储在便携式罐中的压力水平。在氧气转换填充系统100的示例性实施例中，由于气态氧气125以足以存储在便携式压缩氧气装置中的压力水平从端口115输出，因此不需要压缩机。在此，“足以存储在便携式压缩氧气装置中的压力水平”这一语句被用于表示能够存储在容器中足以用于便携使用的压力。
本领域技术人员可以理解，“足以存储在便携式压缩氧气装置中的压力水平”会根据实施方式进行改变。例如并且非限制性地，普通的便携式压缩氧气存储装置能够存储压力在500psig到2000psig之间的氧气。可选择地，其它便携式压缩氧气装置能够存储在较高压力1500psig到4000psig之间的氧气。
氧气转换填充系统100的液态氧气蒸发装置105依赖于液态氧气120的固有性质，从而生成在足以用于存储在便携式压缩氧气装置中的压力水平下的气态氧气125。更具体地，液态氧气在101.325kPa(760mmHg)下的沸腾点是90.188K(-182.96℃)；由此，液态氧气在暴露于周围环境的系统中容易沸腾。由此，当液态氧气被注入到蒸发室110中时，液态氧气将会自然沸腾从而生成气态氧气125。
本领域技术人员应当理解到，图1中的氧气转换填充系统100是示例性实施例，并且氧气转换填充系统可以通过多种不同方式进行配置，而不会脱离本发明的范围。例如并且非限制性地，蒸发室110可被配置成具有非常小的顶部空间或者场所以用于一定量的气态氧气，以及气态氧气能够被输出到另一个室以便存储。这样，不需要使用气化容器来存储从蒸发过程生成的气体。在气化容器和高压气体存储容器之间可设置止回阀。本发明还预见到，气化容器中剩下的气体(例如在填充便携式存储容器之后)能够被存储在气化容器中或者能够被用于其它用途。一种用途是使气体返回到液化装置。即，剩下的气体能够流回到液化系统中从而被再次液化。
图2提供了根据本发明示例性实施例的氧气转换填充方法200的示意图。图2中所示的氧气转换填充方法200显示了便利且有效的过程，通过该过程，使用者可以将氧气转换填充到便携式压缩氧气装置。首先，步骤205包括将一定量液态氧气输送到液态氧气蒸发装置中的蒸发室。在示例性实施例中，该一定量液态氧气能够从固定的LOX源杜瓦瓶被输送。本领域技术人员可以理解到，液态氧气蒸发装置能够通过各种源进行填充，包括LOX产生装置，即从空气中产生液态氧气或者其它气体的装置。美国专利No.5,893,175；6,212,904；5,979,440；6,651,653；6,681,764以及6,698,423，这些专利中每一个的内容都通过引用而被包括在此，公开了用来生成液态氧气供应的便携式系统。
接下来，步骤210涉及在蒸发室内使一定量液态氧气中的一部分蒸发。由此，一旦液态氧气已经进入到蒸发室，引起或者允许液态进行沸腾并且在蒸发室的空的区域内生成一定量气态氧气。本发明预见到，可以提供部件来帮助或者促进蒸发(气化)过程。例如，一个或多个加热元件可以与蒸发室一同设置从而控制蒸发室中流体的温度。
一定量液态氧气中一部分的蒸发在蒸发室内生成了一定量气态氧气并且增加了蒸发室内的压力水平。在步骤215，该一定量气态氧气被保持在预定压力水平。可以理解到，压力调节装置(例如减压阀、加热器或者其它装置)能够被用于调节蒸发室内气态氧气的压力。
最后，步骤220涉及向便携式压缩氧气装置填充预定压力水平的一定量气态氧气。由此，在示例性实施例中，一旦蒸发室内的气态氧气的压力达到预定压力水平，它能够被输出到便携式压缩氧气装置中。当然，即便蒸发室内的气态氧气的压力没有达到预定压力水平，蒸发室内的气态氧气能够从蒸发室输送到便携式压缩氧气装置，但是这样做不会完全填充便携式压缩氧气装置。
图2中所示的氧气转换填充系统的方法200向使用者提供了一种快速的方法，通过该方法能够填充气体存储罐用于便携使用。使用常规的气体转换填充系统会耗费使用者几个小时来借助压缩机填充便携式气体罐。使用图2中所示的氧气转换填充方法200的示例性实施例，使用者能够决定离开家、通过液态氧气蒸发装置来快速地填充一个或多个便携式高压气体罐、并且使一个或多个罐为提供便携式氧气治疗做好准备。
图3提供了根据本发明示例性实施例的氧气转换填充系统100、LOX源杜瓦瓶305以及便携式压缩氧气(高压气体存储)装置310的示意图。如图3中所示的示例性实施例，氧气转换填充系统100被配置成从LOX源杜瓦瓶305接收液体。LOX源杜瓦瓶305可以是具有真空区域的杜瓦瓶。LOX源杜瓦瓶305的真空区域使得良好的隔绝成为可能，并且由此杜瓦瓶305的内容物在延长的时间段内保持成液态状态并且具有相对最小的沸腾，而不需要制冷设备。由此，LOX源杜瓦瓶305能够保持相对大容量的液态氧气并且能够多次重新填充氧气转换填充系统100。
LOX源杜瓦瓶(例如LOX源杜瓦瓶305)通常是大的、笨重的并且难于运输。由此，LOX源杜瓦瓶通常通过卡车带到家中并且由专业人员运输。如图3所示，LOX源杜瓦瓶305可具有液态源管路370。液态源管路370使得液态氧气从LOX源杜瓦瓶305提取出来。LOX源杜瓦瓶305可被用于将液态氧气转换填充到多个不同装置。例如并且非限制性地，液态源管路370可以连接到便携式LOX填充连接器315，它能够使液态氧气被传送到便携式LOX装置。此外，在示例性实施例中，LOX源杜瓦瓶305包括安全阀375，其能够释放LOX源杜瓦瓶305中的过度压力。
在示例性实施例中，液态氧气蒸发装置105能够连接到LOX源杜瓦瓶305的液态源管路370，从而使得液态氧气能够从杜瓦瓶305输送到液态氧气蒸发装置。如图3所示，液态氧气蒸发装置105包括输入端口320。输入端口320能够通过液态转换填充管路325连接到液态源管路370。在示例性实施例中，液态转换填充管路325包括止回阀，例如低温止回阀330。低温止回阀330能够被用于允许液态氧气从LOX源杜瓦瓶305流到液态氧气蒸发装置105并且防止气态氧气沿着相反路径流回到LOX源杜瓦瓶中。
液态氧气蒸发装置105还包括液体填充管335，液态氧气通过该液体填充管335从输入端口320输送能够到蒸发室110中。如图3所示，蒸发室110可以以各种比例容纳液态氧气以及气态氧气。例如并且非限制性地，蒸发室110能够被填充到等于液体填充管335端部高度的水平。
如图3所示，在示例性实施例中，液态氧气蒸发装置105还包括输出端口340。在示例性实施例中，输出端口340可被用于将气态氧气从液态氧气蒸发装置105排出。在示例性实施例中，气体使用管345将输出端口340连接到蒸发室110的内部。由此，容纳在蒸发室中的气态氧气能够从液态氧气蒸发装置中提取出来。
如图3所示，输出端口340能够被配置成使得便携式压缩氧气装置310能够通过氧气转换填充系统100而被填充。在示例性实施例中，氧气转换填充系统100提供了便携式气体转换填充管路350，该管路350连接到液态氧气蒸发装置105的输出端口340。如图3中所示的示例性实施例所示，便携式气体转换填充管路350包括便携式气体填充连接器355。便携式气体填充连接器355能够实现便携式压缩氧气装置(例如装置310)方便的、可取下的连接。在示例性实施例中，便携式压缩氧气装置310能够连接到便携式气体填充连接器355，并且来自于氧气转换填充系统100的气态氧气能够填充装置310。
在示例性实施例中，便携式气体转换填充管路350能够提供安全阀360和冗余安全阀365，用于确保系统的安全。安全阀360能够有助于防止在液态氧气蒸发装置105中形成过度压力。在液态氧气蒸发装置105的蒸发室110内部的压力超过预定极限的情况下、例如由于蒸发室110中液态氧气的蒸发，安全阀360能够打开并且将气态氧气排出到大气。假如安全阀360失效，冗余安全阀365确保液态氧气蒸发装置105内部的压力不会超过预定极限。
氧气转换填充系统100的便携式气体转换填充管路350还能够提供高压阀370和排放口377。在示例性实施例中，高压阀370和排放口377被用于将气态氧气从液态氧气蒸发装置105排出。例如并且非限制性地，在重新填充液态氧气蒸发装置105之前，高压阀370能够被打开，从而使液态氧气蒸发装置105的蒸发室110中的全部气态氧气排放。此外，高压阀370和排放口377能够被用于控制容纳在氧气转换填充系统中气态氧气的压力，从而使得在填充便携式压缩氧气装置310之前，能够获得用于氧气转换填充的期望压力水平。
根据本发明的氧气转换填充方法200的示例性实施例，使用者能够使用图3中所示的氧气转换填充系统100，从而安全、便利且快速地填充便携压缩氧气装置310。氧气转换填充方法200的第一个步骤，使用如图3中所示的氧气转换填充系统100的示例性实施例，涉及通过将液态转换填充管路325连接到液态源管路370，从而从LOX源杜瓦瓶305向蒸发室110填充液态氧气。
一旦连接，来自于LOX源杜瓦瓶305的液体能够通过低温止回阀330流入到蒸发室110。接下来，蒸发室110中的液态氧气能够允许沸腾。沸腾过程能够通过将液态氧气蒸发装置105自然加温到周围环境的温度而发生或者能够通过液态氧气蒸发装置105中的加热设备而催生。
一旦蒸发室110中的液态开始沸腾，在蒸发室内开始形成气态氧气。根据氧气转换填充方法的示例性实施例，蒸发室110将形成的气态氧气保持在预定压力水平。一旦达到预定压力水平，气态氧气能够从液态氧气蒸发装置105输出到连接到便携式气体填充连接器355的便携式压缩氧气存储装置310。整个方法可以由使用者在家中快速且安全地完成。此外，整个氧气转换填充方法能够在相对较短的时间阶段内完成，例如少于5分钟，并且优选地少于2分钟。
显著地，根据本发明示例性实施例而提供的、使用氧气转换填充方法200不需要任何外部能量源或者机械源。然而，对于常规系统，压缩机必须通过外部能量源而进行驱动从而生成便携式气体。如图3所示，本发明示例性实施例的氧气转换填充系统100的所有部件都是无源的。产生便携式压力水平下的气态氧气所需的能量是注入到液态氧气蒸发装置105中的液态氧气所固有的。由此，对于进行氧气转换填充所必需的能量实际上是在低温液态氧气形成期间被加入的。在这种情况下，依赖于液态氧气在低温沸腾点之上温度的蒸发的自然过程产生受压气体，而不是使用压缩机的常规方法。
图4提供了根据本发明可选实施例的氧气转换填充系统100的示意图。本领域技术人员可以理解的是，氧气转换填充系统100的液态氧气蒸发装置105能够以多种不同方式进行配置，而不会脱离本发明的范围。图4中所示的液态氧气蒸发装置105的可选择实施例包括隔绝层405，从而有助于蒸发室110的绝绝。液态氧气的沸腾点显著地低于环境温度；由此，蒸发室110必须被隔绝，从而降低蒸发室与周围环境之间的传热率并且防止注入到蒸发室中的液态氧气的快速蒸发。
在图4所示的示例性实施例中，隔绝层405被设置作为蒸发室110的内衬。隔绝层405可以是能够降低蒸发室110与周围环境之间传热率的多种不同材料类型中的一种或者是材料的组合。例如并且非限制性地，隔绝层405可以是能够降低传热率的泡沫或纤维材料。在示例性实施例中，隔绝层405包括合成含氟聚合物，例如聚四氟乙烯(PTFE)，也被称为由于蒸发室110的目的是使液态氧气沸腾，因此隔绝层405的目的并不是完全地防止蒸发室与周围环境之间的热传递。由此，隔绝层405可以根据氧气转换填充系统100的液态氧气蒸发装置105的给定实施方式所期望的参数而进行配置。例如并且非限制性地，如果液态氧气蒸发装置105的特定实施例被配置成使液体以相对较快速度沸腾，那么隔绝层405可被配置成对于传热率提供较小的限制量。
在可选实施例中，例如图4中所示，氧气转换填充系统100的液态氧气蒸发装置105设置有加热装置410，用于在期望时有助于液态氧气温度的升高和控制。对于具有加热装置410的液态氧气蒸发装置105的可选实施例，隔绝层405可被配置成对传热率具有较大的限制量，原因是周围环境不再是使蒸发室110中液态氧气温度升高的唯一因素。由此，在所有液体沸腾之前，蒸发室110能够在较长阶段保持一定量液态氧气。对于图4中所示的实施例，当期望提升蒸发室110中液态氧气的沸腾速度时，可以使用加热装置410。本发明还设想到，设置与蒸发室110相联系的冷却系统(未示出)来控制温度，并且由此控制容纳在蒸发室110中的气体和/或液态的压力。
如图4中所示的示例性实施例所示，氧气转换填充系统100可包括液态转换填充管路325，使得能够从源容器接收液态氧气。在示例性实施例中，液态氧气转换填充管路325连接到液态氧气蒸发装置105上的输入端口320。此外，输入端口320连接到与蒸发室110连通的液体填充管335。由此，液态氧气蒸发装置105能够被连接到液态氧气源容器以及液体能够通过液体填充管335注入到蒸发室110中。液体填充管335设置有止回阀415，从而允许液态氧气通过液体填充管335注入，但是防止容纳在蒸发室110中的气态氧气通过液体填充管335离开。
图4中所示的液态氧气蒸发装置105的示例性实施例提供了气体使用管345，通过该气体使用管345，气态氧气能够从蒸发室110输出。气体使用管345可被连接到输出端口340，该输出端口340进一步连接到气体转换填充管路350。气体转换填充管路350可设置气体填充连接器420，各种不同的气态氧气容器可以连接到该连接器420。通过这种方式，氧气转换填充系统100能够被用于填充大型及小型便携式氧气治疗装置以及大型气体存储容器。
使用者期望不同的便携式压缩氧气装置以用于不同的目的和应用。下表提供了本领域内用于便携式压缩氧气装置的各种标准：
表1
用于便携式压缩氧气装置的一般规范
  名称   直径(英寸)   高度(英寸)   容积(升)   重量(磅)   M-2   3.21   5.37   34   0.7   A或M-4   3.21   8.4   113   1.6   B或M-6   3.21   11.6   164   2.2   ML-6   4.38   7.68   165   2.8   M-7   4.38   9.18   198   3.3   C或M-9   4.38   10.7   255   3.7   D或M-15   4.38   16.5   425   5.3   E或M-24   4.38   24.9   680   7.9
根据本发明的氧气转换填充系统100的各种实施例能够被用于填充表1中列出的全部不同类型的便携式压缩氧气装置以及多种其它装置。不同的便携式压缩氧气装置为使用者提供了不同的好处，由此，氧气转换填充系统100可被配置成填充最适合使用者需要的便携式氧气治疗装置类型。
在图4中所示的示例性实施例中，氧气转换填充系统100被用于填充氧气存储容器425，该容器是相对较大的气态氧气容器。气体存储容器425的容积大于图3中所示的便携式压缩氧气装置310。例如并且非限制性地，气体存储容器425可以是能够保持680升气态氧气的E储罐。某些便携式氧气治疗装置需要通过根据本发明的氧气转换填充方法200从而与气体存储容器425进行多次反复。换句话说，氧气转换填充系统100在从液态到氧气转换填充的一次循环中只能产生便携式氧气治疗装置中全部容积的一部分。由此，为了填充全部容积，需要再次填充蒸发室、使液态沸腾为气体、以及将高压气体转移到气体存储容器。这个过程可以根据需要被重复。
除了能够被配置成产生不同体积气态氧气的能力之外，氧气转换填充系统100的各种实施例可被配置成产生多种压力水平的气态氧气。在非限制性示例中，可以期望配置氧气转换填充系统100用于生成2000psig的气态氧气以用于某一便携式氧气治疗装置以及3000psig的气态氧气用于其它的便携式氧气治疗装置。对于氧气转换填充系统100的不同实施例，输入到预定体积的蒸发室110中的氧气量决定了由氧气转换填充系统所生成的气态氧气的压力水平。
液态氧气具有860∶1的膨胀率。由此，概括地讲，一升液态形态的氧气等于860升气态形态的氧气。这个膨胀率使得蒸发室110内能够产生压缩气体。基于该膨胀率，可以计算出为了生成期望压力水平下的期望量的气态氧气，氧气转换填充系统100的液态氧气蒸发装置105所需的液态氧气量。具体地，可以使用下面的Van Der Waals公式来计算出在给定体积中生成期望的气态氧气压力水平所必须的液态氧气量：
$(P+a\frac{n^2}{V^2})(V-\mathrm{nb})=\mathrm{nRT}$
其中：
P＝压力(巴)
V＝体积(升)
n＝气体量(摩尔)
R＝通用气体常数0.0831451(使用巴和升为单位时)
T＝温度(开氏温标)
a＝对于真实氧气气体的Van Der Waals常数1.382 bar L2/mol2，以及
b＝对于真实氧气气体的Van Der Waals常数0.03186L/mol。
通过求解Van Der Waals公式中的气体量摩尔数(n)，可以确定出在膨胀到气体时为了在蒸发室110的给定体积内生成期望压力所需的液态氧气的摩尔数。求解上面的Van Der Waals公式的n导致了下面的三次公式。
$-a\frac{b}{V^2}{n}^3+\frac{a}{V}{n}^2-(\mathrm{bP}+\mathrm{RT})n+\mathrm{PV}=0$
通过代入蒸发室110的给定体积(V)以及期望压力(P)，上面的公式能够求解出n。用n乘以氧气的分子量(31.9988)，得到了对于期望的氧气转换填充所必须的液态氧气量。下面的表2提供了根据使用上述公式计算出来的对于填充一般的便携式氧气治疗装置所必须的液态氧气量的说明。
表2
  罐尺寸   工作  压力   直径   长度   空罐  重量   液态  体积   室温下获得  工作压力所  需的LOX   可用的气态  氧气体积   巴   毫米   毫米   千克   升   千克   升
  罐尺寸   工作  压力   直径   长度   空罐  重量   液态  体积   室温下获得  工作压力所  需的LOX   可用的气态  氧气体积   M4   153   81.5   213   0.7   0.7   0.140   113   M6   153   81.5   294   1.0   1.0   0.199   170   M9   139   111.3   272   1.6   1.7   0.339   255   ME   139   111.3   632   3.4   4.6   0.917   680
液态氧气蒸发装置105可以设置有多个不同装置，使得使用者能够对于特定的蒸发室110容易地注入根据上述公式计算出来的适当液态氧气量。在图4所示的示例性实施例中，液态氧气蒸发装置105设置有液体填充管335，该填充管335穿透到蒸发室110内部的预定深度。由此，使用者能够将液态氧气注入到蒸发室110中，直到听到突突响声，告知使用者蒸发室110内液态氧气的高度已经达到与液体填充管335深度相等的高度，并且可以终止液态氧气的注入。以这种方式，液体填充管335可以设置在对于液体填充管以下液态气体提供必要体积的深度。
在可选实施例中，液态氧气蒸发装置105包括传感器，该传感器被配置成向填充蒸发室110的使用者指示出已经添加了液态氧气的适当量。例如，与液态转换填充管路325相联系的流量传感器能够监测出输送到蒸发室的液体量。在更先进的实施例中，当期望的液体量已经提供到蒸发室时，系统自动地中断液体向蒸发室的传送。
图5提供了根据本发明另一个可选实施例的氧气转换填充系统100的示意图。在该可选实施例中，氧气转换填充系统100能够从便携式液态氧气容器505进行填充。示例性实施例的便携式液态氧气容器505能够被使用者运输从而允许在室外填充便携式压缩氧气装置。例如并且非限制性地，使用者可以将便携式液态氧气容器505放置在她/他车辆的行李箱中或者放置在手提箱中。这样，使用者能够非常方便地制出用于液态氧气蒸发装置105的液态氧气。
在示例性实施例中，便携式液态氧气容器505包括内部液态氧气容器510，该内部液态氧气容器510容纳一定量液态氧气。液态氧气装置505的内部液态氧气容器510经由填充端口515而由静止容器进行填充。填充端口515允许与静止液态氧气杜瓦瓶的可取下连接。在示例性实施例中，填充端口515适于与静止LOX存储容器的排出端口互配连接。互配连接可以通过直接连接机构或者通过传送导管(未示出)。填充端口515通过填充管路525连接到内部液态氧气容器510，从而通过填充管535将液态氧气传送到内部液态氧气容器510。便携式液态氧气容器505还包括外部容器530。外部容器530与内部液态氧气容器510之间的空间被抽空到至少局部真空，从而使得传递到内部液态氧气容器510内的LOX的热传递降到最低。
在示例性实施例中，便携式液态氧气容器505可包括液体使用管540。液体使用管540可被包含在填充管535中并且能够向下延伸到内部液态氧气容器510的下部。液态氧气能够穿过液态氧气使用管535到达液体使用连接器545。当然，使用管以及填充管可以不需要彼此包含，而是能够分开的管子。
在示例性实施例中，液态氧气蒸发装置105能够连接到便携式液态氧气容器505的液体使用连接器545，从而使得液态氧气被输送到氧气转换填充系统100。如图5所示，液态氧气蒸发装置105包括连接到便携式液态氧气容器505的液体使用连接器545的输入端口320。液态氧气蒸发装置105包括液体填充管335，通过该填充管液态氧气从输入端口320输送到蒸发室110内。如图3所示，蒸发室110可以容纳各种比率的液态氧气和气态氧气。例如并且非限制性地，蒸发室110可以填充到等于液体填充管335的高度。
根据本发明氧气转换填充方法200的示例性实施例，使用者能够使用图5中所示的氧气转换填充系统100从而安全、便利且快速地填充便携式压缩氧气装置310(未示出)。在图5所示的示例性实施例中，氧气转换填充方法200可以依赖便携式液态氧气容器505作为液态氧气源。这个特定实施例向使用者提供了增强的灵活性。由于图5中所示的便携式液态氧气容器505能够在室外运输，因此使用者能够几乎在所有地方填充便携式压缩氧气装置。例如并且非限制性地，使用者可以将便携式液态氧气容器505放置在轿车的行李箱中。由此，无论何时需要再次填充便携式压氧压缩装置，使用者都能够通过使用轿车行李箱中的便携式液态氧气容器505来完成本发明的氧气转换填充方法200的示例性实施例。
此外，在另一个非限制性示例中，使用者可以将便携式液态氧气容器505运输到旅馆房间或者暂时住所，例如RV、营地、朋友或亲戚的家中。由此，无论何时需要再次填充便携式压氧压缩装置，使用者都能够通过使用旅馆房间或者使用者暂时住所中的便携式液态氧气容器505来完成本发明的氧气转换填充方法200的示例性实施例。
使用如图5所示的氧气转换填充系统100的示例性实施例的氧气转换填充方法200的示例性实施例的第一步骤涉及通过将液体使用连接器545连接到液态氧气蒸发装置105的输入端口320从而从便携式液态氧气容器505向蒸发室110填充液态氧气。一旦连接，来自于液体使用连接器545的液体会流到蒸发室110中。接下来，蒸发室内的液态氧气被允许沸腾。沸腾过程通过将液态氧气蒸发装置105自然升温到周围环境而发生或者通过液态氧气蒸发装置105中的加热设备而引起。一旦蒸发室中的液体开始沸腾，则蒸发室110中开始形成气态氧气。
根据氧气转换填充方法200的示例性实施例，蒸发室110将形成的气态氧气保持在预定压力水平。一旦达到该预定压力水平，气态氧气就会从液态氧气蒸发装置105输出到与输出端口340相连接的便携式压缩氧气装置。整个方法可以由使用者在便携式液态氧气容器最近的异地位置快速安全地完成。
可以理解的是，如上面所描述以及附图中所显示，本发明提供了一种能够进行快速且方便转换填充的气态氧气转换填充系统。它还能够在没有压缩机的情况下填充便携式气态氧气罐。此外，该转换填充系统使得使用者能够安全方便地从使用者家中的液态源完成高压氧气转换填充。
尽管本发明基于当前被认作是最合乎实际且优选的实施例而详细描述以用于解释的目的，但是可以理解的是，这种细节仅仅用于该目的并且本发明不局限于公开的实施例，并且相反地，本发明打算覆盖附加权利要求精神和范围内的改进和等同设置。例如，应当理解的是，本发明预见到，在可能的程度上，任何实施例的一个或多个特征可以与任何其它实施例的一个或多个特征相结合。
相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.§119(e)要求享有2007年10月22日提交的美国临时专利申请60/981,648的优先权，该申请的内容通过引用而被包括在此。