CN100479878C - 小型自适应挤压式氧气输出装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种小型自适应挤压式氧气输出装置，该小型自适应挤压式氧气输出装置，包括集氧罐(18)和控制系统，集氧罐(18)用来储存制氧机生产的氧气；该控制系统设置第一压力传感器(19)和第二压力传感器(24)，第一压力传感器(19)控制集氧罐内氧气储存压力，第二压力传感器(24)检测呼吸负压信号，仅当集氧罐(18)中的储氧胶囊或活塞氧气储端输入的氧气压力达到系统所设定0.4-0.44bar时、第二压力传感器(24)检测到呼吸负压信号时才能允许氧气输出；当用户中断使用氧气达到30秒或第一压力传感器(19)检测到氧气压力达到0.45bar时系统报警。本装置可节约氧气50%以上，大大降低能源消耗，减小噪音等环境污染。

Description

小型自适应挤压式氧气输出装置

技术领域

本发明涉及一种小型自适应挤压式氧气输出装置，该装置适用于小型、便携式采用分子筛变压吸附技术(PSA)生产制造的制氧机的氧气输出系统，该氧气输出装置自适应用户的呼吸频率，按呼吸周期提供稳定流量输出的氧气。

背景技术

家用医疗保健制氧分子筛变压吸附制氧机，由于其工作原理简单，工作状态稳定，制氧浓度满足用户需要，在其寿命期内从大气中直接分离氧气无需添加其它辅助原料，与传统氧气瓶、化学制氧方式相比具有经济、方便、快捷、持续供氧时间长的特点，因此分子筛制氧机快速增长。按每分钟制氧量划分，现市场供应的制氧机分为3L/min、5L/min。

5L/min制氧机每分钟制氧量为5L，每秒制氧量为83.ml。人的平均呼吸频率为每分钟16-18次。每个呼吸周期时间为3.75秒。从图1的呼吸节拍示意图中可以看到整个呼吸过程分为3个阶段，第一阶段为吸入段，即吸入空气，中间段为吸入呼出转换段，第三段为呼出段，将经肺部交换过的空气排出体外。每段平均时间为1.1-1.25秒，吸入时间内每个吸入段吸入的氧气总量为91.3ml的氧气。按每分钟呼吸18次计算，每分钟人体吸入的氧气总量为1643.4ml，约合1.6L的氧气。对于每分钟制氧量为5L的制氧机，每分钟3.4L的氧气被浪费掉，使用效率仅为32％。

便携制氧机生产的氧气，储存在集氧罐中，当控制系统检测到吸入信号时，控制集氧罐氧气的输出，吸入停止集氧罐关闭，停止氧气输出。在保证同等氧气输出的条件下节省了氧气。传统的5L制氧机重量为25-30kg、消耗功率380w，便携制氧机的重量仅为3.8-4.7kg、消耗功率40w。在同等条件下便携制氧机体积小，重量轻，使用更经济，节省能源，方便用户携带。

便携制氧机氧气的输出量从1-5L可调，方便用户依据需要调整。正常人每分钟呼吸通气量为6-8L空气，每次呼吸通气量为330-440ml，平均为385ml。其中氧含量为(按21％)80.85ml当使用便携制氧机最大氧气输出量时，即每次呼吸吸入增加90mL其浓度为93％的氧气，折合纯氧为83.7ml的氧气。在每次呼吸时增加了83.7ml的氧气与空气中的氧气总量为164.55ml，为平均每次呼吸通气量385ml的42.7％。在使用便携制氧机或5L制氧机的条件下，可以改善呼吸质量，增加血液中的氧含量，每次呼吸氧气的摄入量提高一倍。

为了适应呼吸节奏在吸气时输出氧气，利用传感器读取吸气负压信号，信号经系统放大后驱动电磁阀打开释放储存的氧气，提高氧气的使用效率，减小了制氧的体积、重量，满足了便携伴随用户供氧的需要。在氧气输送进程中，吸气负压触发传感器信号，系统使用时间控制电磁阀的开启时间，在防止发生连吸动作方面在控制程序中设置了连锁，即在每个呼吸进程发生周期，只允许输送一次氧气，但由于未能控制氧气储量难以保证氧气输出流量的准确性和一致性。有的采用了呼吸机控制方法但造成了控制系统的复杂程度，造成体积增加，成本增长。

发明内容

本发明目的在于提供一种小型自适应挤压式氧气输出装置，该装置包括集氧罐和控制系统，集氧罐用来储存制氧机生产的氧气；该控制系统设置第一压力传感器和第二压力传感器，第一压力传感器控制集氧罐内氧气储存压力，第二压力传感器检测呼吸负压信号，仅当集氧罐中的储氧胶囊或活塞氧气储端输入的氧气压力达到系统所设定0.4-0.44bar时、第二压力传感器检测到呼吸负压信号时才能允许氧气输出；当用户中断使用氧气达到30秒或第一压力传感器检测到氧气压力达到0.45bar时系统报警。

所述集氧罐两端密封，出口端安装一个与进、出氧口连接且密封的胶囊或安装一密封活塞；下端经第一电磁阀与压缩机和排气管道连接；在氧气输入时第一电磁阀处于常开状态，氧气充装胶囊或压缩活塞，空气排出，当吸气动作发生时，系统打开第二电磁阀和第一电磁阀，压缩空气进入集氧罐，挤压氧气经减压阀稳压后从出氧口排出。

所述控制系统适应使用者的呼吸频率，检测到吸气负压信号后，打开第二电磁阀和第一电磁阀输出氧气，系统按设定的时间所对应的氧气输出量，关闭第二电磁阀和第一电磁阀结束输出氧气。

该控制系统采用单片机进行逻辑运算，为了适应不同型号的制氧机氧气输出量所对应的控制时间，可对时间参数进行修改后写入控制程序，提供用户选择预设的不同定量的输出氧气。

该集氧罐分4档选择，对应氧气输出量30、45、60、90ml。

所述第一压力传感器控制集氧罐内氧气稳定的储量，释放多余氧气；第二压力传感器相应控制呼吸负压信号，控制打开第二电磁阀和第一电磁阀，压缩胶囊或推动活塞输出氧气。

第二电磁阀和第一电磁阀的响应时间为0.03-0.05s。

该集氧罐为两端密封容器，密封测试压力为1.5kg/cm²；集氧罐内安装一储氧胶囊或安装一活塞，将氧气与压缩空气分为两个独立的可变空间，胶囊内腔或活塞左腔储存氧气；当压缩空气进入集氧罐挤压胶囊变形或推动活塞移动时，从出氧口输出氧气。

为保证集氧罐内氧气储量，多余氧气经制氧机控制系统在分子筛吸附罐上设置的平衡电磁阀进入还原进程中的吸附罐内，加快还原吸附罐的还原进程。

本发明的有益效果如下：

本发明所述的小型自适应挤压式氧气输出装置，适用于小型分子筛变压吸附(PSA)制氧机的氧气输出系统。小型制氧机产出的氧气经第一单向阀，进入集氧罐中，集氧罐内装有一氧气储存胶囊或活塞，氧气输入胶囊后，体积增大，将集氧罐内空气排出，经第一电磁阀的常开接口排出系统外。当胶囊内的氧气压力达到控制系统设定值0.4-0.44bar时，期间当系统第二压力传感器检测到呼吸负压信号，系统控制第二电磁阀和第一电磁阀打开，压缩空气经第一电磁阀的进气口，进入到集氧罐底部，压缩储满氧气的胶囊，使胶囊内氧气迅速经减压阀、第二过滤器、第二单向阀、第二电磁阀由出氧口输出氧气供用户使用。

调整氧气输出流量波段开关，控制系统将按照用户的选择，系统内所设定的时间，关闭第二电磁阀和第一电磁阀，完成一次人体吸氧功能，在人体进行呼吸转换及呼气进程时，集氧罐为下一次吸氧储存氧气。

氧气的最大输出量符合所匹配制氧机的产氧量。便携制氧机配置的集氧罐，每次最大氧气输出量为90ml，分4档选择，对应氧气输出量30、45、60、90ml。集氧罐容积可以根据制氧机产氧量设定。

第一压力传感器负责检测集氧罐氧气的储量，当集氧罐中开始储存氧气，罐中压力逐渐增高，氧气压力的变换改变传感器内部电阻值，实时将变化的电流强度反馈到控制系统的数模转换电路(AD/DA)，以数字量送中央处理器，中央处理器实时对送达的数字量与程序中设定的压力值相比，当等于设定值时，第一压力传感器触发信号，此时第一压力传感器阈值P1等于1，即第一压力传感器所控制的程序段打开，第一压力传感器控制段处于工作状态中。当P1<0，第一压力传感器控制的程序段闭锁。只有P1等于1时，程序段打开。

第二压力传感器负责检测呼吸信号，其工作原理与第一压力传感器相同，但设定的控制压力值不相同，在通常状态时第二压力传感器监测到的是大气压力，设定值为0，当检测到呼吸信号时为负压值，只要检测到压力值小于0即负压值时，第二压力传感器即通过中央处理器触发信号，此时阈值P2等于1，P2＝1，第二压力传感器控制的程序段打开。

当集氧罐达到设定的工作压力，储存了额定的氧气P1＝1，第二压力传感器检测到呼吸信号P2＝1，此时中央处理器处理逻辑代数P1+P2＝1，打开第一、第二电磁阀，使得电磁铁线圈形成闭合电路，产生电磁力推动电磁阀内的阀杆移动，打开气体通道输送出氧气。电磁阀的打开时间由系统程序中设定的时间控制，届时关闭电磁阀。

当P1＝0时，也就是集氧罐内的压力低于设定的工作压力，储存的氧气量未达到设定值，此时若检测到呼吸信号P2＝1，其逻辑关系为P1+P2＝0，逻辑代数表达式为0+1＝0，中央处理器不能发出触发信号，没有氧气送出。集氧罐内如果未能储存到额定的氧气，即使检测到呼吸信号系统也不会送出氧气。

当P1＝1时，P2＝0，也就是集氧罐内虽然储存了额定的氧气，但未能检测到呼吸信号时系统同样不会送出氧气。

逻辑代数关系及表达式：0+0＝0，0+1＝0，1+0＝0，1+1＝1。

由于在系统中设置了两个传感器，第一压力传感器和第二压力传感器，第一压力传感器负责检测集氧罐内氧气的储存压力。第二压力传感器检测呼吸负压信号，只有当集氧罐内储存到设定压力的氧气、第二压力传感器检测到吸气负压信号时，系统才能够输出氧气，即P1+P2＝1。本发明用于便携制氧机，在呼吸频率、选择的氧气流量发生变化时，获得了流量稳定的氧气输出，取得了令人满意的结果。

由于小型便携制氧机采用低压变压吸附技术，工作压力为0.4-0.8bar，氧气的输出压力为0.45bar，集氧罐容积90ml，其外形尺寸为φ32×130，材料为铝合金A502。在额定氧气储存压力条件下，当储存的氧气压力达到第一压力传感器设定的压力值0.44bar时，集氧罐内储存了126ml的氧气，当第二压力传感器检测到呼吸负压信号时，只能释放出0.44bar压力条件的氧气为36ml，其原因是氧气输出电磁阀打开后，当集氧罐内氧气压力与大气压力相同后氧气停止输出。在上述条件下只有将集氧管的容积增加到205ml时才能够获得90ml的氧气，容积增加了2.26倍。在小型便携式制氧机由于外形尺寸的限制，难以摄制。本发明在集氧罐内安装了一氧气储存胶囊，或一活塞，将集氧罐分为两个独立的空间，胶囊内或活塞一端与进出氧气管路连接，集氧罐另一端通过电磁阀与压缩空气管路连接。在储存氧气时，氧气进入集氧罐内的胶囊内或活塞氧气输入端，胶囊或活塞在充入氧气的过程中，将压缩空气排出集氧罐外，直到第一压力传感器检测到设定的充气压力，停止充入氧气，当控制系统检测到传感器阈值P1+P2＝l时，驱动第二电磁阀和第一电磁阀打开，氧气出口和压缩空气进口同时打开，出氧口打开后与大气形成压差，压缩空气进入集氧罐内，挤压出氧胶囊或活塞，快速将储存的氧气挤出，经减压后输出设定的氧气供用户使用，期间当第二压力传感器被触发此时P1＝0，P2＝1，P1+P2＝0，既保证在一个呼吸周期中只能触发一次氧气输出，从而保证每一次呼吸能够得到相同容积的氧气。

本系统可节约氧气50％以上，能够用于小于50％制氧量的制氧机来达到目前常规制氧机的效果，可大大降低能源消耗，减小噪音等环境污染。

附图说明

图1为呼吸节拍示意图；

图2为集氧罐的一个实施例；

图3为集氧罐的另一个实施例；

图4为小型自适应氧气输出系统原理图；

图5为便携式制氧机上应用实例的原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明：

本发明的一种小型自适应挤压式氧气输出装置，如图4所示包括集氧罐18和控制系统，集氧罐用来储存制氧机生产的氧气；该控制系统设置第一压力传感器19和第二压力传感器24，第一压力传感器19控制集氧罐内氧气储存压力，第二压力传感器24检测呼吸负压信号，仅当集氧罐中的储氧胶囊或活塞氧气储端输入的氧气压力达到系统所设定0.4-0.44bar时、第二压力传感器24检测到呼吸负压信号时才能允许氧气输出；当用户中断使用氧气达到30秒或第一压力传感器19检测到氧气压力达到0.45bar时系统报警。

该集氧罐18两端密封，出口端安装一个与进、出氧口连接且密封的胶囊或安装一密封活塞，图2是集氧罐18的具有密封胶囊的一实施例，图3是集氧罐18的具有密封活塞的另一实施例；下端经第一电磁阀6与压缩机和排气管道连接；在氧气输入时第一电磁阀6处于常开状态，氧气充装胶囊或压缩活塞，空气排出，当吸气动作发生时，系统打开第二电磁阀23和第一电磁阀6，压缩空气进入集氧罐，挤压氧气经减压阀稳压后从出氧口排出。

该控制系统适应使用者的呼吸频率，检测到吸气负压信号后，打开第二电磁阀23和第一电磁阀6输出氧气，系统按设定的时间所对应的氧气输出量，关闭第二电磁阀23和第一电磁阀6结束输出氧气。

该控制系统采用单片机进行逻辑运算，为了适应不同型号的制氧机氧气输出量所对应的控制时间，可对时间参数进行修改后写入控制程序，提供用户选择预设的不同定量的输出氧气。

该集氧罐分4档选择，对应氧气输出量30、45、60、90ml。

该第一压力传感器19控制集氧罐内氧气稳定的储量，释放多余氧气；第二压力传感器24相应控制呼吸负压信号，控制打开第二电磁阀23和第一电磁阀6，压缩胶囊或推动活塞输出氧气。

第二电磁阀23和第一电磁阀6的响应时间0.03-0.05s。

该集氧罐为两端密封容器，密封测试压力1.5kg/cm²；集氧罐内安装一储氧胶囊或安装一活塞，将氧气与压缩空气分为两个独立的可变空间，胶囊内腔或活塞左腔储存氧气；当压缩空气进入集氧罐挤压胶囊变形或推动活塞移动时，从进、出氧口输出氧气。

保证集氧罐内氧气储量，多余氧气经制氧机控制系统在分子筛吸附罐上设置的平衡电磁阀进入还原进程中的吸附罐内，加快还原吸附罐的还原进程。

小型自适应挤压式氧气输出装置，适用于小型分子筛变压吸附(PSA)制氧机的氧气输出系统。小型制氧机产出的氧气经第一单向阀17，进入集氧罐18中，集氧罐18内装有一氧气储存胶囊或活塞，氧气输入胶囊后，体积增大，将集氧罐内空气排出，经第一电磁阀6的常开接口排出系统外。当胶囊内的氧气压力达到控制系统设定值0.4-0.44bar时，期间当系统第二压力传感器24检测到呼吸负压信号，系统控制第二电磁阀23和第一电磁阀6打开，压缩空气经第一电磁阀6的进气口，进入到集氧罐底部，压缩储满氧气的胶囊，使胶囊内氧气迅速经减压阀20、第二过滤器21、第二单向阀22、第二电磁阀23由出氧口输出氧气供用户使用。

调整氧气输出流量波段开关，控制系统将按照用户的选择，系统内所设定的时间，关闭第二电磁阀23和第一电磁阀6，完成一次人体吸氧功能，在人体进行呼吸转换及呼气进程时，集氧罐为下一次吸氧储存氧气。

氧气的最大输出量符合所匹配制氧机的产氧量。本例为便携制氧机配置的集氧罐，每次最大氧气输出量为90ml，分4档选择，对应氧气输出量30、45、60、90ml。

可以根据制氧机产氧量设定集氧罐容积。

图5为便携制氧机上采用小型自适应挤压式氧气输出装置的应用实例。

主要技术指标：供氧浓度：>90％；瞬时设定氧流量：5L/min(max)；瞬时流量时间：0.25sec；瞬时最大供氧量：0.090L；储氧罐容积：0.094L；储氧罐设定压力：0.42bar；储氧罐报警压力：0.45bar；输出流量设定：分5档设定，输出流量对应1-5L，时间控制为波段开关选择设定，单片机响应控制呼吸阀氧气输出；呼吸节拍控制：负压传感器控制，内置呼吸周期响应；工作电压：DC12V4A；电池功率：4A/h；工作噪声：<48db；外形尺寸：290×188×110(mm)；重量：3.9kg(含电池)；

使用DC12V电源与制氧机连接或插入蓄电池，打开便携制氧机上翻盖，将控制旋钮转到所需氧气流量位置，带有电机D1的压缩机2开始工作。空气经第一过滤器1进入压缩机2，经带有电机D2的风扇3冷却后压缩空气进入第三电磁阀7、第四电磁阀9。第三电磁阀7、第四电磁阀9接通，第一分子筛吸附罐11，进入变压吸附进程，第二分子筛吸附罐12进入还原进程。压缩空气经第三电磁阀7进入第一分子筛吸附罐11内，气体经分子筛分离后的氧气分成3路。第1路经第一节流阀15、第一单向阀17、进入到集氧罐18胶囊内，储氧胶囊内的氧气经第一压力传感器19、减压阀20、第二过滤器21、第二单向阀22到氧气输出第二电磁阀23，第二电磁阀23关闭，随着胶囊内氧气的增多，胶囊体积增大压缩集氧罐内的空气从集氧罐底部的管路经第一电磁阀6的排气通道、排气消音器5排出。第2路氧气经第二节流阀16进入第二分子筛吸附罐12内，使用氧气加快第二分子筛吸附罐12的还原速度。第3路氧气经第三节流阀13到第七电磁阀14的一端，当储氧胶囊内的氧气压力达到设定的最高压力0.45bar时，系统报警同时第七电磁阀14闭合，氧气经第七电磁阀14进入到正在还原的分子筛吸附罐内，加快还原速度经分子筛排出。

当第三电磁阀7、第六电磁阀10工作到时切换，第四电磁阀9、第五电磁阀8工作，第二分子筛吸附罐12进入变压吸附进程，第一分子筛吸附罐11进入还原进程。

当集氧胶囊内的氧气压力达到0.4-0.44bar、第二压力传感器24检测到呼吸信号时，第一电磁阀6、第二电磁阀23打开，压缩空气进入到集氧罐底部，压缩集氧罐内的胶囊，使储氧胶囊内储存的氧气快速排出，完成一次呼吸的氧气输出。

本发明的优点在于集氧罐体积小，反应迅速系统响应时间<0.08s，工作可靠，适用于小型便携式制氧机，特别适应使用高性能低压分子筛的变压吸附制氧装置。制氧系统工作在超低压状态，可以减少压缩机的机械磨损，延长工作寿命，降低能源消耗。

Claims (9)

1、一种小型自适应挤压式氧气输出装置，该装置包括集氧罐和控制系统，集氧罐用来储存制氧机生产的氧气；该控制系统设置第一压力传感器和第二压力传感器，第一压力传感器控制集氧罐内氧气储存压力，第二压力传感器检测呼吸负压信号，仅当集氧罐中的储氧胶囊或活塞氧气储端输入的氧气压力达到系统所设定0.4-0.44bar时、第二压力传感器检测到呼吸负压信号时才能允许氧气输出；当用户中断使用氧气达到30秒或第一压力传感器检测到氧气压力达到0.45bar时系统报警；集氧罐内安装一储氧胶囊或安装一活塞，将氧气与压缩空气分为两个独立的可变空间，胶囊内腔或活塞左腔储存氧气；当压缩空气进入集氧罐挤压胶囊变形或推动活塞移动时，从出氧口输出氧气。

2、如权利要求1所述的小型自适应挤压式氧气输出装置，其特征在于集氧罐两端密封，集氧罐内的储氧胶囊或活塞是密封的，安装于集氧罐的出口端，与进、出氧口连接；集氧罐下端经第一电磁阀与压缩机和排气管道连接；在氧气输入时第一电磁阀处于常开状态，氧气充装胶囊或压缩活塞，空气排出，当吸气动作发生时，系统打开第二电磁阀和第一电磁阀，压缩空气进入集氧罐，挤压氧气经减压阀稳压后从出氧口排出。

3、如权利要求1所述的小型自适应挤压式氧气输出装置，其特征在于控制系统适应使用者的呼吸频率，检测到吸气负压信号后，打开第二电磁阀和第一电磁阀输出氧气，系统按设定的时间所对应的氧气输出量，关闭第二电磁阀和第一电磁阀结束输出氧气。

4、如权利要求1所述的小型自适应挤压式氧气输出装置，其特征在于控制系统采用单片机进行逻辑运算，为了适应不同型号的制氧机氧气输出量所对应的控制时间，对时间参数进行修改后写入控制程序，提供用户选择预设的不同定量的输出氧气。

5、如权利要求4所述的小型自适应挤压式氧气输出装置，其特征在于集氧罐分4档选择，对应氧气输出量30、45、60、90ml。

6、如权利要求1所述的小型自适应挤压式氧气输出装置，其特征在于第一压力传感器控制集氧罐内氧气稳定的储量，释放多余氧气；第二压力传感器相应控制呼吸负压信号，控制打开第二电磁阀和第一电磁阀，压缩胶囊或推动活塞输出氧气。

7、如权利要求6所述的小型自适应挤压式氧气输出装置，其特征在于第二电磁阀和第一电磁阀的响应时间为0.03-0.05s。

8、如权利要求1所述的小型自适应挤压式氧气输出装置，其特征在于集氧罐为两端密封容器，密封测试压力为1.5kg/cm²。

9、如权利要求1所述的小型自适应挤压式氧气输出装置，保证集氧罐内氧气储量，多余氧气经制氧机控制系统在分子筛吸附罐上设置的平衡电磁阀进入还原进程中的吸附罐内，加快还原吸附罐的还原进程。

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