CN104030251B - 一种便携制氧装置 - Google Patents

Abstract

一种便携制氧装置，其特征在于，内部由中间层分隔为上部的溶剂仓和下部的底物仓，溶剂仓内有橡胶膜，膜内充装溶剂和催化剂，底物仓内装填模压成型制氧底物，中间层的孔道连通上下仓体，并与瓶盖组成氧气通道，溶剂仓外部附有击针按键和空气滤棉，底物仓内部附有重力阀，底物仓上部与瓶盖密封结合。装置无需吸热物质，溶剂量占装置整体的体积和重量小于30％。橡胶膜由击针按键刺穿后，溶剂和催化剂释放到底物仓，与制氧底物接触生成氧气，氧气由导气管排出。本发明制氧装置具有无源便携，重量轻，体积小的特点，可广泛用于急救，高原缺氧，以及剧烈体力消耗后的恢复保健。

Description

一种便携制氧装置

技术领域：

本发明涉及制氧装置，为医疗器械二类，分类目录6854-9

技术背景：

氧气是人体必需的基本物质之一，在生命活动中起不可替代的关键作用。随着工业化进程的加快和物质生活水平的提高，使人体突发性缺氧的因素越来越多，如肥胖，人体循环系统障碍，大气可吸入颗粒，以及其他传统因素，包括由年龄引发的体质衰弱，高海拔以及重度体力消耗等。越来越多的人需要便携可靠的制氧装置提供健康保障，以应对随时随地可能出现的防突发性缺氧。目前市场上有众多民用级制氧装置，按原理主要分为有源物理吸附制氧，无源化学制氧和高压氧气罐。有源物理制氧需要接通电源，受限于分子筛交换吸附原理，装置体积大，质量重，不便于移动，而且一次性投入成本高。无源化学制氧目前的代表产品为氧立得，采用过氧化碳酸钠为制氧底物，使用前需要向装置内注入大量水，再投入原料进行反应制氧，使用不便。小型高压氧气罐虽然便携，价格较低，但是储存纯氧的压力最大到10bar，储氧量只能达到4-5L，而通常情况下成年人缓解缺氧症状的吸氧时间在20分钟，吸氧量需要达到8-15L，氧气罐难以满足需求。以上三种制氧装置，在性能和特点上互有补充，但都难以同时满足装置便携，无源制氧和充足产氧量这三方面需求。

缺氧症状很重要的一个特点就是时间和地点的不确定性。通常，人在运动时发生缺氧的概率远高于平静时，在室外发生缺氧的概率远高于室内，因此需要一款可以随身携带能够应对突发性缺氧症状的制氧装置。为满足随身携带的需求，制氧装置必须实现以下特点：体积小，重量轻，操作简单，使用环境要求低，安全系数高。目前最有前景的解决方案是化学法制氧，即在一定条件下，将储存在固体物质中的氧元素以氧气的形式释放出来。美国专利US 8,147,760 B1介绍了一种溶剂释放型制氧装置，其溶剂封装在薄壁部件中。装置未触发时，溶剂和制氧底物隔离，触发时溶剂释放，制氧底物与溶剂和溶剂中的催化剂接触，产生氧气。专利加入了相转变物质，转变温度在30-50摄氏度，利用物质相转变吸热的特点，控制体系温度，防止制氧底物分解放热，使体系过热失控。虽然专利中的装置将溶剂封闭，可靠性相比之前的开放式袋装或盒装溶剂的制氧装置有很大提高，但是便携性仍然难以实现。

本发明针对上述现有产品和技术进行改进和完善，利用物质独有性质，减少了制氧装置所需溶剂量，并避免引入额外的相转变物质控制体系温度，在此基础上优化装置结构，使制氧装置的成本大大降低，便携性和可靠性得到提升。

发明内容：

本发明旨在提供一种便携式化学制氧装置。具有体积小，重量轻，随时可用，安全可靠的特点。装置内包含溶剂少，并无需额外吸热物质控制温度。

本发明是通过下述方案实现的：

本发明采用过氧化尿素作为制氧底物。过氧化尿素又称过碳酰胺，过氧化氢尿素，过氧化碳酰胺，是尿素和过氧化氢形成的加合物，无毒无气味，理论活性氧含量17.0％，易溶于水，其水溶液具有尿素和过氧化氢的性质，25摄氏度时水中的溶解度为900g/L。其水溶液接触催化剂，如二氧化锰，会发生过氧化氢的分解反应，生成水和氧气，同时产生热量。反应式为：

CO(NH₂)₂·H₂O₂→CO(NH₂)₂+H₂O₂

2Mn²⁺+H₂O₂→2Mn³⁺+2OH^-

2Mn³⁺+H₂O₂+2OH^-→2Mn²⁺+O₂↑+2H₂O

目前的化学制氧装置，通常采用过氧化碳酸钠为制氧底物，在使用前需要大量的水，原因主要为：

1.过氧化碳酸钠本身在水中溶解度低，25摄氏度约为15g/L，在装置中基本上以固体颗粒的形态存在。反应产物为碳酸钠，其在25摄氏度时水中溶解度仅为29.4g/L，析出的晶体为十水合碳酸钠，吸收大量溶剂。如果水作为溶剂在装置中加入过少，十水合碳酸钠就会大量生成，附着在未反应的过氧化碳酸钠颗粒的表面，使制氧过程停止。为使反应充分进行，必须用大量的水溶解碳酸钠。

2.过氧化氢分解本身会释放大量的热，过氧化碳酸钠本身在水中溶解时热效应不明显。随反应进行装置累积的热会使水温升高，甚至沸腾。必须加入大量的水控制装置温度。

大量的水作为制氧过程的溶剂，使装置体积和重量变大，液态水在携带过程中也相对不便，使制氧装置难以随身携带，使用也较为不便。

过氧化尿素作为制氧底物相比目前常用的过氧化碳酸钠，具有溶解快，含氧量高的优点，是非常理想的材料。更为重要的是，过氧化尿素解决了过氧化碳酸钠的上述两大缺点。过氧化尿素的反应产物为尿素，尿素在水中的溶解度高达25摄氏度1167g/L，在不析出尿素晶体的条件下可以大大减少溶剂的量。同时，过氧化尿素的溶解是吸热过程，在合理的反应条件下，可以有效抵消过氧化氢的反应热，控制装置温度，减少了对溶剂热容量的依赖。通过大量实验，优化体系配比得到溶剂与过氧化尿素最佳质量比为1∶2.0-1∶3.0，在此配比下溶剂占装置整体的体积和质量比均小于30％。

所述过氧化尿素的具体形态为过氧化尿素的湿润晶体，表面带有一定量的高浓度过氧化氢溶液。此法一方面大幅提高制氧底物中的有效氧含量，可提高至大于20％，另一方面可以加快制氧底物的溶解速度，接触溶剂后迅速形成高浓度溶液，实现快速制氧。过氧化氢溶液中含有包覆剂和稳定剂，可以防止游离过氧化氢分解过量。

所述过氧化尿素装填时为模压成型，增加制氧底物物理稳定性并在堆积时生成液体和气体的通道。其形状包含但不限于球体，圆柱体，整体成型蜂窝状。球体直径5mm-15mm；圆柱体直径5mm-10mm，高3mm-20mm；蜂窝孔径8mm-20mm。

所述溶剂为水和乙二醇的混合物。乙二醇含量为5％-20％v/v。乙二醇可以有效防止装置溶剂在低温环境中固化，失去功能。

所述催化剂为二氧化锰，负载于载体球上，颗粒直径1-5mm，负载量1％-10％。负载后的催化剂可沉降于装置底部。采用此法的原因是装置为实现便携性，溶剂量小，在制氧过程中，体系内液相为过氧化尿素的高浓度溶液，液体氧化性较大。若催化剂为粉末或者密度低，在表面产生大量气体的条件下，会漂浮于液相上层，形成类似泡沫的结构。此结构中含有大量微小气泡，在气泡达到液相表层并破裂后，因表面张力和液体性质会产生飞沫。飞沫中含有未分解的过氧化尿素，如果连同氧气一起吸入人体，会对人体造成伤害。同时催化剂浮于液相表层也会降低液相的对流作用，使体系局部过热，加剧过氧化尿素的分解和飞沫的产生。若催化剂沉于装置底部，在气体以微小气泡向液相上层运动的过程中，会互相碰撞形成较大的气泡。大气泡在液相表面破裂后因曲率半径远大于泡沫中的微型气泡，表面张力低，产生的飞沫极少。同时，气泡向上运动，增加液相对流，使体系温度分布均匀。

本发明根据过氧化尿素分解制氧的流程，设计优化了反应装置。具体结构见附图1和附图2。包括由瓶体1和瓶盖4组成的装置外壳，内部由中间层2分隔为上部的溶剂仓D和下部的底物仓E，溶剂仓D内有橡胶膜7，膜内充装溶剂G和催化剂，底物仓E内装填模压成型制氧底物，中间层的孔道A连通上下仓体，并有锥形孔B与瓶盖4上的楔形插管C组成氧气通道F输出氧气，溶剂仓D外部附有击针按键5和空气滤棉6，底物仓E内部附有重力阀3，底物仓E上部与瓶盖4密封结合。

受化学制氧原理所限，装置必须包含液体溶剂。为了使液体在装置中尽量稳定，采用了柔性橡胶膜密封和刚性外壁保护固定的结构。事实上液体在刚性受限空间中完全充装后，物理状态非常稳定，从而避免了装置在受到撞击等意外条件下发生液体泄漏的可能。天然乳胶膜是已经被证实的稳定隔水材料，在过氧化氢环境中也可以长期保持理化性质。本装置使用胶膜厚度为0.1-0.2mm，充装溶剂和催化剂后，膜体适当拉伸，其张力对溶剂产生内压。

装置的触发机构为击针按键5，按下后橡胶膜7被刺破，橡胶膜对溶剂的内压使得橡胶膜迅速破裂并收缩，同时溶剂和催化剂在重力和橡胶膜张力的共同作用下，迅速到达下层底物仓E，形成溶有过氧化尿素的溶液。此溶液氧化性强，必须避免因装置倾倒而流出，意外进入人体。在氧气通道F下端设有重力阀3，装置侧倾到一定角度后，重力阀3在地球引力作用下将氧气通道F阻断，防止氧化性溶液进入人体。在装置气体内压的作用下，重力阀3会一直将氧气通道F封闭，直到装置恢复竖直并内压降低至1atm附近。

所述击针按键5，尖端内嵌不锈钢针，增强穿刺效果。具体结构见附图3。按键与瓶盖接触的4个侧面带有倒角，与瓶盖形成配合。在其被按下后，因其斜面倒角形状，与瓶盖接触越来越紧，形成密封结构，生成氧气从氧气通道F输出。在氧气通道F被重力阀3关闭后，击针按键5因装置内压弹出，释放压力，形成过压保护。装置内压降至1atm附近，重力阀开启，氧气通道F恢复正常后，将击针按键再次按下，装置即可正常工作。击针按键侧面倒角为0.1-5.0度。击针按键5侧面有插入的止动挡片9，防止误操作将击针按键按下触发装置，形成触发保护。

装置设计生成氧气速率为500-700mL/min，使用者需要从大气获得一定空气，以进行正常呼吸。装置上设有侧通孔与氧气通道F相连，侧通孔与大气相通的开口处设有空气滤棉6。空气滤棉6为聚酯材料，过滤精度达到PN95，可带有活性炭等吸附材料，提供洁净空气来源，保障使用者呼吸顺畅。

本发明与现有产品和技术相比，有明显优点，在大量实验基础上，减少装置使用溶剂量，避免引入相转变物质，并精简优化了装置结构，使得制氧装置的便携性和实用性大大提高。

附图说明：

图1为本发明外部结构示意图

图2为本发明内部结构示意图

图3为击针按键形状示意图

图4为正常使用时氧气流动示意图

图5为装置侧倾时氧气流动示意图

附图图号说明：

1.瓶体 2.中间层 3.重力阀 4.瓶盖

5.击针按键 6.空气滤棉 7.橡胶膜 8.导管

9.止动挡片

A.孔道 B.锥形孔 C.楔形插管 D.溶剂仓

E.底物仓 F.氧气通道 G.溶剂 H.蜂窝型制氧底物

具体实施方式：

实例1-4

氧化尿素合成将食品级尿素，过氧化氢水溶液，稳定剂，包覆剂混合，35摄氏度条件下搅拌一定时间后，低温析出的方法制得。析出固体阶段，持续搅拌，使晶体颗粒小而均匀。晶体粒度由低倍显微镜目测10个晶体颗粒直径得出，重复3次。减压过滤阶段控制过滤时间得到不同母液含量的过氧化尿素。实际母液含量约为1％-12％。具体结果见表1.

由实例1-4可见搅拌速度对过氧化尿素结晶时生成的晶体粒度有直接影响。晶体粒度对制氧底物母液含量，模压成型的压力，形状和稳定度，以及制氧底物的溶解速率有直接影响。较小的晶体粒度对体系有利。

表1.实例1-6实验结果

表1.实例1-实验结果

注：实际结果会受到搅拌桨叶和容器尺寸的影响

实例5-10

实例5-10以实例3的结果实施。氧化尿素压模成型阶段，由于压力与模具不同，成型后母液剩余量和颗粒物理稳定性也不同。最终制氧底物母液含量由0.05大气压，50摄氏度减压干燥后减量法得到。物理稳定性由样机实际装填，2米自由落体跌落2次后的完整度得到。实际结果见表2.

表2.实例5-10实验结果

表2.实例5-10实验结果

由实例5-10可见制氧底物模压成型的条件对制氧底物的母液含量和物理稳定性有直接影响。母液含量适中的制氧底物可以有效提高制氧底物整体的有效氧含量，同时增加物理稳定性，便于装置使用和保存。

实例11-14

实例11-13以实例9的结果实施。实例9实测有效氧含量为19.7％。室温25摄氏度条件下将一定量水/乙二醇溶剂和催化剂加入放置100g蜂窝型制氧底物的容器。测定容器内溶液温度和氧气生成速率。加入实例14作为对照，对照制氧底物为蜂窝状过氧化碳酸钠。

表3.实例11-14实验结果

表3.实例11-14实验结果

溶剂和过氧化尿素的质量比对体系温度和氧气生成速率有直接影响。溶剂用量越大，体系制氧过程中温度波动越小，氧气生成速率越稳定，但是过多的溶剂会破坏装置的便携性。溶剂与过氧化尿素的质量比为1∶2.0-1∶3.0之间为最佳配比，其结果可见于实例12。最佳配比可满足制氧速率和体系温度的限定，又可最大程度保证装置的便携性。作为对比的过氧化碳酸钠在此条件下制氧底物无法充分反应，装置功能无法实现，原因主要是反应生成的碳酸钠在水溶液中的溶解度低，生成水合晶体析出在制氧底物表面，阻断了制氧底物溶解和制氧底物与催化剂的接触，使反应中断。

实例15-16

实例15-16以实例12为结果实施。室温25摄氏度条件下将40mL水/乙二醇溶剂和不同形态的催化剂加入放置100g蜂窝型制氧底物的容器。观察装置内反应状态，观察氧气中液滴含量和氧化性。

表4.实例15-16

表4.实例15-16

由实例11-14可见负载型催化剂可保证装置安全稳定工作，气体中无氧化性液滴同时装置温度稳定。

装置具体实施方式参见图1，图2。本发明瓶体1，瓶盖4，两者通过卡扣/胶结结构连接，组成装置外壳，内部由带有孔道的中间层2隔离成上下两个空间。上部空间为溶剂仓D，内有橡胶膜7，橡胶膜内充装溶剂G和催化剂。下部空间为底物仓E，装填蜂窝型制氧底物H。中间层2的孔道A将上下两个空间连通，作为溶剂和催化剂到达底物仓E的通道。中间层另有一锥形孔B，与瓶盖4的楔形插管C相切，形成锥形面密封结构，并组成氧气通道F。中间层带有挂耳，悬挂可以自由转动的重力阀3，重力阀3在装置竖直放置时保持开启，随装置倾斜会改变开合角度。瓶盖4上带有击针按键5和止动挡片9。止动挡片9插在击针按键5的侧面。击针按键侧面带有倒角，随按下深度会与瓶盖结合越来越紧密，完全按下后形成密封。

启动装置时，将止动挡片9拨出，按下击针按键5，此时整个体系达到密封。按键尖端刺破橡胶膜7，由于橡胶膜本身的张力，会迅速破裂并释放溶剂G和催化剂。溶剂和催化剂通过中间层的孔道A进入底物仓E与过氧化尿素H接触。部分过氧化尿素溶解并反应释放氧气，通过氧气通道F，再经过导管8排出。随反应进行，过氧化尿素逐步溶解，由于其溶解是吸热过程，会吸收掉部分过氧化尿素分解反应释放的热量，避免装置过热。

装置产生纯氧，产氧量为500-750ml/min，供氧时间为20-30min，可使一个成年人保持平静状态消除缺氧症状。氧气通路上有侧通孔，末端为空气滤棉6。装置产生的氧气和经过过滤的空气混合成富氧空气。使用者吸气时，通过导管8吸入富氧空气，呼气时可用鼻孔呼出。

装置正常使用时应保持接近竖直。为防止过度倾斜可能使内部溶液经导管8流出，重力阀3可随系统倾角改变开闭状态。装置倾斜一定角度后，重力阀3与氧气通道F下端接触，因装置内生成气体，气压会使重力阀保持闭合状态，直到系统内压力到正常。重力阀3闭合后，装置内气压会将击针按键5弹出，氧气会经过击针按键5和瓶盖4之间的空隙以及止动挡片9的插孔导出，释放内压，保持装置和使用者安全。

Claims (9)

1.一种制氧装置，其特征在于，内部由中间层(2)分隔为上部的溶剂仓(D)和下部的底物仓(E)，溶剂仓(D)内有橡胶膜(7)，膜内充装溶剂(G)和催化剂，底物仓(E)内装填模压成型制氧底物，中间层的孔道(A)连通上下仓体，并有锥形孔(B)与瓶盖(4)上的楔形插管(C)组成氧气通道(F)输出氧气，溶剂仓(D)外部附有击针按键(5)和空气滤棉(6)，底物仓(E)内部附有重力阀(3)，底物仓(E)上部与瓶盖(4)密封结合，装置无需吸热物质，所用溶剂与制氧底物的质量比为1∶2.0-1∶3.0，溶剂量占装置整体的体积和重量小于30％，实现便携的特点，并增加可靠性。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所用溶剂为水和乙二醇的混合物，乙二醇含量为5％-20％v/v。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所用制氧底物为过氧化尿素，形态为湿润晶体，带有一定量的游离过氧化氢水溶液，晶体含量为90％-100％。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于装填制氧底物经过模压成型，形状为球体颗粒，圆柱体颗粒，蜂窝状整体或其他形状。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所用催化剂为负载型二氧化锰催化剂，粒径1-5mm，二氧化锰占催化剂质量比为1％-10％。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所用橡胶膜为天然乳胶膜。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所用击针按键与瓶盖接触的4个侧面带有倒角，与瓶盖组成过压保护装置，在其被按下后，与瓶盖形成密封结构，在装置内部压力过大时，按键弹出，释放压力，击针按键侧面倒角为0.1-5.0度。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所用空气滤棉为聚酯材料，过滤精度达到PN95，滤棉带有吸附材料，吸附材料包含活性炭。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于底物仓与瓶盖的结合结构为胶接，卡扣，螺纹或其他形式。