CN104071754B - 一种一体式轻量化的制氧系统及其压缩机 - Google Patents

一种一体式轻量化的制氧系统及其压缩机 Download PDF

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Abstract

一种一体式轻量化的制氧系统及其压缩机，包括均安装固定于格架支撑系统上的空气压缩机、制氧系统；空气压缩包括直流电机和空气压缩机主机，直流电机置于格架中心位置，直流电机输出端穿过格架同空气压缩机主机的转子连接；空气压缩机主机排气口通过管路和制氧系统中的多功能阀及储气容器集成箱连接，制氧系统中吸附塔两端分别通过管路和多功能阀及储气容器集成箱连接；两个以上的吸附塔以及多功能阀及储气容器集成箱围绕直流电机布置于格架中，本发明将压缩机和吸附塔一体化设计，采用降压解吸的吸附塔数少于升压吸附制氧的吸附塔数的模式，减小制氧机的体积和重量，减少吸附剂装填量，减少空气压缩机重量，振动和噪声小，能量利用率高。

Description

一种一体式轻量化的制氧系统及其压缩机
技术领域
本发明属于制氧设备技术领域，具体涉及一种一体式轻量化的制氧系统及其压缩机。
背景技术
对于具有心脑血管、呼吸系统疾病的患者，以及在严重缺氧高原地区执勤的官兵和其他工作人员，室外活动时需吸入高纯度氧气。现有制氧设备普遍存在设备功率大、占地面积大，不便于偏远地区，特别是野外作战环境的单兵的持续供氧。传统的供氧方式不能满足随身携带的室外活动持续供氧要求。
在日常生活中常见的制氧机的主要用途是提供个人氧疗和氧保健，而这些制氧机主要的氧气源是氧气瓶、氧气袋、化学制氧器、变压吸附制氧设备。氧气瓶、氧气袋、化学制氧存在无法户外长时间供氧、携带不方便等问题，此外化学制氧还存在污染环境或氧元素利用率低等缺点。目前变压吸附制氧机微型化的途径主要减小压缩机和吸附塔的体积和重量，分体设计的制氧机不便于制氧机的携带。
设变压吸附制氧共有吸附塔n个，目前多塔变压吸附工作原理多为一半数目吸附塔升压吸附，即n/2个吸附塔升压吸附，另一半数目吸附塔降压解吸，即n/2个吸附塔降压解吸。对于一定产品气体要求量所需要的吸附剂重量为M，对于目前n个吸附塔的变压吸附过程，每个吸附塔中需要吸附剂重量为所需吸附剂较多，若进一步降低吸附剂重量，相应会减少产品气体量。
将空气压缩机和吸附塔一体化设计，通过空气压缩机和吸附塔空间结构优化，进一步减小制氧机的体积和重量。为便于空气压缩机主机、电机、吸附塔空间布置，一般采用圆盘形空气压缩机主机。圆盘形结构的空气压缩机主要有滚动转子式、滑片式和涡旋式。滚动转子式空气压缩机是通过偏心转子紧贴着气缸内壁面回转，造成月牙状空间容积周期性的变化，完成吸排气和压缩的过程，该种压缩机密封线较长，密封性能差，且必须要安装排气阀，排气过程中噪声较大。滑片式空气压缩机是靠装有滑片的转子在气缸内作回转运动来压缩和输送气体的回转压缩机，滑片与转子和气缸之间的机械磨损比较严重，产生较大的磨损和能量损失，因此使用寿命较短，效率较低。涡旋式空气压缩机是由一个固定的渐开线涡旋盘和一个呈偏心回旋平动的渐开线运动涡旋盘组成可压缩容积的压缩机，其运动机件表面多是呈曲面形状，加工复杂，制造成本高，采用间隙密封，不能达到很高的排气压力，密封要求高，密封结构复杂。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于设计一种一体式轻量化的制氧系统及其压缩机，将压缩机和吸附塔一体化设计，通过缩机和吸附塔空间结构优化，减小制氧机的体积和重量，采用降压解吸的吸附塔数少于升压吸附制氧的吸附塔数的模式，减少所需吸附剂的重量，采用球塞式空气压缩机，结构紧凑，振动和噪声小，能量利用率高。
为了达到上述目的，本设计采取如下的技术方案：
一种一体式轻量化的制氧系统及其压缩机，包括空气压缩机、制氧系统、格架支撑系统，空气压缩机、制氧系统均安装固定于格架支撑系统；空气压缩包括直流电机和空气压缩机主机，直流电机置于格架中心位置，直流电机输出端穿过格架同空气压缩机主机的转子连接；空气压缩机主机排气口通过管路和制氧系统中的多功能阀及储气容器集成箱连接，制氧系统中吸附塔两端分别通过管路和多功能阀及储气容器集成箱连接；两个以上的吸附塔以及多功能阀及储气容器集成箱围绕直流电机布置于格架中。
所述的空气压缩机包括定子10，定子10和端盖11连接；定子10内部加工成椭圆形，转子13置于定子10内部；柱塞16与转子13中的径向盲孔相配合，在径向盲孔的底部加工有轴向盲孔；柱塞16另一端与圆球15配合；密封圈14安装在柱塞16的槽内；直流电机12与转子13连接；端盖11上加工有弧形的吸气口和排气口，根据排气压力的大小设计不同的排气口角度；空气压缩机主机安装于格架支撑系统下方，直流电机12安装固定于格架2上直流电机座2E，直流电机12输出端穿过管路盒1与压缩机主机的转子13连接，直流电机12由电池4供电驱动。
所述制氧系统包括吸附塔3和多功能阀及储气容器集成箱7，吸附塔2个数为n，n>2；制氧工作时多塔升压吸附制氧，n解吸个塔降压解吸，即升压吸附的吸附塔数n吸附＝n-n解吸，升压吸附的吸附塔数大于降压解吸的吸附塔数，即n吸附>n解吸；对于一定产品气体要求量所需要的吸附剂重量为M，每个吸附塔中需要吸附剂重量为或工作一段时间t后，原降压解吸的n解吸个吸附塔开始升压吸附制氧，原升压吸附制氧的吸附塔中n解吸个吸附塔开始切换为降压解吸，工作时间t后，完成降压解吸的n解吸个吸附塔开始升压吸附制氧，剩下的原升压吸附制氧的吸附塔中n解吸个吸附塔开始切换为降压解吸，如此循环至原降压解吸的n解吸个吸附塔重新开始降压解吸，工作时间t后继续进行上述的切换循环过程，如此反复循环直至工作结束；压缩空气通过管路进入多功能阀及储气容器集成箱7，通过多功阀进入升压吸附制氧的吸附塔3，产品气体通过与吸附塔上端联通的管路6进入多功能阀及储气容器集成箱7，部分产品气体通过输出产品气体口8输出提纯后的氧气制品，另一部分产品气体通过多功能阀进入与吸附塔上端联通的管道6然后进入降压解吸的吸附塔，对降压解吸的吸附塔进行反吹清洗；降压解吸的废气通过吸附塔下端同多功能阀及储气容器集成箱7连接的管路进入多功能阀及储气容器集成箱7，然后通过废气排气口9排出。
所述的格架支撑系统包括管路盒1和格架2，管路盒1连接在格架2下方；多功能阀及储气容器集成箱7和端盖11排气口联通的管路、以及和吸附塔3下端联通的管路都置于管路盒1内；格架2具有吸附塔座2A、刚凸2B、多功能阀及储气容器集成箱座2C、电池座2D、直流电机座2E；吸附塔3下端固定于吸附塔座2A内，刚凸2B夹紧支撑吸附塔3；多功能阀及储气容器集成箱7安装固定于多功能阀及储气容器集成箱座2C内；电池4置于电池座2D内，电池顶部盖有电池盖5；直流电机12安装固定于直流电机座2E，直流电机12输出端与压缩机主机转子13连接。
本发明制氧工作时采用降压解吸的吸附塔数少于升压吸附制氧的吸附塔数的模式与现有技术相比，在相同产品气体要求下，吸附剂装填量大大减少；本发明的空气压缩机与现有技术相比，结构简单、紧凑，不需要安装排气阀和吸气阀，吸排气过程是连续的，噪声小。柱塞顶部因为安装有圆球，与定子之间的相对运动为滚动，磨损小且能量损失少。转子回转一周，完成二次吸、排气，径向方向受力平衡；本发明将压缩机和吸附塔一体化设计，采用降压解吸的吸附塔数少于升压吸附制氧的吸附塔数的模式，采用新型球塞式空气压缩机，减小制氧机的体积和重量，减少吸附剂装填量，减少空气压缩机重量，振动和噪声小，能量利用率高，便于户外作业个人携带使用。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的空气压缩机结构示意图。
图3为本发明的空气压缩机主机剖视图。
图4为本发明的空气压缩机端盖11俯视图。
图5为本发明的俯视图。
图6为本发明的格架轴测图。
图7为本发明的格架俯视图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做详细描述。
实施例一
参照图1，一种一体式轻量化的制氧系统及其压缩机，包括空气压缩机、制氧系统、格架支撑系统，空气压缩机、制氧系统均安装固定于格架支撑系统；空气压缩包括直流电机和空气压缩机主机，直流电机12置于格架2中心位置，直流电机12输出端穿过格架同空气压缩机主机的转子13连接；空气压缩机主机排气口通过管路和制氧系统中的多功能阀及储气容器集成箱7连接，制氧系统中吸附塔两端分别通过管路和多功能阀及储气容器集成箱7连接；两个以上的吸附塔3以及多功能阀及储气容器集成箱7围绕直流电机12布置于格架2中。
参照图2和图3，所述的空气压缩机包括定子10、转子13、圆球15、柱塞16、密封圈14、端盖11、直流电机12，定子10、转子13、圆球15、柱塞16、密封圈14、端盖11连接构成空气压缩机主机；定子10和端盖11通过螺钉进行联接；定子10内部加工成椭圆形，转子13置于定子10内部；柱塞16与转子13中的径向盲孔相配合，在径向盲孔的底部加工有轴向盲孔；柱塞16另一端与圆球15配合；密封圈14安装在柱塞16的槽内；直流电机12则通过键与转子13连接；参照图4，端盖11上加工有弧形的吸气口和排气口，根据排气压力的大小设计不同的排气口角度；空气压缩机主机安装于格架支撑系统下方，直流电机12安装固定于格架2上直流电机座2E，直流电机12输出端穿过管路盒1与压缩机主机的转子13连接，直流电机12由电池4供电驱动。
参照图1和图5，所述制氧系统包括吸附塔3和多功能阀及储气容器集成箱7，吸附塔2个数为n，n>2，本实施例中吸附塔2个数为6，即n＝6；制氧工作时多塔升压吸附制氧，n解吸个塔降压解吸，本实施例中采用1塔降压吸附，即升压吸附的吸附塔数n吸附＝n-n解吸＝5，升压吸附的吸附塔数大于降压解吸的吸附塔数，即n吸附>n解吸；对于一定产品气体要求量所需要的吸附剂重量为M，每个吸附塔中需要吸附剂重量为或本实施例中吸附塔中需要吸附剂重量为工作一段时间t后，原降压解吸的1个吸附塔开始升压吸附制氧，即吸附塔3A开始升压吸附制氧，原升压吸附制氧的吸附塔中的1个吸附塔开始切换为降压解吸，即吸附塔3B开始切换为降压解吸，工作时间t后，完成降压解吸的吸附塔3B开始升压吸附制氧，剩下的原升压吸附制氧的吸附塔中1个吸附塔3C开始切换为降压解吸，工作时间t后，完成降压解吸的吸附塔3C开始升压吸附制氧，剩下的原升压吸附制氧的吸附塔中1个吸附塔3D开始切换为降压解吸，工作时间t后，完成降压解吸的吸附塔3D开始升压吸附制氧，剩下的原升压吸附制氧的吸附塔中1个吸附塔3E开始切换为降压解吸，工作时间t后，完成降压解吸的吸附塔3E开始升压吸附制氧，剩下的原升压吸附制氧的吸附塔中1个吸附塔3F开始切换为降压解吸，工作时间t后，完成降压解吸的吸附塔3F开始升压吸附制氧，原降压解吸的吸附塔3A重新开始降压解吸，工作时间t后继续进行上述的切换循环过程，如此反复循环直至工作结束；压缩空气通过管路进入多功能阀及储气容器集成箱7，通过多功阀进入升压吸附制氧的吸附塔3，产品气体通过与吸附塔上端联通的管路6进入多功能阀及储气容器集成箱7，部分产品气体通过输出产品气体口8输出提纯后的氧气制品，另一部分产品气体通过多功能阀进入与吸附塔上端联通的管道6然后进入降压解吸的吸附塔，对降压解吸的吸附塔进行反吹清洗；降压解吸的废气通过吸附塔下端同多功能阀及储气容器集成箱7连接的管路进入多功能阀及储气容器集成箱7，然后通过废气排气口9排出。
参照图6和图7，所述的格架支撑系统包括管路盒1和格架2，管路盒1连接在格架2下方；多功能阀及储气容器集成箱7和端盖11排气口联通的管路、以及和吸附塔3下端联通的管路都置于管路盒1内；格架2具有吸附塔座2A、刚凸2B、多功能阀及储气容器集成箱座2C、电池座2D、直流电机座2E；吸附塔3下端固定于吸附塔座2A内，刚凸2B夹紧支撑吸附塔3；多功能阀及储气容器集成箱7安装固定于多功能阀及储气容器集成箱座2C内；电池4置于电池座2D内，电池顶部盖有电池盖5；直流电机12安装固定于直流电机座2E，直流电机12输出端与压缩机主机转子13连接。
本发明的工作原理为：
一种一体式轻量化的制氧系统及其压缩机，电池供电，直流电机12驱动转子13转动，从而带动柱塞16转动；由于定子10的内部加工成椭圆形，在离心力的作用下，柱塞16在转动的同时沿径向滑动，圆球15则沿着定子内的椭圆滚动；当柱塞16从椭圆的短径处转到长径处时，柱塞16朝外运动，完成吸气的过程；当柱塞16从椭圆的长径处转到短径处时，柱塞16朝内运动，完成压缩和排气的过程。压缩空气经由压缩机主机的排气口联通的管路进入多功能阀及储气容器集成箱7，通过多功阀进入升压吸附制氧的吸附塔，产品气体通过与吸附塔上端联通的管路6进入多功能阀及储气容器集成箱7，部分产品气体通过输出产品气体口输出提纯后的氧气制品，另一部分产品气体通过多功能阀进入与吸附塔上端联通的管道然后进入降压解吸的吸附塔，对降压解吸的吸附塔进行反吹清洗；降压解吸的废气通过吸附塔下端同多功能阀及储气容器集成箱7连接的管路进入多功能阀及储气容器集成箱7，然后通过废气排气口9排出。制氧工作时n解吸个塔降压解吸，升压吸附的吸附塔数n吸附＝n-n解吸，升压吸附的吸附塔数大于降压解吸的吸附塔数，即n吸附>n解吸；工作一段时间t后，原降压解吸的n解吸个吸附塔开始升压吸附制氧，原升压吸附制氧的吸附塔中n解吸个吸附塔开始切换为降压解吸，工作时间t后，完成降压解吸的n解吸个吸附塔开始升压吸附制氧，剩下的原升压吸附制氧的吸附塔中n解吸个吸附塔开始切换为降压解吸，如此循环至原降压解吸的n解吸个吸附塔重新开始降压解吸，工作时间t后继续进行上述的切换循环过程，如此反复循环直至工作结束。空气压缩机和吸附塔一体化设计，降压解吸的吸附塔数少于升压吸附制氧的吸附塔数，采用新型球塞式空气压缩机，减小制氧机的体积和重量，减少吸附剂装填量，减少空气压缩机重量，振动和噪声小，能量利用率高，便于户外作业个人携带使用。
实施例二
参照图1和图5，本实施例中吸附塔2个数为6，即n＝6；制氧工作时多塔升压吸附制氧，n解吸个塔降压解吸，本实施例中采用2塔降压吸附，即升压吸附的吸附塔数n吸附＝n-n解吸＝4，升压吸附的吸附塔数大于降压解吸的吸附塔数，即n吸附>n解吸；对于一定产品气体要求量所需要的吸附剂重量为M，每个吸附塔中需要吸附剂重量为或本实施例中吸附塔中需要吸附剂重量为工作一段时间t后，原降压解吸的2个吸附塔开始升压吸附制氧，即吸附塔3A和3B开始升压吸附制氧，原升压吸附制氧的吸附塔中的2个吸附塔开始切换为降压解吸，即吸附塔3C和3D开始切换为降压解吸，工作时间t后，完成降压解吸的吸附塔3C和3D开始升压吸附制氧，剩下的原升压吸附制氧的吸附塔中2个吸附塔3E和3F开始切换为降压解吸，工作时间t后，完成降压解吸的吸附塔3E和3F开始升压吸附制氧，原降压解吸的吸附塔3A和3B重新开始降压解吸，工作时间t后继续进行上述的切换循环过程，如此反复循环直至工作结束；压缩空气通过管路进入多功能阀及储气容器集成箱7，通过多功阀进入升压吸附制氧的吸附塔3，产品气体通过与吸附塔上端联通的管路6进入多功能阀及储气容器集成箱7，部分产品气体通过输出产品气体口8输出提纯后的氧气制品，另一部分产品气体通过多功能阀进入与吸附塔上端联通的管道6然后进入降压解吸的吸附塔，对降压解吸的吸附塔进行反吹清洗；降压解吸的废气通过吸附塔下端同多功能阀及储气容器集成箱7连接的管路进入多功能阀及储气容器集成箱7，然后通过废气排气口9排出。

Claims (3)

1.一种一体式轻量化的制氧系统，包括空气压缩机、制氧系统、格架支撑系统，其特征在于：空气压缩机、制氧系统均安装固定于格架支撑系统；空气压缩机包括直流电机和空气压缩机主机，直流电机置于格架中心位置，直流电机输出端穿过格架同空气压缩机主机的转子连接；空气压缩机主机排气口通过管路和制氧系统中的多功能阀及储气容器集成箱连接，制氧系统中吸附塔两端分别通过管路和多功能阀及储气容器集成箱连接；两个以上的吸附塔以及多功能阀及储气容器集成箱围绕直流电机布置于格架中；
所述的空气压缩机包括定子(10)，定子(10)和端盖(11)连接；定子(10)内部加工成椭圆形，转子(13)置于定子(10)内部；柱塞(16)与转子(13)中的径向盲孔相配合，在径向盲孔的底部加工有轴向盲孔；柱塞(16)另一端与圆球(15)配合；密封圈(14)安装在柱塞(16)的槽内；直流电机(12)与转子(13)连接；端盖(11)上加工有弧形的吸气口和排气口，根据排气压力的大小设计不同的排气口角度；空气压缩机主机安装于格架支撑系统下方，直流电机(12)安装固定于格架(2)上直流电机座(2E)，直流电机(12)输出端穿过管路盒(1)与压缩机主机的转子(13)连接，直流电机(12)由电池(4)供电驱动。
2.根据权利要求1所述的一种一体式轻量化的制氧系统，其特征在于：所述制氧系统包括吸附塔(3)和多功能阀及储气容器集成箱(7)，吸附塔(3)个数为n，n>2；制氧工作时多塔升压吸附制氧，n解吸个塔降压解吸，即升压吸附的吸附塔数n吸附＝n-n解吸，升压吸附的吸附塔数大于降压解吸的吸附塔数，即n吸附>n解吸；对于一定产品气体要求量所需要的吸附剂重量为M，每个吸附塔中需要吸附剂重量为或；工作一段时间t后，原降压解吸的n解吸个吸附塔开始升压吸附制氧，原升压吸附制氧的吸附塔中n解吸个吸附塔开始切换为降压解吸，工作时间t后，完成降压解吸的n解吸个吸附塔开始升压吸附制氧，剩下的原升压吸附制氧的吸附塔中n解吸个吸附塔开始切换为降压解吸，如此循环至原降压解吸的n解吸个吸附塔重新开始降压解吸，工作时间t后继续进行上述的切换循环过程，如此反复循环直至工作结束；压缩空气通过管路进入多功能阀及储气容器集成箱(7)，通过多功阀进入升压吸附制氧的吸附塔(3)，产品气体通过与吸附塔上端联通的管路(6)进入多功能阀及储气容器集成箱(7)，部分产品气体通过输出产品气体口(8)输出提纯后的氧气制品，另一部分产品气体通过多功能阀进入与吸附塔上端联通的管路(6)然后进入降压解吸的吸附塔，对降压解吸的吸附塔进行反吹清洗；降压解吸的废气通过吸附塔下端同多功能阀及储气容器集成箱(7)连接的管路进入多功能阀及储气容器集成箱(7)，然后通过废气排气口(9)排出。
3.根据权利要求1所述的一种一体式轻量化的制氧系统，其特征在于：所述的格架支撑系统包括管路盒(1)和格架(2)，管路盒(1)连接在格架(2)下方；多功能阀及储气容器集成箱(7)和端盖(11)排气口联通的管路、以及和吸附塔(3)下端联通的管路都置于管路盒(1)内；格架(2)具有吸附塔座(2A)、刚凸(2B)、多功能阀及储气容器集成箱座(2C)、电池座(2D)、直流电机座(2E)；吸附塔(3)下端固定于吸附塔座(2A)内，刚凸(2B)夹紧支撑吸附塔(3)；多功能阀及储气容器集成箱(7)安装固定于多功能阀及储气容器集成箱座(2C)内；电池(4)置于电池座(2D)内，电池顶部盖有电池盖(5)；直流电机(12)安装固定于直流电机座(2E)，直流电机(12)输出端与压缩机主机转子(13)连接。
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