CN107176592A - 螺杆驱动活塞分子筛制氧系统 - Google Patents

Abstract

螺杆驱动活塞分子筛制氧系统，其特征在于：利用螺杆旋转产生推挤或抽拉活塞在活塞缸内往复运动，实现活塞给活塞缸加压或减压的目的；将分子筛和过滤层料仓安装在活塞缸底部，螺杆旋转推挤或抽拉活塞在活塞缸内往复运动，产生气体的压缩或抽真空直接连接到分子筛区域，实现直接给分子筛加压和减压，利用活塞在活塞缸内向远离活塞缸底部移动以吸入空气，吸气过程，利用活塞在活塞缸内向靠近活塞缸底部移动以压缩空气使分子筛吸附氮气而分离制取氧气，制氧过程，利用活塞在活塞缸内向远离活塞缸底部移动以使活塞缸内和分子筛区域形成负压P2，从而使分子筛吸附的氮气解吸，解吸过程，最后就是再利用活塞在活塞缸内向靠近活塞缸底部移动以推挤解吸到活塞缸内的氮气排出活塞缸外，排氮过程。

Description

螺杆驱动活塞分子筛制氧系统

技术领域

本发明涉及螺杆驱动活塞分子筛制氧系统，适用于制氧量比较小的场合，属于制氧技术领域。

背景技术

现代常用的制氧方法包括：深冷法、分子筛变压吸附法、膜法和魏伯卿的磁分离法，最节能的制氧方法是魏伯卿的磁分离法，但磁分离法还无法做到工业化，而深冷法无法做到小型化和低能耗化，膜法制氧能帮到小型化，但成本和能耗还是降不下来。

本发明是魏伯卿同日申请的《活塞式分子筛变压吸附制氧系统》的螺杆驱动活塞制氧结构。

分子筛变压吸附制氧的原理：分子筛在空气加压到压力为P1时，流进分子筛的空气，在P1压力下氮气被分子筛吸附，氧气则不被吸附而流过分子筛并被收集成富氧气体，然后被吸附了氮气的分子筛在负压P2下解吸，并用少许富氧气体反冲洗以活化分子筛，从而恢复分子筛的吸氮能力。但现有的分子筛变压吸附法采用空压机给气体加压，无法做到小型化和低能耗化。

发明内容

本发明的目的是针对现有分子筛变压吸附制氧的高能耗和设备庞大而提供一种利用螺杆旋转驱动活塞在活塞缸内移动从而给活塞缸内的气体加压和减压以达到节能目的的螺杆驱动活塞分子筛制氧系统。

本发明技术要点：

（1）利用螺杆旋转驱动活塞在活塞缸内压缩空气形成的压力来代替现有变压吸附制氧工艺中的空压机给气体加压和真空泵抽负压，电机功率小、能耗低。

（2）利用控制系统控制电机带动螺杆正向旋转驱动活塞，使活塞在活塞缸内向靠近活塞缸底部移动，以压缩活塞缸内空气，当活塞缸内的空气达到一定压力P1后，控制系统控制自动打开排氧阀的开度为K1，从而使活塞缸内的压缩空气经制氧分子筛吸附氮气后，从排氧阀中流出，而且利用控制系统控制活塞驱动装置一直稳定活塞缸内压缩空气的压力为P1，直到活塞缸内压缩空气全部经制氧分子筛吸附氮气后从排氧阀中排出。

（3）制氧分子筛吸附氮气后，利用控制系统控制电机带动螺杆反向旋转驱动活塞，使活塞在活塞缸内向远离活塞缸底部移动，以使活塞缸内的气体形成负压，当活塞缸内气体负压达到P2时，吸附氮气的制氧分子筛中的氮气在负压P2下被解吸，此时，控制系统控制自动打开排氧阀的开度为K2，使富氧气储罐的富氧气体部分返回到制氧分子筛中活化制氧分子筛。

本发明为达到上述发明目的而采用的的技术方案：

螺杆驱动活塞分子筛制氧系统，其特征在于：

1、包括活塞缸、活塞、螺杆驱动机构和控制器；所述活塞缸下部为料仓，料仓中设置分子筛，分子筛上方的活塞缸中设置排出氮气的排氮阀、通入空气的进气阀和压力传感器，分子筛下方的料仓底部设置氧气阀，所述活塞缸中安装活塞，活塞通过控制器控制螺杆驱动机构驱动使其在活塞缸中往复移动，控制器还根据压力传感器测得的活塞缸内的压力控制活塞的停止和进气阀、排氮阀、氧气阀的开闭；所述螺杆驱动机构包括螺杆固定架、螺杆和螺杆驱动器，螺杆固定架固定在活塞缸的上端，螺杆穿过螺杆固定架后与活塞连接，螺杆驱动器驱动螺杆旋转。

2、利用控制系统控制驱动螺杆的电机正向旋转，使活塞在活塞缸内向靠近活塞缸底部移动，以压缩活塞缸内空气，当活塞缸内的空气达到一定压力P1后，控制系统控制自动打开排氧阀的开度为K1，从而使活塞缸内的压缩空气经制氧分子筛吸附氮气后，从排氧阀中流出，而且利用控制系统控制电机转速一直稳定活塞缸内压缩空气的压力为P1，直到活塞缸内压缩空气全部经制氧分子筛吸附氮气后从排氧阀中排出。

3、制氧分子筛吸附氮气后，利用控制系统控制电机反转，使活塞在活塞缸内向远离活塞缸底部移动，以使活塞缸内的气体形成负压，当活塞缸内气体负压达到P2时，吸附氮气的制氧分子筛中的氮气在负压P2下被解吸，此时，控制系统控制自动打开排氧阀的开度为K2，使富氧气储罐的富氧气体部分返回到制氧分子筛中活化制氧分子筛，其中P1为制氧分子吸附氮气的临界压力，P2为制氧分子解吸氮气的最低压力。

4、在活塞缸底部和料仓之间的接合区，安装有空气进气口和氮气排放口，使空气进气和氮气排放不通过料仓的分子筛与过滤层，速度快、阻力小，而且还不让快速流动的气流磨损分子筛和过滤层料，以延长分子筛和过滤层料的使用寿命。

5、用PLC或CPU或控制器控制电机的旋转速度，并配合活塞缸内气体的压力，以控制螺杆在吸气、制氧、解吸、排氮四个过程中各个阶段的不同旋转速度，驱动活塞以不同的速度往复运动，从而实现分子筛吸附氮气和解吸氮气的特殊要求，最终实现高效制取氧气的目的。

6、螺孔固定架的十字四端头固定安装在活塞缸的上端面，螺孔固定架的中心有一个螺孔，所述螺孔有内螺纹，螺孔的中轴线与活塞缸中轴线重叠，螺孔固定架的平面与活塞缸中轴线垂直，所述螺杆的外周制作有螺纹，所述螺杆套拧在螺孔固定架的螺孔内，所述螺杆的外螺纹与所述螺孔的内螺纹相匹配，所述螺杆的上端与电机轴同轴心固定相连，或螺杆的上端与电机轴由齿轮相啮合连接；当电机反向旋转时，带动螺杆反向旋转并带动活塞向上移动使活塞缸内气体成负压，当电机正向旋转时，带动螺杆正向旋转并带动活塞向下移动使活塞缸内气体成正压。

7、活塞缸的上端还固定安装有四根滑杆，滑杆的顶端有顶帽，四根滑杆与螺孔固定架的平面垂直，四根滑杆之间套有一个电机固定架，使电机固定架可以顺滑杆上下移动，电机固定架的正中央固定安装有一个电机，电机转轴的中轴线与活塞缸中轴线重叠。

8、所述活塞缸内套装有一个活塞，活塞与活塞缸相匹配，所述活塞的上端面安装有一个推力轴承，所述推力轴承的外圈固定安装在所述活塞的上端面，所述推力轴承的内圈内固定插装所述螺杆的下端。

9、所述活塞的上端面或安装有一个上端头，上端头与螺杆由活节连接，活节由螺杆的球头和上端头的球窝组成，使球头在球窝内自由旋转而使球头不能从球窝中抽出，球窝为两个半球窝扣合安装结构。

10、活塞缸的底部为料仓，在活塞缸的底部四周对称制作有多个输入空气的进气支管，进气支管穿过料仓外壁与料仓外面的进气环管相连接，进气环管环绕料仓安装，进气环管与进气总管相连，在进气总管上安装有一个进气阀，进气阀为电磁阀或电动阀，当进气阀打开时，空气在外动力作用下可以通过进气支管直接进入到料仓的顶部区域，在进气环管上还安装有一个排氮阀，排氮阀为电磁阀或电动调节阀，排氮阀打开时，分子筛吸附的氮气可以通过活塞压力经进气支管和进气支管进入排氮阀排放。

11、料仓的底部为漏斗形，料仓底部的正中央为漏斗的漏口，漏口与料仓之间有筛网相隔，以防料仓内的分子筛下落，在漏口安装有一根料仓排气管，料仓排气管下端安装有一个排氧阀，排氧阀为电动调节阀，在排氧阀的左侧安装有一个料底阀。

12、料仓的顶部安装有一个压力传感器，压力传感器有信号线与控制系统连接，控制系统为PLC或CPU或控制器，电机也有电源线和控制线与控制系统连接。

13、控制系统由信号线与排氮阀、进气阀、排氧阀和料底阀相连接，并控制排氮阀、进气阀、排氧阀和料底阀的开启时间和开度。

14、料仓的上部装有过滤层，过滤层为活性氧化铝或其他能吸附空气中水分子和二氧化碳分子的过滤层，料仓的中下部装有分子筛，分子筛为变压吸附专用制氧分子筛，过滤层有一层筛网覆盖，以保护过滤层的物料不移动。

15、当活塞在活塞缸的最下端时，启动制氧系统，（A）控制系统同时给电机正向通电和进气阀通电，进气阀通电打开进气阀通路，此时排氮阀未通电处于关闭状态，电机正向通电使电机正向旋转带动螺杆正向旋转并带动活塞向上移动，从而使活塞缸内成负压，这个负压动力将空气从进气总管经进气环管和进气支管进入到活塞缸内，在活塞向上移动到活塞底部距离活塞缸底部即过滤层顶部的筛网高度为H时，控制系统停止给电机正向通电，电机停止正向旋转，同时，控制系统切断进气阀电源使进气阀关闭通路，此为吸气过程；（B）此时控制系统给电机反向通电使电机反向旋转，带动活塞向下移动，随着活塞的向下移动，活塞缸内的空气压力P不断增大，当活塞缸内空气的压力增大到P1时，压力传感器反馈给控制系统电信号，使控制系统给排氧阀供电，并使排氧阀的开度为K1，从而使排氧阀连续排出流量为V1的富氧气体，与此同时，控制系统给信号控制电机的反向旋转速度，以保持活塞缸内空气压力为P1，直到活塞向下移动到活塞缸底部，从而保证分子筛对空气中氮气的吸附作用及吸附效率，此为制氧过程；（C）当活塞向下移动到活塞缸底部时，控制系统停止给电机反向供电，而改为给电机正向通电使活塞向上移动，与此同时，控制系统给关闭排氧阀，使活塞缸内空气成负压，随着活塞向上继续移动，活塞缸内气体压力不断下降，当活塞缸内气体压力降低到P2时，控制系统给排氧阀电信号使排氧阀打开的开度为K2，从而使富氧气储罐内的富氧气体经排氧阀连续以流量为V2的流速流入到分子筛和活塞缸内，以保证分子筛吸附的氮气被解吸并冲洗分子筛激活分子筛的活性，K2远小于K1，即V2远小于V1，与此同时，控制系统给信号控制电机的正向旋转速度，以保持分子筛和活塞缸内气体压力为P2，当活塞向上移动到活塞底部距离活塞缸底部即过滤层顶部的筛网高度为h时，控制系统停止给电机正向通电，电机停止正向旋转，此为解吸过程，解吸过程可以加长以使分子筛解吸完全；（D）此时，控制系统立即给电机反向通电使活塞向下移动，与此同时，控制系统给排氮阀通电打开排氮阀通路，使活塞向下移动推挤活塞缸内和分子筛 区域的富氮气体被排出，并恢复分子筛的活性，此为排氮过程；以上（A）吸气过程、（B）制氧过程、（C）解吸过程、（D）排氮过程为一个制氧排氮过程，然后控制系统重复上述四个的控制过程，使分子筛不断地制取富氧气体。

16、在（C）解吸过程中，当活塞向下移动到活塞缸底部时，控制系统停止给电机反向供电，而改为给电机正向通电使活塞向上移动，与此同时，控制系统给关闭排氧阀，使活塞缸内空气成负压，随着活塞向上继续移动，活塞缸内气体压力不断下降，当活塞缸内气体压力降低到P2时，控制系统也可不给排氧阀电信号，而是给料底阀电信号打开料底阀，使空气通过料底阀进入到分子筛区域，以保证分子筛吸附的氮气被冲入活塞缸内，从而使其在排氮过程中能最大限度地排出活塞缸外。

17、制取富氧气体的浓度可调，制取富氧气体的浓度由压力P1和开度K1决定，压力P1越大、开度K1越小，富氧气体浓度越大，富氧气体的浓度最高可达到99%；反之，压力P1越小（但不能小于制氧分子筛吸附氮气的临界压力）、开度K1越大，富氧气体浓度越小。

18、在螺杆的顶端加装一个减速齿轮，在电机轴上加装一个电机齿轮，这样通过较大的减速齿轮比较小的电机齿轮的啮合旋转传输动力，使螺杆获得的旋转速度比电机输出的旋转速度小，从而增大螺杆旋转推动活塞的推力，同时还可以增加电机控制活塞缸内气体压力的精度。

19、增加活塞缸内径与活塞缸高度比值，可以减小本发明装置的总高度。

20、本发明装置单套装置制氧为间隔性排氧，如果配备两套本发明装置，则能形成连续制氧排氧。

21、将电机卧倒横放，并将电机齿轮和减速齿轮均改成45˚角的锥齿轮，电机齿轮的锥齿面斜面朝内，减速齿轮的锥齿面斜面朝外，则不仅可以降低本装置的总高度，而且还可以将横放电机安装在减速齿轮中心正上方，使横放电机的重心正对着螺杆，从而保证活塞在活塞缸内受力不偏斜而稳定运行。

22、电机为变频电机或其他可调控电机。

23、本发明装置也可用于分子筛变压吸附制取其他气体。

24、本装置可以将活塞缸与料仓做成分体式，以减小装置总高度。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明装置利用电机带动螺杆并驱动活塞在活塞缸内压缩气体形成的压力来代替现有变压吸附制氧中的空压机给气体加压，因此，其能耗小，噪音低。

2、本发明装置体积小巧、结构简单、使用灵活、稳定可靠、制氧效率高，可广泛用于办公、居家等之用。

附图说明

图1是本发明实施例的剖面结构示意图；

图2是图1所示实施例中A—A剖面示意图；

图3是图1所示实施例中B—B剖面示意图；

图4是图1所示实施例中C—C剖面示意图；

图5是图1所示实施例中D—D剖面示意图；

图6是图1所示实施例中E放大示意图；

图7是图1所示实施例中电机横卧减速示意图。

图1-7中：1、排氮阀 ，2、料仓，3、料仓排气管 ，4、进气环管 ，5、进气支管 ，6、分子筛 ，7、过滤层 ，8、活塞 ，9、活塞缸 ，10、进气阀 ，11、推力轴承 ，12、螺杆 ，13、螺孔 ，14、螺孔固定架 ，15、电机固定架 ，16、电机 ，17、滑杆 ，18、顶帽 ，19、电机轴 ，20、进气总管，21、压力传感器 ，22、信号线 ，23、排氧阀 ，24、减速齿轮 ，25、电机齿轮 ，26、富氧气储罐，27、料底阀。

具体实施方式

在图1—7所示的实施例中： 螺杆驱动活塞分子筛制氧系统， 当活塞8在活塞缸9的最下端时，启动制氧系统，（A）控制系统同时给电机16正向通电和进气阀10通电，进气阀10通电打开进气阀通路，此时排氮阀1未通电处于关闭状态，电机16正向通电使电机16正向旋转带动螺杆12正向旋转并带动活塞8向上移动，从而使活塞缸9内成负压，这个负压动力将空气从进气总管20经进气环管4和进气支管5进入到活塞缸9内，在活塞8向上移动到活塞8底部距离活塞缸9底部即过滤层7顶部的筛网高度为H时，控制系统停止给电机16正向通电，电机16停止正向旋转，同时，控制系统切断进气阀10电源使进气阀10关闭通路，此为吸气过程；（B）此时控制系统给电机16反向通电使电机16反向旋转，带动活塞8向下移动，随着活塞8的向下移动，活塞缸9内的空气压力P不断增大，当活塞缸9内空气的压力增大到P1时，压力传感器21反馈给控制系统电信号，使控制系统给排氧阀23供电，并使排氧阀23的开度为K1，从而使排氧阀23连续排出流量为V1的富氧气体，与此同时，控制系统给信号控制电机16的反向旋转速度，以保持活塞缸9内空气压力为P1，直到活塞8向下移动到活塞缸9底部，从而保证分子筛6对空气中氮气的吸附作用及吸附效率，此为制氧过程；（C）当活塞8向下移动到活塞缸9底部时，控制系统停止给电机16反向供电，而改为给电机16正向通电使活塞8向上移动，与此同时，控制系统给关闭排氧阀23，使活塞缸9内空气成负压，随着活塞8向上继续移动，活塞缸9内气体压力不断下降，当活塞缸9内气体压力降低到P2时，控制系统给排氧阀23电信号使排氧阀23打开的开度为K2，从而使富氧气储罐26内的富氧气体经排氧阀23连续以流量为V2的流速流入到分子筛6和活塞缸9内，以保证分子筛吸附的氮气被解吸并冲洗分子筛6激活分子筛的活性，K2远小于K1，即V2远小于V1，与此同时，控制系统给信号控制电机16的正向旋转速度，以保持分子筛6和活塞缸9内气体压力为P2，当活塞8向上移动到活塞8底部距离活塞缸9底部即过滤层7顶部的筛网高度为h时，控制系统停止给电机16正向通电，电机16停止正向旋转，此为解吸过程；（D）此时，控制系统立即给电机16反向通电使活塞8向下移动，与此同时，控制系统给排氮阀1通电打开排氮阀通路，使活塞8向下移动推挤活塞缸9内和分子筛6 区域的富氮气体被排出，并恢复分子筛6的活性，此为排氮过程；以上（A）吸气过程、（B）制氧过程、（C）解吸过程、（D）排氮过程为一个制氧排氮过程，然后控制系统重复上述四个的控制过程，使分子筛6不断地制取富氧气体。

在（C）解吸过程中，当活塞8向下移动到活塞缸9底部时，控制系统停止给电机16反向供电，而改为给电机16正向通电使活塞8向上移动，与此同时，控制系统给关闭排氧阀23，使活塞缸9内空气成负压，随着活塞8向上继续移动，活塞缸9内气体压力不断下降，当活塞缸9内气体压力降低到P2时，控制系统也可不给排氧阀23电信号，而是给料底阀27电信号打开料底阀27，使空气通过料底阀27进入到分子筛区域，以保证分子筛吸附的氮气被冲入活塞缸9内，从而使其在排氮过程中能最大限度地排出活塞缸9外。

制取富氧气体的浓度可调，制取富氧气体的浓度由压力P1和开度K1决定，压力P1越大、开度K1越小，富氧气体浓度越大，富氧气体的浓度最高可达到99%。

在螺杆12的顶端加装一个减速齿轮24，在电机16轴上加装一个电机齿轮25，这样通过较大的减速齿轮24比较小的电机齿轮25的啮合旋转传输动力，使螺杆12获得的旋转速度比电机16输出的旋转速度小，从而增大螺杆12旋转推动活塞8的推力，同时还可以增加电机控制活塞缸9内气体压力的精度。

如果将本发明用于室内增氧，则可以从室内吸入空气用于制取富氧气体，而将氮气排出到室外，这样就可以更快地提高室内空气的氧含量。

增加活塞缸9内径与活塞缸9高度比值，可以减小本发明装置的总高度。

本发明装置单套装置制氧为间隔性排氧，如果配备两套本发明装置，则能形成连续制氧排氧。

将电机16卧倒横放，并将电机齿轮25和减速齿轮24均改成45˚角的锥齿轮，电机齿轮25的锥齿面斜面朝内，减速齿轮24的锥齿面斜面朝外，则不仅可以降低本装置的总高度，而且还可以将横放电机16安装在减速齿轮24中心正上方，使横放电机16的重心正对着螺杆12，从而保证活塞8在活塞缸9内受力不偏斜而稳定运行。

电机16为变频电机或其他可调控电机。

Claims (8)

1.螺杆驱动活塞分子筛制氧系统，其特征在于：包括活塞缸（9）、活塞（8）、螺杆驱动机构和控制器；所述螺杆驱动机构包括螺孔固定架（14）、螺杆（12）和螺杆驱动器，螺孔固定架（14）固定在活塞缸（9）的上端，螺杆（12）穿过螺孔固定架（14）后与活塞（8）连接，螺杆驱动器驱动螺杆（12）旋转。

2.如权利要求1所述的螺杆驱动活塞分子筛制氧系统，其特征在于：所述螺孔固定架（14）的十字四端头固定安装在活塞缸（9）的上端面，螺孔固定架（14）的中心有一个螺孔（13），所述螺孔（13）有内螺纹，螺孔（13）的中轴线与活塞缸（9）中轴线重叠，螺孔固定架（14）的平面与活塞缸（9）中轴线垂直，所述螺杆（12）套拧在螺孔固定架（14）的螺孔（13）内，所述螺杆（12）的外螺纹与所述螺孔（13）的内螺纹相匹配，所述螺杆（12）的上端与电机轴（19）同轴心固定相连，或螺杆（12）的上端与电机轴（19）由齿轮相啮合连接。

3.如权利要求1所述的螺杆驱动活塞分子筛制氧系统，其特征在于：所述活塞缸（9）的上端还固定安装有四根滑杆（17），所述滑杆（17）的顶端有顶帽（18），所述四根滑杆（17）与所述螺孔固定架（14）的平面垂直，所述四根滑杆（17）之间套有一个电机固定架（15），使电机固定架（15）可以顺滑杆（17）上下移动，所述电机固定架（15）的正中央固定安装有一个电机（16），所述电机（16）转轴的中轴线与所述活塞缸（9）中轴线重叠。

4.如权利要求1所述的螺杆驱动活塞分子筛制氧系统，其特征在于：所述活塞（8）的上端面安装有一个推力轴承（11），所述推力轴承（11）的外圈固定安装在所述活塞（8）的上端面，所述推力轴承（11）的内圈内固定插装所述螺杆（12）的下端。

5.如权利要求1所述的螺杆驱动活塞分子筛制氧系统，其特征在于：所述活塞（8）的上端面或安装有一个上端头，上端头与螺杆（12）由活节连接，活节由螺杆（12）的球头和上端头的球窝组成，使球头在球窝内自由旋转而使球头不能从球窝中抽出，球窝为两个半球窝扣合安装结构。

6.用PLC或CPU或控制器控制电机（16）的旋转速度，并配合活塞缸（9）内气体的压力，以控制螺杆（12）在吸气、制氧、解吸、排氮四个过程中各个阶段的不同旋转速度，驱动活塞（8）以不同的速度往复运动，从而实现分子筛吸附氮气和解吸氮气的特殊要求，最终实现高效制取氧气的目的。

7.将电机卧倒横放，并将电机齿轮和减速齿轮均改成45˚角的锥齿轮，电机齿轮的锥齿面斜面朝内，减速齿轮的锥齿面斜面朝外，则不仅可以降低本装置的总高度，而且还可以将横放电机安装在减速齿轮中心正上方，使横放电机的重心正对着螺杆，从而保证活塞在活塞缸内受力不偏斜而稳定运行。

8.本装置可以将活塞缸与料仓做成分体式，以减小装置总高度。