CN107473186A - 一种高原自适应分子筛制氧装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高原自适应分子筛制氧装置，包括依次相连的进气过滤模块、气体压缩模块、气体冷却模块、气体分离模块，气体压缩模块、气体冷却模块、气体分离模块均与控制模块相连，控制模块还连接有大气压力传感器。本发明能够匹配不同大气压条件下制氧装置气源需求，不仅保证了其高原制氧性能，而且产品的体积、重量、噪音、功率、可靠性等指标均得到了较大的提高，克服了目前采用活塞式压缩机的制氧机其高原制氧性能下降问题，同时最大限度的提高了产品的性能，保障了高原缺氧环境下人员的供氧需求。

Description

一种高原自适应分子筛制氧装置

技术领域

本发明属于供氧装置领域，尤其涉及一种高原自适应分子筛制氧装置。

背景技术

我国高原面积占国土总面积的37％，是世界上高原面积最大的国家，其中青藏高原面积达240万km2，平均海拔超过400m，被称为“世界屋脊”。

随着的海拔高度的增加,空气变得愈来愈稀薄,在平原地区正常气压(760mmHg)情况下，空气中的含氧量约为240～250mg/m³，随着海拔高度的增加，含氧量逐渐降低，特别是在海拔4000m左右的环境下，空气中的氧气含量仅为150mg/m³左右，比平原地区少1/3以上。

在高海拔地区，空气中的氧含量难以满足人员的氧需求，高原官兵极易患上“高原病”(高海拔地区的低氧分压环境导致人体缺氧所致的疾病)。有研究发现，人员快速到达时3350m，最大活动能力降至平原的50％。人员在4000m海拔高度行走，相当于在平原负重40㎏。由此可以看出，高原缺氧不仅会对急进高原官兵的生理状况产生很大影响,而且会导致人员心理应激,战斗力下降。因此,高原缺氧对人员造成的一系列问题或“伤害”都函待解决。下表给出了不同海拔高度缺氧对人员机体的影响：

目前，常用的制氧方法主要分为物理法和化学法，根据不同的制氧原理分为不同的制氧技术。下表给出了国内外不同制氧技术方法：

上表给出了目前制氧所采取的不同技术对比情况。其中分子筛变压吸附制氧技术成熟，制氧装置具有设备简单、自动化程度高、操作方便、投资小和能耗低等许多优点。此技术也是国内外航空供氧及国外军用制氧装置采用的制氧技术。

分子筛变压吸附法，因其技术成熟可靠，在车载制氧机上得到较广泛的应用。空气压缩机作为制氧机的核心部件，其性能的好坏直接决定制氧机的制氧能力，整机的体积、重量、功率等。目前，小型化车载制氧机均采用活塞式压缩机，此类型的压缩机在高原使用时，由于高原海拔升高，大气压力降低，空气稀薄，压缩机的排气量下降，排气压力降低，压缩机易损坏，这直接导致制氧机制氧能力及可靠性降低。为了克服这一问题，市场上现有的制氧机均对压缩机的性能及制氧机的制氧能力增加一定的余量设计，这必然导致了制氧机的重量、体积、功耗的增加，不符合军品小型化、轻量化的设计理念。因此，基于变压吸附法制氧技术，研制出体积小、重量轻、功率低、可靠性高的制氧装置，压缩机高原环境下的性能指标成为分子筛制氧装置发展的主要技术瓶颈。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的以上问题，提供一种高原自适应分子筛制氧装置，针对分子筛制氧装置在高原环境下制氧性能下降的问题，发明了一款可随着大气压力变化自动改变制氧性能的高原变频制氧装置，通过高灵敏度的压力传感器检测外界压力，结合软件算法控制压缩机的转速，保障了高原环境下人员的供氧需求。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种高原自适应分子筛制氧装置，包括依次相连的进气过滤模块、气体压缩模块、气体冷却模块、气体分离模块，气体压缩模块、气体冷却模块、气体分离模块均与控制模块相连，控制模块还连接有大气压力传感器；

所述进气过滤模块用于对空气进行过滤并将过滤后的洁净气体输送至气体压缩模块；

所述气体压缩模块用于对来自进气过滤模块的洁净气体进行压缩，压缩后形成高温高压气体并输送至气体冷却模块；

所述气体冷却模块用于对来自气体压缩模块的高温高压气体进行冷却，冷却后形成低温高压气体并输送至气体分离模块；

所述气体分离模块用于对来自气体冷却模块的低温高压气体进行氮氧分离，并输出氧气供人员使用；

所述大气压力传感器用于对环境大气压力进行检测，并形成大气压力值发送至控制模块；

控制模块用于接收来自大气压力传感器的大气压力值并分别对气体压缩模块、气体冷却模块、气体分离模块进行控制。

进一步地，所述进气过滤模块采用高效过滤器对空气进行过滤，气体压缩模块采用低压变频无油空气压缩机对来自高效过滤器的洁净气体进行压缩，气体冷却模块采用铝翅铜管散热器对来自低压变频无油空气压缩机的高温高压气体进行冷却，控制模块采用控制板进行处理，气体分离模块包括电磁阀、第一分子筛吸附塔、第二分子筛吸附塔，电磁阀分别与控制板、铝翅铜管散热器、第一分子筛吸附塔、第二分子筛吸附塔相连，第一分子筛吸附塔、第二分子筛吸附塔均用于对来自电磁阀的低温高压气体中的氮气进行吸附，电磁阀用于对来自铝翅铜管散热器的低温高压气体进行导流并由控制板进行控制。

进一步地，所述电磁阀首先将低温高压气体加压流向第一分子筛吸附塔，由第一分子筛吸附塔对氮气进行吸附并输出氧气，当第一分子筛氮气吸附饱和时，控制板控制电磁阀将低温高压气体流向第二分子筛吸附塔，由第二分子筛吸附塔对氮气进行吸附并输出氧气，同时控制第一分子筛释放氮气，当第二分子筛吸附塔吸附饱和时，控制板再次控制电磁阀将低温高压气体流向第一分子筛吸附塔，然后重复以上步骤。

进一步地，所述气体分离模块还包括节流阀、单向阀、储气罐，第一分子筛吸附塔、第二分子筛吸附塔输出端均与节流阀输入端相连通，节流阀输出端通过单向阀与储气罐输入端相连通，储气罐输出端与出氧口相连通。

进一步地，所述储气罐输出端与出氧口之间设有减压阀、流量计，减压阀输入端与储气罐输出端相连通，减压阀输出端与通过流量计与出氧口相连通。

进一步地，所述第一分子筛吸附塔、第二分子筛吸附塔均采用锂型高效分子筛作为吸附剂，使得吸附更彻底，制氧效率更高。

本发明的有益效果是：

本发明能够匹配不同大气压条件下制氧装置气源需求，不仅保证了其高原制氧性能，而且产品的体积、重量、噪音、功率、可靠性等指标均得到了较大的提高，克服了目前采用活塞式压缩机的制氧机其高原制氧性能下降问题，同时最大限度的提高了产品的性能，保障了高原缺氧环境下人员的供氧需求。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明的系统原理框图；

图2是本发明的工作流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示的一种高原自适应分子筛制氧装置，包括依次相连的进气过滤模块、气体压缩模块、气体冷却模块、气体分离模块，气体压缩模块、气体冷却模块、气体分离模块均与控制模块相连，控制模块还连接有大气压力传感器；进气过滤模块用于对空气进行过滤并将过滤后的洁净气体输送至气体压缩模块；气体压缩模块用于对来自进气过滤模块的洁净气体进行压缩，压缩后形成高温高压气体并输送至气体冷却模块；气体冷却模块用于对来自气体压缩模块的高温高压气体进行冷却，冷却后形成低温高压气体并输送至气体分离模块；气体分离模块用于对来自气体冷却模块的低温高压气体进行氮氧分离，并输出氧气供人员使用；大气压力传感器用于对环境大气压力进行检测，并形成大气压力值发送至控制模块；控制模块用于接收来自大气压力传感器的大气压力值并分别对气体压缩模块、气体冷却模块、气体分离模块进行控制。

如图2所示，进气过滤模块采用高效过滤器对空气进行过滤，气体压缩模块采用低压变频无油空气压缩机对来自高效过滤器的洁净气体进行压缩，气体冷却模块采用铝翅铜管散热器对来自低压变频无油空气压缩机的高温高压气体进行冷却，控制模块采用控制板进行处理，气体分离模块包括电磁阀、第一分子筛吸附塔、第二分子筛吸附塔，电磁阀分别与控制板、铝翅铜管散热器、第一分子筛吸附塔、第二分子筛吸附塔相连，第一分子筛吸附塔、第二分子筛吸附塔均用于对来自电磁阀的低温高压气体中的氮气进行吸附，电磁阀用于对来自铝翅铜管散热器的低温高压气体进行导流并由控制板进行控制；第一分子筛吸附塔、第二分子筛吸附塔均采用锂型高效分子筛作为吸附剂，使得吸附更彻底，制氧效率更高；气体分离模块还包括节流阀、单向阀、储气罐，第一分子筛吸附塔、第二分子筛吸附塔输出端均与节流阀输入端相连通，节流阀输出端通过单向阀与储气罐输入端相连通，储气罐输出端与出氧口相连通；储气罐输出端与出氧口之间设有减压阀、流量计，减压阀输入端与储气罐输出端相连通，减压阀输出端与通过流量计与出氧口相连通。

首先电磁阀将低温高压气体加压流向第一分子筛吸附塔，由第一分子筛吸附塔对氮气进行吸附并输出氧气，当第一分子筛氮气吸附饱和时，控制板控制电磁阀将低温高压气体流向第二分子筛吸附塔，由第二分子筛吸附塔对氮气进行吸附并输出氧气，同时控制第一分子筛释放氮气，当第二分子筛吸附塔吸附饱和时，控制板再次控制电磁阀将低温高压气体流向第一分子筛吸附塔，然后重复以上步骤。

本发明装置的具体工作流程如下：

A、环境空气经过初级过滤后进入高效空气过滤器，经处理后成为洁净气体；

B、洁净的空气进入空气压缩模块，气体压力传感器检测环境大气压力，并将信号反馈给控制板，从而控制低压变频无油空气压缩机的转速，空气通过压缩机加压成一定压力和温度的气体；

C、由于气体压缩后，气体温度升高，为了保证进入气体分离模块的空气满足锂型高效分子筛的最佳吸附温度范围，加压后的气体进入高效铝翅铜管散热器进行冷却，达到适宜的温度；

D、一定压力和温度下的空气在电磁阀的控制下分别流向分子筛塔，当流经第一分子筛吸附塔时，锂型高效分子筛选择性的吸附空气中的氮气分子，氧气则流过第一分子筛吸附塔，通过单向阀进入储氧罐，通过减压阀的减压后输出高浓度的氧气供人员使用；

E、当A分子筛塔氮气吸附饱和时，电磁阀将加压空气流向第二分子筛吸附塔，同时第一分子筛吸附塔开始释放氮气，第二分子筛吸附塔吸附空气中的氮气并向储氧罐流入氧气；

F、重复以上过程，制氧装置将源源不断的输出氧气，从出氧口输出的氧气可以直接使用鼻吸氧管提供给人体，从而解决人员对氧的需求。

本发明以DC21V～DC32V为输入电压，以空气为原料，采用成熟的变压吸附制氧技术、高原自适应变频调节技术，通过锂型高效吸附剂的变压吸附分离富集得到不小于5L/min流量的90％以上的富氧，解决高原缺氧环境下人员的供氧需求。

本发明具有以下特点：

1、采用高原自适应变频调节技术，通过大气压力传感器检测环境气压，结合软件算法控制，实现压缩机的自动变频，进一步优化匹配系统，研制出此高原自适应分子筛制氧装置，产品体积小、重量轻、功耗低，保证了不同海拔高度下的制氧供氧性能。

2、采用分子筛变压吸附制氧技术，本发明制氧装置流程是在PSA技术基础上，增加上均压、吹扫等功能实现脱附过程，脱附效率更高，同时，选用新型锂型高效分子筛作为吸附剂，使得吸附更彻底，制氧效率更高。

3、采用新型改制压缩机，针对军用车辆低压电体制，本发明对选用的交流220V压缩机进行线圈绕组改制，压缩机输入只需三相交流16V，这极大的提高了产品的安全性，同时，通过压缩机的改制，提高了压缩机的性能，降低了整机的功耗。

4、采用模块化设计，整机系统分为不同的模块，提高了产品的组合化，标准化设计水平，降低了产品的使用维护保障要求。

为了考察本发明的效果，对比不同海拔高度下制氧装置的制氧能力，下表列举了采用高原自适应变频技术的本发明制氧装置与传统制氧机在不同海拔下的制氧性能参数对比：

通过对本发明实际高原性能测试数据可以看出，本发明高原自适应分子筛制氧装置通过采用分子筛变压吸附制氧技术、大气压力检测技术、自动变频技术，从而根本上解决了高原环境下传统制氧机性能下降问题，同时提高了变压吸附制氧装置体积、重量、功率方面的技术指标，可用于车辆安装使用，解决车辆乘员高原环境下的缺氧需求。此发明装置具有十分重要的现实意义，目前，已在高原部队陆军车辆上使用，带来了十分巨大的经济价值，同时该发明技术可进一步推广到民用分子筛制氧供氧领域，能够产生十分巨大的社会价值。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (6)

1.一种高原自适应分子筛制氧装置，其特征在于：包括依次相连的进气过滤模块、气体压缩模块、气体冷却模块、气体分离模块，气体压缩模块、气体冷却模块、气体分离模块均与控制模块相连，控制模块还连接有大气压力传感器；

所述进气过滤模块用于对空气进行过滤并将过滤后的洁净气体输送至气体压缩模块；

所述气体压缩模块用于对来自进气过滤模块的洁净气体进行压缩，压缩后形成高温高压气体并输送至气体冷却模块；

所述气体冷却模块用于对来自气体压缩模块的高温高压气体进行冷却，冷却后形成低温高压气体并输送至气体分离模块；

所述气体分离模块用于对来自气体冷却模块的低温高压气体进行氮氧分离，并输出氧气供人员使用；

所述大气压力传感器用于对环境大气压力进行检测，并形成大气压力值发送至控制模块；

控制模块用于接收来自大气压力传感器的大气压力值并分别对气体压缩模块、气体冷却模块、气体分离模块进行控制。

2.根据权利要求1所述的一种高原自适应分子筛制氧装置，其特征在于：所述进气过滤模块采用高效过滤器对空气进行过滤，气体压缩模块采用低压变频无油空气压缩机对来自高效过滤器的洁净气体进行压缩，气体冷却模块采用铝翅铜管散热器对来自低压变频无油空气压缩机的高温高压气体进行冷却，控制模块采用控制板进行处理，气体分离模块包括电磁阀、第一分子筛吸附塔、第二分子筛吸附塔，电磁阀分别与控制板、铝翅铜管散热器、第一分子筛吸附塔、第二分子筛吸附塔相连，第一分子筛吸附塔、第二分子筛吸附塔均用于对来自电磁阀的低温高压气体中的氮气进行吸附，电磁阀用于对来自铝翅铜管散热器的低温高压气体进行导流并由控制板进行控制。

3.根据权利要求2所述的一种高原自适应分子筛制氧装置，其特征在于：所述电磁阀首先将低温高压气体加压流向第一分子筛吸附塔，由第一分子筛吸附塔对氮气进行吸附并输出氧气，当第一分子筛氮气吸附饱和时，控制板控制电磁阀将低温高压气体流向第二分子筛吸附塔，由第二分子筛吸附塔对氮气进行吸附并输出氧气，同时控制第一分子筛释放氮气，当第二分子筛吸附塔吸附饱和时，控制板再次控制电磁阀将低温高压气体流向第一分子筛吸附塔，然后重复以上步骤。

4.根据权利要求2所述的一种高原自适应分子筛制氧装置，其特征在于：所述气体分离模块还包括节流阀、单向阀、储气罐，第一分子筛吸附塔、第二分子筛吸附塔输出端均与节流阀输入端相连通，节流阀输出端通过单向阀与储气罐输入端相连通，储气罐输出端与出氧口相连通。

5.根据权利要求4所述的一种高原自适应分子筛制氧装置，其特征在于：所述储气罐输出端与出氧口之间设有减压阀、流量计，减压阀输入端与储气罐输出端相连通，减压阀输出端与通过流量计与出氧口相连通。

6.根据权利要求2所述的一种高原自适应分子筛制氧装置，其特征在于：所述第一分子筛吸附塔、第二分子筛吸附塔均采用锂型高效分子筛作为吸附剂。