CN109613859A - 一种分子筛制氧机及其控制系统、方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分子筛制氧机及其控制系统、方法。该分子筛制氧机包括依次连通的压缩机、分子筛吸附塔和储氧罐，所述压缩机与分子筛吸附塔之间的输气管路上安装有一电磁换向阀，所述分子筛吸附塔产品气输出端与储氧罐的输入端之间的输气管路上安装有第一气体检测传感器，所述分子筛制氧机还设置有一连通所述储氧罐出氧端与分子筛吸附塔产品气输出端的气体反馈通路，该气体反馈通路安装有第二气体检测传感器和电磁阀。上述分子筛制氧机在变压吸附工艺过程中，将储气罐中混合了空气的富氧产品气经气体反馈通路引入气路系统，以提高氧产品气的回收率，进而缩短开机启动至产品气氧气浓度理化指标达到规定要求的时间间隔，减少了启动时间。

Description

一种分子筛制氧机及其控制系统、方法

技术领域

本发明涉及气体分离技术领域，尤其涉及一种分子筛制氧机及其控制系统、方法。

背景技术

分子制筛氧机是一种采用变压吸附原理从空气中分离出氧气的制氧设备，分子筛制氧机由压缩机对空气进行压缩，空气压缩后通过换气阀进入装有分子筛的吸附塔，经吸附解吸循环周期地制取氧气。近年来，分子筛制氧机在缩小体积、减轻重量、降低噪声等技术方面具有很大的提升，小型化的分子筛制氧机在家庭氧疗中得到了较好的应用，成为呼吸系统慢性病综合防治的一项最为简便易行的方法，对缓解病情、促进康复、改善亚健康状态等具有卓越的功效。

现有的分子筛制氧机的组成结构中，一般在制气单元输出端设置有特定容积的储气罐，储气罐在产品气输出回路中可起到缓冲和平稳终端氧气气流的作用。但是，当制氧机设备开机启动时，储气罐中残留的混合空气稀释了制气单元输出的产品气，使得终端氧气不能在开机启动时立即达到氧含量体积分数为90％以上的医用氧标准，终端氧气浓度曲线呈缓慢上升状，导致设备开机启动至产品气理化指标达到规定要求的时间间隔(启动时间)较长。

此外，分子筛制氧机的制氧单元在使用间歇期间，分子筛吸附塔中的分子筛吸附剂颗粒会受空气中水汽的影响而受潮失效，使得分子筛吸附剂的使用寿命会大大缩短。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种能够缩短开机启动至产品气理化指标达到规定要求的时间间隔的分子筛制氧机及其控制系统、方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下所述的技术方案：

一种分子筛制氧机控制系统，其包括有一电磁换向阀，其安装于分子筛吸附塔的输入端上，用于控制所述分子筛吸附塔择一地与压缩机通道或排氮通道连通；一第一气体检测传感器，其安装于分子筛吸附塔与储氧罐之间的输气管路上，用于检测分子筛吸附塔产品气输出端的产品气含氮浓度；一第二气体检测传感器，其安装于连通储氧罐出氧端与分子筛吸附塔产品气输出端的气体反馈通路上，用于检测流经气体反馈通路的气体体积流量值；一电磁阀，其安装于所述气体反馈通路上，用于控制所述气体反馈通路的通断；一微处理器，该微处理器分别与所述电磁换向阀、第一气体检测传感器、第二气体检测传感器和电磁阀信号连接，所述微处理器根据所述产品气含氮浓度控制所述电磁换向阀动作使所述分子筛吸附塔与排氮通道连通以排出分子筛吸附塔内的氮气，以及根据所述产品气含氮浓度控制所述电磁阀开启以将储氧罐中的氧气输入至分子筛吸附塔，所述微处理器根据所述气体体积流量值计算流经所述气体反馈通路的气体总量，当所述气体总量达到预设阈值时关闭所述电磁阀并控制电磁换向阀动作以使所述分子筛吸附塔与压缩机通道连通。

优选地，所述微处理器还根据压缩机的停机动作控制所述电磁换向阀动作连通分子筛吸附塔与排氮通道以排出分子筛吸附塔内的高压空气以及根据压缩机的停机动作控制所述电磁阀开启以将储氧罐中的氧气输入至分子筛吸附塔。

优选地，所述第二气体检测传感器为超声波气体流量传感器。

一种分子筛制氧机，包括有依次连接的压缩机、分子筛吸附塔、储氧罐、一连通所述储氧罐出氧端与分子筛吸附塔产品气输出端的气体反馈通路以及如以上所述的分子筛制氧机控制系统。

优选地，所述分子筛吸附塔包括第一分子筛吸附塔和第二分子筛吸附塔，所述电磁换向阀为双两位三通电磁阀，所述第一分子筛吸附塔和第二分子筛吸附塔通过该双两位三通电磁阀与压缩机连接。

优选地，所述气体反馈通路上还安装有单向节流阀，该单向节流阀设置于所述分子筛吸附塔产品气输出端与所述电磁阀之间。

优选地，所述单向节流阀包括第一单向节流阀和第二单向节流阀，所述第一单向节流阀设置于所述第一分子筛吸附塔产品气输出端与所述电磁阀之间，所述第二单向节流阀设置于所述第二分子筛吸附塔产品气输出端与所述电磁阀之间。

优选地，所述第一单向节流阀包括第一节流阀和第一单向阀，所述第二单向节流阀包括第二节流阀和第二单向阀。

一种分子筛制氧机控制方法，其包括有如下步骤：

S1，检测分子筛吸附塔产品气输出端的产品气含氮浓度；

S2，当所述产品气含氮浓度高于预设浓度阈值时控制电磁换向阀动作使所述分子筛吸附塔与排氮通道连通以排出分子筛吸附塔内的氮气；

S3，开启气体反馈通路上的电磁阀以将储氧罐中的氧气输入至分子筛吸附塔；

S4，检测流经气体反馈通路的气体体积流量值；

S5，根据所述气体体积流量值计算流经所述气体反馈通路的气体总量，当所述气体总量达到预设阈值时，关闭所述电磁阀并控制电磁换向阀动作以使所述分子筛吸附塔与压缩机通道连通。

优选地，所述分子筛制氧机控制方法还包括有如下步骤：当所述压缩机停止工作时控制电磁换向阀动作使所述分子筛吸附塔与排氮通道连通以排出分子筛吸附塔内的高压空气；利用步骤S3至S5的方法，将储氧罐中的氧气输入至所述分子筛吸附塔。

本发明的有益技术效果在于：上述分子筛制氧机在变压吸附工艺过程中，将储气罐中混合了空气的富氧产品气经气体反馈通路引入气路系统，以提高氧产品气的回收率，进而缩短开机启动至产品气氧气浓度理化指标达到规定要求的时间间隔，减少了启动时间。

附图说明

图1为本发明的分子筛制氧机的结构示意图；

图2为本发明的分子筛制氧机控制系统的结构示意图；

图3为本发明的分子筛制氧机控制方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本领域的普通技术人员更加清楚地理解本发明的目的、技术方案和优点，以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。

如图1和2所示，在本发明一个实施例中，分子筛制氧机包括依次连通的压缩机10、分子筛吸附塔30和储氧罐40，空气由所述压缩机10压缩后输入至分子筛吸附塔30进行氮氧分离，氧气输出至所述储氧罐40存储，再输送给病人。所述压缩机10与分子筛吸附塔30之间的输气管路上安装有一电磁换向阀20，所述分子筛吸附塔30产品气输出端与储氧罐40的输入端之间的输气管路上安装有第一气体检测传感器，所述分子筛制氧机还设置有一连通所述储氧罐40出氧端与分子筛吸附塔30产品气输出端的气体反馈通路，该气体反馈通路上安装有第二气体检测传感器42和电磁阀43。所述气体反馈通路上还安装有单向节流阀50，该单向节流阀50设置于所述分子筛吸附塔30产品气输出端与所述电磁阀43之间。所述分子筛制氧机内还安装有一微处理器60，该微处理器60分别与所述电磁换向阀20、第一气体检测传感器41、第二气体检测传感器42和电磁阀43信号连接组成分子筛制氧机控制系统，以控制分子筛制氧机的运行。

所述电磁换向阀20，用于控制所述分子筛吸附塔30择一地与压缩机通道或排氮通道连通；所述第一气体检测传感器41用于检测分子筛吸附塔30产品气输出端的产品气含氮浓度；所述第二气体检测传感器42可选用超声波气体流量传感器，用于检测流经气体反馈通路的气体体积流量值；所述电磁阀43用于控制所述气体反馈通路的通断；所述微处理器60分别与所述电磁换向阀20、第一气体检测传感器41、第二气体检测传感器42和电磁阀43信号连接，所述微处理器60根据所述产品气含氮浓度控制所述电磁换向阀20动作使所述分子筛吸附塔30与排氮通道连通以排出分子筛吸附塔30内的氮气，以及根据所述产品气含氮浓度控制所述电磁阀43开启以将储氧罐40中的氧气输入至分子筛吸附塔30，所述微处理器60根据所述气体体积流量值计算流经所述气体反馈通路的气体总量，当所述气体总量达到预设阈值时关闭所述电磁阀43并控制电磁换向阀20动作以使所述分子筛吸附塔30与压缩机通道连通。

所述分子筛吸附塔30包括第一分子筛吸附塔A和第二分子筛吸附塔B，所述电磁换向阀20为双两位三通电磁阀，所述第一分子筛吸附塔A和第二分子筛吸附塔B塔通过该双两位三通电磁阀与压缩机10连接。所述单向节流阀50包括第一单向节流阀和第二单向节流阀，所述第一单向节流阀有第一节流阀52和第一单向阀51组成，所述第二单向节流阀由第二节流阀53和第二单向阀54组成。所述第一单向节流阀设置于所述第一分子筛吸附塔A产品气输出端与所述电磁阀43之间，所述第二单向节流阀设置于所述第二分子筛吸附塔B产品气输出端与所述电磁阀43之间。

分子筛制氧机采用PSA变压吸附工艺进行两塔四流程控制包括：加压吸附、降压解吸、常压放空、反向吹扫。第一分子筛吸附塔A、第二分子筛吸附塔B交替加压吸附运行，从而可以在分子筛吸附塔30产品气输出端连续获得产品氧气。所述分子筛吸附塔的加压吸附过程，即是压缩机向分子筛吸附塔充气加压，将空气进行氮氧分离的过程，其中，氮气被分子筛吸附，氧气从分子筛吸附塔30产品气输出端输出至储氧罐40。所述分子筛吸附塔的降压解吸过程，即是通过换向阀将分子筛吸附塔与排氮通道连通，将分子筛吸附塔的高压气体排出以降低塔内的压力，使吸附于分子筛的氮分子脱附为氮气的过程。所述常压放空过程，即是打开排氮通道，将塔内的氮气排放至外界的过程。所述反向吹扫过程，即是储氧罐中的氧气经气体反馈通道回输到分子筛吸附塔自分子筛吸附塔顶部向分子筛吸附塔底部对床层进行充气吹扫的过程。

以第一分子筛吸附塔A为例，在加压吸附阶段，空气压缩后通过电磁换向阀20进入装有分子筛的第一分子筛吸附塔A使其内部压力上升，压缩空气中的氮气(N₂)、氧气(O₂)经吸附平衡在分子筛吸附塔内形成自分子筛吸附塔底部向顶部逐渐移动的气-固两相传质区(MTZ)，分子筛吸附塔顶部产品气输出端氧浓度随传质区(MTZ)移动而变化。第一气体监测传感41为氧气浓度传感器或氮气浓度传感器，实时检测产品气输出端产品气含氮浓度或含氧浓度进而直接得到或经运算得到第一分子筛吸附塔A顶部产品气输出端氮气(N₂)吸附质流出曲线。当第一气体监测传感器41检测到氮气浓度高于穿透浓度时(即流出曲线超过穿透点)，控制电磁换向阀20动作将压缩后的空气通过进入装有分子筛的第二分子筛吸附塔B使其内部压力上升，使第二分子筛吸附塔B进入加压吸附阶段，而第一分子筛吸附塔A停止加压吸附，依次转入降压解吸、常压放空、反向吹扫阶段。

以第一分子筛吸附塔A为例，在反向吹扫阶段，开启电磁阀43将气体反馈通路引入气路系统，储氧罐40中的产品气(氧气)经第一节流阀52、第一单向阀51反馈回输到第一分子筛吸附塔A自分子筛吸附塔顶部向分子筛吸附塔底部对床层进行反向吹扫(第二分子筛吸附塔B进行反向吹扫时，储氧罐中的产品气经第二节流阀53、第二单向阀54反馈回输到第二分子筛吸附塔B自分子筛吸附塔顶部向分子筛吸附塔底部对床层进行反向吹扫)。反向吹扫清洗气总量由公式确定其中V_flow为第二气体监测传感器42检测得到的流经气体反馈通路的清洗气体积流量值或通过预先设置第一节流阀52的口径截面计算得到反向吹扫清洗气流速估计值。当反向吹扫清洗气总量等于分子筛吸附塔常压气体总容量时，关闭电磁阀将气体反馈通路与气路系统断开，此时Q_clear＝Q_v，其中Q_v为分子筛吸附塔中分子筛吸附剂颗粒的粒间空隙总体积估算得到，即其中ρ₀为分子筛吸附剂颗粒的颗粒密度，ρ₁为分子筛吸附剂颗粒的振实密度(通常情形下可由自然堆积密度及振实率计算得到)。

本发明实施例提供的分子筛制氧机在变压吸附工艺过程中，将储气罐中混合了空气的富氧产品气经气体反馈通路引入气路系统，以提高氧产品气的回收率，进而缩短开机启动至产品气氧气浓度理化指标达到规定要求的时间间隔，减少了启动时间。

当分子筛制氧机设备停机时，空气压缩机停止工作，电磁换向阀20分别依次将第一分子筛吸附塔A、第二分子筛吸附塔B与排氮通路连接，使第一分子筛吸附塔A、第二分子筛吸附塔B保持常压放空一段时间，排出分子筛吸附塔内的高压空气。然后，开启电磁阀43将气体反馈通路引入气路系统将储氧罐40中的干燥氧气经单向节流阀50反馈回输至第一分子筛吸附塔A、第二分子筛吸附塔B。反馈回输干燥氧气总量由公式确定其中V_flow为第二气体监测传感器42检测得到的流经气体反馈通路的干燥氧气体积流量值或通过预先设置节流元件的口径截面计算得到干燥氧气流速估计值。当反馈回输干燥氧气总量等于第一分子筛吸附塔A、第二分子筛吸附塔B常压气体总容量时，关闭电磁阀43将气体反馈通路与气路系统断开，此时Q_feedback＝Q′_v，其中Q′_v为分子筛吸附塔中分子筛吸附剂颗粒的粒间空隙总体积估算得到，即其中ρ₀为分子筛吸附剂颗粒的颗粒密度，ρ₁为分子筛吸附剂颗粒的振实密度(通常情形下可由自然堆积密度及振实率计算得到)。上述控制过程结束后将电磁换向阀20切换至压缩机管路，使第一分子筛吸附塔A、第二分子筛吸附塔B同时与压缩机管路连通，由压缩机气缸构成密封回路。由此将储氧罐中的干燥氧气回输至分子筛吸附塔起到保护分子筛吸附剂的作用，从而避免分子筛吸附剂因受潮失效而导致影响其使用寿命。

如图3所示，在本发明一个实施例中，分子筛制氧机控制方法包括以下步骤：

S101，判断压缩机是否停机，若是，执行步骤S110，若否，执行步骤S102。

S102，检测分子筛吸附塔产品气输出端的产品气含氮浓度。具体地，安装于分子筛吸附塔30与储氧罐40之间的输气管路上第一气体监测传感41选用氧气浓度传感器或氮气浓度传感器，实时检测分子筛吸附塔30产品气输出端产品气含氮浓度或含氧浓度进而直接得到或经运算得到分子筛吸附塔顶部产品气输出端氮气(N2)吸附质流出曲线。

S103，判断产品气含氮浓度是否高于预设浓度阈，若是，执行步骤S104，若否，返回步骤S102。

S104，控制电磁换向阀动作使所述分子筛吸附塔与排氮通道连通以排出分子筛吸附塔内的氮气。

S105，开启气体反馈通路上的电磁阀以将储氧罐中的氧气输入至分子筛吸附塔。在排空分子筛吸附塔内的气体之后，开启电磁阀43将气体反馈通路引入气路系统，储氧罐40中的产品气(氧气)经节流阀、单向阀反馈回输到分子筛吸附塔自分子筛吸附塔顶部向分子筛吸附塔底部对床层进行反向吹扫清洗。

S106，检测流经气体反馈通路的气体体积流量值。具体地，安装于气体反馈通路上的第二气体监测传感42选用超声波气体流量传感器，检测流经气体反馈通路的氧气体积流量值。

S107，根据所述气体体积流量值计算流经所述气体反馈通路的气体总量。

反向吹扫清洗气总量由公式确定其中V_flow为第二气体监测传感器42检测得到的流经气体反馈通路的清洗气体积流量值或通过预先设置节流元件的口径截面计算得到反向吹扫清洗气流速估计值。

S108，判断气体总量是否达到预设阈值，若是，执行步骤S109，若否，返回步骤S106。所述预设阈值设置有分子筛吸附塔常压气体总容量，当反向吹扫清洗气总量等于分子筛吸附塔常压气体总容量时，此时Q_clear＝Q_v，其中Q_v为分子筛吸附塔中分子筛吸附剂颗粒的粒间空隙总体积估算得到，即其中ρ₀为分子筛吸附剂颗粒的颗粒密度，ρ₁为分子筛吸附剂颗粒的振实密度(通常情形下可由自然堆积密度及振实率计算得到)。

S109，关闭所述电磁阀并控制电磁换向阀动作以使所述分子筛吸附塔与压缩机通道连通。

S110，控制电磁换向阀动作使所述分子筛吸附塔与排氮通道连通以排出分子筛吸附塔内的高压空气。在执行步骤S110将分子筛吸附塔内的高压空气排出之后，跳转到步骤S105，利用步骤S105至S109的方法，将储氧罐中的氧气输入至所述分子筛吸附塔。

具体地，当分子筛制氧机设备停机时，空气压缩机停止工作，电磁换向阀20分别依次将第一分子筛吸附塔A、第二分子筛吸附塔B与排氮通路连接，使第一分子筛吸附塔A、第二分子筛吸附塔B保持常压放空一段时间，排出分子筛吸附塔内的高压空气。然后，开启电磁阀43将气体反馈通路引入气路系统将储氧罐40中的干燥氧气经单向节流阀50反馈回输至第一分子筛吸附塔A、第二分子筛吸附塔B。反馈回输干燥氧气总量由公式确定其中V_flow为第二气体监测传感器42检测得到的流经气体反馈通路的干燥氧气体积流量值或通过预先设置节流元件的口径截面计算得到干燥氧气流速估计值。当反馈回输干燥氧气总量等于第一分子筛吸附塔A、第二分子筛吸附塔B常压气体总容量时，关闭电磁阀43将气体反馈通路与气路系统断开，此时Q_feedback＝Q′_v，其中Q′_v为分子筛吸附塔中分子筛吸附剂颗粒的粒间空隙总体积估算得到，即其中ρ₀为分子筛吸附剂颗粒的颗粒密度，ρ₁为分子筛吸附剂颗粒的振实密度(通常情形下可由自然堆积密度及振实率计算得到)。上述控制过程结束后将电磁换向阀20切换至压缩机管路，使第一分子筛吸附塔A、第二分子筛吸附塔B同时与压缩机管路连通，由压缩机气缸构成密封回路。由此将储氧罐中的干燥氧气回输至分子筛吸附塔起到保护分子筛吸附剂的作用，从而避免分子筛吸附剂因受潮失效而导致影响其使用寿命。

以上所述仅为本发明的优选实施例，而非对本发明做任何形式上的限制。本领域的技术人员可在上述实施例的基础上施以各种等同的更改和改进，凡在权利要求范围内所做的等同变化或修饰，均应落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种分子筛制氧机控制系统，其特征在于，包括有：

一电磁换向阀，其安装于分子筛吸附塔的输入端上，用于控制所述分子筛吸附塔择一地与压缩机通道或排氮通道连通；

一第一气体检测传感器，其安装于分子筛吸附塔与储氧罐之间的输气管路上，用于检测分子筛吸附塔产品气输出端的产品气含氮浓度；

一第二气体检测传感器，其安装于连通储氧罐出氧端与分子筛吸附塔产品气输出端的气体反馈通路上，用于检测流经气体反馈通路的气体体积流量值；

一电磁阀，其安装于所述气体反馈通路上，用于控制所述气体反馈通路的通断；

一微处理器，该微处理器分别与所述电磁换向阀、第一气体检测传感器、第二气体检测传感器和电磁阀信号连接，所述微处理器根据所述产品气含氮浓度控制所述电磁换向阀动作使所述分子筛吸附塔与排氮通道连通以排出分子筛吸附塔内的氮气，以及根据所述产品气含氮浓度控制所述电磁阀开启以将储氧罐中的氧气输入至分子筛吸附塔，所述微处理器根据所述气体体积流量值计算流经所述气体反馈通路的气体总量，当所述气体总量达到预设阈值时关闭所述电磁阀并控制电磁换向阀动作以使所述分子筛吸附塔与压缩机通道连通。

2.如权利要求1所述的分子筛制氧机控制系统，其特征在于，所述微处理器还根据压缩机的停机动作控制所述电磁换向阀动作连通分子筛吸附塔与排氮通道以排出分子筛吸附塔内的高压空气以及根据压缩机的停机动作控制所述电磁阀开启以将储氧罐中的氧气输入至分子筛吸附塔。

3.如权利要求1所述的分子筛制氧机控制系统，其特征在于，所述第二气体检测传感器为超声波气体流量传感器。

4.一种分子筛制氧机，包括有依次连接的压缩机、分子筛吸附塔、储氧罐，其特征在于：所述分子筛制氧机还包括有一连通所述储氧罐出氧端与分子筛吸附塔产品气输出端的气体反馈通路以及如权利要求1-3任一项所述的分子筛制氧机控制系统。

5.如权利要求4所述的分子筛制氧机，其特征在于，所述分子筛吸附塔包括第一分子筛吸附塔和第二分子筛吸附塔，所述电磁换向阀为双两位三通电磁阀，所述第一分子筛吸附塔和第二分子筛吸附塔通过该双两位三通电磁阀与压缩机连接。

6.如权利要求4或5所述的分子筛制氧机，其特征在于，所述气体反馈通路上还安装有单向节流阀，该单向节流阀设置于所述分子筛吸附塔产品气输出端与所述电磁阀之间。

7.如权利要求6所述的分子筛制氧机，其特征在于，所述单向节流阀包括第一单向节流阀和第二单向节流阀，所述第一单向节流阀设置于所述第一分子筛吸附塔产品气输出端与所述电磁阀之间，所述第二单向节流阀设置于所述第二分子筛吸附塔产品气输出端与所述电磁阀之间。

8.如权利要求7所述的分子筛制氧机控制系统，其特征在于，所述第一单向节流阀包括第一节流阀和第一单向阀，所述第二单向节流阀包括第二节流阀和第二单向阀。

9.一种分子筛制氧机控制方法，其特征在于，所述分子筛制氧机控制方法包括有如下步骤：

S1，检测分子筛吸附塔产品气输出端的产品气含氮浓度；

S2，当所述产品气含氮浓度高于预设浓度阈值时控制电磁换向阀动作使所述分子筛吸附塔与排氮通道连通以排出分子筛吸附塔内的氮气；

S3，开启气体反馈通路上的电磁阀以将储氧罐中的氧气输入至分子筛吸附塔；

S4，检测流经气体反馈通路的气体体积流量值；

S5，根据所述气体体积流量值计算流经所述气体反馈通路的气体总量，当所述气体总量达到预设阈值时，关闭所述电磁阀并控制电磁换向阀动作以使所述分子筛吸附塔与压缩机通道连通。

10.如权利要求9所述的分子筛制氧机控制方法，其特征在于，所述分子筛制氧机控制方法还包括有如下步骤：

当所述压缩机停止工作时控制电磁换向阀动作使所述分子筛吸附塔与排氮通道连通以排出分子筛吸附塔内的高压空气；

利用步骤S3至S5的方法，将储氧罐中的氧气输入至所述分子筛吸附塔。