CN112807538A - 一种便携式制氧供气装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于气体分离技术领域，具体一种便携式制氧供气装置及方法。本发明的制氧供气装置，采用脉冲供气方法，可跟随呼吸频率的改变而改变单位呼吸频次内供氧流量，但仍然维持单位时间内的供氧总量；随着呼吸频率变化，每次呼吸的供气量将同步发生变化，不会出现“断气”、“供不过来”的现象，供气体验感好；并且，随着呼吸频率的提高，尽管单位呼吸频次内的供气流量少，但因为供气总量仍然维持原供气流量，可有效的维持血氧饱和度。并且，在供气呼吸频率降低时，通过改变装置的运行负荷，增强续航时间。本发明可以各种环境下单兵安全、持续使用。
Description
技术领域
本发明属于气体分离技术领域，具体涉及一种可跟随人员个体呼吸频率而改变供氧流量的单兵便携式制氧供气装置及方法。
背景技术
随着海拔高度的不断提升，大气中的含氧量（绝对值，g/m3）和氧分压（压力值，kPa）相应下降，血液中的含氧量(血氧饱和度)降低，人体的自然反应随之剧烈，造成如心率加快、反应迟缓、情绪急躁、免疫力下降等人体伤害，伴生出现如头痛、腹胀、脱发、呼吸困难、精神不振、睡眠质量不高、记忆力减退甚至肺水肿死亡等一系列问题，无论是急进高原的作战部队、政府或工业部门的干部职工、旅行者，还是世居高原的藏民，有效的供氧都是非常重要的解决方案。
目前，面向个体的供氧方法中，尤其是可便携式个体呼吸供氧方法，大都采用固定流量的氧气浓缩器直接对人体进行鼻吸供气。因制氧设备流量固定，为满足更高海拔条件下人员所需供氧流量，设备的供气能力要求更高，受此影响，浓缩器的尺寸、体积、重量以及所需功率、续航能力的设计挑战巨大；尽管也有部分产品耦合采用了脉冲呼吸的设计，以期望减少单位呼吸频率下的供氧量而降低设备供气流量的需求，但本质上仍然是跟随呼吸频率的定量输出的供气方法，当呼吸频率改变时，容易跟不上而导致供氧失效。而如果跟随呼吸频率供气，则因为提升了单位时间的供气流量而使得浓缩器的供氧纯度下降，不能有效的维持血氧饱和度，因此，亟需一种更为有效的供气方法解决方案。
发明内容
鉴于以上情况，本发明的目的在于提供一种可跟随人员个体呼吸频率而改变供氧流量的单兵便携式制氧供气装置及方法。
本发明提供的供气方法，是一种脉冲供气方法，可以跟随呼吸频率及时供气：采用本装置制取的富氧通过供气软管送至鼻子入口，当人体吸气时，即可将管道内压力造成一定程度的负压，安装在富氧出口的微压传感器即可感知并通过控制系统打开供气阀，即可迅速通过供气软管向人体供气；反之，当人体呼气时，因为安装在富氧出口的微压传感器即可感知压力变化，并通过控制系统关闭供气阀停止通过供气软管向人体供气，而将制取的富氧存储起来使用，节约了这部分气体的浪费。
本发明提供的供气方法，可跟随呼吸频率的改变而改变单位呼吸频次内供氧流量，但仍然维持单位时间内的供氧总量；随着呼吸频率变化，每次呼吸的供气量将同步发生变化，不会出现“断气”、“供不过来”的现象，供气体验感好；并且，随着呼吸频率的提高，尽管单位呼吸频次内的供气流量少了，但因为供气总量仍然维持原供气流量，可有效的维持血氧饱和度；
并且，由于可维持单位时间内的供氧总量，将不会改变氧气浓缩器的工作状态，可以保持氧气浓度指标稳定，进一步的，也就确保了供氧分压，维持了血氧饱和度：如果每次吸气送出定量的氧气，则当呼吸频率变化至更高时，单位时间内送出的气体流量将提高，这将超出设备的制氧能力，直至制氧设备产品氧气消耗殆尽，不仅因为制氧工艺本身超出制氧设备的制氧能力，纯度将下降，极端的还会形成“断气”、“供不过来”的现象，而本发明随着呼吸频次的增加，将通过控制系统缩短供气阀的打开时间，也即减少了每一次供气阀打开的实际供气流量，但同样通过控制系统维持单位时间平均供气流量不超过制氧设备的制氧能力，因此可以维持制氧设备产品氧气的纯度，而且，人体接收到的平均供氧量不变，血氧饱和度得以维持，而呼吸供气的体验感好，解决了“断气”、“供不过来”的问题。
并且，本发明提供的供气方法，与氧气浓缩器制氧工艺调整相结合，如前述，当呼吸频率下降时，供气阀打开的实际供气量将减少，同样产氧能力设备制取的氧气将较多的储存在氧气缓冲罐，显然，可以将这部分“富余”的氧气引入清洗阶段，以提升供氧浓度，进一步的维持更高的氧气浓度输出。这点，对个体便携式装备而言，可以适应更高的海拔高度使用。
并且，采用本发明的方法，在供气呼吸频率降低时，通过改变氧气浓缩器的运行负荷：通过控制系统打开供气阀使实际供气量减少，并通过控制系统作用于压缩机，减少其负荷（如降低其频率）即可降低电力消耗，可增强续航时间。这点，对个体便携式装备而言，意义极大。
本发明提供的便携式制氧供气装置，包括：
（1）至少一个压缩设备，用于提供必要的有压力的原料空气，并包括空气预处理所需的装置，用于去除原料气体中的杂质成分；
（2）至少一套变压吸附干燥装置，所述变压吸附干燥装置包括一个吸附塔，吸附塔内装有氮气吸附剂（分子筛）的一种或多种组合，以及进气阀门及其必要的连接管线，排气阀门及其必要的连接管线，产气阀门及其必要的连接管线；
（3）至少一个氧气缓冲罐或者气囊，用于供临时存储氧气，缓冲罐或者气囊与吸附塔的产物端出口阀门相连通，用以接受自吸附塔富集的氧气；并至少设置有一个回路，用以将此氧气返回吸附塔产物端；
（4）在前述氧气缓冲罐后至少串接一个控制氧气定量输出的控制阀门（也称供气阀门），用以定时、定量输出氧气；
（5）至少一个微压传感器，串接在前述控制阀门之后，用于监测由此接入人体鼻腔的送氧管道（是一种软管）的压力；
（6）至少一个控制器，用于控制动力设备的启停、负荷调节、阀门的开关以及运算等；这对于本领域技术人员来说，是容易实现的；
（7）至少一个电源组件，可以是任意型式的电池，可充放电，为系统的空气压缩设备、控制器、传感器等提供电力；
（8）以及必要的机架、机壳、连接管道、设备底盘、散热通风与减振降噪设施、自供气电磁阀出口至人体鼻腔之间的供气软管等。
上述便携式制氧装置，还包括电池，机架（机壳）及其安装组件、设备间连接管道等。
基于上述便携式制氧供气装置，进行供气的方法如下：
由装置制取的富氧通过供气软管送至人鼻子吸入口：
当人体吸气时，使管道内形成一定程度的负压，安装在富氧出口的微压传感器即可感知并通过控制系统打开供气阀，即可迅速通过供气软管向人体供气；反之，当人体呼气时，安装在富氧出口的微压传感器即可感知压力变化，并通过控制系统关闭供气阀，停止通过供气软管向人体供气，而将制取的富氧存储起来使用，节约了这部分气体的浪费；
一般情况下，当呼吸频率变化至更高时，单位时间内送出的气体流量将提高，这将超出设备的制氧能力，直至制氧设备产品氧气消耗殆尽，不仅因为制氧工艺本身超出制氧设备的制氧能力，纯度将下降，极端的还会形成“断气”、“供不过来”的现象。但是使用本发明装置，随着呼吸频次的增加，通过控制系统缩短供气阀的打开时间，也即减少每一次供气阀打开的实际供气流量，但同样通过控制系统维持单位时间平均供气流量不超过制氧设备的制氧能力，因此可以维持制氧设备产品氧气的纯度；而且，人体接收到的平均供氧量不变，血氧饱和度得以维持，而呼吸供气的体验感好，解决了“断气”、“供不过来”的问题。
并且，当呼吸频率下降时，供气阀打开的实际供气量将减少，同样产氧能力设备制取的氧气将较多的储存在氧气缓冲罐，与氧气浓缩器制氧工艺调整相结合，可以将这部分“富余”的氧气引入清洗阶段，以提升供氧浓度，进一步的维持更高的氧气浓度输出；这点，对个体便携式装备而言，可以适应更高的海拔高度使用。
并且，在供气呼吸频率降低至更低时，通过控制系统打开供气阀使实际供气量减少，并通过控制系统作用于压缩机，减少其负荷（如降低其频率）即可降低电力消耗，可增强续航时间。
附图说明
图1为持续供氧方法的氧气利用率示意图。
图2为本发明便携式制氧供气装置结构和工艺流程图示。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，进一步说明本发明的便携式制氧供气装置及供气方法。
如附图1，是一个持续供氧方法的氧气利用率示意图：
人体一个正常的吸-呼周期，吸气时间约占1/3，呼气时间约占2/3。传统制氧机如果采用持续的供氧方式，在呼气过程中，其产生的氧气将全部被浪费掉（约占2/3）；
吸气过程中，由于存在呼吸死腔，只有前2/3周期吸入的氧气真正能到肺泡进行氧交换，被机体有效利用，后1/3周期被吸入的氧气只能到达呼吸道，实际上并不能被机体有效利用；
也就是说，持续的供氧方法中，实际上大约有4/5的氧气被浪费在呼气过程和呼吸道中，氧气利用率仅为20%左右；
采用本发明脉冲呼吸的方法中，氧气浓缩器制取的氧气的利用率接近100%。
如附图2，是本发明便携式制氧供气装置结构和工艺流程图。
附图中，01A，01B，02A，02B, 03A，03B，表示自动控制阀门，它们可根据预先设定的逻辑开启或关闭，当然，也可以是带有流量控制调节性能的自动控制阀门，这些阀门可以是气动控制的，也可以是电动、液压控制的自动阀；
DXF01A，DXF01AB代表逆止阀，可以是一切可限制流体单向流通的阀门；
101A，101B是吸附塔，装填有吸附剂、分子筛；
PV102代表缓冲罐、气囊，可以储存氧气的容器；
DDV01A代表供气电磁阀，也是本发明所指的供气呼吸阀，可以是一切可跟随控制逻辑开关的自动控制阀门。
涉及的一些名字释义如下：
产品气，是指较难被吸附剂吸附的气体，如对氮吸附剂来说，氮气较容易被吸附，氧气、氩气则难以吸附；
废气，是指相对产品气来说较容易被吸附剂吸附的气体，如氮气、水分等相对氧气来说较容易被氮吸附剂吸附；
吸附剂，也称为分子筛，用以由空气流生产氧气的传统PSA法中通常采用如CaA，CaX，NaX，LiX型等氮吸附剂，用来基于平衡吸附理论制氧；
吸附塔，也可称为吸附器、吸附床、分离器，是指装填了至少一种比如上面所说的吸附剂的容器，吸附剂对混合气体中较易吸附的组分有较强的吸附能力；
变压吸附、吸附分离，PSA等词，本专业领域技术人员公知，所指不仅是PSA方法，还包括与之类似的方法，如真空变压吸附(Vacuum Swing Adsorption-VSA)或混合压力变压吸附(Mixed Pressure Swing Adsorption-MPSA)方法等等。另外在更宽广的意义上理解，周期性循环的吸附压力、一种较高的压力是相对于解吸步骤的更高的压力，可以包括大于或等于大气压力；而周期性循环的解吸压力，一种较低的压力是相对于吸附步骤的更低的压力，则包括小于或等于大气压力。
除非明确标注，本发明提到的压力是表压。
如附图2，是本发明典型的便携式制氧供气装置结构，包括：两个吸附塔101A、101B，一个缓冲罐或气囊PV102，一个微压传感器；其中：
原料空气来自于空气压缩机（图中未示出），该空气压缩机由电池供电，当然也可外接电源，控制系统带有可改变压缩机电机的运行频率为后续分离系统提供不同流量、压力的压缩空气，原料气管路分别与两个吸附塔101A、101B的进气口连接，且原料气管路与吸附塔101A进气口的连接管路设有自动控制阀门01A，原料气管路与吸附塔101B进气口的连接管路设有自动控制阀门01B；同时，两个吸附塔101A、101B的进气口分别与一消音器管路连接，且在吸附塔101A侧设有自动控制阀门02A，在吸附塔101B侧设有自动控制阀门02B，吸附的废气从消音器排向大气；
吸附塔101A、101B的产物端之间有一管路连接，并且，在该连接管路靠近吸附塔101A侧设有自动控制阀门03A，在该连接管路靠近吸附塔101B侧设有自动控制阀门03B，在控制阀门03A与控制阀门03B之间的接点处通过管路与缓冲罐或气囊PV102 进气口连接；
同时，吸附塔101A、101B的产物端之间有另一管路连接，并且，在该连接管路靠近吸附塔101A侧设有逆止阀DXF01A，在该连接管路靠近吸附塔101B侧设有逆止阀DXF01B，在逆止阀DXF01A与逆止阀DXF01B之间的接点处通过管路与缓冲罐或气囊PV102 进气口连接；
缓冲罐或气囊PV102出气口与微压传感器管路连接，在该连接管路上设有供气电磁阀（亦称供气呼吸阀、供气阀）DDV01A，该电磁阀可以是一切可跟随控制逻辑开关的自动控制阀门；微压传感器用以监测电磁阀（供气呼吸阀）后至人体鼻腔之间送氧软管的微压。
基于如上所述的基于变压吸附技术的便携式制氧供气装置，其供气方法如下：
（1）打开01A，101A进气产氧；同时，02B打开，101B开始排空；当101A吸附饱和时，进入下一步骤；
（2）打开01B，101B进气产氧；同时，02A打开，101A开始排空；当101B吸附饱和时，循环返回上一步骤。
上述步骤中，除指定开启阀门之外，其余阀门全部为关闭状态；
由此循环往复，即可制取氧气，制取的氧气暂存在缓冲罐PV102；
当人体吸气时，供气软管内的压力将发生变化，呈下降趋势，微压传感器将检测到该变化，从而控制供气电磁阀DDV01开启，通过供气软管送至鼻子入口，对人体实施供氧；而人体呼气时，微压传感器也将检测到该变化，进一步控制供气电磁阀DDV01关闭，供氧停止，以节约无效呼吸期间的用氧量；
正常运行时，该制氧装置达到设计纯度，比如达到93%的氧气浓度时，如公知技术，具有一个可维持该氧气浓度情况下的稳定的输出流量Q；并且，在单位时间内确保该输出总量的前提下，如公知技术，即可维持输出的氧浓度；如果该总量输出加大，则输出的氧浓度会下降；
人体吸气、呼气时，微压传感器跟随呼吸频率而触发；人体开始吸气时，每次触发后供气电磁阀DDV01即打开一次，假设打开的时长为t1，则按该固定的时长t1，将对外喷射对应该时长的气体流量：t1*呼吸频率（次），显然，随着呼吸频率的增加，t1*呼吸频率（次）决定了输出总量增加，氧浓度将呈下降趋势。
本发明中，通过改变每次打开的时长t1来维持输出总量不变，通过连续监测呼吸频率，也即监测供气电磁阀DDV01的开启次数，典型的，比如取值前10次打开时长，以可确保浓度不下降的设备产氧能力，即稳定输出流量Q为基数，当比如供气电磁阀DDV01的前10次打开的对应时长t1*10计算出来的单位平均流量大于设备能力时，通过减少t1，即减少供气电磁阀DDV01打开的时间来控制每次输出的流量，从而控制总输出流量不变；这样，即可维持氧气浓度不变，避免了出现“断气”、“供不过来”的现象，供气体验感好；并且，随着呼吸频率的提高，尽管单位呼吸频次内的供气流量少了，但因为供气总量仍然维持原供气流量，可有效的维持血氧饱和度；
同样的，通过监测供气电磁阀DDV01的开启次数，当呼吸频率下降时，输出总量下降，即可通过控制器降低空气压缩机（图中未示出）的电机运行频率降低其运行负荷，降低功率消耗，从而延长便携式制氧供气装置的使用时间；
同样的，通过监测供气电磁阀DDV01的开启次数，当呼吸频率下降时，输出总量下降，还可通过控制器通过打开控制阀门03A/03B，将氧气缓冲罐富余的氧气作为清洗气，以进一步提高设备的产氧纯度，提高系统制氧效率，由此也可以进一步降低运行功率消耗；
按上述，如此循环往复，即可稳定设备运行工况，维持设备产氧浓度，并满足高海拔条件下人员生命保障所需的氧气供给，且可随呼吸频率变化供氧，避免了出现“断气”、“供不过来”的现象，供气体验感好，尤其随着呼吸频率的提高，仍然可有效的维持血氧饱和度，降低了设备物理特性的需求，提高了便携式供气设备的续航时间。
Claims (4)
1.一种便携式制氧供气装置，其特征在于，包括：
（1）至少一个压缩设备，用于提供必要的有压力的原料空气，包括空气预处理所需的装置，用于去除原料气体中的杂质成分；
（2）至少一套变压吸附干燥装置，所述变压吸附干燥装置包括一个吸附塔，吸附塔内装有氮气吸附剂，以及吸附塔的进气阀门及其必要的连接管线，排气阀门及其必要的连接管线，产气阀门及其必要的连接管线；
（3）至少一个氧气缓冲罐或者气囊，用于供临时存储氧气，缓冲罐或者气囊与吸附塔的产物端出口阀门相连通，用以接受自吸附塔富集的氧气；并至少设置有一个回路，用以将此氧气返回吸附塔产物端；
（4）在前述氧气缓冲罐后至少串接一个控制氧气定量输出的控制阀门，也称供气阀门，用以定时、定量输出氧气；
（5）至少一个微压传感器，串接在前述控制阀门之后，用于监测由此接入人体鼻腔的送氧软管的压力；
（6）至少一个控制器，用于控制动力设备的启停、负荷调节、阀门的开关以及运算；
（7）至少一个电源组件，可以充放电，为系统的空气压缩设备、控制器、传感器提供电力；
（8）以及必要的机架、机壳、连接管道、设备底盘、散热通风与减振降噪设施、自供气阀出口至人体鼻腔之间的供气软管。
2.根据权利要求1所述的便携式制氧供气装置，其特征在于，典型结构包括：两个吸附塔101A、101B，一个缓冲罐或气囊PV102，一个微压传感器；其中：
原料空气来自于空气压缩机，原料气管路分别与两个吸附塔101A、101B的进气口连接，且原料气管路与吸附塔101A进气口的连接管路设有自动控制阀门01A，原料气管路与吸附塔101B进气口的连接管路设有自动控制阀门01B；同时，两个吸附塔101A、101B的进气口分别与一消音器管路连接，且在吸附塔101A侧设有自动控制阀门02A，在吸附塔101B侧设有自动控制阀门02B，吸附的废气从消音器排向大气；
吸附塔101A、101B的产物端之间有一管路连接，并且，在该连接管路靠近吸附塔101A侧设有自动控制阀门03A，在该连接管路靠近吸附塔101B侧设有自动控制阀门03B，在控制阀门03A与控制阀门03B之间的接点处通过管路与缓冲罐或气囊PV102 进气口连接；
同时，吸附塔101A、101B的产物端之间有另一管路连接，并且，在该连接管路靠近吸附塔101A侧设有逆止阀DXF01A，在该连接管路靠近吸附塔101B侧设有逆止阀DXF01B，在逆止阀DXF01A与逆止阀DXF01B之间的接点处通过管路与缓冲罐或气囊PV102 进气口连接；
缓冲罐或气囊PV102出气口与微压传感器管路连接，在该连接管路上设有供气电磁阀DDV01A；微压传感器用以监测供气电磁阀后至人体鼻腔之间送氧软管的微压。
3.基于权利要求1所述便携式制氧供气装置的供气方法，其特征在于：
由装置制取的富氧通过供气软管送至人鼻子吸入口：
当人体吸气时，使管道内形成一定程度的负压，安装在富氧出口的微压传感器即可感知并通过控制器打开供气阀，从而迅速通过供气软管向人体供气；
当人体呼气时，安装在富氧出口的微压传感器即可感知压力变化，并通过控制系统关闭供气阀，停止通过供气软管向人体供气，而将制取的富氧存储起来使用，避免这部分气体的浪费；
随着呼吸频次的增加，通过控制系统缩短供气阀的打开时间，即减少每一次供气阀打开的实际供气流量，但同样通过控制系统维持单位时间平均供气流量不超过制氧设备的制氧能力，从而维持制氧设备产品氧气的纯度；而且，人体接收到的平均供氧量不变，血氧饱和度得以维持；
并且，当呼吸频率下降时，供气阀打开的实际供气量将减少，同样产氧能力设备制取的氧气将较多的储存在氧气缓冲罐，通过控制器，将这部分“富余”的氧气引入清洗阶段，以提升供氧浓度，进一步的维持更高的氧气浓度输出；
并且，在供气呼吸频率降低至更低时，通过控制系统打开供气阀使实际供气量减少，并通过控制系统作用于压缩机，减少其负荷，即可降低电力消耗，增强续航时间。
4.根据权利要求3所述的供气方法，其特征在于，对于典型的便携式制氧供气装置，具体步骤如下：
（1）打开自动控制阀门01A，吸附塔101A进气产氧；同时，打开自动控制阀门02B，吸附塔101B开始排空；当吸附塔101A吸附饱和时，进入下一步骤；
（2）打开自动控制阀门01B，吸附塔101B进气产氧；同时，打开自动控制阀门02A，吸附塔101A开始排空；当吸附塔101B吸附饱和时，循环返回上一步骤；
上述步骤中，除指定开启阀门之外，其余阀门全部为关闭状态；
由此循环往复，即可制取氧气，制取的氧气暂存在缓冲罐PV102；
当人体吸气时，供气软管内的压力将发生变化，呈下降趋势，微压传感器将检测到该变化，从而控制供气电磁阀DDV01开启，通过供气软管送至鼻子入口，对人体实施供氧；
当人体呼气时，微压传感器也将检测到该变化，进一步控制供气电磁阀DDV01关闭，供氧停止，以节约无效呼吸期间的用氧量；
正常运行时，该制氧装置达到设计纯度，具有一个可维持该氧气浓度情况下的稳定的输出流量Q；并且，在单位时间内确保该输出总量的前提下，即可维持输出的氧浓度；如果该总量输出加大，则输出的氧浓度会下降；
人体吸气、呼气时，微压传感器跟随呼吸频率而触发；人体开始吸气时，每次触发后供气电磁阀DDV01即打开一次，假设打开的时长为t1，则按该固定的时长t1，将对外喷射对应该时长的气体流量：t1*呼吸频率（次），显然，随着呼吸频率的增加，t1*呼吸频率（次）决定了输出总量增加，氧浓度将呈下降趋势；
通过改变每次打开的时长t1来维持输出总量不变，通过连续监测呼吸频率，也即监测供气电磁阀DDV01的开启次数，当供气电磁阀DDV01的打开的次数对应时长计算出来的单位平均流量大于设备能力时，通过减少t1，即减少供气电磁阀DDV01打开的时间来控制每次输出的流量，从而控制总输出流量不变；这样，即可维持氧气浓度不变；并且，随着呼吸频率的提高，尽管单位呼吸频次内的供气流量少，但供气总量仍然维持原供气流量，从而可有效的维持血氧饱和度；
另外，通过监测供气电磁阀DDV01的开启次数，当呼吸频率下降时，输出总量下降，即可通过控制器降低空气压缩机的电机运行频率降低其运行负荷，降低功率消耗，从而延长便携式制氧供气装置的使用时间；
另外，通过监测供气电磁阀DDV01的开启次数，当呼吸频率下降时，输出总量下降，还可通过控制器通过打开控制阀门03A/03B，将氧气缓冲罐富余的氧气作为清洗气，以进一步提高设备的产氧纯度，提高系统制氧效率，由此也可以进一步降低运行功率消耗；
按上述，如此循环往复，即可稳定设备运行工况，维持设备产氧浓度，并满足高海拔条件下人员生命保障所需的氧气供给，且可随呼吸频率变化供氧。
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