CN112891102A - 一种针对人员动态坐姿呼吸区域的靶向供氧装置 - Google Patents

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周磊
朱文乐
张志恒
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Abstract

一种针对人员动态坐姿呼吸区域的靶向供氧装置，包括主体，主体为内部中空的腔体结构，主体上设有与其内腔连通的进氧口，主体进氧口的相对面为出氧口支板，出氧口支板包括相互拼接的第一安装板和第二安装板；出氧口支板向外设有至少4个与其内腔连通的出氧口，各出氧口呈矩阵排布，且矩阵以第一安装板和第二安装板的拼接线为对称轴左右对称。通过对部件结构的合理设置，基于捕捉坐姿状态下的人体呼吸区域，在确定供氧目标区域的基础上，实现对呼吸区域的全覆盖送氧，提高了供氧的可及性，多出氧口耦合的方式，使呼吸区域的氧浓度分布更加均匀，耗氧量节约了65％，同时非直接接触的供氧方式也可以减少由于佩戴供氧装置对人员身体及心理反应上的影响。

Description

一种针对人员动态坐姿呼吸区域的靶向供氧装置
技术领域
本发明涉及属于供氧领域，涉及供氧装置，具体涉及一种针对人员动态坐姿呼吸区域的靶向供氧装置。
背景技术
在空调运行的房间往往需要保持门窗的密闭以保证空调运行的效果；室内人员的呼吸作用消耗氧气释放二氧化碳；在高海拔地区，氧分压随海拔高度升高而降低，这些因素都会导致空气中的含氧量下降。长期处于缺氧状态会导致人体产生不适，出现嗜睡、反应迟钝、工作效率下降等问题，影响人的身心健康，特别是在办公室等场所，人员较为密集，工作时需要足够氧气保证工作效率。氧气制备主要消耗电能，如果以氧气制备到作用于人体这一过程考虑，要想提升系统的能效，考虑供给侧是一个相对困难的选择，因为供给侧的能耗改善仅为3.8％～36％。因此，需要从需求侧对这个问题进行考虑。
现有的供氧方式主要有两种，分布式供氧和弥散式供氧。分布式供氧需要搭配特定装置使用，如鼻导管，呼吸面罩等，这种方式供氧效果好，氧气使用量相对较低，但是使用过程中会限制人员活动并使面部产生异物感；弥散式供氧是通过末端装置直接将高浓度氧气送入室内以提高室内含氧量，这种供氧方式对房间密闭性及通风有要求，存在运行费用高昂，氧气消耗量大，供氧效果不佳等问题。因此，需要寻找一种兼顾送氧效果与节能的送氧方式。总之，如何在满足人员氧气需求的基础上减少耗氧量，同时避免人员由于佩戴供氧装置而感到不舒适和焦虑，减轻供氧系统对人员身体及心理反应上的影响，有待进一步研究。
发明内容
针对现有技术中的缺陷和不足，本发明的目的是提供一种针对人员动态坐姿呼吸区域的靶向供氧装置，通过对部件结构的合理设置，基于捕捉坐姿状态下的人体呼吸区域，在确定供氧目标区域的基础上，实现对呼吸区域的全覆盖送氧，提高了供氧的可及性，多出氧口耦合的方式，使呼吸区域的氧浓度分布更加均匀，耗氧量节约了65％，同时非直接接触的供氧方式也可以减少由于佩戴供氧装置对人员身体及心理反应上的影响。
为达到上述目的，本发明采取的技术方案包括：
一种针对人员动态坐姿呼吸区域的靶向供氧装置，包括主体，主体为内部中空的腔体结构，主体上设有与其内腔连通的进氧口，主体进氧口的相对面为出氧口支板，出氧口支板包括相互拼接的第一安装板和第二安装板；出氧口支板向外设有至少4个与其内腔连通的出氧口，各出氧口呈矩阵排布，且矩阵以第一安装板和第二安装板的拼接线为对称轴左右对称。
优选的，出氧口支板为向外的凸面或平面，第一安装板和第二安装板间的夹角α∈(175°,180°]。
优选的，第一安装板和第二安装板间的夹角α为180°。
优选的，出氧口支板上设有8个出氧口，出氧口均为两端开口的空心圆柱状结构，8个出氧口呈两行四列矩阵布置，aij代表第i行第j列的出氧口，i≤2、j≤2且为自然数；以出氧口和第一安装板接触处形成圆的中心点为坐轴系原点，建立xyz三维坐标系，其中xy为水平二维坐标系，x为列，y为行，z为高；
a11的中心轴线与x轴夹角为92°，与y轴夹角为92°；
a12的中心轴线与x轴夹角为76°，与y轴夹角为90°；
a21的中心轴线与x轴夹角为92°，与y轴夹角为90°；
a22的中心轴线与x轴夹角为78°，与y轴夹角为90°；
各出氧口2的长度均为18-22mm，各出氧口2直径均为10mm；
a11与a12、a21与a22、a11与a21、a12与a22的距离均为20mm，各出氧口间的距离为出氧口和第一安装板接触面形成圆的圆心之间的距离，a11和a21分别与对称轴间的距离均为10mm，出氧口与对称轴间的距离为出氧口和第一安装板接触面形成圆的圆心到对称轴间的垂直距离。
优选的，各出氧口的长度均为20mm。
优选的，各出氧口的供氧浓度均为40-50％vol，各出氧口的送氧速度均为0.5-2m/s。
优选的，各出氧口的供氧浓度均为45％vol。
优选的，各出氧口的送氧速度均为0.5m/s。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明的针对人员动态坐姿呼吸区域的靶向供氧装置，通过对部件结构的合理设置，基于捕捉人员坐姿状态下的呼吸区域，在确定供氧目标区域的基础上，实现对呼吸区域的全覆盖送氧，提高了供氧的可及性，多出氧口耦合的方式，使呼吸区域的氧浓度分布更加均匀。
(2)本发明的针对人员动态坐姿呼吸区域的靶向供氧装置，通过对部件结构的合理设置，由进氧口向主体内腔输入氧气，再通过对面的出氧口送出，整体使得各出氧口的供氧浓度和送氧速度均衡。
(3)本发明的针对人员动态坐姿呼吸区域的靶向供氧装置，通过对部件结构的合理设置，本装置对比其他富氧气流组织，在实现对呼吸区域的全覆盖送氧情况下，供氧装置的耗氧量节约了65％，同时非直接接触的供氧方式也可以减少由于佩戴供氧装置对人员身体及心理反应上的影响。
(4)本发明的针对人员动态坐姿呼吸区域的靶向供氧装置，通过对部件结构的合理设置，在供氧区域提供均匀的流场，各出氧口的送氧速度均为0.5-2m/s，能有效避免吹风感。
附图说明
图1为本发明供氧装置的三维图。
图2为图1的后视三维图
图3(a)为图1中出氧口侧视图，(b)为出氧口角度示意图。
图4为图1中出氧口主视图。
图5为纹影实验验证结果图。
图6为全尺寸试验人体18个测点布置示意图及全尺寸实验验证结果。
图7为图1供氧装置与其他富氧气流组织氧浓度云图的比较。
图8为不同富氧气流组织耗氧量比较。
图中各标号表示为：
1主体；1-0进氧口；1-1第一安装板；1-2第二安装板；2出氧口；3对称轴。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，是对本发明的解释而不是限定。
一种针对人员动态坐姿呼吸区域的靶向供氧装置，包括主体1，主体1为内部中空的腔体结构，主体1上设有与其内腔连通的进氧口1-0，主体1进氧口1-0的相对面为出氧口支板，出氧口支板包括相互拼接的第一安装板1-1和第二安装板1-2；
出氧口支板向外设有至少4个与其内腔连通的出氧口2，各出氧口2呈矩阵排布，且矩阵以第一安装板1-1和第二安装板1-2的拼接线为对称轴3左右对称；
其作用为：主体1用于承载本发明的供氧装置，进氧口1-0与主体1内腔连通用于输入氧气、并通过对面的出氧口2送出，整体使得每个出氧口2的供氧浓度和送氧速度均衡；第一安装板1-1和第二安装板1-2的拼接线为对称轴3左右对称，整体基于捕捉人员坐姿状态下的呼吸区域，在确定供氧目标区域的基础上，实现对呼吸区域的全覆盖送氧，提高了供氧的可及性，多出氧口耦合的方式，使呼吸区域的氧浓度分布更加均匀；同时对比其他富氧气流组织，在实现对呼吸区域的全覆盖送氧情况下，供氧装置的耗氧量节约了65％，同时非直接接触的供氧方式也可以减少由于佩戴供氧装置对人员身体及心理反应上的影响。
具体的，出氧口支板为向外的凸面或平面，第一安装板1-1和第二安装板1-2间的夹角α∈175°,180°]。
优选的，第一安装板1-1和第二安装板1-2间的夹角α为180°。
具体的，出氧口支板上设有8个出氧口2，出氧口2均为两端开口的空心圆柱状结构，8个出氧口2呈两行四列矩阵布置，aij代表第i行第j列的出氧口2，i≤2、j≤2且为自然数；
以出氧口2和第一安装板1-1接触处形成圆的中心点为坐轴系原点，建立xyz三维坐标系，其中xy为水平二维坐标系，x为列，y为行，z为高；a11的中心轴线与x轴夹角为92°，与y轴夹角为92°；a12的中心轴线与x轴夹角为76°，与y轴夹角为90°；a21的中心轴线与x轴夹角为92°，与y轴夹角为90°；a22的中心轴线与x轴夹角为78°，与y轴夹角为90°；
各出氧口2的长度均为18-22mm，各出氧口2直径均为10mm；
a11与a12、a21与a22、a11与a21、a12与a22的距离均为20mm，各出氧口2间的距离为出氧口2和第一安装板1-1接触面形成圆的圆心之间的距离，a11和a21分别与对称轴3间的距离均为10mm，出氧口2与对称轴3间的距离为出氧口2和第一安装板1-1接触面形成圆的圆心到对称轴3间的垂直距离。
具体的，各出氧口2的长度均为20mm。
具体的，各出氧口2的供氧浓度均为40-50％vol，各出氧口2的送氧速度均为0.5-2m/s；
其作用为：实现在供氧区域提供均匀的流场，各出氧口2的送氧速度均为0.5-2m/s，能有效避免吹风感。
优选的，各出氧口2的供氧浓度均为45％vol。
优选的，各出氧口2的送氧速度均为0.5m/s。
实施例1
相比与传统供氧方式，都是通过供氧来实现整个房间内的富氧环境，但氧气及电能消耗量巨大。如果既要保证送氧的有效性，又要实现低能耗供氧，只需要在坐姿状态等特定工作生活环境下时的口鼻区域进行供氧即可。本实施例提出一种动态坐姿呼吸区域供氧装置，包括主体1，主体1为内部中空的腔体结构，主体1上设有与其内腔连通的进氧口1-0，主体1进氧口1-0的相对面为出氧口支板，出氧口支板包括相互拼接的第一安装板1-1和第二安装板1-2，出氧口支板向外设有8个与其内腔连通的出氧口2，各出氧口2呈矩阵排布，且矩阵以第一安装板1-1和第二安装板1-2的拼接线为对称轴3左右对称，第一安装板1-1和第二安装板1-2间的夹角α为180°，出氧口2的结构以及各出氧口2之间的位置关系如图1-4所示。
坐标轴的定义如下：以任一出氧口2(如出氧口a11)和第一安装板1-1接触处形成圆的中心点为坐轴系原点，建立xyz三维坐标系；其中，xy为水平二维坐标系，z为高度，z即为出氧口2高度，是出氧口2凸出主体的长度，出氧口2直径为出氧口2与主体1接触面的直径，各出氧口2间的距离是指出氧口2和主体1接触处形成圆的中心点之间的距离。
多射流耦合，就是不同的射流汇合在一块，一旦发生汇合，就会变成复杂的湍流。目前理论研究还停留在两股射流，本发明是多股射流耦合，形成很复杂的湍流，风口角度是一个很重要的参数，与流场的形状直接相关，小风口之间的距离较近，射流会很快发生叠加，互相干扰形成复杂的湍流运动。主体1的倾斜角度、出氧口2的角度都与氧浓度分布直接相关，出氧口射流会很快发生互相叠加干扰形成复杂的湍流运动。
本实施例中，对称轴右侧的4个出氧口，a11(对应图中出氧口a)的中心轴线与x轴夹角为92°，与y轴夹角为92°；a12(对应图中出氧口b)的中心轴线与x轴夹角为76°，与y轴夹角为90°；a21(对应图中出氧口c)的中心轴线与x轴夹角为92°，与y轴夹角为90°；a22(对应图中出氧口d)的中心轴线与x轴夹角为78°，与y轴夹角为90°；对称轴左侧的4个出氧口，与右侧对称，此处不再赘述。
各出氧口2的高度均为20mm，各出氧口2的直径均为10mm。
同时，以环境氧浓度为24％vol，即等效氧浓度升高3％vol为例，本实施例给出了装置供氧浓度为40-50％vol，优选45％vol；为了使人获得最佳的舒适感，避免产生吹风感，装置各出氧口2送氧速度为0.5-2m/s，优选0.5m/s。
实施例2
本实施例是对实施例1的效果验证，具体是对本发明的供氧装置进行全尺寸试验。
对供氧装置进行全尺寸实验，实验系统分为送风部分和供氧部分，送风部分由离心风机、软连接、调速器组成，供氧部分由医用氧气瓶、调压阀、压力表、气体流量表和连接管组成。为了保证出出氧口富氧气流均匀，氧气空气在送入出氧口前先在静压箱内均匀混合，富氧气流通过橡胶软管通入本发明装置的进氧口1-0，并由各出氧口2排出。风机的风量由调速器控制，氧气流量通过气体流量表读取，改变阀门开度来进行控制。
在距送氧口0.6m处的呼吸区断面，根据动态捕捉得到的呼吸区域，选择具有代表性的18个测点，如图5。本实验采用Swema03风速仪测试风速、GT903-Q泵吸式氧气检测仪测试氧浓度。Swema03风速仪的测量范围为0.05-3.0m/s，测量精度为±3％，分辨率为0.01m/s。GT903-Q泵吸式氧气检测仪的测量范围为0-100％vol，分辨率为0.1％vol，最大允许误差为±5％volF.S.，工作温度为-30～50℃。测量时，每个测点都记录在氧浓度稳定后5分钟的测量数据，然后求测点的平均值作为测点的测量值，同时计算标准误差。测量时，将氧气检测仪固定在距离地面1.26m的支架上，每次改变测点时使用测量校对板和水平仪进行校准，实验过程中通过风机调速器和调节阀门开度来达到指定工况，待工况稳定后，用氧气检测仪进行测量并记录。
测量点的标准误差如下：
Figure BDA0002900400960000091
式中σ为标准误差；N为各测试点；xi是第i个测试点的测试氧浓度，％vol；
Figure BDA0002900400960000092
是测试氧浓度平均值，％vol。
表1各个测量点实验验证数据
Figure BDA0002900400960000093
Figure BDA0002900400960000101
结果表明，呼吸区域内外各测点的实验值和模拟值吻合较好，呼吸区内氧浓度相较呼吸区外有明显的提升，提升2.5％以上，平均浓度达到23.5％，实验值与模拟值标准偏差小于12％，证明了本发明的供氧装置在实验环境氧浓度下供氧的效果高效良好。
实施例3
本实施例采用纹影成像系统对人体呼吸气流及热羽流对动态坐姿供氧的影响进行测试，该实验系统由摄像机、光源、真人与凹面镜组成，凹面透镜的直径为406mm，如图6所示，在呼出、屏息以及吸气状态下，富氧气流仍可以较好地覆盖坐姿状态下人体的呼吸区域，呼吸气流及热羽流对供氧系统的供氧效果影响较小。
对比例
将本装置与其他富氧气流组织从流场均匀度、流场有效性以及耗氧量进行对比，在进行数值模拟时，各气流组织的风量均取自相应文献。计算完成后，分别获取呼吸区域处的氧浓度云图。
其中，其他富氧气流组织包括第一富氧气流组织、第二富氧气流组织和第三富氧气流组织，第一富氧气流组织的文献为Li R,Sekhar S C,Melikov A K.Thermal comfortand IAQ assessment of under-floor air distribution system integrated withpersonalized ventilation in hot and humid climate[J].Building&Environment,2010,45(9):1906-1913；第二富氧气流组织的文献为Sun W,Tham K W,Zhou W,etal.Thermal performance of a personalized ventilation air terminal device attwo different turbulence intensities[J].Building&Environment,2007,42(12):3974-3983；第三富氧气流组织的文献为Kaczmarczyk J,Melikov A,Fanger P O.Humanresponse to personalized ventilation and mixing ventilation[J].Indoor Air,2004,14(s8):17-29。
如图7所述，图7(a)、图7(b)、图7(c)和图7(d)分别对应第一富氧气流组织、第二富氧气流组织、第三富氧气流组织和本发明供氧装置的氧浓度云图。从图7中可以看出，(a)(b)(c)不能将呼吸区域完全覆盖，流场不均匀；与上述富氧气流组织对比，本研究所提出的新型超低能耗非接触供氧装置，能够实现对动态呼吸区域的覆盖，区域内氧浓度分布更加均匀。
对不同气流组织在相同工况下的耗氧量进行了比较，计算公式如下：
Q＝v.A.(Cs-Co)
式中：v是出氧口出氧速度，m/s；A是出氧口面积，m2；Cs表示出氧口供氧浓度值，％vol，Co表示室内环境的氧气浓度值，％vol。
最后计算各富氧气流组织的耗氧量，从图8中可以看到，本研究在保证供氧覆盖效果的情况下，该系统的耗氧量显著降低，节约65％以上。

Claims (8)

1.一种针对人员动态坐姿呼吸区域的靶向供氧装置，其特征在于，包括主体(1)，所述主体(1)为内部中空的腔体结构，主体(1)上设有与其内腔连通的进氧口(1-0)，主体(1)进氧口(1-0)的相对面为出氧口支板，所述出氧口支板包括相互拼接的第一安装板(1-1)和第二安装板(1-2)；
出氧口支板向外设有至少4个与其内腔连通的出氧口(2)，所述各出氧口(2)呈矩阵排布，且矩阵以第一安装板(1-1)和第二安装板(1-2)的拼接线为对称轴(3)左右对称。
2.如权利要求1所述的针对人员动态坐姿呼吸区域的靶向供氧装置，其特征在于，所述出氧口支板为向外的凸面或平面，第一安装板(1-1)和第二安装板(1-2)间的夹角α∈(175°,180°]。
3.如权利要求2所述的针对人员动态坐姿呼吸区域的靶向供氧装置，其特征在于，所述第一安装板(1-1)和第二安装板(1-2)间的夹角α为180°。
4.如权利要求2所述的针对人员动态坐姿呼吸区域的靶向供氧装置，其特征在于，出氧口支板上设有8个出氧口(2)，所述出氧口(2)均为两端开口的空心圆柱状结构，8个出氧口(2)呈两行四列矩阵布置，aij代表第i行第j列的出氧口(2)，i≤2、j≤2且为自然数；
以任一出氧口(2)和第一安装板(1-1)接触处形成圆的中心点为坐轴系原点，建立xyz三维坐标系，其中xy为水平二维坐标系，x为列，y为行，z为高；a11的中心轴线与x轴夹角为92°，与y轴夹角为92°；a12的中心轴线与x轴夹角为76°，与y轴夹角为90°；a21的中心轴线与x轴夹角为92°，与y轴夹角为90°；a22的中心轴线与x轴夹角为78°，与y轴夹角为90°；
各出氧口2的长度均为18-22mm，各出氧口2直径均为10mm；
a11与a12、a21与a22、a11与a21、a12与a22的距离均为20mm，所述各出氧口(2)间的距离为出氧口(2)和第一安装板(1-1)接触面形成圆的圆心之间的距离，a11和a21分别与对称轴(3)间的距离均为10mm，所述出氧口(2)与对称轴(3)间的距离为出氧口(2)和第一安装板(1-1)接触面形成圆的圆心到对称轴(3)间的垂直距离。
5.如权利要求4所述的针对人员动态坐姿呼吸区域的靶向供氧装置，其特征在于，各出氧口(2)的长度均为20mm。
6.如权利要求4或5任一所述的针对人员动态坐姿呼吸区域的靶向供氧装置，其特征在于，各出氧口(2)的供氧浓度均为40-50％vol，各出氧口(2)的送氧速度均为0.5-2m/s。
7.如权利要求6所述的针对人员动态坐姿呼吸区域的靶向供氧装置，其特征在于，各出氧口(2)的供氧浓度均为45％vol。
8.如权利要求6所述的针对人员动态坐姿呼吸区域的靶向供氧装置，其特征在于，各出氧口(2)的送氧速度均为0.5m/s。
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