CN113209503A - 一种分布式安装的可穿戴背心式高原个体用制氧装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于气体分离技术领域，具体为一种分布式安装的可穿戴背心式高原个体用制氧装置。本发明装置包括：压缩模块、氧分离模块、供气模块、电力模块、控制模块、微压传感器、可穿戴背心、氧气鼻吸软管或面罩，以及太阳能充电模块；各个功能模块分别以外挂袋或者缝制形式与可穿戴背心组合；并且各个功能模块分别设置有各种接口，便于与相关模块接插连接；使所有连接管路、电力与控制电缆隐藏在可穿戴背心中，整个可穿戴背心简洁、美观；本装置便于快速拆装、更换、维护保养和日常检修；另外，电力模块独可携带多个，便于更换，以延长续行时间。本发明装置适于高原缺氧环境下个体人员使用，尤其适于高原缺氧环境下战时单兵使用。

Description

一种分布式安装的可穿戴背心式高原个体用制氧装置

技术领域

本发明属于气体分离技术领域，具体涉及一种高原个体用制氧装置。

背景技术

随着海拔高度的不断上升，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，大都采用便携式氧气瓶、液氧罐、便携式制氧机，显然，携带氧气、液氧的方法，受制于携带量；采用直接自空气中制氧的方法，受制于额定所需制氧量条件下所需的能量（电力）。尤其目前的这些面向个体的供氧方法，其产品结构大都采用传统的“集成式”安装方法，将供气设施集成为一个有较为严格外部物理尺寸约束的装置，因为这些外部尺寸“约束”，整体散热通风流道设计、各部件固定约束点、功能分割条件下的安装顺序，维护保养的拆装顺序，这些，使得浓缩器的尺寸、体积、重量以及所需功率、续航综合保障能力的设计挑战巨大，即使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，但本质上因为“集成式”安装，均存在设计、制造上的难度，因此，亟需一种更为有效的可面向高原作战用途的制氧方法与装置的解决方案。

发明内容

鉴于以上情况，本发明的目的在于提供一种分布式安装的可穿戴背心式高原个体用制氧装置。

本发明提供的分布式安装的可穿戴背心式高原个体用制氧装置，包括：压缩模块、分离功能模块、供气模块、电力模块、控制模块、微压传感器、可穿戴背心、氧气鼻吸软管或面罩，以及优选但非必要的太阳能充电模块，其中：

所述压缩模块，用于将空气压缩至适合分离的压力，包括空气压缩机、气体冷却组件、气体过滤组件、散热通风组件，集成安装在一个单元内，以外挂袋或缝制形式与可穿戴背心组合；并预留有可插拔式标准电力接口、控制接口、气源接口，电力接口用于与电力模块以电力线束连接；控制接口用于与控制模块以电力线束连接；其中，电力接口与控制接口可采用多芯电缆合并输送；气源接口用于与分离功能模块的进排气阀组的进气口以气管（软管）相连接；

压缩模块与可穿戴背心组合时，应可确保与外界大气相连通，制氧所需的原料空气与散热通风所需的空气可自外界补给，并且散热通风排除的热空气可排向外界环境；

所述分离功能模块，采用变压吸附方法制取氧气；分离功能模块包括分离模块，进排气阀组；分离模块与进排气阀组两者可集成安装、也可分开安装，以外挂袋或缝制形式与可穿戴背心组合；优选集成安装，以尽可能减少分离模块与进排气阀组之间的连接管路；并且预留有可插拔式气源输入接口、气源输出接口、电力接口和控制接口，气源输入接口用于与压缩模块的出气口以气管（软管）相连接，接收前级压缩模块提供的压缩空气；气源输出接口用于与供气模块以气管（软管）相连接；电力接口用于与电力模块以电力线束连接；控制接口用于与控制模块以电力线束连接；其中，电力接口与控制接口可采用多芯电缆合并输送；

分离功能模块以外挂袋或缝制形式与可穿戴背心组合时，应确保与外界大气相连通，确保将制氧产生的废气排向大气；

所述供气模块，包括储罐或气囊、供气阀组件，储罐或气囊用于接收前级分离功能模块制取的氧气，并予暂存，供气阀用于控制氧气持续或者脉冲形式通过鼻吸软管送给人员呼吸；其中，储罐或气囊与供气阀两者可集成安装，也可分开安装，以外挂袋或缝制形式与可穿戴式背心组合，优选集成安装，以尽可能减少之间的连接管路；并且预留可插拔式气源输入接口、气源输出接口、电力接口、控制接口；气源输入接口用于与分离功能模块的出气口以气管（软管）相连接，接收前级分离功能模块产生的氧气；气源输出接口，用于将储罐或气囊中的氧气通过供气阀以氧气鼻吸软管送给人员呼吸；电力接口用于与电力模块以电力线束连接；控制接口用于与控制模块以电力线束连接；其中，电力接口与控制接口可采用多芯电缆合并输送；

所述电力模块，为装置提供电力储存、充电、供电、电源管理，并接受控制模块的电源管理和控制；电力模块包括电源电芯等储能设备、外壳等，以外挂袋或缝制形式与在穿戴背心组合；并且预留有可插拔式标准电力接口、控制接口，电力接口用于与充电模块、其它用电负载（如压缩模块的压缩机、散热通风鼓风机，进排气阀组的电磁阀，供气模块的供气电磁阀、微压传感器、温度传感器等）以电力线束连接；控制接口用于与控制模块以电力线束连接；其中，电力接口与控制接口可采用多芯电缆合并输送；

所述控制模块，对充电模块、电力模块、压缩模块、分离功能模块、供气模块进行控制与管理，控制动力设备的启停、负荷调节、阀门的开关以及运算等，以外挂袋或缝制形式与可穿戴背心组合，并且预留有可插拔式各种接口，用于与充电模块、电力模块、压缩模块、分离功能模块、供气模块连接；

所述微压传感器，设置于分离模块的富氧气出口处，用于检测富氧气出口压力，并将检测到压力信息传输给控制模块；

所述太阳能充电模块，为装置提供电力，安装在可穿戴背心的背面，并且预留有可插拔式标准电力接口、控制接口，电力接口用于与电力模块以电力线束连接；控制接口用于与控制模块以电力线束连接；电力接口与控制接口可采用多芯电缆合并输送；

所述可穿戴背心的颈脖处预留有标准接口，用于与所述氧气鼻吸软管、供氧面罩连接，向人员提供氧气。

本发明中，所述可穿戴背心，可以是各种背心、马甲等，适合分布式安装各功能模块即可；各个功能模块分别以外挂袋或者缝制形式与可穿戴背心组合，所有连接管路、电力与控制电缆隐藏在其中，使得整个可穿戴背心简洁、美观；并且，各功能模块均预留有安装接口，便于快速拆装、更换、维护保养、日常检修；由于电力模块独立，可携带多个，便于更换，以延长续航时间。

本发明的提供的便于人员个体携带的单兵供氧装置，优选采用脉冲供气方式，尤其优选可以跟随呼吸频率及时供气：本装置的工作流程为：由分离模块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模块打开供气阀，通过供气软管迅速向人体供气；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，通过控制模块关闭供气阀，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。

本发明装置更优选采用可跟随呼吸频率变化而改变供气流量的脉冲式供氧方式：在供气呼吸频率变化时，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同步变化，并通过控制系统作用于压缩机，调整其负荷（如调整其运行频率）即可降低电力消耗，可增强续航时间。

本发明装置，相对于目前市场上的单兵便携式制氧机，由于没有了严格的整体尺寸的物理约束，大幅简化了设计难度，降低了生产制造的安装难度。

采用本发明装置，不排除耦合如分布式安装伴热带，以满足人体保暖的需求，通常，高原环境缺氧的同时往往伴随较低的温度，可采用充电、太阳能等能源提供电力，而将伴热带缝制在可穿戴背心内。

本发明装置适于高原缺氧环境下个体人员使用，尤其适于高原缺氧环境下战时单兵使用。

附图说明

图1为本发明装置各功能模块连接图示。

图2为本发明装置的可穿戴背心穿戴状态图示。

图3为本发明装置各功能模块在可穿戴背心正面安装图示。

图4为本发明装置的可穿戴背心背面安装图示。

图中标号：1为压缩模块，2-1为分离模块，2-2为进排气阀组，3为供气模块，4为电力模块，5为控制模块，6为充电模块，7为氧气鼻吸软管，8为可穿戴式背心。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，进一步说明本发明装置。如附图1，其中：

压缩模块1（含散热通风），为装置提供压缩空气，将背心外部进入的空气压缩至适合分离的压力，包括但不限于包含空气压缩机、气体冷却组件、气体过滤组件、散热通风组件，优选但非必要的集成安装在一个单元内，安装在如图2、3所示的正面、侧面的外挂袋内或缝制在可穿戴式背心8内，但至少预留了可插拔式标准电力接口，与电力模块4可以电力线束连接；并且至少预留了可插拔式标准控制接口，与控制模块5可以电力线束连接；其中，电力接口与控制接口可采用多芯电缆合并输送；并且至少预留了可插拔式气源接口，与分离功能模块的进排气阀组2-2的进气口A连接以气管（软管）相连接；并且压缩模块1以外挂袋或缝制在可穿戴式“战术背心”8内安装时应可确保与外界大气相连通，制氧所需的原料空气与散热通风所需的空气可自外界补给，并且散热通风排除的热空气可排向外界环境。

分离功能模块，包括分离模块2-1，进排气阀组2-2，分离功能模块采用变压吸附方法制取氧气，其中，分离模块2-1与进排气阀组2-2两者可集中安装、也可分开安装在如图2、3所示的正面、侧面的外挂袋内或缝制在可穿戴式背心8内，但优选而非必要的集成安装，以尽可能减少分离模块2-1与进排气阀组2-2之间的连接管路，并且至少预留了可插拔式气源接口，与压缩模块1的出气口以气管（软管）相连接，接收前级压缩模块1提供的压缩空气制取氧气；并且至少预留了可插拔式气源接口B，与供气模块3以气管（软管）相连接；并且至少预留了可插拔式标准电力接口，与电力模块4可以电力线束连接；并且至少预留了可插拔式标准控制接口，与控制模块5可以电力线束连接；其中，电力接口与控制接口可采用多芯电缆合并输送；同时，分离功能模块（含排气阀）以外挂袋或缝制在可穿戴式背心8内安装时应可确保与外界大气相连通，确保将制氧产生的废气自D口排向大气。

供气模块3，含储罐或气囊、供气阀组件，接收前级制取的氧气暂存其中以供气阀持续或者脉冲通过鼻吸软管送给人员呼吸，其中，储罐或气囊与供气阀两者可集中安装、也可分开安装在如图2、3所示的正面、侧面的外挂袋内或缝制在可穿戴式背心8内，其出口布置在背心的上方靠近颈脖处如图2所示，但优选而非必要的集成安装，以尽可能减少之间的连接管路，并且至少预留了可插拔式气源接口，与进排气阀组2-2的出气口B以气管（软管）相连接，接收前级分离功能模块产生的氧气；并且至少预留了可插拔式气源接口，将其中的氧气通过供气阀以氧气鼻吸软管送给人员呼吸；并且至少预留了可插拔式标准电力接口，与电力模块4可以电力线束连接；并且至少预留了可插拔式标准控制接口，与控制模块5可以电力线束连接；其中，电力接口与控制接口可采用多芯电缆合并输送。

电力模块4，为装置提供电力储存、充电、供电、电源管理，并接受控制模块5的管理，含电源电芯等储能设备、外壳等，安装在如图2、3所示的正面、侧面的外挂袋内或缝制在可穿戴式背心8内，并且至少预留了可插拔式标准电力接口，与充电模块6、其它用电负载（如压缩模块的压缩机、散热通风鼓风机，进排气阀的电磁阀，供气模块的供气电磁阀、微压传感器、温度传感器等）可以电力线束连接；并且至少预留了可插拔式标准控制接口，与控制模块5可以电力线束连接；其中，电力接口与控制接口可采用多芯电缆合并输送。

控制模块5，为装置提供控制所需的硬件、软件与接口，包括对充电模块6、电力模块4、压缩模块1、分离功能模块、供气模块3进行控制与管理，可控制动力设备的启停、负荷调节、阀门的开关以及运算等，安装在如图2、3所示的正面、侧面的外挂袋内或缝制在可穿戴式背心8内，并且至少预留了可插拔式标准电力接口，与充电模块6、电力模块4、压缩模块1、分离功能模块、供气模块3等目标相连接。

充电模块6，为装置可穿戴式提供电力，可以直接以市电充装，典型的，采用太阳能电池组件；安装在如图4所示的可穿戴式背心8的背面，并且至少预留了可插拔式标准电力接口，与电力模块4可以电力线束连接；并且至少预留了可插拔式标准控制接口，与控制模块5可以电力线束连接；其中，电力接口与控制接口可采用多芯电缆合并输送。

对外供氧的氧气鼻吸软管7，还有可能采用的供氧面罩（未示出），安装在如图2、3所示的正面、侧面的可穿戴式背心8，在靠近颈脖处的上方预留了标准接口，接上即可向人员供气。

可穿戴式背心8，可以采用各种背心、马甲，只要适合分布式安装各功能分割模块即可，按分割完成的功能模块独立缝制外挂袋或者缝制在其中均可，目的是使所有连接管路、电力与控制电缆隐藏在其中，使得整个装置更加简洁、美观，并且，因为各功能模块均预留了安装接口，便于快速拆装、更换、维护保养，使得日常检修、保养方便，并且，因为电力模块独立，可携带多个便于更换，简单的延长续航时间。

本发明中，采用如公知技术的变压吸附方法制氧，本专业领域的技术人员将了解，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 SwingAdsorption-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。

采用本发明的供气装置，正常运行时，制取的氧气可达到设计纯度，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，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；

采用本发明装置，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，即可通过控制模块5降低压缩模块1的电机运行频率降低其运行负荷，降低功率消耗，从而延长供气装置的使用时间；

采用本发明装置，除外接电源补充之外，正常运行时，可通过太阳能补充电力，延长续航时间；

采用本发明装置，因为没有了严格的物理尺寸约束，安装条件相对宽松，设计、制造难度大幅下降，操作使用维护保养方便；

采用本发明装置，不排除耦合如分布式安装伴热带以满足人体保暖的需求，通常，高原环境缺氧的同时往往伴随较低的温度，可采用充电、太阳能等能源提供电力，而将伴热带缝制在可穿戴式背心8内。

以上所描述的实施方法仅阐述本发明的一些重要特征，本专业的技术人员应该知道，尽管本发明结合附图进行了部分描述，但这仅仅是本发明的一个应用实例或者一种方法，一切不违反本专利阐述的实质的其它变化也属于本发明的范畴，本发明的范围仅仅受所附的权利要求书范围所限制。

以上通过具体实施方式，对本发明的上述内容进一步的做出了一些详细说明，但不应将此理解为本发明上述主题范围仅限于以上实例，凡基于本发明以上的内容所实现的技术均属于发明的范围。

Claims (7)

1.一种分布式安装的可穿戴背心式高原个体用制氧装置，其特征在于，包括：压缩模块、分离功能模块、供气模块、电力模块、控制模块、微压传感器、可穿戴背心、氧气鼻吸软管或面罩，以及太阳能充电模块，其中：

所述压缩模块，用于将空气压缩至适合分离的压力，包括空气压缩机、气体冷却组件、气体过滤组件、散热通风组件，集成安装在一个单元内，以外挂袋或缝制形式与可穿戴背心组合；并预留有可插拔式标准电力接口、控制接口、气源接口，电力接口用于与电力模块以电力线束连接；控制接口用于与控制模块以电力线束连接；气源接口用于与分离功能模块的进排气阀组的进气口以软管相连接；

所述分离功能模块，采用变压吸附方法制取氧气；分离功能模块包括分离模块、进排气阀组；分离模块与进排气阀组两者集成安装或者分开安装，以外挂袋或缝制形式与可穿戴背心组合；并且预留有可插拔式气源输入接口、气源输出接口、电力接口和控制接口，气源输入接口用于与压缩模块的出气口以软管相连接，接收前级压缩模块提供的压缩空气；气源输出接口用于与供气模块以软管相连接；电力接口用于与电力模块以电力线束连接；控制接口用于与控制模块以电力线束连接；

所述供气模块，包括储罐或气囊、供气阀组件，储罐或气囊用于接收前级分离功能模块制取的氧气，并予暂存，供气阀用于控制氧气持续或者脉冲形式通过鼻吸软管送给人员呼吸；其中，储罐或气囊与供气阀两者集成安装或者分开安装，以外挂袋或缝制形式与可穿戴式背心组合；并且预留可插拔式气源输入接口、气源输出接口、电力接口、控制接口；气源输入接口用于与分离功能模块的出气口以软管相连接，接收前级分离功能模块产生的氧气；气源输出接口，用于将储罐或气囊中的氧气通过供气阀以氧气鼻吸软管送给人员呼吸；电力接口用于与电力模块以电力线束连接；控制接口用于与控制模块以电力线束连接；

所述电力模块，为装置提供电力储存、充电、供电、电源管理，并接受控制模块的电源管理和控制；电力模块包括电源电芯储能设备、外壳，以外挂袋或缝制形式与在穿戴背心组合；并且预留有可插拔式标准电力接口、控制接口，电力接口用于与充电模块、其它用电负载以电力线束连接；控制接口用于与控制模块以电力线束连接；

所述控制模块，用于对充电模块、电力模块、压缩模块、分离功能模块、供气模块进行控制与管理，控制动力设备的启停、负荷调节、阀门的开关以及运算，以外挂袋或缝制形式与可穿戴背心组合；并且预留有可插拔式各种接口，用于与充电模块、电力模块、压缩模块、分离功能模块、供气模块连接；

所述微压传感器，设置于分离模块的富氧气出口处，用于检测富氧气出口压力，并将检测到压力信息传输给控制模块；

所述太阳能充电模块，为装置提供电力，安装在可穿戴背心的背面，并且预留有可插拔式标准电力接口、控制接口；电力接口用于与电力模块以电力线束连接；控制接口用于与控制模块以电力线束连接；

所述可穿戴背心的颈脖处预留有标准接口，用于与所述氧气鼻吸软管、供氧面罩连接，向人员提供氧气。

2.根据权利要求1所述分布式安装的可穿戴背心式高原个体用制氧装置，其特征在于，所述压缩模块与可穿戴背心组合时，确保与外界大气相连通，制氧所需的原料空气与散热通风所需的空气可自外界补给，并且散热通风排除的热空气可排向外界环境。

3.根据权利要求1所述分布式安装的可穿戴背心式高原个体用制氧装置，其特征在于，所述分离功能模块以外挂袋或缝制形式与可穿戴背心组合时，确保与外界大气相连通，确保将制氧产生的废气排向大气。

4.根据权利要求1所述分布式安装的可穿戴背心式高原个体用制氧装置，其特征在于，各功能模块中的电力接口与控制接口采用多芯电缆合并输送。

5.根据权利要求1所述分布式安装的可穿戴背心式高原个体用制氧装置，其特征在于，所述可穿戴背心为各种背心或马甲，适合分布式安装各功能模块；所有连接管路、电力与控制电缆隐藏在可穿戴背心中。

6.根据权利要求1所述分布式安装的可穿戴背心式高原个体用制氧装置，其特征在于，装置的工作流程为：由分离模块制取的富氧通过供气软管送至鼻子入口，当人体吸气时，即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感知并通过控制模块打开供气阀，通过供气软管迅速向人体供气；反之，当人体呼气时，安装在富氧出口的微压传感器即感知压力变化，通过控制模块关闭供气阀，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。

7.根据权利要求1所述分布式安装的可穿戴背心式高原个体用制氧装置，其特征在于，采用可跟随呼吸频率变化而改变供气流量的脉冲式供氧方式：在供气呼吸频率变化时，通过控制装置打开供气阀使实际供气量同步变化，并通过控制装置作用于压缩机，调整其负荷，即可降低电力消耗，可增强续航时间。

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