CN1608711A - 适用于变压吸附法制氧机气体流动的控制方法与机械阀装置 - Google Patents

Abstract

本发明是为一种适用于变压吸附法制氧机(pressure swing adsorption oxygenconcentrator)气体流动的控制方法与机械阀装置，该机械阀装置包含有一马达、一减速装置、一凸轮轴、五凸轮以及五个二位二口阀瓣。马达的动力输出经减速装置后，转动凸轮轴于一固定转速下作动，各凸轮分别设于凸轮轴上，各阀瓣分别连接通于制氧机的分子筛室(molecular sieve chamber)及氧气室(Product Chamber)。各凸轮转动时，可依一定顺序分别作动阀瓣开启或关闭。藉由凸轮轴周期性的转动各凸轮，使其分别开、关各阀瓣，达到精准控制压缩空气分别进入各分子筛室的时间、压力、流量大小与压力平衡时间暨废气排放的时间、压力及流量等，以提高制氧机的效率。

Description

适用于变压吸附法制氧机气体流动的控制方法与机械阀装置

技术领域

本发明是关于一种适用于变压吸附法制氧机气体流动的控制方法与机械阀装置，尤指一种藉由该机械阀装置中的凸轮作动的阀瓣，周期性的控制压缩空气进入制氧机的流向、压力平衡时间、压力及流量条件暨废气排放的时间、压力及流量的方法。

背景技术

变压吸附法制氧机〔pressure swing adsorption oxygen concentrator〕已经渐渐被普及运用于医疗设备上，最近几年来更是被广泛的运用于美容、空气调节以及工业焊接等各方面，用以提供高浓度氧气的来源。

现有的制氧机是利用改变压缩空气的压力，使制氧机中的分子筛剂〔Molecularsieve material〕能藉由压力变化完成吸附或解离压缩空气中的氮分子，达到产出高浓度氧空气的目的。一般而言，制氧机皆使用电磁阀来控制压缩空气的流向与压力平衡时间，诸如美国专利第5,114,441号专利案中所示的，使用滑板阀来控制压缩空气的流向与压力平衡时间。然而随着对制氧机的品质要求的提升，高制氧效率与低噪音的需求增加。现有使用滑板阀控制的方式在改变阀位置时，无法精准的控制压缩空气进入制氧机的时间、压力与流量，使制氧效率无法提升，造成压缩空气与分子筛剂的浪费。同时，现有使用电磁阀控制的方式在改变阀位置时，会因改变压缩空气的流向及速度而产生明显的气流噪音。

发明内容

本发明的主要目的在于，提供一种适用于变压吸附法制氧机气体流动的控制方法，以使其能准确的控制压缩空气进入制氧机的流向，压力及流量并且能控制制氧机中的分子筛室的压力平衡；暨废气排放的时间、压力及流量排放，达到提高制氧效率。

本发明的另一目的在于，提供一种适用于变压吸附法制氧机的机械阀装置，使其能节省制氧机的分子筛剂与压缩空气的用量及降低噪音。

为达上述目的，本发明的机械阀装置，其是包含有一马达、一减速装置、一凸轮轴、五凸轮以及五个阀瓣，其中，马达的动力输出经减速装置后转动凸轮轴于一固定转速下转动，各凸轮分别设于凸轮轴上，各阀瓣是为凸轮作动的二位二口阀并分别对应各凸轮配置，使凸轮转动时可依一定顺序分别作动阀瓣开或关。各阀瓣并分别连接通于制氧机的分子筛室与储氧室。藉由凸轮轴周期性的转动各凸轮，使其分别开关各阀瓣，达到精准控制压缩空气分别进入各分子筛室的流向、时间、压力大小与压力平衡时间暨废气排放的时间、压力及流量，以提高制氧机的效率。本发明亦含括采用一个(含)以上的凸轮以控制一个(含)以上的二位二口阀，达到精准控制压缩空气分别进入各分子筛室的流向、时间、压力大小与压力平衡时间，用于变压吸附法制氧机系统者均属之。

本发明的适用于变压吸附法制氧机气体流动的控制方法，其包含有：

(1)提供一机械阀装置，其中，该机械阀装置具有一组以上彼此对应的凸轮及阀瓣与一阀致动装置；

(2)连结各凸轮于阀致动装置；

(3)将该机械阀装设于制氧机，使各阀瓣分别藉由管路可选择地连接通于该制氧机中的分子筛室；

(4)激活阀致动装置以转动各凸轮作动各该对应的阀瓣作动；以及

(5)使用各阀瓣，在各该对应凸轮的作动下，可选择地控制空气进入与排出制氧机的流向、压力以及流量。

藉由凸轮与阀瓣可以精准的控制压缩空气进入各分子筛室的流向、流量与停留于各分子筛室压力平衡时间，可提高制氧机的氧气产生效率。不仅可节省压缩空气与分子筛剂的用量，而且凸轮与阀瓣于运作时，阀瓣的阀位变化为渐进式。因此，压缩空气的流向及速度是渐进式改变产生的气流噪音相对较小。

同时，由于分子筛剂的用量减少，因此构成分子筛室的分子筛筒的体积也可以减少，可以减少制氧机整体的重量，与降低整体的制造成本。

附图说明

图1是本发明的机械阀装置，运用于一变压吸附法氧气制造机的使用状态立体图。

图2是本发明的机械阀装置的操作时序图(Timing Diagram)。

图3是本发明的机械阀装置的凸轮轴，由初始位置转动至90°的气体流路示意图。

图4是本发明的机械阀装置的凸轮轴，由初使位置转动至165°的气体流路示意图。

图5是本发明的机械阀装置的凸轮轴，由初始位置转动至195°的气体流路示意图。

图6是本发明的机械阀装置的凸轮轴，由初始位置转动至270°的气体流路示意图。

图7是本发明的机械阀装置的凸轮轴，由初始位置转动至345°的气体流路示意图。

图8是本发明的机械阀装置的凸轮轴，由初始位置转动至15°的气体流路示意图。

附图中：

10-机械阀装置    101-气体入口

102-排气口       103-压缩机

11-座体          111-驱动装置

112-凸轮轴       113-凸轮

12-外罩          131-第一阀瓣

132-第二阀瓣     133-第三阀瓣

134-第四阀瓣     135-第五阀瓣

136-控制轴       137-节流阀

20-分子筛筒      21-第一分子筛室

22-第二分子筛室  23-储氧室

231-氧气输出管

具体实施方式

请参照图1所示，本发明是为一适用于变压吸附法制氧机的机械阀装置10，其中制氧机除机械阀装置10外，进一步包含有一分子筛筒20，请参照图3所示，分子筛筒20并具有一第一分子筛室21、一第二分子筛室22与一储氧室23。第一分子筛室21与第二分子筛室22分别与储氧室23藉由管路连通，并于管路上串接有节流阀，而且各分子筛室21、22分别具有分子筛剂〔Molecular sievematerial〕。储氧室23则具有一与其相连通的氧气输出管231。储氧室23中的高浓度氧空气，可经由氧气输出管231提供氧气给使用者。

请参照图1与图3所示，机械阀装置10是设于分子筛筒20顶部位置，其包含有一座体11、一阀致动装置、一外罩12、一节流阀137与五个二位二口阀。即第一阀瓣131、第二阀瓣132、第三阀瓣133、第四阀瓣134与第五阀瓣135。座体11是装置于分子筛筒20上，并具有一内部空间、一气体入口101与一排气口102。气体入口101连接于一压缩空气源，如压缩机103阀致动装置设于座体11上，并具有一驱动装置111、一凸轮轴112与五个凸轮113。驱动装置111是设于座体11的一侧并包含有一具有一转轴的马达与一减速装置。马达的转轴串联于减速机，减速机轴连于凸轮轴112，使驱动装置111的马达转动凸轮轴112于一固定转速下旋转。

各凸轮113分别设于凸轮轴112上，且于座体11的内部空间中。请参照图3所示，各凸轮113分别被凸轮轴112带动旋转，且按照图2所示的时序图，依序按压各阀瓣131、132、133、134、135作动开或关。

各阀瓣131、132、133、134、135是设于座体11上，并容置于座体11的容置空间中。当各凸轮113按压与其相对应的控制轴136时，即作动其对应的阀瓣开启。

其中，第一阀瓣131是分别藉由管路连接通于排气口102与第一分子筛室21。第二阀瓣132是分别藉由管路连接通于空气入口101与第一筛室21。第三阀瓣133是分别藉由管路连接通于第一分子筛室21与第二分子筛室22的底部。第四阀瓣134是分别藉由管路连接通于空气入口101与第二分子筛室22。第五阀瓣135是分别藉由管路连接通于排气口102与第二筛室22。而节流阀137则串接于第三阀瓣133与第一分子筛室21间的管路上。该外罩12是设于座体11上，用以盖合座体11的内部空间，并使空气入口101与排气口102贯穿外罩12而出。

请参照图2与图3所示，图3是表示凸轮轴112由一初始位置旋转90°时的瞬间状态。即图2中线3的位置，第二与第五阀瓣132、135上的控制轴136被对应的凸轮113按压。使第二与第五阀瓣132、135开启，压缩空气经空气入口101与第二阀瓣132进入第一分子筛室21加压。经其内部的分子筛剂吸附压缩空气的氮气后，其余含有高浓度氧的气体会进入储氧室23中，此时，第一分子筛室21内的分子筛剂是处于「吸附阶段」。

在此同时，第二分子筛室22由于第五阀瓣135开启而与外界大气接通排气。第二分子筛室22在上一吸附阶段时，被冲入压缩空气，因此其内部压力高于一大气压。排气使第二分子筛室22内的分子筛剂于上一吸附阶段所吸附氮气分子处于游离状态。同时，储氧室23中部分含有高浓度氧的气体会经由管路进入第二分子筛室22。此部分含有高浓度氧的气体会因冲淡氮气分子而混合成为低浓度氧的气体，并经由第五阀瓣135后，由排气口102排出制氧机。此时，第二分子筛室22内的分子筛剂是处于「解附阶段」，被还原成具有吸附氮气、制造氧气的能力。

请参照图2与图4所示，其中，图4是表示凸轮轴112旋转165°时的瞬间状态。即图2中线4的位置，第二与第三阀瓣132133上的控制轴136被对应的凸轮113按压。此时压缩空气继续经由第二阀瓣132进入第一分子筛室21中，并同时产生高浓度氧的气体进入储氧室23。而第三阀瓣133被开启的同时，由于第一分子筛室21内的压力远高于第二分子筛室22的内部压力。第一分子筛室21内底部的高浓度氧气体即经由第三阀瓣133进入第二分子筛室22中加压。此时凸轮轴112已经旋转使第五阀瓣135关闭时，第二分子筛室22中既不流入压缩空气，也不排气。但第一分子筛室21内底部与储氧室23中的高浓度氧气体则会流入第二分子筛室22，以提升第二分子筛室22的压力及氧气浓度，此一阶段称为「平衡阶段」。亦即，在将压缩空气由第一分子筛室21切换入第二分子筛室22之前，先将第一分子筛室21中的高浓度氧及高压力的气体充入低压的第二分子筛室22中加压，使第二分子筛室22得到压力能量与高浓度氧气体，提高整体制氧的效率。请参照图2与图5所示，图5是表示凸轮轴112旋转195°时的瞬间状态。即图2中线5的位置，第三与第四阀瓣133、134上的控制轴136被对应的凸轮113按压。此时，第二阀瓣132刚被关闭，第一分子筛室21中既不流入压缩空气加压，也不排气。但第三与第四阀瓣133、134是处于开启状态，因此，第一分子筛室21的高氧浓度气体会经由第三阀瓣133流入第二分子筛室22，同时压缩空气亦会经由第四阀瓣134流入第二分子筛室22中。另外，储氧室23中的高氧浓度的气体亦会部分地流入第二分子筛室22中。本阶段是属于「平衡阶段」的后半部，第二分子筛室22同时接受上述三者气体来源，使其压力能迅速提高，以提升制氧效率。

请参照图2与图6所示，图6是表示凸轮轴112旋转270°时，即图2中线6的位置。第一与第四阀瓣131、134上的控制轴136被对应的凸轮113按压，使第一阀瓣131与第四阀瓣134处于开启状态。此时，压缩空气持续地经第四阀瓣134进入第二分子筛室22加压，经其内的分子筛剂吸附压缩空气的氮气后，其余含有高氧浓度的气体进入储氧室23。因此，第二分子筛室22内的分子筛剂是处于「吸附阶段」。

在此同时，由于第一阀瓣131的开启，第一分子筛室21能够与大气接通、排气，使第一分子筛室21内的分子筛剂于上一吸附阶段所吸附氮气分子处于游离状态。同时，储氧室23中部分含有高氧浓度的气体会经由管路进入第一分子筛室21；此部分含有高氧浓度的气体会因冲淡氮气分子而成为低氧浓度的气体，并经由第一阀瓣131及排气口102排出制氧机。此时，第一分子筛室21内的分子筛剂是处于「解附阶段」，被还原成具有吸附氮气的能力。

上述图6中，第一分子筛室21与第二分子筛室22提供的功能恰与图3所示的相反。意即，在图3中，第一分子筛室21提供吸附氮气功能，第二分子筛室22提供解附氮气功能。在图6中，第一分子筛室21提供解附氮气功能，第二分子筛室22提供吸附氮气功能。此项交替功能，可使制氧机达到周期性反复产生氧气的目的。

请参照图2与图7所示，图7是表示凸轮轴112旋转345°时的瞬间状态。即图2中线7的位置，第三与第四阀瓣133、134上的控制轴136被对应的凸轮113按压而处于开启状态。图7与图4所述恰为相对应的逆动作，只不过压缩空气的流向相反。换句话说，第一与第二分子筛室21、22间的气体压力升、降情形相反。

请参照图2与图8所示，图8是表示凸轮轴112旋转一圈后又经15°时的瞬间状态。即图2中线8的位置，第二与第三阀瓣132、133上的控制轴136被对应的凸轮113按压而处于开启状态。图8与图5所述恰为相对应的逆动作，只不过压缩空气的流向相反。换句话说，第一与第二分子筛室21、22间的气体压力升、降情形相反。

上述所揭露的本发明的技术手段，是仅用以说明本发明的较佳实施状态，但不代表本发明的实施态样限于上述所揭露的较佳实施例。对熟悉此项技术的人士，依据本发明做如外型或大小上但实质上却与本发明所揭露的技术手段相同的变更，亦不应被排除于本发明所欲请求保护的申请专利范围之外。

Claims (6)

1.一种适用于变压吸附法制氧机气体流动的控制方法，其特征在于，其包含有：

(1)提供一机械阀装置，其中，该机械阀装置具有一组以上彼此对应的凸轮及阀瓣与一阀致动装置；

(2)连结各凸轮于阀致动装置；

(3)将该机械阀装设于制氧机，使各阀瓣分别可选择地连接通于该制氧机中的分子筛室；

(4)激活阀致动装置以转动各凸轮作动各该对应的阀瓣作动；以及

(5)使用各阀瓣，在各该对应的凸轮作动下，可选择地控制空气进入与排出制氧机的流向、压力以及流量。

2.如权利要求第1项所述的适用于变压吸附法制氧机气体流动的控制方法，其特征在于，其中，各该阀瓣是使用二位二口阀。

3.一种适用于变压吸附法制氧机的机械阀装置，其特征在于，其中，该制氧机具有一分子筛筒，该分子筛筒并具有一第一分子筛室、一第二分子筛室与一储氧室，该第一分子筛室与第二分子筛室分别与储氧室藉由管路连通，并且各分子筛室分别具有分子筛剂，而该机械阀装置包含有：

一供装置于分子筛筒上的座体，该座体具有一内部空间、一气体入口与一排气口；

一设于座体的容置空间中，藉由管路连接通于排气口并用以供连通于第一分子筛室的第一阀瓣；

一设于座体的容置空间中，藉由管路连接通于该空气入口并用以供连通该第一分子筛室的第二阀瓣；

一设于座体的容置空间中，用以供分别连通第一分子筛室与第二分子筛室的第三阀瓣；

一设于座体的容置空间中，藉由管路连接通于该空气入口并用以供连通该第二分子筛室的第四阀瓣；

一设于座体的容置空间中，藉由管路连接通于排气口并用以供连通该第二分子筛室的第五阀瓣；以及

一设于座体上供作动各该阀瓣作动的阀致动装置。

4.如权利要求第3项所述的适用于变压吸附法制氧机的机械阀装置，其特征在于，其中，各该阀瓣为凸轮作动的常闭型二位二口阀，并分别具有一控制轴。

5.如权利要求第4项所述的适用于变压吸附法制氧机的机械阀装置，其特征在于，其中，该阀致动装置具有一马达、一减速装置、一凸轮轴与五个凸轮，该马达是设于座体的一侧并具有一转轴串联接于该减速装置，该减速机轴连于该凸轮轴，而各凸轮分别设于凸轮轴上并分别对应于各控制轴。

6.如权利要求第5项所述的适用于变压吸附法制氧机的机械阀装置，其特征在于，其进一步包含有一设于座体上，用以盖合该内部空间的外罩。

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