CN203699902U - 一种高浓度制氧机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高浓度制氧机，通过CPU控制着各个开关和阀门的闭合，制得氧气，由于制氧过程中各个参数会发生变化，或者设备的原因导致误差，制得的氧气的浓度并不是恒定不变的，因此可以通过第一氧传感器和第二氧传感器进行判断，当制得的氧气浓度大于设定的值时，将氧气储存在储氧罐里，否则进入空气过滤器中进行进一步的过滤以获得高浓度的氧气，设备使用更灵活。第三氧传感器用来反馈环境中实时的氧气浓度，方便CPU控制调压阀的闭合，进而维持较佳的氧气浓度。

Description

一种高浓度制氧机

技术领域

本实用新型涉及一种高浓度制氧机。

背景技术

制氧机可用于医疗、化工、高原地区、冶金、造纸、生物科技等等各个领域，其中医疗、化工、冶金、生物科技的一些应用中对氧气的浓度要求比较严格，需要氧气保持高浓度，如果氧气浓度低于一定的值后，会影响化学反应或造成“缺氧”现象。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型提供一种高浓度制氧机，输出的氧气浓度高，进一步的，对环境中的氧气浓度进行监控，使得环境的氧气保持高浓度。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本实用新型通过以下技术方案实现：

一种高浓度制氧机，其特征在于，包括顺次相连的空气过滤器、进气消声器、压缩机、冷凝器、节流阀，在所述冷凝器和节流阀之间设置有第一分气控制阀和第二分气控制阀，所述第一分气控制阀和第二分气控制阀与CPU相连，所述第一分气控制阀与第一气动阀相连，所述第一气动阀与第一分子筛吸附塔相连，所述第二分气控制阀与第二气动阀相连，所述第二气动阀与第二分子筛吸附塔相连，所述第一气动阀和第二气动阀的出口与排气消声器相连；所述第一分子筛吸附塔和第二分子筛吸附塔之间设置有均压阀，所述均压阀与CPU相连，所述第一分子筛吸附塔与第一氧传感器相连，所述第二分子筛吸附塔与第二氧传感器相连，所述第一氧传感器分别与第一开关和第三开关相连，所述第二氧传感器分别与第二开关和第三开关相连，所述第一开关通过第一单向阀与储氧罐相连，所述第二开关通过第二单向阀与储氧罐相连，所述第三开关通过第三单向阀与空气过滤器相连，所述第一开关、第二开关和第三开关均与CPU相连；所述储氧罐的出口依次与调压阀、过滤器、氧气流量计、湿化杯相连，最终经出氧口排出，所述调压阀与CPU相连。优选所述高浓度制氧机还包括测量环境中氧气浓度的第三氧传感器，所述第三氧传感器与CPU相连。

通过CPU控制着各个开关和阀门的闭合，制得氧气，由于制氧过程中各个参数会发生变化，或者设备的原因导致误差，制得的氧气的浓度并不是恒定不变的，因此可以通过第一氧传感器和第二氧传感器进行判断，当制得的氧气浓度大于设定的值时，将氧气储存在储氧罐里，否则进入空气过滤器中进行进一步的过滤以获得高浓度的氧气，设备使用更灵活。第三氧传感器用来反馈环境中实时的氧气浓度，方便CPU控制调压阀的闭合，进而维持较佳的氧气浓度。

本实用新型的有益效果是：输出的氧气浓度高，对于低浓度的氧气则重新过滤一次，保证了输出氧气的浓度稳定。进一步的，对环境中的氧气浓度进行监控，使得环境维持较佳的氧气浓度。使用方便，灵活性更高。

附图说明

图1是本实用新型一种高浓度制氧机的结构示意图；

图2是吸附周期对氧浓度的影响图；

图3是均压时间对氧浓度的影响图；

图4是出口流量对氧浓度的影响图；

图5是吸附周期与均压时间的关联图；

图6是吸附周期与出口流量的关联图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本实用新型技术方案作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本实用新型并能予以实施，但所举实施例不作为对本实用新型的限定。

如图1所示，一种高浓度制氧机，包括顺次相连的空气过滤器、进气消声器、压缩机、冷凝器、节流阀，在所述冷凝器和节流阀之间设置有第一分气控制阀和第二分气控制阀，所述第一分气控制阀和第二分气控制阀与CPU相连，所述第一分气控制阀与第一气动阀相连，所述第一气动阀与第一分子筛吸附塔相连，所述第二分气控制阀与第二气动阀相连，所述第二气动阀与第二分子筛吸附塔相连，所述第一气动阀和第二气动阀的出口与排气消声器相连；所述第一分子筛吸附塔和第二分子筛吸附塔之间设置有均压阀，所述均压阀与CPU相连，所述第一分子筛吸附塔与第一氧传感器相连，所述第二分子筛吸附塔与第二氧传感器相连，所述第一氧传感器分别与第一开关和第三开关相连，所述第二氧传感器分别与第二开关和第三开关相连，所述第一开关通过第一单向阀与储氧罐相连，所述第二开关通过第二单向阀与储氧罐相连，所述第三开关通过第三单向阀与空气过滤器相连，所述第一开关、第二开关和第三开关均与CPU相连；所述储氧罐的出口依次与调压阀、过滤器、氧气流量计、湿化杯相连，最终经出氧口排出，所述调压阀与CPU相连。优选所述高浓度制氧机还包括测量环境中氧气浓度的第三氧传感器，所述第三氧传感器与CPU相连。

其具体工作过程如下：空气首先经过空气过滤器进行过滤，过滤掉空气中的灰尘和固体杂质，进气消声器可以减少噪音，空气依次经过压缩和冷凝，产生的液体通过节流阀被雾化排出，剩下的部分通过CPU的控制进入第一分气控制阀或第二分气控制阀，其中的氮气通过第一气动阀和第二气动阀被排出，同样的，为了减少噪音，在排气口设置有排气消声器，空气中剩余的成分将通过第一气动阀和第二气动阀被输送到第一分子筛吸附塔或第二分子筛吸附塔进行最终的氧气和氮气分离，其中第一分子筛吸附塔或第二分子筛吸附塔由选择性吸附氮气的分子筛构成。第一分子筛吸附塔分离后的氮气被输送到第一气动阀和第二气动阀并最终经排气消声器排出。

第一分子筛吸附塔分离后的氧气经第一氧传感器进行氧气浓度的测量，CPU根据反馈的浓度控制第一开关和第三开关的闭合，即当氧气的浓度值大于设定的值时，CPU控制第一开关打开，第三开关断开；当氧气的浓度值小于设定的值时，则CPU控制第一开关断开，第三开关打开。同样的，第二分子筛吸附塔分离后的氧气经第二氧传感器进行氧气浓度的测量，CPU根据反馈的浓度控制第二开关和第三开关的闭合，即当氧气的浓度值大于设定的值时，CPU控制第二开关打开，第三开关断开，当氧气的浓度值小于设定的值时，则CPU控制第二开关断开，第三开关打开。最终储氧罐存储高浓度的氧气，而低浓度的氧气进入空气过滤器进行下一个循环过滤，进而可以在短时间内获得高浓度的氧气，设备使用更灵活。第三氧传感器用来反馈环境中实时的氧气浓度，方便CPU控制调压阀的闭合，进而维持较佳的氧气浓度。

其中，吸附周期、均压时间、出口氧气压力和系统工作压力均影响着制得的氧气的浓度，因此可以通过CPU控制着各个开关和阀门的闭合，制得两种不同浓度的氧气。其具体影响因素如下：

1）以氧浓度为研究对象，采用实验的方法考察循环制氧过程中吸附周期、均压时间和出口流量对氧浓度的影响。

实验用制氧机的压缩机功率约为280W，单塔分子筛用量为0.6Kg，吸附塔的高径比为5.6，分子筛使用LiX型，试验环境温度25度。使用的氧浓度测试仪要求响应时间小于8秒。吸附周期采用5S、6S、7S、8S、9S、10S、11S、12S、13S这7个参数，均压时间采用0.4S、0.6S、0.7S、0.8S、0.9、1.1S、1.3S、1.5S这8个时间参数，出口氧气流量采用1L/2L/3L/4Lmin这4个流量，具体结果见表1和表2，其中每一种状态测试3次取平均值。

表1、均压时间和出口流量与对应的氧浓度

表2、吸附周期和出口流量与对应的氧浓度

2）单因素实验数据分析

a）吸附周期影响：采用表2中2L/min的数据组，用多项式最小二乘非线性曲线模拟，均压保持不变0.8S。4组数据的模拟曲线与2L/min的极为相似，随着吸附周期增加氧浓度先是增加后又减少，存在一个极值点，具体内容见图2。原因分析：在分子筛制氧的吸附和解吸的循环过程中吸附床层的压力在0～0.2MPs之间变化。在这个压力范围内分子筛对氮气的吸附可以看成是线性关系。当吸附周期较短时，切换压力也较低，分子筛对氮气的吸附量少，所以产氧量也较少。另外吸附周期短，吸附和解吸时间就变短，吸附和解吸不完全，所以氧浓度也较低。当吸附周期增加，切换压力也增加，吸附和解吸时间也增加，吸附和解吸更加充分，所以产氧和氧浓度增加。当氧含量达到最大值之后，再增加吸附周期，分子筛对氮气的吸附达到饱和，氮气就会击穿分子筛使得氧气含量降低。通过实验可以找到最佳的吸附周期。

b）均压时间的影响：采用表1中2L/min的数据组，用多项式最小二乘非线性曲线模拟，吸附周期保持不变8S。4组数据的模拟曲线与2L/min的极为相似，具体内容见图3，随着均压时间增加氧浓度先增加后又慢慢减少，存在一个极值点。原因分析：吸附塔出口处是高含量的氧气，当吸附塔进行切换时由于刚进入吸附状态的另一吸附塔（已经解吸完毕）的出口处氧含量是从零开始增加，这一过程中造成了出氧口的氧浓度有个瞬时减少的现象。均压流程就是在吸附周期结束前让当前处于吸附状态的吸附塔继续吸附，并且使另一只已经解吸完毕的吸附塔也同时进入吸附状态，这样在出氧口的氧浓度就不会有减少的现象。对于均压的方式有二种，一种是单端均压（吸附塔进气端），另一种是两端均压。单端均压一般是在进气端利用吸附和解吸控制电磁阀进行时间和时序的控制，而双端均压就要在出气端增加一只电磁阀。实验证明双端均压的回收率和氧含量都高于单端均压流程。双端均压可以利用出气端均压电磁阀延长均压时间（接通时间），在均压完成后其中一部分产品氧进入已经开始解吸的吸附塔内，加强对吸附床反吹洗从而提升了塔内的解吸程度。均压时间有一定值，超过了定值之后氧含量不再提高，因为未被解吸的吸附塔的氮气吸附容量随着均压时间延长会进入饱和，另外反吹清洗要用掉一部分产品氧，所以均压时间太长反而会降低氧含量。

c）出口流量的影响：采用表2中吸附周期8S的数据组，均压保持不变0.8S。模拟出口流量对氧浓度的关系曲线，如图4所示。从图4中可以看到氧浓度会随着出口流量的减少而提高，但是到达一定值后又会随着流量减少而降低。原因分析：因为吸附塔内的压力是由进气流量与出气流量形成的压力差所造成，在减少出气流量动情况就相当于增加了吸附塔内地的压力，如果吸附周期和均压时间不变的情况随着出口流量的降低氧含量会增加，但是进一步降低出口流量到一定值，从上图中可以看到当低于1.5L/min时，由于吸附塔内高浓度的氧气不能及时流出吸附塔，导致新进入吸附塔的空气不能充分吸附，多余的氮气造成了氧含量的降低。

3)多因素的关联影响分析

我们研究发现影响氧含量因素不是单一的，它是多个因素的共同作用的结果。我们研究工作的主要是如何在多因素作用下找到最佳平衡点。

a）吸附周期与均压时间的关联影响：我们仍然是使用表1和表2上的实验数据来做一组吸附周期与均压时间对氧含量的关系曲线图，如图5所示。从图5中可以看到曲线图中均压时间影响氧含量的最高点是不随吸附周期变化。在均压时间0～0.6S时间段内，最佳吸附周期的上升斜率最平坦吸附周期5S和11S的上升斜率远远大于8S的斜率，也就是说吸附周期与最佳均压时间差值越大对氧含量变化就越敏感，选择最佳均压时间和吸附周期可以使氧含量变化影响最小。

b）吸附周期与出口流量的关联影响，如图6所示：曲线分析：吸附周期8S，在出口流量小于1.5L/min时,随着压力增加氧含量也有增加，接近2L/min的出口流量后氧含量变化开始变得平缓，因为这个时候吸附周期与吸附塔内压力相匹配，在吸附时间内氮气被充分吸附，所以改变出口流量不会明显影响氧含量。吸附周期5S，由于空气在吸附塔内停留时间短，此时出口流量减少就增加了塔内压力，所以氧含量会随之增加，而当出口流量达到2L/min之后由于此时吸附时间短，塔内压力随着出口流量增加而降低，氮气被吸附的容量减少，因此氧含量也就随着出口流量增加而降低。对于吸附周期11S，由于切换时间过长，在出口流量达到2L/min之后，因为氮气吸附容量已饱和，多余的氮气因为不能被吸附而进入产品氧气中，所以氧含量也会降低。

c）均压时间与出口流量的关联影响从表1中可以看出，选择最佳均压时间，出口流量几乎对氧含量没有影响。没有增加均压时间，出口流量比较小的时候氧含量较高，随着出口流量增加，在切换到已解吸再生的吸附塔时，新塔在短时间内氧含量较低，所有出口流量越大进入储氧罐的低氧含量氧气就越多。

4)确定理想的吸附周期和均压时间

通过实验数据和理论分析，搞清楚了吸附周期和均压时间与氧浓度的关系，为我们确定理想的吸附周期和均压时间提供了可靠的依据。

随着吸附周期增加，产氧浓度先增加后降低，有一个极值点；

有均压与无均压对产氧浓度影响较大，随着均压时间增加氧含量先增加然后缓慢降低，存在一个极值点。而且最佳点不随吸附周期的变化而移动；

吸附周期、均压时间和出口流量的变化对氧含量均有影响，而且吸附周期越大，对氧含量变化越敏感；

通过数据分析影响氧浓度的因素分别是：吸附周期＞均压时间＞出口流量。优选3L/min制氧机的吸附周期为吸合时间7.8s、释放时间为6.2s、吸附压力1.8kPa。或者5L/min制氧机的吸附周期为吸合时间9.6s、释放时间为7.5s、吸附压力2.2kPa。

通过在整机上所做的实验证明：3L/min制氧机在输出氧气流量3.6L时，氧浓度为94%，而5L/min制氧机在输出氧气流量5.5L时，氧浓度为93%。因此可以将设定的值控制在90%左右，可以满足一般的使用需求。最终氧气依次经过过滤器、氧气流量计、湿化杯、出氧口被输送到需要的环境中。

通过CPU控制着各个开关和阀门的闭合，制得氧气，由于制氧过程中各个参数会发生变化，或者设备的原因导致误差，制得的氧气的浓度并不是恒定不变的，因此可以通过第一氧传感器和第二氧传感器进行判断，当制得的氧气浓度大于设定的值时，将氧气储存在储氧罐里，否则进入空气过滤器中进行进一步的过滤以获得高浓度的氧气，设备使用更灵活。第三氧传感器用来反馈环境中实时的氧气浓度，方便CPU控制调压阀的闭合，进而维持较佳的氧气浓度。

以上仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或者等效流程变换，或者直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (2)

1.一种高浓度制氧机，其特征在于，包括顺次相连的空气过滤器、进气消声器、压缩机、冷凝器、节流阀，在所述冷凝器和节流阀之间设置有第一分气控制阀和第二分气控制阀，所述第一分气控制阀和第二分气控制阀与CPU相连，所述第一分气控制阀与第一气动阀相连，所述第一气动阀与第一分子筛吸附塔相连，所述第二分气控制阀与第二气动阀相连，所述第二气动阀与第二分子筛吸附塔相连，所述第一气动阀和第二气动阀的出口与排气消声器相连；所述第一分子筛吸附塔和第二分子筛吸附塔之间设置有均压阀，所述均压阀与CPU相连，所述第一分子筛吸附塔与第一氧传感器相连，所述第二分子筛吸附塔与第二氧传感器相连，所述第一氧传感器分别与第一开关和第三开关相连， 所述第二氧传感器分别与第二开关和第三开关相连，所述第一开关通过第一单向阀与储氧罐相连，所述第二开关通过第二单向阀与储氧罐相连，所述第三开关通过第三单向阀与空气过滤器相连，所述第一开关、第二开关和第三开关均与CPU相连；所述储氧罐的出口依次与调压阀、过滤器、氧气流量计、湿化杯相连，最终经出氧口排出，所述调压阀与CPU相连。

2.根据权利要求1所述的一种高浓度制氧机，其特征在于，还包括测量环境中氧气浓度的第三氧传感器，所述第三氧传感器与CPU相连。