CN213202367U - 自适应海拔的便携式制氧机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种自适应海拔的便携式制氧机，包括进气管和出氧管，进气管和出氧管之间按气体流向依次设置有进气过滤器、压缩机、冷却器、气路分配阀、至少两组吸附塔、氧气缓冲罐、氧气浓度流量传感器、除菌过滤器以及流量调节阀，还包括控制器，其特征在于，压缩机与冷却器之间设置有用于监测压缩机产出流量的流量传感器，压缩机、流量传感器、气路分配阀、压力传感器和氧气浓度流量传感器分别与控制器连接。本实用新型结构简单，可从根本上解决因海拔高度的提升导致的压缩机流量不足问题以及因海拔高度的降低导致的压缩机流量过大造成制氧单元进气击穿的问题，实现制氧机对海拔的自适应。

Description

自适应海拔的便携式制氧机

技术领域

本实用新型涉及家用制氧机技术领域，特别涉及一种自适应海拔的便携式制氧机。

背景技术

目前便携式制氧机在高海拔地区使用越来越广泛，但随着海拔高度的上升，变压吸附(Pressure Swing Absorption，PSA)制氧设备产氧量或产氧浓度等指标将会下降，海拔高度3000米以上下降更为明显，究其原因是由于海拔高度的提升，大气压力降低，空气变得稀薄，减少了压缩机的排气量，因此氧气产量或氧气浓度便会随着海拔高度的升高而逐渐降低。为了适应高原环境，现有的方式是采用流量更大的压缩机，但这样的方式不仅会增加成本，而且会增加能耗，同时，由于在平原使用时压缩机流量过大，很容易造成吸附单元的进气击穿现象，导致氧浓度急速下降。

实用新型内容

针对背景技术所面临的问题，本实用新型的目的在于提供一种低成本且节能的自适应海拔的便携式制氧机。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种自适应海拔的便携式制氧机，包括进气管和出氧管，进气管和出氧管之间按气体流向依次设置有进气过滤器、压缩机、冷却器、气路分配阀、至少两组吸附塔、氧气缓冲罐、氧气浓度流量传感器、除菌过滤器以及流量调节阀，还包括控制器，其特征在于，压缩机与冷却器之间设置有用于监测压缩机产出流量的流量传感器，压缩机、流量传感器、气路分配阀、压力传感器和氧气浓度流量传感器分别与控制器连接。

作为上述实施例的进一步改进，氧气缓冲罐上安装有用于监测氧气缓冲罐内产氧压力的压力传感器，压力传感器与控制器连接。

作为上述实施例的进一步改进，便携式制氧机内按照有用于监测机器内部环境温度的温度检测元件、用于冷却的冷却装置以及用于升温的升温装置，温度检测元件、冷却装置和升温装置分别与控制器连接。

优选地，温度检测元件包括热敏电阻；冷却装置为冷却风扇；升温装置为电伴热带。

作为上述实施例的进一步改进，还包括与气路分配阀连接的排气管以及设置于排气管上的排氮消声器。

作为上述实施例的进一步改进，吸附塔的出口与氧气缓冲罐的进口之间的管路上设置有清洗节流阀、单向阀。

作为上述实施例的进一步改进，气路分配阀、吸附塔以及氧气缓冲罐集成为一个模块。

作为上述实施例的进一步改进，压缩机为直流无刷电机驱动的压缩机。

作为上述实施例的进一步改进，制氧机还设置有与控制器连接的显示器。

作为上述实施例的进一步改进，制氧机还包括与控制器连接的电池模块；还包括与控制器连接的适配器。

与现有技术相比，本发明连接器具有以下有益效果：

本实用新型的自适应海拔的便携式制氧机通过在压缩机之后设置流量传感器来监测压缩机的产出流量，通过对压缩机的产出流量进行实时监测，并通过控制器控制压缩机电机转速，结构相对简单，可从根本上解决因海拔高度的提升导致的压缩机流量不足问题以及因海拔高度的降低导致的压缩机流量过大造成制氧单元进气击穿的问题，实现制氧机对海拔的自适应，进而保证制氧机浓度和产氧流量的稳定。

附图说明

通过附图中所示的本实用新型优选实施例更具体说明，本实用新型上述及其它目的、特征和优势将变得更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分，且并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本实用新型的主旨。

图1为本实用新型自适应海拔的便携式制氧机的系统结构原理图；

图2为本实用新型自适应海拔的便携式制氧机的结构框图；

图3为气路分配阀、吸附塔以及氧气缓冲罐集成为一个模块的示意图。

附图标记说明：1、进气过滤器；2、压缩机；3、流量传感器；4、冷却器； 5、气路分配阀；6、吸附塔；7、排氮消声器；8、清洗节流阀；9、单向阀；10、氧气缓冲罐；11、压力传感器；12、氧气浓度流量传感器；13、除菌过滤器；14、流量调节阀；15、热敏电阻；16、冷却风扇；17、电伴热带；18、显示器； 19、电池模块；20、适配器；21、电机转速驱动模块；100、控制器。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。

需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件并与之结合为一体，或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“安装”、“一端”、“另一端”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及/ 或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

参考图1至图3，本实用新型的自适应海拔的便携式制氧机，压缩机2、制氧单元、氧气缓冲罐10、以及控制器100等。

具体地，如图1中所示，本实用新型的制氧机包括进气管和出氧管，进气管上设置有进气过滤器1，进气过滤器1用于对进入压缩机2的外界空气进行过滤。压缩机2设置于进气过滤器1之后。本实用新型的压缩机2采用直流无刷电机驱动，调速性能优越。压缩机2之后设置有流量传感器3，流量传感器3用于实时监测压缩机2的产出流量。流量传感器3之后设置有冷却器4，冷却器4 用于对压缩机2产出的压缩空气进行冷却。冷却器4之后连接的是制氧单元。制氧单元包括气路分配阀5、至少两组吸附塔6。本实施例中，制氧单元包括气路分配阀5和对称布置的两组吸附塔6。吸附塔6内填装有可以吸附氮气的高效制氧分子筛，分子筛用于将压缩空气中的氮气与氧气进行分离。两组吸附塔6 交替循环工作，当其中一组吸附塔6吸附氮气时，另一组处于非吸附状态。气路分配阀5还与排气管连接，排气管上设置有排氮消声器7，可保证氮气的静音排出，减少噪声污染。两组吸附塔6之后还分别设置有清洗节流阀8，清洗节流阀8用于对处于非吸附状态中的吸附塔6进行逆向清洗，将吸附塔6中上一轮工作残留的氮气通过气路分配阀5和排氮消声器7排出至大气中。

两组吸附塔6的出口管路连接清洗节流阀8后，通过三通接头连接至供氧管路。供氧管路上设置有单向阀9，单向阀9可避免氧气缓冲罐10中的氧气逆向回流。单向阀9后连接有用于储存氧气的氧气缓冲罐10。氧气缓冲罐10上安装有压力传感器11，压力传感器11用于实时监测所述氧气缓冲罐10内的压力值。

如图3中所示，本实用新型的优选实施例中，为降低设备体积、减轻设备重量，本实用新型采用制氧单元一体化设计，将气路分配阀5、两组吸附塔6以及氧气缓冲罐10集成为一个模块。

氧气缓冲罐10后方供氧管路上设置有氧气浓度流量传感器12，氧气浓度流量传感器12用于实时监测产氧的流量与浓度。氧气浓度流量传感器12之后连接的是出氧管，出氧管上设置有除菌过滤器13和流量调节阀14。从氧气缓冲罐 10中流出的氧气经除菌过滤器13进行除菌过滤，再经流量调节阀14调节流量大小后供用户使用。

如图2中所示，本实用新型的便携式制氧机内还安装有用于监测机器内部环境温度的温度检测元件、用于冷却的冷却装置以及用于升温的升温装置，所述温度检测元件、所述冷却装置和所述升温装置分别与所述控制器连接。优选地，温度检测元件包括热敏电阻15，成本低，灵敏度高且工作温度范围更宽。当然，在其他实施例中也可以采用热电偶或者光纤温度传感器等监测温度。本优选实施例中采用冷却风扇16进行冷却，采用电伴热带17实现加热升温。在其他实施例中也可以采用水冷装置进行冷却，或者可以采用加热棒等其他升温装置。

本实用新型中，所述压缩机2、所述流量传感器3、所述气路分配阀5、所述压力传感器11、所述氧气浓度流量传感器12、所述热敏电阻15、所述冷却风扇16和所述电伴热带17分别与所述控制器100连接。

本实用新型的自适应海拔的便携式制氧机，具体还包括与压缩机2和控制器100分别连接的电机转速驱动模块21。本实用新型采用PWM(脉宽调制)调速方式，通过电机转速驱动模块21中霍尔传感器对压缩机1的直流无刷电机速度进行采集，并将采集数据转换输入电机转速驱动模块21的单片机进行测量计算，单片机通过运算控制器、PWM模拟发生器控制电机转速驱动模块21中电机驱动电路，从而达到控制电机转速目的。

本实用新型的自适应海拔的便携式制氧机，还设置有与控制器100连接的显示器18，用于实现人机交互，包括各参数(阈值)的设置以及参数的显示。本实用新型的制氧机还包括与控制器100连接的电池模块19，可作为便携式或户外使用时为制氧机提供电源。电池模块19优选为可充电的电池模块19。本实用新型的制氧机还包括与控制器100连接的适配器20，在户内或具有市电的环境下通过适配器20连接市电直接将交流电变换为制氧机所需要的电源，也可以通过适配器20对可充电的电池模块19充电。多种供电模式的兼容使用能够使本实用新型的制氧机在不同场合获得电能，使场景更为广泛。

结合图1、图2，本实用新型的自适应海拔的便携式制氧机的工作流程如下：

空气经过进气过滤器1进入压缩机2，流量传感器3对压缩机2的产出流量进行实时监控并在控制器100中实时与预设值进行比较。压缩机2将空气压缩后通过冷却器4对压缩空气进行冷却，经过冷却后的压缩空气进入气路分配阀5。气路分配阀5根据系统控制流程，将压缩空气分配给制氧单元的其中一组吸附塔6，氮气被吸附在该组吸附塔6内的分子筛表面。与氮气分离后的氧气一部分通过清洗节流阀8对另一组非吸附状态中的吸附塔6进行逆向清洗，将另一组吸附塔6中上一轮工作残留的氮气通过气路分配阀5、排氮消声器7排出到大气中，完成另一组的解吸。另外一部分氧气通过单向阀9流出，从单向阀9流出的氧气进入氧气缓冲罐10。氧气缓冲罐10上安装有压力传感器11，对氧气缓冲罐10的压力进行实时监控并实时与预设值进行比较，有利于保证产氧流量与产氧压力的稳定性。氧气缓冲罐10出来的氧气经过氧气浓度流量传感器12，该传感器用于实时监测产氧的流量与纯度，并实时与系统预设值进行比较，流出的氧气经过除菌过滤器13以及氧气流量调节阀14供用户使用。

本实用新型中，两组吸附塔6交替循环工作，当正在进行吸附的塔组达到预设时间后，通过气路分配阀5进行均压流程，将两组吸附塔6连通，使两组吸附塔6压力达到平衡，随后交换工作量程，开始另外一组吸附塔6的吸附，两组吸附塔6交替进行吸附、解吸。

本实用新型中，空气由进气管进入，经过进气过滤器1过滤后进入压缩机2 进行压缩。压缩机2产出的压缩空气通过流量传感器3进行监测。本实用新型优选实施例中，在控制器100内会预先设定一个当前产氧量需要的压缩空气流量阈值。当本实用新型的便携式制氧机所使用环境的海拔高度升高时，流量传感器3监测到的压缩机2流量会低于预设的压缩空气流量阈值。具体地，通过将流量传感器3实时监测到的产出流量值与预设的压缩空气流量阈值进行比较，当产出流量值小于预设的压缩空气流量阈值时，控制器100通过PID闭环反馈控制提高压缩机2的直流无刷电机转速，以增加压缩机2的产出流量，直到产出流量与所述压缩空气流量阈值匹配，可保持氧气浓度与产氧量的稳定。当使用环境的海拔高度降低时，流量传感器3监测到的压缩机2产出流量值会大于预设的压缩空气流量阈值，此时，控制器100通过PID闭环反馈控制降低并稳定直流无刷电机的转速，以减少压缩机2的产出流量，直到与预设的压缩空气流量阈值匹配，可防止因压缩机2流量过大而造成的制氧单元进气击穿导致浓度下降的问题。本实用新型采用直流无刷电机驱动的压缩机2，能够将系统的调速范围大大提高，采用PID闭环反馈控制机制，动态调节电机转速，从而保持压缩机2输出空气流量的稳定性，也间接保证制氧单元中吸附塔6内压力的稳定、氧气产量与氧气浓度达标。本实用新型通过对压缩机2的产出流量进行实时监测，并以此采用PID闭环反馈控制压缩机2电机转速，实现控制的结构相对简单，可从根本上解决因海拔高度的提升导致的压缩机2流量不足问题以及因海拔高度的降低导致的压缩机2流量过大造成制氧单元进气击穿的问题，实现制氧机对海拔的自适应，进而保证制氧机浓度和产氧流量的稳定。

压缩空气继而进入气路分配阀5进行制氧流程，产出的氧气进入氧气缓冲罐10。

当用户吸氧量降低时，氧气缓冲罐10内压力会升高，现有的制氧机厂家通常会设计压力保护，即氧气缓冲罐10内压力超过某一压力阈值时，压缩机2会停止，待氧气缓冲罐10内氧气消耗后，压力降低，压缩机2会重新开启。这种控制方式，压缩机2频繁启动会导致能耗的迅速升高。在高原低温的环境下，停机后的压缩机2由于环境温度过低，启动能力也会下降，同时频繁的启停会也会导致压缩机2使用寿命的降低。

本实用新型的优选实施例中，同时设计了氧气缓冲罐10与压缩机2之间的压力PID闭环反馈控制机制。氧气缓冲罐10装有压力传感器11对产氧压力进行实时监测。在控制器100中，会预先设定一个压力区间，即最大压力阈值Pmax 和最小压力阈值Pmin之间的区间。当后端用氧量减小时，氧气缓冲罐10内的压力将会快速增加，当达到预设值Pmax时，控制器100将会启动压力PID反馈，将直流无刷电机输出转速维持到一个很低但不停机的转速即待机转速，减少压缩机2的产出流量，从而减少产氧流量以维持氧气缓冲罐10内压力的稳定。当后端用氧量升高，氧气缓冲罐10内的氧气被逐渐消耗，压力降低到Pmin时，压力信号反馈给控制器100，控制器100会发出信号提高直流无刷电机转速，从而增加压缩机2产出流量以增加氧气流量来维持氧气缓冲罐10内压力的稳定，直到达到当前产氧需要的压缩空气流量阈值的转速，实现压力的PID闭环反馈。

本实用新型中，产氧压力PID闭环反馈控制和海拔自适应的PID闭环反馈控制是两套独立的控制，并且产氧压力PID闭环反馈控制的优先级更高，即，当氧气缓冲罐10的压力达到Pmax的时候，会暂时屏蔽另外一套用于自适应海拔的直流无刷电机PID闭环反馈控制，因为这时候不需要制氧了(先用掉氧气缓冲罐10内存储的氧气)，所以可以把压缩机2的转速降到一个很低的状态。

本实用新型将用氧流量与系统运行对接，用氧量小的时候，不会因为氧气缓冲罐10压力急速升高而导致的压力保护停机，这样能够避免压缩机2的频繁启停造成的高能耗，将压缩机2维持在一个不停机又以极低的能耗运转的状态，优先消耗氧气缓冲罐10内氧气；当用氧需求增大的时候，压缩机2又将回复原来的转速状态，提高产氧量，满足用户用氧需求。本实用新型的压力PID反馈机制可以防止因压力保护导致的电机频繁启动造成的高能耗，这样的设计降低了系统能耗，实现制氧机的节能，提高了元件的使用寿命。本实用新型高效节能的设计模式使得本实用新型的制氧机能够维持更长的续航时间。

本实用新型同时对氧气浓度与产氧流量进行实时监控。产出的氧气通过氧气缓冲罐10后方氧气浓度流量传感器12的实时监测。当压缩机2的直流无刷电机转速调节到与预设的压缩空气流量阈值匹配后，若氧气缓冲罐10后方产出氧气的浓度与流量仍与预设值不匹配，此时控制器100将会对气路分配阀5的时序(如进气时间和均压时间)进行微调，并且调节后，为给制氧单元中分子筛一个缓冲时间去适应新的参数，每隔多个制氧周期进行第二次微调，直到流量与浓度与预设值匹配。本优选实施例中，每隔5个制氧周期进行第二次微调，防止制氧单元还没有适应新的时序时，因氧气浓度与流量与预设值不匹配造成的时序频繁调节。

本实用新型中，制氧机内安装有热敏电阻15，用于实时监测机器内部环境温度。控制器100可根据热敏电阻15监测到的温度判断其温度档位。例如，可预先将温度等级分为从低到高的1档、2档、3档，档位信息预存在控制器100 中。当控制器100判断环境温度属于较低的1档时(部分元器件因温度过低无法正常运转)，此时控制器100控制关闭冷却风扇16、启动电伴热带17，使机器内部温度升高，可使设备恢复正常运转。当判断环境温度属于中等的2档位时 (设备可正常运转的温度)，控制器100控制关闭冷却风扇16、关闭电伴热带 17，防止因强制冷却造成温度过低机器内元件的失效。当判断环境温度属于较高的3档位时(设备内部温度升高会导致部分元器件烧坏)，控制器100控制启动冷却风扇16、关闭电伴热带17，对设备进行一定程度的降温，保证设备内温度的温度和元器件的正常运转。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了实用新型的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种自适应海拔的便携式制氧机，包括进气管和出氧管，所述进气管和所述出氧管之间按气体流向依次设置有进气过滤器(1)、压缩机(2)、冷却器(4)、气路分配阀(5)、至少两组吸附塔(6)、氧气缓冲罐(10)、氧气浓度流量传感器(12)、除菌过滤器(13)以及流量调节阀(14)，还包括控制器(100)，其特征在于，所述压缩机(2)与所述冷却器(4)之间设置有用于监测所述压缩机(2)产出流量的流量传感器(3)，所述氧气缓冲罐(10)上安装有用于监测所述氧气缓冲罐(10)内产氧压力的压力传感器(11)，所述压缩机(2)、所述流量传感器(3)、所述气路分配阀(5)、所述压力传感器(11)和所述氧气浓度流量传感器(12)分别与所述控制器(100)连接。

2.根据权利要求1所述的自适应海拔的便携式制氧机，其特征在于，所述便携式制氧机内按照有用于监测机器内部环境温度的温度检测元件、用于冷却的冷却装置以及用于升温的升温装置，所述温度检测元件、所述冷却装置和所述升温装置分别与所述控制器(100)连接。

3.根据权利要求2所述的自适应海拔的便携式制氧机，其特征在于，所述温度检测元件包括热敏电阻(15)；

所述冷却装置为冷却风扇(16)；

所述升温装置为电伴热带(17)。

4.根据权利要求1所述的自适应海拔的便携式制氧机，其特征在于，还包括与所述气路分配阀(5)连接的排气管以及设置于所述排气管上的排氮消声器(7)。

5.根据权利要求1所述的自适应海拔的便携式制氧机，其特征在于，所述吸附塔(6)的出口与所述氧气缓冲罐(10)的进口之间的管路上设置有清洗节流阀(8)、单向阀(9)。

6.根据权利要求1所述的自适应海拔的便携式制氧机，其特征在于，所述气路分配阀(5)、所述吸附塔(6)以及所述氧气缓冲罐(10)集成为一个模块。

7.根据权利要求1所述的自适应海拔的便携式制氧机，其特征在于，所述压缩机(2)为直流无刷电机驱动的压缩机(2)。

8.根据权利要求1所述的自适应海拔的便携式制氧机，其特征在于，所述制氧机还设置有与控制器(100)连接的显示器(18)。

9.根据权利要求1所述的自适应海拔的便携式制氧机，其特征在于，所述制氧机还包括与控制器(100)连接的电池模块；还包括与控制器(100)连接的适配器(19)。

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