CN2345234Y - 气动控制变压吸附法制氧机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种全气动控制的变压吸附法制氧机,它的全气动控制装置由两个双气控二位五通阀,一个单向气缸,一个机械二通阀组成,未采用电子元件及电器元件,一切自动控制由气动元件实现。制氧机两个分子筛罐由气动控制装置供气和排气,交替进行吸附工序和解附工序。这种新型制氧机结构简单紧凑,造价低,可靠性好,易于维修。

Description

气动控制变压吸附法制氧机

本实用新型涉及一种医疗保健设备，具体地说，是一种小型医疗制氧机，更具体地说，是一种可自动控制的变压吸附法制氧机。

应用变压吸附法的医疗用小型制氧机是甚为普遍的商品，它已经进入欧美各国很多家庭中供医疗保健用。如美国5～6家最大的生产商，每家都年产小型制氧机1～3万台。

用变压吸附法的小型制氧机，一般设有两个分子筛罐(Sieve Tank),罐内装有分子筛(Molecular Sieve)。分子筛有均匀的相当于分子尺寸的微细孔。这些微细孔能选择性地吸附氮分子，但不吸附氧分子。因此吸附法能够将空气中的氮氧分离，得到纯度高的氧气。

常用的变压吸附法制氧过程如下述。首先以医疗用的无油空气压缩机将室内空气压缩到0.15～0.30MPa压力。一套由气动原件组成的气动回路将压缩空气导入第一个分子筛罐。第一个分子筛罐内的分子筛受压，即吸附压缩空气中的氮分子，余下的氧分子由罐的另一端排出。第一个分子筛罐是处于“吸附工序”。排出的纯氧一部分进入一个贮氧罐，经调压过滤，供病人吸用。另一部分氧气进入第二个分子筛罐。第二个分子筛罐由气动回路控制，此时是和大气接通的，内部无压力。罐内的分子筛在上一周期吸附的氮分子即处于游离状态。输入的纯氧把氮分子“冲洗”混合还原为低含氧量空气，由第二个分子筛罐另一端排入大气中。第二个分子筛罐在此阶段称为“解附工序”。

约10～15秒钟后，第一个分子筛罐即“饱和”而第二个分子筛罐已“冲洗”还原。于是由气动回路自动控制气流逆转，压缩空气换向，进入第二个分子筛罐，压缩内部的分子筛进行吸附工序，生产氧气。同时第一个分子筛罐改为排气，内部无压力。第二个分子筛罐输出的部分氧气进入第一个分子筛罐进行解附工序。独立的贮氧罐不断由两个分子筛罐交替送来氧气，供吸氧者使用。两个分子筛罐循环不息的吸附和解附，除电力消耗外，不再消耗其他物质，不断地把氧气由空气中分离出来。

市场上最新的小型制氧机的气动控制回路，控制方法可分两类。一类是按时间顺序控制。即按一定时间顺序，开关各个气阀，控制气流方向。其中又可分为机械式旋转阀控制，以及用电子板按时间顺序控制。

第二类是按回路压力控制气流方向，在气动回路中，选定一最佳的切换压力(Shifting Pressure)。在此给定的切换压力时更换气流方向。此回路是用电子压力传感器按给定气压发出信号，经电子板放大信号，控制电磁阀改变气流方向。

由于在不同情况下空气压缩机输出流量会有变化，按压力控制的方法能使制氧机的工作性能较为稳定。例如在不同海拔高度，空气稀薄，或电压变化，或压缩机磨损，或空气过滤器不洁进气阻力加大……等原因，空气压缩机的输出会减少，于是控制回路会自动延长工作周期，保持在给定的最佳切换压力时更换气动回路的气流方向。而第一类按时间顺序的控制回路就无此优点。因此，压力控制是目前研制的趋势。

相关文献中介绍了多种变压吸附法制氧机，现提供检索的专利文献如下：

美国专利    5,183,483

美国专利    4,545,790

美国专利    3,659,399

中国专利    95244068.7

中国专利    95190507.4

中国专利    94115637.0

中国专利    91214831.4

中国专利    CN87206425U

中国专利    CN87206076U

上列文献中，部分是大型的制氧装置，结构复杂，体积庞大，成本高，不适宜应用在少型制氧机上。

有关小型制氧机的介绍，气动控制回路都使用了较多的气阀，用电子板控制先导阀，由先导阀控制换向阀。不足之处是：

a气动元件较多，压力管道多，接头多，增加漏气的可能性；

b电气线路多，接头多，易出故障；

c电子电气线路复杂，一般维修人员较难了解及维修。

上列三点引起制造成本增加，维修难度增加。尤其是制氧机工作的可靠性降低。

市售的小型制氧机，美国三家著名公司的产品如下：

美国Puritan Bennett公司的590型制氧机；

美国Air Sep公司的NewLife型制氧机；

美国Healthdyne Technologies公司的Alliance型制氧机(美国专利5,183,483)。

其中Alliance制氧机是市场上最新一代之一。它出氧纯度高，噪音低，外型好。它的气动控制回路，是由一个Sensym电子压力传感器接受回路的空气压力。达到给定压力时，压力传感器即发出信号，经电子板放大信号，按次序控制一双clippard电磁先导阀。电磁先导阀控制两个Hamphrey气控两位三通阀，使主气流进入及排出两个分子筛罐制氧。下图表示经工作介质的转换，达到自动控制的目的。

由于气动元件多，气动管道及电气线路复杂，影响了可靠性，例如由美国航运货品到香港，贮存一定时间，由香港运货到天津港。发货前在香港例行检查，每批均发现有较大比例的产品失灵。到北京开箱检验，再有少量的货品要维修。至于在中国长途运输及在青藏高原等恶劣条件下使用，更使代理商疲于来回修理。

迪卡医疗器械有限公司(DURABLE-CASSIA Co.,Ltd.)是1994年～1997年美国Healthdyne Technologies公司的“Alliance”制氧机在中国的总代理。Alliance制氧机在此期间占中国进口制氧机的50％以上。

在几年的代理销售和维修养过程中，体会到需要研制一种适合中国和亚非拉发展中国家使用的小型制氧机。它必需在各种不良的条件下有高度可靠性。其次是价格合理，一般家庭可以接受，维修保养方便。

本实用新型的目的，在于克服上述文献及市售产品中的缺陷，提供一种由新的气动装置控制的，能适应各种不良条件下使用，结构简单、紧凑，元件少、接线少，可靠性高，价格便宜，维修保养方便的小型制氧机。

为达到上面提出的目的，本实用新型采用如下技术方案：

本实用新型的制氧机，包括内装有分子筛的左分子筛罐、右分子筛罐、与两个分子筛罐相连通的贮氧罐、空气压缩机及控制气流主向的自动控制装置和管线，其特征在于所述的自动控制装置为全气动压力控制装置。

上述的全气动压力控制装置为气动组合阀。

上述的气动组合阀由两个双气控二位五通阀，一个单向气缸和一个机械二通阀组成，各种气动元件通过在阀体上钻孔相连通，从而简化管道。

其中一个二位五通阀为控制阀，用于控制两个分子筛罐的供气和排气；另一个二位五通阀为分配阀，与控制阀相连，用于分配控制阀的两侧气流通道；机械二通阀与分配阀相连通，用于压力切换时给分配阀和控制阀供应气流；单向气缸与机械二通阀处于同一水平位置，起位移或压力传感器的作用，发信号给机械二通阀；单向气缸内部有弹簧和活塞，活塞杆部长度可调。

上述三个罐通过管道连通，其中贮氧罐两个气管上分设有两个单向阀，两个分子筛罐的连接管中间设有限流量孔。

本实用新型所需气流由空气压缩机供给。

由于采用上述技术方案，本制氧机的全气动控制装置是由气动回路本身的气压变化，发出信号给各气动元件，再由各气动元件控制气动装置的自动动作。如下图表示：

整个气动装置的动作和控制，是由气动到气动。中间没有其他介质的转换，同样达到自动控制目的。这样就避免了已有技术的气动控制中，加入电子和电气，导致增加气动、电子、电气之间的转换环节。

因此气动控制就大大简化，可靠性得以提高，制造成本降低，日常的维修保养亦较为容易，达到发明的目的。

同时，由于本实用新型的实施，是把两个二位五通阀，单向气缸和二通阀组合成为一个非常紧凑的气动组合阀，使得制氧机内部结构整齐、简单、紧凑，元件少、管道少、电线少。效果是：

可靠性提高--全部气动控制无电子和电气，结构简单，耐震动，耐温度变化，管道少，无电线，出故障机会减少。样机经汽车由沿海长途运输到青藏高原试验，证实可靠性好。

制造成本减低--无电子板，只用一个组合气阀，零件成本减少，装配省劳动力。使产品价格合理和有竞争力，便于进入家庭。

维修保养容易--内部结构可以直观了解，出了故障易于追寻解决。技工经短期训练，即可以做维修保养工作。

按本实用新型的内容完成的小型制氧机的技术指标如下：

氧气流量    每分钟1～5立升，可调

氧气纯度    每分钟1～3立升，95±3％

            每分钟4～5立升，90±3％

需用功率    500瓦以下

样机性能指标和前面所列美国三家公司产品相同。

本实用新型包括下列附图：

图1表示左分子筛罐在吸附工序，右分子筛罐在解附工序，装置处于低压阶段(0.05MPa)；

图2表示装置在中压阶段(0.08MPa～0.12MPa)；

图3表示装置在气流切换瞬间(0.15～0.18MPa)；

图4表示气流切换完成，下一周期开始，左分子筛罐在解附工序右分子筛罐变为吸附工序，装置回到低压阶段(0.05MPa)。

下面结合附图详细介绍本实用新型特别是全气动压力控制装置：

图1是一个周期的开始。由无油空气压缩机19输出的压缩空气，通过管24，五通阀11、管3进入左分子筛罐1。在压力之下，罐内的分子筛即吸附空气中的氮分子，余下的氧气由分子筛罐1上部管2排出。此时罐1是在吸附工序。

由管2排出的氧气，一部分通过单向阀4进入贮氧罐7供吸氧人用。另一部分氧气通过限流量孔5、管道9由上部进入右分子筛罐10，右分子筛罐10下部通过管8以及五通阀11和大气接通，罐内是无压力的。罐10内的分子筛表面在上一周期所吸附的氮分子，在无压力下即变为游离状态。经过输入的氧气冲洗，氮氧即混合还原为含氧量低的空气，(16～18％含氧量，接近人类呼出的空气成分)通过管8和五通阀11排入大气中。分子筛罐10是在解附工序。

同时，压缩空气通过管道25，施压力给五通阀14的左腔，有倾向推动阀蕊向右移动。但因是在低压阶段，气压只有0.05MPa，推力不足以克服阀14内部磨擦力，不能推动阀蕊向右移动。

另一路压缩空气经管23进入单向气缸22，开始逐步推动活塞20向右移动。机械二通阀16是在关闭位置，管18内的压缩空气被阀16截止。

图2是图1的延续。由于空气压缩机19连续供应压缩空气，限流量孔5限制着氧气的通过，气动装置内的压力逐步增加。压缩空气通过25作用于阀14左腔的推力亦逐步增加。当空气压力增加到0.08～0.12MPa时，作用于阀14左腔的推力已足够克服阀14内部磨擦力。立刻将阀蕊推向右边，于是阀14换向。管15和管13接通，管26接大气。

现在阀14已经接通了把阀11的阀蕊推向左边的控制气流通道。但因机械二通阀16仍处在关闭位置，管15和管13内无压力，阀11右腔得不到气压，阀蕊仍保持原位不变。阀14只是预先分配好了控制阀11气流的通道，阀11的换向尚未发生。分子筛罐1仍在吸附工序，分子筛罐10仍在解附工序。

单向气缸22受到管23输入逐步增加的气压，活塞20将弹簧21压缩逐步向右换动。活塞20的杆部渐渐接近二通阀16，但尚未触及。

图3是气动装置的气压继续增加，压缩空气通过管23推活塞21向右移动。当气压达到0.15～0.18MPa时，活塞21杆端碰到二通阀16并推动其阀蕊，阀16立刻打开。在此瞬间，压缩空气由管18，通过二通阀16，再通过阀14预先分配好了控制阀11气流的通道(图2)，即通过管15、阀14、管13。阀11的右腔受到管13输来的气压，其阀蕊即被推向左边，于是阀11切换主气流方向。

如图示，主气流由管24，通过阀11和管8，由底部进入右分子筛罐10。罐内分子筛已经过彻底的解附工序，恢复吸附氮分子能力，在压力下开始吸附氮分子。分子筛罐10改为进行吸附工序。氮分子被吸附后，余下的氧气由罐10的上部经管9排出。排出的部分氧气，通过单向阀6进入贮氧罐7供吸氧人用。另一部分氧气通过限流量孔5，管道2由上部进入左分子筛罐1。分子筛罐1现在是通过管3和阀11接通大气内部无压力。氧气冲洗无压力下的分子筛，将其表面已经吸附了的氮分子解附。分筛罐1改为进行解附工序。输入罐内的氧气混和解附了的氮分子，成为低含氧量空气。它由罐1底部排出，经管3和阀11排入大气中。

调整弹簧21的强度和活塞20杆部的长度，可以得到稳定的和准确的最佳切换压力。

图4，按上面图3所述，压缩空气在瞬间进入右分子筛罐10。罐10内部原无压力，突然吸纳大量压缩空气，使气动装置的压力立刻下降回0.05MPa低压。装置压力回降，单向气缸22内部的弹簧21即将活塞20向左推回原位。机械二通阀16的弹簧亦将阀蕊推向左边。阀16关闭，截断管18的气流。

图4的运作和图1相似，但主气流方向相反。分子筛罐10是在吸附工序，分子筛罐1是在解附工序。以后装置内压力逐步增加，到切换压力时又再切换气流。如是循环不息，生产氧气。

上面结合附图详述了本实用新型制氧机的结构及工作程序，作为一具体实施方式，也公开了各元件的连接关系。任何其它形式的具体连接或实施方式，只要利用本实用新型的技术方案，均属于本实用新型的内容。

Claims (10)

1．一种气动控制变压吸附法制氧机，包括内装有分子筛的左分子筛罐(1)、右分子筛罐(10)、与两个分子筛罐(1,10)相连通的贮氧罐(7)、空气压缩机(19)及控制气流方向的自动控制装置和连接管线，其特征在于所述自动控制装置为全气动压力控制装置。

2．根据权利要求1所述的制氧机，其特征在于所述全气动压力控制装置为气动组合阀。

3．根据权利要求2所述的制氧机，其特征在于所述的气动组合阀由两个双气控二位五通阀(11、14)、一个单向气缸(22)和一个机械二通阀(16)组成，上述气动元件通过在阀体上钻孔相连通。

4．根据权利要求3所述的制氧机，其特征在于所述的二位五通阀其一为控制阀(11)，控制分子筛罐(1、10)的供气和排气。

5．根据权利要求3所述的制氧机，其特征在于所述的二位五通阀其二为分配阀(14)，与控制阀(11)相连，分配控制阀(11)的两侧气流通道。

6．根据权利要求3所述的制氧机，其特征在于所述的机械二通阀(16)与分配阀(14)相连通，压力切换时给分配阀(14)和控制阀(11)供应气流。

7．根据权利要求3所述的制氧机，其特征在于所述的单向气缸(22)起位移或压力传感器的作用，它与机械二通阀处于同一水平位置，发信号给机械二通阀(16)。

8．根据权利要求7所述的制氧机，其特征在于所述的单向气缸(22)内部有弹簧(21)和活塞(20)，活塞(20)杆部长度可调。

9．根据权利要求1所述的制氧机，其特征在于所述的贮氧罐(7)两个气管上分设有单向阀(4、6)。

10．根据权利要求1所述的制氧机，其特征在于所述的两个分子筛罐(1、10)的连接管(2、9)中间设有限流量孔(5)。

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