浅谈医用制氧机设计原理

陆晔

摘 要： 医学研究表明，由于环境污染，生活节奏加快，半数以上的人身体经常处于缺氧状态。而氧是身体中的重要元素，营养物质必须通过氧化作用，才能产生和释放出能量，同时人体的代谢过程也必须有氧的参与。吸氧疗法是医学上一种重要的治疗手段，坚持进行氧疗，对于身体的彻底康复起着很重要的作用。本文在介绍医用制氧机的工作原理、结构、特点及其质量控制的基础上，指出了制氧机的发展方向。

关键词：制氧机；分子筛；变压吸附；质量控制

1 分子筛变压吸附原理

在终端个体的吸氧疗法中，以往的供氧装置主要有氧气袋、小型氧气瓶等。这类装置需要不断充氧，且氧气容量有限，既不方便使用，也不能保障长时间供氧。考虑到分子筛变压吸附（PSA）方法制氧不但浓度高，而且不产生有害气体，因此，本文主要介绍这种物理方法。PSA主要由空气净化系统、氧氮分离系统、氧气缓冲、检测系统等组成。其基工作过程为：空气压缩机输出的压缩空气经冷却后空气中的水汽由气态变为液态，经分水过滤器过滤，活性炭过滤器除油后得到干燥的压缩空气，然后干燥的压缩空气进入氧氮分离系统，其中带极性的氮分子被沸石分子筛优先吸附，而氧分子则通过系统阀门输出进入缓冲罐，最后由流量检测单元结合氧气纯度来控制氧气的输出。

2 变压吸附制氧机结构

变压吸附制氧机的工艺流程如下图所示，空气经过滤后进入压缩机压缩，压缩后的高压空气经冷却后进入吸附塔进行吸附分离，分离得到的部分氧气经单向阀进入储气罐，由减压阀减压后再经流量计、湿化瓶流出供用户使用；另一部分氧气对处于解吸状态的吸附器进行反吹清洗，解吸的氮气经消声器排出。

根据制氧过程中各部件作用的不同，可以将变压吸附制氧机划分为气源系统，分离系统、解吸系统、控制系统、产品系统等功能模块。其中，气源系统为制氧过程提供洁净、高压的非高温气体，分离系统实现氧气与氮气的吸附分离，解吸系统实现废气的排放及吸附床的清洗解吸，控制系统保证制氧系统正常、高效运行。制氧系统保证氧气以一定的压力和流量稳定输出，并将氧气湿化，以适宜用户呼吸使用。

3 变压吸附制氧机的特点

PSA 制氧机制取氧气是在常温低压下进行的，设备具有工艺流程简单，投资少，能耗低，使用安全可靠，操作简单的特性，同时还有保养和维修简便易行等优点。由于设备简单，体积小巧，只需常规电力就能工作制氧，适合在氧气不可缺少但需要量又不是特别大的医疗单位就地制取氧气，此外，PSA 法制氧工艺具有装置紧凑、投资低、自动化程度高等技术优势。

4 制氧机的质量控制

根据制氧机的功能特点，通过压力、流量、氧气浓度三项参数可以比较客观的表现一个设备的质量状况，只要其中之一发生明显变化，将影响设备的工作状态，所以通常將这三项敏感度高的参数，作为检测制氧机性能的指标， 其中的氧气流量是制氧装置的一个重要参数，它反应了制氧装置的制氧能力，目前大部分制氧机最大输出流量为5L/min，个别机型可以达到6 L/min。 制氧装置单位时间内制取的成品氧气越多越好，但氧气流量提高的同时，是否能够保证氧浓度的要求是需要重视的问题。吸附塔中分子筛的装入量是一定的，氧气量越少，在相同的时间内，进入吸附塔内的原料气量与流出吸附塔的产品气量的差值越大，吸附塔内的压力升高就越快，这对于提高吸附塔中分子筛的吸附容量是非常有利的。另外，吸附塔内压力高，吸附塔在解吸时，吸附塔内与外界的压差相对来说较大，这对于吸附塔内吸附组分的彻底解吸非常有利。因此，氧气流量越小，对应的氧气纯度越高。通过检测比较容易发现关键参数变化趋势和倾向性问题，及时确定预防性维护维修的举措和时机，适时进行预防性维修或者维护，有利于大幅度减少故障发生，有效提高患者用氧安全系数，制氧机的质量检测属于民生计量范畴。

5 变压吸附制氧技术的发展方向

目前PSA分离空气制氧技术主要向三个方向发展：

（1）具有更高氧氮分离系数高性能分子筛的研制。R .T .Yang等人合成的低硅铝比的X型沸石分子筛，是目前用于PSA分离空气制氧的最好的吸附剂，其氧氮分离系数可以达到6.0以上，而目前工业化生产的沸石分子筛的氧氮分离系数一般不超过4.0。

（2）改进变压吸附技术的工艺以制备高浓度氧气。由于空气中含有0.94%的氩气，氩气具有和氧气分子非常接近的物理性质，所以一般PSA技术得到氧气的浓度最高为95%。

（3）大型化和微型化两个方向发展。大型化发展主要是市场的需要以及降低能耗的要求所致。微型化发展主要为了满足人们医疗保健和一些特殊场合的需要，要求其具有体积小、噪音小、移动性好和可靠性高的特点，其产气量一般在5L/min左右，氧气浓度为93%左右，这种微型制氧装置对能耗要求相对较低。

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