淺談醫用制氧機設計原理

陸曄

摘 要： 醫學研究表明，由于環境污染，生活節奏加快，半數以上的人身體經常處于缺氧狀態。而氧是身體中的重要元素，營養物質必須通過氧化作用，才能產生和釋放出能量，同時人體的代謝過程也必須有氧的參與。吸氧療法是醫學上一種重要的治療手段，堅持進行氧療，對于身體的徹底康復起著很重要的作用。本文在介紹醫用制氧機的工作原理、結構、特點及其質量控制的基礎上，指出了制氧機的發展方向。

關鍵詞：制氧機；分子篩；變壓吸附；質量控制

1 分子篩變壓吸附原理

在終端個體的吸氧療法中，以往的供氧裝置主要有氧氣袋、小型氧氣瓶等。這類裝置需要不斷充氧，且氧氣容量有限，既不方便使用，也不能保障長時間供氧。考慮到分子篩變壓吸附（PSA）方法制氧不但濃度高，而且不產生有害氣體，因此，本文主要介紹這種物理方法。PSA主要由空氣凈化系統、氧氮分離系統、氧氣緩沖、檢測系統等組成。其基工作過程為：空氣壓縮機輸出的壓縮空氣經冷卻后空氣中的水汽由氣態變為液態，經分水過濾器過濾，活性炭過濾器除油后得到干燥的壓縮空氣，然后干燥的壓縮空氣進入氧氮分離系統，其中帶極性的氮分子被沸石分子篩優先吸附，而氧分子則通過系統閥門輸出進入緩沖罐，最后由流量檢測單元結合氧氣純度來控制氧氣的輸出。

2 變壓吸附制氧機結構

變壓吸附制氧機的工藝流程如下圖所示，空氣經過濾后進入壓縮機壓縮，壓縮后的高壓空氣經冷卻后進入吸附塔進行吸附分離，分離得到的部分氧氣經單向閥進入儲氣罐，由減壓閥減壓后再經流量計、濕化瓶流出供用戶使用；另一部分氧氣對處于解吸狀態的吸附器進行反吹清洗，解吸的氮氣經消聲器排出。

根據制氧過程中各部件作用的不同，可以將變壓吸附制氧機劃分為氣源系統，分離系統、解吸系統、控制系統、產品系統等功能模塊。其中，氣源系統為制氧過程提供潔凈、高壓的非高溫氣體，分離系統實現氧氣與氮氣的吸附分離，解吸系統實現廢氣的排放及吸附床的清洗解吸，控制系統保證制氧系統正常、高效運行。制氧系統保證氧氣以一定的壓力和流量穩定輸出，并將氧氣濕化，以適宜用戶呼吸使用。

3 變壓吸附制氧機的特點

PSA 制氧機制取氧氣是在常溫低壓下進行的，設備具有工藝流程簡單，投資少，能耗低，使用安全可靠，操作簡單的特性，同時還有保養和維修簡便易行等優點。由于設備簡單，體積小巧，只需常規電力就能工作制氧，適合在氧氣不可缺少但需要量又不是特別大的醫療單位就地制取氧氣，此外，PSA 法制氧工藝具有裝置緊湊、投資低、自動化程度高等技術優勢。

4 制氧機的質量控制

根據制氧機的功能特點，通過壓力、流量、氧氣濃度三項參數可以比較客觀的表現一個設備的質量狀況，只要其中之一發生明顯變化，將影響設備的工作狀態，所以通常將這三項敏感度高的參數，作為檢測制氧機性能的指標， 其中的氧氣流量是制氧裝置的一個重要參數，它反應了制氧裝置的制氧能力，目前大部分制氧機最大輸出流量為5L/min，個別機型可以達到6 L/min。 制氧裝置單位時間內制取的成品氧氣越多越好，但氧氣流量提高的同時，是否能夠保證氧濃度的要求是需要重視的問題。吸附塔中分子篩的裝入量是一定的，氧氣量越少，在相同的時間內，進入吸附塔內的原料氣量與流出吸附塔的產品氣量的差值越大，吸附塔內的壓力升高就越快，這對于提高吸附塔中分子篩的吸附容量是非常有利的。另外，吸附塔內壓力高，吸附塔在解吸時，吸附塔內與外界的壓差相對來說較大，這對于吸附塔內吸附組分的徹底解吸非常有利。因此，氧氣流量越小，對應的氧氣純度越高。通過檢測比較容易發現關鍵參數變化趨勢和傾向性問題，及時確定預防性維護維修的舉措和時機，適時進行預防性維修或者維護，有利于大幅度減少故障發生，有效提高患者用氧安全系數，制氧機的質量檢測屬于民生計量范疇。

5 變壓吸附制氧技術的發展方向

目前PSA分離空氣制氧技術主要向三個方向發展：

（1）具有更高氧氮分離系數高性能分子篩的研制。R .T .Yang等人合成的低硅鋁比的X型沸石分子篩，是目前用于PSA分離空氣制氧的最好的吸附劑，其氧氮分離系數可以達到6.0以上，而目前工業化生產的沸石分子篩的氧氮分離系數一般不超過4.0。

（2）改進變壓吸附技術的工藝以制備高濃度氧氣。由于空氣中含有0.94%的氬氣，氬氣具有和氧氣分子非常接近的物理性質，所以一般PSA技術得到氧氣的濃度最高為95%。

（3）大型化和微型化兩個方向發展。大型化發展主要是市場的需要以及降低能耗的要求所致。微型化發展主要為了滿足人們醫療保健和一些特殊場合的需要，要求其具有體積小、噪音小、移動性好和可靠性高的特點，其產氣量一般在5L/min左右，氧氣濃度為93%左右，這種微型制氧裝置對能耗要求相對較低。

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