图3.1 小型PSA氧气机的工作流程图
小型氧气机由空气供给系统、变压吸附分离系统、控制系统、氧气净化输出和废气输出系统、检测报警系统等。
控制系统采用89C51单片机 。再常温下，控制系统打开吸附装置A的阀门5，空气经过压缩机加压后，进入缓冲罐中缓冲稳压，再通过高效的除油过滤器除去可能夹带的油污和冷凝水，首先进入A装置下部装填的活性氧化铝层出去大部分的水分，然后进入分子筛层，由分子筛吸附掉空气中的氮气、二氧化碳和乙炔以及剩下的水分，氧气通过床层富集在装置A的顶部，通过阀门1和调节器作为成品气输出到储气罐中。当A吸附时，吸附装置B通过消音设备通大气降压再生，部分成品气经阀门3进入B装置对起进行反向冲洗，以使分子筛内的氮气、二氧化碳和乙炔尽可能多的解吸出来。当A内的分子筛吸附饱和时，B装置已再生完毕，控制系统这时关闭阀门5和阀门1，打开阀门2进行A、B装置的均压，同时打开阀门4、7、3，关上阀门6、使装置B进入工作状态，这样A、B两吸附装置循环交替工作，即可得到连续不断的氧气[5]。而氮气及其他组分在解吸时经消声器排入大气。为了使氧气更适宜直接呼吸使用， 在制氧机的储气罐中装有润湿瓶来对氧气进行加湿。详细设计图如图3.2所示。氧气机的电路控制图如图3.3所示。
本装置采用珈伐尼氧传感器KE-25检测储气罐中的氧气浓度并随时把测量信号通过A/D转换器ADC0809转换成标准的数字信号后传给控制系统，控制系统通过实时时钟中断定时采集氧气的浓度数据，经过内部处理后把数据传给LED数码显示氧气的浓度值，控制系统通过计时来控制各个阀门的通闭，以使两套吸附装置能够交替运行。如果出现氧浓度异常，控制系统向压缩机副控制系统（变频器）减慢或增加鼓风亮，并给于红色指示灯点亮信号。设置键盘控制以便修订输出氧气浓度，达到氧气浓度可控的要求[6]。
空气压缩机安装过程中应注意减小噪音。由于其是氧气机主要的噪音源，它的选取相当重要，它发出的噪声, 主要来自进气噪声, 驱动机和机体辐射噪声, 排气、管道和贮气罐噪声, 排气放空和阀门噪声。为使微型氧气机运作平稳、可靠，采用高效低噪音、无油空压机；对空压机加固支撑，以改变其自振频率；内部采用错落折叠式结构排列，无非定位活动部件；加大管道弯头处的曲率半径，可明显减少气流对管壁的冲击作用。并在管道中接如消音器以便达到较好的消音效果[5]。
变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。20 世纪60 年代以后，电力电子器件经历了晶闸管（SCR）、门极可关断晶闸管（GTO）、双极型功率晶体管（BJT）、MOS 控制晶体管（MGT）、MOS 控制晶闸管（MCT）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）和耐高压绝缘栅双极型晶闸管（HVIGBT）的发展过程，器件的更新促进了电力电子变换技术的不断发展。20 世纪70 年代初，脉宽调制变压变频（PWM- VVVF）调速研究引起了人们的高度重视。20 世纪80 年代，作为变频技术核心的PWM模式优化问题引起诸多科研人员重视，并研究出诸多优化模式。20 世纪80 年代后半期，美国、日本、德国、英国等发达国家的VVVF 变频器投入市场并获得了广泛应用[7]。
微型变压吸附制氧以空气为原料，以电力为能源，采用物理吸附制氧，与氧气瓶、氧气袋和化学产氧器相比，具有安全可靠、使用方便和经济实惠的特点。由于微型变吸附制氧机的原料是空气，制氧过程中无化学反应，其产品气中也无新的易燃、易爆及毒物质；同时，制氧机只有在制氧过程中才处于有压状态，且压力远远低于氧气瓶内的压力。故此，微型变压吸附制氧机在安全方面优于化学制氧机等其他制氧装置。微型变压吸附制氧机以电作为唯一的能源，接通电源后几分钟即可生产出浓度高于90 %的氧气；并且，制氧机可以24h 连续运转[7]。制氧期间既不需要定期添加制氧剂，也不必定期充灌，使用起来非常方便。对于需要长期用氧的用户来说，微型变压吸附制氧机相当经济。由于制氧机工作时仅仅消耗电能，除初期投资外，其运行费用只有少量的电费。
微型变压吸附制氧机工艺流程中最大、最重的元件是压缩机和吸附装置，而压缩机的体积和重量直接与压缩机的功率相关，功率越大，体积和重量就越大，噪声也越高。因此，要减小制氧机的体积和重量就要从减小压缩机功率和降低吸附装置高度两方面入手。
目前变压吸附制氧用吸附剂主要为5A 沸石分子筛和13X 分子筛[8]及基于两者基础之上的改性吸附剂。研究发现 , LiX 沸石分子筛作吸附剂对氮气的吸附容量比用NaX (13X) 沸石分子筛的吸附容量高出50 %， 分离系数从13X 分子筛的3 倍提高到7 倍, 采用5 步循环工艺制氧,，制得的氧气浓度为90 %以上时，回收率高达70 % ，能耗降低
50 %。同时, 使用LiX沸石分子筛作吸附剂吸附压力比可以降低至2 ，而采用5A 沸石分子筛或13X分子筛作吸附剂，压力比一般高于4，低于此值时氧气纯度会迅速下降。因此，选用吸附性能优越的分子筛可以减少其用量，降低空氧比、吸附压力与能耗，从而降低吸附塔高度与压缩机功率，进而减小制氧机的体积与重量。用于制备医用氧气的两种分子筛的主要参数见表3.1所示。
表3.1 两种分子筛性能的比较
由表3.1 可知，在1 个大气压下， FZS2 的氮气静态吸附量是FZS1 的2.375 倍，FZS2 对N2 / O2 的选择性约为FZS1 的两倍；同时, FZS2 的吸附压力低于FZS1 的吸附压力。两种分子筛的吸附等温线如图3.4、图3.5 所示。
由图3.4 和图3.5 可以看出, 压力在0.1 MPa ～0.275MPa 之间时，FZS2 的氮气吸附等温线比FZS1的氮气吸附等温线斜率大。当分子筛量一定时，FZS2 每次循环的产氧量( 假定吸附压力均为0.275MPa) 是FZS1 的1.55 倍。由以上分析可知，采用FZS2 进行空气分离制氧比采用FZS1 减少约30 %的分子筛量，从而降低吸附塔高度，并可以减小空氧比，降低吸附压力，进而降低压缩机功率。
微型制氧机主要用于氧疗和氧保健, 用于氧疗的氧气浓度必须达到国家药典的不低于90% (体积分数) 的要求 。用于氧保健的氧气浓度要求较低, 30 %～40 %的氧浓度即可满足氧保健需要。目前, 采用膜技术产氧的制氧机生产的氧气浓度一般在