小型氧气机(一)

1  引言
 ?氧气如同食物和水，是人体必不可少的能源，人体代谢活动的关键物质，是生命运动的第一需要，营养物质必须通过氧化作用，才能产生和释放出化学能。?氧不仅对于ATP（人体内部传输能量的载体，一种高能化合的储能物质）生成起着关键作用，而且分解代谢过程中必须有足够的氧，各种营养物质必须与氧结合，才能完成生理氧化过程，产生出能量，并且把生成的化学能充分转化成为ATP。
 全球大气日趋恶化，每天工厂烟囱和机动车辆等排出大量废气。城市空气受到污染。据科学测量平均每1000升空气中就含有40升对人体有害的气体。大气污染已构成世界环保头号难题，氧饥荒已经出现。
 医学研究表明：80%的人或多或少的缺氧，环境污浊、生活节奏加快、脑力、体力消耗增加，使身体长期处于缺氧状态。都市人比生活在郊区、山林地区的人平均寿命要短10-15年，主要原因就是城市的空气污染，有害物质含量高，供氧量不足。一个成年人每天大约需要500升氧气，而很少有人能真正达到。事实上，我们人类的的生命正在受到严重威胁。
 中国经济的快速增长，工业化、城市化的发展使中国的GDP 年增长率达到8 %～9 %。自改革开放以来，中国的城市化快速前进， 城市人口比例从1978 年的18 %增加到2000 年的34 % ， 这一时期的增长速度是世界平均增长速度的3 倍 。20世纪末，经济的剧增使得中国成为世界上继美国之后的第二大能源消费国， 能源特别是煤的消耗已成为中国城市空气污染的主要人为源。我国的总能源消耗从1978 年的571 万吨标准煤增加到2002 年的15 亿吨标准煤。作为主要能源的燃煤占总能源消耗的60 %以上, 燃煤是城市空气污染物(如TSP、SO2 与酸雨等) 产生的重要原因。此外，汽车消费量的快速增加，燃油消耗年平均增长达6 %，大城市空气的NOx 、CO 及相关污染物浓度升高。不断增长的能源消耗和机动车辆加重了中国城市大气环境的负担，城市空气污染作为一个主要的环境问题正迅速地凸现出来。自1980 年代以来,许多城市遭受了日益严重的空气污染，90 年代初期，中国500 多个城市中达到国家空气质量标准1级的不到1 %；近年来，暴露于未达标空气质量的城市人口占统计城市人口的近三分之二。北京、沈阳等大城市曾被列入世界十大污染城市，中国城市空气污染已明显引起的公共健康效应和经济损失。从总体来讲广大的农村比起城市来空气污染要轻的多，但个别地区由于重工业的不断发展空气质量越来越差也是不争的事实[1]。
 随着中国经济的发展，人们生活水平不断提高，但环境污染以及生活节奏的加快使人们的精神压力越来越大，这些导致人们越来越注重自我调节和养生保健。一种新的养生保健方法——有氧疗法（在人体缺氧或将要出现缺氧的时候，通过给氧以增加吸入气体的氧浓度，从而提高肺泡内气体氧分压，进而通过促进弥散提高肺泡血氧含量，改善组织供氧状况，称为有氧疗法[2]）也应运而生，而且迅速红遍大江南北，但氧疗并不是普通百姓所能消费的起的，这就要求有一种更廉价的制氧设备，最好是可以应用于工业、医疗、生活、环保等众多领域。
 本次研究设计的氧气机主要适合家用、宾馆和医用领域，也可应用于工业和环保等领域，其采用世界上最先进的PSA（变压吸附）空气分离制氧。用单片机作为氧气机控制系统的中心。采用氧敏传感器进行氧气浓度的检测，并实时显示装置告知用户，当指标低于设定值是报警提醒。       
2  国内外发展现状
 我国传统的制氧方式主要是低温精溜法和化学制氧，这些制氧方法不方便，也不安全，而且制氧成本高，很难让普通百姓享受到健康、环保的高品质氧气带来的好处。
 30年代美国联合碳化物公司开拓了PSA（变压吸附）法，到了70年代西德埃森矿业研究所开发了碳分子筛，为PSA分离空气制氧拓宽了道路。近年来PSA空气分离法在全世界范围内得到了广泛地研究和开发。吸附剂和工艺技术方面取得了突破性的进展，已使得基于PSA的空气分离方法在工业、医疗、生活、环保中显示了很大的优势[3]。PSA装置具有随时开机随时制氧、设备简单、操作简便投资和管理费用低、单位产品能耗较低、装置启动迅速、产品纯度可在一定范围内随意调节、吸附在常温下进行、不涉及优势问题等优点。很适用于那些氧气需求量不大、纯度要求不是很高的场合，如家庭增氧、封闭式分体空调室内增氧，以及移动式装置用于病人随时吸氧，也可以在家用于氧疗等，在工业上，还可把PSA和低温精馏相结合，原料空气先经过PSA装置，将氧气量浓缩到80%左右，在进入低温分馏系统进行提纯，可使其精溜能力提高四倍，既能保持氧的高纯度，又能提高产量，具有极广阔的应用空间和发展潜力。
 以前，家用、医用氧的获得都是采用钢瓶氧供给方式，即制氧厂通过高压深冷工艺方法，把空气中的氧起分离出来之后，预装在能承受1.47Pa (150kg/cm)压力的钢瓶里，若需要在家用氧，就要把这种预先装好氧气的钢瓶运回家去使用，使完氧气后，再把空瓶运回制氧厂去灌装或换取装好的钢瓶。这种方法虽然现在还有人用，但由于钢瓶笨重，加之钢瓶中装有高压氧气，运输既不方便，又危险，且氧气瓶中的氧气使用时间有限，这些都制约着家庭用氧的普及[4]。况且目前基层医院由于条件、环境的制约，多采用氧气瓶及局部刺激小、患者易于接受的一次性鼻塞供氧，氧气瓶及供氧装置的贮存、使用关系到患者的生命安全及疾病转归。
 随着科技的进步，社会的发展，制氧方法得到了发展。由于PSA技术的出现，使得分离氧气的工作不再是一定要到氧气厂完成，变的可以在使用的地方进行，它是气体分离技术的革命也促使了小型家用、医用氧气机的诞生。
 我国采用PSA技术生产的小型医用机其主要结构都是用小型无油压缩机，适时采集并压缩周期的空气，压缩空气的压力一般在19.61Pa (2kg/cm)以内，采用双床分子筛分别同时进行对压缩的空气氧氮分离和排氮清洗分子筛,两种工作做交替交换进行，交换的时间大约在10S上下。
    目前，我国国内生产PSA小型医用氧气机的厂家已有十多家,产品各有点，根据控制系统的结构特点，主要有以下六种类型[4]：
 ·二位五通单控滑柱式电磁阀控制系统
 ·二位五通双控滑柱式电磁阀控制系统
 ·电磁先导阀气动阀控制系统
 ·二位四通膜式电磁阀控制系统
 ·旋转阀控制系统
 ·压力控制气阀控制系统
 其中第五种控制系统结构简单又可靠，在实际的小型医用氧气机的使用中这种控制系统的故障率是很低的，第3、4种控制系统结构也是较为可靠的，第1、2种控制系统结构的可靠性相对要差些。
3   研究设想及采用方法
  小型氧气机采用变压吸附PSA技术，利用结晶硅酸盐化合物（俗称沸石）的多孔结构，按照组成气体的分子和极性的大小使气体分离。由于常温下，当空气进入装有吸附剂的床层时，氧分子的尺寸和极性比氮气的分子略小，氧容易通过分子筛，而氮分子被分子吸附，从而在吸附床出口端获

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