便攜式制氧機呼吸脈沖供氧系統設計

孫靖濛，朱孟府，陳 平，趙連玉，劉志猛

SUN Jing-meng1,2, ZHU Meng-fu2, CHEN Ping2, ZHAO Lian-yu1, LIU Zhi-meng2

（1.天津理工大學，天津 300384；2.軍事醫學科學院衛生裝備研究所，天津 300161）

0 引言

氧是產生人體功能活動所需能量的必要物質，是人體不可缺少的生命元素。制氧裝備是重要的醫技保障裝備，是戰傷救治的重要手段[1]。制氧裝備常用的制氧工藝主要有膜分離法、深冷空分法、化學法和變壓吸附法(PSA)。變壓吸附法制氧以其能耗低、無污染以及成本低等特點，在便攜式制氧設備中得到廣泛應用[2～5]。為減小便攜式變壓吸附制氧機的體積和重量，采用先進的節氧方法是制供氧器微型化的重要途徑。目前的節氧法主要有節氧面罩法、節氧鼻導管法、固定頻率供氧法和呼吸脈沖供氧法等[6]。有研究表明，呼吸脈沖供氧法是節氧最有效的方式之一，達到相同的供氧效果，脈沖供氧的耗氧量僅為連續供氧的1/6，目前呼吸脈沖供氧法已被廣泛應用于各類呼吸機中[7～12]。本文以變壓吸附制供氧工藝研制出便攜式制氧機，在連續供氧模式下的平均供氧流量為500ml/min～700ml/min，為提高便攜式制氧機的氧氣利用率，設計了微型壓力差壓開關檢測呼吸壓力的控制系統，以實現便攜式制氧機的呼吸脈沖供氧。

圖1 制供氧工藝流程示意圖

1 工藝設計

便攜式制氧機屬于小型制氧設備，小型便攜的基本內容包括：1）容易攜帶或移動，特別是能用手方便攜帶；2）自帶電源。因此，研制適合便攜使用制氧機的關鍵是減輕制氧機的體積和重量。綜合考慮制氧和供氧兩方面特殊的功能，為使結構簡單、運行穩定，采用變壓吸附制供氧技術工藝設計自備電源的便攜式制氧機。變壓吸附法制氧原理是根據沸石等分子篩對氧氣和氮氣吸附性能不同，在加壓條件下吸附氮氣，在減壓條件下解吸氮氣，從而分離出空氣中的氧氣和氮氣。

為連續穩定制取氧氣，便攜式制氧機采用低壓兩塔變壓吸附制氧工藝流程，如圖1所示。為節約能耗，提高制氧效率，制氧工藝增加了反吹過程，在吸附塔底部增加一個反吹孔，實現對分子篩的清洗。吸附塔為一體化組合化吸附塔，內裝超低壓高效鋰分子篩，有利于減小設備的體積重量并降低壓縮機功耗；電磁閥為組合化的專用電磁閥，集成在吸附塔上，結構緊湊，控制方便。供氧工藝采用依呼吸頻率供氧的方式，采用微動差壓開關準確檢測人體呼吸頻率，由單片機控制供氧電磁閥的開閉，實現吸氣時供氧，呼氣時停止供氧，但氧氣制備過程是連續的，不因呼氣時供氧停止而停止，從而有效提高了氧氣的利用率。

2 系統設計

2.1 呼吸脈沖供氧原理

人體正常呼吸時，呼和吸的氣量隨頻率而變。圖2為三種呼吸頻率下的呼吸氣量波形，從圖中可以看出，一個呼吸周期為2s～4s，吸氣時間小于呼氣時間[13]。在吸氣階段的前0.5s內，吸氣量最大，因此在吸氣的前0.5s供氧是最有效的。采用鼻吸管呼吸時，人體對氣體的吸入和呼出產生的壓力隨時間的變化關系基本上呈正弦函數關系[14]。當人正常吸氣時，鼻吸管內的壓力呈相對負壓狀態，而呼氣時壓力則呈相對正壓的狀態。為能靈活、準確地采集呼吸壓力的變化，本設計設置的壓力傳感器閾值為20Pa[15,16]。

圖2 三種呼吸頻率下的呼吸氣量波形圖

2.2 呼吸脈沖供氧管路

根據呼吸時的壓力變化，設計的呼吸脈沖供氧管路連接如圖3所示，儲氧罐中的氧氣先經過電磁閥，通過三通一端連接壓力傳感器，另一端與人鼻相連。采用的壓力傳感器是美國Dwyer公司的機械型的微型壓力差壓開關，可以測正壓，即呼氣；也可測負壓，即吸氣（如圖4所示）。本系統是對呼吸時的吸氣動作進行檢測，所以采用了負壓形式。

根據微動壓力開關的內部結構，兩個引出的終端是不導通的，當吸氣時，鼻吸管內呈現負壓狀態，內部的兩個金屬薄片就會接觸在一起，從而使兩個終端導通，通過單片機程序的控制，供氧電磁閥導通，實現供氧；當呼氣時，鼻吸管內呈現正壓狀態，金屬薄片斷開，從而電磁閥關閉，停止供氧。

供氧電磁閥采用歐卡達公司的OKD-0520B微型兩通常閉式電磁閥，其體積小巧、質量可靠，便于與制供氧氣集成。電磁閥的工作電壓為12V，工作電流為125mA，單片機的控制信號經74LVC04反相器取反后再由達林頓管UN2003放大后再驅動電磁閥。由于UN2003是大電流、高耐壓的復合晶體管陣列，它由七個硅NPN復合晶體管組成，所以換向電磁閥、壓縮機以及供氧電磁閥均由達林頓管UN2003驅動。

圖4 微動壓力開關內部結構圖

2.3 控制系統軟件設計

脈沖供氧時，壓力傳感器檢測人體的呼吸信號，當壓力傳感器檢測到呼吸信號時，由單片機控制電磁閥的開閉狀態，從而實現脈沖供氧。脈沖供氧主程序如圖5所示。根據人體正常呼吸的規律，在吸氣階段的前0.5s內吸氧最有效，為此設計供氧電磁閥的導通時間為0.5s。

圖5 脈沖供氧主程序流程

在脈沖供氧模式下，若出現鼻吸管脫落或出現呼吸困難等問題，單片機檢測不到呼吸信號，則通過蜂鳴器進行報警提示。具體方法是，每檢測一次呼吸信號后，計時器開始計時，若在設定的時間內檢測到下一次呼吸信號，則計時器清零，正常供氧；若在設定的時間內沒有檢測到呼吸信號，則蜂鳴器報警提示，為防止有呼吸困難等意外事件的發生，供氧電磁閥打開，實行連續供氧方式。

3 性能評價

將鼻吸管與便攜式制氧機相連，啟動制氧機，吸氣時能感覺到氣體供應存在，停止吸氣時則無氣體感覺，說明可實現依呼吸頻率供氧。由于人體實際使用脈沖供氧時，供氧流量和氧氣濃度直接測量困難，因此試驗時采用單片機以一定頻率控制電磁的開閉來模擬人體的呼吸頻率。用排水法測量1min內制氧機制取氧氣的體積，用氧氣分析儀測量氧氣濃度，計算出單次吸氧量，實驗結果如表1所示。

表1 便攜式制氧機脈沖供氧性能

設計的脈沖供氧電磁閥導通時間是固定的，不隨呼吸頻率改變而變。從表1可以看出，隨著呼吸頻率的增加，制氧機的產氧流量和供氧流量也相應增加，單次吸氧流量會逐漸降低，而且隨著呼吸頻率的增加，氧氣濃度逐漸降低，呼吸頻率越快，氧氣濃度越低。這是因為呼吸頻率越快，制氧機排氣量越大，吸附塔內的壓力越低，導致吸附不完全，造成氧氣濃度降低。但當呼吸頻率在每分鐘20次以下時，氧氣濃度大于90%。

4 結論

以微型壓力差壓開關檢測人體的呼吸頻率，代替傳統用壓力傳感器檢測呼吸壓力的方法，既簡單準確又穩定可靠，可有效降低電磁閥的誤操作，降低氧氣錯誤輸出的概率，大大節約了制取的氧氣，提高了氧氣利用率，相對地降低了制氧機的體積、重量和能耗，解決了便攜式制氧機的瓶頸問題，同時也為其他類型供氧系統的設計提供了借鑒。

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