?家用制氧機(jī)工作原理是什么，需滿足哪些標(biāo)準(zhǔn)？

近年來，隨著人們生活水平的改善，健康理念的深入，以及老齡化社會的到來，家庭用氧的需求日趨增大，使得制氧機(jī)行業(yè)得到迅速發(fā)展，并逐步成為新興的家用電器之一。

制氧機(jī)龍頭企業(yè)之一——魚躍制氧機(jī)市面在售的超過30個機(jī)型，囊括院用、家用、高原、車載、戶外便攜等全領(lǐng)域應(yīng)用場景，其在2021年制氧機(jī)銷量就突破了100萬臺。

除此外，歐姆龍、沈陽新松醫(yī)療、北京誼安健康、海爾家庭醫(yī)療、沈陽海龜醫(yī)療、飛利浦等制氧機(jī)企業(yè)也較為知名，相關(guān)業(yè)績增長較快。

近期，隨著新冠疫情管控全面放開帶來的新冠感染人數(shù)快速攀升，中國多個地方醫(yī)療資源出現(xiàn)緊缺，廣大人民群眾發(fā)起了自救行動，在家里備一臺制氧機(jī)成為很多人的選擇，相關(guān)制氧機(jī)企業(yè)的訂單也是翻倍增長。

熱銷的制氧機(jī)

那么，家用制氧機(jī)和醫(yī)用制氧機(jī)有何區(qū)別，如何挑選一臺合適的家用制氧機(jī)？接下來，為了幫大家深入了解制氧機(jī)的工作原理和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，我們進(jìn)行相關(guān)解讀。

氧氣對于人類生存和健康至關(guān)重要，它關(guān)乎著人體的新陳代謝過程。醫(yī)學(xué)界將30%濃度的氧稱為“富氧”，又稱“生命氧”，在此氧濃度環(huán)境下，體力機(jī)能、大腦智力、血液氧濃度均達(dá)到人體最佳狀態(tài)。

氧保健起源于西歐，被人們當(dāng)作一種高級健身的方法。上世紀(jì)80年代以來，墨西哥、美國、日本相繼開展氧保健。在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家，約20%以上的家庭擁有小型制氧設(shè)備，供家人進(jìn)行氧保健。氧療和氧保健的出現(xiàn)，意味著人們對于氧氣的需求由完全仰賴自然向進(jìn)一步自主爭取進(jìn)行轉(zhuǎn)變，開啟了氧氣與人類供需方式的新篇章。

■?國內(nèi)外家用制氧機(jī)現(xiàn)狀

分子篩制氧機(jī)由美國于1960年開發(fā)研制成功，1970年實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，并迅速在世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。美國市場呼吸類產(chǎn)品——制氧機(jī)的需求比率為37%。美國以外地區(qū)需求量總計僅約等于美國之需求。從上世紀(jì)70年代開始，分子篩制氧機(jī)得到迅速發(fā)展，而最近幾年的發(fā)展勢頭更為旺盛。目前分子篩制氧機(jī)主要生產(chǎn)地有美國、德國、英國、加拿大、韓國和日本。

家用制氧機(jī)

據(jù)WHO統(tǒng)計，全球呼吸醫(yī)療支出約為4800億美元，呼吸類產(chǎn)品占32%，市場需求每年約增長11%。隨著各國政府保健政策的加強(qiáng)，以及環(huán)境空氣質(zhì)量惡化，導(dǎo)致呼吸類傳染疾病的增多，再加上全球人口老齡化等原因，都將對制氧機(jī)市場的增長帶來深遠(yuǎn)影響。

據(jù)2021年5月公布的第七次人口普查結(jié)果，我國60歲及以上人口為2.64億人，占18.70%(其中，65歲及以上人口為1.91億人，占13.50%)。與2010年相比，60歲及以上人口的比重分別上升5.44個百分點(diǎn)。隨著我國老齡人口的增加，老年病成為困擾社會和家庭的難題。由于我國保健用家用制氧設(shè)備剛剛起步，目前家庭擁有率不足1%。

有醫(yī)學(xué)文獻(xiàn)表明，吸氧對于緩解和預(yù)防老年人心腦血管疾病、呼吸系統(tǒng)疾病具有良好的效果。氧療和氧保健能夠促進(jìn)人體身心健康，使人精力充沛，增強(qiáng)人們承受緊張、壓力的能力；尤其對提高中老年人機(jī)體的抗病能力，減輕病癥、加速康復(fù)和避免后遺癥等方面具有較好的效果。因此，家用制氧機(jī)作為一種適合家庭使用，提升中老人生活品質(zhì)和促進(jìn)健康的產(chǎn)品，具有十分廣闊的發(fā)展前景。

■?家用制氧機(jī)工作原理

1. 制氧原理

目前，家用制氧機(jī)主要有變壓吸附式和膜分離式兩種制氧方式。其中，變壓吸附法制氧也稱為分子篩制氧。

變壓吸附法：利用分子篩對特定氣體的吸附和釋放能力的不同而進(jìn)行氣體分離。吸附和釋放單一氣體的大小在不同壓力變化下有所降低或增加，如在高壓狀態(tài)下，分子篩對單一氣體的吸附容量增大；在低壓情況下，其釋放氣體的量增大。分子篩通過反復(fù)對氣體的吸附與釋放而得到相應(yīng)的氣體。變壓吸附法具有能耗少、成本低的優(yōu)點(diǎn)。

分子篩制氧機(jī)工作原理

膜分離法：采用半滲透膜將空氣中的氧氣和氮?dú)膺M(jìn)行分離。在不同壓力下，氧氣和氮?dú)獯┻^半滲透膜的能力不同，壓力大則氧氣滲過膜的速度快。膜分離法具有成本低、工藝簡單的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是對滲透膜的性能要求高，制出氧氣濃度的高低極度依賴膜的滲透性能好壞。

變壓吸附式家用制氧機(jī)制出的氧氣濃度初始值可達(dá)93%以上，膜分離式家用制氧機(jī)制出的氧氣濃度初始值通常在30%左右。本文以變壓吸附式制氧機(jī)為例介紹制氧機(jī)的工作原理。

2. 家用制氧機(jī)工作原理

制氧機(jī)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)主要包括：進(jìn)氣過濾裝置、進(jìn)氣消音裝置、空氣壓縮機(jī)、散熱冷卻裝置、分子篩制氧系統(tǒng)(吸附塔)、電磁閥、控制電路及流量計。

制氧系統(tǒng)、壓縮機(jī)、控制板為制氧機(jī)的三大主件。其中，制氧系統(tǒng)工藝最復(fù)雜，也是制氧機(jī)中的核心部件，它融合了氣動原理機(jī)構(gòu)、管路氣壓配合系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)壓力部件、材料應(yīng)用、密封結(jié)構(gòu)等各種工藝的集成組合。

圖1為制氧機(jī)制氧系統(tǒng)氣路結(jié)構(gòu)，圖1中①進(jìn)氣過濾器；②壓縮機(jī)；③電磁閥；④單向閥；⑤分子篩塔；⑥均壓閥；⑦單向閥；⑧調(diào)壓閥；⑨排氣消音器。

圖1 制氧系統(tǒng)氣路結(jié)構(gòu)

制氧機(jī)的工作原理是利用分子篩變壓物理吸附和變壓解吸的技術(shù)，通過內(nèi)嵌的分子篩，在加壓時，可將空氣中氮?dú)馕?，未被吸收的氧氣被收集，?jīng)過凈化處理后，即成為高純度的氧氣。

當(dāng)壓力達(dá)到一定高度后，開始減壓，分子篩將吸附的氮?dú)馀欧呕丨h(huán)境空氣中。在下次加壓時，又可以通過吸附氮?dú)鈦碇迫⊙鯕?，整個過程為周期性的動態(tài)循環(huán)過程。分子篩的解析過程如圖2所示。

圖2 分子篩解析過程

目前所有醫(yī)療用制氧機(jī)均采用PSA變壓吸附，空氣分離制氧技術(shù)，該技術(shù)是基于吸引劑(沸石分子篩)對空氣中氮?dú)?、氧氣的吸附能力的差異來?shí)現(xiàn)氧氣和氮?dú)獾姆蛛x，當(dāng)空氣進(jìn)入裝有吸附劑的床屋時，氮?dú)馕侥芰^強(qiáng)被吸附，而氧氣不被吸附，這樣可以在吸附床出口端獲得高濃度的氧氣。由于吸附劑的吸附量具有隨壓力變化的特性，改變其壓力，可使吸附交替進(jìn)行。

家用變壓吸附式制氧機(jī)具體工作過程為首先進(jìn)行壓縮空氣，經(jīng)空氣純化干燥機(jī)凈化后，通過切換閥進(jìn)入吸附塔，在吸附塔內(nèi)，氮?dú)獗环肿雍Y吸附，氧氣在吸附塔頂部被聚集后進(jìn)入氧氣儲罐，再經(jīng)除異味、除塵過濾器和除菌過濾器過濾即獲得潔凈的氧氣。

■?《家用制氧機(jī)》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QB/T5368-2019解讀

1. 制定背景

1985年，美國的Praxair公司研制出第一臺小型制氧機(jī)，標(biāo)志著分子篩技術(shù)小型化的開始，使得制氧機(jī)開始進(jìn)入普通家庭。我國1998年國家醫(yī)藥管理局批準(zhǔn)了YY/T0298－1998《醫(yī)用分子篩制氧設(shè)備通用技術(shù)規(guī)范》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；2009年，國家食品藥品監(jiān)督管理局出臺了YY0732－2009《醫(yī)用氧氣濃縮器安全要求》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但針對普通用戶使用的家用制氧機(jī)標(biāo)準(zhǔn)依舊是空白。

由全國家用電器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會技術(shù)歸口，工業(yè)和信息化部批準(zhǔn)發(fā)布的QB/T5368-2019《家用制氧機(jī)》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，改變了我國只有醫(yī)用制氧機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀，為小型化非醫(yī)用制氧機(jī)進(jìn)入普通消費(fèi)者家庭提供了技術(shù)依據(jù)。

QB/T5368-2019《家用制氧機(jī)》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)針對目前市場上的家用制氧機(jī)的主要制氧技術(shù)，對變壓吸附式制氧技術(shù)和膜分離式制氧技術(shù)分別做出了技術(shù)要求。其中，變壓吸附制氧也可稱為分子篩制氧，制出的氧氣濃度高，是市場上的主流產(chǎn)品；膜分離制氧是利用膜分離法從空氣中分離制取氧氣，制出的氧氣濃度較低。

2. 產(chǎn)品分類

2.1按氣體分離原理分類的家用制氧機(jī)

變壓吸附制氧機(jī)(圖3)。該類型產(chǎn)品可用于家用保健氧療領(lǐng)域，主要性能可達(dá)醫(yī)用級別，制氧高效。

圖3 變壓吸附制氧機(jī)

膜分離制氧機(jī)(圖4)。該類產(chǎn)品可用于戶外，優(yōu)點(diǎn)是便于移動，體積小，價格低，但制氧濃度較低，適合保健用氧。

圖4 膜分離制氧機(jī)

2.2 按產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分類的家用制氧機(jī)

圖5 分體式制氧機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行示意圖

該類型產(chǎn)品多用于大戶型、別墅、商業(yè)或高原集體供氧。規(guī)格通常在10L以上。

3. 主要技術(shù)指標(biāo)

3.1正常使用環(huán)境

制氧機(jī)在下列環(huán)境條件下應(yīng)能正常使用：

3.2 流量偏差

家用制氧機(jī)的額定流量偏差范圍為±10%或±0.2L/min，兩者中取較大值。

高原用制氧機(jī)流量會隨著海拔高度的變化而變化，具體數(shù)值可參考表1。

表1制氧機(jī)流量比值與海拔高度對應(yīng)關(guān)系表

注：表1中所述實(shí)際流量為相應(yīng)的海拔高度下所產(chǎn)出的富氧氣體的標(biāo)況值。

流量偏差是很多氣體設(shè)備常見的誤差特性，QB/T5369-2019標(biāo)準(zhǔn)的流量偏差范圍值和醫(yī)用標(biāo)準(zhǔn)保持一致。同時增加了關(guān)于高原氣壓變化帶來的誤差區(qū)間。

3.3 氧濃度

氧濃度是制氧機(jī)產(chǎn)品證明其產(chǎn)品性能最終指標(biāo)的重要參數(shù)之一。QB/T5368-2019標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在額定流量下，基于變壓吸附原理的制氧機(jī)的氧濃度應(yīng)不低于90%，基于膜分離原理的制氧機(jī)的氧濃度應(yīng)不低于30%。相對于醫(yī)用制氧機(jī)標(biāo)準(zhǔn)氧氣濃度≥90%，QB/T5369-2019標(biāo)準(zhǔn)對家用產(chǎn)品中根據(jù)工藝特性出現(xiàn)的膜分離制氧機(jī)產(chǎn)品也予以了覆蓋。

QB/T5368-2019標(biāo)準(zhǔn)重點(diǎn)關(guān)注家用制氧機(jī)的核心技術(shù)指標(biāo)包括氧濃度、氧氣潔凈度、噪聲等關(guān)鍵技術(shù)要求。其中，氧濃度作為制氧機(jī)的核心參數(shù)，也是消費(fèi)者選購時必須格外關(guān)注的參數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)要求變壓吸附制氧機(jī)的氧濃度應(yīng)不低于90％，主要考慮的是能夠有效地解決缺氧這個用戶的痛點(diǎn)，以及可以實(shí)現(xiàn)小范圍彌散式供氧的需求。

3.4氧濃度報警

無論是變壓吸附制氧機(jī)還是膜分離制氧機(jī)，在使用一段時間后，都會出現(xiàn)氧濃度逐步下降的現(xiàn)象，為了保證用戶使用效果，QB/T5368-2019要求在如下情況時制氧機(jī)應(yīng)有報警警示：

——當(dāng)基于變壓吸附原理的制氧濃度低于70%~74%時；

——當(dāng)基于膜分離原理的制氧濃度低于25%~27%時。

上述指標(biāo)的設(shè)置，既參考了成熟的醫(yī)用制氧機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的要求，又考慮了滿足家庭使用的需求，其中膜分離式制氧機(jī)氧濃度的要求主要出于要能滿足富氧條件。

3.5噪聲

膜分離原理制氧機(jī)的聲功率級噪聲應(yīng)不大于50dB(A計權(quán))。變壓吸附原理制氧機(jī)的聲功率級噪聲應(yīng)符合表2的要求。

表2家用制氧機(jī)噪聲限定值

以上數(shù)據(jù)的設(shè)立是起草工作組在大量實(shí)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合產(chǎn)品生產(chǎn)工藝管控驗(yàn)證的結(jié)果，符合日常家居產(chǎn)品的范圍要求。采用膜分離技術(shù)的制氧機(jī)的噪聲通常比變壓吸附的要小，消費(fèi)者可根據(jù)自己的使用需求選購相應(yīng)產(chǎn)品。

3.6 計時器

家用制氧機(jī)需配置計時器，計時器應(yīng)能累計制氧機(jī)的使用時間，以小時(h)或分(min)為單位。計時器的配備，便于為用戶提供更好的使用體驗(yàn)和保養(yǎng)提示。

3.7 高、低溫貯存

高溫貯存：將制氧機(jī)不通電置于與室溫一致的試驗(yàn)箱內(nèi)，使試驗(yàn)箱溫度逐漸升到(55±3)℃，保持1h。取出并存放于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下最少lh，使其恢復(fù)至室溫下，再通以額定電壓通電運(yùn)行。

低溫貯存：將制氧機(jī)不通電置于與室溫一致的試驗(yàn)箱內(nèi)，使試驗(yàn)箱溫度逐漸降到 (-40±2)℃，保持4h。取出并存放于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下最少lh，使其恢復(fù)至室溫，再通以額定電壓通電運(yùn)行。

按照上述條件試驗(yàn)后，制氧機(jī)應(yīng)能正常啟動運(yùn)轉(zhuǎn)，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)無變形或開裂，且氧濃度符合要求。

■?發(fā)展前景預(yù)測

統(tǒng)計分析表明，家用制氧機(jī)將以膜分離式和變壓吸附式為主，而變壓吸附式將占據(jù)主流。由于產(chǎn)品集成式的應(yīng)用，從而預(yù)計家用制氧機(jī)未來將會在以下幾個方面取得進(jìn)展。