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国产小型医用氧气机变压吸附控制系统的可靠性探讨
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以前，家用医用氧的获得都是采用的钢瓶氧供给方式，即制氧厂通过高压深冷工艺方法，把空气中的氧气分离出来之后，预先装在能承受1.47Pa×10.7(150kg f/cm2)压力的钢瓶里。若需要在家用氧，就把这种预先装好氧气的钢瓶运回家去使用，氧气用完后，又把空钢瓶送回到制氧厂去灌装或更换预先装好氧气的氧气钢瓶。钢瓶很笨重，运输很不方便，加之钢瓶内装有高压氧气，既易燃又易爆，运输氧气瓶是非常危险的工作，必须是专业运输 。一瓶钢瓶氧满打满算也只有相当于6m3的常压氧气，若每分钟吸2L氧气，只能用50小时。实际上因压力不足、氧纯度不够等多种原因，一般只能使用40多小时，若每分钟吸氧3L，则只能用30多小时。近百年来，希望长期在家用氧者都感到使用钢瓶氧非常麻烦，不到非用不可的程度，都尽量不用。钢瓶氧的供氧方法制约了家庭的用氧。
随着科技的发展，社会的进步，制氧方法也得到了发展。由于变压吸附气体分离技术的出现,使得分离空气的工作不再是一定要在气体制造厂完成，变得可以在使用氧气的地方进行， 它是气体分离技术的革命，也促成了小型医用氧气机的诞生。
采用变压吸附气体分离技术生产的小型医用氧气机，是采用分子筛变压吸附技术（PSA），将空气中的氧气与氮气分离，并滤除空气中的有害物质，获取符合医用氧标准的高纯度氧气。该方法制氧成本低，不需任何辅料，耗电量小，使用方便，操作简单，氧流量在一定范围内可调，且随用随制，可持续性供氧。小型医用氧气机的全套气路均为低气压系统，使用安全。由于小型医用氧气机在家庭中使用的优点明显，所以，小型医用氧气机的生产和技术都得到了较快的发展。
采用变压吸附气体分离技术生产的小型医用氧气机，其变压吸附控制系统的可靠性是整机制 氧的关键。如果控制系统出现控制换向失败，小型医用制氧机则不能制氧。即使是偶尔出现控制失败，也会对整机制氧性能造成很大的影响，直接影响到制氧浓度及分子筛的使用寿命。
我国采用变压吸附气体分离技术生产的小型医用氧气机，其主要结构都是用小型无油压缩机，适时采集并压缩周围的空气，压缩空气的压力一般都在19.61Pa×10.4(2kg f/cm2)以内，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，两种工作交替交换进行，交换的时间大约在10s上下。因此，要求变压吸附控制系统：(1)控制的时间要准确，时间的准确度直接影响到变压吸附的压力和保压时间，影响到制氧的效果；(2)换向阀的换向压力较低，满足系统压力较低的条件，换向阀的换向压力高于系统压力，换向阀则无法实现换向；(3)使用寿命长，因为其换向频率相对较高，长期使用换向阀必须耐磨损。
目前，我国国内生产变压吸附小型医用氧气机的厂家已有十多家，产品各有特点，根据控制系统的结构特点，主要的可以分为六种类型。现就其硬件结构特点和特征作大概介绍，就其控制的可靠性作分析探讨。
1.二位五通单控滑柱式电磁阀控制系统
硬件构成：二位五通单控滑柱式电磁阀，气路接头及气管，电子控制线路（板），隔离变压器，控制线路联线，电源线路联线等。
结构特征：二位五通单控滑柱式电磁阀，其内部结构特点是滑柱换向，弹簧复位。通过单向控制的电磁线圈的通断，使先导气体进入滑柱端，推动滑柱动作，达到气体换向的目的，复位用弹簧顶住滑柱复位。滑柱各段用密封圈密封。电子控制线路（板），隔离变压器，控制线路联线等通过控制电磁线圈的通断时间，使两个分子筛床在适当的气体压力下换向。
性能特点分析：滑柱式先导式电磁阀的结构特点是滑柱换向，滑柱各段用密封圈密封。为保证密封良好，要求密封圈与滑柱孔壁有一定的压力。二位五通阀的滑柱有六个密封圈，移动时摩擦阻力较大。装配时，密封圈和滑柱孔都要打油。
由于小型医用氧气机的空气压力都较低，所以要求滑柱的摩擦阻力要小。大多用于小型医用氧气机的滑柱式二位五通电磁阀都是特制的小摩擦阻力。
但在使用过程中，由于灰尘的逐渐堆积，滑柱的密封圈与滑柱孔的摩擦阻力就会增大，使得先导控制力不能推动，或者不能完全推动滑柱移位，导致换向失败。如果弹簧的复位力不够，也会导致换向失败。
另一种情况是，由于滑柱的密封圈长期运行磨损，导致密封出现泄漏，系统压力上升不到应有高度，先导控制力也不能达到需要的高度，不能推动或者不能完全推动滑柱移位，也会导致换向失败。
滑柱移位，或者不能完全移位而导致换向失败的情况，开始大多是偶尔出现，几次，几十分钟或更分散，使用者往往不易注意到，但对分子筛床的性能会产生较大的危害，制氧效果急剧下降。在实际使用中，一般等到使用者发现小型医用氧气机完全不制氧时，才知道是换向控制阀出了问题。
2.二位五通双控滑柱式电磁阀控制系统
硬件构成：二位五通双控滑柱式电磁阀，气路接头及气管，电子控制线路（板），隔离变压 器，控制线路联线，电源线路联线等。
结构特征：二位五通双控滑柱式电磁阀，其内部结构特点是双向都是滑柱换向。通过同时控制的两个电磁线圈的通断，使先导控制气进入滑柱一端，另一端排出先导气，推动滑柱动作，达到气体换器的目的。滑柱各段用密封圈密封。电子控制线路（板），隔离变压器，控制线路联线等通过控制电磁线圈的通断时间，使两个分子筛床在适当的气体压力下换向。
性能特点分析：二位五通双控滑柱式电磁阀是二位五通单控滑柱式电磁阀的改进，即把用弹簧复位的那一边，改为也用电磁线圈控制先导控制力。虽然在电子控制上有所改进，但滑柱式的导致换向失败的原因依旧并未得到改善，这种阀的换向失败导致控制失败的情况与二位五通单控滑柱式电磁阀基本相似。
3.电磁先导阀式气动阀控制系统
硬件构成：两个二位二通滑柱式电磁阀，两个二位三通气动阀，储气罐，储气罐单向进气阀，气路接头及气管，电子控制线路（板），隔离变压器，控制线路联线，电源线路联线等。
结构特征：用两个二位二（三）通单电控电磁阀分别作为两个二位三通气动阀的先导阀，两个二位二（三）通单电控电磁阀的导通气分别作为两个二位三通气动阀的先导气，控制两个二位三通气动阀的动作。二位二（三）通单电控电磁阀和二位三通气动阀的内部结构特点都是滑柱换向，弹簧复位。电子控制线路（板），隔离变压器，控制线路联线等通过控制两个二位二（三）通单电控电磁阀的电磁线圈的通断时间，就控制两个二位三通气动阀的气体流向，使两个分子筛床在适当的气体压力下换向。为了确保二位三通气动阀有足够的先导气推动滑柱可靠动作，该控制系统专为两个二位二（三）通单电控电磁阀设置了一个气路储气罐，通过一个单向阀与压缩机的排气系统连接，以保证储气罐的气体随时都处于系统的最高气压状态。
性能特点分析：该种变压吸附控制系统是用两个二位三通气动阀来分别控制两个分子筛床，虽然二位三通气动阀也是采用滑柱式先导控制气，但因为其滑柱的密封圈只有两个，位移阻力比起二位五通阀要小得多，位移换向的可靠性大大提高。同样，为二位三通气动阀提供先导控制气的二位二（三）通电磁阀，因为其滑柱密封圈只需两个，位移阻力小，能可靠的为 二位三通气动阀提供先导控制力。
4.二位四通膜式电磁阀控制系统
硬件构成：二位四通膜式电磁阀，气路接头及气管，电子控制线路（板），隔离变压器，控制线路联线，电源线路联线等。
结构特征：二位四通膜式电磁阀的内部结构特点是两个膜片变形实现气体换向。通过同时受电子控制的两个电磁线圈的通断，使先导控制气分别进入膜片的一面，膜片的另一排出先导气，推动膜片动作，达到气体换器的目的。电子控制线路（板），隔离变压器，控制线路联线等通过控制电磁线圈的通断时间，使两个分子筛床在适当的气体压力下换向。
性能特点分析：二位四通膜式电磁阀是通过膜片的变形动作来改变气流的方向。膜片是用橡胶等有机物质制作而成的，在0.8kg启动力下就能可靠变形，使控制系统可靠控制换向。
在1、2、3、4种控制系统中，除了使用换向阀之外，还都有电子控制线路（板），隔离变压器，控制线路联线等零部件，用以控制电磁线圈的通断时间，使两个分子筛床在适当的气体压力下换向。电子元器件、印刷线路板、接插件等的质量好坏也直接影响到控制系统的可靠性。尤其是第3种，不仅将一个阀用四个阀分而代之，还增加了储气罐、单向阀等零部件以及相应的气路和接头，使得其控制系统显得较为复杂。任何一个地方出了问题都会影响到控制系统的可靠性。
5.旋转阀控制系统（上海宝马投资有限公司专利产品）
硬件构成：一个单相永磁同步电机，一个专用旋转阀，两者紧密连接成一体，气路接头及气管，电源线路联线。
结构特征：一个专用旋转阀，主要由动静两部分组成，静片部分分成两部分，动片部分则和压缩机的排气紧紧相连。静片上动片所在的部分进气时，另一部分则处于排气状态，动片旋转到另一部分时，进气排气状态则相反。通过动片不断的旋转，分子筛的进排气就不断的进行换向。一个单相永磁同步电机的轴和专用旋转阀的动片紧密连接，带动动片的转动。
性能特点分析：由于旋转阀采用复合陶瓷材料制作，耐磨性好且摩擦阻力小，随着使用时间的延长，其动静结合面的光洁度会更好，气密性更好。旋转阀和单相永磁同步电机轴紧密组合而成，旋转阀的动作是由单相永磁同步电机强制制动产生，所以旋转阀的换向可靠性很高。单相永磁同步电机直接接220?V交流电，整个控制系统非常简单。
6.压力控制气动阀控制系统
硬件构成：一个二位五通金属密封阀，一个带先导控制气采集装置的阀座，两者紧密连接在一起，气路接头及气管等。
结构特征：二位五通金属密封阀的内部结构特点是，由衬芯的位移形成气体的换向。衬芯的一端有两个限位槽，限位槽内装有一限位环，衬芯在衬套内的位移由这两个限位槽和限位环一起控制，实现换向。衬芯两端的先导控制气推动衬芯发生位移，哪一端有先导气，衬芯则向另一端移动。装有先导控制气采集装置的阀座与二位五通金属密封阀紧密相连，不断地分别向衬芯的两端提供先导控制气，推动衬芯发生位移，使气体换向。先导控制气采集装置的采集气体压力是可调整的，从而也就调整了变压吸附系统的换向压力。
性能特点分析：该控制系统是完全由气动元件完成的控制系统。二位五通金属密封阀的衬芯在衬套内的位移换向由两个限位槽和限位环一起控制，随着使用时间的延长，两个限位槽和限位环可能受到机械磨损，形状发生变化，使两边的摩擦阻力产生较大差异，可能出现一边 换向的先导控制力小一些，另一边则需要大一些的先导控制力才能换向，这样两个分子筛床换向的压力不一样，使变压吸附系统出现换向压力不平衡，性能下降，直至制氧失效。
结束语：综上所述可以看出，第5种控制系统结构既简单又可靠，在实际的小型医用氧气机的使用中，此种控制系统故障率是很低的。第3、4种控制系统结构也是较为可靠的。第1 、2、6种控制系统结构的可靠性相对要差些。 |
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