随着人民对高质量生活的不断追求，吸氧疗法逐渐引起大众的关注。吸氧疗法简称“氧疗”，是医学领域的一种重要治疗方法，主要用于患者的彻底康复或者保健 ^[1]，对增强体质、预防疾病具有积极作用 ^[2]。有氧运动是一项有益于身心健康的运动项目，对心血管系统功能的提升大有助益，同时，还可以改善心理状态、延缓大脑衰老。运动疗法是康复训练中常用的技术手段，是指借助工具进行主动运动或者被动运动，以达到人体肌肉与关节训练的目的，使其尽可能恢复正常功能，或者提升肌肉和关节的状态 ^[3]。运动疗法与吸氧有机结合能够增强锻炼效果 ^[3]。因此，本研究设计了一种康复制氧装置，并进行了试用，取得了良好的效果，可在临床治疗、家庭康复中推广使用。

1  制氧工作原理及流程

本研究采用变压吸附制氧机制，采用分子筛为吸附剂。主要工作原理是加压促进吸附、降压促进解吸。制氧过程为：氮分子在分子筛微孔中的扩散速率明显高于氧分子，当制氧装置进入加压、减压循环周期后，两个分子筛吸附塔可以交替工作，通过分离氮气制备出高纯度的氧气。

双塔设置是小型制氧机中最常见的一种方式，这种设置方式可以通过两个吸附塔的交替工作提高工作效率。本研究就是根据变压吸附制氧原理，实现氧气的分离、制取 ^[4]。

该制氧装置的制氧流程如图 1 所示。首先对空气进行过滤，过滤后的空气经压缩机压缩后形成高压空气，并再次进行过滤，将过滤后的高压空气传输至缓冲罐，冷却，然后将冷却后的气体经旋转分离阀输送至分子筛吸附塔，在分子筛吸附塔中进行吸附分离后产生高纯度氧气。

图 1 制氧装置的制氧流程

2  康复制氧装置设计

2.1  动力传动模块的设计

动力传动模块如图 2 所示，包括脚蹬或手摇柄、变速机构；脚蹬或手摇柄连接转动件链轮、变速机构，经变速机构提速，将运动的动能传递至压缩机。

图 2 动力传动模块设计图

运动者调节到适合自身体能的模式和状态，进行脚蹬或手摇，通过牙盘、链条和变速轮实现两次转速提升，使压缩机的转速达到 350 r / min 以上，以满足制氧所需压缩空气。

根据传动比计算大链轮直径，通常传动比应 <6，在 2 ~ 3.5 最适宜 ^[5]。

一级加速装置，选取大轮 52 齿，小轮选16 齿，传动比（i12 ） = 主动轮齿数 / 从动轮齿数 =52/16 = 3.25‥1。

二级加速装置主动轮选取 32 齿，从动轮选取12 齿，传动比（i34）= 2.67：1。

总传动比（i）= （Z₁/ Z₂）× （Z₄ / Z₃）=（52/16）×（32/12）= 8.67，式中，Z₁ 为第一级传动主动齿轮齿数，Z₂ 为第一级传动被动齿轮齿数，Z₃ 为第二级传动主动齿轮齿数，Z₄ 为第二级传动被动齿轮齿数。链轮 Z₁  转动 1 圈，压缩机转动 8.67 圈，按链轮每分钟转 40 圈，压缩机每分钟大约转 346.8 圈。

2.2  压缩机的设计

压缩空气的产生离不开空气压缩机，该设备的链轮通过二级增速机构为压缩机提供动力源，供压缩机内部元器件的运转使用。由于空气的吸入量受压缩机转速的影响，因此产生的氧气浓度是否达标也受到转速的制约。由此可见，压缩机的平稳运转对制氧质量起着至关重要的作用 ^[6]。

压缩机应保持提供足够的输出压力和流量，才可以保证制出的氧气浓度符合要求 ^[7]。例如鱼跃 1 L 制氧机，制氧能力为每分钟流量为 1~2 L 氧气，其压缩机功率为 105 W，转速为 1 440 r / min，输出压缩空气的流量为 20 L 左右，压力为 1.2 MPa，经测试15~20 L 压缩空气可产生 1 L 高浓度氧气。

本装置对空气压缩机的要求：首先，压缩机的排气压力 > 0.1 MPa；其次，空气压缩机的排气流量应为产氧量的 20 倍左右，本研究设计的制氧装置氧流量最大可达 3 L/min，本研究设置空气压缩机的排气量需 > 20 L/min；在制氧过程保证无油性气体产生 ^[8]。

因此，本研究最终使用了 ZB100 小型活塞式低压无油空气压缩机（山东宏润），如图 3 所示。经测试，这款压缩机的排气压力约为 0.12 MPa，排气量为 20 L/min，由于人力模式速度无法保持恒定，因此增加 1 个缓冲罐可保证输出压力稳定。经测试，产生的压缩空气可以满足需求。

图 3 空气压缩机实物图

2.3  制氧模块设计

制氧模块的设计根据医用制氧机最典型的变压吸附制氧原理，分子筛变压吸附法制氧以其能耗低、成本低等优势，在制氧设备中得到广泛应用 ^[9]。分子筛变压吸附制氧是把空气中的氧气与氮气及其他气体分离，得到氧气。

分子筛吸附塔的循环工作需要通过控制气流方向来实现，而气流方向的改变可通过阀门进行控制。本研究采用旋转分离阀控制，所以重点研究吸附时间和解析时间对制氧效果的影响。分离阀转速不同，制氧效果不同，经多次试验发现，当电动旋转分离阀转动 1 圈时间为 10 s 即转速是 6 r/min 时，制氧效果最佳。

在分子筛变压吸附的制氧过程中，分离阀的控制是关键，缓冲罐的压缩空气通过旋转分离阀先后进入分子筛吸附塔 A、B 进行吸附分离，分离阀通过改变吸附周期调节进气和排气的流动方向。以制氧过程中 1 个循环为例（图 4），压缩空气进入吸附塔 A，此时旋转阀门 FA1、FA2 打开，FB1、FB2 是关闭的，吸附塔 A 内的分子筛可以有效吸附压缩空气中的氮分子，剩余的氧气则可以自顶端的三通中流出，流出的氧气被分为两部分，其中一小部分用于反吹吸附塔 B，此时吸附塔 B 处于解吸状态，另一大部分氧气则经过流量计输出。在吸附塔 A中分子筛达到吸附饱和临界状态前，旋转阀将阀门FA1、FA2 关闭，FB1、FB2 打开，进气被切换到吸附塔 B，同时对吸附塔 A 减压解吸，解吸的氮气经分离阀排出。吸附塔 B 工作过程同吸附塔 A 完全相同，两者交替工作就可以连续产生氧气。

分子筛吸附塔 A 和分子筛吸附塔 B 的氧气排放口连接氧气浓度传感器、流量计，用于监测所制氧气的浓度和流量。

图 4 循环制氧过程

2.4  电路模块设计

电路部分（图 5）所需电源由一 12 V 微型发电机提供，将压缩机主轴与发电机轴通过联轴器相连，压缩机转动同时带动发电机发电，发出的电经保护模块给蓄电池充电，蓄电池输出的电压经稳压模块稳定在 12 V，供给分离阀驱动电机。

在制氧过程中，发电机输出的直流电压可以达到 14 V，通过充放电保护模块和限制电流方向的二极管对 12 V 铅酸电池充电。

电路模块还包括与蓄电池连接的蓄电池充放电保护模块。该模块可以实现过压保护（当发电机电压 > 14 V 时，过压保护电路动作，切断电压输入）和蓄电池欠压保护（如果蓄电池在放电过程中，电压 < 11 V 时，欠压保护电路动作切断蓄电池输出）。制氧旋转分离阀驱动电机需要精确稳定的电压才可以达到理想的制氧效果，在电池的输出端安装一个三端稳压模块 LM7812，为驱动电机提供稳定电压。

图 5 电路部分示意图

2.5  控制模块设计

该装置控制面板包括压力表、流量计、测氧仪、体力与助力模式转换开关。在康复运动动能制氧系统测试实验中，需要显示并测量的参数包括流量、压力、氧气浓度等。各参数采用的检测设备见表 1。

表 1 各参数采用的检测设备

在蓄电池和电源保护模块之间接有一可调压力开关，当压缩空气达到一定压力（如 0.05 MPa）时，该开关闭合。此时，12 V 铅酸电池通过充放电保护模块和三端稳压集成电路 LM7812，为旋转分离阀提供稳定的直流 12 V 驱动电压，交替供应分子筛吸附塔 A 和分子筛吸附塔 B 压缩空气，达到最优的制氧效果。当压缩空气压力低于 0.05 MPa 时，可调压力开关电池供电断开，可防止忘记关闭体力模式开关时保护电池，而且压力太低时即使电动旋转分离阀工作也无法产生合格的氧气。

在体力工作模式下，运动者通过驱动链轮将动能传递至空气压缩机完成制氧过程。当运动者疲劳时，将开关置于助力模式，电源接通调试模块为助力电机供电，选择合适的速度来驱动压缩机，在持续制氧同时可以缓解运动者的疲劳。

压缩空气缓冲罐接有压力表，用户可通过控制面板监测压力值。

2.6  助力系统设计

康复运动动能的制氧装置助力模块包括助力医用电源以及助力电机。助力电机连接空气压缩机，在助力模式下，启动助力电源，由康复运动的动能以及助力电机共同驱动空气压缩机。

在助力模式下，可以由体力和电力共同驱动压缩机。如选择助力模式，运动者可通过调节 20 ~60 W 调速器来选择合适的速度，用 DC 24 V 助力医用电源驱动助力电机，此时运动者和电机共同驱动压缩机。也可以选择定助力巡航，通过把手电位器、定助力巡航按钮、刹车启动和停止定助力巡航。同时可以通过调节流量计的阀门将输出氧气流量控制在 0.6 ~ 1.0 L/min 范围内，配合体力驱动压缩机产生 0.09 ~ 0.13 MPa 压缩空气，制得氧含量 90% 以上的氧气。该模式适合体力较差的人进行康复、保健、健身等活动。

3  性能测试

康复制氧装置的制供氧性能测试内容主要包括氧气流量和氧气浓度。采用美国 Maxtec MaxO2 型氧浓度检测仪测量氧气浓度，用 LMP O₂ 型气体流量计测量氧气流量。康复制氧装置在体力模式下完全不需要外部电源，连续测试 40 min，每分钟记录 1 次制氧装置在 0.5 L/min 和 1.0 L/min 时的氧气浓度。试验结果见图 6 和图 7。图 6 为体力模式下氧流量 0.5 L/min 连续工作 40 min 的制氧性能测试结果。图 7 为体力模式下氧流量 1.0 L/min 连续工作 40 min 的制氧性能测试结果。测试结果表明，在氧气流量 0.5 L/min 供氧模式下，氧气浓度均 > 90%，最高可达 93.4%，制氧效果良好；制氧流量稳定保持在 1.0 L/min，氧气浓度基本稳定在90% 以上；此外，氧流量增加时氧浓度下降。

图 6 体力模式制氧性能测试（氧流量 0.5 L/min）

图 7 体力模式制氧性能测试（氧流量 1.0 L/min）

将制氧模式切换至助力模式，重复上述制氧测试，测试结果如图 8 和图 9 所示。图 8 为助力模式下氧流量 0.5 L/min 的制氧性能测试结果，图 9 助力模式下氧流量 1.0 L/min 的制氧性能测试结果。测试结果表明，在助力模式下，氧气浓度均 > 90%，最高可达 94%。在此模式下，氧气浓度亦随氧流量的上升而下降。

图 8 助力模式制氧性能测试（氧流量 0.5 L/min）

图 9 助力模式制氧性能测试（氧流量 1.0 L/min）

本研究试验结果显示，在体力和助力模式下，氧气浓度均可达到 90% 以上，符合设计要求。

4  总结

本研究设计了一款制氧装置，通过康复者自身运动产生氧气，可用于运动中吸氧，也可先存储于氧气袋供运动后吸氧。通过对康复运动动能的有效利用，康复者可获得成就感，并对自身体能更认可，增强了康复信心，身体和心理两方面素质都得到改善，可在临床康复治疗和家庭健身锻炼中推广使用。

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