移动式医用高压氧供系统的研制

窦建洪，郑理华，何兴华，张礼安，秦伏秋，甄鑫，屠伟峰

1.广州军区广州总医院，广东 广州510010；2.佛山市顺德区键合电子有限公司，广东 佛山 528322；3.珠海和佳医疗设备股份有限公司，广东 珠海519030；4.南方医科大学 生物医学工程学院 医疗仪器研究所，广东 广州510515

移动式医用高压氧供系统的研制

窦建洪1，郑理华1，何兴华1，张礼安2，秦伏秋3，甄鑫4，屠伟峰1

1.广州军区广州总医院，广东 广州510010；2.佛山市顺德区键合电子有限公司，广东 佛山 528322；3.珠海和佳医疗设备股份有限公司，广东 珠海519030；4.南方医科大学 生物医学工程学院 医疗仪器研究所，广东 广州510515

目的 研发一套适用于现场紧急医疗救援的移动式医用高压氧供系统，既可用于单个麻醉机的氧源供应，亦可满足多人同时吸氧。方法 综合利用变压吸附（PSA）技术、可编程逻辑控制器（PLC）技术和微型空压机技术，采用Pro/E建模软件进行三维结构设计，并根据YY/T0298-1998要求及相关国家标准进行机械加工。结果 研制出一种流量为10 L/min的移动式医用高压氧源供给系统，该系统设计先进、结构合理、制作精良、移动方便，符合便携式的要求，适宜广大农村及偏远地区医疗单位的氧源供应或灾害紧急医疗救援。结论 移动式医用高压氧供系统对于野战和院外的紧急医疗救援具有重要的作用。

移动式高压氧供系统；麻醉机；制氧机；医用分子筛；医疗救援

0 前言

移动医疗在实践中的关键问题是氧气供应。作为手术和危重病人急救的必备设备，麻醉机、呼吸机等使用的氧气无论在流量、压力、纯度还是持续供给的综合要求方面，都和目前医疗单位或家庭普遍使用的微型变压吸附制氧机有很大不同[1-2]。汶川地震后诸多文献报道灾区救援缺乏可适用于麻醉机的高压氧供系统[3-7]。目前使用的微型制氧机提供的压力较低（一般＜0.07 MPa），流速较低（一般＜7 L/min），而作为麻醉机支持的氧源要求压力应＞0.19 MPa，最好＞0.27 MPa，流量要求能达到10 L/min，瞬间氧气流速要达到35 L/min，因此现有的普通微型制氧机均不能满足医院麻醉机及呼吸机的需要。此外，目前的微型变压吸附制氧机由于氧气流量较小，往往不能满足农村等偏远地区的诊所或者社区医疗单位需同时满足多名患者吸氧的要求。

随着分子筛变压吸附（Pressure Swing Absorption，PSA）气体分离和提纯技术的进展，很多国际公司对变压吸附制氧工艺进行了深入地研究和开发[8-10]。但调研发现，便携式高压制氧装置在我国极为少见，且多存在体积大、重量大（≥70 kg），使用中流量指示不稳定、氧浓度显示粗略，噪声大、操作繁杂等缺点，不适合手术及无自主呼吸病人的抢救。

综上，提高制氧机的出氧压力和流量，减小其体积和重量是目前研究的重点。笔者基于PSA原理设计并开发了移动式医用高压氧供系统，该系统符合环保和低碳概念，且安全方便，能很好地替代中心供氧解决麻醉机、呼吸机在紧急情况下的移动氧供问题以及广大农村及偏远地区医疗单位的氧源供应问题。

1 移动式医用高压氧供系统的结构与功能

该系统以进口沸石分子筛为吸附剂，通过可编程逻辑控制器（PLC）控制多个分子筛床的交替工作，利用变压吸附法（PSA）直接将空气中的氧气和氮气分离，制取符合医用氧标准的高压力、高纯度、流量稳定的氧气。本研究在家用制氧机制氧系统应用数据的基础上，针对高压力、高流量的要求，调整分子筛床的高径比、均压时间、反清洗量大小以及吸附解吸时间搭配，以使之达到设计要求；同时，结合工业应用中先导阀体的设计思想，设计体积小、气路切换效率高、结构简单的分子筛气流转换装置，以简化吸附解吸过程；并采用试验和数学模拟相结合的方法，确定优化的吸附器结构和吸附流程，最终实现该系统的小型化[11]。

1.1 系统结构

该系统采用分块设计的思路，根据制氧过程中各个部件的作用，可分为6个功能模块：① 气源系统模块（包括过滤器、进气消声器、涡轮压缩机/空压机、冷却器、散热器、排水器、安全阀等）；② 制氧系统模块（包括分子筛床、干燥剂、气导切换阀、排气消声器等）；③ 控制系统模块（包括电磁阀、PLC控制板、PLC控制程序等）；④ 产品系统模块（包括储氧气罐、调压阀、快插接头等）；⑤ 连接与结构系统模块（包括外箱、人机界面、管路连接、减震减噪机构等）；⑥ 电源电路模块和运行状态显示模块（包括氧纯度监测、氧压力监测、氧气流量计、累时器、报警器等）（图1）。

1.2 工作原理

该系统工作原理图，见图2。空压机抽取的空气通过进气过滤器和进气消音器处理后达到一定的压力，通过电磁阀控制进入一边分子筛床；在分子筛床内由分子筛吸附氮气，氧气通过分子筛经过单向阀进入储气罐，此过程为吸附过程（分子筛罐二）；阀体切换另外一边分子筛床，将吸附的氮气在常压状态下解附排出（分子筛罐一），有一部分成品氧气会通过清洗孔道对分子筛进行清洗，以提高氮气排出效率；成品氧气在储氧灌内保持一定的容量和压力，经过调压阀调压到机器需要的压力，直接作为所需机器的氧气供应源，或者通过流量计供用户使用。

空压机是整个供给系统的动力源，体积较小，能自我增压。空压机抽取的空气通过过滤器将其中＞100 μm的微粒杂质去除，后经消声器处理后达到一定的压力。进气消音器能有效减小气流声。在空压机之后设置一个安全泄压阀，防止压力过大对管道和设备造成损害，在＞0.5 MPa时，该阀会自动打开泄放压力，并在低于设定值时自动关闭。冷却器用于增压气流的冷却，材料一般为导热性能较好的铜。在冷却器后设置一个排氮消音器，起排积水和过压保护的作用。储气罐的容量约为3 L,是一个集成的容器。调压阀调压范围为0～0.4 MPa，预留快插接头作为与所需机器的接口。

通过PLC对空压机进行启停控制，同时对组合式气导阀门进行开关控制，分别对各分子筛床进行吸附和解吸控制。制氧系统运作过程中的流量、浓度和压力信息，经过各传感器采集后，反馈到控制显示面板上，供使用者参考，这些信息可通过在PLC中进行逻辑判断，确定制氧系统的运作参数[12]。

1.3 优化设计

该系统的微型化主要围绕吸附材料吸附性能的提升和工艺流程的改进，从而减少压缩机的装机容量，缩小整机的体积和重量，还需要对制氧机的结构和外观进行优化设计。

（1）分子筛材料的选择： 采用吸附容量大、 分离系数高、所需压力比小的分子筛，以降低空氧比，减少吸附剂用量，从而在很大程度上减小制氧机的重量和体积。LiX锂型制氧分子筛是目前国内外许多公司都在积极开发和推广的新一代制氧分子筛，与NaX和CaX制氧分子筛相比，具有空气处理能力大、分离系数高等特点，氮氧分离系数＞6.2。本研究选用美国ZEOCHEM LiLSX制氧分子筛，应用气导阀体专利技术，可制备出最高压力为0.3 MPa、流量为10 L/min、氧浓度＞90%的氧气气源模组。

（2）组合型气导阀体的设计优化：利用组合式气导阀体专利技术，将分散放置的各气导阀门进行整合，针对高压力、大流量的技术要求，使用铝制加工工艺以及气导方式对分子筛的吸附进气以及解吸排气进行切换，可简化制氧系统结构，减少管路布线；同时采用高强度、耐磨的氟胶材料，以保证气路切换装置耐久实用。出氧部分为单向阀体，可进行双塔反清洗；均压结构采用一体简易结构，便于安装，且能够缩小空间。采用多级气腔设计的压缩机进气消音器，可大大减少压缩机进气爆破音。

（3）吸附器结构优化：吸附器是微型变压吸附制氧机的关键部件，在进行设计时，要实现高效和长寿两大目标，设法减少壁面效应和分子筛的磨损，加快气路切换，减小死空间，以便优化分离效果，减小制氧机的体积。本研究对吸附器内部分子筛的填充拟采用轴向多层填装的方式来提高分子筛的使用性能；分流板孔眼采用中间孔径小、外侧孔径逐渐增大的非均匀型分布，可让气流在吸附器中均匀流动，以减小死空间；并采用合适的分子筛床层压紧机构，以防止分子筛的粉化和边流效应[13]。

（4）使用新型节能的微型压缩机：本研究所使用的无油空气压缩机（型号为OLF1100AF，1200 W，5.5 A）采用摇摆活塞式压缩机构，具有密封性好、效率高的特点。涡旋式空压机具有结构简单、体积小、重量轻、振动小、噪音低、能耗小、寿命长、输气连续平稳、操作简便及运行可靠等一系列优异的技术性能，可以实现流量的精确控制，是替代传统往复式小型压缩机的理想机型。但目前国内虽然已有涡旋空压机销售，但是其技术参数与本研究方向不是十分协调；其设计压力一般为0.8 MPa，是本研究所需压力的两倍左右；且机头相对较大、重量较重。目前国内已有小型化的涡旋压缩机，有望在进一步改进中应用[14]。

（5）开发节能工艺流程：对于微型变压吸附制氧技术，降低系统的能耗就可以降低压缩机的功率，从而减小制氧机的体积和重量。通过调整分子筛床的高径比、均压时间、反清洗量大小以及吸附解吸时间搭配等，将试验和数学模型相结合可以达到快速优化设计的目的[15]。本研究充分利用数学模型对分子筛床的流场进行仿真和分析，重点研究切换时间、均压步骤、高径比以及储气罐体积对小型变压吸附制氧效果的影响，并进行了合理优化。

此外，考虑到空压机散热和噪声等问题，尚需对机器内部结构进行合理优化和采用隔音棉。压缩机本身为金属板整体包围，本研究设计了冷风风道，由底部迂回进入压缩机室，正面冷风吹扫翅片散热器，部分冷风吹扫压缩机散热。测试表明，使用鼓风机密闭抽风的方式能够大幅度减少压缩机本身传导的噪音，但是鼓风机本身噪音相对较大，可通过调整鼓风机参数或者通过外壳设计来减少噪音。该风道设计能有效减少噪音传导，同时也有一定的散热效果，但是散热并不全面，风道只在压缩机一侧有进风，在压缩机另外一侧不能形成气流，热量散发比较缓慢。优化后的高压氧供系统内部结构图，见图3；最终产品外观图，见图4。

1.4 总体性能指标

该系统使用高性能锂型分子筛，通过结构优化，流量可达10 L/min，压力可达0.30 MPa，并具有结构简单、性能稳定的特点。具体技术参数指标如下：① 最大输出压力：稳定在（0.30±0.01） MPa；② 氧气浓度：90%±3%；流量：10 L/min；③ 功率：1600 W；④ 尺寸：834 mm×365 mm×648 mm（长×宽×高）；⑤ 重量：60 kg。

该系统有流量和压力显示、断电声光报警及工作压力过高(＞0.45 MPa)和过低报警(＜0.19 MPa）、自动卸压（＞0.50 MPa）等功能，整机噪声≤60 dB。该系统性能符合中华人民共和国医药行业标准-《YY/T0298-1998医用分子筛制氧设备通用技术规范》和国家军用标准-《GJB 2799-96医用分子筛制氧机通用规范》。该系统为麻醉机供气图，见图5。

2 移动式医用高压氧供系统的性能特点

（1）移动方便：系统采用集成化模块设计，底盘带4个万向轮装置，可随意移动；主机重量相对较轻（60 kg)，能产出高压力（0.30 MPa）、高纯度（＞90%）、稳定流量（10 L/min）的氧气。既可作为麻醉机、呼吸机等需要高压氧源设备的气源，同时满足多人（3～5人）吸氧，亦可与高压无油压缩机配合使用，将氧气高效快速地压入氧气瓶，摆脱传统的小型医疗单位瓶装供氧的供气模式。

（2）设计先进：采用三维曲面造型软件Pro/E设计变压吸附系统的结构和外观，摆脱了实物样机的设计模式，保障了分子筛主体系统设计的科学可靠性，缩短了产品开发周期；同时采用先进的节能工艺流程和材料，有效地提升了制氧效率，减小了制氧机体积。

（3）性能优良：采用高效的LiX锂型制氧分子筛、可靠的新型高效无油空气压缩机和节能的工艺流程，特别是采用多分子筛床PLC控制技术、组合型气导阀体优化设计和轴向多层填装式吸附器结构，可以有效地优化吸附流程，提高氧分离效果，减小制氧机的体积，保障出氧压力、流量和纯度的稳定。

（4）快速响应：该系统从储氧气罐出来后预留有对外氧气快插接头，直接接管即可与所需设备或机器连接，装置启动迅速，随时开机即可制氧，氧气品质高，可以有效保障急救和战争或重大灾害等恶劣环境条件下的各种医疗救援中急危重病人的救治和麻醉机等需氧设备使用需求。

（5）安全环保：常温条件下可直接从空气中获取氧气，具有安全可靠、使用方便、经济实惠及可长期连续供氧等优点，多重报警功能和监测指标可以有效地保证制氧机的使用安全。

（6）操作便捷：操作简单、自动化程度高、坚固耐用、维修方便，经过简单培训的各级医务工作者和普通群众都能熟练操作。

3 讨论与展望

目前我国农村人口比重大，医疗设施较为落后，而移动式医用高压氧供系统启动快，可根据需要随时制取氧气，且制氧过程除水电外无须其他投入，制氧成本低廉，具有简单方便、实用可靠的优点[16-18]。该系统适用于各小型医院、诊所或其他各种因交通不便运送气瓶困难的地方。该系统若与我们研制的便携式麻醉机（中国发明专利申请号：CN200910036664.2）配合使用，则能够完成大多数成人、小儿的全麻手术。该系统产出的高压氧气还可通过高压无油气体压缩机进行瓶装氧气的快速充气，形成小型制氧站，供用户随时制氧、取氧。另外在灾害救援中，该系统可以弥补灾区氧气缺乏和氧供要求无法满足单个麻醉机、呼吸机驱动的问题，可有效地帮助医生实施全麻手术，增加病人的安全性和救治率。该系统还可以方便地应用于移动医疗车或者手术队。

综上，移动式医用高压氧供系统将为移动医疗和野外复杂环境下危重病号的救护提供有力的保障。高效耐用和结构紧凑是其发展的最终目标，该装置将在农村医疗、社区医疗、紧急救援等方面发挥重要作用。

[1] 窦建洪,屠伟峰,张礼安,等.便携式制氧机原理及其在偏远地区医疗及应急救援中的应用[J].医疗卫生装备,2012,33(10): 297-299.

[2] 卜令兵,刘应书,刘文海,等.微型变压吸附制氧与氧疗保健[J].低温与特气,2005,23(1):5-9.

[3] 马优钢,李泉,盛月红,等.地震后危重多发伤患者野外条件下的救治体会[J].第二军医大学学报,2008,29(6):583-585.

[4] 杜健儿,吕燕,徐进,等.地震后野外条件下医疗救治围手术期麻醉管理[J].第二军医大学学报,2008,29(7):744-746.

[5] 张黄莉,徐巍,卿列华,等."5.12"汶川地震医疗救援思考及对策[J].创伤外科杂志,2009,11(1):53-55.

[6] 陶军,黄河,方平,等.汶川地震灾区伤员现场救治的麻醉学管理[J].临床麻醉学杂志,2009,25(3):6-8.

[7] 李秀泽,魏福生,应泽华,等.地震伤帐篷内清创缝合的麻醉管理[J].实用医药杂,2009,26(4):72.

[8] 冯念伦,夏文龙,孙铁军.医用分子筛变压吸附制氧技术的探讨[J].中国医学装备,2006,3(11):39-41.

[9] 张辉,刘应书,刘文海,等.变压吸附制氧机吸附器结构研究进展[J].化工进展,2007,26(11):1602-1609.

[10] 毕光迎.医用分子筛制氧机应用研究[J].医疗装备,2009,22(9): 21-23.

[11] 黎志雄,杨丽萍,陈能.分子筛制氧机氧气中水分含量的探讨[J].中国医疗设备,2014,29(7):96-97.

[12] 刘玉红.分子筛变压吸附制氧技术工作原理及医院应用[J].中国医疗设备,2012,27(10):90-92.

[13] 刘毅,庹先国,耿正波,等.基于MSP430 医用制氧机控制系统的设计与实现[J].电脑知识与技术,2010,6(10):2508-2509.

[14] 张东衡,侯晓蓓.基于PSA的微型医用制氧机设计[J].制造业自动化,2013,35(8):106-109.

[15] 张东衡.微型医用分子筛制氧机设计[J].中国医学物理学杂志,2014,31(1):4687-4690.

[16] 窦建洪,施冲,周功华,等.Cellular-Ⅰ型便携式野战麻醉机的研制[J].中国医疗器械杂志,2010,34(5):347-349,354.

[17] Dou JH,Tu WF.Development of cellular-I portable field anesthesia machine[C].1st Pan Asia Pacific Congress on Military Medicine,Beijing,2010:64.

[18] 窦建洪,屠伟峰,张礼安,等.氧源自供的便携式麻醉机平台的研制[A].中华医学会灾难医学分会第二届灾难医学大会论文集[C],成都,2012.

Development of Medical Removable Oxygen Supply System with High Pressure

DOU Jian-hong1, ZHENG Li-hua1, HE Xing-hua1, ZHANG Li-an2, QIN Fu-qiu3, ZHEN Xin4, TU Wei-feng1
1.Guangzhou General Hospital of Guangzhou Military Command, Guangzhou Guangdong 510010, China; 2.Foshan Shunde District Jianhe Electronics Co., Ltd, Foshan Guangdong 528322, China; 3.Zhuhai Hokai Medical Instruments Co., Ltd., Zhuhai Guangdong 519030, China; 4.Institute of Medical Instrument, School of Biomedical Engineering, Southern Medical University, Guangzhou Guangdong 510515, China

Objective To develop a medical removable oxygen supply system with high pressure which is suitable for medical on-site fi rst-aid to satisfy the oxygen supply of single anesthesia machine and meet the requirement of simultaneous oxygen inhalation for multiple people. Methods Based on the comprehensive utilization of PSA (Pressure Swing Absorption)technology, PLC (Programmable Logic Controller) technology and miniature air compressor technology, three-dimensional structure of the system was designed with Pro/E modeling software and manufactured according to the requirements of YY/T0298-1998 and other national standards. Results The system whose fl ow rate is 10 L/min owns multiple advantages such as advanced design, reasonable structure, excellent production, convenient movement. The system which can meet the portable requirements is suitable for oxygen supply and medical on-site fi rst-aid of medical institutions in remote and undeveloped areas. Conclusion The system may play an important role in the fi rst-aid in the fi eld.

removable oxygen supply system with high pressure; anesthesia machine; oxygen generator; medical molecular sieve; medical rescue

TH789

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2014.11.009

1674-1633(2014)11-0033-04

2014-07-31

广东省社会发展科技重点项目资助（2011A030300006）；全军医学科学技术研究“十二五”发展计划项目资助（AWS11C010）。

屠伟峰，主任医师，教授，博士生导师。

作者邮箱：doujianhong@hotmail.com