家用制氧机技术及标准分析研究

楼百根 李鹏 杨春 孙莉 刘文文 钱晶

1.杭州创威实业股份有限公司 浙江杭州 311228；

2.中国家用电器研究院 北京 100037；

3.北京华夏高原环境科技研究院有限公司 北京 100760

1 引言

氧气对于人类生存和健康至关重要，它关乎着人体的新陈代谢过程。医学界将30%浓度的氧称为“富氧”，又称“生命氧”，在此氧浓度环境下，体力机能、大脑智力、血液氧浓度均达到人体最佳状态。氧保健起源于西欧，被人们当作一种高级健身的方法。上世纪80年代以来，墨西哥、美国、日本相继开展氧保健。在经济发达国家，约20%以上的家庭拥有小型制氧设备，供家人进行氧保健。氧疗和氧保健的出现，意味着人们对于氧气的需求由完全仰赖自然向进一步自主争取进行转变，开启了氧气与人类供需方式的新篇章。

近年来，随着人们生活水平的改善，健康理念的深入，以及老龄化社会的到来，家庭用氧的需求日趋增大，使得家用制氧机行业得到迅速发展，并逐步成为新兴的家用电器之一。

为了满足市场、行业和消费者的迫切需求，全国家用电器标准化技术委员会于2015年启动了《家用制氧机》行业标准的制定工作。2019年8月2日，工业和信息化部批准发布了QB/T 5368-2019《家用制氧机》行业标准，并于2020年1月1日起实施。QB/T 5368-2019《家用制氧机》行业标准的实施，改变了我国只有医用制氧机标准的现状，为小型化非医用制氧机进入普通消费者家庭提供了可能，极大促进了我国氧保健领域的覆盖范围。

2 国内外家用制氧机现状

分子筛制氧机由美国于1960年开发研制成功，1970年实现工业化，并迅速在世界范围内得到广泛应用。美国市场呼吸类产品——制氧机的需求比率为37%。美国以外地区需求量总计仅约等于美国之需求。从上世纪70年代开始，分子筛制氧机得到迅速发展，而最近几年的发展势头更为旺盛。目前分子筛制氧机主要生产地有美国、德国、英国、加拿大、韩国和日本。据WHO统计，全球呼吸医疗支出约为4800亿美元，呼吸类产品占32%，市场需求每年约增长11%。随着各国政府保健政策的加强，以及环境空气质量恶化，导致呼吸类传染疾病的增多，再加上全球人口老龄化等原因，都将对制氧机市场的增长带来深远影响。

据2021年5月公布的第七次人口普查结果，我国60岁及以上人口为2.64亿人，占18.70%（其中，65岁及以上人口为1.91亿人，占13.50%）。与2010年相比，60岁及以上人口的比重分别上升5.44个百分点。随着我国老龄人口的增加，老年病成为困扰社会和家庭的难题。由于我国保健用家用制氧设备刚刚起步，目前家庭拥有率不足1%。

有医学文献表明，吸氧对于缓解和预防老年人心脑血管疾病、呼吸系统疾病具有良好的效果。氧疗和氧保健能够促进人体身心健康，使人精力充沛，增强人们承受紧张、压力的能力；尤其对提高中老年人机体的抗病能力，减轻病症、加速康复和避免后遗症等方面具有较好的效果。因此，家用制氧机作为一种适合家庭使用，提升中老人生活品质和促进健康的产品，具有十分广阔的发展前景。

3 家用制氧机工作原理

3.1 制氧原理

目前，家用制氧机主要有变压吸附式和膜分离式两种制氧方式。其中，变压吸附法制氧也称为分子筛制氧。

变压吸附法：利用分子筛对特定气体的吸附和释放能力的不同而进行气体分离。吸附和释放单一气体的大小在不同压力变化下有所降低或增加，如在高压状态下，分子筛对单一气体的吸附容量增大；在低压情况下，其释放气体的量增大。分子筛通过反复对气体的吸附与释放而得到相应的气体。变压吸附法具有能耗少、成本低的优点。

膜分离法：采用半渗透膜将空气中的氧气和氮气进行分离。在不同压力下，氧气和氮气穿过半渗透膜的能力不同，压力大则氧气渗过膜的速度快。膜分离法具有成本低、工艺简单的优点，缺点是对渗透膜的性能要求高，制出氧气浓度的高低极度依赖膜的渗透性能好坏。

变压吸附式家用制氧机制出的氧气浓度初始值可达93%以上，膜分离式家用制氧机制出的氧气浓度初始值通常在30%左右。本文以变压吸附式制氧机为例介绍制氧机的工作原理。

3.2 家用制氧机工作原理

制氧机产品结构主要包括：进气过滤装置、进气消音装置、空气压缩机、散热冷却装置、分子筛制氧系统（吸附塔）、电磁阀、控制电路及流量计。

制氧系统、压缩机、控制板为制氧机的三大主件。其中，制氧系统工艺最复杂，也是制氧机中的核心部件，它融合了气动原理机构、管路气压配合系统、机械结构压力部件、材料应用、密封结构等各种工艺的集成组合。图1为制氧机制氧系统气路结构，图1中①进气过滤器；②压缩机；③电磁阀；④单向阀；⑤分子筛塔；⑥均压阀；⑦单向阀；⑧调压阀；⑨排气消音器。

图1 制氧系统气路结构

制氧机的工作原理是利用分子筛变压物理吸附和变压解吸的技术，通过内嵌的分子筛，在加压时，可将空气中氮气吸附，未被吸收的氧气被收集，经过净化处理后，即成为高纯度的氧气。当压力达到一定高度后，开始减压，分子筛将吸附的氮气排放回环境空气中。在下次加压时，又可以通过吸附氮气来制取氧气，整个过程为周期性的动态循环过程。分子筛的解析过程如图2所示。

目前所有医疗用制氧机均采用PSA变压吸附，空气分离制氧技术，该技术是基于吸引剂（沸石分子筛）对空气中氮气、氧气的吸附能力的差异来实现氧气和氮气的分离，当空气进入装有吸附剂的床屋时，氮气吸附能力较强被吸附，而氧气不被吸附，这样可以在吸附床出口端获得高浓度的氧气。由于吸附剂的吸附量具有随压力变化的特性，改变其压力，可使吸附交替进行。

家用变压吸附式制氧机具体工作过程为首先进行压缩空气，经空气纯化干燥机净化后，通过切换阀进入吸附塔，在吸附塔内，氮气被分子筛吸附，氧气在吸附塔顶部被聚集后进入氧气储罐，再经除异味、除尘过滤器和除菌过滤器过滤即获得洁净的氧气。

图2 分子筛解析过程

4 QB/T 5368-2019《家用制氧机》行业标准解读

4.1 制定背景

1985年，美国的Praxair公司研制出第一台小型制氧机，标志着分子筛技术小型化的开始，使得制氧机开始进入普通家庭。我国1998年国家医药管理局批准了YY/T 0298－1998《医用分子筛制氧设备通用技术规范》行业标准；2009年，国家食品药品监督管理局出台了YY 0732－2009《医用氧气浓缩器 安全要求》行业标准。但针对普通用户使用的家用制氧机标准依旧是空白，也导致市场上家用制氧机产品质量得不到控制，严重影响行业的健康发展和广大消费者的合法权益。由全国家用电器标准化技术委员会技术归口，工业和信息化部批准发布的QB/T 5368-2019《家用制氧机》行业标准，改变了我国只有医用制氧机标准的现状，解决了市场上家用制氧机无行业标准可依的问题，为小型化非医用制氧机进入普通消费者家庭提供了技术依据。

QB/T 5368-2019《家用制氧机》行业标准针对目前市场上的家用制氧机的主要制氧技术，对变压吸附式制氧技术和膜分离式制氧技术分别做出了技术要求。其中，变压吸附制氧也可称为分子筛制氧，制出的氧气浓度高，是市场上的主流产品；膜分离制氧是利用膜分离法从空气中分离制取氧气，制出的氧气浓度较低。

4.2 产品分类

4.2.1 按气体分离原理分类的家用制氧机

变压吸附制氧机（图3）。该类型产品可用于家用保健氧疗领域，主要性能可达医用级别，制氧高效。

膜分离制氧机（图4）。该类产品可用于户外，优点是便于移动，体积小，价格低，但制氧浓度较低，适合保健用氧。

4.2.2 按产品结构分类的家用制氧机

一体式制氧机。常为便携式或可移动式，插电即用，规格多为1 L～10 L。

图3 变压吸附制氧机

图4 膜分离制氧机

分体式制氧机。由主机和供氧端两部分组成，外型类似分体式空调，常为固定式安装，运行示意图见图5。该类型产品多用于大户型、别墅、商业或高原集体供氧。规格通常在10 L以上。

4.3 主要技术指标

4.3.1 正常使用环境

制氧机在下列环境条件下应能正常使用：

环境温度：室内机：5℃～40℃；

室外机：-10℃～50℃；

相对湿度：室内机：≤80%；

室外机：≤90%；

大气压力：86 kPa～106 kPa；≤86 kPa为高原用制氧机，应符合相关附加要求。

4.3.2 流量偏差

家用制氧机的额定流量偏差范围为±10%或±0.2 L/min，两者中取较大值。

图5 分体式制氧机系统运行示意图

高原用制氧机流量会随着海拔高度的变化而变化，具体数值可参考表1。流量偏差是很多气体设备常见的误差特性，QB/T 5369-2019标准的流量偏差范围值和医用标准保持一致。同时增加了关于高原气压变化带来的误差区间。

表1 制氧机流量比值与海拔高度对应关系表

4.3.3 氧浓度

氧浓度是制氧机产品证明其产品性能最终指标的重要参数之一。QB/T 5368-2019标准规定在额定流量下，基于变压吸附原理的制氧机的氧浓度应不低于90%，基于膜分离原理的制氧机的氧浓度应不低于30%。相对于医用制氧机标准氧气浓度≥90%，QB/T 5369-2019标准对家用产品中根据工艺特性出现的膜分离制氧机产品也予以了覆盖。

QB/T 5368-2019标准重点关注家用制氧机的核心技术指标包括氧浓度、氧气洁净度、噪声等关键技术要求。其中，氧浓度作为制氧机的核心参数，也是消费者选购时必须格外关注的参数，标准要求变压吸附制氧机的氧浓度应不低于90%，主要考虑的是能够有效地解决缺氧这个用户的痛点，以及可以实现小范围弥散式供氧的需求。

4.3.4 氧浓度报警

无论是变压吸附制氧机还是膜分离制氧机，在使用一段时间后，都会出现氧浓度逐步下降的现象，为了保证用户使用效果，QB/T 5368-2019要求在如下情况时制氧机应有报警警示：

——当基于变压吸附原理的制氧浓度低于70%～74%时；

——当基于膜分离原理的制氧浓度低于25%～27%时。

上述指标的设置，既参考了成熟的医用制氧机标准的要求，又考虑了满足家庭使用的需求，其中膜分离式制氧机氧浓度的要求主要出于要能满足富氧条件。

4.3.5 噪声

膜分离原理制氧机的声功率级噪声应不大于50 dB（A计权）。

变压吸附原理制氧机的声功率级噪声应符合表2的要求。

表2 家用制氧机噪声限定值

以上数据的设立是起草工作组在大量实测数据的基础上，结合产品生产工艺管控验证的结果，符合日常家居产品的范围要求。

制氧机在使用时可能需要长时间开启，而且家中环境相对密闭，如果制氧机的噪声过高，人体长期处于噪声环境下，使用者会感到心情烦躁，反而达不到保健的作用。采用膜分离技术的制氧机的噪声通常比变压吸附的要小，消费者可根据自己的使用需求选购相应产品。

4.3.6 计时器

家用制氧机需配置计时器，计时器应能累计制氧机的使用时间，以小时（h）或分（min）为单位。计时器的配备，便于为用户提供更好的使用体验和保养提示。

4.3.7 高、低温贮存

高温贮存：将制氧机不通电置于与室温一致的试验箱内，使试验箱温度逐渐升到（55±3）℃，保持1 h。取出并存放于标准大气压下最少l h，使其恢复至室温下，再通以额定电压通电运行。低温贮存：将制氧机不通电置于与室温一致的试验箱内，使试验箱温度逐渐降到（-40±2）℃，保持4 h。取出并存放于标准大气压下最少l h，使其恢复至室温，再通以额定电压通电运行。按照上述条件试验后，制氧机应能正常启动运转，产品结构无变形或开裂，且氧浓度符合要求。

5 发展前景预测

随着中国老龄化进程的加快，家用制氧机作为家庭保健和氧疗的工具，已成为老年人的必需品。未来几十年，制氧机将会作为消费品进入各个家庭，制氧机在自身发展方面也将面临新的发展趋势。统计分析表明，家用制氧机将以膜分离式和变压吸附式为主，而变压吸附式将占据主流。由于产品集成式的应用，从而预计家用制氧机未来将会在以下几个方面取得进展。

（1）功能多样性：除了满足标准中规定的性能外，还将考虑遥控、定时、臭氧消毒、音乐播放、耳麦式和弥散式吸氧等功能。

（2）微型便携性：家用制氧机由于其体积重量较大，不便于携带，对于出行旅游、散步的老人来讲，还是有不足之处，小型化和便携式设计将是产品研发的重点方向之一。

（3）高度集成性：家用制氧机目前采用部件组装模式，气路对产氧过程造成一定的阻力，增加了重量和体积，各部件之间很难保证气密性，故障率高。将气路集成，模组化设计是量产的未来趋势，将复杂繁琐的结构设计如同电路板一样进行沟槽式设计，既美观又实用。

（4）价格亲民化：生产工艺的简化和优化，在不降低品质的前提下，去除行业高成本的医用规范要求，将大大降低生产成本，从而产品市场价格降低。

6 结论

的空白，有利于规范行业和市场行为，提升产品质量，促进行业质量升级提供了技术保障。该标准的实施，为市场上销售的家用制氧机提供了检测依据，为企业生产及消费者选购保驾护航，并为今后的市场监管提供了技术支撑。

本文从家用制氧机行业情况、产品技术和产品标准的角度，分析了家用制氧机产品的技术现状、标准要求和技术指标的科学性和合理性，并预测了家用制氧机的发展方向，对行业从事制氧机产品设计、开发、检验人员提供了有益的指导，并从产品类型、应用技术和标准要求为制氧机消费者提供了专业的解读。

QB/T 5368-2019《家用制氧机》行业标准的发布，统一了家用制氧机的评价方法，使得家用制氧机的主要技术指标有了科学、客观的评价依据，弥补了市场对该类产品无统一的技术要求和试验方法