医用制氧机

医用制氧机以变压吸附(PSA) 技术为基础，从空气中提取氧气的新型设备，其利用分子筛物理吸附和解吸技术在制氧机内装填分子筛，在加压时可将空气中氮气吸附，剩余的未被吸收的氧气被收集起来，经过净化处理后即成为高纯度的氧气。具体工作过程为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积后进入氧气储罐，再经除异味、除尘过滤器和除菌过滤器过滤即获得合格的医用氧气。

近年来，随着人民生活水平的提高，人们对自身的健康更加关注，其中氧疗和氧保健作为增强体质、预防疾病的一种新技术正逐渐被接受和推广。家用制氧机这一新兴行业也随之悄然兴起，并表现出了强劲的增长趋势。目前，家用制氧机已广泛应用于心血管疾病、脑血管疾病、呼吸系统疾病、高原反应与高原病、老年病、儿童呼吸道感染疾病、睡眠性低氧血症及煤气中毒缺氧等疾病的配合治疗；适用于家庭、保健站、卫生所、医院、疗养院、干休所、美容院、健身中心、酒吧、氧吧、宾馆、高原哨所、体育训练中心等场所；是广大学生、白领、运动员、老年人、孕妇、胎儿等进行脑力和体力恢复、辅助治疗和生理保健的家庭伴旅。

1 家用制氧机分类

家庭供氧方式主要包括氧气瓶、氧气袋和家用制氧机，而家用制氧机根据工作原理不同可以分为物理制氧和化学制氧两大类。化学制氧机结构简单，操作方便，近几年国内发展较快；物理制氧不需要化学物质，以空气为原料，是理想的供氧方式，国外发展较快，主要采用膜分离和变压吸附工艺。

1.1      化学制氧

(1)    化学试剂

家庭用化学试剂主要是过碳酸钠(又称“固体双氧水”)和二氧化锰。过碳酸钠与水反应产生氧，随反应的进行，反应液温度升高，产氧速度骤增，反应很快完成，而且产氧气流始末小，中间大，很不平稳。二氧化锰作为一种催化剂，主要起到稳定化学反应速度的作用。为了使化学反应平稳进行，向二氧化锰中加入聚乙烯醇或阿拉伯胶，制成不同形状和不同粒径的颗粒，或者将催化剂放于多孔容器中，使之逐步逸出。龚承元等研究了一种复合催化剂，其作用随反应时间延长而逐渐减弱，使温升对反应速度的影响得到部分抵消。也有将过碳酸钠与过硼酸钠按一定比例混合配成产氧剂，过碳酸钠反应温度较低，前期起主要作用，反应产生的热促使过硼酸钠在后期继续反应，产氧后期温度较高，经过设置在水中的盘旋管路进行降温。目前，国内外一些厂家将产氧器设计为袋式或室式，由两个部分构成，一个是内反应室，产生氧气；另一个是外湿化降温室，外部加入压力调节装置后可以进行流量调节。

化学试剂产氧主要用于急救，如果用于家庭氧疗保健，维护费用高，而且容器清洗频繁，产氧量不均匀，并不是一个很好的选择。

(2)    电解水

电解水制氧指电解槽在直流电的作用下使水发生分解，在阴极表面产生氢，阳极表面产生氧。电解水最大的缺点是耗能太大，电解槽部分的直流电消耗占了总耗电量的90%以上。家用电解水能耗一般为13 kWh/Nm³ O₂，其耗能大的特点让消费者无法接受，只有在电力充足(如风电、水电、太阳能等)的场所使用才有优势，而且，电解水制氧同时要产生氢气，存在燃爆危险，虽然一些厂家采用专利技术进行脱氢，但是在长期使用过程中，由于老化或故障等因素仍不能排除其安全隐患。

(3)    电子双极式制氧

电子双极式制氧采用空气电极为阴极，空气中的氧气经电极的透气膜传递到催化膜表面，发生电化学反应，电离为负氧离子，通过正极的引力将负氧离子富集，负氧离子到达正极后释放电子还原为氧气。由于催化膜的材料特性可以有效地抑制生成OH^-的反应，使空气电极实现了对氧的合成，因而最大限度地实现了双极制氧的目标。

电子式双极制氧耗能虽较电解水小，但其强酸或强碱环境与铅蓄电池无异，安全性差，需专业人员维护，制氧机寿命低，产氧量小，产生的氧气中含有酸性或碱性气体，对环境污染严重。

1.2      物理制氧

(1)    氧气瓶、氧气袋

氧气瓶、氧气袋供氧是传统深冷法制氧方式的一种延展，深冷法以空气为原料，利用氧、氮沸点不同，通过精馏方式将氧、氮分离，所产氧气纯度高。在使用过程中，通过高压气瓶输送到各医院，氧气通过混流排或减压器减压限流，经过湿化瓶后供病人吸用。氧气袋与氧气瓶结合使用，可以方便携带，不限于氧气瓶附件，扩大了吸氧区域。因此，这种吸氧方式氧源供应存在问题，必须在邻近医院场所，更换频繁。

(2)    膜分离

膜分离是指气体混合物通过高分子膜材料时，由于气体在膜中的溶解度和扩散系数不同，导致不同的气体在膜中的相对渗透速度不同，实现氮、氧分离。膜式制氧机耗能少、体积小、重量轻、噪音低、便于携带，产生的氧清新洁净，但由于膜式制氧机制得的氧气浓度较低，通常为30 ~ 40%，只能作为保健氧使用。

(3)    变压吸附

变压吸附是利用不同压力下吸附剂对空气中氧、氮的吸附容量和选择性不同进行氮、氧分离。变压吸附式制氧机产氧浓度可以达到95%，并且能够通过调整流量实现对浓度的控制，即使在高原大气稀薄的地区也能实现高浓度供氧。

家用制氧机由于使用环境限制，主要为以上几种供氧方式，而氯酸盐氧烛、超氧化物等化学试剂制氧和磁力制氧、生物制氧等方法由于不适合家用而被淘汰。表1对各种家庭制氧方式的特点和使用维护成本进行了详细对比。

2 国内家用制氧机生产厂家

国内家用制氧机种类很多，如化学试剂制氧机和电子双极式制氧机、膜式制氧机、电解水制氧机、变压吸附制氧机。产地主要集中在沈阳、北京、上海、江浙一带，此外，天津、湖南、成都也有一些民用和军用制氧机厂家进行生产和销售。

2.1 现状分析

根据统计材料分析，国内家用制氧机厂家多采用变压吸附式制氧，不同厂家根据市场需求，进行了不同规格型号产品的设计开发和生产。按产氧量分为2L/min、3L/min、4L/min和5L/min制氧机。输出压力范围一般为0.04~0.06 MPa(相对压力)，产氧浓度均大于90%。但由于各制氧机厂家技术优势不同，其产品的体积、重量、能耗、噪音也有较大差别，尤其是家用制氧机用于病人吸氧时，要求其噪音尽可能降低，以免打扰病人的睡眠。表2是国内不同厂家生产的氧气流量为3 L/min的制氧机产品的参数对比表，其中电解水制氧、电子双极式制氧、膜制氧和化学试剂制氧厂家较少，大部分为变压吸附式制氧。

2.2 家用变压吸附式制氧机特点

目前，家用变压吸附式制氧机主要有以下几个特点：

(1)    采用低气压下高吸附性能的分子筛

由于空气压缩机提供的气源压力低、温升小，因此，不容易进行气、水分离，对气源的冷却多采用风冷方式。为了适应气源压力低的特点，各厂家多采用粒径小、动态吸附性能好、低压下具有高效吸附性能的分子筛，如法国CECA公司的N51，保证分子筛在较低吸附压力实现氮、氧高效分离。

(2)    压力传感控制

吸附分离过程中，由于环境温度和压力、控制阀位置、机械磨损、管路和阀的泄漏等因素的改变影响了吸附塔内部压力变化的对称性，出现局部压力过高、吸附塔提前穿透等工况，导致产氧量减少，浓度下降。针对此问题，目前，多数厂家采用高灵敏度压力传感器对吸附塔实现压力控制。

(3)    与国际标准接轨

目前，多数厂家都严格按照ISO 8359标准进行设计、制造和生产，如氧气浓度监测、累计时功能，体现了企业开拓国际市场的发展策略和产品定位方针，而仅遵循YY/T 0298标准的厂家则限制了其产品进行国际竞争的能力。

(4)    结构高度集成

家用制氧机为了减小体积和重量，在结构上进行了高度的集成，主要表现为：通过底板上的沟槽替代气体管路；通过旋转阀或嵌入阀替代多个阀门；通过薄金属片替代单向阀；通过一体化替代储氧罐和吸附塔。

3 家用制氧机厂家面临的瓶颈

3.1 消费观念

目前，我国60岁以上的老人已超过1.3亿，占总人口的10%以上。到本世纪中叶，老年人口将超过4亿。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。一个家庭如果出现病人，将会耗尽其大部分财源和精力。因此，如何保持老年人身体健康是今后大部分家庭要考虑的问题。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，采用即插即用的家用制氧机可以保证老年人每天能吸到充足的氧气，改善新陈代谢，预防疾病，延年益寿，是老年人保持健康的良药。因此，老年人保健消费和教育投入一样，在未来几年将会更加突出。

3.2 配件和配套

(1)   低噪空压机

制氧机步入家庭，必须为消费者提供一个安详、舒适的环境，因此，低噪音是当前家用制氧机需克服的难关，目前，噪声水平一般在42 ~ 60dB(A)。尽量降低空气压缩机运行和峰值噪音是家用制氧机发展面临的一个难点，抑制噪声产生和消除噪声是未来该领域发展的两个主要方向。

(2)   大流量解吸阀门

大流量解吸阀是分子筛实现再生的重要途径，是解决变压吸附式制氧机大产氧量和高产氧浓度这一瓶颈问题的关键技术。有的厂家采用旋转阀实现该工艺过程，但增加了体积，如果采用滑阀实现大气量解吸，家用制氧机将会发生技术革新式进展。

(3)   高效稳定分子筛

吸附剂是变压吸附技术的基础，分子筛的性能决定着吸附分离效果，从而决定着制氧机投资与性能的经济性。分子筛也是决定制氧机体积和重量的重要因素，为了适应空气压缩机低气压气源的特点，分子筛必须具有良好的低压动态吸附特性。

(4)   集成电路

电路集成体现了制氧机的控制集成，不仅可以降低成本，缩小体积，还可以高效地实现工艺流程控制。未来的家用制氧机不仅要实现家庭范围供氧，还要向车载、便携方向发展，因此，电路方面除了适应家电220 V交流电外，还要考虑直流、24 V低电压等情况，扩大家用制氧机的使用范围。

3.3 政策约束

我国国内尚没有对家用制氧机进行约束的标准和条例，国内制氧机厂家都以国家医药管理局颁发的YY/T 0298-1998作为生产和营销依据，有的借鉴国际标准和美国标准，造成市场混乱。因此，国家制定新的标准，在促进该产业蓬勃发展的同时，也应规范其市场。

4 家用制氧机发展趋势

随着中国老龄化的发展，家用制氧机作为家庭保健和氧疗的工具，已成为老年人的“老来伴”，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。从统计分析表明，家用制氧机将以膜式和变压吸附式为主，而变压吸附式将占据主流，因而，需要高性能的分子筛材料作为其发展的强有力后盾；同时，还应优化吸附工艺流程，进一步节能降耗，减小体积和重量，采用专用控制阀提高分离效率。未来几年，家用制氧机预计会在以下几个方面取得进展：

(1)    功能多样

在功能方面，除了满足标准中规定的性能，如氧浓度监测、累计时、报警（断电、高温、高气压、低气压）、湿化、雾化等功能外，还将考虑美观、适用、科学、舒适的生活方式，加入如遥控、定时、臭氧消毒、音乐播放、耳麦式吸氧等功能。

(2)    开源节流

为了保证消费者能够吸到足够的氧量，现在的家用制氧机往往采用大气量供氧方式，而忽略了吸氧的环节。韩学平等对节氧面罩进行了研究，通过4500 m海拔高度实验证明，使用节氧面罩输入600 ml/min氧流量与不使用面罩输入2000 ml/min氧流量差别不大，测得的血氧饱和浓度都在90%以上。从呼吸生理学分析，人正常呼吸周期4s中只有0.7s为吸气，节氧技术要避开呼气阶段和吸气后段供氧；吸气前端的气流速度较小，相同时间内吸气量少，如果采用脉冲供氧，高浓度氧在呼吸最前端高速输入，与吸气前端较少量的气体混合仍能保证较高浓度的富氧气体进入肺泡囊中，与肺内的功能余气量(约2500 ml)混合，使肺泡气中的氧分压瞬间增加几个毫米汞柱，而交换速度随肺泡气与血液中的氧压差的增大而急剧增加，这样新鲜气体进入肺内在10 ms内就完成混合，0.3 s就有大部分氧气被交换，可以实现短时间内节流供氧，在减少氧气产量的同时，保证了吸氧功能。此外，压差式供氧也是设计的比较巧妙的节氧方式。

(3)    微型便携

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。微型便携式制氧机也是一个新方向，如采用背包式、肩挎式，要求其重量减小到2 kg左右，对于国内家用制氧机厂家而言，是一种技术挑战和突破。

(4)    高度集成

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，如同电路板一样进行沟槽式设计，既美观又适用。

5 结论

根据市场调研资料统计和分析，国内家用制氧机市场将以变压吸附式和膜式制氧机为主，且变压吸附将继续占主要优势；在电力充沛的区域，电解水也是一种很好的选择；化学试剂制氧在急救中将会发挥重要的作用。变压吸附式制氧将向小型、集成、节氧和多功能方向发展。不久将来，家用制氧机将作为一种家电产品“飞入寻常百姓家”。