专利名称：可调节式低氧仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种气体制备装置，其可降低空气中氧气的容积百分比，从而产生具有一定低氧分压的混合气体。
背景技术：
氧气是维持人体的正常生理活动所必须的元素。长期以来，人们主要关注的是缺氧对人体机能所造成的损害。但是，近年来的研究却发现，适当的缺氧训练能提高人体抗缺氧能力，显著增强人体体质。这一研究成果在体育训练中已经得到了成功的应用。早在1981年，美国Inspir airCorporation公司就生产了“低氧分压有氧训练器”，用于马拉松运动员的训练。据报道，国外通过对运动员进行间歇性低氧训练，显著提高了运动员的训练成绩。所谓间歇性低氧训练，就是让运动员短时间(一般为1～6小时)暴露在低氧环境中，或通过低氧仪来呼吸低氧空气。低氧空气中氧气的含量范围通常为10％～20％。在训练开始时，运动员持续呼吸低氧空气一段时间(1～60分钟)，然后恢复正常大气压下的自由呼吸，由此两个过程交替进行，直至训练过程结束。目前这一方法在俄罗斯、英国、美国、德国和澳大利亚等国家已被广泛应用，效果十分明显。除此之外，在医学领域，研究还发现，适当的低氧刺激能改善呼吸、心血管和血液循环系统的功能，增加组织的血流量，激活血液的呼吸功能，使组织的呼吸和氧化磷酸化过程得到加强，因而对机体的功能状态、一般身体状况和运动能力产生一定影响。在较短的时间内充分利用低氧对机体的有效刺激，逐步建立对低氧的适应能力，使组织摄取和利用氧的能力得到改善，从而导致一系列改善人体机能的抗缺氧生理适应，全面提高呼吸循环系统的机能、血液运氧能力以及骨骼肌的代谢能力。这对于缺血性心脏病、支气管哮喘，慢性疲劳以及精神类疾病的治疗和预防能起到很好的疗效。目前，相关的医疗设备已经有报道。
国内制备低氧混合气体的方法主要是人工配气法，就是将纯净的氮气和氧气按一定的比率混合来制取低氧混合气体，如在现有技术文件CN85205141U中就公开了一种这样低氧呼吸发生器。此类低氧呼吸发生器的实现方式又可分为分压法、体积法、称量法、流量法等等。人工配气法要求使用复杂而精密的专用设备，并且对操作人员的技术水平要求很高，不适合在普通人群中普及。
近来，出现了一种利用高分子膜来实现气体分离的方法，其原理就是根据混合气体中各组分在压力的推动下透过膜的传递速率不同，从而达到分离的目的。与传统的方法相比，膜分离技术具有分离效率高，能耗低，操作简单等优点，所以一经出现，很快得到了广泛的普及，深入到石油，化工，天然气等生产领域。目前，已经出现了利用膜分离技术的低氧发生器，例如在现有技术文件CN2333438Y中就公开了这样的低氧发生器，但这些低氧仪的体积过于庞大，价格也很昂贵，而且，现有低氧仪的设计往往不能实现氧气浓度的连续可调，或者只能通过改变流量来调节氧气浓度。从而不能保证流量的稳定。另外，已有的低氧仪只能连续输出低氧，无法实现低氧输出的间歇性，所以不能直接用于间歇性低氧训练。
发明内容
本实用新型旨在克服现有技术所存在的不足，设计一种流量稳定、氧气含量可调、且能同时实现连续性氧输出和间歇性低氧输出的低氧仪。该低氧仪结构合理、操作简单、成本低，可广泛应用于医疗保健、体育训练、全民健身、生产生活、科学研究等方面。
本实用新型所采取的技术方案是以对空气具有分离作用的膜组件为核心，并结合若干气动元件而组成呼吸通路，且通过控制某些气动元件来实现对输出低氧气体的浓度、流量及间歇性进行控制。
根据本实用新型的一个方面，提供了一种低氧发生仪，其包括一空气过滤器组件；一个第一三通换向阀，其与过滤器组件相连接；一膜组件，其与所述第一三通换向阀相连接，该组件中装有对空气中各组分具有不同渗透作用的中空纤维膜；一真空减压阀，其连接在膜组件的渗透气出口上；一真空泵，其与所述真空减压阀相连接；一氧浓度仪，其可显示氧气的浓度；一个第二三通换向阀，其与膜组件相连接；以及一湿化瓶，其用于提高输出气体的湿度，其特征在于所述真空减压阀是可被调节的；且所述低氧发生仪还包括一控制电路，其对第一三通换向阀和第二三通换向阀进行控制。
根据本实用新型的另一方面，所述低氧发生仪还包括一风机。
根据本实用新型的又一方面，所述低氧发生仪还包括一气囊。
根据本实用新型的再一方面，所述中空纤维膜为富氮中空纤维膜。
参见附图，可更好地理解本实用新型，在附图中图1是中空纤维膜组件的结构示意图，该组件用在根据本实用新型的低氧发生仪中；图2为本实用新型的原理结构示意图；图3为本实用新型的一具体实施例的示意图；以及图4为一控制电路图，其用于对本实用新型中第一三通换向阀和第二三通换向阀进行控制。
具体实施方式
根据本实用新型的低氧发生仪的基本部件包括风机、过滤器组件、三通换向阀、膜组件、真空减压阀、真空泵、氧浓度计、湿化瓶、气囊、以及气体出口。但这些部件中的某些部件是可选装备。在工作时，风机输送空气经过滤器组件到达膜组件。装有富氮中空纤维膜的膜组件在压力作用下，对空气中各组分气体有不同的渗透作用。参见图1，图中表示了一种渗透纤维膜组件，以聚砜膜为例，其对不同气体的渗透速率按以下顺序排列N2＜CH4＜CO＜Ar＜O2＜CO2＜He＜H2＜H2O。这样，当空气流经分离膜时，在膜的内外压差的作用下，氧气以比氮气更快的速度渗透过膜而富集在渗透气一侧，氮气则富集在滞留气一例。滞留气因氧气浓度较低而形成低氧气体。
在本实用新型中，风机所起的作用是输送空气。在实际方案设计中，也可以采用将风机设在仪器外部的形式。这样，整个仪器的组成部件为空气入口、过滤器组、第一及第二三通换向阀、膜组件、真空减压阀、真空泵、氧浓度计、湿化瓶、气囊、气体出口。工作时，将风机与空气入口连接。这样做的好处是可通过改变风机的功率来改变气体的流量，以满足对输出气体流量的不同要求。
另外，在本实用新型当中，气囊是用弹性较好，可伸缩的柔软材料来制成。它所起的作用是储存一定量的气体，并起到稳定气压波动的作用。在实际方案设计中，气囊也可不作为低氧仪的组成部分。这样，气体经过湿化瓶后直接从出口输出。用户在使用时，可以使用一个带有气囊的呼吸面罩。
下面将参照图2对本实用新型的结构原理进行描述。图中的该低氧仪由进气口1、风机2、空气过滤器组3a和3b、第一三通换向阀4、中空纤维膜组5、第二三通换向阀6、氧浓度计7、湿化瓶8、气囊9、出口10、真空减压阀11、以及真空泵12组成，其中的进气口1、风机2以及气囊9是可选备件。
由于中空纤维膜对空气洁净的程度要求较高，所以空气先经过过滤器组3a、3b的过滤，以去除尘埃、粒子、油雾等直径较大的颗粒。过滤器的数目取决于中空纤维对空气洁净程度的要求以及过滤器的性能，本实用新型选用两个过滤器3a、3b。另外，若要中空纤维膜组5正常工作，还需要在膜的内外两侧形成压差。本实用新型通过在渗透气输出端5a施加负压来产生压差。负压是用真空泵12来产生的。在真空泵12和中空纤维膜组5之间设置真空减压阀11，用来控制渗透气输出端5a处的负压值。根据富氮中空纤维膜的分离特性，在温度和流量不变的情况下，膜两侧的压差越大，氧气的渗透速度越快，输出低氧气体的氧气含量越低。所以，通过控制渗透气输出端5a处的负压值，就可以调节低氧空气的氧气浓度。系统工作时，空气经过过滤后到达第一三通换向阀4，此时，通过控制第一三通换向阀4和选择阀6，来决定空气是否经过中空纤维膜组5。当需要输出低氧空气时，三通阀4和6的A端与P端接通，R端截止，空气经过中空纤维膜组5，在压力的作用下，实现氮气和氧气的分离。当不需要输出低氧气体时，控制三通阀4和6，使A端R端接通，P端截止。这样，空气将绕过中空纤维膜组5直接输出。此时，输出的空气具有正常的氧含量。所以，只要间歇地改变三通阀4和6的通径，就能够使系统间歇性地输出低氧气体。当三通阀4和6的A端P端始终连通时，系统将持续地输出低氧气体。空气经过过滤器组3a和3b时，水蒸气会被过滤掉，所产生的干燥气体，不适合人体直接使用。所以，需要在第二三通换向阀6之后加一个湿化瓶，用来湿化气体。气体经出口10输出。
图为本实用新型一个具体实施例的示意图。在一个箱体16内，风机2将空气输送到输气管15a内，空气经过过滤器组3a和3b的过滤后，在第一三通换向阀4和第二三通换向阀6的控制下，会接通输气管15b，15c中的一个来传输。若接通输气管15b，则空气经中空纤维膜组件5分离后，产生的低氧气体经输气管15d到达湿化瓶8。气体经过湿化后输出。若输气管15c被选通，则空气不经过分离，就直接经过输气管15d到达湿化瓶8，然后经过湿化后输出。空气在经过中空纤维膜组件5进行分离时，渗透气(即富氧气体)从渗透气端5a处输出，经输气管15e、真空减压阀11、真空泵12后排出。本实用新型的另一实现形式是将风机2放到箱体16以外。此时，输气管15a的起始处位于箱体16以外，并配上管接头以连接合适的气源。本实施例中所选用的第一三通换向阀4和第二三通换向阀6皆为单电控二位三通电磁阀，具体型号可选SMC公司的VT315。4a、4b、6a、6b为导线。14为控制电路板。具体的控制电路参见附图4。1为支架，13为排气口，10为管接头。7为氧浓度计。
图4表示了第一三通换向阀4和第二三通换向阀6的控制电路图。主要元件为一个555定时器。U1为AC/DC变压器，其额定输出为12V/2A。U3为一个小功率继电器，型号为4453。F4和F6分别代表第一三通换向阀4和第二三通换向阀6。如图所示，R1、R2、C1共同构成了一个无稳态电路。其输出端(管脚P3)的高低电平转换时间由电容C1的充放电时间决定。开始工作时，接通开关K1，555定时器开始工作，C1开始充电，此时管脚P3输出高电平，继电器开关U3_K打开，使第一三通换向阀4和第二三通换向阀6断开电源，两个三通阀的A端和R端分别接通，P端截止。当C1的电压达到2/3VCC(VCC＝12V)时，管脚P3的输出反转为低电平，C1开始放电。此时U3_K闭合，使第一三通换向阀4和第二三通换向阀6接通电源，两个三通阀的A端和P端分别接通，R端截止。当C1的电平降到到1/3VCC时，管脚P3又输出高电平，C1恢复充电。以上充放电两个过程将交替进行。根据555定时器的工作原理，C1的充电时间由以下公式决定T1≈0.693×(R1+R2)×C1(当R1取值较大时，R2的值相对较小，可以忽略不记)。C1的放电时间由以下公式决定T2≈0.693×R1×C1。可以根据需要选择合适的R1，R2和C1的值。并通过调节R1的值，即可实现不同间歇时间的低氧输出。根据本实例中所选用的值，T1和T2的最大值分别约为6930秒。当需要持续输出低氧时，只需将开关K1断开即可，此时输出端(管脚3)输出低电平。
本实用新型与已有技术相比，结构先进、合理、功能更全面、操作更方便、输出气的流量稳定。输出的混合气体中氧的容积百分比为8％～20％，且连续可调，并且能实现低氧混合气体输出的间歇性。根据本实用新型的低氧仪的间歇时间连续可调。本实用新型可用于临床医学、飞行员和专业运动员的体育训练、以及普通人的健身训练，具有很高的实用价值。
权利要求1.一种低氧发生仪，其包括一空气过滤器组件；一个第一三通换向阀，其与过滤器组件相连接；一膜组件，其与所述第一三通换向阀相连接，该组件中安装有对空气中各组分具有不同渗透作用的中空纤维膜；一真空减压阀，其连接在膜组件的渗透气出口上；一真空泵，其与所述真空减压阀相连接；一氧浓度仪，其可显示氧气的浓度；一个第二三通换向阀，其与膜组件相连接；以及一湿化瓶，其用于提高输出气体的湿度，其特征在于所述真空减压阀是可调节的；且所述低氧发生仪还包括一控制电路，其对第一三通换向阀和第二三通换向阀进行控制。
2.根据权利要求1所述的低氧发生仪，其特征在于所述低氧发生仪还包括一风机。
3.根据权利要求1或2所述的低氧发生仪，其特征在于所述低氧发生仪还包括一气囊。
4.根据权利要求3所述的低氧发生仪，其特征在于所述中空纤维膜是富氮中空纤维膜。
专利摘要本实用新型涉及一种低氧发生仪，其包括一空气过滤器组件、一个三通分配阀、一膜组件、一真空减压阀、一真空泵、一个三通选择阀、以及一湿化瓶。该低氧发生仪还包括一控制电路，其通过对三通分配阀和三通选择阀进行控制，而使所述低氧发生仪能间歇地、或连续地输出低氧。
文档编号A63B69/00GK2668187SQ0326315
公开日2005年1月5日 申请日期2003年9月24日 优先权日2003年9月24日
发明者牛卫华 申请人:牛卫华