一种高海拔旅游途中的便携供氧方法

1.本发明属于供氧技术领域，具体涉及一种高海拔旅游途中的便携供氧方法。


背景技术：

2.人体的生命活动需要的能量都是靠组织细胞的氧化代谢来提供，人体进行新陈代谢活动的时候需要的能量和维持体温的热能都是通过对体内营养物质的氧化来获得的，而氧化代谢所需要的氧则是由呼吸获得的。人体的能量代谢是在线粒体中进行的，通过把摄入的营养物质进行氧化才能够获得能量，因此能量的获得必须要有足够的氧气供应才能实现。在旅游途中，由于海拔升高、空间封闭、气流阻塞以及生理特征等因素引起人体外部环境或内部环境出现短时急性缺氧或长期慢性缺氧，导致机体功能出现障碍。由于人的神经组织对内外环境变化最为敏感，因此在缺氧条件下，脑功能损害发生最早，损害程度也比较严重，且暴露时间越长，损害越严重，特别是对感觉、记忆、思维和注意力等认知功能的影响显著而持久，因而，在高原低氧环境条件下，严重时血压增高、心跳加快、甚至出现昏迷现象，对抗缺氧的最好办法是供氧，以此减轻和消除由于缺氧所引起的各种症状。
3.在氧气稀薄地区旅游时，人体易因为缺氧和对海拔高度的不适应造成身体伤害，且这些地区一般徒步旅行较多，尤其在高海拔地区，大气中大气压和氧分压的下降，会导致人体肺泡内气体氧分压和动脉血氧分压随之降低，产生低张性缺氧，从而引起血氧饱和度下降，心率升高，使人体因缺氧而产生一系列生理和病理改变，如头痛、头晕、恶心、呕吐、失眠、食欲减退、疲倦、呼吸困难等，严重时引发急慢性高原病。目前常用的应对策略是使用液体瓶装氧，但液态瓶装氧不便于储存和携带，且存在一定的安全隐患，且容量有限，对于特殊时刻急需供氧的情况不太有利。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了解决背景技术中所提出的问题，而提供一种高海拔旅游途中的便携供氧方法，根据空气不同组分在压力差的作用下透过膜的渗透速率差异，使渗透速率相对快的氧气得到富集，从而制取富氧气体，通过呼吸面罩将富氧气体输送到人体鼻腔供人体呼吸，使富氧气体直接进入人体呼吸，能有效提高血氧饱和度，克服缺氧困难。
5.本发明的目的是这样实现的：一种高海拔旅游途中的便携供氧方法，包括壳体、设于壳体内的制氧机构和控制氧气充气、供氧的控制单元，包括如下步骤：s1、当需要对储气瓶进行灌充时，经制氧机构制取的富氧气体经过控制单元的充氧电磁阀及单向阀进入储气瓶内．第一压力传感器实时监测充氧压力，当瓶内氧气压力达到设定值时，充氧自动停止，完成储气瓶的灌充；s2、当储气瓶作为供氧瓶时，通过第一减压阀调节压力至0.3～0.6mpa，并通过供氧电磁阀将氧气从供氧端输出至氧气面罩内，第二压力传感器实时监测供氧压力，开始氧气的供给。
6.优选的，所述的制氧机构包括将壳体内部分隔为上腔室和下腔室的隔板，所述的下腔室内设有真空泵，所述的上腔室内设有与真空泵连接的板式富氧膜组，所述的真空泵将经板式富氧膜组形成的富氧气体通过增压泵输送至设于壳体内部的储气瓶内。
7.优选的，所述的壳体的底部铺设有对进入壳体内气体进行过滤的滤网，所述的下腔室内还设有将外部气体抽入壳体内的负压风机。
8.优选的，所述的板式富氧膜组的抽气端与真空泵的进气口连通，所述的板式富氧膜组的进气端与真空泵的出气口端连通，在板式富氧膜组内外侧形成压力差。
9.优选的，所述的板式富氧膜组采用高分子硅橡胶负荷分离膜材质，所述的高分子硅橡胶负荷分离膜材质的透气量为14.6
×
10-4-18.3
×
10-4
(stp)cm3/(s
·
cm2·
cmhg)。
10.原料气体与膜表面接触，气体混合物中的渗透组分在高压侧溶解在膜表面上，其次渗透组分在溶解产生的浓度梯度作用下从膜的高压侧通过分子扩散传递到膜的低压侧，随后在膜的低压侧解吸到气相，待膜中渗透组分浓度梯度沿膜厚方向变成直线时达到稳定状态。
11.优选的，所述的供氧电磁阀通过波纹管道将富氧气体输送至氧气面罩内，所述的氧气面罩上设有调节氧气浓度的调节机构，所述的调节机构包括设于波纹管道与氧气面罩连接处的容置壳，所述的容置壳朝向氧气面罩外部的两侧面上分别设有氧气进口和空气进口，所述的空气管道连接至设于壳体的下腔室内的空压机，所述的容置壳内设有与氧气进口和空气进口连通的平衡组件，所述容置壳朝向氧气面罩内部的一侧面上设有氧气出口，所述平衡组件依次通过阀体和第二减压阀将空氧混合气体输送至氧气出口。
12.优选的，所述的平衡组件将平衡后的同等压力的富氧气体和空气输送至阀体，所述的平衡组件包括密封腔和设于密封腔内的第一活塞和第二活塞，所述的第一活塞和第二活塞将密封腔依次分隔为第一腔体、第三腔体和第二腔体，所述的第一腔体和第三腔体连通至氧气进口，所述的第三腔体和第二腔体连通至空气进口，所述的第一腔体和第二腔体的出口端与阀体连通。
13.优选的，所述的阀体由步进电机驱动控制氧气和空气的流入量，所述的步进电机根据氧气浓度传感器传输至plc控制器的氧气浓度数据驱动阀体，所述的阀体两端的入口处采用完全相同的两减缩喷管结构，所述的步进电机通过控制阀体内阀杆的移动得到一定浓度的空氧混合气体。
14.优选的，所述壳体的外部覆设有可折叠的铜铟镓硒薄膜太阳能电池，为制氧机构供电。
15.优选的，所述的平衡组件平衡后的压力p满足：p=(p1v1+p2v2+p1v3+p2v3)/(v1+v2+v3)，其中p1为通入平衡组件内的富氧气体的压力，p2为通入平衡组件内的压缩空气的压力，v1为通入气体前第一腔体的容积，v2为通入气体前第二腔体的容积，v3为通入气体前第三腔体的容积，平衡后的压力p仅与初始的空气和富氧气体的压力以及三个腔体的初始容积有关，且活塞平衡的过程是瞬时完成的，所以经平衡组件流出的空气和氧气的压力始终是平衡的。
16.优选的，经阀体混合后输出的空氧混合气体的氧浓度a满足：a=(79l+21b)/b，其中l为阀体的阀杆的移动距离，b为阀体的入口处的宽度，在阀体两端结构完全一致的前提下，匀速调整阀杆可使混合气体的氧浓度线性变化，步进电机
每走一步所产生的位移是恒定的，采用步进电机带动阀杆，通过控制步进电机的步数来确定输出的氧浓度。
17.优选的，所述的第一压力传感器、第二压力传感器、氧气浓度传感器通过ad模块连接至plc控制器，所述的plc控制器还包括有灌充报警模块和供氧报警模块。
18.优选的，所述的壳体还连接有便于携带的背带，所述壳体靠近人体的一侧外部包覆有柔性垫。
19.优选的，所述的氧气面罩上设有吸气阀门和呼气阀门，所述的吸气阀门和呼气阀门均采用单向阀，所述的吸气阀门与调节机构连通并用来接收调节机构供给的气体，所述的呼气阀门用于将氧气面罩内的气体排出。
20.优选的，所述的氧气面罩内的气体密度ρ满足：ρ=ρ0+(q
in
+q
x-q
out-qy)/v，其中ρ0为氧气面罩内部初始气体密度(kg/m3)，q
in
、q
out
分别为通过吸气阀门进入氧气面罩的气体质量以及通过呼气阀门流出氧气面罩的气体质量(kg)，q
x
、qy分别为呼气以及吸气所流通的气体质量(kg)；v为氧气面罩内部体积(m3)。
21.优选的，所述的氧气面罩的吸气阀门的质量流量w
in
和呼气阀门的气体的质量流量w
out
满足：w
in
=μys
in
·
{2p
in
(p
in-pm)/[rt
·
[1-(d
inb
/d
ina
)4]]}；w
out
=μys
out
·
{2pm(p
m-p
out
)/[rt
·
[1-(d
outb
/d
outa
)4]]}；其中μ为气体流量系数且μ=0.65，与阀门的形状、厚度有关，y为气体膨胀系数，s为阀门的流通面积(mm2)，r、t为入口处气体的气体常数和绝对温度，p
in
为吸气阀门的入口压强，也即调节机构的氧气出口压强(mpa)；p
out
为氧气面罩外部大气压强(mpa)，pm为面罩内部压强(mpa)，s
in
为吸气阀门的流通面积(mm2)，s
out
为呼气阀门的流通面积(mm2)，d
ina
、d
outa
分别为吸气阀门和呼气阀门的直径(mm)，d
inb
、d
outb
分别为吸气阀门和呼气阀门的喉部直径(mm)。
[0022]
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：1、本发明提供的一种高海拔旅游途中的便携供氧方法，将制氧和供氧集中在小型空间内，便于随时制取氧气并储存，使富氧气体直接进入人体呼吸，能有效提高血氧饱和度，克服缺氧困难。
[0023]
2、本发明提供的一种高海拔旅游途中的便携供氧方法，外部空气通过滤网及风机净化除尘后进入壳体内部，使板式富氧膜组件周围保持“新鲜”空气，真空泵通过在板式富氧膜组件内外侧形成压力差富集富氧气体，富氧气经控制单元调节输送至供氧管路并输送至氧气面罩。
[0024]
3、本发明提供的一种高海拔旅游途中的便携供氧方法，当对储气瓶进行灌充时，富氧气体经过充氧电磁阀及单向阀进入储气瓶内．第一压力传感器实时监测充氧压力，当瓶内氧气压力达到系统设定值时，充氧自动停止，完成氧气瓶的灌充；当储气瓶作为供氧瓶时，通过减压阀调节压力至0.3～0.6mpa，氧气从供氧端输出，开始氧气的供给。
[0025]
4、本发明提供的一种高海拔旅游途中的便携供氧方法，经控制单元调节后输出的富氧气体与空压机压缩后的外部空气通过平衡组件输出为压力平衡的氧气和空气，并分别流入阀体的两端，通过步进电机控制阀体的阀杆的移动，同时调整阀体内空气和氧气的流量，充分混合后得到人体所需的特定浓度的气体，将含有特定氧气浓度的气体经减压阀减
压后，输送至氧气面罩内供人体吸入。
附图说明
[0026]
图1是本发明一种高海拔旅游途中的便携供氧方法的制氧机构示意图。
[0027]
图2是本发明一种高海拔旅游途中的便携供氧方法的控制单元示意图。
[0028]
图3是本发明一种高海拔旅游途中的便携供氧方法的容置壳示意图。
[0029]
图4是本发明一种高海拔旅游途中的便携供氧方法的调节机构示意图。
[0030]
图5是本发明一种高海拔旅游途中的便携供氧方法的平衡组件示意图。
[0031]
图6是本发明一种高海拔旅游途中的便携供氧方法的阀体示意图。
[0032]
图中：1、壳体；2、隔板；3、上腔室；4、下腔室；5、板式富氧膜组；6、真空泵；7、负压风机；8、空压机；9、滤网；10、储气瓶；11、增压泵；12、安全阀；13、充氧电磁阀；14、单向阀；15、第一压力传感器；16、第二压力传感器；17、第一减压阀；18、供氧电磁阀；19、plc控制器；20、平衡组件；200、密封腔；201、第一活塞；202、第二活塞；203、第一腔体；204、第三腔体；205、第二腔体；21、阀体；211、阀杆；212、减缩喷管；22、步进电机；23、氧气浓度传感器；24、容置壳；25、氧气进口；26、氧气出口；27、空气进口；28、第二减压阀。
具体实施方式
[0033]
下面结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0034]
实施例1结合图1和图2，一种高海拔旅游途中的便携供氧方法，包括壳体1、设于壳体1内的制氧机构和控制氧气充气、供氧的控制单元，包括如下步骤：s1、当需要对储气瓶10进行灌充时，经制氧机构制取的富氧气体经过控制单元的充氧电磁阀13及单向阀14进入储气瓶内．第一压力传感器15实时监测充氧压力，当瓶内氧气压力达到设定值时，充氧自动停止，完成储气瓶10的灌充；s2、当储气瓶10作为供氧瓶时，通过第一减压阀17调节压力至0.3～0.6mpa，并通过供氧电磁阀18将氧气从供氧端输出至氧气面罩内，第二压力传感器16实时监测供氧压力，开始氧气的供给。
[0035]
将制氧和供氧集中在小型壳体内，便于携带，在储气瓶内氧气用尽的情况下，能利用外部空气富集氧气。
[0036]
实施例2结合图1，一种高海拔旅游途中的便携供氧方法，包括壳体1、设于壳体1内的制氧机构，所述壳体1的外部覆设有可折叠的铜铟镓硒薄膜太阳能电池，为制氧机构供电，所述的制氧机构包括将壳体1内部分隔为上腔室3和下腔室4的隔板2，所述的隔板2采用网孔板，所述的下腔室4内设有真空泵6，所述的上腔室3内设有与真空泵6连接的板式富氧膜组5，所述的真空泵6将经板式富氧膜组5形成的富氧气体通过增压泵11输送至设于壳体1内部的储气瓶10内。
[0037]
所述的壳体1的底部铺设有对进入壳体1内气体进行过滤的滤网9，所述的下腔室4内还设有将外部气体抽入壳体1内的负压风机7，所述的板式富氧膜组5的抽气端与真空泵6的进气口连通，所述的板式富氧膜组5的进气端与真空泵6的出气口端连通，在板式富氧膜组5内外侧形成压力差。
[0038]
外部空气通过滤网及负压风机净化除尘后进入壳体内部，使板式富氧膜组件周围保持干净的空气，真空泵通过在板式富氧膜组件内外侧形成压力差富集富氧气体，富氧气经控制单元调节输送至供氧管路并输送至氧气面罩，为人体供氧。
[0039]
所述的板式富氧膜组5采用高分子硅橡胶负荷分离膜材质，分离膜材质的透气量为14.6
×
10-4-18.3
×
10-4
(stp)cm3/(s
·
cm2·
cmhg)，空气在真空泵的压力作用下透过高分子膜，根据空气中各组分在压力差的推动下透过膜的渗透速率不同，渗透速率相对快的气体，如水汽、二氧化碳、氧气等透过膜后在膜的渗透侧被富集，而渗透速率相对慢的富氮废气在膜的滞留侧排出，从而达到空气中制取富氧产品气的目的，空气与膜表面接触，气体混合物中的渗透组分在高压侧溶解在膜表面上，其次渗透组分在溶解产生的浓度梯度作用下从膜的高压侧通过分子扩散传递到膜的低压侧，随后在膜的低压侧解吸到气相，待膜中渗透组分浓度梯度沿膜厚方向变成直线时达到稳定状态，从而达到将含有稀薄氧气的空气中的氧气进行富集。
[0040]
实施例3结合图2，一种高海拔旅游途中的便携供氧方法，包括壳体1、设于壳体1内的制氧机构和控制氧气充气、供氧的控制单元。
[0041]
所述的控制单元包括依次连接增压泵11出口端至储气瓶10进气端的安全阀12、充氧电磁阀13、单向阀14、第一压力传感器15和依次连接储气瓶10出气端的第二压力传感器16、第一减压阀17和供氧电磁阀18，所述的充氧电磁阀13、第一压力传感器15、供氧电磁阀18和第二压力传感器16由plc控制器19控制。
[0042]
经制氧机构制取的富氧气体经管路到达增压泵入口处，并通过单向阀进入到输入端的端口，增压泵的二位五通阀控制的路径使得高压驱动气体推动活塞向左运动，直至左端霍尔幵关导通，二位五通阀动作，路径切换，高压驱动气体开始将活塞推向右侧，同时压缩输出端端口的氧气，活塞运动直到右端霍尔开关导通，氧气通过单向阀，进入氧气瓶，这个过程一直重复，直至达到压力变送器设定阈值。
[0043]
当对储气瓶进行灌充时，富氧气体经过充氧电磁阀及单向阀进入储气瓶内．第一压力传感器实时监测充氧压力，当瓶内氧气压力达到系统设定值时，充氧自动停止，完成氧气瓶的灌充；当储气瓶作为供氧瓶时，通过减压阀调节压力至0.3～0.6mpa，氧气从供氧端输出，开始氧气的供给。
[0044]
实施例4结合图3-6，所述的供氧电磁阀18通过波纹管道将富氧气体输送至与氧气面罩内，所述的氧气面罩上设有调节氧气浓度的调节机构，所述的调节机构包括设于波纹管道与氧气面罩连接处的容置壳24，所述的容置壳24朝向氧气面罩外部的两侧面上分别设有氧气进口25和空气进口27，所述的空气进口27管道连接至设于壳体1的下腔室4内的空压机8，所述容置壳24朝向氧气面罩内部的一侧面上设有氧气出口26。
[0045]
所述的容置壳24内设有与氧气进口25和空气进口27连通的平衡组件20，所述平衡
组件20依次通过阀体21和第二减压阀28将空氧混合气体输送至氧气出口26，所述的平衡组件20将平衡后的同等压力的富氧气体和空气输送至阀体21。
[0046]
所述的阀体21由步进电机22驱动控制氧气和空气的流入量，所述的步进电机22根据氧气浓度传感器23传输至plc控制器19的氧气浓度数据驱动阀体21。
[0047]
经控制单元调节后输出的富氧气体与空压机压缩后的外部空气通过平衡组件输出为压力平衡的氧气和空气，并分别流入阀体的两端，通过步进电机控制阀体的阀杆的移动，同时调整阀体内空气和氧气的流量，充分混合后得到人体所需的特定浓度的气体，将含有特定氧气浓度的气体经减压阀减压后，输送至氧气面罩内供人体吸入。
[0048]
实施例5在实施例3的基础上，结合图5，所述的平衡组件20包括密封腔200和设于密封腔200内的第一活塞201和第二活塞202，所述的第一活塞201和第二活塞202将密封腔200依次分隔为第一腔体203、第三腔体204和第二腔体205，所述的第一腔体203和第三腔体204连通至氧气进口25，所述的第三腔体204和第二腔体205连通至空气进口27，所述的第一腔体203和第二腔体205的出口端与阀体21连通。
[0049]
将压力为p1的氧气和压力为p2的空气分别通入v1、v3，v2、v3中，两个活塞分别移动，密封腔内趋于平衡状态，压力平衡后，v1、v2、v3的容积分别变为v11，v22，v33，压力都变为p，根据玻意尔-马略特定律：在温度不变的条件下，一定质量的气体的压强与体积成反比，平衡后的压力p仅与初始的空气和氧气的压力以及三个腔体的初始容积有关，且密封腔平衡的过程是在短时间内完成的，经密封腔流出的空气和氧气的压力始终是平衡的。
[0050]
所述的平衡组件平衡后的压力p满足：p=(p1v1+p2v2+p1v3+p2v3)/(v1+v2+v3)，其中p1为通入平衡组件内的富氧气体的压力，p2为通入平衡组件内的压缩空气的压力，v1为通入气体前第一腔体的容积，v2为通入气体前第二腔体的容积，v3为通入气体前第三腔体的容积，平衡后的压力p仅与初始的空气和富氧气体的压力以及三个腔体的初始容积有关，且活塞平衡的过程是瞬时完成的，所以经平衡组件流出的空气和氧气的压力始终是平衡的。
[0051]
实施例6在实施例3的基础上，结合图6，所述的阀体21两端的入口处采用完全相同的两减缩喷管212结构，所述的步进电机22通过控制阀体21内阀杆211的移动得到一定浓度的空氧混合气体。
[0052]
经阀体混合后输出的空氧混合气体的氧浓度a满足：a=(79l+21b)/b，其中l为阀体的阀杆的移动距离，b为阀体的入口处的宽度，在阀体两端结构完全一致的前提下，匀速调整阀杆可使混合气体的氧浓度线性变化，步进电机每走一步所产生的位移是恒定的，采用步进电机带动阀杆，通过控制步进电机的步数来确定输出的氧浓度。
[0053]
实施例7所述的氧气面罩上设有吸气阀门和呼气阀门，所述的吸气阀门和呼气阀门均采用单向阀，所述的吸气阀门与调节机构连通并用来接收调节机构供给的气体，所述的呼气阀门用于将氧气面罩内的气体排出。
[0054]
所述的氧气面罩内的气体密度ρ满足：
ρ=ρ0+(q
in
+q
x-q
out-qy)/v，其中ρ0为氧气面罩内部初始气体密度(kg/m3)，q
in
、q
out
分别为通过吸气阀门进入氧气面罩的气体质量以及通过呼气阀门流出氧气面罩的气体质量(kg)，q
x
、qy分别为呼气以及吸气所流通的气体质量(kg)；v为氧气面罩内部体积(m3)。
[0055]
所述的氧气面罩的吸气阀门的质量流量w
in
和呼气阀门的气体的质量流量w
out
满足：w
in
=μys
in
·
{2p
in
(p
in-pm)/[rt
·
[1-(d
inb
/d
ina
)4]]}；w
out
=μys
out
·
{2pm(p
m-p
out
)/[rt
·
[1-(d
outb
/d
outa
)4]]}；其中μ为气体流量系数且μ=0.65，与阀门的形状、厚度有关，y为气体膨胀系数，s为阀门的流通面积(mm2)，r、t为入口处气体的气体常数和绝对温度，p
in
为吸气阀门的入口压强，也即调节机构的氧气出口压强(mpa)；p
out
为氧气面罩外部大气压强(mpa)，pm为面罩内部压强(mpa)，s
in
为吸气阀门的流通面积(mm2)，s
out
为呼气阀门的流通面积(mm2)，d
ina
、d
outa
分别为吸气阀门和呼气阀门的直径(mm)，d
inb
、d
outb
分别为吸气阀门和呼气阀门的喉部直径(mm)。
[0056]
调节机构的进气气路通过吸气阀门连接氧气面罩内部的空间，当人体呼吸时，并且通过呼吸阀门与外界环境相连接，人体吸气时，氧气面罩内部压力降低，吸气阀门开度提高，调节机构所提供的氧气流入氧气面罩内部，调节机构供气压强降低，当人体呼气的时候，氧气面罩内部压力提高，吸气阀门开度降低，由于气压大于外界压强，呼气阀门打开，使面罩内部气压降低，通过控制降低调节机构的空气阀门和氧气阀门开度，将氧气面罩内部压强的波动限定在一定范围内，为人体提供稳定连续的氧气。
[0057]
以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的保护范围内所做的任何修改，等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。