活塞式分子筛制氧系统的制作方法

本发明涉及活塞式分子筛制氧系统，适用于制氧量比较小的场合，属于制氧技术领域。

背景技术：

现代常用的制氧方法包括：深冷法、分子筛变压吸附法、膜法和魏伯卿的磁分离法，最节能的制氧方法是魏伯卿的磁分离法，但磁分离法还无法做到工业化，而深冷法无法做到小型化和低能耗化，膜法制氧能做到小型化，但成本和能耗还是降不下来；本发明就是争对以上缺陷研发的小型化、低能耗、低噪声、不需要循环水的办公和家庭用制氧系统，其对减少雾霾对人体的伤害和增强人体抵抗力有极大的好处，从而填补国内外能小型化、低成本、低能耗、低噪声制氧装置的空白。

分子筛变压吸附制氧的原理：分子筛在空气加压到压力为p1时，流进分子筛的空气，在p1压力下氮气被分子筛吸附，氧气则不被吸附而流过分子筛并被收集成富氧气体，然后被吸附了氮气的分子筛在负压p2下解吸，并用少许富氧气体反冲洗以活化分子筛，从而恢复分子筛的吸氮能力；但现有的分子筛变压吸附法采用空压机给气体加压，无法做到小型化和低能耗化，而且噪音很大，又需要循环水，根本不适合家庭供氧使用。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有分子筛变压吸附制氧的高能耗和设备庞大而提供一种利用驱动活塞在活塞缸内移动从而给活塞缸内的气体加压和减压以达到节能目的的活塞式分子筛制氧系统。

本发明技术要点：

（1）利用活塞驱动装置驱动活塞在活塞缸内压缩空气形成的压力来代替现有变压吸附制氧工艺中的空压机给气体加压和真空泵抽负压，电机功率小、能耗低。

（2）利用控制系统控制活塞驱动装置，使活塞在活塞缸内向靠近活塞缸底部移动，以压缩活塞缸内空气，当活塞缸内的空气达到一定压力p1后，控制系统控制自动打开排氧阀的开度为k1，从而使活塞缸内的压缩空气经制氧分子筛吸附氮气后，从排氧阀中流出，而且利用控制系统控制活塞驱动装置一直稳定活塞缸内压缩空气的压力为p1，直到活塞缸内压缩空气全部经制氧分子筛吸附氮气后从排氧阀中排出。

（3）制氧分子筛吸附氮气后，利用控制系统控制活塞驱动装置，使活塞在活塞缸内向远离活塞缸底部移动，以使活塞缸内的气体形成负压，当活塞缸内气体负压达到p2时，吸附氮气的制氧分子筛中的氮气在负压p2下被解吸，此时，控制系统控制自动打开排氧阀的开度为k2，使富氧气储罐的富氧气体部分返回到制氧分子筛中活化制氧分子筛。

（4）活塞驱动装置包括：（a）螺杆驱动装置，（b）重力驱动装置，（c）齿轮驱动装置，（d）椭轮驱动装置，（e）液压驱动装置，（f）曲轴驱动装置。

本发明为达到上述发明目的而采用的技术方案：

活塞式分子筛制氧系统，其特征在于：

1、制氧系统包括活塞缸、活塞、活塞驱动机构和控制系统；所述活塞缸下部为料仓，料仓中设置分子筛，活塞缸与料仓连接区对称设置多根排出氮气和通入空气的进气支管，进气支管与进气环管相连接并相连通，进气环管分别与进气总管和排氮管相连接并相连通，进气总管上安装有进气阀，排氮管上安装有排氮阀；在活塞缸与料仓连接区的缸内安装有压力传感器，压力传感器与控制系统相连接；分子筛下方的料仓底部设置排氧阀，所述活塞缸中安装活塞，活塞通过控制系统控制活塞驱动装置驱动使其在活塞缸内做往复移动，控制系统还根据压力传感器测得的活塞缸内的压力控制活塞的移动、移动速度、停止和进气阀、排氮阀、排氧阀的开闭。

2、活塞式分子筛变压吸附制氧系统利用控制系统控制活塞驱动装置驱动活塞向下移动，使活塞在活塞缸内向靠近活塞缸底部移动，以压缩活塞缸内空气，当活塞缸内的空气达到一定压力p1后，控制系统控制自动打开排氧阀的开度为k1，从而使活塞缸内的压缩空气经制氧分子筛吸附氮气后，从排氧阀中流出，而且利用控制系统控制活塞驱动装置驱动活塞向下移动的速度，一直控制稳定活塞缸内压缩空气的压力为p1，直到活塞缸内压缩空气全部经制氧分子筛吸附氮气后从排氧阀中排出。

3、制氧分子筛吸附氮气后，利用控制系统控制活塞驱动装置驱动活塞向上移动，使活塞在活塞缸内向远离活塞缸底部移动，以使活塞缸内的气体形成负压，当活塞缸内气体负压达到p2时，吸附氮气的制氧分子筛中的氮气在负压p2下被解吸，此时，控制系统控制自动打开排氧阀的开度为k2，使富氧气储罐的富氧气体部分返回到制氧分子筛中活化制氧分子筛，或控制系统控制自动打开料底阀的开度为k3，使空气进入到制氧分子筛中以冲洗制氧分子筛表面已解吸的氮气；其中p1为制氧分子筛吸附氮气的临界压力，p2为制氧分子筛解吸氮气的最低压力。

4、在活塞缸底部和料仓之间的接合区，安装有空气进气和氮气排放的进气支管，使空气进气和氮气排放不通过料仓的分子筛与过滤层，速度快、阻力小，而且还不让快速流动的气流磨损分子筛和过滤层料，以延长分子筛和过滤层料的使用寿命。

5、控制系统的plc或cpu或控制器控制活塞驱动装置以控制活塞向上移动或向下移动的速度，并配合活塞缸内气体的压力，以驱动活塞在吸气、制氧、解吸、排氮四个过程中各个阶段的不同移动方向和不同移动速度往复运动，从而实现分子筛吸附氮气和解吸氮气的特殊要求，最终实现高效制取氧气的目的。

6、活塞缸的底部为料仓，在活塞缸的底部四周对称制作有多个输入空气的进气支管，进气支管穿过料仓外壁与料仓外面的进气环管相连接，进气环管环绕料仓安装，进气环管与进气总管相连，在进气总管上安装有一个进气阀，进气阀为电磁阀或电动阀等，当进气阀打开时，空气在外动力作用下可以通过进气支管直接进入到料仓的顶部区域，在进气环管上还安装有一个排氮阀，排氮阀为电磁阀或电动阀等，排氮阀打开时，分子筛吸附并解吸后的氮气可以通过活塞压力经进气支管和进气环管进入排氮阀排放。

7、料仓的底部为漏斗形，料仓底部的正中央为漏斗的漏口，漏口与料仓之间有筛网相隔，以防料仓内的分子筛下落，在漏口安装有一根料仓排气管，料仓排气管下端安装有一个排氧阀，排氧阀为电动调节阀，在排氧阀的左侧安装有一个料底阀。

8、控制系统由信号线与排氮阀、进气阀、排氧阀和料底阀相连接，并控制排氮阀、进气阀、排氧阀和料底阀的开闭和开度。

9、料仓的上部装有过滤层，过滤层为活性氧化铝或其他能吸附空气中水分子和二氧化碳等分子的过滤层，料仓的中下部装有分子筛，分子筛为变压吸附专用制氧分子筛，过滤层上有一层筛网覆盖，以保护过滤层的物料不移动。

10、活塞驱动装置包括：

（a）螺杆驱动装置：活塞上端面的正中央安装一根螺杆，螺杆与活塞由推力轴承或球头等连接，使螺杆旋转而不带动活塞旋转，螺杆套拧在一个固定十字架正中央的螺孔内，固定十字架的四端头固定安装在活塞缸的上缘，电机安放在一个移动十字架上面，移动十字架四端头各有一个圆孔，圆孔套装在四根立柱上，使移动十字架可以顺四根立柱上下滑动，四根立柱的下端与活塞缸的上缘固定相连接，螺杆的上端有外轮齿，螺杆的外轮齿与电机轴轮的轮齿相啮合旋转，使电机正向或反向旋转带动螺杆正向或反向旋转，从而带动活塞在活塞缸内做往复运动。

（b）重力驱动装置：活塞缸的上缘固定安装有一个十字架，十字架上安装一个电机，电机的转轴上固定安装一根绕绳，绕绳另一端穿过十字架的正中央一个孔后，与活塞上端面的正中央固定相连接，电机旋转卷绕拉线提起活塞向上运动，然后电机停止旋转，使活塞在重力作用下向下运动，从而使活塞在活塞缸内做往复运动。

（c）齿轮驱动装置：活塞的顶端平面中央有一个活塞顶头，活塞顶头上端与推拉杆由连接轴相连，推拉杆的上端有一个半连轴，半连轴的一端固定安装在推拉杆的上端，半连轴的另一端卡扣在推拉轮的弧形槽内，弧形槽位于靠近推拉轮外边缘的位置，弧形槽为一穿透推拉轮的弧形空槽，弧形槽的宽度与半连轴相匹配，弧形槽的弧形线长度为小于推拉轮外圆周长的八分之一，半连轴穿入推拉轮的弧形槽的另一端安装有一个扣帽，这个扣帽的直径大于弧形槽的宽度，以防半连轴从弧形槽脱出；推拉轮的外圆周制作有轮齿，每两个推拉轮之间有一个传动轴轮，传动轴轮的外圆周制作有轮齿，推拉轮的轮齿与传动轴轮的轮齿相匹配相啮合，传动轴轮的中心孔固定套装在传动轴上，当传动轴逆时针旋转带动传动轴轮逆时针旋转，并带动传动轴轮左侧相啮合的推拉轮和右侧相啮合的推拉轮顺时针旋转，使卡扣在推拉轮弧形槽内的半连轴顺推拉轮顺时针旋转，从而使推拉杆经推拉杆与活塞顶头相连接的连接轴带动活塞在活塞缸内做上下往复运动。

（d）椭轮驱动装置：活塞的顶端平面中央有一个活塞顶头，活塞顶头上端与连杆固定相连，连杆的上端与椭圆桶最低端固定相连，椭圆桶的最高端与限位杆的下端相连，限位杆的外周间隙地套有一根上限位板，使限位杆仅可以在上限位板的内孔内做上下移动，连杆的外周间隙地套有一根下限位板，使连杆仅可以在下限位板的内孔内做上下移动，从而使椭圆桶只能做垂直的上下运动，椭圆桶为水平放置，即椭圆桶的长轴成水平状态且与活塞和活塞缸的中轴线垂直，椭圆桶内间隙地安装有一个椭轮柱，椭轮柱的长轴长度与椭圆桶的短轴相近，使椭轮柱的长轴间隙地内套于椭圆桶的短轴方向；当椭轮柱的长轴为垂直状态时，在上椭轮柱焦点往左移l距离再往上移h距离的位置点q，0≤l≤（s/4），0≤h≤（s/5），s为椭轮柱的短轴长度，以q点为中心开有一个半径为r的小孔，这个小孔就是椭轮柱的绕转孔，在椭轮柱绕转孔内固定套有一根传动轴，使传动轴顺时针旋转带动椭轮柱绕椭轮柱绕转孔旋转，从而使椭轮柱长轴方向且与绕转孔相远的另一端端头旋转到绕转孔的下方时，顶压椭圆桶内壁的短轴下弧面，使椭圆桶下移带动连杆下移，并带动活塞在活塞缸内下移，然后传动轴继续顺时针旋转带动椭轮柱绕椭轮柱绕转孔旋转，从而使椭轮柱长轴方向且与绕转孔相远的另一端端头旋转到绕转孔的上方时，顶压椭圆桶内壁的短轴上弧面，使椭圆桶上移带动连杆上移，并带动活塞在活塞缸内上移，限位杆和连杆限定椭圆桶只能做垂直的上下运动，所以传动轴顺时针旋转带动椭轮柱绕椭轮柱绕转孔旋转时，椭轮柱的外表面推挤顶压着椭圆桶短轴方向的上侧或下侧内表面弧面，使椭圆桶和连杆只做上下运动并带动活塞在活塞缸内做上下运动。

（e）液压驱动装置：活塞上端面正中央固定安装有一根推拉杆，推拉杆的上端头与液压装置的推拉机构相连，使液压装置的推拉机构带动推拉杆做上下移动，从而带动活塞在活塞缸内做往复运动。

（f）曲轴驱动装置：活塞的顶端平面中央有一个活塞顶头，活塞顶头上端与连杆由活塞顶头与连杆的连接轴相连，连杆的上端与曲轴由曲轴与连杆的连接轴相连，曲轴与传动轴相连，使曲轴绕传动轴旋转时，带动连杆上下移动并使连杆上端绕曲轴与连杆的连接轴前后摆动，从而使活塞在活塞缸内作上下往复运动。

11、当活塞在活塞缸的最下端时，启动制氧系统，（a）控制系统同时给活塞驱动装置和进气阀通电，进气阀通电打开进气阀通路，此时排氮阀未通电处于关闭状态，控制系统控制活塞驱动装置带动活塞向上移动，从而使活塞缸内形成负压，这个负压动力将空气从进气总管经进气环管和进气支管进入到活塞缸内，在活塞向上移动到活塞底部距离活塞缸底部即过滤层顶部的筛网高度为h时，控制系统控制活塞驱动装置使活塞停止向上移动，同时，控制系统切断进气阀电源使进气阀关闭通路，此为吸气过程；（b）此时控制系统控制活塞驱动装置带动活塞向下移动，随着活塞的向下移动，活塞缸内的空气压力p不断增大，当活塞缸内空气的压力增大到p1时，压力传感器反馈给控制系统电信号，使控制系统给排氧阀供电，并使排氧阀的开度为k1，从而使排氧阀连续排出流量为v1的富氧气体，与此同时，控制系统给信号控制活塞驱动装置控制活塞向下移动的速度，以保持活塞缸内空气压力稳定为p1，直到活塞向下移动到活塞缸底部，从而保证分子筛对压缩空气中氮气的吸附作用及吸附效率，此为制氧过程；（c）当活塞向下移动到活塞缸底部时，控制系统控制活塞驱动装置带动活塞向上移动，与此同时，控制系统给关闭排氧阀，使活塞缸内空气形成负压，随着活塞向上继续移动，活塞缸内气体压力不断下降，当活塞缸内气体压力降低到p2时，控制系统给排氧阀电信号使排氧阀打开的开度为k2，从而使富氧气储罐内的富氧气体经排氧阀连续以流量为v2的流速流入到分子筛和活塞缸内，以保证分子筛吸附的氮气被解吸并冲洗分子筛激活分子筛的活性，k2远小于k1，即v2远小于v1，与此同时，控制系统给信号控制活塞驱动装置带动活塞向上移动的速度，以保持分子筛和活塞缸内气体压力稳定为p2，当活塞向上移动到活塞底部距离活塞缸底部即过滤层顶部的筛网高度为h时，控制系统控制活塞驱动装置停止带动活塞向上移动，此为解吸过程，解吸过程可以加长以使分子筛解吸完全；（d）此时，控制系统立即控制活塞驱动装置使活塞向下移动，与此同时，控制系统给排氮阀通电打开排氮阀通路，使活塞向下移动推挤活塞缸内的富氮气体被排出，并恢复分子筛的活性，此为排氮过程；以上（a）吸气过程、（b）制氧过程、（c）解吸过程、（d）排氮过程为一个制氧排氮过程，然后控制系统重复上述四个控制过程，使分子筛不断地制取富氧气体。

12、在（c）解吸过程中，当活塞向下移动到活塞缸底部时，控制系统控制活塞驱动装置使活塞停止向下移动，与此同时，控制系统给关闭排氧阀，使活塞缸内空气成负压，随着活塞向上继续移动，活塞缸内气体压力不断下降，当活塞缸内气体压力降低到p2时，控制系统也可不给排氧阀电信号，而是给料底阀电信号打开料底阀，使空气通过料底阀进入到分子筛区域，以保证分子筛解吸的氮气被冲入活塞缸内，从而使其在排氮过程中能最大限度地排出氮气。

13、制取富氧气体的浓度可调，制取富氧气体的浓度由压力p1和开度k1决定，压力p1越大、开度k1越小，富氧气体浓度越大，富氧气体的浓度最高可达到99%；反之，压力p1越小（但不能小于制氧分子筛吸附氮气的临界压力）、开度k1越大，富氧气体浓度越小。

14、增加活塞缸内径与活塞缸高度比值，可以减小本发明装置的总高度。

15、本发明装置单套装置制氧为间隔性排氧，如果配备两套本发明装置，则能形成连续制氧排氧。

16、本发明装置也可用于分子筛变压吸附制取其他气体。

17、本装置可以将活塞缸与料仓做成分体式，以减小装置总高度。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明装置利用活塞驱动装置驱动活塞在活塞缸内压缩气体形成的压力来代替现有变压吸附制氧中的空压机给气体加压，因此，其能耗小，噪音低。

2、本发明装置体积小巧、结构简单、使用灵活、稳定可靠、制氧效率高，可广泛用于办公、居家等之用。

附图说明

图1是本发明实施例的剖面结构示意图；

图2是图1所示实施例中a—a剖面示意图；

图3是图1所示实施例中b—b剖面示意图；

图4是图1所示实施例中e放大示意。

图1-4中：1、排氮阀，2、料仓，3、料仓排气管，4、进气环管，5、进气支管，6、分子筛，7、过滤层，8、活塞，9、活塞缸，10、进气阀，11、连接头，12、推拉杆，13、活塞缸顶，14、排氧阀，15、富氧气储罐，16、料底阀，17、进气总管，18、压力传感器，19、信号线。

具体实施方式

在图1—4所示的实施例中：活塞式分子筛制氧系统，当活塞8在活塞缸9的最下端时，启动制氧系统，（a）控制系统同时给活塞驱动装置和进气阀10通电，进气阀10通电打开进气阀10通路，此时排氮阀1未通电处于关闭状态，控制系统控制活塞驱动装置带动活塞8向上移动，从而使活塞缸9内形成负压，这个负压动力将空气从进气总管17经进气环管4和进气支管5进入到活塞缸9内，在活塞8向上移动到活塞8底部距离活塞缸9底部即过滤层7顶部的筛网高度为h时，控制系统控制活塞驱动装置使活塞8停止向上移动，同时，控制系统切断进气阀10电源使进气阀10关闭通路，此为吸气过程；（b）此时控制系统控制活塞驱动装置带动活塞8向下移动，随着活塞8的向下移动，活塞缸9内的空气压力p不断增大，当活塞缸9内空气的压力增大到p1时，压力传感器18反馈给控制系统电信号，使控制系统给排氧阀14供电，并使排氧阀14的开度为k1，从而使排氧阀14连续排出流量为v1的富氧气体，与此同时，控制系统给信号控制活塞驱动装置控制活塞8向下移动的速度，以保持活塞缸9内空气压力稳定为p1，直到活塞8向下移动到活塞缸9底部，从而保证分子筛6对压缩空气中氮气的吸附作用及吸附效率，此为制氧过程；（c）当活塞8向下移动到活塞缸9底部时，控制系统控制活塞驱动装置带动活塞8向上移动，与此同时，控制系统给关闭排氧阀14，使活塞缸9内空气形成负压，随着活塞8向上继续移动，活塞缸9内气体压力不断下降，当活塞缸9内气体压力降低到p2时，控制系统给排氧阀14电信号使排氧阀14打开的开度为k2，从而使富氧气储罐15内的富氧气体经排氧阀14连续以流量为v2的流速流入到分子筛6和活塞缸9内，以保证分子筛6吸附的氮气被解吸并冲洗分子筛6激活分子筛6的活性，k2远小于k1，即v2远小于v1，与此同时，控制系统给信号控制活塞驱动装置带动活塞8向上移动的速度，以保持分子筛6和活塞缸9内气体压力稳定为p2，当活塞8向上移动到活塞8底部距离活塞缸9底部即过滤层7顶部的筛网高度为h时，控制系统控制活塞驱动装置停止带动活塞8向上移动，此为解吸过程，解吸过程可以加长以使分子筛6解吸完全；（d）此时，控制系统立即控制活塞驱动装置使活塞8向下移动，与此同时，控制系统给排氮阀1通电打开排氮阀1通路，使活塞8向下移动推挤活塞缸9内的富氮气体被排出，并恢复分子筛6的活性，此为排氮过程；以上（a）吸气过程、（b）制氧过程、（c）解吸过程、（d）排氮过程为一个制氧排氮过程，然后控制系统重复上述四个控制过程，使分子筛6不断地制取富氧气体。

在（c）解吸过程中，当活塞8向下移动到活塞缸9底部时，控制系统控制活塞驱动装置使活塞8停止向下移动，与此同时，控制系统给关闭排氧阀14，使活塞缸9内空气成负压，随着活塞8向上继续移动，活塞缸9内气体压力不断下降，当活塞缸9内气体压力降低到p2时，控制系统也可不给排氧阀14电信号，而是给料底阀16电信号打开料底阀16，使空气通过料底阀16进入到分子筛6区域，以保证分子筛6解吸的氮气被冲入活塞缸9内，从而使其在排氮过程中能最大限度地排出氮气。

制取富氧气体的浓度可调，制取富氧气体的浓度由压力p1和开度k1决定，压力p1越大、开度k1越小，富氧气体浓度越大，富氧气体的浓度最高可达到99%；反之，压力p1越小（但不能小于制氧分子筛吸附氮气的临界压力）、开度k1越大，富氧气体浓度越小。