魏宏波

寶雞文理學院 機電工程系，陜西 寶雞 721007

0 前言

隨著社會生活節(jié)奏的加快，人們的壓力越來越大，各種亞健康癥狀開始出現(xiàn)；另外，隨著生活水平的不斷提高，人們的自我保健意識也不斷增強。目前各種用于運動后疲勞恢復、亞健康治療及預防、美容、防早衰、延年益壽等功效的醫(yī)療保健設備應運而生。近年來，高壓氧治療作為一種特殊的治療手段，由于其獨特療效而被人們認識。高壓氧艙具有增強精力、緩解疲勞、促進睡眠、緩解神經(jīng)系統(tǒng)緊張狀等功能。然而，常見高壓氧艙用于醫(yī)院對疾病患者的針對性治療，設備使用復雜、費用昂貴，而用于家庭保健的家用高壓軟體艙因其小巧玲瓏、安全、方便等特點而成為保健設備發(fā)展的新方向。由于軟體艙處于一個相對密閉的環(huán)境，艙體內(nèi)空氣中含有許多雜質(zhì)及污染物，為保證使用者的健康，本文針對艙內(nèi)空氣凈化系統(tǒng)進行討論和設計。

1 家用高壓軟體艙的總體構(gòu)成

與用于臨床治療的醫(yī)用高壓氧艙相比，家用高壓軟體艙是空氣加壓艙，即加壓時向艙內(nèi)充填高壓空氣，氧氣濃度和氣壓相對較低，不需要專用的醫(yī)用氧氣，較純氧艙相對安全。軟體艙的總體構(gòu)成簡圖，見圖1?？諌簷C通過進氣口吸入常壓空氣，在氣缸內(nèi)壓縮體積提高壓力，然后通過排氣口排出所需的高壓氣體，此處的壓縮空氣含有固體顆粒、水、油、微生物及有害氣體，不符合醫(yī)用空氣加壓艙的氣源質(zhì)量要求。因此，必須對壓縮空氣進行凈化處理，以達到需要的使用標準。

2 空壓機輸出氣體所含的雜質(zhì)

空氣被壓縮機壓縮后含有許多雜質(zhì)[1]，這些雜質(zhì)主要有水分、油分、塵粒及異味等。水分在壓縮空氣中占有相當大的比重，空氣中水的含量隨著空氣壓力的增大而增大，冷卻后極易生成凝結(jié)水。這些水分能夠引起壓縮空氣管路及閥門的銹蝕，從而降低系統(tǒng)和設備的可靠性及壽命，最終有可能引起氣體泄漏，影響使用效果。當空氣被空壓機壓縮后，尤其是有油空壓機，會混入一些油分，這些油分容易與別的雜質(zhì)結(jié)合形成粘性污穢物，不僅會產(chǎn)生異味污染艙內(nèi)氣體，對人體健康造成損害，而且影響系統(tǒng)的工作效率。盡管空壓機有進氣過濾裝置，但是仍有不少塵粒會通過壓縮機混入艙內(nèi)。當塵粒的粒徑＞ 6μm時，會對氣動元件造成損害。一般異味的產(chǎn)生來自兩個方面，一是通過空壓機管道、閥門等處混入外界異味；二是艙內(nèi)人體散發(fā)的二氧化硫 ( SO2)、氨( NH4) 、硫化氫 ( H2S) 等產(chǎn)生異味。異味會讓人感覺不舒服，而且對健康有害，因此，為了人的舒適，艙內(nèi)的異味也要去除。

3 密封環(huán)境空氣凈化指標及凈化方法

3.1 密封環(huán)境空氣凈化指標

不同的使用場合有不同的壓縮空氣凈化指標，一般而言，醫(yī)用壓縮空氣的凈化指標遠遠高于環(huán)衛(wèi)指標。密閉環(huán)境長期逗留條件下的衛(wèi)生指標為：CO2≤ 1% ；CO≤0.02% ；碳氫化合物≤ 100 mg /m3。對于空氣加壓艙，向艙內(nèi)供氣的壓縮空氣經(jīng)凈化后要求達到GB/T12130的規(guī)定標準，見表1[2-4]。

3.2 常用壓縮空氣的凈化方法

一般常用的壓縮空氣的凈化方法包括冷卻、干燥、油水分離和過濾等環(huán)節(jié)[5-7]。

（1）冷卻。經(jīng)過壓縮的空氣會產(chǎn)生一定的溫升，通過冷卻使壓縮空氣降溫，從而使壓縮空氣達到常溫，并且能夠除去部分水分。

（2）干燥。壓縮空氣的干燥一般分為吸附式干燥和冷凍式干燥。吸附式是利用硅膠、分子篩等干燥劑具有吸收水分的特點來達到降低空氣中水分的目的。冷凍式干燥是利用制冷設備使空氣冷卻到一定的露點溫度，析出空氣中超過飽和蒸汽壓部分的水分，降低其中濕度，提高空氣的干燥程度。冷干機是常見的一種利用冷凍法凈化壓縮空氣的設備。

（3）油水分離。經(jīng)冷干的壓縮空氣還要在油水分離器中進一步凈化，其工作原理是利用空氣蝸旋流動的離心力將壓縮空氣中大部分的液態(tài)油水，離心到油水分離器中的大量擋板上，從而實現(xiàn)從壓縮空氣中分離出油水的目的。油水分離器具有自動排污功能，當積液達到一定高度時就可以通過排污閥將油水排出。

（4）過濾。壓縮空氣過濾器一般分粗濾器、精濾器和超精濾器。過濾過程中無需動力，主要依靠壓縮空氣本身的壓力差，因而會產(chǎn)生一定的壓力損失。

4 軟體艙空氣凈化系統(tǒng)的設計

4.1 凈化設計總體思路

由于家用高壓軟體艙一般用于家庭保健用途，所以艙內(nèi)氣體必須達到醫(yī)用呼吸氣源的標準，具體要求是：用氣必須無塵無味，過濾精度達0.01μm，含油率≤0.003 ppm。因而設計思路為：在空壓機進氣口加裝粗過濾膜，從空壓機壓出來的高壓氣體首先在緩沖氣罐進行沉淀，經(jīng)過冷干機析出壓縮空氣中的大部分油蒸氣和水蒸氣，然后將壓縮空氣在空氣管路過濾器和高效除油過濾器中進一步凈化，最后經(jīng)過H級超精密過濾器過濾，最終達到無雜質(zhì)無味的高質(zhì)量空氣品質(zhì)要求。凈化程序，見圖2。另外，軟體艙內(nèi)還設計有換氣減壓閥，可以隨時進行換氣。確保艙內(nèi)氣體保持清潔、新鮮。

4.2 凈化系統(tǒng)設備的選配

4.2.1 空氣壓縮機的選配

空氣壓縮機按潤滑方式分為有油潤滑、無油潤滑和全無油潤滑。有油潤滑空氣壓縮機在壓縮過程中，由于氣體與潤滑油直接接觸使排出氣體中油分含量增大，造成空氣中碳氫化合物指標超標，增加后序凈化程序的成本。無油潤滑空氣壓縮機摩擦部件采用自潤滑材料，不用潤滑油也能自行潤滑，即氣體不與油接觸，避免了油的污染和積碳，既保證了氣體的潔凈又節(jié)省了成本。所以，根據(jù)使用要求應優(yōu)先選用無油潤滑空氣壓縮機。本設計選用的是東莞澳多寶電子科技有限公司開發(fā)的無油微型空氣壓縮機，型號為AP-200C。但是必須注意到，無油空壓機僅僅是減少了壓縮過程的二次污染，離醫(yī)用呼吸氣源標準規(guī)定的壓縮空氣凈化要求還相距甚遠，所以選用無油空壓機后，為達到標準要求，分離和過濾凈化設施仍然是必不可少的。

表1 加壓艙凈化后的空氣標準

4.2.2 冷干機的選配

冷干機是根據(jù)冷凍除濕原理，利用全封閉壓縮式制冷系統(tǒng)，對經(jīng)空壓機排出的壓縮氣體冷卻降溫，使其中所含的大量飽和水蒸氣、油霧凝結(jié)成液滴，經(jīng)過自動排水器排出。本設計采用的是杭州翔盛氣體設備有限公司的XS-06A型冷干機，屬于常溫型，冷卻方式為風冷，空氣處理量為0.6 m3/min，制冷功率1/4HP，其體積小，干凈衛(wèi)生，故障率低，完全可以滿足設計需求。

4.2.3 空氣過濾器的選配

一般過濾器濾芯是由纖維介質(zhì)、濾網(wǎng)、海綿等材料組成。壓縮空氣中的固體、液體微粒，經(jīng)過過濾材料的攔截后，凝聚在濾芯表面，積聚在濾芯表面的液滴和雜質(zhì)經(jīng)過重力的作用沉淀到過濾器的底部再經(jīng)過人工排出。常見的過濾器是根據(jù)不同的使用要求選擇不同的組合。本設計在冷干機之后加裝了T級空氣管路過濾器來保護整個系統(tǒng)，可濾除大量液體及＜3μm的固態(tài)顆粒，達到最低殘留油份僅5 ppm。之后又加裝了A級高效除油過濾器確保系統(tǒng)所使用空氣處于完全無油狀態(tài)，可濾除＜0.01μm的液態(tài)及固體顆粒。最后加裝了H級超活性碳過濾器，濾芯經(jīng)過特別的活性碳滲透處理，能完全吸附碳氫化合物等氣體異味，以達到完全無味無臭的高質(zhì)量空氣要求，可濾除＜0.01μm的液態(tài)及固體顆粒，達到最低殘留油分僅0.003 ppm。由此進入軟體艙的壓縮空氣已完全達到醫(yī)用氣源的標準。

5 調(diào)試和使用中的注意事項

將諸選配件按要求進行組裝連接，確保各接口密封良好，無泄漏，然后加電進行試運行，5 min后軟體艙內(nèi)壓力達到預設值。由于艙體設置有專門的供排氣系統(tǒng)，使得壓力能夠一直維持在一個相對穩(wěn)定的壓力值，最大波動范圍在1～2 kPa之間。對艙內(nèi)高壓空氣溫度、濕度、漂塵和含油量進行連續(xù)2 h監(jiān)測，結(jié)果顯示，艙體加壓后，艙體內(nèi)溫度為25℃左右，溫差在3℃以內(nèi)，微塵顆粒為0.01μm，最低殘留油分為0.003 ppm。隨著時間的延長，由于呼吸作用，含水量在220～250 mg/ m3之間變化，CO2的含量隨著人逗留時間的延長而增加。由于家用高壓軟體艙在使用時，每次逗留時間不超過1 h，而且艙體的通風換氣裝置能夠降低艙內(nèi)CO2濃度，對艙內(nèi) NH4、 H2S等臭氣的凈化十分有效，另外，一定濃度的CO2能夠促使血管擴張呼吸頻率加快，有利于血氧張力的提高，對氧治療是有利的。因此，一般不對CO2進行控制。細菌總數(shù)在監(jiān)測時間內(nèi)也達到設計指標要求，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。若要長期使用，還應注意以下幾點[8-9]。

（1）在使用過程中要定期檢查、清理管路，檢查艙內(nèi)外管路有無銹蝕，必要時需除銹。定期排放積液，以免造成二次污染，影響使用效果。

（2）注意環(huán)境氣源，保持室內(nèi)通風良好，吸口濾網(wǎng)要定期檢查和清洗。

（3）有害氣體的允許濃度與人員逗留時間有關(guān)，要控制人在軟體艙內(nèi)的逗留時間不要過長，并注意定期換氣。

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