專利名稱：節(jié)能型空氣分離制氧裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種醫(yī)用設備，尤其涉及一種空氣分離制氧裝置。
技術(shù)背景醫(yī)用空氣分離制氧裝置是為醫(yī)院或醫(yī)療機構(gòu)提供醫(yī)用氧氣的中心制氧 裝置，它可以是雙機組、三機組、四機組、五機組或者六機組?？諝夥蛛x 制氧裝置主要包括螺桿式空氣壓縮機、冷凍干燥機、空氣過濾器、雙柱型 吸附式氧氣分離器及其控制部分、空氣穩(wěn)壓罐、氧氣穩(wěn)壓罐、流量調(diào)節(jié) 計、在線純度監(jiān)測儀等部分?？諝夥蛛x制氧裝置是利用分子篩物理吸附和解吸技術(shù)與微電腦數(shù)碼測 控技術(shù)相結(jié)合的裝置，其工藝過程是空氣(制氧原料)經(jīng)過空氣壓縮機壓縮、升壓0.3 0.6MPa，除油、去水后送至冷凍干燥機冷卻至5°C，再 經(jīng)吸入口過濾器除塵粒后，送入其中一只氧氣分離器。氧氣分離器內(nèi)裝填 由各種吸附材料按科學配比組成的吸附劑，空氣中的氮、水分、二氧化碳 及少量其它氣體組分被吸附劑吸附，而非吸附組分(氧氣)則從氧氣分離 器頂部出口排至氧氣平衡罐。當氧氣分離器中的可吸附物質(zhì)達到飽和狀態(tài) 時通過切換閥放空，吸附劑便可再生。同時另一只氧氣分離器升壓開始工 作，通過兩只氧氣分離器的交替工作獲得連續(xù)的氧氣流。制取的氧氣經(jīng)在 線檢測合格后，通過氧氣儲罐、管道、閥門、各級精密過濾器除菌過濾器 等凈化處理后送至后級使用點使用。參照圖3，為分離制氧裝置的工作周期示意圖，空氣分離制氧機在制 氧過程中，兩只吸附式氧氣分離器6A和6B是交替工作的，即在0 90秒 的過程中，氧氣分離器6A的壓力由OMPa (排空狀態(tài))漸升至0.6Mpa，待 其分離過程結(jié)束后即漸漸卸壓至OMPa;與此同時氧氣分離器6B的壓力則由0. 6MPa降至至0Mpa再升壓至0. 6Mpa，每個氧氣分離器的所需空氣的進 氣壓力是交替而周期性漸變的?，F(xiàn)有的空氣分離制氧裝置采用的是普通空氣壓縮機，其額定頻率、額 定電壓就是電源的電壓和頻率。系統(tǒng)供氣壓力的控制方式也僅僅依據(jù)壓力 控制器的上、下限設定值來控制空氣壓縮機的加/卸載，即壓力達到上限 時關(guān)閉供氣閥，空氣壓縮機進入輕載運行；壓力低至下限值時開供氣闊， 空氣壓縮機進入滿載運行。這種供氣控制方式下的空壓機，會造成如下三 部分能量浪費(1) 由于普通型螺桿式空壓機是在滿負荷狀態(tài)下長時間連續(xù)運行， 其效率的下降也相對較快，為了使其能在長時間內(nèi)保證空氣分離器的供氣 壓力，在設計系統(tǒng)或選擇空壓機的壓力時，都要高出實際用氣壓力25%以 上，而且運行時上限值一般也是調(diào)至最大，如圖4中的"普通型空壓機壓 力變化曲線"的峰值為0.85MPa，而實際上包括消耗只需0.60MPa，造成 多供少用的狀況；又如以圖2中的A折線為例，在壓力達到最小值a點 后，原控制方式?jīng)Q定其壓力會繼續(xù)上升直到最大調(diào)定壓力值，在此加壓過 程中，多余的壓力轉(zhuǎn)化為熱量釋放到空氣中，導致電能損失；(2) 加載時的電能消耗普通螺桿式螺桿式空壓機在0. 60 0. 85MPa 之間進行頻繁地加、卸載過程中，多出來的0.25MPa在爬升中消耗掉，有 數(shù)據(jù)驗證壓力每爬升0. lMPa，就會多消耗額定功率的7%，以一臺0G1250 制氧裝置的螺桿式空壓機為例，其額定功率為45KW，按一年累計運行 8000小時，爬升時間累計占整個運行時間的50%計算，則其年功率浪費 為[(O. 25MPaX7%/0. 1 MPa) X45KW]X (50%X 8000小時/年)=3150度/ 年；另一方面，壓力最大值高于氧氣分離器在最高點的用氣壓力后，在進 入氧氣分離器前，必須經(jīng)過減壓閥減壓后方能使用，這一過程同樣是一個 能量浪費的過程；(3) 卸載時電能的消耗當壓力達到壓力最大值時，普通型螺桿式 空壓機通過如下方法來降壓卸載關(guān)閉供氣閥使電機處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，同時將分離罐中多余的壓縮空氣通過放空閥放空，這又是一種能量浪費，普通 型螺桿式空壓機卸載時的能耗約占螺桿式空壓機滿載運行時的45%，卸載時間累計按所占整個運行時間的30%計算，則其年功率浪費為(45KW X 45%) X (30% X 8000小時/年)=48600度/年，換言之，普通型螺桿式空 壓機每年要消耗掉48600度的無功電能。另外空氣壓縮機頻繁地加、卸載變換，不僅導致了系統(tǒng)壓力和流量的 脈動，而且噪聲和能耗也隨之增大；電機軸承的磨損也加快，設備維護也 較高。另外與之配套的冷凍干燥機和過濾器等設備也在間歇式的沖擊狀態(tài) 下工作，所以對整套設備的使用壽命和故障率影響都比較大。如上所述一 臺0G1250 (匹配螺桿式空壓機功率45KW)型醫(yī)用空氣分離制氧裝置，每 年要消耗掉每年僅可計算的功率浪費就有5萬度。 一般醫(yī)用空氣分離制氧 裝置均為兩機組或三機組組成，僅此一項，每年的功率浪費就有10 15 萬度。在醫(yī)院這種特定的環(huán)境，在目前以節(jié)能降耗、降低運行成本為主流 的經(jīng)濟運營中，節(jié)能改造更顯迫在眉睫，勢在必行，節(jié)能后醫(yī)用空氣分離 制氧裝置的產(chǎn)品也具有著更強的生命力和更廣闊的市場前景。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種通過伺服反饋裝置實現(xiàn)空氣分離 制氧裝置的節(jié)能控制，用于解決醫(yī)用空氣分離制氧裝置的能源浪費問題， 通過降低系統(tǒng)供氣動力源的無用能耗，以達到節(jié)能的目的。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供如下的技術(shù)方案節(jié)能型空氣分 離制氧裝置，包括變頻式空氣壓縮機、冷凍干燥機、空氣過濾器、壓力平衡罐、電_氣 比例調(diào)壓閥、分離制氧裝置、壓力平衡調(diào)節(jié)器、流量控制器和氧氣自動開 關(guān)，上述各部件順次連接；另外，還包括伺服反饋裝置，所述伺服反饋裝置包括電-氣控換向閥、伺服 氣缸、位移傳感器、反饋電位器、放大器、變頻調(diào)節(jié)器、壓力傳感器和 PLC可編程控制器；電-氣控換向閥的右端接從氧氣自動開關(guān)后引出的氧氣控制管路，左 端為12V直流電磁鐵，12V直流電磁鐵連接經(jīng)放大器放大后的伺服電壓， 電-氣控換向閥進氣口接經(jīng)電-氣比例調(diào)壓閥調(diào)節(jié)后的壓縮空氣；電-氣控 換向閥的出氣口分別連接伺服氣缸的左右兩端；位移傳感器安裝在伺服氣缸的活塞桿上；反饋電位器連接所述位移傳感器，將機械的位移信號轉(zhuǎn)變成電信號；放大器電連接所述反饋電位器，放大器分別為電-氣控換向閥、電_氣 比例調(diào)壓閥和PLC可編程控制器提供電源；變頻調(diào)節(jié)器安裝在所述空氣壓縮機上，變頻調(diào)節(jié)器由PLC可編程控制 器控制；所述電_氣比例調(diào)壓閥的出口處設有壓力傳感器，從壓力傳感器出口出 去的壓縮空氣進入電-氣控換向閥進氣口 。根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案，采用伺服反饋系統(tǒng)和節(jié)能型變頻式空氣壓縮 機，在分離制氧過程中，可以根據(jù)系統(tǒng)壓力或流量的變化來精確改變節(jié)能 型變頻式空氣壓縮機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，從而隨機改變其額定頻率和額定電壓， 進而調(diào)節(jié)節(jié)能型變頻式空氣壓縮機的轉(zhuǎn)速和電機的負載電流，以實現(xiàn)輸出 功率的匹配，從而減少無用功率的消耗，達到節(jié)能的目的。


圖1為本發(fā)明的節(jié)能型空氣分離系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖； 圖2為伺服反饋裝置的工作原理圖；圖3為本發(fā)明空氣分離制氧裝置工作周期及其用氣與空壓機供氣壓力 變化圖；圖4為本發(fā)明與其它供氣方式的空氣分離制氧裝置"節(jié)能效果對比圖"。
以下結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明。
具體實施例方式
如圖1和圖2所示，本發(fā)明節(jié)能型空氣分離制氧裝置按照制氧流程依
次包括變頻式空氣壓縮機1、壓力傳感器1B、冷凍干燥機2、空氣過濾
器3、壓力平衡罐4、電-氣比例調(diào)壓閥5、壓力傳感器5A、分離制氧裝置6、壓力平衡調(diào)節(jié)器7、流量控制器8和氧氣自動開關(guān)9。另外，還包括伺服反饋裝置，伺服反饋裝置包括電-氣控換向閥14、伺服氣缸16、位移傳感器15、反饋電位器17、.放大器13、變頻調(diào)節(jié)器1A、壓力傳感器5A和PLC可編程控制器18。
電-氣控換向閥14的右端接從氧氣自動開關(guān)9后引出的氧氣控制管路，左端為12V直流電磁鐵，12V直流電磁鐵連接經(jīng)放大器13放大后的伺服電壓，電-氣控換向閥14進氣口接經(jīng)電-氣比例調(diào)壓閥5調(diào)節(jié)后的壓縮空氣；電-氣控換向閥14的出氣口分別連接伺服氣缸16的左右兩端。
位移傳感器15安裝在伺服氣缸16的活塞桿上。
反饋電位器17連接位移傳感器15，將機械的位移信號轉(zhuǎn)變成電信號。
放大器13電連接反饋電位器17，放大器13分別為電-氣控換向閥14、電-氣比例調(diào)壓閥5和PLC可編程控制器18提供電源。
變頻調(diào)節(jié)器1A安裝在空氣壓縮機1上，變頻調(diào)節(jié)器1A由PLC可編程控制器18控制。
壓力平衡罐4上設有壓縮空氣系統(tǒng)壓力變送器4A。分離制氧裝置6包括分離制氧器6A和分離制氧器6B兩罐，分離制氧裝置6上還設有排廢控制器ll以及消聲器12。
空氣壓縮機1的出口處設置壓力傳感器1B。本發(fā)明節(jié)能型空氣分離制氧裝置從主供氧管路上引一條控制管到電一氣換向閥14，其壓力將隨供氧系統(tǒng)的壓力而變化。
由于從空氣分離制氧裝置6輸出的壓力是恒定的，所以當醫(yī)院需氧量
增加時，進入電一氣換向閥14右端的氣壓便減小，電一氣換向閥14的閥芯便在電磁鐵的作用下向右移動，于是伺服氣缸16活塞桿上的位移傳感器15便使反饋電位器17上的指針向右移動，將機械的位移信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡?br> 信號，S卩使反饋電位向增大的方向變化(反之，如果系統(tǒng)需氣量減少，
則系統(tǒng)壓力增高，閥芯便在控制壓力和彈簧力的雙重作用下克服電磁的磁場力作用而向左移動，使反饋電位向減小的方向變化)。
而該電位經(jīng)放大器13放大后一方面為電一氣控換向閥14提供電源，另一方面則供給電-氣比例調(diào)壓閥5，該電-氣比例調(diào)壓閥5則根據(jù)電磁力的變化按比例來調(diào)節(jié)空氣分離制氧裝置6輸入的壓力，而該壓力信號又通過壓力傳感器5A反饋到PLC可編程控制器18， PLC可編程控制器18便根據(jù)該信息來隨機調(diào)節(jié)變頻調(diào)節(jié)器1A的頻率。變頻調(diào)節(jié)器1A頻率的隨機變化便可隨機改變空氣壓縮機1轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，從而精確調(diào)節(jié)空氣壓縮機1的轉(zhuǎn)速和電機的負載電流，達到靈活、方便、適時、適量的自動控制，以實現(xiàn)輸出功率的匹配，從而減少無用功率的消耗。同時也保持了系統(tǒng)供氧壓力的穩(wěn)定。
如圖3所示，為空氣分離制氧裝置的工作周期示意圖，其中分別以兩條折線a—b — c —d—e —f一g和a' _b' —c' —d' —e' —f' 一g'表示兩個分離制氧器6A和6B的工作周期，實線為分離制氧器6A的工作周期折線，其中虛線為分離制氧器6B的工作周期折線，本發(fā)明的工作狀況如下
a—b (d' —e')段此階段為分離制氧器6A禾n 6B的自平衡調(diào)階段，在該階段中無需空氣壓縮機供氣，因為此時分離制氧器6A在a點時空氣流量和壓力均為零，而分離制氧器6B則剛完成氧氣分離(釋放)，壓力處于最高點d'點，于是分離制氧器器6A和6B通過壓力平衡調(diào)節(jié)器7進行壓力的自平衡調(diào)節(jié)，即分離制氧器A的壓力由a升至b，而分離制氧器B的壓力則由d'降至e'，在b (e' ) (0.22MPa)點達到平衡；
b —c — d段此階段為分離制氧器6A升壓段，當空氣壓力升至c(0.45MPa)點時，分離制氧器6A開始分離氧氣，直至d (0. 60MPa)點，升壓停止，氧氣分離過程結(jié)束；
e' —f' 一g'段此階段為分離制氧器6B降壓段，此時分離制氧器B處于排廢、卸壓狀態(tài)。
根據(jù)上述分離制氧器的工作周期，本發(fā)明采用節(jié)能型變頻式空氣壓縮機1，將氧氣系統(tǒng)壓力的變化信息(即超壓或欠壓)通過伺服反饋裝置反饋至空氣分離制氧器6A和6B上游位置的進氣閥——電-氣比例調(diào)壓閥5。根據(jù)伺服反饋裝置的變化信息，即若供氧系統(tǒng)需求量減小，則氧氣系統(tǒng)壓力升高，電-氣比例調(diào)壓閥5在比例電磁鐵的作用下將進氣閥口關(guān)小，以減小進氣量；若供氧系統(tǒng)需求量增大，則系統(tǒng)壓力下降，比例電磁鐵便將電-氣比例調(diào)壓閥5的開口增大，以加大進氣量。并且，當這些信息反饋至壓力平衡罐4后，壓力平衡罐4內(nèi)氣量的大小則通過設于其上的壓力變速器4A和節(jié)能型變頻式空氣壓縮機1出口的壓力傳感器1B反饋至PLC可編程控制器18，再通過PLC可編程控制器18調(diào)節(jié)變頻調(diào)節(jié)器IB的頻率，使變頻調(diào)節(jié)器IB根據(jù)系統(tǒng)壓力或流量的變化來精確改變節(jié)能型變頻式空氣壓縮機1轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，從而隨機改變其額定頻率和額定電壓，進而調(diào)節(jié)節(jié)能型變頻式空氣壓縮機1的轉(zhuǎn)速和電機的負載電流，以實現(xiàn)輸出功率的匹配，從而減少無用功率的消耗。
如上所述，由于兩個分離制氧器的進氣、升壓過程是交替進行的，而且升壓占整個周期的86.7%，升壓梯度僅為0.33MPa/min，與普通空氣壓縮機相比，節(jié)能型變頻式空氣壓縮機與普通空氣壓縮機能量消耗之差如圖3中的斜線填充部分所示。此外，如果以流量的變化為橫坐標，而相應功率的變化為縱坐標，則普通空氣壓縮機與節(jié)能型變頻式空氣壓縮機的能耗效果對比見圖4，在同一工況點的壓力最大節(jié)能可達28%，在正常的使用范圍內(nèi)可節(jié)能效果可達25 35 % 。
該系統(tǒng)中的螺桿式空氣壓縮機僅在開機啟動時，壓力峰值稍高一點
(0.65MPa)，待系統(tǒng)正常運行后，壓力的變化范圍僅士O. lMPa (參見圖3)，最大程度地減少了因加載、卸載時的電能消耗。在空壓機的選型上，按最高壓力的110%選擇螺桿式壓縮機即可，以避免功率"用不完"的浪費，例如VS40型變頻螺桿式壓縮機，隨機變化快，能迅速適應空氣壓力和流量的變化要求，并且頻率調(diào)范圍廣(30-100%)。
當然，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對其限制，盡管參照上述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，所屬領域的普通技術(shù)人員應當理解，依然可以對本發(fā)明的具體實施方式
進行修改或者等同替換，而未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，其均應涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍中。
權(quán)利要求
1、節(jié)能型空氣分離制氧裝置，包括變頻式空氣壓縮機(1)、冷凍干燥機(2)、空氣過濾器(3)、壓力平衡罐(4)、電-氣比例調(diào)壓閥(5)、分離制氧裝置(6)、壓力平衡調(diào)節(jié)器(7)、流量控制器(8)和氧氣自動開關(guān)(9)，上述各部件順次連接；其特征在于還包括伺服反饋裝置，所述伺服反饋裝置包括電-氣控換向閥(14)、伺服氣缸(16)、位移傳感器(15)、反饋電位器(17)、放大器(13)、變頻調(diào)節(jié)器(1A)、壓力傳感器(5A)和PLC可編程控制器(18)；電-氣控換向閥(14)的右端接從氧氣自動開關(guān)(9)后引出的氧氣控制管路，左端為12V直流電磁鐵，12V直流電磁鐵連接經(jīng)放大器(13)放大后的伺服電壓，電-氣控換向閥(14)進氣口接經(jīng)電-氣比例調(diào)壓閥(5)調(diào)節(jié)后的壓縮空氣；電-氣控換向閥(14)的出氣口分別連接伺服氣缸(16)的左右兩端；位移傳感器(15)安裝在伺服氣缸(16)的活塞桿上；反饋電位器(17)連接所述位移傳感器(15)，將機械的位移信號轉(zhuǎn)變成電信號；放大器(13)電連接所述反饋電位器(17)，放大器(13)分別為電-氣控換向閥(14)、電-氣比例調(diào)壓閥(5)和PLC可編程控制器(18)提供電源；變頻調(diào)節(jié)器(1A)安裝在所述空氣壓縮機(1)上，變頻調(diào)節(jié)器(1A)由PLC可編程控制器(18)控制；所述電-氣比例調(diào)壓閥(5)的出口處設有壓力傳感器(5A)，從壓力傳感器(5A)出口出去的壓縮空氣進入電-氣控換向閥(14)進氣口。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的節(jié)能型空氣分離制氧裝置，其特征在于所述分離制氧裝置(6)包括第一分離制氧器(6A)和第二分離制氧器(6B)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的節(jié)能型空氣分離制氧裝置，其特征在于在所述壓力平衡罐(4)上設有壓力變速器(4A)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的節(jié)能型空氣分離制氧裝置，其特征在于壓力傳感器(1B)設置在所述空氣壓縮機(1)的出口處。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1-3中任意一項所述的節(jié)能型空氣分離制氧裝置，其特征在于所述分離制氧裝置(6)上還設有排廢控制器(11)以及消聲器(12)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種節(jié)能型空氣分離制氧裝置，包括，變頻式空氣壓縮機、冷凍干燥機、空氣過濾器、壓力平衡罐、電-氣比例調(diào)壓閥、分離制氧裝置、壓力平衡調(diào)節(jié)器、流量控制器和氧氣自動開關(guān)，上述各部件順次連接；另外，還包括伺服反饋裝置，伺服反饋裝置包括電-氣控換向閥、伺服氣缸、位移傳感器、反饋電位器、放大器、變頻調(diào)節(jié)器、壓力傳感器和PLC可編程控制器。所述空氣壓縮機采用節(jié)能型變頻式空氣壓縮機，并通過伺服反饋裝置，根據(jù)系統(tǒng)壓力或流量的變化來精確改變節(jié)能型變頻式空氣壓縮機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，從而隨機改變其額定頻率和額定電壓，進而調(diào)節(jié)節(jié)能型變頻式空氣壓縮機的轉(zhuǎn)速和電機的負載電流，以實現(xiàn)輸出功率的匹配，從而減少無用功率的消耗，達到節(jié)能的目的。
文檔編號C01B13/02GK101554995SQ200910037429
公開日2009年10月14日 申請日期2009年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月26日
發(fā)明者品 呂, 軍 周, 邵巧玲 申請人:珠海市奧吉賽科技有限公司