家用高压软体舱空气净化系统的设计与实现

魏宏波

宝鸡文理学院 机电工程系，陕西 宝鸡 721007

0 前言

随着社会生活节奏的加快，人们的压力越来越大，各种亚健康症状开始出现；另外，随着生活水平的不断提高，人们的自我保健意识也不断增强。目前各种用于运动后疲劳恢复、亚健康治疗及预防、美容、防早衰、延年益寿等功效的医疗保健设备应运而生。近年来，高压氧治疗作为一种特殊的治疗手段，由于其独特疗效而被人们认识。高压氧舱具有增强精力、缓解疲劳、促进睡眠、缓解神经系统紧张状等功能。然而，常见高压氧舱用于医院对疾病患者的针对性治疗，设备使用复杂、费用昂贵，而用于家庭保健的家用高压软体舱因其小巧玲珑、安全、方便等特点而成为保健设备发展的新方向。由于软体舱处于一个相对密闭的环境，舱体内空气中含有许多杂质及污染物，为保证使用者的健康，本文针对舱内空气净化系统进行讨论和设计。

1 家用高压软体舱的总体构成

与用于临床治疗的医用高压氧舱相比，家用高压软体舱是空气加压舱，即加压时向舱内充填高压空气，氧气浓度和气压相对较低，不需要专用的医用氧气，较纯氧舱相对安全。软体舱的总体构成简图，见图1。空压机通过进气口吸入常压空气，在气缸内压缩体积提高压力，然后通过排气口排出所需的高压气体，此处的压缩空气含有固体颗粒、水、油、微生物及有害气体，不符合医用空气加压舱的气源质量要求。因此，必须对压缩空气进行净化处理，以达到需要的使用标准。

2 空压机输出气体所含的杂质

空气被压缩机压缩后含有许多杂质[1]，这些杂质主要有水分、油分、尘粒及异味等。水分在压缩空气中占有相当大的比重，空气中水的含量随着空气压力的增大而增大，冷却后极易生成凝结水。这些水分能够引起压缩空气管路及阀门的锈蚀，从而降低系统和设备的可靠性及寿命，最终有可能引起气体泄漏，影响使用效果。当空气被空压机压缩后，尤其是有油空压机，会混入一些油分，这些油分容易与别的杂质结合形成粘性污秽物，不仅会产生异味污染舱内气体，对人体健康造成损害，而且影响系统的工作效率。尽管空压机有进气过滤装置，但是仍有不少尘粒会通过压缩机混入舱内。当尘粒的粒径＞ 6μm时，会对气动元件造成损害。一般异味的产生来自两个方面，一是通过空压机管道、阀门等处混入外界异味；二是舱内人体散发的二氧化硫 ( SO2)、氨( NH4) 、硫化氢 ( H2S) 等产生异味。异味会让人感觉不舒服，而且对健康有害，因此，为了人的舒适，舱内的异味也要去除。

3 密封环境空气净化指标及净化方法

3.1 密封环境空气净化指标

不同的使用场合有不同的压缩空气净化指标，一般而言，医用压缩空气的净化指标远远高于环卫指标。密闭环境长期逗留条件下的卫生指标为：CO2≤ 1% ；CO≤0.02% ；碳氢化合物≤ 100 mg /m3。对于空气加压舱，向舱内供气的压缩空气经净化后要求达到GB/T12130的规定标准，见表1[2-4]。

3.2 常用压缩空气的净化方法

一般常用的压缩空气的净化方法包括冷却、干燥、油水分离和过滤等环节[5-7]。

（1）冷却。经过压缩的空气会产生一定的温升，通过冷却使压缩空气降温，从而使压缩空气达到常温，并且能够除去部分水分。

（2）干燥。压缩空气的干燥一般分为吸附式干燥和冷冻式干燥。吸附式是利用硅胶、分子筛等干燥剂具有吸收水分的特点来达到降低空气中水分的目的。冷冻式干燥是利用制冷设备使空气冷却到一定的露点温度，析出空气中超过饱和蒸汽压部分的水分，降低其中湿度，提高空气的干燥程度。冷干机是常见的一种利用冷冻法净化压缩空气的设备。

（3）油水分离。经冷干的压缩空气还要在油水分离器中进一步净化，其工作原理是利用空气蜗旋流动的离心力将压缩空气中大部分的液态油水，离心到油水分离器中的大量挡板上，从而实现从压缩空气中分离出油水的目的。油水分离器具有自动排污功能，当积液达到一定高度时就可以通过排污阀将油水排出。

（4）过滤。压缩空气过滤器一般分粗滤器、精滤器和超精滤器。过滤过程中无需动力，主要依靠压缩空气本身的压力差，因而会产生一定的压力损失。

4 软体舱空气净化系统的设计

4.1 净化设计总体思路

由于家用高压软体舱一般用于家庭保健用途，所以舱内气体必须达到医用呼吸气源的标准，具体要求是：用气必须无尘无味，过滤精度达0.01μm，含油率≤0.003 ppm。因而设计思路为：在空压机进气口加装粗过滤膜，从空压机压出来的高压气体首先在缓冲气罐进行沉淀，经过冷干机析出压缩空气中的大部分油蒸气和水蒸气，然后将压缩空气在空气管路过滤器和高效除油过滤器中进一步净化，最后经过H级超精密过滤器过滤，最终达到无杂质无味的高质量空气品质要求。净化程序，见图2。另外，软体舱内还设计有换气减压阀，可以随时进行换气。确保舱内气体保持清洁、新鲜。

4.2 净化系统设备的选配

4.2.1 空气压缩机的选配

空气压缩机按润滑方式分为有油润滑、无油润滑和全无油润滑。有油润滑空气压缩机在压缩过程中，由于气体与润滑油直接接触使排出气体中油分含量增大，造成空气中碳氢化合物指标超标，增加后序净化程序的成本。无油润滑空气压缩机摩擦部件采用自润滑材料，不用润滑油也能自行润滑，即气体不与油接触，避免了油的污染和积碳，既保证了气体的洁净又节省了成本。所以，根据使用要求应优先选用无油润滑空气压缩机。本设计选用的是东莞澳多宝电子科技有限公司开发的无油微型空气压缩机，型号为AP-200C。但是必须注意到，无油空压机仅仅是减少了压缩过程的二次污染，离医用呼吸气源标准规定的压缩空气净化要求还相距甚远，所以选用无油空压机后，为达到标准要求，分离和过滤净化设施仍然是必不可少的。

表1 加压舱净化后的空气标准

4.2.2 冷干机的选配

冷干机是根据冷冻除湿原理，利用全封闭压缩式制冷系统，对经空压机排出的压缩气体冷却降温，使其中所含的大量饱和水蒸气、油雾凝结成液滴，经过自动排水器排出。本设计采用的是杭州翔盛气体设备有限公司的XS-06A型冷干机，属于常温型，冷却方式为风冷，空气处理量为0.6 m3/min，制冷功率1/4HP，其体积小，干净卫生，故障率低，完全可以满足设计需求。

4.2.3 空气过滤器的选配

一般过滤器滤芯是由纤维介质、滤网、海绵等材料组成。压缩空气中的固体、液体微粒，经过过滤材料的拦截后，凝聚在滤芯表面，积聚在滤芯表面的液滴和杂质经过重力的作用沉淀到过滤器的底部再经过人工排出。常见的过滤器是根据不同的使用要求选择不同的组合。本设计在冷干机之后加装了T级空气管路过滤器来保护整个系统，可滤除大量液体及＜3μm的固态颗粒，达到最低残留油份仅5 ppm。之后又加装了A级高效除油过滤器确保系统所使用空气处于完全无油状态，可滤除＜0.01μm的液态及固体颗粒。最后加装了H级超活性碳过滤器，滤芯经过特别的活性碳渗透处理，能完全吸附碳氢化合物等气体异味，以达到完全无味无臭的高质量空气要求，可滤除＜0.01μm的液态及固体颗粒，达到最低残留油分仅0.003 ppm。由此进入软体舱的压缩空气已完全达到医用气源的标准。

5 调试和使用中的注意事项

将诸选配件按要求进行组装连接，确保各接口密封良好，无泄漏，然后加电进行试运行，5 min后软体舱内压力达到预设值。由于舱体设置有专门的供排气系统，使得压力能够一直维持在一个相对稳定的压力值，最大波动范围在1～2 kPa之间。对舱内高压空气温度、湿度、漂尘和含油量进行连续2 h监测，结果显示，舱体加压后，舱体内温度为25℃左右，温差在3℃以内，微尘颗粒为0.01μm，最低残留油分为0.003 ppm。随着时间的延长，由于呼吸作用，含水量在220～250 mg/ m3之间变化，CO2的含量随着人逗留时间的延长而增加。由于家用高压软体舱在使用时，每次逗留时间不超过1 h，而且舱体的通风换气装置能够降低舱内CO2浓度，对舱内 NH4、 H2S等臭气的净化十分有效，另外，一定浓度的CO2能够促使血管扩张呼吸频率加快，有利于血氧张力的提高，对氧治疗是有利的。因此，一般不对CO2进行控制。细菌总数在监测时间内也达到设计指标要求，系统运行稳定。若要长期使用，还应注意以下几点[8-9]。

（1）在使用过程中要定期检查、清理管路，检查舱内外管路有无锈蚀，必要时需除锈。定期排放积液，以免造成二次污染，影响使用效果。

（2）注意环境气源，保持室内通风良好，吸口滤网要定期检查和清洗。

（3）有害气体的允许浓度与人员逗留时间有关，要控制人在软体舱内的逗留时间不要过长，并注意定期换气。

[1]宋宝亮.压缩空气净化系统的设计探讨[J].煤炭工程,2006,(3):25-27.

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