一种分布式安装的可穿戴背心式高原个体用膜制氧装置的制作方法

本发明属于气体分离技术领域，具体涉及一种高原个体用膜制氧装置。

背景技术：

随着海拔高度的不断上升，大气中的含氧量（绝对值，g/m³）和氧分压（压力值，kpa）相应下降，血液中的含氧量(血氧饱和度)降低，人体的自然反应随之剧烈，造成如心率加快、反应迟缓、情绪急躁、免疫力下降等人体伤害，伴生出现如头痛、腹胀、脱发、呼吸困难、精神不振、睡眠质量不高、记忆力减退甚至肺水肿死亡等一系列问题，无论是急进高原的作战部队、政府或工业部门的干部职工、旅行者，还是世居高原的藏民，有效的供氧显得非常重要。

目前，面向个体的供氧方案中，大都采用便携式氧气瓶、液氧罐、制氧机。显然，携带氧气、液氧的方式，受制于携带量的有限；采用直接自空气中制氧的方式，受制于额定制氧量条件下所需的能源（电力）有限。另外，目前这些面向个体的供氧方式，其产品大都采用传统的“集成式”安装结构，将供气设施集成为一个有较为严格外部物理尺寸约束的装置。由于这些外部尺寸“约束”，整体散热通风流道设计、各部件固定约束点、功能分割条件下的安装，维护保养的拆装，均面临巨大挑战；即使部分产品耦合采用脉冲呼吸的设计，以期望减少单位呼吸频率下的供氧量而降低设备供气流量的需求，但本质上因为“集成式”安装，均存在设计、制造上的难度。

技术实现要素：

鉴于以上情况，本发明的目的在于提供一种分布式安装的可穿戴背心式高原个体用膜制氧装置。

本发明提供分布式安装的可穿戴背心式高原个体用膜制氧装置，包括：氧分离模块、真空泵、供气模块、电力模块、控制模块、微压传感器、可穿戴背心、氧气鼻吸软管或面罩，以及优选但非必要的太阳能充电模块，其中：

所述氧分离模块，包括膜分离器，为膜分离器提供空气的鼓风机，膜分离器采用膜分离方法制取氧气；膜分离器与鼓风机可集成安装，也可分开安装，并以外挂袋或者缝制形式与可穿戴背心组合；膜分离器与鼓风机优选集成安装，以尽可能减少氧分离模块与鼓风机之间的风路连接管道；并且预留可插拔式气源输入接口、气源输出接口、电力接口和控制接口；其中，气源输入接口用于与真空泵的进气口以气管（软管）相连接，接收原料空气经膜分离器制取氧气；气源输出接口用于与供气模块以气管（软管）相连接；电力接口用于与电力模块以电力线束连接；控制接口用于与控制模块可以电力线束连接；电力接口与控制接口可采用多芯电缆合并输送；

所述氧分离模块与可穿戴背心组合时，确保与外界大气相连通，确保可将制氧所需的原料空气与散热通风所需的空气能与外部相交换；

所述真空泵，用于建立膜分离器所需的压力比，还包括气体冷却组件、散热通风组件，优选但非必要的集成安装在一个单元内，以外挂袋或者缝制形式与可穿戴背心组合；并但预留有可插拔式标准电力接口、控制接口、气源接口，电力接口用于与电力模块以电力线束连接；控制接口用于与控制模块以电力线束连接；气源接口用于与氧分离模块的产气口以气管（软管）相连接；电力接口与控制接口可采用多芯电缆合并输送；真空泵与可穿戴背心组合时应确保与外界大气相连通，散热通风所需的空气可自外界补给，并且散热通风排除的热空气可排向外界环境；

所述供气模块，包括储罐或气囊、供气阀组件，储罐或气囊用于接收前级制取的氧气，并暂存，供气阀组件持续或者脉冲式通过鼻吸软管送给人员呼吸；其中，储罐或气囊与供气阀两者可集成安装或者分开安装，以外挂袋或者缝制形式与可穿戴背心组合；优选集成安装，以尽可能减少之间的连接管路；并且预留可插拔式气源输入接口、气源输出接口、电力接口、控制接口，气源输入接口用于与真空泵的出气口以气管（软管）相连接，接收前级真空泵输出的氧气；气源输出接口，用于与供气阀连接，将氧气通过供气阀以氧气鼻吸软管送给人员呼吸；电力接口用于与电力模块以电力线束连接；控制接口用于与控制模块以电力线束连接；电力接口与控制接口可采用多芯电缆合并输送；

所述电力模块，为装置提供电力储存、充电、供电、电源管理，并接受控制模块的管理控制，其包含电源电芯等储能设备、外壳等，以外挂袋或者缝制形式与可穿戴背心组合；并且预留有可插拔式标准电力接口和控制接口，电力接口用于与充电模块、其它用电负载（如氧分离模块的鼓风机、真空泵、真空泵散热通风鼓风机，供气模块的供气电磁阀、微压传感器、温度传感器等）以电力线束连接；控制接口用于与控制模块以电力线束连接；电力接口与控制接口可采用多芯电缆合并输送；

所述微压传感器，设置于膜分离器的富氧气出口处，用于检测富氧气出口压力，并将检测到压力信息传输给控制模块；

所述控制模块，用于对充电模块、电力模块、真空泵、氧分离模块、供气模块、微压传感器等实施控制与管理，可控制动力设备的启停、负荷调节、阀门的开关以及运算等；以外挂袋或者缝制形式与可穿戴背心组合；并且预留有可插拔式标准电力接口，用于与充电模块、电力模块、真空泵、分离功能模块、供气模块等目标相连接；

所述太阳能充电模块，为装置提供电力，安装在可穿戴背心的背面，并且预留有可插拔式标准电力接口和控制接口，电力接口用于与电力模块以电力线束连接；准控制接口用于与控制模块以电力线束连接；电力接口与控制接口可采用多芯电缆合并输送；

所述可穿戴背心，还包括对外供氧的氧气鼻吸软管、供氧面罩等，在可穿戴背心的颈脖处预留有供气接口，用于连接软管，向人员供气；

所述可穿戴背心，可以是各种款式背心、马甲，用于分布式安装各功能模块；各功能模块可独立缝制外挂袋或者缝制在可穿戴背心中，使所有连接管路、电力与控制电缆隐藏在其中，使得整个可穿戴背心简洁、美观；并且，由于各功能模块均预留有安装接口，便于快速拆装、更换、维护保养，使得日常检修、保养方便；另外，由于电力模块独立，可携带多个便于更换，以延长续行时间。

本发明提供的便于人员个体携带的单兵供氧装置，优选采用脉冲供气方式，尤其优选可以跟随呼吸频率及时供气：本装置的工作流程为：由氧分离模块制取的富氧通过供气软管送至鼻子入口，当人体吸气时，即可将管道内压力造成一定程度的负压，安装在富氧出口的微压传感器即可感知并通过控制模块打开供气阀，通过供气软管迅速向人体供气；反之，当人体呼气时，安装在富氧出口的微压传感器即可感知压力变化，通过控制模块关闭供气阀，停止通过供气软管向人体供气，而将制取的富氧存储起来使用，节约了这部分气体的浪费。

本发明装置更优选采用可跟随呼吸频率变化而改变供气流量的脉冲式供氧方法：在供气呼吸频率变化时，通过改变膜分离制氧机的运行负荷：通过控制系统打开供气阀使实际供气量同步变化，并通过控制系统作用于真空泵，调整其负荷（如调整其运行频率）即可降低电力消耗，可增强续航时间。

本发明装置，相对于目前市场上的单兵便携式制氧机，由于没有了严格的整体尺寸的物理约束，大幅简化了设计难度，降低了生产制造的安装难度。

采用本发明装置，不排除耦合如分布式安装伴热带，以满足人体保暖的需求，通常，高原环境缺氧的同时往往伴随较低的温度，可采用充电、太阳能等能源提供电力，而将伴热带缝制在可穿戴背心内。

本发明装置适于高原缺氧环境下个体人员使用，尤其适于高原缺氧环境下战时单兵使用。

附图说明

图1为本发明装置各功能模块连接图示。

图2为本发明装置的可穿戴背心穿戴状态图示。

图3为本发明装置各功能模块在可穿戴背心正面安装图示。

图4为本发明装置的可穿戴背心背面安装图示。

图中标号：1为氧分离模块，2为真空泵，3为供气模块，4为电力模块，5为控制模块，6为充电模块，7为氧气鼻吸软管，8为可穿戴背心。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，进一步说明本发明装置。如附图1，其中：

氧分离模块1（包括膜分离器的氧分离模块，为膜分离器提供空气的鼓风机），采用膜分离方法制取氧气，其中，氧分离模块与鼓风机两者可集中安装、也可分开安装在以外挂袋或缝制在可穿戴背心8内，但优选而非必要的集成安装，以尽可能减少氧分离模块与鼓风机之间的风路连接管道，安装在如图2、3所示的正面、侧面的外挂袋内或缝制在可穿戴背心8内，至少预留了可插拔式标准电力接口，与电力模块4可以电力线束连接；并且至少预留了可插拔式标准控制接口，与控制模块5可以电力线束连接；其中，电力接口与控制接口可采用多芯电缆合并输送；并且至少预留了可插拔式气源接口，与真空泵2的进气口以气管（软管）相连接，接收前级氧分离模块1制取的氧气；并且氧分离模块1以外挂袋或缝制在可穿戴背心8内安装时应可确保与外界大气相连通，保证制氧所需的原料空气与散热通风所需的空气可自外界补给，并且散热通风排除的热空气与分离后剩余的废气可排向外界环境。

真空泵2，包括但不限于包含真空泵、气体冷却组件、散热通风组件，为建立膜分离器1所需的压力比，优选但非必要的集成安装在一个单元内，以外挂袋或缝制在可穿戴背心8内均可，安装在如图2、3所示的正面、侧面的外挂袋内或缝制在可穿戴背心8内；至少预留了可插拔式标准电力接口，与电力模块4可以电力线束连接；并且至少预留了可插拔式标准控制接口，与控制模块5可以电力线束连接；其中，电力接口与控制接口可采用多芯电缆合并输送；并且至少预留了可插拔式气源接口，与分离功能模块1的产气口以气管（软管）与a进气口相连接；并且至少预留了可插拔式气源接口，与供气模块3的进气口以气管（软管）与产气口b相连接；并且真空泵2以外挂袋或缝制在可穿戴背心8内安装时应可确保与外界大气相连通，散热通风所需的空气可自外界补给，并且散热通风排除的热空气可排向外界环境。

供气模块3，含储罐或气囊、供气阀组件，接收前级制取的氧气暂存其中以供气阀持续或者脉冲通过鼻吸软管送给人员呼吸，其中，储罐或气囊与供气阀两者可集中安装、也可分开安装在如图2、3所示的正面、侧面的外挂袋内或缝制在可穿戴背心8内，其出口布置在背心的上方靠近颈脖处如图2所示，但优选而非必要的集成安装，以尽可能减少之间的连接管路，并且至少预留了可插拔式气源接口，与真空泵2的出气口b以气管（软管）相连接，接收前级真空泵2产生的氧气；并且至少预留了可插拔式气源接口，将其中的氧气通过供气阀以氧气鼻吸软管送给人员呼吸；并且至少预留了可插拔式标准电力接口，与电力模块4可以电力线束连接；并且至少预留了可插拔式标准控制接口，与控制模块5可以电力线束连接；其中，电力接口与控制接口可采用多芯电缆合并输送。

电力模块4，为装置提供电力储存、充电、供电、电源管理，并接收控制模块5的管理和控制，含电源电芯等储能设备、外壳等，安装在如图2、3所示的正面、侧面的外挂袋内或缝制在可穿戴背心8内，并且预留了可插拔式标准电力接口，与充电模块6、其它用电负载（如氧分离模块的鼓风机、真空泵、散热通风的鼓风机，供气模块的供气电磁阀、微压传感器、温度传感器等）可以电力线束连接；并且至少预留了可插拔式标准控制接口，与控制模块5可以电力线束连接；其中，电力接口与控制接口可采用多芯电缆合并输送。

控制模块5，为装置提供控制所需的硬件、软件与接口，包括对充电模块6、电力模块4、氧分离模块1、真空泵2、供气模块3进行控制与管理，可控制动力设备的启停、负荷调节、阀门的开关以及运算等，安装在如图2、3所示的正面、侧面的外挂袋内或缝制在可穿戴背心8内，并且至少预留了可插拔式标准电力接口，与充电模块6、电力模块4、氧分离模块1、真空泵2、供气模块3等目标相连接。

充电模块6，可以直接以市电充装，典型的，如采用太阳能电池组件为装置提供电力，优选安装在如图4所示的可穿戴背心8的背面，并且至少预留了可插拔式标准电力接口，与电力模块4可以电力线束连接；并且至少预留了可插拔式标准控制接口，与控制模块5可以电力线束连接；其中，电力接口与控制接口可采用多芯电缆合并输送。

还包括对外供氧的氧气鼻吸软管7，还有可能采用的供氧面罩（未示出），安装在如图2、3所示可穿戴背心8的正面、侧面，在靠近颈脖处的上方预留了标准接口，接上即可向人员供气。

整个可穿戴背心8，可以采用各种背心、马甲，只要适合分布式安装各功能分割模块即可，按分割完成的功能模块独立缝制外挂袋或者缝制在其中均可，目的是使所有连接管路、电力与控制电缆隐藏在其中，使得整个可穿戴背心更加简洁、美观，并且，因为各功能模块均预留了安装接口，便于快速拆装、更换、维护保养，使得日常检修、保养方便，并且，因为电力模块独立，可携带多个便于更换，简单的延长续航时间。

本发明，采用如公知技术的膜分离方法制氧，本专业领域的技术人员将了解，所指可采用各种基于膜分离技术的制氧方法。

采用本发明的供气方法，正常运行时，该制氧装置达到设计纯度，比如达到30%的氧气浓度时，如公知技术，具有一个可维持该氧气浓度情况下的稳定的输出流量q；并且，在单位时间内确保该输出总量的前提下，如公知技术，即可维持输出的氧浓度；如果该总量输出加大，则输出的氧浓度会下降；

人体吸气、呼气时，微压传感器跟随呼吸频率而触发；人体开始吸气时，每次触发后供气电磁阀即打开一次，假设打开的时长为t1，则按该固定的时长t1，将对外喷射对应该时长的气体流量：t1*呼吸频率（次），显然，随着呼吸频率的增加，t1*呼吸频率（次）决定了输出总量增加，氧浓度将呈下降趋势；

采用本发明，将通过改变每次打开的时长t1来维持输出总量不变，通过连续监测呼吸频率，也即监测供气电磁阀的开启次数，典型的，比如取值前10次打开时长，以可确保浓度不下降的设备产氧能力，即稳定输出流量q为基数，当比如供气电磁阀的前10次打开的对应时长t1*10计算出来的单位平均流量大于设备能力时，通过减少t1，即减少供气电磁阀打开的时间来控制每次输出的流量，从而控制总输出流量不变；这样，即可维持氧气浓度不变，避免了出现“断气”、“供不过来”的现象，供气体验感好；并且，随着呼吸频率的提高，尽管单位呼吸频次内的供气流量少了，但因为供气总量仍然维持原供气流量，可有效的维持血氧饱和度；

同样的，通过监测供气电磁阀的开启次数，当呼吸频率下降时，输出总量下降，即可通过控制模块5降低真空泵2的电机运行频率降低其运行负荷，降低功率消耗，从而延长供气装置的使用时间；

采用本发明，除外接电源补充之外，正常运行时，可通过太阳能补充电力，延长续航时间；

采用本发明，因为没有了严格的物理尺寸约束，安装条件相对宽松，设计、制造难度大幅下降，操作使用维护保养方便；

采用本发明装置，不排除耦合如分布式安装伴热带以满足人体保暖的需求，通常，高原环境缺氧的同时往往伴随较低的温度，可采用充电、太阳能等能源提供电力，而将伴热带缝制在可穿戴背心8内。

以上所描述的实施方法仅阐述本发明的一些重要特征，本专业的技术人员应该知道，尽管本发明结合附图进行了部分描述，但这仅仅是本发明的一个应用实例或者一种方法，一切不违反本专利阐述的实质的其它变化也属于本发明的范畴，本发明的范围仅仅受所附的权利要求书范围所限制。

以上通过具体实施方式，对本发明的上述内容进一步的做出了一些详细说明，但不应将此理解为本发明上述主题范围仅限于以上实例，凡基于本发明以上的内容所实现的技术均属于发明的范围。