家用制氧機(jī)技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)分析研究

樓百根 李鵬 楊春 孫莉 劉文文 錢晶

1.杭州創(chuàng)威實(shí)業(yè)股份有限公司 浙江杭州 311228；

2.中國家用電器研究院 北京 100037；

3.北京華夏高原環(huán)境科技研究院有限公司 北京 100760

1 引言

氧氣對(duì)于人類生存和健康至關(guān)重要，它關(guān)乎著人體的新陳代謝過程。醫(yī)學(xué)界將30%濃度的氧稱為“富氧”，又稱“生命氧”，在此氧濃度環(huán)境下，體力機(jī)能、大腦智力、血液氧濃度均達(dá)到人體最佳狀態(tài)。氧保健起源于西歐，被人們當(dāng)作一種高級(jí)健身的方法。上世紀(jì)80年代以來，墨西哥、美國、日本相繼開展氧保健。在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家，約20%以上的家庭擁有小型制氧設(shè)備，供家人進(jìn)行氧保健。氧療和氧保健的出現(xiàn)，意味著人們對(duì)于氧氣的需求由完全仰賴自然向進(jìn)一步自主爭(zhēng)取進(jìn)行轉(zhuǎn)變，開啟了氧氣與人類供需方式的新篇章。

近年來，隨著人們生活水平的改善，健康理念的深入，以及老齡化社會(huì)的到來，家庭用氧的需求日趨增大，使得家用制氧機(jī)行業(yè)得到迅速發(fā)展，并逐步成為新興的家用電器之一。

為了滿足市場(chǎng)、行業(yè)和消費(fèi)者的迫切需求，全國家用電器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)于2015年啟動(dòng)了《家用制氧機(jī)》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。2019年8月2日，工業(yè)和信息化部批準(zhǔn)發(fā)布了QB/T 5368-2019《家用制氧機(jī)》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并于2020年1月1日起實(shí)施。QB/T 5368-2019《家用制氧機(jī)》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，改變了我國只有醫(yī)用制氧機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀，為小型化非醫(yī)用制氧機(jī)進(jìn)入普通消費(fèi)者家庭提供了可能，極大促進(jìn)了我國氧保健領(lǐng)域的覆蓋范圍。

2 國內(nèi)外家用制氧機(jī)現(xiàn)狀

分子篩制氧機(jī)由美國于1960年開發(fā)研制成功，1970年實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，并迅速在世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。美國市場(chǎng)呼吸類產(chǎn)品——制氧機(jī)的需求比率為37%。美國以外地區(qū)需求量總計(jì)僅約等于美國之需求。從上世紀(jì)70年代開始，分子篩制氧機(jī)得到迅速發(fā)展，而最近幾年的發(fā)展勢(shì)頭更為旺盛。目前分子篩制氧機(jī)主要生產(chǎn)地有美國、德國、英國、加拿大、韓國和日本。據(jù)WHO統(tǒng)計(jì)，全球呼吸醫(yī)療支出約為4800億美元，呼吸類產(chǎn)品占32%，市場(chǎng)需求每年約增長(zhǎng)11%。隨著各國政府保健政策的加強(qiáng)，以及環(huán)境空氣質(zhì)量惡化，導(dǎo)致呼吸類傳染疾病的增多，再加上全球人口老齡化等原因，都將對(duì)制氧機(jī)市場(chǎng)的增長(zhǎng)帶來深遠(yuǎn)影響。

據(jù)2021年5月公布的第七次人口普查結(jié)果，我國60歲及以上人口為2.64億人，占18.70%（其中，65歲及以上人口為1.91億人，占13.50%）。與2010年相比，60歲及以上人口的比重分別上升5.44個(gè)百分點(diǎn)。隨著我國老齡人口的增加，老年病成為困擾社會(huì)和家庭的難題。由于我國保健用家用制氧設(shè)備剛剛起步，目前家庭擁有率不足1%。

有醫(yī)學(xué)文獻(xiàn)表明，吸氧對(duì)于緩解和預(yù)防老年人心腦血管疾病、呼吸系統(tǒng)疾病具有良好的效果。氧療和氧保健能夠促進(jìn)人體身心健康，使人精力充沛，增強(qiáng)人們承受緊張、壓力的能力；尤其對(duì)提高中老年人機(jī)體的抗病能力，減輕病癥、加速康復(fù)和避免后遺癥等方面具有較好的效果。因此，家用制氧機(jī)作為一種適合家庭使用，提升中老人生活品質(zhì)和促進(jìn)健康的產(chǎn)品，具有十分廣闊的發(fā)展前景。

3 家用制氧機(jī)工作原理

3.1 制氧原理

目前，家用制氧機(jī)主要有變壓吸附式和膜分離式兩種制氧方式。其中，變壓吸附法制氧也稱為分子篩制氧。

變壓吸附法：利用分子篩對(duì)特定氣體的吸附和釋放能力的不同而進(jìn)行氣體分離。吸附和釋放單一氣體的大小在不同壓力變化下有所降低或增加，如在高壓狀態(tài)下，分子篩對(duì)單一氣體的吸附容量增大；在低壓情況下，其釋放氣體的量增大。分子篩通過反復(fù)對(duì)氣體的吸附與釋放而得到相應(yīng)的氣體。變壓吸附法具有能耗少、成本低的優(yōu)點(diǎn)。

膜分離法：采用半滲透膜將空氣中的氧氣和氮?dú)膺M(jìn)行分離。在不同壓力下，氧氣和氮?dú)獯┻^半滲透膜的能力不同，壓力大則氧氣滲過膜的速度快。膜分離法具有成本低、工藝簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是對(duì)滲透膜的性能要求高，制出氧氣濃度的高低極度依賴膜的滲透性能好壞。

變壓吸附式家用制氧機(jī)制出的氧氣濃度初始值可達(dá)93%以上，膜分離式家用制氧機(jī)制出的氧氣濃度初始值通常在30%左右。本文以變壓吸附式制氧機(jī)為例介紹制氧機(jī)的工作原理。

3.2 家用制氧機(jī)工作原理

制氧機(jī)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)主要包括：進(jìn)氣過濾裝置、進(jìn)氣消音裝置、空氣壓縮機(jī)、散熱冷卻裝置、分子篩制氧系統(tǒng)（吸附塔）、電磁閥、控制電路及流量計(jì)。

制氧系統(tǒng)、壓縮機(jī)、控制板為制氧機(jī)的三大主件。其中，制氧系統(tǒng)工藝最復(fù)雜，也是制氧機(jī)中的核心部件，它融合了氣動(dòng)原理機(jī)構(gòu)、管路氣壓配合系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)壓力部件、材料應(yīng)用、密封結(jié)構(gòu)等各種工藝的集成組合。圖1為制氧機(jī)制氧系統(tǒng)氣路結(jié)構(gòu)，圖1中①進(jìn)氣過濾器；②壓縮機(jī)；③電磁閥；④單向閥；⑤分子篩塔；⑥均壓閥；⑦單向閥；⑧調(diào)壓閥；⑨排氣消音器。

圖1 制氧系統(tǒng)氣路結(jié)構(gòu)

制氧機(jī)的工作原理是利用分子篩變壓物理吸附和變壓解吸的技術(shù)，通過內(nèi)嵌的分子篩，在加壓時(shí)，可將空氣中氮?dú)馕?，未被吸收的氧氣被收集，?jīng)過凈化處理后，即成為高純度的氧氣。當(dāng)壓力達(dá)到一定高度后，開始減壓，分子篩將吸附的氮?dú)馀欧呕丨h(huán)境空氣中。在下次加壓時(shí)，又可以通過吸附氮?dú)鈦碇迫⊙鯕猓麄€(gè)過程為周期性的動(dòng)態(tài)循環(huán)過程。分子篩的解析過程如圖2所示。

目前所有醫(yī)療用制氧機(jī)均采用PSA變壓吸附，空氣分離制氧技術(shù)，該技術(shù)是基于吸引劑（沸石分子篩）對(duì)空氣中氮?dú)?、氧氣的吸附能力的差異來?shí)現(xiàn)氧氣和氮?dú)獾姆蛛x，當(dāng)空氣進(jìn)入裝有吸附劑的床屋時(shí)，氮?dú)馕侥芰^強(qiáng)被吸附，而氧氣不被吸附，這樣可以在吸附床出口端獲得高濃度的氧氣。由于吸附劑的吸附量具有隨壓力變化的特性，改變其壓力，可使吸附交替進(jìn)行。

家用變壓吸附式制氧機(jī)具體工作過程為首先進(jìn)行壓縮空氣，經(jīng)空氣純化干燥機(jī)凈化后，通過切換閥進(jìn)入吸附塔，在吸附塔內(nèi)，氮?dú)獗环肿雍Y吸附，氧氣在吸附塔頂部被聚集后進(jìn)入氧氣儲(chǔ)罐，再經(jīng)除異味、除塵過濾器和除菌過濾器過濾即獲得潔凈的氧氣。

圖2 分子篩解析過程

4 QB/T 5368-2019《家用制氧機(jī)》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)解讀

4.1 制定背景

1985年，美國的Praxair公司研制出第一臺(tái)小型制氧機(jī)，標(biāo)志著分子篩技術(shù)小型化的開始，使得制氧機(jī)開始進(jìn)入普通家庭。我國1998年國家醫(yī)藥管理局批準(zhǔn)了YY/T 0298－1998《醫(yī)用分子篩制氧設(shè)備通用技術(shù)規(guī)范》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；2009年，國家食品藥品監(jiān)督管理局出臺(tái)了YY 0732－2009《醫(yī)用氧氣濃縮器 安全要求》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。但針對(duì)普通用戶使用的家用制氧機(jī)標(biāo)準(zhǔn)依舊是空白，也導(dǎo)致市場(chǎng)上家用制氧機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量得不到控制，嚴(yán)重影響行業(yè)的健康發(fā)展和廣大消費(fèi)者的合法權(quán)益。由全國家用電器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)技術(shù)歸口，工業(yè)和信息化部批準(zhǔn)發(fā)布的QB/T 5368-2019《家用制氧機(jī)》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，改變了我國只有醫(yī)用制氧機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀，解決了市場(chǎng)上家用制氧機(jī)無行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)可依的問題，為小型化非醫(yī)用制氧機(jī)進(jìn)入普通消費(fèi)者家庭提供了技術(shù)依據(jù)。

QB/T 5368-2019《家用制氧機(jī)》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)目前市場(chǎng)上的家用制氧機(jī)的主要制氧技術(shù)，對(duì)變壓吸附式制氧技術(shù)和膜分離式制氧技術(shù)分別做出了技術(shù)要求。其中，變壓吸附制氧也可稱為分子篩制氧，制出的氧氣濃度高，是市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品；膜分離制氧是利用膜分離法從空氣中分離制取氧氣，制出的氧氣濃度較低。

4.2 產(chǎn)品分類

4.2.1 按氣體分離原理分類的家用制氧機(jī)

變壓吸附制氧機(jī)（圖3）。該類型產(chǎn)品可用于家用保健氧療領(lǐng)域，主要性能可達(dá)醫(yī)用級(jí)別，制氧高效。

膜分離制氧機(jī)（圖4）。該類產(chǎn)品可用于戶外，優(yōu)點(diǎn)是便于移動(dòng)，體積小，價(jià)格低，但制氧濃度較低，適合保健用氧。

4.2.2 按產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分類的家用制氧機(jī)

一體式制氧機(jī)。常為便攜式或可移動(dòng)式，插電即用，規(guī)格多為1 L～10 L。

圖3 變壓吸附制氧機(jī)

圖4 膜分離制氧機(jī)

分體式制氧機(jī)。由主機(jī)和供氧端兩部分組成，外型類似分體式空調(diào)，常為固定式安裝，運(yùn)行示意圖見圖5。該類型產(chǎn)品多用于大戶型、別墅、商業(yè)或高原集體供氧。規(guī)格通常在10 L以上。

4.3 主要技術(shù)指標(biāo)

4.3.1 正常使用環(huán)境

制氧機(jī)在下列環(huán)境條件下應(yīng)能正常使用：

環(huán)境溫度：室內(nèi)機(jī)：5℃～40℃；

室外機(jī)：-10℃～50℃；

相對(duì)濕度：室內(nèi)機(jī)：≤80%；

室外機(jī)：≤90%；

大氣壓力：86 kPa～106 kPa；≤86 kPa為高原用制氧機(jī)，應(yīng)符合相關(guān)附加要求。

4.3.2 流量偏差

家用制氧機(jī)的額定流量偏差范圍為±10%或±0.2 L/min，兩者中取較大值。

圖5 分體式制氧機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行示意圖

高原用制氧機(jī)流量會(huì)隨著海拔高度的變化而變化，具體數(shù)值可參考表1。流量偏差是很多氣體設(shè)備常見的誤差特性，QB/T 5369-2019標(biāo)準(zhǔn)的流量偏差范圍值和醫(yī)用標(biāo)準(zhǔn)保持一致。同時(shí)增加了關(guān)于高原氣壓變化帶來的誤差區(qū)間。

表1 制氧機(jī)流量比值與海拔高度對(duì)應(yīng)關(guān)系表

4.3.3 氧濃度

氧濃度是制氧機(jī)產(chǎn)品證明其產(chǎn)品性能最終指標(biāo)的重要參數(shù)之一。QB/T 5368-2019標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在額定流量下，基于變壓吸附原理的制氧機(jī)的氧濃度應(yīng)不低于90%，基于膜分離原理的制氧機(jī)的氧濃度應(yīng)不低于30%。相對(duì)于醫(yī)用制氧機(jī)標(biāo)準(zhǔn)氧氣濃度≥90%，QB/T 5369-2019標(biāo)準(zhǔn)對(duì)家用產(chǎn)品中根據(jù)工藝特性出現(xiàn)的膜分離制氧機(jī)產(chǎn)品也予以了覆蓋。

QB/T 5368-2019標(biāo)準(zhǔn)重點(diǎn)關(guān)注家用制氧機(jī)的核心技術(shù)指標(biāo)包括氧濃度、氧氣潔凈度、噪聲等關(guān)鍵技術(shù)要求。其中，氧濃度作為制氧機(jī)的核心參數(shù)，也是消費(fèi)者選購時(shí)必須格外關(guān)注的參數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)要求變壓吸附制氧機(jī)的氧濃度應(yīng)不低于90%，主要考慮的是能夠有效地解決缺氧這個(gè)用戶的痛點(diǎn)，以及可以實(shí)現(xiàn)小范圍彌散式供氧的需求。

4.3.4 氧濃度報(bào)警

無論是變壓吸附制氧機(jī)還是膜分離制氧機(jī)，在使用一段時(shí)間后，都會(huì)出現(xiàn)氧濃度逐步下降的現(xiàn)象，為了保證用戶使用效果，QB/T 5368-2019要求在如下情況時(shí)制氧機(jī)應(yīng)有報(bào)警警示：

——當(dāng)基于變壓吸附原理的制氧濃度低于70%～74%時(shí)；

——當(dāng)基于膜分離原理的制氧濃度低于25%～27%時(shí)。

上述指標(biāo)的設(shè)置，既參考了成熟的醫(yī)用制氧機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的要求，又考慮了滿足家庭使用的需求，其中膜分離式制氧機(jī)氧濃度的要求主要出于要能滿足富氧條件。

4.3.5 噪聲

膜分離原理制氧機(jī)的聲功率級(jí)噪聲應(yīng)不大于50 dB（A計(jì)權(quán)）。

變壓吸附原理制氧機(jī)的聲功率級(jí)噪聲應(yīng)符合表2的要求。

表2 家用制氧機(jī)噪聲限定值

以上數(shù)據(jù)的設(shè)立是起草工作組在大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合產(chǎn)品生產(chǎn)工藝管控驗(yàn)證的結(jié)果，符合日常家居產(chǎn)品的范圍要求。

制氧機(jī)在使用時(shí)可能需要長(zhǎng)時(shí)間開啟，而且家中環(huán)境相對(duì)密閉，如果制氧機(jī)的噪聲過高，人體長(zhǎng)期處于噪聲環(huán)境下，使用者會(huì)感到心情煩躁，反而達(dá)不到保健的作用。采用膜分離技術(shù)的制氧機(jī)的噪聲通常比變壓吸附的要小，消費(fèi)者可根據(jù)自己的使用需求選購相應(yīng)產(chǎn)品。

4.3.6 計(jì)時(shí)器

家用制氧機(jī)需配置計(jì)時(shí)器，計(jì)時(shí)器應(yīng)能累計(jì)制氧機(jī)的使用時(shí)間，以小時(shí)（h）或分（min）為單位。計(jì)時(shí)器的配備，便于為用戶提供更好的使用體驗(yàn)和保養(yǎng)提示。

4.3.7 高、低溫貯存

高溫貯存：將制氧機(jī)不通電置于與室溫一致的試驗(yàn)箱內(nèi)，使試驗(yàn)箱溫度逐漸升到（55±3）℃，保持1 h。取出并存放于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下最少l h，使其恢復(fù)至室溫下，再通以額定電壓通電運(yùn)行。低溫貯存：將制氧機(jī)不通電置于與室溫一致的試驗(yàn)箱內(nèi)，使試驗(yàn)箱溫度逐漸降到（-40±2）℃，保持4 h。取出并存放于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下最少l h，使其恢復(fù)至室溫，再通以額定電壓通電運(yùn)行。按照上述條件試驗(yàn)后，制氧機(jī)應(yīng)能正常啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)無變形或開裂，且氧濃度符合要求。

5 發(fā)展前景預(yù)測(cè)

隨著中國老齡化進(jìn)程的加快，家用制氧機(jī)作為家庭保健和氧療的工具，已成為老年人的必需品。未來幾十年，制氧機(jī)將會(huì)作為消費(fèi)品進(jìn)入各個(gè)家庭，制氧機(jī)在自身發(fā)展方面也將面臨新的發(fā)展趨勢(shì)。統(tǒng)計(jì)分析表明，家用制氧機(jī)將以膜分離式和變壓吸附式為主，而變壓吸附式將占據(jù)主流。由于產(chǎn)品集成式的應(yīng)用，從而預(yù)計(jì)家用制氧機(jī)未來將會(huì)在以下幾個(gè)方面取得進(jìn)展。

（1）功能多樣性：除了滿足標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的性能外，還將考慮遙控、定時(shí)、臭氧消毒、音樂播放、耳麥?zhǔn)胶蛷浬⑹轿醯裙δ堋?/p>

（2）微型便攜性：家用制氧機(jī)由于其體積重量較大，不便于攜帶，對(duì)于出行旅游、散步的老人來講，還是有不足之處，小型化和便攜式設(shè)計(jì)將是產(chǎn)品研發(fā)的重點(diǎn)方向之一。

（3）高度集成性：家用制氧機(jī)目前采用部件組裝模式，氣路對(duì)產(chǎn)氧過程造成一定的阻力，增加了重量和體積，各部件之間很難保證氣密性，故障率高。將氣路集成，模組化設(shè)計(jì)是量產(chǎn)的未來趨勢(shì)，將復(fù)雜繁瑣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如同電路板一樣進(jìn)行溝槽式設(shè)計(jì)，既美觀又實(shí)用。

（4）價(jià)格親民化：生產(chǎn)工藝的簡(jiǎn)化和優(yōu)化，在不降低品質(zhì)的前提下，去除行業(yè)高成本的醫(yī)用規(guī)范要求，將大大降低生產(chǎn)成本，從而產(chǎn)品市場(chǎng)價(jià)格降低。

6 結(jié)論

的空白，有利于規(guī)范行業(yè)和市場(chǎng)行為，提升產(chǎn)品質(zhì)量，促進(jìn)行業(yè)質(zhì)量升級(jí)提供了技術(shù)保障。該標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，為市場(chǎng)上銷售的家用制氧機(jī)提供了檢測(cè)依據(jù)，為企業(yè)生產(chǎn)及消費(fèi)者選購保駕護(hù)航，并為今后的市場(chǎng)監(jiān)管提供了技術(shù)支撐。

本文從家用制氧機(jī)行業(yè)情況、產(chǎn)品技術(shù)和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的角度，分析了家用制氧機(jī)產(chǎn)品的技術(shù)現(xiàn)狀、標(biāo)準(zhǔn)要求和技術(shù)指標(biāo)的科學(xué)性和合理性，并預(yù)測(cè)了家用制氧機(jī)的發(fā)展方向，對(duì)行業(yè)從事制氧機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、開發(fā)、檢驗(yàn)人員提供了有益的指導(dǎo)，并從產(chǎn)品類型、應(yīng)用技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)要求為制氧機(jī)消費(fèi)者提供了專業(yè)的解讀。

QB/T 5368-2019《家用制氧機(jī)》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，統(tǒng)一了家用制氧機(jī)的評(píng)價(jià)方法，使得家用制氧機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)有了科學(xué)、客觀的評(píng)價(jià)依據(jù)，彌補(bǔ)了市場(chǎng)對(duì)該類產(chǎn)品無統(tǒng)一的技術(shù)要求和試驗(yàn)方法