近年來，隨著人們生活水平的改善，健康理念的深入，以及老齡化社會的到來，家庭用氧的需求日趨增大，使得制氧機行業得到迅速發展，并逐步成為新興的家用電器之一。
制氧機龍頭企業之一——魚躍制氧機市面在售的超過30個機型，囊括院用、家用、高原、車載、戶外便攜等全領域應用場景，其在2021年制氧機銷量就突破了100萬臺。
除此外，歐姆龍、沈陽新松醫療、北京誼安健康、海爾家庭醫療、沈陽海龜醫療、飛利浦等制氧機企業也較為知名，相關業績增長較快。
近期，隨著新冠疫情管控全面放開帶來的新冠感染人數快速攀升，中國多個地方醫療資源出現緊缺，廣大人民群眾發起了自救行動，在家里備一臺制氧機成為很多人的選擇，相關制氧機企業的訂單也是翻倍增長。
那么，家用制氧機和醫用制氧機有何區別，如何挑選一臺合適的家用制氧機？接下來，為了幫大家深入了解制氧機的工作原理和技術標準，我們進行相關解讀。
氧氣對于人類生存和健康至關重要，它關乎著人體的新陳代謝過程。醫學界將30%濃度的氧稱為“富氧”，又稱“生命氧”，在此氧濃度環境下，體力機能、大腦智力、血液氧濃度均達到人體最佳狀態。
氧保健起源于西歐，被人們當作一種高級健身的方法。上世紀80年代以來，墨西哥、美國、日本相繼開展氧保健。在經濟發達國家，約20%以上的家庭擁有小型制氧設備，供家人進行氧保健。氧療和氧保健的出現，意味著人們對于氧氣的需求由完全仰賴自然向進一步自主爭取進行轉變，開啟了氧氣與人類供需方式的新篇章。
國內外家用制氧機現狀
分子篩制氧機由美國于1960年開發研制成功，1970年實現工業化，并迅速在世界范圍內得到廣泛應用。美國市場呼吸類產品——制氧機的需求比率為37%。美國以外地區需求量總計僅約等于美國之需求。從上世紀70年代開始，分子篩制氧機得到迅速發展，而最近幾年的發展勢頭更為旺盛。目前分子篩制氧機主要生產地有美國、德國、英國、加拿大、韓國和日本。
家用制氧機
據WHO統計，全球呼吸醫療支出約為4800億美元，呼吸類產品占32%，市場需求每年約增長11%。隨著各國政府保健政策的加強，以及環境空氣質量惡化，導致呼吸類傳染疾病的增多，再加上全球人口老齡化等原因，都將對制氧機市場的增長帶來深遠影響。
據2021年5月公布的第七次人口普查結果，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個百分點。隨著我國老齡人口的增加，老年病成為困擾社會和家庭的難題。由于我國保健用家用制氧設備剛剛起步，目前家庭擁有率不足1%。
有醫學文獻表明，吸氧對于緩解和預防老年人心腦血管疾病、呼吸系統疾病具有良好的效果。氧療和氧保健能夠促進人體身心健康，使人精力充沛，增強人們承受緊張、壓力的能力；尤其對提高中老年人機體的抗病能力，減輕病癥、加速康復和避免后遺癥等方面具有較好的效果。因此，家用制氧機作為一種適合家庭使用，提升中老人生活品質和促進健康的產品，具有十分廣闊的發展前景。
家用制氧機工作原理
1. 制氧原理
目前，家用制氧機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：利用分子篩對特定氣體的吸附和釋放能力的不同而進行氣體分離。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，如在高壓狀態下，分子篩對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。分子篩通過反復對氣體的吸附與釋放而得到相應的氣體。變壓吸附法具有能耗少、成本低的優點。
分子篩制氧機工作原理
膜分離法：采用半滲透膜將空氣中的氧氣和氮氣進行分離。在不同壓力下，氧氣和氮氣穿過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、工藝簡單的優點，缺點是對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制出的氧氣濃度初始值可達93%以上，膜分離式家用制氧機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為例介紹制氧機的工作原理。
2. 家用制氧機工作原理
制氧機產品結構主要包括：進氣過濾裝置、進氣消音裝置、空氣壓縮機、散熱冷卻裝置、分子篩制氧系統(吸附塔)、電磁閥、控制電路及流量計。
制氧系統、壓縮機、控制板為制氧機的三大主件。其中，制氧系統工藝最復雜，也是制氧機中的核心部件，它融合了氣動原理機構、管路氣壓配合系統、機械結構壓力部件、材料應用、密封結構等各種工藝的集成組合。
圖1為制氧機制氧系統氣路結構，圖1中①進氣過濾器；②壓縮機；③電磁閥；④單向閥；⑤分子篩塔；⑥均壓閥；⑦單向閥；⑧調壓閥；⑨排氣消音器。
圖1 制氧系統氣路結構
制氧機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，通過內嵌的分子篩，在加壓時，可將空氣中氮氣吸附，未被吸收的氧氣被收集，經過凈化處理后，即成為高純度的氧氣。
當壓力達到一定高度后，開始減壓，分子篩將吸附的氮氣排放回環境空氣中。在下次加壓時，又可以通過吸附氮氣來制取氧氣，整個過程為周期性的動態循環過程。分子篩的解析過程如圖2所示。
圖2 分子篩解析過程
目前所有醫療用制氧機均采用PSA變壓吸附，空氣分離制氧技術，該技術是基于吸引劑(沸石分子篩)對空氣中氮氣、氧氣的吸附能力的差異來實現氧氣和氮氣的分離，當空氣進入裝有吸附劑的床屋時，氮氣吸附能力較強被吸附，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，可使吸附交替進行。
家用變壓吸附式制氧機具體工作過程為首先進行壓縮空氣，經空氣純化干燥機凈化后，通過切換閥進入吸附塔，在吸附塔內，氮氣被分子篩吸附，氧氣在吸附塔頂部被聚集后進入氧氣儲罐，再經除異味、除塵過濾器和除菌過濾器過濾即獲得潔凈的氧氣。
《家用制氧機》行業標準QB/T5368-2019解讀
1. 制定背景
1985年，美國的Praxair公司研制出第一臺小型制氧機，標志著分子篩技術小型化的開始，使得制氧機開始進入普通家庭。我國1998年國家醫藥管理局批準了YY/T0298－1998《醫用分子篩制氧設備通用技術規范》行業標準；2009年，國家食品藥品監督管理局出臺了YY0732－2009《醫用氧氣濃縮器安全要求》行業標準，但針對普通用戶使用的家用制氧機標準依舊是空白。
由全國家用電器標準化技術委員會技術歸口，工業和信息化部批準發布的QB/T5368-2019《家用制氧機》行業標準，改變了我國只有醫用制氧機標準的現狀，為小型化非醫用制氧機進入普通消費者家庭提供了技術依據。
QB/T5368-2019《家用制氧機》行業標準針對目前市場上的家用制氧機的主要制氧技術，對變壓吸附式制氧技術和膜分離式制氧技術分別做出了技術要求。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，是市場上的主流產品；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。
2. 產品分類
2.1按氣體分離原理分類的家用制氧機
變壓吸附制氧機(圖3)。該類型產品可用于家用保健氧療領域，主要性能可達醫用級別，制氧高效。
圖3 變壓吸附制氧機
膜分離制氧機(圖4)。該類產品可用于戶外，優點是便于移動，體積小，價格低，但制氧濃度較低，適合保健用氧。
圖4 膜分離制氧機
2.2 按產品結構分類的家用制氧機
一體式制氧機。常為便攜式或可移動式，插電即用，規格多為1L~10L。
分體式制氧機。由主機和供氧端兩部分組成，外型類似分體式空調，常為固定式安裝，運行示意圖見圖5。
圖5 分體式制氧機系統運行示意圖
該類型產品多用于大戶型、別墅、商業或高原集體供氧。規格通常在10L以上。
3. 主要技術指標
3.1正常使用環境
制氧機在下列環境條件下應能正常使用：
環境溫度：室內機：5℃~40℃；室外機：-10℃~50℃；
相對濕度：室內機：≤80％；室外機：≤90％；
大氣壓力：86kPa~106kPa；≤86kPa為高原用制氧機，應符合相關附加要求。
3.2 流量偏差
家用制氧機的額定流量偏差范圍為±10%或±0.2L/min，兩者中取較大值。
高原用制氧機流量會隨著海拔高度的變化而變化，具體數值可參考表1。
表1制氧機流量比值與海拔高度對應關系表
|
海拔(m) |
≤2000 |
2001~2500 |
2501~3000 |
3001~3500 |
3501~4000 |
4001~4500 |
4501~5000 |
|
實際流量/額定流量 |
100% |
≥94% |
≥89% |
≥84% |
≥79% |
≥75% |
≥70% |
注：表1中所述實際流量為相應的海拔高度下所產出的富氧氣體的標況值。
流量偏差是很多氣體設備常見的誤差特性，QB/T5369-2019標準的流量偏差范圍值和醫用標準保持一致。同時增加了關于高原氣壓變化帶來的誤差區間。
3.3 氧濃度
氧濃度是制氧機產品證明其產品性能最終指標的重要參數之一。QB/T5368-2019標準規定在額定流量下，基于變壓吸附原理的制氧機的氧濃度應不低于90%，基于膜分離原理的制氧機的氧濃度應不低于30%。相對于醫用制氧機標準氧氣濃度≥90%，QB/T5369-2019標準對家用產品中根據工藝特性出現的膜分離制氧機產品也予以了覆蓋。
QB/T5368-2019標準重點關注家用制氧機的核心技術指標包括氧濃度、氧氣潔凈度、噪聲等關鍵技術要求。其中，氧濃度作為制氧機的核心參數，也是消費者選購時必須格外關注的參數，標準要求變壓吸附制氧機的氧濃度應不低于90％，主要考慮的是能夠有效地解決缺氧這個用戶的痛點，以及可以實現小范圍彌散式供氧的需求。
3.4氧濃度報警
無論是變壓吸附制氧機還是膜分離制氧機，在使用一段時間后，都會出現氧濃度逐步下降的現象，為了保證用戶使用效果，QB/T5368-2019要求在如下情況時制氧機應有報警警示：
——當基于變壓吸附原理的制氧濃度低于70%~74%時；
——當基于膜分離原理的制氧濃度低于25%~27%時。
上述指標的設置，既參考了成熟的醫用制氧機標準的要求，又考慮了滿足家庭使用的需求，其中膜分離式制氧機氧濃度的要求主要出于要能滿足富氧條件。
3.5噪聲
膜分離原理制氧機的聲功率級噪聲應不大于50dB(A計權)。變壓吸附原理制氧機的聲功率級噪聲應符合表2的要求。
表2家用制氧機噪聲限定值
|
規格類型 |
噪聲/dB(A計權) |
|
一體式：≤10L |
62 |
|
一體式：＞10L |
65 |
|
分體式：室內機 |
50 |
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室外機≤20L |
72 |
|
室外機＞20L |
78 |
以上數據的設立是起草工作組在大量實測數據的基礎上，結合產品生產工藝管控驗證的結果，符合日常家居產品的范圍要求。采用膜分離技術的制氧機的噪聲通常比變壓吸附的要小，消費者可根據自己的使用需求選購相應產品。
3.6 計時器
家用制氧機需配置計時器，計時器應能累計制氧機的使用時間，以小時(h)或分(min)為單位。計時器的配備，便于為用戶提供更好的使用體驗和保養提示。
3.7 高、低溫貯存
高溫貯存：將制氧機不通電置于與室溫一致的試驗箱內，使試驗箱溫度逐漸升到(55±3)℃，保持1h。取出并存放于標準大氣壓下最少lh，使其恢復至室溫下，再通以額定電壓通電運行。
低溫貯存：將制氧機不通電置于與室溫一致的試驗箱內，使試驗箱溫度逐漸降到 (-40±2)℃，保持4h。取出并存放于標準大氣壓下最少lh，使其恢復至室溫，再通以額定電壓通電運行。
按照上述條件試驗后，制氧機應能正常啟動運轉，產品結構無變形或開裂，且氧濃度符合要求。
發展前景預測
統計分析表明，家用制氧機將以膜分離式和變壓吸附式為主，而變壓吸附式將占據主流。由于產品集成式的應用，從而預計家用制氧機未來將會在以下幾個方面取得進展。
(1)功能多樣性：除了滿足標準中規定的性能外，還將考慮遙控、定時、臭氧消毒、音樂播放、耳麥式和彌散式吸氧等功能。
(2)微型便攜性：家用制氧機由于其體積重量較大，不便于攜帶，對于出行旅游、散步的老人來講，還是有不足之處，小型化和便攜式設計將是重點方向之一。
(3)高度集成性：家用制氧機目前采用部件組裝模式，氣路對產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，模組化設計是量產的未來趨勢。
(4)價格親民化：生產工藝的簡化和優化，在不降低品質的前提下，去除行業高成本的醫用規范要求，將大大降低生產成本，從而產品市場價格降低。
此外，制氧機中用到大量高分子材料，比如外殼，管路，閥體等，也為相關材料供應商企業帶來了業績增長機會，對此，我們將繼續關注制氧機的選材用材情況。
