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紅外吸收式吸氧增效器.pdf

關 鍵 詞:
紅外 吸收 吸氧 增效
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摘要
申請專利號:

CN200310121828.4

申請日:

20031219

公開號:

CN1628871A

公開日:

20050622

當前法律狀態:

有效性:

失效

法律詳情:
IPC分類號: A61M16/22,A61M16/00 主分類號: A61M16/22,A61M16/00
申請人: 蔡冠輝,趙振庚,王敬援,顧東橋,趙振環
發明人: 蔡冠輝,趙振庚,王敬援,顧東橋,趙振環
地址: 100085北京市海淀區清河鎮安寧莊前街9號
優先權: CN200310121828A
專利代理機構: 北京元中知識產權代理有限責任公司 代理人: 王明霞;俞昌華
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法律狀態
申請(專利)號:

CN200310121828.4

授權公告號:

法律狀態公告日:

法律狀態類型:

摘要

本發明涉及一種紅外吸收式吸氧增效器,屬于醫療器械領域。本發明所述的增效器主要由氣流通道、紅外光發生裝置、濾光片和紅外光接收轉換裝置組成。紅外光發生裝置2和紅外光接收轉換裝置3分別位于氣流通道的兩側。濾光片3位于紅外光發生裝置2和紅外光接收轉換裝置3之間。該增效器將人呼吸過程中排出氣體的二氧化碳含量變化引起的紅外光吸收強度變化作為控制參量,對氧氣供應量進行調節,使制氧機的工作效率得以提高,避免了氧氣的浪費。

權利要求書

1、一種紅外吸收式吸氧增效器,包括氣流通道10、紅外光發生裝置2、濾光片5和紅外光接收轉換裝置3,氣流通道10的徑向位置開有兩個通孔1a和1b,兩通孔軸線與通道10的軸線相交,其特征在于所述的紅外光發生裝置2和紅外光接收轉換裝置3位于氣流通道10的兩側,濾光片5安置于紅外光發生裝置2和紅外光接收轉換裝置3之間。2、根據權利要求1所述的增效器,其特征在于該增效器還包括一個或兩個透鏡4,該透鏡4位于氣流通道10的通孔1a或/和通孔1b處,通孔1a或/和通孔1b與透鏡4通過密封方式固定連接。3、根據權利要求1或2所述的增效器,其特征在于所述的濾光片5為通過波長為4.2~4.4微米的濾光片。4、根據權利要求3所述的增效器,其特征在于所述的濾光片5為通過中心波長為4.3微米,通過帶寬4.3±0.5微米,通過率為80-95%的濾光片。5、根據權利要求2所述的增效器,其特征在于所述的透鏡4為3.3-5.0微米波長段的透過比為90%的氟化鎂透鏡。6、根據權利要求1或2所述的增效器,其特征在于所述的紅外光發生裝置2為碳硅棒光源或鹵鎢燈光源。7、根據權利要求1或2所述的增效器,其特征在于所述的紅外光接收轉換裝置3為300K時峰值靈敏波長為3.8微米,靈敏波段為0.9-4.6微米的硒化鉛光敏電阻。

說明書

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技術領域:

本發明涉及一種紅外吸收式吸氧增效器,屬于醫療器械領域。

背景技術:

人在從事非緊張活動時每分鐘呼吸約15次,每一次呼吸周期需時為4秒鐘, 其中,吸氣約為0.8秒,呼氣約為1.2秒,此后間歇約2秒。一次呼吸周期中,吸 氣的時間占呼吸周期的五分之一。這就意味著,人們在使用供氧器吸氧時,如果氧 氣流量均勻的話,則所產氧氣只有五分之一被人體吸入,而另外的五分之四氧氣因 末被吸入而浪費。例如,制氧機每分鐘產氧量為2500毫升,被人體吸入的氧氣只 有500毫升,其余2000毫升全放空了,這無疑是一種很大的浪費,因而有必要有 效利用這一部分氣體。

人所吸入空氣的組成:21%氧氣、78%氮氣、其余1%是其它氣體,空氣中二氧 化碳占0.03%;醫用氧氣中二氧化碳的含量幾乎為零。人呼出的氣體組成為:16% 氧氣、4~5%二氧化碳、78%氮氣、其余1%是其他氣體。從上述看出,人吸入的空 氣與呼出的氣體,其組成變化反差最大的是二氧化碳,它可從0.03%變化到4%, 變化100多倍。

鑒于人體呼吸氣體中的二氧化碳在氣體組成中含量反差變化最大,因而有可能 根據吸入和呼出氣體中二氧化碳含量的差別,通過將這個差別轉換成控制信號,進 而控制制氧機產生氧氣的利用率,從而實現制氧機所產生氧氣被人體最大限度地吸 入利用,提高制氧機的工作效率。

目前,尚無一種根據人體呼吸氣體中的二氧化碳的含量作為控制參數對氧氣流 量進行控制的裝置。

發明內容:

本發明的目的在于提供一種紅外吸收式吸氧增效器。

該增效器將人呼吸過程中排出氣體的二氧化碳含量變化引起的紅外光吸收強 度變化作為控制參量,對氧氣供應量進行調節,使制氧機的工作效率得以提高,避 免了氧氣的浪費。

二氧化碳有一重要的光學特性,即強烈吸收波長為4.2-4.4微米的紅外光。氧氣 和氮氣是對稱雙原子分子氣體,不吸收紅外光,水吸收紅外光,但僅吸收波長段為 2.6-2.8微米和5.4-7.0微米的紅外光,不吸收波長段為4.2-4.4微米的紅外光。

根據二氧化碳在呼吸氣體中含量的變化與紅外光的吸收關系,利用二氧化碳對 紅外光這一重要的光學特性,實現快速、準確地檢測人體吸入氣體和呼出氣體中二 氧化碳含量的變化,進而將這個變化轉換成電信號來控制制氧機,使之實現不浪費 氧氣的功能。

當人在呼氣和呼吸間歇過程中,呼出的氣體和存在于空間中的氣體中二氧化碳 含量較高,可達4%。二氧化碳強烈吸收波長段為4.2~4.4微米的紅外光,因而紅外 接收轉換裝置接收到的紅外光強度便大幅度地減弱,針對這一強度的變化,紅外光 接收轉換裝置將其轉換為控制信號,關閉制氧機氧氣出口使制氧機產生的氧氣儲存 在制氧機內,避免了在呼氣和呼吸間歇過程中,制氧機產生的氧氣繼續釋放而得不 到有效利用的弊端。

同樣的道理,人在吸氣時,鼻腔所吸入的空氣中二氧化碳含量為0.03%,是呼 出氣體中二氧化碳含量的百分之一,因而對波長為4.2~4.4微米紅外光的吸收便大 幅度減弱,也就是說,紅外光吸收裝置接收到的紅外光強度增加一百多倍。將這一 信號的急劇變化轉化為電信號控制電磁閥,使得制氧機所產生的氧氣以及貯存在制 氧機內的氧氣一并釋放出來,為人體所利用。

通過以上過程,達到使制氧機所產生的氧氣被人體最大限度地吸收利用,使得 制氧機的使用效率大幅度增加。

鑒于實現上述功能的需要,本發明所述的增效器包括氣流通道10、紅外光發生 裝置2、濾光片5和紅外光接收轉換裝置3,氣流通道10的徑向位置開有兩個通孔 1a和1b,兩通孔軸線與通道10的軸線相交,其特征在于所述的紅外光發生裝置2 和紅外光接收轉換裝置3位于氣流通道10的兩側,濾光片5安置于紅外光發生裝 置2和紅外光接收轉換裝置3之間。

紅外光發生裝置能夠產生紅外光,其產生的光線不限于紅外光,但是一定包含 波長為1-5微米的紅外光。常用的紅外光發生裝置使用的發光材料有很多種,例如 碳硅棒光源、鹵鎢燈光源等均能夠實現本發明目的。碳硅棒作為紅外光源,在碳硅 棒溫度為730℃-1500℃的區間內,其在1-15微米輻射波段內的輻射率大于75%。 鹵鎢燈作為光源可發射出可見光、紅外光等各種波長的光,其中,波長為1-5微米 的紅外光所占比例為20%。由于鹵鎢燈體積小、價格低廉,故本發明紅外光發生裝 置優選使用鹵鎢燈。

濾光片的作用是對紅外光發生裝置產生的紅外光進行過濾,允許波長為4.3微 米的紅外光通過,吸收或阻擋其他波長的紅外光。本發明采用的濾光片中心波長為 4.3微米、通過帶寬4.3±0.5微米、通過率為80-95%。紅外光發生裝置產生的是含 有各種波長的光,紅外光接收轉換裝置對這些波長不同的光也會產生反應,只是敏 感程度不同。如果這些波長混雜的光也照射到紅外光接收轉換裝置,產生電信號, 就會嚴重干擾增效器對二氧化碳的檢測。因此,紅外光發生裝置所發射的光,在進 入紅外光接收轉換裝置之前,必須將波長為4.2~4.4微米以外的其他波長的光過濾 掉,使進入紅外光接收轉換裝置的紅外光波長盡可能的單一,以實現檢測的精準、 增效器工作的高效。

紅外光接收轉換裝置的作用是將接收到的紅外光轉換為電信號,該電信號經過 后序電路的放大,實現了對制氧機控制單元的操作,從而最終實現制氧機增效的作 用。該裝置為光敏電阻,其在無光照射時的電阻值(稱為暗阻)非常大,MΩ級; 受光照射時的電阻值(稱為亮阻)急劇變小,KΩ級。光敏電阻有很多種,本發明 優選采用硒化鉛光敏電阻,其在溫度為300K(27℃)時峰值靈敏波長為3.8微米, 靈敏波段為0.9-4.6微米,因此對中心波長為4.3微米的紅外光反應很靈敏。

本發明增效器還可以包括一個或兩個透鏡4,該透鏡4位于氣流通道10的通孔 1a或/和通孔1b處,通孔1a或/和通孔1b與透鏡4通過密封方式固定連接。

透鏡的作用是使光線最大限度的透過,尤其是最大比例地透過波長段為4.2-4.4 微米波長的紅外光,另外透鏡還有密封通孔的作用。本發明優選采用氟化鎂透鏡, 其在3.3-5.0微米波長段的透過比為90%。

當使用一個透鏡時,該透鏡和濾光片可分別位于通孔1a和通孔1b處,密封通 孔。

紅外吸收式吸氧增效器的基本原理是:人體呼吸過程中,呼出和吸入氣體的二 氧化碳含量會有不同,當一定波長的紅外光經過該部分氣體,其中的二氧化碳對波 長為4.2~4.4微米的紅外光有吸收作用,二氧化碳含量的變化會引起對紅外光吸收 強度的變化,該變化經光電轉換為控制信號,在呼氣和呼吸間歇過程中實現對制氧 機的控制。

下面參照說明書附圖具體描述一種本發明產品。

圖1顯示的增效器具有一氣流通道10作為增效器主體,氣流通道中部的徑向 位置對開有兩個通孔1a和1b,作為紅外光發生和檢測時通過的窗口;該對開的通 孔軸線與氣流通道10的軸線相交,紅外光可在通道內經過最大路程,使二氧化碳 最大限度的吸收紅外光。

在氣流通道10兩側的兩個通孔1a和1b處,分別安置有紅外光發生裝置2和 紅外光接收轉換裝置3。裝置2和3與兩個通孔之間分別設有一透鏡4,該透鏡4 能夠最大限度的透過波長為4.3微米的紅外光,同時也起到密封通道的作用。紅外 光發生裝置2為鹵鎢燈,紅外光接收轉換裝置3為一光敏電阻,鹵鎢燈發出的紅外 光經吸收過濾由光敏電阻接收,并轉換為控制信號。

濾光片安置于兩通孔的軸線上,位于紅外光發生裝置2和紅外光接收轉換裝置 3之間,具體位置在紅外光接收轉換裝置3與通孔1b處的透鏡4之間。

兩通孔處各安置一個透鏡。使用透鏡的目的一方面是密封氣流通道,另一方面 是避免濾光片與通孔接觸時產生磨損,破壞濾光片表面的鍍膜。如果不考慮磨損, 也可以采用一個透鏡和一個濾光片來實現密封和濾光作用。因此,二者安裝的先后 順序沒有固定要求,即光線可以先通過透鏡,再通過濾光片;也可以先通過濾光片, 再通過透鏡。

如圖2所示。

當人吸氧時,吸入氣體幾乎不含有二氧化碳,紅外光發生裝置2發出的光線經 透鏡4和濾光片5過濾,由裝置3接收;由于吸入氣體對波長為4.3微米的紅外光 幾乎不吸收,波長為4.3微米的紅外光透過濾光片照射裝置3,即光敏電阻,使光 敏電阻的阻值變得很小(亮阻),與光敏電阻相連的外電路導通,控制制氧機的電 磁閥開啟,氧氣進入的通道導通,人體吸入氧氣。

當人呼氣時,所呼出的氣體中含有高達4%的二氧化碳,該部分二氧化碳強烈 地吸收波長為4.3微米的紅外光,使通過濾光片5照射到光敏電阻3的波長為4.3 微米的紅外光強度急劇減弱,光敏電阻3的阻值急劇增大到幾十兆歐甚至更大(暗 阻),導致與光敏電阻3相關的外電路斷路,引起電磁閥關閉,使制氧機所產生的 氧氣貯存在制氧機內,避免了呼氣時氧氣的浪費。

呼氣之后的間歇期內,吸氧增效器紅外吸收區內的氣體不流動,保持恒定的二 氧化碳比例,因而電磁閥仍處關閉狀態,氧氣仍貯存在制氧機內。

同時,如圖3所示,控制電路中設有延時模塊,當電磁閥關閉超過一定時間后 仍不能開啟,延時模塊會使電路導通,電磁閥開啟,避免了制氧機內氣壓的繼續增 大。

人在吸氣的第一瞬間,環境空氣進入吸氧增效器,空氣通過紅外照射區時,由 于該區體積很小,進入的空氣急劇稀釋紅外區內的二氧化碳,使二氧化碳的濃度趨 近于零,照射到光敏電阻上的紅外光(波長為4.2~4.4微米)強度增大,光敏電阻 阻值減小(亮阻),電磁閥開啟氧氣通道導通,人體吸入氧氣。

按照上述方式工作的吸氧增效器,結構簡單,制造成本低廉,能夠很好的提高 氧氣利用率,避免不必要的浪費,實際測算的結果,應用本發明產品的制氧機,其 500ml/min的氧氣產量至少等效于2000ml/min制氧機的氧氣產量,極大地提高了氧 氣的利用率。

附圖說明:

圖1:吸氧增效器結構示意圖

圖2:實施例1所用吸氧增效器使用狀態示意圖

圖3:實施例1所用控制電路框圖

圖4:實施例1所用控制電路原理圖

1a、1b-通孔?????????????????????2-紅外光發生裝置

3-紅外光接收轉換裝置????????????4-透鏡

5-濾光片????????????????????????6-單鼻吸器

7-電磁閥????????????????????????8-電控器

9-制氧機????????????????????????10-氣流通道

具體實施方式:

????????????????????????????????????實施例1

結合圖1、圖2進行具體說明。

紅外吸收式吸氧增效器主體為一管道,作為氣流通道10,其中部的徑向位置對 開有兩個通孔1a和1b,作為紅外光發生和檢測時通過的窗口;該對開的通孔軸線 與氣流通道10的軸線相交。

紅外光發生裝置2為鹵鎢燈。光線從紅外吸收式吸氧增效器的左側窗口1a進 入,經管道左側窗口透鏡4、氣流通道10、管道右側窗口透鏡4、濾光片5,達到 光敏電阻3。

氣流通道10中,通孔1a和1b之間的氣體如果產生二氧化碳含量的變化,則 會引起對通過的波長為4.2~4.4微米的紅外光的吸收強度的變化,產生光敏電阻3 吸收紅外光強度的變化,由此產生光敏電阻3轉換電信號的變化,該信號經外放大 和控制電路,控制電磁閥,實現增效目的。

光敏電阻3為硒化鉛光敏電阻3,在溫度為300K(27℃)時峰值靈敏波長為 3.8微米,靈敏波段為0.9-4.6微米。

透鏡4為氟化鎂透鏡,在3.3-5.0微米波長段的透過比為90%。

濾光片5的中心波長為4.3微米、透過帶寬4.3±0.5微米、透過率為85%。

參見圖2。

當人吸氧時,吸入氣體幾乎不含有二氧化碳,紅外光發生裝置2發出的光線經 透鏡4和濾光片5過濾,由裝置3接收;由于吸入氣體對波長為4.3微米的紅外光 幾乎不吸收,波長為4.3微米的紅外光透過濾光片照射裝置3,即光敏電阻,使光 敏電阻的阻值變得很小(亮阻),與光敏電阻相連的外電路導通,控制制氧機的電 磁閥開啟,氧氣進入的通道導通,人體吸入氧氣。

當人呼氣時,所呼出的氣體中含有高達4%的二氧化碳,該部分二氧化碳強烈 地吸收波長為4.3微米的紅外光,使通過濾光片5照射到光敏電阻3的波長為4.3 微米的紅外光強度急劇減弱,光敏電阻3的阻值急劇增大到幾十兆歐甚至更大(暗 阻),導致與光敏電阻3相關的外電路斷路,引起電磁閥關閉,使制氧機所產生的 氧氣貯存在制氧機內,避免了呼氣時氧氣的浪費。

呼氣之后的間歇期內,吸氧增效器氣流通道10的紅外吸收區內的氣體不流動, 保持恒定的二氧化碳比例,因而電磁閥仍處關閉狀態,氧氣仍貯存在制氧機內。

同時,如圖3所示,控制電路中設有延時模塊,當電磁閥關閉超過一定時間后 仍不能開啟,延時模塊會使電路導通,電磁閥開啟,避免了制氧機內氣壓的繼續增 大。

人在吸氣的第一瞬間,環境空氣進入吸氧增效器,空氣通過紅外照射區時,由 于該區體積很小,進入的空氣急劇稀釋紅外區內的二氧化碳,使二氧化碳的濃度趨 近于零,照射到光敏電阻上的紅外光(波長為4.2~4.4微米)強度增大,光敏電阻 阻值減小(亮阻),電磁閥開啟氧氣通道導通,人體吸入氧氣。

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