СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ СОДЕРЖАНИЯ КИСЛОРОДА В ПОМЕЩЕНИИ
INDOOR OXYGEN CONTROL SYSTEM

Область техники, к которой относится изобретение
.
Изобретение относится к системам регулирования содержания кислорода в помещении, включающим фильтр очистки входящего воздуха, блок температурно-влажностной подготовки воздуха, компрессор, газоразделитель, блок управления, и может быть использовано для поддержания заданной концентрации кислорода в помещении.
Уровень техники.
Задача управления концентрацией кислорода в помещениях, особенно в спальных комнатах и рабочих кабинетах известна давно. Идея получения воздуха с концентрацией кислорода, отличной от нормальной (21%) методом короткоцикловой адсорбции и использования его для дыхания людей не нова, и на сегодняшний день существует множество решений. Но реализация этих решений для потребителя сводится либо к маске, либо к палатке малого объема. Данные решения неудобны, не обеспечивают приемлемого уровня шума и создают значительный нагрев воздуха в помещении, что не позволяет потребителю спать при работе данных систем. Также имеющиеся решения можно разделить на две группы: кислородные концентраторы, обеспечивающие повышенное содержание и гипоксикаторы, обеспечивающие пониженное содержание кислорода в помещении. Реализации устройств, имеющих систему управления, позволяющую работать режиме как концентратора, так и гипоксикатора, не существует.
Существуют системы, которые целиком размещаются в помещении и могут поддерживать заданную концентрацию кислорода. Известна, например, система регулирования содержания кислорода в помещении, включающая фильтр очистки входящего воздуха, блок температурно-влажностной подготовки воздуха, компрессор, газоразделитель, блок управления. Такая система описана в патенте РФ на изобретение № 2645139, опубликованном в 2018 году.
Данное устройство является наиболее близким по технической сути и достигаемому техническому результату и выбрано за прототип предлагаемого изобретения как устройства.
Недостатком этого прототипа является высокий уровень шума от компрессора, что мешает его полноценному использованию в жилых помещениях.
Еще одним существенным недостатком данного прототипа является относительно узкий диапазон температур забираемого воздуха – от -10°С, до +25°С.
Также данный прототип является кислородным концентратором и позволяет создавать только повышенную концентрацию кислорода в помещении, но не может снижать ее.
Раскрытие изобретения.
Настоящее изобретение, главным образом, имеет целью предложить систему регулирования содержания кислорода в помещении, позволяющую обеспечить улучшение параметров работы системы, что и является поставленной задачей.
Для достижения улучшения параметров работы система состоит из двух модулей – внешнего, располагаемого на внешней поверхности здания, и внутреннего, располагаемого внутри помещения, соединённых между собой пневмомагистралью канала газоразделителя, и сигнальной линией. Внешний модуль включает в себя: воздухозаборник канала газоразделителя, фильтр очистки входящего воздуха канала газоразделителя, компрессор и блок температурно-влажностной подготовки воздуха, включающий охладитель воздуха после компрессора, влагоотделитель, датчик температуры сжатого воздуха.
Внутренний модуль включает в себя: газоразделитель сжатого воздуха на азотно-кислородные смеси, клапан выбора режима гипероксия/гипоксия, контроллер, выход гипероксии/гипоксии в помещение и выход воздуха для вентиляции в помещение, регулятор расхода кислорода и расходомер гипероксии, расходомер гипоксии, датчик концентрации углекислого газа в помещении, датчик концентрации кислорода в помещении.
Контроллер соединен с расположенными во внешнем модуле датчиком температуры воздуха и охладителем воздуха после компрессора, кроме того, контроллер соединен с расположенными во внутреннем модуле газоразделителем сжатого воздуха на азотно-кислородные смеси, регулятором расхода кислорода, расходомером гипероксии, расходомером гипоксии, датчиком концентрации углекислого газа в помещении, датчиком концентрации кислорода в помещении.
Благодаря данным выгодным характеристикам появляется возможность улучшить параметры работы системы. Становится возможным разместить все шумные узлы во внешнем модуле, откуда подавать сжатый воздух внутрь помещения, где уже и производить газоразделение. Кроме того, становится возможным осуществление возможности работы системы в режиме как кислородного концентратора, так и гипоксикатора, так как имеется клапан выбора режима гипероксия/гипоксия (механизм переключения потоков), управляемый контроллером. Также расширяется температурный диапазон забираемого извне воздуха.
Существует вариант изобретения, в котором внешний и внутренний модули соединены между собой пневмомагистралью канала вентиляции, при этом внешний модуль включает в себя: фильтр канала вентиляции, нагнетающий вентилятор с регулируемой производительностью, датчик температуры канала вентиляции, расходомер канала вентиляции, и разъемное соединение канала вентиляции, а внутренний модуль включает в себя: разъемное соединение подключения пневмомагистрали канала вентиляции и датчик температуры воздуха на выходе канала газоразделителя.
Благодаря данным выгодным характеристикам появляется возможность значительно понизить потребляемую мощность системы.
Существует также вариант изобретения, в котором контроллер имеет средство приема и передачи сигналов с внешними компьютером, имеющим панель управления.
Благодаря данным выгодным характеристикам появляется возможность управления системой с панели управления.
Наконец, существует вариант изобретения, в котором контроллер имеет средство приема и передачи сигналов с внешними управляющими устройствами посредством беспроводной сети.
Благодаря данным выгодным характеристикам появляется возможность управления системой с панели управления с мобильного устройства (например, телефона) пользователя.
Краткое описание чертежей.
Другие отличительные признаки и преимущества изобретения ясно вытекают из описания, приведенного ниже для иллюстрации и не являющегося ограничительным, со ссылками на прилагаемые рисунки, на которых:
- фигура 1 схематично изображает функциональную схему системы регулирования содержания кислорода в помещении согласно изобретению,
- фигура 2 схематично изображает функциональную схему системы регулирования содержания кислорода в помещении согласно изобретению, в варианте с каналом вентиляции,
- фигура 3 схематично изображает этапы работы системы согласно изобретению,
- фигура 4 схематично изображает этапы работы системы согласно изобретению, в варианте с каналом вентиляции.
На фигурах обозначено:
1 – внешний модуль
1.1 – воздухозаборник канала газоразделителя
1.2 – фильтр очистки входящего воздуха канала газоразделителя
1.3 – компрессор
1.4 – охладитель воздуха после компрессора
1.5 – влагоотделитель
1.6 – датчик температуры сжатого воздуха
1.7 – разъемное соединение канала газоразделителя
1.8 – воздухозаборник канала вентиляции
1.9 – фильтр канала вентиляции
1.10 – нагнетающий вентилятор с регулируемой производительностью
1.11 – датчик температуры канала вентиляции
1.12 – расходомер канала вентиляции
1.13 – разъемное соединение канала вентиляции
2 – внутренний модуль
2.1 – газоразделитель сжатого воздуха на азотно-кислородные смеси
2.2 – регулятор расхода кислорода
2.3 – расходомер гипероксии
2.4 – расходомер гипоксии
2.5 – клапанный механизм переключения гипероксия/гипоксия
2.6 – датчик концентрации кислорода в канале
2.7 – выход воздуха для вентиляции в помещение
2.8 – выход гипероксии/гипоксии в помещение
2.9 – канал сброса лишнего газа в атмосферу
2.9.1, 2.9.2 –разъемные соединения канала сброса 2.9
2.10 – контроллер
2.11 – разъемное соединение подачи сжатого воздуха
2.12 – датчик концентрации углекислого газа в помещении
2.13 – датчик концентрации кислорода в помещении
2.14 – компьютер с панелью управления
2.15 – буфер-накопитель
2.16 – газовый редуктор
2.17 – ручной регулятор расхода
2.18 – регулятор расхода воздуха для вентиляции
2.19 – расходомер воздуха для вентиляции
2.20 – разъемное соединение подключения пневмомагистрали канала вентиляции
2.21 – датчик температуры воздуха на выходе канала газоразделителя
3 – помещение
4 – пневмомагистраль газоразделителя
41, 42 – разъемные соединения пневмомагистрали 4 газоразделителя
5 – стена
6 – канал, соединяющий помещение с атмосферой
7 – мобильное устройство
8 – беспроводной коммутатор
9 – пневмомагистраль канала вентиляции
9.1, 9.2 – разъемные соединения пневмомагистрали 9 канала вентиляции.
Согласно фигурам 1 и 2 система состоит из двух модулей – внешнего 1, располагаемого на внешней поверхности здания, и внутреннего 2, располагаемого внутри помещения 3, соединенные между собой пневмомагистралью газоразделителя 4 и сигнальной линией, показанной пунктиром.
Во внешнем модуле 1 находится воздухозаборник канала газоразделителя 1.1, фильтр 1.2 очистки входящего воздуха канала газоразделителя, компрессор 1.3, охладитель воздуха после компрессора 1.4 и влагоотделитель 1.5, датчик температуры сжатого воздуха 1.6, разъемное соединение канала газоразделителя 1.7
Опционально там может находиться также фильтр канала вентиляции 1.9, нагнетающий вентилятор с регулируемой производительностью 1.10, датчик температуры канала вентиляции 1.11, расходомер канала вентиляции 1.12, и разъемное соединение канала вентиляции 1.13.
Во внутреннем модуле 2 находятся газоразделитель сжатого воздуха на азотно-кислородные смеси 2.1, регулятор расхода кислорода 2.2, расходомер гипероксии 2.3, расходомер гипоксии 2.4, лапанный механизм переключения гипероксия/гипоксия 2.5, датчик концентрации кислорода в канале 2.6, выход воздуха для вентиляции в помещение 2.7, выход гипероксии/гипоксии в помещение 2.8, канала сброса лишнего газа в атмосферу 2.9, разъемные соединения канала сброса 2.9.1, 2.9.2, контроллер 2.10, разъемное соединение подачи сжатого воздуха 2.11, датчик концентрации углекислого газа в помещении 2.12, датчик концентрации кислорода в помещении 2.13, буфер-накопитель 2.15, газовый редуктор 2.16, ручной регулятор расхода 2.17, регулятор расхода воздуха для вентиляции 2.18, расходомер воздуха для вентиляции 2.19.
Опционально там может находиться также разъемное соединение подключения пневмомагистрали канала вентиляции 2.20, датчик температуры воздуха на выходе канала газоразделителя 2.21
Контроллер 2.10 может иметь средство приема и передачи сигналов с внешним компьютером 2.14, имеющим панель управления
Панель управления 2.14 может иметь средство приема и передачи сигналов и имеет возможность установки рабочих параметров как с сенсорного дисплея, так и с мобильного устройства пользователя 7 по беспроводной сети.
Осуществление изобретения.
Система регулирования содержания кислорода в помещении работает следующим образом. Согласно фигуре 3:
Этап А1.
Предварительно размещают внешний модуль 1 на внешней части здания, к примеру, на фасаде, крыше. Внутренний модуль 2 размещаются на стене или потолке помещения 3 и соединяют пневмомагистралью 4 и сигнальной линией с внешним модулем 1.
Этап А2.
Посредством внешнего модуля 1 производят забор воздуха из атмосферы через фильтр 1.2 очистки входящего воздуха канала.
Этап А3.
Производят его сжатие безмасляным компрессором 1.3.
Этап А4.
Осуществляют подготовку (производят охлаждение / осушение) воздуха блоками 1.4 и 1.5 охлаждения воздуха после компрессора и влагоотделения.
Этап А5.
Сжатый и подготовленный воздух подают через пневмомагистраль 4 во внутренний модуль 2 в буфер-накопитель 2.15
Этап А6.
Производят сепарацию воздуха на азотно-кислородные смеси посредством бесшумного газоразделителя 2.1, подключенного к буферу-накопителю 2.15 через редуктор 2.16 и ручной регулятор расхода 2.17
Этап А7.
Осуществляют подачу воздуха, обогащенного/обедненного кислородом, в помещение через выход гипероксии/гипоксии в помещение 2.8.
Этап А8.
Производят отведение оставшейся азотно-кислородной смеси в атмосферу посредством сброса лишнего газа в атмосферу 2.9.
Этап А9.
Осуществляют подачу воздуха для вентиляции в помещение через расходомер 2.19 и выход 2.7
Этап А10.
Производят автоматическое управление работой системы для поддержания заданной концентрации кислорода в помещении. Контроллер 2.14 собирает данные с датчика температуры воздуха 1.6, расходомеров воздуха 2.3, 2.6, 2.19, датчиков 2.6, 2.13 концентрации кислорода в канале и помещении, датчика 2.14 концентрации углекислого газа в помещении и управляет клапанами переключения потоков 2.5 и регуляторами потока 2.2, 2.18. Задаваемые параметры устанавливают либо с контрольной панели 2.17, либо посредством мобильного приложения, установленного на мобильное устройство 7.
В варианте дополнительного использования канала вентиляции система работает следующим образом. Согласно фигуре 4:
Этап В1.
Предварительно размещают внешний модуль 1 на внешней части здания, к примеру, на фасаде, крыше. Внутренний модуль 2 размещают на стене или потолке помещения 3 и соединяют пневмомагистралями 4, 9 и сигнальной линией с внешним модулем 1.
Этап В2.
Посредством внешнего модуля 1 производят забор воздуха из атмосферы через фильтр грубой очистки 1.2 в канал газоразделителя.
Этап В3.
Производят его сжатие безмасляным компрессором 1.3
Этап В4.
Осуществляют подготовку (охлаждение/осушение) воздуха блоками 1.4 и 1.5 охлаждения и влагоотделения.
Этап В5.
Сжатый и подготовленный воздух подают через пневмомагистраль 4 во внутренний модуль 2
Этап В6.
Производят сепарацию воздуха на азотно-кислородные смеси посредством бесшумного газоразделителя 2.1
Этап В7.
Осуществляют подача воздуха, обогащенного/обедненного кислородом в помещение через выход 2.8
Этап В8.
Производят отведение оставшейся азотно-кислородной смеси в атмосферу посредством воздушного канала 2.9
Этап В9.
Посредством внешнего модуля 1 производят забор воздуха из атмосферы через фильтр грубой очистки 1.9 в канал вентиляции
Этап В10.
Посредством нагнетающего вентилятора 1.10 производят закачивание воздуха внутрь канала вентиляции с заданным расходом
Этап В11.
Воздух системы вентиляции подают через пневмомагистраль 9 во внутренний модуль 2, откуда подают в помещение посредством воздушного канала 2.7
Этап В12.
Производят автоматическое управление работой системы для поддержания заданной концентрации кислорода в помещении. Контроллер 2.10 собирает данные с датчиков температуры воздуха 1.6, 1.11, 2.21, расходомеров воздуха 1.12, 2.3, 2.4, датчиков 2.6, 2.13 концентрации кислорода в помещении и управляет клапанами переключения потоков 2.5 и регулятором потока 2.2. Задаваемые параметры устанавливаются либо с контрольной панели 2.14, либо посредством мобильного приложения, установленного на мобильное устройство 7.
Промышленная применимость.
Система регулирования содержания кислорода в помещении может быть осуществлена специалистом на практике и при осуществлении обеспечивает реализацию заявленного назначения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «промышленная применимость» для изобретения.
В соответствии с предложенным изобретением изготовлен опытный образец системы регулирования содержания кислорода в помещении. Испытания проводились в выделенном изолированном объеме 5 кубических метров внутри помещения. Внешний модуль 1 с одним компрессором 1.3 и нагнетающим вентилятором с регулировкой оборотов был расположен на улице. Внутренний модуль 2 с одним газоразделителем 2.1, был расположен внутри выделенного объема в помещении 3 возле стены, снаружи которой располагался внешний модуль 1.
Были использованы следующие узлы:
1) Два компрессора ZW700A-70/7
2) Газоразделитель Oxyom S1 собственного производства. Данный концентратор в нормальном режиме обеспечивает 15 л/мин воздуха с концентрацией кислорода 78%, и 75 л/мин воздуха с концентрацией кислорода 14%.
3) Расходомеры и регуляторы расхода собственного изготовления.
4) Клапанный механизм – пневмораспределитель 4/2 BURKERT 5413G.
5)  Контроллер собственного изготовления на основе платы Waweshare xcore 407 i с имеющимся ethernet интерфейсом.
6) Панельный компьютер IPC-M10R800-A3288 в качестве панели управления.
Испытания опытного образца системы показали, что он обеспечивает возможность забора воздуха в диапазоне температур от -20°С до +30°С и автоматического поддержания заданной концентрации кислорода в помещении в диапазоне от 15 до 28%. При этом система работает практически бесшумно. Средний уровень шума внутри изолированного объема составил 39 и 46 дБ с выключенной и работающей системой соответственно.
Таким образом, за счет того, что система состоит из двух модулей – внешнего, располагаемого на внешней поверхности здания, и внутреннего, располагаемого внутри помещения, соединенных между собой пневмомагистралями канала газоразделителя и сигнальной линией, с установленными блоками, описанными выше, и достигается заявленный технический результат, а именно: возможность работы в широком диапазоне внешних температур при низком уровне шума внутри помещения при работе системы. Наличие переключателя потоков позволяет системе работать как в режиме кислородного концентратора, так и гипоксикатора. Все это улучшает параметры работы системы.
Предлагаемая система может эффективно использоваться для длительного комфортного пребывания в гипоксической или гипероксической нормобарической атмосфере посредством вентиляции помещения газовой смесью с повышенным содержанием азота или с повышенным содержанием кислорода, а также поддержание заданного состава продолжительное время с применением существующих технологий сепарации воздуха на кислород, азот и другие составляющие.
Кроме того, дополнительные эффекты таковы:
• простота эксплуатации за счет разделения модулей;
• пневмомаги F24F 3/14 страль малого диаметра в варианте без дополнительного раздельного вентиляции. Прокладка пневмомагистрали через стену сопоставима по трудозатратам по прокладке кабеля; канал в стене можно высверливать, а не выдалбливать.