鼻導管又稱鼻吸管（Nasal Cannula）是臨床上常用的醫療氣體輸送設備，透過柔軟的管線將氧氣經鼻腔送入患者呼吸道，以提供低至中等流量的氧氣支援。其設計簡便、使用舒適，適用於不同年齡層及多種醫療情境。本文將介紹鼻導管的功能、常見規格及其在水中產生氣泡的特性，並分析 4 mm 及 25 微米 內徑的鼻導管在水中形成的氣泡大小及其動態行為，並探討其對氫水飽和濃度時效的影響。
鼻導管的基本功能與應用
鼻導管主要用於為患者提供醫療氣，以改善低氧血症或支持呼吸功能不全的患者。根據流量需求，鼻導管可分為：
低流量鼻導管：1-6 L/min，內徑通常為 4-6 mm。
高流量鼻導管（HFNC）：20-60 L/min，內徑可達 7-10 mm。
兒童及新生兒鼻導管：內徑約 2-4 mm，流量控制更精細。
4 mm 內徑鼻導管氣泡分析
將 4 mm 內徑的鼻導管沉入水底並以每分鐘 360 cc（6 cc/s）的氣體流量釋放空氣，經計算得出：
氣泡體積：約 5.94 × 10⁻⁶ m³（5.94 mm³）。
氣泡直徑：22.47 mm（2.25 cm）。
氣泡破散直徑（破散後的平均直徑）：約 6.74 mm。
4 mm 內徑現象分析
由於氣泡體積較大，受到水中浮力影響明顯，氣泡上升速度較快。
在水中受到剪切力時，氣泡可能因不穩定而破散成多個直徑約 6.74 mm 的氣泡。
對氫水飽和濃度的影響
大氣泡在水中上升速度快，氫氣與水的接觸時間較短，導致氫水飽和濃度的提升速度相對較慢。
研究顯示，較大氣泡在水中僅能在表層提供氫氣，飽和濃度隨時間變化較大。
根據 Clift et al. (1978) 的研究，大氣泡在水中容易因雷諾數增加而破裂，呈現非對稱性上升路徑。
如何提升氫氣水的製作效率－溶氫棒
溶氫棒的設計核心在於解決傳統氫氣注入過程中 氫水製作氫氣溶解效率低 的問題。當使用一般 4 mm 管線將氫氣導入水中時，氣泡較大且上升速度快，導致氫氣與水的接觸時間過短，無法有效達到理想的氫水飽和濃度。為了改善這一現象，溶氫棒應運而生。其表面具有大量微孔（通常孔徑約 20–50 微米），可將氫氣分散成微小的微泡。這些微泡擁有更大的比表面積和更慢的上升速度，使氫氣得以更充分地與水接觸並溶解其中。藉由這種方式，溶氫棒能在更短時間內達到接近飽和濃度，並提升氫水的穩定性與品質。
25 微米內徑溶氫技術氣泡分析
將 25 微米（0.025 mm）內徑的溶氫裝置沉入水底，並在相同條件下釋放空氣，計算得出：
氣泡體積：約 8.18 × 10⁻¹⁵ m³（8.18 fL，飛升升）。
氣泡直徑：25 µm（0.025 mm）。
氣泡破散直徑：7.5 µm（0.0075 mm）。
25 微米內徑現象分析
微氣泡在水中表現出不同於大氣泡的特性，受表面張力和布朗運動影響較大。
由於微氣泡體積極小，其上升速度較慢，能在水中維持較長時間，形成霧狀微氣泡群。
對氫水飽和濃度的影響
微氣泡上升速度慢，與水的接觸面積大，有助於氫氣充分溶解，顯著提升飽和濃度和持續時間。
根據研究，微氣泡技術（Microbubble Technology）已廣泛應用於富氫水的生產，以達到高濃度和穩定性。
根據 Plesset & Prosperetti (1977) 的研究，微氣泡的表面張力與破散臨界直徑有關，當直徑接近 10 µm 以下時，氣泡破散機率顯著降低。
4 mm 內徑與 25 微米內徑的比較
參數 | 4 mm 內徑 | 25 微米內徑 |
氣泡體積 (m³) | 5.94 × 10⁻⁶ | 8.18 × 10⁻¹⁵ |
氣泡直徑 (mm) | 22.47 | 0.025 |
破散後直徑 (mm) | 6.74 | 0.0075 |
上升速度 | 快 | 慢 |
水中可見度 | 明顯可見氣泡 | 微小氣泡 |
氫水飽和效率 | 低 | 高 |
飽和時效 | 短 | 長 |
分析結果：
4 mm 內徑鼻導管在水中產生的氣泡體積大、上升速度快，容易因水流干擾而破散，對氫水的飽和濃度提升效果有限。
25 微米內徑鼻導管則產生微氣泡群，體積微小且不易破散，能顯著提升氫氣在水中的溶解效率與飽和濃度維持時間。
氫水飽和濃度隨時間變化比較（200cc 水）
時間 (秒) | 4 mm 內徑濃度 (ppm) | 25 微米內徑濃度 (ppm) |
|---|---|---|
0 | 0.000 | 0.000 |
30 | 0.223 | 0.580 |
60 | 0.415 | 0.949 |
90 | 0.580 | 1.185 |
120 | 0.722 | 1.336 |
說明：
氫水飽和濃度的上限通常約為 1.6 ppm（常壓下）。
4 mm 內徑在 120 秒後約達 0.722 ppm。
25 微米內徑在 120 秒達 1.336 ppm。
分析與比較：
4 mm 管：氫氣泡較大，氫氣與水接觸時間短，溶解效率低。
25 微米溶氫棒：氫微氣泡增加與水的接觸面積，氫氣溶解效率高。
結論： 使用多孔徑的 25 微米溶氫棒 對比 4 mm 管，可顯著提升氫氣的溶解效率和氫水飽和濃度的提升速度，建議對追求高效溶氫效果的應用選擇溶氫棒技術。
結論－溶氫棒可提升氫水製作性能
氫氣輸出的內徑大小對氣泡的形成和水中行為有顯著影響。較大內徑（4 mm）產生的大氣泡能快速浮出水面，對於氫水飽和濃度提升效果有限。相對地，微小內徑（25 µm）產生的微氣泡能長時間懸浮於水中，顯著提升氫氣的溶解效率和飽和濃度持續時間，可以廣泛應用於微泡水和特殊醫療技術中。
參考內容：「脈衝式AI氫氣機-氫水及氫飲品製作」
常見提問：
氫水製作速度取決於哪些因素？
氣泡尺寸：越小，溶解越快。
水體積：水量越大，所需時間越長。
溫度：溫度升高可略微增加氫氣溶解速率。
壓力：增壓可提高氫氣溶解能力，但過高可能造成裝置損耗。
為什麼微孔徑較小的溶氫棒能更快製作氫水？
微孔徑溶氫棒能將氫氣分散成大量微泡，這些 微泡的直徑越小，單位體積中的氣泡數量越多，進而增加氫氣與水的接觸面積。接觸面積增加後，氫氣能更快速溶解於水中，使飽和濃度上升更快。
4 mm 管子與 25 微米溶氫棒的製作速度差異有多大？
以 200cc 的水為例：
4 mm 管：120 秒時濃度約 0.722 ppm。
25 微米溶氫棒：120 秒時已達 1.336 ppm。
這表明微孔徑設計能將氫水飽和速度提升近 2 倍。
微泡如何提升氫水的穩定性？
微泡上升速度慢，且能長時間懸浮於水中，這使得氫氣溶解後不易逸散，有助於 延長氫水的高濃度維持時間。
微孔徑越小越好嗎？
並非越小越好。孔徑過小可能導致氫氣流動受阻、氫氣機壽命下降。20–50 微米的孔徑範圍在氫水濃度、製作速度和產氫設備穩定性之間達到良好平衡。
相關提問：如何知道水素水有含氫？
使用公式與定律
伯努利方程（Bernoulli's Equation）：用於計算氣體流速和壓力變化。
斯托克斯定律（Stokes' Law）：用於估算氣泡上升過程中的阻力。
溶解動力學模型（Exponential Model for Dissolution）：用於描述氫氣在水中的溶解過程。
理想氣體定律（Ideal Gas Law）：用於計算氣體體積和壓力之間的關係。
參考文獻：
Clift, R., Grace, J. R., & Weber, M. E. (1978). Bubbles, Drops, and Particles. Academic Press.
Plesset, M. S., & Prosperetti, A. (1977). Bubble dynamics and cavitation. Annual Review of Fluid Mechanics.
Batchelor, G. K. (1967). An Introduction to Fluid Dynamics. Cambridge University Press.
Houghton, E. L., & Carpenter, P. W. (2003). Aerodynamics for Engineering Students. Butterworth-Heinemann.
Takahashi, R., et al. (2015). Microbubble Technology for Hydrogen Water Production. Journal of Applied Physics。
