高原便攜式PSA制氧機(jī)設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)研究

周?chē)?guó)輝，洪波，王斌，郭遠(yuǎn)亮，歐陽(yáng)廷明，曾樹(shù)洪

高原便攜式PSA制氧機(jī)設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)研究

周?chē)?guó)輝1，洪波1，王斌1，郭遠(yuǎn)亮1，歐陽(yáng)廷明2，曾樹(shù)洪3

（1.惠州市集迅電子有限公司，惠州 516269；2.電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院，成都 610054；3.惠州學(xué)院計(jì)算機(jī)系，惠州 516007）

通過(guò)變壓吸附制氧工藝流程、分子篩優(yōu)選、壓縮機(jī)設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)高原便攜式PSA制氧裝備，并給出具體電子設(shè)計(jì)的完整設(shè)計(jì)方案，通過(guò)高原地區(qū)的測(cè)試表明此便攜制氧機(jī)能能達(dá)到90%以上制氧濃度的設(shè)計(jì)目的。

變壓吸附制氧；便攜式；鋰分子篩；微型高效直流壓縮機(jī)

0 引言

高原缺氧導(dǎo)致機(jī)體有氧代謝率降低，無(wú)氧酵解加強(qiáng)，長(zhǎng)期重度缺氧可引起肺部血管收縮，從而造成肺動(dòng)脈高壓，右心室負(fù)擔(dān)增加，引發(fā)導(dǎo)致引起肺心病的危險(xiǎn)。缺氧會(huì)加重高血壓，引起心律失常，刺激腎臟產(chǎn)生紅細(xì)胞生成素，使體內(nèi)紅細(xì)胞增多，血管阻力增高，引起或加重心力衰竭，容易誘發(fā)腦血栓。隨著社會(huì)生活水平的不斷提高，人們對(duì)高原旅游表現(xiàn)了極大的熱情，如西藏游。為高原地區(qū)的不適應(yīng)人群和進(jìn)入高原區(qū)的人員提供便攜式制氧機(jī)具有極大的社會(huì)價(jià)值，由于高原氧氣濃度、大氣壓等偏低，一般的制氧機(jī)在高原環(huán)境下不能很好的工作[1]。為此，本文研究適合高原環(huán)境下的PSA制氧工藝和制氧機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。

本文通過(guò)對(duì)高原下制氧的工藝流程研究與設(shè)計(jì)、分子篩優(yōu)選、壓縮機(jī)設(shè)計(jì)、電池選型等方面的研究，設(shè)計(jì)了一種高原便攜式微型制氧機(jī)，在連續(xù)供氧模式下的平均供氧流量為1000ml/min，氧濃度在平原地區(qū)不同用氧需求下可達(dá)到90%連續(xù)輸出，在海拔3300高原地區(qū)測(cè)試可達(dá)90%以上。

1 工藝設(shè)計(jì)與控制

1.1 工藝研究與設(shè)計(jì)

分子篩式制氧機(jī)是指以變壓吸附(Pressure Swing Adsorption，PSA)技術(shù)為基礎(chǔ)，從空氣中提取氧氣的新型設(shè)備。其利用分子篩物理吸附和解吸技術(shù)在制氧機(jī)內(nèi)裝填分子篩，在加壓時(shí)可將空氣中氮?dú)馕剑Ｓ嗟奈幢晃盏难鯕獗皇占饋?lái)，經(jīng)過(guò)凈化處理后即成為高純度的氧氣。達(dá)到連續(xù)穩(wěn)定制取氧氣，家用制氧機(jī)采用低壓兩塔變壓吸附制氧工藝流程，如圖1所示。具體工作過(guò)程為壓縮空氣經(jīng)空氣純化干燥機(jī)凈化后，通過(guò)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積后進(jìn)入氧氣儲(chǔ)罐，再經(jīng)除異味、除塵過(guò)濾器和除菌過(guò)濾器過(guò)濾即獲得醫(yī)用級(jí)別的合格氧氣。由于體積的限制，我們選擇兩型的結(jié)構(gòu)[2-3]。

1.2 分子篩的優(yōu)選

圖1 制氧機(jī)工藝流程圖

常用醫(yī)用變壓吸附制氧用吸附劑主要有5A沸石分子篩、13X沸石分子篩以及鋰型分子篩，高端應(yīng)用較多的是美國(guó)UOP公司的OXYSIVMDX型分子篩和法國(guó)CECA公司的SxS型分子篩。5A型分子篩主要用于中大型PSA制氧裝備，由于其吸附性能比較低，目前已基本被13X型分子篩所代替[4]；鋰型分子篩主要應(yīng)用于小微型PSA制氧裝備。高原環(huán)境的低氣壓和低氣溫對(duì)分子篩的性能有明顯的影響。因此，我們選用法國(guó)CECA公司的SxS型分子篩鋰型分子篩作為高原微型PSA制氧裝備的吸附劑，其具體性能見(jiàn)標(biāo)1所示。

表1 高原制氧機(jī)分子篩性能

由表1可以看出，鋰型分子篩對(duì)氮?dú)獾奈饺萘渴欠歉咴玫腘5型分子篩的2.375倍左右，對(duì)氮?dú)夂脱鯕獾姆蛛x系數(shù)從N5型分子篩的3.1提高到6，SXS鋰型的產(chǎn)氧率為190L/h*kg。根據(jù)本文設(shè)計(jì)的高原小型PSA制氧裝備的產(chǎn)氧量為1L/min進(jìn)行計(jì)算，得出分子篩的裝填量為：G分=（Qn/K)x 93%=0.293Kg。

其中，G分為鋰型分子篩的理論裝填量，單位為Kg；Qn為設(shè)計(jì)產(chǎn)氧量，單位為L(zhǎng)/h；93%為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)氧氣濃度體積值；K為分子篩的產(chǎn)氧率，單位為L(zhǎng)/(h·kg)。

1.3 壓縮機(jī)的選型

壓縮機(jī)選用是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，在本次新產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，基于高原條件的考量，供氣壓力設(shè)計(jì)目標(biāo)值是5 ATM(1 ATM就是1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)，市面上常用的壓縮機(jī)不能滿足要求，設(shè)計(jì)組專為此項(xiàng)目設(shè)計(jì)一款壓縮機(jī)，參數(shù)如下：

微型高效直流壓縮機(jī)，12V至24V DC工作電壓，60Watts功耗，外形尺寸：長(zhǎng) 180×寬 35×高 70，電機(jī)效率95%以上。

1.4 電池選擇

高原便攜式制氧機(jī)設(shè)計(jì)是采用電池供電，因此需要對(duì)電池電壓及電池容量進(jìn)行檢測(cè)，以通知用戶及時(shí)更換電池。電路設(shè)計(jì)中是通過(guò)MCU ADC檢測(cè)電池容量及電壓。根據(jù)客戶的市場(chǎng)要求，本機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)定最低連續(xù)工作時(shí)間為2小時(shí)，理論最小電池容量選用22A/H,標(biāo)稱電壓12V，工作溫度范圍為-40～+55℃,設(shè)計(jì)可循環(huán)使用壽命為500次以上。材料應(yīng)采用軍品級(jí)鋰聚合物材料，在正負(fù)極注入有特殊添加劑的特種電解液，保證-40℃電池0.2放電達(dá)額定容量80%以上，同時(shí)高溫70℃存放24小時(shí)體積的變化率小于等于0.5%，具有安全的存儲(chǔ)功能。根據(jù)制氧機(jī)物理尺寸的要求，選用18650電芯組合成電池，電池外殼采用航空鋁合金材料，并在內(nèi)部有足夠的緩沖材料，保證在野外時(shí)能抵受一定的沖擊而不損壞電池，具有內(nèi)置過(guò)流過(guò)壓及高溫保護(hù)電路板。

1.5 管道壓力傳感

本機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)為了保證在高原地區(qū)有足夠的氧濃度90%，所以機(jī)器內(nèi)部的管道壓力比平原地區(qū)的制氧機(jī)偏大，設(shè)計(jì)的壓縮機(jī)輸出氣體壓力5 ATM，雙塔結(jié)構(gòu)以后的管道及儲(chǔ)氣罐的氣體壓力為200～400KPa,儲(chǔ)氣罐到輸出管道還要做減壓閥，為保障管道安全，管道壓力傳感器是放置在雙塔結(jié)構(gòu)之后，工作壓力在200～400KPa，所以選用NXP的MPX550DP,這是一個(gè)內(nèi)部集成硅壓力檢測(cè)的差壓傳感器，可輸出目標(biāo)壓力和環(huán)境氣壓，并且有溫度校正能力，測(cè)量壓力范圍0～500KPa，最大限值 2000KPa，測(cè)量精度±2.5%，設(shè)計(jì)最低報(bào)警壓力50KPa,最高安全壓力600KPa,并在管道中置有機(jī)械式減壓閥，即管道壓力大于600KPa時(shí)自動(dòng)泄壓。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 主控電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主控電路設(shè)計(jì)如圖2所示。系統(tǒng)控制硬件部分由MCU、電池及電壓變換電路、交替閥、流量閥、按鍵、顯示、報(bào)警和信號(hào)檢測(cè)部分等組成。其中MCU選用低功耗單片機(jī)，可以在斷電時(shí)以最小功耗保持信息；內(nèi)部有EEPROM可記錄數(shù)據(jù)，作為斷電數(shù)據(jù)保存用；溫度檢測(cè)采用在PCB上設(shè)置一個(gè)NTC溫度傳感器，12位ADC口，可以進(jìn)行溫度、電壓以及壓縮機(jī)狀態(tài)等檢測(cè)；16位的計(jì)數(shù)器用作聲音報(bào)警信號(hào)的模擬生成。電源采用DC12V的電池供電，經(jīng)LDO轉(zhuǎn)成5V和3.3V供顯示以及MCU使用。當(dāng)氧濃度大于82%時(shí)，顯示綠色正常工作信號(hào)。當(dāng)氧濃度低于82%時(shí)顯示黃色報(bào)警圖標(biāo)。當(dāng)氧濃度低于50%時(shí)顯示紅色報(bào)警圖標(biāo)，并以閃爍，提醒操作者。

2.2 系統(tǒng)控制硬件部分

由中央控制器、電源電壓及電池容量檢測(cè)、管道壓力檢測(cè)，交替閥、流量閥、按鍵、顯示、報(bào)警和信號(hào)檢測(cè)部分等組成。MCU選用ST 8位微處理器STM8S105K4，內(nèi)部有EEPROM可記錄數(shù)據(jù)，作為斷電數(shù)據(jù)保存用；有ADC口，可以進(jìn)行溫度與電壓檢測(cè)；負(fù)載部分由交替閥、流量閥、風(fēng)扇、壓縮機(jī)組成。交替閥用來(lái)控制雙塔分子篩的吸附和解吸。

機(jī)器內(nèi)部有實(shí)時(shí)超聲波氧濃度檢測(cè)，基于120Hz超聲波頻率，采用精確的ADC檢測(cè)，檢測(cè)公差控制在±1%。壓縮機(jī)工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)是通過(guò)電路的電流信號(hào)反饋一個(gè)直流電壓信號(hào)，連到MCU ADC口，以監(jiān)測(cè)壓縮機(jī)工作狀態(tài)。本機(jī)設(shè)計(jì)中實(shí)時(shí)氧濃度檢測(cè)、壓縮機(jī)的工作狀態(tài)檢測(cè)、管道壓力檢測(cè)等是系統(tǒng)的關(guān)鍵檢測(cè)部分。

圖2 系統(tǒng)主控電路設(shè)計(jì)

圖3 系統(tǒng)程序流程圖

2.3 控制軟件設(shè)計(jì)

程序基于 IAR Embedded workbench for STMicro?eelectronics STM8 IDE集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，采用用C語(yǔ)言編程。軟件主要包括電池電壓檢測(cè)、PCB溫度檢測(cè)、管道壓力檢測(cè)、壓縮機(jī)故障檢測(cè)、氧氣濃度讀取、按鍵掃描處理、負(fù)載控制、LED顯示和處理、報(bào)警和聲音處理、數(shù)據(jù)保存等功能子程序，采用模塊化程序設(shè)計(jì)。軟件流程圖3所示。

系統(tǒng)上電初始化后，首先檢測(cè)是否有中斷，如有則進(jìn)入中斷處理程序。然后依次通過(guò)ADC檢測(cè)電池電壓、PCB板溫度、壓縮機(jī)工作狀態(tài)等數(shù)據(jù)。如果電池電壓過(guò)低則保存數(shù)據(jù)并提示更換電池，2分鐘內(nèi)更換電池可恢復(fù)斷電前的工作狀態(tài)；如果沒(méi)有更換電池則關(guān)閉負(fù)載并進(jìn)入到待機(jī)狀態(tài)直到更換新電池；當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到溫度大于60℃則關(guān)閉壓縮機(jī)和電磁閥，并顯示故障和進(jìn)行聲音報(bào)警提示等；當(dāng)檢測(cè)壓縮機(jī)是空載則關(guān)閉壓縮機(jī)電磁閥，兵顯示故障代碼和進(jìn)行聲音報(bào)警提示等。氧氣濃度檢測(cè)是通過(guò)串行口中斷子程序進(jìn)行處理數(shù)據(jù)，當(dāng)氧氣濃度連續(xù)10秒低于82%時(shí)進(jìn)行警告報(bào)警。

3 結(jié)語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的醫(yī)用制氧機(jī)，通過(guò)選擇鋰型分子篩作為吸附劑，并設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良的微型高效直流壓縮機(jī)，實(shí)現(xiàn)了氮氧分離的基本保障，實(shí)現(xiàn)便攜式制氧機(jī)的輕便與便攜的目的，整機(jī)重量在6Kg左右；然后通過(guò)對(duì)電氣及電子系統(tǒng)的精心規(guī)劃與設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)氧濃度的連續(xù)檢測(cè)，管道壓力檢測(cè)，醫(yī)療報(bào)警系統(tǒng)，并符合醫(yī)療認(rèn)有證，本文通過(guò)規(guī)范化的設(shè)計(jì)，應(yīng)用于1000mL/min,的微型化醫(yī)用制氧機(jī)。實(shí)驗(yàn)樣品測(cè)試完全符合設(shè)計(jì)要求，在高原地區(qū)的測(cè)試也表明此便攜制氧機(jī)能確實(shí)能達(dá)到輕便，并能達(dá)到90%以上制氧濃度的設(shè)計(jì)目的。

[1]柴玉蓮.我區(qū)醫(yī)用分子篩制氧機(jī)結(jié)果分析與平均[J].西藏科技，2011,18(8):40-41

[2]李杰,周理.變壓吸附空分制氧的技術(shù)進(jìn)展[J].化學(xué)工業(yè)與工程,2004(03):201-205

[3]劉應(yīng)書(shū),曹永正,劉文海等.便攜式制氧機(jī)的工作原理及性能分析[J].高原醫(yī)學(xué)雜志，2010,20(4):1-5

[4]醫(yī)用分子篩制氧設(shè)備通用技術(shù)規(guī)范.(General specification for medical oxygen generator with molecular sieve)YY/T0298-1998.

Research on the Key Technology and Design for Portable PSA Oxygen Generator Applying in Plateau Region

ZHOU Guo-hui1,HONG Bo1,WANG Bin1,GUO Yuan-liang1,OUYANG Ming-ting2,ZENG Shu-hong3
（1.Huizhou Gisun Electronic Co.,Ltd.,Huizhou 516269；2.School of Optoelectronic Information,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 610054;3.Department of Computer Science,Huizhou University,Huizhou 516007)

Through the study of key technologies such as oxygen production process,molecular sieve optimization and compressor design,designs the portable PSA oxygen generator applying in plateau region,and provides the complete design scheme of the specific electronic design.Tests this oxygen generator in the plateau region,and the result shows that it can produce oxygen with great concentration(above 90%)and achieves design purposes.

Pressure Swing Adsorption Oxygen;Portable;Lithium Molecular Sieve;Micro Efficient DC Compressor

惠州科技計(jì)劃項(xiàng)目（No.2015B010002005、No.2014B020004020）、廣東省高等學(xué)校教學(xué)質(zhì)量與改革工程本科類(lèi)資助項(xiàng)目(粵高教函【2013】113號(hào)-113)

1007-1423（2017）24-0066-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.24.016

周?chē)?guó)輝（1976-），男，大學(xué)，從事領(lǐng)域?yàn)殡娮赢a(chǎn)品設(shè)計(jì)與研發(fā)管理工作

洪波（1972-），男，大學(xué)，從事領(lǐng)域?yàn)殡娮赢a(chǎn)品設(shè)計(jì)與項(xiàng)目管理工作

王斌（1987-）,男，大學(xué)，從事領(lǐng)域?yàn)殡娮赢a(chǎn)品設(shè)計(jì)工作

郭遠(yuǎn)亮（1982-）,男，大學(xué)，從事領(lǐng)域?yàn)殡娮赢a(chǎn)品軟件設(shè)計(jì)工作

歐陽(yáng)明廷（1996-），男，在讀本科生，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)、智能算法

曾樹(shù)洪（1979-），男，四川瀘州人，研究生，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，從事領(lǐng)域?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究工作

2017-08-05

2017-08-13