周國輝，洪波，王斌，郭遠亮，歐陽廷明，曾樹洪

高原便攜式PSA制氧機設(shè)計與關(guān)鍵技術(shù)研究

周國輝1，洪波1，王斌1，郭遠亮1，歐陽廷明2，曾樹洪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)院計算機系，惠州 516007）

通過變壓吸附制氧工藝流程、分子篩優(yōu)選、壓縮機設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)進行研究，設(shè)計高原便攜式PSA制氧裝備，并給出具體電子設(shè)計的完整設(shè)計方案，通過高原地區(qū)的測試表明此便攜制氧機能能達到90%以上制氧濃度的設(shè)計目的。

變壓吸附制氧；便攜式；鋰分子篩；微型高效直流壓縮機

0 引言

高原缺氧導(dǎo)致機體有氧代謝率降低，無氧酵解加強，長期重度缺氧可引起肺部血管收縮，從而造成肺動脈高壓，右心室負擔(dān)增加，引發(fā)導(dǎo)致引起肺心病的危險。缺氧會加重高血壓，引起心律失常，刺激腎臟產(chǎn)生紅細胞生成素，使體內(nèi)紅細胞增多，血管阻力增高，引起或加重心力衰竭，容易誘發(fā)腦血栓。隨著社會生活水平的不斷提高，人們對高原旅游表現(xiàn)了極大的熱情，如西藏游。為高原地區(qū)的不適應(yīng)人群和進入高原區(qū)的人員提供便攜式制氧機具有極大的社會價值，由于高原氧氣濃度、大氣壓等偏低，一般的制氧機在高原環(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制氧工藝和制氧機設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)。

本文通過對高原下制氧的工藝流程研究與設(shè)計、分子篩優(yōu)選、壓縮機設(shè)計、電池選型等方面的研究，設(shè)計了一種高原便攜式微型制氧機，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到90%連續(xù)輸出，在海拔3300高原地區(qū)測試可達90%以上。

1 工藝設(shè)計與控制

1.1 工藝研究與設(shè)計

分子篩式制氧機是指以變壓吸附(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)在制氧機內(nèi)裝填分子篩，在加壓時可將空氣中氮氣吸附，剩余的未被吸收的氧氣被收集起來，經(jīng)過凈化處理后即成為高純度的氧氣。達到連續(xù)穩(wěn)定制取氧氣，家用制氧機采用低壓兩塔變壓吸附制氧工藝流程，如圖1所示。具體工作過程為壓縮空氣經(jīng)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(nèi)，氮氣被分子篩吸附，氧氣在吸附塔頂部被聚積后進入氧氣儲罐，再經(jīng)除異味、除塵過濾器和除菌過濾器過濾即獲得醫(yī)用級別的合格氧氣。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UOP公司的OXYSIVMDX型分子篩和法國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分子篩的性能有明顯的影響。因此，我們選用法國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，其具體性能見標1所示。

表1 高原制氧機分子篩性能

由表1可以看出，鋰型分子篩對氮氣的吸附容量是非高原用的N5型分子篩的2.375倍左右，對氮氣和氧氣的分離系數(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)計的高原小型PSA制氧裝備的產(chǎn)氧量為1L/min進行計算，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)計產(chǎn)氧量，單位為L/h；93%為產(chǎn)品的設(shè)計氧氣濃度體積值；K為分子篩的產(chǎn)氧率，單位為L/(h·kg)。

1.3 壓縮機的選型

壓縮機選用是設(shè)計的關(guān)鍵，在本次新產(chǎn)品設(shè)計中，基于高原條件的考量，供氣壓力設(shè)計目標值是5 ATM(1 ATM就是1個標準大氣壓)，市面上常用的壓縮機不能滿足要求，設(shè)計組專為此項目設(shè)計一款壓縮機，參數(shù)如下：

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

1.4 電池選擇

高原便攜式制氧機設(shè)計是采用電池供電，因此需要對電池電壓及電池容量進行檢測，以通知用戶及時更換電池。電路設(shè)計中是通過MCU ADC檢測電池容量及電壓。根據(jù)客戶的市場要求，本機設(shè)計時設(shè)定最低連續(xù)工作時間為2小時，理論最小電池容量選用22A/H,標稱電壓12V，工作溫度范圍為-40～+55℃,設(shè)計可循環(huán)使用壽命為500次以上。材料應(yīng)采用軍品級鋰聚合物材料，在正負極注入有特殊添加劑的特種電解液，保證-40℃電池0.2放電達額定容量80%以上，同時高溫70℃存放24小時體積的變化率小于等于0.5%，具有安全的存儲功能。根據(jù)制氧機物理尺寸的要求，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，保證在野外時能抵受一定的沖擊而不損壞電池，具有內(nèi)置過流過壓及高溫保護電路板。

1.5 管道壓力傳感

本機設(shè)計時為了保證在高原地區(qū)有足夠的氧濃度90%，所以機器內(nèi)部的管道壓力比平原地區(qū)的制氧機偏大，設(shè)計的壓縮機輸出氣體壓力5 ATM，雙塔結(jié)構(gòu)以后的管道及儲氣罐的氣體壓力為200～400KPa,儲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,這是一個內(nèi)部集成硅壓力檢測的差壓傳感器，可輸出目標壓力和環(huán)境氣壓，并且有溫度校正能力，測量壓力范圍0～500KPa，最大限值 2000KPa，測量精度±2.5%，設(shè)計最低報警壓力50KPa,最高安全壓力600KPa,并在管道中置有機械式減壓閥，即管道壓力大于600KPa時自動泄壓。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 主控電路設(shè)計

系統(tǒng)主控電路設(shè)計如圖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、報警和信號檢測部分等組成。其中MCU選用低功耗單片機，可以在斷電時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；溫度檢測采用在PCB上設(shè)置一個NTC溫度傳感器，12位ADC口，可以進行溫度、電壓以及壓縮機狀態(tài)等檢測；16位的計數(shù)器用作聲音報警信號的模擬生成。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，顯示綠色正常工作信號。當(dāng)氧濃度低于82%時顯示黃色報警圖標。當(dāng)氧濃度低于50%時顯示紅色報警圖標，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、管道壓力檢測，交替閥、流量閥、按鍵、顯示、報警和信號檢測部分等組成。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，可以進行溫度與電壓檢測；負載部分由交替閥、流量閥、風(fēng)扇、壓縮機組成。交替閥用來控制雙塔分子篩的吸附和解吸。

機器內(nèi)部有實時超聲波氧濃度檢測，基于120Hz超聲波頻率，采用精確的ADC檢測，檢測公差控制在±1%。壓縮機工作狀態(tài)監(jiān)測是通過電路的電流信號反饋一個直流電壓信號，連到MCU ADC口，以監(jiān)測壓縮機工作狀態(tài)。本機設(shè)計中實時氧濃度檢測、壓縮機的工作狀態(tài)檢測、管道壓力檢測等是系統(tǒng)的關(guān)鍵檢測部分。

圖2 系統(tǒng)主控電路設(shè)計

圖3 系統(tǒng)程序流程圖

2.3 控制軟件設(shè)計

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

系統(tǒng)上電初始化后，首先檢測是否有中斷，如有則進入中斷處理程序。然后依次通過ADC檢測電池電壓、PCB板溫度、壓縮機工作狀態(tài)等數(shù)據(jù)。如果電池電壓過低則保存數(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)；如果沒有更換電池則關(guān)閉負載并進入到待機狀態(tài)直到更換新電池；當(dāng)系統(tǒng)檢測到溫度大于60℃則關(guān)閉壓縮機和電磁閥，并顯示故障和進行聲音報警提示等；當(dāng)檢測壓縮機是空載則關(guān)閉壓縮機電磁閥，兵顯示故障代碼和進行聲音報警提示等。氧氣濃度檢測是通過串行口中斷子程序進行處理數(shù)據(jù)，當(dāng)氧氣濃度連續(xù)10秒低于82%時進行警告報警。

3 結(jié)語

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

[1]柴玉蓮.我區(qū)醫(yī)用分子篩制氧機結(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)進展[J].化學(xué)工業(yè)與工程,2004(03):201-205

[3]劉應(yīng)書,曹永正,劉文海等.便攜式制氧機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

惠州科技計劃項目（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資助項目(粵高教函【2013】113號-113)

1007-1423（2017）24-0066-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.24.016

周國輝（1976-），男，大學(xué)，從事領(lǐng)域為電子產(chǎn)品設(shè)計與研發(fā)管理工作

洪波（1972-），男，大學(xué)，從事領(lǐng)域為電子產(chǎn)品設(shè)計與項目管理工作

王斌（1987-）,男，大學(xué)，從事領(lǐng)域為電子產(chǎn)品設(shè)計工作

郭遠亮（1982-）,男，大學(xué)，從事領(lǐng)域為電子產(chǎn)品軟件設(shè)計工作

歐陽明廷（1996-），男，在讀本科生，研究方向為物聯(lián)網(wǎng)、智能算法

曾樹洪（1979-），男，四川瀘州人，研究生，高級實驗師，從事領(lǐng)域為網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究工作

2017-08-05

2017-08-13