高原便携式PSA制氧机设计与关键技术研究

周国辉，洪波，王斌，郭远亮，欧阳廷明，曾树洪

高原便携式PSA制氧机设计与关键技术研究

周国辉1，洪波1，王斌1，郭远亮1，欧阳廷明2，曾树洪3

（1.惠州市集迅电子有限公司，惠州 516269；2.电子科技大学光电信息学院，成都 610054；3.惠州学院计算机系，惠州 516007）

通过变压吸附制氧工艺流程、分子筛优选、压缩机设计等关键技术进行研究，设计高原便携式PSA制氧装备，并给出具体电子设计的完整设计方案，通过高原地区的测试表明此便携制氧机能能达到90%以上制氧浓度的设计目的。

变压吸附制氧；便携式；锂分子筛；微型高效直流压缩机

0 引言

高原缺氧导致机体有氧代谢率降低，无氧酵解加强，长期重度缺氧可引起肺部血管收缩，从而造成肺动脉高压，右心室负担增加，引发导致引起肺心病的危险。缺氧会加重高血压，引起心律失常，刺激肾脏产生红细胞生成素，使体内红细胞增多，血管阻力增高，引起或加重心力衰竭，容易诱发脑血栓。随着社会生活水平的不断提高，人们对高原旅游表现了极大的热情，如西藏游。为高原地区的不适应人群和进入高原区的人员提供便携式制氧机具有极大的社会价值，由于高原氧气浓度、大气压等偏低，一般的制氧机在高原环境下不能很好的工作[1]。为此，本文研究适合高原环境下的PSA制氧工艺和制氧机设计的关键技术。

本文通过对高原下制氧的工艺流程研究与设计、分子筛优选、压缩机设计、电池选型等方面的研究，设计了一种高原便携式微型制氧机，在连续供氧模式下的平均供氧流量为1000ml/min，氧浓度在平原地区不同用氧需求下可达到90%连续输出，在海拔3300高原地区测试可达90%以上。

1 工艺设计与控制

1.1 工艺研究与设计

分子筛式制氧机是指以变压吸附(Pressure Swing Adsorption，PSA)技术为基础，从空气中提取氧气的新型设备。其利用分子筛物理吸附和解吸技术在制氧机内装填分子筛，在加压时可将空气中氮气吸附，剩余的未被吸收的氧气被收集起来，经过净化处理后即成为高纯度的氧气。达到连续稳定制取氧气，家用制氧机采用低压两塔变压吸附制氧工艺流程，如图1所示。具体工作过程为压缩空气经空气纯化干燥机净化后，通过切换阀进入吸附塔。在吸附塔内，氮气被分子筛吸附，氧气在吸附塔顶部被聚积后进入氧气储罐，再经除异味、除尘过滤器和除菌过滤器过滤即获得医用级别的合格氧气。由于体积的限制，我们选择两型的结构[2-3]。

1.2 分子筛的优选

图1 制氧机工艺流程图

常用医用变压吸附制氧用吸附剂主要有5A沸石分子筛、13X沸石分子筛以及锂型分子筛，高端应用较多的是美国UOP公司的OXYSIVMDX型分子筛和法国CECA公司的SxS型分子筛。5A型分子筛主要用于中大型PSA制氧装备，由于其吸附性能比较低，目前已基本被13X型分子筛所代替[4]；锂型分子筛主要应用于小微型PSA制氧装备。高原环境的低气压和低气温对分子筛的性能有明显的影响。因此，我们选用法国CECA公司的SxS型分子筛锂型分子筛作为高原微型PSA制氧装备的吸附剂，其具体性能见标1所示。

表1 高原制氧机分子筛性能

由表1可以看出，锂型分子筛对氮气的吸附容量是非高原用的N5型分子筛的2.375倍左右，对氮气和氧气的分离系数从N5型分子筛的3.1提高到6，SXS锂型的产氧率为190L/h*kg。根据本文设计的高原小型PSA制氧装备的产氧量为1L/min进行计算，得出分子筛的装填量为：G分=（Qn/K)x 93%=0.293Kg。

其中，G分为锂型分子筛的理论装填量，单位为Kg；Qn为设计产氧量，单位为L/h；93%为产品的设计氧气浓度体积值；K为分子筛的产氧率，单位为L/(h·kg)。

1.3 压缩机的选型

压缩机选用是设计的关键，在本次新产品设计中，基于高原条件的考量，供气压力设计目标值是5 ATM(1 ATM就是1个标准大气压)，市面上常用的压缩机不能满足要求，设计组专为此项目设计一款压缩机，参数如下：

微型高效直流压缩机，12V至24V DC工作电压，60Watts功耗，外形尺寸：长 180×宽 35×高 70，电机效率95%以上。

1.4 电池选择

高原便携式制氧机设计是采用电池供电，因此需要对电池电压及电池容量进行检测，以通知用户及时更换电池。电路设计中是通过MCU ADC检测电池容量及电压。根据客户的市场要求，本机设计时设定最低连续工作时间为2小时，理论最小电池容量选用22A/H,标称电压12V，工作温度范围为-40～+55℃,设计可循环使用寿命为500次以上。材料应采用军品级锂聚合物材料，在正负极注入有特殊添加剂的特种电解液，保证-40℃电池0.2放电达额定容量80%以上，同时高温70℃存放24小时体积的变化率小于等于0.5%，具有安全的存储功能。根据制氧机物理尺寸的要求，选用18650电芯组合成电池，电池外壳采用航空铝合金材料，并在内部有足够的缓冲材料，保证在野外时能抵受一定的冲击而不损坏电池，具有内置过流过压及高温保护电路板。

1.5 管道压力传感

本机设计时为了保证在高原地区有足够的氧浓度90%，所以机器内部的管道压力比平原地区的制氧机偏大，设计的压缩机输出气体压力5 ATM，双塔结构以后的管道及储气罐的气体压力为200～400KPa,储气罐到输出管道还要做减压阀，为保障管道安全，管道压力传感器是放置在双塔结构之后，工作压力在200～400KPa，所以选用NXP的MPX550DP,这是一个内部集成硅压力检测的差压传感器，可输出目标压力和环境气压，并且有温度校正能力，测量压力范围0～500KPa，最大限值 2000KPa，测量精度±2.5%，设计最低报警压力50KPa,最高安全压力600KPa,并在管道中置有机械式减压阀，即管道压力大于600KPa时自动泄压。

2 系统设计

2.1 主控电路设计

系统主控电路设计如图2所示。系统控制硬件部分由MCU、电池及电压变换电路、交替阀、流量阀、按键、显示、报警和信号检测部分等组成。其中MCU选用低功耗单片机，可以在断电时以最小功耗保持信息；内部有EEPROM可记录数据，作为断电数据保存用；温度检测采用在PCB上设置一个NTC温度传感器，12位ADC口，可以进行温度、电压以及压缩机状态等检测；16位的计数器用作声音报警信号的模拟生成。电源采用DC12V的电池供电，经LDO转成5V和3.3V供显示以及MCU使用。当氧浓度大于82%时，显示绿色正常工作信号。当氧浓度低于82%时显示黄色报警图标。当氧浓度低于50%时显示红色报警图标，并以闪烁，提醒操作者。

2.2 系统控制硬件部分

由中央控制器、电源电压及电池容量检测、管道压力检测，交替阀、流量阀、按键、显示、报警和信号检测部分等组成。MCU选用ST 8位微处理器STM8S105K4，内部有EEPROM可记录数据，作为断电数据保存用；有ADC口，可以进行温度与电压检测；负载部分由交替阀、流量阀、风扇、压缩机组成。交替阀用来控制双塔分子筛的吸附和解吸。

机器内部有实时超声波氧浓度检测，基于120Hz超声波频率，采用精确的ADC检测，检测公差控制在±1%。压缩机工作状态监测是通过电路的电流信号反馈一个直流电压信号，连到MCU ADC口，以监测压缩机工作状态。本机设计中实时氧浓度检测、压缩机的工作状态检测、管道压力检测等是系统的关键检测部分。

图2 系统主控电路设计

图3 系统程序流程图

2.3 控制软件设计

程序基于 IAR Embedded workbench for STMicro⁃eelectronics STM8 IDE集成开发环境，采用用C语言编程。软件主要包括电池电压检测、PCB温度检测、管道压力检测、压缩机故障检测、氧气浓度读取、按键扫描处理、负载控制、LED显示和处理、报警和声音处理、数据保存等功能子程序，采用模块化程序设计。软件流程图3所示。

系统上电初始化后，首先检测是否有中断，如有则进入中断处理程序。然后依次通过ADC检测电池电压、PCB板温度、压缩机工作状态等数据。如果电池电压过低则保存数据并提示更换电池，2分钟内更换电池可恢复断电前的工作状态；如果没有更换电池则关闭负载并进入到待机状态直到更换新电池；当系统检测到温度大于60℃则关闭压缩机和电磁阀，并显示故障和进行声音报警提示等；当检测压缩机是空载则关闭压缩机电磁阀，兵显示故障代码和进行声音报警提示等。氧气浓度检测是通过串行口中断子程序进行处理数据，当氧气浓度连续10秒低于82%时进行警告报警。

3 结语

本文所设计的医用制氧机，通过选择锂型分子筛作为吸附剂，并设计出性能优良的微型高效直流压缩机，实现了氮氧分离的基本保障，实现便携式制氧机的轻便与便携的目的，整机重量在6Kg左右；然后通过对电气及电子系统的精心规划与设计，实现氧浓度的连续检测，管道压力检测，医疗报警系统，并符合医疗认有证，本文通过规范化的设计，应用于1000mL/min,的微型化医用制氧机。实验样品测试完全符合设计要求，在高原地区的测试也表明此便携制氧机能确实能达到轻便，并能达到90%以上制氧浓度的设计目的。

[1]柴玉莲.我区医用分子筛制氧机结果分析与平均[J].西藏科技，2011,18(8):40-41

[2]李杰,周理.变压吸附空分制氧的技术进展[J].化学工业与工程,2004(03):201-205

[3]刘应书,曹永正,刘文海等.便携式制氧机的工作原理及性能分析[J].高原医学杂志，2010,20(4):1-5

[4]医用分子筛制氧设备通用技术规范.(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

惠州科技计划项目（No.2015B010002005、No.2014B020004020）、广东省高等学校教学质量与改革工程本科类资助项目(粤高教函【2013】113号-113)

1007-1423（2017）24-0066-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.24.016

周国辉（1976-），男，大学，从事领域为电子产品设计与研发管理工作

洪波（1972-），男，大学，从事领域为电子产品设计与项目管理工作

王斌（1987-）,男，大学，从事领域为电子产品设计工作

郭远亮（1982-）,男，大学，从事领域为电子产品软件设计工作

欧阳明廷（1996-），男，在读本科生，研究方向为物联网、智能算法

曾树洪（1979-），男，四川泸州人，研究生，高级实验师，从事领域为网络技术研究工作

2017-08-05

2017-08-13