電機(jī)制氧-剖析便攜制氧機(jī)的工作原理

作者：ZLG致遠(yuǎn)電子

新冠肺炎肆虐全球，如何讓病人在康復(fù)階段隨時(shí)隨地都能吸到90%以上純度的氧氣，成為擺在面前的難題！便攜式制氧機(jī)的橫空出世完美地解決此問(wèn)題。無(wú)需化學(xué)物，更不用電解水，以空氣為原料，通過(guò)無(wú)刷電機(jī)等加工就能源源不斷地輸出氧氣！本文將剖析其中的電機(jī)制氧的原理！

一、制氧機(jī)工作原理

空氣中的主要成分有氮?dú)夂脱鯕?，并且氮?dú)獾姆肿又睆竭h(yuǎn)大于氧氣。如果有一種辦法將氮?dú)膺^(guò)濾出來(lái)，剩下的就是高純度的氧氣了。

圖1 空氣比例

利用變壓吸附法即可實(shí)現(xiàn)！此方法利用分子篩物理吸附和解吸技術(shù)，在加壓時(shí)將直徑大的氮分子吸附，剩余直徑小的氧分子通過(guò)分子篩被收集起來(lái)，經(jīng)過(guò)凈化處理后即成為高純度的氧氣。分子篩在減壓時(shí)將所吸附的氮排放回環(huán)境空氣中，在下一次加壓時(shí)又可以吸附氮?dú)獠⒅迫⊙鯕?，整個(gè)過(guò)程為周期性的動(dòng)態(tài)循環(huán)過(guò)程，分子篩并不消耗。制氧機(jī)用的分子篩呈粉末狀，是一種在分子水平上篩選物質(zhì)的多孔材料，主要是由沸石材料構(gòu)成。正因?yàn)樗梢栽诜肿铀缴线^(guò)濾不同直徑的氣體，人們將它裝進(jìn)罐中，做成為分子篩罐。

制氧機(jī)按下面的步驟循環(huán)工作：

1.空氣被過(guò)濾后進(jìn)入壓縮機(jī)，經(jīng)過(guò)冷凝器，隨后在電磁閥的選擇下，輪流進(jìn)入分子篩罐1和2。

2.電磁閥讓高壓空氣只進(jìn)入分子篩罐1，不進(jìn)入分子篩罐2；氮分子被分子篩罐1吸附，而氧分子直接通過(guò)進(jìn)入儲(chǔ)氧罐；同時(shí)打開(kāi)分子篩罐2的排氣閥，在低壓下，原來(lái)被吸附的氮?dú)夥肿颖唤馕鰜?lái)，排放到大氣中。

3.電磁閥讓高壓空氣只進(jìn)入分子篩罐2，不進(jìn)入分子篩罐1；氮分子被分子篩罐2吸附，而氧分子直接通過(guò)進(jìn)入儲(chǔ)氧罐；同時(shí)打開(kāi)分子篩罐1的排氣閥，在低壓下，原來(lái)被吸附的氮?dú)夥肿颖唤馕鰜?lái)，排放到大氣中。

4.儲(chǔ)氧罐中的高純度的氧氣通過(guò)流量計(jì)對(duì)外輸出。

這樣，在分子篩罐1和2輪流工作下，即可輸出恒定的氧氣。

圖2 制氧機(jī)框圖（圖片源自網(wǎng)絡(luò)侵刪）

制氧機(jī)出來(lái)的就是90%以上的高純度氧氣，人要是直接吸入這樣的氧氣，用不了多久，鼻粘膜就會(huì)因?yàn)樘稍锒餮Ｋ孕枰诔隹谔幫ㄟ^(guò)濕化瓶，用純凈水濕潤(rùn)氧氣，人吸氧時(shí)才會(huì)舒服。而對(duì)于便攜式制氧機(jī)，因?yàn)椴环奖銛y帶濕化瓶，所以采用脈沖供氧的方式，流量計(jì)測(cè)量到人要吸氣時(shí)才通過(guò)單向閥對(duì)外供氧，同時(shí)也能節(jié)省電量。

二、便攜制氧機(jī)介紹

便攜制氧機(jī)是在傳統(tǒng)插電的制氧機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行小型化。主要將傳統(tǒng)的基于交流異步電機(jī)的壓縮機(jī)，改為基于直流無(wú)刷電機(jī)的微型壓縮機(jī)，工作電壓在12~24V，并且使用鋰電池供電，小小一個(gè)背包在身，一般可以連續(xù)4個(gè)小時(shí)以上供氧。基于無(wú)刷電機(jī)的微型壓縮機(jī)是整臺(tái)便攜制氧機(jī)的“心臟”，需要它在保證供養(yǎng)量的情況下，盡可能省電、安靜。普遍采用的微型無(wú)油空氣壓縮機(jī)，大概拳頭大，因?yàn)閮?nèi)部沒(méi)有任何機(jī)油，保證空氣不會(huì)被污染。采用直流無(wú)刷電機(jī)為動(dòng)力，一般額定12V~18V/30~60W/3000RPM。需氧量越大，電機(jī)速度要越高，但耗電也越快。在遇險(xiǎn)時(shí)，例如登山缺氧，可以將電機(jī)速度調(diào)得盡量低，雖然制氧量降低，但能延長(zhǎng)使用時(shí)間，等待救援。

三、便攜制氧機(jī)驅(qū)動(dòng)板

致遠(yuǎn)電子針對(duì)微型無(wú)油空氣壓縮機(jī)，出品了便攜制氧機(jī)專用的無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)板，具有以下特點(diǎn)：

• 優(yōu)化的算法，根據(jù)制氧機(jī)深度改進(jìn)的無(wú)感FOC算法，傳統(tǒng)無(wú)感FOC算法在此運(yùn)行會(huì)劇烈震動(dòng)、無(wú)法使用；

• 大范圍轉(zhuǎn)速 ?無(wú)感FOC算法支持低速大扭矩，能在50~3500RPM大范圍轉(zhuǎn)速穩(wěn)定工作，制氧機(jī)能輕松實(shí)現(xiàn)多檔位選擇；其他方案一般只能在1000~3000RPM小范圍轉(zhuǎn)速下工作；

• 穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速，ADRC算法替換傳統(tǒng)的PID算法，在1000~3000RPM滿載下，轉(zhuǎn)速波動(dòng)僅為5RPM左右；其他基于PID的FOC方案約50RPM；方波方案一般無(wú)法勻速，速度會(huì)受吸氧量的影響而波動(dòng)；轉(zhuǎn)速越穩(wěn)定，震動(dòng)越小，更安靜、更省電；

• 優(yōu)化加減速，采用工業(yè)伺服的S曲線控制加減速，換擋平順、不抖動(dòng)；

• 穩(wěn)定且靈活，醫(yī)療產(chǎn)品級(jí)，基于高性能ARM處理器，DC12~24V/120W，1~2ms PWM脈沖輸入調(diào)速，過(guò)流、過(guò)壓、欠壓、堵轉(zhuǎn)、缺相、功率保護(hù)等等。

圖3 便攜制氧機(jī)驅(qū)動(dòng)板演示DEMO

了解便攜制氧機(jī)驅(qū)動(dòng)板可聯(lián)系致遠(yuǎn)電子，下一期將深度剖析ADRC算法如何讓制氧機(jī)穩(wěn)定工作。敬請(qǐng)留意！