便攜式太陽(yáng)能制氧機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

朱孟府，陳 平，鄧 橙，朱 路，宿紅波，苑英海

便攜式太陽(yáng)能制氧機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

朱孟府，陳 平，鄧 橙，朱 路，宿紅波，苑英海

目的：設(shè)計(jì)一種基于太陽(yáng)能充電的便攜式制氧機(jī)。方法：根據(jù)太陽(yáng)能電池板的發(fā)電原理，通過(guò)柔性太陽(yáng)能電池板將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能并儲(chǔ)存在儲(chǔ)能電源中，采用變壓吸附制氧工藝設(shè)計(jì)便攜式制氧機(jī)。結(jié)果：便攜式太陽(yáng)能制氧機(jī)主要由制氧主機(jī)、太陽(yáng)能電池板、儲(chǔ)能電源及箱體組成，制氧流量為1～3 L/min，氧氣體積分?jǐn)?shù)為50%～90%，儲(chǔ)能電源充電時(shí)間約為7 h，儲(chǔ)能電源容量為40 Ah，太陽(yáng)能電池板輸出電壓為DC12 V。結(jié)論：太陽(yáng)能充電為便攜式制氧機(jī)提供了可靠的電源保障，延長(zhǎng)了制氧機(jī)的使用時(shí)間，保證能及時(shí)制備應(yīng)急呼吸用氧氣，實(shí)現(xiàn)了無(wú)外接電源供應(yīng)時(shí)制氧機(jī)的正常使用。

太陽(yáng)能；便攜式制氧機(jī)；變壓吸附；儲(chǔ)能電池；高原

0 引言

便攜式制氧機(jī)由于具有攜帶方便、使用簡(jiǎn)單、產(chǎn)氧迅速等特點(diǎn)已被廣泛用于家庭、高原及災(zāi)害救援等缺氧時(shí)的應(yīng)急制供氧。在高原環(huán)境下，大氣中的氧氣含量并不隨海拔高度變化而改變，而是與平原一致，體積分?jǐn)?shù)仍保持20.93%不變。由于氧分壓與大氣壓和氧含量有關(guān)，而大氣壓隨著海拔高度的增加而降低，因而氧分壓會(huì)隨海拔高度的增加而降低，即人們常說(shuō)的高原缺氧。人體缺氧時(shí)應(yīng)及時(shí)進(jìn)行吸氧補(bǔ)充，以滿足人體生理需要，保障身體健康[1-2]，否則會(huì)導(dǎo)致許多疾病的發(fā)生。但在災(zāi)害救援或高原環(huán)境等特殊條件下，正常電力供應(yīng)不能保障，時(shí)常出現(xiàn)電力不足情況，不能保證現(xiàn)場(chǎng)氧氣正常供應(yīng)，嚴(yán)重影響制氧機(jī)的使用。太陽(yáng)能是一種安全、環(huán)保的自然能源，“取之不盡，用之不竭”，已引起世界范圍內(nèi)的廣泛重視和開發(fā)應(yīng)用[3-5]。為了保證便攜式制氧機(jī)的不間斷電源供應(yīng)，延長(zhǎng)制氧機(jī)的使用時(shí)間，保證制氧機(jī)能隨時(shí)隨地制備應(yīng)急呼吸用氧氣，本文基于太陽(yáng)能的充供電控制系統(tǒng)[6-7]，采用變壓吸附空氣分離制氧工藝，通過(guò)機(jī)電一體化進(jìn)行了便攜式太陽(yáng)能制氧機(jī)的箱儀一體化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以滿足高原或特殊環(huán)境無(wú)外界電力支持條件下的應(yīng)急氧氣保障需求。

1 太陽(yáng)能充供電控制設(shè)計(jì)

制氧機(jī)的太陽(yáng)能充供電系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能充供電控制器、儲(chǔ)能電池和太陽(yáng)能電池板等單元組成。太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能的機(jī)理為光伏效應(yīng)，太陽(yáng)能電池板是光伏效應(yīng)的核心器件。當(dāng)太陽(yáng)光照射到太陽(yáng)能電池板時(shí)，太陽(yáng)的輻射能量即轉(zhuǎn)移到電池板表面，此時(shí)電池板的PN結(jié)產(chǎn)生大量電子-空穴對(duì)，在太陽(yáng)能電池板內(nèi)部電場(chǎng)力的作用下，電子-空穴對(duì)中帶不同極性電荷的電子與空穴分離，并分別向不同方向遷移，最終聚集在太陽(yáng)能電池板兩端，產(chǎn)生電勢(shì)差，形成電池元件。

圖1為太陽(yáng)能充供電控制器電路原理框圖。從圖中可以看出，太陽(yáng)能電池板通過(guò)光伏效應(yīng)將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)化為電能，經(jīng)DC-DC轉(zhuǎn)換電路和濾波電路儲(chǔ)存在儲(chǔ)能電源中。充供電回路的過(guò)充和過(guò)流保護(hù)是通過(guò)控制器對(duì)儲(chǔ)能電池端的電壓和負(fù)載電流進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和監(jiān)控實(shí)現(xiàn)的，以保證太陽(yáng)能充供電安全，并為制氧機(jī)提供安全穩(wěn)定的電源供應(yīng)。

太陽(yáng)能充供電控制流程如圖2所示。通過(guò)電壓-電流采集單元對(duì)儲(chǔ)能電池的端電壓和負(fù)載電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過(guò)單片機(jī)的A/D采樣端口將采集的

信號(hào)送入主控芯片進(jìn)行計(jì)算和處理，對(duì)充供電電路進(jìn)行保護(hù)。當(dāng)采集的電池電壓低于10.8 V時(shí)，關(guān)閉供電回路，停止供電，并進(jìn)行快速充電；當(dāng)采集到的充電電壓高于13.7 V時(shí)，進(jìn)入PWM充電階段；當(dāng)采集到的電池電壓高于14.8 V時(shí)，關(guān)閉充電回路，停止充電，起到防過(guò)充的作用。

圖1 太陽(yáng)能充供電控制器電路原理框圖

圖2 太陽(yáng)能充供電控制流程

2 氧氣制備工藝設(shè)計(jì)

便攜式制氧機(jī)的氧氣制備工藝是基于變壓吸附空分技術(shù)設(shè)計(jì)[8-9]。通過(guò)設(shè)計(jì)進(jìn)氣、吸附、均壓、解吸、產(chǎn)氧、排氮流程，根據(jù)不同海拔高度空氣的質(zhì)量比，優(yōu)化控制吸附、解吸壓力以及吸附、解吸時(shí)間等工藝參數(shù)，把空氣中的體積分?jǐn)?shù)約為21%的氧氣根據(jù)需要濃縮到50%～90%，以適合不同環(huán)境條件下使用。圖3為設(shè)計(jì)的氧氣制備工藝流程示意圖，為兩塔變壓吸附制氧工藝流程，吸附劑為吸附容量大、氧氮選擇性高的沸石分子篩?？諝饨?jīng)預(yù)過(guò)濾單元除去顆粒物后通過(guò)空壓機(jī)壓縮經(jīng)分配閥進(jìn)入吸附塔，加壓時(shí)吸附塔內(nèi)的分子篩優(yōu)先吸附氮?dú)猓瑥亩蛛x出氧氣和氬氣儲(chǔ)存在儲(chǔ)氧罐中，減壓時(shí)解吸出分子篩吸附的氮?dú)獠⑴欧牛?個(gè)吸附塔的吸附與解吸過(guò)程交替進(jìn)行，最終完成氧氣的制備。

圖3 氧氣制備工藝流程

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 一體化整機(jī)結(jié)構(gòu)

便攜式太陽(yáng)能制氧機(jī)是通過(guò)機(jī)電一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的。圖4為便攜式太陽(yáng)能制氧機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)示意，為箱儀一體化結(jié)構(gòu)，主要包括制氧主機(jī)、太陽(yáng)能電池板、儲(chǔ)能電源及箱體，箱體內(nèi)集成了制氧主機(jī)、太陽(yáng)能電池板、儲(chǔ)能電源及配件。

圖4 整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

制氧主機(jī)為獨(dú)立結(jié)構(gòu)，產(chǎn)氧流量為1～3 L/min（可調(diào)），氧氣的體積分?jǐn)?shù)為 50%～90%（可調(diào)），質(zhì)量為5.0 kg，外形尺寸為155 mm×225 mm×240 mm（長(zhǎng)×寬×高），使用電源為AC220 V/50 Hz或DC12 V，功率為80 W，使用時(shí)由箱內(nèi)取出，可由儲(chǔ)能電源供電，也可外接市政、車載等適宜電源，可以單獨(dú)使用。太陽(yáng)能電池板為復(fù)合柔性材料制備，使用時(shí)從箱體上蓋取出，打開并與儲(chǔ)能電源連接即可進(jìn)行充電，使用完畢折疊并固定在箱體上蓋，折疊尺寸為 420 mm× 170 mm×110 mm（長(zhǎng)×寬×高），展開尺寸為1 800 mm× 840 mm×5 mm（長(zhǎng)×寬×高），質(zhì)量為4.0 kg，輸出參數(shù)為12 V/64 W。儲(chǔ)能電源內(nèi)嵌固定在箱體內(nèi)，電源容量為40 Ah，太陽(yáng)能電池板充電時(shí)間為6～8 h，具體結(jié)構(gòu)見“3.2儲(chǔ)能電源結(jié)構(gòu)”。箱體由高強(qiáng)度工程塑料制造，設(shè)計(jì)有拉桿及腳輪，便于攜帶和搬運(yùn)，外形尺寸為574 mm×438 mm×283 mm（長(zhǎng)×寬×高）。便攜式太陽(yáng)能制氧機(jī)的總質(zhì)量為23 kg，使用海拔高度為0～5 500 m。

3.2 儲(chǔ)能電源結(jié)構(gòu)

儲(chǔ)能電源主要由儲(chǔ)能電池、控制器、外殼及配件組成，是便攜式太陽(yáng)能制氧機(jī)電力保證的核心部件。儲(chǔ)能電池由4節(jié)串聯(lián)使用的混合超級(jí)電容電池組成，單體電池容量為3.2 V/40 Ah。該電容電池具有充電速度快、儲(chǔ)能高、大電流放電能力強(qiáng)、能量轉(zhuǎn)換效率高、過(guò)程損失小、體積小、質(zhì)量輕等特點(diǎn)，循環(huán)使用次數(shù)超過(guò)2 000次。控制器具有過(guò)溫、過(guò)充、過(guò)放、過(guò)載、短路自動(dòng)保護(hù)功能以及自動(dòng)溫度補(bǔ)償和全自動(dòng)充放電管理功能，選擇標(biāo)稱為12 V/20 A的光伏控制器。外殼設(shè)計(jì)有控制面板和散熱孔（如圖5所示），面板表面設(shè)計(jì)有多種指示顯示，包括電壓指示、充電指示、電池狀態(tài)指示、負(fù)載接通指示等，另外還有輸入、輸出等接口。儲(chǔ)能電源的配件包括開關(guān)、電纜及接頭等。

儲(chǔ)能電源既可由太陽(yáng)能電池板充電，也可由AC220 V電源以及車載 DC12 V電源充電，除作為便攜式制氧機(jī)的工作電源外，還可作為應(yīng)急電源為其他電子設(shè)備供電。

圖5 儲(chǔ)能電源外觀結(jié)構(gòu)示意圖

4 結(jié)論

采用變壓吸附空氣分離制氧工藝，通過(guò)箱儀一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的便攜式太陽(yáng)能制氧機(jī)，主要由制氧主機(jī)、太陽(yáng)能電池板、儲(chǔ)能電源及箱體組成，具有結(jié)構(gòu)合理、集成度高、攜帶方便、使用簡(jiǎn)單、自我保障能力強(qiáng)及環(huán)境適應(yīng)性好等特點(diǎn)。在無(wú)外接電源供應(yīng)的條件下，采用太陽(yáng)能電池板將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能并儲(chǔ)存在儲(chǔ)能電源中，為制氧機(jī)提供了穩(wěn)定可靠的電源保障，使制氧機(jī)的電源模式更加豐富，實(shí)現(xiàn)了制氧機(jī)的不間斷電源供應(yīng)，保證了制氧機(jī)能隨時(shí)隨地制備呼吸用氧氣，保證能及時(shí)制備應(yīng)急呼吸用氧氣，實(shí)現(xiàn)了無(wú)外接電源供應(yīng)時(shí)制氧機(jī)的正常使用。

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（收稿：2013-09-09）

圖5 連續(xù)性血液凈化專用方艙整體配置效果圖（左后側(cè)視）

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（收稿：2013-03-04 修回：2013-10-24）

Structure Design of Portable Solar Oxygen Concentrator

ZHU Meng-fu,CHEN Ping,DENG Cheng,ZHU Lu,SU Hong-bo,YUAN Ying-hai (Institute of Medical Equipment,Academy of Military Medicine Sciences,Tianjin 300161,China)

ObjectiveTo design a portable oxygen concentrator based on solar energy charging.MethodsThe portable oxygen concentrator was designed by adopting pressure swing adsorption process and the principle of solar panels generating electricity,and using flexible solar panels which converted solar energy into electricity and stored electricity in energy storage power.ResultsThe portable solar oxygen concentrator consisted of the main oxygen concentrator,the solar panel, the energy storage cell and the box.The oxygen flow rate was between 1 L/min and 3 L/min and the oxygen concentration was between 50%and 90%.The power capacity of energy storage cell was 40 Ah and its charge time was about 7 h.The output voltage of solar panels was DC12 V.ConclusionSolar energy charging can realize the normal use of the oxygen concentrator when there is no exterior power supply,provide a reliable power support for emergency use,extend the service life,and make the oxygen generator generate breathing oxygen anytime and anywhere.[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（1）：15-17]

solar;portable oxygen concentrator;PSA;energy storage cell;high altitude

R318.6；TH777

A

1003-8868（2014）01-0015-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.01.015

朱孟府（1965—），男，博士，碩士研究生導(dǎo)師，研究員，主要從事分離工程技術(shù)與裝備方面的研究工作，E-mail：zmf323@163.com。

300161天津，軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院衛(wèi)生裝備研究所（朱孟府，陳平，鄧 橙，朱 路，宿紅波，苑英海）