ポータブル圧力スイング吸着酸素発生器の制御システムの設計

ポータブル圧力スイング吸着酸素発生器の制御システムの設計
 

 

酸素は人間の生命活動を維持するための基本元素であり、さまざまな医療や救急救命などで重要な役割を果たしています。酸素製造装置は重要な医療支援装置です。圧力スイング吸着（PSA）酸素製造法は、低エネルギー消費、無公害、低投資という利点により、中小規模の酸素製造装置に広く使用されています。圧力スイング吸着法の動作原理は、酸素と窒素に対するモレキュラーシーブの吸着特性の違いにより、加圧条件下で窒素を吸着して酸素を分離します。減圧条件下で窒素が脱着され、モレキュラーシーブの吸着性能が回復し、酸素と窒素が分離されます。現在の圧力スイング吸着式酸素製造装置の多くはサイズが大きく重量が重いため、現場や車両での可搬性のニーズを満たすことができません。ポータブル圧力スイング吸着酸素発生装置とは、軽く持ち運ぶことができ、独自の電源を備え、軽量な酸素製造装置を指します。しかし、中国ではこの分野の研究は比較的少なく、既存の制御システムは一般にサイズが大きく、自動化度が低く、安定性が低い。この研究では、圧力スイング吸着酸素生成プロセスと組み合わせて、携帯型圧​​力スイング吸着酸素発生器に適した制御システムを設計および開発し、携帯型酸素発生器のさらなる研究と応用に対する技術サポートを提供しました。

圧力スイング吸着酸素製造プロセス

ポータブル圧力スイング吸着酸素発生器を開発するために、この研究では圧力スイング吸着酸素生成の原理を組み合わせ、まず図に示すように酸素生成の基本的なプロセスフローを決定しました。ポータブル酸素発生器の体積と重量を削減するために、この実験では 2 塔式酸素製造プロセスを採用しました。二塔酸素製造プロセスは、構造が簡単で、メンテナンスが容易で、コストが低いため、小型酸素製造装置に広く使用されています。 2基の吸着塔を交互に運転することで、装置の体積・質量を効果的に削減しながら、連続的かつ安定した酸素製造を実現します。この実験では、酸素発生量を増加させ、エネルギー消費量を削減するために、均一化プロセスを備えたプロセスを設計および採用しました。均一化プロセスにより、圧力差が最適化されることで酸素生成効率がさらに向上し、システムのエネルギー消費が削減されます。このプロセスを組み合わせることで、ポータブル圧力スイング吸着酸素発生装置の性能が向上するだけでなく、酸素の純度を確保しながら、装置のエネルギー消費量と体積を効果的に制御できます。



負荷駆動回路設計
ポータブル PSA 酸素濃縮器の主な動作負荷には、エアコンプレッサーと電磁弁が含まれます。組み合わせた電磁弁を使用することにより、システムの安定性を高めながら、酸素濃縮装置の体積と重量を効果的に削減できます。しかし、エアコンプレッサーや電磁弁の動作電圧はDC12Vであるのに対し、マイコンの動作電圧はDC3.3Vであるため、これらの負荷を直接駆動することは困難です。したがって、マイクロコントローラーから出力された信号は、74LVC04 インバーターによって反転され、ULN2003 ダーリントン管によって増幅されて、エアコンプレッサーとソレノイド バルブの動作を駆動します。
ULN2003 は、優れた高温、高圧耐性と強力な負荷容量を備えた高性能複合トランジスタ アレイです。フリーホイーリング ダイオードが統合されており、リレーを含む大電流負荷を直接駆動できます。エアコンプレッサーと電磁弁の駆動回路図を図に示します。



エアコンプレッサー駆動回路設計
エアコンプレッサーは、ポータブル圧力スイング吸着 (PSA) 酸素発生装置の中核となる動力コンポーネントです。周囲の空気を吸入して加圧して酸素を分離し、酸素製造プロセスの重要なリンクである吸着塔に送り込みます。ポータブル機器の効率的で安定した性能要件を満たすために、このシステムはトーマスマイクロブラシレスDCコンプレッサーを使用しています。これは、スムーズな動作、大流量、低振動、低騒音、低エネルギー消費という利点があり、ポータブル機器に非常に適しています。酸素発生装置の応用シナリオ。
ブラシレス DC モーターは、通常の動作を保証するために電子整流を完了するための専用の駆動回路を必要とします。したがって、JY01 制御チップに基づいた一連のモーター駆動回路が設計されています。原理を図に示します。最適化された回路設計により、エアコンプレッサーの動作速度と安定性を正確に制御できます。
回路設計と原理
JY01はブラシレスDCモーター専用の制御チップで、主に以下の機能を備えています。
速度リニア調整: モーター速度の正確な制御を実現します。
複数の保護メカニズム: 過電流保護、不足電圧保護、短絡保護など、安全な回路動作を保証します。
正弦波パルス幅変調 (SPWM) 出力: 駆動効率を向上させ、モーターの振動と騒音を低減します。
駆動回路はJY01をベースにしており、ホールセンサーを通じてローター位置信号(Ha、Hb、Hc)を取得し、チップが対応する駆動信号を生成します。 JY01 が出力する SPWM 信号は駆動モジュール IR2021 を制御し、それによって上下のブリッジ アームの電界効果トランジスタ (FET) を駆動します。駆動信号は上アーム制御信号と下アーム制御信号に分かれており、MA、MB、MCの上アーム信号をそれぞれAT、BT、CT、下アーム信号をAB、BB、CBと表します。

結論は
本研究では、膜分離酸素生成の仕組みに合わせて、シングルチップマイコンSTM32F407を中央制御装置とし、それに対応する周辺制御回路と、制御アルゴリズム。制御セットアップ全体は、ユーザーフレンドリーで操作が簡単、安定性が高く信頼性が高く、優れたヒューマンマシンインタラクション機能を備えているというメリットを示します。この制御体制のもとで開発された酸素発生装置のプロトタイプは小型で、重量も驚くほど軽い。酸素出力率が 0.8 L/min に達すると、酸素純度は 93.2% に達し、事前に設定された設計ベンチマークを満たします。今後を見据えて、酸素生成プロセスのインテリジェントな制御を探求する計画があります。ポンプ速度、透過時間、膜圧力などのパラメータを正確に調整することで、酸素発生装置の酸素出力速度と純度を周囲温度の変化に応じて自動的に調整し、比較的一定のレベルに維持できます。