Вступ
OpenOx – це open-source проект кисневого концентратора, розроблена в Hacklab – Київському хакерспейсі та волонтерами, які хотіли допомогти боротися з епідемією COVID-19. Але сфера його застосування не обмежена медициною, а також може бути використана для проектування інших пристроїв.
Він має просту конструкцію і оптимізований для швидкого виробництва. Рівень концентрації кисню у газі на виході становить від 85% до 95%. Потік від 1 до 7 LPM. Кисень доставляється пацієнту через використання носової канюлі. Концентратор OpenOx використовує методологію адсорбції молекулярного сита та перепаду тиску для отримання виходу кисневого газу. Навколишнє повітря надходить у пристрій, фільтрується і потім стискається. Потім це стиснене повітря спрямовується до одного з двох сито-адсорбуючих шарів. Концентрований кисень виходить з протилежного кінця активного ситового шару і направляється в резервуар з киснем, звідки він доставляється пацієнтові.
Все програмне забезпечення випускається під GNU General Public License V3, вся документація під ліцензією Creative Commons, а також все обладнання під ліцензією Hardware Open Hardware Open Hardware.
Будь ласка, врахуйте, що ви можете продовжити допрацювання проєкту тут: https://github.com/hacklabkyiv/openox/issues
Для виготовлення кисневого концентратора вам знадобляться наступні документа, файли і компоненти:
- Загальна інформація і інструкція зі збирання (англійською мовою):посилання;
- Проєкт Autodesk Fusion 36: https://a360.co/2zARV0g
- Список компонентів: link
- Необхідні файли на Github:
- Motherboard (Arduino Mega shield): https://github.com/hacklabkyiv/openox-pcb
- Прошивка: https://github.com/hacklabkyiv/openox-fw
- Ultrasonic oxygen concentration sensor PCB(WIP): https://github.com/hacklabkyiv/ultrasonic-oxygen-sensor-pcb
- Ultrasonic oxygen concentration sensor firmware(WIP): https://github.com/hacklabkyiv/ultrasonic-oxygen-sensor-pcb
Принцип роботи
Кисневі концентратори використовують molecular sieve для адсорбції газів і працюють за принципом rapid pressure swing adsorption of atmospheric nitrogen на цеолітових мінералах, а потім випускають азот. Цей тип адсорбційної системи, таким чином, функціонально є nitrogen scrubber, що залишає через нього інші атмосферні гази. Це робить кисень основним газом, що залишився. Технологія PSA – це надійний та економічний прийом для вироблення кисню малого та середнього рівня.
При високому тиску пористий цеоліт адсорбує великі кількості азоту, завдяки великій площі поверхні та хімічним характеристикам. Після збирання кисню та інших вільних компонентів тиск падає, що дозволяє десорбувати азот, після чого він може бути відведений в атмосферу.
Концентратор кисню має повітряний компресор, два балони, наповнені цеолітовими гранулами, резервуар, що вирівнює тиск, та деякі клапани та трубки. У перший півцикл перший циліндр надходить повітря з компресора, який триває близько 10-12 секунд. За цей час тиск у першому циліндрі піднімається з атмосферного приблизно в 3-2,5 рази від нормального атмосферного тиску, і цеоліт насичується азотом.
Перший циліндр досягає майже чистого кисню (є невеликі кількості аргону, СО2, водяної пари, радону та інших другорядних компонентів атмосфери) у першому півциклі. Цей кисень розпадається на дві частини. Спочатку він потрапляє в бак для продукту через зворотний клапан. Друга, незначна частина кисню, йде через дросель до другого адсорбційного шару. Це необхідно для «очищення» пор цеоліту від азоту. Положення дросельної заслінки і час перемикання є критичними для нормальної роботи концентратора. Ці параметри сильно залежать від багатьох факторів: робочого тиску, продуктивності компресора, типу цеоліту та розміру фракції тощо.
Під час збирання є кілька критичних елементів, які слід вибирати ретельно:
- Компресор
- Цеоліт для адсорбційних подушок
- Соленоїдні клапани
- Датчик концентрації та потоку
Повітряний компресор
Вкрай важливо уникати забруднення олією в середовищі, багатому киснем, тому слід використовувати безмасляний компресор. Оригінальна конструкція заснована на компресорі з такими характеристиками:
| Споживання енергії | 540 W |
| Максимальний робочий тиск | 8 bar |
| Продуктивність | 126 LPM |
| Напруга | 220 V |
Можна змінити конструкцію та використати інший компресор. Будьте уважні у своєму виборі, занадто потужний компресор може призвести до перегріву теплообмінника і цеоліту (і пошкодити його структуру!).
Видалення вологи
Важливим етапом у системі PSA є видалення вологи зі стисненого повітря. Цеоліти дуже чутливі до будь-якої вологи, і стадія видалення води необхідна відразу після стадії охолодження. Схоже, недостатньо використовувати зручний пневматичний сепаратор води. Якщо рівень вологи занадто високий, цеоліт або CMS перенасичуються водяною парою. Типи адсорбентів вологи включають активований глинозем, силікагель та молекулярне сито.
Ми кілька разів провалювались, «вбиваючи» цеоліт під час тривалого випробування нашої конструкції, коли він експлуатувався без точного етапу видалення води. Тому ми додали кілька етапів видалення води. Перший – одразу після пневматичного видалення води. Це звичайна капсула для фільтра для води, наповнена силікагелем.
Другий етап – всередині адсорбційних подушок.
Цеоліт
Цеоліт – ще одна важлива частина розробки. Залежно від якості цеоліту, можна отримати різні концентрації та витрату кисню. Тут ми узагальнили виробників цеоліту, ви можете спробувати різні.
В основному, існує два основних типи цеолітів, які використовуються в кисневих концентраторах: 13X і LiX. 13X дешевші. LiX дорожче і продуктивніше. Сучасна конструкція використовує 13X сита, для інших типів, можливо, ви повинні відкоригувати довжину шару цеоліту та продуктивність компресора.
Таблиця 2. Цеоліти, доступні на ринку[2].
| Виробник | Назва | Тип | Коментар |
| UOP(Honeywell) | OXYSIV MDX | LiX | Забезпечує ефективні характеристики стаціонарних та пересувних концентраторів |
| UOP(Honeywell) | OXYSIV 5XP | 13X | Молекулярне сито з високою здатністю до видалення N2 та селективністю. Оптимізує продуктивність для всіх концентраторів, включаючи портативні. |
| Arkema(Ceca) | NITROXY 5 | LiX | |
| Arkema(Ceca) | NITROXY Revolution | LiX | |
| Arkema(Ceca) | NITROXY SXSDM | LiX | |
| Jalon | JALOX- 501 | 13X | |
| Jalon | JALOX-101 | LiX | |
| Zeochem | ZEOX OII | 13X | |
| Zeochem | ZEOX Z12-07 | LiX | |
| Zeochem | ZEOX OP-32 | LiX | |
| Zeochem | ZEOX Z12-49 | LiX | |
| Zeochem | ZEOX OP-92 | LiX |
Адсорбційні подушки
Ці елементи є “легенями” концентратора кисню. Їх розмір і місткість дуже важливі. Вони повинні бути оптимізовані щодо кількох факторів:
- Тип цеоліту
- Розмір часток цеоліту
- Швидкість потоку
Наша конструкція була емпірично оптимізована під цеоліт 13X з розміром частинок 0,4-0,8 мм. Для вашого випадку ви можете спробувати різні довжини алюмінієвих труб.
Крім того, після довгих експериментів із цеолітом 13X ми виявили, що його можна легко «вбити» будь-якою вологою. Ось чому ми додали два додаткові шари шапки силікагелю.
Концентрація кисню та вимірювання потоку
Існує два типи вимірювань концентрації кисню, які зазвичай використовуються в медичних додатках: electrochemical cell та ультразвуковий датчик.
Електрогальванічний датчик кисню – це паливна клітина, заснована на окисленні свинцю, яка виробляє електричний вихід, пропорційний рівню кисню всередині датчика. Основним його недоліком є те, що він споживає себе протягом кількох місяців, оскільки піддається впливу кисню.
Оскільки електрогальванічні датчики є відносно недорогими і надійними пристроями, які можуть вимірювати рівень кисню 0-100%, вони використовуються як медичні датчики кисню у багатьох лікарняних пристроях ШВЛ, а також у спорядженні для дайвінгу. Недоліком електрогальванічних датчиків кисню, таких як медичні кисневі клітини, є те, що вони, як правило, “живуть” кілька місяців[1].
Електрохімічні датчики мають хорошу лінійність та точність. Материнська плата OpenOx має роз’єм, що підходить для більшості медичних датчиків кисню:
Інший тип вимірювання концентрації кисню – ультразвуковий. Ультразвукові датчики кисню використовують швидкість звуку для вимірювання кількості кисню в пробі газу або рідини. Датчики рідини, upstream and downstream sensors вимірюють різницю швидкостей між високочастотними звуковими хвилями. Зміна швидкості пропорційна кількості кисню в зразку. У газах швидкість звуку змінюється в міру зміни молекулярного складу газу. Це робить ультразвукові датчики кисню корисними для анестезії вентиляторів або генераторів кисню, де вихід – відома концентрація кисневого газу. Типовими сцеанріями застосування ультразвукових методів зондування кисню, є лікарні, аналіз газу або програми, що включають кисневі концентратори або портативні генератори кисню. Однією з головних переваг цього датчика є те, що також може вимірювати витрату газу, замінюючи механічні витратоміри та зменшуючи витрати. OpenOx має власну конструкцію датчика концентрації ультразвуку, але наразі він знаходиться на етапі WIP. Тому поки що підтримується лише електрохімічний датчик.
Соленоїдні клапани
Надійне перемикання потоку для цього пневматичного контуру є дуже важливим, однак утримання вартості пристрою також є критичним. Дизайн OpenOx включає стандартний пневматичний непрямий електромагнітний клапан. Електромагнітні клапани непрямого дії використовують енергію тиску робочої рідини для відкриття та закриття valve seat, тому для роботи потрібен перепад тиску (мінімум 0,1 бар). Пілотна система функціонує як бустер, так що навіть при соленоїді меншої магнітної сили (ніж у прямо приведеного в дію клапана) рідини, що протікають із більшими швидкостями при великих тисках, можна контролювати. Як поршні, так і діафрагми використовуються як елементи ущільнення основного сидіння. Тиск в середовищі сприяє відкриттю клапана, що дозволяє зменшити котушку та зменшити енергоспоживання.
Необхідні компоненти для побудови
Спіральний теплообмінник
Теплообмінник охолоджує повітря, що надходить з компресора. Охолодження необхідне, оскільки цеоліт не працює добре при високих температурах. Також стадія видалення води вимагає охолодження.
Теплообмінник з мідної трубки, що використовується в системах кондиціонера. Щоб зігнути цю трубку, засипте її чистим піском. Ви можете знайти численні відео цього процесу на youtube!
Ковпачки адсорбційних подушок
Ми розробили два типи кришок адсорбційного шару: ЧПУ-фрезеровані з алюмінію або 3d-друковані з пластику PETG. Ви можете вибрати будь-яку з них. Повністю металеві ковпачки надійніші, але насправді справа смаку 🙂 Для герметизації ми використовуємо 3D-друковані ущільнювальні кільця. Матеріал: TPU.
HEPA фільтр
Фільтр HEPA використовується для очищення кисню від будь-яких забруднень. Ці фільтри широко використовуються у пилососах. Оскільки всі моделі мають різні розміри, модель утримувача фільтрів HEPA є повністю параметричною, ви можете встановити параметри, відповідні для вашої.
Процес збирання
Ми не намагаємось описати всі кроки, а натомість описуємо лише найважливіші. Якщо у вас є проблеми з процесом складання, будь ласка, зв’яжіться з нами або напряму з розробниками для отримання більш детальних інструкцій.
