Koncentrator kisika Perfecto2

Danas je dobiven na popravak koncentrator kisika Perfecto2 (model IRC5PO2AW) američkog proizvođača Invacare Corporation. Uređaj je proizveden u Kini i datira iz 2010-tih godina.

Tvrtka Invacare Corporation vuče korijene još iz 1885. godine kada je tvrtka Worthington (Ohio, SAD) počela proizvoditi invalidska kolica. Tvrtka je prvo promijenila ime u Colson Company, zatim u Mobilaid Inc. te 1971. godine u Technicare. Iste godine je Technicare (američki proizvođač medicinskih uređaja) kupio i tvrtku Invalex Walker and Wheelchair Company, te su Mobilaid i Invalex spojeni u tvrtku naziva Invacare. Tijekom 1978. godine tvrtku Technicare je kupio Johnson & Johnson koji je tvrtku Invacare prodao Mal Mixonu. Kroz čitavo razdoblje do danas fokus tvrtke Invacare je na proizvodnji invalidskih kolica i pomagala za pacijente s ograničenom pokretljivošću. U 1990-tim godinama, brojnim akvizicijama, prodajni asortiman tvrtke se uvelike proširio na različitu neakutnu medicinsku opremu uključujući i respiratorske uređaje. Invacare danas prodaje svoju medicinsku opremu i uređaje u preko 80 zemalja svijeta.

Koncentratori kisika su uređaji koji iz atmosferskog zraka filtriraju molekule kisika te na taj način proizvode gotovo čisti kisik koji se koristi za terapiju pacijenata sa niskom razinom kisika u krvi. Terapija kisikom primjenjuje se na pacijente sa respiratornim bolestima poput astme, apneje, upale pluća, oštećenja pluća i raznih drugih poremećaja disanja.

Osnovni aktivni element koncentratora kisika je tzv. molekularno sito. Znamo da se atmosferski zrak sastoji od 78% dušika, 21% kisika i 1 % ostalih plinova. Molekularno sito pak se sastoji od poroznog materijala naziva Zeolit koji propušta molekule samo do određene veličine (volumena). Budući da kisik ima nešto manji molekularni volumen od dušika, kisik će proći kroz molekularno sito dok će dušik biti zadržan unutar sita. Tako iz sita izlazi samo gotovo čisti kisik (90-95%) a dušik ostaje zarobljen u situ. Nakon određenog vremena sito se začepi (napuni, zasiti) molekulama dušika te se one moraju izbaciti iz sita. Stoga se uvijek koriste dva molekularna sita, dok jedno radi i propušta kisik, drugo sito se za to vrijeme čisti od nagomilanog dušika. Atmosferski zrak se kroz sita protjeruje pod tlakom kako bi filtriranje bilo moguće i kako bi se na izlazu stvorila dovoljna količina kisika pod niskim tlakom pogodan za udisanje. Udisanje kisika se obično vrši preko nazalne kanile kako bi se isti što bolje apsorbirao u plućima pacijenta.

Blok shema prikazuje princip rada koncentratora kisika Perfecto2 (kao i većine koncentratora kisika drugih proizvođača). Uključivanjem mrežne sklopke dovodi se napon na kompresor, ventilator i električni mjerač radnih sati, te preko mrežnog transformatora na tiskanu pločicu sa mjernom i upravljačkom elektronikom.

Klipni kompresor uvlači sobni zrak preko dva ulazna filtra (pročišćivača) zraka te na izlazu ispuhuje zrak pod tlakom od cca 1,5 bara. S obzirom da tlačenje zraka uzrokuje i njegovo zagrijavanje, zrak iz kompresora se prvo vodi kroz izmjenjivač topline koji se sastoji od aluminijske cijevi svinute u spiralu preko koje puše hladni zrak iz ventilatora. Ohlađeni zrak zatim ulazi u posebni četverosmjerni ventil koji naizmjenično usmjerava zrak na jedno od dva molekularna sita.

Aktivno molekularno sito zadržava dušik iz zraka i propušta samo kisik. Nakon određenog vremena rada sito se začepi (napuni, zasiti) molekulama dušika te se one moraju izbaciti iz sita. Tada četverosmjerni električni ventil zamijeni protoke na ulazima sita, tako da aktivno postaje drugo sito, a prvo se čisti od dušika. Dušik izbačen iz sita vraća se ponovno u atmosferski zrak preko svojevrsnog prigušivača kako bi prigušio zvuk ispušnih plinova dok izlazi iz koncentratora.

Na izlazima iz sita gdje izlazi čisti kisik nalazi se još jedan električni ventil (ventil za izjednačavanje tlaka) kojim se sinkronizirano sa četverosmjernim ventilom na ulazu u sita, također naizmjenično prebacuju izlazi iz sita na dva režima rada: dok se za jedno (aktivno) sito izlazni kisik preusmjerava u spremnik kisika, kod drugog sita koje se čisti od dušika dio kisika prolazi u obrnutom smjeru i izbacuje nagomilani dušik iz sita.

Izlazni pritisak kisika regulira se na cca 0,35 bara te prolazi kroz mjerač protoka i preko izlaznog filtra prema pacijentu.

Električno prebacivanje ulaznog četverosmjernog ventila na našem se uređaju provodi svakih 8 do 15 sekundi. Točnim vremenom upravlja elektronika preko senzora tlaka, ovisno o trenutnom vanjskom atmosferskom tlaku i podešenoj brzini protoka kisika. Električno prebacivanje izlaznog ventila vrši se neposredno prije otvaranja, odnosno neposredno nakon zatvaranja četverosmjernog ventila kako bi se izbjegao prazni hod i omogućilo da uvijek izlazi čisti kisik pod punim tlakom sa jednog ili drugog sita.

Na prednjoj ploči montiran je mehanički mjerač protoka zraka (kisika) kalibriran do 5 l/min, a ispod njega je elektromehanički brojač sati rada kako bi se pratili servisni intervali za zamjenu pojedinih filtara, membranskih sita i drugih potrošnih dijelova. U sredini je priključak za izlazni kisik, a ispod njega je prostor za posudicu ovlaživača protoka kisika. Desno su tri indikacijske LED diode:

• prva crvena LED sa simbolom zvona svijetli kada postoji neki kvar na uređaju ili je koncentracija kisika na izlazu ispod 73 % (istovremeno se uključuje i zvučni alarm)
• druga žuta LED sa uskličnikom svijetli kad je koncentracija kisika na izlazu u rasponu 73 – 85 %, dakle ispod nominalnih vrijednosti (također ukazuje na neku neispravnost u radu uređaja)
• treća zelena LED sa simbolom O2 svijetli kad uređaj normalno radi i koncentracija kisika na izlazu je iznad 85 %

Ispod LED dioda nalazi se automatski električni osigurač i mrežni prekidač.

Sa zadnje strane kućišta moguć je pristup HEPA filtru za ulazni sobni zrak. HEPA (high-efficiency particulate air) je zapravo standard koji moraju zadovoljavati filtri za zrak i plinove. Tako HEPA filtri moraju biti sposobni filtrirati iz zraka sve čestice veće od 0,3 μm. To znači da hvataju pelud, prljavštinu, prašinu, vlagu, te veće mikroorganizme, bakterije, viruse, bacile i submikronski tekući aerosol i slično. HEPA je komercijaliziran 1950-ih i postao registrirana zaštitna marka, a kasnije se naziv HEPA počeo stavljati na sve visoko učinkovite filtre.

Sa prednje strane montiran je klipni kompresor, a iznad njega je izmjenjivač topline sa ventilatorom (hladilo zraka). Sa bočne strane ispred kompresora vidi se prigušivač izlazne cijevi za vraćanje dušika u atmosferu, desno je dugački cilindar jednog od dva molekularna sita, a u gornjem dijelu se nazire mrežni ispravljač sa pločicom upravljačke elektronike montiranom iznad njega.

Sa zadnje strane ističu se dva molekularna sita (dugačka valjkasta aluminijska tijela), a između njih vidi se električni ventil za izjednačavanje tlaka gore na izlazima iz sita i četverosmjerni električni ventil dolje na ulazima u sita. Bočno ispred kompresora je drugi ulazni (finiji) filtar za zrak, a iznad se vidi posuda za skupljanje kisika sa regulatorom tlaka.  

Kompresor zraka i radni kondenzator za elektromotor kompresora.

Električni ventil za izjednačavanje tlaka na izlazima iz molekularnih sita.

Četverosmjerni električni ventil na ulazima u molekularna sita.

Posuda za skupljanje kisika sa regulatorom tlaka i priključcima za senzore.

Nakon ulaznog filtra po HEPA standardu slijedi još jedan finiji filtar sa oznakom SCH40. Zapravo čitava oznaka SCH40 ASTM-D 1785 NSF-PW 370 PSI IVIC upućuje samo na američki standard označavanja promjera i karakteristika PVC cijevi kao i maksimalnog tlaka za koji je ista predviđena. Ukoliko unutar te cijevi postoji neki finiji filtar zraka od ulaznog HEPA filtra za to ovdje nemamo podatke. U sredini je prigušivač zvuka za izlazni ispust dušika, a desno se vidi jedan od finih izlaznih filtara za čisti kisik. 

Pogled na mrežni transformator za napajanje upravljačke i mjerne elektronike.

Tiskana pločica mjerne i upravljačke elektronike sa mikrokontrolerom. Elektronika stalno prati tlak i koncentraciju molekula kisika te na osnovu tih podataka regulira vremenske periode rada pojedinog molekularnog sita. Također, u slučaju bilo kakve greške sustava koja rezultira smanjenim tlakom ili koncentracijom kisika na izlazu, mikrokontroler će uključiti određene vizualne i zvučne alarme, te preventivno isključiti uređaj u situaciji kada se ne postižu nominalne izlazne vrijednosti.

Na slici lijevo se vidi temperaturno kompenzirani piezo-otporni senzor tlaka oznake MPX2202. Ulazne tlakove u rasponu 0-2 bara pretvara u napon raspona 0-40 mV. Lijevo od senzora zalemljene su dvije LED diode, crvena i zelena (LED1 i LED2) koje treperenjem daju vizualni kod eventualne greške na komponentama uređaja. Na slici desno se vidi senzor koncentracije kisika sa oznakom EXH245.

Nismo našli nikakve konkretne podatke o senzoru kisika EXH245 no posve sigurno da je riječ o senzoru kisika na bazi cirkonijevog oksida (ZrO) kakav primjerice imaju i danas raširene automobilske lambda-sonde. Cirkonijev oksid čini jednu elektrodu senzora, te kada se zagrije na temperaturu veću od cca 300°C djeluje kao propusna membrana za molekule kisika. Molekule kisika kad prolaze kroz ZrO elektrodu također na sebe vežu elektrone čime se stvaraju ioni kisika. Kad ti ioni kisika pređu na drugu elektrodu senzora, tamo oslobađaju vezane elektrone koji onda prenose struju razmjernu količini iona, odnosno količini (koncentraciji) molekula kisika. Molekule kisika oslobođene od elektrona vraćaju se natrag u zrak. Količina molekula kisika koje će proći kroz senzor ovise i o tlaku pa on mora biti konstantan.

S unutrašnje strane je otisnuta tablica kodova greški koje mikrokontroler šalje preko zvučnog signala i preko dvije LED diode zalemljene na pločici pored samog mikrokontrolera. Ovo uvelike olakšava dijagnostiku kvara na uređaju.

U našem slučaju, nakon probnog uključivanja, odmah je očito da uređaj ne radi jer ne radi motor kompresora. Također, LED indikacija greške ukazuje upravo na kompresor: stalni zvučni alarm i niz od jednog bljeska crvene LED i tri bljeska zelene LED.

Kompresor pogoni jednofazni asinkroni elektromotor sa kaveznim rotorom. Takav elektromotor se ponegdje naziva i indukcijski ili kondenzatorski elektromotor:

• Jednofazni – može raditi na jednoj fazi izmjenične struje
• Asinkroni – brzine vrtnje rotora je nešto niža od brzine rotacionog magnetskog polja koje stvara stator
• Kavezni – rotor se sastoji od simetrično raspoređenih vodiča po obodu željezne jezgre koji su kratko spojeni na krajevima što nalikuje kavezu ili krletki
• Indukcijski – električna energija se na rotor prenosi indukcijom (beskontaktno) pa se na rotor ne mora dovoditi nikakvu struja preko četkice i kolektora
• Kondenzatorski – motor može raditi ali se ne može i sam pokrenuti sa jednom fazom, odnosno bez rotacionog magnetskog polja. Također smjer u kojem će se zavrtjeti ovisi o smjeru vanjskog početnog momenta. Postoje dva načina da se to riješi: dodavanjem polova s kratko spojenim namotajem ili kao u našem slučaju dodavanjem pomoćnog statorskog namotaja sa serijski spojenim kondenzatorom kojim se postiže umjetni fazni pomak struje na glavnom i pomoćnom namotu, odnosno rotaciono magnetsko polje.

Shema jednofaznog indukcijskog asinkronog kondenzatorskog motora.

Provjerom smo utvrdili da su oba namotaja našeg motora ispravna (oko 19 Ω svaki namotaj), no kondenzator je potpuno u prekidu, odnosno ne pokazuje ni omski otpor ni bilo kakav kapacitet. Vrlo česta je pojava da kondenzatori nakon nekoliko godina otkazuju na ovakvim motorima.

Originalni kondenzator je kineskog proizvođača Dianz i izdržao je oko 15 000 sati rada kroz razdoblje od 10 godina. Ovakve kondenzatore za elektromotore proizvodi puno proizvođača te ćemo ga zamijeniti lokalno dostupnim, također kineskim kondenzatorom Whicepart istih nazivnih vrijednosti.

Nakon zamjene kondenzatora naš koncentrator kisika je normalno proradio i proizvodi kisik nominalne čistoće. Malo smo se nadisali čistog kisika i sad se možemo osvježeni dalje nastaviti družiti sa nekim novim elektroničkim uređajem 🙂