Giới thiệu dự án

Khí oxy ($O_2$) đóng vai trò sống còn trong y tế và hồi sức cấp cứu. Tuy nhiên, không khí tự nhiên chỉ chứa khoảng 20.9% $O_2$, 78.1% Nitơ ($N_2$) và gần 1% các khí trơ khác. Nồng độ oxy tự nhiên không thể đáp ứng nhu cầu điều trị cho các bệnh nhân suy hô hấp cấp, viêm phổi nặng, hen phế quản hay bệnh phổi tắc nghẽn mãn tính (COPD). Đại dịch COVID-19 và sự gia tăng của các bệnh lý hô hấp toàn cầu đã đặt ra thách thức nghiêm trọng về an ninh nguồn cấp oxy y tế. Thị trường máy tạo oxy y tế toàn cầu được dự báo tăng trưởng từ 3,54 tỷ USD (2022) lên 5,27 tỷ USD vào năm 2027 với tốc độ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) đạt 8,3%.

Tại Việt Nam, phần lớn cơ sở y tế tuyến huyện, trạm y tế lưu động, xe cấp cứu và các hộ gia đình ở vùng sâu, vùng xa gặp khó khăn lớn trong việc tiếp cận nguồn oxy hóa lỏng hoặc bình oxy nén cồng kềnh, nguy cơ cháy nổ cao và chi phí vận chuyển đắt đỏ. Đề tài "Thiết Kế Hệ Thống Làm Giàu Khí Oxy Trong Y Tế" do nhóm nghiên cứu thuộc Bộ môn Điện tử Công nghiệp – Y sinh, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM (HCMUTE) thực hiện nhằm giải quyết trực tiếp bài toán tự chủ thiết bị y tế nồng độ cao với giá thành nội địa hóa tối ưu.

+------------------+      +-------------------+      +--------------------+
| Không khí nạp    | ---> | Hệ thống nén khí  | ---> | Bộ lọc & Tản nhiệt |
| (21% O2, 78% N2) |      | & Cụm van điện từ |      | ngưng tụ hơi nước  |
+------------------+      +-------------------+      +--------------------+
                                                                |
                                                                v
+------------------+      +-------------------+      +--------------------+
| Oxy đầu ra Y tế  | <--- | Bình đệm trữ oxy  | <--- | Tháp hấp phụ PSA   |
| (90% - 95% O2)   |      | & Lưu lượng kế ẩm |      | (Zeolite 5A kép)   |
+------------------+      +-------------------+      +--------------------+

Mục tiêu dự án

  1. Thiết kế & chế tạo phần cứng: Xây dựng mô hình máy làm giàu oxy di động ứng dụng công nghệ hấp phụ áp suất chuyển đổi (Pressure Swing Adsorption - PSA) sử dụng 02 cột sàng phân tử Zeolite 5A.
  2. Tự động hóa chu trình điều khiển: Lập trình vi điều khiển Arduino Uno R3 điều khiển chu trình nén - xả - cân bằng áp suất 6 bước thông qua cụm van điện từ khí nén $5/2$ và $2/2$.
  3. Giám sát & cảnh báo thời gian thực: Tích hợp cảm biến điện hóa đo nồng độ $O_2$ (0–100%), cảm biến áp suất công nghiệp (0–3 bar) và màn hình LCD 20x4 I2C để hiển thị thông số liên tục.
  4. Chuẩn hóa thông số đầu ra: Đảm bảo nồng độ oxy đạt $\ge 90%$ tại lưu lượng 3–5 lít/phút, áp suất bình lọc duy trì ổn định trong khoảng 2.0–3.0 bar.

Phạm vi và giới hạn đề tài

  • Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế nguyên mẫu (prototype) cấp độ phòng thí nghiệm/bán công nghiệp cho hệ thống PSA 2 tháp quy mô nhỏ, sử dụng nguồn điện lưới dân dụng $220\text{VAC}/50\text{Hz}$.
  • Giới hạn kỹ thuật: Hệ thống thử nghiệm dựa trên vật liệu Zeolite 5A sẵn có tại thị trường nội địa; chưa tích hợp module pin lưu điện dự phòng công suất lớn cho mục đích dã chiến hoàn toàn.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Hiện nay, các công nghệ tạo khí oxy phục vụ y tế và công nghiệp gồm ba phương pháp chính: điện phân nước ($H_2O$), phân tách màng thẩm thấu polymer và công nghệ hấp phụ chuyển đổi áp suất (PSA).

Tiêu chí đánh giá Điện phân nước ($H_2O$) Màng thẩm thấu Polymer Hấp phụ đổi áp (PSA)
Nồng độ $O_2$ đạt được $90% - 99%$ $40% - 60%$ $90% - 95.6%$
Lưu lượng dòng khí $< 0.5\text{ L/phút}$ $> 5 - 10\text{ L/phút}$ $3 - 10\text{ L/phút}$
Tính cơ động/Kích thước Kém (cần bồn hóa chất) Rất cao (gọn nhẹ) Cao (dễ module hóa)
Chi phí vận hành & Điện Rất cao do điện phân Thấp Rất thấp và bền bỉ
Mức độ an toàn Nguy cơ nổ khí Hydro ($H_2$) An toàn tuyệt đối An toàn cao, không hóa chất
Tuổi thọ vật liệu lọc Cần thay dung dịch định kỳ $2 - 3\text{ năm}$ $5 - 10\text{ năm}$ (Zeolite)

So sánh với các dòng máy tạo oxy y tế thương mại trên thị trường:

  • Yuwell 8F-5A (Trung Quốc): $93% \pm 3%$ $O_2$ tại $3\text{ L/phút}$, công suất $400\text{W}$, trọng lượng $11\text{kg}$, giá thành khoảng 11-13 triệu VNĐ.
  • Philips EverFlo (Mỹ): $93% \pm 3%$ $O_2$ tại $5\text{ L/phút}$, công suất $350\text{W}$, độ ồn $<45\text{dB}$, giá thành 20-24 triệu VNĐ.
  • Invacare SOLO2 (Mỹ): $95.6% \pm 5%$ $O_2$ tại $5\text{ L/phút}$, công suất $390\text{W}$, trọng lượng $23\text{kg}$, giá thành $>80\text{ triệu VNĐ}$.
Yêu cầu người dùng (Mô hình MoSCoW)
├── Must-Have:
│   ├── Độ tinh khiết Oxy >= 90% tại 3 L/phút
│   ├── Áp suất bình lọc 2.0 - 3.0 bar
│   ├── Khóa an toàn quá áp & Van giảm áp ngõ ra
│   └── Hiển thị LCD 20x4 nồng độ Oxy và Áp suất
├── Should-Have:
│   ├── Chu trình PSA 6 pha tối ưu cân bằng áp (Equalization)
│   ├── Bộ tản nhiệt xoắn ốc Al tản nhiệt khí nén
│   └── Bộ bẫy ẩm ngưng tụ bảo vệ Zeolite
├── Could-Have:
│   ├── Cảnh báo còi buzzer khi nồng độ Oxy < 85%
│   └── Điều chỉnh biến thiên lưu lượng 1 - 5 L/phút
└── Won't-Have:
    ├── Kết nối không dây BLE/Wi-Fi Telemedicine (Giai đoạn 2)
    └── Pin Li-ion tích hợp trong thân máy

Thiết kế hệ thống

Hệ thống được thiết kế dạng module khép kín gồm các thành phần phần cứng và kiến trúc nhúng:

+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                            KIẾN TRÚC ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG                          |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
|  [Nguồn 220VAC] ---> [Nguồn xung 24VDC/1A] ---> [Buck LM2596] ---> 5VDC / 9VDC   |
|                                                     |                             |
|  [Cảm biến Áp suất 0-3 bar] (Analog A0) --------> [VI ĐIỀU KHIỂN]                 |
|  [Cảm biến Oxy DFRobot AO2] (Analog A1) --------> [ARDUINO UNO R3]                |
|                                                     | (ATmega328P)                |
|  [Màn hình LCD 20x4] <--- (I2C Bus: SDA/SCL) -------+                             |
|                                                     |                             |
|  [Module Relay Bán dẫn SSR / Opto 4-ch] <--------- (Digital Pins D4, D5, D6, D7)  |
|          |                  |                                                     |
|          v                  v                                                     |
|  [Van 5/2 Nạp/Xả]    [Van 2/2 Cân bằng EQ]                                        |
+-----------------------------------------------------------------------------------+

Technology Stack và Tiêu chuẩn Kỹ thuật

  • Bộ xử lý trung tâm: Microchip ATmega328P trên board Arduino Uno R3 (Tần số $16\text{ MHz}$, $32\text{ KB}$ Flash, $2\text{ KB}$ SRAM).
  • Môi trường lập trình: Arduino IDE v2.3.2, GNU toolchain avr-gcc v7.3.0.
  • Phần mềm thiết kế mô phỏng: Proteus Design Suite v8.13 SP0, Autodesk SolidWorks 2022 CAD.
  • Tiêu chuẩn an toàn y tế áp dụng:
    • TCVN 8022 (ISO 7396): Quy chuẩn kỹ thuật hệ thống đường ống khí y tế và áp lực phân phối.
    • TCVN 7007:2002 (ISO 8359): Tiêu chuẩn an toàn và hiệu năng của máy làm giàu oxy y tế gia đình.
    • TCVN 7303-1:2009 (IEC 60601-1): Yêu cầu chung về an toàn cơ bản và tính năng thiết yếu cho thiết bị điện y tế.

Phương pháp nghiên cứu và Lộ trình thực hiện

Dự án áp dụng mô hình phát triển chữ V (V-Model) kết hợp kiểm thử nguyên mẫu lặp (Iterative Prototyping) qua 17 tuần:

Tuần 1 - 4:  Khảo sát lý thuyết PSA, tính toán nhiệt động lực học & thể tích Zeolite
Tuần 5 - 8:  Gia công cơ khí cột hấp phụ, mua sắm vật liệu Zeolite 5A, Activated Alumina
Tuần 9 - 11: Thiết kế mạch điều khiển, lập trình firmware chu trình 6 pha trên Arduino
Tuần 12 - 14: Tích hợp cơ điện - khí nén, đóng vỏ chassis, kiểm thử rò rỉ khí áp cao
Tuần 15 - 17: Hiệu chuẩn cảm biến, đo đạc nồng độ O2, đánh giá sai số và đóng gói báo cáo

Implementation và kết quả

Quy trình tính toán kỹ thuật và Cơ sở giải thuật

1. Tính toán lượng chất hấp phụ Zeolite 5A

Chỉ số hấp phụ nitơ của Zeolite 5A tại nhiệt độ $298.15\text{ K}$ và áp suất $2.5\text{ bar}$ đạt $q = 0.312\text{ mmol/cc}$. Khối lượng riêng của hạt Zeolite $\rho_p = 1.16\text{ g/cm}^3$. Để sản xuất dòng oxy liên tục $Q_{O_2} = 5\text{ L/phút}$ ($83.33\text{ ml/s}$), lượng nitơ cần giữ lại trong mỗi chu kỳ hấp phụ ($t_{\text{adsorb}} = 20\text{s}$) là:

$$V_{\text{adsorbed}} = V_{O_2\text{-produced}} \times \frac{0.79}{0.21} = 83.33 \times \frac{0.79}{0.21} \approx 313.46\text{ ml/s}$$

Áp dụng phương trình khí lý tưởng $P \cdot V = n \cdot R \cdot T$, số mol Nitơ cần hấp phụ trong $20\text{s}$ ở áp suất $2.5\text{ bar}$ là $n_{N_2} \approx 440\text{ mmol}$. Khối lượng sàng phân tử lý thuyết:

$$m_{\text{Zeolite}} = \frac{n_{\text{adsorbed}}}{q} \times \rho_p = \frac{440}{0.312} \times 1.16 \approx 300\text{ g}$$

Để bù trừ hệ số suy giảm hấp phụ do độ ẩm và nhiệt độ thực tế, nhóm nghiên cứu chọn thiết kế $600\text{ g}$ Zeolite 5A phân bổ đều cho 2 tháp ($300\text{ g/tháp}$).

2. Tính toán sụt áp theo Phương trình Ergun

Độ giảm áp $\Delta P$ dọc theo cột hấp phụ chiều dài $L = 0.5\text{ m}$, đường kính tháp $D = 0.05\text{ m}$, độ rỗng hạt $\varepsilon = 0.33$, đường kính hạt $d_p = 0.8\text{ mm}$ được xác định bằng phương trình Ergun:

$$\frac{\Delta P}{L} = 150 \frac{(1-\varepsilon)^2}{\varepsilon^3} \frac{\mu \cdot u}{d_p^2} + 1.75 \frac{1-\varepsilon}{\varepsilon^3} \frac{\rho \cdot u^2}{d_p}$$

Trong đó độ nhớt không khí $\mu = 1.81 \times 10^{-5}\text{ Pa}\cdot\text{s}$, mật độ $\rho = 1.204\text{ kg/m}^3$, vận tốc khí ngõ ra $u = 0.042\text{ m/s}$. Tính toán cho thấy sụt áp $\Delta P \approx 1.78\text{ bar}$. Do đó, máy nén khí cần tạo áp suất tối thiểu $P_h \ge 2.8 - 3.0\text{ bar}$ để đảm bảo áp suất ngõ ra đạt chuẩn $1.0\text{ bar}$.

3. Chu trình điều khiển 6 pha tối ưu (6-Step PSA Cycle)

Thời gian (ms)   | 0         3000       3500       4500       7500       8000       9000
Tháp 1 (T1)     | [--- PR ---] [-- EQ --] [-AD + EQ-] [--- BD ---] [-- PG --] [--- PR ---]
Tháp 2 (T2)     | [--- BD ---] [-- PG --] [--- PR ---] [--- PR ---] [-- EQ --] [-AD + EQ-]
Trạng thái Van  | Van Nạp T1   Van Cân Bằng  Van Xuất O2  Van Nạp T2   Van Cân Bằng  Van Xuất O2

/**
 * @file PSA_Controller.ino
 * @brief Điều khiển cụm van khí nén chu trình PSA 6 pha làm giàu Oxy
 * @author Phan Anh Hieu, Lai Minh Ly - HCMUTE
 */

#include <Wire.h>
#include <LiquidCrystal_I2C.h>

// Định nghĩa chân I/O điều khiển van qua Relay
const uint8_t VALVE_FEED_T1 = 4;   // Van 5/2 cấp khí tháp 1 / xả tháp 2
const uint8_t VALVE_FEED_T2 = 5;   // Van 5/2 cấp khí tháp 2 / xả tháp 1
const uint8_t VALVE_EQUAL   = 6;   // Van 2/2 cân bằng áp suất (EQ)
const uint8_t VALVE_OUTPUT  = 7;   // Van 2/2 xuất khí Oxy ra bình đệm

const uint8_t PIN_PRESSURE = A0;   // Cảm biến áp suất 0-3 bar (0-5V)
const uint8_t PIN_O2_SENSE = A1;   // Cảm biến nồng độ Oxy AO2

LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 20, 4);

void setup() {
  pinMode(VALVE_FEED_T1, OUTPUT);
  pinMode(VALVE_FEED_T2, OUTPUT);
  pinMode(VALVE_EQUAL, OUTPUT);
  pinMode(VALVE_OUTPUT, OUTPUT);

  // Đưa các van về trạng thái đóng an toàn
  digitalWrite(VALVE_FEED_T1, LOW);
  digitalWrite(VALVE_FEED_T2, LOW);
  digitalWrite(VALVE_EQUAL, LOW);
  digitalWrite(VALVE_OUTPUT, LOW);

  lcd.init();
  lcd.backlight();
  lcd.setCursor(0, 0);
  lcd.print("PSA O2 CONCENTRATOR");
  lcd.setCursor(0, 1);
  lcd.print("Status: Initializing");
  delay(1500);
  lcd.clear();
}

void executePSAStep(bool v1, bool v2, bool vEq, bool vOut, uint16_t durationMs) {
  digitalWrite(VALVE_FEED_T1, v1 ? HIGH : LOW);
  digitalWrite(VALVE_FEED_T2, v2 ? HIGH : LOW);
  digitalWrite(VALVE_EQUAL, vEq ? HIGH : LOW);
  digitalWrite(VALVE_OUTPUT, vOut ? HIGH : LOW);
  
  uint32_t startTs = millis();
  while (millis() - startTs < durationMs) {
    updateSensorDisplay();
    delay(100);
  }
}

void loop() {
  // Giai đoạn 1: T1 Tăng áp (PR) / T2 Xả đáy (BD) - 3000ms
  executePSAStep(true, false, false, false, 3000);

  // Giai đoạn 2: Cân bằng áp 2 tháp (EQ) - 500ms
  executePSAStep(false, false, true, false, 500);

  // Giai đoạn 3: T1 Hấp phụ & Xuất Oxy (AD) / T2 Tái nén sơ bộ - 1000ms
  executePSAStep(true, false, false, true, 1000);

  // Giai đoạn 4: T2 Tăng áp (PR) / T1 Xả đáy (BD) - 3000ms
  executePSAStep(false, true, false, false, 3000);

  // Giai đoạn 5: Cân bằng áp lần 2 (EQ) - 500ms
  executePSAStep(false, false, true, false, 500);

  // Giai đoạn 6: T2 Hấp phụ & Xuất Oxy (AD) / T1 Tái nén sơ bộ - 1000ms
  executePSAStep(false, true, false, true, 1000);
}

void updateSensorDisplay() {
  int rawPres = analogRead(PIN_PRESSURE);
  int rawO2   = analogRead(PIN_O2_SENSE);

  // Chuyển đổi ADC 10-bit sang giá trị áp suất (bar) và nồng độ % O2
  float pressureBar = (rawPres / 1023.0) * 3.0;
  float o2Percentage = (rawO2 / 1023.0) * 100.0;

  lcd.setCursor(0, 0);
  lcd.print("P_System: ");
  lcd.print(pressureBar, 2);
  lcd.print(" bar ");

  lcd.setCursor(0, 1);
  lcd.print("O2 Purity: ");
  lcd.print(o2Percentage, 1);
  lcd.print(" %  ");
}

Kiểm thử và Đánh giá thực nghiệm

Hệ thống được thử nghiệm vận hành liên tục trong 120 phút với các kịch bản kiểm tra lưu lượng ngõ ra thay đổi từ 1 đến 5 L/phút.

Thông số vận hành Giá trị thiết kế Kết quả thực nghiệm đạt được Đánh giá sai số / Trạng thái
Nồng độ $O_2$ tại $3\text{ L/phút}$ $\ge 90.0%$ $93.4% - 94.8%$ Đạt chuẩn y tế TCVN 7007
Nồng độ $O_2$ tại $5\text{ L/phút}$ $\ge 90.0%$ $90.5% - 91.2%$ Đạt mục tiêu đề tài
Áp suất nén đỉnh tháp $P_h$ $2.5 - 3.0\text{ bar}$ $2.75 \pm 0.15\text{ bar}$ Sai số cảm biến $\pm 1.8%$
Thời gian đáp ứng nồng độ $>90%$ $< 5\text{ phút}$ $3\text{ phút } 45\text{ giây}$ Vượt tiến độ khởi động
Độ ồn khi máy nén hoạt động $< 60\text{ dBA}$ $54.2\text{ dBA}$ Nhờ đệm chống rung cao su
Công suất điện tiêu thụ toàn tải $< 600\text{ W}$ $567.5\text{ W}$ Máy nén $550\text{W}$ + mạch $17.5\text{W}$ 
Biểu đồ phân bố nồng độ O2 và Áp suất theo thời gian chu kỳ (9.0 giây)
Áp suất (bar)                                                 Nồng độ O2 (%)
 3.0 |      /----\             /----\                         | 95% +-------------+
 2.5 |     /      \           /      \                        | 93% |             |
 2.0 |    /        \         /        \                       | 91% |             |
 1.0 |---/          \-------/          \-------               | 89% |             |
 0.0 +-----------------------------------------               +--------------------
     0s   3s   4.5s    6s   7.5s   9s (Thời gian)             0   1   2   3   4   5 (L/min)
     [--- Tháp 1 ---]  [--- Tháp 2 ---]                       Độ tinh khiết theo lưu lượng

Đổi mới và đóng góp

  1. Chu trình 6 pha chuyển tiếp giảm sốc áp (Pressure Equalization Step): Thay vì sử dụng chu trình 4 bước truyền thống gây sụt áp đột ngột và tổn hao động năng khí, thuật toán bổ sung 2 bước cân bằng áp trung gian ($500\text{ms}$). Cải tiến này giúp nâng hiệu suất thu hồi khí oxy thêm $8.4%$ và giảm rung giật cơ khí cho van điện từ.
  2. Cụm xử lý nhiệt & ẩm đa tầng bảo vệ Zeolite: Thiết kế ống tản nhiệt xoắn ốc bằng nhôm ($k = 237\text{ W/m}\cdot\text{K}$) kết hợp quạt đối lưu và bộ lọc tách nước tự động Airtac, giảm nhiệt độ khí nén từ $65^\circ\text{C}$ xuống $32^\circ\text{C}$ trước khi vào tháp hấp phụ, ngăn ngừa hiện tượng ngộ độc ẩm của hạt Zeolite 5A.
  3. Thiết kế mạch điều khiển tích hợp tối ưu chi phí: Sử dụng relay thể rắn SSR cách ly quang kết hợp module buck LM2596HVS, giảm tỷ lệ lỗi phần cứng do nhiễu tia lửa điện từ cuộn cảm van khí nén xuống $0%$.
Hạng mục so sánh Đề tài nghiên cứu (HCMUTE) Máy tạo oxy thông thường (4 bước) Máy tạo oxy thương mại giá rẻ
Thuật toán điều khiển PSA 6 bước cân bằng áp tự động PSA 4 bước nạp/xả trực tiếp PSA 4 bước định thì analog
Độ ổn định nồng độ $O_2$ Dao động $<\pm 1.2%$ Dao động $\pm 3.5%$ Dao động $\pm 5.0%$
Bảo vệ chống ẩm Zeolite 2 tầng (Nhôm xoắn + Hạt Alumina) 1 tầng lọc bông xốp 1 tầng lọc thô
Giá thành chế tạo ~ 6.5 - 7.5 triệu VNĐ ~ 9 - 11 triệu VNĐ 12 - 16 triệu VNĐ

Ứng dụng thực tế và triển khai

Kịch bản ứng dụng thực tế

  • Trạm y tế tuyến cơ sở & Phòng cấp cứu lưu động: Cung cấp nguồn oxy liên tục tại chỗ, không phụ thuộc vào chuỗi cung ứng bình khí nén cao áp.
  • Hỗ trợ điều trị bệnh nhân tại nhà (Homecare): Phù hợp cho bệnh nhân COPD giai đoạn II–III, người cao tuổi mắc hội chứng suy hô hấp mạn tính cần thở oxy ngắt quãng hoặc liên tục.
  • Trang bị cho tàu cá xa bờ & Đồn biên phòng hải đảo: Khả năng vận hành bền bỉ từ nguồn điện máy phát hoặc năng lượng mặt trời công suất $\ge 1\text{ kW}$.
BẢNG DỰ TOÁN CHI PHÍ VẬT TƯ CHẾ TẠO NGUYÊN MẪU (PROTOTYPE)
+----+----------------------------------------------+-----+------------+---------------+
| STT| Danh mục linh kiện / Thiết bị                | SL  | Đơn giá    | Thành tiền    |
+----+----------------------------------------------+-----+------------+---------------+
| 01 | Đầu máy nén khí không dầu 3/4 HP (550W)      | 01  | 1.450.000đ | 1.450.000 VNĐ |
| 02 | Hạt sàng phân tử Zeolite 5A y tế (1.0 kg)    | 01  | 1.200.000đ | 1.200.000 VNĐ |
| 03 | Cặp vỏ bình hấp phụ hợp kim nhôm D50xH500    | 02  |   450.000đ |   900.000 VNĐ |
| 04 | Cụm van điện từ khí nén 5/2 & 2/2 (Airtac)   | 04  |   220.000đ |   880.000 VNĐ |
| 05 | Cảm biến nồng độ Oxy điện hóa DFRobot AO2    | 01  |   850.000đ |   850.000 VNĐ |
| 06 | Cảm biến áp suất công nghiệp 0-3 bar         | 01  |   320.000đ |   320.000 VNĐ |
| 07 | Vi điều khiển Arduino Uno R3 + Module Relay  | 01  |   250.000đ |   250.000 VNĐ |
| 08 | Ống tản nhiệt nhôm xoắn, quạt 24V, lọc nước  | 01  |   420.000đ |   420.000 VNĐ |
| 09 | Lưu lượng kế có bình tạo ẩm y tế (0-5 L/min) | 01  |   280.000đ |   280.000 VNĐ |
| 10 | Khung vỏ máy thép sơn tĩnh điện & phụ kiện   | 01  |   650.000đ |   650.000 VNĐ |
+----+----------------------------------------------+-----+------------+---------------+
|    | TỔNG CHI PHÍ THI CÔNG TRỰC TIẾP:             |     |            | 7.200.000 VNĐ |
+----+----------------------------------------------+-----+------------+---------------+

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật hiện tại

  • Độ ồn cơ khí: Máy nén khí $3/4\text{ HP}$ dù được trang bị đệm giảm chấn cao su vẫn phát sinh mức ồn khoảng $54\text{ dBA}$, cần thiết kế thêm buồng tiêu âm đa lớp cho môi trường phòng ngủ bệnh nhân.
  • Độ nhạy ẩm của vật liệu hấp phụ: Nếu hoạt động liên tục trong môi trường độ ẩm $>85%$ mà không xả nước đọng ở cốc lọc định kỳ, tuổi thọ Zeolite 5A có thể suy giảm sau $12 - 18\text{ tháng}$.

Hướng phát triển tiếp theo

  • Nâng cấp vật liệu Zeolite tiên tiến: Thử nghiệm thay thế Zeolite 5A bằng sàng phân tử LiX Zeolite hoặc Oxysiv 7/Oxysiv 500 để tăng độ tinh khiết lên $95.5%$ và thu nhỏ $40%$ thể tích cột lọc.
  • Tích hợp module Telemedicine IoT: Bổ sung vi điều khiển ESP32 truyền dữ liệu nồng độ $O_2$, áp suất và cảnh báo sự cố lên máy chủ đám mây qua giao thức MQTT, phục vụ bác sĩ theo dõi từ xa.
  • Điều khiển lưu lượng thông minh: Ứng dụng van tuyến tính kết hợp giải thuật PID để tự động tinh chỉnh chu kỳ thời gian theo lưu lượng khí thực tế.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên & Học viên Kỹ thuật Y sinh: Cung cấp tài liệu thực chứng toàn diện về thiết kế hệ thống khí y tế, phương pháp tính toán Ergun và thuật toán điều khiển PSA thực tế.
  • Kỹ sư nhúng & Chế tạo máy: Cung cấp giải pháp mẫu (reference design) hoàn chỉnh từ sơ đồ mạch, firmware điều khiển van nén khí đến quy trình kiểm chuẩn cảm biến.
  • Doanh nghiệp thiết bị y tế: Tài liệu nền tảng phục vụ nội địa hóa máy tạo oxy y tế gia đình với chi phí sản xuất thấp hơn $50%$ so với thiết bị nhập khẩu.
  • Cơ sở y tế cơ sở & Cộng đồng: Tiếp cận nguồn thiết bị cấp oxy an toàn, dễ bảo dưỡng, khắc phục tình trạng thiếu hụt oxy y tế trong các tình huống khẩn cấp.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật tối thiểu để triển khai và vận hành hệ thống là gì?

Hệ thống yêu cầu nguồn điện xoay chiều $220\text{VAC} \pm 10%$, tần số $50\text{Hz}$, công suất nguồn cấp tối thiểu $700\text{W}$. Môi trường đặt máy cần khô ráo, nhiệt độ dưới $40^\circ\text{C}$ và cách tường tối thiểu $20\text{cm}$ để đảm bảo đối lưu tản nhiệt.

2. Vật liệu Zeolite 5A có bị tiêu hao trong quá trình sử dụng không?

Zeolite 5A hoạt động theo nguyên lý hấp phụ vật lý (lực Van der Waals) chứ không biến đổi hóa học, do đó không bị tiêu hao theo thời gian. Tuy nhiên, nếu khí nén đầu vào có dầu hoặc hơi nước ngưng tụ xâm nhập, các lỗ xốp phân tử sẽ bị bít tắc, làm giảm hiệu suất lọc. Hệ thống đã tích hợp 2 cấp bảo vệ (lọc tách nước và hạt Activated Alumina) để duy trì tuổi thọ Zeolite trên 5 năm.

3. Tại sao hệ thống cần chu trình 6 bước thay vì 4 bước cơ bản?

Chu trình 6 bước bổ sung 2 giai đoạn cân bằng áp suất (Equalization - EQ) giữa hai tháp trước khi xả khí. Giai đoạn này tận dụng lượng khí giàu oxy áp suất cao từ tháp vừa hoàn thành chu kỳ để nạp sơ bộ cho tháp chuẩn bị hấp phụ, giúp tiết kiệm $20 - 25%$ năng lượng nén và duy trì dòng oxy đầu ra liên tục, không bị tụt áp.

4. Thiết bị cần bảo trì, bảo dưỡng định kỳ như thế nào?

Người dùng cần xả van đáy cốc lọc nước ngưng tụ mỗi tuần một lần (hoặc cài đặt van xả tự động). Màng lọc bụi đầu vào máy nén cần được vệ sinh bằng khí nén hoặc thay mới sau mỗi 6 tháng hoạt động.

5. Chi phí chế tạo và thời gian thu hồi vốn (ROI) đối với phòng khám tư nhân?

Với tổng chi phí linh kiện khoảng 7.200.000 VNĐ, một phòng khám tư nhân phục vụ trung bình 3–5 bệnh nhân thở oxy mỗi ngày có thể tiết kiệm toàn bộ chi phí đổi bình khí nén y tế ($150.000\text{ VNĐ/bình}$), thời gian hoàn vốn đầu tư ước tính chỉ từ 2 đến 3 tháng.

Kết luận

Đề tài "Thiết Kế Hệ Thống Làm Giàu Khí Oxy Trong Y Tế" đã hiện thực hóa thành công mô hình máy tạo oxy di động ứng dụng công nghệ PSA 2 tháp kép với vật liệu Zeolite 5A và vi điều khiển Arduino Uno R3. Thiết bị đã vượt qua các bài kiểm thử thực nghiệm nghiêm ngặt, đạt nồng độ oxy đầu ra ổn định từ $90.5%$ đến $94.8%$ ở lưu lượng định mức $3 - 5\text{ L/phút}$, đáp ứng đầy đủ các chỉ tiêu an toàn theo tiêu chuẩn TCVN 7007:2002 (ISO 8359).

Thành công của đề tài khẳng định tính khả thi của việc nội địa hóa các thiết bị y tế hỗ trợ hô hấp kỹ thuật cao tại Việt Nam, mang lại giải pháp công nghệ giá trị cho ngành kỹ thuật y sinh và mở ra tiềm năng thương mại hóa phục vụ chăm sóc sức khỏe cộng đồng.