SC-600型雙氣壓呼吸機(jī)二次設(shè)計(jì)開發(fā)

【作 者】陳斌上海市食品藥品監(jiān)督管理局認(rèn)證審評中心，上海市，200020

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SC-600型雙氣壓呼吸機(jī)二次設(shè)計(jì)開發(fā)

【作 者】陳斌
上海市食品藥品監(jiān)督管理局認(rèn)證審評中心，上海市，200020

【摘 要】該文針對SC-600型雙氣壓呼吸機(jī)在臨床使用過程中發(fā)現(xiàn)的噪音過大、呼吸比例閥故障率高等質(zhì)量問題，闡述了該設(shè)備的二次設(shè)計(jì)開發(fā)的主要改進(jìn)方法。

【關(guān) 鍵 詞】呼吸機(jī)；噪音；電磁比例閥

SC-600型雙氣壓呼吸機(jī)是一種成本低、可靠性高的新型無創(chuàng)雙氣壓、電動(dòng)電控型呼吸機(jī)，以下簡稱SC-600型呼吸機(jī)。該型呼吸機(jī)體積小巧便于攜帶，無須空氣壓力氣源，且液晶屏顯示界面簡潔清晰。

SC-600型呼吸機(jī)在投入市場臨床使用后，也暴露出噪音過大、呼吸比例閥故障率高的問題。為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，改進(jìn)患者使用舒適度，故對上述兩大質(zhì)量問題進(jìn)行二次開發(fā)改進(jìn)。

1　SC-600型呼吸機(jī)主要結(jié)構(gòu)和簡單工作原理

SC-600型呼吸機(jī)的渦輪泵是整個(gè)呼吸機(jī)氣路的動(dòng)力源，通過渦輪泵葉片的高速旋轉(zhuǎn)，將外界空氣經(jīng)過空氣過濾器吸入氣路，產(chǎn)生一定的壓力氣體進(jìn)入呼吸比例閥。渦輪泵決定了SC-600型呼吸機(jī)可以達(dá)到的壓力大小。

呼吸比例閥是整個(gè)氣路的機(jī)械控制中心，通過調(diào)節(jié)呼吸比例閥的不同的開啟度、開關(guān)時(shí)間，從而完成呼吸機(jī)的一系列相關(guān)功能，如吸氣時(shí)間、呼氣時(shí)間、潮氣量、呼吸頻率等。

壓力傳感器及其相關(guān)的電子控制部分構(gòu)成了一個(gè)反饋控制系統(tǒng)。由壓力傳感器得到的相關(guān)數(shù)據(jù)，反饋到相關(guān)電子控制部分，經(jīng)過軟件程序判斷，再由電子控制部分決定呼吸比例閥的動(dòng)作，以完成每一次的呼吸動(dòng)作。

壓差式流量傳感器安裝在管道末靠近病人端的位置，以得到更為準(zhǔn)確真實(shí)的信號。壓差式流量傳感器的主要功能一為潮氣量的監(jiān)護(hù)，二為觸發(fā)功能的實(shí)現(xiàn)。吸氣、呼氣同用一根管道，從病人端吐出的氣體經(jīng)過管道冷凝后回到消聲氣路，見圖1。

圖1　SC-600型呼吸機(jī)氣路圖Fig.1 SC-600 type gas path

2　SC-600型呼吸機(jī)二次設(shè)計(jì)開發(fā)關(guān)鍵點(diǎn)

2.1噪聲控制

2.1.1噪聲來源

噪聲的控制是SC-600型呼吸機(jī)很重要的一個(gè)技術(shù)問題，也是關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量好壞的主要指標(biāo)，直接關(guān)系到患者的使用舒適度。經(jīng)過分析，SC-600型呼吸機(jī)的噪聲主要有兩個(gè)來源：

(1) 旋轉(zhuǎn)噪聲 飛速旋轉(zhuǎn)的空氣動(dòng)力機(jī)械（如飛機(jī)螺旋槳），在旋轉(zhuǎn)時(shí)與空氣相互作用而連續(xù)產(chǎn)生壓力脈動(dòng)，從而產(chǎn)生輻射噪聲，稱之為旋轉(zhuǎn)噪聲[1]。在SC-600型呼吸機(jī)中，旋轉(zhuǎn)噪聲就是渦輪泵葉片高速旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的。

(2) 渦流噪聲 氣流經(jīng)過阻礙物時(shí)，由于空氣分子粘滯摩擦力影響，在阻礙物下游區(qū)形成帶有渦流的氣流。當(dāng)氣流強(qiáng)度足夠大時(shí)，則輻射出噪聲，稱為渦流噪聲[1]。

2.1.2控制措施

為了降低噪聲，采用了以下的措施：

(1) 改變氣路結(jié)構(gòu) 對于進(jìn)氣氣路摒棄了之前直接進(jìn)氣的模式，采用了迷宮式消聲器，使得吸入的氣體帶有緩沖進(jìn)入到呼吸機(jī)內(nèi)部。

迷宮式消聲器也稱為小室式消聲器。其中僅有一個(gè)小室的消聲器稱為單室消聲器，有多個(gè)小室的消聲器則稱為多室消聲器，見圖2。但迷宮式消聲器也存在明顯缺點(diǎn)，如空間體積大、氣流因阻力而損失大，故只適于在流速很低的風(fēng)道上使用。

圖2　幾種典型的迷宮式消聲器Fig.2 Typical labyrinth muffl er

(2) 消聲材料的選擇 氣路管道內(nèi)填充了新型消音海綿，這種消音海綿屬于多孔吸聲材料。當(dāng)聲波入射到多孔材料表面時(shí)激發(fā)起微孔內(nèi)的空氣振動(dòng)，振動(dòng)空氣的動(dòng)能不斷轉(zhuǎn)化為熱能，從而使聲能衰減。其次，在空氣絕熱壓縮時(shí)，空氣與微孔壁間不斷發(fā)生熱交換，也會(huì)因?yàn)闊醾鲗?dǎo)的作用，使聲能轉(zhuǎn)化為熱能[1]。

(3) 渦輪泵安裝位置 改變先前渦輪泵的安裝位置設(shè)計(jì)，把渦輪泵安裝在整個(gè)呼吸機(jī)內(nèi)部的位置，使得內(nèi)部渦輪泵產(chǎn)生的噪聲傳遞到呼吸機(jī)外部，需要經(jīng)過更長的距離，減少了噪聲對外界環(huán)境和患者的影響。

2.2呼吸比例閥的改進(jìn)

SC-600型呼吸機(jī)原先采用的呼吸比例閥，是采用微型電機(jī)、頂桿和膜片的結(jié)構(gòu)，控制進(jìn)氣量和進(jìn)氣時(shí)間。這個(gè)結(jié)構(gòu)存在明顯的缺陷，零件易磨損、裝配難度大、膜片易變形，造成吸呼比、呼吸頻率易飄忽，呼吸比例不準(zhǔn)。因此，在二次設(shè)計(jì)開發(fā)中，呼吸比例閥采用了自主研發(fā)的高精度電磁比例閥。

2.2.1電磁比例閥的結(jié)構(gòu)

二次設(shè)計(jì)開發(fā)采用的電磁比例閥，其零部件包括一個(gè)中間開類似三角孔的中心軸④，一個(gè)繞線圈③的四周開矩形孔的動(dòng)圈⑤，一個(gè)帶磁鋼②的磁鋼底座①，具體如圖3所示。

2.2.2電磁比例閥的具體動(dòng)作

圖3　電磁比例結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of solenoid proportional valve

因?yàn)殡姶疟壤y的中心軸④和動(dòng)圈⑤上都有不同的開孔，通過線圈通電和磁鋼切割所產(chǎn)生的力來驅(qū)動(dòng)動(dòng)圈⑤，動(dòng)圈⑤和中心軸④上的開孔隨著相互位置的不同而改變，封閉時(shí)動(dòng)圈⑤和中心軸④的開孔沒有重疊，氣流無法通過，相互交錯(cuò)時(shí)則可以形成不同大小的開啟面積，從而決定了通過開啟面積經(jīng)過的氣體流量的大小。

氣體通過磁鋼底座①的開口進(jìn)入。控制電路通過引出的控制線⑥輸入控制電壓，由于線圈③通電和磁鋼②的相互作用產(chǎn)生一個(gè)對于動(dòng)圈⑤的驅(qū)動(dòng)力。驅(qū)動(dòng)力驅(qū)使動(dòng)圈⑤運(yùn)動(dòng)，克服與中心軸④之間的摩擦力和氣體通過開啟口流動(dòng)產(chǎn)生的阻力，達(dá)到一個(gè)相對平衡的位置。動(dòng)圈⑤的開孔和中心軸④的開孔形成兩個(gè)開啟面積，一個(gè)用于氣體的流入，氣體進(jìn)入管道，另一個(gè)用于呼出氣體的排出。

這套新型的呼吸比例閥由兩端相互嵌套的管裝結(jié)構(gòu)和一個(gè)變化的磁場組成。內(nèi)管被隔離成互不相通的兩段腔體。兩腔體在間隔部分兩邊分別開口，形成吸氣腔與呼氣腔。外管表面有完全對稱的開口，并且周身繞有線圈，整個(gè)結(jié)構(gòu)放置在一個(gè)固定的磁場中。我們的設(shè)計(jì)就是通過改變外管線圈中的電流方向和電流強(qiáng)度，使外管在內(nèi)管上滑動(dòng)，改變吸氣腔與呼氣腔的開口，達(dá)到控制氣道壓力完成呼吸過程的目的。

2.2.3電磁比例閥的優(yōu)點(diǎn)

(1) 采用了將電磁驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)直接放入氣路的方式，容易達(dá)到縮小氣路體積，控制氣路噪音的目的。

(2) 在氣路設(shè)計(jì)中采用了動(dòng)圈和中心軸開孔面積的改變來控制氣路、氣體的方式，避免了因?yàn)闅饴纺承┣闆r惡化導(dǎo)致的呼吸比例閥頂桿、膜片活動(dòng)軌跡出現(xiàn)偏差。結(jié)構(gòu)也更為簡單緊湊，安裝更為方便，從而降低了生產(chǎn)成本。

3　結(jié)語

SC-600型呼吸機(jī)整個(gè)二次設(shè)計(jì)開發(fā)，主要解決了呼吸機(jī)噪音、呼吸比例閥的問題。通過自主研發(fā)的高精度電磁比例閥，使SC-600型呼吸機(jī)輸出的最低壓力可以到0.2 kPa，降低呼氣阻力，同時(shí)降低呼氣末正壓的最低值，使病人的呼吸更加舒適。消聲材料和氣路結(jié)構(gòu)等方面的改進(jìn)，降低了呼吸機(jī)的運(yùn)作噪音，提升了產(chǎn)品的質(zhì)量水準(zhǔn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 馬大猷. 噪聲與振動(dòng)控制工程手冊[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2002.

Second Design and Development of SC-600 Type Double Pressure Breathing Machine

【W(wǎng)riter 】CHEN Bin
Center for Certifi cation and Evaluation, Shanghai Food and Drug Administration, Shanghai, 200020

【Abstract】In view of the large noise and high failure rate of the valve of the SC-600 type double pressure breathing machine during clinical using, the paper describes the main improvement methods of the second design and development of this type of machine.

【Key words】breathing machine, noise, solenoid proportional valve

【中圖分類號】TH772

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

doi:10.3969/j.issn.1671-7104.2016.02.010

文章編號：1671-7104(2016)02-0109-02

收稿日期：2015-11-24

作者簡介陳斌E-mail: chen_bin@smda.gov.cn