生化培養(yǎng)箱維修案例探究

王闖，陳雪君，曹春玲，王浩文，陳梓瑩

（1.廣東省醫(yī)療器械質(zhì)量監(jiān)督檢驗所，廣東 廣州 510663；2.南方醫(yī)科大學(xué)南方醫(yī)院，廣東 廣州 510515）

生化培養(yǎng)箱配置有加熱器、壓縮機(jī)、空氣流通風(fēng)扇等，具備加熱、制冷功能，可以提供穩(wěn)定的高溫或低溫環(huán)境，控溫精度可以達(dá)到0.1℃。因此，其廣泛應(yīng)用于生物工程、醫(yī)療、衛(wèi)生防疫、農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)等領(lǐng)域。生化培養(yǎng)箱在醫(yī)療領(lǐng)域普遍應(yīng)用于病理科、檢驗科、藥學(xué)部、感染管理科、實驗室等科室，其在醫(yī)療行業(yè)的正常運行和科研發(fā)展中發(fā)揮著重要的作用。本文主要分享一例故障現(xiàn)象為溫度控制失效的維修案例，以期為工程師提供此類維修及維修后質(zhì)量控制的參考。

1 生化培養(yǎng)箱簡介

1.1 生化培養(yǎng)箱原理

生化培養(yǎng)箱的原理是通過控制一系列環(huán)境參數(shù)，以模擬微生物或細(xì)胞在自然環(huán)境中的生長條件。這些參數(shù)包括溫度、濕度、氣體組成和氣壓等。生化培養(yǎng)箱由加熱器、壓縮機(jī)、循環(huán)風(fēng)扇、溫度傳感器、濕度傳感器、CO2濃度控制器、主控制器等構(gòu)成，其中加熱器、壓縮機(jī)和風(fēng)扇是用來提供恒定的溫度，而溫度傳感器則監(jiān)測和調(diào)節(jié)溫度以保證穩(wěn)定性，濕度傳感器則負(fù)責(zé)監(jiān)測并維持適當(dāng)?shù)臐穸人健τ谀承┨囟ǖ募?xì)胞生長環(huán)境，CO2濃度控制器可以調(diào)節(jié)箱內(nèi)的CO2濃度。對于配置較為完備的生化培養(yǎng)箱還具有UV 燈殺菌功能，這可以減少污染和交叉感染的風(fēng)險。通過這些環(huán)境參數(shù)的精確控制，生化培養(yǎng)箱可以為生物學(xué)家和醫(yī)學(xué)研究者提供一個理想的實驗環(huán)境，以進(jìn)行各種實驗研究。

1.2 生化培養(yǎng)箱構(gòu)成

生化培養(yǎng)箱通常由通風(fēng)系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、濕度控制系統(tǒng)、按鍵輸入系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、CO2控制系統(tǒng)、UV 殺菌系統(tǒng)、主控制系統(tǒng)、外殼等組成。如圖1 所示，為各個系統(tǒng)之間的連接關(guān)系及其核心部件。

圖1 生化培養(yǎng)箱結(jié)構(gòu)框圖

通風(fēng)系統(tǒng)主要由循環(huán)風(fēng)扇、換氣器及其控制器構(gòu)成，能夠有效地實現(xiàn)風(fēng)量和氣流的控制。

溫度控制系統(tǒng)主要由加熱器、壓縮機(jī)、循環(huán)風(fēng)扇、溫度傳感器、溫度控制器等組成。當(dāng)培養(yǎng)箱內(nèi)溫度高于設(shè)定溫度時，控制器控制壓縮機(jī)工作，配合通風(fēng)系統(tǒng)為箱內(nèi)降溫；當(dāng)培養(yǎng)箱內(nèi)溫度低于設(shè)定溫度時，控制器控制加熱器工作，配合通風(fēng)系統(tǒng)為箱內(nèi)升溫。系統(tǒng)中的循環(huán)風(fēng)扇由單相異步電機(jī)驅(qū)動，作用是為生化培養(yǎng)箱內(nèi)部空氣循環(huán)提供動力，及保證箱內(nèi)各個角落的溫濕度均衡。因此，在生化培養(yǎng)箱完成上電自檢后，循環(huán)風(fēng)扇便啟動運行。

濕度控制系統(tǒng)主要由加濕器、濕度傳感器和濕度控制器組成，能夠根據(jù)設(shè)置值實現(xiàn)對箱內(nèi)濕度的控制和調(diào)節(jié)。其中加濕器是濕度控制系統(tǒng)的核心組件之一，用于增加培養(yǎng)箱內(nèi)的濕度。根據(jù)不同的型號和品牌，加濕器可以采用不同的工作原理，如蒸汽、噴水、超聲波等。

按鍵輸入系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)可以分別設(shè)計，也可以集成在一塊觸摸屏上，主要用于顯示生化培養(yǎng)箱當(dāng)前溫濕度、設(shè)置溫濕度、控制照明開關(guān)等。

照明系統(tǒng)用于為生化培養(yǎng)箱內(nèi)部提供照明，便于使用人員觀察箱內(nèi)情況和存取樣本。

電源系統(tǒng)主要包含兩個部分，分別為交流電源和直流電源，交流電源用于為加熱器、壓縮機(jī)、電機(jī)等大功率部件供電，直流電源主要為控制器、顯示器等低功耗單元供電。

CO2控制系統(tǒng)主要包括二氧化碳?xì)馄?、流量計、壓力表、通氣閥等部件，能夠控制和調(diào)節(jié)二氧化碳?xì)怏w的流量和壓力。

UV 殺菌系統(tǒng)主要由UV 燈及其控制器構(gòu)成，通常可以手動開關(guān)該系統(tǒng)，或者預(yù)先設(shè)置好開啟和關(guān)閉的時間，然后由系統(tǒng)根據(jù)設(shè)置自動執(zhí)行。該系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)與培養(yǎng)箱箱門聯(lián)動，當(dāng)箱門打開時應(yīng)關(guān)閉UV 燈，以保障使用人員的安全。

主控制系統(tǒng)由中央處理器、存儲器、傳感器和軟件程序等組成，可以對箱內(nèi)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行非常準(zhǔn)確的監(jiān)測和控制，由該系統(tǒng)整體協(xié)調(diào)控制通風(fēng)系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、濕度控制系統(tǒng)、按鍵輸入系統(tǒng)等。

外殼通常采用高質(zhì)量的鋼材或合金材料制成，具備較強(qiáng)的抗腐蝕性能和耐老化性能。

此外，上述各子系統(tǒng)中溫度控制系統(tǒng)、按鍵輸入系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、主控制系統(tǒng)、外殼屬于必備功能，其余系統(tǒng)根據(jù)廠家設(shè)計或者用戶選配可以自由增減。

2 生化培養(yǎng)箱常見故障

設(shè)備的及時維護(hù)、維修對于保障醫(yī)療機(jī)構(gòu)高效運行具有重要的作用，下面就生化培養(yǎng)箱常見故障展開論述。

溫度不準(zhǔn)確：生化培養(yǎng)箱的溫差應(yīng)非常小，運行穩(wěn)定后，實際溫度同設(shè)定溫度的差異應(yīng)該小于0.5℃，如果溫度波動較大，可能會影響實驗結(jié)果。出現(xiàn)該故障的原因可能是溫度傳感器故障，循環(huán)風(fēng)扇驅(qū)動電機(jī)故障、控制電路故障等。

溫度無法控制：如果生化培養(yǎng)箱的控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，可能會導(dǎo)致溫度無法維持在所需的水平，故障表現(xiàn)通常為實際溫度長期無法達(dá)到設(shè)定溫度，且溫度偏差較大。故障原因有控制器故障、壓縮機(jī)故障、加熱器故障、循環(huán)風(fēng)扇驅(qū)動電機(jī)故障等。

濕度問題：生化培養(yǎng)箱內(nèi)的濕度也應(yīng)該是可控制的，濕度過高或過低都可能對實驗產(chǎn)生不良影響。故障表現(xiàn)為濕度長期無法達(dá)到設(shè)定值。故障原因有加濕器故障、濕度傳感器故障、濕度控制器故障等。

警報系統(tǒng)失靈：生化培養(yǎng)箱一般會有警報系統(tǒng)，以提醒用戶設(shè)備出現(xiàn)故障或者達(dá)到預(yù)設(shè)限制。如果警報系統(tǒng)失靈，可能會對設(shè)備或培養(yǎng)箱內(nèi)樣本造成損害。

培養(yǎng)箱內(nèi)部組件損壞：例如，燈泡、加熱器、傳感器等部件的損壞都可能導(dǎo)致培養(yǎng)箱無法正常工作。

不規(guī)律的噪音：如果生化培養(yǎng)箱發(fā)出異常噪音，可能是由于內(nèi)部組件運轉(zhuǎn)不良或者風(fēng)扇堵塞、設(shè)備放置不當(dāng)、壓縮機(jī)故障等問題導(dǎo)致的。

無法設(shè)定參數(shù)：如果用戶無法正確地設(shè)定生化培養(yǎng)箱的參數(shù)（如溫度、濕度等），那么，設(shè)備就無法按照要求進(jìn)行工作。產(chǎn)生該故障的原因可能是按鍵老化，觸摸屏故障，線路故障等。

維護(hù)提示不工作：許多生化培養(yǎng)箱有自動維護(hù)提示功能，如果這個功能失效，可能會導(dǎo)致設(shè)備因沒有得到適當(dāng)維護(hù)而損壞。

過濾器堵塞：培養(yǎng)箱的過濾器可能由于沒有及時清理或更換而堵塞，影響設(shè)備的正常工作。

3 溫度無法控制故障解決方案

故障現(xiàn)象：生化培養(yǎng)箱正常開機(jī)后，設(shè)置目標(biāo)溫度為5℃，但其實際溫度始終近似等于室溫25℃。關(guān)機(jī)重新啟動設(shè)備后，室內(nèi)墻壁插座的空氣開關(guān)跳閘。

故障分析：根據(jù)設(shè)備降溫故障，初步懷疑壓縮機(jī)或其控制電路故障，結(jié)合空氣開關(guān)跳閘這一現(xiàn)象，進(jìn)一步懷疑壓縮機(jī)存在短路故障。

故障排除：觀察設(shè)備外觀，未見明顯故障痕跡。因此，按照初步故障分析結(jié)論移除設(shè)備外殼，觀察內(nèi)部元器件。如圖2 所示，在控制電路處發(fā)現(xiàn)2μF 的CBB 電容出現(xiàn)明顯燒毀跡象，用萬用表短路檢測檔測試該電容2 個引腳，測試結(jié)果顯示未短路。

圖2 CBB 電容損毀照片

下一步，繼續(xù)尋找設(shè)備短路元器件。觀察發(fā)現(xiàn)，電氣部分均連接到一塊控制板上，但是該電氣控制板所連接的信號線纜均未做標(biāo)識，為了盡快定位故障并且防止接線錯誤引發(fā)次生故障，需要對各信號線進(jìn)行標(biāo)識，如圖3 所示，用便攜式標(biāo)簽打印機(jī)對信號線進(jìn)行標(biāo)識，并在拆機(jī)前拍照記錄。

圖3 電氣控制板信號線標(biāo)識照片

通過對電氣控制板所控制的外圍配件進(jìn)行逐個檢查，發(fā)現(xiàn)當(dāng)拆除空氣流通風(fēng)扇驅(qū)動電機(jī)后空氣開關(guān)不再跳閘，設(shè)備可以正常啟動，且在箱內(nèi)溫度高于設(shè)定溫度時能正常啟動壓縮機(jī)進(jìn)行降溫；在箱內(nèi)溫度低于設(shè)定溫度時能正常啟動加熱器進(jìn)行升溫。拆除空氣循環(huán)風(fēng)扇驅(qū)動電機(jī)外殼，如圖4所示，發(fā)現(xiàn)其線纜根部存在燒毀跡象。

圖4 空氣流通風(fēng)扇驅(qū)動電機(jī)故障照片

到此，基本可以確定故障元器件為空氣流通風(fēng)扇驅(qū)動電機(jī)及其啟動電容，購置上述元器件并進(jìn)行更換，更換后設(shè)備運行正常。

維修后檢測：經(jīng)過維修后的設(shè)備，特別是對于設(shè)備性能有較大影響的維修，需要在維修后進(jìn)行設(shè)備性能的質(zhì)量控制檢測或者進(jìn)行使用中檢定。維修后質(zhì)量控制檢測具體操作可為：將經(jīng)過校準(zhǔn)的溫度計放入生化培養(yǎng)箱內(nèi)部空間中心點，分別設(shè)置65℃、50℃、42℃、37℃、30℃、25℃、4℃，共7 個常用檔進(jìn)行設(shè)備修復(fù)后性能檢測，測量結(jié)果如表1 所示。上述溫度選取的原因為：50 ～65℃為PCR（聚合酶鏈反應(yīng)）。

表1 生化培養(yǎng)箱性能檢測數(shù)據(jù)

《YY/T 1641-2018 醫(yī)用生化培養(yǎng)箱》規(guī)定培養(yǎng)箱的溫度控制誤差應(yīng)在±1℃以內(nèi)，這意味著箱內(nèi)的實際溫度與溫度設(shè)定值相比，上下浮動不超過1℃。檢測結(jié)果在標(biāo)準(zhǔn)推薦誤差要求內(nèi)。

4 結(jié)語

本文中故障解決方案所涉及的生化培養(yǎng)箱為僅具備基本溫度控制功能的生化培養(yǎng)箱，由于喪失溫度控制這一主要功能，使用科室已經(jīng)啟動報廢流程，但經(jīng)檢修，完成了故障定位和修復(fù)，并且按照設(shè)備維修規(guī)定，參考相關(guān)醫(yī)藥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對維修后的設(shè)備進(jìn)行主要性能的質(zhì)量控制檢測，檢測通過后再次投入使用。及時開展的自行維修相較委外維修，節(jié)約了時間成本，同時也避免了報廢后再次采購的情況發(fā)生。此外，在實際維修工作中要本著由簡單到復(fù)雜的維修理念，特別是遇到線路拆解的時候，需要做好標(biāo)識，必要時拍照記錄。從分析故障現(xiàn)象到提出假設(shè)，最后驗證假設(shè)或推翻假設(shè)重新推理，在一次次的PDCA 循環(huán)中逐步接近真相，解決問題。