SC-600型双气压呼吸机二次设计开发

【作 者】陈斌上海市食品药品监督管理局认证审评中心，上海市，200020



SC-600型双气压呼吸机二次设计开发

【作 者】陈斌
上海市食品药品监督管理局认证审评中心，上海市，200020

【摘 要】该文针对SC-600型双气压呼吸机在临床使用过程中发现的噪音过大、呼吸比例阀故障率高等质量问题，阐述了该设备的二次设计开发的主要改进方法。

【关 键 词】呼吸机；噪音；电磁比例阀

SC-600型双气压呼吸机是一种成本低、可靠性高的新型无创双气压、电动电控型呼吸机，以下简称SC-600型呼吸机。该型呼吸机体积小巧便于携带，无须空气压力气源，且液晶屏显示界面简洁清晰。

SC-600型呼吸机在投入市场临床使用后，也暴露出噪音过大、呼吸比例阀故障率高的问题。为了提高产品质量，改进患者使用舒适度，故对上述两大质量问题进行二次开发改进。

1　SC-600型呼吸机主要结构和简单工作原理

SC-600型呼吸机的涡轮泵是整个呼吸机气路的动力源，通过涡轮泵叶片的高速旋转，将外界空气经过空气过滤器吸入气路，产生一定的压力气体进入呼吸比例阀。涡轮泵决定了SC-600型呼吸机可以达到的压力大小。

呼吸比例阀是整个气路的机械控制中心，通过调节呼吸比例阀的不同的开启度、开关时间，从而完成呼吸机的一系列相关功能，如吸气时间、呼气时间、潮气量、呼吸频率等。

压力传感器及其相关的电子控制部分构成了一个反馈控制系统。由压力传感器得到的相关数据，反馈到相关电子控制部分，经过软件程序判断，再由电子控制部分决定呼吸比例阀的动作，以完成每一次的呼吸动作。

压差式流量传感器安装在管道末靠近病人端的位置，以得到更为准确真实的信号。压差式流量传感器的主要功能一为潮气量的监护，二为触发功能的实现。吸气、呼气同用一根管道，从病人端吐出的气体经过管道冷凝后回到消声气路，见图1。

图1　SC-600型呼吸机气路图Fig.1 SC-600 type gas path

2　SC-600型呼吸机二次设计开发关键点

2.1噪声控制

2.1.1噪声来源

噪声的控制是SC-600型呼吸机很重要的一个技术问题，也是关系到产品质量好坏的主要指标，直接关系到患者的使用舒适度。经过分析，SC-600型呼吸机的噪声主要有两个来源：

(1) 旋转噪声 飞速旋转的空气动力机械（如飞机螺旋桨），在旋转时与空气相互作用而连续产生压力脉动，从而产生辐射噪声，称之为旋转噪声[1]。在SC-600型呼吸机中，旋转噪声就是涡轮泵叶片高速旋转而产生的。

(2) 涡流噪声 气流经过阻碍物时，由于空气分子粘滞摩擦力影响，在阻碍物下游区形成带有涡流的气流。当气流强度足够大时，则辐射出噪声，称为涡流噪声[1]。

2.1.2控制措施

为了降低噪声，采用了以下的措施：

(1) 改变气路结构 对于进气气路摒弃了之前直接进气的模式，采用了迷宫式消声器，使得吸入的气体带有缓冲进入到呼吸机内部。

迷宫式消声器也称为小室式消声器。其中仅有一个小室的消声器称为单室消声器，有多个小室的消声器则称为多室消声器，见图2。但迷宫式消声器也存在明显缺点，如空间体积大、气流因阻力而损失大，故只适于在流速很低的风道上使用。

图2　几种典型的迷宫式消声器Fig.2 Typical labyrinth muffl er

(2) 消声材料的选择 气路管道内填充了新型消音海绵，这种消音海绵属于多孔吸声材料。当声波入射到多孔材料表面时激发起微孔内的空气振动，振动空气的动能不断转化为热能，从而使声能衰减。其次，在空气绝热压缩时，空气与微孔壁间不断发生热交换，也会因为热传导的作用，使声能转化为热能[1]。

(3) 涡轮泵安装位置 改变先前涡轮泵的安装位置设计，把涡轮泵安装在整个呼吸机内部的位置，使得内部涡轮泵产生的噪声传递到呼吸机外部，需要经过更长的距离，减少了噪声对外界环境和患者的影响。

2.2呼吸比例阀的改进

SC-600型呼吸机原先采用的呼吸比例阀，是采用微型电机、顶杆和膜片的结构，控制进气量和进气时间。这个结构存在明显的缺陷，零件易磨损、装配难度大、膜片易变形，造成吸呼比、呼吸频率易飘忽，呼吸比例不准。因此，在二次设计开发中，呼吸比例阀采用了自主研发的高精度电磁比例阀。

2.2.1电磁比例阀的结构

二次设计开发采用的电磁比例阀，其零部件包括一个中间开类似三角孔的中心轴④，一个绕线圈③的四周开矩形孔的动圈⑤，一个带磁钢②的磁钢底座①，具体如图3所示。

2.2.2电磁比例阀的具体动作

图3　电磁比例结构示意图Fig.3 Schematic diagram of solenoid proportional valve

因为电磁比例阀的中心轴④和动圈⑤上都有不同的开孔，通过线圈通电和磁钢切割所产生的力来驱动动圈⑤，动圈⑤和中心轴④上的开孔随着相互位置的不同而改变，封闭时动圈⑤和中心轴④的开孔没有重叠，气流无法通过，相互交错时则可以形成不同大小的开启面积，从而决定了通过开启面积经过的气体流量的大小。

气体通过磁钢底座①的开口进入。控制电路通过引出的控制线⑥输入控制电压，由于线圈③通电和磁钢②的相互作用产生一个对于动圈⑤的驱动力。驱动力驱使动圈⑤运动，克服与中心轴④之间的摩擦力和气体通过开启口流动产生的阻力，达到一个相对平衡的位置。动圈⑤的开孔和中心轴④的开孔形成两个开启面积，一个用于气体的流入，气体进入管道，另一个用于呼出气体的排出。

这套新型的呼吸比例阀由两端相互嵌套的管装结构和一个变化的磁场组成。内管被隔离成互不相通的两段腔体。两腔体在间隔部分两边分别开口，形成吸气腔与呼气腔。外管表面有完全对称的开口，并且周身绕有线圈，整个结构放置在一个固定的磁场中。我们的设计就是通过改变外管线圈中的电流方向和电流强度，使外管在内管上滑动，改变吸气腔与呼气腔的开口，达到控制气道压力完成呼吸过程的目的。

2.2.3电磁比例阀的优点

(1) 采用了将电磁驱动结构直接放入气路的方式，容易达到缩小气路体积，控制气路噪音的目的。

(2) 在气路设计中采用了动圈和中心轴开孔面积的改变来控制气路、气体的方式，避免了因为气路某些情况恶化导致的呼吸比例阀顶杆、膜片活动轨迹出现偏差。结构也更为简单紧凑，安装更为方便，从而降低了生产成本。

3　结语

SC-600型呼吸机整个二次设计开发，主要解决了呼吸机噪音、呼吸比例阀的问题。通过自主研发的高精度电磁比例阀，使SC-600型呼吸机输出的最低压力可以到0.2 kPa，降低呼气阻力，同时降低呼气末正压的最低值，使病人的呼吸更加舒适。消声材料和气路结构等方面的改进，降低了呼吸机的运作噪音，提升了产品的质量水准。

参考文献

[1] 马大猷. 噪声与振动控制工程手册[M]. 北京: 机械工业出版社, 2002.

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

【Writer 】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

【中图分类号】TH772

【文献标志码】A

doi:10.3969/j.issn.1671-7104.2016.02.010

文章编号：1671-7104(2016)02-0109-02

收稿日期：2015-11-24

作者简介陈斌E-mail: chen_bin@smda.gov.cn