提高呼吸机输入空气干燥度的小型空压机

提高呼吸机输入空气干燥度的小型空压机
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56.《上海生物医学工程》杂志2005年第26卷第1期
医疗器械
蒂蒂蒂蒂蒂蒂
提高呼吸机输入空气干燥度的小型空压机
冯伟杰
上海医疗器械股份有限公司医疗设备厂(上海200070)
随着医疗水平的不断提高,呼吸机的使用面也
在进一步扩大,一种与气动或气控呼吸机配套的小
型医用空气压缩机(以下简称医用空压机)也随之步
人各家医院,医用空压机输出的压缩空气被直接用
来输入呼吸机,有的被用来作为动力气源驱动皮囊
把空气或混合气体压人病人肺内;有的被直接送人
病人的呼吸系统.这些过程都是由呼吸机控制其内
部的各种气阀等气动元件来完成的.
由于压缩空气是通过压缩泵把周围的自由空气
压缩而成,这些空气中都含有一定的水蒸汽而被称
之为湿空气(这里简称为空气).这些空气中的水蒸
汽在一定条件下会凝结成水滴,水滴进入气动元件
不仅会腐蚀其零件而且对系统的稳定性,灵敏度带
来不良影lⅡ向.因此呼吸机对压缩空气除了要有压
力,流量这些主要性能指标和无油,纯净这些空气品
质要求外,还对压缩空气中所含水蒸汽的量或干燥
度有一定的需求,一般可用相对湿度和露点温度等
指标来表示,其中压缩空气的干燥度常用露点温度
来表示.
一
,压缩空气干燥度指标的确定
气动技术中有这样一条规定:在各种阀中,空气
的相对湿度不得大于90%,某温度下的相对湿度是指在该温度和总压力下,其绝对湿度与饱和绝对湿度之比.用中表示
=x/xb×100%=d/db×100%
(公式一)
式中x,)【b——绝对湿度与饱和绝对湿度g/m3 d,db——容积含湿量与饱和容积含湿量
表一为101325Pa压力下空气中水蒸汽含量表,
它表明了在该压力下饱和空气中水蒸汽分压力,饱和绝对湿度,饱和容积含湿量,相对湿度和露点(温度)的关系.露点温度是指湿空气达到饱和状态开
始凝结水滴时的温度,该状态下的相对湿度中=1.
由表一可以查得在温度为20℃,大气压力为101325 Pa环境下,相对湿度为88.2%的空气,其露点温度
为18℃,比环境温度低2℃.也就是说当环境温度
降到18~C时,该空气开始凝露,温度继续下降就会有水析出.通过查找表一和公式一或另外查找湿空气焓湿图可以得到在101325Pa大气压力和某环境温度下,空气的相对湿度为90%时,该空气露点温
度大致比该空气的环境温度低2℃左右.
压缩空气的露点温度测试一般是将其压力降至
大气压力下进行的.从表一可以看出,露点温度越低,空气中的饱和绝对湿度就越小,空气也就越干燥.因此降低空气的温度对去除水份是有利的.
表一101325Pa压力下空气中水蒸汽含量表
露点(温度)℃O2468lOl214l6l820
饱和水蒸汽分压力pbPa6lO.7705.58l2.9934.6lO72.O1227l401.4l597.3l8l6.82O622337
饱和绝对湿度)【bg/m'4.8475.5586.3587.2588.2679.39610.66l2.0613.63l5.36l7.29 饱和容积含湿量dbm34.8475.5586.3587.2588.2679.39610.6612.0613.63l5.36l7.29 常温下(2O℃)的绝对湿度4.5l75.2l56.0o96.9087.9249.O7OlO.36l1.81l3.43l524l7.28
常温下(20"C)的相对湿度%26.O30.1334.7540045.852.560.O68.O77.6588.2l00
《上海生物医学工程》杂志2005年第26卷第1期?57?
由此可见,为了满足呼吸机的正常使用,压缩空
气的干燥度指标——露点温度应比环境温度至少低
2℃.考虑到压缩空气在传输过程中会受到管道周
围温度的影响,医用空压机输出压缩空气的露点温
度还应相应降低,一般要求比室温低4—6℃.如果
在20℃的环境下,从表一可以查出露点温度为6℃
时空气的相对湿度是68%,可以满足呼吸机中气动
元件的使用要求.
二,提高压缩空气干燥度的方法及其工作原理
提高压缩空气的干燥度,降低露点温度的方法
有吸咐法,冷冻法及压力除湿法等.前两种方法使
用的装置有无热吸附式空气干燥机,机械冷冻式空
气干燥机等等.这些装置的特点是除湿效果好,露
点温度低,设备体积大,处理的压缩空气量大,比较
适合在用气设备距离远,环境温度变化大及耗气量
大的场合下使用.从技术经济指标考虑,医用空压
机一般与呼吸机单配,有的还组合在一起,要适合放
在医院病房中二个病床间使用,对体积有一定的限
制;其次,根据呼吸机对压缩空气的要求医用空压机
的排气量比较小,压力低,一般在0.3Mpa压力下,
排气量为501/min左右;再则医用空压机与呼吸机
一
般都组合为一体,是在同一温度环境下使用,两者
间的输气管道短,引起管道内空气凝露的压力和温
度变化小,对露点温度的要求不是很高.综合上述
考虑在设计医用空压机的除湿装置时就不易采用这
些空气干燥机,拟采用结构简单的压力除湿法来去
除压缩空气中的水分.(见图一)
图一气路原理图
1.吸气过滤器
2.空气压缩泵
3.限压阀
4.电磁阀
5.单向阀
6.冷凝管
7.贮气罐
8.压力表
9.分水空气过滤器
lO.减压阀11.快插供气接头座
它的工作原理是先通过无油润滑空气压缩泵把
周围的空气压缩到某一压力,(这里设定为0.5
MPa),当空气被压缩后,体积缩小,单位容积中所含
水蒸汽的量增加,同时温度也升高.当这样的压缩
空气通过冷凝器冷却时,空气温度降低,相对湿度增
加,当温度将到露点温度后便有水滴析出.析出部
分水以后,该压缩空气的相对湿度就比此前的要低,
露点温度也相应地降低.从压缩空气析出的水量越
多,其露点温度就越低,空气就越干燥.压缩空气析
出的水量可由公式二计算.
由公式二可见一旦压缩空气的流量,吸人空气
的温度,相对湿度确定以后,它的析出水量就取决于
压缩后空气的温度和压力.表二列出了在不同温度
和压力下压缩空气的饱和质量含湿量.质量含湿量
是指在含有1kg质量干空气的湿空气中所混合的
水蒸汽质量,在输出压缩空气的压力不变的情况下,
压缩空气的温度越低,湿空气中所能包含的水蒸汽
质量就越小,析出的水量就越多;同样的,在输出压
缩空气的温度不变的情况下,压缩空气的压力越高,
则析出水量越多.
q=60q[d?一暑d](公式二)
式中q——每小时的析水量kg/h
q——压缩空气的流量m3/min
——
空气没被压缩时的相对湿度
T1——压缩前空气的温度K
T2——压缩后空气的温度K
db1——温度为T1时的饱和容积含湿量kg/
m3
db2——温度为T2时的饱和容积含湿量kg/
m3
pb1,——温度为T1,T2时饱和空气中水蒸
气的分压力MPa
P1,p2——空气压缩前,后的绝对压力MPa
根据这一原理,在设计医用空压机时,就不考虑
其它冷却方式,而只采用风冷冷却压缩空气,尽可能
二=
～
～
j.
58?《上海生物医学工程》杂志2005年第26卷第1期把冷凝器温度降到接近于室温.这时通过限压阀把
从压缩泵出来的压缩空气限制在较高的压力(譬如
0.5Mpa),再经冷凝器冷却,贮气罐贮存,当此时的
水蒸汽分压大于冷却后该温度下压缩空气的饱和水
蒸汽分压时,便有水蒸汽从空气中凝结成水珠,这些
水珠可以通过分水空气过滤器分离出来后自动排
压力(譬如0.3Mpa),这时输出的压缩空气带有该温
度下未饱和水蒸汽分压,在该温度和压力下就不会
有水析出.这一空气压缩干燥的过程就好比把一条
带有一定湿度的毛巾放在一台5kg压力的挤压机
中压一下,把能在该压力下挤出的水滴挤掉,然后再
把该毛巾放在≤3kg压力的挤压机中挤压就不会再
除,然后通过减压阀把压缩空气减压到一个较低的有水滴被挤出来. 表二压缩空气的饱和质量含湿量g/kg
温度空气压力MPa
℃0.10.10130.20.30.40.50.6
03.82193.77251.9O511.26880.95ll0.76o60.6337
55.48235.4ll32.72911.81681.36191.08880.9O71
107.72677.62643.83952.55441.91381.53011.2746
1510.802310.66125.35463.55952.66582.13081.7747
2014.884014.68857.35404.88343.65542.92o92.4322
2520.369520.099710.O2O76.64484.97033.96993.3o47
3027.547327.178313.47538.91916.66545.32o94.4278
三,内部结构的设计
为了获得比较干燥的压缩空气,理论上讲可以
通过提高它的输出压力来满足,但这一方式也会受
到一定的条件限制,一旦过分提高压缩空气的输出
压力,压缩泵的噪声就会增加,压缩空气的温度就会
提高,压缩泵的使用寿命也将受到影响.另外医用
空压机一般是和呼吸机一起放在病房内与病人贴身
使用的,它对噪声有一定的要求,不能影响安静的环
境,一般都用做成隔声罩形式的机箱把整个系统罩
起来,这样可以降低一部分噪声.但是对压缩泵泵
体,冷凝器的散热降温,压缩空气的冷却带来了困
难.为了解决好降温和隔声这对矛盾,在医用空压
机的机箱上都开有进,排风口,内部采用迷宫式的风
道,利用轴流或离心式风扇从机箱外抽取冷却空气
来降低泵体和冷凝管温度;在内部强制通风冷却的
条件下,尽量阻碍噪声外传.
对这样设计的医用空压机进行测试,其结果见
表三;医用空压机输出压缩空气流量,压力与露点温
度的关系.由于空气压缩泵的供气压力取决于背
压,而背压又取决于输出流量,所以空气压缩泵的排
气压力随着输出流量的增大而降低.当流量小的时
候,前,后级的压差大,露点温度就低,空气的干燥程
度就好;当流量大的时候,前,后级的压差小,露点温
度就高,空气的干燥程度就差.这样的露点温度应
能满足呼吸机的正常使用.
表3医用空气压缩机输出压缩空气压力,流量与露点温度的关系
测试序号前级压力MPa后级压力MPa输出流量l/min环境温度℃露点温度℃环境温度与露点温度差值℃
10.49O.3128209.5ll,5
2O.32O.2858.520128
四,实际使用中遇到的问题及原因分析
产品投放市场后,在实际使用中还时常听到医
用空压机输出管道内有积水的用户反馈.经过走访
用户,原因分析,主要是空气压缩泵在压缩空气时要
消耗一部分电能,它在作功时会产生热量,而且压力
越高,产生的热量也就越多.我们早期设计的医用
空压机的工作模式是空气压缩泵连续运转,不管耗
气量多少它都在不停的工作,用不完的高温压缩空
气就直接排人在机箱内.而且是耗气量越少,空气
压力越高,机箱内的温度就越高.为了降低箱内温
度,需要采用大的抽气风扇从机箱外抽取大量的冷
却空气来驱散热量.这样冷却空气进的越多,冷却
空气进风口上过滤网越容易积灰,也就越容易引起
堵塞.要保持冷却空气风道的畅通,必须对风道前
《上海生物医学工程》杂志2005年第26卷第1期?59? 的过滤网进行定时清洁,减少其吸入阻力.如果用
户不了解或忽略了这一点,没有及时清洗这一过滤
网,这部分热量就不能及时排放到机箱外,机箱内的
温度就会急剧升高.这样持续下去就破坏了机箱
内,外温度的平衡,也就破坏了压力除湿法的条件,
使压缩空气在机箱内的除湿效果降低,甚至丧失殆
尽,最终导致压缩空气不是在箱内冷却而是在机箱
外冷却后凝露积水,这部分积水无法从箱内的分水
过滤器中分离出来而残留在输气管道内,要是呼吸
机的进气口没有安装分水过滤器,这些水滴就会进
入呼吸机;同时在这样高温,高压下工作,也缩短了
压缩泵的使用寿命.由此可见要让输出的压缩空气
比较干燥,条件是要让压缩空气在减压前在机箱内
得到充分的冷却.
五,改进措施及其效果
为了满足压缩空气冷却条件,我们在医用空压
机的改进设计时把压缩泵的工作模式由连续工作,
余气排放改为压力控制,间隙运转,按需供气,它根
据耗气量的多少开启压缩泵.当耗气量大时,压力
下降,压缩泵作长时间连续运转,当耗气量较小或没
有时,压力回升,压缩泵处于待机状态,这样的工作
模式没有多余的能量损失和热量散发,符合节能要
求.而且加大了压缩泵的排量,增加了贮气罐的容
积,以减少压缩泵的频繁启动.这样在与呼吸机的
配套使用时,压缩泵大致有3/4～4/5的时间处于待
机状态.由于压缩泵作功时间短,机箱内温升低,即
使在小排量抽气风扇的作用下也能使机箱内的温度
降低到接近室温,压缩空气除湿效果大大得到改善.
而且冷却空气风道前的过滤网也不容易积灰,减少
了清洗这一过滤网的次数,也降低了冷却空气排放
的温度,减少了排放过热冷却空气对病房环境的影
响(原来的设计在夏天要消耗掉一部分空调的制冷
量).经过这样的改进设计,三年来再也没有听到用
户抱怨医用空压机输出管道内有积水的意见,也没
有听说压缩泵使用寿命短需要更换的消息,达到了
设计指标,能满足用户的正常使用.
(收稿日期:2004.12.09)
两种影像检测联手有助发现早期肺癌
肺癌是一种常见恶性肿瘤,不易在早期发现.当患者被确诊时,通常只剩下几个月的寿命.欧洲一项最
新研究显示,通过结合cT和PET这两种影像诊断技术,可以有效地检测早期肺癌,使病人及早得到诊断和
治疗.
意大利米兰国家癌症研究所的研究人员对1035名吸烟者进行了螺旋cT及PET 检测.这些人年龄在
50岁左右,有平均37年的吸烟史,每天至少吸烟26支.他们每12个月进行一次螺旋cT检测,连续进行5
年,这期间还间或进行PET检测.第二年,就有22人被诊断患有肺癌.医生还在228人中发现440处肺损
伤.在被确诊的患者中,有18人PET扫描呈阳性.最终,95%的患者被成功切除了恶
性组织.
螺旋cT是一种电子计算机螺旋断层扫描技术,它使用x射线从多角度扫描人体,可以获得连续画面,
捕捉到细小的器官损害,但它的问题是,有很多肺损伤并不会发生癌变,从而产生误差.而PET是先让病人
服下含有轻度放射性物质的糖溶液,再用伽马射线追踪标记物,由于健康组织比癌变组织吸收力强,这种差
别被转换成颜色的差异呈现在电脑屏幕上.因此,使用螺旋CT的同时,再选择性地使用PET扫描,就能更
为有效地协助早期肺癌的诊断。