脉动真空灭菌器及其故障的热力分析暨机电一体化设备的维修特点

冯伟强

(广西医科大学第一附属医院 设备科，南宁 530021)

1 高压蒸汽灭菌

1.1 饱和水蒸汽

水沸腾时的温度叫做沸点，也叫做饱和温度。沸点状态下的水称为饱和水。水的沸点随着其外部压力的升高或降低而相应地升高或降低。沸水汽化所生成的蒸汽，其温度与沸水相同，这种蒸汽叫做饱和蒸汽。饱和蒸汽的压力称为饱和压力。在工业锅炉中，饱和蒸汽通常是在定压沸腾状态下产生的，所以也有将饱和蒸汽定义为在定压沸腾中产生的、未经历过热处理的蒸汽，或简言之未经过热处理的蒸汽。

饱和蒸汽具有以下特性:

(1)不含有水分的饱和蒸汽叫做干饱和蒸汽，而含有水分的饱和蒸汽叫做湿饱和蒸汽。含有的水分以饱和水滴或水雾的形式存在。1kg湿饱和蒸汽中含有干饱和蒸汽的质量分数称为干度，它说明湿饱和蒸汽的干燥程度，以符号 x表示。x的值为0～1。

(2)对于饱和蒸汽来说，压力和温度有一一对应关系，当压力一定时，温度也就确定下来，反之亦然。通过控制蒸汽的压力就可以方便地得到所需要温度的蒸汽。反过来说，所需要的温度可通过调节蒸汽压力来实现。

(3)在管道输送过程中或使用中，饱和蒸汽损失能量而发生状态变化后，依然未脱离饱和状态，只是与变化前的压力、温度相比较低而处于新的饱和状态。

湿饱和蒸汽多是在输送和使用中形成的。例如从锅炉送出的饱和蒸汽经过管道较长距离的输送，就会有部分蒸汽程度不等地变成水滴水雾而成为湿饱和蒸汽。在灭菌器系统中，一般不会发生饱和蒸汽变成过热蒸汽，因为没有较大幅度快速减压的条件。

1.2 高压蒸汽灭菌

利用沸水或饱和水蒸汽使细菌原生质中蛋白质凝固变性，并破坏细菌存活所必需的酶系统，进而杀灭细菌，叫做湿热灭菌。利用压力大于常压的饱和蒸汽释放的潜热进行灭菌的方法称为高压灭菌法或热压灭菌法。它是湿热灭菌方法之一，为目前研究最多的可靠而有效的灭菌方法。

湿热灭菌法有以下两种关系:

(1)温度与时间的关系。温度越高，灭菌作用越强，所需的时间就越短。

(2)湿度与水分的关系。湿热灭菌比干热灭菌容易杀灭细菌，其特点就是有水分。这是因为蛋白质的凝固需要水分存在，如果有适当的水分存在，即使温度不高，也可促使蛋白质很快凝固。

在进行高压蒸汽灭菌时，必须注意以下几点。

(1)利用高压蒸汽灭菌，需全部灭菌载物达到规定的温度后，才能开始计算时间。因此，这就需要有一个预热过程，即载物开始升温直至达到所需的灭菌温度。另外，若灭菌过程中止，或蒸汽压力下降，或停止供汽，则应自恢复温度与压力后重新计时。

(2)必须将灭菌器内的空气排尽。一是因为尽管通过饱和蒸汽的压力升高而使蒸汽温度相应提高，但最终是依靠温度而不是压力来达到灭菌目的;如果灭菌器内存在残余空气，设定压力下的灭菌室内温度不能达到灭菌温度，造成灭菌失败。二是因为空气的绝缘性会阻碍饱和蒸汽向灭菌载物释放潜热，削弱饱和蒸汽的灭菌效果。

(3)在高压蒸汽灭菌时，往往只注意达到所需压力后灭菌温度的维持时间，而忽视升温与冷却速度。在达到灭菌温度前的预热升温速度有快有慢，达到灭菌温度后，冷却的速度也有快有慢，升温与冷却的时间都会对灭菌效果产生影响，因此在灭菌操作中对升温与冷却时间都有严格要求。

2 脉动真空灭菌器

2.1 机电一体化视角

脉动真空灭菌器是典型的现代高压蒸汽灭菌器。它的基本结构特点是双门隧道式设计、夹套结构、壳体外附着立式管道。灭菌腔室配备蒸汽伴热夹套，夹套外有保温性能良好的材料，对灭菌室有良好的保温和加热作用。装载门和卸载门均采用电动门升降、气压密封结构，并有安全联锁装置。当门进入主体齿孔位置时，门才能升降;当门下降到正常密封位置时，压缩空气经过门密封阀进入密封槽，将硅橡胶密封圈顶出而紧靠门的内侧面，实现门的密封。

机电一体化设备由机械本体和计算机测控系统两大部分组成。脉动真空灭菌器属于机电一体化产品，它的“机械本体”除了隧道式壳体 (灭菌室和夹套)、密封门之外，还有蒸汽管道、真空管道、冷凝水排放管道、净化空气管道、压缩空气管道等系统。一块CPU板和一块继电器板完成PLC功能，采用触摸屏作为人机界面 (也可视为上位机)，它们与传感器 (温度传感器、门限开关等)和执行器 (继电器、接触器、电动机、各种管道上的电磁阀、电动阀等)一起组成计算机测控系统。

脉动真空灭菌器的工作过程或工作实质，就是在PLC的程序控制之下，“机械本体”的各个组成部分按顺序协调地动作，使得灭菌室内的热力状态按照预定的方案变化。

2.2 几个重要工步的热力解析

以日本樱花Nss－G12W机型及其织物灭菌程序为例，图1是织物程序工作曲线图，现对几个重要的工步作一些解析。

图1 织物程序工作曲线图

(1)夹套进汽。夹套温度的控制是将夹套温度探头检测值与灭菌温度T比较，让夹套温度始终被控制在T附近。参看图2，当检测值小于T时，开启电磁阀S进汽;当检测值大于T时，关闭S。为了避免检测值在T附近时阀门的抖动，加数秒的延时。

设备通电后，开启其上的手动蒸汽阀，这时探头的检测值为常温，故开启S进汽。蒸汽夹套技术是工业上的常用技术，作用为加热、保温。此时进汽是预热设备。

夹套疏水阀保持持续疏水状态，但没有研究表明这是为了维持夹套蒸汽处于饱和状态，倒可能是防止灭菌时湿包。在脉动进汽和升温时，夹套蒸汽压力下降较快，残留冷凝水会因此沸腾，水滴水雾被夹进灭菌室。还有一种可能是节能考虑，因较低温度的冷凝水会消耗蒸汽。

停机时，夹套中的蒸汽将自然冷凝并从疏水阀中排出。再开机时，夹套内有常温下的饱和蒸汽(如果夹套密封不佳可能还有渗入的空气)。这些空气在脉动时会随蒸汽进入灭菌室。总之，夹套的密闭性也很重要。

(2)脉动。脉动真空技术是在下排空气式、预真空等技术上发展起来的，又经过了数十年的实践检验，其排除灭菌室内空气比较彻底。因为当有空气混存，灭菌器内温度低于同样压力下由饱和蒸汽产生的温度，所以真空程度越高，灭菌器能够达到的灭菌温度越高。

(3)升温。脉动之后，饱和蒸汽经进汽电动阀从夹套进入灭菌室对灭菌载物持续加热升温，夹套也自动补充蒸汽，保证灭菌室外界稳定的热环境。室内蒸汽压力依靠进汽阀的PID调节控制逐步稳定上升，载物的温度也随之上升。当室内温度达到灭菌温度的设定值后，延时计时器开始计时，继续对载物加热升温，保证所有载物的温度真正达到设定灭菌温度值。因为载物的的实际温度与室内温度常有一定偏差，故PID调节升温配合延迟计时，是现代蒸汽灭菌工艺可靠性的重要手段。

此时，灭菌室底部的疏水阀及时排出蒸汽冷凝水。一是防止在排汽时由于室内压力较快下降灭菌室底部有冷凝水沸腾，造成湿包;二是防止冷凝水浸泡位于灭菌室底部的灭菌室温度探头，造成温度检测不准。

(4)灭菌。灭菌工步是一个热力系统的保温过程。在灭菌计时过程中，软件监测控制灭菌室温度。此时，夹套蒸汽自然起着保温、加热的作用。软件的监控作用，首先表现在软件的自动温度修正功能上。室内温度探头检测室内温度，与设置灭菌温度T比较，偏差经软件的PID运算形成控制量，调节进汽电动阀的开度，即是否补汽和补充多少。在正常情况下，进汽阀通过PID调节，灭菌室温度的控制是非常精确的。

软件上还设置了一些判定条件及其相应地应对措施，以便在非常情况下之用。例如，温度偏差比较大超出了PID的控制范围，则可以复位计时，或者在屏上报警“蒸汽供给异常”等。软件的这部分比较复杂，不同厂家、机型也不尽相同。如果手上缺乏资料，就应该仔细观察设备运行和故障现象，反复揣摩。

(5)真空干燥。进入此工步，排汽三通电动阀打开，排出室内蒸汽;当室内压力降低到设定值后，真空泵启动持续对室内抽真空。在真空下，载物中的冷凝水沸点下降，又在夹套加热的情况下，冷凝水很容易沸腾变为二次蒸汽，通过电动阀换向被抽出室外。真空持续一段时间，载物即干燥。

(6)平衡。净化空气经进汽三通电动阀换向进入灭菌室，室内压力回升;当室内压力达到外界大气压力值时，进汽阀关闭。此法还可以确保灭菌完毕后载物无污染。实际上，真空干燥和平衡也是一个载物冷却过程。

3 故障案例

〔案例 1〕设置灭菌温度 135℃，压力0.22Mpa，灭菌时间 (维持时间)10min。灭菌器的B－D试验合格，脉动、升温正常，灭菌计时正常开始，但灭菌进行到第8min时，运行画面自动切换回灭菌计时开始的画面，即重新计时。

经向代理商咨询，得知该设备为了保证灭菌效果，在软件上有灭菌过程中灭菌室内温度低于下限值时复位重新计时的设计。因此，发生重新计时故障时，应当对可能引发室内温度下降的因素由易到难地作排查。首先查看灭菌器进汽压力表和机上减压阀后的压力表 (也是夹套压力表)，蒸汽供给正常。再查灭菌室的进汽、排汽、疏水管道以及设备周围，没有发现蒸汽外泄漏。进一步检查压缩空气管道，判断方法就是在发生故障时，关闭压缩空气储气罐向两扇门的密封槽供气管道上的手动阀门，如果其后的压力表读数快速下降，说明因为关闭后没有补充，压缩空气由密封圈处很快泄漏进灭菌室了。

拆下装载门和卸载门的硅橡胶密封圈，仔细检查，发现其中一条在压入密封槽一侧有一小裂口，更换后灭菌器工作恢复正常。

〔案例2〕观察设备运行情况，发现在灭菌时间上在排汽管道与灭菌器外壁的连接法兰处 (参看图3)有少量蒸汽外泄漏，但设备工作正常。过后拆开检查，原来为石棉垫片破损。

4 案例分析

4.1 基本理论

将灭菌室视为一个热力学系统，计时开始时刻，室内的饱和蒸汽处于一种热力平衡态。此时，压力为0.22MPa，温度135℃，体积定值，蒸汽质量一定。如果发生故障，系统的平衡态将被破坏。

本文的讨论有两个基本点: (1)如果压力和温度变化得不多，饱和蒸汽发生变化后未脱离饱和状态，只是与变化前的压力、温度不同而处于一种新的饱和状态。(2)饱和蒸汽的压力和温度有一一对应关系;两者有一发生了改变，说明蒸汽已变化到新的饱和状态。

按照道尔顿定律，混合气体的总压力等于各组成气体的分压之和，而每一组成气体的分压力等于该气体独占混合气体原有体积时的压力，或者说，与混合气体有相同的温度体积时的压力。设混合气体含有n种气体，即

灭菌室内的饱和蒸汽可以看作n个质量组成，也可以写成积分M=∫dM。这样一来，就可以说，饱和蒸汽的总压力等于若干个或无数个组成质量的分压力之和。

由于室内温度与常温相比不算低，压力与常压相比不算高，所以也可以理想气体状态方程来作定性说明。设总质量M=M1+M2+M3+…+Mn，即

由此可见，减去一些组成质量，或者加上一些等温或高温组成质量，饱和蒸汽的总压力会发生下降或上升，温度会相应地发生下降或上升，系统因此变成另一个饱和状态。如果有少量冷空气进入系统，则必有部分蒸汽向冷空气释放潜热并转化为冷凝水，系统损失蒸汽质量而温度因此下降。这相当于一些冷空气置换了部分蒸汽。

4.2 热力模型和故障成因

图2为灭菌器的热力示意图。灭菌器的装载门和卸载门各有一条硅橡胶密封圈，工作方式相同。如图2所示，无论装载门或卸载门，隔着密封圈，蒸汽与大气相邻，还与压缩空气相邻;经过三位三通电动阀、单向阀及净化空气管道，可与净化空气相通;经过三位三通电动阀及进汽管道，可与夹套内的蒸汽相通;经过灭菌室疏水管道、疏水阀、单向阀，或排汽管道、单向阀、三位三通电动阀，可与大气相通。隔着不锈钢板，灭菌室内的蒸汽与夹套内的蒸汽相邻。

图3为灭菌室的热力模型。这是一个开放系统。图中给出了系统与外界进行物质交换的三种可能。如果灭菌室与密封槽之间的密封隔离不良，则有压缩空气向室内泄漏。如果密封圈顶向内门板的那个面有破损或者脏，造成密封隔离不良，则有蒸汽向大气泄漏。如果进汽、排汽、疏水管道和相关阀门存在内漏或外漏，则室内蒸汽也会向大气泄漏。通过进汽电动阀，夹套可向灭菌室供汽。

图2 灭菌器的热力示意图

图3 灭菌室的热力模型

假设由于某种原因灭菌室进了少量压缩空气(冷空气)，待充分平衡后空气与蒸汽等温。这时，由于损失了部分饱和蒸汽，故室内蒸汽 (处于另一个饱和状态)压力下降，系统温度下降了些许，而室内总压力等于蒸汽分压与空气分压之和。再有少量冷空气渗入室内，又待充分平衡后这些空气与混合气体等温，系统温度再次下降……如此重复不已，渗入空气的质量越来越大，损失的蒸汽质量越来越多;系统总压力中空气分压越来越高，而蒸汽分压越来越低;系统温度越来越低。

压缩空气的泄漏是持续的，冷空气不断地进入室内，混合气体的温度持续下降。另一方面，夹套内的饱和蒸汽有温度控制，其温度始终被控制在灭菌温度135℃附近，压力为0.22Mpa。当室内温度下降时，夹套蒸汽会通过不锈钢板向室内传递热。热传递的效果一是直接使混合气体的温度上升，二是让一些冷凝水产生二次蒸汽，结果是混合气体温度回升。更重要的是，当室内温度下降时，室内温度的PID控制会通过电动阀M由夹套补充蒸汽，促使混合气体温度温度回升。(同时，夹套温度控制也会打开电磁阀S向夹套补充蒸汽)。由此可见，当存在压缩空气向室内泄漏时，有三个因素共同作用于室内的混合气体。

灭菌效果是灭菌温度和灭菌时间共同作用的结果。如果泄漏量比较弱小，那么上述三个因素共同作用的结果是，室内温度被控制于能够保证灭菌效果的灭菌温度附近，或者混合气体的温度下降得非常缓慢，从而侥幸通过灭菌工步。如果泄漏量稍大些，那么三个因素共同作用的结果是，室内这个热力学系统就要经历一个非平衡过程，不断地产生一些温度较低、更低的混合气体，而且不断地聚集到位于灭菌室底部的温度传感器附近。灭菌器在灭菌计时过程中，软件监测室内的温度，利用软件的自动温度修正功能来保证灭菌效果。当温度低于保证灭菌效果的下限时，软件就会复位重新计时。这就是案例1的情形。

由于密封圈、阀门、管道等密封不良，而出现的饱和蒸汽向大气泄漏是持续的，蒸汽质量的流失是连续的。根据基本理论，室内的压力、温度下降是持续的、连续的。显然，与上面压缩空气泄漏情形的讨论非常相似，只是将压缩空气泄漏影因素换成饱和蒸汽泄漏因素而已，而且情况没有那么复杂，因为是单一气体问题。如果泄漏量比较弱小，那么灭菌器勉强通过灭菌工步。这是案例2的情形。

4.3 小结

无论是压缩空气泄漏还是饱和蒸汽泄漏，事实上，如果泄漏量比较大，恐怕连B－D试验都通过不了 (或者不合格)。如果泄漏量比较小，则BD、灭菌都能够通过，只是存在一种故障隐患而已，例如案例2。如果泄漏量在这两者之间，那么可能B－D合格但灭菌通不过，作为一种故障表现，例如案例1。这是因为B－D的保温时间较短(例如 3.5min)，而灭菌时间较长 (例如 8～10min)。对于这种故障，各个厂家、机型的软件设计、处理不尽相同，这一点在维修工作中应当注意。

对于案例1，笔者一直有一些纠结。当初，由于缺乏经验和资料，在现场没有注意查看灭菌室的压力表。根据灭菌室压力表的读数、饱和蒸汽的压力与温度的对应关系、分压原理和具体设备对压力与温度的控制、处置方式，综合分析，应该能够敏锐地意识到这是压缩空气泄漏问题，然后就可以进一步核查。这样进行诊断的原理和方法前面都已涉及。此为应用热力分析来帮助诊断故障的问题。

5 机电一体化设备的维修特点

机电一体化设备都有故障自诊断功能，一般情况下发生故障时都有报警信息出现，按照说明书中的故障处理方法检查，大多数的故障都能找到解决办法。但在实际工作中，也会遇到一些故障没有报警信息。这类故障有时诊断起来比较困难，需要仔细观察故障现象，熟悉设备的结构和工作原理，分析各种动作的顺序关系和在自动运行时各个动作所必须满足的逻辑条件。

为了细化无报警故障的维修原则，从维修的角度考虑，可以将机电一体化设备分为机械本体和计算机测控两大部分。熟悉设备结构和工作原理，分析各种动作，首先应该对设备的机械本体有一个比较深刻的理解。应当注意的是，机电一体化发展到今天，机械本体已经是一个广义的概念。例如，它不仅仅限于作机械运动，还可能作其它物理运动和化学运动等，而其它物理运动又可能是热运动、电磁运动等，现在使用机械本体这个词只是历史沿用而已。要比较深刻地理解机械本体，需要一定的相关的数学、物理、化学基础，对机械工程、热力工程、电磁场工程、放射性医学工程等工程应用有较好的理解。

计算机测控系统主要有传感器、计算机、执行器等组成部分。对计算机的硬件组成和工作原理，对软件中的流程、功能、设置等内容，尽管不需要达到设计水准，但还是有一定的要求。对于传感器和执行器，它们的安装位置、功能作用和动作原理，应该清楚。

由于机电一体化技术具有综合性和系统性，新的技术、元器件层出不穷，所以一般地说，机电一体化设备的维修远比传统的机械设备、机电设备、热力设备、电气设备、电子设备以及电气线路、电子电路、管道等的维修复杂。这在本文的案例中也略见一斑。但是，科学技术是具有继承性的。长期以来在维修传统设备及电路、管道过程中积累起来的经验、方法，在维修机电一体化设备中还是非常有用的。关键是要充分地认识机电一体化设备的新特点，充分地运用传统维修的经验和方法。只有这样，在机电一体化设备的维修中才可能比较顺利。

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