液氧汽化器智能喷淋装置的研发设计与应用

李桂明，肖翔，朱建波，许光，黄小坪，王永胜

广州市番禺区中心医院 设备科，广东 广州 511400

引言

医用氧气是维持肺功能不全、肺梗阻、肺水肿、呼吸窘迫、呼吸衰竭等病患生命体征的重要医用气体，医用氧气供应系统是医院建设中非常重要的系统之一，提供安全稳定的氧气供应直接关乎病患的治疗效果，在医院运营过程中极其重要，因此《等级医院评审标准》的相关规范也明确要求医院的水、电、气等后勤报障满足医院运行需要。因液态氧储存和运输比较方便，目前大多数医院都是采用“低温液氧储罐+氧汇流排+氧气运输管路+氧气使用终端”的方式进行供氧，而液态氧要转变为能用于病患治疗活动的气态氧，则需要使用专用的汽化器，通过吸热实现由液态向气态的转变，随后经过二级减压调压，送至终端供病患使用[1]。实际工作中，汽化器在实现液态氧的汽化过程中需要大量吸收热量，将引起汽化器的管间通道严重霜冻，其中尤以冬天寒冷天气下的结冰状况更为严重。为避免管道阀门结冰导致的供氧压力不稳定[2]，需要人手及时清除汽化器及肋片的冰块。因除汽化器和管道上的冰不能使用外力敲打，只能使用水冲淋方式，除过程耗时较长，严重浪费人力、物力。基于此，我院经论证研发，研制出一种安装方便、结构简单、感应控制开启与关闭，能有效地去除汽化器结存冰块的智能喷淋装置，以此达成节省人力、时间成本的目标。

1 设计及使用方法

1.1 设计结构

本文设计的液氧汽化器喷淋装置主要由塑料管、水阀开关、喷洒头、水管配件接头等部件组成，而装置的控制部分由水流电磁阀开关和传感器组成。其中针对核心部件塑料管的选取，主要从材质、壁厚、性能及常规用途四个角度进行对比（表1）[3]，最终综合考虑汽化器处于室外环境，而广东地区较易日晒炎热、降雨较多且雨水偏酸性的气候特点，同时基于液氧汽化器喷淋装置重量不宜太重，避免对汽化器产生不利影响的原因，故选取PPR管作为塑料管的材料。

表1 塑料管材料遴选对比表

液氧汽化器喷淋装置与汽化器隔离一定距离，避免发生汽化器表面结冰时[4]，液氧汽化器喷淋装置的管道等受影响结冰。使用螺丝将三角铝一端固定在汽化器散热翅片上，另一端用来固定液氧汽化器喷淋装置，见图1。液氧汽化器喷淋装置共分以下三层喷淋。

图1 喷淋装置结构图

1.1.1 顶部喷淋

两侧PPR管延伸到汽化器上方，把五段短管通过外丝三通、弯头将其连通；其中三通中有外丝的一端接入长款喷淋头[5]，见图2。三通阀的位置根据汽化器管道位置而定，使其对准汽化器液化氧经过的第一侧管道位置即可[6]。喷淋头与汽化器散热翅片隔离一定距离，避免发生汽化器散热翅片结冰时，喷淋头受影响结冰。连接和三通外丝端是不锈钢波纹管，管可360°弯曲[7]，根据实际位置调整喷淋头的方向。

图2 长款喷淋头

1.1.2 中部喷淋

在两侧管道中段位置各使用三通阀引出一段管道，中间加装一个水阀开关。然后通过外丝三通、弯头连接。外丝口朝向汽化器散热翅片位置，并在三通阀外丝的一端接入可调节半雾化喷淋头[8]，见图3。该喷淋头的工作压力为3～4 kg，可根据需求调节出水量及出水方式，如将喷头前端拧紧，则喷出水雾，较为节水；将喷头前端拧松，则增加水雾压力，直至喷出水柱。三通阀的位置根据汽化器管道位置而定，使其对准汽化器的散热翅片位置即可。

图3 可调节半雾化喷淋头

1.1.3 下部喷淋

通过管道、水阀开关、弯头、外丝三通等配件连通管道。同样，两侧加装水阀开关、外丝三通位置与顶部、中部位置对齐，外丝口朝向汽化器散热翅片位置，并在三通阀外丝的一端接入可调节半雾化喷淋头。

1.1.4 喷淋自动开启装置

自动开启装置包括一对传感器和一个电磁阀水流开关。传感器选用防水、对射型，安装在在汽化器的两侧，其中一侧发射信号，另一侧接收信号（图4），用于检测喷淋头正对方向汽化器的背面的结霜厚度；电磁阀水流开关安装在入水口位置，电磁阀使用常闭型。

图4 结霜厚度感应传感器

当结霜厚度达到一定程度并遮挡传感器两侧信号的发射、接收时，传感器给电磁阀水流开关传递动作信号，从而开启水阀，启动喷淋装置。当汽化器表面的霜除去后，传感器两侧信号间无遮挡，将传递信号给电磁阀，关闭水阀。

1.2 使用方法

结合季节环境温度变化，观察汽化器的表面及散热翅片结冰分布情况，将喷淋装置的各个活动喷淋头调节好方向并调整喷淋头压力模式[9]。如冬天，当汽化器的表面及散热翅片的中部位置或下部位置有除霜、除冰需求时，将对应的两侧开关打开，加快除霜、除冰速度。其中，中部喷淋、下部喷淋可以单独控制，避免浪费水资源。根据季节环境温度，先调整喷淋头模式以及需要开启喷淋范围水阀开关，然后由传感器感应霜层厚度，自动开启或关闭主入水阀开关。

汽化器材质为铝，而铝比较活泼，容易被空气中的氧气氧化，但是氧化后生成的氧化物（氧化铝）十分致密，能阻止内层的铝继续被氧化腐蚀[10]。使用时间久后，汽化器散热片表面会出现污垢，需要定期清理，并对汽化器进行常规的检查。

2 应用情况

通过对液氧汽化器喷淋装置的使用前后对比，发现经过一个夜晚的无人守候情况下的喷淋，汽化器表面及散热翅片已没有大量结冰现象。图5为汽化器在夏天没有使用喷淋装置第二天早上结冰情况，冬天甚为严重；图6为汽化器使用喷淋装置后的情况，未见有结冰现象。

图5 汽化器（夏天）结霜、结冰情况

图6 汽化器使用喷淋装置

同时，使用该液氧汽化器喷淋装置节省了人力、时间，现已无需安排专人定岗定时在每天早上对长时间使用水管汽化器进行喷淋除冰[11]。夏天的时候，经过一晚上，汽化器表面结冰相对较少，人工除冰时间约为30 min；冬天环境温度低，结冰较多并且厚（图7），人工完全除掉冰时间约为2 h。

图7 原汽化器部分结冰情况

与此同时，为保障液氧汽化器喷淋装置的正常使用，避免因水压不足、喷淋头故障等原因导致的除霜、除冰能力下降，并且根据结冰情况而随时针对性调整使用方法，我院将液氧汽化器喷淋装置运行情况的巡查工作纳入了液氧站日常巡查工作制度及承压类特种设备作业人员岗位职责[12]，目前液氧汽化器喷淋装置运行情况良好。

3 讨论

本设计系为解决医院液氧汽化器结冰对供氧稳定性的不利影响问题，结合相关除霜技术[13]，而专门研制的一款具备高效除霜、除冰功能的液氧汽化器喷淋装置。普通喷淋[14]偏重雾化形式，适用于灌溉等，暂未应用于汽化器方面的除霜和除冰方面的喷淋。相比较，此装置主要有六个方面的特点：① 上层喷淋头有增压功能，冲洗力度更大[15]，并且可以任意弯曲，从而灵活调节方向；中下层喷淋头可根据霜层厚度进行人工压力调节[16]，采用半雾化[17]形式不仅减少对汽化器散热片的冲击，而且可以节约用水，总体上除霜除冰效率较高；② 结构合理，设置功能层次分明，并且可以根据实际需求分部位控制，提高效率；③ 节省人力、时间，提高工作产出；④ 制作成本低，因喷淋头与外丝三通连接方便，故日常维保、维修方便，且维护成本低；⑤ 装置安装有独立阀门开关，方便根据不同季节的结冰情况而针对性调节控制；⑥ 装置智能化较高，能根据结霜程度自动开启[18]喷淋装置。及时除去汽化器的霜冻、结冰，解决因管道、阀门结冰导致的无法操作等问题，避免过度浪费水资源[19]。

此外，液氧汽化器喷淋装置采用的动力源是自来水，在日常喷淋过程中，特别冬天需要用到大量的水[20]。鉴于本院建设使用有中央纯水制作系统，在制水过程中产生的浓水是予以直接排放的，后期可通过改进设计，将这部分水源引入液氧汽化器喷淋装置，甚至经过改造将经过喷淋的水再次收集并重复使用，使水资源得以充分利用。

4 总结

本设计操作方便、结构简单、安装方便、制作成本低，其实际使用中节省了人力与时间，有效地解决了医院液氧站汽化器表面结冰的问题，避免了管道阀门结冰现象，保证了医用氧气供应系统稳定供氧，为需求用氧治疗的病患提供了更好的保障。