婴儿培养箱无管路“迷宫式”蒸汽加湿系统的设计

王在强，麦达成，肖 翔

（1.郑州迪生仪器仪表有限公司，郑州 450001；2.广州市番禺区中心医院设备科，广州 511400；3.广州市番禺区中心医院行政办公室，广州 511400）

0 引言

婴儿培养箱是采用“对流热调节”方式，利用计算机技术对培养箱温度实施伺服控制的设备，主要由婴儿舱、温度控制仪、培养箱机箱、蓝光辐照灯箱、加湿模块等组成[1]，其功能是为新生患儿提供一个类似母亲“子宫”的环境，因此除需确保箱内温度恒定外，还要根据不同患儿，尤其是早产患儿的体质情况满足不同的湿度恒定控制要求[2]。目前，国内外市场上的婴儿培养箱的加湿模块多置于培养箱内部，主要包括正置水盒抽拉式和倒立水盒抽拉式2 种，其中正置水盒抽拉式加湿模块直接安装在培养箱风道循环内部，较多采用自然加湿，达不到高湿度状态[3]，并且水盒中的水长时间处于开放状态，易滋生细菌[4-5]；倒立水盒抽拉式加湿模块类似于日常使用的饮水机，水盒不方便清洗，同时因加湿产生的蒸汽需通过管道输送到培养箱风道循环内部，而蒸汽通过管道会凝结成水滴，不但影响控制精度，难以达到90%以上高湿度状态[6]，而且管道内的水渍难以清洗、消毒[7]。因此，本研究根据国内外市场情况及医院临床的需求特点，在广州市番禺区中心医院的协助下设计一款用于婴儿培养箱的无管路“迷宫式”蒸汽加湿系统，以达到临床需求的高湿度状态，并有效避免水渍残留导致的细菌滋生及由此产生的医疗风险。

1 系统设计

1.1 设计原理

本系统参考电蒸汽锅炉的控制原理进行设计[8-9]，通过“迷宫式”隔音槽的增减压[10]，结合补水系统、加湿控制系统、报警系统等的共同作用[11-12]，不仅能有效降低蒸汽产生过程中的噪声，还能确保经过电加热及辐射传热后，由沸腾产生的大量饱和蒸汽在满足婴儿培养的温度、湿度要求的基础上再进入风道循环。其中的核心技术点包括：（1）使用单片机计算水沸腾所需的热量，以及自动调整加热功率和加温时间；（2）蒸汽通过加热套筒和隔热套简之间的空隙进入到隔音槽内，期间无管路“迷宫式”隔音槽可对水沸腾产生的噪声进行隔音以及对蒸汽进行增减压；（3）应用红外线水位报警器、温度保护器、温度偏差报警器的三重自动报警对加湿系统进行保护。

1.2 结构设计

婴儿培养箱无管路“迷宫式”蒸汽加湿系统为整体独立模块，外置于婴儿培养箱风道循环系统外侧，主要由水盒、加湿模块（包括加热管、加热套筒、隔热套筒、隔音槽、蒸汽出口及红外线水位报警器、过热保护器等）构成。其中，水盒设计为外置开放式的独立容器，水盒上方设计有水盒盖，水盒盖上设计有带密封结构的补水孔，以便于在使用过程中补水；水盒底部正后方设计有红外线水位报警器。加热管、加热套筒、隔热套筒构成加热组件整体插入水盒内部；在加热套筒和隔热套筒之间形成密闭的加热水区域；同时在隔热套筒底部设计有补水孔，利用连通器原理实现水位自动补给。加热组件顶部与隔音槽相连接。隔音槽内部设计有数个间距不等的栅格形成类似迷宫结构，水加热后产生的蒸汽通过“迷宫式”隔音槽阻挡形成高温高压蒸汽，随着持续加热聚拢更多的蒸汽并逐步到达蒸汽出口。蒸汽出口设计在“迷宫式”隔音槽的远离加热组件端，蒸汽通过蒸汽出口后直接进入婴儿培养箱风道循环系统内部，随后通过风道内部的循环风使蒸汽迅速扩散，达到加湿婴儿培养箱内部空气的作用。“迷宫式”隔音槽和加热管周围区域设计有过热保护器，实现对整个加湿系统的双层保护。加湿系统结构示意图如图1 所示。

图1 无管路“迷宫式”蒸汽加湿系统结构示意图

1.3 子系统设计

1.3.1 补水系统

利用连通器原理设计补水系统，具体为在加热套筒和隔热套筒之间留有间隙，并在隔热套筒底部设计进水孔（如图2 所示）。隔热套筒整体深入到水盒内部后，水会在水盒内部气压的作用下持续地通过隔热套筒底部的进水孔进入到隔热套筒和加热套筒之间，实现加湿系统补水。其中，加热套筒采用加热性能均匀稳定的铝合金材质，隔热套筒采用耐高温、高水解稳定性的聚亚苯基砜树脂（polyphenylene sulfone resins，PPSU）注塑成型。

图2 补水系统结构示意图

1.3.2 加湿控制系统

加湿控制系统主要由控制面板、湿度传感器、单片机组成，其中湿度传感器采用霍尼韦尔HIH-5030-001 传感器，单片机采用高速、高可靠、低功耗、超强抗干扰的新一代STC15F2K60S2 系列单片机。控制面板用于设置治疗所需要的湿度值，以及启动加热加湿功能、查看报警信息；湿度传感器安装在风道循环系统内部，用于监测婴儿培养箱内部循环空气的湿度；单片机接收湿度传感器的监测结果，对比控制面板所设置的湿度值，自动控制加热管的输出功率，使婴儿培养箱的湿度保持在相对稳定的状态。加湿控制系统进行湿度控制时涉及到的计算公式如下：

式中，Q1为加热管产生的热量；P 为加热管的功率；t为加热时间。

式中，Q2为水沸腾需要的热量；C 为水的比热容；M为水的质量；ΔT 为温度变化。

式中，ρ 为热传递效率。

由公式（1）～（3）可得到Pt×ρ=CMΔT，即

另外，由公式（4）可知，影响ΔT 的变化因素为t、P 和ρ，在相同的加热时间内，当P 恒定时，只能通过提高ρ 来提高加热率。根据研究分析，影响ρ 的因素主要为加热管产生的热量的去向，其去向可分为3 种情况：（1）散失到空气中；（2）传递到水盒里的存储水中；（3）对加热套筒和隔热套筒之间的水进行加热。其中只有第3 种情况是有效的热量利用，其余2 种情况均为热量损失，因此减少热量损失即可提高加热率。鉴于此，本系统采用将加热组件整体嵌入到水盒内部的设计，可以完全避免第1 种情况的热量损失；通过在加热套筒外侧加装隔热套筒的设计，可以利用隔热材料有效减少第2 种情况的热量损失，如图2 所示。加湿控制原理图如图3 所示。

图3 加湿控制原理图

1.3.3 报警系统

本系统设计有三重自动报警切断功能。首先，在水盒外侧底部安装有XKC-Y26-V 型红外线水位报警器，当水盒中的水位低于最低安全水位时，红外线水位报警器发出信号，单片机接收到信号后指挥BY8301-16P 型报警模块发出缺水报警的同时切断加热电源。红外线水位报警器不仅能起到缺水报警的作用，还能在水盒未放置到位时发出报警提示，从而确保水盒的正确安装。其次，在加热管顶部对应的“迷宫式”隔音槽上安装有过热保护器，当“迷宫式”加湿模块出现过热（如缺水报警失灵等单一故障情况）等非正常温度时，婴儿培养箱将自动切断加热电源，进行加热保护。最后，在婴儿培养箱主控板上写入湿度判断程序，当湿度出现非正常设定值时，或出现湿度偏差超过设定值时，婴儿培养箱会发出湿度偏差报警，提示操作人员对加湿部分进行检测。通过上述三重自动报警切断功能的设计，加湿模块更加安全可靠，无论出现缺水、湿度偏差、过热或水盒加水后未放置到位均会出现安全提示并切断加热电源，起到有效的安全保护作用。

1.3.4 “迷宫式”隔音系统

本系统中，蒸汽首先通过加热套筒和隔热套筒之间的空隙进入到隔音槽内。隔音槽为铝合金材质，其外侧面设计有覆盖式硅胶密封垫，不仅可以防止蒸汽溢出，还可以防止蒸汽产生的热量通过隔音槽传递到空气中。隔音槽内设计有数道栅格，由于栅格的阻挡，蒸汽在加热管顶部及其周围形成高温高压蒸汽团，随着蒸汽团压力慢慢增加，蒸汽逐步到达隔音槽出口处；将隔音槽蒸汽入口区域到蒸汽出口之间的栅格间距设计为逐步加大，利用空间差异实现对蒸汽的减压；蒸汽通过蒸汽出口直接进入到婴儿培养箱风道循环系统内部，实现对培养箱内部空气的加湿。隔音槽隔音原理如图4 所示。

图4 隔音槽隔音原理示意图

1.4 安装设计

婴儿培养箱无管路“迷宫式”蒸汽加湿系统为整体独立模块，其中水盒和加湿模块可拆开为2 个独立部分。整体模块置于婴儿培养箱风道循环系统外侧，形成外置的独立单元，安装时将整体模块通过一连接板固定在婴儿培养箱的箱体上，蒸汽出口与婴儿培养箱之间通过密封硅胶圈连接，使蒸汽输送到风道循环系统内部。

通过水盒吊架将水盒与加热模块固定在一起，水盒可以拆开脱离加热模块，也可以通过水盒吊架进行90°旋转操作，方便拆卸水盒以清洗、消毒，具体为：在水盒吊架底部设计有连杆限位结构，只需轻轻按压连杆底部按钮，即可使水盒向下滑动以取出，并且连杆限位结构可自动锁紧水盒，确保水盒能贴紧水位传感器（红外线水位报警器），而且通过水盒盖上的补水孔可以进行加水操作。无管路“迷宫式”蒸汽加湿系统安装结构示意图如图5 所示。

图5 无管路“迷宫式”蒸汽加湿系统的安装结构示意图

1.5 控制面板

本系统的控制面板包含湿度设置窗口、湿度显示窗口、低水位报警窗口和湿度偏差报警窗口，其中湿度设置窗口可以根据临床治疗需要设置不同的湿度，通过调节标有上、下箭头的按键实现设置湿度值的增加或减小，其设置范围为0～99%，需通过系统解锁后方可进行湿度设置，并且设置完成后系统会自动锁定设置界面以防止误碰导致设置值的改变；湿度显示窗口实时显示湿度传感器采集到的数据；低水位报警窗口和湿度偏差报警窗口分别呈现相应的报警信息，且经实测能正常发挥报警功能。控制面板如图6 所示。

图6 控制面板

1.6 实物情况

婴儿培养箱无管路“迷宫式”蒸汽加湿系统实物图如图7 所示。水位传感器和水盒吊架组装在装饰壳内部；“迷宫式”隔音槽和加热组件放置在装饰壳外侧底部，其中加热组件内部装有过热保护装置；水盒独立并可通过水盒吊架安装到加湿模块上。以上各部分组装成整体，并安装在婴儿培养箱风道循环系统外侧，其中蒸汽出口通过密封硅胶圈直接连接婴儿培养箱风道循环系统。

图7 无管路“迷宫式”蒸汽加湿系统实物图及水盒关闭、开启状态示意图

2 性能测试

2.1 湿度偏差测试

分别在30 台同批次应用无管路“迷宫式”蒸汽加湿系统的婴儿培养箱和30 台市场上应用普通加热管加湿系统的迪生品牌BB300 型婴儿培养箱中随机抽取6 台进行湿度偏差测试。在相同的环境条件下，采用Fluke 婴儿培养箱检测仪，依据GB 9706.219—2021《医用电气设备 第2-19 部分：婴儿培养箱的基本安全和基本性能专用要求》提到的“湿度指示值的精准度应在±10%的相对湿度内”，分别测试婴儿培养箱内湿度的变化。每隔30 s 分别记录相对湿度设置为60%、70%、80%、90%时婴儿培养箱的实际湿度，连续记录1 h。

经测试，无管路“迷宫式”蒸汽加湿系统的相对湿度设置为60%和70%时，实测相对湿度平均值分别为59.6%和69.6%，其控制精度偏差在1%以内；相对湿度设置为80%时，实测相对湿度平均值为82.3%，其控制精度偏差在3%以内；相对湿度设置为90%时，实测相对湿度平均值为94.5%，其控制精度偏差在5%以内。与之相对应，普通加热管加湿系统的相对湿度设置为60%和70%时，实测相对湿度平均值分别为56.8%和65.5%，其控制精度偏差在5%左右；相对湿度设置为80%时，实测相对湿度平均值为74.3%，其控制精度偏差在6%左右；相对湿度设置为90%时，实测相对湿度平均值为82.8%，其控制精度偏差在8%左右。对比结果证明无管路“迷宫式”蒸汽加湿系统的控制精度高，能达到高湿设定值，且符合标准规定的±10%以内。无管路“迷宫式”蒸汽加湿系统与普通加热管加湿系统的湿度变化趋势对比如图8 所示。

图8 无管路“迷宫式”蒸汽加湿系统与普通加热管加湿系统的湿度变化趋势对比图

2.2 温度偏差测试

为测试应用无管路“迷宫式”蒸汽加湿系统的婴儿培养箱在湿度控制下的温度偏差情况，在同批次30 台中随机抽取6 台进行温度偏差测试。在相同环境、湿度设置恒定、温度设置分别为32 ℃和36 ℃的情况下[13]，使用培养箱检测仪每隔30 s 分别记录相对湿度设置为60%、70%、80%、90%时婴儿培养箱内的实际温度，连续记录1 h。

经测试，无管路“迷宫式”蒸汽加湿系统的相对湿度设置为60%，温度设置为32 ℃时，最大温度偏差为0.36 ℃，温度设置为36 ℃时，最大温度偏差为0.34 ℃；相对湿度设置为70%，温度设置为32 ℃时，最大温度偏差为0.34 ℃，温度设置为36 ℃时，最大温度偏差为0.38 ℃；相对湿度设置为80%，温度设置为32 ℃时，最大温度偏差为0.32 ℃，温度设置为36 ℃时，最大温度偏差为0.39 ℃；相对湿度设置为90%，温度设置为32 ℃时，最大温度偏差为0.39 ℃，温度设置为36 ℃时，最大温度偏差为0.49 ℃。经统计，相对湿度设置为60%、70%、80%、90%时婴儿培养箱温度均符合JJF 1260—2010《婴儿培养箱校准规范》中婴儿培养箱在稳定状态下其温度变化规定中的“A、B、C、D 和E 点每一处的平均温度与平均培养箱温度之间差异不应大于0.8 ℃”的规范[14]，证明无管路“迷宫式”蒸汽加湿系统在高精度湿度控制下对婴儿培养箱温度影响较小。无管路“迷宫式”蒸汽加湿系统对婴儿培养箱温度影响趋势如图9 所示。

图9 无管路“迷宫式”蒸汽加湿系统对婴儿培养箱温度影响趋势图

3 讨论

婴儿培养箱加湿模块作为婴儿培养箱的重要组成部分，既要保持加湿精度，又要保证应用安全[15-16]，鉴于目前市场上婴儿培养箱加湿模块难以满足临床精准诊疗需求，对其改良尤为重要。王坤[17]通过参考蒸汽锅炉的加热原理，设计了由水箱、水位检测器、加热腔等元器件组成的婴儿培养箱加湿模块，但未提供实物及实验数据；同时高温蒸汽未经冷凝直接送至箱体，可能影响箱温均匀性及蒸汽出口处冷凝水现象；且由于缺少隔音设计，水沸腾会产生较大噪声，可能因噪声过大而不符合JJF 1260—2010《婴儿培养箱校准规范》5.8 中婴儿舱内的噪声要求。张伟嫦等[18]对婴儿培养箱放置水杯加湿与婴儿培养箱内置传统嵌入式加湿水槽进行了湿度和细菌数的对比研究，但并未对其进行改良。本研究参考“冷凝圈”的原理，在外壁增加隔音材料，设计出“迷宫式”隔音系统，高温高压蒸汽通过“迷宫式”隔音系统进行降温、增减压、降噪后持续、柔和、稳定地到达蒸汽出口，达到JJF 1260—2010《婴儿培养箱校准规范》的相关要求，同时加湿模块内部处于高温高压状态，能有效控制因细菌滋生产生感染的风险。且本研究设计的无管路“迷宫式”蒸汽加湿系统已具备实物，相关检测数据证明本系统不仅加湿控制精度高，还可以满足90%及以上的高湿度环境设置需求。

本研究设计的婴儿培养箱无管路“迷宫式”蒸汽加湿系统经实验证明不仅符合JJF 1260—2010《婴儿培养箱校准规范》、WST 658—2019《婴儿培养箱安全管理》、GB 9706.219—2021《医用电气设备 第2-19部分：婴儿培养箱的基本安全和基本性能专用要求》和《医疗器械使用质量监督管理办法》（国家食品药品监督管理总局令第18 号）等有关要求[14，19-21]，且实验数据表明湿度控制精度比普通加湿系统高4%左右，能满足高湿度、精准恒定湿度控制等临床应用需求。虽然具备上述优势，但本系统的加热组件不便拆卸，为避免长时间加热、加湿产生水垢必须使用蒸馏水，因此未来需要进一步加大婴儿培养箱的研发投入，与医疗机构深度合作，结合临床使用情况及设备维护特点，研发出更加便捷的一体式加温、加湿且符合国家规程的婴儿培养箱[22]。