一种医疗垃圾桶装消毒装置的设计

夏鑫楠 马开平 李雨樨 莫凡

基金项目：国家级大学生创新创业训练计划（202310307087Z）

*通信作者：马开平（1976-），女，博士，副教授。研究方向为生产运作管理、工业工程等。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.15.011

摘  要：为减少医疗废物特别是感染性医疗废物在收集处理过程中其所含病菌对人群和周围环境造成的交叉感染危害等问题，利用机械传动、简易电路等知识方法综合设计一种医疗垃圾桶装消毒装置。具体包括脚踏式喷洒消毒装置和紫外线消毒装置，可以对桶内医疗废物、垃圾桶盖、医疗垃圾桶内腔及桶盖开闭时挤压溢出的有菌空气进行多重消毒，以降低病菌对人群和周围环境造成的交叉感染等危害。该医疗垃圾桶装消毒装置具有显著的消毒杀菌效果，有一定的推广使用价值，可以为后疫情时代医疗废物的收集处理提供新技术和新方法。

关键词：消毒装置；医疗垃圾桶；医疗废物；机械传动设计；简易电路；后疫情时代

中图分类号：TP23        文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2024）15-0050-05

Abstract： In order to reduce the cross-infection harm caused by the bacteria in the process of collection and treatment of medical waste， especially infectious medical waste， a kind of medical garbage bin disinfection device was designed comprehensively by means of mechanical transmission， simple circuit and other knowledge methods. The utility model specifically includes a foot-type spraying disinfection device and an ultraviolet disinfection device， which can carry out multiple disinfection of medical waste in the bucket， the lid of the garbage can， the inner cavity of the medical garbage can and the bacterial air squeezed out when the lid is opened and closed， so as to reduce the harm caused by bacteria to the population and the surrounding environment. The medical garbage bin disinfection device has remarkable disinfection and sterilization effect， has a certain value of popularization and use， and can provide new technologies and methods for the collection and treatment of medical waste in the post-epidemic era.

Keywords： disinfection device; medical trash can; medical waste; mechanical transmission design; simple circuit; post-epidemic era

醫疗废物是指医疗卫生机构在医疗、预防、保健及其他相关活动中产生的具有直接或者间接感染性、毒性及其他危害性的废物[1]。主要分为感染性废物、病理性废物、损伤性废物、药物性废物和化学性废物5种类型[2]。在收集医疗废物的过程中，消毒是一个必不可少的过程。如何降低医疗废物收集处理过程中交叉感染的风险是后疫情时代需要考虑的一个重要问题。

根据实地调研和查阅资料可知，目前绝大部分医疗机构仅采用1～2次外部喷洒消毒水的方式对医疗废物进行消毒处理。而在处理感染性较高的医疗废物时，如在新冠病毒流行期间，如果仅通过外部1～2次消毒的方式处理大量感染性医疗废物，将难以达到彻底消毒杀菌的效果，并且会有交叉感染的风险。

另外，现有的消毒手段一般是依靠人工手动喷洒消毒。而人工消毒重点在医疗废物上，可能会忽略垃圾桶内部也会有接触医疗废物所含病菌的情况，同时在垃圾桶盖开闭时会导致与医疗废物接触的有菌空气挤压溢出，也极容易造成交叉感染。

基于以上现状分析，本文主要针对感染性医疗废物设计了一种医疗垃圾桶装消毒装置。包括脚踏式喷洒消毒装置和紫外线消毒装置，可分别对桶内医疗废物、垃圾桶盖、医疗垃圾桶内腔及桶盖开闭时挤压溢出的有菌空气进行多重消毒。其工作模式如图1所示。

图1  医疗垃圾桶装消毒装置工作模式图

1  装置总体设计

上述消毒装置的相关电子元件、消毒水箱、喷洒装置的主体部分等若暴露在外会影响正常工作，也会加快损坏程度，故不做暴露处理。在医疗垃圾桶内侧设计了2个空腔，可根据情况将相关装置安装在空腔内。除安装在空腔内部的装置外，部分喷洒装置及上下紫外线消毒灯均暴露在外，安装在垃圾桶内表面，如图2（a）所示。

同时因为喷洒装置会对桶内医疗废物进行消毒且安装在筒壁上，故不可沿用传统的黄色医疗垃圾袋套在垃圾桶口上的固定方式。所以本装置的医疗垃圾桶在距桶底一定高度的水平面设计了针对医疗垃圾袋的弹性带固定装置。具体为：在四侧筒壁與上述水平面相交的位置上固定4条环形弹性带，且均处于张紧状态。使用时，提前将垃圾袋塞进张紧环形弹性带组成的槽内，如图2（b）阴影部分（这里的A、B两环形弹性带边处于张紧状态应无限靠近，为了表述方便画出了空隙），且不会遮盖喷洒装置。具体示意图如图2（b）所示。

（a）  装置安装部位示意图

（b）  弹性带安装示意图

图2  医疗垃圾桶用消毒装置总体设计图

2  脚踏式喷洒消毒装置

2.1  脚踏式喷洒消毒原理设计

脚踏式喷洒消毒装置是利用弹簧、齿条齿轮结构、杠杆等机械部件实现预定功能的。除喷洒头与部分装置暴露在外，其余相关组件均安放在内格空腔1中。其动力原理结构图如图3（a）所示。具体实施方式为：1为脚踏板；3为连杆1；2为支点1，连杆1和脚踏板可以在施加外力（脚踩力）的作用下绕支点1旋转；4为连杆2，与连杆1相连，可上下升降，上升时可推开桶盖；5为支点2；6为连杆3；7为直杆，与连杆3相连；5和6组成了杠杆结构，在杠杆结构的作用下，每当连杆2上升或下降时，直杆总是做相反的动作；8为活塞1，与直杆的底部相接固定；10为弹簧1，活塞1与其顶部相接触；9为圆筒1，在直杆上下移动时，推动活塞1在其内做往复运动；11为齿条1，安装在直杆上方；12为小齿轮（主动轮），与齿条1啮合；13为大齿轮（从动轮），大齿轮与小齿轮相啮合；14为齿条2，与大齿轮啮合，每当齿条1滑动时，大小齿轮相向运动，带动齿条2向相向方向运动（下-右下/上-左上）；15为推杆；17为喷洒装置，其内部含有压力阀门可被推杆推压，从而使喷洒装置加压喷洒出消毒水；18为进水管，用于从消毒水箱中吸取消毒水；19、20为第一、二喷水管，斜向上、下各45°，在压力阀门的控制下，消毒水从进水管被吸入，通过喷洒装置加压，分别从2喷水管喷出，其中第一喷水管向上对垃圾桶盖和被挤压出的有菌空气消毒，第二喷水管向下对桶内医疗废物消毒；16为套筒，推杆可在套筒内进行滑动，用于推压喷洒装置的压力阀门。图3（b）是部分结构放大图。

图4给出了喷洒消毒装置喷洒原理示意图。参见图4（a）为推杆在下滑时示意图。17-2为塑料小球，其大小可以卡住进水管；17-1为弹簧2，用于给塑料小球上下移动限位；17-3为气腔，弹簧2和塑料小球均置于其中；17-8为喷头，安装在喷水管的最外端；17-9为单向喷嘴，安装在喷头上，使流体通过其只能从管内流向外部，而不能从外部流入管内。17-5为活塞2，与推杆的顶部相接固定；17-4为弹簧3，活塞2与其底部相接触；17-6为圆筒2，在推杆移动时，推动活塞2在其内做往复运动，活塞2、圆筒2、弹簧3共同构成了压力阀门；17-7为储液管，消毒水喷出前暂时储存于此。在推杆下滑时，喷洒装置内部压强变小，而单向喷嘴使其无法进气，根据伯努利原理，气腔及管内压强变小，迫使塑料小球上移，进水管进水使内部恢复至大气压，消毒水暂时储存在储液管内。

（a）  装置原理结构图

（b）  局部放大图

图3  脚踏式喷洒消毒装置动力原理结构图

图4（b）为推杆上移时示意图。推杆上移时会挤压储液管和气腔，使压强变小，因此需要排出一部分液体才能使其恢复至大气压。此时塑料小球抵住进水管，使喷洒装置无法进水，腔内消毒水被挤压出喷水管，通过2单向喷嘴，呈雾状喷洒状态。

图5给出了喷洒消毒装置工作流程示意图。参见图5（a），此时工作人员用脚踩踏踏板，垃圾桶盖打开，推杆受力下滑，不喷洒出消毒水，弹簧1蓄力；参见图5（b），工作人员松开脚，垃圾桶盖做闭合运动，推杆受弹簧1回复力作用上移，推压喷洒装置的压力阀门，喷洒出消毒水；参见图5（c），此时弹簧1回复力消失，踏板回到原位置，垃圾桶盖完全闭合，喷洒装置不工作。

（a）  推杆下滑示意图

（b）  推杆上移示意图

图4  喷洒消毒装置喷洒原理示意图

（a）  踩下踏板         （b）  松开踏板    （c）  恢复原样

图5  喷洒消毒装置工作流程示意图

2.2  喷洒消毒装置喷嘴设计

根据流体力学的相关知识可知，喷头在一定工作压力下，其对消毒水的雾化效果主要与喷嘴直径有关。其中喷嘴直径越小，雾化效果越好，反之成立；其定量关系可由经验公式（1）给出[3]。

ρd=■，（1）

式中：hp为喷头工作压力，bar；d为喷嘴直径，mm；ρd为雾化效果指标。

根据实验测试可知，喷嘴直径可取0.9 mm，此时喷洒均匀，密度合理，效果最好，可以使喷射出的雾状消毒水覆盖垃圾桶口平面和垃圾桶盖绝大部分区域，有效起到消毒效果。

若要更进一步优化喷嘴设计，必须考虑到其他影响因素，下面给出改进的喷嘴直径设计公式（2）。

d=■ ， （2）

式中：p为喷射压力，bar；q为喷射流量，L/min；n为喷嘴个数；η为喷嘴效率系数，范围是1.05～1.10。

3紫外线消毒装置

紫外线是通过破坏微生物机体的DNA或RNA进行消毒的，具有杀菌率高、广谱性等特点[4]。紫外线消毒灯具体采用UVC3535杀菌紫外线灯珠，其主要参数见表1。

表1UVC3535杀菌紫外线灯珠参数

图6给出了该装置的电路原理图。22为整个电路的总开关，可以用于整个装置的启动或关闭；21为总电源，由上述参数可知，其设计电压为6 V，采用4节1.5 V的干电池串联组成；26为安装在垃圾桶盖内侧正中心紫外线消毒灯1；25为接触挤压式开关，当桶盖与桶身接触时可以实现该开关闭合，使消毒灯1亮起；27为保护电阻1，用于保护消毒灯1所在的支路；28为安装在垃圾桶内底部正中心的紫外线消毒灯2，消毒灯1、2采用并联设计；23为一个普通开关，可以用于控制消毒灯2亮灭；29为保护电阻2，用于保护消毒灯2所在的支路。24为一个定时开关，可以用于设置2灯消毒时长，且不定时时可当作普通导线。

图6  紫外线消毒装置电路原理图

图7是紫外线消毒装置接触挤压式开关工作原理示意图。30为垃圾桶桶盖；31为垃圾桶桶盖外沿边；25-1为挤压凸起结构，安装在垃圾桶盖外沿边靠内正中位置；25-2为导电压板；25-7为圆筒3，导电压板可在其内做往复运动；25-6为导线，其透过圆筒3左外壁的直缝隙与导电压板相接；25-3为上导电体，连接在导电压板底部；25-5为下导电体；25-4为弹簧4，在不施加外力的作用下，将上下导电体隔开；在总开关闭合的条件下，当垃圾桶盖闭合时，桶盖自身重力带动挤压凸起结构向下按压导电压板，使弹簧4形变，上下导电体相连，接触挤压式开关闭合，消毒灯1亮起，直至垃圾桶打开。

圖7  紫外线消毒装置接触挤压式开关工作原理示意图

图8是桶盖闭合且桶内有垃圾时的示意图。此时总开关闭合；接触挤压式开关受到桶盖自身的重力作用，也处于闭合状态；定时开关此时未作用，可看作导线；普通开关断开，消毒灯2熄灭；故此时只有消毒灯1亮起，对其正下方的桶内医疗废物进行消毒，直至桶盖被打开。

图8  桶盖闭合且桶内有垃圾时示意图

若垃圾桶盖打开，工作人员继续投放医疗废物。此时，接触挤压式开关断开，其余开关也均断开，定时开关此时未作用，仍可看作导线；消毒灯1、消毒灯2均熄灭。如图9所示。

若此时医疗废物收集完毕，工作人员也已清理完桶内医疗废物，并将对垃圾桶内腔进行消毒。此时总开关、普通开关、挤压接触式开关均处于闭合状态，定时开关可根据实际情况设定闭合时长，如30 min。设定完成后，消毒灯1、消毒灯2亮起，对医疗垃圾桶内腔进行紫外线消毒，直至30 min后停止。如图10所示。

4  结束语

提高医疗废物的高效、规范、安全收集是有效防止病菌传播的重要途径之一，从垃圾桶这一源头出发做好医疗废物的收集处理工作具有重要意义。本文设计了一种医疗垃圾桶装消毒装置，可分别对桶内医疗废物、垃圾桶盖、医疗垃圾桶内腔及桶盖开闭时挤压溢出的有菌空气进行多重消毒。可以为后疫情时代医疗废物的收集处理提供新方法与新技术，具有一定的推广使用价值，为新时代中国特色医疗卫生工作注入新鲜力量。

参考文献：

[1] 冯钦忠，杨世童，刘俐媛，等.《医疗废物消毒处理设施运行管理技术规范》（HJ 1284—2023）解读及实施建议[J].环境工程学报，2023，17（6）：1997-2006.

[2] 罗永彬.微探医疗废物处理现状及对策[J].科技创新与应用，2019（22）：135-136.

[3] 官洪民，李娟.温室育苗微喷灌精量控制系统研发[J].机电一体化，2021，27（Z1）：55-59.

[4] 吴信蔚，洪艺军，刘柳.紫外线在医疗消毒的应用[J].中国照明电器，2023（12）：48-50，63.