脈動真空滅菌器及其故障的熱力分析暨機電一體化設備的維修特點

馮偉強

(廣西醫科大學第一附屬醫院 設備科，南寧 530021)

1 高壓蒸汽滅菌

1.1 飽和水蒸汽

水沸騰時的溫度叫做沸點，也叫做飽和溫度。沸點狀態下的水稱為飽和水。水的沸點隨著其外部壓力的升高或降低而相應地升高或降低。沸水汽化所生成的蒸汽，其溫度與沸水相同，這種蒸汽叫做飽和蒸汽。飽和蒸汽的壓力稱為飽和壓力。在工業鍋爐中，飽和蒸汽通常是在定壓沸騰狀態下產生的，所以也有將飽和蒸汽定義為在定壓沸騰中產生的、未經歷過熱處理的蒸汽，或簡言之未經過熱處理的蒸汽。

飽和蒸汽具有以下特性:

(1)不含有水分的飽和蒸汽叫做干飽和蒸汽，而含有水分的飽和蒸汽叫做濕飽和蒸汽。含有的水分以飽和水滴或水霧的形式存在。1kg濕飽和蒸汽中含有干飽和蒸汽的質量分數稱為干度，它說明濕飽和蒸汽的干燥程度，以符號 x表示。x的值為0～1。

(2)對于飽和蒸汽來說，壓力和溫度有一一對應關系，當壓力一定時，溫度也就確定下來，反之亦然。通過控制蒸汽的壓力就可以方便地得到所需要溫度的蒸汽。反過來說，所需要的溫度可通過調節蒸汽壓力來實現。

(3)在管道輸送過程中或使用中，飽和蒸汽損失能量而發生狀態變化后，依然未脫離飽和狀態，只是與變化前的壓力、溫度相比較低而處于新的飽和狀態。

濕飽和蒸汽多是在輸送和使用中形成的。例如從鍋爐送出的飽和蒸汽經過管道較長距離的輸送，就會有部分蒸汽程度不等地變成水滴水霧而成為濕飽和蒸汽。在滅菌器系統中，一般不會發生飽和蒸汽變成過熱蒸汽，因為沒有較大幅度快速減壓的條件。

1.2 高壓蒸汽滅菌

利用沸水或飽和水蒸汽使細菌原生質中蛋白質凝固變性，并破壞細菌存活所必需的酶系統，進而殺滅細菌，叫做濕熱滅菌。利用壓力大于常壓的飽和蒸汽釋放的潛熱進行滅菌的方法稱為高壓滅菌法或熱壓滅菌法。它是濕熱滅菌方法之一，為目前研究最多的可靠而有效的滅菌方法。

濕熱滅菌法有以下兩種關系:

(1)溫度與時間的關系。溫度越高，滅菌作用越強，所需的時間就越短。

(2)濕度與水分的關系。濕熱滅菌比干熱滅菌容易殺滅細菌，其特點就是有水分。這是因為蛋白質的凝固需要水分存在，如果有適當的水分存在，即使溫度不高，也可促使蛋白質很快凝固。

在進行高壓蒸汽滅菌時，必須注意以下幾點。

(1)利用高壓蒸汽滅菌，需全部滅菌載物達到規定的溫度后，才能開始計算時間。因此，這就需要有一個預熱過程，即載物開始升溫直至達到所需的滅菌溫度。另外，若滅菌過程中止，或蒸汽壓力下降，或停止供汽，則應自恢復溫度與壓力后重新計時。

(2)必須將滅菌器內的空氣排盡。一是因為盡管通過飽和蒸汽的壓力升高而使蒸汽溫度相應提高，但最終是依靠溫度而不是壓力來達到滅菌目的;如果滅菌器內存在殘余空氣，設定壓力下的滅菌室內溫度不能達到滅菌溫度，造成滅菌失敗。二是因為空氣的絕緣性會阻礙飽和蒸汽向滅菌載物釋放潛熱，削弱飽和蒸汽的滅菌效果。

(3)在高壓蒸汽滅菌時，往往只注意達到所需壓力后滅菌溫度的維持時間，而忽視升溫與冷卻速度。在達到滅菌溫度前的預熱升溫速度有快有慢，達到滅菌溫度后，冷卻的速度也有快有慢，升溫與冷卻的時間都會對滅菌效果產生影響，因此在滅菌操作中對升溫與冷卻時間都有嚴格要求。

2 脈動真空滅菌器

2.1 機電一體化視角

脈動真空滅菌器是典型的現代高壓蒸汽滅菌器。它的基本結構特點是雙門隧道式設計、夾套結構、殼體外附著立式管道。滅菌腔室配備蒸汽伴熱夾套，夾套外有保溫性能良好的材料，對滅菌室有良好的保溫和加熱作用。裝載門和卸載門均采用電動門升降、氣壓密封結構，并有安全聯鎖裝置。當門進入主體齒孔位置時，門才能升降;當門下降到正常密封位置時，壓縮空氣經過門密封閥進入密封槽，將硅橡膠密封圈頂出而緊靠門的內側面，實現門的密封。

機電一體化設備由機械本體和計算機測控系統兩大部分組成。脈動真空滅菌器屬于機電一體化產品，它的“機械本體”除了隧道式殼體 (滅菌室和夾套)、密封門之外，還有蒸汽管道、真空管道、冷凝水排放管道、凈化空氣管道、壓縮空氣管道等系統。一塊CPU板和一塊繼電器板完成PLC功能，采用觸摸屏作為人機界面 (也可視為上位機)，它們與傳感器 (溫度傳感器、門限開關等)和執行器 (繼電器、接觸器、電動機、各種管道上的電磁閥、電動閥等)一起組成計算機測控系統。

脈動真空滅菌器的工作過程或工作實質，就是在PLC的程序控制之下，“機械本體”的各個組成部分按順序協調地動作，使得滅菌室內的熱力狀態按照預定的方案變化。

2.2 幾個重要工步的熱力解析

以日本櫻花Nss－G12W機型及其織物滅菌程序為例，圖1是織物程序工作曲線圖，現對幾個重要的工步作一些解析。

圖1 織物程序工作曲線圖

(1)夾套進汽。夾套溫度的控制是將夾套溫度探頭檢測值與滅菌溫度T比較，讓夾套溫度始終被控制在T附近。參看圖2，當檢測值小于T時，開啟電磁閥S進汽;當檢測值大于T時，關閉S。為了避免檢測值在T附近時閥門的抖動，加數秒的延時。

設備通電后，開啟其上的手動蒸汽閥，這時探頭的檢測值為常溫，故開啟S進汽。蒸汽夾套技術是工業上的常用技術，作用為加熱、保溫。此時進汽是預熱設備。

夾套疏水閥保持持續疏水狀態，但沒有研究表明這是為了維持夾套蒸汽處于飽和狀態，倒可能是防止滅菌時濕包。在脈動進汽和升溫時，夾套蒸汽壓力下降較快，殘留冷凝水會因此沸騰，水滴水霧被夾進滅菌室。還有一種可能是節能考慮，因較低溫度的冷凝水會消耗蒸汽。

停機時，夾套中的蒸汽將自然冷凝并從疏水閥中排出。再開機時，夾套內有常溫下的飽和蒸汽(如果夾套密封不佳可能還有滲入的空氣)。這些空氣在脈動時會隨蒸汽進入滅菌室?？傊瑠A套的密閉性也很重要。

(2)脈動。脈動真空技術是在下排空氣式、預真空等技術上發展起來的，又經過了數十年的實踐檢驗，其排除滅菌室內空氣比較徹底。因為當有空氣混存，滅菌器內溫度低于同樣壓力下由飽和蒸汽產生的溫度，所以真空程度越高，滅菌器能夠達到的滅菌溫度越高。

(3)升溫。脈動之后，飽和蒸汽經進汽電動閥從夾套進入滅菌室對滅菌載物持續加熱升溫，夾套也自動補充蒸汽，保證滅菌室外界穩定的熱環境。室內蒸汽壓力依靠進汽閥的PID調節控制逐步穩定上升，載物的溫度也隨之上升。當室內溫度達到滅菌溫度的設定值后，延時計時器開始計時，繼續對載物加熱升溫，保證所有載物的溫度真正達到設定滅菌溫度值。因為載物的的實際溫度與室內溫度常有一定偏差，故PID調節升溫配合延遲計時，是現代蒸汽滅菌工藝可靠性的重要手段。

此時，滅菌室底部的疏水閥及時排出蒸汽冷凝水。一是防止在排汽時由于室內壓力較快下降滅菌室底部有冷凝水沸騰，造成濕包;二是防止冷凝水浸泡位于滅菌室底部的滅菌室溫度探頭，造成溫度檢測不準。

(4)滅菌。滅菌工步是一個熱力系統的保溫過程。在滅菌計時過程中，軟件監測控制滅菌室溫度。此時，夾套蒸汽自然起著保溫、加熱的作用。軟件的監控作用，首先表現在軟件的自動溫度修正功能上。室內溫度探頭檢測室內溫度，與設置滅菌溫度T比較，偏差經軟件的PID運算形成控制量，調節進汽電動閥的開度，即是否補汽和補充多少。在正常情況下，進汽閥通過PID調節，滅菌室溫度的控制是非常精確的。

軟件上還設置了一些判定條件及其相應地應對措施，以便在非常情況下之用。例如，溫度偏差比較大超出了PID的控制范圍，則可以復位計時，或者在屏上報警“蒸汽供給異?！钡取＼浖倪@部分比較復雜，不同廠家、機型也不盡相同。如果手上缺乏資料，就應該仔細觀察設備運行和故障現象，反復揣摩。

(5)真空干燥。進入此工步，排汽三通電動閥打開，排出室內蒸汽;當室內壓力降低到設定值后，真空泵啟動持續對室內抽真空。在真空下，載物中的冷凝水沸點下降，又在夾套加熱的情況下，冷凝水很容易沸騰變為二次蒸汽，通過電動閥換向被抽出室外。真空持續一段時間，載物即干燥。

(6)平衡。凈化空氣經進汽三通電動閥換向進入滅菌室，室內壓力回升;當室內壓力達到外界大氣壓力值時，進汽閥關閉。此法還可以確保滅菌完畢后載物無污染。實際上，真空干燥和平衡也是一個載物冷卻過程。

3 故障案例

〔案例 1〕設置滅菌溫度 135℃，壓力0.22Mpa，滅菌時間 (維持時間)10min。滅菌器的B－D試驗合格，脈動、升溫正常，滅菌計時正常開始，但滅菌進行到第8min時，運行畫面自動切換回滅菌計時開始的畫面，即重新計時。

經向代理商咨詢，得知該設備為了保證滅菌效果，在軟件上有滅菌過程中滅菌室內溫度低于下限值時復位重新計時的設計。因此，發生重新計時故障時，應當對可能引發室內溫度下降的因素由易到難地作排查。首先查看滅菌器進汽壓力表和機上減壓閥后的壓力表 (也是夾套壓力表)，蒸汽供給正常。再查滅菌室的進汽、排汽、疏水管道以及設備周圍，沒有發現蒸汽外泄漏。進一步檢查壓縮空氣管道，判斷方法就是在發生故障時，關閉壓縮空氣儲氣罐向兩扇門的密封槽供氣管道上的手動閥門，如果其后的壓力表讀數快速下降，說明因為關閉后沒有補充，壓縮空氣由密封圈處很快泄漏進滅菌室了。

拆下裝載門和卸載門的硅橡膠密封圈，仔細檢查，發現其中一條在壓入密封槽一側有一小裂口，更換后滅菌器工作恢復正常。

〔案例2〕觀察設備運行情況，發現在滅菌時間上在排汽管道與滅菌器外壁的連接法蘭處 (參看圖3)有少量蒸汽外泄漏，但設備工作正常。過后拆開檢查，原來為石棉墊片破損。

4 案例分析

4.1 基本理論

將滅菌室視為一個熱力學系統，計時開始時刻，室內的飽和蒸汽處于一種熱力平衡態。此時，壓力為0.22MPa，溫度135℃，體積定值，蒸汽質量一定。如果發生故障，系統的平衡態將被破壞。

本文的討論有兩個基本點: (1)如果壓力和溫度變化得不多，飽和蒸汽發生變化后未脫離飽和狀態，只是與變化前的壓力、溫度不同而處于一種新的飽和狀態。(2)飽和蒸汽的壓力和溫度有一一對應關系;兩者有一發生了改變，說明蒸汽已變化到新的飽和狀態。

按照道爾頓定律，混合氣體的總壓力等于各組成氣體的分壓之和，而每一組成氣體的分壓力等于該氣體獨占混合氣體原有體積時的壓力，或者說，與混合氣體有相同的溫度體積時的壓力。設混合氣體含有n種氣體，即

滅菌室內的飽和蒸汽可以看作n個質量組成，也可以寫成積分M=∫dM。這樣一來，就可以說，飽和蒸汽的總壓力等于若干個或無數個組成質量的分壓力之和。

由于室內溫度與常溫相比不算低，壓力與常壓相比不算高，所以也可以理想氣體狀態方程來作定性說明。設總質量M=M1+M2+M3+…+Mn，即

由此可見，減去一些組成質量，或者加上一些等溫或高溫組成質量，飽和蒸汽的總壓力會發生下降或上升，溫度會相應地發生下降或上升，系統因此變成另一個飽和狀態。如果有少量冷空氣進入系統，則必有部分蒸汽向冷空氣釋放潛熱并轉化為冷凝水，系統損失蒸汽質量而溫度因此下降。這相當于一些冷空氣置換了部分蒸汽。

4.2 熱力模型和故障成因

圖2為滅菌器的熱力示意圖。滅菌器的裝載門和卸載門各有一條硅橡膠密封圈，工作方式相同。如圖2所示，無論裝載門或卸載門，隔著密封圈，蒸汽與大氣相鄰，還與壓縮空氣相鄰;經過三位三通電動閥、單向閥及凈化空氣管道，可與凈化空氣相通;經過三位三通電動閥及進汽管道，可與夾套內的蒸汽相通;經過滅菌室疏水管道、疏水閥、單向閥，或排汽管道、單向閥、三位三通電動閥，可與大氣相通。隔著不銹鋼板，滅菌室內的蒸汽與夾套內的蒸汽相鄰。

圖3為滅菌室的熱力模型。這是一個開放系統。圖中給出了系統與外界進行物質交換的三種可能。如果滅菌室與密封槽之間的密封隔離不良，則有壓縮空氣向室內泄漏。如果密封圈頂向內門板的那個面有破損或者臟，造成密封隔離不良，則有蒸汽向大氣泄漏。如果進汽、排汽、疏水管道和相關閥門存在內漏或外漏，則室內蒸汽也會向大氣泄漏。通過進汽電動閥，夾套可向滅菌室供汽。

圖2 滅菌器的熱力示意圖

圖3 滅菌室的熱力模型

假設由于某種原因滅菌室進了少量壓縮空氣(冷空氣)，待充分平衡后空氣與蒸汽等溫。這時，由于損失了部分飽和蒸汽，故室內蒸汽 (處于另一個飽和狀態)壓力下降，系統溫度下降了些許，而室內總壓力等于蒸汽分壓與空氣分壓之和。再有少量冷空氣滲入室內，又待充分平衡后這些空氣與混合氣體等溫，系統溫度再次下降……如此重復不已，滲入空氣的質量越來越大，損失的蒸汽質量越來越多;系統總壓力中空氣分壓越來越高，而蒸汽分壓越來越低;系統溫度越來越低。

壓縮空氣的泄漏是持續的，冷空氣不斷地進入室內，混合氣體的溫度持續下降。另一方面，夾套內的飽和蒸汽有溫度控制，其溫度始終被控制在滅菌溫度135℃附近，壓力為0.22Mpa。當室內溫度下降時，夾套蒸汽會通過不銹鋼板向室內傳遞熱。熱傳遞的效果一是直接使混合氣體的溫度上升，二是讓一些冷凝水產生二次蒸汽，結果是混合氣體溫度回升。更重要的是，當室內溫度下降時，室內溫度的PID控制會通過電動閥M由夾套補充蒸汽，促使混合氣體溫度溫度回升。(同時，夾套溫度控制也會打開電磁閥S向夾套補充蒸汽)。由此可見，當存在壓縮空氣向室內泄漏時，有三個因素共同作用于室內的混合氣體。

滅菌效果是滅菌溫度和滅菌時間共同作用的結果。如果泄漏量比較弱小，那么上述三個因素共同作用的結果是，室內溫度被控制于能夠保證滅菌效果的滅菌溫度附近，或者混合氣體的溫度下降得非常緩慢，從而僥幸通過滅菌工步。如果泄漏量稍大些，那么三個因素共同作用的結果是，室內這個熱力學系統就要經歷一個非平衡過程，不斷地產生一些溫度較低、更低的混合氣體，而且不斷地聚集到位于滅菌室底部的溫度傳感器附近。滅菌器在滅菌計時過程中，軟件監測室內的溫度，利用軟件的自動溫度修正功能來保證滅菌效果。當溫度低于保證滅菌效果的下限時，軟件就會復位重新計時。這就是案例1的情形。

由于密封圈、閥門、管道等密封不良，而出現的飽和蒸汽向大氣泄漏是持續的，蒸汽質量的流失是連續的。根據基本理論，室內的壓力、溫度下降是持續的、連續的。顯然，與上面壓縮空氣泄漏情形的討論非常相似，只是將壓縮空氣泄漏影因素換成飽和蒸汽泄漏因素而已，而且情況沒有那么復雜，因為是單一氣體問題。如果泄漏量比較弱小，那么滅菌器勉強通過滅菌工步。這是案例2的情形。

4.3 小結

無論是壓縮空氣泄漏還是飽和蒸汽泄漏，事實上，如果泄漏量比較大，恐怕連B－D試驗都通過不了 (或者不合格)。如果泄漏量比較小，則BD、滅菌都能夠通過，只是存在一種故障隱患而已，例如案例2。如果泄漏量在這兩者之間，那么可能B－D合格但滅菌通不過，作為一種故障表現，例如案例1。這是因為B－D的保溫時間較短(例如 3.5min)，而滅菌時間較長 (例如 8～10min)。對于這種故障，各個廠家、機型的軟件設計、處理不盡相同，這一點在維修工作中應當注意。

對于案例1，筆者一直有一些糾結。當初，由于缺乏經驗和資料，在現場沒有注意查看滅菌室的壓力表。根據滅菌室壓力表的讀數、飽和蒸汽的壓力與溫度的對應關系、分壓原理和具體設備對壓力與溫度的控制、處置方式，綜合分析，應該能夠敏銳地意識到這是壓縮空氣泄漏問題，然后就可以進一步核查。這樣進行診斷的原理和方法前面都已涉及。此為應用熱力分析來幫助診斷故障的問題。

5 機電一體化設備的維修特點

機電一體化設備都有故障自診斷功能，一般情況下發生故障時都有報警信息出現，按照說明書中的故障處理方法檢查，大多數的故障都能找到解決辦法。但在實際工作中，也會遇到一些故障沒有報警信息。這類故障有時診斷起來比較困難，需要仔細觀察故障現象，熟悉設備的結構和工作原理，分析各種動作的順序關系和在自動運行時各個動作所必須滿足的邏輯條件。

為了細化無報警故障的維修原則，從維修的角度考慮，可以將機電一體化設備分為機械本體和計算機測控兩大部分。熟悉設備結構和工作原理，分析各種動作，首先應該對設備的機械本體有一個比較深刻的理解。應當注意的是，機電一體化發展到今天，機械本體已經是一個廣義的概念。例如，它不僅僅限于作機械運動，還可能作其它物理運動和化學運動等，而其它物理運動又可能是熱運動、電磁運動等，現在使用機械本體這個詞只是歷史沿用而已。要比較深刻地理解機械本體，需要一定的相關的數學、物理、化學基礎，對機械工程、熱力工程、電磁場工程、放射性醫學工程等工程應用有較好的理解。

計算機測控系統主要有傳感器、計算機、執行器等組成部分。對計算機的硬件組成和工作原理，對軟件中的流程、功能、設置等內容，盡管不需要達到設計水準，但還是有一定的要求。對于傳感器和執行器，它們的安裝位置、功能作用和動作原理，應該清楚。

由于機電一體化技術具有綜合性和系統性，新的技術、元器件層出不窮，所以一般地說，機電一體化設備的維修遠比傳統的機械設備、機電設備、熱力設備、電氣設備、電子設備以及電氣線路、電子電路、管道等的維修復雜。這在本文的案例中也略見一斑。但是，科學技術是具有繼承性的。長期以來在維修傳統設備及電路、管道過程中積累起來的經驗、方法，在維修機電一體化設備中還是非常有用的。關鍵是要充分地認識機電一體化設備的新特點，充分地運用傳統維修的經驗和方法。只有這樣，在機電一體化設備的維修中才可能比較順利。

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