CN101294451B - 多功能微环境实验室 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气密、耐腐蚀、室内参数可调节、可用于多种试验场所的多功能微环境实验室。多功能微环境实验室包括实验间、内走廊、外走廊和设备间组成，实验间和内走廊通过充气膨胀密闭门连接；实验间和内走廊之间设置传递窗、采样口、手套装置、转接板、数据转接口，所有部分均采用特殊密封结构；实验间和外走廊之间设置观察窗；实验间围护结构、传递窗、风道、风口为不锈钢整体焊接或玻璃材质制作，满足了实验室材料惰性的要求。实验间设计多个送、排风口，通过改变切换密闭阀门可实现多种气流组织，为模拟多种气流组织的送风效果提供了实验条件。实验间压力衰减符合严密性的规定，即实验室打压至500Pa，20分钟压力衰减不大于50％。

Description

多功能微环境实验室

技术领域

本发明涉及密闭舱室、实验室领域，更具体地说，是涉及一种微环境模拟或提供受控环境的实验室。

背景技术

微环境控制技术近几年来在诸多领域得到了很大的发展。具有微环境控制功能的实验室在相关工作中成为尤为必要的实验条件。室内微生物暴露、仿真模拟实验验证、室内可挥发性有机污染物的研究、消毒方式与消毒效果评价、特殊的密闭舱室环境研究等很多科研项目，均需要级别高、气密性强、耐腐蚀、围护结构表面惰性的实验室作为研究场所来开展工作。另外，近几年计算机仿真技术在航空航天、生物安全等领域得到发展应用，但由于实验室、仪器、设备的欠缺，相当一部分模拟研究结果受到实验场所的限制，得不到实验验证，理论推广性差。

目前为止，大型跨国公司(妥思)、美国大学(麻省理工大学)等建有大尺度的微环境模拟实验室。除了上述提到的两个实验室外，香港理工大学、美国环境保护局、欧洲、日本也建有用于室内空气品质和VOC研究的实验室，实验室材质为惰性的不锈钢或钢化玻璃。我国疾病预防控制中心建有用于微生物暴露试验的实验室，另外清华大学、东华大学等高等院校也建有小体积的不锈钢实验室。目前该类实验室普遍存在如下问题：(1)围护结构密闭性差，泄漏量难以满足气溶胶研究、消毒效果评价等研究需要，可能造成对试验人员、试验样品和外界环境的危害。(2)尺寸大小不一，室内设计参数没有统一标准，难以开展试验条件要求较高的研究项目。(3)功能单一，数量较少，难以满足多种试验需要和实际工作需要。若利用国外同类实验室，导致实验费用过高。而且由于我国经济的发展，也需要建造同类实验室，用于更高水平的科研工作。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术中存在的不足，提供一种气密、耐腐蚀、室内参数可调节、可用于多种试验场所的多功能微环境实验室。

本发明多功能微环境实验室，通过下述技术方案予以实现，由实验间、内走廊、外走廊和设备间构成，实验间、内走廊和外走廊依次连接，实验间与设备间相邻设置；

所述实验间与内走廊通过充气膨胀密闭门连接；实验间与内走廊相邻的侧壁设置传递窗、采样板、手套装置、仪器转接板和数据转接口；实验间与外走廊相邻的侧壁设置观察窗；外走廊内设置工控机；

所述实验间的空调处理机组新风口设置于设备间内，新风口连接总送风管，总送风管内依次设置初效过滤器、表冷器、转轮除湿机、再热器、送风机、中效过滤器、送风密闭阀和送风文丘里变风量阀门，总送风管分别连接第一送风管路、第二送风管路和第三送风管路，所述各送风管路分别设置送风密闭切换阀门，所述各送风管路的送风口分别设置于实验间内；总排风管设置于设备间内，总排风管依次设置密闭阀门、排风机、排风文丘里变风量阀门，总排风管分别连接第一排风管路、第二排风管路、第三排风管路和第四排风管路，所述各排风管路分别设置排风密闭切换阀门，所述各排风管路的排风口分别设置于实验间内，所述各排风口分别设置高效过滤器；

总送风管与总排风管之间设置消毒管路，消毒管路一端设置于送风密闭阀和送风文丘里变风量阀门之间，消毒管路另一端设置于密闭阀门和排风机之间，消毒管路上安装消毒密闭阀门；

走廊空调设备新风口设置于设备间内；新风口连接送风管道，送风管道内设置走廊初效过滤器、走廊表冷器、走廊再热器和走廊送风机，送风管道分别连接内走廊送风口和外走廊送风口，所述送风管道与各送风口之间分别设置送风手动调节阀门；排风管道分别连接内走廊排风口和外走廊排风口，所述排风管道与各排风口之间都设置有高效过滤器和排风手动调节阀门，排风管道内设置排风机和走廊密闭阀门；

所述设备间内设置控制柜和UPS不间断电源，控制柜内设置监测仪表和控制设备，所述控制柜通过电线与外走廊工控机相连。

本发明所述手套装置由有机玻璃安装座、丁氰橡胶手套、橡胶圈组合而成；所述有机玻璃安装座通过密封胶与玻璃连接，利用橡胶圈将丁氰橡胶手套安装于有机玻璃底座内走廊一侧，丁氰橡胶手套朝向实验间侧。

本发明所述传递窗为拐角式传递窗，开关方向为90度对开，内带紫外灭菌灯；所述传递窗外围为不锈钢材质，与实验室主体框架焊接，传递窗与墙体之间利用不锈钢圆弧满焊连接；内胆采用不锈钢板折边一次成型嵌入式安装；传递窗门体采用不锈钢板材加厚重叠焊接制作；门体下端装有电磁互锁装置；门体密封采用O型密封环，压紧装置为偏心结构手动压杆；视窗为钢化玻璃一次性贴合。

本发明所述充气膨胀密闭门由门骨架、保温材料、不锈钢蒙皮、充气密封条和常态密封条组成，所述门骨架由设置于四边的门体直型材和设置于四角的门体圆弧型材依次连接构成，充气密封条和常态密封条镶嵌于所述门体直型材和门体圆弧型材的沟槽内，保温材料填充于门骨架内，不锈钢蒙皮设置于保温材料表面。

本发明所述采样板设置有采样口、气溶胶进口和气接口，管径为φ30，全不锈钢结构，各接口与采样板之间采用氩弧焊焊接；各种管路与采样板上接管之间采用满焊连接。

本发明所述仪器转接板采用不锈钢盒式结构，RS232和RS485接口先安装在不锈钢盒内，通讯线通过专用套管连接到RS232和RS485接口；不锈钢盒与墙体之间为焊接。

本发明具有如下有益效果：

1.本发明严格按照国内外相关实验室标准进行设计和建造，微环境实验室包括实验间、内走廊、外走廊和设备间组成，实验间和内走廊通过充气膨胀密闭门连接；实验间和内走廊之间设置传递窗、采样板、手套装置、仪器转接板、数据转接口，所有部分均采用密封结构；实验间和外走廊之间设置观察窗；实验间围护结构、传递窗、风道、风口为316L不锈钢整体焊接或玻璃材质制作，满足了实验室材料惰性的要求。实验间设计多个送、排风口，通过改变切换密闭阀门可实现多种气流组织，为模拟多种气流组织的送风效果提供了实验条件。

2.本发明中采用了电线穿墙密封装置、手套装置、充气膨胀密闭门、不锈钢焊接等密封措施，保证实验间压力衰减符合《the laboratory biosafetyguidelines》(3rd edition 2004，health canada)关于BSL-4实验室实验间严密性的规定，即实验室打压至500pa，要求20分钟内的压力衰减不大于50％；泄漏率满足ISO10648-2标准中三级要求。

3.本发明采用风机变频与文丘里变风量阀门相结合的压力控制方式，保证了压力稳定，实现了实验间正、负压的转换。变频送风机满足实验间的换气次数在5～30次/h之间可进行任意调整的要求。送、排风文丘里阀门用于克服气流组织转换、高效过滤器阻力变化等原因对送、排风机风量的影响。内外走廊送排风安装手动调节阀，保证各房间之间的压力梯度。

4.本发明根据实验室系统的特点，采用两套独立的通风控制系统，一套控制实验间，另外一套控制内、外走廊；系统的新风取自走廊和室内风，这样减少了新风负荷，减小了机组尺寸；采用转轮除湿机，解决了在不同室外条件下，实验间内部湿度的大范围调节的问题。两套通风空调系统实现独立控制，减少故障率，使整体系统有更强的适应性。

5.本发明中采用了自动采样小车、采样板和仪器转接板的方式，最大程度降低了人为因素对实验的影响。

附图说明

图1是本发明的组成示意图；

图2是本发明的设备设置及功能间布局示意图；

图3是本发明穿线密封结构示意图；图4是本发明的控制原理图；

图5是本发明的送风系统原理图；

图6是本发明的排风系统原理图；

图7是本发明的气路系统原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

如图1所示，微环境实验室系统包括实验间1、内走廊2、外走廊3和设备间4组成。

如图2所示，实验间和内走廊通过充气膨胀密闭门5连接；实验间内部设置自动采样小车6，所述小车可实现自动升降和远程遥控；实验间和内走廊之间设置传递窗7、采样板8、手套装置9、转接板10、数据转接口11；实验间顶部设置风口21、22，侧墙设置风口23，侧顶设置矢流风口24；每个风口单独设置密闭阀门，通过不同阀门的开启关闭组合，实验室系统可实现上送上排、上送侧下排、矢流送侧下排、上对角送上对角排、对角上送对角侧下排等多种气流组织。实验间和外走廊之间设置观察窗12；外走廊内设置工控机13。设备间中部设置有实验间空调处理机组14、走廊空调处理机组15；设备间顶部设置送、排风管道、密闭切换阀门、文丘里变风量阀门、消毒阀门；设备间设置有用于实验室供气的空压机16、储气罐17、真空泵18；设备间设置控制柜19、UPS不间断电源20，通过电线与外走廊工控机相连。

为保证实验间气密性要求，内部围护结构采用整体不锈钢焊接结构，穿线、接口、传递窗、手套装置等均采用了特殊的密封方式；如图3所示，电线穿墙密封装置由不锈钢电气盒25、穿线的不锈钢方管26、航空插件27、电线、防水插座28组成。不锈钢电气盒焊接于实验间不锈钢壁面上，不锈钢方管焊接于不锈钢电气盒上，航空插件通过密闭胶垫与不锈钢方管连接，防水插座通过电线与航空插件内端连接，航空插件外端连接室外电源。手套装置由有机玻璃安装座、丁氰橡胶手套、橡胶圈组合而成；所述有机玻璃安装座通过密封胶与玻璃连接，利用橡胶圈将丁氰橡胶手套安装于有机玻璃底座内走廊一侧，丁氰橡胶手套朝向实验间侧。

根据实验室系统的特点，由于实验间较内、外走廊参数控制精度要求较高，因此采用两套独立的通风控制系统。两套通风空调系统要实现独立控制，减少故障率，使整体系统有更强的适应性。两套系统均为全新风直排系统，考虑到节能和机组尺寸的原因，系统的新风取自走廊和室内风，减少了新风负荷，减小了机组尺寸。如图4所示，实验间空调设备将新风依次经进风口初效过滤器32、表冷器33、转轮除湿机34、再热器35、送风机36、中效过滤器37、送风密闭阀38、文丘里变风量阀门39、切换阀门40送入实验间；排风利用排风口、高效过滤器、密闭切换阀门、文丘里变风量阀门41、排风机42和密闭阀门43排放至大气。同时，由于实验间内部湿度要求变化范围较大，普通表冷除湿、蒸汽除湿机组很难满足要求，采用了具有除湿量大，效率高的转轮除湿机34。加湿采用可调节电极加湿器实现。为满足实验后熏蒸消毒的要求，在总送、排风管道之间设置消毒旁路管道，管道上设置消毒密闭阀44，平时关闭状态，消毒时打开，使得消毒气体在实验间内部循环消毒。

如图5、6所示，实验间采用送风机变频与文丘里变风量阀门相结合的压力控制方式。送风机采用变频风机，通过变频调整实验室送风量，满足模实验间的风量要求5～30次/h之间可进行任意调整。送、排风安装文丘里变风量阀门39、41，送风文丘里阀门通过两端位置反馈值，确定送风量的精确值，排风文丘里阀门根据实验室内部压力作为反馈值，通过调节实现实验室压力始终稳定在设定压力的精度范围内。实验间空调处理机组新风口设置于设备间内，新风口连接总送风管，总送风管内依次设置初效过滤器、表冷器、转轮除湿机、再热器、送风机、中效过滤器、送风密闭阀和送风文丘里变风量阀门，总送风管分别连接第一送风管路、第二送风管路、第三送风管路，所述各送风管路分别设置送风密闭切换阀门，所述各送风管路的送风口分别设置于实验间内；总排风管设置于设备间内，总排风管依次设置密闭阀门、排风机、排风文丘里变风量阀门，总排风管分别连接第一排风管路、第二排风管路、第三排风管路和第四排风管路，所述各排风管路分别设置排风密闭切换阀门，所述各排风管路的排风口分别设置于实验间内，所述各排风口分别设置高效过滤器；

总送风管与总排风管之间设置消毒管路，消毒管路一端设置于送风密闭阀和送风文丘里变风量阀门之间，消毒管路另一端设置于密闭阀门和排风机之间，消毒管路上安装消毒密闭阀门；

走廊空调设备新风口设置于设备间内；新风口连接送风管道，送风管道内设置走廊初效过滤器、走廊表冷器、走廊再热器、走廊送风机，送风管道分别连接内走廊和外走廊送风口，所述送风管道与送风口之间分别设置送风手动调节阀门；排风管道分别连接内走廊和外走廊排风口，所述排风管道与排风口之间分别设置高效过滤器、排风手动调节阀门，排风管道内设置排风机、走廊密闭阀门；内外走廊送排风安装手动调节阀54、55、56、57，通过手动调节阀门开度，保证各房间之间的压力梯度。

温度通过设在实验间内部的温度传感器，将室内的温度信号反馈给空调机组，调节表冷器冷冻水流量实现调节根据温度控制精度的不同，表冷器后端的再热器通过可控硅调节加热量，实现对实验间内部温度微调节的作用。

湿度控制流程为：通过转轮除湿机组、表冷器除去新风中的含湿量，同时根据实验间内湿度传感器的反馈值，调节电极加湿器实现实验室内部湿度稳定。

如图7所示，微环境实验间气路系统分为两路：一路为普通空气，主要为充气膨胀密闭门供气。另一路为洁净空气，主要保证实验室用气需要和实验室打压实验使用，该路气体由储气罐17流出后，需要经过初、中、高效45、46、47过滤后送入实验室内，过滤器与管道之间采用卡箍方式联接。气路系统主要有空气压缩机16、储气罐17、真空泵18、压力控制开关、截止阀49、减压阀50、过滤器，电磁阀51、气管道等组成。除了作为末端截止阀的不锈钢球阀位于实验室内，其他设备和管路均位于设备间。气路管道采用卫生级不锈钢管道，所有截止阀均采用密闭的不锈钢球阀。

充气膨胀密闭门控制流程：

关门控制：PLC→关门动作→行程开关动作→延时3～5s→门吸动作延时3～5s→充气门充气→压力开关动作→工控机显示充气状态→门关闭灯亮。

开门控制：PLC→开门信号→电磁阀门动作→放气→压力开关给工控机显示失压→门吸失电→开门指示灯亮。

紧急停机状态时，开关门动作失效。门处于关闭状态，如果开门信号发出30s后，并未开门，则重复关门行程。

监测与控制系统：通过工控机和PLC相结合的方式，实现对实验室整体系统的自控控制和操作。监测和控制设备集成于控制机柜内，控制机柜位于设备间内，工控机位于外走廊，通过工控机的触摸屏，实现对系统的自动控制和监测；使用Siemense的WINCC组态软件编制了用户界面友好、易于使用和维护的自动监测和控制系统界面，可实时监测和控制送排风系统的运行情况。软件的功能包括：实现系统要求控制流程、实时画面报警、采集通讯、检测流程画面、报表、打印、趋势曲线设计、故障报警和故障查询、使用操作培训。

自动控制系统：通过门控制器、变频器、调功器、压力传感器、温湿度传感器等设备，实现了充气膨胀密闭门的自动充放气功能、房间压力控制、温湿度控制等功能，各功能控制之间相互协调，将故障减少到最小范围，测量的压力、温度、设备状态等由上位计算机采集、管理。

Claims (6)

1.一种多功能微环境实验室，其特征是，由实验间、内走廊、外走廊和设备间构成，实验间、内走廊和外走廊依次连接，实验间与设备间相邻设置；

所述实验间与内走廊通过充气膨胀密闭门连接；实验间与内走廊相邻的侧壁设置传递窗、采样板、手套装置、仪器转接板和数据转接口；实验间与外走廊相邻的侧壁设置观察窗；外走廊内设置工控机；

所述实验间的空调处理机组新风口设置于设备间内，新风口连接总送风管，总送风管内依次设置初效过滤器、表冷器、转轮除湿机、再热器、送风机、中效过滤器、送风密闭阀和送风文丘里变风量阀门，总送风管分别连接第一送风管路、第二送风管路和第三送风管路，所述各送风管路分别设置送风密闭切换阀门，所述各送风管路的送风口分别设置于实验间内；总排风管设置于设备间内，总排风管依次设置密闭阀门、排风机、排风文丘里变风量阀门，总排风管分别连接第一排风管路、第二排风管路、第三排风管路和第四排风管路，所述各排风管路分别设置排风密闭切换阀门，所述各排风管路的排风口分别设置于实验间内，所述各排风口分别设置高效过滤器；

总送风管与总排风管之间设置消毒管路，消毒管路一端设置于送风密闭阀和送风文丘里变风量阀门之间，消毒管路另一端设置于密闭阀门和排风机之间，消毒管路上安装消毒密闭阀门；

走廊空调设备新风口设置于设备间内；新风口连接送风管道，送风管道内设置走廊初效过滤器、走廊表冷器、走廊再热器和走廊送风机，送风管道分别连接内走廊送风口和外走廊送风口，所述送风管道与各送风口之间分别设置送风手动调节阀门；排风管道分别连接内走廊排风口和外走廊排风口，所述排风管道与各排风口之间都设置有高效过滤器和排风手动调节阀门，排风管道内设置排风机和走廊密闭阀门；

所述设备间内设置控制柜和UPS不间断电源，控制柜内设置监测仪表和控制设备，所述控制柜通过电线与外走廊工控机相连。

2.根据权利要求1所述的多功能微环境实验室，其特征是，所述传递窗为拐角式传递窗，开关方向为90度对开，传递窗内设置紫外灭菌灯，所述传递窗外围为不锈钢材质，与实验间主体框架焊接，传递窗门体下端装有电磁互锁装置。

3.根据权利要求1所述的多功能微环境实验室，其特征是，所述手套装置由有机玻璃安装座、丁氰橡胶手套、橡胶圈组合而成；所述有机玻璃安装座通过密封胶与实验间侧壁连接，丁氰橡胶手套通过橡胶圈固定于有机玻璃底座的内走廊一侧，丁氰橡胶手套位于实验间内。

4.根据权利要求1所述的多功能微环境实验室，其特征是，所述采样板设置有采样口、气溶胶进口和气接口。

5.根据权利要求1所述的多功能微环境实验室，其特征是，所述仪器转接板采用不锈钢盒式结构，RS232和RS485接口安装于不锈钢盒内，通讯线通过专用套管连接到RS232和RS485接口；不锈钢盒与实验间墙体之间为焊接。

6.根据权利要求1所述的多功能微环境实验室，其特征是，所述空调处理机组除湿采用转轮除湿机；所述转轮除湿机由固体除湿和电加热再生组成。

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