CN107648625A - 高效高可用的脉动真空灭菌器和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高效高可用脉动真空灭菌器和方法，灭菌器由外/内锅压力和温度传感器组、外/内锅阀组、真空泵、真空罐阀组和压力传感器、主控模块、通信模块组成。真空罐辅助真空泵抽真空提高了真空度，内锅真空度的阶跃提升有利于空气排出；真空泵的连续工作方式使真空泵效能和可靠性得到提高。灭菌流程中的升温升压工序，采用开关+积分分离的多模分段温控算法，兼顾灭菌效率和品质。检测内锅温度和气压，获空气残留率；残留率超限，灭菌器降级使用，即延長抽真空时间；提高灭菌器的可用性。

Description

高效高可用的脉动真空灭菌器和方法

技术领域

本发明属医用灭菌器技术范畴。特指真空罐辅助真空泵抽真空，参照空气残留率调整操作参数、判定设备状态，多模分段温控的脉动真空灭菌器和方法。

背景技术

医疗器械是血液、消化道传播致病微生物--艾滋病病毒(HIV)、乙型肝炎病毒(HBV)、丙型肝炎病毒(HCV)--的传染媒介；灭菌操作中的纰漏瑕疵，定将危及患者和医务人员的健康。随着手足口病、H1N1、H7N9、SARS等烈性病毒的肆虐蔓延，医疗器械灭菌的重要性与日俱增；目前，医用灭菌器无一例外列入了各级医疗单位的标配设备名录。灭菌方法分为物理和化学灭菌两大类；化学灭菌有甲醛、臭氧和环氧乙烷等方法；物理灭菌方法则有过滤、烧灼、微波、红/紫外线、电离辐射、γ射线、热力等；热力灭菌法又可细分成干/湿热灭菌两个子类，多维度考量现有灭菌方法的经济性、安全性、易用性，效率和灭菌率，热力灭菌法更胜一筹。干/湿热灭菌机理的相同点是借助高温，使微生物蛋白质和酶类发生变性致其死亡；差异处是：干热使微生物蛋白质氧化、变性、碳化、死亡，湿热则通过微生物蛋白质凝固死亡。鉴于湿热灭菌的温度远低干热，而可靠性和效率远胜干热；故主流灭菌器非湿热莫属。

湿热灭菌法是一种应用最广泛的灭菌方法，悠久的历史可追溯至1880年---世界上第一台蒸汽灭菌器的诞生。百余年的湿热灭菌法历经煮沸、蒸汽、高压蒸汽、巴氏、预真空高压蒸汽、脉动真空高压蒸汽的演变进程。上世纪50年代，仿制生产前苏联外热式手提压力蒸汽灭菌器；70年代，国产压力蒸汽消毒柜问世；80年代初期，国产预真空高压蒸汽灭菌器入市；80年代末期，与美国AMSCO公司合作推出脉动真空高压蒸汽灭菌器。外热式手提压力蒸汽灭菌器类似家用压力锅，安全系数低，灭菌时间长且不彻底，因价位低廉在基层医疗单位仍占一席之地；压力蒸汽消毒柜的蒸汽从上而下注入柜中，冷空气从底部排气孔排出，蒸汽取而代之，灭菌时间较长、效果欠佳，属边缘化产品；预真空高压蒸汽灭菌器将容器一次抽成深度真空，导入蒸汽，灭菌效率和品质得到质的提升，遗撼的是需价格昂贵的特殊真空泵，运维费用不菲，推广前景暗淡。

针对预真空灭菌器的缺陷，脉动真空灭菌器另辟蹊径--汲取基于深度抽真空技术的预真空灭菌法精髓，推出多次抽真空技术的脉动真空灭菌法--这是湿热灭菌器领域的重大技术突破。脉动真空法的流程包括准备、脉动真空、升温升压、恒温灭菌、排气、干燥和无菌，共七个工序；除脉动真空工序外的其余六个工序，沿袭继承预真空法；所谓的“重大技术突破”聚焦脉动真空工序展开。脉动真空工序对应预真空法的深度真空工序；深度真空工序中真空泵一次抽真空至(101.33-98.64)Kpa，设备的密封技术难度大，而且存在小装量效应。脉动真空工序中真空泵抽真空至(101.33-(93.31～95.98))Kpa，蒸汽导入灭菌器，压力升至(101.33+27)Kpa(灭菌器一大一小气压进程谓之脉动循环)；真空泵再次抽气至低压状态、蒸汽再次导入升压，周而复始，如此反复脉动循环3～5次，脉动真空达到的空气排除率等于、往往优于一次抽真空至2.69Kpa的空气排除率。

脉动真空法通过真空泵生成真空，灭菌室内的冷空气因真空泵形成的内外气压差而被抽出；压力蒸汽消毒柜被动地利用重力置换灭菌室内的冷空气，灭菌室死角和待灭菌医疗器械微小空隙内的冷空气极难排尽，阻碍蒸汽的穿透性，影响灭菌效果。脉动真空法通过3～5次的脉动循环，真空度≥98％；饱和蒸汽充分接触待灭菌的医疗器械，蒸汽冷凝释放潜热(2.27KJ/g)生成冷凝液液膜，冷凝潜热通过液膜传给医疗器械；液膜具有良好的热传导性，蒸汽加热医疗器械、以及医疗器械所带的微生物，尤其与表面微生物发生水合作用，加速致病微生物的死亡，提升灭菌质量、缩短灭菌时间。

脉动真空灭菌器的全球知名企业有：德国MELAG、瑞典GETINGE、意大利JUST、奥地利Bmax、以色列Tuttnaue；灭菌指标达EM13060的B级。国产灭菌器企业有山东新华医疗器械股份有限公司，连云港千樱医疗设备有限公司；前者引进美国技术，后者技术源自日本。灭菌器执行医药标准《小型蒸汽灭菌器自动控制型》(YY 0646-2008)，国家标准《大型蒸汽灭菌器技术要求自动控制型》(GB8599-2008)。脉动真空灭菌器由配置密封门的双层高压容器---内/外锅、内/外锅的温度和压力传感器、内/外锅的蒸汽进气比例阀、内/外锅的排气电磁阀、内锅的真空电磁阀和真空泵、内锅的干燥进气电磁阀和过滤器，灭菌器控制器组成。脉动真空灭菌器灭菌率高，易用可靠，代表灭菌器行业的最新科技成果；但使用中也逐渐暴露出亟待改进的两大缺陷：灭菌器的处理量(效率)差強人意，设备的可用性广受垢病。

现以3次脉动循环的灭菌器为例，论述上述缺陷的渐进创新解决方案。提高灭菌器效率的两举措：立足现有灭菌器结构，增设真空罐、辅助真空泵抽真空；剖析灭菌流程特点，实施多模分段温控。提升灭菌器可用性的两举措：基于空气残留率，调整操作参数转降级运行和预警；综合灭菌器设备状态和空气残留率，实施操作参数二次调整(延長灭菌时间)和报警。解决方案论述如下：

在脉动真空灭菌器基础上增设真空罐，真空罐的气路一分二：一路经真空罐的真空电磁阀至真空泵入口，另一路经真空罐的进气电磁阀至内锅的真空管线。非内锅抽真空流程时：内锅的真空电磁阀和真空罐的进气电磁阀失电，真空罐的真空电磁阀得电，真空泵对真空罐抽真空。内锅抽真空流程时：真空罐的真空电磁阀失电，真空罐的进气电磁阀和内锅的真空电磁阀得电，内锅气体的一路经内锅的真空电磁阀由真空泵抽出，另一路经真空罐的进气电磁阀向真空罐扩散；当内锅气压≤真空罐气压时，真空罐的进气电磁阀失电，真空泵抽内锅气体。升温升压和恒温灭菌工序：被控对象是内锅温度，属经典的夹套加热二阶模型控制，技术成熟；剖析升温升压工序，提出0～70％升温值、开关量控制，70％～95％升温值、P控制，95％～100％升温值、PI控制。根据内锅的温度和气压，获取空气残留率；若空气残留率超限，灭菌器降级使用---增加内锅抽真空的时间，进入降级状态和预警。降级状态下灭菌器，根据内锅的温度和气压，获取空气残留率；若空气残留率再超限，延長灭菌时间和报警。脉动真空灭菌器较有代表性的知识产权成果综述如下：

·发明专利“一种脉动真空压力蒸汽灭菌器”(ZL201410767708.X)，提出夹套和内室分别由蒸汽发生装置提供蒸汽，使进入内室的蒸汽速度快，减短灭菌器的工作时间；夹套压力处于稳定的状态，蒸汽温度也保持稳定。

·发明专利“一种基于模糊控制的脉动真空灭菌器的智能控制方法”(申请号201510121673.7)，提出传统PID基础上，引入增益调整型模糊推理机，对脉动真空灭菌器温度控制。

·发明专利“脉动真空灭菌器固态并行加热装置”(ZL201210151922.3)，提出灭菌器固态并行加热装置，汽化器的加热元件和换热元件平行排列，有效增加了换热面积，加热稳定、热交换迅速。

上述有益探索，有一定的参考价值，但探索成果仍存在局限。因此，有必要立足现有研究成果、在提高灭菌器效率和可用性上作深入的研究。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种高效高可用的脉动真空灭菌器和方法。

高效高可用脉动真空灭菌器由外锅压力和温度传感器组、内锅压力和温度传感器组、外锅阀组、内锅阀组、真空泵、真空罐阀组和压力传感器、主控模块、通信模块组成，灭菌器采用内/外锅的双锅体结构，真空罐为密闭罐体，蒸汽发生器提供灭菌器的高压蒸汽；外锅压力和温度传感器组包括外锅压力传感器、外锅温度传感器，内锅压力和温度传感器组包括内锅压力传感器、内锅温度传感器，外锅阀组包括外锅蒸汽进气比例阀、外锅排气电磁阀、外锅疏水电磁阀，内锅阀组包括内锅蒸汽进气比例阀、内锅排气电磁阀、内锅真空电磁阀、内锅空气进气电磁阀和干燥过滤器，真空罐阀组和压力传感器包括真空罐进气电磁阀、真空罐真空电磁阀、真空罐压力传感器；内锅真空管线经内锅真空电磁阀接真空泵，真空罐真空管线经真空罐真空电磁阀接真空泵，内锅真空管线的出口经真空罐进气电磁阀、接真空罐真空管线的出口；内锅空气进气电磁阀经干燥过滤器与大气相通；

外锅压力和温度传感器组、内锅压力和温度传感器组、外锅阀组、内锅阀组、真空泵、真空罐阀组和压力传感器与主控模块相连，主控模块经通信模块与监控中心相连；外锅压力传感器、外锅温度传感器、内锅压力传感器、内锅温度传感器分别接入端子AI₁₁₀、AI₁₂₀、AI₂₁₀、AI₂₂₀，外锅蒸汽进气比例阀、外锅排气电磁阀、外锅疏水电磁阀分别接入端子AO₃₁₀、DO₃₂₀、DO₃₃₀，内锅蒸汽进气比例阀、内锅排气电磁阀、内锅真空电磁阀、内锅空气进气电磁阀分别接入端子AO₄₁₀、DO₄₂₀、DO₄₃₀、DO₄₄₀，真空泵的控制端接入端子DO₅₀₀，真空罐进气电磁阀、真空罐真空电磁阀、真空罐压力传感器分别接入端子DO₆₁₀、DO₆₂₀、AI₆₃₀；真空罐压力传感器安装在真空罐内壁；高效高可用脉动真空灭菌器的真空罐辅助真空泵抽真空，参照空气残留率--调整操作参数、判定设备状态，实施多模分段温控。

所述的内锅压力传感器以内置信号调理电路的MPX5700AP芯片为核心，MPX5700AP脚2、3分别接地、5V，R₂₁₀、C₂₁₀、端子AI₂₁₀相连，R₂₁₀的另一端接MPX5700AP脚1、C₂₁₀的另一端接地；MPX5700AP的输出信号经R₂₁₀C₂₁₀滤波处理后接端子AI₂₁₀，主控模块AD转换R₂₁₀C₂₁₀滤波处理后的信号；外锅压力传感器、真空罐压力传感器，与内锅压力传感器相同，输出信号滤波处理后分别接端子AI₁₁₀、AI₆₃₀。

所述的内锅温度传感器以脉宽调制PWM输出方波信号的TMP05/06芯片为核心，TMP05/06脚3和4、5分别接地、5V，TMP05/06脚1接端子AI₂₂₀；主控模块的计数器0、1初始化，通过端子AI₂₂₀拉为低电平、然后释放，置高电平；计数器0工作、计时T_H；通过端子AI₂₂₀再置低电平，计数器1启动，计时T_L；根据公式得t(℃)＝421–751×T_H/T_L；外锅温度传感器、与内锅温度传感器相同，外锅温度传感器的输出信号接端子AI₁₂₀。

所述的内锅排气电磁阀的驱动模块以220D02交流固态继电器SSR为核心，市电AC的一端与交流固态继电器SSR的交流端1相连，交流固态继电器SSR的交流端2、经内锅排气电磁阀的电磁线圈、与市电AC的另一端相连；交流固态继电器SSR的直流“+”端接24V，交流固态继电器SSR的直流“-”端与三极管Q₄₂₀集电极相连，三极管Q₄₂₀发射极经R₄₂₁接地、三极管Q₄₂₀基极经R₄₂₂接端子DO₄₂₀；内锅真空电磁阀和内锅空气进气电磁阀的驱动模块、外锅排气电磁阀和外锅疏水电磁阀的驱动模块、真空罐进气电磁阀和真空罐真空电磁阀的驱动模块、与内锅排气电磁阀的驱动模块相同，输出信号分别接端子DO₄₃₀、DO₄₄₀，DO₃₂₀、DO₃₃₀，DO₆₁₀、DO₆₂₀；

外锅蒸汽进气比例阀、内锅蒸汽进气比例阀内嵌信号调理模块，分别接入端子AO₃₁₀、AO₄₁₀。

所述的真空泵的驱动模块以220D02交流固态继电器SSR为核心，市电AC的一端与交流固态继电器SSR的交流端1相连，交流固态继电器SSR的交流端2与真空泵电源的一端相连，真空泵电源的另一端接市电AC的另一端；交流固态继电器SSR的直流“+”端接24V，交流固态继电器SSR的直流“-”端与三极管Q₅₀₀集电极相连，三极管Q₅₀₀发射极经R₅₀₁接地、三极管Q₅₀₀基极经R₅₀₂接端子DO₅₀₀。

所述的主控模块以ATmega128芯片为核心，ATmega128脚61、60、59、58、57分别与端子AI₁₁₀、AI₁₂₀、AI₂₁₀、AI₂₂₀、AI₆₃₀相连，ATmega128脚32、8分别与端子AO₃₁₀、AO₄₁₀相连；ATmega128脚35、36、37、38、39、40、41、42分别与端子DO₃₂₀、DO₃₃₀、DO₄₂₀、DO₄₃₀、DO₄₄₀、DO₆₁₀、DO₆₂₀、DO₅₀₀相连；主控模块经通信模块与监控中心相连。

所述的主控模块以ATmega128芯片为核心，ATmega128脚61、60、59、58、57分别与端子AI₁₁₀、AI₁₂₀、AI₂₁₀、AI₂₂₀、AI₆₃₀相连，ATmega128脚32、8分别与端子AO₃₁₀、AO₄₁₀相连；ATmega128脚35、36、37、38、39、40、41、42分别与端子DO₃₂₀、DO₃₃₀、DO₄₂₀、DO₄₃₀、DO₄₄₀、DO₆₁₀、DO₆₂₀、DO₅₀₀相连；主控模块经通信模块与监控中心相连。

所述高效高可用脉动真空灭菌器的灭菌方法，其特征在于：方法流程包括灭菌方法的初始化流程，灭菌方法的执行流程；

变量说明

内锅真空度internal pan vacuity，Vacuity_IP

真空罐真空度vacuityjar vacuity，Vacuity_VJ

真空度下限vacuitylowerlimit，Vacuity_LL＝101.33-96.33Kpa

真空度上限vacuityupper limit，Vacuity_UL＝101.33Kpa

灭菌压力上限sterilizer pressupper limit，Press_SUL＝220Kpa

灭菌器状态sterilizerstate，State_sterilizer，0/1/2＝正常/降级/故障初始化＝0

降级真空延时degradevacuitydelay，Delay_DV＝15S

恒温灭菌时间constant temperature sterilizer time，Time_CTS＝5min

故障恒温灭菌延时error constant temperature sterilizer delay，

Delay_ECTS＝5min

温控设定值temperature control set point，Set point_TC＝314

温控量变化上限temperature control change upper limit，Change_TCUL＝⊿U

算法说明：

①真空罐辅助真空泵的脉动循环：

①-1内锅真空电磁阀和真空罐进气电磁阀得电、真空罐真空电磁阀失电，内锅蒸汽进气比例阀关闭

内锅气体由真空泵抽出，向真空罐扩散

如Vacuity_IP≤Vacuity_LL，转“①-3”

如Vacuity_IP＞Vacuity_VJ，转“①-1”

①-2内锅真空电磁阀得电、真空罐进气电磁阀和真空罐真空电磁阀失电，内锅蒸汽进气比例阀关闭

内锅气体由真空泵抽出

如Vacuity_IP＞Vacuity_LL，转“①-2”

如State_sterilizer≠0，真空泵抽内锅气体延时Delay_DV

①-3真空罐真空电磁阀得电、内锅真空电磁阀和真空罐进气电磁阀失电，内锅蒸汽进气比例阀全开

真空罐气体由真空泵抽出，蒸汽进入内锅

如Vacuity_IP＜Vacuity_UL，转“①-3”

①-4结束；

②升温升压工序的多模分段温控：

②-1 0～70％升温值时

内锅蒸汽进气比例阀全开，即开关量控制

②-2 70％～95％升温值时

内锅蒸汽进气比例阀的开度u(t)＝K_P[e(t)+βK_I∫e(t)dt]，β≡0⊿u＝u(t)－u(t-1)

如ABS(⊿u)＞Change_TCUL，ABS(⊿u)＝⊿U、调u(t)

②-3 95％～100％升温值时

内锅蒸汽进气比例阀的开度u(t)＝K_P[e(t)+βK_I∫e(t)dt]，β≡1⊿u＝u(t)－u(t-1)

如ABS(⊿u)＞Change_TCUL，ABS(⊿u)＝⊿U、调u(t)

②-4 100％升温值时

调用“④灭菌器降级和报警流程”

结束；

③高可用恒温灭菌工序的PI温控：

读温控设定值Set point_TC、恒温灭菌时间Time_CTS

内锅蒸汽进气比例阀的开度u(t)＝K_P[e(t)+K_I∫e(t)dt]持续Time_CTS

调用“④灭菌器降级和报警流程”

如State_sterilizer＝2，恒温灭菌工序延时Delay_ECTS

结束；

④灭菌器降级和报警流程：

Vacuity_IP＜Press_SUL，转“④-3”

④-1 State_sterilizer＝0时

State_sterilizer＝1，转“④-3”

④-2 State_sterilizer＝1时

State_sterilizer＝2，转“④-3”

④-3结束；

灭菌方法的初始化流程：

Vacuity_LL＝101.33-96.33Kpa、Vacuity_UL＝101.33+27Kpa

Press_SUL＝220+5Kpa、State_sterilizer＝0

Set point_TC＝314、Change_TCUL＝⊿U

Delay_DV＝15S、Time_CTS＝5min、Delay_ECTS＝5min

灭菌方法的执行流程：

1、准备工序

2、3次真空罐辅助真空泵的脉动循环

3、升温升压工序的多模分段温控调用“灭菌器降级和报警流程”

4、高可用恒温灭菌工序的PI温控调用“灭菌器降级和报警流程”

5、排气工序

6、干燥工序

7、无菌工序。

本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：

真空罐辅助真空泵抽真空，抽真空效率倍增，提高了真空度；真空度的阶跃提升有利于空气排出，亦是保证灭菌质量、可用性的举措；真空泵的连续工作方式使真空泵效能和可靠性得到提高。升温升压工序采用开关+积分分离的多模分段温控算法，兼顾灭菌效率和品质。检测内锅温度和气压，获空气残留率；残留率超限，灭菌器降级使用---延長真空工序时间，提高了灭菌器的可用性。

附图说明

图1(a)是高效高可用脉动真空灭菌器的原理框图；

图1(b)是传统脉动真空灭菌器的管路图；

图1(c)是高效高可用脉动真空灭菌器的管路简图；

图2是内锅压力传感器的电路图；

图3是内锅温度传感器的电路图；

图4是内锅排气电磁阀驱动模块的电路图；

图5是真空泵驱动模块的电路图；

图6是主控模块的电路图；

图7(a)是高效高可用脉动真空灭菌方法流程图；

图7(b)是灭菌方法的初始化流程图；

图7(c)是灭菌方法的执行流程图。

具体实施方式

如图1(a)、图1(b)、图1(c)所示，高效高可用脉动真空灭菌器由外锅压力和温度传感器组100、内锅压力和温度传感器组200、外锅阀组300、内锅阀组400、真空泵500、真空罐阀组和压力传感器600、主控模块700、通信模块800组成，灭菌器采用内/外锅的双锅体结构，真空罐为密闭罐体，蒸汽发生器提供灭菌器的高压蒸汽；外锅压力和温度传感器组100包括外锅压力传感器110、外锅温度传感器120，内锅压力和温度传感器组200包括内锅压力传感器210、内锅温度传感器220，外锅阀组300包括外锅蒸汽进气比例阀310、外锅排气电磁阀320、外锅疏水电磁阀330，内锅阀组400包括内锅蒸汽进气比例阀410、内锅排气电磁阀420、内锅真空电磁阀430、内锅空气进气电磁阀440和干燥过滤器441，真空罐阀组和压力传感器600包括真空罐进气电磁阀610、真空罐真空电磁阀620、真空罐压力传感器630；内锅真空管线经内锅真空电磁阀430接真空泵500，真空罐真空管线经真空罐真空电磁阀620接真空泵500，内锅真空管线的出口经真空罐进气电磁阀610、接真空罐真空管线的出口；内锅空气进气电磁阀440经干燥过滤器441与大气相通；

外锅压力和温度传感器组100、内锅压力和温度传感器组200、外锅阀组300、内锅阀组400、真空泵500、真空罐阀组和压力传感器600与主控模块700相连，主控模块700经通信模块800与监控中心相连；外锅压力传感器110、外锅温度传感器120、内锅压力传感器210、内锅温度传感器220分别接入端子AI₁₁₀、AI₁₂₀、AI₂₁₀、AI₂₂₀，外锅蒸汽进气比例阀310、外锅排气电磁阀320、外锅疏水电磁阀330分别接入端子AO₃₁₀、DO₃₂₀、DO₃₃₀，内锅蒸汽进气比例阀410、内锅排气电磁阀420、内锅真空电磁阀430、内锅空气进气电磁阀440分别接入端子AO₄₁₀、DO₄₂₀、DO₄₃₀、DO₄₄₀，真空泵500的控制端接入端子DO₅₀₀，真空罐进气电磁阀610、真空罐真空电磁阀620、真空罐压力传感器630分别接入端子DO₆₁₀、DO₆₂₀、AI₆₃₀；真空罐压力传感器630安装在真空罐内壁；高效高可用脉动真空灭菌器的真空罐辅助真空泵抽真空，参照空气残留率--调整操作参数、判定设备状态，实施多模分段温控。

说明1：考虑表述的完整性，简述传统脉动真空灭菌器的组成。高效高可用脉动真空灭菌器增设真空罐、真空罐阀组和压力传感器，辅助真空泵对内锅抽真空；根据内锅的温度和气压、获空气残留率，调整操作参数、判定设备状态；实施多模分段温控。鉴于表述简洁性，高效高可用脉动真空灭菌器与传统脉动真空灭菌器的相同部分，以及通信模块、监控中心，均属公知知识范畴；文中只提及不展开，图1(c)仅呈现传统脉动真空灭菌器上新增的管路图。

如图2所示，内锅压力传感器210以内置信号调理电路的MPX5700AP芯片为核心，MPX5700AP脚2、3分别接地、5V，R₂₁₀、C₂₁₀、端子AI₂₁₀相连，R₂₁₀的另一端接MPX5700AP脚1、C₂₁₀的另一端接地；MPX5700AP的输出信号经R₂₁₀C₂₁₀滤波处理后接端子AI₂₁₀，主控模块700AD转换R₂₁₀C₂₁₀滤波处理后的信号；外锅压力传感器110、真空罐压力传感器630，与内锅压力传感器210类同，输出信号滤波处理后分别接端子AI₁₁₀、AI₆₃₀。

如图3所示，内锅温度传感器220以脉宽调制PWM输出方波信号的TMP05/06芯片为核心，TMP05/06脚3和4、5分别接地、5V，TMP05/06脚1接端子AI₂₂₀；主控模块700的计数器0、1初始化，通过端子AI₂₂₀拉为低电平、然后释放，置高电平；计数器0工作、计时T_H；通过端子AI₂₂₀再置低电平，计数器1启动，计时T_L；根据公式得t(℃)＝421–751×T_H/T_L；外锅温度传感器120与内锅温度传感器220类同，外锅温度传感器120的输出信号接端子AI₁₂₀。

如图4所示，内锅排气电磁阀420的驱动模块以220D02交流固态继电器SSR为核心，市电AC的一端与交流固态继电器SSR的交流端1相连，交流固态继电器SSR的交流端2、经内锅排气电磁阀420的电磁线圈、与市电AC的另一端相连；交流固态继电器SSR的直流“+”端接24V，交流固态继电器SSR的直流“-”端与三极管Q₄₂₀集电极相连，三极管Q₄₂₀发射极经R₄₂₁接地、三极管Q₄₂₀基极经R₄₂₂接端子DO₄₂₀；内锅真空电磁阀430和内锅空气进气电磁阀440的驱动模块、外锅排气电磁阀320和外锅疏水电磁阀330的驱动模块、真空罐进气电磁阀610和真空罐真空电磁阀620的驱动模块、与内锅排气电磁阀420的驱动模块类同，输出信号分别接端子DO₄₃₀、DO₄₄₀，DO₃₂₀、DO₃₃₀，DO₆₁₀、DO₆₂₀；

外锅蒸汽进气比例阀310、内锅蒸汽进气比例阀410内嵌信号调理模块，分别接入端子AO₃₁₀、AO₄₁₀。

如图5所示，真空泵500的驱动模块以220D02交流固态继电器SSR为核心，市电AC的一端与交流固态继电器SSR的交流端1相连，交流固态继电器SSR的交流端2与真空泵500电源的一端相连，真空泵500电源的另一端接市电AC的另一端；交流固态继电器SSR的直流“+”端接24V，交流固态继电器SSR的直流“-”端与三极管Q₅₀₀集电极相连，三极管Q₅₀₀发射极经R₅₀₁接地、三极管Q₅₀₀基极经R₅₀₂接端子DO₅₀₀。

说明2：出于易记易读考量，文中电磁阀均为常闭型，即失电闭合(断)、得电开启(断)；从安全和节能考量，“常闭型”往往非最佳选择。

如图6所示，主控模块700以ATmega128芯片为核心，ATmega128脚61、60、59、58、57分别与端子AI₁₁₀、AI₁₂₀、AI₂₁₀、AI₂₂₀、AI₆₃₀相连，ATmega128脚32、8分别与端子AO₃₁₀、AO₄₁₀相连；ATmega128脚35、36、37、38、39、40、41、42分别与端子DO₃₂₀、DO₃₃₀、DO₄₂₀、DO₄₃₀、DO₄₄₀、DO₆₁₀、DO₆₂₀、DO₅₀₀相连；主控模块700经通信模块800、与监控中心相连。

说明3：源由论述层次的考量，引入虚拟端子AI_xxx、AO_yyy、和DO_zzz。以端子AI₂₁₀为例：内锅压力传感器MPX5700AP脚1、输出信号经R₂₁₀C₂₁₀滤波后接端子AI₂₁₀，主控模块ATmega128脚59接端子AI₂₁₀；等价于MPX5700AP脚1与ATmega128脚59相连。虚拟端子的命名规则：首字母A(analog)、D(digital)；第2字母I(input)、O(output)；第3、4、5下标序号＝设备序号；信号的输入/出，参照主控模块的MCU。仍以端子AI₂₁₀为例：设备序号是210，即内锅压力传感器；A＝模拟量；I＝输入至MCU。

如图7(a)、图7(b)、图7(c)所示，高效高可用脉动真空灭菌方法流程包括灭菌方法的初始化流程，灭菌方法的执行流程；

变量说明

内锅真空度internal pan vacuity，Vacuity_IP

真空罐真空度vacuityjar vacuity，Vacuity_VJ

真空度下限vacuitylowerlimit，Vacuity_LL＝101.33-96.33Kpa

真空度上限vacuityupper limit，Vacuity_UL＝101.33Kpa

灭菌压力上限sterilizer pressupper limit，Press_SUL＝220Kpa

灭菌器状态sterilizerstate，State_sterilizer，0/1/2＝正常/降级/故障初始化＝0

降级真空延时degradevacuitydelay，Delay_DV＝15S

恒温灭菌时间constant temperature sterilizer time，Time_CTS＝5min

故障恒温灭菌延时error constant temperature sterilizer delay，

Delay_ECTS＝5min

温控设定值temperature control set point，Set point_TC＝314

温控量变化上限temperature control change upper limit，Change_TCUL＝⊿U

算法说明：

①真空罐辅助真空泵的脉动循环(开关量压力控制)：

①-1内锅真空电磁阀430和真空罐进气电磁阀610得电、真空罐真空电磁阀620失电，内锅蒸汽进气比例阀410关闭

内锅气体由真空泵500抽出，向真空罐扩散

如Vacuity_IP≤Vacuity_LL，转“①-3”

如Vacuity_IP＞Vacuity_VJ，转“①-1”

①-2内锅真空电磁阀430得电、真空罐进气电磁阀610和真空罐真空电磁阀620失电，内锅蒸汽进气比例阀410关闭

内锅气体由真空泵500抽出

如Vacuity_IP＞Vacuity_LL，转“①-2”

如State_sterilizer≠0，真空泵500抽内锅气体延时Delay_DV

①-3真空罐真空电磁阀620得电、内锅真空电磁阀430和真空罐进气电磁阀610失电，内锅蒸汽进气比例阀410全开

真空罐气体由真空泵500抽出，蒸汽进入内锅

如Vacuity_IP＜Vacuity_UL，转“①-3”

①-4结束；

②升温升压工序的多模分段温控：

②-1 0～70％升温值时

内锅蒸汽进气比例阀410全开，即开关量控制

②-2 70％～95％升温值时

内锅蒸汽进气比例阀410的开度u(t)＝K_P[e(t)+βK_I∫e(t)dt]，β≡0⊿u＝u(t)－u(t-1)

如ABS(⊿u)＞Change_TCUL，ABS(⊿u)＝⊿U、调u(t)

②-3 95％～100％升温值时

内锅蒸汽进气比例阀410的开度u(t)＝K_P[e(t)+βK_I∫e(t)dt]，β≡1⊿u＝u(t)－u(t-1)

如ABS(⊿u)＞Change_TCUL，ABS(⊿u)＝⊿U、调u(t)

②-4 100％升温值时

调用“④灭菌器降级和报警流程”

结束；

③高可用恒温灭菌工序的PI温控：

读温控设定值Set point_TC、恒温灭菌时间Time_CTS

内锅蒸汽进气比例阀(410)的开度u(t)＝K_P[e(t)+K_I∫e(t)dt]持续Time_CTS

调用“④灭菌器降级和报警流程”

如State_sterilizer＝2，恒温灭菌工序延时Delay_ECTS

结束；

④灭菌器降级和报警流程(升温升压和恒温灭菌工序结束时)：

Vacuity_IP＜Press_SUL，转“④-3”

④-1State_sterilizer＝0时

State_sterilizer＝1，转“④-3”

④-2State_sterilizer＝1时

State_sterilizer＝2，转“④-3”

④-3结束；

灭菌方法的初始化流程：

Vacuity_LL＝101.33-96.33Kpa、Vacuity_UL＝101.33+27Kpa

Press_SUL＝220+5Kpa、State_sterilizer＝0

Set point_TC＝314、Change_TCUL＝⊿U

Delay_DV＝15S、Time_CTS＝5min、Delay_ECTS＝5min

灭菌方法的执行流程：

1、准备工序

2、3次真空罐辅助真空泵的脉动循环

3、升温升压工序的多模分段温控调用“灭菌器降级和报警流程”

4、高可用恒温灭菌工序的PI温控调用“灭菌器降级和报警流程”

5、排气工序

6、干燥工序(真空罐辅助真空泵抽真空)

7、无菌工序。

说明4：不失一般性，本文以3次脉动循环的灭菌器，121℃和134℃两种标准灭菌温度中取后者为例，展开讨论。

真空罐辅助真空泵抽真空提高了真空度，真空度的阶跃提升有利于空气排出，是加大真空深度的充要条件，亦是保证灭菌质量、可用性的举措；与传统脉动真空灭菌器真空泵间歇工作方式不同，高效高可用脉动真空灭菌器的真空泵连续工作，真空泵效能得到提升。真空泵运行时序和脉动循环中内锅压力变化曲线相关内容，请参阅本课题组同时申请的发明专利“真空罐辅助真空泵对内锅抽真空的脉动真空灭菌器和方法”。

升温升压工序采用开关+积分分离的多模分段温控算法，兼顾灭菌器的效率和品质；变结构的抖动和切换函数问题：通过限定控制变化量的工程技术解决。灭菌器使用过程中，腔体密封性降低，但降低呈渐变过程；一定温度条件下，蒸汽中残留空气越多，压力越高。检测内锅温度和气压，获空气残留率；若空气残留率超限，灭菌器降级使用---增真空工序时间，降级使用。

Claims (7)

1.一种高效高可用脉动真空灭菌器，其特征在于灭菌器由外锅压力和温度传感器组(100)、内锅压力和温度传感器组(200)、外锅阀组(300)、内锅阀组(400)、真空泵(500)、真空罐阀组和压力传感器(600)、主控模块(700)、通信模块(800)组成，灭菌器采用内/外锅的双锅体结构，真空罐为密闭罐体，蒸汽发生器提供灭菌器的高压蒸汽；外锅压力和温度传感器组(100)包括外锅压力传感器(110)、外锅温度传感器(120)，内锅压力和温度传感器组(200)包括内锅压力传感器(210)、内锅温度传感器(220)，外锅阀组(300)包括外锅蒸汽进气比例阀(310)、外锅排气电磁阀(320)、外锅疏水电磁阀(330)，内锅阀组(400)包括内锅蒸汽进气比例阀(410)、内锅排气电磁阀(420)、内锅真空电磁阀(430)、内锅空气进气电磁阀(440)和干燥过滤器(441)，真空罐阀组和压力传感器(600)包括真空罐进气电磁阀(610)、真空罐真空电磁阀(620)、真空罐压力传感器(630)；内锅真空管线经内锅真空电磁阀(430)接真空泵(500)，真空罐真空管线经真空罐真空电磁阀(620)接真空泵(500)，内锅真空管线的出口经真空罐进气电磁阀(610)、接真空罐真空管线的出口；内锅空气进气电磁阀(440)经干燥过滤器(441)与大气相通；

外锅压力和温度传感器组(100)、内锅压力和温度传感器组(200)、外锅阀组(300)、内锅阀组(400)、真空泵(500)、真空罐阀组和压力传感器(600)与主控模块(700)相连，主控模块(700)经通信模块(800)与监控中心相连；外锅压力传感器(110)、外锅温度传感器(120)、内锅压力传感器(210)、内锅温度传感器(220)分别接入端子AI₁₁₀、AI₁₂₀、AI₂₁₀、AI₂₂₀，外锅蒸汽进气比例阀(310)、外锅排气电磁阀(320)、外锅疏水电磁阀(330)分别接入端子AO₃₁₀、DO₃₂₀、DO₃₃₀，内锅蒸汽进气比例阀(410)、内锅排气电磁阀(420)、内锅真空电磁阀(430)、内锅空气进气电磁阀(440)分别接入端子AO₄₁₀、DO₄₂₀、DO₄₃₀、DO₄₄₀，真空泵(500)的控制端接入端子DO₅₀₀，真空罐进气电磁阀(610)、真空罐真空电磁阀(620)、真空罐压力传感器(630)分别接入端子DO₆₁₀、DO₆₂₀、AI₆₃₀；真空罐压力传感器(630)安装在真空罐内壁；高效高可用脉动真空灭菌器的真空罐辅助真空泵抽真空，参照空气残留率，调整操作参数，判定设备状态，实施多模分段温控。

2.根据权利要求1所述的高效高可用脉动真空灭菌器，其特征在于所述的内锅压力传感器(210)以内置信号调理电路的MPX5700AP芯片为核心，MPX5700AP脚2、3分别接地、5V，R₂₁₀、C₂₁₀、端子AI₂₁₀相连，R₂₁₀的另一端接MPX5700AP脚1、C₂₁₀的另一端接地；MPX5700AP的输出信号经R₂₁₀C₂₁₀滤波处理后接端子AI₂₁₀，主控模块(700)AD转换R₂₁₀C₂₁₀滤波处理后的信号；外锅压力传感器(110)、真空罐压力传感器(630)，与内锅压力传感器(210)相同，输出信号滤波处理后分别接端子AI₁₁₀、AI₆₃₀。

3.根据权利要求1所述的高效高可用脉动真空灭菌器，其特征在于所述的内锅温度传感器(220)以脉宽调制PWM输出方波信号的TMP05/06芯片为核心，TMP05/06脚3和4、5分别接地、5V，TMP05/06脚1接端子AI₂₂₀；主控模块(700)的计数器0、1初始化，通过端子AI₂₂₀拉为低电平，然后释放，置高电平；计数器0工作，计时T_H；通过端子AI₂₂₀再置低电平，计数器1启动，计时T_L；根据公式得t(℃)＝421–751×T_H/T_L；外锅温度传感器(120)、与内锅温度传感器(220)相同，外锅温度传感器(120)的输出信号接端子AI₁₂₀。

4.根据权利要求1所述的高效高可用脉动真空灭菌器，其特征在于所述的内锅排气电磁阀(420)的驱动模块以220D02交流固态继电器SSR为核心，市电AC的一端与交流固态继电器SSR的交流端1相连，交流固态继电器SSR的交流端2、经内锅排气电磁阀(420)的电磁线圈、与市电AC的另一端相连；交流固态继电器SSR的直流“+”端接24V，交流固态继电器SSR的直流“-”端与三极管Q₄₂₀集电极相连，三极管Q₄₂₀发射极经R₄₂₁接地、三极管Q₄₂₀基极经R₄₂₂接端子DO₄₂₀；内锅真空电磁阀(430)和内锅空气进气电磁阀(440)的驱动模块、外锅排气电磁阀(320)和外锅疏水电磁阀(330)的驱动模块、真空罐进气电磁阀(610)和真空罐真空电磁阀(620)的驱动模块、与内锅排气电磁阀(420)的驱动模块相同，输出信号分别接端子DO₄₃₀、DO₄₄₀，DO₃₂₀、DO₃₃₀，DO₆₁₀、DO₆₂₀；

外锅蒸汽进气比例阀(310)、内锅蒸汽进气比例阀(410)内嵌信号调理模块，分别接入端子AO₃₁₀、AO₄₁₀。

5.根据权利要求1所述的高效高可用脉动真空灭菌器，其特征在于所述的真空泵(500)的驱动模块以220D02交流固态继电器SSR为核心，市电AC的一端与交流固态继电器SSR的交流端1相连，交流固态继电器SSR的交流端2与真空泵(500)电源的一端相连，真空泵(500)电源的另一端接市电AC的另一端；交流固态继电器SSR的直流“+”端接24V，交流固态继电器SSR的直流“-”端与三极管Q₅₀₀集电极相连，三极管Q₅₀₀发射极经R₅₀₁接地、三极管Q₅₀₀基极经R₅₀₂接端子DO₅₀₀。

6.根据权利要求1所述的高效高可用脉动真空灭菌器，其特征在于所述的主控模块(700)以ATmega128芯片为核心，ATmega128脚61、60、59、58、57分别与端子AI₁₁₀、AI₁₂₀、AI₂₁₀、AI₂₂₀、AI₆₃₀相连，ATmega128脚32、8分别与端子AO₃₁₀、AO₄₁₀相连；ATmega128脚35、36、37、38、39、40、41、42分别与端子DO₃₂₀、DO₃₃₀、DO₄₂₀、DO₄₃₀、DO₄₄₀、DO₆₁₀、DO₆₂₀、DO₅₀₀相连；主控模块(700)经通信模块(800)与监控中心相连。

7.一种使用如权利要求1所述高效高可用脉动真空灭菌器的灭菌方法，其特征在于：方法流程包括灭菌方法的初始化流程，灭菌方法的执行流程；

变量说明：

内锅真空度internal pan vacuity，Vacuity_IP

真空罐真空度vacuityjar vacuity，Vacuity_VJ

真空度下限vacuitylowerlimit，Vacuity_LL＝101.33-96.33Kpa

真空度上限vacuityupper limit，Vacuity_UL＝101.33Kpa

灭菌压力上限sterilizer pressupper limit，Press_SUL＝220Kpa

灭菌器状态sterilizerstate，State_sterilizer，0/1/2＝正常/降级/故障初始化＝0

降级真空延时degradevacuitydelay，Delay_DV＝15S

恒温灭菌时间constant temperature sterilizer time，Time_CTS＝5min

故障恒温灭菌延时error constant temperature sterilizer delay，

Delay_ECTS＝5min

温控设定值temperature control set point，Set point_TC＝314

温控量变化上限temperature control change upper limit，Change_TCUL＝⊿U

算法说明：

①真空罐辅助真空泵的脉动循环：

①-1内锅真空电磁阀(430)和真空罐进气电磁阀(610)得电、真空罐真空电磁阀(620)失电，内锅蒸汽进气比例阀(410)关闭

内锅气体由真空泵(500)抽出，向真空罐扩散

如Vacuity_IP≤Vacuity_LL，转“①-3”

如Vacuity_IP＞Vacuity_VJ，转“①-1”

①-2内锅真空电磁阀(430)得电、真空罐进气电磁阀(610)和真空罐真空电磁阀(620)失电，内锅蒸汽进气比例阀(410)关闭

内锅气体由真空泵(500)抽出

如Vacuity_IP＞Vacuity_LL，转“①-2”

如State_sterilizer≠0，真空泵(500)抽内锅气体延时Delay_DV

①-3真空罐真空电磁阀(620)得电、内锅真空电磁阀(430)和真空罐进气电磁阀(610)失电，内锅蒸汽进气比例阀(410)全开

真空罐气体由真空泵(500)抽出，蒸汽进入内锅

如Vacuity_IP＜Vacuity_UL，转“①-3”

①-4结束；

②升温升压工序的多模分段温控：

②-1 0～70％升温值时

内锅蒸汽进气比例阀(410)全开，即开关量控制

②-2 70％～95％升温值时

内锅蒸汽进气比例阀(410)的开度u(t)＝K_P[e(t)+βK_I∫e(t)dt]，β≡0⊿u＝u(t)－u(t-1)

如ABS(⊿u)＞Change_TCUL，ABS(⊿u)＝⊿U、调u(t)

②-3 95％～100％升温值时

内锅蒸汽进气比例阀(410)的开度u(t)＝K_P[e(t)+βK_I∫e(t)dt]，β≡1⊿u＝u(t)－u(t-1)

如ABS(⊿u)＞Change_TCUL，ABS(⊿u)＝⊿U、调u(t)

②-4 100％升温值时

调用“④灭菌器降级和报警流程”

结束；

③高可用恒温灭菌工序的PI温控：

读温控设定值Set point_TC、恒温灭菌时间Time_CTS

内锅蒸汽进气比例阀(410)的开度u(t)＝K_P[e(t)+K_I∫e(t)dt]持续Time_CTS调用“④灭菌器降级和报警流程”

如State_sterilizer＝2，恒温灭菌工序延时Delay_ECTS

结束；

④灭菌器降级和报警流程：

Vacuity_IP＜Press_SUL，转“④-3”

④-1State_sterilizer＝0时

State_sterilizer＝1，转“④-3”

④-2State_sterilizer＝1时

State_sterilizer＝2，转“④-3”

④-3结束；

灭菌方法的初始化流程：

Vacuity_LL＝101.33-96.33Kpa、Vacuity_UL＝101.33+27Kpa

Press_SUL＝220+5Kpa、State_sterilizer＝0

Set point_TC＝314、Change_TCUL＝⊿U

Delay_DV＝15S、Time_CTS＝5min、Delay_ECTS＝5min

灭菌方法的执行流程：

1、准备工序

2、3次真空罐辅助真空泵的脉动循环

3、升温升压工序的多模分段温控调用“灭菌器降级和报警流程”

4、高可用恒温灭菌工序的PI温控调用“灭菌器降级和报警流程”

5、排气工序

6、干燥工序

7、无菌工序。