空氧混合器的结构优化设计
作者
（北方工业大学，北京 100144）
摘 要：空氧混合器是将空气和氧气按一定的比例混合，经过处理输入到患者体内，维持患者呼吸的机构。采用新旧技术相结合的方法，对空氧混合器的结构及应用进行了研究。设计在结构上采用步进电机驱动主芯轴在气体混合腔内来回移动，控制氧气或空气的进气流量的大小，最终达到了通过控制步进电机来控制氧浓度的目的。最后，通过对其主要部件主芯轴进行结构优化设计，提高了空氧混合器自身的精度。
关键词：优化设计；空氧混合器；氧浓度
中图分类号：TB 文献标识码：A文章编号：1672-3198（2011）01-0276-03
0 引言
呼吸机是当前大型医院必备的抢救设备和延长病人生命的重要医疗器械。在机器内部把空气、氧气按照设置所需的比例混合的装置就是空氧混合器，它在呼吸机的整体结构中占有非常重要的地位。空氧混合器的发展主要经历三大阶段：第一是原始阶段，机构用在以贮气囊作供气装置的呼吸机上，因为其结构比较简单，混合的氧浓度不可能很精确。氧浓度是可调的，由单向阀和贮气囊组成，其典型的代表是文丘里装置。第二个阶段是纯机械式的空氧混合机构，通常由一级或二级压力平衡阀、流量配比阀及完全装置组成。主要靠手动旋钮调节配比阀在型腔中间的位置来控制两路气体的流量，从而达到控制氧浓度的目的。第三是微电子控制的空氧混合机构，分为两大类：其一是靠两个电子流量比例阀来分别控制空气和氧气的流量来达到精确控制氧浓度的目的，这是目前世界上的主流呼吸机所采用的空气氧气混合装置；还有一种常用的就是依靠电磁阀岛技术，利用通过电磁阀的持续流量乘以通过开启阀的时间来控制输入气体流量，也能达到控制氧浓度的目的。除了这三种以外，在近些年来还出现一些医疗器械厂家专门设计生产了这种空氧混合器，又称医用输氧泵。
1 空氧混合器主要部件的结构设计
1.1 空氧混合器结构简图和工作原理
本设计电控机械式空氧混合器的具体结构如图1所示。主要是通过步进电机来控制主芯轴，使其轴向移动来双向控制空气、氧气的进气量，并使进气量的大小可控且尽可能的呈线性变化。
图1所述空氧混合机构对气源要求是要有一定的进气压力的。本机构的工作原理：主芯轴通过执行机构和传动机构的精确控制，来移动调整其在型腔中的位置，当主芯轴位置处于一端时，通过端面密封将这路进气关闭，另一路的进气量达到最大值，反之也一样。当主芯轴在型腔的中间某个位置时，两个进气口均有气体进入，这时气体出口所输出来的气体即为混合气体，并且混合气体氧浓度值与空氧混合器的执行机构步进电机的转动次数有关，二者之间呈线性关系。具体与程序控制有关的内容本文暂略。
1.2空氧混合器气体混合型腔的结构设计
空氧混合器的气体混合型腔的设计如图2所示。
由图示1知，两个进气口分别在两个机构体上面，而气体混合腔就是由这两部分结构体组合而成。空氧混合器在使用过程中可能只用空气或是只用氧气，这时主芯轴的密封端面便会将一路进气口密封住，此时对腔内的密封端面会有一定的摩擦，为了最大可能的减小摩擦以保证尺寸精度，所以型腔内壁各设计了凸台用以减小接触面积。
1.3 主芯轴的结构设计
在本设计中，主芯轴的梯形螺纹和其相配合的螺母的运动副采用的是固定传动螺母的方式。空氧混合机构的主芯轴外形如图示3。
由于机构本身的功能需要，要求主芯轴能够在混氧机构体内部左右移动，其结构斜面相对于进气口的内壁来回移动，改变了进气通径的进气有效截面积，从而达到控制通过的两路气体流量大小的目的。这要求主芯轴的移动量很小且非常精确，本设计采用的是滑动螺旋传动中最常见、应用最广、稳定性也最好的梯形螺纹螺旋传动。这种螺纹形式加工比较容易，强度适中，传动性能可靠。
2 空氧混合器主芯轴结构的优化设计
本空氧混合机构中，气体进入混合腔的体积大小是由主芯轴的斜面和型腔的水平边缘组成的角度大小决定的，如图2.1所示。如果角度不合适，就导致当主芯轴每次以线性关系增大移动距离时，但进气量却以指数形式增大，结果就是氧浓度和步进电机的转动次数不呈线性关系。为了使它们的关系呈线性，故主芯轴结构斜面的角度需要进一步优化设计。
2.1 建立主芯轴结构优化设计的数學模型
2.1.1 设计变量的选择
混氧机构要实现氧浓度的递增，只要能保证氧气的进气量逐渐增大就能实现。主芯轴相对混合型腔是运动的，通过执行机构步进电机使主芯轴每次移动的距离均为0.03mm，因此主芯轴的结构斜面相对于型腔内部边缘产生径向距离的大小恰恰是气体通过体积量的关键。如图4所示。
对于本空氧混合机构来说，主芯轴结构斜面与型腔内部边缘之间的夹角 （或者是主芯轴结构斜面与密封端面之间的角度900+ ）为主芯轴设计的关键。为了方便设计计算，所以设计变量可表示为：
作者 张广林 谭晓兰