摘 要：隨著呼吸機等中高端呼吸道氣體治療設備的應用日趨廣泛，醫(yī)療比例閥作為流量控制系統(tǒng)中的核心元器件愈發(fā)受到重視。鑒于此，設計了一款特定結構的比例閥，介紹了其工作原理，基于FLUENT平臺搭建了流量特性模型，對不同開度下的流量進行了仿真，并對影響流量特性的主要參數(shù)做了研究，結果表明，該結構比例閥隨著閥口開度的增加，流量也線性增加，閥口直徑的變化對流量影響較大。

關鍵詞：醫(yī)療比例閥；閥口開度；行程；流量特性；線性

中圖分類號：TH77""" 文獻標志碼：A""" 文章編號：1671-0797（2025）02-0045-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.02.011

0""" 引言

新冠疫情以來，世界各國對呼吸道疾病的重視程度普遍提高，呼吸機由于其能在治療過程中發(fā)揮重要作用而被廣泛使用[1-2]。在流量控制系統(tǒng)中，閥門通常用于控制流體介質的方向、壓力及流量，對執(zhí)行機構的啟停、運動、輸出等功能進行控制與調節(jié)。醫(yī)療電磁閥是醫(yī)療裝備中的常用閥門，其工作原理為給電磁線圈通電，電磁線圈將銜鐵等執(zhí)行機構磁化，在磁場作用下，銜鐵受到電磁力會朝著減小氣隙磁阻的方向運動，克服彈簧力，將銜鐵從閥座位置吸起，從而實現(xiàn)閥門的打開；當電磁線圈斷電時，銜鐵受到的電磁力消失，彈簧元件帶動銜鐵恢復至初始位置，閥口封閉，從而實現(xiàn)閥門的關閉[3]。呼吸機在工作過程中為了模擬人體呼吸，需要對輸出氧氣等氣體流量進行實時精準控制。醫(yī)療比例閥是醫(yī)療電磁閥中的一種特殊閥門，相較于醫(yī)療電磁閥只有全開和封閉的兩種狀態(tài)，醫(yī)療比例閥可以按給定輸入電流的不同，精準控制銜鐵的位置，實現(xiàn)不同的閥口過流面積，連續(xù)成比例地控制氣流的壓力和流量等[4-5]。

醫(yī)療比例閥具有體積小、流量控制精度高、功耗低等優(yōu)點，在流量控制要求高的高端醫(yī)療裝備中應用日趨廣泛。相較于普通電磁比例閥，醫(yī)療比例閥的流量控制精度要求更高，即流量誤差不超過10%。國內對醫(yī)療比例閥的研究起步較晚，相較于國外產(chǎn)品國內醫(yī)療比例閥流量控制精度較低，可靠性較差[6]。針對這一問題，本文介紹了筆者所在團隊設計的一款特定結構的高精度醫(yī)療比例閥，對流量特性進行了建模分析，并對影響比例閥流量特性的因素進行了研究。

1""" 設計原理

筆者所在團隊設計的比例閥基本結構如圖1所示，關鍵參數(shù)如表1所示。

產(chǎn)品主要由進出口接頭、閥座、銜鐵、彈簧、調節(jié)桿、線圈組件、磁軛等結構組成，通過調節(jié)桿可以調節(jié)彈簧預緊力。工作過程中，通過給線圈施加不同大小的電流，調節(jié)銜鐵受到的電磁力，與彈簧力進行平衡，使銜鐵停留在不同的行程上，實現(xiàn)閥口不同的過流面積，調節(jié)比例閥出口流量?？諝?、氧氣、氮氣、氦氣等均可作為醫(yī)療比例閥的工作介質。

2""" 流量數(shù)學模型

如圖1所示，比例閥的出口流量主要由不同的閥口過流面積決定，收縮噴嘴型閥口質量流量計算公式如下：

Gm= ，""""""""""""""""""""""""""""""""" "≤Pcr，""" ， ＞Pcr（1）

式中：Gm為質量流量；Cf為阻力系數(shù)；Av為有效過流面積；C1，C2為流量系數(shù)；Pu為上游壓力；Pd為下游壓力；Pcr為臨界壓力系數(shù)；T為工作溫度（絕對溫度）；k為流體比熱比（空氣為1.4）。

其中：

"""C1= """"""""""""""（2）

C2= """"（3）

Pcr=" """""""（4）

Av=πDx""""""""" （5）

式中：R為氣體常數(shù)，空氣為287 J/（kg·K）；D為孔口直徑；x為閥口開度。

3""" 建模與仿真研究

通過上述理論公式，可初步對比例閥的流量進行分析。為進一步得到準確的比例閥流量計算模型，在FLUENT平臺對醫(yī)療比例閥進行了建模分析，在建模過程中，對部分結構進行了簡化處理，在近壁面和流道變化較大位置，對網(wǎng)格進行了加密處理，流體區(qū)域如圖2所示。

在0.3 MPa下，對不同閥口開度下的比例閥流量進行仿真，得到速度流場云圖如圖3～5所示。

對不同閥口開度下的出口流量進行積分，得到比例閥不同開度下的出口體積流量如圖6所示。

圖6中，不同閥口開度下，比例閥流量增長近似線性，閥口每開0.1 mm，流量平均增長約15.2 L/min。如圖3～5所示，在閥口附近，比例閥流場速度梯度較大，為進一步探究閥口附近零件尺寸對比例閥流量的影響，在保持閥口開度0.5 mm不變的情況下，改變閥口直徑，其出口速度流場云圖如圖7～9所示；在保持閥口開度0.5 mm不變的情況下，改變閥口密封墊直徑，其出口速度流場云圖如圖10～12所示；不同參數(shù)下的出口體積流量如圖13所示。

由圖7～13可知，比例閥的流量隨著閥口直徑的增大而增大，閥口直徑每增大0.5 mm，流量增加20～25 L/min；不同密封墊底面直徑對于比例閥流量的影響較小，流量波動僅為0.1 L/min。經(jīng)分析，類似因素還有閥口入口處圓臺的拔模角度、倒角等，其對比例閥流量的影響均較小。

4""" 結論

本文對特定結構的醫(yī)療比例閥流量模型進行了數(shù)學建模，并基于FLUENT進行建模分析，結果表明，比例閥流量隨閥口開度線性增加，驗證了比例閥結構設計的合理性；同時研究了比例閥不同結構參數(shù)對比例閥流量的影響，即比例閥的流量隨著閥口直徑的增大而增大，而密封墊底面直徑、閥口入口處圓臺的拔模角度、倒角等對于比例閥流量的影響較小，因此在比例閥設計中要著重考慮閥口直徑等因素的影響。

[參考文獻]

[1] 姜雪，袁偉靜，楊立霞，等.2020—2022年北京市某三級醫(yī)院重癥監(jiān)護病房器械相關醫(yī)院感染動態(tài)監(jiān)測結果分析[J].預防醫(yī)學情報雜志，2024，40（7）：840-846.

[2] 沈佳燕.ICU中的“空氣管家”：呼吸機如何維護我們的生命線[J].科學之友，2024（7）：25-26.

[3] 周明.電液比例技術在流動舞臺車同步控制中的應用[J].專用汽車，2024（1）：35-38.

[4] 王帥.主動模擬肺的建模與控制關鍵技術研究[D].濟南：山東大學，2023.

[5] 范昊男，黎明，張續(xù)，等.呼吸機用比例閥的控制、狀態(tài)監(jiān)測及診斷系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].中國醫(yī)療設備，2022，37（10）：29-32.

[6] 黃燕.壓電先導型氣動閥位置比例控制系統(tǒng)研究[D].上海：上海交通大學，2017.

收稿日期：2024-09-13

作者簡介：楊淮文（1997—），男，河南鄭州人，碩士研究生，助理工程師，研究方向：閥門設計。