呼吸机加热湿化器温度控制电路设计

　　0　引　言

　　呼吸机用加热湿化器(heated humidifier,湿化器)串接在呼吸机病人回路的吸入端,起到对呼吸机送出的寒冷、干燥的气体进行加温和湿化的作用。研究表明:增加湿化器的呼吸机可以有效避免其使用过程中出现口腔、鼻腔和喉咙干燥、打喷嚏、鼻塞和流涕等过敏性不适状况[1]。但湿化器如果出现问题,非但不能起到应有的效果,反而可能损伤病人气道(如湿化器温度失控会使病人气道烫伤等)。因此,湿化器在病人的呼吸治疗中起着相当重要的作用。本文提出了一种睡眠无创呼吸机用湿化器温度控制系统的设计方法。

　　1　加热电路方案设计

　　1.1　设计要求

　　ISO 8185—2007医用呼吸道湿化系统特殊要求[2]以及ISO 17510—1: 2009睡眠呼吸暂停治疗设备标准[3, 4]对呼吸机加热湿化器设计要求做如下规定:

　　1)经过气道回路,输送给患者的气体温度应保持在32~35℃(人体可感觉的舒适的温度)[5, 6];

　　2)湿化器水浴舱的温度保持在25~45℃;

　　3)湿化器的加热温度可在25~45℃范围内调节,温度调节的精度为±2℃;

　　4)电路应具有超温断电保护装置,当湿化器发生故障,加热板温度≥70℃时,自动切断电源,停止加热。

　　1.2　电路设计方案

　　对照1. 1中的设计要求,初步设计出如图1所示的电路框图。温度控制电路和温度传感器控制加热元件将水浴舱加热到设定的温度。当控制电路故障或者某种意外的情况使水浴舱温度超过70℃时,超温保护电路自动切断电源。由于加热湿化器的加热功率无需很大,加上电路板安装尺寸的限制,选择用大功率NPN晶体管TIP3055作为加热元件,其最大耗散功率可达90W(Tc≤25℃)。简单的比较器电路就可以实现对温度的控制,这里选择常用的NE555集成电路,其内部含有2个比较器,如图2所示。NE555的低触发端(2脚)和高触发端(6脚)的输入电平与输出端(3脚)的输出状态关系如图3,可知当2脚和6脚的输入电平同时满足条件Vl1≥1/3Vcc且Vl2≥2/3Vcc时,输出端3脚为低电平;若同时满足Vl1≤1/3Vcc且Vl2≤2/3Vcc时,输出端3脚为高电平,据此,利用3脚来控制功率管的工作状态,从而实现对温度的控制。

2　热敏电阻器的选择

　　本设计使用热敏电阻器作为温度传感器来探测加热湿化器水浴舱的温度,据此使用场合,可以初步选择NTC热敏电阻器[7]。其零功率电阻值RT和温度T的变化关系为

　　式中　RT为周围温度为T(K)时的电阻值(K为绝对温度);R0为周围温度为T0(K)时的电阻值;B为材料常数。图4所示为典型的热敏电阻器R—T特性曲线。