论文总字数：24897字

摘 要

反渗水中气体来源有夹杂和溶解两种形式，除气系统先利用泵产生负压抽出水中溶解的气体，至下游除气室内,因气体比重小而发生气液分层现象，经气液分离后除尽气体，采用超声波传感器检测除气室下游液体管路中是否夹杂气泡以保证透析过程的安全进行。

除气系统为机电产品，分为水路系统、电路系统和支撑系统三大模块。其中水路系统主要是设计了一个满足工程需求的旋涡泵，并搭建水路系统，包括必须的管路、阀体、腔室和检测元件。电路系统以芯片STM32F407为核心设计了电路编程驱动电机运转，以给水路系统提供动力来源,并接收超声波气泡传感器的信号，该信号指示管路中是否夹杂气泡，采用带触摸屏的LCD设计了用户界面，可以很方便地对电机进行开关，调速和换向操作，可显示气泡的大小。支撑系统采用折叠长方体结构，搭建了一个方便搬运的型材框架，安装固定水路系统和电路系统中的各元器件。

本项目最终成功设计制造出一个完整的除气系统原理样机，经试验可以除去夹杂气体和溶解一定体积气体的自来水，但除气负压未达到设计指标，故对于溶解气体较多的可乐除气效果不是很好。

关键词： 血液透析机；除气系统；负压；气泡检测

The Analysis and Design of Degassing System in Hemodialysis Machine

02011412 Zhiyong Wu

Supervised by Xingsong Wang

Abstract： This project is aimed at doing research of the function of the outgassing system in the hemodialysis machine, and assemble a prototype machine of the outgassing system. The system should meet the demand of outgassing task of the antiosmosis water from the entry.

The gas can be mixed or dissolve in the water. The part dissolving in the water can be extracted by the vacuum made by the outgassing bump. Because gas is heavier than water, the mix can be divided into independent gas layer and water layer and then gas is outgassed in the outgassing cavity. The bubble can be detected by the ultrasonic sensor in the pipe following the outgassing cavity to improve the safety of the hemodialysis machine.

The outgassing system is an electromechanical product, divided into three part: The waterway system, the electric system and the frame system. A bump meeting the demand should be designed in the waterway system. The system should be assembled including the necessary pipelines, valves, cavities and detector. The motor should be driven by programming in the electric system based on the chip STM32F407 to supply power source for the waterway system. In addition, the electric system should deal with the signal from the bubble sensor which can detect the bubble in the pipe. The UI is designed that is based on the LCD with touch screen to control the motor’s start, speed timing and direction and to display the size of the bubble. The frame system assembled with the structural aluminum in the folding cuboid structure can be convenient to transport, used to install all the components in the waterway system and the electric system.

Finally, an outgassing system prototype machine has been perfectly assembled in the project, and can outgas the tap water mixed or dissolved with a volume of gas. But the vacuum is lower designed, so the coke dissolving so much gas can’t be well outgassing.

Key words: hemodialysis machine; outgassing system; vacuum; bubble detection

目录

1．绪论 2

1.1 选题背景及意义 2

1.2 国内外血液透析机研究现状 3

1.3 本文的研究目的和主要研究内容 4

2. 水路系统 5

2.1背景知识 5

2.2水路工作原理 5

2.3水路结构 6

2.4 除气泵的选择 7

2.5 旋涡泵的设计 9

3. 电路系统 15

3.1 背景知识 15

3.2 电路工作原理 16

3.3 STM32控制器 17

3.4 处理器程序 19

5. 支撑系统 23

4.1 设计要求 23

4.2 设计步骤 23

4.3 三维模型 23

4.4 组件安装 24

4.5 结构携带 25

5. 实物展示 26

5.1 水路组件 26

5.2 电路组件 26

5.3 整机实物 29

6. 实验数据及分析 31

6.1实验一：测定费森尤斯除气泵的参数 31

6.2实验二：探究除气系统对增氧器的除气效果 34

6.3 实验三：探究除气系统对可乐的除气效果 35

7. 项目总结 37

7.1已完成的项目内容 37

7.2 项目的不足之处 37

7.3 展望 38

致 谢 40

参考文献 41

血透机除气系统分析与设计

1．绪论

1.1 选题背景及意义

1.1.1 血液透析机的由来

肾脏是人体代谢系统中不可缺少的器官，通过数量众多肾小球的过滤作用将体内细胞的代谢产物和毒素等分离出来形成尿液，同时经重吸收作用回收人体必需的水和微量元素，以平衡血液中水和电解质浓度。肾脏病在日常生活中很常见，饮食生活的不规律，导致血液中毒素累积，肾脏负担加重，部分肾小球功能受损，不能完成过滤作用，导致急性肾功能衰竭。随时间推移，肾脏疾病逐渐加重，肾功能急剧下降，导致慢性肾功能衰竭，最终肾坏死。

近年来，随着生活水平的不断提高和越来越快的生活节奏，导致肾脏病患者人数越来越多。而血液透析治疗可以有效地缓解肾脏病的病情。血液透析治疗是通过外管路使透析液与血液之间通过半透膜进行弥散、对流、吸附和超滤作用，排泄人体血液中的代谢产物，纠正水、电解质浓度紊乱，维持细胞外液稳态，保证细胞正常工作，减轻肾脏负担，预防因肾功能下降导致的并发多脏器衰竭，维持患者的正常生活。

血液透析在治疗慢性肾病领域是当前最普遍的治疗方法。

血液透析机，又称人工肾，可缓解肾脏病人尿毒症病情，维持尿毒症患者的生命，为肾移植做准备。它将病人体内血液通过管路引入透析器内部进行物质交换，体内毒素在压力梯度和浓度差的作用下穿过半透膜排出体外，而碳酸盐、葡萄糖则由透析液补充到血液中去，然后再由管路引入患者体内，血液透析机通过体外循环减轻了患者受损肾脏的负担。

1.1.2 血液透析机原理简介

该图为日机装透析机的水路图，从图上可以看出透析液首先由图中左上角的供液口进入系统，经过热交换器吸收废液中的热量，然后再通过加热器进行加热处理达到预期温度，经过除气系统进行除气处理（除气系统包括过滤器、节流阀、除气泵和气泡分离室等），在与透析浓缩液AB液进行混合并进行钠注入处理，然后经过复式泵平衡流量，监测各项数据，达标后在透析装置中与血液进行透析处理，完成后，对废液进行漏血检测，确认无异常后排出。

1.1.3 除气系统的重要性

除气系统作为血液透析机中透析液预处理重要的一环，其重要性不容忽视，根据文献7，反渗水在进入透析机前溶有一定量的气体，另外在配置透析液过程中，由于碳酸氢盐在温度和负压的作用下会产生气泡，这些气泡进入透析器时会附着在半透膜表面，减少透析液与血液的接触面积，严重降低透析效率，妨碍超滤量和电导率的测量。另外，透析液中的气体还可能进入血液回路从而进入患者体内，影响病人的生命安全，因而必须除去透析液中的空气。

1.2 国内外血液透析机研究现状

目前常见的血液透析机的品牌有费森尤斯、德国贝朗、日机装等，国内在该领域起步较晚，目前暂无性能具有竞争力的国产品牌出现。

国外血液透析机十分普及，在美国、英国等发达国家甚至有些家庭内部就有家用血液透析机，在对病人家属进行简单的透析操作指导后，病人可在家属的帮助下自行进行透析治疗。国内肾脏病人人数增长迅速，对血液透析机的需求量越来越大。

目前国内血液透析机的特点如下：

1. 血液透析机数量供不应求。
2. 血液透析机主要靠进口，价格十分昂贵。
3. 血液透析治疗价格昂贵，肾脏病患者不能承受，放弃治疗。
4. 国内的透析机由于发展较晚，技术不成熟，品牌效应等因素，占有的市场份额较小。

面对着如此大的需求量，设计出国产具有市场竞争力的血液透析机，具有巨大的市场前景和发展空间。

1.3 本文的研究目的和主要研究内容

任务：设计一个用于血液透析机的除气系统

功能：分离出液体管路中夹杂和溶解的气体，保证后续管路的正常工作和透析过程的安全。

具体任务：

1. 搭建除气系统水路系统，该水路系统应包含必须的液路阀体、动力元件和腔室，能够实现以上除气系统功能。
2. 搭建除气系统电路系统，该电路系统能驱动水路系统内的电机工作，给水路系统提供动力源，能驱动数据采集系统工作。
3. 编写电路系统控制器控制程序。
4. 设计除气系统支撑框架，能够安装除气系统各零部件，确保空间足够且易于搬运。
5. 检测除气效果。系统搭建完成后，调试系统使之稳定工作，测量关键位置参数，观察除气前后的液流变化，判断除气效果。

2. 水路系统

2.1背景知识

2.1.1 什么是反渗水

反渗水是由于渗透压浓度梯度作用下从低浓度向高浓度渗透的水。运用高压产生压力，使原水在高压的作用下渗透过孔径特别小的半透膜，该半透膜只能透过体积小于孔径的水分子和微量元素离子，不能透过化学离子、真菌、细菌和病原体。反渗水和透析液A液和B液在一定浓度下进行混合便得到透析治疗所用的透析液。

2.1.2 管路中气泡的由来

管路中气泡的来源从模块来看主要有两个方面。一方面是从血透机外打入的反渗水中本身就夹杂着气体，外界打入的水来源于专用通道，这部分气体是没办法减少的，必须由除气系统除去才可以。另一方面，气泡来源于水路系统中密封性能不好的元件，这些元件在管路系统的压力下由于密封性能差导致外界气体进入管路中导致气泡产生，这种来源的气体可以通过改良设计，提高密封性能来改善。

从是否溶解角度来看，气体一方面是液体介质中夹杂的气体，这部分气体是明显能看到的，以气泡、气柱或者泡沫形式存在于管路中，另一方面是液体介质中溶解的气体，这部分气体是肉眼看不到的，但是在器件的冲击、搅拌和加热作用下可能会溢出形成气泡，从而影响血透机正常工作。

2.1.3 除气系统除气原理

对于液体介质中夹杂的气体，我们可以看到气体由于比重小，位于管路的上方，故可设计一个除气腔室让气液混合体在这个腔室内进行分离，相应的液体从下侧流出，气体从上侧溢出。而对于液体介质中溶解的气体，可以采用加热负压的方式让气体逸散出来形成气泡，从而可进行气液分离即可除去。

2.2水路工作原理

除气系统中，加温的反渗水从左侧进入，先经过滤器2进行过滤处理，除去水中的颗粒性杂质，以免影响脱气泵的正常工作，然后通过节流阀3调节流量，在脱气泵的作用下形成负压，使溶解在反渗水中的空气被分离出来，经过脱气泵4加压后，在气泡分离室5内进行气液分离，气体从上侧气管经过一个背压阀9，在进行密封操作后排到大气中，经除气后的反渗水从下侧流入下一系统。

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