一種醫(yī)療垃圾桶裝消毒裝置的設計

夏鑫楠 馬開平 李雨樨 莫凡

基金項目：國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃（202310307087Z）

*通信作者：馬開平（1976-），女，博士，副教授。研究方向為生產(chǎn)運作管理、工業(yè)工程等。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.15.011

摘? 要：為減少醫(yī)療廢物特別是感染性醫(yī)療廢物在收集處理過程中其所含病菌對人群和周圍環(huán)境造成的交叉感染危害等問題，利用機械傳動、簡易電路等知識方法綜合設計一種醫(yī)療垃圾桶裝消毒裝置。具體包括腳踏式噴灑消毒裝置和紫外線消毒裝置，可以對桶內(nèi)醫(yī)療廢物、垃圾桶蓋、醫(yī)療垃圾桶內(nèi)腔及桶蓋開閉時擠壓溢出的有菌空氣進行多重消毒，以降低病菌對人群和周圍環(huán)境造成的交叉感染等危害。該醫(yī)療垃圾桶裝消毒裝置具有顯著的消毒殺菌效果，有一定的推廣使用價值，可以為后疫情時代醫(yī)療廢物的收集處理提供新技術和新方法。

關鍵詞：消毒裝置；醫(yī)療垃圾桶；醫(yī)療廢物；機械傳動設計；簡易電路；后疫情時代

中圖分類號：TP23? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2024）15-0050-05

Abstract： In order to reduce the cross-infection harm caused by the bacteria in the process of collection and treatment of medical waste， especially infectious medical waste， a kind of medical garbage bin disinfection device was designed comprehensively by means of mechanical transmission， simple circuit and other knowledge methods. The utility model specifically includes a foot-type spraying disinfection device and an ultraviolet disinfection device， which can carry out multiple disinfection of medical waste in the bucket， the lid of the garbage can， the inner cavity of the medical garbage can and the bacterial air squeezed out when the lid is opened and closed， so as to reduce the harm caused by bacteria to the population and the surrounding environment. The medical garbage bin disinfection device has remarkable disinfection and sterilization effect， has a certain value of popularization and use， and can provide new technologies and methods for the collection and treatment of medical waste in the post-epidemic era.

Keywords： disinfection device; medical trash can; medical waste; mechanical transmission design; simple circuit; post-epidemic era

醫(yī)療廢物是指醫(yī)療衛(wèi)生機構在醫(yī)療、預防、保健及其他相關活動中產(chǎn)生的具有直接或者間接感染性、毒性及其他危害性的廢物[1]。主要分為感染性廢物、病理性廢物、損傷性廢物、藥物性廢物和化學性廢物5種類型[2]。在收集醫(yī)療廢物的過程中，消毒是一個必不可少的過程。如何降低醫(yī)療廢物收集處理過程中交叉感染的風險是后疫情時代需要考慮的一個重要問題。

根據(jù)實地調研和查閱資料可知，目前絕大部分醫(yī)療機構僅采用1～2次外部噴灑消毒水的方式對醫(yī)療廢物進行消毒處理。而在處理感染性較高的醫(yī)療廢物時，如在新冠病毒流行期間，如果僅通過外部1～2次消毒的方式處理大量感染性醫(yī)療廢物，將難以達到徹底消毒殺菌的效果，并且會有交叉感染的風險。

另外，現(xiàn)有的消毒手段一般是依靠人工手動噴灑消毒。而人工消毒重點在醫(yī)療廢物上，可能會忽略垃圾桶內(nèi)部也會有接觸醫(yī)療廢物所含病菌的情況，同時在垃圾桶蓋開閉時會導致與醫(yī)療廢物接觸的有菌空氣擠壓溢出，也極容易造成交叉感染。

基于以上現(xiàn)狀分析，本文主要針對感染性醫(yī)療廢物設計了一種醫(yī)療垃圾桶裝消毒裝置。包括腳踏式噴灑消毒裝置和紫外線消毒裝置，可分別對桶內(nèi)醫(yī)療廢物、垃圾桶蓋、醫(yī)療垃圾桶內(nèi)腔及桶蓋開閉時擠壓溢出的有菌空氣進行多重消毒。其工作模式如圖1所示。

圖1? 醫(yī)療垃圾桶裝消毒裝置工作模式圖

1? 裝置總體設計

上述消毒裝置的相關電子元件、消毒水箱、噴灑裝置的主體部分等若暴露在外會影響正常工作，也會加快損壞程度，故不做暴露處理。在醫(yī)療垃圾桶內(nèi)側設計了2個空腔，可根據(jù)情況將相關裝置安裝在空腔內(nèi)。除安裝在空腔內(nèi)部的裝置外，部分噴灑裝置及上下紫外線消毒燈均暴露在外，安裝在垃圾桶內(nèi)表面，如圖2（a）所示。

同時因為噴灑裝置會對桶內(nèi)醫(yī)療廢物進行消毒且安裝在筒壁上，故不可沿用傳統(tǒng)的黃色醫(yī)療垃圾袋套在垃圾桶口上的固定方式。所以本裝置的醫(yī)療垃圾桶在距桶底一定高度的水平面設計了針對醫(yī)療垃圾袋的彈性帶固定裝置。具體為：在四側筒壁與上述水平面相交的位置上固定4條環(huán)形彈性帶，且均處于張緊狀態(tài)。使用時，提前將垃圾袋塞進張緊環(huán)形彈性帶組成的槽內(nèi)，如圖2（b）陰影部分（這里的A、B兩環(huán)形彈性帶邊處于張緊狀態(tài)應無限靠近，為了表述方便畫出了空隙），且不會遮蓋噴灑裝置。具體示意圖如圖2（b）所示。

（a）? 裝置安裝部位示意圖

（b）? 彈性帶安裝示意圖

圖2? 醫(yī)療垃圾桶用消毒裝置總體設計圖

2? 腳踏式噴灑消毒裝置

2.1? 腳踏式噴灑消毒原理設計

腳踏式噴灑消毒裝置是利用彈簧、齒條齒輪結構、杠桿等機械部件實現(xiàn)預定功能的。除噴灑頭與部分裝置暴露在外，其余相關組件均安放在內(nèi)格空腔1中。其動力原理結構圖如圖3（a）所示。具體實施方式為：1為腳踏板；3為連桿1；2為支點1，連桿1和腳踏板可以在施加外力（腳踩力）的作用下繞支點1旋轉；4為連桿2，與連桿1相連，可上下升降，上升時可推開桶蓋；5為支點2；6為連桿3；7為直桿，與連桿3相連；5和6組成了杠桿結構，在杠桿結構的作用下，每當連桿2上升或下降時，直桿總是做相反的動作；8為活塞1，與直桿的底部相接固定；10為彈簧1，活塞1與其頂部相接觸；9為圓筒1，在直桿上下移動時，推動活塞1在其內(nèi)做往復運動；11為齒條1，安裝在直桿上方；12為小齒輪（主動輪），與齒條1嚙合；13為大齒輪（從動輪），大齒輪與小齒輪相嚙合；14為齒條2，與大齒輪嚙合，每當齒條1滑動時，大小齒輪相向運動，帶動齒條2向相向方向運動（下-右下/上-左上）；15為推桿；17為噴灑裝置，其內(nèi)部含有壓力閥門可被推桿推壓，從而使噴灑裝置加壓噴灑出消毒水；18為進水管，用于從消毒水箱中吸取消毒水；19、20為第一、二噴水管，斜向上、下各45°，在壓力閥門的控制下，消毒水從進水管被吸入，通過噴灑裝置加壓，分別從2噴水管噴出，其中第一噴水管向上對垃圾桶蓋和被擠壓出的有菌空氣消毒，第二噴水管向下對桶內(nèi)醫(yī)療廢物消毒；16為套筒，推桿可在套筒內(nèi)進行滑動，用于推壓噴灑裝置的壓力閥門。圖3（b）是部分結構放大圖。

圖4給出了噴灑消毒裝置噴灑原理示意圖。參見圖4（a）為推桿在下滑時示意圖。17-2為塑料小球，其大小可以卡住進水管；17-1為彈簧2，用于給塑料小球上下移動限位；17-3為氣腔，彈簧2和塑料小球均置于其中；17-8為噴頭，安裝在噴水管的最外端；17-9為單向噴嘴，安裝在噴頭上，使流體通過其只能從管內(nèi)流向外部，而不能從外部流入管內(nèi)。17-5為活塞2，與推桿的頂部相接固定；17-4為彈簧3，活塞2與其底部相接觸；17-6為圓筒2，在推桿移動時，推動活塞2在其內(nèi)做往復運動，活塞2、圓筒2、彈簧3共同構成了壓力閥門；17-7為儲液管，消毒水噴出前暫時儲存于此。在推桿下滑時，噴灑裝置內(nèi)部壓強變小，而單向噴嘴使其無法進氣，根據(jù)伯努利原理，氣腔及管內(nèi)壓強變小，迫使塑料小球上移，進水管進水使內(nèi)部恢復至大氣壓，消毒水暫時儲存在儲液管內(nèi)。

（a）? 裝置原理結構圖

（b）? 局部放大圖

圖3? 腳踏式噴灑消毒裝置動力原理結構圖

圖4（b）為推桿上移時示意圖。推桿上移時會擠壓儲液管和氣腔，使壓強變小，因此需要排出一部分液體才能使其恢復至大氣壓。此時塑料小球抵住進水管，使噴灑裝置無法進水，腔內(nèi)消毒水被擠壓出噴水管，通過2單向噴嘴，呈霧狀噴灑狀態(tài)。

圖5給出了噴灑消毒裝置工作流程示意圖。參見圖5（a），此時工作人員用腳踩踏踏板，垃圾桶蓋打開，推桿受力下滑，不噴灑出消毒水，彈簧1蓄力；參見圖5（b），工作人員松開腳，垃圾桶蓋做閉合運動，推桿受彈簧1回復力作用上移，推壓噴灑裝置的壓力閥門，噴灑出消毒水；參見圖5（c），此時彈簧1回復力消失，踏板回到原位置，垃圾桶蓋完全閉合，噴灑裝置不工作。

（a）? 推桿下滑示意圖

（b）? 推桿上移示意圖

圖4? 噴灑消毒裝置噴灑原理示意圖

（a）? 踩下踏板? ? ? ? ?（b）? 松開踏板? ? （c）? 恢復原樣

圖5? 噴灑消毒裝置工作流程示意圖

2.2? 噴灑消毒裝置噴嘴設計

根據(jù)流體力學的相關知識可知，噴頭在一定工作壓力下，其對消毒水的霧化效果主要與噴嘴直徑有關。其中噴嘴直徑越小，霧化效果越好，反之成立；其定量關系可由經(jīng)驗公式（1）給出[3]。

ρd=■，（1）

式中：hp為噴頭工作壓力，bar；d為噴嘴直徑，mm；ρd為霧化效果指標。

根據(jù)實驗測試可知，噴嘴直徑可取0.9 mm，此時噴灑均勻，密度合理，效果最好，可以使噴射出的霧狀消毒水覆蓋垃圾桶口平面和垃圾桶蓋絕大部分區(qū)域，有效起到消毒效果。

若要更進一步優(yōu)化噴嘴設計，必須考慮到其他影響因素，下面給出改進的噴嘴直徑設計公式（2）。

d=■ ， （2）

式中：p為噴射壓力，bar；q為噴射流量，L/min；n為噴嘴個數(shù)；η為噴嘴效率系數(shù)，范圍是1.05～1.10。

3紫外線消毒裝置

紫外線是通過破壞微生物機體的DNA或RNA進行消毒的，具有殺菌率高、廣譜性等特點[4]。紫外線消毒燈具體采用UVC3535殺菌紫外線燈珠，其主要參數(shù)見表1。

表1UVC3535殺菌紫外線燈珠參數(shù)

圖6給出了該裝置的電路原理圖。22為整個電路的總開關，可以用于整個裝置的啟動或關閉；21為總電源，由上述參數(shù)可知，其設計電壓為6 V，采用4節(jié)1.5 V的干電池串聯(lián)組成；26為安裝在垃圾桶蓋內(nèi)側正中心紫外線消毒燈1；25為接觸擠壓式開關，當桶蓋與桶身接觸時可以實現(xiàn)該開關閉合，使消毒燈1亮起；27為保護電阻1，用于保護消毒燈1所在的支路；28為安裝在垃圾桶內(nèi)底部正中心的紫外線消毒燈2，消毒燈1、2采用并聯(lián)設計；23為一個普通開關，可以用于控制消毒燈2亮滅；29為保護電阻2，用于保護消毒燈2所在的支路。24為一個定時開關，可以用于設置2燈消毒時長，且不定時時可當作普通導線。

圖6? 紫外線消毒裝置電路原理圖

圖7是紫外線消毒裝置接觸擠壓式開關工作原理示意圖。30為垃圾桶桶蓋；31為垃圾桶桶蓋外沿邊；25-1為擠壓凸起結構，安裝在垃圾桶蓋外沿邊靠內(nèi)正中位置；25-2為導電壓板；25-7為圓筒3，導電壓板可在其內(nèi)做往復運動；25-6為導線，其透過圓筒3左外壁的直縫隙與導電壓板相接；25-3為上導電體，連接在導電壓板底部；25-5為下導電體；25-4為彈簧4，在不施加外力的作用下，將上下導電體隔開；在總開關閉合的條件下，當垃圾桶蓋閉合時，桶蓋自身重力帶動擠壓凸起結構向下按壓導電壓板，使彈簧4形變，上下導電體相連，接觸擠壓式開關閉合，消毒燈1亮起，直至垃圾桶打開。

圖7? 紫外線消毒裝置接觸擠壓式開關工作原理示意圖

圖8是桶蓋閉合且桶內(nèi)有垃圾時的示意圖。此時總開關閉合；接觸擠壓式開關受到桶蓋自身的重力作用，也處于閉合狀態(tài)；定時開關此時未作用，可看作導線；普通開關斷開，消毒燈2熄滅；故此時只有消毒燈1亮起，對其正下方的桶內(nèi)醫(yī)療廢物進行消毒，直至桶蓋被打開。

圖8? 桶蓋閉合且桶內(nèi)有垃圾時示意圖

若垃圾桶蓋打開，工作人員繼續(xù)投放醫(yī)療廢物。此時，接觸擠壓式開關斷開，其余開關也均斷開，定時開關此時未作用，仍可看作導線；消毒燈1、消毒燈2均熄滅。如圖9所示。

若此時醫(yī)療廢物收集完畢，工作人員也已清理完桶內(nèi)醫(yī)療廢物，并將對垃圾桶內(nèi)腔進行消毒。此時總開關、普通開關、擠壓接觸式開關均處于閉合狀態(tài)，定時開關可根據(jù)實際情況設定閉合時長，如30 min。設定完成后，消毒燈1、消毒燈2亮起，對醫(yī)療垃圾桶內(nèi)腔進行紫外線消毒，直至30 min后停止。如圖10所示。

4? 結束語

提高醫(yī)療廢物的高效、規(guī)范、安全收集是有效防止病菌傳播的重要途徑之一，從垃圾桶這一源頭出發(fā)做好醫(yī)療廢物的收集處理工作具有重要意義。本文設計了一種醫(yī)療垃圾桶裝消毒裝置，可分別對桶內(nèi)醫(yī)療廢物、垃圾桶蓋、醫(yī)療垃圾桶內(nèi)腔及桶蓋開閉時擠壓溢出的有菌空氣進行多重消毒?？梢詾楹笠咔闀r代醫(yī)療廢物的收集處理提供新方法與新技術，具有一定的推廣使用價值，為新時代中國特色醫(yī)療衛(wèi)生工作注入新鮮力量。

參考文獻：

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