基于病毒防控背景下的自助加油站消毒設施設計

韓碩一，金可言

基于病毒防控背景下的自助加油站消毒設施設計

韓碩一，金可言

（米蘭理工大學，米蘭 20161，意大利）

在病毒防控的背景下，針對自助加油站的加油槍所設計開發的消毒設施，使每一位自助加油站的用戶在不改變原有的使用流程前提下接觸到清潔無毒的加油槍，從而在最大限度上阻止病毒在加油站公共區域的交叉傳播。利用紫外線消毒技術，將加油槍的外表面充分地消毒殺菌，并在每一次用戶使用過后都重復該流程，使得加油槍時刻保持無毒無菌的狀態，從而阻絕了病毒在用戶之間的傳播。經過計算和推演，該設計可以有效的消除加油槍表面的病菌，有效阻隔了病毒的傳播途徑，與此同時新型設備的介入并沒有影響到用戶原有的自助加油使用流程，保留了原有的使用體驗。該設計在公共衛生領域起到了阻隔病毒傳播的作用，對病毒的防御有著深刻而廣泛的作用。

自助加油；加油槍；消毒設施；人機交互

勞動力成本的增加和人們對高效工作的追求，使自助加油成為人們越來越普遍的加油方式，與此同時，自助加油站缺乏工作人員連續執行清潔加油設備的工作，使加油站存在著嚴重的病菌寄存及環境污染的問題。其中主要有以下幾點：意外泄漏和溢出、加油站污染違規、加油站污染物等。

在自助加油站的眾多設備中，加油槍是污染最嚴重的也是最關鍵的病毒傳播媒介[1]。一方面由于司機都需要使用它來給汽車加油；另一方面加油作為一個例行過程[2]，司機每月大約會加油5～6次，加油后加油槍上的病原體會進入車內。根據金伯利克拉克專業實驗室對氣泵拭子的研究，氣泵手柄平均包含2 011 970個菌落形成單位，這個數量是馬桶座圈細菌和病毒污染數量的11 000倍。因此，本文將消毒清潔的目標放在自助加油站的加油槍上，希望通過限制這個重要的病毒傳播媒介，最大限度地阻止用戶之間及加油站與汽車之間的病毒和細菌傳播[3]，從而在這個公共空間中保障使用者的衛生安全。

1 加油槍的污染種類

1.1 生物污染

超過70%的加油槍攜帶有高風險的細菌并可能發展為嚴重的疾病[4]。這些細菌中有50%被稱為“革蘭氏陽性球菌”，它們會引發皮膚不良狀況，甚至是中毒性休克。

1.2 化學污染

苯占汽油成分的1%，是人類癌癥的公認原因[5]。國際癌癥研究機構已將苯列為威脅人類的第一類致癌物。國際化學品安全計劃發現苯通過吸入、皮膚和食入被人體吸收。但在加油的過程中用戶需要握住被汽油殘留物污染的加油槍手柄幾分鐘，其皮膚表面可能殘留少量苯。

2 自助加油站消毒設施的設計

2.1 設計目標

2.1.1 針對環境及病原體

該設備主要針對病毒防控領域，對自助加油站的加油槍表面的多種病原體的消毒與清潔。

2.1.2 目標用戶

本設計的目標用戶是日常接觸自助加油站的司機（如卡車司機、公交車司機、私家車司機等），其中日常使用自助加油站的司機每月平均給車加油5～6次[6]，而每次加油的過程中都會有病原體被司機從加油站帶入車內。

2.1.3 普遍適用性

全球有許多品牌和種類的加油站，不僅在公司之間存在差異，在品牌內部也存在差異。由于加油站的種類繁多，需要針對不同長度的加油站設備合理選擇和調整產品的尺寸，使本設計可以普遍安裝在不同的加油槍設備之上。

2.1.4 保持原本的使用流程

為防止用戶適應新的操作流程，產品安裝到加油站后，應保持原有的自助加油流程不變，確保用戶體驗的順暢。

2.1.5 消毒原理

本設計采用紫外線燈照射的方式對加油槍的表面進行消毒處理。由于紫外線滿足對殺滅有害病毒的要求[7]，因此這種方式既能滿足產品擺脫人工操作的自動化需求，又能對加油槍設備的表面進行有效的消毒。具體的紫外線技術細節將在后文詳細論述。

2.1.6 安全性

雖然采用紫外線照射的方式能夠對設備有效消毒，但其會對設備周邊的使用者造成危害。因此該設備在消毒工作的過程中必須將紫外線與使用者相隔離[8]，以確保用戶的安全。

2.2 設備概述

如圖1所示為模擬消毒設備在自助加油站環境下的安裝效果。設備被安裝在加油站的自助設施之上，并將加油槍“包裹”，設備內部配有紅外感應裝置和紫外線消毒裝置，每次用戶在使用并放還加油槍時，設備便會自動感應并關閉隔離罩，在保護周圍人員安全的前提下，運用紫外線消毒技術對加油槍的表面進行全方位消毒處理，消毒完成后隔離罩重新打開并回歸原始狀態，以此循環往復。下文將對產品的使用流程及結構細節進行詳述。

圖1 設備在自助加油站中的安裝及使用

2.3 使用流程

1）加油站及設備生產方對具體的自助加油設備的尺寸進行測量，并根據數據選擇合適規格的消毒設備提供給自助加油站。

2）將消毒設備連接并安裝在自助加油設備的主體上，使加油槍被消毒設備“包裹”。

3）用戶使用自助設備加油之前，消毒設備處于開放狀態：紫外線隔離板升起，紫外線燈關閉，加油槍暴露在用戶面前。

4）用戶拿起加油槍使用時，消毒設備由內部的紅外感應裝置控制檢測到加油槍的位置運動。

5）用戶放還加油槍后，消毒設備將關閉隔離罩，在保護周圍人員安全的前提下通過紫外線燈的照射對加油槍表面進行消毒處理。

6）經后期計算，消毒時間將持續約1 min，隨后隔離罩重新打開使消毒設施回歸原始狀態，見圖2。

圖2 設備的使用流程

2.4 產品規格

2.4.1 3種規格

在設計概念的發展過程中，消毒產品需要適配不同規格的自助加油設備，根據比較的多種加油站設備的尺寸，筆者創建了3個不同大小的對象，以適應不同的設備。這些設備的水平寬度分別為200 mm、400 mm和 600 mm，見圖3。

圖3 設備的3種基礎尺寸

2.4.2 人機尺寸

如圖4所示，通過對用戶身高和使用方式的調研[9]，使設備尺寸和安裝尺寸能夠不影響用戶的原有使用流程，在用戶的普遍身高范圍內（145 cm～ 187 cm）依然可以觀察到加油槍的位置并順利取用。

2.5 產品細節

2.5.1 基本構造

設備的主體框架由折彎和擠壓工藝制成的金屬殼體構成，內部包含了PCB控制模塊、電源模塊、運動模塊、消毒模塊、感應模塊等，見圖5。下文將對關鍵模塊進行詳細闡述。

2.5.2 隔離罩運動機構

如圖6所示，該設備的主要部件之一是用于打開和關閉隔離罩的運動機構。為了實現這種運動，筆者分析了電機和鉸鏈等多種選項，最終選擇使用線性致動器。由于內部的旋轉軸機構，隔離罩的運動可以順利進行，并且速度快無延遲。此外，為了確保平衡，將隔離罩的兩側安裝了線性致動器。這種機構形成的運動方式可以使隔離罩以垂直于地面的方向運動，同時滿足了人機工程學和操作的便利性。

圖4 設備的人機尺寸展示

圖5 設備爆炸圖

圖6 隔離罩運動機構的細節

2.5.3 加油槍隔離裝置

如圖7所示，加油槍隔離裝置設計安裝在兩個加油槍之間[10]。裝置內部安裝有紫外線燈以及紅外感應器，為了獲得最佳的消毒效果，筆者將紫外線燈的位置設計成可同時照射到左右方向的兩個加油槍的形式。此外，加油槍隔離裝置由螺絲固定在設備主體下方，并可根據加油槍的具體位置來調整隔離裝置的安裝位置。

2.5.4 紅外感應裝置

紅外傳感器可用于檢測加油槍的位置變化，以便相應地啟動消毒過程，見圖8。設備包含發射型傳感器和接受型傳感器[11]，通過傳感器之間的配合來探測加油槍的位置變化，進而控制設備的整體工作。對紅外傳感器的選擇，應從尺寸和安裝可行性出發，選擇適合的傳感器品類。

圖7 隔離裝置的細節

圖8 紅外感應裝置的位置

2.5.5 紫外線照射裝置

紫外線燈分別被設置在隔離部件內及設備的內側頂部，從而能夠全方位地處理加油槍的外表面，見圖9。紫外線劑量=紫外線強度（W/m2）×曝光時間（s）。根據ClorDisys實驗室的科學研究，去除所有微生物和病毒為基礎，使目標消毒率達到99.9%。在這方面，最具抵抗力的病毒表現出最大的存活率，為了破壞病毒，紫外線燈必須達到1 400（J/m2）的值。研究的第二個組成部分是曝光時間，目標消毒時長大約 60 s。根據之前的公式，能夠計算出設備所需的紫外線燈的強度是23.3（W/m）。經過對紫外線燈供應商的審查，最終選擇了far-UVC 222紫外線燈，如圖10所示。該紫外線燈對人類眼睛和皮膚較為安全，同時具有使用壽命長、設計緊湊、無需預熱的特點。此外，222 nm波長不會穿透眼角膜，因此不會造成角膜損傷。

圖9 紫外線消毒狀態的內部效果

圖10 所選的紫外線燈的種類及規格

2.5.6 設備的安裝方式

該產品使用黏合劑來連接消毒設備和加油站設備。由于消毒設備的主體采用金屬材料，因此需要黏合劑具有能夠承受壓力和阻力的質量[12]。環氧樹脂或聚氨酯黏合劑最適合在零件上施加壓力的應用。在比較了環氧金屬膠和聚氨酯膠后，得出的結論是大多數環氧樹脂在與金屬相互作用時，在負載下表現更好，并且可以在惡劣的天氣條件下保持可靠性。此外，就價格而言，環氧樹脂的成本較低。

基于此，筆者選擇環氧樹脂黏合劑，并計算了需要支撐的重量，從而得到需要的黏合接觸面積。平均 2 300 psi = 15 N/mm2，因此對每mm2，可以提供1.5 kg 的承受力。消毒設備整體重量約15 kg，加上普通人的體重為85 kg，因此承受100 kg。因此接觸面積應為67 mm2左右，見圖11。

2.5.7 LED指示燈

設備工作時隔離罩將會關閉，在關閉消毒期間，設計增加了LED指示燈作為提示，提醒用戶此時設備的工作狀態。隨著消毒工作的進行，綠色LED燈進度條將逐漸全部亮起，消毒完成后，指示燈熄滅，隔離罩抬起，表示消毒完成（見圖12），這個過程將持續1 min[13]，足以在下一個用戶使用之前完成消毒。

2.6 技術分析

2.6.1 有限元分析

為了了解該設備是否能夠承受足夠的外力，筆者使用SolidWorks Simulation進行了有限元分析，如圖13所示，當機體材料為鋁時，如果從側面施力[14]，整個機體的最大變形約為4.9 mm，隔離板的最大變形為4.25 mm，是材料可以接受的范圍。

圖11 設備背部的安裝位置

圖12 消毒進度的反饋效果

2.6.2 失效模式效應分析

通過FMEA（失效模式效應分析）的分析，證明產品的組成部件和連接方式是便于重新設計的，這主要指對產品生產或裝備過程中所產生的錯誤能夠進行及時的改良。通過分析得出，每個案例的RPN數量都小于100。分析過程不僅考慮了制造和裝配層面的重新設計，而且包含維護層面的重新設計。通過以上步驟，結論是產品各個部件的翻新和替換工作是相對簡易的，這充分滿足了實際生產和安裝過程中工作人員的需要，見圖14。

2.6.3 工藝與材料

如圖15所示，消毒設備的主體采用鋁制金屬材料，并采用金屬折彎及擠壓成型工藝，在最大程度上減少了工藝成本。中間的加油槍隔離部件由于主體形態和內部構造的限制，最終將其設計成以ABS塑料為基本材料并使用塑料注塑工藝，這既能滿足形態和結構的需求，又能有效降低設備的質量。

圖13 設備外殼的有限元分析

圖14 FMEA（失效模式效應分析）

圖15 設備各部件的制造工藝

3 結語

在當今各類病毒普遍暴發的背景下，病毒防控逐漸成為人們所關注的焦點問題，而公共設施的衛生質量水平又對流行性病毒的傳播有著巨大影響。在自助加油站公共區域應時刻關注關鍵設備的衛生狀況，加油槍是該區域最關鍵的傳播媒介。因此，確保了自助加油槍時刻保持在最佳的衛生狀態，也就高效地阻止了病毒在使用者之間的傳播。本文概念設計的創新點是基于此發展而來，利用紫外線燈及機械自動化等方式，彌補了工作人員無法時刻清潔加油站設備的弊端，使加油槍設備在每次被使用后都能被重新消毒，并帶給用戶及時的工作進程反饋，最終在病毒傳播的關鍵節點上消除了衛生安全隱患。隨著自助加油站普及程度的提高，該設備在未來的市場上也擁有廣泛的使用基數和前景；本設計的出發點基于病毒防控背景，對未來可能的各類流行病原體的防控具有積極的指導和預防作用。該設備作為一款立足于實際生產和使用的設備，在文中描述了其基本的操作流程和基礎結構，以及設計細節的可行性、生產和使用的可操作性，但該設備能否滿足現階段模擬和推斷過程的需要，仍然有待實際的檢驗。

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Design of Disinfection Facilities for Self-service Gas Stations in the Context of Virus Prevention and Control

HAN Shuo-yi, JIN Ke-yan

(Politecnico di Milano, Milan 20161, Italy)

The work aims to design and develop a disinfection facility for the nozzles of self-service gas stationsin the context of virus prevention and control, so that every user of the station can have access to clean and non-toxic nozzles without changing the original use process, thus preventing the cross-transmission of viruses in the public area of the station to the greatest extent. The UV disinfection technology was used to fully disinfect and sterilize the external surface of the nozzles, and the process was repeated after the use of each user, so that the nozzles were kept in a non-toxic and sterile state at all times, thus preventing the spread of the virus among users. After calculation and deduction, the design could effectively eliminate the germs on the surface of the nozzles, effectively blocking the transmission of viruses, while the new equipment did not affect the original self-service refueling process of users, retaining the original use experience. The design plays a role in blocking the spread of viruses in the field of public health, and has a profound and extensive effect in the defense of viruses.

self-service refueling; nozzle; disinfection facilities; human-computer interaction

TB472

A

1001-3563(2023)14-0100-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.14.010

2023–02–16

韓碩一（1997—），男，碩士，主要研究方向為工業設計工程。

責任編輯：陳作