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亞低溫治療儀的開發(fā)與實(shí)驗(yàn)研究
發(fā)布時(shí)間：2017-09-01
引 言
20 世紀(jì) 80 年代以來研究發(fā)現(xiàn)亞低溫 (30~35℃) 治療對(duì)重型顱腦外傷及腦卒中患者具有良好的效果[ 1,2]，它在許多環(huán)節(jié)上可以減輕腦缺血、缺氧引起的神經(jīng)元損傷[3]，目前尚未發(fā)現(xiàn)何種藥物有如此廣泛的效應(yīng)。亞低溫治療作為低溫醫(yī)學(xué)的一個(gè)分支主要用于臨床腦保護(hù)，長(zhǎng)期以來亞低溫治療使用冰袋降溫，使用不便，且難以維持恒定的溫度。所以臨床應(yīng)用亟需一種有效、操作簡(jiǎn)單的降溫方法。正是在此背景下研制了一種新型臨床適用的顱腦亞低溫治療儀，它是通過風(fēng)冷探頭冷卻頭顱表面達(dá)到降低腦溫的目的。此亞低溫治療儀采用蒸汽壓縮制冷技術(shù)，配制了液晶顯示及高精度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，制冷系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)變頻控制，并根據(jù)用戶要求擴(kuò)展了溫度曲線顯示等功能。
1制冷系統(tǒng)
適用小型制冷機(jī)的技術(shù)主要有蒸汽壓縮和熱電制冷兩種，熱電制冷具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積易于小型化等優(yōu)點(diǎn)，但制冷效率低，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證使用其冷卻空氣的效率太低，不適宜該治療儀使用。本亞低溫治療儀采用蒸汽壓縮制冷技術(shù)，制冷系統(tǒng)由壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流器、蒸發(fā)器、干燥過濾器、風(fēng)機(jī)及管路構(gòu)成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖 1，設(shè)備參數(shù)選擇如表 1。
壓縮機(jī)選用 75 W 全封閉壓縮機(jī)，冷凝方式為強(qiáng)制對(duì)流風(fēng)冷冷凝，風(fēng)冷系統(tǒng)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，風(fēng)冷系統(tǒng)冷凝溫度較高，非常適用于小型氟利昂制冷系統(tǒng)。
節(jié)流機(jī)構(gòu)采用毛細(xì)管，它在降低成本、改善機(jī)組密封性及簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)方面具有優(yōu)勢(shì)。為進(jìn)一步優(yōu)化制冷裝置的結(jié)構(gòu)及性能，將毛細(xì)管纏繞在回氣管上，制冷機(jī)組運(yùn)行中毛細(xì)管管壁與回氣管進(jìn)行熱交換――回?zé)嵫h(huán)，增加了制冷劑過冷度，減少了毛細(xì)管節(jié)流過程氣化損失，同時(shí)不會(huì)降低制冷劑回氣壓力，因而提高了制冷系統(tǒng)的整體性能。
蒸發(fā)器采用窄斷面、多排管、長(zhǎng)通道型式，風(fēng)機(jī)用小型離心式風(fēng)機(jī)。此類型蒸發(fā)器平均傳熱溫差小，實(shí)驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果證明在蒸發(fā)器迎風(fēng)面為 2 排管、沿空氣流通方向?yàn)?5 排管的整體翅片管結(jié)構(gòu)型式下，冷風(fēng)出口溫度僅比蒸發(fā)溫度高 2~3℃。實(shí)驗(yàn)研究[4]表明在空氣 Re>2 000~3 000 時(shí)，管排數(shù)對(duì)對(duì)流換熱系數(shù)和空氣壓降的影響減小，此種蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)可明顯提高蒸發(fā)溫度，從而提高制冷系統(tǒng)的COP 值，同時(shí)還避免結(jié)霜和系統(tǒng)的除霜耗能。這為低溫空調(diào)的防霜設(shè)計(jì)提供了新穎實(shí)用的思路。
2變頻控制系統(tǒng)
2.1計(jì)算機(jī)與變頻控制技術(shù)
制冷劑流量是影響制冷量的主要因素，可以采取控制制冷劑的流量來控制整個(gè)系統(tǒng)的制冷量。變頻控制是利用變頻器改變輸入電流的頻率對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)制冷劑流量的改變。變頻調(diào)速技術(shù)具有響應(yīng)快、控制靈活等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用為克服制冷空調(diào)設(shè)備調(diào)節(jié)滯后、能耗大等缺點(diǎn)提供了條件。在控制系統(tǒng)中將計(jì)算機(jī)與變頻控制相結(jié)合，利用計(jì)算機(jī)的軟件編程功能實(shí)現(xiàn)智能變頻控制，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確性大大提高[6]，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控參數(shù)的精確控制[5]。
此外，系統(tǒng)提供多組溫度數(shù)據(jù)的采集、處理與顯示等功能。亞低溫治療儀的工作環(huán)境為室內(nèi)，室內(nèi)溫度變化范圍不大，制冷系統(tǒng)受干擾因素較少，采用 PID 控制方法即可實(shí)現(xiàn)智能控制的要求?？刂葡到y(tǒng)的被控對(duì)象為冷風(fēng)溫度，首先讓制冷裝置在不同室溫不同頻率條件下運(yùn)行，得到制冷系統(tǒng)的控制參數(shù)，然后建立 PID 控制模型，通過計(jì)算機(jī)編程控制變頻器的輸出頻率實(shí)現(xiàn)對(duì)冷風(fēng)溫度的控制。
2.2控制系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)
通過計(jì)算機(jī)變頻控制來實(shí)現(xiàn)制冷系統(tǒng)的能量調(diào)節(jié)具有很好的循環(huán)經(jīng)濟(jì)性和控制精度。該制冷系統(tǒng)通過變頻器提供的標(biāo)準(zhǔn)控制端口與計(jì)算機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)的變頻控制。這個(gè)端口既可傳遞反饋控制信號(hào)，也可傳遞控制信號(hào)。在本控制系統(tǒng)中該端口作為計(jì)算機(jī)的通信端口，接收計(jì)算機(jī)輸出的頻率信號(hào)后實(shí)施變頻，對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行變轉(zhuǎn)速能量調(diào)節(jié)。PC 主機(jī)采用主板、電源及硬盤構(gòu)成，留有USB 接口;系統(tǒng)的人機(jī)對(duì)話部分由計(jì)算機(jī)的鍵盤、鼠標(biāo)和顯示器構(gòu)成，選用 NEC NL8060AC26 液晶顯示屏，它與主機(jī)相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)與圖像顯示;采用熱電偶作溫度傳感器，感溫端置于蒸發(fā)器出口處，另一端與數(shù)據(jù)采集板相連;數(shù)據(jù)采集板與主板串行口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信;變頻器控制端子與主板另一串行接口相連，工頻電源輸入，輸出端與壓縮機(jī)相連。其硬件構(gòu)成如圖 2。
2.3智能控制軟件的編制
控制軟件的功能主要包括啟閉制冷機(jī)組、采集所需數(shù)據(jù)參數(shù)、進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、產(chǎn)生相應(yīng)的控制指令驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器操作等。系統(tǒng)的顯示部分分為數(shù)據(jù)參數(shù)顯示和設(shè)備狀態(tài)顯示兩大部分。設(shè)備工作狀態(tài)通過顯示燈顯示，頻率和溫度參數(shù)及用戶需要的其他數(shù)據(jù)參數(shù)通過顯示屏顯示。溫度數(shù)據(jù)采樣有 4 路數(shù)值，其中一路(溫度 1)為蒸發(fā)器出口處風(fēng)溫，它作為計(jì)算機(jī)控制的反饋信號(hào)，其他 3 路為用戶預(yù)置。軟件采用 VB 編程。
根據(jù)用戶要求，該智能控制軟件運(yùn)行過程中可隨時(shí)通過鍵盤進(jìn)行其他參數(shù)(如患者資料)的輸入及修改，并可以隨時(shí)查看溫度歷史數(shù)據(jù)、顯示及打印溫度曲線。實(shí)驗(yàn)證明該亞低溫治療儀運(yùn)行良好,在功能和性能上達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)。
3運(yùn)行實(shí)驗(yàn)
在不同實(shí)驗(yàn)條件下運(yùn)行亞低溫治療儀，實(shí)驗(yàn)得到的冷風(fēng)溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖 3~6 所示。圖3為未變頻時(shí)不同室溫環(huán)境下亞低溫治療儀運(yùn)行 90 min 冷風(fēng)溫度變化曲線。圖 4 為未變頻時(shí)亞低溫治療儀運(yùn)行 48 h 冷風(fēng)溫度隨室溫的變化曲線。從圖中可以看出未實(shí)施變頻控制時(shí)，亞低溫治療儀的出風(fēng)溫度主要受室內(nèi)溫度的影響，室溫高則冷風(fēng)出風(fēng)溫度高，且冷風(fēng)溫度隨室內(nèi)溫度變化而同向變化。圖 5 為鍵盤輸入不同頻率時(shí)冷風(fēng)溫度的變化規(guī)律，從圖中可以看出毛細(xì)管節(jié)流的小型制冷機(jī) 組，當(dāng)頻率在 30~60 Hz 范圍內(nèi)變化時(shí)，制冷溫度變化范圍為 5 ℃左右。圖 6 為實(shí)施智能控制時(shí)，溫度設(shè)定值分別為 5 ℃, 10℃時(shí)治療儀運(yùn)行 2 h 冷風(fēng)溫度曲線。從圖中可以看出溫度波動(dòng)范圍很小，達(dá)到了精確控溫的目的。
4結(jié) 論
(1)該治療儀的研制中將現(xiàn)代機(jī)電一體化技術(shù)成功應(yīng)用于傳統(tǒng)制冷技術(shù)中。我國(guó)的微型制冷機(jī)電一體化(即機(jī)電冷/熱一體化)技術(shù)尚處于落后狀態(tài)[7]，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)此方向的研究力度。
(2)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行結(jié)果表明，整個(gè)低溫空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠, 溫度采樣準(zhǔn)確，但其不足之處在于機(jī)組運(yùn)行整體噪音水平略高于一般家用空調(diào)器室內(nèi)機(jī)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)噪音主要來源于冷凝風(fēng)機(jī)和蒸發(fā)風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)的噪音決定了整個(gè)制冷機(jī)組的噪音水平，應(yīng)該慎重選擇高效、低噪型的小型風(fēng)機(jī)。
(3)在制冷機(jī)組的設(shè)計(jì)中提出了適用于低溫空調(diào)的長(zhǎng)通道蒸發(fā)器設(shè)計(jì)思想，大大提高了蒸發(fā)溫度，為低溫空調(diào)的防霜設(shè)計(jì)提供了新穎實(shí)用的思路。
摘自：中國(guó)計(jì)量測(cè)控網(wǎng)
