亚低温治疗仪的开发与实验研究
发布时间：2017-09-01
引 言
20 世纪 80 年代以来研究发现亚低温 (30~35℃) 治疗对重型颅脑外伤及脑卒中患者具有良好的效果[ 1,2]，它在许多环节上可以减轻脑缺血、缺氧引起的神经元损伤[3]，目前尚未发现何种药物有如此广泛的效应。亚低温治疗作为低温医学的一个分支主要用于临床脑保护，长期以来亚低温治疗使用冰袋降温，使用不便，且难以维持恒定的温度。所以临床应用亟需一种有效、操作简单的降温方法。正是在此背景下研制了一种新型临床适用的颅脑亚低温治疗仪，它是通过风冷探头冷却头颅表面达到降低脑温的目的。此亚低温治疗仪采用蒸汽压缩制冷技术，配制了液晶显示及高精度的数据采集系统，制冷系统利用计算机编程实现变频控制，并根据用户要求扩展了温度曲线显示等功能。
1制冷系统
适用小型制冷机的技术主要有蒸汽压缩和热电制冷两种，热电制冷具有结构简单、体积易于小型化等优点，但制冷效率低，经实验验证使用其冷却空气的效率太低，不适宜该治疗仪使用。本亚低温治疗仪采用蒸汽压缩制冷技术，制冷系统由压缩机、冷凝器、节流器、蒸发器、干燥过滤器、风机及管路构成，系统结构图见图 1，设备参数选择如表 1。
压缩机选用 75 W 全封闭压缩机，冷凝方式为强制对流风冷冷凝，风冷系统简单，易于实现自动控制，风冷系统冷凝温度较高，非常适用于小型氟利昂制冷系统。
节流机构采用毛细管，它在降低成本、改善机组密封性及简化结构方面具有优势。为进一步优化制冷装置的结构及性能，将毛细管缠绕在回气管上，制冷机组运行中毛细管管壁与回气管进行热交换――回热循环，增加了制冷剂过冷度，减少了毛细管节流过程气化损失，同时不会降低制冷剂回气压力，因而提高了制冷系统的整体性能。
蒸发器采用窄断面、多排管、长通道型式，风机用小型离心式风机。此类型蒸发器平均传热温差小，实验运行结果证明在蒸发器迎风面为 2 排管、沿空气流通方向为 5 排管的整体翅片管结构型式下，冷风出口温度仅比蒸发温度高 2~3℃。实验研究[4]表明在空气 Re>2 000~3 000 时，管排数对对流换热系数和空气压降的影响减小，此种蒸发器的设计可明显提高蒸发温度，从而提高制冷系统的COP 值，同时还避免结霜和系统的除霜耗能。这为低温空调的防霜设计提供了新颖实用的思路。
2变频控制系统
2.1计算机与变频控制技术
制冷剂流量是影响制冷量的主要因素，可以采取控制制冷剂的流量来控制整个系统的制冷量。变频控制是利用变频器改变输入电流的频率对压缩机进行变转速调节，以实现制冷剂流量的改变。变频调速技术具有响应快、控制灵活等优点，其应用为克服制冷空调设备调节滞后、能耗大等缺点提供了条件。在控制系统中将计算机与变频控制相结合，利用计算机的软件编程功能实现智能变频控制，使系统的稳定性和精确性大大提高[6]，实现对被控参数的精确控制[5]。
此外，系统提供多组温度数据的采集、处理与显示等功能。亚低温治疗仪的工作环境为室内，室内温度变化范围不大，制冷系统受干扰因素较少，采用 PID 控制方法即可实现智能控制的要求。控制系统的被控对象为冷风温度，首先让制冷装置在不同室温不同频率条件下运行，得到制冷系统的控制参数，然后建立 PID 控制模型，通过计算机编程控制变频器的输出频率实现对冷风温度的控制。
2.2控制系统的硬件实现
通过计算机变频控制来实现制冷系统的能量调节具有很好的循环经济性和控制精度。该制冷系统通过变频器提供的标准控制端口与计算机相连，实现压缩机的变频控制。这个端口既可传递反馈控制信号，也可传递控制信号。在本控制系统中该端口作为计算机的通信端口，接收计算机输出的频率信号后实施变频，对压缩机进行变转速能量调节。PC 主机采用主板、电源及硬盘构成，留有USB 接口;系统的人机对话部分由计算机的键盘、鼠标和显示器构成，选用 NEC NL8060AC26 液晶显示屏，它与主机相连，进行数据与图像显示;采用热电偶作温度传感器，感温端置于蒸发器出口处，另一端与数据采集板相连;数据采集板与主板串行口进行数据通信;变频器控制端子与主板另一串行接口相连，工频电源输入，输出端与压缩机相连。其硬件构成如图 2。
2.3智能控制软件的编制
控制软件的功能主要包括启闭制冷机组、采集所需数据参数、进行数据处理、产生相应的控制指令驱动执行器操作等。系统的显示部分分为数据参数显示和设备状态显示两大部分。设备工作状态通过显示灯显示，频率和温度参数及用户需要的其他数据参数通过显示屏显示。温度数据采样有 4 路数值，其中一路(温度 1)为蒸发器出口处风温，它作为计算机控制的反馈信号，其他 3 路为用户预置。软件采用 VB 编程。
根据用户要求，该智能控制软件运行过程中可随时通过键盘进行其他参数(如患者资料)的输入及修改，并可以随时查看温度历史数据、显示及打印温度曲线。实验证明该亚低温治疗仪运行良好,在功能和性能上达到了设计指标。
3运行实验
在不同实验条件下运行亚低温治疗仪，实验得到的冷风温度随时间的变化关系如图 3~6 所示。图3为未变频时不同室温环境下亚低温治疗仪运行 90 min 冷风温度变化曲线。图 4 为未变频时亚低温治疗仪运行 48 h 冷风温度随室温的变化曲线。从图中可以看出未实施变频控制时，亚低温治疗仪的出风温度主要受室内温度的影响，室温高则冷风出风温度高，且冷风温度随室内温度变化而同向变化。图 5 为键盘输入不同频率时冷风温度的变化规律，从图中可以看出毛细管节流的小型制冷机 组，当频率在 30~60 Hz 范围内变化时，制冷温度变化范围为 5 ℃左右。图 6 为实施智能控制时，温度设定值分别为 5 ℃, 10℃时治疗仪运行 2 h 冷风温度曲线。从图中可以看出温度波动范围很小，达到了精确控温的目的。
4结 论
(1)该治疗仪的研制中将现代机电一体化技术成功应用于传统制冷技术中。我国的微型制冷机电一体化(即机电冷/热一体化)技术尚处于落后状态[7]，应进一步加强此方向的研究力度。
(2)长时间运行结果表明，整个低温空调系统运行稳定、可靠, 温度采样准确，但其不足之处在于机组运行整体噪音水平略高于一般家用空调器室内机。经实验证实噪音主要来源于冷凝风机和蒸发风机，风机的噪音决定了整个制冷机组的噪音水平，应该慎重选择高效、低噪型的小型风机。
(3)在制冷机组的设计中提出了适用于低温空调的长通道蒸发器设计思想，大大提高了蒸发温度，为低温空调的防霜设计提供了新颖实用的思路。
摘自：中国计量测控网
