半導體制冷技術在臨床醫(yī)療的應用研究

張偉斌， 付安英，郭 軼，許 丹

（1.咸陽職業(yè)技術學院 陜西 咸陽 712000；2.陜西華星電子工業(yè)公司 陜西 咸陽 712099）

利用半導體溫差電原理研制的半導體制冷器已廣泛用于軍事及民用制冷設備儀器方面，特別是近年來，企業(yè)將半導體制冷器成功的應用于冷熱兩用箱、飲水機、電腦CPU降溫、汽車駕駛員坐墊等方面，為半導體制冷器應用開辟了廣闊的空間和市場。應用半導體制冷技術，試制一種用于小型實用臨床醫(yī)療和家用半導體制冷物理降溫設備，用于外科手術后病人和高燒病人在家中物理降溫，必將具有一定需求量并會得到廣泛應用。

1 原理與設計

1.1 設計原理

半導體制冷器[1]是由單片半導體制冷片或多片半導體制冷片串、并聯(lián)所組成的一種冷卻裝置，是從上世紀五十年代發(fā)展起來的一門介于制冷技術和半導體技術邊緣學科。其工作原理是：當一塊N型半導體材料和一塊P型半導體材料聯(lián)結(jié)成電偶對時，在電路中接通直流電流后，就能產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)移，電流由N型半導體流向P型半導體接頭處吸收熱量，成為冷端；由P型半導體流向N型半導體的接頭處釋放熱量，成為熱端。吸熱和放熱的大小是由通過電流的大小以及半導體材料N、P的元件對數(shù)來決定，如圖1所示。目前國內(nèi)常用材料是以碲化鉍為基體的三元固溶體合金，其中P型是Bi2Te3—Sb2Te3，N型是Bi2Te3—Bi2Se3，采用垂直區(qū)熔法提取晶體材料。

圖1 半導體制冷器Fig.1 TEC

利用半導體技術制造的制冷器作為特種制冷源，在技術應用中有以下優(yōu)點和特點：

1）不用制冷劑，可連續(xù)工作，無污染源，工作時沒有震動、噪音、壽命長，安裝容易。

2）半導體制冷片是電流換能型組件[2]，通過輸入電流的控制，可實現(xiàn)高精度的溫度控制，再加上溫度檢測和控制手段，很容易實現(xiàn)遙控、程控、計算機控制，便于組成自動控制系統(tǒng)。

3）半導體制冷片可組合成電堆串、并聯(lián)的方法組合成制冷系統(tǒng)，功率制冷功率可以做到幾毫瓦到上萬瓦。

4）制冷時間很快，溫差范圍大。

1.2 總體設計

根據(jù)半導體制冷器原理和特點，結(jié)合研制小型實用臨床醫(yī)療和家用半導體制冷物理降溫設備項目要求，設備應進行半導體制冷、制冷傳輸、溫度控制、溫度顯示、設備散熱、電源等幾個方面研究實驗；設備的整體結(jié)構(gòu)和安全性也是研制的重要方面。設備總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 整體結(jié)構(gòu)設計Fig.2 Overall structural design

1）半導體制冷部分是利用半導體制冷技術，對病人局部進行物理降溫，解決其高熱不退問題。

2）溫度控制部分是采用電子溫度傳感器對病人局部溫度進行實時監(jiān)測，并通過溫度控制電路實施控制，以達到理想的溫度控制效果。

3）溫度顯示部分主要是將溫度傳感器采集的人體溫度轉(zhuǎn)換溫數(shù)字量，供醫(yī)護人員實時監(jiān)測病人溫度變化情況，做必要的調(diào)整。

4）由于半導體制冷器內(nèi)阻小，通電后制冷制熱速度快，必須使用恒流源供電，因此，設計或選擇合適的電源，對設備的可靠使用至關重要。

選取符合研制小型實用臨床醫(yī)療和家用半導體制冷物理降溫設備參數(shù)要求的制冷器，設計高精度的溫度控制的電子電路，從而可實現(xiàn)設備系統(tǒng)的基本功能。

1.3 制冷元件選擇

醫(yī)院對部分手術，尤其腦部手術后病人和高燒不退病人局部降溫，在臨床醫(yī)療方面大多采用冰塊、冷水袋降溫。使用時不方便，效果較差。目前，在各大醫(yī)院采用一種使用制冷降低水溫，用冷水降溫的方法，但設備價格昂貴，不易向中小醫(yī)院和家庭推廣。因此，利用半導體制冷技術，選用合適的半導體制冷元件作為設備的制冷降溫器件，是研制工作的關鍵。經(jīng)過反復挑選，我們選用參數(shù)為TEC1__12705，最大耐壓12 V、最大電流5 A，最大溫差67度的半導體制冷器作為設備的制冷元件，進行研制工作試驗。經(jīng)過多次實驗，這種參數(shù)的元件可滿足設備的制冷要求。

1.4 半導體制冷片溫度控制電路設計

半導體制冷片也叫熱電制冷片，它既可制冷又可加熱，根據(jù)流過半導體的電流方向和大小來決定其工作狀態(tài)的，電流的方向決定制冷或者制熱，電流的大小決定制冷或者制熱的程度和效果。為了使半導體制冷片能夠自動的進行恒溫控制，就必須設計好其驅(qū)動電路和控制電路。采用PID控制技術[2]，可以用來對半導體制冷片的電流進行控制，以實現(xiàn)高精度的控溫效果，目前在控制系統(tǒng)經(jīng)常使用。選擇ADUC824單片機作為控制核心，通過軟件編程完成對半導體制冷器的控制。ADUC824是AD公司推出的8051內(nèi)核的高性能單片機，內(nèi)部集成 了兩路 （21 位＋16 位）A／D、12 位 D／A、FLASH、WDT、μP監(jiān)控、溫度傳感器、等集成于一體，ADUC824體積小、功率低、具備在線編程調(diào)試功能。采用ADUC824作為半導體制冷控制器的核心，可提高了設計的可靠性，同時簡化了電路的設計。半導體制冷的功率驅(qū)動采用全橋電路，可以在單實現(xiàn)對目標的控制?；贏DUC824的半導體制冷總體控制電路框圖如圖3所示。

圖3 總體控制電路框圖Fig.3 Overall controlling circuit diagram

1.5 溫度采集與顯示

在制冷器溫度控制電路中，首選的電子元件應是溫度傳感器，溫度傳感器主要通過物體隨溫度變化而改變某種特性來間接測量電子元件、材料的特性都會隨著溫度的變化而變化，能作為溫度傳感器的材料比較多。溫度傳感器會隨溫度變化而引起物理參數(shù)變化的有：電阻、膨脹、電容等。伴隨著工業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展，新型的溫度傳感器不斷的用于工業(yè)測量和控制中。選用NTC型熱敏電阻作為溫度檢測元件；NTC溫度傳感器器為負溫度系數(shù)溫度傳感器。它是以錳、鈷、鎳和銅等金屬氧化物為主要材料，采用陶瓷工藝制造而成的。具有半導體性質(zhì)，在導電方式上完全類似鍺、硅等半導體材料。溫度低時，這些氧化物材料的載流子（電子和孔穴）數(shù)目少，所以其電阻值較高；隨著溫度的升高，載流子數(shù)目增加，所以電阻值降低。NTC溫度傳感器器在室溫下的變化范圍在10～1 000 Ω，溫度系數(shù)－2%～－6.5%。 NTC 溫度傳感器器可廣泛應用于溫度測量、溫度補償、抑制浪涌電流等場合。電阻值和溫度變化的關系式為：RT=RN expB（1/T－1/TN）。

用NTC溫度傳感器對制冷器溫度進行測量，并將采集的溫度信號傳送到IC進行處理，控制適當溫度[4]，以適應病人降溫的溫度，經(jīng)試驗，溫度控制在19～23度較為合適。溫度顯示采用具有電流－溫度轉(zhuǎn)換電路的LCD顯示器件[6]，實時顯示制冷器溫度，以便在臨床醫(yī)療時醫(yī)護人員隨時檢測病人降溫的溫度。

1.6 制冷片散熱試驗

半導體制冷片具有兩種功能，既能制冷，又能加熱，制冷效率一般不高，但制熱效率很高，永遠大于1。由于熱慣性非常小，制冷制熱時間很快，在熱端散熱良好冷端空載的情況下，通電不到一分鐘，制冷片就能達到最大溫差。使用一個片件就可以作為加熱系統(tǒng)或制冷系統(tǒng)[5]。要達到理想的制冷溫度，必須采用理想的散熱系統(tǒng)。經(jīng)課題組反復試驗，認為采用金屬散熱器和小型電風扇組合，可解決制冷器散熱問題，達到理想效果。

2 研制結(jié)果

在研制過程中，在分部件選購、研制完成的基礎上，根據(jù)總體設計思路，選用了12 V、5 A的恒流源，并進行整機結(jié)構(gòu)組裝和性能試驗測試，結(jié)果表明，在設備通電3分鐘后，制冷器輔助降溫系統(tǒng)可控溫到18～21度，PID控溫系統(tǒng)[6]、LCD溫度顯示系統(tǒng)、制冷器工作系統(tǒng)工作正常，可連續(xù)工作3小時以上。經(jīng)對臨床病人及發(fā)燒病人試驗，效果較好。達到了預期研制項目任務要求。

3 結(jié)束語

在設備研制過程中，注重進行了制冷器電子控制等部分的研制，但對整機結(jié)構(gòu)，特別是機械結(jié)構(gòu)部分，由于條件限制，研制試驗不到位，離臨床應用還有一定的距離，以后，應主要在臨床應用方面做細致的設計研究，以達到實用目的。

[1]陳振林，孫中泉.半導體制冷器原理與應用[J].微電子技術，1999（5）：63－65.CHEN Zhen-lin，SUN Zhong-quan. The principle and application of semiconductor refrigeration[J].Microelectronics technology，1999（5）：63－65.

[2]盧宋榮，薛相美.半導體制冷及其在家用電器中的應用[J]，制冷，2004，23（1）：83－85.LU Song-rong，XUE Xiang-mei.The semiconductor refrigeration technique and application in domestic appliance[J].Refrigeration，2004，23（1）：83－85.

[3]肖偉平，黃紹平.基于模糊PID控制的半導體制冷片溫控系統(tǒng)的研制[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2008，6（3）：54－56.XIAO Wei-ping，HUANG Shao-ping .The development of a temperature control system for a semiconductor chilling plate based on the fuzzy PID control[J].Industrial Instrumentation&Automation，2008，6（3）：54－56.

[4]龐長林，王曉浩，周兆英，等.小型半導體制冷恒溫控制系統(tǒng)的實驗研究[J].儀表技術與傳感器，2002（2）：12－14.PANG Chang-lin，WANG Xiao-hao，ZHOU Zhao-ying，et al.Experiment study for micro constant temperature controling system based on semiconductor cooler[J].Instrument Techniouf and Sensor，2002（2）：12－14.

[5]房偉.半導體制冷技術在LED散熱中的應用 [J].計算機光盤軟件與應用，2011（6）:53－54.FANG Wei.Application ofsemiconductorrefrigeration technology in LED heat dissipation[J].Computer CD Software and Applications，2011（6）：53－54.

[6]王太峰，歐陽新萍.一種新型便攜式制冷保溫容器的試驗研究[J].制冷與空調(diào)，2006，6（5）：67－70.WANGTai-feng，OUYANGXin-ping.Experimental investigation on a new convenient thermoelectric refrigeration unit[J].Refrigeration and Air-Conditioning，2006，6（5）：67－70.