基于半導(dǎo)體制冷技術(shù)的醫(yī)用冷藏箱

張芷毓，王揚(yáng)揚(yáng)，陳浩康

（沈陽航空航天大學(xué)，遼寧沈陽，110136）

0 前言

近年來，半導(dǎo)體制冷技術(shù)的不斷發(fā)展，使得溫度控制系統(tǒng)滿足占地空間小，效率高，功能性強(qiáng)等優(yōu)勢。這些成功的應(yīng)用實例也為基于小型半導(dǎo)體制冷技術(shù)的醫(yī)用冷藏箱溫的研制提供了借鑒經(jīng)驗。

本文設(shè)計的醫(yī)用冷藏箱不僅采用了先進(jìn)的半導(dǎo)體制冷技術(shù)，并且圍繞溫度采集時的誤差建立數(shù)學(xué)模型，通過計算得出精確的器官實時溫度，具有制冷效率高、控制精度高、箱體可靠性好、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，有效地保證了醫(yī)用冷藏箱內(nèi)存儲器官的活性。

1 醫(yī)用冷藏箱總體架構(gòu)

醫(yī)用冷藏箱硬件電路由單片機(jī)主控模塊、溫度采集模塊等模塊組成，其中制冷執(zhí)行模塊是醫(yī)用冷藏箱的核心部分，硬件工作框圖如圖1所示。

圖1 醫(yī)用冷藏箱硬件構(gòu)成框圖

醫(yī)用冷藏箱制冷控制系統(tǒng)的主控模塊采用STM32芯片；溫度采集模塊采用DS18B20型溫度傳感器；半導(dǎo)體制冷裝置組成制冷執(zhí)行模塊。通過鍵盤輸入想要的合適溫度，將此信息傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)對冷藏箱內(nèi)的溫度進(jìn)行分析，運(yùn)用PID控制方法，根據(jù)所接收的實時溫度數(shù)據(jù)去調(diào)控半導(dǎo)體制冷片TEC-12706的工作電流，可以通過對TEC-12706工作電流的把控，使箱內(nèi)溫度保持在一定的低溫范圍。LCD為顯示終端，實現(xiàn)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定、狀態(tài)顯示，方便使用人員操作和監(jiān)控。

制冷控制系統(tǒng)的軟件主要包括以下部分：主程序設(shè)計、溫度測量子程序設(shè)計、溫度誤差分析子程序設(shè)計、制冷控制子程序設(shè)計、LCD顯示以及按鍵子程序設(shè)計。系統(tǒng)的主程序主要完成系統(tǒng)的初始化，通過各個模塊子程序的調(diào)用，實現(xiàn)冷藏箱內(nèi)溫度采集、制冷控制等功能。首先各模塊初始化，將模塊接口各個數(shù)值設(shè)置為默認(rèn)狀態(tài)，然后獲取溫度傳感器采集的醫(yī)用冷藏箱內(nèi)部溫度數(shù)據(jù)信息，并發(fā)送至顯示模塊，對采集到的箱內(nèi)溫度進(jìn)行誤差分析，得到待移植器官表面的精確溫度，根據(jù)鍵盤預(yù)先設(shè)定的維持器官活性的低溫閾值，調(diào)用制冷控制子程序，保證冷藏箱內(nèi)溫度適宜；同時顯示模塊，可以通過顯示屏查看當(dāng)前溫度。

根據(jù)上述分析，本項目主要實現(xiàn)功能如下：

（1）單片機(jī)控制核心接收采集的冷藏箱內(nèi)溫度數(shù)據(jù)，經(jīng)過溫度分析處理，發(fā)送溫度控制命令；

（2）將溫度傳感器的實際測溫數(shù)據(jù)和理論溫度誤差修正方程結(jié)合，通過溫度誤差分析，獲取臟器表面溫度的精確溫度；

（3）設(shè)計半導(dǎo)體制冷裝置，并實現(xiàn)對臟器的精準(zhǔn)快速控溫；

（4）合理設(shè)計電源模塊，將內(nèi)部外部電池結(jié)合，保證自身攜帶的電源能在沒有外接電源的情況下，滿足制冷需求。

本文主要對半導(dǎo)體制冷、電源模塊設(shè)計、溫度測量與誤差分析這三個主要功能的實現(xiàn)進(jìn)行描述。

2 醫(yī)用冷藏箱關(guān)鍵硬件

2.1 半導(dǎo)體制冷

半導(dǎo)體制冷片組件主要有兩類：單級和多級熱電堆。多級熱電堆可以看作是多個單級熱電堆串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)形式的組合，雖然可以獲得更低的冷端溫度，但制作相對復(fù)雜。對于本文研究的醫(yī)用冷藏箱的制冷需求來說，選用市場上較為常見，易于選購的單級制冷片組件即可。由于冷藏箱電源設(shè)計為直流24V供電，因此，選用TEC-12706單級半導(dǎo)體制冷片，額定電壓為DC12V，采用表面導(dǎo)熱硅膠勃貼固定。

根據(jù)半導(dǎo)體制冷技術(shù)的基本理論，可知半導(dǎo)體制冷片的制冷量為：

消耗功率為：

制冷系數(shù)為：

式(1)中，pα，Nα為P型、N型電偶的溫差電系數(shù)；I為通電電流強(qiáng)度；TC冷端溫度；R為半導(dǎo)體制冷元件的電阻值；k為導(dǎo)熱系數(shù)；△T為冷熱端面溫度差。

由公式可知，制冷片的通電電流強(qiáng)度I是影響制冷能力的主要因素之一。理想情況下，制冷片所允許的最大電流值應(yīng)該就是最佳工作電流，但實際工作中，未達(dá)到最大電流時電壓已經(jīng)達(dá)到最大工作極限，因此在散熱良好的情況下，制冷片工作在額定電壓時的制冷量是可以保證的最大制冷量。但是，制冷片工作時熱端發(fā)熱量很大，通常情況下的散熱強(qiáng)度也不能達(dá)到理論值，因此還要通過實驗進(jìn)行測試醫(yī)用冷藏箱所需的實際制冷量，并以此確定安裝在冷藏箱內(nèi)的制冷片個數(shù)。

半導(dǎo)體制冷片的產(chǎn)冷量應(yīng)大于冷藏箱中冷量消耗總和數(shù)。由計算可知，醫(yī)用冷藏箱熱負(fù)荷的理論計算值為44.14W，所選用的制冷片最大制冷量為88.6W；此外，考慮到實際應(yīng)用中的熱需求要比理論值大，選取半導(dǎo)體制冷片的制冷效率一般為20%～60%，系統(tǒng)最終選用4片半導(dǎo)體制冷片來對空間進(jìn)行降溫。由于TEC-12706單級半導(dǎo)體制冷片的體積為40×40×3.44mm，考慮到冷藏箱的長度，制冷片在冷藏箱中應(yīng)留有一定的空間，因此將每兩片制冷片串聯(lián)成一組，兩組并聯(lián)，分別安裝在箱體的左右兩側(cè)。

制冷裝置設(shè)計好后，采用PID控制器控制制冷片工作，醫(yī)用冷藏箱的閉環(huán)溫度控制框圖如圖2所示。

圖2 醫(yī)用冷藏箱閉環(huán)溫度控制框圖

2.2 醫(yī)用冷藏箱電源模塊

在電源方面采用了內(nèi)外部供電相結(jié)合的方式，并具有自動切換功能。即在接通電源時，使用外部電源為醫(yī)用冷藏箱進(jìn)行供電，同時對箱內(nèi)電池進(jìn)行充電，在斷開外部電源時，則自動切換為內(nèi)部電池進(jìn)行供電，以免因外部電路的意外斷開造成箱內(nèi)溫度升高，時箱內(nèi)器官發(fā)生變質(zhì)，同時也為在運(yùn)輸過程中不便于接通電源的情況提供了方便。

（1）電源自動切換

自動切換功能通過PMOS管控制，當(dāng)外部電源被切斷時，切換電路中的PMOS導(dǎo)通，由電池為醫(yī)用冷藏箱制冷模塊供電，當(dāng)外部電源接同時，PMOS管關(guān)斷，電池與后續(xù)電路斷開，由外部電源繼續(xù)為后續(xù)電路供電，同時為電池充電。電源自動切換電路圖如圖3所示。

圖3 電源自動切換電路圖

（2）充電電源

醫(yī)用冷藏箱的充電電源電路圖如圖4所示。

圖4 醫(yī)用冷藏箱充電電路圖

1）充電電流的設(shè)置

恒流充電電流由式(4)決定：

取ICH= 4 .2A，則RCS參數(shù)為0.047Ω±0.01Ω。實際選取RCS為0.05 Ω，得實際ICH=4A。

2）電流設(shè)置(充電結(jié)束時)

充電時結(jié)束電流由式(5)決定：

設(shè)IEOC= 0 .4A，則R3應(yīng)為1500 Ω 。

3）電感的選擇

由于暫態(tài)電感電流是周期性變化的，電感紋波電流越大，紋波充電電流越大，電磁損耗越大，因此應(yīng)將紋波電流限制在合理范圍內(nèi)。

電感的紋波電流可以由式(6)估算：

式中VBAT為電池電壓、f為開關(guān)頻率300KHz、VCC為輸入電壓、L為電感值。

3 醫(yī)用冷藏箱內(nèi)的溫度誤差分析

若使醫(yī)用冷藏箱達(dá)到醫(yī)療運(yùn)輸設(shè)備的溫度要求，要求醫(yī)用冷藏箱內(nèi)部達(dá)到一種恒溫狀態(tài)，但在實際使用的過程中，受到環(huán)境以及器件等外界因素的影響，醫(yī)用冷藏箱的溫度場會沿初始設(shè)定溫度產(chǎn)生上下小范圍的波動，又由于溫度場不是一個點(diǎn)而是一個空間，在制冷過程中產(chǎn)生的氣體對流和器官自身熱輻射等都會對箱內(nèi)溫度產(chǎn)生影響，因此需要對箱體內(nèi)部溫度進(jìn)行誤差分析校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

本文建立冷藏箱溫度傳感器周邊環(huán)境誤差的物理模型，通過誤差修正方程校正采集的溫度數(shù)據(jù)，進(jìn)而提高溫控精度。

（1）網(wǎng)格劃分

利用fluent軟件通過多次仿真實驗，利用數(shù)值方法劃分網(wǎng)格，坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)在試驗品的中心位置，x軸方向指向制冷片下游方向，y軸垂直于制冷片方向。仿真實驗中，將冷藏箱進(jìn)行等比縮小，將器官質(zhì)心視為標(biāo)準(zhǔn)的直徑為1cm的球體，將計算區(qū)域大小設(shè)定為10cm×10cm。為了使仿真效果更加準(zhǔn)確，在以器官為中心從水平和豎直方向上的進(jìn)行了更為精細(xì)的局部劃分，平均單元大小為3mm，為了減小制冷片進(jìn)出口流場的干擾，將器官迎流區(qū)單元平均大小設(shè)為1mm，將器官尾流區(qū)單元平均大小設(shè)為3mm。邊界條件為：速度入口v|x→-∞= 0 ，u|x→ -∞=u0，與壓力出口p|x→ -∞=p0，器官表面u=v=0。

傳感器模型與周圍空氣域網(wǎng)格如圖5所示。生成的網(wǎng)格經(jīng)過網(wǎng)格質(zhì)量檢驗后質(zhì)量大于0.2，網(wǎng)格質(zhì)量良好。

圖5 傳感器模型周圍空氣域網(wǎng)格

（2）紅外輻射誤差修正方程的建立

利用仿真結(jié)果對公式進(jìn)行擬合， 根據(jù)牛頓法得到誤差修正方程，同時給出輻射溫度誤差與位置x和輻射角y之間的修正方程：

決定樣本系數(shù)為0.99，表示仿真與公式匹配較為良好。

4 結(jié)束語

本文針對待移植器官需要長時間低溫保持這一特殊要求，在半導(dǎo)體制冷技術(shù)研究的基礎(chǔ)上設(shè)計了具有電源保持功能的醫(yī)用冷藏箱，并且對溫度采集誤差進(jìn)行了分析，效果良好。