半导体制冷技术在临床医疗的应用研究

张伟斌， 付安英，郭 轶，许 丹

（1.咸阳职业技术学院 陕西 咸阳 712000；2.陕西华星电子工业公司 陕西 咸阳 712099）

利用半导体温差电原理研制的半导体制冷器已广泛用于军事及民用制冷设备仪器方面，特别是近年来，企业将半导体制冷器成功的应用于冷热两用箱、饮水机、电脑CPU降温、汽车驾驶员坐垫等方面，为半导体制冷器应用开辟了广阔的空间和市场。应用半导体制冷技术，试制一种用于小型实用临床医疗和家用半导体制冷物理降温设备，用于外科手术后病人和高烧病人在家中物理降温，必将具有一定需求量并会得到广泛应用。

1 原理与设计

1.1 设计原理

半导体制冷器[1]是由单片半导体制冷片或多片半导体制冷片串、并联所组成的一种冷却装置，是从上世纪五十年代发展起来的一门介于制冷技术和半导体技术边缘学科。其工作原理是：当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成电偶对时，在电路中接通直流电流后，就能产生能量的转移，电流由N型半导体流向P型半导体接头处吸收热量，成为冷端；由P型半导体流向N型半导体的接头处释放热量，成为热端。吸热和放热的大小是由通过电流的大小以及半导体材料N、P的元件对数来决定，如图1所示。目前国内常用材料是以碲化铋为基体的三元固溶体合金，其中P型是Bi2Te3—Sb2Te3，N型是Bi2Te3—Bi2Se3，采用垂直区熔法提取晶体材料。

图1 半导体制冷器Fig.1 TEC

利用半导体技术制造的制冷器作为特种制冷源，在技术应用中有以下优点和特点：

1）不用制冷剂，可连续工作，无污染源，工作时没有震动、噪音、寿命长，安装容易。

2）半导体制冷片是电流换能型组件[2]，通过输入电流的控制，可实现高精度的温度控制，再加上温度检测和控制手段，很容易实现遥控、程控、计算机控制，便于组成自动控制系统。

3）半导体制冷片可组合成电堆串、并联的方法组合成制冷系统，功率制冷功率可以做到几毫瓦到上万瓦。

4）制冷时间很快，温差范围大。

1.2 总体设计

根据半导体制冷器原理和特点，结合研制小型实用临床医疗和家用半导体制冷物理降温设备项目要求，设备应进行半导体制冷、制冷传输、温度控制、温度显示、设备散热、电源等几个方面研究实验；设备的整体结构和安全性也是研制的重要方面。设备总体结构如图2所示。

图2 整体结构设计Fig.2 Overall structural design

1）半导体制冷部分是利用半导体制冷技术，对病人局部进行物理降温，解决其高热不退问题。

2）温度控制部分是采用电子温度传感器对病人局部温度进行实时监测，并通过温度控制电路实施控制，以达到理想的温度控制效果。

3）温度显示部分主要是将温度传感器采集的人体温度转换温数字量，供医护人员实时监测病人温度变化情况，做必要的调整。

4）由于半导体制冷器内阻小，通电后制冷制热速度快，必须使用恒流源供电，因此，设计或选择合适的电源，对设备的可靠使用至关重要。

选取符合研制小型实用临床医疗和家用半导体制冷物理降温设备参数要求的制冷器，设计高精度的温度控制的电子电路，从而可实现设备系统的基本功能。

1.3 制冷元件选择

医院对部分手术，尤其脑部手术后病人和高烧不退病人局部降温，在临床医疗方面大多采用冰块、冷水袋降温。使用时不方便，效果较差。目前，在各大医院采用一种使用制冷降低水温，用冷水降温的方法，但设备价格昂贵，不易向中小医院和家庭推广。因此，利用半导体制冷技术，选用合适的半导体制冷元件作为设备的制冷降温器件，是研制工作的关键。经过反复挑选，我们选用参数为TEC1__12705，最大耐压12 V、最大电流5 A，最大温差67度的半导体制冷器作为设备的制冷元件，进行研制工作试验。经过多次实验，这种参数的元件可满足设备的制冷要求。

1.4 半导体制冷片温度控制电路设计

半导体制冷片也叫热电制冷片，它既可制冷又可加热，根据流过半导体的电流方向和大小来决定其工作状态的，电流的方向决定制冷或者制热，电流的大小决定制冷或者制热的程度和效果。为了使半导体制冷片能够自动的进行恒温控制，就必须设计好其驱动电路和控制电路。采用PID控制技术[2]，可以用来对半导体制冷片的电流进行控制，以实现高精度的控温效果，目前在控制系统经常使用。选择ADUC824单片机作为控制核心，通过软件编程完成对半导体制冷器的控制。ADUC824是AD公司推出的8051内核的高性能单片机，内部集成 了两路 （21 位＋16 位）A／D、12 位 D／A、FLASH、WDT、μP监控、温度传感器、等集成于一体，ADUC824体积小、功率低、具备在线编程调试功能。采用ADUC824作为半导体制冷控制器的核心，可提高了设计的可靠性，同时简化了电路的设计。半导体制冷的功率驱动采用全桥电路，可以在单实现对目标的控制。基于ADUC824的半导体制冷总体控制电路框图如图3所示。

图3 总体控制电路框图Fig.3 Overall controlling circuit diagram

1.5 温度采集与显示

在制冷器温度控制电路中，首选的电子元件应是温度传感器，温度传感器主要通过物体随温度变化而改变某种特性来间接测量电子元件、材料的特性都会随着温度的变化而变化，能作为温度传感器的材料比较多。温度传感器会随温度变化而引起物理参数变化的有：电阻、膨胀、电容等。伴随着工业生产的不断发展，新型的温度传感器不断的用于工业测量和控制中。选用NTC型热敏电阻作为温度检测元件；NTC温度传感器器为负温度系数温度传感器。它是以锰、钴、镍和铜等金属氧化物为主要材料，采用陶瓷工艺制造而成的。具有半导体性质，在导电方式上完全类似锗、硅等半导体材料。温度低时，这些氧化物材料的载流子（电子和孔穴）数目少，所以其电阻值较高；随着温度的升高，载流子数目增加，所以电阻值降低。NTC温度传感器器在室温下的变化范围在10～1 000 Ω，温度系数－2%～－6.5%。 NTC 温度传感器器可广泛应用于温度测量、温度补偿、抑制浪涌电流等场合。电阻值和温度变化的关系式为：RT=RN expB（1/T－1/TN）。

用NTC温度传感器对制冷器温度进行测量，并将采集的温度信号传送到IC进行处理，控制适当温度[4]，以适应病人降温的温度，经试验，温度控制在19～23度较为合适。温度显示采用具有电流－温度转换电路的LCD显示器件[6]，实时显示制冷器温度，以便在临床医疗时医护人员随时检测病人降温的温度。

1.6 制冷片散热试验

半导体制冷片具有两种功能，既能制冷，又能加热，制冷效率一般不高，但制热效率很高，永远大于1。由于热惯性非常小，制冷制热时间很快，在热端散热良好冷端空载的情况下，通电不到一分钟，制冷片就能达到最大温差。使用一个片件就可以作为加热系统或制冷系统[5]。要达到理想的制冷温度，必须采用理想的散热系统。经课题组反复试验，认为采用金属散热器和小型电风扇组合，可解决制冷器散热问题，达到理想效果。

2 研制结果

在研制过程中，在分部件选购、研制完成的基础上，根据总体设计思路，选用了12 V、5 A的恒流源，并进行整机结构组装和性能试验测试，结果表明，在设备通电3分钟后，制冷器辅助降温系统可控温到18～21度，PID控温系统[6]、LCD温度显示系统、制冷器工作系统工作正常，可连续工作3小时以上。经对临床病人及发烧病人试验，效果较好。达到了预期研制项目任务要求。

3 结束语

在设备研制过程中，注重进行了制冷器电子控制等部分的研制，但对整机结构，特别是机械结构部分，由于条件限制，研制试验不到位，离临床应用还有一定的距离，以后，应主要在临床应用方面做细致的设计研究，以达到实用目的。

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