基于半导体制冷预冷的氮气冷冻刀系统实验研究

于子淼 武卫东 姜博仁 苗朋科 费天庠

(上海理工大学能源与动力工程学院 上海 200093)

1 引言

冷冻刀的主要功能是使组织达到足够低的温度，并持续提供足够大的冷量，满足冻结组织的需要。冷冻刀采用的降温方法主要包括:热电制冷法、相变吸热法和绝热节流法［1］。其中，根据气体的不同，采用绝热节流法的冷冻刀主要包括:(1)氩氦刀。于天骅［2］等人通过实验对美国Endocare公司生产的氩氦刀进行水中冻结实验，得到形成的最大冰球尺寸为4 cm×3 cm。但是也具有诸如升降温强度不能随意调节、冷冻时间判断只能依靠经验等缺点;(2)CO2冷冻刀。童明伟［3］得到在不同刀头直径条件下，CO2冷冻刀的冰球生长速度、大小及对热流密度的响应差异。中国库蓝公司［4］自行研制的CO2冷冻刀也已达到国际先进水平;(3)氮气冷冻刀。苏颖颖［5］等自行研制了一种多刀肿瘤超低温冷冻治疗设备，最低温度可达到－170℃。赵庆孝［6］等自行研制出一种新型超低温冷冻医疗系统，具有温度可控、降温速度快等优点，最低温度可达到－180℃。综合考虑各种气体的物理化学性质、气体节流降温特性、安全性，特别是用于冷冻医疗手术环境，本系统采用氮气为节流冷却气体。

半导体制冷是帕尔帖效应在制冷方面的应用［7］。热电制冷器具有无污染、体积小、无噪音等优点，已经被广泛应用于国防、工业、医疗中。通常单级热电制冷器只能得到70 K的最大温差，在大温差条件下，制冷工况会迅速恶化，制冷效率也会明显降低。因此，为了得到更大的温差和更优的COP，通常采用多级热电制冷器。

根据氮气J-T节流制冷效应原理，当其初始温度越低时，膨胀节流后的温度越低，节流降温效果越好。前人的研究多为利用常规机械制冷手段进行预冷，而冷冻外科手术实施过程中要求设备体积小，无污染，尤其是无噪声。考虑到半导体制冷技术的优点，本文研制并实验研究了采用三级半导体制冷作为氮气冷冻刀预冷手段的降温系统。

2 半导体预冷器的设计

根据特定的临床要求，取冷冻刀产生冰球的直径为30 mm。可计算出需要冷冻刀释放的冷量约为30 W。基于此，经过系统计算［8］可得，预冷器总的热负荷约为51.4 W，再依据预冷器中换热管直径的不同设计取值，对应计算出换热管长。

设计的预冷器主要由两块紫铜板、半导体制冷器、绝热棉、聚氨酯发泡剂、高强度钢板组成。为了达到更低的预冷温度，同时考虑半导体制冷器的冷量大小、加工工艺，本文中设计半导体制冷器为三级半导体。

在将缠绕好的紫铜管放入事先加工好的具有凹槽的紫铜板，将半导体制冷器冷端紧贴铜板，用钢板和螺栓夹紧，最后用聚氨酯发泡剂进行隔热。

根据厂家提供的经验值，本文设计采用的单个半导体制冷量为7 W。实验过程中三级半导体的热端运行温度20℃，冷端运行温度－60℃。半导体热端散热利用自来水进行水冷，按自来水进出预冷器的温差Δt=5℃考虑，可计算出自来水流量需满足VH2O≥7 L/min。

3 氮气冷冻刀实验系统

本实验系统主要由气源模块、气体压力控制模块、预冷模块、冷冻探针、数据采集模块5大部分组成，实验装置图如图1所示。

图1 实验系统装置简图Fig.1 Schematic diagram of experimental system

实验中主要测量参数是温度和压力。在对所用热电偶进行校准后，将热电偶放置在紧靠在冷端与紫铜板接触处，这样测量出的温度近似为半导体制冷器冷端的温度，在热端也分别布置热电偶监测温度。实验中通过减压阀对氮气初始压力进行定量调节。

本文研制的冷冻刀，是将焊接好的Φ0.4 mm的不锈钢管插入单头封闭的Φ3 mm不锈钢管中焊接制作成的。氮气膨胀产生冷效应，使不锈钢管壁达到低温，换热后的低温氮气沿着不锈钢管的内壁返回大气中，从而更好地利用回气冷却进气。冷冻刀尖处设有一枚T型热电偶，实时监测针尖的温度。

4 氮气冷冻刀节流降温性能实验

4.1 不同初始氮气压力下未预冷(室温)与预冷后节流前后降温特性

为比较不同初始氮气压力(3、4、5、6、7、8、9、10、11、12 MPa)在未预冷和预冷条件下节流后的温度，分别在室温环境23℃(无预冷)、预冷温度－58℃条件下进行节流后降温实验。为了解氮气节流后冷冻刀头的温度变化特性，下边首先对预冷条件下的节流降温实验进行分析，如图2所示是预冷温度为－58℃不同初始氮气压力条件下的节流后冷冻刀头温度变化。

图2 不同氮气初始压力冷冻刀温度变化曲线Fig.2 Change curve of cryoprobe temperature under various initial pressure of nitrogen

由图2可知，初始阶段，伴随着氮气的节流效应，冷冻刀温度在极短时间内迅速降低，时间0¯15 s内不同初始压力的温度变化曲线斜率均接近竖直，氮气初始压力越高，降温速率越快，达到稳定温度的时间越短。根据气体节流效应基本原理，节流效应与节流前后压力和温度有关，提高节流前的压力或降低节流前的温度，都可以增大气体节流效应。由图2可看出，随着氮气初始压力的增大，冷冻刀最终达到的稳定温度逐渐降低。最高初始压力12 MPa时达到最低节流温度－120℃。经过一定时间，氮气节流降温与冷冻刀和外界的换热达到动态平衡，温度将会基本维持不变，不同初始压力下的温度曲线均趋向于水平。

图3 不同氮气初始压力下未预冷与预冷后节流后温度对比Fig.3 Throttle temp comparison with and without pre-cooling under various initial pressure of nitrogen

图3为不同初始压力下，未预冷与预冷后节流后温度的变化情况对比。由图3可知，相同初始压力下，未预冷的节流后温度明显小于预冷的节流后温度。两种情况下的节流后温度随着初始压力的增加，都呈下降趋势，且预冷后的温降曲线斜率大于未预冷的温降曲线斜率。未预冷条件下，随着初始压力增大，节流后温度由3 MPa时的10℃降到12 MPa时的－10℃，最大温差为20℃;而预冷后则由3 MPa时－68℃降到12 MPa时的－120℃，最大温差达到52℃，降温效果显著。另一方面，随着初始压力的增大，相同初始压力所对应的两种情形下节流后温差呈逐渐增大的趋势。5 MPa时，预冷节流后温度与室温下节流后的温度差为84℃，12 MPa时则达到111℃。

由图2、图3可知，氮气初始压力越大，冷冻刀制冷性能越优越。但是，压力过大会导致氮气消耗过快，经济性不好;压力太小会导致温度下降缓慢，不利于杀死癌细胞，也达不到较低的温度，影响治疗效果。综合考虑上述因素，采用8.5 MPa作为氮气的初始压力，预冷温度恒定为－58℃，进行下边进一步的性能实验研究。

4.2 冷冻刀制冷量性能测试实验

4.2.1 实验步骤与结果分析

使用热平衡法测量探头冷量大小。首先开通冷冻刀降温系统，待冷冻刀针尖温度稳定时，接通可调直流稳压稳流电源，调节电加热带的电压，直到冷冻刀探针的温度恒定。此时达到热平衡，电加热带的加热功率即为冷冻刀制冷量，测试系统如图4所示。

图4 冷量测试系统图Fig.4 Testing system chart of refrigeration capacity

取冷冻刀制冷温度恒定为－47℃，测量不同初始压力下氮气冷冻刀冷量的大小，冷量变化曲线如图5所示。

由图5可知，冷量随着氮气初始压力的增大而基本成线性增大，当压力为2.5 MPa时，冷量为7 W左右，而当压力为8.5 MPa时，冷量可达30 W，这是因为压力越大，管内流速越快，冷冻刀出口处的氮气流量越大，因此产生的冷量越大。

图5 制冷恒定温度为－47℃不同压力下冷冻刀冷量曲线图Fig.5 Graph of refrigeration capacity under various ressure with a constant refrigeration temperature of 47℃

4.2.2 数据测试误差分析

冷量测试误差主要涉及以下两方面:

(1)加热带功率控制器仪器误差。可采用多次测试，取其平均值来减少误差。

(2)保温棉(岩棉)的导热损失量计算。室温为23℃，取加热带工作时加热带与岩面接触处测量的最高温度为300℃，则:

式中:λ为岩棉的导热系数，W/(m˙K);Δt为岩棉内外层温差，℃;S为岩棉与加热带有效接触面积，m2;δ为岩棉的厚度，m。

综上所述，冷量测试的误差为:

式中:Pc为冷量测试值，为了得出最大误差，取冷量最小值10 W。最大误差不超过5%，可满足要求。

4.3 氮气冷冻刀在水中冻结实验研究

为考察冷冻刀的实际应用性能，进行了氮气初始压力8.5 MPa下冷冻刀在水中冻结过程实验。实验中，蒸馏水初温为23℃，水量为180 mL。

图6显示了冷冻刀插入水中经过不同时间形成冰球的实物图(分别为第 30 s、2 min、10 min、14 min后)。

图6 不同时刻冰球大小与形状Fig.6 Size and shape of ice hockey at different time

冷冻刀系统启动30 s时，椭圆形的冰球慢慢形成并逐渐增长，且冰球长大速度明显可见，在14 min左右之后。实验进行14 min之后，观察到的最大冰球尺寸(长 ×直径)为:3.8 cm ×2.5 cm。

为比较不同初始压力下冷冻刀的温度，分别在氮气初始压力8.5 MPa与6.5 MPa下进行水中冻结实验，温度变化如图7所示。

图7 8.5、6.5 MPa下冷冻刀插入水中温度对比Fig.7 Temperature comparison of cryoprobe in water under the pressure of 8.5 MPa and 6.5 MPa

由图7可知，初始压力为6.5 MPa的节流降温速度比8.5 MPa压力下慢，验证了氮气初始压力越高，降温的速率越快，达到稳定温度的时间越短，稳定温度也越低的结论。图8显示了相同时间内，氮气初始压力8.5 MPa与6.5 MPa下冷冻刀插入水中形成的冰球形状和大小。由图8可知，两冰球的形状都为椭球形，这可能是由于水在冻结过程中受其重力影响的缘故。经过测量，8.5 MPa下形成的冰球大于6.5 MPa下形成的冰球，直径分别为2.5 cm、2 cm，验证了:初始压力越大，冷冻刀冷量越大。

图 8 8.5、6.5 MPa 下生成冰球直径对比Fig.8 Comparison of ice hockey’s diameter under the pressure of 8.5 MPa and 6.5 MPa

5 结论

(1)通过常温节流和预冷后再节流的实验对比，得出预冷后的节流后温度与未预冷下的相比大幅降低，且初始压力越高，这一差别越大，证明氮气预冷后比未预冷有明显的节流降温效果。

(2)通过不同氮气初始压力节流实验对比，得出氮气初始压力越高，节流后温度越低，节流温差也越大。冷冻刀在8.5 MPa下节流温度可达－98.3℃，在初始压力12 MPa下，节流后的氮气最低温度可达－120℃。

(3)冷冻刀的冷量随着刀头恒定制冷温度的不同而不同，初始压力为8.5MPa时，温度恒定为－47℃时，冷量为30 W，可满足生成直径30 mm组织冰球的要求(组织损伤临界温度为－20¯－40℃)。

(4)该冷冻刀在8.5 MPa下，插入水中(初始温度23℃)14 min分钟可形成长度×直径为3.8 cm×2.5 cm的椭圆形冰球，而在6.5 MPa初始压力下，冰球直径为2 cm，小于前者，验证了氮气初始压力越大，冷冻刀冷量越大。

1 姜博仁，武卫东.低温冷冻刀降温方法综述及展望［J］.低温与超导，2012，40(12):13-17.Jiang Boren，Wu Weidong.Summary and Prospect of Cryogenic Knife’s Cooling Methods［J］.Cryogenics and Superconductivity，2012，40(12):13-17

2 于天骅，王洪武，周一欣，等.Endocare型氩氦冷刀冻结与复温性能的实验研究［J］.航天医学与医学工程，2003，16(1):60-63.Yu Tianhua，Wang Hongwu，Zhou Yixin.Measurement and Analysis of Operation Performance of the"Endocare"Cryoprobe System［J］.Space Medicine ＆ Medical Engineering，2003，16(1):60-63.

3 徐广才，童明伟.液体二氧化碳冷冻刀的研制与初步实验［D］.重庆:重庆大学，2006.Xu Guangcai，Tong Mingwei.Investigation and Basic Experiments for Liquid CO2Cryoprobe［D］.Chongqing:Chongqing University，2006.

4 陈 宇.冷热交替作用下生物组织相变过程的研究［D］.南京:东南大学，2007.Chen Yu.Numerical Simulation on Phase Change Heat Transfer Process of Biological Tissue in Cryosurgery［D］.Nanjing:Southeast University，2007.

5 苏颖颖，常兆华，王成焘.新型多刀肿瘤超低温冷冻治疗设备的研制及性能试验［J］.上海交通大学学报，2009(4):141-145.Su Yingying，Chang Zhaohua，Wang Chengtao.Development and Experiments of an Innovative Multiprobe Cryosurgical Device［J］.Journal of Shanghai Jiaotong University，2009(4):141-145.

6 赵庆孝，杨鹏飞，常兆华，等.新型超低温冷冻医疗系统的设计与实验研究［J］.制冷学报，2009，30(6):57-60.Zhao Qingxiao，Yang Pengfei，Chang Zhaohua，et al.Design and Experiment of New Ultra-cryoablation System［J］.Journal of Refrigeration，2009，30(6):57-60.

7 徐德胜.半导体制冷与应用技术［M］.上海:上海交通大学出版社，1999.Xu Desheng.Semiconductor Refrigeration Technology and Application［M］.Shanghai:Shanghai Jiao Tong University Press，1999.

8 姜博仁.基于半导体制冷预冷的氮气冷冻刀降温系统设计与性能研究［D］.上海:上海理工大学，2013.Jiang Boren.Nitrogen Frozen Knife Cooling System Design and Performance Study Based on the Semiconductor Refrigeration Precooling［D］.Shang Hai:University of Shanghai for Science and Technology，2013.

9 刘 静.低温生物医学工程学原理［M］.北京:科学出版社，2007:10-17.Liu Jing.Principle of Cryo-Biomedical Engineering［M］.Beijing:Science Press，2007:10-17.