3D打印液冷型医用冰帽冷却特性实验研究

2021-10-30蒋鲁鸣张华黄震

制冷技术 2021年4期

蒋鲁鸣，张华，黄震

（上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093）

0 引言

医用冷帽可降低脑部温度，进而可降低颅内压力、延缓脑细胞在缺氧条件下的功能衰竭，促进神经功能恢复，因此在脑血管类疾病的治疗中可采用冷帽降温[1-5]。化疗作为应对恶性肿瘤的有效治疗方法，治疗过程中往往伴随较强的毒副作用，尤其是化疗过程中的脱发，给患者带来生理和精神上的双重痛苦，特别是一些女性患者甚至会放弃化学治疗。近年来研究表明冰帽对头皮降温可减少化疗所引起脱发。其机理是在化疗过程中佩戴冰帽，使毛囊所处的头皮层温度下降，减缓头皮组织细胞的代谢速率，局部化疗药物浓度降低，降低化疗药物的毒副作用，减轻脱发反应[6-8]。

根据冷却介质的不同，目前冰帽可分为气冷型冰帽、相变材料冰帽以及液冷型冰帽3种类型[9-20]。气冷型冰帽一般采用空气作为冷却介质，即吸取周围环境空气经过制冷装置冷却降温，再将冷空气通入冰帽中来对头皮进行冷却。由于空气的蓄冷能力有限，导致气冷型冰帽降温速率较小，而且进排风时风机的噪音较大，气冷型冰帽现已使用很少。

相变材料冰帽利用材料的相变潜热(固液或固气相变)来吸收头皮热量，降低头皮温度，常用的相变材料为冰或者干冰。冷帽材料相变释冷后不能继续工作，需将冰帽放置在低温环境中重新蓄冷才能再次使用，因此相变材料冰帽的降温性能与相变材料的充填量及其热力特性有关。由于冷帽频繁蓄冷，相变材料冰帽的有效冷却时间较短，其降温效果随着使用次数的增多而逐渐退化。由于常用相变材料的相变温度较低，释冷速度不均匀，患者自身感受差，冷帽可调节性差。

本文选择液冷型冰帽技术路线，按照头型，设计多路微通道液流回路强化冷却速度和均匀性，实现轻便、舒适以及换热性能好的冰帽。为此，搭建了冰帽性能测试实验系统，通过招募志愿者实际佩戴冰帽，对冰帽降温性能进行实际测试，研究改变冷却液的初始温度和循环流量，分析了两者对于头皮温度分布的影响。

1 液冷型冰帽的性能测试系统

冷帽经3D 塑料打印制成，恒温装置与冰帽的连接管路用保温套管保温，塑料冰帽外附加保温套，降低冰帽与外部环境间的换热量。冰帽性能测试实验系统由恒温装置、PU 连接管路、冰帽主体、保温套、数据收集系统组成，如图1所示。

图1 冰帽性能测试实验系统原理

实验采用精度为0.15 ℃的贴片式铂电阻来测量温度，在冰帽的进出口各布置一根铂电阻，以测试冰帽进出口冷却液的温度。在实验者的头皮上均匀布置7 根贴片式铂电阻（编号2～8），如图2所示，以采集受试者头皮温度变化情况，2 号为冰帽进口处对应的头皮测温点，8 号为冰帽出口对应的头皮测温点。铂电阻接至34970 安捷伦数据记录仪，将测得的数据通过安捷伦传送至电脑，以进行数据的存储和分析。

图2 测试者头皮铂电阻测温点布置

2 实验结果与分析

受试者为成年女性。图3所示为对应预设的冷却液进口温度为8 ℃时，对于不同的冷却液流量（61.2、90.2 和124.3 mL/min）条件时，测试者的头皮温度随时间的变化情况。冰帽内共设置了7 个测温点，选择3 个不同位置的测温点进行比较。其中，T2为靠近管路进口处头皮上2 号测温点的温度，换热温差最大，T8为靠近换热管路出口处8 号测温点的头皮温度，换热温差最小，T5为靠近管路中部5 号测温点的头皮温度，其换热温差接近中位值。

由图3 可知，同组实验中，冰帽内3 个温度采集点在实验刚开始温度快速下降，之后降温逐渐减缓，但3 个采集点的降温速率以及最终平衡温度不同。其中，冷却液进口处的头皮测点温度T2降温速率最快，为3.2 ℃/min；其次为头顶部测点T5，2.6 ℃/min；降温速度最慢的是T8，2.45 ℃/min。换热平衡时，T2温度最低，为18.6 ℃；其次是T5，19.6 ℃；T8温度最高，为20.9 ℃。

图3 冷却液进口温度8 ℃、不同体积流量时头皮温度变化

图4所示为冰帽液体进口温度相同，流量不同时受试者头皮温度分布。由图4 可知，虽然冷却液流量不同（61.2～124.3 mL/min），头皮降温过程仍然相似。以T2测温点为例（冷却液温度8 ℃，流量124.3 mL/min），降温开始时，头皮温度较高（33.12 ℃），与冷却液的温差较大（25.12 ℃），头皮温度下降较快（5.34 ℃/min）；之后头皮温度降低，冰帽与头皮的温差缩小，因此换热强度也不断降低，直到头皮的产热与冰帽的降温能力达到平衡，使头皮温度稳定在一个相对较低的值（18.35 ℃）。

图4 不同设定温度下受试者头皮测温点温度随冷却液流量变化

由图3 及图4 可知，当冰帽冷却液进口温度相同时，增大冷却液流量，能够提高头皮各点的降温速率，并缩短头皮的冷却时间。流量增加会提高冰帽与头皮间的换热强度，使冰帽温度均匀性增加，冷却液与头皮进行热量交换的时间缩短，单位质量冷却液所吸收的热量减少，液体温升减小，微通道管路内冷却液温升下降，传热温差增大，因此头皮温度快速下降。而且当系统换热平衡时，冷却液进口温度确定了头皮-冰帽间的极限换热温差，因此不同流量条件下同一测温点的温度几乎相同。综上，想要实现快速降温，可以在一定程度上增加冷却液流速，但如果要达到更低的平衡温度，必须尽可能降低循环管路中冷却液的温度。

图5所示为不同冷却液设定流量、不同冷却液设定温度对冰帽进出口处头皮温度的影响。由图5可知，在进口流量一定的情况下，设定的冷却液温度越低，则对同一位置，头皮温度变化曲线的斜率越大，其温度下降速率越快；而且在头皮与冰帽之间达到温度稳定平衡后，冷却液设定的温度越低，平衡时头皮所能达到的温度越低。此外，降低冷却液的设定温度，对冰帽降温效果的影响非常显著。

图5 不同冷却液设定流量和设定温度对冰帽进出口处头皮温度的影响

表1所示为不同流量下冷却液设定温度与冰帽进出口处温差。由表1 可知，当冷却液进口温度一定时，流量在一定程度上的增加，可以降低进出口处头皮表面的温差，使头皮整体温度场的分布更加均匀。但进口流量过大时，过快的降温速率会引起患者头皮的不适，产生刺痛，而且冷却液流量过大会使得微元段内的液体未来得及与头皮进行充分换热，便回流到制冷系统中，从而降低了冷却液整体的冷量利用率。此外，流量增大会在一定程度上增加系统运行时的噪音，且对循环管路产生较大压力，影响冰帽的使用安全与寿命。因此从患者使用舒适性和节能的角度考虑，在对患者进行治疗时应选择适当的流速，具体选择可以因人而异，根据实际需求进行调节。