基于半导体制冷技术的医用冷藏箱

2022-04-22张芷毓王扬扬陈浩康

电子测试 2022年7期

关键词：冷藏箱医用半导体

张芷毓，王扬扬，陈浩康

（沈阳航空航天大学，辽宁沈阳，110136）

0 前言

近年来，半导体制冷技术的不断发展，使得温度控制系统满足占地空间小，效率高，功能性强等优势。这些成功的应用实例也为基于小型半导体制冷技术的医用冷藏箱温的研制提供了借鉴经验。

本文设计的医用冷藏箱不仅采用了先进的半导体制冷技术，并且围绕温度采集时的误差建立数学模型，通过计算得出精确的器官实时温度，具有制冷效率高、控制精度高、箱体可靠性好、性能稳定等优点，有效地保证了医用冷藏箱内存储器官的活性。

1 医用冷藏箱总体架构

医用冷藏箱硬件电路由单片机主控模块、温度采集模块等模块组成，其中制冷执行模块是医用冷藏箱的核心部分，硬件工作框图如图1所示。

图1 医用冷藏箱硬件构成框图

医用冷藏箱制冷控制系统的主控模块采用STM32芯片；温度采集模块采用DS18B20型温度传感器；半导体制冷装置组成制冷执行模块。通过键盘输入想要的合适温度，将此信息传输给单片机，单片机对冷藏箱内的温度进行分析，运用PID控制方法，根据所接收的实时温度数据去调控半导体制冷片TEC-12706的工作电流，可以通过对TEC-12706工作电流的把控，使箱内温度保持在一定的低温范围。LCD为显示终端，实现系统的参数设定、状态显示，方便使用人员操作和监控。

制冷控制系统的软件主要包括以下部分：主程序设计、温度测量子程序设计、温度误差分析子程序设计、制冷控制子程序设计、LCD显示以及按键子程序设计。系统的主程序主要完成系统的初始化，通过各个模块子程序的调用，实现冷藏箱内温度采集、制冷控制等功能。首先各模块初始化，将模块接口各个数值设置为默认状态，然后获取温度传感器采集的医用冷藏箱内部温度数据信息，并发送至显示模块，对采集到的箱内温度进行误差分析，得到待移植器官表面的精确温度，根据键盘预先设定的维持器官活性的低温阈值，调用制冷控制子程序，保证冷藏箱内温度适宜；同时显示模块，可以通过显示屏查看当前温度。

根据上述分析，本项目主要实现功能如下：

（1）单片机控制核心接收采集的冷藏箱内温度数据，经过温度分析处理，发送温度控制命令；

（2）将温度传感器的实际测温数据和理论温度误差修正方程结合，通过温度误差分析，获取脏器表面温度的精确温度；

（3）设计半导体制冷装置，并实现对脏器的精准快速控温；

（4）合理设计电源模块，将内部外部电池结合，保证自身携带的电源能在没有外接电源的情况下，满足制冷需求。

本文主要对半导体制冷、电源模块设计、温度测量与误差分析这三个主要功能的实现进行描述。

2 医用冷藏箱关键硬件

2.1 半导体制冷

半导体制冷片组件主要有两类：单级和多级热电堆。多级热电堆可以看作是多个单级热电堆串联、并联或串并联形式的组合，虽然可以获得更低的冷端温度，但制作相对复杂。对于本文研究的医用冷藏箱的制冷需求来说，选用市场上较为常见，易于选购的单级制冷片组件即可。由于冷藏箱电源设计为直流24V供电，因此，选用TEC-12706单级半导体制冷片，额定电压为DC12V，采用表面导热硅胶勃贴固定。

根据半导体制冷技术的基本理论，可知半导体制冷片的制冷量为：

消耗功率为：

制冷系数为：

式(1)中，pα，Nα为P型、N型电偶的温差电系数；I为通电电流强度；TC冷端温度；R为半导体制冷元件的电阻值；k为导热系数；△T为冷热端面温度差。

由公式可知，制冷片的通电电流强度I是影响制冷能力的主要因素之一。理想情况下，制冷片所允许的最大电流值应该就是最佳工作电流，但实际工作中，未达到最大电流时电压已经达到最大工作极限，因此在散热良好的情况下，制冷片工作在额定电压时的制冷量是可以保证的最大制冷量。但是，制冷片工作时热端发热量很大，通常情况下的散热强度也不能达到理论值，因此还要通过实验进行测试医用冷藏箱所需的实际制冷量，并以此确定安装在冷藏箱内的制冷片个数。

半导体制冷片的产冷量应大于冷藏箱中冷量消耗总和数。由计算可知，医用冷藏箱热负荷的理论计算值为44.14W，所选用的制冷片最大制冷量为88.6W；此外，考虑到实际应用中的热需求要比理论值大，选取半导体制冷片的制冷效率一般为20%～60%，系统最终选用4片半导体制冷片来对空间进行降温。由于TEC-12706单级半导体制冷片的体积为40×40×3.44mm，考虑到冷藏箱的长度，制冷片在冷藏箱中应留有一定的空间，因此将每两片制冷片串联成一组，两组并联，分别安装在箱体的左右两侧。

制冷装置设计好后，采用PID控制器控制制冷片工作，医用冷藏箱的闭环温度控制框图如图2所示。

图2 医用冷藏箱闭环温度控制框图

2.2 医用冷藏箱电源模块

在电源方面采用了内外部供电相结合的方式，并具有自动切换功能。即在接通电源时，使用外部电源为医用冷藏箱进行供电，同时对箱内电池进行充电，在断开外部电源时，则自动切换为内部电池进行供电，以免因外部电路的意外断开造成箱内温度升高，时箱内器官发生变质，同时也为在运输过程中不便于接通电源的情况提供了方便。

（1）电源自动切换

自动切换功能通过PMOS管控制，当外部电源被切断时，切换电路中的PMOS导通，由电池为医用冷藏箱制冷模块供电，当外部电源接同时，PMOS管关断，电池与后续电路断开，由外部电源继续为后续电路供电，同时为电池充电。电源自动切换电路图如图3所示。

图3 电源自动切换电路图

（2）充电电源

医用冷藏箱的充电电源电路图如图4所示。

图4 医用冷藏箱充电电路图

1）充电电流的设置

恒流充电电流由式(4)决定：

取ICH= 4 .2A，则RCS参数为0.047Ω±0.01Ω。实际选取RCS为0.05 Ω，得实际ICH=4A。

2）电流设置(充电结束时)

充电时结束电流由式(5)决定：

设IEOC= 0 .4A，则R3应为1500 Ω 。

3）电感的选择

由于暂态电感电流是周期性变化的，电感纹波电流越大，纹波充电电流越大，电磁损耗越大，因此应将纹波电流限制在合理范围内。

电感的纹波电流可以由式(6)估算：

式中VBAT为电池电压、f为开关频率300KHz、VCC为输入电压、L为电感值。

3 医用冷藏箱内的温度误差分析

若使医用冷藏箱达到医疗运输设备的温度要求，要求医用冷藏箱内部达到一种恒温状态，但在实际使用的过程中，受到环境以及器件等外界因素的影响，医用冷藏箱的温度场会沿初始设定温度产生上下小范围的波动，又由于温度场不是一个点而是一个空间，在制冷过程中产生的气体对流和器官自身热辐射等都会对箱内温度产生影响，因此需要对箱体内部温度进行误差分析校准数据。

本文建立冷藏箱温度传感器周边环境误差的物理模型，通过误差修正方程校正采集的温度数据，进而提高温控精度。

（1）网格划分

利用fluent软件通过多次仿真实验，利用数值方法划分网格，坐标原点设在试验品的中心位置，x轴方向指向制冷片下游方向，y轴垂直于制冷片方向。仿真实验中，将冷藏箱进行等比缩小，将器官质心视为标准的直径为1cm的球体，将计算区域大小设定为10cm×10cm。为了使仿真效果更加准确，在以器官为中心从水平和竖直方向上的进行了更为精细的局部划分，平均单元大小为3mm，为了减小制冷片进出口流场的干扰，将器官迎流区单元平均大小设为1mm，将器官尾流区单元平均大小设为3mm。边界条件为：速度入口v|x→-∞= 0 ，u|x→ -∞=u0，与压力出口p|x→ -∞=p0，器官表面u=v=0。

传感器模型与周围空气域网格如图5所示。生成的网格经过网格质量检验后质量大于0.2，网格质量良好。