半导体制冷器在临床低温治疗中的应用设计

　　1　半导体制冷器的结构设计

　　半导体制冷器是一种由半导体PN结制成的片状物体,尺寸有大有小,一般为方形或长方形,但它是一种硬质材料。上下两个平面为温度制冷制热端,通过供电极性的变化,可以使制冷制热端互换。由于半导体制冷器是由硬质材料制成的,所以不能弯曲,而需要冷敷降温的人体部位又是曲线形的,只有任意弯曲才能使冷敷的效果更佳,因此在结构设计上,要符合任意弯曲的要求。为此采用最小体积的多个制冷组件,组成制冷单元,这样就能够贴近人体的任何部位。所选用的每个组件的体积为16mm×16mm×5.1mm,把这些组件按等间隔排列,固定在绝缘的柔性基垫上。而这种柔性基垫是采用高绝缘的橡胶材料作为冷传导载体,可以很好的进行冷传导。为了达到一定的冷敷面积,使用16个制冷组件均匀排列。在冷传导的作用下,冷敷的效果是均匀的。由于是多个制冷组件的组合,所以简单的串联接法不能达到功率的均衡,因此在总功率一定的情况下,使每个制冷组件上的功率相等,制冷效果相同,就要采用串、并联组合结构,其制冷单元连接示意图见图1。

　　2　恒温冷敷仪的硬件设计

　　半导体制冷器在直流电的作用下,能够产生很好的制冷效果。当热端温度为27℃时,与冷端的最大温差可达55℃,如此低的温度不适合于临床冷敷用,也容易冻伤病人。一般临床上用于冷敷的温度范围能够达到10~30℃即可满足要求,因此需要控制单元进行温度控制。根据半导体制冷器的工作特性,要达到最大制冷效果,需要满足它的工作条件,也就是要达到额定的电压和电流,而在临床上不需要温度太低,所以只要降低它的工作条件即能达到温控的目的。多片制冷组件的组合所需要的电流是比较大的,因此使用开关电源为整个系统供电,以达到体积小重量轻的设计要求。系统连接图见图2。

　　温控单元采用单片机控制,由温度传感器、放大器、A/D转换器、单片机、显示驱动器、LED数码管、控制单元、致冷单元、功能键、记忆单元等组成。仪器在工作之初,通过功能键预设置所需控制的温度,温度范围10~30℃;在仪器工作之后,预设置的温度数据会存放在记忆单元中。在下次开机使用时,该预设置的温度数据会从记忆单元中调出并显示。如不需要更换温度设置,就可以按功能键直接进入工作状态。不论是在停机状态下,还是在工作状态下都可以按功能键重新设置温度。当设置好温度后,仪器即可进入工作状态。此时高精度温度传感器,对制冷单元的温度进行测量,输出的模拟信号经放大器放大后,为A/D转换器提供0~5V的转换信号。A/D转换器把转换后的数字信号送入单片机进行处理,一方面把数字信号换算成温度数值并放到数据总线上,在锁存驱动单元的作用下,通过LED数码管进行实时显示;另一方面对所测量的温度与预设置的温度进行比较,超过设置温度上限时启动降温,超过下限时停止降温,从而实现自动恒温。温度控制是在单片机的管理下,通过电压控制单元来实现的。温度显示用两位LED数码管,采用一个锁存驱动单元,实行动态扫描方式。实现实时温度测量,实时温度显示。硬件原理框图见图3。