于子淼 武衛(wèi)東 姜博仁 苗朋科 費(fèi)天庠

(上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 上海 200093)

1 引言

冷凍刀的主要功能是使組織達(dá)到足夠低的溫度，并持續(xù)提供足夠大的冷量，滿足凍結(jié)組織的需要。冷凍刀采用的降溫方法主要包括:熱電制冷法、相變吸熱法和絕熱節(jié)流法［1］。其中，根據(jù)氣體的不同，采用絕熱節(jié)流法的冷凍刀主要包括:(1)氬氦刀。于天驊［2］等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)美國(guó)Endocare公司生產(chǎn)的氬氦刀進(jìn)行水中凍結(jié)實(shí)驗(yàn)，得到形成的最大冰球尺寸為4 cm×3 cm。但是也具有諸如升降溫強(qiáng)度不能隨意調(diào)節(jié)、冷凍時(shí)間判斷只能依靠經(jīng)驗(yàn)等缺點(diǎn);(2)CO2冷凍刀。童明偉［3］得到在不同刀頭直徑條件下，CO2冷凍刀的冰球生長(zhǎng)速度、大小及對(duì)熱流密度的響應(yīng)差異。中國(guó)庫(kù)藍(lán)公司［4］自行研制的CO2冷凍刀也已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平;(3)氮?dú)饫鋬龅?。蘇穎穎［5］等自行研制了一種多刀腫瘤超低溫冷凍治療設(shè)備，最低溫度可達(dá)到－170℃。趙慶孝［6］等自行研制出一種新型超低溫冷凍醫(yī)療系統(tǒng)，具有溫度可控、降溫速度快等優(yōu)點(diǎn)，最低溫度可達(dá)到－180℃。綜合考慮各種氣體的物理化學(xué)性質(zhì)、氣體節(jié)流降溫特性、安全性，特別是用于冷凍醫(yī)療手術(shù)環(huán)境，本系統(tǒng)采用氮?dú)鉃楣?jié)流冷卻氣體。

半導(dǎo)體制冷是帕爾帖效應(yīng)在制冷方面的應(yīng)用［7］。熱電制冷器具有無(wú)污染、體積小、無(wú)噪音等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于國(guó)防、工業(yè)、醫(yī)療中。通常單級(jí)熱電制冷器只能得到70 K的最大溫差，在大溫差條件下，制冷工況會(huì)迅速惡化，制冷效率也會(huì)明顯降低。因此，為了得到更大的溫差和更優(yōu)的COP，通常采用多級(jí)熱電制冷器。

根據(jù)氮?dú)釰-T節(jié)流制冷效應(yīng)原理，當(dāng)其初始溫度越低時(shí)，膨脹節(jié)流后的溫度越低，節(jié)流降溫效果越好。前人的研究多為利用常規(guī)機(jī)械制冷手段進(jìn)行預(yù)冷，而冷凍外科手術(shù)實(shí)施過(guò)程中要求設(shè)備體積小，無(wú)污染，尤其是無(wú)噪聲?？紤]到半導(dǎo)體制冷技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，本文研制并實(shí)驗(yàn)研究了采用三級(jí)半導(dǎo)體制冷作為氮?dú)饫鋬龅额A(yù)冷手段的降溫系統(tǒng)。

2 半導(dǎo)體預(yù)冷器的設(shè)計(jì)

根據(jù)特定的臨床要求，取冷凍刀產(chǎn)生冰球的直徑為30 mm?？捎?jì)算出需要冷凍刀釋放的冷量約為30 W?；诖?，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)計(jì)算［8］可得，預(yù)冷器總的熱負(fù)荷約為51.4 W，再依據(jù)預(yù)冷器中換熱管直徑的不同設(shè)計(jì)取值，對(duì)應(yīng)計(jì)算出換熱管長(zhǎng)。

設(shè)計(jì)的預(yù)冷器主要由兩塊紫銅板、半導(dǎo)體制冷器、絕熱棉、聚氨酯發(fā)泡劑、高強(qiáng)度鋼板組成。為了達(dá)到更低的預(yù)冷溫度，同時(shí)考慮半導(dǎo)體制冷器的冷量大小、加工工藝，本文中設(shè)計(jì)半導(dǎo)體制冷器為三級(jí)半導(dǎo)體。

在將纏繞好的紫銅管放入事先加工好的具有凹槽的紫銅板，將半導(dǎo)體制冷器冷端緊貼銅板，用鋼板和螺栓夾緊，最后用聚氨酯發(fā)泡劑進(jìn)行隔熱。

根據(jù)廠家提供的經(jīng)驗(yàn)值，本文設(shè)計(jì)采用的單個(gè)半導(dǎo)體制冷量為7 W。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中三級(jí)半導(dǎo)體的熱端運(yùn)行溫度20℃，冷端運(yùn)行溫度－60℃。半導(dǎo)體熱端散熱利用自來(lái)水進(jìn)行水冷，按自來(lái)水進(jìn)出預(yù)冷器的溫差Δt=5℃考慮，可計(jì)算出自來(lái)水流量需滿足VH2O≥7 L/min。

3 氮?dú)饫鋬龅秾?shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由氣源模塊、氣體壓力控制模塊、預(yù)冷模塊、冷凍探針、數(shù)據(jù)采集模塊5大部分組成，實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置簡(jiǎn)圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system

實(shí)驗(yàn)中主要測(cè)量參數(shù)是溫度和壓力。在對(duì)所用熱電偶進(jìn)行校準(zhǔn)后，將熱電偶放置在緊靠在冷端與紫銅板接觸處，這樣測(cè)量出的溫度近似為半導(dǎo)體制冷器冷端的溫度，在熱端也分別布置熱電偶監(jiān)測(cè)溫度。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)減壓閥對(duì)氮?dú)獬跏級(jí)毫M(jìn)行定量調(diào)節(jié)。

本文研制的冷凍刀，是將焊接好的Φ0.4 mm的不銹鋼管插入單頭封閉的Φ3 mm不銹鋼管中焊接制作成的。氮?dú)馀蛎洰a(chǎn)生冷效應(yīng)，使不銹鋼管壁達(dá)到低溫，換熱后的低溫氮?dú)庋刂讳P鋼管的內(nèi)壁返回大氣中，從而更好地利用回氣冷卻進(jìn)氣。冷凍刀尖處設(shè)有一枚T型熱電偶，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)針尖的溫度。

4 氮?dú)饫鋬龅豆?jié)流降溫性能實(shí)驗(yàn)

4.1 不同初始氮?dú)鈮毫ο挛搭A(yù)冷(室溫)與預(yù)冷后節(jié)流前后降溫特性

為比較不同初始氮?dú)鈮毫?3、4、5、6、7、8、9、10、11、12 MPa)在未預(yù)冷和預(yù)冷條件下節(jié)流后的溫度，分別在室溫環(huán)境23℃(無(wú)預(yù)冷)、預(yù)冷溫度－58℃條件下進(jìn)行節(jié)流后降溫實(shí)驗(yàn)。為了解氮?dú)夤?jié)流后冷凍刀頭的溫度變化特性，下邊首先對(duì)預(yù)冷條件下的節(jié)流降溫實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析，如圖2所示是預(yù)冷溫度為－58℃不同初始氮?dú)鈮毫l件下的節(jié)流后冷凍刀頭溫度變化。

圖2 不同氮?dú)獬跏級(jí)毫鋬龅稖囟茸兓€Fig.2 Change curve of cryoprobe temperature under various initial pressure of nitrogen

由圖2可知，初始階段，伴隨著氮?dú)獾墓?jié)流效應(yīng)，冷凍刀溫度在極短時(shí)間內(nèi)迅速降低，時(shí)間0ˉ15 s內(nèi)不同初始?jí)毫Φ臏囟茸兓€斜率均接近豎直，氮?dú)獬跏級(jí)毫υ礁撸禍厮俾试娇?，達(dá)到穩(wěn)定溫度的時(shí)間越短。根據(jù)氣體節(jié)流效應(yīng)基本原理，節(jié)流效應(yīng)與節(jié)流前后壓力和溫度有關(guān)，提高節(jié)流前的壓力或降低節(jié)流前的溫度，都可以增大氣體節(jié)流效應(yīng)。由圖2可看出，隨著氮?dú)獬跏級(jí)毫Φ脑龃?，冷凍刀最終達(dá)到的穩(wěn)定溫度逐漸降低。最高初始?jí)毫?2 MPa時(shí)達(dá)到最低節(jié)流溫度－120℃。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間，氮?dú)夤?jié)流降溫與冷凍刀和外界的換熱達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，溫度將會(huì)基本維持不變，不同初始?jí)毫ο碌臏囟惹€均趨向于水平。

圖3 不同氮?dú)獬跏級(jí)毫ο挛搭A(yù)冷與預(yù)冷后節(jié)流后溫度對(duì)比Fig.3 Throttle temp comparison with and without pre-cooling under various initial pressure of nitrogen

圖3為不同初始?jí)毫ο拢搭A(yù)冷與預(yù)冷后節(jié)流后溫度的變化情況對(duì)比。由圖3可知，相同初始?jí)毫ο拢搭A(yù)冷的節(jié)流后溫度明顯小于預(yù)冷的節(jié)流后溫度。兩種情況下的節(jié)流后溫度隨著初始?jí)毫Φ脑黾?，都呈下降趨?shì)，且預(yù)冷后的溫降曲線斜率大于未預(yù)冷的溫降曲線斜率。未預(yù)冷條件下，隨著初始?jí)毫υ龃螅?jié)流后溫度由3 MPa時(shí)的10℃降到12 MPa時(shí)的－10℃，最大溫差為20℃;而預(yù)冷后則由3 MPa時(shí)－68℃降到12 MPa時(shí)的－120℃，最大溫差達(dá)到52℃，降溫效果顯著。另一方面，隨著初始?jí)毫Φ脑龃?，相同初始?jí)毫λ鶎?duì)應(yīng)的兩種情形下節(jié)流后溫差呈逐漸增大的趨勢(shì)。5 MPa時(shí)，預(yù)冷節(jié)流后溫度與室溫下節(jié)流后的溫度差為84℃，12 MPa時(shí)則達(dá)到111℃。

由圖2、圖3可知，氮?dú)獬跏級(jí)毫υ酱螅鋬龅吨评湫阅茉絻?yōu)越。但是，壓力過(guò)大會(huì)導(dǎo)致氮?dú)庀倪^(guò)快，經(jīng)濟(jì)性不好;壓力太小會(huì)導(dǎo)致溫度下降緩慢，不利于殺死癌細(xì)胞，也達(dá)不到較低的溫度，影響治療效果。綜合考慮上述因素，采用8.5 MPa作為氮?dú)獾某跏級(jí)毫ΓA(yù)冷溫度恒定為－58℃，進(jìn)行下邊進(jìn)一步的性能實(shí)驗(yàn)研究。

4.2 冷凍刀制冷量性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)

4.2.1 實(shí)驗(yàn)步驟與結(jié)果分析

使用熱平衡法測(cè)量探頭冷量大小。首先開(kāi)通冷凍刀降溫系統(tǒng)，待冷凍刀針尖溫度穩(wěn)定時(shí)，接通可調(diào)直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源，調(diào)節(jié)電加熱帶的電壓，直到冷凍刀探針的溫度恒定。此時(shí)達(dá)到熱平衡，電加熱帶的加熱功率即為冷凍刀制冷量，測(cè)試系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 冷量測(cè)試系統(tǒng)圖Fig.4 Testing system chart of refrigeration capacity

取冷凍刀制冷溫度恒定為－47℃，測(cè)量不同初始?jí)毫ο碌獨(dú)饫鋬龅独淞康拇笮。淞孔兓€如圖5所示。

由圖5可知，冷量隨著氮?dú)獬跏級(jí)毫Φ脑龃蠖境删€性增大，當(dāng)壓力為2.5 MPa時(shí)，冷量為7 W左右，而當(dāng)壓力為8.5 MPa時(shí)，冷量可達(dá)30 W，這是因?yàn)閴毫υ酱?，管?nèi)流速越快，冷凍刀出口處的氮?dú)饬髁吭酱?，因此產(chǎn)生的冷量越大。

圖5 制冷恒定溫度為－47℃不同壓力下冷凍刀冷量曲線圖Fig.5 Graph of refrigeration capacity under various ressure with a constant refrigeration temperature of 47℃

4.2.2 數(shù)據(jù)測(cè)試誤差分析

冷量測(cè)試誤差主要涉及以下兩方面:

(1)加熱帶功率控制器儀器誤差?？刹捎枚啻螠y(cè)試，取其平均值來(lái)減少誤差。

(2)保溫棉(巖棉)的導(dǎo)熱損失量計(jì)算。室溫為23℃，取加熱帶工作時(shí)加熱帶與巖面接觸處測(cè)量的最高溫度為300℃，則:

式中:λ為巖棉的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m˙K);Δt為巖棉內(nèi)外層溫差，℃;S為巖棉與加熱帶有效接觸面積，m2;δ為巖棉的厚度，m。

綜上所述，冷量測(cè)試的誤差為:

式中:Pc為冷量測(cè)試值，為了得出最大誤差，取冷量最小值10 W。最大誤差不超過(guò)5%，可滿足要求。

4.3 氮?dú)饫鋬龅对谒袃鼋Y(jié)實(shí)驗(yàn)研究

為考察冷凍刀的實(shí)際應(yīng)用性能，進(jìn)行了氮?dú)獬跏級(jí)毫?.5 MPa下冷凍刀在水中凍結(jié)過(guò)程實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，蒸餾水初溫為23℃，水量為180 mL。

圖6顯示了冷凍刀插入水中經(jīng)過(guò)不同時(shí)間形成冰球的實(shí)物圖(分別為第 30 s、2 min、10 min、14 min后)。

圖6 不同時(shí)刻冰球大小與形狀Fig.6 Size and shape of ice hockey at different time

冷凍刀系統(tǒng)啟動(dòng)30 s時(shí)，橢圓形的冰球慢慢形成并逐漸增長(zhǎng)，且冰球長(zhǎng)大速度明顯可見(jiàn)，在14 min左右之后。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行14 min之后，觀察到的最大冰球尺寸(長(zhǎng) ×直徑)為:3.8 cm ×2.5 cm。

為比較不同初始?jí)毫ο吕鋬龅兜臏囟?，分別在氮?dú)獬跏級(jí)毫?.5 MPa與6.5 MPa下進(jìn)行水中凍結(jié)實(shí)驗(yàn)，溫度變化如圖7所示。

圖7 8.5、6.5 MPa下冷凍刀插入水中溫度對(duì)比Fig.7 Temperature comparison of cryoprobe in water under the pressure of 8.5 MPa and 6.5 MPa

由圖7可知，初始?jí)毫?.5 MPa的節(jié)流降溫速度比8.5 MPa壓力下慢，驗(yàn)證了氮?dú)獬跏級(jí)毫υ礁?，降溫的速率越快，達(dá)到穩(wěn)定溫度的時(shí)間越短，穩(wěn)定溫度也越低的結(jié)論。圖8顯示了相同時(shí)間內(nèi)，氮?dú)獬跏級(jí)毫?.5 MPa與6.5 MPa下冷凍刀插入水中形成的冰球形狀和大小。由圖8可知，兩冰球的形狀都為橢球形，這可能是由于水在凍結(jié)過(guò)程中受其重力影響的緣故。經(jīng)過(guò)測(cè)量，8.5 MPa下形成的冰球大于6.5 MPa下形成的冰球，直徑分別為2.5 cm、2 cm，驗(yàn)證了:初始?jí)毫υ酱螅鋬龅独淞吭酱蟆?/p>

圖 8 8.5、6.5 MPa 下生成冰球直徑對(duì)比Fig.8 Comparison of ice hockey’s diameter under the pressure of 8.5 MPa and 6.5 MPa

5 結(jié)論

(1)通過(guò)常溫節(jié)流和預(yù)冷后再節(jié)流的實(shí)驗(yàn)對(duì)比，得出預(yù)冷后的節(jié)流后溫度與未預(yù)冷下的相比大幅降低，且初始?jí)毫υ礁?，這一差別越大，證明氮?dú)忸A(yù)冷后比未預(yù)冷有明顯的節(jié)流降溫效果。

(2)通過(guò)不同氮?dú)獬跏級(jí)毫?jié)流實(shí)驗(yàn)對(duì)比，得出氮?dú)獬跏級(jí)毫υ礁?，?jié)流后溫度越低，節(jié)流溫差也越大。冷凍刀在8.5 MPa下節(jié)流溫度可達(dá)－98.3℃，在初始?jí)毫?2 MPa下，節(jié)流后的氮?dú)庾畹蜏囟瓤蛇_(dá)－120℃。

(3)冷凍刀的冷量隨著刀頭恒定制冷溫度的不同而不同，初始?jí)毫?.5MPa時(shí)，溫度恒定為－47℃時(shí)，冷量為30 W，可滿足生成直徑30 mm組織冰球的要求(組織損傷臨界溫度為－20ˉ－40℃)。

(4)該冷凍刀在8.5 MPa下，插入水中(初始溫度23℃)14 min分鐘可形成長(zhǎng)度×直徑為3.8 cm×2.5 cm的橢圓形冰球，而在6.5 MPa初始?jí)毫ο?，冰球直徑? cm，小于前者，驗(yàn)證了氮?dú)獬跏級(jí)毫υ酱?，冷凍刀冷量越大?/p>

1 姜博仁，武衛(wèi)東.低溫冷凍刀降溫方法綜述及展望［J］.低溫與超導(dǎo)，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 于天驊，王洪武，周一欣，等.Endocare型氬氦冷刀凍結(jié)與復(fù)溫性能的實(shí)驗(yàn)研究［J］.航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)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 徐廣才，童明偉.液體二氧化碳冷凍刀的研制與初步實(shí)驗(yàn)［D］.重慶:重慶大學(xué)，2006.Xu Guangcai，Tong Mingwei.Investigation and Basic Experiments for Liquid CO2Cryoprobe［D］.Chongqing:Chongqing University，2006.

4 陳 宇.冷熱交替作用下生物組織相變過(guò)程的研究［D］.南京:東南大學(xué)，2007.Chen Yu.Numerical Simulation on Phase Change Heat Transfer Process of Biological Tissue in Cryosurgery［D］.Nanjing:Southeast University，2007.

5 蘇穎穎，常兆華，王成燾.新型多刀腫瘤超低溫冷凍治療設(shè)備的研制及性能試驗(yàn)［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，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 趙慶孝，楊鵬飛，常兆華，等.新型超低溫冷凍醫(yī)療系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究［J］.制冷學(xué)報(bào)，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 徐德勝.半導(dǎo)體制冷與應(yīng)用技術(shù)［M］.上海:上海交通大學(xué)出版社，1999.Xu Desheng.Semiconductor Refrigeration Technology and Application［M］.Shanghai:Shanghai Jiao Tong University Press，1999.

8 姜博仁.基于半導(dǎo)體制冷預(yù)冷的氮?dú)饫鋬龅督禍叵到y(tǒng)設(shè)計(jì)與性能研究［D］.上海:上海理工大學(xué)，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 劉 靜.低溫生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)原理［M］.北京:科學(xué)出版社，2007:10-17.Liu Jing.Principle of Cryo-Biomedical Engineering［M］.Beijing:Science Press，2007:10-17.