基于半導體制冷技術的醫用冷藏箱

張芷毓，王揚揚，陳浩康

（沈陽航空航天大學，遼寧沈陽，110136）

0 前言

近年來，半導體制冷技術的不斷發展，使得溫度控制系統滿足占地空間小，效率高，功能性強等優勢。這些成功的應用實例也為基于小型半導體制冷技術的醫用冷藏箱溫的研制提供了借鑒經驗。

本文設計的醫用冷藏箱不僅采用了先進的半導體制冷技術，并且圍繞溫度采集時的誤差建立數學模型，通過計算得出精確的器官實時溫度，具有制冷效率高、控制精度高、箱體可靠性好、性能穩定等優點，有效地保證了醫用冷藏箱內存儲器官的活性。

1 醫用冷藏箱總體架構

醫用冷藏箱硬件電路由單片機主控模塊、溫度采集模塊等模塊組成，其中制冷執行模塊是醫用冷藏箱的核心部分，硬件工作框圖如圖1所示。

圖1 醫用冷藏箱硬件構成框圖

醫用冷藏箱制冷控制系統的主控模塊采用STM32芯片；溫度采集模塊采用DS18B20型溫度傳感器；半導體制冷裝置組成制冷執行模塊。通過鍵盤輸入想要的合適溫度，將此信息傳輸給單片機，單片機對冷藏箱內的溫度進行分析，運用PID控制方法，根據所接收的實時溫度數據去調控半導體制冷片TEC-12706的工作電流，可以通過對TEC-12706工作電流的把控，使箱內溫度保持在一定的低溫范圍。LCD為顯示終端，實現系統的參數設定、狀態顯示，方便使用人員操作和監控。

制冷控制系統的軟件主要包括以下部分：主程序設計、溫度測量子程序設計、溫度誤差分析子程序設計、制冷控制子程序設計、LCD顯示以及按鍵子程序設計。系統的主程序主要完成系統的初始化，通過各個模塊子程序的調用，實現冷藏箱內溫度采集、制冷控制等功能。首先各模塊初始化，將模塊接口各個數值設置為默認狀態，然后獲取溫度傳感器采集的醫用冷藏箱內部溫度數據信息，并發送至顯示模塊，對采集到的箱內溫度進行誤差分析，得到待移植器官表面的精確溫度，根據鍵盤預先設定的維持器官活性的低溫閾值，調用制冷控制子程序，保證冷藏箱內溫度適宜；同時顯示模塊，可以通過顯示屏查看當前溫度。

根據上述分析，本項目主要實現功能如下：

（1）單片機控制核心接收采集的冷藏箱內溫度數據，經過溫度分析處理，發送溫度控制命令；

（2）將溫度傳感器的實際測溫數據和理論溫度誤差修正方程結合，通過溫度誤差分析，獲取臟器表面溫度的精確溫度；

（3）設計半導體制冷裝置，并實現對臟器的精準快速控溫；

（4）合理設計電源模塊，將內部外部電池結合，保證自身攜帶的電源能在沒有外接電源的情況下，滿足制冷需求。

本文主要對半導體制冷、電源模塊設計、溫度測量與誤差分析這三個主要功能的實現進行描述。

2 醫用冷藏箱關鍵硬件

2.1 半導體制冷

半導體制冷片組件主要有兩類：單級和多級熱電堆。多級熱電堆可以看作是多個單級熱電堆串聯、并聯或串并聯形式的組合，雖然可以獲得更低的冷端溫度，但制作相對復雜。對于本文研究的醫用冷藏箱的制冷需求來說，選用市場上較為常見，易于選購的單級制冷片組件即可。由于冷藏箱電源設計為直流24V供電，因此，選用TEC-12706單級半導體制冷片，額定電壓為DC12V，采用表面導熱硅膠勃貼固定。

根據半導體制冷技術的基本理論，可知半導體制冷片的制冷量為：

消耗功率為：

制冷系數為：

式(1)中，pα，Nα為P型、N型電偶的溫差電系數；I為通電電流強度；TC冷端溫度；R為半導體制冷元件的電阻值；k為導熱系數；△T為冷熱端面溫度差。

由公式可知，制冷片的通電電流強度I是影響制冷能力的主要因素之一。理想情況下，制冷片所允許的最大電流值應該就是最佳工作電流，但實際工作中，未達到最大電流時電壓已經達到最大工作極限，因此在散熱良好的情況下，制冷片工作在額定電壓時的制冷量是可以保證的最大制冷量。但是，制冷片工作時熱端發熱量很大，通常情況下的散熱強度也不能達到理論值，因此還要通過實驗進行測試醫用冷藏箱所需的實際制冷量，并以此確定安裝在冷藏箱內的制冷片個數。

半導體制冷片的產冷量應大于冷藏箱中冷量消耗總和數。由計算可知，醫用冷藏箱熱負荷的理論計算值為44.14W，所選用的制冷片最大制冷量為88.6W；此外，考慮到實際應用中的熱需求要比理論值大，選取半導體制冷片的制冷效率一般為20%～60%，系統最終選用4片半導體制冷片來對空間進行降溫。由于TEC-12706單級半導體制冷片的體積為40×40×3.44mm，考慮到冷藏箱的長度，制冷片在冷藏箱中應留有一定的空間，因此將每兩片制冷片串聯成一組，兩組并聯，分別安裝在箱體的左右兩側。

制冷裝置設計好后，采用PID控制器控制制冷片工作，醫用冷藏箱的閉環溫度控制框圖如圖2所示。

圖2 醫用冷藏箱閉環溫度控制框圖

2.2 醫用冷藏箱電源模塊

在電源方面采用了內外部供電相結合的方式，并具有自動切換功能。即在接通電源時，使用外部電源為醫用冷藏箱進行供電，同時對箱內電池進行充電，在斷開外部電源時，則自動切換為內部電池進行供電，以免因外部電路的意外斷開造成箱內溫度升高，時箱內器官發生變質，同時也為在運輸過程中不便于接通電源的情況提供了方便。

（1）電源自動切換

自動切換功能通過PMOS管控制，當外部電源被切斷時，切換電路中的PMOS導通，由電池為醫用冷藏箱制冷模塊供電，當外部電源接同時，PMOS管關斷，電池與后續電路斷開，由外部電源繼續為后續電路供電，同時為電池充電。電源自動切換電路圖如圖3所示。

圖3 電源自動切換電路圖

（2）充電電源

醫用冷藏箱的充電電源電路圖如圖4所示。

圖4 醫用冷藏箱充電電路圖

1）充電電流的設置

恒流充電電流由式(4)決定：

取ICH= 4 .2A，則RCS參數為0.047Ω±0.01Ω。實際選取RCS為0.05 Ω，得實際ICH=4A。

2）電流設置(充電結束時)

充電時結束電流由式(5)決定：

設IEOC= 0 .4A，則R3應為1500 Ω 。

3）電感的選擇

由于暫態電感電流是周期性變化的，電感紋波電流越大，紋波充電電流越大，電磁損耗越大，因此應將紋波電流限制在合理范圍內。

電感的紋波電流可以由式(6)估算：

式中VBAT為電池電壓、f為開關頻率300KHz、VCC為輸入電壓、L為電感值。

3 醫用冷藏箱內的溫度誤差分析

若使醫用冷藏箱達到醫療運輸設備的溫度要求，要求醫用冷藏箱內部達到一種恒溫狀態，但在實際使用的過程中，受到環境以及器件等外界因素的影響，醫用冷藏箱的溫度場會沿初始設定溫度產生上下小范圍的波動，又由于溫度場不是一個點而是一個空間，在制冷過程中產生的氣體對流和器官自身熱輻射等都會對箱內溫度產生影響，因此需要對箱體內部溫度進行誤差分析校準數據。

本文建立冷藏箱溫度傳感器周邊環境誤差的物理模型，通過誤差修正方程校正采集的溫度數據，進而提高溫控精度。

（1）網格劃分

利用fluent軟件通過多次仿真實驗，利用數值方法劃分網格，坐標原點設在試驗品的中心位置，x軸方向指向制冷片下游方向，y軸垂直于制冷片方向。仿真實驗中，將冷藏箱進行等比縮小，將器官質心視為標準的直徑為1cm的球體，將計算區域大小設定為10cm×10cm。為了使仿真效果更加準確，在以器官為中心從水平和豎直方向上的進行了更為精細的局部劃分，平均單元大小為3mm，為了減小制冷片進出口流場的干擾，將器官迎流區單元平均大小設為1mm，將器官尾流區單元平均大小設為3mm。邊界條件為：速度入口v|x→-∞= 0 ，u|x→ -∞=u0，與壓力出口p|x→ -∞=p0，器官表面u=v=0。

傳感器模型與周圍空氣域網格如圖5所示。生成的網格經過網格質量檢驗后質量大于0.2，網格質量良好。

圖5 傳感器模型周圍空氣域網格

（2）紅外輻射誤差修正方程的建立

利用仿真結果對公式進行擬合， 根據牛頓法得到誤差修正方程，同時給出輻射溫度誤差與位置x和輻射角y之間的修正方程：

決定樣本系數為0.99，表示仿真與公式匹配較為良好。

4 結束語

本文針對待移植器官需要長時間低溫保持這一特殊要求，在半導體制冷技術研究的基礎上設計了具有電源保持功能的醫用冷藏箱，并且對溫度采集誤差進行了分析，效果良好。