П олупроводниковые термоэлектрические охлаждающие устройства для ларингологии
На правах рукописи
Рагимова Тамила Арслановна
Полупроводниковые термоэлектрические
охлаждающие устройства для ларингологии
Специальность 05.04.03
«Машины и аппараты, процессы холодильной и криогенной техники,
систем кондиционирования и жизнеобеспечения»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Махачкала 2007
Работа выполнена в ГОУ ВПО "Дагестанский государственный технический университет"
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор Исмаилов Т.А.
Научный консультант:
доктор технических наук, профессор Исабеков И.М.
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор Сулин А.Б.
кандидат технических наук, доцент Шахмаева А.Р.
Ведущая организация – ГОУ ВПО "Санкт-Петербургский государственный университет
низкотемпературных и пищевых технологий",
г. Санкт-Петербург
Зашита диссертации состоится " " 2007г. в часов на заседании диссертационного совета К212.052.01 ГОУ ВПО "Дагестанский государственный технический университет" по адресу: 367015, Махачкала, пр. И.Шамиля, 70.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Дагестанского государственного технического университета.
Автореферат разослан " " 2007г.
Отзывы на автореферат присылать по адресу: 367015, РД, г.Махачкала, пр. И.Шамиля, 70, ученому секретарю диссертационного совета
Ученый секретарь
диссертационного совета
к.т.н., доцент Евдулов О.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Одним из приоритетных направлений в медицине является безопасность и использование естественных для организма методов лечения, способных стимулировать ответные биологические реакции организма. В связи с этим широкое распространение получают немедикаментозные методики лечебных воздействий. Одним из наиболее широко применяемых и эффективных естественных физических факторов в медицине является низкотемпературное воздействие, на основе которого строятся методы локальной гипотермии отдельных органов и тканей человеческого организма. Среди них можно выделить методику локального охлаждения тканей гортани, которую активно применяют не только при лечении заболеваний горла, таких как хронический тонзиллит, фарингит, но и как универсальное иммуностимулирующее средство, рекомендованное для массового внедрения в медицинские учреждения различного уровня.
Применяемые на сегодняшний день средства для локального охлаждения тканей гортани подразумевают использование жидкого хладагента и представляют собой металлические стержни, предварительно охлажденные в жидком азоте или кислороде, так называемые пассивные криозонды, а также системы с открытой и закрытой циркуляцией жидкого хладагента.
Указанные средства для воздействия низкими температурами на организм человека, и в частности на область гортани, не всегда отвечают требованиям безопасности в связи с возможностью разгерметизации компрессионных систем, биологической агрессивностью используемых хладагентов, инерционностью рабочих процессов и низкой точностью дозирования охлаждающего воздействия. Использование жидких хладагентов в реализации устройств по данному направлению в достаточной степени усложняет их конструкции и обслуживание, сокращает время работы устройств в связи с ограниченным объемом хладагента, не позволяет достичь необходимого уровня регулировки и контроля температуры воздействия, не решает проблему адгезивного эффекта, что требует наличия дополнительных устройств нагрева. Указанные недостатки препятствуют широкому внедрению эффективных методик криотерапевтического воздействия на ткани гортани в медицинскую практику.
Несмотря на значительные изыскания в области термоэлектрического приборостроения, на сегодняшний день не решен вопрос о создании полупроводниковых термоэлектрических устройств (ТЭУ) для ларингологии, позволяющих использовать искусственный холод для локального замораживания тканей гортани, что приводит к необходимости разработки ТЭУ для реализации методик охлаждающих воздействий в ларингологии.
Использование ТЭУ для локального охлаждения в ларингологии несут ряд неоспоримых преимуществ по сравнению с другими средствами, так как исключают использование жидких хладагентов, что делает их независимыми от центров производства и доставки криогенных жидкостей, неограниченным время работы данных устройств, независимым от гравитационных сил и расположения в пространстве, повышают точность регулировки и контроля температуры воздействия, предполагают организацию режима реверса путем переключения направления тока питания ТЭМ.
При этом конструкция охлаждающего устройства для ларингологии, основанного на использовании ТЭМ, должна соответствовать ряду специфических признаков, состоящих в необходимости обеспечения температурных параметров устройства в соответствии с медицинскими методиками проведения процедур, соответствующих существующим гигиеническим нормам, высокой надежности воздействия, точной локализации очага холода, безопасности и др.
В связи с этим диссертационная работа посвящена разработке ТЭУ для локального охлаждения тканей гортани, исследованию процессов, протекающих в них с учетом влияния объекта воздействия и их применению в медицине.
Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка и анализ электро- и теплофизических процессов и создание полупроводниковых термоэлектрических систем для локального охлаждения тканей гортани, предназначенных для работы в умеренно низком диапазоне температур.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- Разработка полупроводниковой термоэлектрической системы (ТЭС) для локального охлаждения тканей гортани, основанной на использовании ТЭМ.
- Разработка квазистационарной математической модели ТЭС для локального теплового воздействия в ларингологии, с учетом влияния фазового перехода на процессы теплообмена.
- Проведение комплекса экспериментальных исследований с целью подтверждения адекватности теоретических моделей и влияния конструктивных, теплофизических и режимных характеристик на выходные параметры устройств.
- Проведение лабораторных исследований и клинических испытаний.
- Практическая реализация результатов работы.
Методы исследования. В процессе решения поставленных задач использованы принципы системного подхода, теория теплопроводности твердого тела, теория фазовых переходов веществ, математическая статистика, аналитические и численные методы решения дифференциальных уравнений и систем дифференциальных уравнений, методы компьютерной обработки экспериментальных данных.
Научная новизна.
- Разработан способ локального замораживания тканей гортани, основанный на использовании термоэлектрического способа охлаждения при наличии ограничений по площади сопряжения объекта воздействия и воздействующего элемента.
- Предложена квазистационарная математическая модель ТЭУ для локального замораживания тканей гортани с основным и дополнительным ТЭМ, сопряженных посредством теплового мостика, учитывающая теплофизические параметры объекта воздействия, а также наличие фазового перехода при охлаждающем воздействии.
- Разработаны конструкции ТЭУ для локального замораживания тканей гортани, удовлетворяющие ограничениям по площади сопряжения объекта воздействия и воздействующего элемента, содержащие основной и дополнительный ТЭМ, сопряженные посредством теплового мостика, выполненного из высокотеплопроводного материала,
Практическая ценность – разработана методика локального замораживания тканей гортани и устройства для ее осуществления, основанные на использовании термоэлектрического способа охлаждения, учитывающие ограничения по площади сопряжения объекта воздействия и воздействующего элемента.
Внедрение результатов. Разработанные в диссертационной работе методы, математические модели и устройства использовались при выполнении госбюджетной научно-исследовательской работы в рамках тематического плана по заданию Министерства образования и науки РФ "Теоретические исследования и математическое моделирование комплексного физиотерапевтического воздействия на органы человека в целях профилактики, диагностики и лечения различных заболеваний".
Основные результаты диссертационной работы внедрены в клиническую практику муниципальной поликлиники № 4 г. Махачкалы, муниципальной больницы № 1 г. Махачкалы, кафедры болезней уха, горла и носа при Дагестанской государственной медицинской академии, а также в учебный процесс для специальности «Биотехнические и медицинские аппараты, системы» в Дагестанском государственном техническом университете.
Апробация результатов работы. Работа в целом и отдельные ее результаты докладывались и обсуждались на VI Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов. «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления», Таганрог, 2002; на 56-й научно-практической конференции молодых ученых и студентов, посвященной 70-летию ДГМА, Махачкала, 2002; на Всероссийской научно-технической конференции «Биотехнические и медицинские аппараты и системы», Махачкала, 2003; на I Приволжской конференции по медицинской криологии, Нижний Новгород, 2003; на II и III Всероссийской научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития термоэлектрического приборостроения», Махачкала, 2003; на XXIV итоговой научно-технической конференции ДГТУ «Неделя науки – 2003», Махачкала, 2003; на III республиканской научно-практической конференции «Новые технологии в медицине», Махачкала, 2004; на X научной сессии Международной Академии Информатизации, Махачкала, 2005; на IV Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», Санкт-Петербург, 2007; а также на научно-технических семинарах кафедры "Теоретической и общей электротехники" ДГТУ с 1999 по 2007 гг.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ, из них 8 статей, 1 патент Российской Федерации на изобретение и 3 положительных решения о выдаче патента РФ на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 152 наименования и приложения. Основная часть работы изложена на 137 страницах печатного текста. Работа содержит 47 рисунков.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.
Во введении обоснована актуальность темы, определена цель работы и сформулированы задачи исследования, научные положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая значимость результатов.
В первой главе рассмотрены применяемые на сегодняшний день в медицинской практике методы лечения и профилактики заболеваний, основанные на использовании низких температур. Учитывая многообразие методик охлаждающего воздействия на организм человека, в работе отмечено, насколько существенными являются выбор скорости и уровня охлаждения, а также зависимость указанных параметров от выбора хладагента для парокомпрессионных криогенных систем.
Классифицированы методики холодового воздействия в ларингологии, основанные на регенеративной криотерапии, клиническим результатом которых является создание температурных параметров тканей, близких к порогу криоустойчивости. Данные методики способствуют стимуляции процессов регенерации в тканях гортани, повышению иммунной активности в них, запускают противовоспалительные механизмы, что позволяет рекомендовать их для массового применения в качестве универсального иммуностимулирующего средства для часто болеющих вирусными простудными заболеваниями, гриппом, ослабленных больных с признаками иммунодефицита, а также при лечении различных заболеваний горла, таких как хронические тонзиллиты, фарингиты, синдром апноэ, храп, грибковые заболевания тканей гортани.
Приведен обзор существующих на сегодняшний день технических средств для осуществления локального замораживания тканей гортани. Все перечисленные конструктивные варианты систем охлаждения тканей гортани требуют наличия жидкого хладагента и емкости для его хранения, что усложняет конструкцию устройств и ухудшает его технологичность. Кроме этого, отмечено, что недостатком практически всех рассмотренных конструкций, реализующих охлаждение тканей гортани, является сложность контроля и регулировки уровня низкотемпературного воздействия. Таким образом, проведен анализ проблем существующих в современной ларингологии, связанных с методами и средствами охлаждающего воздействия на ткани гортани.
Даны аспекты современного состояния термоэлектрического приборостроения в медицине, рассмотрены и приведены в процентном содержании основные прикладные направления медицинской термоэлектрической техники, а также отмечены перспективы использования термоэлектрических эффектов в создании охлаждающих устройств для ларингологии.
Анализ областей применения термоэлектрической техники в медицине позволил определить отсутствие охлаждающих ТЭС для ларингологии. Данный факт существенно тормозит внедрение эффективных методик лечения по указанному направлению, основанных на использовании умеренно низких температур воздействия.
В связи с рядом преимуществ электронных охладителей перед другими, подчеркнута целесообразность использования термоэлектрического метода охлаждения, позволяющего повысить точность регулировки уровня охлаждающего воздействия и делает практически неограниченным ресурс работы устройства.
Проведенный литературный обзор указывает на необходимость создания охлаждающего устройства для ларингологии с высокой точностью дозирования, локализации охлаждающего воздействия и малой инерционностью рабочих процессов, что становится возможным только в результате использования термоэлектрического метода охлаждения.
На основании проведенного анализа сформулированы цель и задачи работы.
Во второй главе рассмотрены математические модели работы ТЭУ для ларингологии. Разработана квазистационарная модель прибора для локального замораживания тканей гортани. Это связано с необходимостью оценки такого показателя функционирования ТЭУ, как продолжительность выхода на заданный режим работы, а также определения динамических характеристик прибора. Данная математическая модель рассматривает ТЭУ для локального замораживания тканей гортани как единую совокупность элементов – теплообменных устройств (теплообменника, теплового мостика, термоэлектрических батарей (ТЭБ), теплоизоляции, воздействующего наконечника), обеспечивающих снижение температуры биологического объекта за требуемое время до необходимой величины.
Расчетная схема ТЭУ для локального замораживания тканей гортани изображена на рис.1. В ней ТЭБ1 через воздействующий наконечник с теплоемкостью ср1 и тепловой проводимостью р1 первыми спаями сопряжена с биологической тканью, имеющей соответственно теплоемкость ст и тепловую проводимость т.
Вторые спаи ТЭБ1 сопряжены с торцевой поверхностью теплового мостика,
имеющего теплоемкость ср2 и тепловую проводимость р2, вторая торцевая поверхность которого приведена в тепловой контакт с первыми спаями второй ТЭБ2.
Вторые спаи ТЭБ2 посредством жидкостного теплообменного аппарата с теплоемкостью ср3 и тепловой проводимостью р3 поддерживаются при температуре Тр3. Температура протекающей по теплообменному аппарату жидкости поддерживается равной Тж. Через ТЭБ1 и ТЭБ2 протекает ток постоянной плотности соответственно j1 и j2. Кроме того, предполагается, рассматриваемый биологический объект и характеризуется удельной мощностью объемных источников теплоты Qвн.
Математическая реализация модели определяется системой дифференциальных уравнений:
(1)
где Тт – температура биологической ткани; Тр1 – температура воздействующего наконечника, имеющего тепловой контакт с биологическим объектом; Тр2 – температура теплового мостика; mт – средняя масса ткани; mр1,р2,р3 – масса воздействующего наконечника, теплового мостика и теплообменника; е1,2 – коэффициент термо-э.д.с. термоэлементов в ТЭБ; 1,2 – удельное электрическое сопротивление ТЭБ; h1,2 – высота термоэлементов в ТЭБ; 1,2 – коэффициент теплопроводности материала ТЭБ; Тср – температура окружающей среды, ср – коэффициент теплоотдачи в окружающую среду.
Начальные условия для случая оценки продолжительности выхода устройства в рабочий режим задаются при холостом ходе (контакт устройства с биологическим объектом отсутствует), исходя из предположения, что в начальный момент времени ТЭС находится в термодинамическом равновесии с окружающей средой и температура всех точек системы равна температуре среды. При этом система уравнений (1) записывается в виде:
(2)
Для случая оценки продолжительности экспозиции при воздействии на ткани гортани начальными являются условия, взятые из полученных ранее данных для оценки выхода устройства на рабочий режим, а объект воздействия имеет температуру, равную 309 К.
Считалось также, что температуры воздействующего наконечника и теплообменника равны соответствующим температурам спаев. Данное допущение увеличивает величину времени выхода на рабочий режим, и полученные впоследствии результаты будут являться завышенными.
Решение системы (1) и (2) осуществлено численным образом в пакете прикладных программ MATHCAD. При этом тепловые проводимости определялись по формулам:
, 
, 
, 
(3)
где р1, р2, р3, т – коэффициент теплопроводности соответственно воздействующего наконечника, теплового мостика, теплообменника, биологической ткани; Sp1,2,3,т – площадь поверхностей соприкосновения соответственно ТЭУ для замораживания тканей гортани и биологической ткани, воздействующего наконечника и ТЭБ1, теплового мостика и ТЭБ2, теплообменника; р1,р2,р3, т – толщина соответственно воздействующего наконечника, теплового мотика, теплообменника, биологической ткани. Численные значения исходных величин в выражениях (3) принимались следующими: р1=389 Вт/мК; р2=389 Вт/мК; р3=389 Вт/мК; т=0,2 Вт/мК; Sp1=2510-6 м2; Sp2=10-4 м2; Sp3=3610-4 м2; р1=0,01 м; р2=0,13 м; р3=0,02 м; т=0,01 м.
С целью оценки выхода устройства на рабочий режим, а также времени экспозиции воздействия, задачей расчета стояло получение теплового поля системы прибор – объект воздействия в зависимости от времени при температуре окружающей среды Тср=298 К для случая функционирования ТЭУ без нагрузки (рис.2 и рис. 3) и в случае воздействия на ткань гортани (рис.4). Получены временные зависимости температуры ткани гортани, воздействующего наконечника, теплового мостика и жидкостного теплообменного аппарата при различных токах питания ТЭБ, а также для различных значений Тж.
Как следует из представленных данных, зависимости носят монотонный убывающий характер. Согласно приведенным графикам без тепловой нагрузки температура воздействующего наконечника стабилизируется приблизительно через 18-20 мин. (рис.2.), что соответствует продолжительности его выхода на рабочий режим. Увеличение силы тока дополнительной ТЭБ (рис. 3) с 0,5 до 1А при токе питания основной ТЭБ 5А снижает температуру воздействующего наконечника Тр1 с 235К до 220К. Дальнейшее увеличение силы тока приводит к росту теплоты Джоуля. Таким образом, при фиксированной температуре Тж предельное снижение температуры воздействующего наконечника ограничено величиной оптимального для данного типа ТЭБ тока питания. Получить более глубокое понижение температуры воздействующего наконечника можно, уменьшив значение температуры жидкости Тж, протекающей по теплообменному жидкостному аппарату. Так, для снижения температуры ткани, например, до 250 К при температуре жидкости Тж=288 К требуется на 3 мин. меньше времени, чем в случае, когда Тж=298 К.
Снижение продолжительности достижения требуемой температуры ткани, к примеру, до уровня 273К, можно добиться увеличением силы тока питания ТЭБ. Так, для нашего случая, согласно графикам зависимостей, приведенных на рис.4, увеличение силы тока с 2 до 5 А позволить сократить это время с 4 до 2,5 мин.
В работе проведен сравнительный анализ результатов расчета параллельной и последовательной схем питания каскадов ТЭБ, что позволяет оптимизировать работу ТЭУ по току питания, температурам спаев и оценить при этом уровень надежности работы ТЭБ.
В работе рассмотрена модель ТЭУ при изменении теплофизических характеристик тканей гортани в зависимости от температуры, т.к. при снижении температуры биологического объекта ниже нуля по Цельсию на процессы теплообмена будет влиять наличие фазового перехода в биологических тканях. Учет влияния фазового перехода осуществлен в соответствии с методикой, схожей с приведенной в работах Е.К.Иоранишвили. Решена задача о затвердевании вещества – "псевдожидкой фазы" тканей гортани.
Решение уравнения нестационарной теплопроводности для твердой фазы льда при нелинейных граничных условиях найдено приближенным методом и окончательно имеет вид:
, (8)
где 
.
, 
,
, 
, 
,
где 
и 
- удельная теплопроводность твердой фазы, 
- температура горячего спая ТЭ, 
- температура холодного спая термоэлемента, 
- минимальная температура холодного спая при отсутствии тепловой нагрузки, 
- тепловая нагрузка на холодный спай, 
- удельная теплопроводность ТЭМ, 
- высота ТЭМ, 
-площадь сечения ветви термоэлемента, е- коэффициент термо-э.д.с., 
-удельное сопротивление ветви термоэлемента, I - сила тока.
Оно имеет действительные значения при аргументе М<1:
. (9)
Получена расчетная зависимость продолжительности образования ледяной корочки ткани гортани толщиной 1 мм (что соответствует режиму проведения медицинских процедур) от величины тока питания ТЭБ (рис.5). Согласно полученным данным увеличение тока питания с 2 до 5 А снижает время образования ледяной корки толщиной 1 мм с 127 до 77 с.
В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований ТЭУ для ларингологии. Экспериментальные исследования проводились с целью подтверждения адекватности математических моделей и правильности сделанных на их основе выводов. Объектом экспериментальных исследований являлся опытный образец ТЭУ для локального замораживания тканей гортани с двумя, и для сравнения с одним, ТЭМ.
Опытный образец в процессе проведения эксперимента помещали в теплоизолированную климатическую камеру. Питание ТЭМ осуществлялось источниками электрической энергии, в нашем случае это соответственно источники постоянного электрического тока Instek PSH – 3630 и GW Laboratory DC Power Supply GPR-1850HD. Нагрузка на воздействующий наконечник моделировали намотанной на конец цилиндра нихромовой проволокой. Измерения температуры в ходе эксперимента проводили с помощью медь-константановых термопар, опорные спаи которых размещали в сосуде Дьюара, а сигнал снимался измерителем технологическим многоканальным ИРТМ 2402/М3. Напряжение и ток на ТЭМ фиксировались при помощи встроенных в источники электрической энергии амперметров и вольтметров.
В ходе эксперимента определялись напряжения и ток на ТЭМ, температура окружающей среды, температуры в различных точках опытного образца.
Термопары размещались на воздействующем наконечнике, опорных и рабочих спаях ТЭМ, на входе и выходе жидкостного теплообменника, на поверхности теплового мостика под теплоизоляционным слоем..
Исследовалась работа полупроводниковых ТЭУ для локального замораживания тканей гортани с одним и с двумя ТЭМ. Для каждого из модификаций устройства измерения проводились для случая холостой работы устройства (без тепловой нагрузки) и с тепловой нагрузкой.
В соответствии со значением максимального тока питания для используемых основного ТЭМ (5,8А) и дополнительного ТЭМ (1,7А), работу устройства тестировали для четырех значений питающего тока (3А; 4А; 4,5А и 5,0А) основного модуля и трех значений питающего тока дополнительного ТЭМ (0,5А; 1А; 1,5А).
Основной задачей при проведении экспериментальных исследований опытного образца являлось определение зависимости температуры в контрольных точках от времени при фиксированных значениях токов питания ТЭМ (рис.6 и 7).
В соответствии с полученными данными на рис. 6 максимальный уровень снижения температуры в случае использования одного основного ТЭМ составляет -37°С при максимальном токе в 5А и повышается на 2°С, 4°С и 10°С для токов питания соответственно 4,5А, 4А и 3А. Исходя из полученных данных, можно выбрать оптимальный ток питания для данного ТЭМ.
На рис. 7 представлены временные зависимости температуры наконечника для различных токов питания при использовании в устройстве основного и дополнительного ТЭМ. Указанные зависимости показывают, что при использовании дополнительного ТЭМ увеличение силы тока дополнительного ТЭМ с 0,5А до 1,5А при питании основного ТЭМ оптимальным током питания, равным 5А, температура наконечника снижается с -47 до -52°С.
Для оценки изменения температуры вдоль теплового мостика, имеющего длину 13 см., получены зависимости изменения температуры по длине мостика для различных моментов времени без нагрузки. Согласно представленным графикам максимальный перепад температуры по длине мостика при токах питания основного и дополнительного ТЭМ соответственно 5А и 1А, составляет 14°С и приходится на начальный момент включения устройства. По выходу прибора в стационарный режим этот перепад не превышает 3°С и указывает на относительную равномерность распределения температуры по длине теплового мостика. Данное обстоятельство позволяет использовать при построении математической модели устройства усредненную температуру теплового мостика. При этом данное упрощение не будет значительно влиять на точность математических расчетов.
Получены графики изменения температуры наконечника во времени при наличии тепловой нагрузки. Величина тепловой нагрузки принята равной 1Вт, что соответствует среднему уровню тепловыделений ткани живого человека. Как следует из полученных зависимостей, при действии тепловой нагрузки на устройство температура рабочего наконечника повышается примерно на 7°С для каждого тока и составляет -40°С, -44°С и -42°С. При этом продолжительность выхода на стационарный режим не превышает 1,5-2 мин.
Для оценки эффективности системы теплосъема устройства регистрировалось изменение температуры горячего спая основного ТЭМ во времени. Для случая, соответствующего токам питания основного и дополнительного ТЭМ соответственно 5А и 1А величина температуры горячего спая не превышает 29°С при температуре охлаждающей жидкости 20°С и скорости течения 0,07л/сек.
Полученные экспериментальные данные определяют приемлемую точность математической модели устройства. Максимальное расхождение расчетных и экспериментальных данных не превышает 11%. Наибольшее отклонение расчетных данных от опыта в случае определения температуры наконечника, наблюдается в основном во временном промежутке, связанном с выходом устройства на режим.
В четвертой главе описаны конструкции разработанных ТЭУ для ларингологии.
На рис.8 приведен первый конструктивный вариант устройства для локального замораживания тканей гортани, внешний вид которого изображен на рис.9.
Устройство содержит медный стержень, выполняющий роль теплового мостика и находящийся с обоих сторон в тепловом контакте с двухкаскадными основным и дополнительным ТЭМ. Рабочие спаи дополнительного ТЭМ находятся в контакте со сменной аппликационной насадкой, которая прижимается к холодному спаю дополнительного ТЭМ при помощи навинчивающегося теплоизолирующегося чехла. Отвод тепла от горячего спая основного двухкаскадного ТЭМ осуществляется с помощью жидкостного теплообменного аппарата, находящегося с ним в тепловом контакте.
Для исключения нежелательного влияния температуры окружающей среды на процесс охлаждения аппликатора медный стержень и двухкаскадные ТЭМ с боковых сторон защищены теплоизоляцией.
Контроль за температурой аппликатора осуществляется при помощи датчика температуры, вмонтированного в подставку под криоинструмент, содержащую сигнальную лампочку.
На рис. 10. приведен второй конструктивный вариант устройства. Она содержит медный стержень с резьбой, на который закручиваются сменные аппликационные насадки.
Противоположное основание медного стержня находится в тепловом контакте с холодным спаем двухкаскадного ТЭМ. Отвод тепла от горячих спаев ТЭМ осуществляется с помощью металлического теплообменника с веществом, находящимся в состоянии фазового перехода. Теплообменник в зоне контакта с двухкаскадным термоэлектрическим модулем содержит радиатор для интенсификации теплообмена. В упрощенном случае теплообменник может быть заполнен водой и подвержен замораживанию. Медный стержень, двухкаскадный ТЭМ и металлический теплообменник защищены теплоизоляцией. Контроль за температурой аппликационной насадки осуществляется при помощи расположенного на границе взаимодействия медного стержня с аппликационной насадкой, датчика температуры.
В заключении сформулированы основные выводы по диссертационной работе в целом.
В приложении к диссертации приведены расчеты в пакете прикладных программ MATHCAD и результаты эксперимента в табличном виде.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
В процессе решения задач, поставленных в диссертационной работе, получены следующие результаты:
- разработано ТЭУ для локального замораживания тканей гортани, содержащее основную и дополнительную ТЭБ, сопряженных посредством теплового мостика из высокотеплопроводного материала, удовлетворяющее ограничениям по площади сопряжения объекта воздействия и воздействующего элемент;
- разработана квазистационарная математическая модель ТЭУ для локального замораживания тканей гортани, содержащего основную и дополнительную ТЭБ, сопряженных посредством теплового мостика из высокотеплопроводного материала, учитывающая теплофизические параметры объекта воздействия, а также наличие фазового перехода при охлаждающем воздействии;
- доказана адекватность разработанных математических моделей путем проведения комплекса экспериментальных исследований, в результате которых расхождение полученных теоретических и экспериментальных данных не превысило 11%;
- разработаны медико-технические требования к ТЭУ для локального замораживания тканей гортани, позволившие произвести техническое воплощение его рабочего варианта. Получен Патент РФ;
- проведена клиническая апробация ТЭУ для локального замораживания тканей гортани в отделении оториноларингологии Муниципальной больницы №1 (г. Махачкала), в Муниципальной поликлинике № 4 (г. Махачкала), на кафедре болезней уха, горла, носа при Дагестанской государственной медицинской академии, которая показала их эффективность при решении задач повышения локализации и точной регулировки охлаждающего температурного воздействия для повышения результативности и удобства проведения лечебных мероприятий.
Совокупность результатов проведенных исследований позволяет использовать их в качестве научной основы в дальнейшем при разработке и создании новых ТЭУ для медицины.
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
- Патент № 2245695 РФ. Полупроводниковое термоэлектрическое устройство для локального замораживания тканей гортани / Исмаилов Т.А., Аминов Г.И., Рагимова Т.А. - № 2002135494/14; Заявл. 26.12.2002; Опубл. 10.02.2005, Бюл. № 4 - 6с.
- Исмаилов Т.А., Аминов Г.И., Юсуфов Ш.А., Рагимова Т.А. Полупроводниковое термоэлектрическое устройство для термомагнитомассажа // Решение о выдаче патента РФ №2005136268.
- Исмаилов Т.А., Аминов Г.И., Юсуфов Ш.А., Рагимова Т.А., Махмудова М.М. Полупроводниковое термоэлектрическое устройство для диагностики и лечения полостных органов // Решение о выдаче патента РФ №2005136267.
- Исмаилов Т.А., Аминов Г.И., Хазамова М.А., Рагимова Т.А. Термоэлектрическое полупроводниковое устройство для аурикулярного температурного массажа // Решение о выдаче патента РФ №2006103180.
- Исмаилов Т.А., Аминов Г.И., Рагимова Т.А Термоэлектрическое полупроводниковое устройство для локального замораживания тканей гортани//Тезисы докладов всероссийской научно-технической конференции «Биотехнические и медицинские аппараты и системы». – Махачкала, ИПЦ ДГТУ, 2003. - с. 94 -96.
- Исмаилов Т.А., Мейланов Р.П, Рагимова Т.А Математическая модель распространения тепловых потоков в медном цилиндре термоэлектрического устройства для локального замораживания тканей гортани // Известия Вузов. Приборостроение - 2004. - № 7.- с. 53-56.
- Исмаилов Т.А., Рагимова Т.А. К вопросу разработки термоэлектрической криогенной техники для гинекологии и терапевтической оториноларингологии // Медицинская криология. Вып.4. Труды Первой Приволжской Конференции по Медицинской Криологии. – Нижний Новгород, - 2003.- с. 94-101.
- Мейланов Р.П., Рагимова Т.А. Моделирование процесса распространения тепла в ограниченном цилиндре при условии несимметричной задачи. // Материалы II Всероссийской научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития термоэлектрического приборостроения». – Махачкала ИПЦ ДГТУ, 2003.- c.18-19.
- Применение полупроводниковых термоэлектрических устройств в ЛОР-практике / Исмаилов Т.А., Гаджиев Х.М., Гаджиева С.М., Рагимова Т.А // Материалы III республиканской научно-практической конференции «Новые технологии в медицине».-Махачкала, ДГМА, 2004. - с. 173-174.
- Рагимова Т.А Экспериментальный стенд полупроводникового термоэлектрического устройства для оториноларингологии // Материалы 10 научной сессии Международной Академии Информатизации. Дагестанское отделение. - Махачкала, ИПЦ ДГТУ, 2005. – с. 90-95.
- Рагимова Т.А. Применение термоэлектрических устройств для лечения Лор-заболеваний //Сборник тезисов докладов VI Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления».Таганрог: ТГРУ, 2002.- с.227-228.
- Рагимова Т.А. Разработка и модернизация устройств теплового воздействия на рефлексогенные зоны человеческого организма // Сборник тезисов докладов 56-й научно-практической конференции молодых ученых и студентов, посвященной 70-летию ДГМА.- Махачкала, ДГМА, 2002.- с.151-153.
- Рагимова Т.А. Прикладные вопросы термоэлектричества //Сборник тезисов докладов XXIV итоговой научно-технической конференции ДГТУ «Неделя науки-2003».-Махачкала, РИО ДГТУ, 2003.- с.29.
- Рагимова Т.А. Стенд для испытаний полупроводникового устройства для лечения полостных органов // Материалы II Всероссийской научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития термоэлектрического приборостроения». – Махачкала ИПЦ ДГТУ, 2003.- c.53.
- Рагимова Т.А. Термоэлектрическое полупроводниковое устройство для импульсного теплового воздействия // «Известия Вузов. Приборостроение», № 7, 2004 г. - с. 56.
- Исмаилов Т.А., Рагимова Т.А. Математическая модель распространения тепла вдоль стержня с тепловыми потоками на торцах и теплообменом по боковой поверхности // Материалы III Всероссийской научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития термоэлектрического приборостроения». – Махачкала ИПЦ ДГТУ, 2005. - c. 61-62.
- Моделирование переходных процессов устройства для локального замораживания тканей гортани // IV Международная научно-практическая конференция «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности». –СПб, 2007.
