CN106999233A - 加热系统 - Google Patents

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Abstract

一种加热系统(1)，其包括：电源供应模组(11)；调控模组，电连结于所述电源供应模组(11)，用于调控所述电源供应模组(11)；以及加热模组(13)，包括定位组件以及导电组件；其中所述加热模组(13)电连结于所述电源供应模组(11)与所述调控模组，且所述导电组件缠绕所述定位组件。

Description

加热系统 技术领域
本申请涉及一种加热系统，尤其是涉及一种运用内感应以及电阻加热原理的加热系统。
背景技术
“热”对于生物体而言，是很重要的免疫反应启动因子。由于生物组织与细胞本身具不耐热的特性，热治疗已被用于去除有害组织与细胞。
热治疗主要是利用热来烧灼组织与细胞，当组织与细胞受到高温时会变质而遭受破坏，以便达到利于去除的目的。射频烧灼治疗技术(Radio Frequency Ablation，RFA)和微波热疗技术(Microwave Ablation，MWA)是目前最广泛使用的热治疗技术；但此两种疗程的花费甚高，常造成患者使用上的负担。有鉴于此，应用各种加热原理的热疗仪器开始推陈出新，例如：利用外感应加热的热疗便是目前常见的热疗仪器，外感应热疗是使用大能量的外感应加热器在体外产生交变磁场，诱发放入生物体内的感磁性材料或经皮穿刺到组织的感磁针来生热，进而达到治疗目的。但外感应技术会衍生诸多问题，例如：磁力未能深入人体深处、针具制作与材料选用困难，以及临床操作会因高强度磁场而有安全疑虑等问题。除了外感应加热之外，过去亦有应用电阻加热的原理来设计热疗仪器，传统的电阻热疗是嵌入电阻导热基材于烧灼针内，根据电生热特性使针尖生热而达到治疗效果，但常因为导热基材的尺寸要求，衍生出烧灼针直径过大的问题。
鉴于常用的热疗系统仍存有许多需要改善之处；本申请申请人系经细心研究后，发展出本申请，期使热治疗的运用可更为普及，且更易于操作并达降低医疗成本的效果。
发明内容
一方面而言，本申请提供了一种加热系统，包括：电源供应模组；调控模组，电连结于所述电源供应模组，用于调控所述电源供应模组；以及加热模组，包括定位组件以及导电组件；其中所述加热模组电连结于所述电源供应模组与所述调控模组，且所述导电组件紧密缠绕所述定位组件；在所述加热系统作用时，所述导电组件因电阻加热效应而增温。
在一种实施方式中，所述加热模组还包括作用组件，设置于所述导电组件附近，且所述作用组件在所述加热系统作用时受所述导电组件之电磁感应作用而增温。
在一种实施方式中，所述作用组件环绕所述导电组件。
在一种实施方式中，所述定位组件为热电偶组件，所述导电组件为漆包线，所述作用组件为磁感应组件，所述漆包线与所述磁感应组件间有导热膏。
在一种实施方式中，所述漆包线为直径0.08-2.00mm的UEW+NY(尼龙外被聚胺酯)漆包线，所述磁感应组件为SUS 304不锈钢或SUS 316不锈钢，所述电源供应模组之使用电流为0.1-5A，电压介于1.5-40V。
在一种实施方式中，所述调控模组是频率调控模组和/或温度调控模组。
在一种实施方式中，所述调控模组是比例-积分-微分控制器模组。
就另一方面而言，本申请提供了一种加热系统，包括：电源供应模组；以及加热模组，包括导电组件以及磁感应组件；其中所述导电组件电连结于所述电源供应模组，且在所述加热系统作用时，所述磁感应组件受所述导电组件之电磁感应作用而增温，所述导电组件因电阻加热效应而增温。
在一种实施方式中，所述导电组件包括导电线圈与定位组件，所述导电线圈紧密缠绕所述定位组件。
在一种实施方式中，所述磁感应组件环绕所述导电线圈；且所述导电线圈为直径0.08-2.00mm的UEW+NY(尼龙外被聚胺酯)漆包线，所述磁感应组件为SUS 304不锈钢或SUS 316不锈钢，所述电源供应模组之使用电流为0.1-5A，电压介于1.5-40V。
大致而言，本申请提供一种加热系统，其包括加热模组、电源供应系统 以及监控系统等组件；其中，结合了内感应和电阻加热两种原理来设计加热模组，将导电线圈紧密绕于热电偶上形成感应线圈，再层套上具微感磁性的穿刺针。在运用时，将通以高频电流使导电线圈产生交变磁场，并诱发微磁感性穿刺针之内壁生热，再加上感应线圈本身根据阻抗自成电阻发热组件，藉由两种原理生产之热能达到加热目的。其中，更可包括透过调整电源供应系统所输出之频率使其接近及/或等于感应线圈的谐振频率，确保拥有较佳的加热速率。
本申请通过以下图式与实施方式说明而更易于让在本领域普通技术人员理解本申请的技术特征、目的和效果。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本申请作进一步说明，附图中：
图1为本申请加热系统的一实施例示意图。
图2为由半桥式串联谐振转换器所制作之电源供应器实施例示意图。
图3为本申请温度监控模组实施例之运作原理示意图。
图4为本申请实施例之频率自调的运作原理示意图。
图5为本申请实施例之加热模组示意图。
图6为本申请实施例之加热模组示意图。
图7为本申请实施例之加热模组截面示意图。
图8(A和B)为1.5cm加热线圈穿刺试验结果图。
图9为3cm加热线圈穿刺试验结果图。
其中，附图标记如下：
AC   电源
Cr   电容
Lr   等效电感
1    加热系统
11   电源供应模组
111  Oscillator芯片
112  TLP250光偶合器
113  IR 2111电路组件
114  TC4421芯片
115  TC4421芯片
116  IGBT驱动开关
117  IGBT驱动开关
118  ACS712电流量测芯片
12   温度监控与频率自调模组
121  微处理器(Arduino)(MCU)芯片开发板
122  TA7257P马达驱动芯片
123  Max6675热偶芯片
124  K型热电偶
13   加热模组
131  加热线圈
132  外针
133  热电偶
134  内套管
135  针头
136  卡榫
137  外套管
138  导热膏
2    半桥式串联谐振转换器
21   振荡器IC
22   开关驱动IC
23   整流
24   滤波
25   半桥式谐振转换器
31   微处理器(Arduino)
32   MAX6675热偶芯片
33   K型热电偶
34   TA7257P马达驱动芯片
41   微处理器(Arduino)
42   振荡器IC
43   驱动开关IC
44   ACS 712电流量测IC
具体实施方式
本申请将可透过以下的实施例说明而让本领域普通技术人员了解其技术特征、目的和效果，并可据以完成。然本申请的实施并非可由下列实施例而限制其实施型态。
请参阅图1，其为本申请加热系统的一实施例示意图。如图1所示，在本实施例中，加热系统1包括电源供应模组11，温度监控与频率自调模组12， 以及加热模组13，其中电源供应模组11，温度监控与频率自调模组12，以及加热模组13彼此电连结。在本实施例中，加热模组13为一烧灼针模組；电源供应模组11则更包括Oscillator芯片111、TLP250光偶合器112、IR 2111电路组件113、TC4421芯片114、TC 4421芯片115、绝缘闸双极电晶体(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)驱动开关116、IGBT驱动开关117、以及ACS712电流量测芯片118，温度监控与频率自调模组12更包括微处理器(Arduino)(MCU)芯片开发板121、TA7257P马达驱动芯片122、Max6675热偶芯片123、以及K型热电偶124。
在本申请的一实施例中，电源供应模组11是遵循感应加热原理开发而成，能调整供应电压3～40V以及频率20～100kHz之能量输出，而使用的转换器(未图示)是将直流电源切换成高频之交流电源并供应至负载，以便作为加热能量来源。
在一实施例中，使用半桥式串联谐振转换器(如图2所示)来制作所需之电源供应模组。在图2的实施例中，半桥式串联谐振转换器2在切换频率大于谐振频率时，功率开关具有零电压切换之条件；当切换频率小于谐振频率，则功率具有零电流切换之条件；当电路操作在轻载时，谐振槽之电流相对较小，开关之切换损失较小，因此可改善轻载之效率。在此实施例中，半桥式串联谐振转换器2包括：
电源AC：家用单相交流电压110V；
整流23与滤波24：提供整流与滤波功能，并且产生一稳定直流电压VDC，使用市售的电源供应器S-40-12Mean Well，其规格为输出电压12V，输出电流3.5A；
半桥式谐振转换器25：在此实施例中，选用IGBT型号GT60M303为其驱动开关，开关责任周期(Duty Cycle)各为50％，此设计拥有高效率及切换速度快的优点，适用于高频率操作；
振荡器IC 21：产生频率讯号单元，在本实施例中，利用一振荡器搭配微处理器(Arduino)提供一范围的频率以利频率改变；利用 MC74HC74AN、AD654JN、2904D以及IRF 7805等等电路组件组成一振荡器；
开关驱动IC 22：驱动开关之单元；利用TLP250光偶合器建立隔离电路，以利传递不同电压准位之驱动控制讯号。使用电路组件IR2111接收Oscillator单元所传送之频率讯号，并将讯号放大传送至TC4421放大电压以供两颗IGBT开关驱动所用，进而产生高频交流电到负载作动；
等效电感Lr；以及
电容Cr。
图3为本申请一温度监控模组实施例之运作原理示意图，如图3所示，在本实施例之温度控制模组中，使用K型热电偶33以及加热模组13作搭配，并使用微处理器(Arduino)31，型号为Mega 2560单芯片开发板设计比例-积分-微分控制器(PID控制器)进行温度控制，搭配采用Visual Studio软件撰写使用者人机界面，能输入所需最大之温度以及即时监控温度上升情形。在温度监控方面之周边电路采用MAX6675热偶芯片32和TA7257P马达驱动芯片34。MAX6675热偶芯片32的主要功能有二：将类比的温度讯号转为数字讯号以供微处理器(Arduino)单芯片读取；以及具有增益作用来放大讯号让读进的微小电压直(mV)可经由芯片增益值来读取并转换连算。使用TA7257P马达驱动芯片34，藉由微处理器(Arduino)31的PWM脚位(输出电压0～5V)，透过比例-积分-微分控制器(PID控制器)理论调整输出电压来达到温度监控，藉此方式进行温度回馈控制。
比例-积分-微分控制器(PID控制器)由于可靠度与稳定性高，已广泛地用于各式各样的控制系统上，是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件。本实施例根据Ziegler–Nichols method进行比例-积分-微分控制器(PID控制器)调整，利用适当的调整比例-积分-微分控制器(PID控制器)参数来使得其温度曲线能以较快速率，并使温度上升曲线符合要求，最后达到指定温度且能随时间稳定推演。实施例中的比例-积分-微分控制器(PID控制器)温度 控制的设定是藉由实际温度与设定温度两者的误差值。在操作时已先根据多次离体猪肝实验，先订出线圈长度与电压的参考配合数值，如下表1所示，其中，在一实施例中，加热线圈选用直径0.08mm的UEW+NY(尼龙外被聚胺酯)漆包线，实际使用时则仍需依照情况来加以调整，如运用在活体实验则需增加比离体猪肝实验来得大的电压以达到所需温度，或者离体猪肝温度不同也皆有影响。
在感应加热设计中，工作频率是很重要的考虑因素，攸关着感应加热系统的好坏。感应线圈中流过的电流越大，其产生的磁通量也就越大，因此提高感应线圈中的电流，可以使工件中产生的涡电流加大，从而增加发热效果，使工件升温更快。另外，涡电流的大小也与金属的截面大小、截面形状、导电率以及透入深度有关。当输出频率在匹配的状态下，涡电流大部份会密集集中在前端感应线圈处，远离感应线圈处较不会生热，但仍有主要是从被加热处经由热传导输送过来之些微能量，但不至于温度过高。由于感应线圈内电流对加热效果有关键性的影响力，而当输出频率靠近及/或等于谐振频率时，电路可等效视为一个纯电阻性电路，此时电源所提供的绝大部分能量都会传送到电阻上，电路中的电流因而达到最大值，故调整的感应线圈频率需越靠近谐振频率。
图4为本申请的一实施例之频率自调的运作原理示意图。如图4所示，在实施例中，利用微处理器(Arduino)41传送PWM讯号(0～5V)至振荡器IC 42，并利用两个可调电阻分别将0.1V设定为扫描频率区间最低值，而5V设定为频率最高值。之后振荡器IC 42会依据接收电压值依比例调整频率讯号，并传送至驱动开关IC43，接着驱动IGBT输出高频交流电至负载， 此时藉由ACS 712电流量测IC 44量测输入至负载的电流值，传回微处理器(Arduino)41后纪录当时输出此PWM电压值(对应一个频率值)收到的电流值，完成一个循环。之后藉由变动不同的PWM讯号值来调整输出频率，量测电流后并纪录，依此循环完成扫描20～100kHz区间之频率，接着撰写程序比较这些纪录的电流值大小，比较过后择出一具有最大电流时候的频率输入到负载，完成频率自调动作，使感应加热效率接近或达到优化。
而由感应加热理论得知，当电流在感应线圈内达到最大值时，此时输入频率靠近及/或等于谐振频率。此外，感应线圈会因线圈匝数、长度以及疏密等等不同造成电感值的变化，将影响所量测的电流值大小的特性，因此，在本实施例中，藉由扫描电流在频率区间内的变动来找寻具最大电流的频率。
请参阅图5，其为本申请一实施例之加热模组示意图。如图5所示，在本实施例中，加热模组13为一烧灼针模组，包括：热电偶133、外针132、以及加热线圈131。其中，利用绕线机以单芯绕线法来将加热线圈131绕于热电偶133前端部分形成一密集加热线圈段，之后再放入外针132之内完成一组烧灼针模组。在一实施例中，加热线圈131为直径0.08mm、耐热温度200℃的漆包线。在一实施例中，外针132选用医学上内脏穿刺专用的PTC穿刺针。除此之外，PTC穿刺针主要由不锈钢SUS 304或SUS 316材料制作，此两种材料在经过一系列如加热、穿孔以及抽制等等之加工工艺后，会变成具备微感磁性之材料，故符合本系统对外管针具的需求。在一实施例中，使用的18-gauge PTC穿刺针外径与内径分别为1.24mm以及0.96mm，长度150mm。需要注意的是，在用于烧灼时，必须封住PCT穿刺针的前端空心部分，以避免在操作上造成问题，如血液或组织跑进针具内部等。在一实施例中，热电偶133是使用K-type热电偶测温棒，其系使用不锈钢SUS 314或是SUS 316材料包覆内部金属线的部份，具有一定刚度可供线圈紧密缠绕于上面，加热线圈的规格为直径0.5mm，长度200mm，耐热温800℃。在一实施例中，加热线圈131选用直径0.08mm的UEW+NY(尼龙外被聚胺酯)漆包线，这种漆包线在高速卷绕或自动绕线时具有极佳之绕线性、能 提供生产密度高之线圈及绕组、在高频下具有良好品质系数、良好之密着性及卷绕性，以及可避免绕线时之损伤等等之优点，而其可承受之温度约200℃。而当输入电流不大时，漆包线电压可以承受至30-40V，因此在此规格下，电源供应器的规格约30W，使用电流不超过1.5A，电压不超过40V。在其他实施例中，漆包线为直径0.08-2.00mm的UEW+NY(尼龙外被聚胺酯)漆包线，该磁感应组件为SUS 304不锈钢或SUS 316不锈钢，该电源供应模组之使用电流为0.1-5A，电压介于1.5-40V。另外，若频率匹配时，只有加热线圈所在位置会被明显加热。
图6为本申请一实施例之加热模组示意图。如图6所示，加热模组13包括热电偶133、内套管134，加热线圈131、外套管137以及针头135；其中，热电偶133位于内套管134之内，加热线圈131紧密缠绕于内套管134之外，而外套管137则内包热电偶133、内套管134，加热线圈131。内套管134材质为SUS 304不锈钢，外径0.69mm，内径0.55mm。利用内套管134(长度210mm)与热电偶133(长度200mm)的相对配置，致使测温点会位于加热线圈最大的中间区块，以便量测到最精准的温度。在一实施例中，热电偶133位于内套管134之内，外套管137材质为SUS 304不锈钢，结合针头135，将针头135部分设计成圆锥形以利加工与穿刺，针头135中间有一类似卡榫136，主要是让内套管134在置入时可以有一种位置引导的功用并且固定。外套管137与针头135则利用雷射焊接来准确地结合，如图7所示。在一实施例中，外套管137与内套管134之间可以使用导热膏138来提高热传导的效率。
在本申请一实施例中，可由一电源供应系统(含比例-积分-微分控制器(PID控制器))搭配一组加热模组，并藉由一微处理器(Arduino)来控制多台电源供应系统。这样的方式，得以避免一组电源供应系统供应多根针，可能由于电压与电流分配问题，产生温度差异过大的问题；并且方便往后若需要更多加热模组时，只需增加电源供应系统，即可扩充至指定针数，避免电压与电流分配以及产生其他问题。
活体动物实验
在一实施例中，使用的18-gauge PTC穿刺针外径与内径分别为1.24mm以及0.96mm，长度150mm；K-type热电偶测温棒，其系使用不锈钢SUS 314或SUS 316材料包覆内部金属线的部份，具有一定刚度可供线圈紧密缠绕于上面，热电偶测温棒的规格为直径0.5mm，长度200mm，耐热温800℃。在一实施例中，加热线圈133选用直径0.08mm的UEW+NY(尼龙外被聚胺酯)漆包线。另外，若频率匹配时，只有加热线圈所在位置的PTC针前端会被加热，而远离加热线圈的针后端则不太热。
选用国立成功大学动物中心之新化畜产所生产之猪只，搭配动物中心医事人员进行手术操作。实验主要利用两种加热线圈长度(1.5和3cm)，分作两种实验，1.5cm针(两支)配合超音波影像仪从猪只体外插入，3cm针则先开刀后再直接插入猪肝，藉以观察肝脏烧灼的体积及形状。
经皮穿刺实验条件：
设定温度：120或110℃
线圈长度：1.5cm
加热时间：5,10min
输出电压：18V
频率：34kHz(匹配频率)
先将猪只肚子剖开再将针具直接插入肝脏内，实验条件如下：
设定温度：120℃
线圈长度：3cm
加热时间：10min
输出电压：22V
频率：30kHz(匹配频率)
图8(A和B)为1.5cm加热线圈穿刺试验结果图；图9为3cm加热线圈穿刺试验结果图。由图8与图9实验结果显示，本申请所发展出来的针具结 构强度够，可以经皮穿刺猪只皮肤，且能在短时间内约30秒即提高到止血温度。而在活体猪只的肝脏内搭配适当输出电压，能有效地升温至设定温度，并且有明显的烧灼范围。
在前述实施例中，本申请提出了一种新的加热系统，其整合发展出包括加热模组、电源供应系统以及监控系统等组件，并以实作证明所提之设计可行性高。而在实施例中，乃透过结合内感应和电阻加热两种原理来设计加热模组，将导线紧密绕于热电偶上形成感应线圈，外层套上具微感磁性的穿刺针。并透过对感应线圈通以高频电流产生交变磁场，诱发外层的磁感性穿刺针之内壁生热，加上感应线圈段根据阻抗自成一电阻发热组件，藉由两种原理生产之热能达到特定区域加热之目的。另外，再搭配温度与频率控制，再辅以计算机人机界面来设定所需温度以及监控温度上升情形。在一实施例中，若一加热模组的最适发热之所需电源供应频率为已知时，则可透过直接操作电源供应模组的作动而将温度与频率调控模组省去。而在另一实施例中，若加热线圈与其所紧密缠绕的套管之发热特性为已知时，则热电偶可改为其他定位组件。再者，虽然本申请实施例是以活体动物实验作为验证，但本申请的运用范围并不限医疗用途，凡同时利用电阻组加热与内感应加热的各项运用不脱本申请所欲保护之范围。
经由前述实施例的说明以及实验结果，充分说明本申请已成功地结合内感应与电阻加热的方式来开创新的加热系统，并且跟同领域单独使用内感应或电阻的加热系统显著不同。搭配微处理器(Arduino)的程序撰写来控制各项条件，能达到预期效果。大体而言，本申请实施例已具有以下几点的具体成果：
1.成功开发并证明内感应结合电阻式加热达成发热效果。
2.所开发出来的针具可以小于或等于18-gauge。
3.所发展的热疗针具可使用SUS 304或SUS 316不锈钢，与现今医疗系统所使用的材料相同。
4.已证明所发展的系统可加热活体组织。
5.频率自调技术为适应性控制的一环，可应用于大功率的感应加热或储能充电系统。
6.成功开发出多针烧灼，加大烧灼断面积。
上面结合附图对本申请的实施方式进行了描述，但是本申请并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本申请的启示下，在不脱离本申请宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本申请的保护之内。

Claims (10)

  1. 一种加热系统，其特征在于，所述加热系统包括：
    电源供应模组；
    调控模组，电连结于所述电源供应模组，用于调控所述电源供应模组；以及
    加热模组，包括定位组件以及导电组件；其中所述加热模组电连结于所述电源供应模组与所述调控模组，且所述导电组件紧密缠绕所述定位组件，在所述加热系统作用时，所述导电组件因电阻加热效应而增温。
  2. 如权利要求1所述的加热系统，其特征在于，所述加热模组还包括作用组件，设置于所述导电组件附近，且所述作用组件在所述加热系统作用时受所述导电组件之电磁感应作用而增温。
  3. 如权利要求2所述的加热系统，其特征在于，所述作用组件环绕所述导电组件。
  4. 如权利要求3所述的加热系统，其特征在于，所述定位组件为热电偶组件，所述导电组件为漆包线，所述作用组件为磁感应组件，且所述磁感应组件与所述漆包线间具有导热膏。
  5. 如权利要求4所述的加热系统，其特征在于，所述漆包线为直径0.08-2.00mm的UEW+NY漆包线，所述磁感应组件为SUS 304不锈钢或SUS 316不锈钢，所述电源供应模组之使用电流为0.1-5A，电压介于1.5-40V。
  6. 如权利要求1所述的加热系统，其特征在于，所述调控模组是频率调控模组和/或温度调控模组。
  7. 如权利要求1所述的加热系统，其特征在于，所述调控模组是比例-积分-微 分控制器模组。
  8. 一种加热系统，其特征在于，所述加热系统包括：
    电源供应模组；以及
    加热模组，包括导电组件以及磁感应组件；所述导电组件电连结于所述电源供应模组，且在所述加热系统作用时，所述磁感应组件受所述导电组件之电磁感应作用而增温，所述导电组件因电阻加热效应而增温。
  9. 如权利要求8所述的加热系统，其特征在于，所述导电组件包括导电线圈与定位组件，且所述导电线圈紧密缠绕所述定位组件。
  10. 如权利要求9所述的加热系统，其特征在于，所述导电线圈为直径0.08-2.00mm的UEW+NY漆包线，所述磁感应组件为SUS 304不锈钢或SUS316不锈钢，所述电源供应模组之使用电流为0.1-5A，电压介于1.5-40V。
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