CN109431594B - 一种pid控制的自增压冷冻消融系统 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种PID控制的自增压冷冻消融系统，包括冷冻消融设备和冷冻消融导管，冷冻消融设备包括控制单元、真空单元和输送单元，输送单元包括顺次连接的气源制造装置、气路控制装置、低温转换装置和设备连接件，设备连接件的出气端和真空单元分别与冷冻消融导管连通，低温转换装置包括杜瓦瓶和换热器，气源制造装置被设置在杜瓦瓶内，气源制造装置的出气端与气路控制装置的进气端连通，气源制造装置包括冷却剂存储罐、与冷却剂存储罐连通的泄压阀、与冷却剂存储罐连通的冷却剂补充接头和被设置在冷却剂存储罐内的加热装置，控制单元包括PID控制器，加热装置和PID控制器电连接；无需外接体大笨重的加压气罐，有助于节省冷冻消融设备的空间。
Description
技术领域
本发明涉及冷冻消融领域，具体涉及一种PID控制的自增压冷冻消融系统。
背景技术
冷冻手术治疗是利用极低温度和所设计的复杂系统适当地冷冻待治疗的目标生物组织。很多这类系统使用的工作流体是从外部高压气罐通过长的柔性的输送管连接到冷冻消融导管，这些气罐通常有较大的内部容积来存放足够多的工作流体，以保证一个典型的冷冻手术过程。气罐通常由壁厚很厚的钢制成，这样能达到耐高压要求，但同时也使得气罐非常笨重，由于需要较大的尺寸及较高的压力，加压气罐一般被放置在冷冻消融单元的外面，使得系统的安装和操作较为复杂。
申请号为CN201710027828.X的中国专利公开了一种冷冻消融治疗系统，包括：杜瓦瓶部件、压力容器部件、热交换部件和冷冻单元，所述杜瓦瓶部件接收来自于外部的液态制冷剂；所述压力容器部件被设置在杜瓦瓶部件的内部，接收来自于杜瓦瓶部件的液态制冷剂，在压力容器中，液态制冷剂通过液气转化膨胀原理被转变为具有更高压力和温度的工作流体，并被输送至工作流体管路；所述热交换部件被设置在杜瓦瓶部件的内部，通过工作流体管路与所述压力容器部件连接，所述热交换部件接收来自所述压力容器部件的工作流体并将其转变为工作制冷剂，并将所述工作制冷剂输送至工作制冷剂管路；所述冷冻单元和所述热交换部件连接，用于接收所述工作制冷剂，其远端部分为工作制冷剂的冷源释放区域。该专利中的制冷剂是来自于外接气罐，该外接气罐的安置需要较大的空间，增加了冷冻消融系统的安装操作难度。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，提供一种气源内置、节约空间且压力控制精确的PID控制的自增压冷冻消融系统。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种PID控制的自增压冷冻消融系统，包括冷冻消融设备和冷冻消融导管，所述冷冻消融设备包括控制单元、真空单元和输送单元，所述输送单元包括顺次连接的气源制造装置、气路控制装置、低温转换装置和设备连接件，所述设备连接件的出气端和所述真空单元分别与所述冷冻消融导管连通，所述低温转换装置包括杜瓦瓶和换热器，所述气源制造装置被设置在所述杜瓦瓶内，所述气源制造装置的出气端与所述气路控制装置的进气端连通，所述气源制造装置包括冷却剂存储罐、与所述冷却剂存储罐连通的泄压阀、与所述冷却剂存储罐连通的冷却剂补充接头、被设置在所述冷却剂存储罐内的加热装置，所述控制单元包括PID控制器，所述真空单元和所述气路控制装置分别与所述控制单元电连接，所述加热装置与所述PID控制器电连接。
本发明目的还可以通过以下技术方案来进一步实现：
优选的，所述冷却剂存储罐为真空绝热存储罐。
优选的，所述气源制造装置包括液位测量装置，所述液位测量装置与所述控制单元电连接，所述液位测量装置被设置在所述冷却剂存储罐内部，所述液位测量装置是用来检测所述冷却剂存储罐内冷却剂的液位。
优选的，所述气源制造装置包括压力传感器，所述压力传感器与所述冷却剂存储罐连通，所述控制单元还包括工控机组件和与所述工控机组件电连接的显示器，所述PID控制器与所述工控机组件电连接，所述压力传感器与所述PID控制器电连接，当所述冷却剂存储罐内压力不在适用范围内时，通过所述PID控制器控制所述加热装置的工作频率，使得所述冷却剂存储罐内的压力达到适用范围。
优选的，所述气源制造装置包括消音器，所述泄压阀与所述消音器连通，当所述冷却剂存储罐内部压力超过限定压力时，所述泄压阀开启，气体通过所述泄压阀排除，并通过所述消音器减少噪音。
优选的，所述气源制造装置包括冷却剂补充接头和排气阀，所述冷却剂补充接头和所述排气阀与所述控制单元电连接，所述冷却剂补充接头和所述排气阀为互锁结构。优选的，所述气路控制装置包括冷冻电磁阀和复温电磁阀，所述冷冻电磁阀与所述换热器的进气端连通，所述换热器出气端和所述复温电磁阀分别与所述设备连接件的进口连通。
优选的，所述冷却剂存储罐内的气态冷却剂是氮气，所述冷却剂存储罐内的液态冷却剂是液氮。
优选的，所述冷却剂存储罐为密封装置。
与现有技术相比，本发明的有益效果主要体现在：
本发明的PID控制的自增压冷冻消融系统去掉了外部气罐，开发了一种带单一杜瓦瓶的冷冻消融设备，并且冷却剂存储罐内产出的是高压非低温气体，可控性高，通过对高压非低温气体的调节实现高压低温流体的可控输出，避免了直接对深低温流体增压及调节困难。该冷冻消融设备从低压存储罐里接收气体制冷剂并自动地把它转化成所需的消融流体，再将所述消融流体输送到导管的消融组件。本发明通过在杜瓦瓶内设置气源制造装置，无需外接笨重、体积大的加压气罐来提供气源，有助于节省冷冻消融设备的空间；所述气源制造装置包括冷却剂存储罐，冷却剂存储罐内有加热装置，通过加热装置气化液态冷却剂使得冷却剂存储罐增压，通过泄压阀限制压力，确保安全性，通过压力传感器实时监测冷却剂存储罐内的压力变化并反馈到PID控制器，PID控制器内设定了目标压力值，与实际压力值进行比较，得出差值，将差值乘以一个比例系数再除以目标压力值后，即为加热装置工作的占空比。再通过计算差值和时间的曲线的斜率，并加入一个修正值，增加其阻力系数，使得斜率最终为0，从而进行精确的PID控制，使得设备输出的冷冻消融高压低温流体的压力精确可控，避免压力明显波动，可以大幅度提高系统安全性及操作方便性，同时提高冷量利用效率。
附图说明
图1为本发明的自增压冷冻消融系统的结构示意图；
图2为图1中输送单元及气路控制装置的局部放大图；
图3为图2中气源制造装置的局部放大示意图；
图4为图2中换热器的一种结构示意图；
图5为图2中换热器的另一种结构示意图；
图6为图2中换热器的又一种结构示意图；
其中：1是冷冻消融设备，2是冷冻消融导管，11是外壳，12是控制单元，13是真空单元，14是输送单元，121是工控机组件，122是显示器，123是PID控制器，141是气源制造装置，142是气路控制装置，143是低温转换装置，144是设备连接件，1411是冷却剂存储罐，1412是冷却剂补充接头，1413是泄压阀，1414是加热装置，1415是液位测量装置，1416是压力传感器，1417是消音器，1418是排气阀，1422是冷冻电磁阀，1423是复温电磁阀，1431是杜瓦瓶，1432是换热器，A是电连通接口，B是冷却剂灌注进口，C是冷却剂溢出口，D是设备连接件进口，E是冷却剂进口。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一：
如图1、2和3所示，本发明的PID控制的自增压冷冻消融系统，包括冷冻消融设备1和冷冻消融导管2，所述冷冻消融设备1包括外壳11，控制单元12、真空单元13和输送单元14。所述输送单元14包括顺次连接的气源制造装置141、气路控制装置142、低温转换装置143和设备连接件144，所述设备连接件144的出气端和所述真空单元13分别与所述冷冻消融导管2流体连通，所述低温转换装置143包括杜瓦瓶1431和换热器1432，所述气源制造装置141被设置在所述杜瓦瓶1431内，所述气源制造装置141的出气端与所述气路控制装置142的进气端流体连通，所述气源制造装置141包括冷却剂存储罐1411、与所述冷却剂存储罐1411流体连通的泄压阀1413、与所述冷却剂存储罐1411连通的冷却剂补充接头1412和被设置在所述冷却剂存储罐1411内的加热装置1414，所述控制单元12的包括PID控制器123，所述真空单元13和所述气路控制装置142分别与所述控制单元12电连接，所述加热装置1414和所述PID控制器123电连接。
所述控制单元12还包括工控机组件121和与所述工控机组件121电连接的显示器122，所述PID控制器123与所述工控机组件121电连接。所述泄压阀1413是电磁阀，所述电磁阀与所述工控机组件121电连接。所述气路控制装置142还包括冷冻电磁阀1422和复温电磁阀1423，所述冷冻电磁阀1422与所述换热器1432的进气端连通，所述换热器1432出气端和所述复温电磁阀1423分别与所述设备连接件144的进口D连通，所述工控机组件121、所述PID控制器123、所述真空单元13和所述输送单元14均被设置在所述外壳11内。所述冷却剂存储罐1411为真空绝热存储罐，所述冷却剂存储罐1411内的气态冷却剂是氮气，所述冷却剂存储罐1411内的液态冷却剂是液氮。所述气源制造装置141还包括液位测量装置1415，所述液位测量装置1415和所述加热装置1414被设置在所述冷却剂存储罐1411中，上述加热装置1414可以选择电加热丝或电磁圈等其它等同的部件。在杜瓦瓶1431内设置气源制造装置141，无需外接笨重体积大的加压气罐来提供气源，这种气源内置的结构有助于节省冷冻消融设备的空间，便于手术操作；通过泄压阀1413限制压力上限，确保安全性，通过压力传感器1416实时监测冷却剂存储罐1411内的压力变化并反馈到PID控制器123，PID控制器123内设定了目标压力值，与实际压力值进行比较，得出差值，将差值乘以一个比例系数再除以目标压力值后，即为加热装置1414工作的占空比。再通过计算差值和时间的曲线的斜率，并加入一个修正值，增加其阻力系数，使得斜率最终为0，从而进行精确的PID控制，使得气源压力可控，有助于节约冷冻能量。在一个实施方式中，冷冻消融系统中的冷却剂存储罐1411为密封装置，并且能承受较高压力，通过改变冷却剂存储罐1411内的压力来改变冷却剂的液化点温度，进而改变冷冻消融导管2远端的消融单元的温度，以满足不同的病灶组织对于冷冻消融温度的需要。
本发明的气源制造装置141包括所述冷却剂存储罐1411，分别与冷却剂存储罐1411连接的冷却剂补充接头1412、泄压阀1413、压力传感器1416、消音器1417和排气阀1418，被设置在冷却剂存储罐1411内的加热装置1414和液位测量装置1415，所述冷却剂补充接头1412、所述压力传感器1416、所述排气阀1418与工控机组件121电连接，所述加热装置1414和所述液位测量装置1415与PID控制器123电连接，所述冷却剂补充接头1412和所述排气阀1418为互锁结构。所述液位测量装置1415被设置在所述冷却剂存储罐1411内部，在一个实施方式中，所述液位测量装置1415为温度计，其通过冷却剂液面上下的温度差来检测所述冷却剂存储罐1411内的冷却剂的液位，当所述温度计显示温度为-190℃以下时，说明冷却剂液位高于所述温度计位置，不需要添加冷却剂，当所述温度计显示温度为-190℃以上时，说明冷却剂液位低于所述温度计位置，所述冷却剂存储罐1411需要添加冷却剂，所述工控机组件121控制所述冷却剂补充接头1412和所述排气阀1418同时打开，所述冷却剂补充接头1412连通冷却剂储存罐1411，所述排气阀1418连通大气，由于所述冷却剂补充接头1412处的压力高于所述排气阀1418处的压力，冷却剂通过所述冷却剂补充接头1412从冷却剂进口E进入冷却剂存储罐1411内，并且气化的冷却剂从所述排气阀1418排向大气，当液态冷却剂从所述排气阀1418中排出时，说明所述杜瓦瓶内冷却剂已满。操控所述工控机组件121，同时关闭所述冷却剂补充接头1412和所述排气阀1418，添加冷却剂完成。本申请的PID控制的自增压冷冻消融系统在使用时，先将冷冻消融导管2通过设备连接件144与冷冻消融设备1连接，再操作显示器122界面，开启真空单元13，由于显示器122与工控机组件121电连接，又由于工控机组件121与真空单元13电连接，真空单元13启动，真空单元13抽真空，医生把冷冻消融导管2远端的消融单元送到病人病灶部位，设定冷冻治疗所需的压力，由于压力传感器1416被设置在冷却剂存储罐1411上，在当前冷却剂存储罐1411内的压力低于设定压力时，操作显示器122界面开启加热装置1414，由于显示器122与工控机组件121电连接，工控机组件121与PID控制器123电连接，而加热装置1414与PID控制器电连接，进而PID控制器123开启，通过通过压力传感器1416实时监测冷却剂存储罐1411内的压力变化并反馈到PID控制器123，PID控制器123内设定了目标压力值，与实际压力值进行比较，得出差值，将差值乘以一个比例系数再除以目标压力值后，即为加热装置1414工作的占空比。再通过计算差值和时间的曲线的斜率，并加入一个修正值，增加其阻力系数，使得斜率最终为0，从而进行精确的PID控制，使得压力维持在所需的压力值范围内。
在当前冷却剂存储罐1411内的压力高压设定压力时，由于泄压阀1413与冷却剂存储罐1411流体连通，启动泄压阀1413释放冷却剂存储罐1411内压力并通过压力传感器1416来检测压力，当压力传感器1416检测到冷却剂存储罐1411中的压力与所需的压力相同时，关闭泄压阀1413。
操作显示器122界面，开启真空单元13抽真空，由于真空单元13与冷冻消融导管2通过设备连接件144连接，实现冷冻消融导管2抽真空，当真空度达到要求时，开启冷冻循环，由于显示器122与工控机组件121电连接，又由于工控机组件121与气路控制装置142电连接，因而可通过操作显示器122界面控制冷冻电磁阀1422打开，气态冷却剂从气路控制装置142出气端进入换热器1432进气端，气态冷却剂进入被浸泡在液态冷却剂的换热器1432内，在换热器1432内实现能量交换，气态冷却剂变为液态冷却剂，由于换热器1432的出气端与设备连接件144的进气端流体连通，液态冷却剂通过换热器1432经设备连接件144流入冷冻消融导管2，液态冷却剂在冷冻消融导管2远端的消融单元释放能量，冷冻消融病灶。
当冷冻消融完成后，医生操作显示器122界面，关闭冷冻循环，冷冻电磁阀1422关闭，然后医生操作显示器122界面，开启复温循环，复温电磁阀1423开启，由于复温出气端与设备连接件144流体连通，气态冷却剂从复温气体出口进入设备连接件144，设备连接件144与冷冻消融导管2流体连通，气态冷却剂通过设备连接件144进入冷冻消融导管2，复温病灶组织，当复温循环结束后，医生操作显示器122界面，关闭复温，撤出冷冻消融导管2，结束手术。
实施例二：
如图4、5和6所示，本实施例以实施例一为基础，与实施例一的区别仅在于：所述换热器1432的结构不同。如图4所示，换热器1432为螺旋管式结构，增加气态冷却剂在杜瓦瓶1431内与冷却剂能量交换的换热面积，并且螺旋管式结构能有效的减小冷却剂在换热器1432内的流动阻力；如图5所示，换热器1432为横排蛇形管式结构，增加气态冷却剂在杜瓦瓶1431内与液态冷却剂能量交换的换热面积，并且可以尽可能减少换热器在杜瓦瓶1431内空间消耗，提高系统紧凑度；如图6所示，换热器1432为纵排蛇形管式结构，增加气态冷却剂在杜瓦瓶1431内与液态冷却剂能量交换的换热面积，提高换热效率，并且可以尽可能减少换热器1432在杜瓦瓶1431内空间消耗。
以上所述仅为本发明的较佳的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种PID控制的自增压冷冻消融系统，其特征在于：包括冷冻消融设备(1)和冷冻消融导管(2)，所述冷冻消融设备(1)包括控制单元(12)、真空单元(13)和输送单元(14)，所述输送单元(14)包括顺次连接的气源制造装置(141)、气路控制装置(142)、低温转换装置(143)和设备连接件(144)，所述设备连接件(144)的出气端和所述真空单元(13)分别与所述冷冻消融导管(2)连通，所述低温转换装置(143)包括杜瓦瓶(1431)和换热器(1432)，所述气源制造装置(141)被设置在所述杜瓦瓶(1431)内，所述气源制造装置(141)的出气端与所述气路控制装置(142)的进气端连通，所述气源制造装置(141)包括冷却剂存储罐(1411)、与所述冷却剂存储罐(1411)连通的泄压阀(1413)、与所述冷却剂存储罐(1411)连通的冷却剂补充接头(1412)和被设置在所述冷却剂存储罐(1411)内的加热装置(1414)，所述控制单元(12)包括PID控制器(123)，所述真空单元(13)和所述气路控制装置(142)分别与所述控制单元(12)电连接，所述加热装置(1414)和所述PID控制器(123)电连接。
2.根据权利要求1所述的PID控制的自增压冷冻消融系统，其特征在于：所述冷却剂存储罐(1411)为真空绝热存储罐。
3.根据权利要求1所述的PID控制的自增压冷冻消融系统，其特征在于：所述气源制造装置(141)包括液位测量装置(1415)，所述液位测量装置(1415)与所述控制单元(12)电连接，所述液位测量装置(1415)被设置在所述冷却剂存储罐(1411)内部。
4.根据权利要求3所述的PID控制的自增压冷冻消融系统，其特征在于：所述气源制造装置(141)包括压力传感器(1416)，所述压力传感器(1416)与所述冷却剂存储罐(1411)连通，所述控制单元(12)还包括工控机组件(121)和与所述工控机组件(121)电连接的显示器(122)，所述PID控制器(123)与所述工控机组件(121)电连接，所述压力传感器(1416)与所述PID控制器(123)电连接，当所述冷却剂存储罐(1411)内压力不在适用范围内时，通过所述PID控制器(123)控制所述加热装置(1414)的工作频率，使得所述冷却剂存储罐(1411)内的压力达到适用范围。
5.根据权利要求3所述的PID控制的自增压冷冻消融系统，其特征在于：所述气源制造装置(141)包括消音器(1417)，所述泄压阀(1413)与所述消音器(1417)连通，当所述冷却剂存储罐(1411)内部压力超过限定压力时，所述泄压阀(1413)开启，气体通过所述泄压阀(1413)排除，并通过所述消音器(1417)减少噪音。
6.根据权利要求3所述的PID控制的自增压冷冻消融系统，其特征在于：所述气源制造装置(141)包括冷却剂补充接头(1412)和排气阀(1418)，所述冷却剂补充接头(1412)和所述排气阀(1418)与所述控制单元(12)电连接，所述冷却剂补充接头(1412)和所述排气阀(1418)为互锁结构。
7.根据权利要求1所述的自增压冷冻消融系统，其特征在于：所述气路控制装置(142)包括冷冻电磁阀(1422)和复温电磁阀(1423)，所述冷冻电磁阀(1422)与所述换热器(1432)的进气端连通，所述换热器(1432)出气端和所述复温电磁阀(1423)分别与所述设备连接件(144)的进口连通。
8.根据权利要求1所述的PID控制的自增压冷冻消融系统，其特征在于：所述冷却剂存储罐(1411)为密封装置。
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