CN112923599B - 一种可调式保温及降温装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可调式保温及降温装置，包括主控板，用于对循环机构进行协调控制，接收传感器组件的反馈信号；循环机构，包括水箱、水泵、压缩机组、半导体机组和与主控板进行信息交互的功率驱动板，所述水泵、压缩机组和半导体机组由功率驱动板驱动；控温毯，直接与患者接触，并与循环机构管道连接进行热交换；所述压缩机组包括与水箱连接的变频压缩机和液冷管，所述液冷管的输出端连接至控温毯，所述半导体机组包括半导体制冷器和热管散热机，所述热管散热机连接至控温毯。本发明提供的保温及降温装置，由半导体作为主要功率输出器件，并通过小功率直流变频压缩机辅助制冷同时对半导体热端进行水冷散热，使能源转换实现最优化。
Description
技术领域
本发明属于医疗器械技术领域，具体涉及一种可调式保温及降温装置。
背景技术
在医疗手术和患者康复治疗过程中，患者的体温特征将直接影响医生的治疗效果甚至其自身生命安全。由于患者体温调节机能的下降，单靠其自身难以维持机体正常新陈代谢的温度环境，需依靠外界辅助设备根据具体治疗方案对其局部或者全身进行降温或者升温治疗。临床医学上将低温划分为：轻度低温（33℃-35℃）、中度低温（28℃-32℃）、深度低温（17℃-27℃）和超深低温（16℃以下），其中28℃-35℃的中轻度低温又被定义为亚低温。亚低温治疗是近30年来有关人体低温治疗的临床医学研究中被探讨最多的学术课题，亚低温治疗在重型颅脑损伤、新生儿缺血缺氧性脑病、神经外科、高热惊厥等疾病的治疗中有很好的治疗效果。物理升温治疗主要用于患者手术时的温度保护或者术后康复治疗中，防止患者因体温过低而导致心率异常、呼吸困难、代谢紊乱等术后并发症。
现有技术中控温毯主要采用压缩机制冷/制热的方式对毯内循环流动的热质进行温度控制，压缩机制冷制热模式切换时，缓冲时间过长，而使用控温毯的病人是生命体征极弱，任何过大的温度刺激均会造成烫伤或冻伤。
发明内容
本发明的目的是为了解决背景技术中所提出的问题，而提供一种可调式保温及降温装置，由半导体作为主要功率输出器件，并通过小功率直流变频压缩机辅助制冷同时对半导体热端进行水冷散热，使能源转换实现最优化。
本发明的目的是这样实现的：
一种可调式保温及降温装置，包括主控板、循环机构和控温毯，其中，
主控板，用于对循环机构进行协调控制，接收传感器组件的反馈信号；
循环机构，包括水箱、水泵、压缩机组、半导体机组和与主控板进行信息交互的功率驱动板，所述水泵、压缩机组和半导体机组由功率驱动板驱动；
控温毯，直接与患者接触，并与循环机构管道连接进行热交换；
所述压缩机组包括与水箱连接的变频压缩机和通过电控阀A连接变频压缩机一端的液冷管，所述液冷管的输出端通过电控阀B连接至控温毯，所述半导体机组包括半导体制冷器和热管散热机，所述半导体制冷器的热端连接至热管散热机，所述热管散热机的输出端通过电控阀B连接至控温毯，所述变频压缩机的另一端通过电控阀B连接至控温毯。
优选的，所述电控阀A用于控制液冷管内的水路的通断，所述电控阀A的开启和关闭由主控板根据半导体制冷器的热端的温差驱动功率驱动板进行调控，所述电控阀B用于控制压缩机组和半导体机组之间水路的分离和融合。
优选的，所述传感器组件包括用于监测患者体温的体温传感器、用于监测控温毯温度的水温传感器、用于监测水箱内水位信号的液位传感器和用于监测半导体制冷器热端温度信号的热端温度传感器，所述体温传感器、水温传感器、液位传感器和热端温度传感器均信号连接至主控板。
优选的，所述水箱内设有恒温机构，所述恒温机构包括设于水箱内的热敏电阻，所述热敏电阻的阻值转换为电压值后经A/D转换器转换成数字信号输入到主控板的微处理器，所述微处理器通过PWM信号输出到H全桥驱动芯片以驱动半导体制冷器进行相应的操作。
优选的，所述压缩机组还包括连接变频压缩机输出端的冷凝器和依次连接冷凝器的节流毛细管和蒸发器，所述蒸发器的输出端连接至变频压缩机的输入端。
优选的，所述半导体制冷器包括采用绝缘陶瓷片制成的冷端和热端，所述冷端和热端之间设有半导体，所述半导体的两端分别通过金属导体连接至冷端和热端。
优选的，所述主控板和功率驱动板隔离设置，所述主控板和功率驱动板之间通过带屏蔽的信号线进行信号传输，防止功率驱动板对主控信号的干扰。
优选的，所述功率驱动板包括半导体驱动模块和变频控制器，所述半导体驱动模块包括MOS管阵列电路、MOS管开关电路、H桥接电路和继电器保护模块，所述MOS管阵列电路用于调控加载到半导体两端的电压的大小，所述H桥接电路用于改变半导体两端加载电压的方向，所述继电器保护模块用于保护半导体机组，所述MOS管开关电路用于控制水泵、电控阀的启动和停止。
优选的，所述主控板采用模糊PID复合单元控制，所述模糊PID复合单元包括模糊控制器和PID控制器，所述模糊控制器和PID控制器与控温毯之间设有一个切换开关，通过判断偏差e设定阈值ε的大小来选择控制方式，当e≥ε时，判断循环机构处于动态运行过程，选择模糊控制方式，当e≤ε时，判断循环机构处于稳定运行过程，选择PID控制方式。
优选的，所述热敏电阻的电阻RT与温度T之间满足：
RT=R0×e[k×e(1/T-1/T0)]，其中R0为热敏电阻在额定温度T0时的电阻值（Ω），k为热敏电阻的材料常数，且有T=273.15+T0。
优选的，所述热敏电阻的测量电路采用分压式电路，将热敏电阻的变化转化为电压变化，则有输出电压V与热敏电阻的电阻RT之间满足：
V=V0×[Rm/(Rm+RT)]，其中V0为恒压源的电压值（V）。
优选的，所述体温传感器、水温传感器和热端温度传感器均采用DS18B20数字温度传感器，所述的设于患者身体上的体温传感器采用4×1温度传感器阵列，所述体温传感器将采集到的数据通过路由节点传送到协调器，所述协调器接收到数据后对数据进行校正，通过串口通信协议将数据传送到主控板，所述协调器利用阵列结构数据结合拟合算法对35-42℃的体温数据进行拟合处理。
优选的，为保证体温采集数据的准确性和可靠性，通过支持向量机分类滤波算法对采集的数据进行滤波，包括如下步骤：
S1、将原始数据制作成训练集和测试集两个分类模型，利用测试集进行滤波模型的训练，利用测试集和训练集方向验证模型的误差；
S2、通过调节模型训练参数选择训练误差和测试误差最小的分类模型；
S3、将实际采集数据送入分类模型，根据模型输出结果 1/-1 确定此时输入数据是正常数据/干扰信号。
优选的，所述的利用测试集进行滤波模型的训练的方法如下：
a、数据样本制作：收集大量的包括干扰信号在内的温度范围为25-42℃的历史温度测量数据，对历史温度测量数据清洗，裁剪为四维特征向量，将n个连续的含有干扰的温度数据裁剪为m个样本；
b、样本标注标签：对经过处理的样本标注标签，分析每一个样本，找出含有干扰信号的样本并标注标签为0，找出测量正常的样本并标注标签为1；
c、数据集样本扩展：分析干扰信号的特征，将样本分为若干个由四个数据组成的小组，每组的前三个数据为历史数据中连续测量的正常数据，第四个数据根据分析得出的干扰信号特征，采用随机函数生产温度变化范围为25-42℃的多个含有随机干扰信号的小类，并给每一个小类打上标签0；
d、模型训练：将样本按照9:1划分为训练集和测试集，利用训练函数进行模型训练。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明提供的一种可调式保温及降温装置，由半导体作为主要功率输出器件，并通过小功率直流变频压缩机辅助制冷同时对半导体热端进行水冷散热，当半导体大功率输出时，普通热管散热无法及时散去半导体热端温度形成有效温差，选用小功率直流变频压缩机辅助半导体制冷的同时，通过液冷管将控温毯水箱中的一部分循环冷却液用于半导体热端散热，并使用电控阀对循环冷却液的导通进行合理布置，使整机的能源转换实现最优化。
2、本发明提供的一种可调式保温及降温装置，将热端温度传感器布置于半导体热端散热口处，通过采集半导体热端温度信号来控制混合驱动模式的开启，半导体热端温度为55℃时开启，压缩机转速调控用于循环散热和辅助制冷时的转速调控，半导体热端温度超过80℃时将进行紧急停止，防止因温度过高导致的半导体器件的损坏。
3、本发明提供的一种可调式保温及降温装置，对患者体温的测量精度直接影响到主控板对控温毯的调温控制，采用基于温度传感器阵列进行多点测量和数据拟合算法进行精度补偿从而实现患者体温的高精度测量。
4、本发明提供的一种可调式保温及降温装置，通过热敏电阻实时采集水箱内的温度，主控板根据实时采集的温度和预设温度值作对比来控制半导体制冷器对控温毯进行加热或制冷，使水箱内的温度稳定在预设值上，采用恒压源最为半导体制冷器的测温电路，降低复杂度和成本，满足精度需求。
附图说明
图1是本发明一种可调式保温及降温装置结构示意图。
图2是本发明一种可调式保温及降温装置的循环机构示意图。
图3是本发明一种可调式保温及降温装置的主控板示意图。
图4是本发明一种可调式保温及降温装置的恒温机构示意图。
图5是本发明一种可调式保温及降温装置的压缩机组示意图。
图6是本发明一种可调式保温及降温装置的半导体机组示意图。
图中：1、水箱；2、控温毯；3、半导体机组；31、半导体制冷器；311、冷端；312、热端；313、半导体；314、金属导体；32、热管散热机；4、压缩机组；41、变频压缩机；42、液冷管；43、冷凝器；44、节流毛细管；45、蒸发器；5、水泵；6、功率驱动板；7、主控板；8、液位传感器；9、体温传感器；10、水温传感器；11、电控阀A；12、电控阀B；13、热端温度传感器；14、热敏电阻；15、恒压源；16、A/D转换器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
结合图1-3，一种可调式保温及降温装置，包括主控板7、循环机构和控温毯2，其中，主控板7，用于对循环机构进行协调控制，接收传感器组件的反馈信号，循环机构，包括水箱1、水泵5、压缩机组4、半导体机组3和与主控板7进行信息交互的功率驱动板6，所述水泵5、压缩机组4和半导体机组3由功率驱动板6驱动，控温毯2，直接与患者接触，并与循环机构管道连接进行热交换。
所述压缩机组4包括与水箱1连接的变频压缩机41和通过电控阀A11连接变频压缩机41一端的液冷管42，所述电控阀A11用于控制液冷管42内的水路的通断，所述液冷管42的输出端通过电控阀B12连接至控温毯2，所述半导体机组3包括半导体制冷器31和热管散热机32，所述半导体制冷器31的热端312连接至热管散热机32，所述热管散热机32的输出端通过电控阀B12连接至控温毯2，所述变频压缩机41的另一端通过电控阀B12连接至控温毯2，所述电控阀B12用于控制压缩机组4和半导体机组3之间水路的分离和融合，所述电控阀A11的开启和关闭由主控板7根据半导体制冷器31的热端312的温差驱动功率驱动板6进行调控，在制冷模式时，压缩机组4与半导体机组3共用同一水路循环，在制热模式时，压缩机组4与半导体机组3水路循环独立。
结合图5，所述压缩机组4还包括连接变频压缩机41输出端的冷凝器43和依次连接冷凝器43的节流毛细管44和蒸发器45，所述蒸发器45的输出端连接至变频压缩机41的输入端，变频压缩机41吸入从蒸发器45出来的低温低压气体，使之压力升高后形成高温高压气体送入冷凝器43，在冷凝器43中冷凝成低温高压的液体，经节流毛细管44节流后，成为压力较低的液体，并将其送入蒸发器45，在蒸发器45中吸热蒸发而成为压力较低的蒸汽，再次送入变频压缩机41的入口，从而完成制冷循环。
结合图6，所述半导体制冷器31包括采用绝缘陶瓷片制成的冷端311和热端312，所述冷端311和热端312之间设有半导体313，所述半导体313的两端分别通过金属导体314连接至冷端311和热端312，半导体制冷原理是利用半导体材料的帕尔贴效应，当直流电通过两种不同半导体材料串联成的 P-N 结热电偶时，在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量，从而达到制冷目的，通过改变半导体机组导通电流方向，可实现半导体机组冷端与热端的交换，实现制热效果。
半导体大功率输出时，普通热管散热无法及时散去半导体热端温度形成有效温差，选用小功率直流变频压缩机辅助半导体制冷的同时，通过空心液冷管将控温毯水箱中的一部分循环冷却液用于半导体热端散热，并使用电控阀对循环冷却液的导通进行合理布置，使整机的能源转换实现最优化。
半导体热端温度信号，将温度传感器布置于半导体热端散热口处，通过采集半导体热端温度信号来控制混合循环模式的开启，半导体热端温度为55℃时开启，压缩机转速调控用于循环散热和辅助制冷时的转速调控，半导体热端温度超过80℃时将进行紧急停止，防止因温度过高导致的半导体器件的损坏。
实施例2
结合图4，所述水箱1内设有恒温机构，所述恒温机构包括设于水箱1内的热敏电阻14，所述热敏电阻14的阻值转换为电压值后经A/D转换器16转换成数字信号输入到主控板7的微处理器，所述微处理器通过PWM信号输出到H全桥驱动芯片以驱动半导体制冷器31进行相应的操作，所述热敏电阻14连接至恒压源15，安置于水箱1的热敏电阻14会采集水箱1的水温值，这个温度值会被唯一的映射为热敏电阻的电阻值，经测温电路转换后热敏电阻的阻值转换为测温电路的电压值，电压值输入到16 位的 A/D 转换器16中，经 A/D 转换器16处理后，电压值转换成数字信号输入到主控板7的STM8S105微处理器，微处理器通过系统设定的相应算法计算得出对应的控制量，控制微处理器的 PWM 输出，PWM 输出到H 全桥驱动芯片，驱动 半导体模块对恒温水箱进行相应的操作，使得水箱内的温度就稳定在系统预设值上。
实施例3
在实施例1的基础上，所述传感器组件包括用于监测患者体温的体温传感器9、用于监测控温毯2温度的水温传感器10、用于监测水箱1内水位信号的液位传感器8和用于监测半导体制冷器31热端温度信号的热端温度传感器13，所述体温传感器9、水温传感器10、液位传感器8和热端温度传感器13均信号连接至主控板7。
所述体温传感器、水温传感器和热端温度传感器均采用DS18B20数字温度传感器，所述的设于患者身体上的体温传感器采用4×1温度传感器阵列，所述体温传感器将采集到的数据通过路由节点传送到协调器，所述协调器接收到数据后对数据进行校正，通过串口通信协议将数据传送到主控板，所述协调器利用阵列结构数据结合拟合算法对35-42℃的体温数据进行拟合处理。
为保证体温采集数据的准确性和可靠性，通过支持向量机分类滤波算法对采集的数据进行滤波，包括如下步骤：
S1、将原始数据制作成训练集和测试集两个分类模型，利用测试集进行滤波模型的训练，利用测试集和训练集方向验证模型的误差；
S2、通过调节模型训练参数选择训练误差和测试误差最小的分类模型；
S3、将实际采集数据送入分类模型，根据模型输出结果 1/-1 确定此时输入数据是正常数据/干扰信号。
所述的利用测试集进行滤波模型的训练的方法如下：
a、数据样本制作：收集大量的包括干扰信号在内的温度范围为25-42℃的历史温度测量数据，对历史温度测量数据清洗，裁剪为四维特征向量，将n个连续的含有干扰的温度数据裁剪为m个样本；
b、样本标注标签：对经过处理的样本标注标签，分析每一个样本，找出含有干扰信号的样本并标注标签为0，找出测量正常的样本并标注标签为1；
c、数据集样本扩展：分析干扰信号的特征，将样本分为若干个由四个数据组成的小组，每组的前三个数据为历史数据中连续测量的正常数据，第四个数据根据分析得出的干扰信号特征，采用随机函数生产温度变化范围为25-42℃的多个含有随机干扰信号的小类，并给每一个小类打上标签0；
d、模型训练：将样本按照9:1划分为训练集和测试集，利用训练函数进行模型训练。
实施例4
在实施例2的基础上，所述热敏电阻的电阻RT与温度T之间满足：RT=R0×e[k×e(1 /T-1/T0)]，其中R0为热敏电阻在额定温度T0时的电阻值（Ω），k为热敏电阻的材料常数，且有T=273.15+T0。
所述热敏电阻的测量电路采用分压式电路，将热敏电阻的变化转化为电压变化，则有输出电压V与热敏电阻的电阻RT之间满足：V=V0×[Rm/(Rm+RT)]，其中V0为恒压源的电压值（V）。
通过热敏电阻实时采集水箱内的温度，主控板根据实时采集的温度和预设温度值作对比来控制半导体制冷器对控温毯进行加热或制冷，使水箱内的温度稳定在预设值上，采用恒压源为半导体制冷器的测温电路，降低复杂度和成本，满足精度需求。
以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的保护范围内所做的任何修改，等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种可调式保温及降温装置，其特征在于：包括主控板（7）、循环机构和控温毯（2），其中，
主控板（7），用于对循环机构进行协调控制，接收传感器组件的反馈信号；
循环机构，包括水箱（1）、水泵（5）、压缩机组（4）、半导体机组（3）和与主控板（7）进行信息交互的功率驱动板（6），所述水泵（5）、压缩机组（4）和半导体机组（3）由功率驱动板（6）驱动；
控温毯（2），直接与患者接触，并与循环机构管道连接进行热交换；
所述压缩机组（4）包括与水箱（1）连接的变频压缩机（41）和通过电控阀A（11）连接变频压缩机（41）一端的液冷管（42），所述液冷管（42）的输出端通过电控阀B（12）连接至控温毯（2），所述半导体机组（3）包括半导体制冷器（31）和热管散热机（32），所述半导体制冷器（31）的热端连接至热管散热机（32），所述热管散热机（32）的输出端通过电控阀B（12）连接至控温毯（2），所述变频压缩机（41）的另一端通过电控阀B（12）连接至控温毯（2）；
所述压缩机组（4）还包括连接变频压缩机（41）输出端的冷凝器（43）和依次连接冷凝器（43）的节流毛细管（44）和蒸发器（45），所述蒸发器（45）的输出端连接至变频压缩机（41）的输入端；所述半导体制冷器（31）包括采用绝缘陶瓷片制成的冷端（311）和热端（312），所述冷端（311）和热端（312）之间设有半导体（313），所述半导体（313）的两端分别通过金属导体（314）连接至冷端（311）和热端（312）；
所述功率驱动板包括半导体驱动模块和变频控制器，所述半导体驱动模块包括MOS管阵列电路、MOS管开关电路、H桥接电路和继电器保护模块，所述MOS管阵列电路用于调控加载到半导体两端的电压的大小，所述H桥接电路用于改变半导体两端加载电压的方向，所述继电器保护模块用于保护半导体机组，所述MOS管开关电路用于控制水泵、电控阀的启动和停止；
由半导体作为主要功率输出器件，并通过小功率直流变频压缩机辅助制冷同时对半导体热端进行水冷散热，使能源转换实现最优化。
2.根据权利要求1所述的一种可调式保温及降温装置，其特征在于：所述电控阀A（11）用于控制液冷管（42）内的水路的通断，所述电控阀A（11）的开启和关闭由主控板（7）根据半导体制冷器（31）的热端（312）的温差驱动功率驱动板（6）进行调控，所述电控阀B（12）用于控制压缩机组（4）和半导体机组（3）之间水路的分离和融合。
3.根据权利要求1所述的一种可调式保温及降温装置，其特征在于：所述传感器组件包括用于监测患者体温的体温传感器（9）、用于监测控温毯（2）温度的水温传感器（10）、用于监测水箱（1）内水位信号的液位传感器（8）和用于监测半导体制冷器（31）热端温度信号的热端温度传感器（13），所述体温传感器（9）、水温传感器（10）、液位传感器（8）和热端温度传感器（13）均信号连接至主控板（7）。
4.根据权利要求1所述的一种可调式保温及降温装置，其特征在于：所述水箱（1）内设有恒温机构，所述恒温机构包括设于水箱（1）内的热敏电阻（14），所述热敏电阻（14）的阻值转换为电压值后经A/D转换器（16）转换成数字信号输入到主控板（7）的微处理器，所述微处理器通过PWM信号输出到H全桥驱动芯片以驱动半导体制冷器（31）进行相应的操作，所述热敏电阻（14）连接至恒压源（15）。
5.根据权利要求1所述的一种可调式保温及降温装置，其特征在于：所述主控板（7）和功率驱动板（6）隔离设置，所述主控板（7）和功率驱动板（6）之间通过带屏蔽的信号线进行信号传输，防止功率驱动板（6）对主控信号的干扰。
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