半導體制冷系統設計及其在C型臂X線機中的應用

徐可偉，周龍甫，鄭 偉，張超群

0 引言

C型臂X線機在臨床使用中越來越廣泛，如骨科手術、心臟介入等，其具有操作方便、體積小、能夠及時有效地為危重患者進行實地攝片等優點，在現代放射診斷中發揮著重要的作用[1]。隨著醫療技術的不斷進步，C型臂X線機使用日趨頻繁，如何提高機器的使用效率、延長其使用壽命，成為目前引人關注的問題。為此，我們設計了一套半導體制冷系統，將其安裝在C型臂X線機球管的兩端，使球管側溫度降低，解決其散熱問題，既可以提高使用效率，同時也可以延長球管的使用壽命。

1 半導體制冷系統的設計

針對C型臂X線機的操作環境特點以及其結構，設計一個較實用的半導體制冷系統。在不影響臨床使用及方便操作的原則下，結合C型臂X線機和球管的結構，設計方案為：該系統主要包括半導體元件、散熱片、散熱風扇、溫控裝置。首先在球管的兩側分別安裝與其大小相適的半導體元件，根據球管尺寸選擇盡可能大的接觸面積，使其與球管緊貼在一起，這樣能夠有較大的熱傳遞面積。然后，在半導體元件外安裝與之相適的散熱片，以使外表面的熱量很好地散發出來，最后，在散熱片上安裝散熱風扇，提高散熱片的熱傳遞效率。另外，在球管上安裝一個溫控裝置，通過溫控裝置實時監測其溫度，并控制半導體制冷元件工作[2]。

1.1 半導體制冷系統的工作原理

半導體制冷系統主要利用半導體PN結工作時產生的珀爾貼效應，即由N、P型材料組成一對熱電偶，當熱電偶通入直流電流后，因直流電通入的方向不同，將在電偶結點處產生吸熱和放熱現象[3]。該制冷系統通過半導體使接觸球管端的溫度降低，同時通過熱傳遞將另一端的熱量通過循環風將其散發。C型臂X線機開始工作時，球管溫度較低，此時由機器自身散熱。當機器使用達到一定時間時，球管內的熱量不斷地積累，機器本身的散熱達不到要求，此時溫控裝置檢測到球管溫度超標，立即啟動半導體制冷系統，通過半導體制冷使球管溫度降低。當降低到合適溫度時，半導體制冷系統停止運行，又進入機器自身散熱的階段，如此反復，使球管溫度維持在一個穩定的水平。

1.2 基本功能

該半導體制冷系統在C型臂X線機使用過程中，通過實時監測球管溫度，對球管溫度是否過高進行判斷，并實現智能化控溫，采用間歇式工作方式，使半導體制冷系統間斷工作，將球管溫度穩定在一個較合理的水平，達到延長球管曝光時間和使用壽命的目的。

1.3 系統結構

通過對C型臂X線機和半導體制冷系統結構的綜合考慮，設計出一套完整的半導體制冷系統，其結構流程如圖1所示。

圖1 半導體制冷系統的結構流程圖

2 半導體制冷系統的主要特點

（1）體積小，質量輕。該制冷系統體積小，占用空間較小，在機器正常使用過程中不會對操作產生任何影響，且在C型臂朝任何方向旋轉時都能方便自如。同時其質量較輕，不會因為重力對角度產生偏差。

（2）操作簡單。該制冷系統操作簡便，采用智能化操作，無需手動控制，可根據溫控器對球管表面的溫度作出判斷，實現自動運行和停止。

（3）成本低。本系統需要的元器件較少，且都是市場上較為常見的元器件，在使用和以后的維修工作中也較為方便，維修成本也相對較低，可被臨床科室接受。

（4）節省電能，噪音小。因其受溫控裝置控制，采用間歇式工作，故在使用中節約了電能，同時其運行過程中聲音較小，比較安靜，無噪聲污染。

（5）高可靠性。由于是固態結構，半導體制冷器件的可靠性非常高，使用壽命較長。

3 在C型臂中的應用

將制作好的半導體制冷系統安裝于C型臂X線機球管兩側，使其與球管兩側緊密接觸，同時在球管上安裝溫度控制裝置。經過調試和檢測后，發現其性能良好，正式投入使用，通過半導體制冷系統和溫控裝置實現智能化降溫和間歇工作，將球管內的熱量以熱傳遞的方式散發出來。

4 效果分析

將該半導體制冷系統在C型臂X線機上進行了實驗研究，在連續工作數小時下對球管溫度進行測量，結果見表1。

表1 有無半導體制冷系統球管溫度對比

從表1可明顯看出，使用半導體制冷系統能有效降低球管的工作溫度，對球管持續工作時間較長時具有明顯優勢。

5 結語

通過實驗和測試發現，半導體制冷系統能夠實時有效地控制球管溫度，提高球管的使用效率，延長其使用時間，在臨床使用中能達到較好的效果，值得在其他C型臂X線機上推廣。

半導體制冷系統在現代醫療設備中的使用越來越廣泛，如野戰冰箱、生化分析儀等，在醫療系統中發揮的作用巨大，其優越性也日益顯現出來。隨著科學的進步，半導體制冷系統將以其獨特的優勢深入到各行各業。但在快速發展的現代社會，其不足之處也為人們所關注，如半導體材料的優質系數較小，決定了其制冷效率較低[4]。目前，急需開發研制新型高優質系數的半導體制冷材料，同時提高半導體制冷系統的工作效率。

[1]徐可偉，張超群，吳向陽.激光雙定位系統在C型臂X線機中應用[J].醫療衛生裝備，2011，32（8）：129-130.

[2]肖珊，彭德華.X線機球管溫度自動控制及保護儀的研制[J].江西醫學院學報，1998，38（4）：70.

[3]徐德勝.半導體制冷與應用技術[M].2版.上海：上海交通大學出版社，1999.

[4]張蕓蕓，李茂德，徐紀華.半導體制冷空調器的應用前景[J].應用能源技術，2007（6）：32-34.