CN110200696A - 真空隔热器、其制造方法及冷冻消融针 - Google Patents

真空隔热器、其制造方法及冷冻消融针 Download PDF

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杨光远
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Abstract

本发明公开了一种真空隔热器、其制造方法及冷冻消融针，属于医疗设备技术领域。所述真空隔热器包括隔热器外层管和隔热器内层管；隔热器外层管套在隔热器内层管上，隔热器外层管与隔热器内层管两端真空焊接密封，使隔热器外层管与隔热器内层管之间形成真空腔体；隔热器内层管外壁上设置有耐高温纤维层；耐高温纤维层上均匀地设置有粉状吸气剂；耐高温纤维层和粉状吸气剂均位于真空腔体内。本发明还提供了上述真空隔热器的制造方法和由其组成的冷冻消融针。本发明利用真空隔热技术解决了冷冻消融针的针杆冻伤的问题，同时解决了针杆自然弯曲导致隔热内外层接触传导冷量，以及提高真空度并防止真空隔热器随着时间推移导致真空度下降的问题。

Description

真空隔热器、其制造方法及冷冻消融针
技术领域
本发明涉及医疗设备技术领域，特别涉及一种真空隔热器、其制造方法及冷冻消融针。
背景技术
氩氦刀低温手术***是一种微创超低温冷冻消融肿瘤的医疗设备，由主机、冷冻探针(冷冻器)、高压气源及相应的附属结构组成，兼具超低温冷冻、介入热疗、免疫增强等多重治疗效果。它强调微创、靶向和彻底摧毁肿瘤，可精确定位和准确摧毁癌组织而又最大限度保护正常组织，为迅速杀灭肿瘤和消除肿瘤负荷提供有效治疗方法。其中，冷冻探针是一根中空的不锈钢针，探针内部可循环高压常温氩气(用于制冷)或高压常温氦气(用于制热)。高压氩气在刀尖内部急速膨胀可获得制冷(焦耳-汤姆逊效应)，在几十秒内冷冻病变组织至-100℃以下。高压氦气在刀尖内部急速膨胀可制热，快速加热处于结冰状态的病变组织，使其细胞破裂，达到迅速灭活的目的。
目前，国际上有以色列和美国的设备为代表的比较成熟的低温手术***，例如以色列Galilmedical公司的产品，使用该产品进行冷冻消融手术的操作过程包括：1)在影像学设备(CT或彩超)的引导下，将冷冻探针经皮穿刺到肿瘤部位，通常是将冷冻探针穿过肿瘤且针尖刚好穿出；2)开始冷冻治疗，通常在冷冻探针内部通过氩气节流产生低温(焦耳汤姆逊原理)。但是这种低温手术***存在一个较严重的问题：1)治疗的目的只想灭活目标病灶，尽可能的保留正常组织；这种低温手术***由于整根冷冻探针工作时都是处于超低温状态，不可避免地会将针杆周围的组织冻伤，尤其皮肤部分；以色列公司早期产品手术时需要在皮肤表面针杆位置不停的滴注生理盐水，以防止皮肤冻伤，即使这样也同样有很多皮肤冻伤的患者。2)由于节流制冷功率有限，因此很多冷量浪费在针杆部分，导致针尖肿瘤位置的冷冻功率降低，直接结果就是针尖冷冻范围较小，进而造成灭活不完全。3)在较大的肿瘤治疗中，医生为了实现较好的治疗效果，只能增加冷冻探针，用多针联合冷冻以达到较大的冷冻范围，这样增加了治疗费用。为了解决针杆冻伤皮肤的问题，以色列公司在冷冻探针内部增加了电加热装置，通电加热针杆，使其不低于零度，从而避免了针杆周围组织冻伤。但是由于电加热抵消了一部分冷量降低了制冷功率，导致其冷冻探针的最低温度上升，例如经过试验发现，没有电加热的冷冻探针可达到-120℃，有电加热的冷冻探针只有-70℃，这样的直接结果是冷冻范围缩小，灭活不完全。
发明内容
为了解决冷冻消融手术中针杆冻伤皮肤、针尖冷冻效率低等问题，本发明提供了一种真空隔热器，包括隔热器外层管和隔热器内层管；所述隔热器外层管套在所述隔热器内层管上，所述隔热器外层管与隔热器内层管两端真空焊接密封，使所述隔热器外层管与隔热器内层管之间形成真空腔体；所述隔热器内层管外壁上设置有耐高温纤维层；所述耐高温纤维层上均匀地设置有粉状吸气剂；所述耐高温纤维层和粉状吸气剂均位于所述真空腔体内。
所述隔热器外层管外径与所述隔热器内层管外径的差值小于等于0.6mm。
所述隔热器外层管长度比所述隔热器内层管长度小1mm-6mm。
所述隔热器外层管和隔热器内层管均为不锈钢毛细管。
本发明提供了一种上述真空隔热器制造方法，包括：
将第一不锈钢毛细管置入真空钎焊炉中，并在高真空度下加热退火；
将退火后的第一不锈钢毛细管和第二不锈钢毛细管进行电镀镍处理；
将电镀镍处理后的第二不锈钢毛细管的外壁缠绕耐高温纤维，并在所述耐高温纤维上均匀地撒上吸气剂；
将所述第一不锈钢毛细管套在所述第二不锈钢毛细管上；
将所述第一不锈钢毛细管两端进行缩口处理，并使用钎焊剂将所述第一不锈钢毛细管与第二不锈钢毛细管两端真空焊接密封。
所述退火的温度为600-900℃；所述耐高温纤维包括低导热系数的石棉纤维或陶瓷纤维；所述吸气剂为非蒸散型吸气剂，包括锆钒铁非蒸散型吸气剂。
所述第一不锈钢毛细管两端进行缩口处理后的内径与所述第二不锈钢毛细管的外径相等。
所述使用钎焊剂将所述第一不锈钢毛细管与第二不锈钢毛细管两端真空焊接密封的步骤包括：
在所述第一不锈钢毛细管与第二不锈钢毛细管两端焊缝处涂抹四分之三圈钎焊剂；
将涂抹钎焊剂后的第一不锈钢毛细管与第二不锈钢毛细管平放在石墨托盘上，并使四分之一圈未涂抹钎焊剂的方向朝下；
将所述石墨托盘放入真空钎焊炉中，并在真空条件下升温至860℃；
待所述真空钎焊炉内温度低于50℃时，取出所述石墨托盘。
所述钎焊剂的形状包括片状、丝状、粉状和膏状。
所述钎焊剂为金基钎焊剂；所述金基钎焊剂的形状为膏状。
所述真空条件的真空度小于等于10-4Pa。
所述升温至860℃的步骤具体包括：首先以300℃/小时的升温速度升温至500℃，保温30分钟；然后以150℃/小时的升温速度升温至800℃，保温30分钟；最后以150℃/小时的升温速度升温至860℃，保温10分钟。
本发明还提供了由上述真空隔热器组成的冷冻消融针，包括探针本体、输气管、真空隔热器和热交换器；所述真空隔热器设置在所述探针本体前端；所述热交换器设置在所述探针本体后端；所述输气管穿过所述热交换器和真空隔热器；所述输气管的输出端设置有节流孔；所述真空隔热器包括隔热器外层管和隔热器内层管；所述隔热器外层管套在所述隔热器内层管上，所述隔热器外层管与隔热器内层管两端真空焊接密封，使所述隔热器外层管与隔热器内层管之间形成真空腔体；所述隔热器内层管外壁上设置有耐高温纤维层；所述耐高温纤维层上均匀地设置有粉状吸气剂；所述耐高温纤维层和粉状吸气剂均位于所述真空腔体内。
本发明利用真空隔热技术解决了冷冻消融针的针杆冻伤的问题，本发明提供的真空隔热器具有体积小巧、真空隔热效果好等优点，可广泛应用于各种小型器件/设备的隔热处理。本发明提供的冷冻消融针，提高了冷冻消融术的安全性、有效性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的真空隔热器的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的真空隔热器制造方法流程图；
图3是本发明实施例提供的冷冻消融针的结构示意图；
图4是现有冷冻消融针自然弯曲导致内外层管贴合的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明技术方案作进一步描述。
参见图1，本发明实施例提供的真空隔热器包括隔热器外层管1和隔热器内层管5；隔热器外层管1套在隔热器内层管5上，隔热器外层管1与隔热器内层管5两端真空焊接密封，使隔热器外层管1与隔热器内层管5之间形成真空腔体2；隔热器内层管5外壁上设置有耐高温纤维层3；耐高温纤维层3上均匀地设置有粉状吸气剂4；耐高温纤维层3和粉状吸气剂4均位于真空腔体2内。
在实际应用中，隔热器外层管1外径与隔热器内层管5外径的差值小于等于0.6mm，并且隔热器外层管1长度比隔热器内层管5长度小1mm-6mm；隔热器外层管1和隔热器内层管5均采用不锈钢毛细管；耐高温纤维可以为低导热系数的石棉纤维或陶瓷纤维。
在实际应用中，真空腔体2具有较高的真空度，这样可以有效地阻断热量的传输，起到隔热的效果。耐高温纤维层3夹在隔热器内层管5与隔热器外层管1之间，这样在真空隔热器弯曲时，隔热器内层管5与隔热器外层管1无法接触，使得真空腔体2起到的真空隔热仍然有效；由于耐高温纤维很细(直径约0.02mm左右)且导热系数低(热传导率由接触面积和导热材料的导热系数来决定，接触面积越小热传导率越差，导热材料的导热系数越低热传导率越差)，因此通过耐高温纤维传导的热量或冷量非常小，从而起到很好的隔热作用。粉状吸气剂4可以短时间内提高真空腔体2的真空度(真空度可达10-4帕以上)，使真空隔热器在储存和工作期间维持一定的真空度，进而防止真空腔体2的真空度随着时间推移而下降；另外，粉状吸气剂4还可以在真空隔热器的排气封离后消除残余的和重新释放的气体，这样有利于缩短排气时间。
需要说明的是：隔热效果由隔热材料的导热系数决定，热传递是高温区通过各种介质向低温区传播，以达到热平衡为目的；真空是将一固定空间内的各种介质隔离排出，处在真空环境下的热源因为没有可供热量传递的介质而无法进行热传播；真空度与导热系数成反比，也就是说真空度越高，导热系数就越低；因此，真空隔热是隔热效果最好的隔热方式。本发明实施例利用真空隔热效果好的特点，将隔热器外层管1与隔热器内层管5之间设计成真空腔体。
本发明实施例提供的真空隔热器，具有体积小巧、真空隔热效果好等优点，可广泛应用于各种小型器件/设备的隔热处理。
参见图1和图2，本发明实施例提供了上述真空隔热器的制造方法，包括如下步骤：
步骤S1：将第一不锈钢毛细管置入真空钎焊炉中，并在高真空度下加热退火。
第一不锈钢毛细管在高真空度下加热退火的温度为600-900℃；经过高温退火处理及慢速冷却后第一不锈钢毛细管会***，为后续工序的缩口作准备。
步骤S2：将退火后的第一不锈钢毛细管和第二不锈钢毛细管进行电镀镍处理。
将第一不锈钢毛细管和第二不锈钢毛细管进行电镀镍处理的目的是保证后续真空钎焊时钎焊剂可以获得很好的附着。
步骤S3：将电镀镍处理后的第二不锈钢毛细管的外壁缠绕耐高温纤维，并在耐高温纤维上均匀地撒上粉状吸气剂。
本发明实施例的耐高温纤维包括低导热系数的石棉纤维或陶瓷纤维。真空器件内部的真空度随着时间的推移，金属管壁会有气体析出导致其真空度下降，进而隔热能力下降。实践中发现，出厂时间较长的冷冻消融针的针杆更容易产生冻伤。本发明实施例粉状吸气剂可以短时间内提高真空腔体的真空度(真空度可达10-4帕以上)，使真空隔热器在储存和工作期间维持一定的真空度，进而防止真空腔体的真空度随着时间推移而下降。本发明实施例采用的吸气剂为非蒸散型吸气剂，例如锆钒铁非蒸散型吸气剂，锆钒铁非蒸散型吸气剂是一种低温激活的非蒸散型吸气剂，在室温下有优良的吸气效果，在高温下也不会出现烧结现象，实现高真空度。
步骤S4：将第一不锈钢毛细管套在第二不锈钢毛细管上。
步骤S5：将第一不锈钢毛细管两端进行缩口处理，并使用钎焊剂将第一不锈钢毛细管与第二不锈钢毛细管两端真空焊接密封。
在实际应用中，采用缩口设备将第一不锈钢毛细管两端缩口，并保证第一不锈钢毛细管两端缩口后的内径与第二不锈钢毛细管的外径相等。
现在常用的钎焊剂有上千种，首先需要选择能够满足如下要求的钎焊剂：1)耐低温，因为冷冻消融针工作在-150℃；2)能够与不锈钢很好的附着；3)延展性好，因为冷冻消融针工作时，内层第二不锈钢毛细管的温度为-150℃，外层第一不锈钢毛细管的温度为人体温37℃，内外层管温差180-190℃，这样的温差会导致内外层管热胀冷缩的拉力巨大，如果钎焊剂的延展性不够好，会导致焊缝断裂，失去真空度。通过大量试验，选择金基钎焊剂。金基钎料已有很长的使用历史，具有抗蚀性强、流动性好及润湿性等优点。金基钎料与母材的作用程度小，润湿性能好。接头的高温低温强度、延伸性、抗氧化、耐蚀性好，可广泛用于高真空系列制件时的钎焊。其次选择钎焊剂的形状，钎焊剂的形状包括片状、丝状、粉状和膏状等。由于内层管与外层管均很细(直径约1mm左右)，通过试验膏状的钎焊剂最佳。膏状的钎焊剂可以很好的粘在焊缝处，不容易脱落导致焊接失败。据此，本发明实施例选用膏状的金基钎焊剂6，如图1所示。
将第一不锈钢毛细管与第二不锈钢毛细管两端焊缝处涂抹四分之三圈(如图1中附图标记7所示)膏状的金基钎焊剂6。需要说明的是：膏状的金基钎焊剂只能涂抹四分之三圈，留有四分之一圈；因为整圈涂抹后在真空钎焊炉焊接时，膏状的金基钎焊剂6会阻碍真空层中的空气排出，造成焊接失败。
将涂抹膏状的金基钎焊剂后的第一不锈钢毛细管与第二不锈钢毛细管平放在石墨托盘上，并使四分之一圈未涂抹膏状的金基钎焊剂的方向朝下，这样当金基钎焊剂融化后由于重力及液体表面张力的作用，融化的金基钎焊剂会将整个焊缝填满。需要指出的是：选择石墨托盘盛放准备焊接的真空隔热器，而不能选择不锈钢托盘；虽然不锈钢熔点可达1200℃，但加热过程中会释放金属应力导致变形，进而使焊接工件发生移动，导致焊接失败。
将石墨托盘放入真空钎焊炉中，并在真空条件下升温至860℃。真空钎焊炉的真空度要小于等于10-4Pa，优选的真空度为10-5Pa。由于金基钎焊剂的成分比例不同，通常焊接温度在860℃左右，因此采用如下方式升温：首先以300℃/小时的升温速度升温至500℃，然后在500℃保温30分钟，让管受热均匀；再从500℃以150℃/小时的升温速度升温至800℃，然后保温30分钟；再从800℃以150℃/小时的升温速度升温至860度，保温10分钟。在升温过程完成后，自然降温至300℃时向真空钎焊炉内充氮气加快降温速度，当真空钎焊炉内温度低于50℃时，开炉取出石墨托盘。
参见图1和图3，本发明实施例还提供了由上述真空隔热器组成的冷冻消融针，包括探针本体12、输气管11、真空隔热器9和热交换器10；真空隔热器9设置在探针本体12前端；热交换器10设置在探针本体12后端；输气管11穿过热交换器10和真空隔热器9；输气管11的输出端设置有节流孔8；真空隔热器9包括隔热器外层管1和隔热器内层管5；隔热器外层管1套在隔热器内层管5上，隔热器外层管1与隔热器内层管5两端真空焊接密封，使隔热器外层管1与隔热器内层管5之间形成真空腔体2；隔热器内层管5外壁上设置有耐高温纤维层3；耐高温纤维层3上均匀地设置有粉状吸气剂4；耐高温纤维层3和粉状吸气剂4均位于真空腔体2内。
本发明实施例冷冻消融针的工作方式：高压氩气由输气管11进入热交换器10内部并流过，到达节流孔8喷射制冷，回流的低压低温氩气经过真空隔热器9的内层管到达热交换器10的外部螺旋翅片，在螺旋翅片与外壳之间螺旋通路流出，并给输气管11中新流入的高压氩气预冷之后排放到大气中。
在实际使用中冷冻消融针很细，通常直径只有1-2mm，管壁又很薄，由于其自身及其管路的重量会导致针的自然弯曲，很难保证绝对的直线度；再有由于针很细，真空隔热器的内外层管选用不锈钢毛细管作为材料，内外层之间的距离很小只有约0.2mm左右，所以外部的自然弯曲会导致内部的真空隔热器的外层不锈钢与内层不锈钢贴上接触(参见图4中附图标记13)，从而热量(冷量)会从内外层接触处传导出去，导致这部分隔热失效，结果出现冻伤。由于手术的复杂性和CT的放射辐射，临床医生手术时不可能保证其笔直的直线度，因此为了防止真空隔热器内外层管贴上，本发明实施例在内外层之间设置有耐高温纤维，这类纤维在高温钎焊(900℃左右)时不会改变特性，这样当冷冻消融针发生弯曲时，耐高温纤维会夹在内外层管之间使内外层无法接触，内外层管不会贴上，使得真空隔热仍然有效；同时由于耐高温纤维很细(直径约0.02mm左右)加之导热系数低，通过耐高温纤维传导的冷量非常小，达到很好的隔热作用。
本发明实施例冷冻消融针的针杆部分内部有真空隔热器，以达到隔绝针杆内部冷量向外传导，防止针杆表面产生低温。在室温下通过试验表明，当冷冻消融针工作时，其针杆表面温度始终可以保持在10℃以上。
现有冷冻消融针在出厂一年以后普遍会出现隔热效果不好现象，原因是其真空度随着时间推移而下降，而本发明实施例采用粉状吸气剂可以短时间内提高真空度，使冷冻消融针在储存和工作期间维持一定的真空度。在使用冷冻消融针进行手术时，冷冻开始阶段具有较好的隔热效果，但使用一会后会突然隔热失效，其原因为焊口崩裂，而本发明实施例使用金基焊剂很好地解决了热胀冷缩的拉力问题，避免了焊口崩裂。现有冷冻消融针在使用过程中一旦自然弯曲隔热即失效，其原因为内外层不锈钢管贴在一起造成，而本发明实施例采用低导热系数的耐高温纤维，避免了自然弯曲时内外层不锈钢管的贴合，使得真空隔热仍然有效，从而不会导致冻伤皮肤，提高了针尖冷冻效率。本发明实施例提供的冷冻消融针，提高了冷冻消融术的安全性、有效性。
本发明实施例利用真空隔热技术解决了冷冻消融针的针杆冻伤的问题，同时解决了针杆自然弯曲导致隔热内外层接触传导冷量，以及提高真空度并防止真空隔热器随着时间推移导致真空度下降的问题。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种真空隔热器，其特征在于，包括隔热器外层管和隔热器内层管；所述隔热器外层管套在所述隔热器内层管上，所述隔热器外层管与隔热器内层管两端真空焊接密封，使所述隔热器外层管与隔热器内层管之间形成真空腔体；所述隔热器内层管外壁上设置有耐高温纤维层；所述耐高温纤维层上均匀地设置有粉状吸气剂；所述耐高温纤维层和粉状吸气剂均位于所述真空腔体内。
2.如权利要求1所述的真空隔热器，其特征在于，所述隔热器外层管外径与所述隔热器内层管外径的差值小于等于0.6mm。
3.如权利要求1所述的真空隔热器，其特征在于，所述隔热器外层管长度比所述隔热器内层管长度小1mm-6mm。
4.如权利要求1所述的真空隔热器，其特征在于，所述隔热器外层管和隔热器内层管均为不锈钢毛细管。
5.一种如权利要求1所述的真空隔热器制造方法，其特征在于，包括：
将第一不锈钢毛细管置入真空钎焊炉中，并在高真空度下加热退火；
将退火后的第一不锈钢毛细管和第二不锈钢毛细管进行电镀镍处理；
将电镀镍处理后的第二不锈钢毛细管的外壁缠绕耐高温纤维，并在所述耐高温纤维上均匀地撒上吸气剂；
将所述第一不锈钢毛细管套在所述第二不锈钢毛细管上；
将所述第一不锈钢毛细管两端进行缩口处理，并使用钎焊剂将所述第一不锈钢毛细管与第二不锈钢毛细管两端真空焊接密封。
6.如权利要求5所述的真空隔热器制造方法，其特征在于，所述退火的温度为600-900℃；所述耐高温纤维包括低导热系数的石棉纤维或陶瓷纤维；所述吸气剂为非蒸散型吸气剂，包括锆钒铁非蒸散型吸气剂。
7.如权利要求5所述的真空隔热器制造方法，其特征在于，所述第一不锈钢毛细管两端进行缩口处理后的内径与所述第二不锈钢毛细管的外径相等。
8.如权利要求5所述的真空隔热器制造方法，其特征在于，所述使用钎焊剂将所述第一不锈钢毛细管与第二不锈钢毛细管两端真空焊接密封的步骤包括：
在所述第一不锈钢毛细管与第二不锈钢毛细管两端焊缝处涂抹四分之三圈钎焊剂；
将涂抹钎焊剂后的第一不锈钢毛细管与第二不锈钢毛细管平放在石墨托盘上，并使四分之一圈未涂抹钎焊剂的方向朝下；
将所述石墨托盘放入真空钎焊炉中，并在真空条件下升温至860℃；
待所述真空钎焊炉内温度低于50℃时，取出所述石墨托盘。
9.如权利要求8所述的真空隔热器制造方法，其特征在于，所述钎焊剂的形状包括片状、丝状、粉状和膏状。
10.如权利要求9所述的真空隔热器制造方法，其特征在于，所述钎焊剂为金基钎焊剂；所述金基钎焊剂的形状为膏状。
11.如权利要求8所述的真空隔热器制造方法，其特征在于，所述真空条件的真空度小于等于10-4Pa。
12.如权利要求8所述的真空隔热器制造方法，其特征在于，所述升温至860℃的步骤具体包括：首先以300℃/小时的升温速度升温至500℃，保温30分钟；然后以150℃/小时的升温速度升温至800℃，保温30分钟；最后以150℃/小时的升温速度升温至860℃，保温10分钟。
13.一种冷冻消融针，其特征在于，包括探针本体、输气管、真空隔热器和热交换器；所述真空隔热器设置在所述探针本体前端；所述热交换器设置在所述探针本体后端；所述输气管穿过所述热交换器和真空隔热器；所述输气管的输出端设置有节流孔；所述真空隔热器包括隔热器外层管和隔热器内层管；所述隔热器外层管套在所述隔热器内层管上，所述隔热器外层管与隔热器内层管两端真空焊接密封，使所述隔热器外层管与隔热器内层管之间形成真空腔体；所述隔热器内层管外壁上设置有耐高温纤维层；所述耐高温纤维层上均匀地设置有粉状吸气剂；所述耐高温纤维层和粉状吸气剂均位于所述真空腔体内。
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