CN114344594A - 一种热交换水箱及其温度控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热交换水箱及温度控制方法，包括：根据温度传感器获取储液箱内液体的实时温度；利用控制器计算实时温度与热交换水箱的设定温度的温差值，根据温差值计算出热交换组件的加热或制冷电流值；启动内循环管路，利用热交换组件对储液箱内的液体进行对流换热；启动外循环管路，实现储液箱内的液体与外部设备的热交换。本发明的热交换水箱利用半导体制冷的原理，实现15℃‑39℃范围内的温度调节，缩短温度调节时间；同时结合PID温度控制方法实现高精度的温度控制，既适用于体外膜肺氧合***，又满足心脏外科手术时医疗设备制冷的需求。
Description
技术领域
本发明涉及体外膜肺氧合***开发领域，具体涉及一种热交换水箱及其温度控制方法。
背景技术
体外膜肺是治疗呼吸衰竭的重要手段。体外膜肺氧合(Extracorporeal MembraneOxygenation，ECMO)代表着体外循环领域设备的先进技术，而氧合器(膜肺)是ECMO***中的关键核心器件，主要功能是进行血氧交换和二氧化碳清除。
目前临床所用的ECMO热交换水箱不兼具升温和降温的能力，即无法在一定温度范围内为体外膜肺氧合器提供稳定的温度。
发明内容
本发明的目的是提供一种为体外膜肺氧合器提供稳定的温度，且可以在一定温度范围内调节，具备升温和降温能力，快速实现变温的热交换水箱。为解决上述问题，
本发明的第一方面提供了一种热交换水箱，储液箱、温度传感器、内循环管路、外循环管路、控制器及热交换组件；
储液箱与外部设备通过外循环管路连通，用于与外部设备内的液体进行热交换；
热交换组件通过内循环管路与储液箱连通，用于对储液箱内的液体进行对流换热；
温度传感器设置在储液箱内，用于采集储液箱内液体的温度；
控制器用于根据储液箱内液体的温度控制热交换组件的工作电流。
优选地，内循环管路包括：储液箱、内循环泵和热交换组件；
外循环管路包括：储液箱、外循环泵和外部设备。
优选地，热交换组件包括散热工装、半导体制冷片和热交换器；
热交换器的侧面设有进水口和出水口；
热交换器和散热工装分别以面接触的方式设置在半导体制冷片的相背的两个表面上。
优选地，还包括：液位传感器和压力传感器，分别用于采集储液箱内液体的液位数据和液压数据。
优选地，还包括控制显示组件，控制显示组件包括：散热器控制模块、显示屏控制模块、CAN总线模块、旋钮解码模块、指示灯控制模块、蜂鸣器控制模块、数据储存模块和A/D转换模块。
本发明的第二方面提供了一种体外膜肺氧合***，使用上述的热交换水箱进行温度调节。
本发明的第三方面提供了一种心脏外科手术设备，使用上述的热交换水箱进行温度调节。
本发明的第四个方面提供了一种热交换水箱的温度控制方法，包括：
根据温度传感器获取储液箱内液体的实时温度；
利用控制器计算实时温度与热交换水箱的设定温度的温差值，根据温差值计算出热交换组件的加热或制冷电流值；
启动内循环管路，利用热交换组件对储液箱内的液体进行对流换热；
启动外循环管路，实现储液箱内的液体与外部设备的热交换。
优选地，控制器利用PID(Proportional Integral Derivative)控制原理对热交换组件的加热或制冷电流值进行控制。
优选地，温差值在预设温差范围内时，控制器的电流值和温差值成正比，预设温差范围±0.5℃；
温差值超过预设温差范围，且温差值为正时，控制器的电流值为5A；
温差值超过预设的温差范围，且温差值为负时，控制器的电流值为-5A。
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
1、利用半导体制冷的原理，实现15℃-39℃范围内的温度调节，缩短温度调节时间；同时结合PID温度控制模块实现高精度的温度控制，既适用于体外膜肺氧合***，又满足心脏外科手术时医疗设备制冷的需求。
2、通过一体式的热交换器实现半导体制冷制热的转换，减轻热交换水箱的重量。
附图说明
图1是本发明第一实施例的一种热交换水箱的框架示意图；
图2是本发明一个实施例的动力循环单元的水路循环原理图；
图3是本发明一个实施例的工作原理图；
图4是本发明一个实施例的热交换组件的结构示意图；
图5是图4的***图；
图6是本发明另一个实施例的热交换组件的结构示意图；
图7是图6的左视图；
图8是本发明第二实施例的一种热交换水箱的框架示意图；
图9是本发明一个实施例的一种热交换水箱的温度控制方法的流程图。
附图标记：
热交换组件1、散热工装10、风扇101、散热片102、半导体制冷片11、热交换器12、隔热棉13、
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
现有技术方案中临床所用的ECMO热交换水箱通过室温自动冷却，没有主动降温功能，因此，本发明提供了一种能够实现主动降温的热交换水箱。
图1示出了本发明一个实施例的一种热交换水箱的框架。
如图1所示，热交换水箱包括储液箱、温度传感器、内循环管路、外循环管路、控制器及热交换器组件1；
储液箱与外部设备通过外循环管路连通，用于与外部设备内的液体进行热交换；
热交换组件通过内循环管路与储液箱连通，用于对储液箱内的液体进行对流换热；
温度传感器设置在储液箱内，用于采集储液箱内液体的温度；
控制器用于根据储液箱内液体的温度控制热交换组件的工作状态电流。
在本发明的一个优选实施例中，以外部设备为膜肺氧合器为例，储液箱中存储的液体为无菌水，将热交换水箱与膜肺氧合器连接，温度传感器采集热交换水箱中的水温后，利用控制器将采集到的水温值与膜肺氧合器需要的工作温度值进行比较，进一步得到控制器进行加热或制冷的电流值，通过改变电流值使热交换组件达到所需的温度；
启动内循环模式，使储液箱中的水在热交换器内多次循环，从而达到膜肺氧合器所需要的工作温度值；再启动外循环模式，将储液箱中的水与膜肺氧合器进行热交换，实现对膜肺氧合器的降温。
进一步的，参见图2所示的内外管路循环原理图。
内循环管路包括储液箱、内循环泵和热交换组件，内循环模式是通过内循环泵将储液箱以及管路中的水，不断流经热交换组件并形成立体循环，通过改变热交换组件的电流值使水达到设定的温度值，循环过程中可保证储液箱内全部的水处于设置的温度值范围内，实现温度调节；
外循环管路包括储液箱、外循环泵和膜肺氧合器。外循环模式是使储液箱内的水通过热交换水箱的出水口与进水口，流经外部设备后循环回到热交换水箱，实现与膜肺氧合器的热交换。
进一步的，参见图3示出的热交换水箱的工作原理：
在储水箱内以及在热交换水箱的出水口位置设置多路温度传感器，通过采集储液箱内多个测试点的水温，实时获取的水温数据，实现对水温的实时监测，能够及时对水温进行调整，确保输出水温的稳定性。
在获得当前热交换水箱内的水温值后，根据预设的膜肺氧合器所需要的工作温度值，通过控制器计算温度补偿值，进一步计算得到控制器的加热或制冷电流值，通过控制电流值实现对流经热交换组件的水温的调节，并保证水温在设定的参数范围内。
更进一步的，在如图4所示的热交换组件1中，结合图5，半导体制冷片11以面接触的方式设置在热交换器12的表面，在半导体制冷片11的四周设有隔热棉13，通过改变半导体制冷片11的电流大小以及方向实现对半导体制冷片11的温度调节。从而将热量以热传导的方式传递给热交换器12，使流经热交换器12的水温升高或者降低。热交换器的出水口和入水口设置在同一侧，使水能够在热交换器内能够充分进行热交换。
为了确保热交换水箱能够为膜肺氧合器提供稳定的水温，需要为热交换组件1中的半导体制冷片11提供足够的散热量，因此在半导体制冷片11的另一表面设置散热工装10。散热工装10包括：散热片102以及加快散热片 102散热的风扇101。
在本发明的另一个实施例中，如图6和图7所示，可根据实际加热制冷量以及散热量的需求，选取合适尺寸的热交换器12，同时在热交换器12的向背离的两个表面上设置多组半导体制冷片11以及相应的散热工装10，以增加加热制冷量，提高加热制冷效率。
本发明的热交换水箱能够在一定温度范围内调节水温，具备升温和降温能力，因此能为膜肺氧合器提供稳定的温度，也能为心脏外科手术设备提供稳定的温度。本发明的热交换水箱在不同的工作环境温度下，热交换组件的升温时间约为3-5min，降温时间约为2-5min，相较于现有产品，在相同功率和使用环境等条件下，升温或降温的时间提高3min左右。
将储液箱出水口处的温度传感器放置距出水口5-10cm处，此时测量温度精度为0.05℃，显示温度精度为0.1℃，因此选择温度传感器精度≤0.05℃，能够实现对水温的精确测量。
本发明的热交换水箱的内循环泵流量约为6L/min，热交换水箱电源开启，内循环泵开始工作，达到设定温度时，内循环水次数约为3-8次，满足加热、制冷要求；
外循环泵流量不小于16L/min，泵的压力约为0.3bar，根据工作状态提示，在水温达到设定温度时，开启外循环工作模式；
当检测到热交换水箱出口处的水温低于设定温度时，同时开启内外循环工作模式。
图8示出了本发明另一个实施例的一种热交换水箱的框架，参见图8：
储液箱内还设置有液位传感器和压力传感器，分别用于采集储液箱内液体的液位数据和液压数据；
热交换水箱上还设置有控制显示组件，包括：散热器控制模块、显示屏控制模块、CAN总线模块、旋钮解码模块、指示灯控制模块、蜂鸣器控制模块、数据储存模块和A/D转换模块，使热交换水箱具备状态监控与告警功能，对温度超限、液位超限、液体压力超限、设备自检不通过、关键元件(含传感器)故障进行报警；
同时还具备人机交互界面，能够实时显示无菌水温度、设备运行状态、故障等；
还具备参数设置选通窗口，以及参数设置旋钮、CAN总线通讯接口等。
本发明另一方面提供了一种热交换水箱的温度控制方法，如图9所示的热交换水箱的温度控制方法的流程图，包括步骤：
S1、设定热交换水箱的水温，利用温度传感器获取储液箱内的实时水温；
S2、利用控制器计算实时水温与热交换水箱设定的水温的差值，根据差值计算热交换组件的加热或制冷电流值；
S3、启动内循环模式，实现热交换组件与储液箱内液体的对流换热；
S4、启动外循环模式，实现储液箱内液体与外部设备的热交换。
在本发明的一个优选实施例中，控制器利用PID控制原理对热交换组件的加热或制冷电流值进行控制，设定实时水温与热交换水箱设定的水温的温差范围为-0.5℃～0.5℃，当温差值在预设温差范围内时，控制器的电流值和温差值成正比；
当检测到温差超过温差范围且温差值为正时，设置通过控制器的电流为正，且大小为5A；当检测到温差超过温差范围且温差值为负时，设置通过控制器的电流为负，大小为5A。
本发明的热交换水箱的温度控制方法，在热交换水箱开始工作时，进行内循环模式，启动内循环水泵，将水从储液箱中抽出，水经过热交换组件后再流回至储液箱，储液箱中的水在循环的同时半导体制冷片进行加热或者制冷，使得储液箱中的水不断循环经过热交换器加热制冷，当水温接近设定温度时，外循环水泵开始工作，将水引入至膜肺氧合器，实现对血液的保温。在对血液保温过程中，利用PID控制原理控制半导体制冷片的电流，实现对水温的控制。
本发明的热交换水箱的温度控制方法利用半导体制冷的原理进行能量交换，实现制热或制冷，相较于蒸汽压缩式制冷或风冷具有制冷效率高、体积小、控温精度高，既能制冷又能制热等特点。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (10)
1.一种热交换水箱，其特征在于，包括：储液箱、温度传感器、内循环管路、外循环管路、控制器及热交换组件(1)；
所述储液箱与外部设备通过所述外循环管路连通，用于与所述外部设备内的液体进行热交换；
所述热交换组件(1)通过所述内循环管路与所述储液箱连通，用于对所述储液箱内的液体进行对流换热；
所述温度传感器设置在所述储液箱内，用于采集所述储液箱内液体的温度；
所述控制器用于根据所述储液箱内液体的温度控制所述热交换组件(1)的工作电流。
2.根据权利要求1所述的热交换水箱，其特征在于，
所述内循环管路包括：所述储液箱、内循环泵和所述热交换组件(1)；
所述外循环管路包括：所述储液箱、外循环泵和所述外部设备。
3.根据权利要求1或2所述的热交换水箱，其特征在于，所述热交换组件(1)包括散热工装(10)、半导体制冷片(11)和热交换器(12)；
所述热交换器(12)的侧面设有进水口和出水口；
所述热交换器(12)和所述散热工装(10)分别以面接触的方式设置在所述半导体制冷片(11)相背的两个表面上。
4.根据权利要求1所述的热交换水箱，其特征在于，还包括：液位传感器和压力传感器，分别用于采集所述储液箱内液体的液位数据和液压数据。
5.根据权利要求1所述的热交换水箱，其特征在于，还包括控制显示组件，所述控制显示组件包括：散热器控制模块、显示屏控制模块、CAN总线模块、旋钮解码模块、指示灯控制模块、蜂鸣器控制模块、数据储存模块和A/D转换模块。
6.一种体外膜肺氧合***，其特征在于，使用如权利要求1-5任一项所述的热交换水箱进行温度调节。
7.一种心脏外科手术设备，其特征在于，使用如权利要求1-5任一项所述的热交换水箱进行温度调节。
8.一种热交换水箱的温度控制方法，其特征在于，包括：
根据温度传感器获取储液箱内液体的实时温度；
利用控制器计算所述实时温度与热交换水箱的设定温度的温差值，根据所述温差值计算热交换组件的加热或制冷电流值；
启动内循环管路，利用所述热交换组件对储液箱内的液体进行对流换热；
启动外循环管路，实现所述储液箱内的液体与外部设备的热交换。
9.根据权利要求8所述的热交换水箱的温度控制方法，其特征在于，所述控制器利用PID控制原理对所述热交换组件的加热或制冷电流值进行控制。
10.根据权利要求8所述的热交换水箱的温度控制方法，其特征在于，
所述温差值在预设温差范围内时，所述控制器的电流值和所述温差值成正比，所述预设温差范围±0.5℃；
所述温差值超过所述预设温差范围，且所述温差值为正时，所述控制器的电流值为5A；
所述温差值超过预设的温差范围，且所述温差值为负时，所述控制器的电流值为-5A。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20220415 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |