Термоэлектрические охлаждающие устройства для локального теплового воздействия в медицине тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.03, кандидат технических наук Хазамова, Мадина Абдулаевна
- Специальность ВАК РФ05.04.03
- Количество страниц 221
Оглавление диссертации кандидат технических наук Хазамова, Мадина Абдулаевна
ВВЕДЕНИЕ.
ГЛАВА I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ Ч ИССЛЕДОВАНИЯ.
1.1. Современное состояние термоэлектрической холодильной техники.
1.2. Методы расчета и моделирования электро- и теплофизических процессов в термоэлектрических холодильниках.
1.3. Основные направления и технические средства для локального холодового и теплового воздействий в медицине.
1.3.1. Механизмы, методы и средства холодового и теплового воздействий на органнзм.
1.3.2. Полупроводниковые термоэлектрические устройства для ^ диагностики заболеваний и проведения лечебных процедур в медицине.
1.4. Постановка задач исследования.
ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХОЛОДИЛЬНИКОВ ДЛЯ ХОЛОДОВОГО И ТЕПЛОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЙ НА КОНЕЧНОСТИ ЧЕЛОВЕКА.
2.1. Анализ тепловых схем для исследования ТЭХ.
2.2. Математическая модель ТЭХ и объекта воздействия при холодовом и тепловом воздействиях в стационарном режиме.
2.3. Математическая модель ТЭХ и объекта воздействия при холодовом и тепловом воздействиях в нестационарном режиме.
I 2.4. Математическая модель ТЭХ и зоны воздействия при локальном холодовом и тепловом воздействиях на биологические ткани человеческого организма.
2.5. Выводы.
ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХОЛОДИЛЬНИКОВ ДЛЯ ХОЛОДОВОГО И ТЕПЛОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЙ НА КОНЕЧНОСТИ ЧЕЛОВЕКА.
3.1. Описание экспериментального стенда и методика проведения опыта.
1 3.2. Экспериментальные исследования термоэлектрического холодильника для холодового и теплового воздействий на стопу человека.
3.3. Сравнительный анализ данных испытаний с результатами численного эксперимента.
3.4. Оценка погрешности измерений.
3.5. Выводы.
ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ
• ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХОЛОДИЛЬНИКОВ ДЛЯ МЕДИЦИНЫ.
4.1. Термоэлектрические холодильники для холодового и теплового воздействий на стопу человека.
4.2. Термоэлектрический холодилдьник для локального холодового и теплового воздействий на биологические ткани человеческого организма.
4.3. Термоэлектрический холодильник для локального контрастного температурного воздействия.
4.4. Методика применения термоэлектрических холодильников для холодового и теплового воздействий в медицине.
4.5. Выводы.
Рекомендованный список диссертаций по специальности «Машины и аппараты, процессы холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения», 05.04.03 шифр ВАК
Системы и устройства теплового воздействия в офтальмологии на основе термоэлектрических преобразователей2005 год, кандидат технических наук Аминова, Ирина Юрьевна
Полупроводниковые термоэлектрические охлаждающие устройства для ларингологии2007 год, кандидат технических наук Рагимова, Тамила Арслановна
Термоэлектрическая система для теплового воздействия на отдельные зоны человеческого организма2014 год, кандидат наук Магомадов, Рустам Абу-Муслимович
Биотехнические системы термостабилизации для трансфузионной терапии2001 год, кандидат технических наук Аминов, Гарун Ильясович
Обеспечение тепловых режимов элементов радиоэлектронной аппаратуры с пространственным разделением термоэлектрического источника холода и объекта охлаждения2009 год, кандидат технических наук Евдулов, Денис Викторович
Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Термоэлектрические охлаждающие устройства для локального теплового воздействия в медицине»
В последние годы наблюдается устойчивая тенденция расширения круга задач, в которых находит применение термоэлектрическое охлаждение, что обусловлено возросшим во всем мире спросом на компактные, бесшумные и надежные устройства охлаждения. Теория энергетического применения термоэлектрических явлений, созданная в результате известных работ академика А.Ф. Иоффе и его сотрудников, открыла широкие возможности для использования полупроводниковых термоэлектрических холодильников (ТЭХ) в различных областях техники. В результате этих работ были синтезированы новые полупроводниковые сплавы, которые позволили применить эффект Пельтье на практике и приступить к серийному выпуску термоэлектрических охлаждающих приборов с характеристиками, не уступающими другим способам охлаждения [106,107]. Перспективы развития и внедрения термоэлектрических преобразователей тепла и генераторов электрической энергии определяются целым рядом преимуществ, особенно эксплуатационных, которыми они обладают по сравнению с существующими аналогами. Это возможность получения искусственного холода на основе использования эффекта Пельтье при отсутствии движущихся частей и холодильного агента; сочетание в едином устройстве таких традиционно раздельных элементов, как источник холода и тепла; простота реализации; компактность; взаимозаменяемость; высокая надежность; экологическая безопасность [71].
Повышение энергетических показателей ТЭХ связано также с поиском новых материалов, обладающих высокой термоэлектрической эффективностью, и исследованием методов их получения. Однако наличие качественных материалов является только необходимым, но недостаточным условием для создания термоэлектрических генераторов (ТЭГ) и термоэлектрических охладителей (ТЭО) с высокими энергетическими показателями [223]. На эффективность данных устройств существенное влияние оказывают не только параметры полупроводникового вещества, но и особенности их конструктивного исполнения, тепловые схемы термоэлектрических преобразователей, режимы их работы, условия теплообмена и т.д.
Повышенный интерес к термоэлектрическим преобразователям связан прежде всего с экологическими ограничениями на использование хлор-фторсодержаших рабочих тел в парокомпрессионных холодильных машинах. Кроме того, появились обнадеживающие результаты исследований, направленных на повышение эффективности термоэлектрического вещества. Так, в исследованиях сверхрешеток с квантовыми ямами (QWSL-структур) удалось добиться значительного увеличения термоэлектрической добротности по сравнению с исходными материалами.
Термоэлектричество, все активнее начинает использоваться в самых разных сферах: железнодорожный транспорт, автомобильная промышленность, авиационная и космическая техника, промышленная электроника и энергетика, коммутационное и компьютерное оборудование, бытовая техника [54, 72, 86, 113, 117, 195, 196]. За последние годы проведен достаточно большой объем теоретических и экспериментальных исследований ТЭХ, результаты которых подтверждают возможность широкого применения термоэлектрических систем (ТЭС). Однако, несмотря на значительный прогресс в области термоэлектрической техники, на сегодняшний день не решен вопрос о создании ТЭХ для физиотерапии, позволяющих с максимальной эффективностью использовать все преимущества как "холодового", так и теплового воздействий для лечения человека.
Анализ возможных систем охлаждения для воздействия на биологический объект показал, что реализация сочетания режимов охлаждения и нагрева путем использования других холодильников возможна только при наличии дополнительных устройств нагрева.
В связи с этим ТЭХ становятся вне конкуренции по сравнению с другими способами охлаждения, так как предполагают организацию режима реверса. Именно поэтому в диссертационной работе в качестве холодильника для воздействия на биологический объект был выбран ТЭХ, с помощью которого путем простого переключения направления тока возможен переход с режима охлаждения в режим нагрева и наоборот.
В условиях современности, когда реальностью нашей жизни является возрастающее количество больных, необходимость воздействовать на организм человека средствами, обеспечивающими эффективность лечения, становится наиболее актуальной задачей. Сегодня все большее распространение для лечебно-профилактических целей приобретают немедикаментозные методы, среди которых ведущее место занимают естественные физические факторы, которые обладают адаптогенным, успокаивающим, болеутоляющим, противовоспалительным и антиспазмическим действием, способствуют повышению естественного и специфического иммунитета, образованию в организме биологически активных веществ. [81, 98, 199,200, 202].
Локальное тепловое воздействие - один из наиболее широко применяемых и эффективных методов медицинской реабилитации при экстремальных состояниях. Среди огромного арсенала физических факторов, используемых в медицинской практике, важную роль занимают факторы теплового воздействия [138, 173]. Средства теплолечения, как активное восстановительное лечение, применяются в период реконвалесценции для стимуляции жизнедеятельности организма, при развитии осложнений (например, длительном болевом синдроме), травматических поражениях опорно-двигательного аппарата, в период заживления ран, при состояниях переохлаждения, при воздействии на биологически активные точки и т.п. Причем воздействие различными температурными раздражителями необходимо повторять таким образом, чтобы каждое последующее воздействие оказало влияние на организм тогда, когда еще не исчезло последействие предшествовавшего.
Механизм термотерапии достаточно сложен и складывается из местных и общих реакций. Очаговые реакции проявляются в улучшении крово- и лимфообращения и нервнотрофических процессов, что обуславливает противовоспалительный, обезболивающий и рассасывающий эффект. В свою очередь, общие реакции связаны с рефлекторно-гуморальными влияниями на нервную, сердечно-сосудистую, эндокринную и другие системы организма, которые бы обеспечивали бы его саморегуляцию. Следует отметить, что оптимальная реакция возникает только в тех случаях, когда нет чрезмерной тепловой нагрузки на организм, и изменения на клеточном, субклеточном и молекулярном уровнях не перекрываются последствиями процесса нагрева биологических тканей. Холод и тепло, прежде всего, действуют на кожу, играющую важную роль в жизнедеятельности организма и теснейшим образом связанную с центральной нервной системой. Вместе с тем, раздражая периферические рецепторы, тепло и холод влияют на весь организм. Действие их реализуется через кровь, которая нагревается (охлаждается) и обогащается различными биологически активными веществами, а, разносясь по организму, влияет на различные органы и ткани.
Таким образом, использование физиотерапевтических факторов для воздействия на отдельные органы человеческого организма на сегодняшний день актуально, что приводит к необходимости разработки ТЭХ для реализации новых методик лечения путем холодового и теплового воздействий.
Существующие в настоящее время методы и средства для проведения физиотерапевтических процедур с использованием контрастного и теплового воздействия (контрастные ванны, парафино- и озокеритолечение, водяные и электрические грелки, компрессы, нагретый песок и др.) [74,86,95], а также различные устройства, работа которых основана на использовании твердых и жидких хладоагентов не всегда обеспечивают требуемые медицинскими показаниями температурный режим и частоту переключения режимов воздействия, и отличаются большой инерционностью, большими геометрическими размерами и низкой точностью дозирования холодового и теплового воздействий.
Решение задачи обеспечения сочетания режимов холодового и теплового воздействий при различной длительности импульсов, а также контроль их температурных уровней, возможен только путем использования ТЭХ. Оптимальным режимом переключения холодового и теплового воздействий, определенных биологическим объектом, является 3-5 минут при холодовом воздействии и 2-3 минуты - при тепловом воздействии. За один цикл охлаждения ТЭХ переходит от принудительного режима в режим максимальной энергетической эффективности и далее в режим максимальной холодопроизводительности. При таких кратковременных циклах работы ТЭХ изменяются их характеристики, в частности, холодильный коэффициент, максимальная холодопроизводительность, что требует проведения специальных исследований. Так как эффект холодового воздействия на биологический объект усиливается при одновременном совмещении механического массажа рефлексогенных зон организма, в работе учитывалось использование слоя гранулята между термоэлектрической батареей (ТЭБ) и объектом воздействия.
В связи с этим диссертационная работа посвящена исследованию процессов, протекающих в ТЭХ при различных режимах их работы, и их применению в медицинской практике.
Целью диссертационной работы является исследование процессов, протекающих в ТЭХ и их оптимизация в соответствии с определяемыми объектом воздействия режимами работы, разработка и создание на основе ТЭХ новых устройств для комплексного холодового и теплового воздействий на отдельные органы человеческого организма при проведении физиотерапевтических процедур, обеспечивающих точность дозировки температурных уровней и высокую надежность, а также проведение комплекса теоретических и экспериментальных исследований характеристик ТЭХ, работающих в этих режимах, которые требуют соответствующих математических моделей, и методик расчета.
Для достижения этой цели в диссертационной работе были поставлены следующие задачи:
1. Провести анализ существующих методов холодового и теплового ^ воздействий на отдельные органы человеческого организма и определить рациональные режимы работы ТЭХ в медицине для различных условий эксплуатации.
2. Разработать комплексную математическую модель ТЭХ, удовлетворяющую техническим требованиям, предъявляемым объектом воздействия.
3. Разработать новые конструктивные варианты ТЭХ для холодового и теплового воздействий на отдельные органы человеческого организма на основе проведенных исследований.
4. Провести комплекс экспериментальных исследований ТЭХ с целью подтверждения полученных теоретических данных.
5. Практическая реализация результатов работы.
Для решения поставленных задач был проведен литературный и патентный обзор по известным методам и устройствам температурного воздействия, а также рассмотрены вопросы использования термоэлектрических явлений в медицинской практике. На основе проведенного анализа возможного I холодового и теплового воздействий на отдельные органы человеческого организма и рассмотрения режимов работы ТЭХ, сочетающих в себе и тепловое воздействие, соответствующие определенному типу лечебных процедур, разработаны математические модели ТЭХ в различных режимах: стационарном и нестационарном. В данных моделях при решении уравнения Фурье использовался метод преобразования Лапласа.
Результаты теоретических исследований подтверждены серией ^ экспериментов, проведенных для ТЭХ на специально созданном стенде и разработанным методикам проведения испытаний.
Проведенные исследования позволяют правильно оценить возможности ТЭХ для холодового и теплового воздействий на конечности человека, провести обоснованный их выбор для различных условий эксплуатации и Ф сравнительный анализ с другими способами охлаждения.
В диссертационной работе защищаются следующие положения, представляющие научную новизну:
1) Метод локального теплового воздействия на основе ТЭХ для проведения физиотерапевтических процедур, позволяющий обеспечить контрастное холодовое и тепловое воздействия с высокой точностью регулировки с требуемой объектом воздействия частотой переключения режимов и с высокой точностью регулировки их температурных уровней, совмещающий в себе эффект механического массажа.
2) Математические модели для исследования различных режимов работ ТЭХ с * учетом параметров объекта воздействия, учитывающие тепловую нагрузку через теплофизические параметры стопы и тепловое сопротивление через "неплотность" контакта объекта и средства воздействия.
3) ТЭХ для локального холодового и теплового воздействий на отдельные органы человеческого организма, имеющие возможность работы в различных частотах переключения режимов работы, обеспечивая возможность умеренно низких и умеренно высоких температур. ц Полученные в работе методики температурных воздействий на органы человека могут быть использованы в различных областях медицины, в частности в физиотерапии и рефлексотерапии, при лечении и профилактике многих заболеваний. t
Похожие диссертационные работы по специальности «Машины и аппараты, процессы холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения», 05.04.03 шифр ВАК
Разработка систем термостабилизации компьютерного процессора на основе полупроводниковых термоэлектрических преобразователей2006 год, кандидат технических наук Нежведилов, Тимур Декартович
Разработка устройств и систем для охлаждения на основе сильноточных термоэлектрических преобразователей энергии2019 год, доктор наук Евдулов Олег Викторович
Термоэлектрические цифровые преобразователи для исследования локальных температурных полей человеческого организма2005 год, кандидат технических наук Гафуров, Керим Абсаламович
Исследование и разработка систем теплоотвода и термостабилизации радиоэлектронной аппаратуры на основе полупроводниковых термоэлектрических преобразователей2002 год, кандидат технических наук Евдулов, Олег Викторович
Исследование процессов гидродинамики и теплопередачи в двухфазных и термоэлектрических системах теплового регулирования1999 год, доктор технических наук Клюев, Николай Ильич
Заключение диссертации по теме «Машины и аппараты, процессы холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения», Хазамова, Мадина Абдулаевна
4.5. ВЫВОДЫ
В результате проведенных опытно-конструкторских работ были сделаны следующие выводы:
- разработанные конструктивные варианты ТЭХ для локального холодового и теплового воздействий на стопу человека отличаются друг от друга методикой воздействия на различные органы человеческого организма;
- преимущество ТЭХ для локального температурного воздействия на стопу человека с эластичной емкостью состоит в одновременном воздействии и на верхнюю поверхность стопы. В конструктивном исполнении дополнительная ТЭБ прилегает через тонкостенную эластичную емкость к верхней поверхности стопы человека посредством стойки, состоящей из секций, соединенных между собой шарнирами;
- ТЭХ для локального холодового и теплового воздействий на стопу человека с рельефной поверхностью выгодно отличается от предыдущих устройств возможностью температурного и механического массажа, что позволяет с наибольшей эффективностью воздействовать на рефлексогенные зоны стопы человека;
- преимущество ТЭХ для локального холодового и теплового воздействий на биологические ткани человеческого организма состоит в том, что возможность перехода с режима охлаждения в режим нагрева в широком интервале температур обеспечивает применение его в различных областях медицины для локальной гипотермии при воспалительных заболеваниях с целью воздействия на очаг патологии.
- ТЭХ для локального температурного воздействия на стопу человека обеспечивает точность поддержания заданной температуры воздействия ±1° С в широком диапазоне (+10°С - +45°С), обладая при этом хорошими массогабаритными показателями и высокой простотой обслуживания;
- разработанные методики и рекомендации по использованию ТЭХ для локального температурного воздействия на стопу человека внедрены в медицинскую практику и нашли практическое применение в ряде медицинских учреждений.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате выполнения диссертационной работы было разработано ТЭХ для локального температурного воздействия на стопу человека, позволяющее проводить адаптивную регулировку физических параметров воздействия в соответствии с состоянием биологического объекта и обеспечивающее точность и надежность регулировки.
Разработанные теоретические основы расчета ТЭХ для локального температурного воздействия на стопу человека отличаются учетом "неплотности" контакта объекта и средства воздействия. Для исследования различных режимов работ ТЭХ на основе анализа различных тепловых схем, соответствующих определенному типу лечебных процедур, разработаны математические модели в стационарном и нестационарном режимах.
Доказана адекватность разработанных математических моделей путем проведения комплекса экспериментальных исследований, в результате которых расхождение полученных теоретических и экспериментальных данных не превысило допустимых значений.
Кроме этого нами были разработаны несколько различных вариантов ТЭХ для температурного воздействия на стопу человека, каждый из которых обладает своими преимуществами и дополняет другой.
Так, ТЭХ для локального температурного воздействия на стопу человека с эластичной емкостью позволяет одновременно воздействовать и на нижнюю, и на верхнюю поверхность стопы.
Для осуществления температурного массажа разработана конструкция устройства, позволяющая сочетать механическое воздействие на рефлексогенные зоны ноги человека. Отличительной конструктивной особенностью здесь является наличие рельефной поверхности.
Немаловажную роль играет и холодовое воздействие на биологические ткани человека, что привело к разработке ТЭХ, которое можно использовать при воспалительных заболеваниях с целью воздействия на очаг патологии.
Кроме того, разработан ТЭХ для локального контрастного температурного
156 воздействия, обеспечивающий «шахматное» распределение температуры на поверхности воздействия.
Разработаны медико-технические требования к ТЭХ для локального температурного воздействия на стопу человека, позволившие произвести техническое воплощение его рабочего варианта. Также получены Патенты РФ на полупроводниковые термоэлектрические устройства для температурного воздействия на стопу человека [46].
Проведена клиническая апробация ТЭХ для локального температурного воздействия на стопу человека в условиях лечебно-диагностического центра "Гиппократ", Муниципальной поликлиники № 4 (г. Махачкала), а также санаторно-курортного учреждения "Энергетик" (г. Каспийск), которая показала их эффективность при решении задач точной регулировки температуры и комбинированного контрастного воздействия для повышения эффективности лечебных мероприятий.
Совокупность результатов проведенных исследований позволяет использовать их в качестве научной основы в дальнейшем при разработке и создании новых ТЭХ для медицины.
Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Хазамова, Мадина Абдулаевна, 2006 год
1. А.с. 1393423 СССР. Устройство для рефлексотерапии. /Вакарь А.Я., Попович М.И., Шкилева Т.Д., Богулян Л.Д./Б.И. №17, 1988.
2. А.с. 1393425 СССР. Устройство для рефлексотерапии /Жаркин А.Ф., Маргус М.Е., Антонова С.Б./Б.И. №17,1988.
3. А.с. 1045888 СССР. Термоэлектрическое устройство для гипотермии./ Нагиев В.А., Дмитриев В.В., Важанов Н.Н. /Б.И. №37,1983.
4. А.с. № 1147398 СССР. Устройство для рефлексотерапии /Майбородин А.В., Медведева Н.А., Акимов А.М.//1983.
5. А.с. № 1162430 СССР. Устройство для рефлексотерапии /Лященко Д.С., Кирпач Н.С., Однороженко И.Г. // 1983.
6. А.с. № 1175476 СССР. Способ лечения поверхностных хронических воспалительных процессов и устройство для его осуществления /Грохольский А.П., Данилевский Н.Ф., Демидов JI.A. и др.//1983.
7. А.с. № 1179987. Устройство для локальной гипотермии /Бутырский В.И.// 1982.
8. А.с. № 1179986 СССР. Термоэлектрическая охлаждающая медицинская повязка /Бутырский В.И., Богин Г.В., Кулиев А.З.// Б.И. № 35, 1985.
9. А.с. № 1333337 СССР. Устройство для рефлексотерапии /Козлов А.А., Котляр А.Д. и др.// 1986.
10. А.с. № 1393394 СССР. Устройство для стимуляции вестибуляторного аппарата /Орлов В.И., Семенов Л.А., Сулин А.Б., Цветков Ю.Н./1988.
11. А.с. № 1572611 СССР. Способ поддержания уровня бодрствования человека-оператора /Вайсман А.И., Шендерова И.С., Герштейн М.Л.//1988.
12. А.с. № 1588410 СССР. Способ лечения послеоперационных ран /Тарарак Т.Я., Габитов В.Х., Амирханов Х.К.//1987.
13. А.с. № 1593657 СССР. Устройство для реанимации новорожденных /Быкова Г.Ф., Егоров А.В., Казакова Л.Е. и др.//1988.14,1518
Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.