Экспериментальные исследования термоэлектрического неонатологического комплекса

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ПРИБОРЫ

УДК 681.382

Евдулов О.В., Хазамова М.А.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НЕОНАТОЛОГИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА

Evdulov O. V., Hazamova M.A.

EXPERIMENTAL INVESTIGATIONS OF THERMOELECTRIC NEONATOLOGY COMPLEX

В статье рассмотрены результаты натурных испытаний опытного образца неонатологического комплекса, выполненного на базе сильноточных термоэлектрических батарей.

Ключевые слова: неонатологический комплекс, биологический объект, слоистая конструкция, термоэлектрическая батарея.

The article considers the results of field testing of prototype neonatology complex, implemented on basis of high-current thermoelectric batteries.

Key words: neonatology complex, biological object, the layered design, thermoelectric battery.

Для эффективного проведения мероприятий по восстановлению жизненно важных функций новорожденных в настоящее время используются специальные неонатологические реанимационные комплексы, в которых имеется возможность точного поддержания и регулирования микроклимата - температуры, влажности, давления и др. [1]. Однако в большинстве случаев такие комплексы достаточно громоздки, дорогостоящи, имеют недостаточно высокую точность регулировки и поддержания температуры тела, результатом чего может являться возможность перегрева новорожденного. В этих условиях в неонатологическом комплексе целесообразным является применение в качестве источника холода (тепла) термоэлектрических преобразователей энергии, обладающих высокой надежностью, экологичностью, имеющих малые габаритные размеры.

В лаборатории термоэлектрических полупроводниковых приборов и устройств ФГБОУ ВПО «Дагестанский государственный технический университет» разработана неонатологическая система, выполненная на базе полупроводниковых термоэлектрических батарей (ТЭБ). В настоящей работе представлены результаты ее натурных испытаний.

На рис.1 приведена структурная схема опытного образца неонатологического реанимационного комплекса, а на рис.2 - внешний вид опытного образца прибора.

Неонатологический комплекс содержит передвижной стол 1 с обогреваемым ложе, представляющим собой инкубатор 2 с двойными стенками и верхней откидной 3 и боковой выдвижной 4 крышками. На дне инкубатора 2 имеется гелевый противопролежневый матрас 5 из высокотеплопроводного материала, ячейки 6 которого заполнены гелем с высоким коэффициентом теплопроводности 7. Каждая из ячеек 6 гелевого противопролежневого матраса 5 находится в тепловом контакте с рабочими спаями 8 ТЭБ 9, вторые спаи 10 которого сопряжены с воздушным радиатором 11, единым для всей совокупности ТЭБ 9. В качестве ТЭБ 9 использованы последовательно соединенные сильноточные термоэлементы слоистой конструкции, разработанные

14

авторами. В боковую поверхность инкубатора вмонтирована термоэлектрическая система типа «воздух-воздух» 12.

3 4

Рисунок 1 - Структурная схема опытного образца неонатологического реанимационного комплекса

Рисунок 2 - Внешний вид опытного образца неонатологического реанимационного комплекса

Контроль за температурой тела новорожденного, а также основных функциональных узлов комплекса осуществляется с помощью блока управления и контроля (на рис. 1 не указан) и подключенных к нему датчиков температуры 13. Датчики температуры в виде термопар установлены на обоих спаях термоэлектрических модулей 9, на поверхности гелевого противопролежневого матраса 5, на гелевой прослойке 14.

Результаты экспериментальных исследований опытного образца неонатологического реанимационного комплекса представлены на рис.3-6. На рис.3 показано изменение температуры имитатора биологического объекта во времени при охлаждающем воздействии для различных значений тока питания ТЭБ, а на рис.4 -аналогичные зависимости при работе ТЭБ в режиме нагрева.

Т, К

314,

314

313,5

313

312,5

312

311,5

311 310, 5 310

309,5

309 308,5

0 600 1200 1800 2400 3000 3600 т, с

Рисунок 3 - Изменение температуры имитатора биологического объекта во времени при охлаждающем воздействии для различных значений тока питания ТЭБ

1 - I = 20 А; 2 - I = 21 А; 3 -1 = 22 А; 4 -1 = 23 А

Согласно представленным данным, выход в стационарный режим работы для заданной конструкции составляет примерно 45-50 мин. Такое небольшое значение времени, требуемое для выхода прибора в стационарный режим работы, объясняется, в основном, небольшим изменением температуры в объеме комплекса. Для данных, соответствующих рисунку 3-4, указанное изменение температуры составляет примерно 5-60С. Естественно, при более сильном изменении температуры достижение всех точек системы стационарного режима будет более продолжительным.

На рис.5-6 представлены графики изменения температуры в различных точках системы ТЭС - биологический объект во времени при охлаждающем (рис.5) и нагревающем (рис.6) воздействии для I = 22 А.

Рисунок 4 - Изменение температуры имитатора биологического объекта во времени при нагревающем воздействии для различных значений тока питания ТЭБ

Рисунок 5 - Изменение температуры в различных точках системы - биологический объект во времени при охлаждающем воздействии для I = 22 А

1 - холодный спай ТЭБ, 2 - биологический объект, 3 - горячий спай ТЭБ

Рисунок 6 - Изменение температуры в различных точках системы -биологический объект во времени при нагревающем воздействии для А

Рассмотрено изменение температуры имитатора биологического объекта, холодных и горячих спаев ТЭБ. Анализ зависимостей показывает наличие незначительных потерь при передаче теплоты от спаев ТЭБ к биологическому объекту, а также приемлемые величины температур опорных спаев. Представленные данные определяют приемлемую точность математической модели функционирования устройства, предложенного в [2]. Максимальное расхождение расчетных и экспериментальных данных не превышает 7 -7,5 %. Наибольшее отклонение расчетных данных от опыта наблюдается, в основном, на промежутке времени, связанном с выходом устройства на режим, что определяется влиянием окружающей среды и неидеальной тепловой изоляцией системы «устройство-объект воздействия», а также некоторым разбросом параметров ТЭМ и измерительных приборов. Причем в случае охлаждения экспериментальные данные имеют несколько большее значение, чем расчетные, а в случае нагрева - меньшее значение на всем диапазоне измерений. Данное обстоятельство, в основном, связано с не идеальностью тепловой изоляции, что не удовлетворяет условиям, принятым в математических моделях и, соответственно, теплопритоках к устройству.

Библиографический список:

1. Неонатология. Под ред. Володина Н.Н. Педиатрия и неонатология. 2009. - 848 с.

2. Исмаилов Т.А. Термоэлектрические полупроводниковые устройства и интенсификаторы теплопередачи. СПб.: Политехника, 2005.