低温冷疗设备的冷量计算和测试方法

　　1　前言

　　低温治疗在各科临床中的应用,往往都遇到两个不同但又有联系的概念:“冷量”和“温度”,它们实际上也是冷疗设备性能的一个标志。目前有不少冷疗设备,往往没有给出单位时间内所能提供的冷量,主要是由于测试上存在一些困难。这使医务人员在使用上带来不少问题,有些临床医生根据自己的临床摸索提出了“三、三”制的治疗方法,即每次冷冻三分钟,重复冻融三次,实际上这种做法是十分粗略的。因为冷疗设备液氮的喷量取决于冷疗设备液氮存贮器的工作压力,液氮输送管的内径大小、管长、绝热情况优劣等。所以采用不同的冷疗设备,同样冷冻三分钟,有的已经使组织温度下降至-20℃以下,有的还不能使组织下降至0℃,这里主要是设备提供冷量多少的问题。为了提高治疗质量,防止盲目性,需要了解冷疗设备在正常工作时,单位时间内究竟提供多少冷量,这样可防止正常组织在冷冻时不受损害,又可避免因冷量不足未能达到治疗的效果。

　　2　计算的数学模型

　　2.1　冷疗设备的工作过程和热平衡方程

　　冷疗设备工作时,首先接通加热电阻,使其密闭贮液氮容器升压,当压力达到0.25MPa时,开启低温电磁阀,液氮在容器与探头之间压力差作用下,通过绝热输送软管至冷冻探头相变制冷,探头外壁与接触组织进行热交换,相变后的气氮从探头的回气管中排出。从冷量角度分析整个工况由下列四个部分组成:(1)贮液氮绝热系统;(2)电加热系统;(3)冷量输送系统;(4)探头热交换系统,如图1所示。现在假设在工作过程中,单位时间内实际所消耗的液氮量为Mt/△t,冷量损失为q,加热功率为W0,液氮汽化潜热为L,气氮在工作温度与正常沸点温度之间的焓为△H,冷冻探头输出的冷量为W,则可建立工作过程中的热平衡关系式:

　(1)

　　即输出冷量为:(2)

　　式中:Mt在△t时间内所消耗的液氮量;W0加热功率,可根据已知设计参数及工作过程中实际加热的时间加以确定;L液氮在正常沸点的蒸发潜热,可查表得到;△H气氮在工作温度与正常沸点温度之间的焓差,可查表得到;q单位时间内的冷量的总损失,包括以下四个方面:q=q1+q2+q3+q4(式中:q1输液软管的不完全绝热带来的冷量损失;q2贮液氮瓶绝热不良造成的冷量损失;q3冷冻探头热交换不完全造成的冷量损失;q4汽化器的冷量损失)。

　　2.2　冷量损失的计算

　　(1)输液冷损q1的计算。对于液氮的输送,我们采用了汽膜绝热的方法,即液氮在输送尼龙管内壁形成一层导热率较小的汽膜,其余的液氮由于表面张力的作用形成液珠,在管中输送,汽膜的导热系数为λf,尼龙管的导热系数为λn,尼龙管外表面到大气的传热膜系数为α,如图2所示。