半导体制冷系统设计及其在C型臂X线机中的应用

徐可伟，周龙甫，郑 伟，张超群

0 引言

C型臂X线机在临床使用中越来越广泛，如骨科手术、心脏介入等，其具有操作方便、体积小、能够及时有效地为危重患者进行实地摄片等优点，在现代放射诊断中发挥着重要的作用[1]。随着医疗技术的不断进步，C型臂X线机使用日趋频繁，如何提高机器的使用效率、延长其使用寿命，成为目前引人关注的问题。为此，我们设计了一套半导体制冷系统，将其安装在C型臂X线机球管的两端，使球管侧温度降低，解决其散热问题，既可以提高使用效率，同时也可以延长球管的使用寿命。

1 半导体制冷系统的设计

针对C型臂X线机的操作环境特点以及其结构，设计一个较实用的半导体制冷系统。在不影响临床使用及方便操作的原则下，结合C型臂X线机和球管的结构，设计方案为：该系统主要包括半导体元件、散热片、散热风扇、温控装置。首先在球管的两侧分别安装与其大小相适的半导体元件，根据球管尺寸选择尽可能大的接触面积，使其与球管紧贴在一起，这样能够有较大的热传递面积。然后，在半导体元件外安装与之相适的散热片，以使外表面的热量很好地散发出来，最后，在散热片上安装散热风扇，提高散热片的热传递效率。另外，在球管上安装一个温控装置，通过温控装置实时监测其温度，并控制半导体制冷元件工作[2]。

1.1 半导体制冷系统的工作原理

半导体制冷系统主要利用半导体PN结工作时产生的珀尔贴效应，即由N、P型材料组成一对热电偶，当热电偶通入直流电流后，因直流电通入的方向不同，将在电偶结点处产生吸热和放热现象[3]。该制冷系统通过半导体使接触球管端的温度降低，同时通过热传递将另一端的热量通过循环风将其散发。C型臂X线机开始工作时，球管温度较低，此时由机器自身散热。当机器使用达到一定时间时，球管内的热量不断地积累，机器本身的散热达不到要求，此时温控装置检测到球管温度超标，立即启动半导体制冷系统，通过半导体制冷使球管温度降低。当降低到合适温度时，半导体制冷系统停止运行，又进入机器自身散热的阶段，如此反复，使球管温度维持在一个稳定的水平。

1.2 基本功能

该半导体制冷系统在C型臂X线机使用过程中，通过实时监测球管温度，对球管温度是否过高进行判断，并实现智能化控温，采用间歇式工作方式，使半导体制冷系统间断工作，将球管温度稳定在一个较合理的水平，达到延长球管曝光时间和使用寿命的目的。

1.3 系统结构

通过对C型臂X线机和半导体制冷系统结构的综合考虑，设计出一套完整的半导体制冷系统，其结构流程如图1所示。

图1 半导体制冷系统的结构流程图

2 半导体制冷系统的主要特点

（1）体积小，质量轻。该制冷系统体积小，占用空间较小，在机器正常使用过程中不会对操作产生任何影响，且在C型臂朝任何方向旋转时都能方便自如。同时其质量较轻，不会因为重力对角度产生偏差。

（2）操作简单。该制冷系统操作简便，采用智能化操作，无需手动控制，可根据温控器对球管表面的温度作出判断，实现自动运行和停止。

（3）成本低。本系统需要的元器件较少，且都是市场上较为常见的元器件，在使用和以后的维修工作中也较为方便，维修成本也相对较低，可被临床科室接受。

（4）节省电能，噪音小。因其受温控装置控制，采用间歇式工作，故在使用中节约了电能，同时其运行过程中声音较小，比较安静，无噪声污染。

（5）高可靠性。由于是固态结构，半导体制冷器件的可靠性非常高，使用寿命较长。

3 在C型臂中的应用

将制作好的半导体制冷系统安装于C型臂X线机球管两侧，使其与球管两侧紧密接触，同时在球管上安装温度控制装置。经过调试和检测后，发现其性能良好，正式投入使用，通过半导体制冷系统和温控装置实现智能化降温和间歇工作，将球管内的热量以热传递的方式散发出来。

4 效果分析

将该半导体制冷系统在C型臂X线机上进行了实验研究，在连续工作数小时下对球管温度进行测量，结果见表1。

表1 有无半导体制冷系统球管温度对比

从表1可明显看出，使用半导体制冷系统能有效降低球管的工作温度，对球管持续工作时间较长时具有明显优势。

5 结语

通过实验和测试发现，半导体制冷系统能够实时有效地控制球管温度，提高球管的使用效率，延长其使用时间，在临床使用中能达到较好的效果，值得在其他C型臂X线机上推广。

半导体制冷系统在现代医疗设备中的使用越来越广泛，如野战冰箱、生化分析仪等，在医疗系统中发挥的作用巨大，其优越性也日益显现出来。随着科学的进步，半导体制冷系统将以其独特的优势深入到各行各业。但在快速发展的现代社会，其不足之处也为人们所关注，如半导体材料的优质系数较小，决定了其制冷效率较低[4]。目前，急需开发研制新型高优质系数的半导体制冷材料，同时提高半导体制冷系统的工作效率。

[1]徐可伟，张超群，吴向阳.激光双定位系统在C型臂X线机中应用[J].医疗卫生装备，2011，32（8）：129-130.

[2]肖珊，彭德华.X线机球管温度自动控制及保护仪的研制[J].江西医学院学报，1998，38（4）：70.

[3]徐德胜.半导体制冷与应用技术[M].2版.上海：上海交通大学出版社，1999.

[4]张芸芸，李茂德，徐纪华.半导体制冷空调器的应用前景[J].应用能源技术，2007（6）：32-34.