автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.03, диссертация на тему:Термоэлектрические охлаждающие устройства для локального теплового воздействия в медицине

На правах рукописи

Хазамова Мадина Абдулаевна

«ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ОХЛАЖДАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ЛОКАЛЬНОГО ТЕПЛОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ В МЕДИЦИНЕ»

Специальность 05.04.03 «Машины и аппараты, процессы холодильной и криогенной техники, системы кондиционирования и жизнеобеспечения»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Махачкала 2006

Работа выполнена в ГОУ ВПО "Дагестанский государственный технический университет"

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Исмаилов Т.А.

Научный консультант:

кандидат технических наук, доцент Исабеков И.М.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Иванов О.П. кандидат технических наук, доцент Гаджиева С.М.

Ведущая организация - Научно-производственный региональный центр "Холод", г. Краснодар

Зашита диссертации состоится 2006г. в /4** часов на

заседании диссертационного совета К212.052.01 ГОУ ВПО "Дагестанский государственный технический университет" по адресу: 367015, Махачкала, пр. И.Шамиля, 70.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан " " сХУО^С- 2006г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент

Евдулов О.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Теория энергетическою 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 рабог были синтезированы новые полупроводниковые сплавы, которые позволили применить эффект Пельтье на практике и приступить к серийному выпуску ТЭХ, имеющих рабочие характеристики, не уступающие другим способам охлаждения Перспективы развития и внедрения ТЭХ определяются целым рядом преимуществ, особенно эксплуатационных, которыми они обладают по сравнению с существующими аналогами Это возможное! ь получения искусственного холода на основе использования эффекта Пельтье при отсутствии движущихся частей и холодильного а!ента, сочетание в едином устройстве таких традиционно раздельных элементов, как источник "холода" и теплоты, простота реализации; компактность; взаимозаменяемость; высокая надежность; экологическая безопасность

За последние годы проведен достаточно большой объем теоретических и экспериментальных исследований ТЭХ, результаты которых подтверждают возможность расширения их применения. Однако, несмотря на значительный прогресс в области термоэлектрической холодильной техники, на сегодняшний день не решен вопрос создания ТЭХ для физиотерапии, позволяющих с максимальной термодинамической эффективностью реализовать все преимущества этого типа холодильника, который в режиме реверса выполняет функцию нагревателя

Анализ возможных систем охлаждения для воздействия на биологический объект показал, чю реализация сочетания режимов охлаждения и нагрева путем использования других холодильников возможна только при наличии сложных дополнительных устройств нагрева.

В связи с этим ТЭХ по сравнению с другими способами охлаждения оказались вне конкуренции, так как объект охлаждения требует и гепловое воздействие с импульсами определенной длительности Именно поэтому в диссертационной работе для воздействия на биологический объект (в данном случае в качестве объекта воздействия выбрана стопа человека) был выбран ТЭХ, с помощью которою путем простого переключения направления тока возможен переход с режима охлаждения в режим нагрева и наоборот.

В условиях современности, когда реальностью нашей жизни является возрастающее котичество больных, необходимость воздействовать на организм человека техническими средствами, повышающими 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 (электричество, "холод", теплота, свет, звук и др ) Преимуществом физиотерапевтических процедур является отсутствие побочных реакций организма, возникающих при лекарственном лечении. Таким образом, использование физиотерапевтических факторов для воздействия на отдельные органы человеческого организма на сегодняшний лень

РОС. ¡ШШПП,4 Г,НА БИГ.ЛИ0'1ьК\ С.-Пегербург ОЭ гоойкт-ГЗ^

актуально, что приводит к необходимости разработки ТЭХ для реализации новых методик лечения путем холодового и теплового воздействий

Существующие на сегодняшний день методы и используемые в медицинской практике средства для проведения физиотерапевтических процедур, основанных на холодовом и тепловом воздействиях (контрастные ванны, водяные и электрические грелки, холодные компрессы и тп.), а также различные устройства, работа которых основана па использовании твердых и жидких хладагентов, не обеспечивают требуемые медицинскими покаяниями потенциалы холодового и теплового воздействий с требуемыми длительностями импульсов Известные холодильные устройства и устройства теплового воздействия отличаются большой инерционностью, большими геометрическими размерами и низкой точностью дозирования воздействий

Решение задачи обеспечения сочетания режимов холодового и теплового воздействий при различной длительности импульсов, а также конIроль их температурных уровней, возможен только путем использования ТЭХ Оптимальным режимом переключения холодовою 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 работы (когда 1емпера1у-ра холодных спаев выше температуры горячих спаев) в режим максимальной энергетической эффект ивност и и далее в режим максимальной холодопроиз-водительности При таких кратковременных циклах работы ТЭХ изменяются их характеристики, в частности, холодильный коэффициент, энергс!ическая эффективность, максимальная холодопроизводительность, что требуе! проведения специальных исследований и выбора оптимальных режимов Так как эффект холодового воздействия на биоло1 ический обьек! усиливаем при одновременном совмещении механического массажа рефлексогенных зон организма. в работе учитывалось использование слоя грануляга между термоэлектрической батареей (ТЭБ) и объекюм воздействия, который выполнял роль теплового сопротивления между спаями ТЭХ и объектом во действия

В связи с этим диссертационная работа посвящена исследованию процессов, протекающих в ТЭХ при различных режимах их работы, определяемых объектом воздействия.

Цель работы. Целью диссертационной работы является исследование процессов, протекающих в ТЭХ и их оптими гация в соответствии с определяемыми объектом воздейс!вия режимами работы, разработка и создание на основе ТЭХ новых устройств для комплексного холодового и теплового воздействий на отдельные органы человечсско! о 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 нестационарных режимах, которые требуют разработки соответствующих математических моделей, и методик расчета, что является важным научным направлением термоэлектрического охлаждения.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи

1. Провести анализ существующих методов холодового и теплового воздействий на о!дельные органы человеческого организма и определить оптимальные режимы работы ТЭХ при их использовании в медицине для различных условий эксплуатации. 2 Разработать комплексную математическую модель ТЭХ, удовлетворяющих 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.

Методы исследования. В процессе решения поставленных задач использованы принципы сиаемного подхода, теория теплопроводности твердого г ела, математическая статистика, аналитические и численные методы решения дифференциальных уравнений и систем дифференциальных уравнений, методы машинной обработки экспериментальных данных

Научные положения, выносимые на защиту. I Метод локального холодового и теплового воздействий на основе ТЭХ для проведения физиотерапевтических процедур, позволяющий обеспечить контрастное холодовое и тепловое воздействия с требуемой объектом воздействия частотой переключения режимов и длительностью импульсов с высокой точностью регулировки их температурных уровней, совмещающий в себе эффект массажа посредством используемого грану-лята.

2. Математические модели для исследования различных режимов работ ТЭХ с учетом технических требований и параметров объекта воздействия при холодовом и тепловом воздействиях, учитывающие "неплотность" контакта (наличие теплового сопротивления) при перемещении стопы по поверхности гранул ята.

3. Конструкции ТЭХ для локального холодового и теплового воздействий на отдельные органы человеческого организма.

Новые научные результаты.

1 Разработаны конструкции ТЭХ для локального холодового и теплового воздействий для проведения физиотерапевтических процедур, удовлетворяющие всем предъявляемым к ним объектом воздействия требованиям, повышающие ючность регулировки температурных уровней и совмещающий в себе эффект механического массажа.

2 Предложены математические модели для исследования различных режимов работ ТЭХ, учитывающие тепловую нагрузку через тегшофизические характеристики стопы, и тепловое сопротивление через "неплотность'' контакта при перемещении стопы по поверхности гранулята.

3 Разработана система управления режимами работы ТЭХ для локального холодового и теплового воздействий на отдельные органы человеческого оргашима, отличающаяся от аналогов реализацией длительностями им-

пульсов воздействия в различных частотах переключения режимов работы и температурных уровней.

Практическая ценность разработаны конструкции ТЭХ для реализации требуемых в медицине режимов холодового и теплового воздействий, которые MOiyr быть использованы в физио - и рефлексоерапии при лечении многих заболеваний

Внедрение результатов. Разработанные в диссертационной работе методы, математические модели и устройства использовались при выполнении госбюджетной НИР в рамках тематического плана по заданию Министерства образования и науки РФ "Теоретические исследования и математическое моделирование комплексного физиотерапевтического воздействия на органы человека в целях профилактики, диагностики и лечения различных заболеваний", а также научно-исследовательской работы в рамках ФЦП "Интеграция науки и высшего образования России" на тему "Исследование и разработка полупроводниковых термоэлектрических устройств медицинского назначения".

Основные результаты диссертационной работы внедрены в клиническую практику лечебно-диагностического центра "Гиппократ", муниципальной поликлиники № 4 г Махачкалы, Санатория "Энергетик" (i Каспийск) а гакже в учебный процесс Дагестанского государственного технического университета

Апробация результатов работы. Работа в целом и отдельные ее результаты докладывались и обсуждались на VIH и IX Межгосударственных Семинарах "Термоэлектрики и их применение", Санкт-Петербург. ФТИ им. А.Ф Иоффе РАН, 2002 и 2004ц.; XI Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Современная техника и технологии" (г Томск), 5-й Международной научно-технической конференции "Измерение, контроль, информатизация" (г. Барнаул), II республиканской научно-практической конференции "Новые технологии в медицине" (г. Махачкала), а также на научно-технических семинарах кафедры "Теоретической и обшей электротехники" ДГТУ с 2002 по 2005 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ, из них 11 статей, 2 патента Российской Федерации на изобретение, 2 решения о выдаче патента РФ на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из вгедения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 227 наименований и приложения Основная часть работы изложена на 130 страницах машинописного текста Работа содержит 62 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность темы, определена цель работы и сформулированы задачи исследования, научные положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая значимость результатов

В первой главе дан анализ современного состояния термоэлектрическою охлаждения, а также рассмотрены перспективы развития современных ТЭХ применительно к системе здравоохранения Проведен литературный обзор холодового и теплового воздействий на состояние организма человека и его применение для лечения различных физиотерапевтических заболеваний Провеши ана-

лиз проблем существующих в современной рефлексотерапии и связанных с методами и средствами терапевтического воздействия холодом и теплом на отдельные органы человеческого организма

За последние десятилетия эта отрасль холодильной техники получила значительное развитие, поскольку появилась реальная возможноегь создавать малогабаритные холодильники для регулирования температурных режимов функционирования различной аппаратуры, обеспечивать получение локальных очагов холода, интенсифицировать процессы теплопередачи в сложных конструкциях. Отмечены большие перспективы применения реверсируемых ТЭХ в здравоохранении в силу ряда преимуществ электронных охладителей перед дру! ими

Рассмотрены методы расчета и моделирования электро- и теплофизиче-ских процессов в ТЭХ. Проанализированы наиболее характерные режимы' максимальной холодопроизводительности, максимальной энергетической эффективности, минимального тока питания (промежуточный относительно режимов максимальной холодопроизводительности и максимального холодильного коэффициента), принудительный режим охлаждения.

Проанализированы сферы и области применения термоэлектрического преобразования энергии. Отдельно рассмотрены области применения ТЭХ непосредственно в биологии и медицине. Эти объекты воздействия (в данном случае в качестве биологического объекта рассматривается стопа человека) определяют особые режимы работы ТЭХ Отмечено, что наибольшее применение термоэлектрические системы нашли в криотермоаппликации, которая широко используется в таких отраслях здравоохранения, как физиотерапия, хирургия, невропатоло-1 ия, косметология, профотбор Выявлен широкий спектр использования темиературною фактора в физиотерапевгической практике, в частности в рефлексотерапии Отмечено, что терапевтическое влияние оказывает как холодовое, >ак и тепловое воздействие через определенные промежутки времени.

Холодовое воздействие на ткани способствует в зависимости от задаваемой частоты переключения режимов низких температур снижению ишен-сивности месшого воспалительного процесса, стимуляции процессов регенерации в очаге повреждения, притуплению болей чувствительносш, вплоть до полного ее исчезновения, а также обеспечивает разрушение патологического очага и эффективный гемостаз в ране, противовоспалительный эффект местной криотерапии широко применяется в лечении очаговых гнойно-воспалительных заболеваний мягких тканей, гнойных ран, ожогов, тромбофлебитов Местная гипотермия также полезна при травмах, в частности переломах костей, воспалительных процессах, восстановительных операциях на конечностях.

Не менее важно и тепловое воздействие, как на организм в целом, так и отдельные органы человеческого организма, получившее в последние годы значительное распространение Широко распространены местные и общие контрастные ванны, ванны по Гауффе (ванны постепенно повышаемой температуры) и т.д.

Еще одним из способов локального теплового воздействия на организм является метод воздействия на биолог ичсски активные точки человеческого тела, т.е акупунктура Установление функциональных связей между всеми

частями человеческого организма заложило основы развития сегмент арно-рсфлекторных методов в физиотерапии Исследования пока шли что, возлей-сгвуя на поверхность 1ела в определенных зонах такими физическими факторами, как хотод и тепло, можно с лечебной целью влиять на жишенно важные функции организма Причем эффект холодовою во ¡действия на био-Ч01имеский обтект усиливается при одновременном совмещении механического массажа рефлексогенных зон организма

Таким обр,1зом, локальное компчексное хогодовое и тепловое воздействие на биологические ткгпи обладает особенным и неповторимым лечебным действием Уникальные терапевтические свойства тепла и холода находят объективное фт-зиологическое, иммунологическое обоснование

Итак, на сс одняшний день сложилась сшуапия, когда в физиотерапевтической практике становится необходимым создание холодильного устройства, совмещающего в себе контрастное воздействие холодом и теплом в сочетании с механическим массажем, способствующим усилению эффекта контрастности, чзо становится возможным только путем использования термоэлектрического охлаждения

На основании проведгнного анализа сформулированы цель и задачи работы Во второй главе рассмотрены режимы работы ТЭХ, сочетающие холодо-вое и тепловое воздействия соответствующие определенному типу лечебных процедур I (аиболее простым для реализации процедурам, связанным с Холодовым и тепловым воздействием на подошву стопы, соответствует режим работы реверсируемого с определенными частотами и длительностями импульсов воздействия ТЭХ, при котором предполагается практическое отсутствие теплового сопротивления между спаями холодильника и объектом воздействия, когда спаи ТЭБ непосредственно контактируют с подошвой стопы через эластичную выеокотеплопроводную прослойку При этом тыльная часть стопы находится в тепловой изоляции Вторая схема отличается от предыдущей наличием на верхней поверхности стопы второй ТО Б

Последую дие режимы работы ТЭХ аналогичны предыдущим, но предполагают наличие гранулята, обеспечивающего механический массаж на рефлексогенные зены стопы Это требует разработка математической модели, учитывающей наличие теплового сопротивления между ТЭХ и объектом воздействия Это сопоставление обусловлено наличием гранулята На основе проведенного анализа рафаботаны математические модели ТЭХ с учетом параметров объекта воздействия в стационарном и нестационарном режимах

Для построения математической модели стат.ионарного режима работы ТЭХ рассматривается некоторый общий случай температурного воздействия на биологически обьект, при этом физическая модель конструкции ТЭУ для воздействия нг нижнюю и верхнюю поверхность стопы в стационарных условиях, представляет собой мноюслойную структуру, состоящую из ТЭХ и слоя тсплово1 о сопротивления (грануля га), находящихся в тепловом контакте с нижней поверхностью ;топы человека

Объект воздействия рассматривается для определения специальных режимов работы ТЭХ при холодовом и тепловом воздействиях на органы человека.

dъ

1 dx

Математическая формупировка ¡адачи расчета теплообмена для такой модели представлена системой уравнений (1)-(3) с тачальным и граничными условиями (4)-(8)

^-0. (1, ' d±-0, (2) dx X, ■ ú\

(3) '.I. = 4 (4)

i dT>\ • '"А , ! ,jr>

г ' А., 9м <5> Л2Л., Ар ^ () <б>

л*|„,=0 (7) (8)

i де 7( - распределение температуры по толщине ы о слоя; г,, /, и , 14 - сопротивление и величина "ока питания соответственно первой и второй ТЭБ; ?., - коэффициент теплопроводности г-го слоя; с/1( количество тепла, выделяемого в единицу времени в стопе; 7],„,/,„, - температура внешних спаев соответственно первой и второй ТЭБ, q0 t,q0l - тепловой поток на внутренних спаях соответственно первой и в юрой '1ЭБ, возникающий вследствие (поглощения, выделения) теплоты Пельтье, / - коэффициент трения стопы при ее перемещении вдоль поверхности емкости с фанулятом, v - скорость перемещения стопы, Р - давление стопы на емкость с гранул пом.

Решение этой задачи записывается в виде'

Т =-Я-х^с,х+С1 (9) 2Я, 2к

|де С, с„ с, с, t , С , См с„ - постоянные интегрирования определяются из уравнений-

Ca^-fiP = -qJ +Г,Л. r,2¿2 + CM=-^-/; fC,A + C„, (10)

2/Í3 z/,

r/2 ,

К „/,+(•,,=/, 2Д4 14

Полученное решение описывает распределение темпере туры по толщине каждого из слоев в системе, учитывая тепловые погост; на внутренних спаях ТЭБ, параметры стопы и материал гранулята Исходя из полученных данных, производится расчет ТЭБ по соответствующим расчетным формулам

Зависимости, опре/ елкошие распределение температуры по толщине стопы, носят практически линейный характер (рис 1) и показывают, что перепад температуры по стопе практически не наблюдается, что связано, прежде всего, с наличием интенсивною теплоотвоча и теплоподвода на одной (нижней) поверхности стопы и теплоизолящ и друюй, небольшим по сравнению с тепловым потоком с нижней поверхности уделтным тепловыделением в стопе, а 1акже рассмотрением установившегося стационарного режи-

ма системы «усгройсгво-стопа». При этом для рассмотренного типа ТЭМ необходимый диапазон температурно! о воздействия соотвосгвует холодопро-изводительнос!и ТЭХ порядка 60 Вт и 1еплопроизводигсльности около 45 Вт, что определяет вполне приемлемую величину энер| опофебления.

Так как проведение процедур с использованием 1ЭХ сопровождаем перемещением стопы по поверхности гранулята (механический массаж), важным является учет "неплотности" их контакт. В рассматриваемой модели устройства учет тепловою сопротивления ТЭХ, обусловленного наличием гранулята, произведен введением в граничное условие (б) дополнительного члена /\'Р, величина которого определяет потери гепла, возникающие при неплотном (скользящем) контакте двух поверхностей. Величина тепловых потерь на слое гранулята толщиной 0,02 м достигает 0,5-1 °С Снизить это значение, очевидно возможно, увеличив коэффициент теплопроводности грану-

I')!, в режиме охлаждения и нафева

Вместе с гем представляет большой интерес исследование нестационарных процессов, происходящих при местном контрастном холодовом и тепловом воздействиях на биологический объект (в данном случае стопу) при специальных режимах работы ТЭХ Это связано с возможностью исследования переходных процессов, происходящих при включении, выключении и переключении с режима на режим ТЭБ, а также учетом инерционности температурного воздействия.

Исходя их сказанного, имеет смысл расчет нестационарной тепловой задачи для упрощенной физической модели, не рассматривающей теплообмен в ТЭБ и элементах сопряжения ТЭБ с отельными зонами конечностей

Математическая формулировка задачи представлена уравнением (11) с начальным и граничными условиями-

т |,-о - т* , , = <Ь> К Ч „ -/„,

где (/( - 1—; а - , с/, - тепловой поток на внутренних спаях ТЭБ.

' ср с Р

возникающий вследствие поглощения (выделения) теплош Пельтье, л - ко-

зффиииепт теплопроводности сняты, с - теплоемкость ступни; р - плотность объек!а воздействия, /„ - емперагура участка человеческого организма при отсутствии воздействия (в большинстве случаев 36,6 °С); /( - температура на верхней поверхггости стогн,I (предусматривается интенсивный теплообмен с окружающей средой), ! - толщина ступни

Для решения данной "адачи воспользуемся методом интегральных преобразований и после соотЕетствующих преобразований решение задачи получаем в следующем виде:

■ь 2x1 _ ^ 2 (

I (х I) - I t х - ц

4-1

Sm //

И/,

'1,1'

х 1 )( OS JI -—-—

(12)

Л/7 п ' и // п*

Па рис 2-3 представлены графики распределения температуры по толщине ступни при разим < значениях ц, На рис 2 рассмотрен случай, когда имеет место охлаждение с одной поверхности стопы и нагрев с другой, а на рис. 3 - охлаждение с обег-х противоположных поверхностей стопы. Исходными данными для обоих случаев явились следующие величины. ?-0,4 Вт/(м-К), ¿-0,04 м, <?,= 10б Вт/кг, Чг-1000 Вт/м2, а -0,М0%7|К-с), /,-285 К, Г-310К./=0. 600с Х=0 ,.С,04

т к

•m

Рис 1 inкисимости распределения температуры но готщине стопы о\лаждаемой с одной стороны и Haï ре

ваемой с ipv I ой ui времени при 1000 T| 285К, Гп-310 К

Зависимо! I и распределения температуры по толщине стопи при ее охлаждении от времени npiq2--1500. Г, Î85K, Г.гЗЮК

Согласно полученным данным, взаимное влияш-е изменения температуры на противоположных поверхностях стопы незначительно. Понижение (повышение) температуры учаегков сгопы, близлежащих т. поверхности (кожного покрова), зависит только ог холодопроизводительноети (теплонро-изводительности) ТЭБ, непосредственно контактирующей с ними Влияние теплового воздействия ТЭБ, приведенной в тепловой контакт с противоположной поверхностью стопы, в этом случае незначительно, что является следствием низкой теплопроводности тканей стопы, а также незначительными тепловыми потоками на ее поверхности

Был проведен расчет и исследована ТЭБ, построенная на основе модуля 1СЕ-71 с учетом параметров объекта воздействия

Па рис 4- 5 представлены зависимости Qui,-, величины электрического

тока пшания I при фиксированном значении (емпературы холодною спая (//)Л, 263 К) и пофебляемой электрической мощности Основываясь на указанных данных, можно сделать вывод о приемлемых значениях энергопотребления гермостатирующей системы и величинах тока питания, не превышающих в данном случае 5 А

1'ис 4 Зависимость хотодопрошводитсльности ТЭБ Рис 5 Зависимость холодопрошводитсльности ТЭЬ от потреб темой мощности от величины тока питания

Помимо известных рефлексогенных зон, Tonoi рафически локализованных в определенных областях (например, ладонная поверхность кисти, подошвы стопы, зона области носа, ушная раковина и т.д ), существует еще ряд акупунктурных точек и областей, для эффективного воздействия на которые требуется точная локализация теплового потока по поверхности исследуемого участка. Поэтому при разработке соответствующего устройства нами была рассмотрена двумерная плоская задача теплопроводности-

д1 ,я'1 1 д> 1 С'' * 1 „, (13)

f'r дг г с г г ? (р с р

с начальным и граничными условиями

т\,_0 = зкж ru = h = 310 к, aJ 11г_9 0, - о, = Т0

с/ 1 dip1

v 14.

(И)

Р (г <р ) = при 0<r<il0<<p<2x '

q приг ^ i г <> R ,0 <//>< 2 я Т\, „ = 310 Л

где т - температура биологической ткани; а - коэффициент температуропроводности биологической ткани; q , - объемная плотность тепловыделений биологическою объекта, Qnb - мощность на внутренних спаях ТЭБ, с - теплоемкость биологической ткани, р- плошость биологической ткани; г, - радиус зоны воздействия; R - радиус рассматриваемого участка биологической ткани (влияние источника холода (тепла) при г - R на температуру биологической ткани пренебрежимо мало)

Решение данной задачи аналитически затруднительно, поэтому был использован численный метод конечных элементов

На основе решения уравнения (13) с граничными условиями (14) численным меюдом получены картины распределения температуры по объему биологической 1кани при локальном охлаждении и нагреве (рис 6-7)

Полученные танные позволяю! сделать вывод о достаточной эффекгив-

ности проведения процедур в смысле соблюдения температурного режима воздействия на рефлексогенные зоны человеческого организма и четкого распределения температуры на поверхности биологической ткани.

Шкала гемператур

■ГЗЕ

~тт

Рис 6 Рас фечетение температуры по объему биологической ткани при шкальном охлажчении

Рис 7 P;ic прелслеиие температуры по объем\ биологической ткани при локальном нагреве

Проведенные расчеты по разработанным математическим моделям доказали целесообразность разработки ТЭХ для локального холодового и теплового воздействий на отдельные органы человеческого ортанизма

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований ТЭХ оля локальною холодового и теплового воздействий на отдельные зоны конечностей человека Экспериментальные исследования проводились с целью подтверждения адекватности математических моделей и правильности сделанных на их основе выводов

Для проведения экспериментальных исследований ТЭХ для холодового и теплового воздействий на стону человека был собран стенд на базе ПЭВМ Pentium Ш и измерителя технологического многоканального ИРТМ 2024. Питание ТЭМ осуществляется программируемым блоком питания. Эксперимент проводился при непосредственном холодовом и тепловом воздействиях на стопу человека, температура которой контролировалась термопарами, установленными на подошве

Измерения проводились при использовании гранулята разного диаметра. начиная с 4 мм и заканчивая 10 мм шагом 2 мм Потери определялись по достижению стационарного состояния системы как разность температур верхней границы первого, а также второго слоя гранулята и температуры пластины. Так, при диаметре транулята в пределах 10 мм они составили 2,5-3,5°С (для сравнения при использовании гранулята диаметра 4 мм это значение лежало в пределах 1-2пС)

В ходе эксперимента определялись напряжение и ток на ТЭБ, температура окружающей среды, температура в различных точках опытного образца и время Были получены следующие зависимости изменение температуры пластины во времени при различных токах питания ТЭБ в режиме нагрева и охлаждения; изменение температуры в различных точках пластины во времени; временная зависимость температуры теплообменника и ТЭМ в режимах охлаждения и нагрева, временная зависимость температуры на пластине и гра-нупяге в динамическом режиме при токе питания ТЭБ в 5А; изменение тсм-

пера!уры плас "ины во времени при различном количестве ТЭМ. временные зависимости температуры пластины и температуры на подошве стоны при различных юках в режиме нагрева и режиме охлаждения, переходные характеристики устройства

На рис 3-9 представлены временные зависимости температуры поверхности соприкосновения ТЭХ и температуры на подошве стопы при различных токах в режиме нагрева (рис.8) и режиме охлаждения (рис 9)

Исследование этих зависимостей показывает, что температура на поверхности соприкосновения ТЭХ со стопой человека (медная пластина) рас-1ет с увеличением тока питания I ЭБ, в то время как на подошве стопы заметны процесса! терморегуляции живых систем. После достижения на стопе температуры д.члеко отстоящей ог нормального состояния включаются механизмы терморегуляции, и температура постепенно выравнивается в зависимости от воздействующею режима. Следует 01 метить, что 1емпература на пластине достигает необходимого значения, а именно 42-45°С в режиме нагрева и 10-12°С в режиме охлаждения в течение 3-$> минут.

01 со

СЙИ

I МИН

о I----

00 00

1'нс 8 Временная зав (симость темшратуры на поверхно сти соприкосновения *)X со с опои (етовека и на стопе при ратшчных токах п ттання ТЭБ в р а.нме пи рева

Рис 9 Временная зависимость темнера|уры на поверхно сти соприкосновения Т~)Х со 1еювека и на сюги

при раипн им у токах ттния ТЭБ в ул-л нме ох |ажденпя

В ходе экспериментапьных исследований кроме этою нами были получены следующие зависимости' изменение температуры рабочих и опорных спаев ГЭМ от величины тока питания, зависимость температуры в различных точках поверхности соприкосновения устройства со стопой четовека о г тока, кривые времени нагрева и охлажден!-я в интервале температур от 10°С до 45°С в зависимости от тока питания, а также переходные характеристики устройства, так как данное устройство предназначено для работы в динамическом режиме, обеспечивая попеременное воздействие холодом и теплом.

На рис 10. приведены переходные характерис-ти <и ТЭХ.

-- Т пласт центр -

Рис 10 Зависимость температур на поверхности соприкосновения ¡ОХсоогопои теловекл и на самой стопе в динамическом режиме при токе пимния

Анализ зависимостей показал, чю общее время одного цикла при токе питания 5А составляет около 6-7 мину! (с частоюй 0,002 с '), причем режим нагрева обеспечивается за 2-3 минуты, режим охлаждения за 3-5 минут

Проведенные жепериментальные исследованич подтвердили правомочность выбранных магматических моделей и доказали целесообразность разработки ТЭХ для локальною солодового и теплового во действий на стопу человека.

Сопоставление опытных данных с расчетными значениями показало их хорошую сходимость Максимальное отклонение эксперименталы- ых и теоретических зависимостей составило не более 7 % на всем диапазоне изг^ ерений

В четвертой главе описаны конструкции разработанных ТЭХ для локального холодового и юпловоп воздействий в медицине.

Разработаны различные модификации ТЭХ

Внешний вид ТЭХ для локального температурного воздействия на стопу человека приведен па рис.11.

Разработанное ТЭХ для локальною температурного воздействия на стопу человека содержит ГЭБ, первыми спаями находящуюся в тепловом контакте с нижней поверхностью стопы человека через ванночку, выполненную из высокотеплопроводно! о материала, на дне которой располагаются металлические шарики, также изготовленные из материала с высокой теплопроводностью Отвод тепла со вюрых спаев ТЭБ производится жидкостным теплообменником У правлен!'е режимами работы ТЭБ осуществляется программируемым блоком питания.

Рис II Т')Х 1,!я комплексного хололовою итеплопого воздействий на стопу человека

Для одновременного воздействия на верхнюю поверхность стопы человека разработано ТЭХ, содержащее эластичную емкость (рис 12) В конструктивном исполнении допотнительная ТЭБ прилегает через тонкостенную эластичную емкость к верхней поверхности стопы человека посредством сюйки, состоящей из секций, соединенных между собой шарнирами

ТЭХ для локального холодового и тепловою Бездействий на стопу человека с рельефной поверхностью (рис 13) отчичаегся от предыдущих устройств возможностью температурного и механическою массажа что позво-

ляет с наиболыигй эффективностью воздействовать на рефлексогенные зоны с гопы человека.

Для осуществления контрастного теплового воздействия на биологические ткани человека и интенсификации теплопередачи разработано устройство, изображенное на рис. 14 Прибор представляет собой цилиндрический радиатор, содержащий Г) VI первые спаи которых сопряжены с тепловырав-нивающей металлической пластиной, а вторые спат снабжены жидкостным теплообменником На поверхности тепловыравнива тощей пластины имеется датчик температуры. Для удобства позиционирования устройства на теле человека используется ручка.

Сюоо£ссосгОа С1СЬсцэаОоосгО ОоОоооОсцза:

схОаооОоооО аохз0оохг0оо

1--------'

Рис !2 Г)Х для иев1рсируемого хододового и теп- ,

Рис 13 С труктурная схема I ЭХ для хото-ловою воздействия на нижнюю и 1ер\нюю поверх- '

Д0В0[о итепчового во¡действия

ность стопы человека

Друюй вариант ТЭХ для локального контрастною температурного воздействия, приведенный па рис. 15, обеспечивает "шахматное" распределение температуры на поверхности воздействия Устройство снабжено ручкой, которая соединяется с ТЭБ >-ерез подшипники. Ток пшаттия ЮЬ подастся по ручке устройства через электрические щетки.

Рис 14 1 )Х для покалъно о чолодово! о и тешювого воздействий на биологические |к,1ни человеческою организма

Рис 15 ТЭХ лдя ; окального контрастного температурно го воздействия

Все устройства просты в изготовлении и могут быть использованы в физиотерапевтической практике.

В заключении сформупированы основные выводы по диссертационной работе в целом

В приложении к диссертации приведены фрат менты расчетов в пакете прикладных программ МАТНСЛЭ 11 и некоторые таблицы экспериментов

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАЬОТЫ

В процессе решения ндач, поставленных в диссертационной работе, получены следующие результат ы

- разработаны ТЭХ цля холодового и теплового воздействий на стопу человека, позволяющие проводить адаптивную регулировку физических параметров воздействия в соответствии с состоянием биологического объекта и обеспечивающие точность и надежность регулировки,

- разработаны теоретические основы расчета ТЭХ для холодовот и теплового воздействий на стопу человека, отличающиеся учетом теплового сопротивления через "неплотность" контакта объекта и средства воздействия,

- разработаны математические модели ТЭХ с учет ом параметров объекта воздействия при переменной частоте переключения в стационарном и нестационарном режимах;

- доказана адекватностт разработанных математических моделей путем проведения комплекса экспериментальных исследований, в результате которых расхождение полученных теоретических и экеггеримен" альных данных не превысило допустимы» значений;

- разработаны медико-технические требования к ТЭХ для локального холодового и теплового воздействий на стопу чело зека, позволившие произвести техническое воплощение его рабочего варианта Полутено 2 Патента РФ и 2 решения о выдаче татента РФ на изобретениг

- проведена клиническая апробация ТЭХ для локального теплового воздействия на стопу человека в условиях лечебно-диагностическэго центра "Гиппократ" (г Махачкала) и санаторно-курортного учреждения "Энергетик" (г. Кас-пиийск), которая показана их эффективность прт решении задач точной регулировки температуры для повышения результативности лечебных мероприятий.

Совокупность резуль'тагов проведенных исследований позволяет использовать их в качестве научной основы в дальнейшем при разработке и создании новых 1 ЭХ для медицины.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Пат. 2245693. С2 А 61 Г 7/00 Полупроводниковое термоэлектрическое устройство для локального температурного воздействия на стопу человека / Т. А Исмаилов, Г И Аминов, О В Евдулов. М А Хазамова (РФ). -№2002125785, Заявл. 27 09.02; Опубл. 10.02.05, Бюл № 4. - 4с

2 Пат.2245694. С2 А 61 ¥ 7/00 Исмаилов Т А Полупроводниковое термоэлектрическое усфойсгво для локального температурного воздействия на стопу человека /ТА Исмаилов, Г.И Аминов, Зарат Абделькадер, О В Евдулов, МА. Хазамова (РФ) - №2002125786, Заявл 27.09.02; Опубл 10.02 05. Ьюл. №4.-4с

3 Исмаилов ТА , Аминов Г И , Евдулов О.В , Хазамова М.А Термоэлектрическое полупроводниковое устройство для локальною емпературното воздействия на стопу четовека // Решение о выдаче патента РФ X» 2003127333.

4 Исмаилов Т А , Аминов Г И , Юсуфов III А , А минова И Ю , Хазамова VI А Iермоэлекфическое устройство для локального контрастного гемпе-

ратурного воздействия " Решение о выдаче пате (та РФ № 2004121283

5 Хазамова М А Термоэлектрическое устройство для локального температурного Бездействия в здравоохранении / Т А Исмаилов, Г И Аминов, А К Зарат '/ Термоэлектрики и их применение- Материалы докл VII Межгос семинара, Санкт-Пегербур], СоТИ им АФ Иоффе РАН, 2002 - С. 385-389

6 Хазамова М А Устройство для массажа стопы человека /I А Исмаилов, Г И Аминов //Новые технологии в медицине Материалы П республиканской научно-технич конференции - Махачкала ДГТУ 2003

С. 197-198

7 Хазамова М.А Термоэлектрическое устройство для воздействия на « рефлексогенную зон> человеческого организма /Г И Аминов, ША Юсуфов // Состояние и перспективы развития термоэлектрического приборостроения' Материалы II Всерос научно-технич конференции Махачкала. ДГТУ. 2003 С 91-95 *

8 Хазамова М А. Математическая модель полупроводникового термоэлектрического устройства для теплового воздействия на стопу человека / Т А. Исмаилов, О В Евдулов // Изв. вузов Приборостроение.- 2004. - Т 47, №7 - С.43-50.

9 Хазамова М.А. Модель термоэлектрической системы для криотермоап-пликации / "I .А Исмаилов, О В Евдулов//Вес тик Международной академии холода. 2003..Чд 3 С 16-18

10 Хазамова V А Применение '1ЭМ для меспюго температурного воздействия на конечности человека / Т.А. Измайлов, О.В. Евдулов // Термоэлектр-тки и их применение: Материалы докл IX Межгос семинара, Санкт-Петербург, ФТИ им АФ Иоффе РАН, 20Э4 С 438-443.

11 Хазамова МА Решение нестационарной задачи теплопроводности для биологического объекта при местном температурном воздействии / 'Г.А. Исмаилов, О В. Евдулов, М.А Хазамова //Е!естник ДГТУ. Техн науки, Махачкала, 2004 Вып № 6 - С. 3-6

12 Аминов Г.И, Хазамова М.А Термоэлектричсекое устройство для локальной " ермотерапии II Измерение, контроль, информатизация Материалы 5-й Международной НТК / Барнаул АГТУ, 2004 С. 109-110.

13 Стенд для испытаний термоэлектрическою устройства для физиотерапии é I Исмаилов Т.А., Хазамова М А //Современные техника и технологии: Сб докладов XI Международной НПК. Томск, 200'í Т 1.С 381-382

14 Хазамова М.А Термоэлектрический полупроводниковый интенсифика-

тор для локального тег лового воздействия на биологические ткани человс- «

ческою организма Ч Вгстник ДГТУ Техн. науки, - Вып № 7 - 2005. С.27-30

15 Хазамова МА Моделирование нестационарною теплового режима отдельных зон человеческою организма при местном температурном воздействии / Т.А. Исмаилов, Р П Мейланов // Изв Зузов Северо-Кавказский регион. Ново теркасск Технические науки -200 5 №1 С.34-36.

Формат издания 60x84,1/16 Бумага офсегная Гарнюура Тайме Печать ризограф Уел печ л 1,3 Уч-изд л 13 Тираж 100 экз Заказ 116

Отпечатано в ИИЦ ДГГУ. 367015, I.Махачкала, пр.Имама Шамиля,70.

14&Í4

» 14544

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.

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

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.

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