[发明专利]一种静电雾化内冷磨头

说明书

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，具体涉及一种静电雾化内冷磨头。

背景技术

骨磨削是神经和骨科手术的一个必不可少的程序，临床上常用高速微型砂轮去除骨病理。然而，高速磨削产生大量的热，导致骨坏死和周围组织的热损伤，对组织的凝血功能也有一定的影响，临床中常用生理盐水做冷却液减少热量的产生。因为在磨削过程中不能确定温度从而不能控制热损伤的程度，磨削热损伤已经得到临床中公认的关注。Kondo等人指出，在浇注式生理盐水冷却方式下，磨削热产生的最高温度仍会达到43℃，高于43℃时，视神经就会受到损伤，严重时会导致失明。人体不同部位、不同组织所能承受的最高温度也不同，例如，当温度高于临界值50℃时，骨头会出现不同程度的热损伤，从43℃起神经就开始出现热损伤。涉及到骨磨削，面部瘫痪和股骨头坏死也是骨科手术中普遍存在的一个问题。因此，在骨磨削手术中，对温度的控制直接关系到手术的成败。

目前临床中常用的冷却方式为滴灌式冷却，即在磨削过程中将生理盐水滴向磨削区。当需要磨除的骨病例较多且病变处于视野较宽阔的部位时可采用浇注式冷却，即向磨削区浇注大量的生理盐水，以提高磨削区换热能力。在机械加工领域，磨削加工中微量润滑(Minimum Quantity Lubrication，简称MQL)技术是当前研究的焦点。然而微量润滑技术存在冷却性能不足的缺点，使得其应用具有较大的局限性。在微量润滑基油中添加一定比例的纳米粒子，改善射流整体的换热能力，同时提高油膜在磨削区的润滑效果的纳米粒子射流微量润滑(Nano-particle jet Minimum Quantity Lubrication，简称Nano-MQL)进入了人们的视线。所谓的纳米粒子是指三维尺寸中至少有一维尺寸小于100nm的超细微小固体颗粒。纳米粒子射流微量润滑，在微量润滑的基础上，向磨削液中添加纳米级固体粒子，将纳米粒子、润滑液与压缩空气混合经雾化后以射流的形式喷入磨削区进行冷却润滑。基于固体强化换热理论，利用固体粒子导热系数远大于液体和气体的优势，在相同粒子体积含量下，纳米粒子的表面积和热容量远大于毫米或微米级的固体粒子，将纳米粒子与磨削液混合后形成纳米流体的导热能力将大幅度增加。

气雾式冷却和纳米流体气雾式冷却都需要专门的喷嘴使冷却液或纳米流体雾化，传统的雾化喷嘴为气动雾化喷嘴，即利用气路和液路使压缩空气和冷却液或纳米流体充分混合后以雾化液滴的形式经喷嘴出口喷射至磨削区。然而气动雾化喷嘴的雾化效果还不够好，并且从喷嘴喷出的液滴随意漂浮在周围的空气中。贾东洲等人分析了传统气动雾化喷嘴的优缺点，发明了一种静电雾化喷嘴，即利用静电雾化原理在气动雾化的基础上对压缩空气和冷却液或纳米流体进一步雾化，同时利用静电荷电原理将喷出的液滴荷电，被荷电的液滴在电场力的作用下定向的向工件移动，从而实现液滴分布的可控。

由于骨磨削过程中磨具的高速转动，气流屏障阻碍了磨削液有效地进入磨削区。滴灌式和浇注式冷却中能进入磨削区的有效冷却液少之又少，气雾式和纳米流体气雾式冷却的有效流量率也不是非常理想。相变换热技术的出现为小型低温医疗器械的发展带来了希望。相变换热式磨头由一空心轴组成，可划分为蒸发段，绝热段和冷凝段，其空腔内具有初始的真空度，并充有适量的工作液。当转速足够高时，工作液随磨头旋转并覆盖在磨头内空腔的内壁面上，形成一个环形液膜。当磨头工作时，磨削区受热，该处的工作液将蒸发，液膜变薄，产生的蒸汽将流到磨头的另一端。蒸汽在冷凝端放出热量凝结成液体，使液膜增厚。冷凝液在离心力分力的作用下沿着内壁面返回到加热端。这样连续地蒸发、蒸汽流动、凝结与液体的回流，把热量从加热端送到冷凝段。陈旭等人通过对相变换热式磨头的等温性能、启动性能以及自身的传热能力的评价，验证了相变换热式磨头设计的可行性和传热效果。

磨头磨粒的性能对磨削温度也有很大影响。为了抑制磨削区产热，Toshiyuki用普通金刚石磨头，附有SiO₂的金刚石磨头和附有TiO₂的金刚石磨头，通过对牛股骨进行磨削实验发现，与普通金刚石磨头相比，附有SiO₂的金刚石磨头在磨削初始可以略微降低磨削温度和磨削扭矩，然后在一定时间后，磨削温度超过了阈值，并出现和普通金刚石磨头磨削时一样的表面负荷。然而由于微米级TiO₂颗粒的亲水性，附有TiO₂的金刚石磨头显著降低了磨削温度。

内冷方式在钻削和机械磨削加工中也是一种常用的冷却方式。它是将冷却液通过钻头或砂轮的内冷孔直接输送至切削区，从而有效降低切削温度。