Внедрение пассивных решений по управлению теплом для содействия развитию медицинских электронных устройств.
Мощные медицинские технологии 21-го века, от устройств визуализации до хирургических инструментов и автоматизированного иммунитета, впечатляют, во многом благодаря возросшей вычислительной мощности микропроцессоров. Однако для инженеров-теплотехников эти достижения дорого обошлись. Чем больше мощность устройства, тем больше тепла оно выделяет, и, как правило, оно должно рассеиваться во все меньшем и меньшем пространстве (по мере того, как размер устройства становится меньше). Поскольку наши требования к точности и надежности медицинских устройств растут, контроль рассеивания тепла становится еще более важным.
Другая проблема связана с тем, что к медицинским устройствам предъявляются особые требования из-за связанных с ними высоких рисков. Например, некоторые материалы, обычно используемые в растворах для отвода тепла (например, медь), непригодны во многих медицинских целях из-за их близости к человеческому телу (помимо того, что медь вызывает воспаление в тканях человека, она может вызывать тяжелую и необратимую дегенерацию нервных клеток). салфетка). Потребность в точности в некоторых медицинских приложениях может сузить пространство, доступное для охлаждающих устройств, до такой степени, что на грани исчезновения -- хирургические инструменты, требующие регулирования температуры во избежание повреждения тканей человека, предоставляют разработчикам только 0. 5 миллиметров для развертывания технологии теплопередачи.
Еще одна область, требующая сверхкомпактных решений для управления температурным режимом, — это разработка устройств, имплантируемых человеку, которые требуют как небольшого размера, так и точных коэффициентов изменения температуры для защиты органов человека. Наконец, быстрые периодические изменения температуры (с колебаниями температуры до 50 градусов по Цельсию в течение миллисекунд) являются общей чертой многих лабораторных устройств, таких как расщепители ДНК. Все эти факторы, связанные с точностью, надежностью, размерными ограничениями и строгим выбором материалов, делают медицинскую теплотехнику сложной задачей для проектировщиков. Инженеры-конструкторы по теплопередаче должны выбирать между эффективностью, размером и стоимостью и, что все чаще, тепловыделением или низким уровнем шума (это означает, что в некоторых приложениях нельзя использовать вентиляторы, хотя их большой объемный расход газа делает их оптимальными для рассеивания тепла).
Теплопередача
Инженеры-теплотехники все чаще обращаются к пассивным устройствам теплопередачи (например, тепловым трубам) для решения этих задач, поскольку рабочая жидкость в теплопроводной трубке имеет две формы существования: жидкость и водяной пар, поэтому теплопроводная трубка является двухфазной. охлаждающее устройство. Передача тепла достигается за счет превращения рабочего тела из жидкости в водяной пар. Непрерывный цикл испарения, переноса (теплоты), конденсации и возврата сконденсировавшегося рабочего тела в зону испарения.
Во время этой работы не будет сбоев компонентов системы доставки, что является ключевым фактором в приложениях, где надежность имеет первостепенное значение для достижения точных результатов или выздоровления пациента. Конструкция пассивных компонентов теплопередачи проста и обычно включает вакуумную герметичную трубу, заполненную рабочей жидкостью, которую относительно легко миниатюризировать. Достижения в технологии капиллярной структуры помогают гарантировать, что охлажденная и сконденсированная рабочая жидкость противостоит силе тяжести и эффективно и надежно возвращается в секцию ввода тепла проводящей трубы. Это позволяет проводящей трубе работать в различных ориентациях. Обладая большей свободой проектирования, дизайнеры могут даже использовать гибкие теплопроводные трубки.
Другой наиболее часто используемой схемой отвода тепла является радиатор. Радиатор может работать в режиме принудительной или естественной конвекции, но опять же, любой из подходов требует компромиссов. Если вы увеличиваете воздушный поток, используемый для охлаждения, это означает, что вы можете уменьшить количество ребер или уменьшить площадь ребер. Однако, если воздушный поток, создаваемый вентилятором, больше, шум, создаваемый вентилятором, больше. Если вентилятор производит меньший поток воздуха, вентилятор работает тише и может быть меньше, но это означает, что радиатор должен иметь больше или больше ребер. Следовательно, сделать охлаждающие компоненты меньшего размера и тише в одном и том же оборудовании непросто.
В теплообменнике с тепловыми трубками тепло передается через тепловую трубку на ребра, а затем рассеивается в окружающий воздух. Но это можно сделать, способ уменьшить размер и одновременно шум - сделать части радиатора более изотермическими, радиатор, который ранее охлаждался одним термоэлектрическим охладителем (ТЭО), можно перепроектировать, чтобы иметь несколько TEC, которые равномерно передают тепло по поверхности радиатора, а не полагаются исключительно на теплопроводность. Однако помимо необходимости обслуживания такие схемы усложняют и удорожают электронику. Сборка теплопроводящих труб реечного типа может обеспечить идеальную термостабильность и меньшую нагрузку на техническое обслуживание. Более простым решением для охлаждения является использование технологии пассивного охлаждения для объединения радиатора со встроенной паровой полостью (по сути, приведение теплопроводной трубки в плоское состояние, чтобы она стала плоской теплопроводной трубкой) или использование радиатора, поверхность которого интегрирована. с теплопроводной трубкой. Обе схемы обеспечивают быструю и равномерную передачу тепла за счет испарения рабочего тела во встроенной теплопроводной трубе или паровой камере. Водяной пар равномерно переносит тепло через всю нижнюю поверхность радиатора и ребра радиатора, избегая горячих точек. Поскольку ребра изотермические, поток воздуха через ребра несет наибольшее количество тепла.
В целом переход к пассивным охлаждающим устройствам (например, тепловым трубкам, радиаторам и испарительным камерам) в медицинских устройствах отражает текущую эволюцию в сторону более компактной, более мощной и миниатюрной электроники. В то время как более традиционные варианты охлаждения (охлаждение, ТЭО, пластины жидкостного охлаждения и т. д.) остаются наиболее подходящим выбором для некоторых медицинских устройств, разработчики считают, что технология пассивного охлаждения будет становиться все более привлекательной по мере ее развития. Достижения в области материальных структур также сделали решения для пассивного охлаждения более привлекательными для разработчиков медицинских устройств. Например, появление пиролитического графита (APG) сделало возможными охлаждающие компоненты, которые меньше по размеру, легче и более эффективны, чем обычные алюминиевые или медные радиаторы.
По мере того, как продукты стремятся к большей миниатюризации и меньшим размерам электронных корпусов, материалы с более высокой теплопроводностью могут дать разработчикам преимущество.
Эффективная теплопроводность ПНГ составляет 1000 Вт/мК, что в 5 раз больше, чем у твердого алюминия, и в 2,5 раза больше, чем у твердой меди. Apgs также могут быть упакованы для таких приложений, как хирургические инструменты. В таких случаях важно избегать контакта с тканями человека из-за опасений по поводу повреждения тканей, рубцевания или инфекции. Разработка таких материалов, как APG, помогает объяснить, почему разработчики медицинских устройств выбирают более пассивные системы управления рассеиванием тепла.
Эти системы не только предлагают более широкий спектр опций, но во многих случаях они предлагают лучшие варианты управления теплом.
По сравнению с традиционными решениями для жидкостного охлаждения пассивные системы охлаждения более надежны (меньшее количество транспортных компонентов означает меньший риск отказа), требуют меньше обслуживания, имеют более гибкую конструкцию, работают тише и во многих случаях проще управлять затратами. Ниже представлены несколько примеров концепций пассивного управления теплом, интегрированных в некоторые важные приложения для медицинских устройств.
Диагностическая визуализация
Поскольку производительность электроники быстро ухудшается после достижения критической температуры, охлаждение корпуса имеет решающее значение для технологий, использующих большое количество электронных компонентов, таких как магнитно-резонансная томография (МРТ), компьютерная томография (КТ), ультразвук и рентген. Даже небольшие колебания температуры могут повлиять на калибровку и результаты, что приведет к дорогостоящему простою и обслуживанию. FDA сыграло важную роль в доведении повторяемости и воспроизводимости результатов испытаний медицинских устройств, таких как сканеры, биотехнологические устройства и лабораторные микроанализы, до почти идеального уровня (более или равного 95 процентам). Для обеспечения точности спецификация требует проведения 31 отдельного теста для одного диагностического имидж-сканера (21 CFR 900.12), многие из которых ухудшаются из-за рассеивания тепла. Конкурентный рынок диагностических медицинских устройств сделал строгий контроль рассеивания тепла еще более важным фактором при разработке электронных продуктов.
Разработчики обычно работают в очень узком диапазоне изменения температуры (δT), с разницей температур в 10 градусов между внутренней и внешней средой корпуса устройства. Несколько источников тепла (таких как питание оборудования и другие дискретные электронные компоненты) могут производить общую выходную мощность 1200 Вт или более, из которых 400 Вт приходится на отработанное тепло, подлежащее отводу. С ограничениями на размер вентилятора и скорость ветра добиться тишины становится сложнее. Эти проблемы часто могут быть решены с помощью теплового трубчатого теплообменника в наибольшей степени. В теплообменнике с теплопроводной трубкой тепло передается изнутри оборудования наружу через теплопроводящую трубку, а затем выбрасывается в окружающий воздух через ребристый радиатор. Увеличенная площадь ребер и более эффективные трубки теплопередачи позволяют использовать меньшие по размеру и более тихие вентиляторы, отвечающие строгим требованиям по рассеиванию тепла нормативных и клинических условий. В некоторых случаях также можно использовать технологию теплопроводных трубок для самой трубки, таким образом, используя законы термодинамики, а не электронику или вентиляторы для передачи тепла.
Аналогичная технология тепловых трубок используется для охлаждения дисплеев в оборудовании для интенсивной терапии. Как показано на рисунке, сборка тепловых труб реечного типа может обеспечить идеальную термическую стабильность при минимальных затратах на техническое обслуживание. Отсутствие компонентов переноса обеспечивает нормальный срок службы в несколько миллионов часов, что делает практически невозможным сбой во время операций интенсивной терапии.
Sinda Thermal является ведущим производителем радиаторов, который может предоставить различные тепловые решения для медицинского оборудования, мы можем спроектировать и изготовить радиаторы с жидкостным охлаждением, радиаторы с тепловыми трубками, экструдированные радиаторы, радиаторы с зачищенными ребрами и т. д., пожалуйста, свяжитесь с нами. свободно, если у вас есть какие-либо требования к радиатору.
