Въвеждане на пасивни решения за управление на топлината за насърчаване на развитието на медицински електронни устройства
От устройства за изображения до хирургически инструменти до автоматизиран имунитет, мощните медицински технологии на 21-ви век са впечатляващи, до голяма степен благодарение на увеличената изчислителна мощност на микропроцесорите. За топлинните инженери обаче този напредък има цена. Колкото повече мощност има едно устройство, толкова повече топлина генерира и като цяло трябва да се разсейва във все по-малко и по-малко пространство (тъй като размерът на устройството става по-малък). Тъй като нашето търсене на прецизност и надеждност в медицинските устройства нараства, контролът на разсейването на топлината става още по-важен.
Друго предизвикателство произтича от факта, че медицинските устройства имат някои специални изисквания поради високите рискове. Например, някои материали, които обикновено се използват в разтвори за разсейване на топлина (напр. мед), не са полезни в много медицински приложения поради близостта им до човешкото тяло (в допълнение към причиняването на възпаление в човешките тъкани, медта може да причини тежка и необратима дегенерация на невралните тъкан). Нуждата от прецизност в някои медицински приложения може да компресира наличното пространство за охлаждащи решения до точката на почти изчезване -- хирургически инструменти, които изискват управление на топлината, за да се избегне увреждане на човешките тъкани, предоставят на дизайнерите само 0. 5 милиметра за разгръщане на технология за пренос на топлина.
Друга област, която изисква ултрамалки решения за управление на топлината, е проектирането на устройства за имплантиране на хора, които изискват както малки размери, така и точни коефициенти на промяна на температурата, за да защитят човешките органи. И накрая, бързите периодични температурни промени (с температурни колебания до 50 градуса C в рамките на милисекунди) са обща характеристика на много лабораторни устройства като ДНК сплитери. Всички тези фактори, свързани с точността, надеждността, ограниченията на размера и стриктния избор на материали, правят медицинската топлинна техника трудна задача за дизайнерите. Инженерите по проектиране на топлопренос трябва да избират между ефективност и размер срещу цена и, все по-често, разсейване на топлина срещу нисък шум (което означава, че в някои приложения не могат да се използват вентилатори, въпреки че техният висок обемен дебит на газ ги прави оптимални за разсейване на топлината).
Пренасянето на топлина
Топлинните инженери все повече се обръщат към пасивни устройства за пренос на топлина (напр. термични тръби), за да се справят с тези предизвикателства, тъй като работната течност в топлопроводимата тръба има две форми на съществуване в течност и водна пара, така че топлопроводимата тръба е двуфазна охлаждащо устройство. Предаването на топлина се постига чрез превръщането на работния флуид от течност във водна пара. Непрекъснатият цикъл на изпарение, пренос (топлина), кондензация и връщане на кондензираната работна течност в зоната на изпаряване.
По време на тази работа няма да има повреда на компонента за доставка – основно съображение в приложения, където надеждността е от първостепенно значение за постигане на точни резултати или постигане на възстановяване на пациента. Дизайнът на компонентите за пасивно пренасяне на топлина е ясен и обикновено включва вакуумно запечатана тръба, пълна с работна течност, която е относително лесна за миниатюризиране. Напредъкът в технологията на капилярната структура помага да се гарантира, че охладеният и кондензиран работен флуид устоява на гравитацията и се връща ефективно и надеждно към секцията за входяща топлина на проводящата тръба. Това позволява на проводящата тръба да работи в различни ориентации. С повече свобода на проектиране, дизайнерите могат дори да използват гъвкави топлопроводими тръби.
Друга по-често използвана схема за разсейване на топлината е радиаторът. Радиаторът може да работи в режим на принудителна или естествена конвекция, но отново всеки подход означава правене на компромиси. Ако увеличите въздушния поток, използван за охлаждане, това означава, че можете да намалите броя на перките или да намалите площта на перките. Въпреки това, ако въздушният поток, генериран от вентилатора, е по-голям, шумът, генериран от вентилатора, е по-голям. Ако вентилаторът произвежда по-малко въздушен поток, той работи по-тихо и може да бъде по-малък, но това означава, че радиаторът трябва да има повече или по-големи перки. Следователно не е лесно да се направят охлаждащите компоненти едновременно по-малки и по-тихи в едно и също оборудване.
В топлообменник с топлинна тръба топлината се предава през топлинната тръба към ребрата и след това се разсейва в околния въздух. Но може да се направи, начинът да се намалят размерът и шумът едновременно е да се направят частите на радиатора по-изотермични, радиаторът, който преди това е бил охлаждан от един термоелектрически охладител (TEC), може да бъде преработен, за да има множество TEC, които пренасят топлина равномерно по повърхността на радиатора, вместо да разчитат само на топлопроводимостта. Въпреки това, освен че изискват поддръжка, такива схеми добавят сложност и цена към електрониката. Монтажът на топлопроводима тръба тип стелаж може да осигури перфектна термична стабилност и по-малко работно натоварване при техническа поддръжка. По-просто решение за охлаждане е да се използва пасивна охлаждаща технология за комбиниране на радиатора с вградена кухина за пара (по същество регулиране на топлопроводима тръба до плоско състояние, за да стане плоска топлопроводима тръба) или да се използва радиатор, чиято повърхност е интегрирана с топлопроводимата тръба. И двете схеми позволяват бърз и равномерен пренос на топлина чрез изпаряване на работната течност във вградена топлопроводима тръба или парна камера. Водната пара пренася топлина равномерно през цялата долна повърхност на радиатора и перката на радиатора, като избягва горещи точки. Тъй като ребрата са изотермични, потокът от въздух през ребрата носи най-много топлина.
Като цяло преминаването към пасивни охлаждащи устройства (напр. топлинни тръби, радиатори и парни камери) в медицинските устройства отразява продължаваща еволюция към по-малка, по-мощна и по-миниатюризирана електроника. Докато по-традиционните опции за охлаждане (охлаждане, TEC, плочи за течно охлаждане и т.н.) остават най-подходящият избор за някои медицински устройства, дизайнерите откриват, че технологията за пасивно охлаждане ще става все по-привлекателна с развитието си. Напредъкът в материалните структури също направи решенията за пасивно охлаждане по-привлекателни за дизайнерите на медицински устройства. Например, появата на пиролитичен графит (APG) направи възможни охлаждащи компоненти, които са по-малки, по-леки и по-ефективни от конвенционалните алуминиеви или медни радиатори.
Тъй като продуктите се придвижват към по-голяма миниатюризация и по-малки електронни кутии, материалите с по-висока топлопроводимост могат да дадат предимство на дизайнерите.
Ефективната топлопроводимост на APG е 1000 W/mK, което е 5 пъти повече от твърдия алуминий и 2,5 пъти повече от плътната мед. Apgs могат да бъдат пакетирани и за приложения като хирургически инструменти. При такива приложения е важно да се избягва контакт с човешка тъкан поради опасения за увреждане на тъканите, белези или инфекция. Разработването на материали като APG помага да се обясни защо дизайнерите на медицински устройства избират по-пасивни системи за контрол на разсейването на топлината.
Тези системи не само предлагат по-широка гама от опции, но в много случаи те предлагат по-добри възможности за управление на топлината.
В сравнение с традиционните решения за течно охлаждане, системите за пасивно охлаждане са по-надеждни (по-малко транспортни компоненти означават по-малък риск от повреда), изискват по-малко поддръжка, по-гъвкави са в дизайна, работят по-тихо и в много случаи са по-лесни за управление на разходите. По-долу са представени няколко примера за пасивни концепции за управление на топлината, интегрирани в някои важни приложения за медицински устройства.
Образна диагностика
Тъй като производителността на електрониката се влошава бързо след достигане на критична температура, охлаждането на кутията е критично за технологии, които използват много електронни компоненти, като магнитен резонанс (MRI), компютърна томография (CT), ултразвук и рентгенови лъчи. Дори малките колебания в температурата могат да повлияят на калибрирането и резултатите, което води до скъпи престои и поддръжка. FDA изигра важна роля в насочването на повторяемостта и възпроизводимостта на резултатите от тестове за медицински устройства, като скенери, биотехнологични устройства и лабораторни микротестове, към почти съвършенство (по-голямо или равно на 95 процента). За да се гарантира точността, спецификацията налага 31 отделни теста за единична диагностична камера (21 CFR 900.12), много от които са компрометирани от разсейване на топлината. Конкурентният пазар за диагностични медицински устройства направи стриктния контрол на разсейването на топлината още по-важен фактор при проектирането на електронни продукти.
Дизайнерите обикновено работят в много тесен диапазон на температурни промени (δT), с температурна разлика от 10 градуса C между вътрешната и външната среда на шасито на устройството. Множество източници на топлина (като захранване на оборудването и други отделни електронни компоненти) могат да произведат обща изходна мощност от 1200 вата или повече, от които 400 вата са отпадъчна топлина, която трябва да бъде отделена. С ограниченията на размера на вентилатора и скоростта на вятъра става по-сложно да се постигне тишина. Тези проблеми често могат да бъдат решени в най-голяма степен чрез термотръбен топлообменник. В топлообменник с топлопроводима тръба топлината се предава от вътрешността на оборудването към външната част на оборудването през топлопроводимата тръба и след това се изхвърля в околния въздух през радиатора от типа перка. По-голямата площ на перките и по-ефективните тръби за пренос на топлина позволяват по-малки, по-тихи вентилатори, които отговарят на строгите изисквания за разсейване на топлината на регулаторните и клинични настройки. В някои случаи също е възможно да се използва технологията на топлопроводимите тръби за самата тръба, като по този начин се използват законите на термодинамиката, а не електрониката или вентилаторите, за да се постигне пренос на топлина.
Подобна технология на топлинна тръба се използва за охлаждане на дисплеи в оборудване за наблюдение на критични грижи. Както е показано на фигурата, модулът на термотръбен тип стелаж може да осигури перфектна термична стабилност с малко усилия за техническа поддръжка. Липсата на трансферни компоненти позволява нормален експлоатационен живот от няколко милиона часа, което прави повредата по време на операциите за критична грижа почти невъзможна.
Sinda Thermal е водещ производител на радиатори, който може да предложи разнообразие от термични решения за медицинско оборудване, ние можем да проектираме и изградим радиатор за течно охлаждане, радиатор с топлинна тръба, екструдиран радиатор, радиатор с люлееща се перка и т.н., моля свържете се с нас свободно, ако имате изискване за радиатор.
