Zavedení řešení pasivního řízení tepla na podporu vývoje lékařských elektronických zařízení
Od zobrazovacích zařízení přes chirurgické nástroje až po automatizovanou imunitu – výkonné lékařské technologie 21. století jsou působivé, z velké části díky zvýšenému výpočetnímu výkonu mikroprocesorů. Pro tepelné inženýry však tyto pokroky něco stojí. Čím větší výkon zařízení má, tím více tepla generuje a obecně se musí rozptýlit v menším a menším prostoru (jak se velikost zařízení zmenšuje). Jak se naše požadavky na přesnost a spolehlivost lékařských zařízení zvyšují, stává se řízení odvodu tepla ještě důležitější.
Další problém vyplývá ze skutečnosti, že zdravotnické prostředky mají některé zvláštní požadavky kvůli vysokým rizikům. Například některé materiály běžně používané v roztocích pro rozptyl tepla (např. měď) nejsou v mnoha lékařských aplikacích užitečné kvůli jejich blízkosti k lidskému tělu (kromě toho, že způsobuje zánět v lidských tkáních, měď může způsobit závažnou a nevratnou degeneraci nervové tkáně). tkáň). Potřeba přesnosti v některých lékařských aplikacích může stlačit prostor dostupný pro chladicí řešení až do bodu téměř vyhynutí -- chirurgické nástroje, které vyžadují řízení tepla, aby nedošlo k poškození lidských tkání, poskytují konstruktérům pouze 0. 5 milimetrů pro nasazení technologie přenosu tepla.
Další oblastí, která vyžaduje ultra malá řešení tepelného managementu, je návrh lidských implantovatelných zařízení, která vyžadují jak malé rozměry, tak přesné koeficienty změny teploty, aby chránily lidské orgány. A konečně, rychlé periodické změny teploty (s teplotními výkyvy až o 50 °C během milisekund) jsou běžným rysem mnoha laboratorních zařízení, jako jsou štěpiče DNA. Všechny tyto faktory související s přesností, spolehlivostí, velikostními omezeními a přísným výběrem materiálů činí z lékařského tepelného inženýrství pro projektanty obtížný úkol. Konstruktéři přenosu tepla musí volit mezi účinností a velikostí versus náklady a stále více mezi rozptylem tepla versus nízkou hlučností (což znamená, že v některých aplikacích nelze použít ventilátory, ačkoli jejich vysoký objemový průtok plynu je činí optimálními pro rozptyl tepla).
Přenos tepla
Tepelní inženýři se stále více obracejí na pasivní zařízení pro přenos tepla (např. tepelné trubice), aby se vypořádali s těmito výzvami, protože pracovní kapalina v trubici pro vedení tepla má dvě formy existence kapaliny a vodní páry, takže trubice pro vedení tepla je dvoufázová. chladicí zařízení.Přenosu tepla se dosahuje přeměnou pracovní tekutiny z kapaliny na vodní páru. Nepřetržitý cyklus odpařování, přenosu (tepla), kondenzace a návratu zkondenzované pracovní tekutiny do odpařovací zóny.
Během této práce nedojde k žádné poruše aplikační komponenty – základní hledisko v aplikacích, kde je spolehlivost rozhodující pro dosažení přesných výsledků nebo dosažení zotavení pacienta. Konstrukce pasivních komponent pro přenos tepla je přímočará a obecně zahrnuje vakuově utěsněnou trubici naplněnou pracovní tekutinou, kterou lze relativně snadno miniaturizovat. Pokroky v technologii kapilární struktury pomáhají zajistit, že ochlazená a zkondenzovaná pracovní tekutina odolává gravitaci a je účinně a spolehlivě vrácena do části pro přívod tepla vodivé trubice. To umožňuje, aby vodivé potrubí fungovalo v různých orientacích. S větší volností při návrhu mohou designéři dokonce použít ohebné teplovodivé trubice.
Dalším běžně používaným schématem odvodu tepla je chladič. Chladič lze provozovat v režimu nucené nebo přirozené konvekce, ale opět platí, že každý z těchto přístupů znamená kompromisy. Pokud zvýšíte průtok vzduchu používaný k chlazení, znamená to, že můžete snížit počet žeber nebo zmenšit plochu žeber. Pokud je však proudění vzduchu generované ventilátorem větší, hluk generovaný ventilátorem je větší. Pokud ventilátor produkuje menší průtok vzduchu, běží ventilátor tišeji a může být menší, ale to znamená, že chladič musí mít více nebo větší žebra. Proto není snadné ve stejném zařízení zmenšit a ztišit chladicí komponenty.
V tepelném výměníku s tepelnou trubicí se teplo přenáší tepelnou trubicí do žeber a poté se rozptyluje do okolního vzduchu. Ale dá se to udělat, způsob, jak snížit velikost a zároveň snížit hluk, je udělat kusy radiátoru izotermičtějšími, chladič, který byl dříve chlazen jediným termoelektrickým chladičem (TEC), může být přepracován tak, aby měl více TEC, které přenášejí teplo rovnoměrně po povrchu chladiče, místo aby se spoléhaly čistě na vedení tepla. Avšak kromě toho, že vyžadují údržbu, taková schémata zvyšují složitost a náklady na elektroniku. Sestava teplovodné trubice rackového typu může poskytnout dokonalou tepelnou stabilitu a menší pracovní zátěž při technické údržbě. Jednodušším řešením chlazení je použití technologie pasivního chlazení ke kombinaci chladiče s vestavěnou parní dutinou (v podstatě nastavením teplovodivé trubice do plochého stavu, aby se stala plochou teplovodivou trubicí), nebo použití chladiče, jehož povrch je integrován. s teplovodivou trubicí. Obě schémata umožňují rychlý a rovnoměrný přenos tepla odpařováním pracovní tekutiny ve zapuštěné teplovodivé trubici nebo parní komoře. Vodní pára přenáší teplo rovnoměrně celým spodním povrchem chladiče a žebrem chladiče a zabraňuje vzniku horkých míst. Protože jsou žebra izotermická, proudění vzduchu žebry přenáší nejvíce tepla.
Obecně platí, že posun směrem k pasivním chladicím zařízením (např. tepelné trubice, chladiče a parní komory) v lékařských zařízeních odráží pokračující vývoj směrem k menší, výkonnější a miniaturizovanější elektronice. Zatímco tradičnější možnosti chlazení (chlazení, TEC, kapalinové chladicí desky atd.) zůstávají nejvhodnější volbou pro některá lékařská zařízení, návrháři zjišťují, že technologie pasivního chlazení bude s vývojem stále atraktivnější. Pokroky v materiálových strukturách také učinily řešení pasivního chlazení atraktivnější pro návrháře lékařských zařízení. Například nástup pyrolytického grafitu (APG) umožnil chladicí komponenty, které jsou menší, lehčí a účinnější než běžné hliníkové nebo měděné chladiče.
Vzhledem k tomu, že se produkty posouvají směrem k větší miniaturizaci a menším elektronickým krytům, materiály s vyšší tepelnou vodivostí mohou dát konstruktérům šanci.
Efektivní tepelná vodivost APG je 1000 W/mK, což je 5krát více než u masivního hliníku a 2,5krát více než u pevné mědi. Apgs lze také zabalit pro aplikace, jako jsou chirurgické nástroje. Při takových aplikacích je důležité vyhnout se kontaktu s lidskou tkání kvůli obavám z poškození tkáně, zjizvení nebo infekce. Vývoj materiálů, jako jsou APG, pomáhá vysvětlit, proč konstruktéři zdravotnických zařízení volí spíše pasivní systémy řízení odvodu tepla.
Nejen, že tyto systémy nabízejí širší možnosti, ale v mnoha případech nabízejí lepší možnosti hospodaření s teplem.
Ve srovnání s tradičními řešeními kapalinového chlazení jsou pasivní chladicí systémy spolehlivější (méně transportních součástí znamená nižší riziko selhání), vyžadují méně údržby, jsou flexibilnější v konstrukci, pracují tišeji a v mnoha případech se snáze řídí náklady. Níže je uvedeno několik příkladů konceptů pasivního řízení tepla integrovaných v některých důležitých aplikacích lékařských přístrojů.
Diagnostické zobrazování
Vzhledem k tomu, že výkon elektroniky se po kritické teplotě rychle zhoršuje, je chlazení skříně kritické pro technologie, které využívají mnoho elektronických součástek, jako je zobrazování magnetickou rezonancí (MRI), počítačová tomografie (CT), ultrazvuk a rentgenové záření. I malé výkyvy teploty mohou ovlivnit kalibraci a výsledky, což má za následek nákladné prostoje a údržbu. FDA sehrála důležitou roli při řízení opakovatelnosti a reprodukovatelnosti výsledků testů lékařských zařízení, jako jsou skenery, biotechnologická zařízení a laboratorní mikrotesty, směrem k dokonalosti (větší nebo rovné 95 procentům). Aby byla zajištěna přesnost, specifikace nařizuje 31 samostatných testů pro jeden diagnostický zobrazovač (21 CFR 900.12), z nichž mnohé jsou ohroženy rozptylem tepla. Konkurenční trh s diagnostickými zdravotnickými prostředky učinil z přísné kontroly odvodu tepla ještě důležitější faktor při navrhování elektronických produktů.
Konstruktéři obvykle pracují ve velmi úzkém rozmezí teplotních změn (δT) s teplotním rozdílem 10 stupňů C mezi vnitřním a vnějším prostředím šasi zařízení. Více zdrojů tepla (jako je napájení zařízení a další diskrétní elektronické součástky) může produkovat celkový výkon 1200 wattů nebo více, z čehož 400 wattů je odpadní teplo, které se má vypustit. S omezením velikosti ventilátoru a rychlosti větru je dosažení ticha složitější. Tyto problémy lze často v největší míře vyřešit tepelným trubkovým výměníkem. V teplovodivém trubkovém tepelném výměníku se teplo přenáší z vnitřku zařízení na vnější stranu zařízení přes teplovodivou trubici a poté je vypouštěno do okolního vzduchu přes chladič žebrového typu. Větší plocha žeber a účinnější trubice pro přenos tepla umožňují menší, tišší ventilátory, které splňují přísné požadavky na odvod tepla regulačních a klinických nastavení. V některých případech je také možné použít technologii teplovodivé trubice pro samotnou trubici, čímž se k přenosu tepla využívají spíše zákony termodynamiky než elektronika nebo ventilátory.
Podobná technologie heatpipe se používá k chlazení displejů v zařízeních pro monitorování kritické péče. Jak je znázorněno na obrázku, sestava tepelné trubice rackového typu může poskytnout dokonalou tepelnou stabilitu s malým úsilím na technickou údržbu. Absence přenosových komponent umožňuje běžnou životnost několik milionů hodin, takže selhání během operací kritické péče je téměř nemožné.
Sinda Thermal je přední výrobce chladičů, který dokáže poskytnout různé druhy tepelných řešení pro lékařské vybavení, můžeme navrhnout a postavit chladič kapalinového chlazení, chladič s tepelnou trubicí, extrudovaný chladič, chladič se šikmými žebry atd. Kontaktujte nás volně, pokud máte nějaký požadavek na chladič.
