Увођење пасивних решења за управљање топлотом за промовисање развоја медицинских електронских уређаја
Од уређаја за снимање преко хируршких инструмената до аутоматизованог имунитета, моћне медицинске технологије 21. века су импресивне, великим делом захваљујући повећаној рачунарској моћи микропроцесора. За термалне инжењере, међутим, овај напредак је имао цену. Што више снаге уређај има, то више топлоте генерише, и генерално, она мора да се расипа у све мањи простор (како величина уређаја постаје све мања). Како се наша потражња за прецизношћу и поузданошћу медицинских уређаја повећава, контрола расипања топлоте постаје још важнија.
Други изазов произилази из чињенице да медицински уређаји имају неке посебне захтеве због високог ризика. На пример, неки материјали који се обично користе у растворима за дисипацију топлоте (нпр. бакар) нису корисни у многим медицинским применама због своје блискости људском телу (поред тога што изазива запаљење у људским ткивима, бакар може изазвати озбиљну и неповратну дегенерацију неурона ткиво). Потреба за прецизношћу у неким медицинским применама може да компримује простор доступан за решења за хлађење до тачке скорог изумирања -- хируршких инструмената који захтевају управљање топлотом да би се избегло оштећење људских ткива дају дизајнерима само 0. 5 милиметара за примену технологије преноса топлоте.
Још једна област која захтева ултра-мала решења за управљање топлотом је дизајн људских имплантабилних уређаја, који захтевају и малу величину и прецизне коефицијенте промене температуре како би заштитили људске органе. Коначно, брзе периодичне промене температуре (са температурним флуктуацијама до 50 степени Ц унутар милисекунди) су уобичајена карактеристика многих лабораторијских уређаја као што су ДНК разделници. Сви ови фактори који се односе на тачност, поузданост, ограничења величине и строгу селекцију материјала чине медицински термички инжењеринг тешким задатком за дизајнере. Инжењери за пројектовање преноса топлоте морају да бирају између ефикасности и величине у односу на цену и, све више, расипање топлоте у односу на ниску буку (што значи да у неким апликацијама вентилатори не могу да се користе, иако их њихов велики проток гаса чини оптималним за одвођење топлоте).
Пренос топлоте
Термички инжењери се све више окрећу пасивним уређајима за пренос топлоте (нпр. термичке цеви) да би решили ове изазове, јер радна течност у цеви за проводљивост топлоте има два облика постојања течност и водену пару, тако да је цев за проводљивост топлоте двофазна. расхладни уређај.Пренос топлоте се остварује трансформацијом радног флуида из течности у водену пару. Непрекидни циклус испаравања, преноса (топлоте), кондензације и враћања кондензованог радног флуида у зону испаравања.
Неће доћи до квара компоненте испоруке током овог рада – што је кључно разматрање у апликацијама где је поузданост најважнија за постизање тачних резултата или опоравак пацијента. Дизајн компоненти за пасивни пренос топлоте је једноставан и генерално укључује вакуумско запечаћену цев напуњену радном течношћу коју је релативно лако минијатурисати. Напредак у технологији капиларне структуре помаже да се осигура да се охлађени и кондензовани радни флуид одупре гравитацији и да се ефикасно и поуздано враћа у део за унос топлоте проводне цеви. Ово омогућава проводној цеви да ради у различитим оријентацијама. Са више слободе дизајна, дизајнери могу чак да користе флексибилне цеви за проводљивост топлоте.
Још једна најчешће коришћена шема одвођења топлоте је хладњак. Хладњак може да се користи у режиму принудне или природне конвекције, али опет, оба приступа значи прављење компромиса. Ако повећате проток ваздуха који се користи за хлађење, то значи да можете смањити број ребара или смањити површину ребара. Међутим, ако је проток ваздуха који генерише вентилатор већи, бука коју генерише вентилатор је већа. Ако вентилатор производи мањи проток ваздуха, вентилатор ради тише и може бити мањи, али то значи да радијатор мора имати више или веће пераје. Због тога није лако направити компоненте за хлађење мање и тише у истој опреми.
У измењивачу топлоте топлотне цеви топлота се преноси кроз топлотну цев до ребара, а затим се распршује у околни ваздух. Али то се може урадити, начин да се истовремено смањи величина и бука је да се делови радијатора учине изотермнијим, хладњак, који је претходно хлађен једним термоелектричним хладњаком (ТЕЦ), може бити редизајниран тако да има више ТЕЦ који равномерно преносе топлоту преко површине хладњака уместо да се ослањају искључиво на проводљивост топлоте. Међутим, поред тога што захтевају одржавање, такве шеме додају сложеност и цену електроници. Склоп цеви за проводљивост топлоте у сталак може да обезбеди савршену термичку стабилност и мање техничког одржавања. Једноставније решење за хлађење је коришћење пасивне технологије хлађења за комбиновање хладњака са уграђеном парном шупљином (у суштини подешавање цеви за проводљивост топлоте у равно стање да постане равна цев за проводљивост топлоте), или коришћење хладњака чија је површина интегрисана са цеви за проводљивост топлоте. Обе шеме омогућавају брз и уједначен пренос топлоте испаравањем радног флуида у уграђеној цеви за проводљивост топлоте или парној комори. Водена пара равномерно преноси топлоту кроз целу доњу површину хладњака и ребра хладњака, избегавајући вруће тачке. Пошто су пераја изотермна, проток ваздуха кроз пераје носи највише топлоте.
Генерално, померање ка пасивним расхладним уређајима (нпр. топлотним цевима, хладњацима и парним коморама) у медицинским уређајима одражава текућу еволуцију ка мањој, снажнијој и минијатуризованијој електроници. Док традиционалније опције хлађења (хлађење, ТЕЦ, плоче за течно хлађење, итд.) остају најприкладнији избор за неке медицинске уређаје, дизајнери откривају да ће технологија пасивног хлађења постати све привлачнија како се развија. Напредак у структурама материјала је такође учинио решења за пасивно хлађење привлачнијим за дизајнере медицинских уређаја. На пример, појава пиролитичког графита (АПГ) је омогућила компоненте за хлађење које су мање, лакше и ефикасније од конвенционалних алуминијумских или бакарних хладњака.
Како се производи крећу ка већој минијатуризацији и мањим електронским кућиштима, материјали са већом топлотном проводљивошћу могу дизајнерима дати предност.
Ефективна топлотна проводљивост АПГ-а је 1000 В/мК, што је 5 пута више од чврстог алуминијума и 2,5 пута више од чврстог бакра. Апгс се такође може паковати за апликације као што су хируршки инструменти. У таквим применама, важно је избегавати контакт са људским ткивом због забринутости због оштећења ткива, ожиљака или инфекције. Развој материјала као што су АПГ-ови помаже да се објасни зашто дизајнери медицинских уређаја бирају пасивније системе за контролу дисипације топлоте.
Не само да ови системи нуде шири спектар опција, већ у многим случајевима нуде и боље опције за управљање топлотом.
У поређењу са традиционалним решењима за течно хлађење, пасивни системи за хлађење су поузданији (мање транспортних компоненти значи мањи ризик од квара), захтевају мање одржавања, флексибилнији су у дизајну, раде тише и у многим случајевима лакше управљају трошковима. Неколико примера концепта пасивног управљања топлотом интегрисаних у неке важне апликације за медицинске уређаје је представљено у наставку.
Дијагностичко снимање
Пошто се перформансе електронике брзо погоршавају након критичне температуре, хлађење кућишта је критично за технологије које користе много електронских компоненти, као што су магнетна резонанца (МРИ), компјутерска томографија (ЦТ), ултразвук и рендгенски зраци. Чак и мале флуктуације температуре могу утицати на калибрацију и резултате, што резултира скупим застојима и одржавањем. ФДА је одиграла важну улогу у покретању поновљивости и обновљивости резултата тестова за медицинске уређаје, као што су скенери, биотехнолошки уређаји и лабораторијски микротестови, до скоро савршенства (веће или једнако 95 процената). Да би се осигурала тачност, спецификација налаже 31 одвојени тест за један дијагностички уређај за снимање (21 ЦФР 900.12), од којих су многи угрожени расипањем топлоте. Конкурентно тржиште дијагностичких медицинских уређаја учинило је строгу контролу одвођења топлоте још важнијим фактором у дизајну електронских производа.
Дизајнери обично раде у веома уском опсегу температурних варијација (δТ), са температурном разликом од 10 степени Ц између унутрашњег и спољашњег окружења шасије уређаја. Вишеструки извори топлоте (као што су напајање опреме и друге дискретне електронске компоненте) могу произвести укупну излазну снагу од 1200 вати или више, од чега је 400 вати отпадна топлота која се испушта. Са ограничењима величине вентилатора и брзине ветра, постаје све компликованије постићи тишину. Ови проблеми се често у највећој мери могу решити термоцевним измењивачем топлоте. У измењивачу топлоте са цевима за проводљивост топлоте, топлота се преноси од унутрашњости опреме ка спољашњости опреме кроз цев за проводљивост топлоте, а затим се испушта у околни ваздух кроз хладњак типа ребра. Већа површина пераја и ефикасније цеви за пренос топлоте омогућавају мање, тише вентилаторе који испуњавају строге захтеве регулаторних и клиничких подешавања за дисипацију топлоте. У неким случајевима, такође је могуће користити технологију цеви за проводљивост топлоте за саму цев, користећи законе термодинамике, а не електронику или вентилаторе за постизање преноса топлоте.
Слична технологија топлотних цеви се користи за хлађење дисплеја у опреми за праћење интензивне неге. Као што је приказано на слици, склоп термалне цеви типа сталак може да обезбеди савршену термичку стабилност уз мало техничког одржавања. Одсуство компоненти за пренос омогућава нормалан радни век од неколико милиона сати, чинећи квар током операција критичне неге готово немогућим.
Синда Тхермал је водећи произвођач хладњака који може понудити различите термичка решења за медицинску опрему, можемо да дизајнирамо и направимо хладњак за течно хлађење, хладњак топлотне цеви, екструдирани расхладни елемент, расхладни елемент са ивицама итд. Молимо контактирајте нас слободно ако имате било какав захтев за хладњаком.
