Uvođenje pasivnih rješenja za upravljanje toplinom za promoviranje razvoja medicinskih elektroničkih uređaja

Od uređaja za snimanje preko hirurških instrumenata do automatizovanog imuniteta, moćne medicinske tehnologije 21. veka su impresivne, velikim delom zahvaljujući povećanoj računarskoj moći mikroprocesora. Međutim, za termalne inženjere, ovaj napredak je imao cijenu. Što više snage uređaj ima, to više topline stvara, i općenito se mora raspršiti u sve manjem i manjem prostoru (kako veličina uređaja postaje sve manja). Kako se povećava naša potražnja za preciznošću i pouzdanošću medicinskih uređaja, kontrola odvođenja topline postaje još važnija.

Drugi izazov proizlazi iz činjenice da medicinski uređaji imaju neke posebne zahtjeve zbog visokog rizika. Na primjer, neki materijali koji se obično koriste u otopinama za rasipanje topline (npr. bakar) nisu korisni u mnogim medicinskim primjenama zbog svoje blizine ljudskom tijelu (pored toga što uzrokuje upalu u ljudskim tkivima, bakar može uzrokovati ozbiljnu i nepovratnu degeneraciju neurona tkivo). Potreba za preciznošću u nekim medicinskim aplikacijama može komprimirati prostor dostupan za rješenja za hlađenje do tačke skorog izumiranja -- hirurških instrumenata koji zahtijevaju upravljanje toplinom kako bi se izbjeglo oštećenje ljudskih tkiva daju dizajnerima samo 0. 5 milimetara za implementaciju tehnologije prijenosa topline.

Još jedno područje koje zahtijeva ultra-mala rješenja za upravljanje toplinom je dizajn ljudskih implantabilnih uređaja, koji zahtijevaju i malu veličinu i precizne koeficijente promjene temperature kako bi zaštitili ljudske organe. Konačno, brze periodične promjene temperature (sa temperaturnim fluktuacijama do 50 stepeni C unutar milisekundi) uobičajena su karakteristika mnogih laboratorijskih uređaja kao što su DNK razdjelnici. Svi ovi faktori koji se odnose na tačnost, pouzdanost, ograničenja veličine i strogu selekciju materijala čine medicinski termički inženjering teškim zadatkom za dizajnere. Inženjeri za projektovanje prenosa toplote moraju da biraju između efikasnosti i veličine u odnosu na cenu i, sve više, rasipanje toplote u odnosu na nisku buku (što znači da se u nekim aplikacijama ventilatori ne mogu koristiti, iako ih njihov veliki protok gasa čini optimalnim za odvođenje toplote).

 Prenos toplote

  Termički inženjeri se sve više okreću pasivnim uređajima za prijenos topline (npr. termičke cijevi) kako bi riješili ove izazove, jer radna tekućina u cijevi za provodljivost topline ima dva oblika postojanja tekućine i vodene pare, tako da je cijev za provodljivost toplote dvofazna. rashladni uređaj. Prijenos toplote se ostvaruje transformacijom radnog fluida iz tečnosti u vodenu paru. Kontinuirani ciklus isparavanja, prijenosa (toplote), kondenzacije i povratka kondenzovanog radnog fluida u zonu isparavanja.

Neće doći do kvara komponente isporuke tokom ovog rada – što je ključno razmatranje u aplikacijama gdje je pouzdanost najvažnija za postizanje tačnih rezultata ili oporavak pacijenta. Dizajn pasivnih komponenti za prijenos topline je jednostavan i općenito uključuje vakuumsko zapečaćenu cijev napunjenu radnim fluidom koji je relativno lako minijaturizirati. Napredak u tehnologiji kapilarne strukture pomaže da se ohlađeni i kondenzovani radni fluid odupre gravitaciji i da se efikasno i pouzdano vrati u deo za unos toplote provodne cevi. To omogućava provodnoj cijevi da radi u različitim orijentacijama. Uz veću slobodu dizajna, dizajneri mogu koristiti čak i fleksibilne cijevi za provodljivost topline.

Još jedna najčešće korištena shema odvođenja topline je hladnjak. Hladnjak može raditi u načinu prisilne ili prirodne konvekcije, ali opet, svaki pristup znači kompromis. Ako povećate protok zraka koji se koristi za hlađenje, to znači da možete smanjiti broj rebara ili smanjiti površinu rebara. Međutim, ako je protok zraka koji stvara ventilator veći, buka koju stvara ventilator je veća. Ako ventilator proizvodi manji protok zraka, ventilator radi tiše i može biti manji, ali to znači da radijator mora imati više ili veća rebra. Stoga, nije lako napraviti komponente za hlađenje manje i tiše u istoj opremi.

U izmjenjivaču topline toplinske cijevi, toplina se prenosi kroz cijev topline do rebara, a zatim se raspršuje u okolni zrak. Ali to se može učiniti, način da se istovremeno smanji veličina i buka je da se dijelovi radijatora učine izotermnijim, hladnjak, koji je prethodno hlađen jednim termoelektričnim hladnjakom (TEC), može se redizajnirati tako da ima više TEC koji ravnomjerno prenose toplinu preko površine hladnjaka umjesto da se oslanjaju isključivo na provodljivost topline. Međutim, osim što zahtijevaju održavanje, takve sheme dodaju složenost i cijenu elektronici. Sklop cijevi za provodljivost topline u stalak može pružiti savršenu toplinsku stabilnost i manje tehničkog održavanja. Jednostavnije rješenje za hlađenje je korištenje pasivne tehnologije hlađenja za kombiniranje hladnjaka s ugrađenom parnom šupljinom (u suštini prilagođavanje cijevi za provodljivost topline u ravno stanje da postane ravna cijev za provodljivost topline) ili korištenje hladnjaka čija je površina integrirana. sa cijevi za provođenje toplote. Obje sheme omogućavaju brz i ujednačen prijenos topline isparavanjem radnog fluida u ugrađenoj cijevi za provodljivost topline ili parnoj komori. Vodena para ravnomjerno prenosi toplinu kroz cijelu donju površinu hladnjaka i rebra hladnjaka, izbjegavajući vruće tačke. Budući da su peraja izotermna, protok zraka kroz peraje nosi najviše topline.

Kako se proizvodi kreću prema većoj minijaturizaciji i manjim elektronskim kućištima, materijali s većom toplotnom provodljivošću mogu dizajnerima dati prednost.

Efektivna toplotna provodljivost APG-a je 1000 W/mK, što je 5 puta više od čvrstog aluminijuma i 2,5 puta više od čvrstog bakra. Apgs se takođe može pakovati za aplikacije kao što su hirurški instrumenti. U takvim primjenama, važno je izbjegavati kontakt s ljudskim tkivom zbog zabrinutosti zbog oštećenja tkiva, ožiljaka ili infekcije. Razvoj materijala kao što su APG pomaže da se objasni zašto dizajneri medicinskih uređaja biraju pasivnije sisteme za kontrolu disipacije toplote.

Ne samo da ovi sistemi nude širi spektar opcija, već u mnogim slučajevima nude i bolje opcije za upravljanje toplinom.

U poređenju sa tradicionalnim rješenjima za hlađenje tekućinom, pasivni sistemi hlađenja su pouzdaniji (manje transportnih komponenti znači manji rizik od kvara), zahtijevaju manje održavanja, fleksibilniji su u dizajnu, rade tiše i u mnogim slučajevima lakše upravljaju troškovima. Nekoliko primjera koncepta pasivnog upravljanja toplinom integriranih u neke važne aplikacije medicinskih uređaja predstavljeno je u nastavku.

Dijagnostičko snimanje

Budući da se performanse elektronike brzo pogoršavaju nakon kritične temperature, hlađenje kućišta je kritično za tehnologije koje koriste mnogo elektronskih komponenti, kao što su magnetna rezonanca (MRI), kompjuterizovana tomografija (CT), ultrazvuk i rendgenski zraci. Čak i male fluktuacije temperature mogu uticati na kalibraciju i rezultate, što rezultira skupim zastojima i održavanjem. FDA je odigrala važnu ulogu u dovođenju ponovljivosti i obnovljivosti rezultata testova za medicinske uređaje, kao što su skeneri, biotehnološki uređaji i laboratorijski mikrotestovi, do skoro savršenstva (veće ili jednako 95 posto). Kako bi se osigurala tačnost, specifikacija nalaže 31 odvojeni test za jedan dijagnostički uređaj za snimanje (21 CFR 900.12), od kojih su mnogi ugroženi rasipanjem topline. Konkurentno tržište dijagnostičkih medicinskih uređaja učinilo je strogu kontrolu odvođenja topline još važnijim faktorom u dizajnu elektroničkih proizvoda.

Dizajneri obično rade u veoma uskom opsegu temperaturnih varijacija (δT), sa temperaturnom razlikom od 10 stepeni C između unutrašnjeg i spoljašnjeg okruženja šasije uređaja. Višestruki izvori toplote (kao što su napajanje opreme i druge diskretne elektronske komponente) mogu proizvesti ukupnu izlaznu snagu od 1200 vati ili više, od čega je 400 vati otpadna toplota koja se ispušta. Uz ograničenja veličine ventilatora i brzine vjetra, postaje sve složenije postići tišinu. Ovi problemi se često u najvećoj meri mogu rešiti toplotnim izmenjivačem toplote. U izmjenjivaču topline s cijevima za provodljivost topline, toplina se prenosi iz unutrašnjosti opreme na vanjsku stranu opreme kroz cijev za provođenje topline, a zatim se ispušta u okolni zrak kroz hladnjak tipa rebra. Veća površina peraja i efikasnije cijevi za prijenos topline omogućavaju manje, tiše ventilatore koji ispunjavaju stroge zahtjeve regulatornih i kliničkih postavki za rasipanje topline. U nekim slučajevima, također je moguće koristiti tehnologiju cijevi za provođenje topline za samu cijev, koristeći zakone termodinamike, a ne elektroniku ili ventilatore za postizanje prijenosa topline.

Slična tehnologija toplotnih cevi koristi se za hlađenje displeja u opremi za praćenje intenzivne nege. Kao što je prikazano na slici, sklop termalne cijevi tipa stalak može pružiti savršenu termičku stabilnost uz malo tehničkog održavanja. Odsustvo komponenti za prijenos omogućava normalan radni vijek od nekoliko miliona sati, čineći kvar tokom operacija kritične nege gotovo nemogućim.

Sinda Thermal je vodeći proizvođač hladnjaka koji može ponuditi različite termička rješenja za medicinsku opremu, možemo dizajnirati i izraditi hladnjak za tečno hlađenje, hladnjak za toplinsku cijev, ekstrudirani hladnjak, rashladni element sa rebrima itd. molimo kontaktirajte nas slobodno ako imate bilo kakav zahtjev za hladnjakom.