Wprowadzenie pasywnych rozwiązań zarządzania ciepłem w celu promowania rozwoju elektronicznych urządzeń medycznych
Potężne technologie medyczne XXI wieku, od urządzeń do obrazowania, przez instrumenty chirurgiczne, po zautomatyzowaną odporność, robią wrażenie, w dużej mierze dzięki zwiększonej mocy obliczeniowej mikroprocesorów. Jednak dla inżynierów termicznych te postępy mają swoją cenę. Im więcej mocy ma urządzenie, tym więcej ciepła generuje i generalnie musi ono rozpraszać się na coraz mniejszej przestrzeni (w miarę zmniejszania się rozmiaru urządzenia). Ponieważ nasze wymagania dotyczące precyzji i niezawodności urządzeń medycznych rosną, kontrola rozpraszania ciepła staje się jeszcze ważniejsza.
Kolejne wyzwanie wynika z faktu, że wyroby medyczne mają pewne specjalne wymagania ze względu na związane z nimi wysokie ryzyko. Na przykład niektóre materiały powszechnie stosowane w roztworach rozpraszających ciepło (np. miedź) nie są przydatne w wielu zastosowaniach medycznych ze względu na bliskość ludzkiego ciała (oprócz powodowania stanu zapalnego w tkankach ludzkich, miedź może powodować poważne i nieodwracalne zwyrodnienie układu nerwowego). tkanka). Potrzeba precyzji w niektórych zastosowaniach medycznych może skompresować przestrzeń dostępną dla rozwiązań chłodzących do punktu bliskiego wyginięcia -- narzędzi chirurgicznych, które wymagają zarządzania ciepłem, aby uniknąć uszkodzenia tkanek ludzkich, zapewniają projektanci tylko 0. 5 milimetrów, aby wdrożyć technologię wymiany ciepła.
Innym obszarem wymagającym ultramałych rozwiązań do zarządzania ciepłem jest projektowanie urządzeń do implantacji u ludzi, które wymagają zarówno niewielkich rozmiarów, jak i dokładnych współczynników zmiany temperatury w celu ochrony narządów ludzkich. Wreszcie, szybkie okresowe zmiany temperatury (z wahaniami temperatury do 50 stopni C w ciągu milisekund) są wspólną cechą wielu urządzeń laboratoryjnych, takich jak rozdzielacze DNA. Wszystkie te czynniki związane z dokładnością, niezawodnością, ograniczeniami rozmiaru i ścisłym wyborem materiałów sprawiają, że medyczna inżynieria termiczna jest trudnym zadaniem dla projektantów. Inżynierowie projektujący wymianę ciepła muszą wybierać między wydajnością i rozmiarem a kosztami oraz, w coraz większym stopniu, rozpraszaniem ciepła a niskim poziomem hałasu (co oznacza, że w niektórych zastosowaniach nie można używać wentylatorów, chociaż ich duże natężenie przepływu gazu sprawia, że są one optymalne do rozpraszania ciepła).
Przenoszenie ciepła
Aby sprostać tym wyzwaniom, inżynierowie termiczni coraz częściej zwracają się ku pasywnym urządzeniom do wymiany ciepła (np. rurom termicznym), ponieważ ciecz robocza w rurze przewodzącej ciepło ma dwie formy istnienia: ciecz i para wodna, więc rura przewodząca ciepło jest dwufazowa urządzenie chłodzące. Przenoszenie ciepła uzyskuje się poprzez przemianę płynu roboczego z cieczy w parę wodną. Ciągły cykl parowania, przenoszenia (ciepła), skraplania i powrotu skroplonego płynu roboczego do strefy parowania.
Podczas tej pracy nie wystąpi żadna awaria elementu dostarczającego — jest to kluczowa kwestia w zastosowaniach, w których niezawodność jest najważniejsza dla uzyskania dokładnych wyników lub powrotu do zdrowia pacjenta. Konstrukcja pasywnych elementów przenoszących ciepło jest prosta i zazwyczaj obejmuje próżniowo zamkniętą rurkę wypełnioną płynem roboczym, którą stosunkowo łatwo zminiaturyzować. Postępy w technologii struktury kapilarnej pomagają zapewnić, że schłodzony i skondensowany płyn roboczy jest odporny na grawitację i jest skutecznie i niezawodnie zawracany do sekcji doprowadzania ciepła rury przewodzącej. Dzięki temu rura przewodząca może działać w różnych orientacjach. Mając większą swobodę projektowania, projektanci mogą nawet stosować elastyczne rurki przewodzące ciepło.
Innym częściej stosowanym schematem rozpraszania ciepła jest radiator. Radiator może działać w trybie wymuszonej lub naturalnej konwekcji, ale znowu, każde podejście oznacza kompromisy. Jeśli zwiększysz przepływ powietrza używanego do chłodzenia, oznacza to, że możesz zmniejszyć liczbę żeber lub zmniejszyć ich powierzchnię. Jeśli jednak przepływ powietrza generowany przez wentylator jest większy, hałas generowany przez wentylator jest większy. Jeśli wentylator wytwarza mniejszy przepływ powietrza, wentylator pracuje ciszej i może być mniejszy, ale oznacza to, że chłodnica musi mieć więcej lub większe żeberka. Dlatego nie jest łatwo sprawić, aby komponenty chłodzące były jednocześnie mniejsze i cichsze w tym samym sprzęcie.
W wymienniku ciepła z rurką cieplną ciepło jest przekazywane przez rurkę cieplną do żeber, a następnie rozpraszane do otaczającego powietrza. Ale można to zrobić, sposobem na jednoczesne zmniejszenie rozmiaru i hałasu jest uczynienie elementów chłodnicy bardziej izotermicznymi, radiator, który wcześniej był chłodzony przez pojedynczą chłodnicę termoelektryczną (TEC), można przeprojektować tak, aby miał wiele TEC, które przenoszą ciepło równomiernie po powierzchni radiatora, zamiast polegać wyłącznie na przewodzeniu ciepła. Jednak oprócz tego, że wymagają konserwacji, takie schematy zwiększają złożoność i koszt elektroniki. Zespół rur przewodzących ciepło typu stojakowego może zapewnić doskonałą stabilność termiczną i mniejsze obciążenie techniczne związane z konserwacją. Prostszym rozwiązaniem chłodzenia jest zastosowanie pasywnej technologii chłodzenia w celu połączenia radiatora z osadzoną wnęką na parę (zasadniczo ustawiając rurkę przewodzącą ciepło do stanu płaskiego, aby stała się płaską rurką przewodzącą ciepło) lub użycie radiatora, którego powierzchnia jest zintegrowana z rurką przewodzącą ciepło. Oba schematy umożliwiają szybkie i równomierne przenoszenie ciepła poprzez odparowanie płynu roboczego we wbudowanej rurze przewodzącej ciepło lub komorze parowej. Para wodna przenosi ciepło równomiernie przez całą dolną powierzchnię radiatora i żebro radiatora, unikając gorących punktów. Ponieważ żebra są izotermiczne, przepływ powietrza przez nie przenosi najwięcej ciepła.
Ogólnie rzecz biorąc, przejście w kierunku pasywnych urządzeń chłodzących (np. rurek cieplnych, radiatorów i komór parowych) w urządzeniach medycznych odzwierciedla ciągłą ewolucję w kierunku mniejszych, mocniejszych i bardziej zminiaturyzowanych urządzeń elektronicznych. Podczas gdy bardziej tradycyjne opcje chłodzenia (chłodzenie, TEC, płyty chłodzące cieczą itp.) pozostają najbardziej odpowiednim wyborem dla niektórych urządzeń medycznych, projektanci odkrywają, że pasywna technologia chłodzenia będzie stawała się coraz bardziej atrakcyjna w miarę jej ewolucji. Postępy w strukturach materiałów sprawiły, że rozwiązania pasywnego chłodzenia stały się bardziej atrakcyjne dla projektantów urządzeń medycznych. Na przykład pojawienie się grafitu pirolitycznego (APG) umożliwiło stosowanie mniejszych, lżejszych i bardziej wydajnych elementów chłodzących niż konwencjonalne aluminiowe lub miedziane radiatory.
Ponieważ produkty zmierzają w kierunku większej miniaturyzacji i mniejszych obudów elektronicznych, materiały o wyższej przewodności cieplnej mogą dać projektantom przewagę.
Efektywna przewodność cieplna APG wynosi 1000 W/mK, czyli 5 razy więcej niż litego aluminium i 2,5 razy więcej niż litej miedzi. Apgs można również pakować do zastosowań takich jak instrumenty chirurgiczne. W takich zastosowaniach ważne jest unikanie kontaktu z tkanką ludzką ze względu na obawy związane z uszkodzeniem tkanki, bliznowaceniem lub infekcją. Rozwój materiałów, takich jak APG, pomaga wyjaśnić, dlaczego projektanci urządzeń medycznych wybierają bardziej pasywne systemy kontroli rozpraszania ciepła.
Systemy te nie tylko oferują szerszy zakres opcji, ale w wielu przypadkach oferują lepsze opcje zarządzania ciepłem.
W porównaniu z tradycyjnymi rozwiązaniami chłodzenia cieczą systemy chłodzenia pasywnego są bardziej niezawodne (mniej elementów transportowych oznacza mniejsze ryzyko awarii), wymagają mniej konserwacji, są bardziej elastyczne w projektowaniu, działają ciszej, aw wielu przypadkach łatwiej jest zarządzać kosztami. Poniżej przedstawiono kilka przykładów koncepcji pasywnego zarządzania ciepłem zintegrowanych z niektórymi ważnymi zastosowaniami urządzeń medycznych.
Diagnostyka obrazowa
Ponieważ wydajność elektroniki gwałtownie spada po przekroczeniu temperatury krytycznej, chłodzenie obudowy ma kluczowe znaczenie dla technologii wykorzystujących wiele elementów elektronicznych, takich jak obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego (MRI), tomografia komputerowa (CT), ultradźwięki i promieniowanie rentgenowskie. Nawet niewielkie wahania temperatury mogą wpływać na kalibrację i wyniki, powodując kosztowne przestoje i konserwację. FDA odegrała ważną rolę w doprowadzeniu powtarzalności i odtwarzalności wyników testów urządzeń medycznych, takich jak skanery, urządzenia biotechnologiczne i mikrotesty laboratoryjne, w kierunku niemal perfekcji (większa lub równa 95 procent). Aby zapewnić dokładność, specyfikacja wymaga przeprowadzenia 31 oddzielnych testów dla pojedynczego skanera diagnostycznego (21 CFR 900.12), z których wiele jest zagrożonych przez rozpraszanie ciepła. Konkurencyjny rynek diagnostycznych urządzeń medycznych sprawił, że ścisła kontrola rozpraszania ciepła stała się jeszcze ważniejszym czynnikiem w projektowaniu produktów elektronicznych.
Projektanci zwykle pracują w bardzo wąskim zakresie zmian temperatury (δT), z różnicą temperatur wynoszącą 10 stopni C między środowiskiem wewnętrznym i zewnętrznym obudowy urządzenia. Wiele źródeł ciepła (takich jak moc sprzętu i inne dyskretne elementy elektroniczne) może wytworzyć całkowitą moc wyjściową 1200 watów lub więcej, z czego 400 watów to odprowadzane ciepło odpadowe. Z ograniczeniami wielkości wentylatorów i prędkości wiatru uzyskanie ciszy staje się bardziej skomplikowane. Problemy te często w największym stopniu można rozwiązać za pomocą rurowego wymiennika ciepła. W wymienniku ciepła z rurką przewodzącą ciepło ciepło jest przekazywane z wnętrza urządzenia na zewnątrz urządzenia przez rurkę przewodzącą ciepło, a następnie odprowadzane do otaczającego powietrza przez radiator typu żeberka. Większy obszar żeber i wydajniejsze rurki do wymiany ciepła pozwalają na zastosowanie mniejszych, cichszych wentylatorów, które spełniają surowe wymagania dotyczące rozpraszania ciepła w warunkach regulacyjnych i klinicznych. W niektórych przypadkach możliwe jest również zastosowanie technologii rur przewodzących ciepło dla samej rury, wykorzystując w ten sposób prawa termodynamiki, a nie elektronikę lub wentylatory, aby osiągnąć przenoszenie ciepła.
Podobna technologia rurek cieplnych jest używana do chłodzenia wyświetlaczy w sprzęcie do monitorowania intensywnej terapii. Jak pokazano na rysunku, zespół rurki termicznej typu stelażowego może zapewnić doskonałą stabilność termiczną przy niewielkich nakładach technicznych na konserwację. Brak elementów przenoszących pozwala na normalną żywotność wynoszącą kilka milionów godzin, dzięki czemu awaria podczas operacji intensywnej opieki jest prawie niemożliwa.
Sinda Thermal jest wiodącym producentem radiatorów, który może dostarczać różnorodne rozwiązania termiczne dla sprzętu medycznego, możemy zaprojektować i zbudować radiator do chłodzenia cieczą, radiator z rurką cieplną, radiator wytłaczany, radiator ze ściętymi żebrami itp. skontaktuj się z nami Swobodnie, jeśli masz jakiekolwiek wymagania dotyczące radiatora.
