Passiivisten lämmönhallintaratkaisujen käyttöönotto lääketieteellisten elektronisten laitteiden kehityksen edistämiseksi
2000-luvun tehokkaat lääketieteelliset teknologiat ovat vaikuttavia kuvantamislaitteista kirurgisiin instrumentteihin ja automatisoituun immuniteettiin, mikä johtuu suurelta osin mikroprosessorien lisääntyneestä laskentatehosta. Lämpöinsinööreille näillä edistyksillä on kuitenkin ollut hintansa. Mitä enemmän tehoa laitteessa on, sitä enemmän se tuottaa lämpöä, ja yleensä sen on haihduttava pienempään tilaan (kun laitteen koko pienenee). Kun vaatimuksemme lääkinnällisten laitteiden tarkkuudelle ja luotettavuudelle kasvaa, lämmönpoiston hallinta tulee entistä tärkeämmäksi.
Toinen haaste johtuu siitä, että lääkinnällisiin laitteisiin liittyy tiettyjä erityisvaatimuksia niiden suurten riskien vuoksi. Esimerkiksi jotkin lämmönpoistoliuoksissa yleisesti käytetyt materiaalit (esim. kupari) eivät ole käyttökelpoisia monissa lääketieteellisissä sovelluksissa, koska ne ovat lähellä ihmiskehoa (sen lisäksi, että kupari aiheuttaa tulehdusta ihmisen kudoksissa, se voi aiheuttaa vakavaa ja peruuttamatonta hermoston rappeutumista kudos). Joidenkin lääketieteellisten sovellusten tarkkuus saattaa tiivistää jäähdytysratkaisuille käytettävissä olevan tilan lähes sukupuuttoon asti. -- kirurgiset instrumentit, jotka vaativat lämmönhallintaa ihmiskudosten vahingoittumisen välttämiseksi, tarjoavat suunnittelijoille vain 0. 5 millimetriä lämmönsiirtotekniikan käyttöönottamiseksi.
Toinen erittäin pieniä lämmönhallintaratkaisuja vaativa alue on ihmisille istutettavien laitteiden suunnittelu, jotka edellyttävät sekä pientä kokoa että tarkkoja lämpötilanmuutoskertoimia ihmisten elinten suojaamiseksi. Lopuksi nopeat jaksottaiset lämpötilan muutokset (jopa 50 asteen lämpötilan vaihtelut millisekunneissa) ovat monien laboratoriolaitteiden, kuten DNA-jakajien, yhteinen piirre. Kaikki nämä tarkkuuteen, luotettavuuteen, kokorajoituksiin ja tiukkaan materiaalivalintaan liittyvät tekijät tekevät lääketieteellisestä lämpötekniikasta vaikean tehtävän suunnittelijoille. Lämmönsiirron suunnitteluinsinöörien on valittava tehokkuuden ja koon ja kustannusten sekä yhä useammin lämmönpoiston ja alhaisen melutason välillä (mikä tarkoittaa, että joissakin sovelluksissa tuulettimia ei voida käyttää, vaikka niiden suuren kaasun virtausnopeuden ansiosta ne ovat optimaaliset lämmönpoistoon).
Lämmönsiirto
Lämpöinsinöörit ovat yhä useammin käyttäneet passiivisia lämmönsiirtolaitteita (esim. lämpöputkia) vastatakseen näihin haasteisiin, koska lämmönjohtavassa putkessa olevalla työnesteellä on nestettä ja vesihöyryä kahta muotoa, joten lämmönjohtamisputki on kaksivaiheinen. jäähdytyslaite. Lämmönsiirto saavutetaan muuntamalla käyttöneste nesteestä vesihöyryksi. Jatkuva haihdutus, siirto (lämpö), kondensaatio ja kondensoituneen käyttönesteen palautus haihdutusvyöhykkeelle.
Tämän työn aikana ei tapahdu toimituskomponenttien vikoja – se on keskeinen näkökohta sovelluksissa, joissa luotettavuus on ensiarvoisen tärkeää tarkkojen tulosten saavuttamiseksi tai potilaan toipumisen saavuttamiseksi. Passiivisten lämmönsiirtokomponenttien suunnittelu on yksinkertaista ja käsittää yleensä tyhjiösuljetun putken, joka on täytetty työnesteellä, joka on suhteellisen helppo pienentää. Kapillaarirakenneteknologian kehitys auttaa varmistamaan, että jäähtynyt ja kondensoitunut työneste vastustaa painovoimaa ja palautuu tehokkaasti ja luotettavasti johtavan putken lämmönsyöttöosaan. Tämä mahdollistaa johtavan putken toiminnan eri suuntiin. Suunnitteluvapauden ansiosta suunnittelijat voivat jopa käyttää joustavia lämmönjohtavia putkia.
Toinen yleisemmin käytetty lämmönpoistojärjestelmä on jäähdytyselementti. Jäähdytyselementtiä voidaan käyttää pakotetussa tai luonnollisessa konvektiossa, mutta jälleen kerran, kumpi tahansa lähestymistapa tarkoittaa kompromissien tekemistä. Jos lisäät jäähdytykseen käytettävää ilmavirtaa, voit vähentää evien lukumäärää tai pienentää evien pinta-alaa. Kuitenkin, jos puhaltimen tuottama ilmavirta on suurempi, puhaltimen tuottama melu on suurempi. Jos puhallin tuottaa vähemmän ilmavirtaa, puhallin käy hiljaisemmin ja voi olla pienempi, mutta tämä tarkoittaa, että jäähdyttimessä on oltava enemmän tai suurempia ripoja. Siksi ei ole helppoa tehdä jäähdytyskomponentteja sekä pienemmiksi että hiljaisemmiksi samassa laitteessa.
Lämpöputkilämmönvaihtimessa lämpö välittyy lämpöputken kautta ripoihin ja haihtuu sitten ympäröivään ilmaan. Mutta se voidaan tehdä, tapa pienentää kokoa ja melua samaan aikaan on tehdä patterin osista isotermisempiä, jäähdytyselementti, jota aiemmin jäähdytettiin yhdellä termosähköisellä jäähdyttimellä (TEC), voidaan suunnitella uudelleen useiksi TEC:t, jotka siirtävät lämpöä tasaisesti jäähdytyselementin pinnalla sen sijaan, että luottaisivat pelkästään lämmönjohtamiseen. Huollon lisäksi tällaiset järjestelmät lisäävät elektroniikan monimutkaisuutta ja kustannuksia. Telinetyyppinen lämmönjohtamisputkikokoonpano voi tarjota täydellisen lämpövakauden ja vähemmän teknistä huoltotyötä. Yksinkertaisempi jäähdytysratkaisu on käyttää passiivista jäähdytystekniikkaa yhdistämään jäähdytyselementti upotettuun höyryonteloon (lämpöjohtoputken säätäminen tasaiseen tilaan litteäksi lämmönjohtoputkeksi) tai käyttää jäähdytyselementtiä, jonka pinta on integroitu. lämmönjohtoputken kanssa. Molemmat mallit mahdollistavat nopean ja tasaisen lämmönsiirron haihduttamalla työnestettä upotetussa lämmönjohtoputkessa tai höyrykammiossa. Vesihöyry kuljettaa lämpöä tasaisesti koko jäähdytyselementin pohjapinnan ja jäähdytyselementin evän läpi välttäen kuumia kohtia. Koska evät ovat isotermisiä, evien läpi kulkeva ilma kuljettaa eniten lämpöä.
Yleisesti ottaen lääkinnällisissä laitteissa siirtyminen passiivisiin jäähdytyslaitteisiin (esim. lämpöputket, jäähdytyslevyt ja höyrykammiot) heijastaa jatkuvaa kehitystä kohti pienempää, tehokkaampaa ja pienempää elektroniikkaa. Vaikka perinteiset jäähdytysvaihtoehdot (jäähdytys, TEC, nestejäähdytyslevyt jne.) ovat edelleen sopivin vaihtoehto joillekin lääkinnällisille laitteille, suunnittelijat ovat havainneet, että passiivisesta jäähdytystekniikasta tulee yhä houkuttelevampaa sen kehittyessä. Materiaalirakenteiden kehitys on tehnyt passiivisista jäähdytysratkaisuista houkuttelevampia lääkinnällisten laitteiden suunnittelijoille. Esimerkiksi pyrolyyttisen grafiitin (APG) tulo on mahdollistanut jäähdytyskomponenttien, jotka ovat pienempiä, kevyempiä ja tehokkaampia kuin perinteiset alumiini- tai kuparijäähdytyslevyt.
Kun tuotteet siirtyvät kohti pienempää miniatyrisointia ja pienempiä elektroniikkakoteloita, materiaalit, joilla on korkeampi lämmönjohtavuus, voivat antaa suunnittelijoille mahdollisuuden.
APG:n tehollinen lämmönjohtavuus on 1000 W/mK, mikä on 5 kertaa niin paljon kuin kiinteä alumiini ja 2,5 kertaa niin paljon kuin kiinteä kupari. Apgs voidaan myös pakata sovelluksiin, kuten kirurgisiin instrumentteihin. Tällaisissa sovelluksissa on tärkeää välttää kosketusta ihmiskudosten kanssa kudosvaurion, arpeutumisen tai infektion vuoksi. Materiaalien, kuten APG:iden, kehitys auttaa selittämään, miksi lääkinnällisten laitteiden suunnittelijat valitsevat passiivisempia lämmönpoiston ohjausjärjestelmiä.
Nämä järjestelmät tarjoavat laajemman valikoiman vaihtoehtoja, mutta monissa tapauksissa ne tarjoavat parempia vaihtoehtoja lämmönhallintaan.
Perinteisiin nestejäähdytysratkaisuihin verrattuna passiiviset jäähdytysjärjestelmät ovat luotettavampia (vähemmän kuljetuskomponentteja pienempi vikariski), vaativat vähemmän huoltoa, ovat suunnittelultaan joustavampia, toimivat hiljaisemmin ja monissa tapauksissa on helpompi hallita kustannuksia. Alla on esitetty useita esimerkkejä passiivisista lämmönhallintakonsepteista, jotka on integroitu joihinkin tärkeisiin lääketieteellisten laitteiden sovelluksiin.
Diagnostinen kuvantaminen
Koska elektroniikan suorituskyky heikkenee nopeasti kriittisen lämpötilan jälkeen, kotelon jäähdytys on kriittistä teknologioissa, joissa käytetään paljon elektronisia komponentteja, kuten magneettikuvaus (MRI), tietokonetomografia (CT), ultraääni ja röntgenkuvaukset. Pienetkin lämpötilan vaihtelut voivat vaikuttaa kalibrointiin ja tuloksiin, mikä johtaa kalliisiin seisokkeihin ja ylläpitoon. FDA:lla on ollut tärkeä rooli lääkinnällisten laitteiden, kuten skannerien, bioteknologian laitteiden ja laboratoriomikromääritysten, testitulosten toistettavuuden ja toistettavuuden edistämisessä kohti täydellisyyttä (suurempi tai yhtä suuri kuin 95 prosenttia). Tarkkuuden varmistamiseksi eritelmät edellyttävät 31 erillistä testiä yhdelle diagnostiselle kuvantamislaitteelle (21 CFR 900.12), joista monet ovat vaarantuneet lämmön haihtumisen vuoksi. Kilpailevat diagnostisten lääkinnällisten laitteiden markkinat ovat tehneet tiukasta lämmönpoiston hallinnasta entistä tärkeämmän tekijän elektroniikkatuotteiden suunnittelussa.
Suunnittelijat työskentelevät yleensä hyvin kapealla lämpötilan vaihtelualueella (δT), jolloin laitteen rungon sisäisen ja ulkoisen ympäristön välinen lämpötilaero on 10 astetta. Useat lämmönlähteet (kuten laitteiden teho ja muut erilliset elektroniset komponentit) voivat tuottaa yhteensä 1200 wattia tai enemmän, josta 400 wattia on poistettavaa hukkalämpöä. Tuulettimen koon ja tuulen nopeuden rajoitusten vuoksi hiljaisuuden saavuttaminen on monimutkaisempaa. Nämä ongelmat voidaan usein ratkaista suurimmassa määrin lämpöputkilämmönvaihtimella. Lämmönjohtoputkilämmönvaihtimessa lämpö siirretään laitteen sisältä laitteen ulkopuolelle lämmönjohtamisputken kautta, ja sitten se poistetaan ympäröivään ilmaan evätyyppisen jäähdytyslevyn kautta. Suurempi eväpinta-ala ja tehokkaammat lämmönsiirtoputket mahdollistavat pienemmät, hiljaisemmat tuulettimet, jotka täyttävät säännösten ja kliinisten asetusten tiukat lämmönpoistovaatimukset. Joissakin tapauksissa on myös mahdollista käyttää lämmönjohtoputkitekniikkaa itse putkeen, jolloin lämmönsiirrossa käytetään termodynamiikan lakeja elektroniikan tai puhaltimien sijaan.
Vastaavaa lämpöputkitekniikkaa käytetään tehohoidon valvontalaitteiden näyttöjen jäähdyttämiseen. Kuten kuvasta näkyy, telinetyyppinen lämpöputkikokoonpano voi tarjota täydellisen lämpövakauden pienellä teknisellä huoltotyöllä. Siirtokomponenttien puuttuminen mahdollistaa useiden miljoonien tuntien normaalin käyttöiän, mikä tekee tehohoidon toiminnan epäonnistumisesta lähes mahdotonta.
Sinda Thermal on johtava jäähdytyselementtien valmistaja, joka voi tarjota erilaisia lämpöratkaisuja lääketieteellisiin laitteisiin, voimme suunnitella ja rakentaa nestejäähdytysjäähdytyselementin, lämpöputkijäähdytyselementin, suulakepuristetun jäähdytyselementin, jäähdytyslevyn jäähdytyselementin jne. ota yhteyttä vapaasti, jos sinulla on jäähdytyselementtivaatimus.
