Zavedenie riešení pasívneho tepelného manažmentu na podporu vývoja medicínskych elektronických zariadení
Od zobrazovacích zariadení cez chirurgické nástroje až po automatizovanú imunitu – výkonné medicínske technológie 21. storočia sú pôsobivé, z veľkej časti vďaka zvýšenému výpočtovému výkonu mikroprocesorov. Pre tepelných inžinierov však tieto pokroky prišli draho. Čím väčší výkon zariadenie má, tým viac tepla generuje a vo všeobecnosti sa musí rozptýliť v menšom a menšom priestore (ako sa veľkosť zariadenia zmenšuje). S rastúcimi požiadavkami na presnosť a spoľahlivosť zdravotníckych zariadení sa kontrola odvodu tepla stáva ešte dôležitejšou.
Ďalšia výzva vyplýva zo skutočnosti, že zdravotnícke pomôcky majú určité špeciálne požiadavky z dôvodu vysokého rizika. Napríklad niektoré materiály bežne používané v roztokoch na odvádzanie tepla (napr. meď) nie sú užitočné v mnohých medicínskych aplikáciách, pretože sú blízko k ľudskému telu (okrem toho, že spôsobuje zápal v ľudských tkanivách, meď môže spôsobiť závažnú a nezvratnú degeneráciu nervovej sústavy). tkanivo). Potreba presnosti v niektorých medicínskych aplikáciách môže stlačiť priestor dostupný pre chladiace riešenia až do bodu takmer vyhynutia. 5 milimetrov na nasadenie technológie prenosu tepla.
Ďalšou oblasťou, ktorá si vyžaduje ultra malé riešenia tepelného manažmentu, je návrh ľudských implantovateľných zariadení, ktoré si vyžadujú malú veľkosť a presné koeficienty zmeny teploty, aby ochránili ľudské orgány. Napokon, rýchle periodické zmeny teploty (s teplotnými výkyvmi až o 50 stupňov C v priebehu milisekúnd) sú bežnou vlastnosťou mnohých laboratórnych zariadení, ako sú napríklad deliče DNA. Všetky tieto faktory súvisiace s presnosťou, spoľahlivosťou, rozmerovými obmedzeniami a prísnym výberom materiálov robia z medicínskeho tepelného inžinierstva náročnú úlohu pre dizajnérov. Konštruktéri prenosu tepla si musia vybrať medzi účinnosťou a veľkosťou v porovnaní s cenou a čoraz viac medzi rozptylom tepla a nízkou hlučnosťou (čo znamená, že v niektorých aplikáciách nemožno použiť ventilátory, hoci ich vysoký objemový prietok plynu ich robí optimálnymi na odvod tepla).
Prenos tepla
Tepelní inžinieri sa čoraz viac obracajú na pasívne zariadenia na prenos tepla (napr. tepelné trubice), aby riešili tieto výzvy, pretože pracovná kvapalina v trubici na vedenie tepla má dve formy existencie kvapaliny a vodnej pary, takže trubica na vedenie tepla je dvojfázová. chladiace zariadenie.Prenos tepla sa dosahuje premenou pracovnej tekutiny z kvapaliny na vodnú paru. Nepretržitý cyklus vyparovania, prenosu (tepla), kondenzácie a návratu skondenzovanej pracovnej tekutiny do odparovacej zóny.
Počas tejto práce nedôjde k zlyhaniu aplikačného komponentu – čo je kľúčovým faktorom v aplikáciách, kde je spoľahlivosť prvoradá pre dosiahnutie presných výsledkov alebo dosiahnutie zotavenia pacienta. Konštrukcia komponentov pasívneho prenosu tepla je jednoduchá a vo všeobecnosti zahŕňa vákuovo utesnenú trubicu naplnenú pracovnou tekutinou, ktorá sa dá relatívne ľahko miniaturizovať. Pokroky v technológii kapilárnej štruktúry pomáhajú zabezpečiť, že ochladená a skondenzovaná pracovná tekutina odoláva gravitácii a efektívne a spoľahlivo sa vracia do časti prívodu tepla vodivej trubice. To umožňuje, aby vodivé potrubie fungovalo v rôznych orientáciách. S väčšou voľnosťou dizajnu môžu dizajnéri dokonca použiť flexibilné teplovodivé trubice.
Ďalšou bežne používanou schémou odvodu tepla je chladič. Chladič môže byť prevádzkovaný v režime nútenej alebo prirodzenej konvekcie, ale opäť platí, že každý prístup znamená robiť kompromisy. Ak zvýšite prietok vzduchu používaný na chladenie, znamená to, že môžete znížiť počet rebier alebo zmenšiť plochu rebier. Ak je však prúdenie vzduchu generované ventilátorom väčšie, hluk generovaný ventilátorom je väčší. Ak ventilátor produkuje menší prietok vzduchu, beží ventilátor tichšie a môže byť menší, ale to znamená, že radiátor musí mať viac alebo väčšie lamely. Preto nie je jednoduché urobiť chladiace komponenty menšie a zároveň tichšie v rovnakom zariadení.
V tepelnom výmenníku tepla sa teplo prenáša cez tepelnú trubicu do rebier a potom sa rozptýli do okolitého vzduchu. Ale dá sa to urobiť, spôsob, ako znížiť veľkosť a zároveň znížiť hluk, je urobiť časti radiátora izotermickejšími, chladič, ktorý bol predtým chladený jediným termoelektrickým chladičom (TEC), môže byť prerobený tak, aby mal viacero TEC, ktoré prenášajú teplo rovnomerne po povrchu chladiča namiesto toho, aby sa spoliehali výlučne na vedenie tepla. Avšak okrem toho, že vyžadujú údržbu, takéto schémy zvyšujú zložitosť a náklady na elektroniku. Zostava teplovodnej rúrky rackového typu môže poskytnúť dokonalú tepelnú stabilitu a menšie pracovné zaťaženie technickej údržby. Jednoduchším riešením chladenia je použitie technológie pasívneho chladenia na kombináciu chladiča so zabudovanou parnou dutinou (v podstate úprava teplovodnej trubice do plochého stavu, aby sa stala plochou teplovodivou trubicou), alebo použitie chladiča, ktorého povrch je integrovaný. s teplovodivou trubicou. Obe schémy umožňujú rýchly a rovnomerný prenos tepla odparovaním pracovnej tekutiny v zabudovanej teplovodivej trubici alebo parnej komore. Vodná para prenáša teplo rovnomerne cez celý spodný povrch chladiča a rebrá chladiča, čím sa zabráni vzniku horúcich miest. Pretože sú rebrá izotermické, prúdenie vzduchu cez rebrá prenáša najviac tepla.
Vo všeobecnosti posun smerom k pasívnym chladiacim zariadeniam (napr. tepelné trubice, chladiče a parné komory) v lekárskych zariadeniach odráža pokračujúci vývoj smerom k menšej, výkonnejšej a miniaturizovanejšej elektronike. Zatiaľ čo tradičnejšie možnosti chladenia (chladenie, TEC, kvapalinové chladiace platne atď.) zostávajú najvhodnejšou voľbou pre niektoré medicínske zariadenia, dizajnéri zisťujú, že technológia pasívneho chladenia bude s vývojom čoraz atraktívnejšia. Pokroky v štruktúre materiálov tiež zatraktívnili riešenia pasívneho chladenia pre dizajnérov zdravotníckych zariadení. Napríklad nástup pyrolytického grafitu (APG) umožnil chladenie komponentov, ktoré sú menšie, ľahšie a efektívnejšie ako bežné hliníkové alebo medené chladiče.
Keďže sa produkty posúvajú smerom k väčšej miniaturizácii a menším elektronickým krytom, materiály s vyššou tepelnou vodivosťou môžu dizajnérom pomôcť.
Efektívna tepelná vodivosť APG je 1000 W/mK, čo je 5-krát viac ako masívny hliník a 2,5-krát viac ako masívna meď. Apgs môžu byť tiež zabalené pre aplikácie, ako sú chirurgické nástroje. Pri takýchto aplikáciách je dôležité vyhnúť sa kontaktu s ľudským tkanivom kvôli obavám z poškodenia tkaniva, zjazvenia alebo infekcie. Vývoj materiálov, ako sú APG, pomáha vysvetliť, prečo si dizajnéri zdravotníckych zariadení vyberajú pasívnejšie systémy riadenia odvodu tepla.
Tieto systémy ponúkajú nielen širšiu škálu možností, ale v mnohých prípadoch ponúkajú lepšie možnosti hospodárenia s teplom.
V porovnaní s tradičnými riešeniami kvapalinového chladenia sú pasívne chladiace systémy spoľahlivejšie (menej dopravných komponentov znamená nižšie riziko zlyhania), vyžadujú menej údržby, sú flexibilnejšie v dizajne, fungujú tichšie a v mnohých prípadoch sa dajú ľahšie riadiť náklady. Nižšie je uvedených niekoľko príkladov koncepcií pasívneho riadenia tepla integrovaných v niektorých dôležitých aplikáciách medicínskych zariadení.
Diagnostické zobrazovanie
Pretože výkon elektroniky sa po kritickej teplote rýchlo zhoršuje, chladenie puzdra je rozhodujúce pre technológie, ktoré využívajú množstvo elektronických komponentov, ako je zobrazovanie magnetickou rezonanciou (MRI), počítačová tomografia (CT), ultrazvuk a röntgenové lúče. Aj malé výkyvy teploty môžu ovplyvniť kalibráciu a výsledky, čo má za následok nákladné prestoje a údržbu. FDA zohrala dôležitú úlohu pri riadení opakovateľnosti a reprodukovateľnosti výsledkov testov pre medicínske zariadenia, ako sú skenery, biotechnologické zariadenia a laboratórne mikrotesty, smerom k takmer dokonalosti (viac ako alebo rovnajúce sa 95 percentám). Aby sa zabezpečila presnosť, špecifikácia nariaďuje 31 samostatných testov pre jeden diagnostický snímač (21 CFR 900.12), z ktorých mnohé sú ohrozené rozptylom tepla. Konkurenčný trh s diagnostickými zdravotníckymi pomôckami urobil z prísnej kontroly odvodu tepla ešte dôležitejší faktor pri navrhovaní elektronických produktov.
Dizajnéri zvyčajne pracujú vo veľmi úzkom rozsahu teplotných variácií (δT) s teplotným rozdielom 10 stupňov C medzi vnútorným a vonkajším prostredím šasi zariadenia. Viaceré zdroje tepla (ako je napájanie zariadení a iné diskrétne elektronické komponenty) môžu produkovať celkový výkon 1200 wattov alebo viac, z čoho 400 wattov predstavuje odpadové teplo, ktoré sa má vypustiť. S obmedzeniami veľkosti ventilátora a rýchlosti vetra je dosiahnutie ticha komplikovanejšie. Tieto problémy možno často v najväčšej miere vyriešiť tepelným rúrkovým výmenníkom tepla. V teplovodivom rúrkovom výmenníku tepla sa teplo prenáša z vnútra zariadenia do vonkajšej časti zariadenia cez teplovodivú rúrku a potom sa vypúšťa do okolitého vzduchu cez chladič rebrového typu. Väčšia plocha rebier a efektívnejšie trubice na prenos tepla umožňujú menšie, tichšie ventilátory, ktoré spĺňajú prísne požiadavky na odvod tepla podľa regulačných a klinických nastavení. V niektorých prípadoch je tiež možné použiť technológiu teplovodivých trubíc pre samotnú trubicu, čím sa na prenos tepla využívajú skôr zákony termodynamiky než elektronika alebo ventilátory.
Podobná technológia tepelných trubíc sa používa na chladenie displejov v zariadeniach na monitorovanie kritickej starostlivosti. Ako je znázornené na obrázku, zostava tepelnej trubice rackového typu môže poskytnúť dokonalú tepelnú stabilitu s malým úsilím na technickú údržbu. Absencia prenosových komponentov umožňuje normálnu životnosť niekoľko miliónov hodín, takže zlyhanie počas operácií kritickej starostlivosti je takmer nemožné.
Sinda Thermal je popredný výrobca chladičov, ktorý dokáže poskytnúť rôzne tepelné riešenia pre zdravotnícke zariadenia, môžeme navrhnúť a postaviť chladič na chladenie kvapaliny, chladič s tepelnou trubicou, extrudovaný chladič, chladič so šikmými rebrami atď. voľne, ak máte akúkoľvek požiadavku na chladič.
