Innføringen av passive varmestyringsløsninger for å fremme utviklingen av medisinsk elektronisk utstyr
Fra bildeenheter til kirurgiske instrumenter til automatisert immunitet, de kraftige medisinske teknologiene i det 21. århundre er imponerende, mye takket være den økte beregningskraften til mikroprosessorer. For termiske ingeniører har imidlertid disse fremskrittene hatt en pris. Jo mer kraft en enhet har, jo mer varme genererer den, og generelt må den forsvinne i et mindre og mindre rom (ettersom størrelsen på enheten blir mindre). Ettersom kravet vårt etter presisjon og pålitelighet i medisinsk utstyr øker, blir varmespredningskontroll enda viktigere.
En annen utfordring er det faktum at medisinsk utstyr har noen spesielle krav på grunn av den høye risikoen. For eksempel er noen materialer som vanligvis brukes i varmeavledningsløsninger (f.eks. kobber) ikke nyttige i mange medisinske applikasjoner på grunn av deres nærhet til menneskekroppen (i tillegg til å forårsake betennelse i menneskelig vev, kan kobber forårsake alvorlig og irreversibel degenerasjon av nevrale vev). Behovet for presisjon i enkelte medisinske applikasjoner kan komprimere plassen som er tilgjengelig for kjøleløsninger til punktet av nesten utryddelse -- kirurgiske instrumenter som krever varmehåndtering for å unngå skade på menneskelig vev, gir designere kun 0. 5 millimeter for å implementere varmeoverføringsteknologi.
Et annet område som krever ultrasmå termiske styringsløsninger er utformingen av menneskelige implanterbare enheter, som krever både liten størrelse og nøyaktige temperaturendringskoeffisienter for å beskytte menneskelige organer. Til slutt er raske periodiske temperaturendringer (med temperatursvingninger på opptil 50 grader C i løpet av millisekunder) et vanlig trekk ved mange laboratorieenheter som DNA-splittere. Alle disse faktorene knyttet til nøyaktighet, pålitelighet, størrelsesbegrensninger og strengt materialvalg gjør medisinsk termisk konstruksjon til en vanskelig oppgave for designere. Designingeniører for varmeoverføring må velge mellom effektivitet og størrelse kontra kostnad og, i økende grad, varmespredning versus lav støy (noe som betyr at vifter i noen applikasjoner ikke kan brukes, selv om deres høye volumgassstrømningshastighet gjør dem optimale for varmespredning).
Varmen overfører
Termiske ingeniører har i økende grad henvendt seg til passive varmeoverføringsenheter (f.eks. termiske rør) for å møte disse utfordringene, fordi arbeidsvæsken i varmeledningsrøret har væske og vanndamp to former for eksistens, så varmeledningsrøret er et tofaset kjøleanordning. Overføringen av varme oppnås ved transformasjon av arbeidsvæsken fra væske til vanndamp. Den kontinuerlige syklusen med fordampning, overføring (varme), kondensering og retur av det kondenserte arbeidsfluidet til fordampningssonen.
Det vil ikke være noen feil i leveringskomponenten under dette arbeidet – en kjernebetraktning i applikasjoner der pålitelighet er avgjørende for å oppnå nøyaktige resultater eller oppnå pasientens restitusjon. Utformingen av passive varmeoverføringskomponenter er enkel og involverer generelt et vakuumforseglet rør fylt med arbeidsvæske som er relativt enkelt å miniatyrisere. Fremskritt innen kapillærstrukturteknologi bidrar til å sikre at det avkjølte og kondenserte arbeidsfluidet motstår tyngdekraften og returneres effektivt og pålitelig til varmetilførselsdelen av det ledende røret. Dette gjør at det ledende røret kan operere i forskjellige orienteringer. Med mer designfrihet kan designere til og med bruke fleksible varmeledningsrør.
En annen mer vanlig varmeavledningsordning er kjøleribben. Kjøleribben kan betjenes i tvungen eller naturlig konveksjonsmodus, men igjen, begge tilnærmingene betyr å gjøre avveininger. Hvis du øker luftstrømmen som brukes til kjøling, betyr det at du kan redusere antall finner eller redusere arealet av finnene. Men hvis luftstrømmen som genereres av viften er større, er støyen som genereres av viften større. Hvis viften gir mindre luftstrøm, går viften roligere og kan være mindre, men dette betyr at radiatoren må ha flere eller større finner. Derfor er det ikke lett å gjøre kjølekomponentene både mindre og mer stillegående i samme utstyr.
I en varmerørsvarmeveksler overføres varme gjennom varmerøret til finnene og spres deretter ut i luften rundt. Men det kan gjøres, måten å redusere størrelsen og støyen på samtidig er å gjøre radiatordelene mer isotermiske, kjøleribben, som tidligere ble avkjølt av en enkelt termoelektrisk kjøler (TEC), kan redesignes for å ha flere TEC-er som overfører varme jevnt over overflaten av kjøleribben i stedet for å stole utelukkende på varmeledning. Men i tillegg til å kreve vedlikehold, gir slike ordninger kompleksitet og kostnader til elektronikken. Rack-type varmeledningsrør kan gi perfekt termisk stabilitet og mindre teknisk vedlikeholdsarbeid. En enklere kjøleløsning er å bruke passiv kjøleteknologi for å kombinere kjøleribben med et innebygd damphulrom (i hovedsak justerer et varmeledningsrør til flat tilstand for å bli et flatt varmeledningsrør), eller å bruke en kjøleribbe hvis overflate er integrert med varmeledningsrøret. Begge ordningene tillater rask og jevn varmeoverføring ved å fordampe arbeidsfluidet i et innebygd varmeledningsrør eller dampkammer. Vanndamp fører varmen jevnt gjennom hele bunnflaten av kjøleribben og kjøleribben, og unngår varme flekker. Fordi finnene er isotermiske, bærer luftstrømmen gjennom finnene mest varme.
Generelt reflekterer skiftet mot passive kjøleenheter (f.eks. varmerør, varmeavledere og dampkammer) i medisinsk utstyr en pågående utvikling mot mindre, kraftigere og mer miniatyrisert elektronikk. Mens mer tradisjonelle kjølealternativer (kjøling, TEC, flytende kjøleplater, etc.) fortsatt er det mest passende valget for enkelte medisinske enheter, oppdager designere at passiv kjøleteknologi vil bli stadig mer attraktiv ettersom den utvikler seg. Fremskritt i materialstrukturer har også gjort passive kjøleløsninger mer attraktive for designere av medisinsk utstyr. For eksempel har bruken av pyrolytisk grafitt (APG) muliggjort kjølekomponenter som er mindre, lettere og mer effektive enn konvensjonelle kjøleribber i aluminium eller kobber.
Ettersom produktene beveger seg mot mer miniatyrisering og mindre elektroniske kabinetter, kan materialer med høyere termisk ledningsevne gi designere et ben opp.
Den effektive varmeledningsevnen til APG er 1000 W/mK, som er 5 ganger så mye som solid aluminium og 2,5 ganger så mye som solid kobber. Apgs kan også pakkes for bruksområder som kirurgiske instrumenter. I slike applikasjoner er det viktig å unngå kontakt med menneskelig vev på grunn av bekymringer om vevsskade, arrdannelse eller infeksjon. Utviklingen av materialer som APG-er bidrar til å forklare hvorfor designere av medisinsk utstyr velger mer passive varmespredningskontrollsystemer.
Ikke bare tilbyr disse systemene et bredere spekter av alternativer, men i mange tilfeller tilbyr de bedre alternativer for varmestyring.
Sammenlignet med tradisjonelle væskekjøleløsninger er passive kjølesystemer mer pålitelige (færre transportkomponenter betyr lavere risiko for svikt), krever mindre vedlikehold, er mer fleksible i design, fungerer stillere og er i mange tilfeller enklere å administrere kostnadene. Nedenfor presenteres flere eksempler på konsepter for passiv varmestyring integrert i noen viktige medisinske apparater.
Diagnostisk bildediagnostikk
Fordi ytelsen til elektronikk forringes raskt etter en kritisk temperatur, er kjøling av kabinett kritisk for teknologier som bruker mange elektroniske komponenter, som magnetisk resonansavbildning (MRI), computertomografi (CT), ultralyd og røntgen. Selv små svingninger i temperaturen kan påvirke kalibrering og resultater, noe som resulterer i kostbar nedetid og vedlikehold. FDA har spilt en viktig rolle i å drive repeterbarheten og reproduserbarheten av testresultater for medisinsk utstyr, slik som skannere, bioteknologiske enheter og laboratoriemikroanalyser, mot nesten perfeksjon (større enn eller lik 95 prosent). For å sikre nøyaktighet, krever spesifikasjonen 31 separate tester for en enkelt diagnostisk bildekamera (21 CFR 900.12), hvorav mange er kompromittert av varmespredning. Det konkurranseutsatte markedet for diagnostisk medisinsk utstyr har gjort streng varmespredningskontroll til en enda viktigere faktor i utformingen av elektroniske produkter.
Designere arbeider vanligvis innenfor et veldig smalt område av temperaturvariasjoner (δT), med en temperaturforskjell på 10 grader C mellom de interne og eksterne miljøene til enhetens chassis. Flere varmekilder (som utstyrskraft og andre diskrete elektroniske komponenter) kan produsere en total effekt på 1200 watt eller mer, hvorav 400 watt er spillvarme som skal slippes ut. Med begrensninger på viftestørrelse og vindhastighet, blir det mer komplisert å oppnå stillhet. Disse problemene kan ofte løses med termisk rørvarmeveksler i størst grad. I en varmeledningsrørvarmeveksler overføres varme fra innsiden av utstyret til utsiden av utstyret gjennom varmeledningsrøret, og slippes deretter ut i luften rundt gjennom kjøleribben av finnetypen. Større finneområde og mer effektive varmeoverføringsrør tillater mindre, roligere vifter som oppfyller de strenge kravene til varmespredning i regulatoriske og kliniske innstillinger. I noen tilfeller er det også mulig å bruke varmeledningsrørteknologien for selve røret, og dermed bruke termodynamikkens lover i stedet for elektronikk eller vifter for å oppnå varmeoverføring.
Tilsvarende varmerørteknologi brukes til å kjøle ned skjermer i overvåkingsutstyr for kritisk omsorg. Som vist i figuren, kan en termisk rørenhet av stativtype gi perfekt termisk stabilitet med liten teknisk vedlikeholdsinnsats. Fraværet av overføringskomponenter gir en normal levetid på flere millioner timer, noe som gjør svikt under kritiske operasjoner nesten umulig.
Sinda Thermal er en ledende kjøleribbeprodusent som kan tilby varianter av termiske løsninger for det medisinske utstyret, vi kan designe og bygge væskekjølende kjøleribben, varmerørskjøleren, ekstrudert kjøleribben, kjøleribben med skiver, etc. vennligst kontakt oss fritt hvis du har behov for kjøleribbe.
