Introducerea soluțiilor pasive de management al căldurii pentru a promova dezvoltarea dispozitivelor electronice medicale
De la dispozitive de imagistică la instrumente chirurgicale până la imunitate automată, tehnologiile medicale puternice ale secolului 21 sunt impresionante, datorită în mare parte puterii de calcul crescute a microprocesoarelor. Pentru inginerii termici, însă, aceste progrese au avut un preț. Cu cât un dispozitiv are mai multă putere, cu atât generează mai multă căldură și, în general, trebuie să se disipeze într-un spațiu din ce în ce mai mic (pe măsură ce dimensiunea dispozitivului devine mai mică). Pe măsură ce cererea noastră de precizie și fiabilitate în dispozitivele medicale crește, controlul disipării căldurii devine și mai important.
O altă provocare provine din faptul că dispozitivele medicale au anumite cerințe speciale din cauza riscurilor mari implicate. De exemplu, unele materiale utilizate în mod obișnuit în soluțiile de disipare a căldurii (de exemplu, cuprul) nu sunt utile în multe aplicații medicale din cauza apropierii lor de corpul uman (pe lângă cauzarea inflamației în țesuturile umane, cuprul poate provoca degenerarea severă și ireversibilă a neuronului). țesut). Nevoia de precizie în unele aplicații medicale poate comprima spațiul disponibil pentru soluțiile de răcire până la punctul aproape de dispariție -- instrumentele chirurgicale care necesită gestionarea căldurii pentru a evita deteriorarea țesuturilor umane oferă designerilor doar 0. 5 milimetri pentru a implementa tehnologia de transfer de căldură.
Un alt domeniu care necesită soluții de management termic ultra-mici este proiectarea dispozitivelor implantabile umane, care necesită atât dimensiuni mici, cât și coeficienți precisi de modificare a temperaturii pentru a proteja organele umane. În cele din urmă, schimbările periodice rapide de temperatură (cu fluctuații de temperatură de până la 50 de grade C în milisecunde) sunt o caracteristică comună a multor dispozitive de laborator, cum ar fi divizoarele de ADN. Toți acești factori legați de acuratețe, fiabilitate, constrângeri de dimensiune și selecție strictă a materialelor fac din ingineria termică medicală o sarcină dificilă pentru proiectanți. Inginerii de proiectare a transferului de căldură trebuie să aleagă între eficiență și dimensiune față de cost și, din ce în ce mai mult, disiparea căldurii versus zgomot redus (ceea ce înseamnă că în unele aplicații nu pot fi utilizate ventilatoare, deși debitul lor mare de gaz de volum le face optime pentru disiparea căldurii).
Transferul de căldură
Inginerii termici au apelat din ce în ce mai mult la dispozitive pasive de transfer de căldură (de exemplu, tuburi termice) pentru a face față acestor provocări, deoarece lichidul de lucru din tubul de conducție a căldurii are două forme de existență lichide și vapori de apă, astfel încât tubul de conducere a căldurii este un bifazic. dispozitiv de răcire.Transferul de căldură se realizează prin transformarea fluidului de lucru din lichid în vapori de apă. Ciclul continuu de evaporare, transfer (căldură), condensare și întoarcere a fluidului de lucru condensat în zona de evaporare.
Nu va exista nicio defecțiune a componentelor de livrare în timpul acestei lucrări - un aspect de bază în aplicațiile în care fiabilitatea este primordială pentru a obține rezultate precise sau pentru a obține recuperarea pacientului. Proiectarea componentelor pasive de transfer de căldură este simplă și, în general, implică un tub sigilat în vid umplut cu fluid de lucru care este relativ ușor de miniaturizat. Progresele în tehnologia structurii capilare ajută la asigurarea faptului că fluidul de lucru răcit și condensat rezistă gravitației și este returnat eficient și fiabil în secțiunea de intrare de căldură a tubului conductor. Acest lucru permite conductei conducătoare să funcționeze în diferite orientări. Cu mai multă libertate de proiectare, designerii pot folosi chiar și tuburi flexibile de conducție a căldurii.
O altă schemă de disipare a căldurii mai des folosită este radiatorul. Radiatorul de căldură poate fi operat în modul de convecție forțată sau naturală, dar, din nou, oricare abordare înseamnă efectuarea de compromisuri. Dacă creșteți debitul de aer folosit pentru răcire, înseamnă că puteți reduce numărul de aripioare sau puteți reduce aria aripioarelor. Totuși, dacă debitul de aer generat de ventilator este mai mare, zgomotul generat de ventilator este mai mare. Dacă ventilatorul produce mai puțin debit de aer, ventilatorul funcționează mai silențios și poate fi mai mic, dar asta înseamnă că radiatorul trebuie să aibă aripioare mai multe sau mai mari. Prin urmare, nu este ușor să faceți componentele de răcire atât mai mici, cât și mai silențioase în același echipament.
Într-un schimbător de căldură cu conducte de căldură, căldura este transmisă prin conducta de căldură către aripioare și apoi este disipată în aerul din jur. Dar se poate, modalitatea de a reduce dimensiunea și zgomotul în același timp este de a face piesele radiatorului mai izoterme, radiatorul, care a fost răcit anterior de un singur răcitor termoelectric (TEC), poate fi reproiectat pentru a avea mai multe TEC care transferă căldura uniform pe suprafața radiatorului, în loc să se bazeze exclusiv pe conducția căldurii. Cu toate acestea, pe lângă faptul că necesită întreținere, astfel de scheme adaugă complexitate și costuri electronice. Ansamblul tubului de conducție a căldurii de tip rack poate oferi o stabilitate termică perfectă și o sarcină de întreținere tehnică mai mică. O soluție de răcire mai simplă este să utilizați tehnologia de răcire pasivă pentru a combina radiatorul cu o cavitate de abur încorporată (ajustând, în esență, un tub de conducere a căldurii la o stare plată pentru a deveni un tub plat de conducție a căldurii) sau să utilizați un radiator a cărui suprafață este integrată. cu tubul de conducere a căldurii. Ambele scheme permit un transfer rapid și uniform de căldură prin evaporarea fluidului de lucru într-un tub de conducere a căldurii încorporat sau într-o cameră de vapori. Vaporii de apă transportă căldura uniform prin întreaga suprafață inferioară a radiatorului și a aripioarei radiatorului, evitând punctele fierbinți. Deoarece aripioarele sunt izoterme, fluxul de aer prin aripioare transportă cea mai mare căldură.
În general, trecerea către dispozitive de răcire pasive (de exemplu, conducte de căldură, radiatoare și camere de vapori) în dispozitivele medicale reflectă o evoluție continuă către electronice mai mici, mai puternice și mai miniaturizate. În timp ce opțiunile de răcire mai tradiționale (refrigerare, TEC, plăci de răcire cu lichid etc.) rămân cea mai potrivită alegere pentru unele dispozitive medicale, designerii descoperă că tehnologia de răcire pasivă va deveni din ce în ce mai atractivă pe măsură ce evoluează. Progresele în structurile materiale au făcut, de asemenea, soluțiile de răcire pasivă mai atractive pentru proiectanții de dispozitive medicale. De exemplu, apariția grafitului pirolitic (APG) a făcut posibile componente de răcire care sunt mai mici, mai ușoare și mai eficiente decât radiatoarele convenționale din aluminiu sau cupru.
Pe măsură ce produsele se îndreaptă către mai multă miniaturizare și carcase electronice mai mici, materialele cu conductivitate termică mai mare pot oferi designerilor un avans.
Conductivitatea termică efectivă a APG este de 1000 W/mK, care este de 5 ori mai mult decât aluminiul solid și de 2,5 ori mai mult decât cuprul solid. Apgs pot fi, de asemenea, ambalate pentru aplicații precum instrumentele chirurgicale. În astfel de aplicații, este important să se evite contactul cu țesutul uman din cauza preocupărilor legate de deteriorarea țesutului, cicatricile sau infecția. Dezvoltarea de materiale precum APG-urile ajută la explicarea de ce designerii de dispozitive medicale aleg mai multe sisteme pasive de control al disipării căldurii.
Nu numai că aceste sisteme oferă o gamă mai largă de opțiuni, dar în multe cazuri oferă opțiuni mai bune pentru gestionarea căldurii.
În comparație cu soluțiile tradiționale de răcire cu lichid, sistemele de răcire pasivă sunt mai fiabile (mai puține componente de transport înseamnă un risc mai mic de defecțiune), necesită mai puțină întreținere, sunt mai flexibile în proiectare, funcționează mai silențios și, în multe cazuri, sunt mai ușor de gestionat costurile. Mai jos sunt prezentate câteva exemple de concepte de management pasiv al căldurii integrate în unele aplicații importante pentru dispozitive medicale.
Imagistica de diagnostic
Deoarece performanța electronicii se deteriorează rapid după o temperatură critică, răcirea carcasei este esențială pentru tehnologiile care utilizează o mulțime de componente electronice, cum ar fi imagistica prin rezonanță magnetică (RMN), tomografia computerizată (CT), ultrasunetele și raze X. Chiar și micile fluctuații ale temperaturii pot afecta calibrarea și rezultatele, ceea ce duce la timpi de nefuncționare și întreținere costisitoare. FDA a jucat un rol important în conducerea repetabilității și reproductibilității rezultatelor testelor pentru dispozitivele medicale, cum ar fi scanere, dispozitive biotehnologice și microtestele de laborator, către aproape perfecțiune (mai mare sau egală cu 95 la sută). Pentru a asigura acuratețea, specificația impune 31 de teste separate pentru un singur aparat de diagnosticare (21 CFR 900.12), dintre care multe sunt compromise de disiparea căldurii. Piața competitivă a dispozitivelor medicale de diagnosticare a făcut din controlul strict al disipării căldurii un factor și mai important în proiectarea produselor electronice.
Designerii lucrează de obicei într-un interval foarte îngust de variație a temperaturii (δT), cu o diferență de temperatură de 10 grade C între mediul intern și cel extern al șasiului dispozitivului. Surse multiple de căldură (cum ar fi puterea echipamentului și alte componente electronice discrete) pot produce o putere totală de 1200 de wați sau mai mult, din care 400 de wați reprezintă căldură reziduală care trebuie evacuată. Cu limitele privind dimensiunea ventilatorului și viteza vântului, devine mai complicat să obții liniște. Aceste probleme pot fi adesea rezolvate prin schimbătorul de căldură cu tub termic în cea mai mare măsură. Într-un schimbător de căldură cu tub de conducție a căldurii, căldura este transmisă din interiorul echipamentului către exteriorul echipamentului prin tubul de conducție a căldurii și apoi este descărcată în aerul din jur prin radiatorul de tip aripioară. Suprafața mai mare a aripioarelor și tuburile de transfer de căldură mai eficiente permit ventilatoare mai mici și mai silențioase care îndeplinesc cerințele stricte de disipare a căldurii ale setărilor de reglementare și clinice. În unele cazuri, este, de asemenea, posibil să se folosească tehnologia tubului de conducție a căldurii pentru tubul în sine, utilizând astfel legile termodinamicii mai degrabă decât electronicele sau ventilatoarele pentru a realiza transferul de căldură.
Tehnologia similară a conductelor de căldură este utilizată pentru a răci afișajele în echipamentele de monitorizare a îngrijirii critice. După cum se arată în figură, un ansamblu tub termic de tip rack poate oferi o stabilitate termică perfectă cu un efort tehnic mic de întreținere. Absența componentelor de transfer permite o durată normală de viață de câteva milioane de ore, făcând defecțiunea în timpul operațiunilor de îngrijire critică aproape imposibilă.
Sinda Thermal este un producător de frunte de radiatoare care poate furniza varietăți de soluții termice pentru echipamentele medicale, putem proiecta și construi radiator de răcire cu lichid, radiator de căldură, radiator extrudat, radiator cu aripioare skived etc. vă rugăm să ne contactați. liber dacă aveți nevoie de radiator.
