Introduktionen af passiv varmestyringsløsninger for at fremme udviklingen af medicinsk elektronisk udstyr
Fra billedbehandlingsenheder til kirurgiske instrumenter til automatiseret immunitet, de kraftfulde medicinske teknologier i det 21. århundrede er imponerende, i høj grad takket være mikroprocessorernes øgede beregningskraft. For termiske ingeniører har disse fremskridt imidlertid haft en pris. Jo mere strøm en enhed har, jo mere varme genererer den, og generelt skal den spredes i et mindre og mindre rum (i takt med at enhedens størrelse bliver mindre). Efterhånden som vores krav om præcision og pålidelighed i medicinsk udstyr stiger, bliver varmeafledningskontrol endnu vigtigere.
En anden udfordring stammer fra, at medicinsk udstyr har nogle særlige krav på grund af de høje risici. For eksempel er nogle materialer, der almindeligvis anvendes i varmeafledningsopløsninger (f.eks. kobber), ikke nyttige i mange medicinske anvendelser på grund af deres nærhed til den menneskelige krop (ud over at forårsage betændelse i menneskeligt væv kan kobber forårsage alvorlig og irreversibel degeneration af neurale væv). Behovet for præcision i nogle medicinske applikationer kan komprimere den tilgængelige plads til køleløsninger til punktet af næsten udryddelse -- kirurgiske instrumenter, der kræver varmestyring for at undgå beskadigelse af menneskeligt væv, giver designere kun 0. 5 millimeter til at implementere varmeoverførselsteknologi.
Et andet område, der kræver ultra-små termiske styringsløsninger, er designet af menneskelige implanterbare enheder, som kræver både lille størrelse og nøjagtige temperaturændringskoefficienter for at beskytte menneskelige organer. Endelig er hurtige periodiske temperaturændringer (med temperaturudsving på op til 50 grader C inden for millisekunder) et fælles træk ved mange laboratorieenheder såsom DNA-splittere. Alle disse faktorer relateret til nøjagtighed, pålidelighed, størrelsesbegrænsninger og strengt materialevalg gør medicinsk termisk teknik til en vanskelig opgave for designere. Varmeoverførselsdesigningeniører skal vælge mellem effektivitet og størrelse kontra omkostninger og i stigende grad varmeafledning versus lav støj (hvilket betyder, at blæsere i nogle applikationer ikke kan bruges, selvom deres høje volumengasstrømningshastighed gør dem optimale til varmeafledning).
Varmen overfører
Termiske ingeniører har i stigende grad henvendt sig til passive varmeoverførselsenheder (f.eks. termiske rør) for at løse disse udfordringer, fordi arbejdsvæsken i varmeledningsrøret har væske og vanddamp to former for eksistens, så varmeledningsrøret er et tofaset køleanordning. Overførslen af varme opnås ved omdannelsen af arbejdsvæsken fra væske til vanddamp. Den kontinuerlige cyklus med fordampning, overførsel (varme), kondensering og tilbageføring af den kondenserede arbejdsvæske til fordampningszonen.
Der vil ikke være nogen leveringskomponentfejl under dette arbejde - en kerneovervejelse i applikationer, hvor pålidelighed er altafgørende for at opnå nøjagtige resultater eller opnå patientrestitution. Designet af passive varmeoverførselskomponenter er ligetil og involverer generelt et vakuumforseglet rør fyldt med arbejdsvæske, der er relativt let at miniaturisere. Fremskridt inden for kapillarstrukturteknologi hjælper med at sikre, at den afkølede og kondenserede arbejdsvæske modstår tyngdekraften og returneres effektivt og pålideligt til varmetilførselssektionen af det ledende rør. Dette gør det muligt for det ledende rør at fungere i forskellige orienteringer. Med mere designfrihed kan designere endda bruge fleksible varmeledningsrør.
En anden mere almindeligt anvendt varmeafledningsordning er kølepladen. Kølepladen kan betjenes i tvungen eller naturlig konvektionstilstand, men igen betyder begge tilgange at foretage afvejninger. Hvis du øger luftstrømmen, der bruges til køling, betyder det, at du kan reducere antallet af finner eller reducere finnernes areal. Men hvis luftstrømmen genereret af ventilatoren er større, er støjen genereret af ventilatoren større. Giver ventilatoren mindre luftgennemstrømning, kører ventilatoren mere støjsvag og kan være mindre, men det betyder, at radiatoren skal have flere eller større finner. Derfor er det ikke nemt at gøre kølekomponenterne både mindre og mere støjsvage i samme udstyr.
I en varmerørsvarmeveksler overføres varme gennem varmerøret til finnerne og spredes derefter ud i den omgivende luft. Men det kan lade sig gøre, måden at reducere størrelsen og støjen på samme tid er at gøre radiatorstykkerne mere isotermiske, kølepladen, som tidligere blev kølet af en enkelt termoelektrisk køler (TEC), kan omdesignes til at have flere TEC'er, der overfører varme ensartet over overfladen af kølepladen i stedet for udelukkende at stole på varmeledning. Ud over at kræve vedligeholdelse tilføjer sådanne ordninger imidlertid kompleksitet og omkostninger til elektronikken. Rack-type varmeledningsrørsamling kan give perfekt termisk stabilitet og mindre teknisk vedligeholdelsesarbejde. En enklere køleløsning er at bruge passiv køleteknologi til at kombinere kølepladen med et indlejret damphulrum (i det væsentlige justere et varmeledningsrør til en flad tilstand for at blive et fladt varmeledningsrør), eller at bruge en køleplade, hvis overflade er integreret med varmeledningsrøret. Begge skemaer tillader hurtig og ensartet varmeoverførsel ved at fordampe arbejdsvæsken i et indlejret varmeledningsrør eller dampkammer. Vanddamp transporterer varmen jævnt gennem hele bunden af kølepladen og kølepladefinnen og undgår varme pletter. Fordi finnerne er isotermiske, bærer luftstrømmen gennem finnerne mest varme.
Generelt afspejler skiftet mod passive køleanordninger (f.eks. varmerør, køleplader og dampkamre) i medicinsk udstyr en igangværende udvikling i retning af mindre, mere kraftfuld og mere miniaturiseret elektronik. Mens mere traditionelle kølemuligheder (køling, TEC, flydende køleplader osv.) fortsat er det mest passende valg for nogle medicinske apparater, finder designere ud af, at passiv køleteknologi vil blive mere og mere attraktiv, efterhånden som den udvikler sig. Fremskridt inden for materialestrukturer har også gjort passive køleløsninger mere attraktive for designere af medicinsk udstyr. For eksempel har fremkomsten af pyrolytisk grafit (APG) muliggjort kølekomponenter, der er mindre, lettere og mere effektive end konventionelle køleplader af aluminium eller kobber.
Efterhånden som produkter bevæger sig mod mere miniaturisering og mindre elektroniske kabinetter, kan materialer med højere termisk ledningsevne give designere et ben op.
Den effektive varmeledningsevne for APG er 1000 W/mK, hvilket er 5 gange så meget som massivt aluminium og 2,5 gange så meget som massivt kobber. Apgs kan også pakkes til applikationer såsom kirurgiske instrumenter. I sådanne applikationer er det vigtigt at undgå kontakt med menneskeligt væv på grund af bekymringer om vævsskade, ardannelse eller infektion. Udviklingen af materialer som APG'er hjælper med at forklare, hvorfor designere af medicinsk udstyr vælger mere passive varmeafledningskontrolsystemer.
Disse systemer tilbyder ikke kun en bredere vifte af muligheder, men de tilbyder i mange tilfælde bedre muligheder for varmestyring.
Sammenlignet med traditionelle væskekølingsløsninger er passive kølesystemer mere pålidelige (færre transportkomponenter betyder en lavere risiko for fejl), kræver mindre vedligeholdelse, er mere fleksible i design, fungerer mere støjsvage og er i mange tilfælde nemmere at styre omkostningerne. Adskillige eksempler på passiv varmestyringskoncepter integreret i nogle vigtige medicinske udstyrsapplikationer er præsenteret nedenfor.
Diagnostisk billeddannelse
Fordi elektronikkens ydeevne forringes hurtigt efter en kritisk temperatur, er kabinetkøling afgørende for teknologier, der bruger mange elektroniske komponenter, såsom magnetisk resonansbilleddannelse (MRI), computertomografi (CT), ultralyd og røntgenstråler. Selv små udsving i temperaturen kan påvirke kalibrering og resultater, hvilket resulterer i dyr nedetid og vedligeholdelse. FDA har spillet en vigtig rolle i at drive repeterbarheden og reproducerbarheden af testresultater for medicinsk udstyr, såsom scannere, bioteknologisk udstyr og laboratoriemikroassays, mod næsten perfektion (større end eller lig med 95 procent). For at sikre nøjagtighed kræver specifikationen 31 separate tests for et enkelt diagnostisk billedapparat (21 CFR 900.12), hvoraf mange er kompromitteret af varmeafledning. Det konkurrenceprægede marked for diagnostisk medicinsk udstyr har gjort streng varmeafledningskontrol til en endnu vigtigere faktor i design af elektroniske produkter.
Designere arbejder normalt inden for et meget snævert område af temperaturvariationer (δT), med en temperaturforskel på 10 grader C mellem de interne og eksterne miljøer af enhedens chassis. Flere varmekilder (såsom udstyrsstrøm og andre diskrete elektroniske komponenter) kan producere en samlet effekt på 1200 watt eller mere, hvoraf 400 watt er spildvarme, der skal udledes. Med grænser for blæserstørrelse og vindhastighed bliver det mere kompliceret at opnå stilhed. Disse problemer kan ofte løses med termisk rørvarmeveksler i størst muligt omfang. I en varmeledningsrør-varmeveksler overføres varme fra indersiden af udstyret til ydersiden af udstyret gennem varmeledningsrøret og udledes derefter til den omgivende luft gennem kølepladen af finnetypen. Større finneområde og mere effektive varmeoverførselsrør giver mulighed for mindre, mere støjsvage ventilatorer, der opfylder de strenge varmeafledningskrav i regulatoriske og kliniske indstillinger. I nogle tilfælde er det også muligt at bruge varmeledningsrørteknologien til selve røret, og dermed bruge termodynamikkens love frem for elektronik eller blæsere til at udføre varmeoverførslen.
Lignende varmerørsteknologi bruges til at køle skærme i overvågningsudstyr til kritisk pleje. Som vist på figuren kan en termisk rørsamling af stativtype give perfekt termisk stabilitet med lidt teknisk vedligeholdelsesindsats. Fraværet af overførselskomponenter giver mulighed for en normal levetid på adskillige millioner timer, hvilket gør svigt under intensive operationer næsten umuligt.
Sinda Thermal er en førende kølepladeproducent, som kan levere forskellige termiske løsninger til det medicinske udstyr, vi kan designe og bygge væskekølingskølelegemet, kølerørskølelegemet, ekstruderet kølelegeme, kølelegemet med riller, etc. kontakt os venligst frit, hvis du har behov for køleplade.
