Införandet av passiva värmehanteringslösningar för att främja utvecklingen av medicinsk elektronisk utrustning
Från avbildningsenheter till kirurgiska instrument till automatiserad immunitet, 2000-talets kraftfulla medicinska teknologier är imponerande, till stor del tack vare den ökade beräkningskraften hos mikroprocessorer. För termiska ingenjörer har dock dessa framsteg kommit till ett pris. Ju mer kraft en enhet har, desto mer värme genererar den, och i allmänhet måste den försvinna i ett mindre och mindre utrymme (eftersom enhetens storlek blir mindre). När våra krav på precision och tillförlitlighet i medicintekniska produkter ökar, blir värmeavledningskontroll ännu viktigare.
En annan utmaning är att medicintekniska produkter har vissa speciella krav på grund av de höga riskerna. Till exempel är vissa material som vanligtvis används i värmeavledningslösningar (t.ex. koppar) inte användbara i många medicinska tillämpningar på grund av deras närhet till människokroppen (utöver att det orsakar inflammation i mänskliga vävnader, kan koppar orsaka allvarlig och irreversibel degeneration av nervsystemet vävnad). Behovet av precision i vissa medicinska tillämpningar kan komprimera det tillgängliga utrymmet för kylningslösningar till punkten av nästan utdöende -- kirurgiska instrument som kräver värmehantering för att undvika skador på mänsklig vävnad ger designers endast 0. 5 millimeter för att implementera värmeöverföringsteknik.
Ett annat område som kräver ultrasmå värmehanteringslösningar är designen av mänskliga implanterbara enheter, som kräver både liten storlek och exakta temperaturförändringskoefficienter för att skydda mänskliga organ. Slutligen är snabba periodiska temperaturförändringar (med temperaturfluktuationer på upp till 50 grader C inom millisekunder) ett vanligt kännetecken för många laboratorieapparater som DNA-splitter. Alla dessa faktorer relaterade till noggrannhet, tillförlitlighet, storleksbegränsningar och strikt materialval gör medicinsk termisk teknik till en svår uppgift för designers. Utformningsingenjörer för värmeöverföring måste välja mellan effektivitet och storlek kontra kostnad och i allt högre grad värmeavledning kontra lågt ljud (vilket innebär att fläktar i vissa applikationer inte kan användas, även om deras höga volymgasflöde gör dem optimala för värmeavledning).
Värmeöverföringen
Termiska ingenjörer har i allt större utsträckning vänt sig till passiva värmeöverföringsanordningar (t.ex. termiska rör) för att möta dessa utmaningar, eftersom arbetsvätskan i värmeledningsröret har två former av vätska och vattenånga, så värmeledningsröret är ett tvåfas kylanordning. Överföringen av värme uppnås genom omvandling av arbetsvätskan från vätska till vattenånga. Den kontinuerliga cykeln av förångning, överföring (värme), kondensering och återföring av den kondenserade arbetsvätskan till förångningszonen.
Det kommer inte att uppstå något fel på leveranskomponenten under detta arbete - en central faktor i applikationer där tillförlitlighet är av största vikt för att uppnå exakta resultat eller uppnå patientåterhämtning. Utformningen av passiva värmeöverföringskomponenter är enkel och involverar i allmänhet ett vakuumförseglat rör fyllt med arbetsvätska som är relativt lätt att miniatyrisera. Framsteg inom kapillärstrukturteknik hjälper till att säkerställa att den kylda och kondenserade arbetsvätskan motstår gravitationen och återförs effektivt och tillförlitligt till värmeinmatningsdelen av det ledande röret. Detta gör att det ledande röret kan arbeta i olika orienteringar. Med större designfrihet kan designers till och med använda flexibla värmeledningsrör.
Ett annat mer vanligt förekommande värmeavledningssystem är kylflänsen. Kylflänsen kan drivas i forcerat eller naturligt konvektionsläge, men återigen, båda tillvägagångssätten innebär att man gör avvägningar. Om du ökar luftflödet som används för kylning betyder det att du kan minska antalet fenor eller minska fenornas yta. Men om luftflödet som genereras av fläkten är större, är ljudet som genereras av fläkten större. Om fläkten ger mindre luftflöde går fläkten tystare och kan vara mindre, men det betyder att kylaren måste ha fler eller större flänsar. Därför är det inte lätt att göra kylkomponenterna både mindre och tystare i samma utrustning.
I en värmerörsvärmeväxlare överförs värme genom värmeröret till lamellerna och försvinner sedan ut i den omgivande luften. Men det kan göras, sättet att minska storleken och bullret samtidigt är att göra radiatordelarna mer isotermiska, kylflänsen, som tidigare kyldes av en enda termoelektrisk kylare (TEC), kan göras om för att ha flera TEC som överför värme jämnt över kylflänsens yta istället för att bara förlita sig på värmeledning. Men förutom att kräva underhåll lägger sådana system till komplexitet och kostnad för elektroniken. Värmeledningsröraggregat av racktyp kan ge perfekt termisk stabilitet och mindre tekniskt underhållsarbete. En enklare kyllösning är att använda passiv kylteknik för att kombinera kylflänsen med en inbäddad ångkavitet (i huvudsak justera ett värmeledningsrör till ett plant tillstånd för att bli ett platt värmeledningsrör), eller att använda en kylfläns vars yta är integrerad med värmeledningsröret. Båda systemen tillåter snabb och enhetlig värmeöverföring genom att förånga arbetsvätskan i ett inbäddat värmeledningsrör eller ångkammare. Vattenånga leder värme jämnt genom hela kylflänsens bottenyta och kylflänsfenan och undviker varma fläckar. Eftersom fenorna är isotermiska bär luftflödet genom fenorna mest värme.
I allmänhet återspeglar övergången till passiva kylanordningar (t.ex. värmerör, kylflänsar och ångkammare) i medicinsk utrustning en pågående utveckling mot mindre, kraftfullare och mer miniatyriserad elektronik. Medan mer traditionella kylalternativ (kylning, TEC, vätskekylningsplattor, etc.) fortfarande är det lämpligaste valet för vissa medicintekniska produkter, upptäcker designers att passiv kylningsteknik kommer att bli allt mer attraktiv i takt med att den utvecklas. Framsteg inom materialstrukturer har också gjort passiva kylningslösningar mer attraktiva för designers av medicintekniska produkter. Till exempel har tillkomsten av pyrolytisk grafit (APG) möjliggjort kylkomponenter som är mindre, lättare och effektivare än konventionella kylflänsar av aluminium eller koppar.
När produkterna går mot mer miniatyrisering och mindre elektroniska kapslingar, kan material med högre värmeledningsförmåga ge designers ett steg uppåt.
Den effektiva värmeledningsförmågan för APG är 1000 W/mK, vilket är 5 gånger så mycket som solid aluminium och 2,5 gånger så mycket som solid koppar. Apgs kan också förpackas för applikationer som kirurgiska instrument. I sådana applikationer är det viktigt att undvika kontakt med mänsklig vävnad på grund av oro för vävnadsskada, ärrbildning eller infektion. Utvecklingen av material som APG hjälper till att förklara varför designers av medicintekniska produkter väljer mer passiva kontrollsystem för värmeavledning.
Dessa system erbjuder inte bara ett bredare utbud av alternativ, utan i många fall erbjuder de bättre alternativ för värmehantering.
Jämfört med traditionella lösningar för vätskekylning är passiva kylsystem mer tillförlitliga (färre transportkomponenter innebär lägre risk för fel), kräver mindre underhåll, är mer flexibla i design, fungerar tystare och är i många fall lättare att hantera kostnader. Flera exempel på passiv värmehanteringskoncept integrerade i några viktiga medicintekniska applikationer presenteras nedan.
Diagnostisk bildbehandling
Eftersom elektronikens prestanda försämras snabbt efter en kritisk temperatur, är höljekylning avgörande för tekniker som använder många elektroniska komponenter, såsom magnetisk resonanstomografi (MRI), datortomografi (CT), ultraljud och röntgen. Även små temperaturfluktuationer kan påverka kalibrering och resultat, vilket resulterar i kostsamma stillestånd och underhåll. FDA har spelat en viktig roll för att driva repeterbarheten och reproducerbarheten av testresultat för medicinsk utrustning, såsom skannrar, bioteknologiska apparater och laboratoriemikroanalyser, mot nästan perfektion (större än eller lika med 95 procent). För att säkerställa noggrannhet kräver specifikationen 31 separata tester för en enda diagnostisk bildapparat (21 CFR 900.12), av vilka många äventyras av värmeavledning. Den konkurrensutsatta marknaden för diagnostiska medicintekniska produkter har gjort strikt värmeavledningskontroll till en ännu viktigare faktor vid utformningen av elektroniska produkter.
Designers arbetar vanligtvis inom ett mycket snävt område av temperaturvariationer (δT), med en temperaturskillnad på 10 grader C mellan enhetens inre och yttre miljöer. Flera värmekällor (som utrustningskraft och andra diskreta elektroniska komponenter) kan producera en total effekt på 1200 watt eller mer, varav 400 watt är spillvärme som ska släppas ut. Med begränsningar för fläktstorlek och vindhastighet blir det mer komplicerat att uppnå tystnad. Dessa problem kan ofta lösas med termisk rörvärmeväxlare i största utsträckning. I en värmeledningsrörvärmeväxlare överförs värme från insidan av utrustningen till utsidan av utrustningen genom värmeledningsröret och släpps sedan ut i den omgivande luften genom kylflänsen av fentyp. Större fenarea och effektivare värmeöverföringsrör möjliggör mindre, tystare fläktar som uppfyller de stränga värmeavledningskraven i regulatoriska och kliniska inställningar. I vissa fall är det också möjligt att använda värmeledningsrörteknologin för själva röret, och därmed använda termodynamikens lagar snarare än elektronik eller fläktar för att åstadkomma värmeöverföringen.
Liknande värmerörsteknik används för att kyla skärmar i utrustning för övervakning av intensivvård. Som visas i figuren kan en termisk rörenhet av racktyp ge perfekt termisk stabilitet med liten teknisk underhållsansträngning. Frånvaron av överföringskomponenter möjliggör en normal livslängd på flera miljoner timmar, vilket gör fel under intensivvård nästan omöjligt.
Sinda Thermal är en ledande tillverkare av kylflänsar som kan tillhandahålla olika typer av termiska lösningar för medicinsk utrustning, vi kan designa och bygga vätskekylning kylfläns, värmerör kylfläns, extruderad kylfläns, skuren fena kylfläns, etc. kontakta oss fritt om du har något kylflänsbehov.
