Passiivse soojusjuhtimise lahenduste kasutuselevõtt meditsiiniliste elektroonikaseadmete arengu edendamiseks
21. sajandi võimsad meditsiinitehnoloogiad on muljetavaldavad, alates pildiseadmetest kuni kirurgiliste instrumentide ja automatiseeritud immuunsuseni, suuresti tänu mikroprotsessorite suurenenud arvutusvõimsusele. Soojusinseneride jaoks on neil edusammudel aga oma hind. Mida rohkem võimsust seadmel on, seda rohkem soojust see toodab ja üldiselt peab see üha väiksemas ruumis hajutama (seda, kui seadme suurus muutub väiksemaks). Kuna meie nõudlus meditsiiniseadmete täpsuse ja töökindluse järele kasvab, muutub soojuse hajumise kontroll veelgi olulisemaks.
Teine väljakutse tuleneb tõsiasjast, et meditsiiniseadmetele kehtivad teatavad erinõuded, kuna sellega kaasnevad suured riskid. Näiteks mõned materjalid, mida tavaliselt kasutatakse soojuse hajutamise lahustes (nt vask), ei ole paljudes meditsiinilistes rakendustes kasulikud, kuna need on inimkehale lähedal (lisaks põletiku tekitamisele inimkudedes võib vask põhjustada tõsist ja pöördumatut närvisüsteemi degeneratsiooni pabertaskurätik). Teatud meditsiinirakenduste täpsuse vajadus võib vähendada jahutuslahenduste jaoks saadaolevat ruumi kuni peaaegu väljasuremiseni --. Kirurgilised instrumendid, mis nõuavad inimkudede kahjustamise vältimiseks soojusjuhtimist, pakuvad disaineritele ainult 0. 5 millimeetrit soojusülekande tehnoloogia kasutuselevõtuks.
Teine valdkond, mis nõuab üliväikesi soojusjuhtimise lahendusi, on inimesele siirdatavate seadmete projekteerimine, mis nõuavad inimorganite kaitsmiseks nii väikeseid mõõtmeid kui ka täpseid temperatuurimuutuste koefitsiente. Lõpuks on kiired perioodilised temperatuurimuutused (temperatuuri kõikumine millisekundite jooksul kuni 50 kraadi C) paljude laboriseadmete, näiteks DNA-lõhkujate, ühiseks tunnuseks. Kõik need täpsuse, töökindluse, suurusepiirangute ja materjali range valikuga seotud tegurid muudavad meditsiinilise soojustehnika disaineritele keeruliseks ülesandeks. Soojusülekande projekteerijad peavad valima efektiivsuse ja suuruse ja kulude ning üha enam soojuse hajumise või madala mürataseme vahel (mis tähendab, et mõnes rakenduses ei saa ventilaatoreid kasutada, kuigi nende suur gaasivoolukiirus muudab need soojuse hajutamiseks optimaalseks).
Soojuse ülekandmine
Soojusinsenerid on nende probleemide lahendamiseks üha enam pöördunud passiivsete soojusülekandeseadmete (nt termotorude) poole, kuna soojusjuhtivustorus oleval töövedelikul on kaks vedelikku ja veeaur, seega on soojusjuhtivustoru kahefaasiline. jahutusseade.Soojusülekanne saavutatakse töövedeliku muundumisel vedelikust veeauruks. Kondenseerunud töövedeliku aurustamise, ülekande (soojuse), kondenseerumise ja aurustumistsooni tagasivoolu pidev tsükkel.
Selle töö käigus ei esine tarnekomponentide riket – see on põhiline kaalutlus rakendustes, kus täpsete tulemuste saavutamiseks või patsiendi taastumiseks on ülimalt oluline usaldusväärsus. Passiivsete soojusülekande komponentide konstruktsioon on lihtne ja hõlmab üldiselt vaakumiga suletud toru, mis on täidetud töövedelikuga, mida on suhteliselt lihtne miniatuurseks muuta. Kapillaarstruktuuri tehnoloogia edusammud aitavad tagada, et jahutatud ja kondenseerunud töövedelik peab vastu raskusjõule ning suunatakse tõhusalt ja usaldusväärselt tagasi juhtiva toru soojussisendi sektsiooni. See võimaldab juhtival torul töötada erinevates suundades. Suurema disainivabaduse tõttu saavad disainerid kasutada isegi painduvaid soojusjuhtivustorusid.
Teine sagedamini kasutatav soojuse hajumise skeem on jahutusradiaator. Jahutusradiaatorit saab kasutada sund- või loomuliku konvektsiooni režiimis, kuid jällegi tähendab kumbki lähenemine kompromisside tegemist. Kui suurendate jahutamiseks kasutatavat õhuvoolu, saate vähendada ribide arvu või ribide pindala. Kui aga ventilaatori tekitatav õhuvool on suurem, on ventilaatori tekitatav müra suurem. Kui ventilaator toodab vähem õhuvoolu, töötab ventilaator vaiksemalt ja võib olla väiksem, kuid see tähendab, et radiaatoril peavad olema rohkem või suuremad ribid. Seetõttu ei ole lihtne ühes varustuses jahutuskomponente nii väiksemaks kui ka vaiksemaks muuta.
Soojustoru soojusvahetis kandub soojus läbi soojustoru ribidele ja hajub seejärel ümbritsevasse õhku. Kuid seda saab teha, viis mõõtmete ja müra samaaegseks vähendamiseks on muuta radiaatoritükid isotermilisemaks, jahutusradiaatorit, mida varem jahutati ühe termoelektrilise jahutiga (TEC), saab ümber kujundada nii, et sellel oleks mitu. TEC-id, mis kannavad soojust ühtlaselt üle jahutusradiaatori pinna, selle asemel et tugineda üksnes soojusjuhtivusele. Kuid lisaks hooldusvajadusele lisavad sellised skeemid elektroonikale keerukust ja kulusid. Rack tüüpi soojusjuhtivustorude komplekt võib tagada täiusliku termilise stabiilsuse ja väiksema tehnilise hoolduse töökoormuse. Lihtsam jahutuslahendus on kasutada passiivset jahutustehnoloogiat, et ühendada jahutusradiaator sisseehitatud auruõõnsusega (sisuliselt reguleerides soojusjuhtivustoru tasaseks, et saada lame soojusjuhtivustoru) või kasutada jahutusradiaatorit, mille pind on integreeritud. soojusjuhtivustoruga. Mõlemad skeemid võimaldavad kiiret ja ühtlast soojusülekannet, aurustades töövedeliku sisseehitatud soojusjuhtivustorus või aurukambris. Veeaur kannab soojust ühtlaselt läbi kogu jahutusradiaatori põhjapinna ja jahutusradiaatori ribi, vältides kuumaid kohti. Kuna uimed on isotermilised, kannab õhuvool läbi uimede kõige rohkem soojust.
Üldiselt peegeldab üleminek meditsiiniseadmetes passiivsete jahutusseadmete (nt soojustorud, jahutusradiaatorid ja aurukambrid) poole pidevat arengut väiksema, võimsama ja miniatuursema elektroonika poole. Kuigi traditsioonilisemad jahutusvõimalused (külmutus, TEC, vedelikjahutusplaadid jne) jäävad mõne meditsiiniseadme jaoks kõige sobivamaks valikuks, avastavad disainerid, et passiivne jahutustehnoloogia muutub arenedes üha atraktiivsemaks. Materjalistruktuuride edusammud on muutnud ka passiivsed jahutuslahendused meditsiiniseadmete disainerite jaoks atraktiivsemaks. Näiteks pürolüütilise grafiidi (APG) tulek on võimaldanud jahutuskomponente, mis on väiksemad, kergemad ja tõhusamad kui tavalised alumiiniumist või vasest jahutusradiaatorid.
Kuna tooted liiguvad rohkem miniatuursuse ja väiksemate elektrooniliste korpuste poole, võivad kõrgema soojusjuhtivusega materjalid disaineritele jalgu tõsta.
APG efektiivne soojusjuhtivus on 1000 W/mK, mis on 5 korda suurem kui tahkel alumiiniumil ja 2,5 korda suurem kui tahkel vasel. Apgesid saab pakendada ka selliste rakenduste jaoks nagu kirurgilised instrumendid. Selliste rakenduste puhul on oluline vältida kokkupuudet inimkudedega, kuna kardate koekahjustusi, armistumist või infektsiooni. Selliste materjalide nagu APG-de arendamine aitab selgitada, miks meditsiiniseadmete disainerid valivad passiivsemaid soojuse hajumise juhtimissüsteeme.
Need süsteemid ei paku mitte ainult laiemat valikut, vaid paljudel juhtudel ka paremaid soojusjuhtimise võimalusi.
Võrreldes traditsiooniliste vedelikjahutuslahendustega on passiivsed jahutussüsteemid töökindlamad (vähem transpordikomponente tähendab väiksemat rikkeohtu), vajavad vähem hooldust, on disainilt paindlikumad, töötavad vaiksemalt ja paljudel juhtudel on kulusid lihtsam hallata. Allpool on toodud mitmed näited mõnesse olulisesse meditsiiniseadme rakendusse integreeritud passiivse soojusjuhtimise kontseptsioonidest.
Diagnostiline pildistamine
Kuna elektroonika jõudlus halveneb pärast kriitilist temperatuuri kiiresti, on korpuse jahutamine kriitilise tähtsusega tehnoloogiate puhul, mis kasutavad palju elektroonilisi komponente, nagu magnetresonantstomograafia (MRI), kompuutertomograafia (CT), ultraheli ja röntgenikiirgus. Isegi väikesed temperatuurikõikumised võivad mõjutada kalibreerimist ja tulemusi, mille tulemuseks on kulukas seisakuaeg ja hooldus. FDA on mänginud olulist rolli meditsiiniseadmete (nt skannerid, biotehnoloogiaseadmed ja laboratoorsed mikroanalüüsid) katsetulemuste korratavuse ja reprodutseeritavuse suunamisel peaaegu täiuslikkuse poole (95 protsenti või rohkem). Täpsuse tagamiseks nõuab spetsifikatsioon ühe diagnostilise pildiseadme jaoks 31 eraldi testi (21 CFR 900.12), millest paljusid kahjustab soojuse hajumine. Konkurentsivõimeline diagnostiliste meditsiiniseadmete turg on muutnud range soojuse hajumise kontrolli elektroonikatoodete disainimisel veelgi olulisemaks teguriks.
Disainerid töötavad tavaliselt väga kitsas temperatuurimuutuste (δT) vahemikus, kusjuures seadme šassii sise- ja väliskeskkonna temperatuuride erinevus on 10 kraadi C. Mitu soojusallikat (nagu seadmete toide ja muud eraldiseisvad elektroonilised komponendid) võivad toota 1200 vatti või rohkem koguvõimsust, millest 400 vatti on väljastatav heitsoojus. Ventilaatori suuruse ja tuule kiiruse piirangute tõttu muutub vaikuse saavutamine keerulisemaks. Neid probleeme saab sageli lahendada termotoru soojusvahetiga. Soojusjuhtivustoru soojusvahetis kantakse soojus seadme sisemusest soojusjuhtivtoru kaudu seadme välisküljele ja seejärel uime tüüpi jahutusradiaatori kaudu ümbritsevasse õhku. Suurem ribipind ja tõhusamad soojusülekandetorud võimaldavad väiksemaid ja vaiksemaid ventilaatoreid, mis vastavad regulatiivsete ja kliiniliste sätete rangetele soojuse hajumise nõuetele. Mõnel juhul on toru enda jaoks võimalik kasutada ka soojusjuhtivtoru tehnoloogiat, kasutades soojuse ülekandmiseks elektroonika või ventilaatorite asemel termodünaamika seadusi.
Sarnast soojustoru tehnoloogiat kasutatakse ekraanide jahutamiseks intensiivravi jälgimisseadmetes. Nagu on näidatud joonisel, võib rack-tüüpi termotorude komplekt tagada täiusliku termilise stabiilsuse vähese tehnilise hooldusega. Ülekandekomponentide puudumine võimaldab normaalset kasutusiga mitu miljonit tundi, muutes intensiivravi toimingute ajal ebaõnnestumise peaaegu võimatuks.
Sinda Thermal on juhtiv jahutusradiaatorite tootja, kes suudab pakkuda meditsiiniseadmetele erinevaid soojuslahendusi, saame kavandada ja ehitada vedelikjahutusradiaatori, soojustoru jahutusradiaatori, ekstrudeeritud jahutusradiaatori, ribi jahutusradiaatori jne. Palun võtke meiega ühendust vabalt, kui teil on jahutusradiaatori nõue.
