Uvedba rešitev za pasivno upravljanje toplote za spodbujanje razvoja medicinskih elektronskih naprav
Od naprav za slikanje do kirurških instrumentov do avtomatizirane imunosti so zmogljive medicinske tehnologije 21. stoletja impresivne, v veliki meri zahvaljujoč povečani računalniški moči mikroprocesorjev. Za toplotne inženirje pa ima ta napredek svojo ceno. Večjo moč kot ima naprava, več toplote proizvaja in na splošno se mora odvajati v vedno manjši prostor (z manjšo velikostjo naprave). Ker naše zahteve po natančnosti in zanesljivosti medicinskih naprav naraščajo, postaja nadzor odvajanja toplote še pomembnejši.
Drug izziv izhaja iz dejstva, da imajo medicinski pripomočki nekatere posebne zahteve zaradi visokih tveganj. Na primer, nekateri materiali, ki se običajno uporabljajo v raztopinah za odvajanje toplote (npr. baker), niso uporabni v mnogih medicinskih aplikacijah, ker so blizu človeškemu telesu (poleg tega, da povzroča vnetje v človeških tkivih, lahko baker povzroči hudo in nepopravljivo degeneracijo živčnih tkivo). Potreba po natančnosti v nekaterih medicinskih aplikacijah lahko stisne prostor, ki je na voljo za hladilne rešitve, do točke skorajšnjega izumrtja -- kirurški instrumenti, ki zahtevajo upravljanje toplote, da se prepreči poškodba človeških tkiv, oblikovalcem zagotavljajo le 0. 5 milimetrov za uporabo tehnologije prenosa toplote.
Drugo področje, ki zahteva ultra-majhne rešitve za upravljanje toplote, je zasnova naprav za vsaditev v človeka, ki zahtevajo majhnost in natančne temperaturne koeficiente za zaščito človeških organov. Nazadnje, hitre periodične temperaturne spremembe (s temperaturnimi nihanji do 50 stopinj C v milisekundah) so običajna značilnost številnih laboratorijskih naprav, kot so razdelilniki DNK. Zaradi vseh teh dejavnikov, povezanih z natančnostjo, zanesljivostjo, omejitvami glede velikosti in strogim izborom materialov, je medicinski toplotni inženiring težka naloga za oblikovalce. Inženirji za načrtovanje prenosa toplote morajo izbirati med učinkovitostjo in velikostjo v primerjavi s ceno ter vse bolj med odvajanjem toplote in nizkim hrupom (kar pomeni, da v nekaterih aplikacijah ventilatorjev ni mogoče uporabiti, čeprav so zaradi visokega volumskega pretoka plina optimalni za odvajanje toplote).
Prenos toplote
Toplotni inženirji so se za reševanje teh izzivov vedno bolj obračali na naprave za pasivni prenos toplote (npr. toplotne cevi), ker ima delovna tekočina v cevi za toplotno prevodnost dve obliki obstoja: tekočina in vodna para, zato je cev za toplotno prevodnost dvofazna. hladilna naprava. Prenos toplote dosežemo s pretvorbo delovne tekočine iz tekočine v vodno paro. Neprekinjen cikel izparevanja, prenosa (toplote), kondenzacije in vračanja kondenzirane delovne tekočine v območje izparevanja.
Med tem delom ne bo prišlo do okvare dostavnih komponent – kar je ključnega pomena pri aplikacijah, kjer je zanesljivost najpomembnejša za doseganje natančnih rezultatov ali doseganje ozdravitve bolnika. Zasnova komponent za pasivni prenos toplote je enostavna in na splošno vključuje vakuumsko zaprto cev, napolnjeno z delovno tekočino, ki jo je razmeroma enostavno miniaturizirati. Napredek v tehnologiji kapilarne strukture pomaga zagotoviti, da se ohlajena in kondenzirana delovna tekočina upira gravitaciji ter se učinkovito in zanesljivo vrne v odsek za dovod toplote prevodne cevi. To omogoča, da prevodna cev deluje v različnih orientacijah. Z več svobode pri oblikovanju lahko oblikovalci uporabijo celo fleksibilne cevi za toplotno prevodnost.
Druga pogosteje uporabljena shema odvajanja toplote je hladilno telo. Hladilnik lahko deluje v načinu prisilne ali naravne konvekcije, vendar vsak pristop pomeni sklepanje kompromisov. Če povečate pretok zraka, ki se uporablja za hlajenje, to pomeni, da lahko zmanjšate število reber ali zmanjšate površino reber. Če pa je pretok zraka, ki ga ustvari ventilator, večji, je hrup, ki ga ustvari ventilator, večji. Če ventilator proizvaja manjši pretok zraka, ventilator deluje tišje in je lahko manjši, vendar to pomeni, da mora imeti radiator več ali večja rebra. Zato ni enostavno narediti hladilnih komponent hkrati manjših in tišjih v isti opremi.
V toplotnem izmenjevalniku toplote se toplota prenaša skozi toplotno cev na rebra in nato razprši v okoliški zrak. Vendar je to mogoče storiti, način za zmanjšanje velikosti in hrupa hkrati je, da naredimo dele radiatorja bolj izotermne, hladilno telo, ki je bilo prej hlajeno z enim samim termoelektričnim hladilnikom (TEC), je mogoče preoblikovati tako, da ima več TEC-ji, ki enakomerno prenašajo toploto po površini hladilnega telesa, namesto da bi se zanašali izključno na toplotno prevodnost. Vendar poleg tega, da zahtevajo vzdrževanje, takšne sheme dodajo zapletenost in stroške elektronike. Sklop cevi za toplotno prevodnost v obliki stojala lahko zagotovi popolno toplotno stabilnost in manjšo tehnično vzdrževalno obremenitev. Enostavnejša rešitev za hlajenje je uporaba tehnologije pasivnega hlajenja za kombinacijo hladilnega telesa z vgrajeno parno votlino (v bistvu prilagoditev cevi za toplotno prevodnost v ravno stanje, da postane ravna cev za toplotno prevodnost) ali uporaba hladilnega telesa, katerega površina je integrirana s toplotno prevodno cevjo. Obe shemi omogočata hiter in enakomeren prenos toplote z izhlapevanjem delovne tekočine v vgrajeni cevi za toplotno prevodnost ali parni komori. Vodna para enakomerno prenaša toploto skozi celotno spodnjo površino hladilnega telesa in rebro hladilnega telesa, pri čemer se izogiba vročim točkam. Ker so rebra izotermna, pretok zraka skozi rebra prenaša največ toplote.
Na splošno premik k pasivnim hladilnim napravam (npr. toplotnim cevem, toplotnim odvodom in parnim komoram) v medicinskih napravah odraža nenehen razvoj k manjši, zmogljivejši in bolj miniaturizirani elektroniki. Medtem ko bolj tradicionalne možnosti hlajenja (hlajenje, TEC, tekoče hladilne plošče itd.) ostajajo najprimernejša izbira za nekatere medicinske pripomočke, oblikovalci ugotavljajo, da bo tehnologija pasivnega hlajenja z razvojem postajala vse bolj privlačna. Napredek v materialnih strukturah je prav tako naredil rešitve pasivnega hlajenja privlačnejše za oblikovalce medicinskih naprav. Na primer, pojav pirolitičnega grafita (APG) je omogočil hladilne komponente, ki so manjše, lažje in učinkovitejše od običajnih aluminijastih ali bakrenih hladilnih teles.
Ko se izdelki približujejo vse večji miniaturizaciji in manjšim elektronskim ohišijem, lahko oblikovalcem dajo prednost materiali z večjo toplotno prevodnostjo.
Efektivna toplotna prevodnost APG je 1000 W/mK, kar je 5-krat več kot pri trdnem aluminiju in 2,5-krat več kot pri trdnem bakru. Apgs je mogoče pakirati tudi za aplikacije, kot so kirurški instrumenti. Pri takšnih aplikacijah se je pomembno izogibati stiku s človeškim tkivom zaradi pomislekov glede poškodb tkiva, brazgotin ali okužbe. Razvoj materialov, kot so APG, pomaga razložiti, zakaj oblikovalci medicinskih naprav izbirajo bolj pasivne sisteme za nadzor odvajanja toplote.
Ne samo, da ti sistemi ponujajo več možnosti, ampak v mnogih primerih ponujajo boljše možnosti za upravljanje toplote.
V primerjavi s tradicionalnimi rešitvami za tekoče hlajenje so pasivni hladilni sistemi bolj zanesljivi (manj transportnih komponent pomeni manjše tveganje za okvaro), zahtevajo manj vzdrževanja, so bolj prilagodljivi v zasnovi, delujejo tišje in v mnogih primerih lažje obvladujejo stroške. Spodaj je predstavljenih več primerov konceptov pasivnega upravljanja toplote, integriranih v nekatere pomembne aplikacije medicinskih naprav.
Diagnostično slikanje
Ker se zmogljivost elektronike po kritični temperaturi hitro poslabša, je hlajenje ohišja kritično za tehnologije, ki uporabljajo veliko elektronskih komponent, kot so slikanje z magnetno resonanco (MRI), računalniška tomografija (CT), ultrazvok in rentgenski žarki. Tudi majhna nihanja temperature lahko vplivajo na kalibracijo in rezultate, kar povzroči drage izpade in vzdrževanje. FDA je igrala pomembno vlogo pri usmerjanju ponovljivosti in ponovljivosti rezultatov testov za medicinske pripomočke, kot so skenerji, biotehnološke naprave in laboratorijski mikrotesti, proti skoraj popolnosti (večji ali enaki 95 odstotkom). Za zagotovitev natančnosti zahteva specifikacija 31 ločenih testov za posamezno diagnostično slikovno napravo (21 CFR 900.12), od katerih so mnogi ogroženi zaradi odvajanja toplote. Zaradi konkurenčnega trga diagnostičnih medicinskih naprav je strog nadzor odvajanja toplote postal še pomembnejši dejavnik pri oblikovanju elektronskih izdelkov.
Oblikovalci običajno delajo v zelo ozkem razponu temperaturnih sprememb (δT), s temperaturno razliko 10 stopinj C med notranjim in zunanjim okoljem ohišja naprave. Več virov toplote (kot je napajanje opreme in druge ločene elektronske komponente) lahko proizvede skupno moč 1200 vatov ali več, od tega je 400 vatov odpadne toplote, ki se odvaja. Z omejitvami glede velikosti ventilatorja in hitrosti vetra postane bolj zapleteno doseči tišino. Te težave pogosto v največji meri reši toplotni izmenjevalnik toplote. V cevnem toplotnem izmenjevalniku s toplotno prevodnostjo se toplota prenaša iz notranjosti opreme na zunanjost opreme skozi toplotno prevodno cev in se nato odvaja v okoliški zrak skozi hladilno telo tipa rebra. Večja površina rebri in učinkovitejše cevi za prenos toplote omogočajo manjše, tišje ventilatorje, ki izpolnjujejo stroge zahteve glede odvajanja toplote predpisanih in kliničnih nastavitev. V nekaterih primerih je mogoče uporabiti tudi tehnologijo cevi za toplotno prevodnost za samo cev, s čimer se za prenos toplote uporabijo zakoni termodinamike namesto elektronike ali ventilatorjev.
Podobna tehnologija toplotnih cevi se uporablja za hlajenje zaslonov v opremi za spremljanje intenzivne nege. Kot je prikazano na sliki, lahko sklop toplotne cevi v obliki stojala zagotovi popolno toplotno stabilnost z malo tehničnega vzdrževanja. Odsotnost prenosnih komponent omogoča običajno življenjsko dobo več milijonov ur, zaradi česar je okvara med operacijami kritične nege skoraj nemogoča.
Sinda Thermal je vodilni proizvajalec hladilnih teles, ki lahko ponudi različne toplotne rešitve za medicinsko opremo, lahko oblikujemo in izdelamo hladilno telo za tekočinsko hlajenje, toplotno cevno hladilno telo, ekstrudirano hladilno telo, hladilno telo z oluščenimi plavutmi itd. kontaktirajte nas brezplačno, če potrebujete kakršno koli hladilno telo.
