Passzív hőkezelési megoldások bevezetése az orvosi elektronikai eszközök fejlesztésének elősegítésére
A képalkotó eszközöktől a sebészeti műszereken át az automatizált immunitásig a 21. század erőteljes orvosi technológiái lenyűgözőek, nagyrészt a mikroprocesszorok megnövekedett számítási teljesítményének köszönhetően. A hőmérnökök számára azonban ezeknek a fejlesztéseknek ára van. Minél nagyobb a teljesítménye egy készüléknek, annál több hőt termel, és általában egyre kisebb helyen kell leadnia (a készülék méretének csökkenésével). Ahogy az orvostechnikai eszközökkel szembeni precizitás és megbízhatóság iránti igényünk nő, a hőleadás szabályozása egyre fontosabbá válik.
Egy másik kihívás abból a tényből fakad, hogy az orvostechnikai eszközöknek speciális követelményei vannak a nagy kockázatok miatt. Például a hőelvezető oldatokban általánosan használt anyagok (pl. réz) nem hasznosak számos orvosi alkalmazásban, mivel közel állnak az emberi testhez (amellett, hogy gyulladást okoz az emberi szövetekben, a réz súlyos és visszafordíthatatlan idegi degenerációt okozhat szövet). Egyes orvosi alkalmazásoknál a precizitás szükségessége a hűtési megoldások számára rendelkezésre álló helyet a kihalás közelébe szoríthatja -- az emberi szövetek károsodásának elkerülése érdekében hőkezelést igénylő sebészeti műszerek a tervezők számára csak 0. 5 milliméter a hőátadási technológia telepítéséhez.
Egy másik, ultrakis hőkezelési megoldásokat igénylő terület a humán beültethető eszközök tervezése, amelyekhez kis méret és pontos hőmérsékletváltozási együtthatók szükségesek az emberi szervek védelme érdekében. Végül, a gyors időszakos hőmérséklet-változások (max. 50 °C-os hőmérséklet-ingadozás ezredmásodperceken belül) számos laboratóriumi eszköz, például DNS-hasítók közös jellemzője. Mindezek a pontossággal, megbízhatósággal, méretkorlátokkal és szigorú anyagválasztással kapcsolatos tényezők az orvosi hőtechnikát nehéz feladattá teszik a tervezők számára. A hőátadást tervező mérnököknek választaniuk kell a hatékonyság és a méret és a költség, illetve egyre inkább a hőelvezetés és az alacsony zaj között (ami azt jelenti, hogy bizonyos alkalmazásokban nem használhatók ventilátorok, bár nagy térfogatú gázáramlásuk optimálissá teszi a hőelvezetést).
A hőátadás
A hőmérnökök egyre gyakrabban fordulnak a passzív hőátadó eszközökhöz (pl. termikus csövek) ezeknek a kihívásoknak a megoldására, mivel a hővezető csőben lévő munkafolyadéknak a folyadék és a vízgőz két formája létezik, így a hővezető cső kétfázisú. hűtőberendezés.A hőátadás a munkaközeg folyadékból vízgőzné történő átalakulásával valósul meg. A párolgás, átvitel (hő), kondenzáció és a kondenzált munkafolyadék párolgási zónába való visszavezetésének folyamatos ciklusa.
A munka során nem fog meghibásodni a szállítási alkatrész – ez alapvető szempont azokban az alkalmazásokban, ahol a megbízhatóság a legfontosabb a pontos eredmények elérése vagy a betegek felépülése érdekében. A passzív hőátadó komponensek kialakítása egyszerű, és általában egy vákuummal lezárt, viszonylag könnyen miniatürizálható munkafolyadékkal töltött csövet foglal magában. A kapilláris szerkezeti technológia fejlődése elősegíti, hogy a lehűtött és kondenzált munkafolyadék ellenálljon a gravitációnak, és hatékonyan és megbízhatóan visszajusson a vezetőcső hőbemeneti szakaszába. Ez lehetővé teszi, hogy a vezető cső különböző irányokban működjön. A nagyobb tervezési szabadságnak köszönhetően a tervezők akár rugalmas hővezető csöveket is használhatnak.
Egy másik gyakrabban használt hőelvezetési rendszer a hűtőborda. A hűtőborda üzemeltethető kényszer vagy természetes konvekciós üzemmódban, de ismét mindkét megközelítés kompromisszumot jelent. Ha növeli a hűtéshez használt légáramlást, az azt jelenti, hogy csökkentheti a bordák számát, vagy csökkentheti a bordák területét. Ha azonban a ventilátor által keltett légáramlás nagyobb, akkor a ventilátor által keltett zaj is nagyobb. Ha a ventilátor kevesebb légáramlást produkál, a ventilátor halkabban működik, és kisebb is lehet, de ez azt jelenti, hogy a radiátornak több vagy nagyobb bordával kell rendelkeznie. Ezért nem könnyű ugyanabban a berendezésben a hűtőelemeket kisebbre és csendesebbre tenni.
A hőcsöves hőcserélőben a hőt a hőcsövön keresztül továbbítják a bordákhoz, majd a környező levegőbe disszipálják. De meg lehet csinálni, a méret és a zaj egyidejű csökkentésének módja a radiátordarabok izotermikusabbá tétele, a korábban egyetlen termoelektromos hűtővel (TEC) hűtött hűtőborda áttervezhető, hogy többszörös legyen. TEC-ek, amelyek egyenletesen adják át a hőt a hűtőborda felületén, ahelyett, hogy pusztán a hővezetésre támaszkodnának. Az ilyen rendszerek azonban amellett, hogy karbantartást igényelnek, bonyolultabbá és költségesebbé teszik az elektronikát. A rack típusú hővezető csőszerelvény tökéletes hőstabilitást és kevesebb műszaki karbantartási munkát biztosít. Egy egyszerűbb hűtési megoldás a passzív hűtési technológia alkalmazása a hűtőborda és a beágyazott gőzüreg kombinálására (lényegében a hővezető csövet lapos állapotba állítva lapos hővezető csővé válik), vagy olyan hűtőbordát használunk, amelynek felülete integrált. a hővezető csővel. Mindkét séma gyors és egyenletes hőátadást tesz lehetővé a munkaközeg beágyazott hővezető csőben vagy gőzkamrában történő elpárologtatásával. A vízgőz egyenletesen szállítja a hőt a hűtőborda teljes alsó felületén és a hűtőborda bordáján, elkerülve a forró pontokat. Mivel a bordák izotermek, a légáramlás a bordákon keresztül szállítja a legtöbb hőt.
Általánosságban elmondható, hogy az orvosi eszközökben a passzív hűtőberendezések (pl. hőcsövek, hűtőbordák és gőzkamrák) felé való elmozdulás a kisebb, erősebb és miniatürizáltabb elektronika irányába történő folyamatos fejlődést tükrözi. Míg a hagyományosabb hűtési lehetőségek (hűtés, TEC, folyadékhűtő lemezek stb.) továbbra is a legmegfelelőbb választás egyes orvosi eszközök esetében, a tervezők azt tapasztalják, hogy a passzív hűtési technológia egyre vonzóbbá válik, ahogy fejlődik. Az anyagszerkezetek fejlődése a passzív hűtési megoldásokat is vonzóbbá tette az orvostechnikai eszközök tervezői számára. Például a pirolitikus grafit (APG) megjelenése lehetővé tette a hűtőelemek kialakítását, amelyek kisebbek, könnyebbek és hatékonyabbak, mint a hagyományos alumínium vagy réz hűtőbordák.
Ahogy a termékek egyre inkább a miniatürizálás és a kisebb elektronikai házak felé haladnak, a nagyobb hővezető képességű anyagok felemelhetik a tervezőket.
Az APG effektív hővezető képessége 1000 W/mK, ami 5-ször annyi, mint a tömör alumíniumé és 2,5-szerese a tömör réznek. Az Apg-ek olyan alkalmazásokhoz is csomagolhatók, mint például a sebészeti műszerek. Az ilyen alkalmazásoknál fontos elkerülni az emberi szövettel való érintkezést a szövetkárosodás, hegesedés vagy fertőzés miatt. Az olyan anyagok fejlesztése, mint az APG-k, segít megmagyarázni, hogy az orvostechnikai eszközök tervezői miért választanak inkább passzív hőelvezetést szabályozó rendszereket.
Ezek a rendszerek nemcsak szélesebb, de sok esetben jobb hőgazdálkodási lehetőségeket is kínálnak.
A hagyományos folyadékhűtési megoldásokhoz képest a passzív hűtési rendszerek megbízhatóbbak (kevesebb szállítóelem kisebb meghibásodási kockázatot jelent), kevesebb karbantartást igényelnek, rugalmasabbak a kialakításban, csendesebben működnek, és sok esetben könnyebben kezelhetők a költségek. Az alábbiakban néhány példát mutatunk be néhány fontos orvostechnikai eszközalkalmazásba integrált passzív hőkezelési koncepcióra.
Diagnosztikai képalkotás
Mivel az elektronika teljesítménye egy kritikus hőmérséklet után gyorsan romlik, a házhűtés kritikus fontosságú a sok elektronikai alkatrészt használó technológiáknál, mint például a mágneses rezonancia képalkotás (MRI), a számítógépes tomográfia (CT), az ultrahang és a röntgen. Még a kis hőmérséklet-ingadozások is befolyásolhatják a kalibrációt és az eredményeket, ami költséges állásidőt és karbantartást eredményezhet. Az FDA fontos szerepet játszott az orvosi eszközök, például szkennerek, biotechnológiai eszközök és laboratóriumi mikrotesztek vizsgálati eredményeinek megismételhetőségének és reprodukálhatóságának a közel tökéletesség felé (95 százalék vagy annál nagyobb) elérésében. A pontosság biztosítása érdekében a specifikáció 31 különálló tesztet ír elő egyetlen diagnosztikai képalkotó számára (21 CFR 900.12), amelyek közül sokat a hőelvezetés veszélyeztet. A diagnosztikai orvostechnikai eszközök versenypiaca a szigorú hőelvezetési szabályozást még fontosabb tényezővé tette az elektronikai termékek tervezésében.
A tervezők általában a hőmérséklet-ingadozás nagyon szűk tartományában (δT) dolgoznak, 10 C-os hőmérséklet-különbséggel az eszköz házának belső és külső környezete között. Több hőforrás (például berendezések tápellátása és egyéb különálló elektronikus alkatrészek) 1200 watt vagy annál nagyobb összteljesítményt képes előállítani, amelyből 400 watt a leadandó hulladékhő. A ventilátorméret és a szélsebesség korlátai miatt bonyolultabbá válik a csend elérése. Ezeket a problémákat gyakran hőcsöves hőcserélővel lehet a legnagyobb mértékben megoldani. A hővezető csöves hőcserélőben a hő a berendezés belsejéből a hővezető csövön keresztül a berendezésen kívülre kerül, majd a borda típusú hűtőbordán keresztül a környező levegőbe távozik. A nagyobb bordafelület és a hatékonyabb hőátadó csövek kisebb, csendesebb ventilátorokat tesznek lehetővé, amelyek megfelelnek a szabályozási és klinikai beállítások szigorú hőelvezetési követelményeinek. Egyes esetekben a hővezető csőtechnológiát magához a csőhöz is alkalmazhatjuk, így a hőátadás során a termodinamika törvényeit alkalmazzuk az elektronika vagy a ventilátorok helyett.
Hasonló hőcsöves technológiát használnak a kritikus gondozást figyelő berendezések kijelzőinek hűtésére. Amint az ábrán látható, egy rack típusú hőcsőszerelvény tökéletes hőstabilitást biztosít kis műszaki karbantartási erőfeszítéssel. Az átviteli alkatrészek hiánya több millió órás normál élettartamot tesz lehetővé, ami szinte lehetetlenné teszi a kritikus ellátási műveletek során bekövetkező meghibásodást.
A Sinda Thermal vezető hűtőborda-gyártó, aki többféle hőtechnikai megoldást kínál az orvosi berendezésekhez, megtervezzük és megépítjük a folyadékhűtő hűtőbordát, a hőcsöves hűtőbordát, az extrudált hűtőbordát, az úszóbordás hűtőbordát stb. kérjük, lépjen kapcsolatba velünk. szabadon, ha bármilyen hűtőbordára van szüksége.
