Pasyvaus šilumos valdymo sprendimų diegimas, skatinantis medicinos elektroninių prietaisų kūrimą
Nuo vaizdo gavimo prietaisų iki chirurginių instrumentų iki automatizuoto imuniteto – galingos XXI amžiaus medicinos technologijos yra įspūdingos, daugiausia dėl padidėjusios mikroprocesorių skaičiavimo galios. Tačiau šilumos inžinieriams ši pažanga turėjo savo kainą. Kuo daugiau prietaiso galios, tuo daugiau šilumos jis generuoja, ir apskritai ji turi išsisklaidyti vis mažesnėje erdvėje (mažėjant įrenginio dydžiui). Didėjant medicinos prietaisų tikslumo ir patikimumo poreikiui, šilumos išsklaidymo kontrolė tampa dar svarbesnė.
Kitas iššūkis kyla dėl to, kad medicinos prietaisams keliami tam tikri ypatingi reikalavimai dėl didelės rizikos. Pavyzdžiui, kai kurios medžiagos, paprastai naudojamos šilumos išsklaidymo tirpaluose (pvz., varis), nėra naudingos daugeliui medicinos programų, nes yra arti žmogaus kūno (varis gali sukelti ne tik uždegimą žmogaus audiniuose, bet ir sukelti sunkų ir negrįžtamą nervų sistemos degeneraciją). audinys). Tikslumo poreikis kai kuriose medicinos srityse gali sumažinti vėsinimo sprendimams skirtą erdvę iki beveik išnykimo taško -- chirurginiai instrumentai, kuriems reikalingas šilumos valdymas, kad būtų išvengta žalos žmogaus audiniams, dizaineriams suteikia tik 0. 5 milimetrai šilumos perdavimo technologijai įdiegti.
Dar viena sritis, kuriai reikalingi itin maži šilumos valdymo sprendimai – žmogaus implantuojamų prietaisų projektavimas, kuriam, siekiant apsaugoti žmogaus organus, reikalingi ir maži matmenys, ir tikslūs temperatūros kitimo koeficientai. Galiausiai, greiti periodiniai temperatūros pokyčiai (temperatūrų svyravimai iki 50 laipsnių C per milisekundes) yra dažnas daugelio laboratorinių prietaisų, tokių kaip DNR dalikliai, bruožas. Dėl visų šių veiksnių, susijusių su tikslumu, patikimumu, dydžio apribojimais ir griežtu medžiagų pasirinkimu, medicininė šiluminė inžinerija yra sudėtinga dizainerių užduotis. Šilumos perdavimo projektavimo inžinieriai turi pasirinkti tarp efektyvumo ir dydžio, palyginti su sąnaudomis ir, vis dažniau, šilumos išsklaidymu, palyginti su mažu triukšmu (tai reiškia, kad kai kuriose srityse negalima naudoti ventiliatorių, nors dėl didelio tūrio dujų srauto jie yra optimalūs šilumos išsklaidymui).
Šilumos perdavimas
Šilumos inžinieriai vis dažniau kreipiasi į pasyvius šilumos perdavimo įrenginius (pvz., šiluminius vamzdžius), kad išspręstų šiuos iššūkius, nes šilumos laidumo vamzdyje esantis darbinis skystis turi dvi egzistavimo formas skysčio ir vandens garų, todėl šilumos laidumo vamzdis yra dviejų fazių. aušinimo įtaisas.Šilumos perdavimas pasiekiamas darbiniam skysčiui transformuojant iš skysčio į vandens garus. Nepertraukiamas kondensuoto darbinio skysčio garavimo, perdavimo (šilumos), kondensacijos ir grąžinimo į garinimo zoną ciklas.
Atliekant šį darbą nesuges pristatymo komponentas – tai pagrindinis dalykas tais atvejais, kai patikimumas yra svarbiausia siekiant tikslių rezultatų arba paciento pasveikimo. Pasyvaus šilumos perdavimo komponentų konstrukcija yra nesudėtinga ir paprastai apima vakuuminį vamzdelį, užpildytą darbiniu skysčiu, kurį gana lengva sumažinti. Kapiliarinės struktūros technologijos pažanga padeda užtikrinti, kad atvėsęs ir kondensuotas darbinis skystis atsispirtų gravitacijai ir būtų efektyviai bei patikimai grąžinamas į laidžiojo vamzdžio šilumos įvedimo sekciją. Tai leidžia laidiniam vamzdžiui veikti skirtingomis kryptimis. Turėdami daugiau dizaino laisvės, dizaineriai netgi gali naudoti lanksčius šilumos laidumo vamzdžius.
Kita dažniau naudojama šilumos išsklaidymo schema yra šilumos kriauklė. Aušintuvą galima valdyti priverstinės arba natūralios konvekcijos režimu, bet vėlgi, bet kuris metodas reiškia kompromisus. Jei padidinsite aušinimui naudojamą oro srautą, tai reiškia, kad galite sumažinti pelekų skaičių arba sumažinti jų plotą. Tačiau jei ventiliatoriaus generuojamas oro srautas yra didesnis, ventiliatoriaus keliamas triukšmas yra didesnis. Jei ventiliatorius gamina mažiau oro srauto, ventiliatorius veikia tyliau ir gali būti mažesnis, tačiau tai reiškia, kad radiatorius turi turėti daugiau arba didesnių briaunų. Todėl toje pačioje įrangoje nėra lengva padaryti aušinimo komponentus ir mažesnius, ir tylesnius.
Šilumos vamzdžio šilumokaityje šiluma per šilumos vamzdį perduodama į pelekus, o tada išsklaido į aplinkinį orą. Bet tai galima padaryti, būdas sumažinti dydį ir tuo pačiu metu triukšmą yra padaryti radiatoriaus gabalus izotermiškesnius, šilumos kriauklę, kuri anksčiau buvo aušinama vienu termoelektriniu aušintuvu (TEC), galima pertvarkyti taip, kad ji turėtų kelis TEC, kurios tolygiai perduoda šilumą per šilumnešio paviršių, o ne vien tik šilumos laidumu. Tačiau tokios schemos ne tik reikalauja priežiūros, bet ir padidina elektronikos sudėtingumą ir kainuoja. Rack tipo šilumos laidumo vamzdžių mazgas gali užtikrinti puikų šiluminį stabilumą ir mažesnį techninės priežiūros darbo krūvį. Paprastesnis aušinimo sprendimas yra naudoti pasyvaus aušinimo technologiją, kad šilumos kriauklė būtų sujungta su įmontuota garų ertme (iš esmės šilumos laidumo vamzdžio sureguliavimas į plokščią būseną, kad jis taptų plokščiu šilumos laidumo vamzdžiu), arba naudoti šilumos šalinimo kriauklę, kurios paviršius yra integruotas. su šilumos laidumo vamzdžiu. Abi schemos leidžia greitai ir tolygiai perduoti šilumą, išgarinant darbinį skystį įterptame šilumos laidumo vamzdyje arba garų kameroje. Vandens garai tolygiai perneša šilumą per visą apatinį šilumos kriauklės paviršių ir šilumos kriauklės peleką, išvengdami karštų taškų. Kadangi pelekai yra izoterminiai, oro srautas per pelekus neša daugiausia šilumos.
Apskritai perėjimas prie pasyviųjų aušinimo įrenginių (pvz., šilumos vamzdžių, šilumos kriauklių ir garų kamerų) medicinos prietaisuose rodo nuolatinę evoliuciją link mažesnės, galingesnės ir labiau miniatiūrinės elektronikos. Nors tradicinės vėsinimo galimybės (šaldymas, TEC, skysčio aušinimo plokštės ir kt.) išlieka tinkamiausiu kai kurių medicinos prietaisų pasirinkimu, dizaineriai pastebi, kad vystantis pasyviojo aušinimo technologija taps vis patrauklesnė. Medžiagų struktūrų pažanga taip pat padarė pasyvaus aušinimo sprendimus patrauklesnius medicinos prietaisų dizaineriams. Pavyzdžiui, atsiradus pirolitiniam grafitui (APG), aušinimo komponentai yra mažesni, lengvesni ir efektyvesni nei įprasti aliuminio ar vario aušintuvai.
Gaminiams mažėjant ir mažinant elektroninius korpusus, medžiagos, kurių šilumos laidumas yra didesnis, dizaineriams gali padėti.
Efektyvus APG šilumos laidumas yra 1000 W/mK, tai yra 5 kartus daugiau nei kieto aliuminio ir 2,5 karto daugiau nei kieto vario. Apgs taip pat gali būti supakuotas tokioms programoms kaip chirurginiai instrumentai. Tokiais atvejais svarbu vengti sąlyčio su žmogaus audiniais dėl susirūpinimo dėl audinių pažeidimo, randų ar infekcijos. Tokių medžiagų kaip APG kūrimas padeda paaiškinti, kodėl medicinos prietaisų dizaineriai renkasi pasyvesnes šilumos išsklaidymo valdymo sistemas.
Šios sistemos ne tik suteikia daugiau galimybių, bet daugeliu atvejų jos siūlo ir geresnius šilumos valdymo variantus.
Lyginant su tradiciniais aušinimo skysčiais sprendimais, pasyviosios aušinimo sistemos yra patikimesnės (mažiau transportavimo komponentų reiškia mažesnę gedimo riziką), reikalauja mažiau priežiūros, yra lankstesnės konstrukcijos, veikia tyliau, daugeliu atvejų lengviau valdo išlaidas. Toliau pateikiami keli pasyvaus šilumos valdymo koncepcijų, integruotų į kai kurias svarbias medicinos prietaisų programas, pavyzdžių.
Diagnostinis vaizdavimas
Kadangi elektronikos veikimas greitai blogėja po kritinės temperatūros, korpuso aušinimas yra labai svarbus technologijoms, kuriose naudojama daug elektroninių komponentų, pavyzdžiui, magnetinio rezonanso tomografija (MRT), kompiuterinė tomografija (KT), ultragarsas ir rentgeno spinduliai. Net ir nedideli temperatūros svyravimai gali turėti įtakos kalibravimui ir rezultatams, todėl gali prireikti brangių prastovų ir priežiūros. FDA suvaidino svarbų vaidmenį skatinant medicinos prietaisų, tokių kaip skaitytuvai, biotechnologiniai prietaisai ir laboratoriniai mikrotyrimai, bandymų rezultatų pakartojamumą ir atkuriamumą, siekiant beveik tobulumo (daugiau arba lygus 95 proc.). Siekiant užtikrinti tikslumą, specifikacija įpareigoja atlikti 31 atskirą vieno diagnostinio vaizdo įtaiso testą (21 CFR 900.12), iš kurių daugelis yra pažeisti dėl šilumos išsklaidymo. Dėl konkurencinės diagnostinių medicinos prietaisų rinkos griežta šilumos išsklaidymo kontrolė tapo dar svarbesniu elektroninių gaminių dizaino veiksniu.
Paprastai dizaineriai dirba labai siaurame temperatūros svyravimų diapazone (δT), kai temperatūros skirtumas tarp įrenginio važiuoklės vidinės ir išorinės aplinkos yra 10 laipsnių C. Keli šilumos šaltiniai (pvz., įrangos galia ir kiti atskiri elektroniniai komponentai) gali pagaminti 1200 vatų ar didesnę bendrą galią, iš kurių 400 vatų yra išmetama šiluma. Apribojus ventiliatoriaus dydį ir vėjo greitį, tylą pasiekti tampa sudėtingiau. Šios problemos dažniausiai gali būti išspręstos naudojant šiluminį vamzdinį šilumokaitį. Šilumos laidumo vamzdžio šilumokaityje šiluma perduodama iš įrangos vidaus į įrangos išorę per šilumos laidumo vamzdį, o po to išleidžiama į aplinkinį orą per peleko tipo šilumnešį. Didesnis pelekų plotas ir efektyvesni šilumos perdavimo vamzdžiai leidžia naudoti mažesnius, tylesnius ventiliatorius, atitinkančius griežtus reguliavimo ir klinikinių nustatymų šilumos išsklaidymo reikalavimus. Kai kuriais atvejais taip pat galima naudoti šilumos laidumo vamzdžių technologiją pačiam vamzdžiui, taigi naudojant termodinamikos dėsnius, o ne elektroniką ar ventiliatorius šilumos perdavimui.
Panaši šilumos vamzdžių technologija naudojama ekranams aušinti kritinės priežiūros stebėjimo įrangoje. Kaip parodyta paveikslėlyje, stovo tipo šiluminio vamzdžio mazgas gali užtikrinti puikų šiluminį stabilumą su mažais techninės priežiūros darbais. Perkėlimo komponentų nebuvimas leidžia normaliai eksploatuoti kelis milijonus valandų, todėl gedimas atliekant kritinės priežiūros operacijas yra beveik neįmanomas.
„Sinda Thermal“ yra pirmaujanti aušintuvų gamintoja, galinti pasiūlyti įvairių medicininės įrangos šiluminių sprendimų, galime suprojektuoti ir pagaminti skysčio aušinimo šilumos kriauklę, šilumos vamzdžio aušintuvą, ekstruzinį aušintuvą, sulenktą aušintuvą ir kt. Susisiekite su mumis laisvai, jei jums reikia šilumos kriauklės.
