معرفی راه حل های مدیریت حرارت غیرفعال برای ترویج توسعه دستگاه های الکترونیکی پزشکی

از دستگاه‌های تصویربرداری گرفته تا ابزارهای جراحی تا ایمنی خودکار، فناوری‌های پزشکی قدرتمند قرن بیست و یکم، تا حد زیادی به لطف افزایش قدرت محاسباتی ریزپردازنده‌ها، چشمگیر هستند. با این حال، برای مهندسان حرارتی، این پیشرفت ها بهای زیادی داشته است. هر چه یک دستگاه قدرت بیشتری داشته باشد، گرمای بیشتری تولید می کند و به طور کلی باید در فضای کوچکتر و کوچکتر (با کوچکتر شدن اندازه دستگاه) دفع شود. با افزایش تقاضای ما برای دقت و قابلیت اطمینان در دستگاه های پزشکی، کنترل اتلاف گرما اهمیت بیشتری پیدا می کند.

چالش دیگر از این واقعیت ناشی می‌شود که دستگاه‌های پزشکی به دلیل خطرات زیاد، نیازمندی‌های خاصی هستند. به عنوان مثال، برخی از مواد که معمولا در محلول های دفع گرما استفاده می شوند (مثلا مس) به دلیل نزدیک بودن به بدن انسان در بسیاری از کاربردهای پزشکی مفید نیستند (مس علاوه بر ایجاد التهاب در بافت های انسان، می تواند باعث انحطاط شدید و غیر قابل برگشت عصبی شود. بافت). نیاز به دقت در برخی از کاربردهای پزشکی ممکن است فضای موجود برای راه‌حل‌های خنک‌کننده را تا حد نزدیک به انقراض -- فشرده کند. 5 میلی متر برای استقرار فناوری انتقال حرارت.

زمینه دیگری که به راه حل های مدیریت حرارتی بسیار کوچک نیاز دارد، طراحی دستگاه های قابل کاشت انسان است که برای محافظت از اندام های انسان به اندازه کوچک و ضرایب تغییر دما دقیق نیاز دارند. در نهایت، تغییرات سریع دوره ای دما (با نوسانات دما تا 50 درجه سانتیگراد در عرض میلی ثانیه) ویژگی مشترک بسیاری از دستگاه های آزمایشگاهی مانند تقسیم کننده های DNA است. همه این عوامل مربوط به دقت، قابلیت اطمینان، محدودیت‌های اندازه و انتخاب دقیق مواد، مهندسی حرارتی پزشکی را برای طراحان کاری دشوار می‌سازد. مهندسین طراحی انتقال حرارت باید بین راندمان و اندازه در مقابل هزینه و به طور فزاینده ای اتلاف گرما در مقابل نویز کم را انتخاب کنند (به این معنی که در برخی از برنامه ها نمی توان از فن ها استفاده کرد، اگرچه سرعت جریان گاز با حجم بالا آنها را برای اتلاف گرما بهینه می کند).

 انتقال حرارت

  مهندسان حرارتی به طور فزاینده ای به دستگاه های انتقال حرارت غیرفعال (مثلاً لوله های حرارتی) روی آورده اند تا این چالش ها را برطرف کنند، زیرا مایع کار در لوله رسانای گرما دارای دو شکل مایع و بخار آب است، بنابراین لوله رسانش گرما دو فاز است. دستگاه خنک کننده. انتقال حرارت با تبدیل سیال عامل از مایع به بخار آب به دست می آید. چرخه مداوم تبخیر، انتقال (گرما)، تراکم و بازگشت سیال کاری متراکم به منطقه تبخیر.

در طول این کار هیچ خرابی جزء تحویل وجود نخواهد داشت - در برنامه‌هایی که قابلیت اطمینان برای دستیابی به نتایج دقیق یا دستیابی به بهبودی بیمار اهمیت بالایی دارد. طراحی اجزای انتقال حرارت غیرفعال ساده است و به طور کلی شامل یک لوله خلاء مهر و موم شده پر از مایع کاری است که کوچک کردن آن نسبتاً آسان است. پیشرفت‌ها در فناوری ساختار مویرگی کمک می‌کند تا اطمینان حاصل شود که سیال کاری خنک‌شده و متراکم شده در برابر گرانش مقاومت می‌کند و به طور موثر و قابل اعتماد به بخش ورودی گرما لوله رسانا بازگردانده می‌شود. این به لوله هادی اجازه می دهد تا در جهت های مختلف کار کند. با آزادی طراحی بیشتر، طراحان حتی می توانند از لوله های هدایت حرارتی انعطاف پذیر استفاده کنند.

یکی دیگر از روش های متداول اتلاف حرارت، سینک حرارتی است. هیت سینک را می توان در حالت جابجایی اجباری یا طبیعی کار کرد، اما باز هم، هر یک از این روش ها به معنای ایجاد معاوضه است. اگر جریان هوای مورد استفاده برای خنک کردن را افزایش دهید، به این معنی است که می توانید تعداد پره ها را کاهش دهید یا مساحت باله ها را کاهش دهید. با این حال، اگر جریان هوای تولید شده توسط فن بیشتر باشد، صدای تولید شده توسط فن بیشتر است. اگر فن جریان هوای کمتری تولید کند، فن ساکت‌تر کار می‌کند و می‌تواند کوچک‌تر باشد، اما این بدان معناست که رادیاتور باید پره‌های بیشتر یا بزرگ‌تری داشته باشد. بنابراین، کوچکتر کردن و کم صداتر کردن اجزای خنک کننده در یک تجهیزات آسان نیست.

در مبدل حرارتی لوله حرارتی، گرما از طریق لوله حرارتی به پره ها منتقل می شود و سپس به هوای اطراف پخش می شود. اما می توان این کار را انجام داد، راه کاهش همزمان اندازه و سر و صدا این است که قطعات رادیاتور همدماتر شوند، سینک حرارتی که قبلاً توسط یک کولر ترموالکتریک (TEC) خنک می شد، می تواند دوباره طراحی شود تا چندتایی داشته باشد. TECهایی که به جای اتکای صرف به رسانش گرما، گرما را به طور یکنواخت در سطح هیت سینک انتقال می دهند. با این حال، علاوه بر نیاز به تعمیر و نگهداری، چنین طرح‌هایی پیچیدگی و هزینه را به الکترونیک اضافه می‌کنند. مونتاژ لوله هدایت حرارتی نوع رک می تواند پایداری حرارتی کامل و حجم کار تعمیر و نگهداری فنی کمتری را ارائه دهد. یک راه حل خنک کننده ساده تر، استفاده از فن آوری خنک کننده غیرفعال برای ترکیب هیت سینک با یک حفره بخار تعبیه شده (اصلاً تنظیم یک لوله رسانای گرما به حالت صاف برای تبدیل شدن به یک لوله رسانای حرارتی صاف) یا استفاده از یک هیت سینک که سطح آن یکپارچه است، است. با لوله انتقال حرارت هر دو طرح انتقال حرارت سریع و یکنواخت را با تبخیر سیال عامل در یک لوله رسانش گرما یا محفظه بخار تعبیه شده امکان پذیر می کنند. بخار آب گرما را به طور یکنواخت در تمام سطح زیرین هیت سینک و پره هیت سینک حمل می کند و از نقاط داغ جلوگیری می کند. از آنجایی که باله ها همدما هستند، جریان هوا از طریق باله ها بیشترین گرما را منتقل می کند.

به طور کلی، تغییر به سمت دستگاه‌های خنک‌کننده غیرفعال (مثلاً لوله‌های حرارتی، سینک‌های حرارتی و اتاق‌های بخار) در دستگاه‌های پزشکی نشان‌دهنده یک تحول مداوم به سمت وسایل الکترونیکی کوچک‌تر، قدرتمندتر و کوچک‌تر است. در حالی که گزینه‌های خنک‌کننده سنتی‌تر (تبرید، TEC، صفحات خنک‌کننده مایع، و غیره) مناسب‌ترین انتخاب برای برخی از دستگاه‌های پزشکی هستند، طراحان متوجه شده‌اند که فناوری خنک‌کننده غیرفعال با تکامل آن جذاب‌تر می‌شود. پیشرفت در ساختارهای مواد نیز راه حل های خنک کننده غیرفعال را برای طراحان تجهیزات پزشکی جذاب تر کرده است. برای مثال، ظهور گرافیت پیرولیتیک (APG) اجزای خنک‌کننده‌ای را که کوچک‌تر، سبک‌تر و کارآمدتر از هیت سینک‌های آلومینیومی یا مسی معمولی هستند، ممکن کرده است.

همانطور که محصولات به سمت کوچک‌سازی بیشتر و محفظه‌های الکترونیکی کوچک‌تر حرکت می‌کنند، مواد با رسانایی حرارتی بالاتر می‌توانند به طراحان کمک کنند.

هدایت حرارتی موثر APG 1000 W/mK است که 5 برابر آلومینیوم جامد و 2.5 برابر مس جامد است. Apgs همچنین می تواند برای کاربردهایی مانند ابزار جراحی بسته بندی شود. در چنین کاربردهایی، به دلیل نگرانی در مورد آسیب بافت، زخم یا عفونت، اجتناب از تماس با بافت انسانی مهم است. توسعه موادی مانند APG به توضیح اینکه چرا طراحان دستگاه های پزشکی سیستم های کنترل اتلاف حرارت غیرفعال تری را انتخاب می کنند کمک می کند.

این سیستم ها نه تنها طیف وسیع تری از گزینه ها را ارائه می دهند، بلکه در بسیاری از موارد گزینه های بهتری برای مدیریت گرما ارائه می دهند.

در مقایسه با راه‌حل‌های خنک‌کننده مایع سنتی، سیستم‌های خنک‌کننده غیرفعال قابل اطمینان‌تر هستند (اجزای حمل و نقل کمتر به معنی خطر کمتر خرابی است)، به تعمیر و نگهداری کمتری نیاز دارند، در طراحی انعطاف‌پذیرتر هستند، بی‌صداتر عمل می‌کنند و در بسیاری از موارد مدیریت هزینه‌ها آسان‌تر است. چندین نمونه از مفاهیم مدیریت حرارت غیرفعال که در برخی از کاربردهای مهم تجهیزات پزشکی ادغام شده اند در زیر ارائه شده است.

تصویربرداری تشخیصی

از آنجایی که عملکرد وسایل الکترونیکی پس از دمای بحرانی به سرعت بدتر می‌شود، خنک‌سازی کیس برای فناوری‌هایی که از قطعات الکترونیکی زیادی مانند تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI)، توموگرافی کامپیوتری (CT)، اولتراسوند و اشعه ایکس استفاده می‌کنند، حیاتی است. حتی نوسانات کوچک در دما می تواند بر کالیبراسیون و نتایج تأثیر بگذارد و در نتیجه زمان خرابی و تعمیر و نگهداری پرهزینه ای را به همراه داشته باشد. FDA نقش مهمی در هدایت تکرارپذیری و تکرارپذیری نتایج آزمایش برای دستگاه‌های پزشکی، مانند اسکنرها، دستگاه‌های بیوتکنولوژی و میکروآسی‌های آزمایشگاهی به سمت کمال نزدیک (بیش از یا مساوی 95 درصد) داشته است. برای اطمینان از دقت، مشخصات، 31 آزمایش جداگانه را برای یک تصویرگر تشخیصی منفرد (21 CFR 900.12) الزامی می‌کند که بسیاری از آن‌ها در اثر اتلاف گرما به خطر می‌افتند. بازار رقابتی تجهیزات پزشکی تشخیصی، کنترل شدید اتلاف گرما را به عامل مهمتری در طراحی محصولات الکترونیکی تبدیل کرده است.

طراحان معمولاً در محدوده بسیار باریکی از تغییرات دما (δT) با اختلاف دمای 10 درجه سانتیگراد بین محیط داخلی و خارجی شاسی دستگاه کار می کنند. چندین منبع گرما (مانند برق تجهیزات و سایر اجزای الکترونیکی گسسته) می توانند توان خروجی کلی 1200 وات یا بیشتر تولید کنند که 400 وات آن گرمای اتلاف تخلیه شده است. با محدودیت در اندازه فن و سرعت باد، رسیدن به سکوت پیچیده تر می شود. این مشکلات اغلب توسط مبدل حرارتی لوله حرارتی تا حد زیادی قابل حل است. در یک مبدل حرارتی لوله هدایت حرارتی، گرما از داخل تجهیزات به خارج از تجهیزات از طریق لوله هدایت گرما منتقل می شود و سپس از طریق هیت سینک نوع پره ای به هوای اطراف تخلیه می شود. منطقه باله بزرگتر و لوله‌های انتقال حرارت کارآمدتر، فن‌های کوچک‌تر و بی‌صداتری را امکان‌پذیر می‌سازد که الزامات اتلاف گرما سختگیرانه تنظیمات نظارتی و بالینی را برآورده می‌کند. در برخی موارد، می توان از فناوری لوله هدایت گرما برای خود لوله نیز استفاده کرد، بنابراین از قوانین ترمودینامیک به جای الکترونیک یا فن ها برای انجام انتقال گرما استفاده می شود.

فناوری لوله حرارتی مشابه برای خنک کردن نمایشگرها در تجهیزات نظارت بر مراقبت های ویژه استفاده می شود. همانطور که در شکل نشان داده شده است، یک مجموعه لوله حرارتی از نوع قفسه ای می تواند پایداری حرارتی کاملی را با تلاش کمی برای نگهداری فنی فراهم کند. فقدان اجزای انتقال اجازه می دهد تا یک عمر خدمات طبیعی چندین میلیون ساعت داشته باشد، که باعث می شود شکست در عملیات مراقبت های ویژه تقریبا غیرممکن شود.

Sinda Thermal یک تولید کننده پیشرو هیت سینک است که می تواند انواع راه حل های حرارتی را برای تجهیزات پزشکی ارائه دهد، ما می توانیم هیت سینک خنک کننده مایع، هیت سینک لوله حرارتی، هیت سینک اکسترود شده، هیت سینک پره دار و غیره را طراحی و بسازیم. لطفاً با ما تماس بگیرید. اگر نیازی به هیت سینک دارید آزادانه.