إدخال حلول إدارة الحرارة السلبية لتعزيز تطوير الأجهزة الإلكترونية الطبية

من أجهزة التصوير إلى الأدوات الجراحية إلى المناعة الآلية ، تعد التقنيات الطبية القوية للقرن الحادي والعشرين مثيرة للإعجاب ، ويرجع الفضل في ذلك إلى حد كبير إلى القوة الحسابية المتزايدة للمعالجات الدقيقة. لكن بالنسبة للمهندسين الحراريين ، كان لهذه التطورات ثمن. كلما زادت طاقة الجهاز ، زادت الحرارة التي يولدها ، وعمومًا ، يجب أن يتبدد في مساحة أصغر وأصغر (حيث يصبح حجم الجهاز أصغر). مع زيادة مطلبنا للدقة والموثوقية في الأجهزة الطبية ، يصبح التحكم في تبديد الحرارة أكثر أهمية.

التحدي الآخر ينبع من حقيقة أن الأجهزة الطبية لها بعض المتطلبات الخاصة بسبب المخاطر الكبيرة التي تنطوي عليها. على سبيل المثال ، بعض المواد المستخدمة بشكل شائع في محاليل تبديد الحرارة (على سبيل المثال ، النحاس) ليست مفيدة في العديد من التطبيقات الطبية بسبب قربها من جسم الإنسان (بالإضافة إلى التسبب في التهاب الأنسجة البشرية ، يمكن أن يتسبب النحاس في انحلال عصبي شديد وغير قابل للإصلاح. منديل). قد تؤدي الحاجة إلى الدقة في بعض التطبيقات الطبية إلى ضغط المساحة المتاحة لحلول التبريد إلى حد شبه الانقراض -- للأدوات الجراحية التي تتطلب إدارة الحرارة لتجنب تلف الأنسجة البشرية التي توفر للمصممين 0 فقط. 5 مليمترات لنشر تقنية نقل الحرارة.

هناك مجال آخر يتطلب حلول إدارة حرارية صغيرة جدًا وهو تصميم الأجهزة البشرية القابلة للزرع ، والتي تتطلب كلاً من الحجم الصغير ومعاملات تغير درجة الحرارة الدقيقة من أجل حماية الأعضاء البشرية. أخيرًا ، تعد التغيرات الدورية السريعة في درجات الحرارة (مع تقلبات درجة الحرارة تصل إلى 50 درجة مئوية في غضون مللي ثانية) سمة مشتركة للعديد من الأجهزة المختبرية مثل مقسمات الحمض النووي. كل هذه العوامل المتعلقة بالدقة والموثوقية وقيود الحجم والاختيار الصارم للمواد تجعل الهندسة الحرارية الطبية مهمة صعبة للمصممين. يجب أن يختار مهندسو تصميم نقل الحرارة بين الكفاءة والحجم مقابل التكلفة ، وبشكل متزايد ، تبديد الحرارة مقابل الضوضاء المنخفضة (مما يعني أنه في بعض التطبيقات لا يمكن استخدام المراوح ، على الرغم من أن معدل تدفق الغاز الكبير الحجم يجعلها مثالية لتبديد الحرارة).

 نقل الحرارة

  تحول المهندسون الحراريون بشكل متزايد إلى أجهزة نقل الحرارة السلبية (على سبيل المثال ، الأنابيب الحرارية) لمواجهة هذه التحديات ، لأن السائل العامل في أنبوب التوصيل الحراري يحتوي على سائل وبخار الماء شكلين من الوجود ، وبالتالي فإن أنبوب التوصيل الحراري عبارة عن مرحلتين جهاز التبريد: يتم نقل الحرارة عن طريق تحويل سائل العمل من سائل إلى بخار ماء. الدورة المستمرة للتبخر ، ونقل (الحرارة) ، والتكثيف ، وعودة مائع العمل المكثف إلى منطقة التبخر.

لن يكون هناك فشل في التوصيل أثناء هذا العمل - وهو اعتبار أساسي في التطبيقات حيث تكون الموثوقية باراماونت لتحقيق نتائج دقيقة أو تحقيق تعافي المريض. إن تصميم مكونات نقل الحرارة السلبية واضح ومباشر ويتضمن عمومًا أنبوبًا مفرغًا مختومًا مملوءًا بسائل عامل يسهل تصغيره نسبيًا. تساعد التطورات في تقنية الهيكل الشعري على ضمان أن سائل العمل المبرد والمكثف يقاوم الجاذبية ويتم إرجاعه بكفاءة وموثوقية إلى قسم إدخال الحرارة لأنبوب التوصيل. هذا يسمح لأنبوب التوصيل بالعمل في اتجاهات مختلفة. مع المزيد من حرية التصميم ، يمكن للمصممين استخدام أنابيب توصيل حرارية مرنة.

مخطط تبديد الحرارة الأكثر شيوعًا هو المشتت الحراري. يمكن تشغيل المشتت الحراري في وضع الحمل الحراري القسري أو الطبيعي ، ولكن مرة أخرى ، يعني أي من الطريقتين إجراء المفاضلات. إذا قمت بزيادة تدفق الهواء المستخدم للتبريد ، فهذا يعني أنه يمكنك تقليل عدد الزعانف أو تقليل مساحة الزعانف. ومع ذلك ، إذا كان تدفق الهواء الناتج عن المروحة أكبر ، فإن الضوضاء الناتجة عن المروحة تكون أكبر. إذا كانت المروحة تنتج تدفقًا أقل للهواء ، فإن المروحة تعمل بشكل أكثر هدوءًا ويمكن أن تكون أصغر ، ولكن هذا يعني أن المبرد يجب أن يحتوي على زعانف أكبر أو أكبر. لذلك ، ليس من السهل جعل مكونات التبريد أصغر وأكثر هدوءًا في نفس الجهاز.

في المبادل الحراري للأنبوب الحراري ، تنتقل الحرارة عبر أنبوب الحرارة إلى الزعانف ثم تتبدد في الهواء المحيط. ولكن يمكن القيام بذلك ، فإن طريقة تقليل الحجم والضوضاء في نفس الوقت هي جعل قطع المبرد أكثر حرارة ، ويمكن إعادة تصميم المشتت الحراري ، الذي تم تبريده مسبقًا بواسطة مبرد كهربائي حراري واحد (TEC) ، ليكون متعدد TECs التي تنقل الحرارة بشكل موحد عبر سطح المشتت الحراري بدلاً من الاعتماد فقط على التوصيل الحراري. ومع ذلك ، بالإضافة إلى طلب الصيانة ، فإن مثل هذه المخططات تضيف تعقيدًا وتكلفة للإلكترونيات. يمكن أن توفر مجموعة أنبوب التوصيل الحراري من نوع الرف ثباتًا حراريًا مثاليًا وأعباء عمل صيانة تقنية أقل. حل تبريد أبسط هو استخدام تقنية التبريد السلبي لدمج المشتت الحراري مع تجويف بخار مضمن (بشكل أساسي تعديل أنبوب التوصيل الحراري إلى حالة مسطحة ليصبح أنبوب توصيل حراري مسطح) ، أو استخدام المشتت الحراري الذي يكون سطحه مدمجًا مع أنبوب التوصيل الحراري. كلا المخططين يسمحان بنقل حرارة سريع وموحد عن طريق تبخير سائل العمل في أنبوب توصيل حراري أو غرفة بخار. يحمل بخار الماء الحرارة بالتساوي عبر السطح السفلي بأكمله للمشتت الحراري وزعنفة المشتت الحراري ، متجنبًا البقع الساخنة. لأن الزعانف متساوية الحرارة ، فإن تدفق الهواء عبر الزعانف يحمل أكبر قدر من الحرارة.

بشكل عام ، يعكس التحول نحو أجهزة التبريد السلبي (على سبيل المثال ، أنابيب الحرارة ، والمشتتات الحرارية ، وغرف البخار) في الأجهزة الطبية تطورًا مستمرًا نحو إلكترونيات أصغر وأكثر قوة وأكثر تصغيرًا. في حين أن المزيد من خيارات التبريد التقليدية (التبريد ، TEC ، ألواح التبريد السائل ، إلخ) تظل الخيار الأنسب لبعض الأجهزة الطبية ، يجد المصممون أن تقنية التبريد السلبي ستصبح جذابة بشكل متزايد مع تطورها. جعلت التطورات في هياكل المواد أيضًا حلول التبريد السلبي أكثر جاذبية لمصممي الأجهزة الطبية. على سبيل المثال ، أدى ظهور الجرافيت الحراري (APG) إلى جعل مكونات التبريد الممكنة أصغر حجمًا وأخف وزنًا وأكثر كفاءة من أحواض الحرارة التقليدية المصنوعة من الألومنيوم أو النحاس.

نظرًا لأن المنتجات تتجه نحو المزيد من التصغير والحاويات الإلكترونية الأصغر ، يمكن للمواد ذات الموصلية الحرارية العالية أن تمنح المصممين خطوة للأمام.

تبلغ الموصلية الحرارية الفعالة لـ APG 1000 واط / مللي كلفن ، وهو ما يعادل 5 أضعاف الألمنيوم الصلب و 2.5 مرة من النحاس الصلب. يمكن أيضًا تعبئة Apgs لتطبيقات مثل الأدوات الجراحية. في مثل هذه التطبيقات ، من المهم تجنب ملامسة الأنسجة البشرية بسبب مخاوف بشأن تلف الأنسجة أو التندب أو العدوى. يساعد تطوير مواد مثل APGs في تفسير سبب اختيار مصممي الأجهزة الطبية أنظمة تحكم أكثر سلبية في تبديد الحرارة.

لا تقدم هذه الأنظمة مجموعة واسعة من الخيارات فحسب ، بل إنها توفر في كثير من الحالات خيارات أفضل لإدارة الحرارة.

بالمقارنة مع حلول التبريد السائل التقليدية ، فإن أنظمة التبريد السلبي أكثر موثوقية (عدد أقل من مكونات النقل يعني انخفاض مخاطر الفشل) ، وتتطلب صيانة أقل ، وتكون أكثر مرونة في التصميم ، وتعمل بشكل أكثر هدوءًا ، وفي كثير من الحالات يكون من الأسهل إدارة التكلفة. نعرض أدناه عدة أمثلة لمفاهيم إدارة الحرارة السلبية المدمجة في بعض تطبيقات الأجهزة الطبية الهامة.

التصوير التشخيصي

نظرًا لأن أداء الإلكترونيات يتدهور بسرعة بعد درجة حرارة حرجة ، فإن تبريد العلبة أمر بالغ الأهمية للتقنيات التي تستخدم الكثير من المكونات الإلكترونية ، مثل التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) والتصوير المقطعي المحوسب (CT) والموجات فوق الصوتية والأشعة السينية. حتى التقلبات الصغيرة في درجات الحرارة يمكن أن تؤثر على المعايرة والنتائج ، مما يؤدي إلى توقف العمل والصيانة المكلفة. لعبت إدارة الغذاء والدواء الأمريكية (FDA) دورًا مهمًا في توجيه إمكانية التكرار وإمكانية تكرار نتائج الاختبارات للأجهزة الطبية ، مثل الماسحات الضوئية وأجهزة التكنولوجيا الحيوية والمقايسات الدقيقة المختبرية ، نحو الكمال القريب (أكبر من أو يساوي 95 بالمائة). لضمان الدقة ، تتطلب المواصفات 31 اختبارًا منفصلاً لجهاز تصوير تشخيصي واحد (21 CFR 900.12) ، يتم اختراق العديد منها بسبب تبديد الحرارة. جعل السوق التنافسي للأجهزة الطبية التشخيصية التحكم الصارم في تبديد الحرارة عاملاً أكثر أهمية في تصميم المنتجات الإلكترونية.

عادةً ما يعمل المصممون ضمن نطاق ضيق جدًا من اختلاف درجات الحرارة (δT) ، مع اختلاف درجة الحرارة بمقدار 10 درجات مئوية بين البيئات الداخلية والخارجية لهيكل الجهاز. يمكن لمصادر الحرارة المتعددة (مثل طاقة المعدات والمكونات الإلكترونية المنفصلة الأخرى) أن تنتج إجمالي خرج قدرة 1200 واط أو أكثر ، منها 400 واط عبارة عن حرارة مهدرة يتم تفريغها. مع وجود قيود على حجم المروحة وسرعة الرياح ، يصبح تحقيق الصمت أكثر تعقيدًا. يمكن حل هذه المشكلات غالبًا عن طريق المبادل الحراري للأنبوب الحراري إلى أقصى حد. في المبادل الحراري لأنبوب التوصيل الحراري ، تنتقل الحرارة من داخل الجهاز إلى خارج الجهاز من خلال أنبوب التوصيل الحراري ، ثم يتم تفريغها في الهواء المحيط من خلال المشتت الحراري من نوع الزعنفة. تسمح مساحة الزعانف الأكبر وأنابيب نقل الحرارة الأكثر كفاءة بمراوح أصغر وأكثر هدوءًا تلبي متطلبات تبديد الحرارة الصارمة للإعدادات التنظيمية والسريرية. في بعض الحالات ، من الممكن أيضًا استخدام تقنية أنبوب التوصيل الحراري للأنبوب نفسه ، وبالتالي استخدام قوانين الديناميكا الحرارية بدلاً من الإلكترونيات أو المراوح لإنجاز نقل الحرارة.

تُستخدم تقنية أنابيب الحرارة المماثلة لتبريد شاشات العرض في معدات مراقبة الرعاية الحرجة. كما هو مبين في الشكل ، يمكن أن توفر مجموعة الأنبوب الحراري من نوع الرف ثباتًا حراريًا مثاليًا مع القليل من جهود الصيانة الفنية. يسمح عدم وجود مكونات النقل بعمر خدمة طبيعي يصل إلى عدة ملايين من الساعات ، مما يجعل الفشل أثناء عمليات الرعاية الحرجة شبه مستحيل.

Sinda Thermal هي شركة رائدة في تصنيع المشتتات الحرارية التي يمكنها توفير أنواع مختلفة من الحلول الحرارية للمعدات الطبية ، ويمكننا تصميم وبناء المشتت الحراري للتبريد السائل ، والمشتت الحراري للأنابيب الحرارية ، والمشتت الحراري المبثوق ، والمشتت الحراري ذو الزعانف المقطوعة ، وما إلى ذلك ، يرجى الاتصال بنا بحرية إذا كان لديك أي متطلبات بالوعة الحرارة.