הצגת פתרונות ניהול חום פסיביים לקידום פיתוח מכשירים אלקטרוניים רפואיים

ממכשירי הדמיה למכשירים כירורגיים ועד לחסינות אוטומטית, הטכנולוגיות הרפואיות החזקות של המאה ה-21 מרשימות, במידה רבה הודות לכוח החישוב המוגבר של המיקרו-מעבדים. עם זאת, עבור מהנדסים תרמיים, למתקדמים אלה יש מחיר. ככל שלמכשיר יש יותר כוח, כך הוא מייצר יותר חום, ובאופן כללי, הוא צריך להתפזר בחלל קטן יותר ויותר (ככל שגודל המכשיר הולך וקטן). ככל שהדרישה שלנו לדיוק ואמינות במכשירים רפואיים עולה, בקרת פיזור החום הופכת חשובה עוד יותר.

אתגר נוסף נובע מהעובדה שלמכשירים רפואיים יש כמה דרישות מיוחדות בגלל הסיכונים הגבוהים הכרוכים בכך. לדוגמה, חומרים מסוימים הנפוצים בשימוש בתמיסות פיזור חום (למשל, נחושת) אינם שימושיים ביישומים רפואיים רבים בגלל הקרבה שלהם לגוף האדם (בנוסף לגרימת דלקת ברקמות אנושיות, נחושת עלולה לגרום לניוון חמור ובלתי הפיך של עצבים. רִקמָה). הצורך בדייקנות ביישומים רפואיים מסוימים עשוי לדחוס את החלל הזמין עבור פתרונות קירור עד לכדי הכחדה -- מכשירים כירורגיים הדורשים ניהול חום כדי למנוע נזק לרקמות אנושיות מספקים למעצבים רק 0. 5 מילימטרים לפריסת טכנולוגיית העברת חום.

תחום נוסף הדורש פתרונות ניהול תרמיים קטנים במיוחד הוא תכנון של מכשירים הניתנים להשתלה אנושיים, הדורשים גם גודל קטן וגם מקדמי שינוי טמפרטורה מדויקים על מנת להגן על איברים אנושיים. לבסוף, שינויי טמפרטורה תקופתיים מהירים (עם תנודות טמפרטורה של עד 50 מעלות צלזיוס בתוך אלפיות שניות) הם תכונה נפוצה של מכשירי מעבדה רבים כגון מפצלי DNA. כל הגורמים הללו הקשורים לדיוק, אמינות, מגבלות גודל ובחירת חומרים קפדנית הופכים את ההנדסה התרמית הרפואית למשימה קשה עבור מעצבים. מהנדסי תכנון העברת חום חייבים לבחור בין יעילות וגודל מול עלות, ובין היתר, פיזור חום לעומת רעש נמוך (מה שאומר שבאפליקציות מסוימות לא ניתן להשתמש במאווררים, למרות שקצב זרימת הגז בנפח הגבוה שלהם הופך אותם לאופטימליים לפיזור חום).

 העברת החום

  מהנדסי חום פנו יותר ויותר להתקני העברת חום פסיביים (למשל, צינורות תרמיות) כדי להתמודד עם אתגרים אלה, מכיוון שלנוזל העבודה בצינור הולכת החום יש שתי צורות קיום של נוזל ואדי מים, ולכן צינור הולכת החום הוא דו-פאזי מכשיר קירור.העברת החום מושגת על ידי הפיכת נוזל העבודה מנוזל לאדי מים. מחזור רציף של אידוי, העברה (חום), עיבוי והחזרה של נוזל העבודה המעובה לאזור האידוי.

לא תהיה כשל ברכיבי האספקה ​​במהלך עבודה זו - שיקול מרכזי ביישומים שבהם האמינות היא ערך עליון להשגת תוצאות מדויקות או השגת החלמת המטופל. העיצוב של רכיבי העברת חום פסיביים הוא פשוט ובדרך כלל כולל צינור אטום בוואקום מלא בנוזל עבודה שקל יחסית למזער. ההתקדמות בטכנולוגיית מבנה נימי מסייעת להבטיח שנוזל העבודה המקורר והמעובה מתנגד לכוח הכבידה ומוחזר ביעילות ובאמינות לקטע כניסת החום של הצינור המוליך. זה מאפשר לצינור המוליך לפעול באוריינטציות שונות. עם יותר חופש עיצובי, מעצבים יכולים אפילו להשתמש בצינורות הולכת חום גמישים.

עוד תוכנית פיזור חום נפוצה יותר היא גוף הקירור. ניתן להפעיל את גוף הקירור במצב הסעה מאולצת או טבעית, אבל שוב, כל גישה פירושה ביצוע פשרות. אם אתה מגדיל את זרימת האוויר המשמשת לקירור, זה אומר שאתה יכול להפחית את מספר הסנפירים או להקטין את שטח הסנפירים. עם זאת, אם זרימת האוויר שנוצרת על ידי המאוורר גדולה יותר, הרעש שנוצר על ידי המאוורר גדול יותר. אם המאוורר מייצר פחות זרימת אוויר, המאוורר פועל שקט יותר ויכול להיות קטן יותר, אך זה אומר שהרדיאטור חייב להיות בעל סנפירים גדולים יותר או גדולים יותר. לכן, לא קל להפוך את רכיבי הקירור גם לקטנים וגם שקטים יותר באותו ציוד.

במחליף חום של צינור חום, החום מועבר דרך צינור החום אל הסנפירים ואז מתפזר לאוויר שמסביב. אבל אפשר לעשות את זה, הדרך להפחית את הגודל והרעש בו זמנית היא להפוך את חלקי הרדיאטור ליותר איזוטרמיים, ניתן לעצב מחדש את גוף הקירור, שקודם לכן מקורר על ידי מצנן תרמו-אלקטרי בודד (TEC), כך שיהיה לו מספר רב של TECs המעבירים חום באופן אחיד על פני השטח של גוף הקירור במקום להסתמך אך ורק על הולכת חום. עם זאת, בנוסף לדרישת תחזוקה, תוכניות כאלה מוסיפות מורכבות ועלות לאלקטרוניקה. מכלול צינורות הולכת חום מסוג מתלה יכול לספק יציבות תרמית מושלמת ופחות עומס תחזוקה טכני. פתרון קירור פשוט יותר הוא שימוש בטכנולוגיית קירור פסיבית כדי לשלב את גוף הקירור עם חלל קיטור מוטבע (בעצם התאמת צינור הולכת חום למצב שטוח כדי להפוך לצינור הולכת חום שטוח), או להשתמש בגוף קירור שפני השטח שלו משולבים עם צינור הולכת חום. שתי הסכמות מאפשרות העברת חום מהירה ואחידה על ידי אידוי נוזל העבודה בצינור הולכת חום מוטבע או בתא אדים. אדי מים נושאים חום באופן שווה דרך כל המשטח התחתון של גוף הקירור וסנפיר גוף הקירור, תוך הימנעות מנקודות חמות. מכיוון שהסנפירים הם איזותרמיים, זרימת האוויר דרך הסנפירים נושאת את מירב החום.

באופן כללי, המעבר לכיוון התקני קירור פסיביים (למשל, צינורות חום, גופי קירור ותאי אדים) במכשירים רפואיים משקף התפתחות מתמשכת לעבר אלקטרוניקה קטנה יותר, חזקה יותר וממוזערת יותר. בעוד אפשרויות קירור מסורתיות יותר (קירור, TEC, לוחות קירור נוזלים וכו') נותרו הבחירה המתאימה ביותר עבור מכשירים רפואיים מסוימים, מעצבים מגלים שטכנולוגיית קירור פסיבית תהפוך לאטרקטיבית יותר ויותר ככל שהיא תתפתח. ההתקדמות במבני החומר הפכה גם פתרונות קירור פסיביים לאטרקטיביים יותר עבור מעצבי מכשור רפואי. לדוגמה, הופעתו של גרפיט פירוליטי (APG) אפשרה רכיבי קירור קטנים, קלים ויעילים יותר מאשר גופי קירור רגילים מאלומיניום או נחושת.

ככל שהמוצרים מתקדמים לקראת מזעור רב יותר ומארזים אלקטרוניים קטנים יותר, חומרים בעלי מוליכות תרמית גבוהה יותר יכולים לתת למעצבים רגל למעלה.

המוליכות התרמית האפקטיבית של APG היא 1000 W/mK, שהם פי 5 מאלומיניום מוצק ופי 2.5 מנחושת מוצקה. ניתן לארוז Apgs גם עבור יישומים כגון מכשירים כירורגיים. ביישומים כאלה, חשוב להימנע ממגע עם רקמה אנושית עקב חששות לגבי נזק לרקמות, צלקות או זיהום. הפיתוח של חומרים כגון APGs עוזר להסביר מדוע מתכנני מכשור רפואי בוחרים במערכות בקרת פיזור חום פסיביות יותר.

לא רק שמערכות אלו מציעות מגוון רחב יותר של אפשרויות, אלא שבמקרים רבים הן מציעות אפשרויות טובות יותר לניהול חום.

בהשוואה לפתרונות קירור נוזליים מסורתיים, מערכות קירור פסיביות אמינות יותר (פחות רכיבי הובלה משמעו סיכון נמוך יותר לכשל), דורשות פחות תחזוקה, גמישות יותר בתכנון, פועלות שקטה יותר, ובמקרים רבים קלות יותר לניהול העלות. להלן מספר דוגמאות למושגי ניהול חום פסיבי המשולבים בכמה יישומי מכשור רפואי חשובים.

הדמיה אבחנתית

מכיוון שביצועי האלקטרוניקה מתדרדרים במהירות לאחר טמפרטורה קריטית, קירור המארז הוא קריטי עבור טכנולוגיות המשתמשות בהרבה רכיבים אלקטרוניים, כגון הדמיית תהודה מגנטית (MRI), טומוגרפיה ממוחשבת (CT), אולטרסאונד וקרני רנטגן. אפילו תנודות קטנות בטמפרטורה יכולות להשפיע על הכיול והתוצאות, וכתוצאה מכך זמן השבתה ותחזוקה יקרים. ה-FDA מילא תפקיד חשוב בהנעת יכולת החזרה ושחזור של תוצאות בדיקות עבור מכשירים רפואיים, כגון סורקים, התקני ביוטכנולוגיה ומבחנים מעבדתיים, לקראת כמעט שלמות (יותר או שווה ל-95 אחוז). כדי להבטיח דיוק, המפרט מחייב 31 בדיקות נפרדות עבור מצלמת אבחון אחת (21 CFR 900.12), שרבות מהן נפגעות על ידי פיזור חום. השוק התחרותי של מכשור רפואי אבחוני הפך בקרת פיזור חום קפדנית לגורם חשוב עוד יותר בתכנון של מוצרים אלקטרוניים.

המעצבים עובדים בדרך כלל בטווח צר מאוד של שינויי טמפרטורה (δT), עם הפרש טמפרטורה של 10 מעלות צלזיוס בין הסביבה הפנימית והחיצונית של מארז המכשיר. מקורות חום מרובים (כגון כוח ציוד ורכיבים אלקטרוניים נפרדים אחרים) יכולים לייצר תפוקת הספק כוללת של 1200 וואט או יותר, מתוכם 400 וואט הוא פסולת חום שיש לפרוק. עם מגבלות על גודל המאוורר ומהירות הרוח, זה הופך להיות מסובך יותר להשיג שקט. בעיות אלה יכולות להיפתר לרוב על ידי מחליף חום צינור תרמי במידה הרבה ביותר. במחליף חום של צינור הולכת חום, החום מועבר מהחלק הפנימי של הציוד לחלק החיצוני של הציוד דרך צינור הולכת החום, ולאחר מכן מופרש לאוויר שמסביב דרך גוף הקירור מסוג סנפיר. שטח סנפיר גדול יותר וצינורות העברת חום יעילים יותר מאפשרים מאווררים קטנים ושקטים יותר העומדים בדרישות פיזור החום המחמירות של הגדרות רגולטוריות וקליניות. במקרים מסוימים, ניתן גם להשתמש בטכנולוגיית צינור הולכת חום עבור הצינור עצמו, ובכך להשתמש בחוקי התרמודינמיקה ולא באלקטרוניקה או מאווררים כדי לבצע את העברת החום.

טכנולוגיית צינור חום דומה משמשת לקירור תצוגות בציוד ניטור טיפול קריטי. כפי שמוצג באיור, מכלול צינור תרמי מסוג מתלה יכול לספק יציבות תרמית מושלמת עם מעט מאמץ תחזוקה טכני. היעדר רכיבי העברה מאפשר חיי שירות רגילים של כמה מיליוני שעות, מה שהופך כשל במהלך פעולות טיפול נמרץ לכמעט בלתי אפשרי.

Sinda Thermal היא יצרנית גוף קירור מובילה שיכולה לספק מגוון פתרונות תרמיים לציוד רפואי, אנו יכולים לתכנן ולבנות את גוף הקירור הנוזלי, גוף הקירור של צינור החום, גוף הקירור האקסטרוד, גוף הקירור בעל הסנפיר בעל הסנפירים, וכו' אנא צור איתנו קשר באופן חופשי אם יש לך דרישה לגוף קירור.