A introdução de soluções de gerenciamento de calor passivo para promover o desenvolvimento de dispositivos eletrônicos médicos
De dispositivos de imagem a instrumentos cirúrgicos e imunidade automatizada, as poderosas tecnologias médicas do século 21 são impressionantes, em grande parte graças ao aumento do poder computacional dos microprocessadores. Para os engenheiros térmicos, no entanto, esses avanços têm um preço. Quanto mais potência um aparelho tem, mais calor ele gera e, em geral, tem que se dissipar em um espaço cada vez menor (conforme o tamanho do aparelho vai diminuindo). À medida que aumenta nossa demanda por precisão e confiabilidade em dispositivos médicos, o controle da dissipação de calor torna-se ainda mais importante.
Outro desafio decorre do fato de que os dispositivos médicos têm alguns requisitos especiais devido aos altos riscos envolvidos. Por exemplo, alguns materiais comumente usados em soluções de dissipação de calor (por exemplo, cobre) não são úteis em muitas aplicações médicas devido à sua proximidade com o corpo humano (além de causar inflamação nos tecidos humanos, o cobre pode causar degeneração grave e irreversível dos neurônios). tecido). A necessidade de precisão em algumas aplicações médicas pode comprimir o espaço disponível para soluções de resfriamento a ponto de quase extinção -- instrumentos cirúrgicos que requerem gerenciamento de calor para evitar danos aos tecidos humanos fornecem aos projetistas apenas 0. 5 milímetros para implantar a tecnologia de transferência de calor.
Outra área que requer soluções de gerenciamento térmico ultrapequenas é o projeto de dispositivos humanos implantáveis, que exigem tamanho pequeno e coeficientes precisos de mudança de temperatura para proteger os órgãos humanos. Finalmente, rápidas mudanças periódicas de temperatura (com flutuações de temperatura de até 50 graus C em milissegundos) são uma característica comum de muitos dispositivos de laboratório, como divisores de DNA. Todos esses fatores relacionados à precisão, confiabilidade, restrições de tamanho e seleção rigorosa de materiais tornam a engenharia térmica médica uma tarefa difícil para os projetistas. Os engenheiros de projeto de transferência de calor devem escolher entre eficiência e tamanho versus custo e, cada vez mais, dissipação de calor versus baixo ruído (o que significa que, em algumas aplicações, ventiladores não podem ser usados, embora sua taxa de fluxo de gás de alto volume os torne ideais para dissipação de calor).
A transferência de calor
Os engenheiros térmicos têm se voltado cada vez mais para dispositivos passivos de transferência de calor (por exemplo, tubos térmicos) para enfrentar esses desafios, porque o líquido de trabalho no tubo de condução de calor tem duas formas de existência, líquido e vapor de água, de modo que o tubo de condução de calor é bifásico dispositivo de resfriamento. A transferência de calor é conseguida pela transformação do fluido de trabalho de líquido para vapor de água. O ciclo contínuo de evaporação, transferência (calor), condensação e retorno do fluido de trabalho condensado à zona de evaporação.
Não haverá falha do componente de entrega durante este trabalho - uma consideração fundamental em aplicações onde a confiabilidade é primordial para obter resultados precisos ou alcançar a recuperação do paciente. O projeto de componentes passivos de transferência de calor é direto e geralmente envolve um tubo selado a vácuo preenchido com fluido de trabalho que é relativamente fácil de miniaturizar. Avanços na tecnologia de estrutura capilar ajudam a garantir que o fluido de trabalho resfriado e condensado resista à gravidade e retorne de forma eficiente e confiável para a seção de entrada de calor do tubo condutor. Isso permite que o tubo condutor opere em diferentes orientações. Com mais liberdade de design, os projetistas podem até usar tubos flexíveis de condução de calor.
Outro esquema de dissipação de calor mais comumente usado é o dissipador de calor. O dissipador de calor pode ser operado no modo de convecção forçada ou natural, mas, novamente, qualquer abordagem significa fazer compensações. Se você aumentar o fluxo de ar usado para resfriamento, isso significa que você pode reduzir o número de aletas ou reduzir a área das aletas. No entanto, se o fluxo de ar gerado pelo ventilador for maior, o ruído gerado pelo ventilador será maior. Se o ventilador produz menos fluxo de ar, o ventilador funciona mais silencioso e pode ser menor, mas isso significa que o radiador deve ter mais ou maiores aletas. Portanto, não é fácil tornar os componentes de refrigeração menores e mais silenciosos no mesmo equipamento.
Em um trocador de calor de tubo de calor, o calor é transmitido através do tubo de calor para as aletas e depois dissipado no ar circundante. Mas pode ser feito, a forma de reduzir o tamanho e o ruído ao mesmo tempo é tornar as peças do radiador mais isotérmicas, o dissipador de calor, que antes era resfriado por um único resfriador termoelétrico (TEC), pode ser redesenhado para ter múltiplos TECs que transferem calor uniformemente pela superfície do dissipador de calor em vez de depender apenas da condução de calor. No entanto, além de exigir manutenção, tais esquemas adicionam complexidade e custo à eletrônica. O conjunto do tubo de condução de calor do tipo rack pode fornecer estabilidade térmica perfeita e menos carga de trabalho de manutenção técnica. Uma solução de resfriamento mais simples é usar a tecnologia de resfriamento passivo para combinar o dissipador de calor com uma cavidade de vapor embutida (essencialmente ajustando um tubo de condução de calor a um estado plano para se tornar um tubo de condução de calor plano) ou usar um dissipador de calor cuja superfície é integrada com o tubo de condução de calor. Ambos os esquemas permitem uma transferência de calor rápida e uniforme pela evaporação do fluido de trabalho em um tubo de condução de calor embutido ou câmara de vapor. O vapor de água transporta o calor uniformemente por toda a superfície inferior do dissipador de calor e pela aleta do dissipador de calor, evitando pontos quentes. Como as aletas são isotérmicas, o fluxo de ar através das aletas transporta mais calor.
Em geral, a mudança para dispositivos de resfriamento passivo (por exemplo, tubos de calor, dissipadores de calor e câmaras de vapor) em dispositivos médicos reflete uma evolução contínua em direção a eletrônicos menores, mais poderosos e mais miniaturizados. Embora as opções de resfriamento mais tradicionais (refrigeração, TEC, placas de resfriamento líquido, etc.) continuem sendo a escolha mais apropriada para alguns dispositivos médicos, os projetistas estão descobrindo que a tecnologia de resfriamento passivo se tornará cada vez mais atraente à medida que evolui. Os avanços nas estruturas dos materiais também tornaram as soluções de resfriamento passivo mais atraentes para os projetistas de dispositivos médicos. Por exemplo, o advento do grafite pirolítico (APG) possibilitou o resfriamento de componentes menores, mais leves e mais eficientes do que os dissipadores de calor convencionais de alumínio ou cobre.
À medida que os produtos se movem em direção a uma maior miniaturização e gabinetes eletrônicos menores, os materiais com maior condutividade térmica podem dar uma vantagem aos designers.
A condutividade térmica efetiva do APG é de 1000 W/mK, que é 5 vezes mais que o alumínio sólido e 2,5 vezes mais que o cobre sólido. Apgs também podem ser embalados para aplicações como instrumentos cirúrgicos. Em tais aplicações, é importante evitar o contato com tecidos humanos devido a preocupações com danos nos tecidos, cicatrizes ou infecções. O desenvolvimento de materiais como APGs ajuda a explicar por que os projetistas de dispositivos médicos estão escolhendo sistemas de controle de dissipação de calor mais passivos.
Esses sistemas não apenas oferecem uma gama mais ampla de opções, mas também, em muitos casos, oferecem melhores opções de gerenciamento de calor.
Em comparação com as soluções tradicionais de refrigeração líquida, os sistemas de refrigeração passiva são mais confiáveis (menos componentes de transporte significam menor risco de falha), exigem menos manutenção, são mais flexíveis em design, operam de forma mais silenciosa e, em muitos casos, são mais fáceis de gerenciar custos. Vários exemplos de conceitos de gerenciamento de calor passivo integrados em algumas aplicações importantes de dispositivos médicos são apresentados abaixo.
diagnóstico por imagem
Como o desempenho da eletrônica se deteriora rapidamente após uma temperatura crítica, o resfriamento da caixa é fundamental para tecnologias que usam muitos componentes eletrônicos, como ressonância magnética (MRI), tomografia computadorizada (TC), ultrassom e raios-X. Mesmo pequenas flutuações na temperatura podem afetar a calibração e os resultados, resultando em tempo de inatividade e manutenção dispendiosos. A FDA desempenhou um papel importante na condução da repetibilidade e reprodutibilidade dos resultados dos testes para dispositivos médicos, como scanners, dispositivos de biotecnologia e microensaios de laboratório, em direção à quase perfeição (maior ou igual a 95 por cento). Para garantir a precisão, a especificação exige 31 testes separados para um único gerador de imagens de diagnóstico (21 CFR 900.12), muitos dos quais são comprometidos pela dissipação de calor. O mercado competitivo de dispositivos médicos de diagnóstico tornou o controle estrito da dissipação de calor um fator ainda mais importante no projeto de produtos eletrônicos.
Os projetistas geralmente trabalham dentro de uma faixa muito estreita de variação de temperatura (δT), com uma diferença de temperatura de 10 graus C entre os ambientes interno e externo do chassi do dispositivo. Múltiplas fontes de calor (como energia de equipamentos e outros componentes eletrônicos discretos) podem produzir uma potência total de 1.200 watts ou mais, dos quais 400 watts são calor residual a ser descarregado. Com limites de tamanho do ventilador e velocidade do vento, torna-se mais complicado alcançar o silêncio. Esses problemas geralmente podem ser resolvidos pelo trocador de calor de tubo térmico na maior extensão. Em um trocador de calor de tubo de condução de calor, o calor é transmitido de dentro do equipamento para fora do equipamento através do tubo de condução de calor e, em seguida, descarregado no ar circundante através do dissipador de calor do tipo aleta. A maior área de aletas e os tubos de transferência de calor mais eficientes permitem ventiladores menores e mais silenciosos que atendem aos rigorosos requisitos de dissipação de calor das configurações regulatórias e clínicas. Em alguns casos, também é possível usar a tecnologia de tubo de condução de calor para o próprio tubo, usando assim as leis da termodinâmica em vez da eletrônica ou ventiladores para realizar a transferência de calor.
Tecnologia semelhante de tubo de calor é usada para resfriar monitores em equipamentos de monitoramento de cuidados intensivos. Conforme mostrado na figura, um conjunto de tubo térmico tipo rack pode fornecer estabilidade térmica perfeita com pouco esforço de manutenção técnica. A ausência de componentes de transferência permite uma vida útil normal de vários milhões de horas, tornando quase impossível a falha durante as operações de cuidados intensivos.
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