의료 전자 기기의 발전을 촉진하기 위한 수동적 열 관리 솔루션 도입
이미징 장치에서 수술 도구, 자동 면역에 이르기까지 21세기의 강력한 의료 기술은 상당 부분 마이크로프로세서의 향상된 계산 능력 덕분에 인상적입니다. 그러나 열 엔지니어의 경우 이러한 발전에는 대가가 따랐습니다. 장치의 전력이 많을수록 더 많은 열이 발생하며 일반적으로 더 작은 공간에서 발산해야 합니다(장치의 크기가 작아짐). 의료 기기의 정밀도와 신뢰성에 대한 요구가 증가함에 따라 방열 제어가 더욱 중요해졌습니다.
또 다른 문제는 높은 위험이 수반되기 때문에 의료 기기에 몇 가지 특별한 요구 사항이 있다는 사실에서 비롯됩니다. 예를 들어, 방열 솔루션에 일반적으로 사용되는 일부 재료(예: 구리)는 인체에 근접하기 때문에 많은 의료 응용 분야에서 유용하지 않습니다(인간 조직에 염증을 일으키는 것 외에도 구리는 심각하고 돌이킬 수 없는 신경 퇴행을 유발할 수 있습니다). 조직). 일부 의료 응용 분야의 정밀성에 대한 요구는 인체 조직 손상을 방지하기 위해 열 관리가 필요한 -- 수술 기구가 설계자에게 0만 제공할 정도로 냉각 솔루션에 사용할 수 있는 공간을 압축할 수 있습니다. 열 전달 기술을 배치하는 5mm.
초소형 열 관리 솔루션이 필요한 또 다른 영역은 인체 장기를 보호하기 위해 작은 크기와 정확한 온도 변화 계수가 모두 필요한 인체 이식 장치 설계입니다. 마지막으로, 급격한 주기적인 온도 변화(밀리초 내에 최대 50°C의 온도 변동 포함)는 DNA 스플리터와 같은 많은 실험실 장치의 일반적인 특징입니다. 정확성, 신뢰성, 크기 제약 및 엄격한 재료 선택과 관련된 이러한 모든 요소로 인해 의료 열 엔지니어링은 설계자에게 어려운 작업입니다. 열 전달 설계 엔지니어는 효율성과 크기 대 비용, 점점 더 열 발산 대 저소음 사이에서 선택해야 합니다.
열전달
열 엔지니어는 이러한 문제를 해결하기 위해 점점 수동 열 전달 장치(예: 열 튜브)로 눈을 돌리고 있습니다. 열 전도 튜브의 작동 액체에는 액체와 수증기 두 가지 형태가 존재하므로 열 전도 튜브는 2상 냉각 장치.열 전달은 작동 유체를 액체에서 수증기로 변환하여 이루어집니다. 증발, 전달(열), 응축 및 응축된 작동 유체의 증발 영역으로의 복귀의 연속적인 사이클.
정확한 결과를 얻거나 환자 회복을 달성하기 위해 안정성이 가장 중요한 응용 분야에서 핵심 고려 사항인 이 작업 중에는 전달 구성 요소 오류가 없습니다. 수동 열 전달 구성 요소의 설계는 간단하며 일반적으로 상대적으로 소형화하기 쉬운 작동 유체로 채워진 진공 밀봉 튜브를 포함합니다. 모세관 구조 기술의 발전은 냉각 및 응축된 작동 유체가 중력에 저항하고 전도성 튜브의 열 입력 섹션으로 효율적이고 안정적으로 반환되도록 하는 데 도움이 됩니다. 이를 통해 전도 파이프가 다른 방향으로 작동할 수 있습니다. 더 많은 설계 자유로 인해 설계자는 유연한 열 전도 튜브를 사용할 수도 있습니다.
더 일반적으로 사용되는 또 다른 방열 방식은 방열판입니다. 방열판은 강제 또는 자연 대류 모드에서 작동할 수 있지만 다시 두 접근 방식 모두 장단점이 있습니다. 냉각에 사용되는 공기 흐름을 늘리면 핀 수를 줄이거나 핀 면적을 줄일 수 있습니다. 그러나 팬에서 발생하는 기류가 크면 팬에서 발생하는 소음도 커집니다. 팬에서 생성되는 공기 흐름이 적으면 팬이 더 조용하게 작동하고 더 작아질 수 있지만 이는 라디에이터에 더 많거나 더 큰 핀이 있어야 함을 의미합니다. 따라서 동일한 장비에서 냉각 구성 요소를 더 작고 더 조용하게 만드는 것은 쉽지 않습니다.
히트 파이프 열교환기에서 열은 히트 파이프를 통해 핀으로 전달된 다음 주변 공기로 분산됩니다. 그러나 크기와 소음을 동시에 줄이는 방법은 라디에이터 부품을 더 등온으로 만드는 것입니다. 이전에 단일 열전 냉각기(TEC)로 냉각되었던 방열판은 여러 열전도에만 의존하지 않고 방열판 표면 전체에 균일하게 열을 전달하는 TEC. 그러나 유지보수가 필요할 뿐만 아니라 이러한 체계는 전자 장치에 복잡성과 비용을 추가합니다. 랙형 열전도관 어셈블리는 완벽한 열 안정성을 제공하고 기술적인 유지 보수 부담을 줄입니다. 더 간단한 냉각 솔루션은 패시브 냉각 기술을 사용하여 방열판을 내장된 증기 공동과 결합하거나(본질적으로 열전도관을 평평한 상태로 조정하여 평평한 열전도관이 됨) 표면이 통합된 방열판을 사용하는 것입니다. 열전도관으로. 두 방식 모두 내장된 열 전도 튜브 또는 증기 챔버에서 작동 유체를 증발시켜 신속하고 균일한 열 전달을 허용합니다. 수증기는 방열판의 전체 바닥 표면과 방열판 핀을 통해 열을 고르게 전달하여 핫스팟을 방지합니다. 핀은 등온이기 때문에 핀을 통과하는 공기 흐름이 가장 많은 열을 전달합니다.
일반적으로 의료 기기에서 수동 냉각 장치(예: 히트 파이프, 히트 싱크 및 증기 챔버)로의 전환은 더 작고 강력하며 더 소형화된 전자 장치를 향한 지속적인 진화를 반영합니다. 보다 전통적인 냉각 옵션(냉장, TEC, 액체 냉각판 등)이 일부 의료 장치에 가장 적합한 선택으로 남아 있지만 설계자는 수동 냉각 기술이 발전함에 따라 점점 더 매력적이 될 것이라는 점을 발견하고 있습니다. 재료 구조의 발전으로 수동 냉각 솔루션이 의료 기기 설계자에게 더욱 매력적으로 다가왔습니다. 예를 들어 열분해 흑연(APG)의 등장으로 기존 알루미늄 또는 구리 방열판보다 더 작고 가벼우며 효율적인 냉각 구성 요소가 가능해졌습니다.
제품이 더욱 소형화되고 전자 인클로저가 작아짐에 따라 열전도율이 높은 재료는 설계자에게 도움이 될 수 있습니다.
APG의 유효 열전도율은 1000W/mK로 고체 알루미늄의 5배, 구리의 2.5배입니다. Apgs는 수술 기구와 같은 애플리케이션용으로도 패키징할 수 있습니다. 이러한 응용 분야에서는 조직 손상, 흉터 또는 감염에 대한 우려로 인해 인체 조직과의 접촉을 피하는 것이 중요합니다. APG와 같은 재료의 개발은 의료 기기 설계자가 더 많은 수동 방열 제어 시스템을 선택하는 이유를 설명하는 데 도움이 됩니다.
이러한 시스템은 더 넓은 범위의 옵션을 제공할 뿐만 아니라 많은 경우 더 나은 열 관리 옵션을 제공합니다.
기존의 액체 냉각 솔루션에 비해 패시브 냉각 시스템은 더 안정적이고(운송 구성 요소가 적다는 것은 고장 위험이 낮다는 것을 의미함) 유지 관리가 덜 필요하며 설계가 더 유연하고 더 조용하게 작동하며 대부분의 경우 비용 관리가 더 쉽습니다. 몇 가지 중요한 의료 기기 응용 분야에 통합된 수동적 열 관리 개념의 몇 가지 예가 아래에 나와 있습니다.
진단 영상
임계 온도 이후 전자 장치의 성능이 급격히 저하되기 때문에 케이스 냉각은 자기 공명 영상(MRI), 컴퓨터 단층 촬영(CT), 초음파 및 X-레이와 같이 전자 부품을 많이 사용하는 기술에 매우 중요합니다. 온도의 작은 변동도 교정 및 결과에 영향을 미쳐 비용이 많이 드는 가동 중지 시간 및 유지 보수를 초래할 수 있습니다. FDA는 스캐너, 생명 공학 장치 및 실험실 미세 분석과 같은 의료 장치에 대한 테스트 결과의 반복성과 재현성을 거의 완벽하게(95% 이상) 추진하는 데 중요한 역할을 했습니다. 정확성을 보장하기 위해 이 사양은 단일 진단 이미저(21 CFR 900.12)에 대해 31개의 개별 테스트를 요구하며, 그 중 다수는 열 발산으로 인해 손상됩니다. 진단용 의료 기기의 경쟁 시장은 전자 제품 설계에서 엄격한 방열 제어를 더욱 중요한 요소로 만들었습니다.
설계자는 일반적으로 매우 좁은 범위의 온도 변화(δT) 내에서 작업하며 장치 섀시의 내부 환경과 외부 환경 사이의 온도 차이는 섭씨 10도입니다. 여러 열원(예: 장비 전력 및 기타 개별 전자 부품)은 1200와트 이상의 총 전력 출력을 생성할 수 있으며, 이 중 400와트는 배출할 폐열입니다. 팬 크기와 풍속의 제한으로 정숙을 달성하기가 더 복잡해집니다. 이러한 문제는 열 튜브 열 교환기로 대부분 해결할 수 있습니다. 열전도관 열교환기에서 장비 내부에서 열전도관을 통해 장비 외부로 열이 전달된 후 핀형 방열판을 통해 주변 공기로 방출됩니다. 더 큰 핀 영역과 더 효율적인 열 전달 튜브는 규제 및 임상 설정의 엄격한 열 분산 요구 사항을 충족하는 더 작고 조용한 팬을 허용합니다. 경우에 따라 튜브 자체에 열전도 튜브 기술을 사용하여 전자 장치나 팬이 아닌 열역학 법칙을 사용하여 열을 전달하는 것도 가능합니다.
유사한 히트 파이프 기술이 중환자 모니터링 장비의 디스플레이를 냉각하는 데 사용됩니다. 그림에서 볼 수 있듯이 랙형 열 튜브 어셈블리는 약간의 기술적 유지 관리 노력으로 완벽한 열 안정성을 제공할 수 있습니다. 이송 부품이 없기 때문에 수백만 시간의 정상적인 서비스 수명이 가능하므로 중요한 치료 작업 중 고장이 거의 불가능합니다.
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