医療用電子機器の開発を促進するためのパッシブ熱管理ソリューションの導入
イメージング デバイスから手術器具、自動免疫に至るまで、21 世紀の強力な医療技術は目を見張るものがあります。これは主にマイクロプロセッサの計算能力の向上によるものです。 ただし、熱エンジニアにとって、これらの進歩には代償が伴います。 デバイスの電力が大きくなればなるほど、発生する熱も大きくなり、一般的に、(デバイスのサイズが小さくなるにつれて) ますます小さなスペースで放散する必要があります。 医療機器の精度と信頼性に対する要求が高まるにつれて、熱放散制御がさらに重要になります。
別の課題は、医療機器には高いリスクが伴うため、いくつかの特別な要件があるという事実から生じます。 たとえば、熱放散ソリューションで一般的に使用される一部の材料 (銅など) は、人体に近いため、多くの医療用途では役に立ちません (銅は、人体組織に炎症を引き起こすだけでなく、重度で不可逆的な神経変性を引き起こす可能性があります)。組織）。 一部の医療用途では精度が必要なため、ソリューションの冷却に使用できるスペースがほぼ消滅するまで圧縮される可能性があります--人間の組織への損傷を避けるために熱管理を必要とする手術器具は、設計者に0しか提供しません。伝熱技術を展開する5ミリメートル。
超小型の熱管理ソリューションを必要とするもう 1 つの分野は、人間の臓器を保護するために小型で正確な温度変化係数を必要とする人体埋め込み型デバイスの設計です。 最後に、急速な周期的温度変化 (ミリ秒以内に最大 50 ℃ の温度変動を伴う) は、DNA スプリッターなどの多くの実験装置に共通する特徴です。 精度、信頼性、サイズの制約、および厳密な材料選択に関連するこれらすべての要因により、医療用熱工学は設計者にとって困難な作業になります。 伝熱設計エンジニアは、効率とサイズとコストのどちらかを選択する必要があり、ますます熱放散と低ノイズのどちらかを選択する必要があります (つまり、一部のアプリケーションではファンを使用できませんが、大量のガス流量がファンを熱放散に最適にします)。
熱伝達
熱伝導チューブ内の作動液体には液体と水蒸気の 2 つの形態が存在するため、熱伝導チューブは 2 相である冷却装置。熱の伝達は、液体から水蒸気への作動流体の変換によって達成されます。 蒸発、移動 (熱)、凝縮、および凝縮した作動流体の蒸発ゾーンへの戻りの連続サイクル。
この作業中に送達コンポーネントの障害は発生しません。これは、正確な結果を達成したり、患者の回復を達成したりするために信頼性が最重要であるアプリケーションの中心的な考慮事項です。 受動熱伝達コンポーネントの設計は簡単で、一般に、小型化が比較的容易な作動流体で満たされた真空密封チューブが含まれます。 毛細管構造技術の進歩により、冷却され凝縮された作動流体が重力に抵抗し、伝導管の熱入力セクションに効率的かつ確実に戻されます。 これにより、導電パイプをさまざまな向きで操作できます。 設計の自由度が高いため、設計者は柔軟な熱伝導チューブを使用することもできます。
より一般的に使用されるもう 1 つの放熱方式は、ヒートシンクです。 ヒートシンクは強制対流または自然対流モードで動作できますが、いずれのアプローチもトレードオフを意味します。 冷却に使用する風量を増やせば、フィンの数を減らすか、フィンの面積を減らすことができます。 ただし、ファンによって生成される気流が大きい場合、ファンによって生成されるノイズは大きくなります。 ファンが生成する空気の流れが少ない場合、ファンはより静かに動作し、小さくすることができますが、これは、ラジエーターに多めまたはより大きなフィンが必要であることを意味します。 そのため、同一機器内で冷却部品の小型化と静音化を両立させることは容易ではありません。
ヒートパイプ熱交換器では、熱はヒートパイプを通ってフィンに伝達され、周囲の空気に放散されます。 しかし、それは可能です。サイズとノイズを同時に削減する方法は、ラジエーター部品をより等温にすることです。以前は単一の熱電冷却器 (TEC) によって冷却されていたヒートシンクを再設計して、複数の純粋に熱伝導に依存するのではなく、ヒートシンクの表面全体に均一に熱を伝達する TEC。 しかし、メンテナンスが必要になるだけでなく、そのような方式は電子機器の複雑さとコストを増大させます。 ラック タイプの熱伝導チューブ アセンブリは、完全な熱安定性を提供し、技術的なメンテナンスの負担を軽減します。 より簡単な冷却ソリューションは、パッシブ冷却技術を使用してヒートシンクを埋め込み蒸気キャビティと組み合わせる (基本的に熱伝導管を平らな状態に調整して平らな熱伝導管にする) か、表面が統合されたヒートシンクを使用することです。熱伝導チューブ付き。 どちらのスキームも、埋め込まれた熱伝導チューブまたは蒸気チャンバー内で作動流体を蒸発させることにより、迅速かつ均一な熱伝達を可能にします。 水蒸気は、ヒートシンクの底面全体とヒートシンク フィンを通して均一に熱を運び、ホット スポットを回避します。 フィンは等温であるため、フィンを通る空気の流れが最も多くの熱を運びます。
一般に、医療機器のパッシブ冷却デバイス (ヒート パイプ、ヒートシンク、ベーパー チャンバーなど) への移行は、電子機器の小型化、高性能化、小型化に向けた進行中の進化を反映しています。 一部の医療機器では従来型の冷却オプション (冷蔵、TEC、液体冷却プレートなど) が依然として最も適切な選択肢ですが、設計者は、パッシブ冷却技術が進化するにつれてますます魅力的になることに気付き始めています。 材料構造の進歩により、パッシブ冷却ソリューションも医療機器設計者にとってより魅力的なものになりました。 たとえば、熱分解グラファイト (APG) の出現により、従来のアルミニウムや銅製のヒートシンクよりも小型、軽量、効率的な冷却コンポーネントが可能になりました。
製品の小型化と電子機器の筐体の小型化が進むにつれて、熱伝導率の高い材料は設計者に有利に働く可能性があります。
APG の実効熱伝導率は 1000 W/mK で、これは固体アルミニウムの 5 倍、固体銅の 2.5 倍です。 Apg は、手術器具などのアプリケーション用にパッケージ化することもできます。 このようなアプリケーションでは、組織の損傷、瘢痕化、または感染が懸念されるため、ヒト組織との接触を避けることが重要です。 APG などの材料の開発は、医療機器の設計者がより受動的な熱放散制御システムを選択する理由を説明するのに役立ちます。
これらのシステムは幅広いオプションを提供するだけでなく、多くの場合、熱管理のためのより優れたオプションを提供します。
従来の液体冷却ソリューションと比較して、パッシブ冷却システムは信頼性が高く (輸送コンポーネントが少ないということは、故障のリスクが低いことを意味します)、メンテナンスの必要性が少なく、設計の柔軟性が高く、動作音が静かで、多くの場合、コスト管理が容易です。 いくつかの重要な医療機器アプリケーションに統合された受動的な熱管理の概念のいくつかの例を以下に示します。
画像診断
電子機器の性能は臨界温度を超えると急速に低下するため、磁気共鳴画像法 (MRI)、コンピュータ断層撮影法 (CT)、超音波、X 線など、多くの電子部品を使用する技術ではケースの冷却が重要です。 温度のわずかな変動でさえ、キャリブレーションと結果に影響を与える可能性があり、コストのかかるダウンタイムとメンテナンスが発生します。 FDA は、スキャナー、バイオテクノロジー機器、実験用マイクロアッセイなどの医療機器のテスト結果の再現性と再現性をほぼ完璧 (95% 以上) に近づける上で重要な役割を果たしてきました。 精度を確保するために、仕様では単一の診断イメージャーに対して 31 の個別のテストが義務付けられています (21 CFR 900.12)。その多くは熱放散によって損なわれます。 診断用医療機器の競争市場では、電子製品の設計において厳密な熱放散制御がさらに重要な要素になっています。
設計者は通常、非常に狭い範囲の温度変化 (δT) 内で作業します。デバイス シャーシの内部環境と外部環境の温度差は 10 ℃ です。 複数の熱源 (機器の電力やその他の個別の電子部品など) は、合計で 1200 ワット以上の電力出力を生成する可能性があり、そのうち 400 ワットは排出される廃熱です。 ファンのサイズと風速に制限があるため、静音化はより複雑になります。 これらの問題は、多くの場合、サーマルチューブ熱交換器によって最大限に解決できます。 伝熱管式熱交換器では、熱伝導管を介して機器内部から機器外部に熱を伝え、フィン型ヒートシンクを介して周囲の空気に熱を放出します。 より大きなフィン領域とより効率的な伝熱チューブにより、規制および臨床設定の厳しい熱放散要件を満たす小型で静かなファンが可能になります。 場合によっては、チューブ自体に熱伝導チューブ技術を使用して、電子機器やファンではなく熱力学の法則を使用して熱を伝達することもできます。
同様のヒート パイプ技術は、救命救急モニタリング機器のディスプレイを冷却するために使用されます。 図に示すように、ラック タイプのサーマル チューブ アセンブリは、技術的なメンテナンス作業をほとんど行わずに、完全な熱安定性を提供できます。 移送コンポーネントがないため、数百万時間の通常の耐用年数が可能であり、救命救急手術中の故障はほとんどありません。
Sinda Thermal は、医療機器向けのさまざまなサーマル ソリューションを提供できる大手ヒートシンク メーカーです。液体冷却ヒートシンク、ヒート パイプ ヒートシンク、押し出しヒートシンク、削り出しフィン ヒートシンクなどを設計および製造できます。お問い合わせください。ヒートシンクの要件があれば自由に。
