La introducción de soluciones pasivas de gestión del calor para promover el desarrollo de dispositivos electrónicos médicos.
Desde dispositivos de imágenes hasta instrumentos quirúrgicos e inmunidad automatizada, las poderosas tecnologías médicas del siglo XXI son impresionantes, gracias en gran parte al mayor poder computacional de los microprocesadores. Sin embargo, para los ingenieros térmicos, estos avances han tenido un precio. Cuanta más potencia tiene un dispositivo, más calor genera y, en general, tiene que disiparse en un espacio cada vez más pequeño (a medida que el tamaño del dispositivo se vuelve más pequeño). A medida que aumenta nuestra demanda de precisión y confiabilidad en los dispositivos médicos, el control de la disipación de calor se vuelve aún más importante.
Otro desafío surge del hecho de que los dispositivos médicos tienen algunos requisitos especiales debido a los altos riesgos involucrados. Por ejemplo, algunos materiales comúnmente utilizados en soluciones de disipación de calor (p. ej., cobre) no son útiles en muchas aplicaciones médicas debido a su proximidad al cuerpo humano (además de causar inflamación en los tejidos humanos, el cobre puede causar una degeneración severa e irreversible de los nervios). tejido). La necesidad de precisión en algunas aplicaciones médicas puede comprimir el espacio disponible para soluciones de refrigeración hasta el punto de casi extinguirse. 5 milímetros para implementar la tecnología de transferencia de calor.
Otra área que requiere soluciones de gestión térmica ultrapequeñas es el diseño de dispositivos implantables humanos, que requieren un tamaño pequeño y coeficientes de cambio de temperatura precisos para proteger los órganos humanos. Finalmente, los rápidos cambios periódicos de temperatura (con fluctuaciones de temperatura de hasta 50 grados C en milisegundos) son una característica común de muchos dispositivos de laboratorio, como los divisores de ADN. Todos estos factores relacionados con la precisión, la confiabilidad, las limitaciones de tamaño y la estricta selección de materiales hacen que la ingeniería térmica médica sea una tarea difícil para los diseñadores. Los ingenieros de diseño de transferencia de calor deben elegir entre eficiencia y tamaño versus costo y, cada vez más, disipación de calor versus bajo nivel de ruido (lo que significa que en algunas aplicaciones no se pueden usar ventiladores, aunque su alto caudal de gas los hace óptimos para la disipación de calor).
La transferencia de calor
Los ingenieros térmicos han recurrido cada vez más a los dispositivos pasivos de transferencia de calor (p. ej., tubos térmicos) para abordar estos desafíos, porque el líquido de trabajo en el tubo de conducción de calor tiene dos formas de existencia líquida y vapor de agua, por lo que el tubo de conducción de calor es un tubo de dos fases. dispositivo de enfriamiento.La transferencia de calor se logra mediante la transformación del fluido de trabajo de líquido a vapor de agua. El ciclo continuo de evaporación, transferencia (calor), condensación y retorno del fluido de trabajo condensado a la zona de evaporación.
No habrá fallas en los componentes de administración durante este trabajo, una consideración central en aplicaciones donde la confiabilidad es primordial para lograr resultados precisos o lograr la recuperación del paciente. El diseño de los componentes pasivos de transferencia de calor es sencillo y generalmente involucra un tubo sellado al vacío lleno de fluido de trabajo que es relativamente fácil de miniaturizar. Los avances en la tecnología de estructura capilar ayudan a garantizar que el fluido de trabajo enfriado y condensado resista la gravedad y regrese de manera eficiente y confiable a la sección de entrada de calor del tubo conductor. Esto permite que la tubería conductora opere en diferentes orientaciones. Con más libertad de diseño, los diseñadores pueden incluso utilizar tubos de conducción de calor flexibles.
Otro esquema de disipación de calor más utilizado es el disipador de calor. El disipador de calor se puede operar en modo de convección forzada o natural, pero nuevamente, cualquiera de los dos enfoques significa hacer concesiones. Si aumenta el flujo de aire utilizado para el enfriamiento, significa que puede reducir la cantidad de aletas o reducir el área de las aletas. Sin embargo, si el flujo de aire generado por el ventilador es mayor, el ruido generado por el ventilador es mayor. Si el ventilador produce menos flujo de aire, el ventilador funciona más silencioso y puede ser más pequeño, pero esto significa que el radiador debe tener más aletas o más grandes. Por lo tanto, no es fácil hacer que los componentes de refrigeración sean más pequeños y silenciosos en el mismo equipo.
En un intercambiador de calor de tubería de calor, el calor se transmite a través de la tubería de calor a las aletas y luego se disipa en el aire circundante. Pero se puede hacer, la forma de reducir el tamaño y el ruido al mismo tiempo es hacer que las piezas del radiador sean más isotérmicas, el disipador de calor, que antes era enfriado por un solo enfriador termoeléctrico (TEC), se puede rediseñar para tener múltiples TEC que transfieren calor uniformemente a través de la superficie del disipador de calor en lugar de depender únicamente de la conducción de calor. Sin embargo, además de requerir mantenimiento, tales esquemas agregan complejidad y costo a la electrónica. El montaje del tubo de conducción de calor tipo rack puede proporcionar una perfecta estabilidad térmica y una menor carga de trabajo de mantenimiento técnico. Una solución de refrigeración más sencilla es utilizar tecnología de refrigeración pasiva para combinar el disipador de calor con una cavidad de vapor integrada (esencialmente ajustando un tubo de conducción de calor a un estado plano para convertirse en un tubo de conducción de calor plano), o utilizar un disipador de calor cuya superficie esté integrada con el tubo de conducción de calor. Ambos esquemas permiten una transferencia de calor rápida y uniforme al evaporar el fluido de trabajo en un tubo de conducción de calor integrado o en una cámara de vapor. El vapor de agua transporta el calor uniformemente a través de toda la superficie inferior del disipador de calor y la aleta del disipador de calor, evitando puntos calientes. Debido a que las aletas son isotérmicas, el flujo de aire a través de las aletas transporta la mayor parte del calor.
En general, el cambio hacia dispositivos de enfriamiento pasivo (p. ej., tubos de calor, disipadores de calor y cámaras de vapor) en dispositivos médicos refleja una evolución continua hacia dispositivos electrónicos más pequeños, más potentes y más miniaturizados. Si bien las opciones de refrigeración más tradicionales (refrigeración, TEC, placas de refrigeración líquida, etc.) siguen siendo la opción más adecuada para algunos dispositivos médicos, los diseñadores están descubriendo que la tecnología de refrigeración pasiva será cada vez más atractiva a medida que evolucione. Los avances en las estructuras de materiales también han hecho que las soluciones de refrigeración pasiva sean más atractivas para los diseñadores de dispositivos médicos. Por ejemplo, la llegada del grafito pirolítico (APG) ha hecho posibles componentes de enfriamiento que son más pequeños, livianos y eficientes que los disipadores de calor convencionales de aluminio o cobre.
A medida que los productos avanzan hacia una mayor miniaturización y recintos electrónicos más pequeños, los materiales con mayor conductividad térmica pueden dar una ventaja a los diseñadores.
La conductividad térmica efectiva del APG es de 1000 W/mK, que es 5 veces más que el aluminio sólido y 2,5 veces más que el cobre sólido. Los APG también se pueden empaquetar para aplicaciones tales como instrumentos quirúrgicos. En tales aplicaciones, es importante evitar el contacto con el tejido humano debido a la preocupación por el daño, la cicatrización o la infección del tejido. El desarrollo de materiales como los APG ayuda a explicar por qué los diseñadores de dispositivos médicos eligen sistemas de control de disipación de calor más pasivos.
Estos sistemas no solo ofrecen una gama más amplia de opciones, sino que en muchos casos ofrecen mejores opciones para la gestión del calor.
En comparación con las soluciones tradicionales de refrigeración líquida, los sistemas de refrigeración pasiva son más fiables (menos componentes de transporte significan un menor riesgo de fallo), requieren menos mantenimiento, tienen un diseño más flexible, funcionan de forma más silenciosa y, en muchos casos, son más fáciles de gestionar. A continuación se presentan varios ejemplos de conceptos de gestión pasiva del calor integrados en algunas aplicaciones importantes de dispositivos médicos.
Diagnóstico por imagen
Debido a que el rendimiento de los componentes electrónicos se deteriora rápidamente después de una temperatura crítica, el enfriamiento de la carcasa es fundamental para las tecnologías que utilizan muchos componentes electrónicos, como la resonancia magnética nuclear (RMN), la tomografía computarizada (TC), el ultrasonido y los rayos X. Incluso las pequeñas fluctuaciones de temperatura pueden afectar la calibración y los resultados, lo que genera un tiempo de inactividad y un mantenimiento costosos. La FDA ha desempeñado un papel importante en impulsar la repetibilidad y reproducibilidad de los resultados de las pruebas para dispositivos médicos, como escáneres, dispositivos biotecnológicos y microensayos de laboratorio, hacia casi la perfección (mayor o igual al 95 por ciento). Para garantizar la precisión, la especificación exige 31 pruebas separadas para un solo generador de imágenes de diagnóstico (21 CFR 900.12), muchas de las cuales están comprometidas por la disipación de calor. El mercado competitivo de dispositivos médicos de diagnóstico ha hecho que el control estricto de la disipación de calor sea un factor aún más importante en el diseño de productos electrónicos.
Los diseñadores suelen trabajar dentro de un rango muy estrecho de variación de temperatura (δT), con una diferencia de temperatura de 10 grados C entre los entornos interno y externo del chasis del dispositivo. Múltiples fuentes de calor (como la energía del equipo y otros componentes electrónicos discretos) pueden producir una salida de energía total de 1200 watts o más, de los cuales 400 watts son calor residual que se descargará. Con límites en el tamaño del ventilador y la velocidad del viento, se vuelve más complicado lograr el silencio. Estos problemas a menudo se pueden resolver con un intercambiador de calor de tubos térmicos en la mayor medida posible. En un intercambiador de calor de tubo de conducción de calor, el calor se transmite desde el interior del equipo hacia el exterior del equipo a través del tubo de conducción de calor y luego se descarga al aire circundante a través del disipador de calor tipo aleta. El área de aletas más grande y los tubos de transferencia de calor más eficientes permiten ventiladores más pequeños y silenciosos que cumplen con los estrictos requisitos de disipación de calor de los entornos normativos y clínicos. En algunos casos, también es posible utilizar la tecnología del tubo de conducción de calor para el propio tubo, utilizando así las leyes de la termodinámica en lugar de la electrónica o los ventiladores para lograr la transferencia de calor.
Se utiliza una tecnología de tubería de calor similar para enfriar pantallas en equipos de monitoreo de cuidados intensivos. Como se muestra en la figura, un conjunto de tubos térmicos tipo cremallera puede proporcionar una perfecta estabilidad térmica con poco esfuerzo de mantenimiento técnico. La ausencia de componentes de transferencia permite una vida útil normal de varios millones de horas, lo que hace que las fallas durante las operaciones de cuidados intensivos sean casi imposibles.
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