被動散熱管理方案推動醫(yī)療電子設備發(fā)展介紹

從成像設備到手術器械再到自動免疫，二十一世紀功能強大的醫(yī)療技術令人刮目相看，這在很大程度上要歸功于微處理器計算能力的提高。然而，對散熱工程師們而言，這些進步也同樣付出了相應的代價。設備的功率越大意味著其發(fā)熱量越大，并且從總體來講，還要在越來越小的空間里進行散熱（因設備的體積變得越來越小）。隨著我們對醫(yī)療設備精確度和可靠性的要求越來越高，散熱控制變得更加重要。

另一個挑戰(zhàn)源自于醫(yī)療設備因涉及高風險而存在某些特殊要求的這一事實。例如，因為考慮到有些材料與人體的親密性，散熱解決方案中的有些常用材料（如，銅）在許多醫(yī)療應用中都不能使用（銅除了會造成人體組織發(fā)炎之外，還會導致嚴重的、不可逆轉的神經(jīng)組織退化）。有些醫(yī)療應用出于對精確度的需要，可能會把供冷卻解決方案使用的空間壓縮到幾乎消失的地步——有些手術器械需要進行散熱量管理以避免對人體組織造成傷害，但它們僅為設計人員提供0.5毫米的位置來部署傳熱技術。

另一個要求采用超小型導熱管理方案的領域是人體植入式設備的設計，植入式設備即要求尺寸小也要求具有精確的溫度變化系數(shù)(?T°) ，以便保護人體器官。最后，溫度迅速地做周期性變化（在幾毫秒內溫度波動的范圍高達50℃）是許多實驗室設備（如DNA捻接器）的共同特點。

所有這些與精確度、可靠性、尺寸限制和嚴格材料選擇相關的因素使得醫(yī)療散熱工程設計對設計人員而言成了一件高難度的事。熱傳設計工程師們必須在效率和尺寸Vs成本之間做取舍，并且越來越多地是在散熱性能Vs低噪音之間做取舍（這意味著盡管風扇的高容積氣流量使其具有最佳的散熱性能，但在有些應用中卻不能使用風扇）。

傳熱

散熱工程師們已經(jīng)越來越多地轉向被動傳熱設備（如，導熱管）來應對這些挑戰(zhàn)。因為導熱管內的工作液有液體和水蒸氣兩種存在形式，所以導熱管為兩相冷卻器件。工作液從液態(tài)到水蒸氣的轉變實現(xiàn)了熱量的傳送。導熱管內的工作液經(jīng)過蒸發(fā)、傳送（熱量）、冷凝和冷凝后的工作液被送回蒸發(fā)區(qū)這一連續(xù)周期。在此工作過程中不會有傳送零部件失效---在哪些可靠性極其重要以取得精確結果或實現(xiàn)病人康復的應用中，這是核心的考慮因素。被動傳熱組件的設計簡單明了，一般涉及一個注有工作液、相對容易做到微型化的真空密封管。不斷進步的毛細結構技術有助于確保已經(jīng)冷卻和冷凝的工作液能抵抗重力，將其有效而可靠地送回導熱管的熱量輸入段。這使得導熱管可工作在不同朝向。在有更多設計自由的情況下，設計人員甚至可以采用柔性導熱管。

另一個比較常用的散熱方案是散熱片。散熱片可以工作在強迫或自然對流方式。但同樣，無論采用哪種方案都意味著要進行取舍。如果加大用來冷卻的氣流，則意味著可以減少散熱鰭片的數(shù)量或縮小散熱鰭的面積。但是，如果風扇產(chǎn)生的氣流越大，其所產(chǎn)生的噪音也越大；如果風扇產(chǎn)生的氣流小，則風扇運行更安靜且尺寸能做到更小，但這又意味著散熱片必須有更多或更大的散熱鰭片。因此，在同一設備內要讓散熱組件同時做到尺寸更小和更安靜不是件容易的事。

在導熱管熱交換器中，熱量經(jīng)導熱管傳導至散熱鰭片，然后散發(fā)到周圍空氣中。

但是也能做到。同時減小尺寸和降低噪音的方法就是讓散熱器片更加等溫?？蓪χ安捎脝蝹€熱電冷卻器（TEC）進行冷卻的散熱片重新進行設計，改用多個TEC，通過散熱片表面均勻地傳熱，而不再是純粹地依靠導熱來傳熱。然而，這類方案除了需要維修之外，還增加了電子器件的復雜性和成本。

機架式導熱管組件可以提供完善的熱穩(wěn)定性且技術維護工作量不大。

還有一個更簡單的散熱方案是利用被動散熱技術，將散熱片與嵌入式蒸汽腔（本質上就是將一個導熱管調整為扁平狀態(tài)成為平坦的導熱管）相組合，或使用表面整合了導熱管的散熱片。這兩種方案都可以通過蒸發(fā)嵌入式導熱管或蒸氣腔中的工作液來快速而均勻地傳熱。水蒸氣攜熱量均勻地通過散熱片的整個底板表面和散熱鰭片，避免了熱點的出現(xiàn)。因為散熱片是等溫的，所以穿過散熱鰭片的流動空氣帶走的熱量最多。

總的來說，醫(yī)療設備轉向被動散熱設備（如，導熱管、散熱片和蒸汽腔）的趨勢反映了朝尺寸更小、功能更強大和更微型化電子產(chǎn)品的不斷演進。盡管有更多的傳統(tǒng)冷卻方案（制冷、TEC、液體冷卻板、等等）仍是有些醫(yī)療設備最適當?shù)倪x擇，然而設計師們發(fā)現(xiàn)，隨著被動冷卻技術的發(fā)展，它將變得越來越有吸引力。

材料結構所取得的一系列進步也使得被動散熱方案對醫(yī)療設備設計人員而言更具吸引力。例如，隨著熱解石墨（APG）的出現(xiàn)，使得相比傳統(tǒng)的鋁或銅質散熱片尺寸更小、重量更輕和散熱更有效的散熱組件成為可能。

隨著產(chǎn)品朝著更微型化和電子外殼更小型化的趨勢發(fā)展，導熱率更高的材料可以助設計人員一臂之力。APG的有效熱傳導率為1000 W/m?K，這是固體鋁的5倍，固體銅的2.5倍。APG也可以被封裝用于手術器械等應用。在這類應用中，出于對組織損壞、結疤或感染的考慮，避免APG與人體組織相接觸至關重要。

APG等材料的發(fā)展有助于解釋為什么醫(yī)療設備設計人員更多地選擇被動散熱控制系統(tǒng)。因為這些系統(tǒng)不僅能提供更廣泛的選擇，并且在很多情況下能提供更好的散熱管理方案選項。相比傳統(tǒng)的液體冷卻方案，被動散熱系統(tǒng)更可靠（傳送部件越少意味著失效的風險也越低）、維修工作量減少、設計更靈活，運行更安靜，并且在許多情況下更容易管理成本。下文給出了多個整合在一些重要醫(yī)療設備應用中的被動散熱管理概念的示例。

診斷成像

因為電子產(chǎn)品的性能在達到臨界溫度之后會迅速下降，外殼冷卻對用到電子元器件較多的技術至為關鍵，如磁共振成像（MRI）、電腦斷層掃描（CT）、超聲波和X光（X射線）。溫度的細微波動都將影響校準和結果，從而導致代價昂貴的停機和維修。在推動掃描儀、生物技術設備及實驗室微化驗等醫(yī)療設備測試結果的可重復性和可再現(xiàn)性朝著接近完美的程度（≥95％）發(fā)展，美國FDA扮演了重要的角色。為了確保其精確性，僅單獨一臺診斷成像機 (21 CFR 900.12)，規(guī)范就強制要求進行31項單獨的測試，其中有很多項測試會受到散熱性能的影響。競爭性的診斷醫(yī)療設備市場使得嚴格的散熱控制成為電子產(chǎn)品設計中更為重要的因素。

設計人員通常要在很窄的溫度變化范圍（ΔT）內開展工作，設備機箱內部和外部環(huán)境溫度一般相差10℃。多個發(fā)熱源（如設備電源以及其它分立電子組件）可產(chǎn)生1200瓦或1200瓦以上的總輸出功率，其中有400瓦為需要排放的廢熱。在限制風扇大小和風速的情況下，要實現(xiàn)靜音工作變得更加復雜。

這些難題往往都可通過導熱管換熱器最大程度地解決。在導熱管換熱器中，熱量經(jīng)導熱管從設備的內部傳導至設備外部，然后通過鰭片式散熱片排放到周圍空氣中。如果換熱器的鰭片面積越大、導熱管的效率越高，就允許使用更小、更安靜的風扇，并且能滿足法規(guī)和臨床環(huán)境下嚴格的散熱要求。在某些情況下，也可以將導熱管技術用于導熱管本身，從而利用熱力學定律而不是電子設備或風扇來完成熱量的傳送。

在重要的護理監(jiān)控設備中，也用到了類似的導熱管技術來冷卻顯示器。如圖中所示，一臺機架式導熱管組件可以在技術維護工作量很小的情況下提供完善的熱穩(wěn)定性。因沒有用到傳送部件，這使得導熱管的正常工作壽命可以達到幾百萬個小時，從而在關鍵的護理操作中幾乎不可能會出現(xiàn)失效。

化驗和樣品篩選

有些最具挑戰(zhàn)性的準確性和可重復性要求與自動化血清和尿液篩檢化驗有關。這些設備使用激光和先進的光學系統(tǒng)以確保對數(shù)千樣品的全面校準和測量的一致性。必須保護這些系統(tǒng)不受機械系統(tǒng)（如，用于移動樣品和試劑的輸送機）以及其它電子產(chǎn)品和電源所產(chǎn)生熱量的影響。

之前自動化驗所用的散熱管理方案使用的是TEC，通常從樣品校準區(qū)兩側地散發(fā)的熱量不一致。然而，被動熱傳導方案依賴于銅質蓄熱器，將熱量經(jīng)導熱管傳送至散熱鰭片。對導熱管槽或蒸氣腔進行極精密的加工是必須的，因為其表面的粗糙程度可能會降低熱交換器的效率。精密機械加工最大限度地減少了表面凹凸不平的情況（達到微米級），從而確保熱交換器各個表面能彼此最大程度地與對方接觸。通過降低接觸熱阻，有助于實現(xiàn)達到和熱電設備等級相同的散熱控制。與此同時，被動系統(tǒng)也解決了一致性、等溫性能的難題。

有些自動化驗設備為導熱管組件提供了理想的底座，這是最常用的兩種不同方式之一。在第一種方案中，導熱管將熱量傳導至金屬外殼或其它散熱片，然后將熱量散發(fā)到設備外殼外部的環(huán)境空氣中。這是最簡單的方案，并且具有靈活性的優(yōu)勢，因為可生產(chǎn)各種不同形狀和尺寸的導熱管來滿足每臺設備的不同需求。

被動傳熱方案依賴于銅質蓄熱器，將熱量經(jīng)導熱管傳送至散熱鰭片?！?/p>

在其它應用場合，會用到第二個方案：配置有嵌入式蒸汽室的散熱片，利用對流冷卻，提供最佳的等溫以實現(xiàn)更高效的冷卻。相比傳統(tǒng)的散熱片，這種方案的散熱能力更強，因為它不像固體散熱片結構一樣存在熱阻。該方案通過三維熱傳，可實現(xiàn)更低的設備溫度和更高的元器件可靠度。應當指出的是，這個方案可能需要更改散熱片的幾何形狀和更改電子器件的基座。

也不是所有設備都適合使用導熱管組件。有些大型和大功率的自動化檢測設備可能需要一個中央液體冷卻系統(tǒng)，將來自電子設備機箱內部的熱量經(jīng)冷卻工作液進行傳送。這種方法能提供可靠的散熱控制，但可能成本很高且占用空間。此外，中央液體冷卻系統(tǒng)還存在滲漏的可能，需要進行維護以確保最佳的系統(tǒng)性能。

無論選擇什么樣的配置，化驗設備一般要求對用于極為狹窄的ΔT窗口的散熱組件進行特殊設計。化驗設計人員和管理規(guī)范要求通常會計算出可接受的ΔT ，然后將ΔT進一步縮小范圍，以提供額外的安全余量。也可將導熱管和其它被動器件用于冷卻輸送機等設計組件，通過采用一個只用到了少數(shù)幾個或沒有用到傳送部件的散熱解決方案來將熱量散發(fā)到外界空氣中。

生物技術與研究

方便聚合酶鏈反應（PCR）技術的循環(huán)設備已經(jīng)出現(xiàn)，并且成為生物技術和研究的真正主力軍，但它們也會帶來相當棘手的散熱管理難題。為了確保效率，設備溫度不僅必須保持在適當?shù)姆秶鷥?，同時還必須在冷、熱之間做每分鐘數(shù)千次的循環(huán)，以提供可展開PCR反應的最佳條件。

被動散熱控系統(tǒng)可使設備簡單、設計靈活、成本可控制、運行安靜。
PCR循環(huán)器在過去通常用多達6個TEC進行散熱控制。然而，要求使用復雜且昂貴的電子設備和軟件對所有TEC做一致的散熱控制。但這些TEC在使用一段時間之后，由于每個TEC的降級程度不同，可能會再出現(xiàn)不一致和不能等溫的情況。

最近針對PCR設備制造商研發(fā)了一項工藝制程，將TEC經(jīng)一個石墨接口（采用32個精密鉆孔的專利方案，將蒸氣室組件底部貼附在熱電控制器）連接到蒸汽室，因此熱量通過三維軸一致地散發(fā)。該工藝制程提供瞬間等溫用以匹配冷、熱周期之間的恒定波動，用熱力學定律替代復雜的電子算法。

手術工具

通過小直徑的導熱管進行蒸汽散熱，對設計用于腦部外科手術等場合的鑷子大有幫助。本設計包括精確的溫度控制，以提高手術效率。外科產(chǎn)品制造商所進行的許多項實驗表明，當燒灼鉗的溫度超過80 ° C時，被鉗住的人體組織可能在手術過程中會粘在燒灼鑷上。針對這一情況的專利手術鉗散熱設計采用有源熱量傳送，吸收極細（直徑為1毫米或更小）手術鉗尖（和人體組織） 的熱量。工作液體因吸收燒灼過程中所產(chǎn)生的熱量而蒸發(fā)。然后蒸氣被送到導熱管溫度最低的冷凝段，蒸氣因受冷而凝結，從而更有效地散熱。冷凝后的工作液通過毛細管被返送至鉗尖。當然，傳送過程中要對抗重力工作液的重力。

微米級的精確工程設計使得在該應用中使用被動散熱技術成為可能。該手術冷卻系統(tǒng)采用尺寸最小的量產(chǎn)熱管組件（直徑為2.34毫米），用于對尺寸為0.54毫米的手術鉗尖進行精確的散熱控制。

結論

在醫(yī)療設備的發(fā)展過程中，被動散熱管理很顯然是一個幫助確保當前醫(yī)療設備的精確性和先進功能的主要因素，并能將這些能力進一步發(fā)揚光大。被動散熱管理方案在節(jié)省空間、減輕重量、降低維修成本等方面具有非常有價值的優(yōu)勢。相比那些依賴泵壓液體的冷卻系統(tǒng)，被動散熱管理方案對環(huán)境的影響更小。因電子器件的功能和計算能力的提升一直在產(chǎn)生更多需要散發(fā)的熱量，且（醫(yī)療設備）小型化正在逐步縮減用于部署散熱管理器件的空間，創(chuàng)新的散熱技術對未來醫(yī)療器械的發(fā)展發(fā)揮著重要作用。