被動散熱管理方案推動醫(yī)療電子設(shè)備發(fā)展

從成像設(shè)備到手術(shù)器械再到自動免疫，二十一世紀(jì)功能強(qiáng)大的醫(yī)療技術(shù)令人刮目相看，這在很大程度上要?dú)w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(jìn)步也同樣付出了相應(yīng)的代價。設(shè)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(jìn)行散熱(因設(shè)備的體積變得越來越小)。隨著我們對醫(yī)療設(shè)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(shè)備因涉及高風(fēng)險而存在某些特殊要求的這一事實(shí)。例如，因?yàn)榭紤]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(yīng)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(dǎo)致嚴(yán)重的、不可逆轉(zhuǎn)的神經(jīng)組織退化)。有些醫(yī)療應(yīng)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(shù)器械需要進(jìn)行散熱量管理以避免對人體組織造成傷害，但它們僅為設(shè)計人員提供0.5毫米的位置來部署傳熱技術(shù)。

另一個要求采用超小型導(dǎo)熱管理方案的領(lǐng)域是人體植入式設(shè)備的設(shè)計，植入式設(shè)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(hù)人體器官。最后，溫度迅速地做周期性變化(在幾毫秒內(nèi)溫度波動的范圍高達(dá)50℃)是許多實(shí)驗(yàn)室設(shè)備(如DNA捻接器)的共同特點(diǎn)。

所有這些與精確度、可靠性、尺寸限制和嚴(yán)格材料選擇相關(guān)的因素使得醫(yī)療散熱工程設(shè)計對設(shè)計人員而言成了一件高難度的事。熱傳設(shè)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(fēng)扇的高容積氣流量使其具有最佳的散熱性能，但在有些應(yīng)用中卻不能使用風(fēng)扇)。

傳熱

散熱工程師們已經(jīng)越來越多地轉(zhuǎn)向被動傳熱設(shè)備(如，導(dǎo)熱管)來應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。因?yàn)閷?dǎo)熱管內(nèi)的工作液有液體和水蒸氣兩種存在形式，所以導(dǎo)熱管為兩相冷卻器件。工作液從液態(tài)到水蒸氣的轉(zhuǎn)變實(shí)現(xiàn)了熱量的傳送。導(dǎo)熱管內(nèi)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(jié)果或?qū)崿F(xiàn)病人康復(fù)的應(yīng)用中，這是核心的考慮因素。被動傳熱組件的設(shè)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(jìn)步的毛細(xì)結(jié)構(gòu)技術(shù)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(dǎo)熱管的熱量輸入段。這使得導(dǎo)熱管可工作在不同朝向。在有更多設(shè)計自由的情況下，設(shè)計人員甚至可以采用柔性導(dǎo)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(qiáng)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(jìn)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(fēng)扇產(chǎn)生的氣流越大，其所產(chǎn)生的噪音也越大;如果風(fēng)扇產(chǎn)生的氣流小，則風(fēng)扇運(yùn)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(shè)備內(nèi)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(dǎo)熱管熱交換器中，熱量經(jīng)導(dǎo)熱管傳導(dǎo)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(jìn)行冷卻的散熱片重新進(jìn)行設(shè)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(dǎo)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(fù)雜性和成本。

機(jī)架式導(dǎo)熱管組件可以提供完善的熱穩(wěn)定性且技術(shù)維護(hù)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(shù)，將散熱片與嵌入式蒸汽腔(本質(zhì)上就是將一個導(dǎo)熱管調(diào)整為扁平狀態(tài)成為平坦的導(dǎo)熱管)相組合，或使用表面整合了導(dǎo)熱管的散熱片。這兩種方案都可以通過蒸發(fā)嵌入式導(dǎo)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(diǎn)的出現(xiàn)。因?yàn)樯崞堑葴氐?，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(shè)備轉(zhuǎn)向被動散熱設(shè)備(如，導(dǎo)熱管、散熱片和蒸汽腔)的趨勢反映了朝尺寸更小、功能更強(qiáng)大和更微型化電子產(chǎn)品的不斷演進(jìn)。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(shè)備最適當(dāng)?shù)倪x擇，然而設(shè)計師們發(fā)現(xiàn)，隨著被動冷卻技術(shù)的發(fā)展，它將變得越來越有吸引力。

材料結(jié)構(gòu)所取得的一系列進(jìn)步也使得被動散熱方案對醫(yī)療設(shè)備設(shè)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(zhì)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(dǎo)熱率更高的材料可以助設(shè)計人員一臂之力。APG的有效熱傳導(dǎo)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(shù)器械等應(yīng)用。在這類應(yīng)用中，出于對組織損壞、結(jié)疤或感染的考慮，避免APG與人體組織相接觸至關(guān)重要。

APG等材料的發(fā)展有助于解釋為什么醫(yī)療設(shè)備設(shè)計人員更多地選擇被動散熱控制系統(tǒng)。因?yàn)檫@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(xiàng)。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(fēng)險也越低)、維修工作量減少、設(shè)計更靈活，運(yùn)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(shè)備應(yīng)用中的被動散熱管理概念的示例。

診斷成像

因?yàn)殡娮赢a(chǎn)品的性能在達(dá)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(shù)至為關(guān)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(xì)微波動都將影響校準(zhǔn)和結(jié)果，從而導(dǎo)致代價昂貴的停機(jī)和維修。在推動掃描儀、生物技術(shù)設(shè)備及實(shí)驗(yàn)室微化驗(yàn)等醫(yī)療設(shè)備測試結(jié)果的可重復(fù)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(dú)一臺診斷成像機(jī) (21 CFR 900.12)，規(guī)范就強(qiáng)制要求進(jìn)行31項(xiàng)單獨(dú)的測試，其中有很多項(xiàng)測試會受到散熱性能的影響。競爭性的診斷醫(yī)療設(shè)備市場使得嚴(yán)格的散熱控制成為電子產(chǎn)品設(shè)計中更為重要的因素。

設(shè)計人員通常要在很窄的溫度變化范圍(ΔT)內(nèi)開展工作，設(shè)備機(jī)箱內(nèi)部和外部環(huán)境溫度一般相差10℃。多個發(fā)熱源(如設(shè)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(fēng)扇大小和風(fēng)速的情況下，要實(shí)現(xiàn)靜音工作變得更加復(fù)雜。

這些難題往往都可通過導(dǎo)熱管換熱器最大程度地解決。在導(dǎo)熱管換熱器中，熱量經(jīng)導(dǎo)熱管從設(shè)備的內(nèi)部傳導(dǎo)至設(shè)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(dǎo)熱管的效率越高，就允許使用更小、更安靜的風(fēng)扇，并且能滿足法規(guī)和臨床環(huán)境下嚴(yán)格的散熱要求。在某些情況下，也可以將導(dǎo)熱管技術(shù)用于導(dǎo)熱管本身，從而利用熱力學(xué)定律而不是電子設(shè)備或風(fēng)扇來完成熱量的傳送。

在重要的護(hù)理監(jiān)控設(shè)備中，也用到了類似的導(dǎo)熱管技術(shù)來冷卻顯示器。如圖中所示，一臺機(jī)架式導(dǎo)熱管組件可以在技術(shù)維護(hù)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(dǎo)熱管的正常工作壽命可以達(dá)到幾百萬個小時，從而在關(guān)鍵的護(hù)理操作中幾乎不可能會出現(xiàn)失效。

化驗(yàn)和樣品篩選

有些最具挑戰(zhàn)性的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性要求與自動化血清和尿液篩檢化驗(yàn)有關(guān)。這些設(shè)備使用激光和先進(jìn)的光學(xué)系統(tǒng)以確保對數(shù)千樣品的全面校準(zhǔn)和測量的一致性。必須保護(hù)這些系統(tǒng)不受機(jī)械系統(tǒng)(如，用于移動樣品和試劑的輸送機(jī))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(yàn)所用的散熱管理方案使用的是TEC，通常從樣品校準(zhǔn)區(qū)兩側(cè)地散發(fā)的熱量不一致。然而，被動熱傳導(dǎo)方案依賴于銅質(zhì)蓄熱器，將熱量經(jīng)導(dǎo)熱管傳送至散熱鰭片。對導(dǎo)熱管槽或蒸氣腔進(jìn)行極精密的加工是必須的，因?yàn)槠浔砻娴拇植诔潭瓤赡軙档蜔峤粨Q器的效率。精密機(jī)械加工最大限度地減少了表面凹凸不平的情況(達(dá)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(shí)現(xiàn)達(dá)到和熱電設(shè)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(yàn)設(shè)備為導(dǎo)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(dǎo)熱管將熱量傳導(dǎo)至金屬外殼或其它散熱片，然后將熱量散發(fā)到設(shè)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?yàn)榭缮a(chǎn)各種不同形狀和尺寸的導(dǎo)熱管來滿足每臺設(shè)備的不同需求。

被動傳熱方案依賴于銅質(zhì)蓄熱器，將熱量經(jīng)導(dǎo)熱管傳送至散熱鰭片。

在其它應(yīng)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(shí)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(qiáng)，因?yàn)樗幌窆腆w散熱片結(jié)構(gòu)一樣存在熱阻。該方案通過三維熱傳，可實(shí)現(xiàn)更低的設(shè)備溫度和更高的元器件可靠度。應(yīng)當(dāng)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(shè)備都適合使用導(dǎo)熱管組件。有些大型和大功率的自動化檢測設(shè)備可能需要一個中央液體冷卻系統(tǒng)，將來自電子設(shè)備機(jī)箱內(nèi)部的熱量經(jīng)冷卻工作液進(jìn)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(jìn)行維護(hù)以確保最佳的系統(tǒng)性能。

無論選擇什么樣的配置，化驗(yàn)設(shè)備一般要求對用于極為狹窄的ΔT窗口的散熱組件進(jìn)行特殊設(shè)計。化驗(yàn)設(shè)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(jìn)一步縮小范圍，以提供額外的安全余量。也可將導(dǎo)熱管和其它被動器件用于冷卻輸送機(jī)等設(shè)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(shù)與研究

方便聚合酶鏈反應(yīng)(PCR)技術(shù)的循環(huán)設(shè)備已經(jīng)出現(xiàn)，并且成為生物技術(shù)和研究的真正主力軍，但它們也會帶來相當(dāng)棘手的散熱管理難題。為了確保效率，設(shè)備溫度不僅必須保持在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，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(yīng)的最佳條件。

被動散熱控系統(tǒng)可使設(shè)備簡單、設(shè)計靈活、成本可控制、運(yùn)行安靜。

PCR循環(huán)器在過去通常用多達(dá)6個TEC進(jìn)行散熱控制。然而，要求使用復(fù)雜且昂貴的電子設(shè)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(shè)備制造商研發(fā)了一項(xiàng)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(xué)定律替代復(fù)雜的電子算法。

手術(shù)工具

通過小直徑的導(dǎo)熱管進(jìn)行蒸汽散熱，對設(shè)計用于腦部外科手術(shù)等場合的鑷子大有幫助。本設(shè)計包括精確的溫度控制，以提高手術(shù)效率。外科產(chǎn)品制造商所進(jìn)行的許多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)燒灼鉗的溫度超過80 ° C時，被鉗住的人體組織可能在手術(shù)過程中會粘在燒灼鑷上。針對這一情況的專利手術(shù)鉗散熱設(shè)計采用有源熱量傳送，吸收極細(xì)(直徑為1毫米或更小)手術(shù)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(dǎo)熱管溫度最低的冷凝段，蒸氣因受冷而凝結(jié)，從而更有效地散熱。冷凝后的工作液通過毛細(xì)管被返送至鉗尖。當(dāng)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(shè)計使得在該應(yīng)用中使用被動散熱技術(shù)成為可能。該手術(shù)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(shù)鉗尖進(jìn)行精確的散熱控制。

結(jié)論

在醫(yī)療設(shè)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(dāng)前醫(yī)療設(shè)備的精確性和先進(jìn)功能的主要因素，并能將這些能力進(jìn)一步發(fā)揚(yáng)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(shè)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(shù)對未來醫(yī)療器械的發(fā)展發(fā)揮著重要作用。