L'introduction de solutions de gestion passive de la chaleur pour favoriser le développement des appareils électroniques médicaux
Des appareils d'imagerie aux instruments chirurgicaux en passant par l'immunité automatisée, les puissantes technologies médicales du 21e siècle sont impressionnantes, en grande partie grâce à la puissance de calcul accrue des microprocesseurs. Pour les ingénieurs thermiques, cependant, ces avancées ont un prix. Plus un appareil est puissant, plus il génère de chaleur et, en général, il doit se dissiper dans un espace de plus en plus petit (à mesure que la taille de l'appareil devient plus petite). À mesure que notre demande de précision et de fiabilité dans les dispositifs médicaux augmente, le contrôle de la dissipation thermique devient encore plus important.
Un autre défi découle du fait que les dispositifs médicaux ont des exigences particulières en raison des risques élevés encourus. Par exemple, certains matériaux couramment utilisés dans les solutions de dissipation thermique (par exemple, le cuivre) ne sont pas utiles dans de nombreuses applications médicales en raison de leur proximité avec le corps humain (en plus de provoquer une inflammation des tissus humains, le cuivre peut provoquer une dégénérescence grave et irréversible des neurones tissu). Le besoin de précision dans certaines applications médicales peut comprimer l'espace disponible pour les solutions de refroidissement jusqu'au point de quasi-extinction -- les instruments chirurgicaux qui nécessitent une gestion de la chaleur pour éviter d'endommager les tissus humains ne fournissent aux concepteurs que 0. 5 millimètres pour déployer la technologie de transfert de chaleur.
Un autre domaine qui nécessite des solutions de gestion thermique ultra-petites est la conception de dispositifs implantables humains, qui nécessitent à la fois une petite taille et des coefficients de changement de température précis afin de protéger les organes humains. Enfin, les changements de température périodiques rapides (avec des fluctuations de température allant jusqu'à 50 degrés C en quelques millisecondes) sont une caractéristique commune de nombreux appareils de laboratoire tels que les séparateurs d'ADN. Tous ces facteurs liés à la précision, à la fiabilité, aux contraintes de taille et à la sélection stricte des matériaux font de l'ingénierie thermique médicale une tâche difficile pour les concepteurs. Les ingénieurs de conception de transfert de chaleur doivent choisir entre l'efficacité et la taille par rapport au coût et, de plus en plus, la dissipation thermique par rapport au faible bruit (ce qui signifie que dans certaines applications, les ventilateurs ne peuvent pas être utilisés, bien que leur débit de gaz à volume élevé les rend optimaux pour la dissipation thermique).
Le transfert de chaleur
Les ingénieurs thermiciens se sont de plus en plus tournés vers des dispositifs de transfert de chaleur passifs (par exemple, des tubes thermiques) pour relever ces défis, car le liquide de travail dans le tube de conduction thermique a deux formes d'existence liquide et vapeur d'eau, de sorte que le tube de conduction thermique est à deux phases. dispositif de refroidissement.Le transfert de chaleur est réalisé par la transformation du fluide de travail du liquide en vapeur d'eau. Le cycle continu d'évaporation, de transfert (de chaleur), de condensation et de retour du fluide de travail condensé vers la zone d'évaporation.
Il n'y aura pas de défaillance des composants de livraison au cours de ce travail, une considération essentielle dans les applications où la fiabilité est primordiale pour obtenir des résultats précis ou assurer la récupération du patient. La conception des composants de transfert de chaleur passifs est simple et implique généralement un tube scellé sous vide rempli d'un fluide de travail relativement facile à miniaturiser. Les progrès de la technologie des structures capillaires aident à garantir que le fluide de travail refroidi et condensé résiste à la gravité et est renvoyé de manière efficace et fiable vers la section d'entrée de chaleur du tube conducteur. Cela permet au tuyau conducteur de fonctionner dans différentes orientations. Avec plus de liberté de conception, les concepteurs peuvent même utiliser des tubes de conduction thermique flexibles.
Un autre schéma de dissipation thermique plus couramment utilisé est le dissipateur thermique. Le dissipateur thermique peut fonctionner en mode convection forcée ou naturelle, mais encore une fois, l'une ou l'autre approche implique de faire des compromis. Si vous augmentez le débit d'air utilisé pour le refroidissement, cela signifie que vous pouvez réduire le nombre d'ailettes ou réduire la surface des ailettes. Cependant, si le débit d'air généré par le ventilateur est plus important, le bruit généré par le ventilateur est plus important. Si le ventilateur produit moins de débit d'air, le ventilateur fonctionne plus silencieusement et peut être plus petit, mais cela signifie que le radiateur doit avoir des ailettes plus ou plus grandes. Par conséquent, il n'est pas facile de rendre les composants de refroidissement à la fois plus petits et plus silencieux dans le même équipement.
Dans un échangeur de chaleur à caloduc, la chaleur est transmise à travers le caloduc aux ailettes, puis dissipée dans l'air ambiant. Mais cela peut être fait, le moyen de réduire la taille et le bruit en même temps est de rendre les pièces du radiateur plus isothermes, le dissipateur de chaleur, qui était auparavant refroidi par un seul refroidisseur thermoélectrique (TEC), peut être repensé pour avoir plusieurs Des TEC qui transfèrent la chaleur uniformément sur la surface du dissipateur thermique au lieu de compter uniquement sur la conduction thermique. Cependant, en plus de nécessiter une maintenance, de tels schémas ajoutent de la complexité et du coût à l'électronique. L'assemblage de tubes de conduction thermique de type rack peut fournir une stabilité thermique parfaite et une charge de travail de maintenance technique réduite. Une solution de refroidissement plus simple consiste à utiliser la technologie de refroidissement passif pour combiner le dissipateur thermique avec une cavité de vapeur intégrée (ajustant essentiellement un tube de conduction thermique à un état plat pour devenir un tube de conduction thermique plat), ou d'utiliser un dissipateur thermique dont la surface est intégrée avec le tube conducteur de chaleur. Les deux schémas permettent un transfert de chaleur rapide et uniforme en évaporant le fluide de travail dans un tube de conduction thermique intégré ou une chambre à vapeur. La vapeur d'eau transporte la chaleur uniformément à travers toute la surface inférieure du dissipateur thermique et de l'ailette du dissipateur thermique, en évitant les points chauds. Parce que les ailettes sont isothermes, le flux d'air à travers les ailettes transporte le plus de chaleur.
En général, l'évolution vers des dispositifs de refroidissement passifs (par exemple, des caloducs, des dissipateurs thermiques et des chambres à vapeur) dans les dispositifs médicaux reflète une évolution continue vers une électronique plus petite, plus puissante et plus miniaturisée. Alors que les options de refroidissement plus traditionnelles (réfrigération, TEC, plaques de refroidissement liquide, etc.) restent le choix le plus approprié pour certains dispositifs médicaux, les concepteurs constatent que la technologie de refroidissement passif deviendra de plus en plus attrayante au fur et à mesure de son évolution. Les progrès des structures matérielles ont également rendu les solutions de refroidissement passif plus attrayantes pour les concepteurs de dispositifs médicaux. Par exemple, l'avènement du graphite pyrolytique (APG) a rendu possible des composants de refroidissement qui sont plus petits, plus légers et plus efficaces que les dissipateurs thermiques conventionnels en aluminium ou en cuivre.
Alors que les produits évoluent vers une plus grande miniaturisation et des boîtiers électroniques plus petits, les matériaux à conductivité thermique plus élevée peuvent donner aux concepteurs une longueur d'avance.
La conductivité thermique effective de l'APG est de 1000 W/mK, soit 5 fois plus que l'aluminium massif et 2,5 fois plus que le cuivre massif. Les apg peuvent également être conditionnés pour des applications telles que les instruments chirurgicaux. Dans de telles applications, il est important d'éviter tout contact avec les tissus humains en raison de préoccupations concernant les lésions tissulaires, les cicatrices ou les infections. Le développement de matériaux tels que les APG aide à expliquer pourquoi les concepteurs de dispositifs médicaux choisissent des systèmes de contrôle de dissipation thermique plus passifs.
Non seulement ces systèmes offrent une plus large gamme d'options, mais dans de nombreux cas, ils offrent de meilleures options pour la gestion de la chaleur.
Par rapport aux solutions de refroidissement liquide traditionnelles, les systèmes de refroidissement passifs sont plus fiables (moins de composants de transport signifient un risque de panne moindre), nécessitent moins de maintenance, sont de conception plus flexible, fonctionnent plus silencieusement et, dans de nombreux cas, sont plus faciles à gérer les coûts. Plusieurs exemples de concepts de gestion passive de la chaleur intégrés dans certaines applications importantes de dispositifs médicaux sont présentés ci-dessous.
Imagerie diagnostique
Étant donné que les performances de l'électronique se détériorent rapidement après une température critique, le refroidissement du boîtier est essentiel pour les technologies qui utilisent de nombreux composants électroniques, telles que l'imagerie par résonance magnétique (IRM), la tomodensitométrie (CT), les ultrasons et les rayons X. Même de petites fluctuations de température peuvent affecter l'étalonnage et les résultats, entraînant des temps d'arrêt et une maintenance coûteux. La FDA a joué un rôle important dans la conduite de la répétabilité et de la reproductibilité des résultats des tests pour les dispositifs médicaux, tels que les scanners, les dispositifs biotechnologiques et les microessais de laboratoire, vers la quasi-perfection (supérieur ou égal à 95 %). Pour garantir la précision, la spécification exige 31 tests distincts pour un seul imageur de diagnostic (21 CFR 900.12), dont beaucoup sont compromis par la dissipation thermique. Le marché concurrentiel des dispositifs médicaux de diagnostic a fait du contrôle strict de la dissipation thermique un facteur encore plus important dans la conception des produits électroniques.
Les concepteurs travaillent généralement dans une plage très étroite de variation de température (δT), avec une différence de température de 10 degrés C entre les environnements interne et externe du châssis de l'appareil. Plusieurs sources de chaleur (telles que l'alimentation de l'équipement et d'autres composants électroniques discrets) peuvent produire une puissance de sortie totale de 1200 watts ou plus, dont 400 watts de chaleur perdue à évacuer. Avec des limites sur la taille du ventilateur et la vitesse du vent, il devient plus compliqué d'atteindre le silence. Ces problèmes peuvent souvent être résolus par un échangeur de chaleur à tube thermique dans la plus grande mesure. Dans un échangeur de chaleur à tube de conduction thermique, la chaleur est transmise de l'intérieur de l'équipement à l'extérieur de l'équipement via le tube de conduction thermique, puis évacuée dans l'air ambiant via le dissipateur thermique à ailettes. Une plus grande surface d'ailettes et des tubes de transfert de chaleur plus efficaces permettent des ventilateurs plus petits et plus silencieux qui répondent aux exigences strictes de dissipation thermique des paramètres réglementaires et cliniques. Dans certains cas, il est également possible d'utiliser la technologie du tube à conduction thermique pour le tube lui-même, utilisant ainsi les lois de la thermodynamique plutôt que l'électronique ou les ventilateurs pour accomplir le transfert de chaleur.
Une technologie de caloduc similaire est utilisée pour refroidir les écrans dans les équipements de surveillance des soins intensifs. Comme le montre la figure, un assemblage de tubes thermiques de type rack peut fournir une stabilité thermique parfaite avec peu d'efforts de maintenance technique. L'absence de composants de transfert permet une durée de vie normale de plusieurs millions d'heures, rendant les pannes lors des opérations de soins intensifs presque impossibles.
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