चिकित्सा इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के विकास को बढ़ावा देने के लिए निष्क्रिय ताप प्रबंधन समाधानों की शुरूआत

इमेजिंग उपकरणों से लेकर सर्जिकल उपकरणों से लेकर स्वचालित प्रतिरक्षा तक, 21 वीं सदी की शक्तिशाली चिकित्सा प्रौद्योगिकियां प्रभावशाली हैं, बड़े हिस्से में माइक्रोप्रोसेसरों की बढ़ी हुई कम्प्यूटेशनल शक्ति के लिए धन्यवाद। हालांकि, थर्मल इंजीनियरों के लिए ये प्रगति एक कीमत पर आई है। एक उपकरण में जितनी अधिक शक्ति होती है, उतनी ही अधिक गर्मी उत्पन्न होती है, और सामान्य तौर पर, इसे एक छोटी और छोटी जगह में फैलना पड़ता है (क्योंकि उपकरण का आकार छोटा हो जाता है)। जैसे-जैसे चिकित्सा उपकरणों में सटीकता और विश्वसनीयता की हमारी मांग बढ़ती है, गर्मी अपव्यय नियंत्रण और भी महत्वपूर्ण हो जाता है।

एक और चुनौती इस तथ्य से उत्पन्न होती है कि उच्च जोखिम शामिल होने के कारण चिकित्सा उपकरणों की कुछ विशेष आवश्यकताएं होती हैं। उदाहरण के लिए, आमतौर पर गर्मी अपव्यय समाधान (जैसे, तांबा) में उपयोग की जाने वाली कुछ सामग्री मानव शरीर के निकटता के कारण कई चिकित्सा अनुप्रयोगों में उपयोगी नहीं होती है (मानव ऊतकों में सूजन पैदा करने के अलावा, तांबा तंत्रिका के गंभीर और अपरिवर्तनीय अध: पतन का कारण बन सकता है। ऊतक)। कुछ चिकित्सा अनुप्रयोगों में परिशुद्धता की आवश्यकता शीतलन समाधान के लिए उपलब्ध स्थान को निकट-विलुप्त होने के बिंदु तक संकुचित कर सकती है -- सर्जिकल उपकरण जिन्हें मानव ऊतकों को नुकसान से बचाने के लिए गर्मी प्रबंधन की आवश्यकता होती है, डिजाइनरों को केवल 0 प्रदान करते हैं। गर्मी हस्तांतरण प्रौद्योगिकी को तैनात करने के लिए 5 मिलीमीटर।

एक अन्य क्षेत्र जिसके लिए अति-छोटे थर्मल प्रबंधन समाधानों की आवश्यकता होती है, वह है मानव प्रत्यारोपण योग्य उपकरणों का डिज़ाइन, जिसके लिए मानव अंगों की सुरक्षा के लिए छोटे आकार और सटीक तापमान परिवर्तन गुणांक दोनों की आवश्यकता होती है। अंत में, तेजी से आवधिक तापमान परिवर्तन (मिलीसेकंड के भीतर 50 डिग्री सेल्सियस तक के तापमान में उतार-चढ़ाव के साथ) डीएनए स्प्लिटर्स जैसे कई प्रयोगशाला उपकरणों की एक सामान्य विशेषता है। सटीकता, विश्वसनीयता, आकार की कमी और सख्त सामग्री चयन से संबंधित ये सभी कारक मेडिकल थर्मल इंजीनियरिंग को डिजाइनरों के लिए एक कठिन काम बनाते हैं। हीट ट्रांसफर डिज़ाइन इंजीनियरों को दक्षता और आकार बनाम लागत और तेजी से गर्मी अपव्यय बनाम कम शोर के बीच चयन करना चाहिए (जिसका अर्थ है कि कुछ अनुप्रयोगों में प्रशंसकों का उपयोग नहीं किया जा सकता है, हालांकि उनकी उच्च मात्रा गैस प्रवाह दर उन्हें गर्मी अपव्यय के लिए इष्टतम बनाती है)।

 गर्मी का स्थानांतरण

  थर्मल इंजीनियरों ने इन चुनौतियों का समाधान करने के लिए तेजी से निष्क्रिय गर्मी हस्तांतरण उपकरणों (जैसे, थर्मल ट्यूब) की ओर रुख किया है, क्योंकि गर्मी चालन ट्यूब में काम करने वाले तरल में तरल और जल वाष्प दो प्रकार के अस्तित्व होते हैं, इसलिए गर्मी चालन ट्यूब एक दो चरण है शीतलन उपकरण। तरल से जल वाष्प में कार्यशील द्रव के परिवर्तन से ऊष्मा का स्थानांतरण होता है। वाष्पीकरण, स्थानांतरण (गर्मी), संक्षेपण, और वाष्पीकरण क्षेत्र में संघनित कार्यशील द्रव की वापसी का निरंतर चक्र।

इस कार्य के दौरान कोई वितरण घटक विफलता नहीं होगी - अनुप्रयोगों में एक मुख्य विचार जहां सटीक परिणाम प्राप्त करने या रोगी की वसूली प्राप्त करने के लिए विश्वसनीयता सर्वोपरि है। निष्क्रिय गर्मी हस्तांतरण घटकों का डिज़ाइन सीधा है और आम तौर पर काम करने वाले द्रव से भरा एक वैक्यूम सीलबंद ट्यूब शामिल होता है जो कि छोटा करना अपेक्षाकृत आसान होता है। केशिका संरचना प्रौद्योगिकी में प्रगति यह सुनिश्चित करने में मदद करती है कि ठंडा और संघनित काम करने वाला द्रव गुरुत्वाकर्षण का प्रतिरोध करता है और संचालन ट्यूब के ताप इनपुट अनुभाग में कुशलतापूर्वक और भरोसेमंद रूप से वापस आ जाता है। यह संवाहक पाइप को विभिन्न झुकावों में संचालित करने की अनुमति देता है। अधिक डिजाइन स्वतंत्रता के साथ, डिजाइनर लचीली गर्मी चालन ट्यूबों का भी उपयोग कर सकते हैं।

एक और अधिक सामान्यतः उपयोग की जाने वाली ऊष्मा लंपटता योजना ऊष्मा सिंक है। हीट सिंक को मजबूर या प्राकृतिक संवहन मोड में संचालित किया जा सकता है, लेकिन फिर से, किसी भी दृष्टिकोण का अर्थ है समझौता करना। यदि आप शीतलन के लिए उपयोग किए जाने वाले वायु प्रवाह को बढ़ाते हैं, तो इसका मतलब है कि आप पंखों की संख्या कम कर सकते हैं या पंखों के क्षेत्र को कम कर सकते हैं। हालाँकि, यदि पंखे द्वारा उत्पन्न वायु प्रवाह बड़ा है, तो पंखे द्वारा उत्पन्न शोर बड़ा होता है। यदि पंखा कम हवा का प्रवाह पैदा करता है, तो पंखा शांत चलता है और छोटा हो सकता है, लेकिन इसका मतलब है कि रेडिएटर में अधिक या बड़ा पंख होना चाहिए। इसलिए, एक ही उपकरण में शीतलन घटकों को छोटा और शांत दोनों बनाना आसान नहीं है।

एक हीट पाइप हीट एक्सचेंजर में, हीट पाइप के माध्यम से पंखों तक गर्मी का संचार होता है और फिर आसपास की हवा में फैल जाता है। लेकिन यह किया जा सकता है, एक ही समय में आकार और शोर को कम करने का तरीका रेडिएटर के टुकड़ों को अधिक इज़ोटेर्मल बनाना है, हीट सिंक, जिसे पहले एक थर्मोइलेक्ट्रिक कूलर (TEC) द्वारा ठंडा किया गया था, को कई के लिए फिर से डिज़ाइन किया जा सकता है टीईसी जो गर्मी चालन पर पूरी तरह निर्भर होने के बजाय गर्मी सिंक की सतह पर समान रूप से गर्मी स्थानांतरित करते हैं। हालांकि, रखरखाव की आवश्यकता के अलावा, ऐसी योजनाएं इलेक्ट्रॉनिक्स में जटिलता और लागत जोड़ती हैं। रैक प्रकार की गर्मी चालन ट्यूब असेंबली सही थर्मल स्थिरता और कम तकनीकी रखरखाव वर्कलोड प्रदान कर सकती है। एक सरल शीतलन समाधान निष्क्रिय शीतलन तकनीक का उपयोग एक एम्बेडेड भाप गुहा के साथ गर्मी सिंक को गठबंधन करने के लिए करना है (अनिवार्य रूप से गर्मी चालन ट्यूब को फ्लैट राज्य में एक फ्लैट गर्मी चालन ट्यूब बनने के लिए समायोजित करना), या गर्मी सिंक का उपयोग करना जिसकी सतह एकीकृत है गर्मी चालन ट्यूब के साथ। दोनों योजनाएँ एक एम्बेडेड ताप चालन ट्यूब या वाष्प कक्ष में काम कर रहे तरल पदार्थ को वाष्पित करके तेजी से और समान ताप हस्तांतरण की अनुमति देती हैं। गर्म स्थानों से बचते हुए, जल वाष्प हीट सिंक की पूरी निचली सतह और हीट सिंक फिन के माध्यम से समान रूप से गर्मी वहन करती है। चूँकि पंख इज़ोटेर्माल होते हैं, पंखों के माध्यम से हवा का प्रवाह सबसे अधिक गर्मी वहन करता है।

सामान्य तौर पर, चिकित्सा उपकरणों में निष्क्रिय शीतलन उपकरणों (जैसे, हीट पाइप, हीट सिंक और वाष्प कक्ष) की ओर बदलाव छोटे, अधिक शक्तिशाली और अधिक लघु इलेक्ट्रॉनिक्स की ओर चल रहे विकास को दर्शाता है। जबकि अधिक पारंपरिक शीतलन विकल्प (प्रशीतन, टीईसी, तरल शीतलन प्लेट, आदि) कुछ चिकित्सा उपकरणों के लिए सबसे उपयुक्त विकल्प बने हुए हैं, डिजाइनरों को पता चल रहा है कि निष्क्रिय शीतलन तकनीक विकसित होने के साथ-साथ तेजी से आकर्षक हो जाएगी। भौतिक संरचनाओं में प्रगति ने निष्क्रिय शीतलन समाधानों को चिकित्सा उपकरण डिजाइनरों के लिए अधिक आकर्षक बना दिया है। उदाहरण के लिए, पाइरोलाइटिक ग्रेफाइट (APG) के आगमन ने शीतलन घटकों को संभव बनाया है जो पारंपरिक एल्यूमीनियम या तांबे के हीट सिंक की तुलना में छोटे, हल्के और अधिक कुशल हैं।

जैसे-जैसे उत्पाद अधिक लघुकरण और छोटे इलेक्ट्रॉनिक बाड़ों की ओर बढ़ते हैं, उच्च तापीय चालकता वाली सामग्री डिजाइनरों को एक पैर ऊपर दे सकती है।

APG की प्रभावी तापीय चालकता 1000 W/mK है, जो ठोस एल्यूमीनियम से 5 गुना और ठोस तांबे से 2.5 गुना अधिक है। APGS को सर्जिकल उपकरणों जैसे अनुप्रयोगों के लिए भी पैक किया जा सकता है। ऐसे अनुप्रयोगों में, ऊतक क्षति, निशान या संक्रमण के बारे में चिंताओं के कारण मानव ऊतक के संपर्क से बचना महत्वपूर्ण है। एपीजी जैसी सामग्रियों का विकास यह समझाने में मदद करता है कि चिकित्सा उपकरण डिजाइनर अधिक निष्क्रिय ताप अपव्यय नियंत्रण प्रणाली क्यों चुन रहे हैं।

न केवल ये प्रणालियाँ विकल्पों की एक विस्तृत श्रृंखला प्रदान करती हैं, बल्कि कई मामलों में वे ताप प्रबंधन के लिए बेहतर विकल्प प्रदान करती हैं।

पारंपरिक तरल शीतलन समाधानों की तुलना में, निष्क्रिय शीतलन प्रणालियां अधिक विश्वसनीय हैं (कम परिवहन घटकों का मतलब विफलता का कम जोखिम है), कम रखरखाव की आवश्यकता होती है, डिजाइन में अधिक लचीले होते हैं, शांत संचालन करते हैं, और कई मामलों में लागत का प्रबंधन करना आसान होता है। कुछ महत्वपूर्ण चिकित्सा उपकरण अनुप्रयोगों में एकीकृत निष्क्रिय ताप प्रबंधन अवधारणाओं के कई उदाहरण नीचे प्रस्तुत किए गए हैं।

बीमारी के इलाज़ के लिए तस्वीरें लेना

क्योंकि एक महत्वपूर्ण तापमान के बाद इलेक्ट्रॉनिक्स का प्रदर्शन तेजी से बिगड़ता है, केस कूलिंग उन तकनीकों के लिए महत्वपूर्ण है जो चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (एमआरआई), कंप्यूटेड टोमोग्राफी (सीटी), अल्ट्रासाउंड और एक्स-रे जैसे बहुत सारे इलेक्ट्रॉनिक घटकों का उपयोग करती हैं। तापमान में छोटे उतार-चढ़ाव भी अंशांकन और परिणामों को प्रभावित कर सकते हैं, जिसके परिणामस्वरूप महंगा डाउनटाइम और रखरखाव होता है। एफडीए ने चिकित्सा उपकरणों, जैसे स्कैनर, जैव प्रौद्योगिकी उपकरणों, और प्रयोगशाला माइक्रोसेज़ के लिए परीक्षण के परिणामों की पुनरावर्तनीयता और पुनरुत्पादन को निकट-पूर्णता (95 प्रतिशत से अधिक या उसके बराबर) की ओर ले जाने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाई है। सटीकता सुनिश्चित करने के लिए, विनिर्देश एक डायग्नोस्टिक इमेजर (21 सीएफआर 900.12) के लिए 31 अलग-अलग परीक्षणों को अनिवार्य करता है, जिनमें से कई गर्मी अपव्यय से समझौता कर रहे हैं। नैदानिक ​​चिकित्सा उपकरणों के लिए प्रतिस्पर्धी बाजार ने सख्त गर्मी लंपटता नियंत्रण को इलेक्ट्रॉनिक उत्पादों के डिजाइन में और भी महत्वपूर्ण कारक बना दिया है।

डिजाइनर आमतौर पर डिवाइस चेसिस के आंतरिक और बाहरी वातावरण के बीच 10 डिग्री सेल्सियस के तापमान अंतर के साथ तापमान भिन्नता (δT) की एक बहुत ही संकीर्ण सीमा के भीतर काम करते हैं। गर्मी के कई स्रोत (जैसे उपकरण शक्ति और अन्य असतत इलेक्ट्रॉनिक घटक) 1200 वाट या उससे अधिक के कुल बिजली उत्पादन का उत्पादन कर सकते हैं, जिनमें से 400 वाट अपशिष्ट गर्मी का निर्वहन होता है। पंखे के आकार और हवा की गति की सीमा के साथ, मौन प्राप्त करना अधिक जटिल हो जाता है। इन समस्याओं को अक्सर थर्मल ट्यूब हीट एक्सचेंजर द्वारा सबसे बड़ी हद तक हल किया जा सकता है। हीट कंडक्शन ट्यूब हीट एक्सचेंजर में, हीट कंडक्शन ट्यूब के माध्यम से उपकरण के अंदर से उपकरण के बाहर तक गर्मी का संचार किया जाता है, और फिर फिन टाइप हीट सिंक के माध्यम से आसपास की हवा में छुट्टी दे दी जाती है। बड़ा पंख क्षेत्र और अधिक कुशल गर्मी हस्तांतरण ट्यूब छोटे, शांत प्रशंसकों की अनुमति देते हैं जो नियामक और नैदानिक ​​​​सेटिंग्स की कठोर गर्मी अपव्यय आवश्यकताओं को पूरा करते हैं। कुछ मामलों में, ट्यूब के लिए गर्मी चालन ट्यूब प्रौद्योगिकी का उपयोग करना भी संभव है, इस प्रकार गर्मी के हस्तांतरण को पूरा करने के लिए इलेक्ट्रॉनिक्स या प्रशंसकों के बजाय ऊष्मप्रवैगिकी के नियमों का उपयोग करना।

क्रिटिकल केयर मॉनिटरिंग इक्विपमेंट में डिस्प्ले को ठंडा करने के लिए इसी तरह की हीट पाइप तकनीक का इस्तेमाल किया जाता है। जैसा कि चित्र में दिखाया गया है, एक रैक प्रकार की थर्मल ट्यूब असेंबली कम तकनीकी रखरखाव प्रयास के साथ सही थर्मल स्थिरता प्रदान कर सकती है। हस्तांतरण घटकों की अनुपस्थिति कई मिलियन घंटों के सामान्य सेवा जीवन की अनुमति देती है, जिससे महत्वपूर्ण देखभाल संचालन के दौरान विफलता लगभग असंभव हो जाती है।

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