Applicazione della soluzione di gestione del raffreddamento passivo nelle apparecchiature elettroniche mediche
Dalle apparecchiature per l’imaging agli strumenti chirurgici, fino all’immunità automatica, la potente tecnologia medica del 21° secolo è impressionante, in gran parte grazie alla migliorata potenza di calcolo dei microprocessori. Tuttavia, per gli ingegneri termici, questi progressi hanno avuto anche un costo corrispondente. Maggiore è la potenza del dispositivo, maggiore sarà la generazione di calore e, nel complesso, dovrà anche dissipare calore in spazi sempre più piccoli (a causa delle dimensioni ridotte del dispositivo). Con la crescente domanda di precisione e affidabilità delle apparecchiature mediche, il controllo termico è diventato più importante.
Un'altra sfida deriva dal fatto che i dispositivi medici hanno determinati requisiti speciali a causa del loro coinvolgimento in rischi elevati. Ad esempio, a causa dell’intima relazione tra alcuni materiali e il corpo umano, alcuni materiali comunemente utilizzati nelle soluzioni di dissipazione del calore (come il rame) non possono essere utilizzati in molte applicazioni mediche. Alcune applicazioni mediche possono comprimere lo spazio utilizzato per le soluzioni di raffreddamento fino quasi a scomparire a causa della necessità di precisione. Tutti questi fattori legati alla precisione, all'affidabilità, ai limiti dimensionali e alla rigorosa selezione dei materiali rendono la progettazione tecnica della dissipazione del calore in ambito medico un compito estremamente impegnativo per i progettisti. I progettisti del trasferimento di calore devono trovare un compromesso tra efficienza, dimensioni e costi e, sempre più spesso, tra prestazioni di dissipazione del calore e bassa rumorosità.
Gli ingegneri termici si rivolgono sempre più a dispositivi di trasferimento del calore passivi (come i tubi di calore) per affrontare queste sfide. Poiché il fluido di lavoro all'interno del tubo di trasferimento del calore esiste in due forme: liquido e vapore acqueo, il tubo di trasferimento del calore è un dispositivo di raffreddamento a due fasi. La trasformazione del fluido di lavoro da liquido a vapore acqueo consente il trasferimento di calore. Il fluido di lavoro all'interno del tubo di trasferimento del calore subisce un ciclo continuo di evaporazione, trasferimento di calore, condensazione e il fluido di lavoro condensato viene rimandato alla zona di evaporazione. Non si verificherà alcun guasto dei componenti della trasmissione durante questo processo di lavoro. La tecnologia della struttura capillare in costante progresso aiuta a garantire che il fluido di lavoro raffreddato e condensato possa resistere alla gravità, rimandandolo in modo efficace e affidabile alla sezione di ingresso del calore del tubo di trasferimento del calore. Ciò consente al tubo di trasferimento del calore di funzionare con diversi orientamenti. Nei casi in cui vi è maggiore libertà progettuale, i progettisti possono anche utilizzare tubi termici flessibili.
Un'altra soluzione di raffreddamento comunemente utilizzata è il dissipatore di calore. Il dissipatore di calore può funzionare in modalità convezione forzata o naturale. Tuttavia, indipendentemente dall’approccio adottato, ciò significa fare un compromesso. Se si aumenta il flusso d'aria utilizzato per il raffreddamento, è possibile ridurre il numero o l'area delle alette. Tuttavia, maggiore è il flusso d'aria generato dalla ventola, maggiore sarà il rumore prodotto; Se il flusso d'aria generato dalla ventola è piccolo, la ventola funziona in modo più silenzioso e può essere di dimensioni più piccole, ma ciò significa anche che il dissipatore di calore deve avere alette più o più grandi. Pertanto, non è facile rendere i componenti termici più piccoli e più silenziosi all’interno dello stesso dispositivo.
Una soluzione di raffreddamento più semplice consiste nell'utilizzare la tecnologia di dissipazione del calore passiva, combinando dissipatori di calore con camere di vapore integrate (essenzialmente regolando un tubo di trasferimento di calore in uno stato piatto per diventare un tubo di trasferimento di calore piatto) o utilizzando dissipatori di calore con tubi di trasferimento di calore integrati sulla superficie. Entrambi questi schemi possono ottenere un trasferimento di calore rapido e uniforme facendo evaporare il liquido di lavoro nel tubo di trasferimento del calore incorporato o nella camera di vapore. Il vapore acqueo trasporta il calore in modo uniforme attraverso l'intera superficie della piastra inferiore e delle alette del dissipatore di calore, evitando il verificarsi di punti caldi. Poiché il dissipatore di calore è isotermico, il flusso d'aria che passa attraverso il dissipatore di calore porta via la maggior parte del calore.
Nel processo di sviluppo delle apparecchiature mediche, la gestione termica passiva è chiaramente un fattore importante nel contribuire a garantire la precisione e la funzionalità avanzata delle attuali apparecchiature mediche e può migliorare ulteriormente queste capacità. Le soluzioni di gestione del raffreddamento passivo presentano preziosi vantaggi nel risparmiare spazio, ridurre il peso e ridurre i costi di manutenzione. Rispetto ai sistemi di raffreddamento che si basano su liquidi pompati, le soluzioni di raffreddamento passivo hanno un impatto minore sull’ambiente. Il miglioramento della funzionalità e della potenza di calcolo dei dispositivi elettronici ha generato più calore che deve essere dissipato e la miniaturizzazione dei dispositivi medici sta gradualmente riducendo lo spazio per l’implementazione dei dispositivi di gestione del calore. Le tecnologie di raffreddamento innovative svolgono un ruolo importante nello sviluppo futuro dei dispositivi medici.
