被动散热管理方案推动医疗电子设备发展

 从成像设备到手术器械再到自动免疫，二十一世纪功能强大的医疗技术令人刮目相看，这在很大程度上要归功于微处理器计算能力的提高。然而，对散热工程师们而言，这些进步也同样付出了相应的代价。设备的功率越大意味着其发热量越大，并且从总体来讲，还要在越来越小的空间里进行散热(因设备的体积变得越来越小)。随着我们对医疗设备精确度和可靠性的要求越来越高，散热控制变得更加重要。

另一个挑战源自于医疗设备因涉及高风险而存在某些特殊要求的这一事实。例如，因为考虑到有些材料与人体的亲密性，散热解决方案中的有些常用材料(如，铜)在许多医疗应用中都不能使用(铜除了会造成人体组织发炎之外，还会导致严重的、不可逆转的神经组织退化)。有些医疗应用出于对精确度的需要，可能会把供冷却解决方案使用的空间压缩到几乎消失的地步——有些手术器械需要进行散热量管理以避免对人体组织造成伤害，但它们仅为设计人员提供0.5毫米的位置来部署传热技术。

另一个要求采用超小型导热管理方案的领域是人体植入式设备的设计，植入式设备即要求尺寸小也要求具有精确的温度变化系数(?T°) ，以便保护人体器官。最后，温度迅速地做周期性变化(在几毫秒内温度波动的范围高达50℃)是许多实验室设备(如DNA捻接器)的共同特点。

所有这些与精确度、可靠性、尺寸限制和严格材料选择相关的因素使得医疗散热工程设计对设计人员而言成了一件高难度的事。热传设计工程师们必须在效率和尺寸Vs成本之间做取舍，并且越来越多地是在散热性能Vs低噪音之间做取舍(这意味着尽管风扇的高容积气流量使其具有最佳的散热性能，但在有些应用中却不能使用风扇)。

传热

散热工程师们已经越来越多地转向被动传热设备(如，导热管)来应对这些挑战。因为导热管内的工作液有液体和水蒸气两种存在形式，所以导热管为两相冷却器件。工作液从液态到水蒸气的转变实现了热量的传送。导热管内的工作液经过蒸发、传送(热量)、冷凝和冷凝后的工作液被送回蒸发区这一连续周期。在此工作过程中不会有传送零部件失效---在哪些可靠性极其重要以取得精确结果或实现病人康复的应用中，这是核心的考虑因素。被动传热组件的设计简单明了，一般涉及一个注有工作液、相对容易做到微型化的真空密封管。不断进步的毛细结构技术有助于确保已经冷却和冷凝的工作液能抵抗重力，将其有效而可靠地送回导热管的热量输入段。这使得导热管可工作在不同朝向。在有更多设计自由的情况下，设计人员甚至可以采用柔性导热管。

另一个比较常用的散热方案是散热片。散热片可以工作在强迫或自然对流方式。但同样，无论采用哪种方案都意味着要进行取舍。如果加大用来冷却的气流，则意味着可以减少散热鳍片的数量或缩小散热鳍的面积。但是，如果风扇产生的气流越大，其所产生的噪音也越大;如果风扇产生的气流小，则风扇运行更安静且尺寸能做到更小，但这又意味着散热片必须有更多或更大的散热鳍片。因此，在同一设备内要让散热组件同时做到尺寸更小和更安静不是件容易的事。

在导热管热交换器中，热量经导热管传导至散热鳍片，然后散发到周围空气中。

但是也能做到。同时减小尺寸和降低噪音的方法就是让散热器片更加等温。可对之前采用单个热电冷却器(TEC)进行冷却的散热片重新进行设计，改用多个TEC，通过散热片表面均匀地传热，而不再是纯粹地依靠导热来传热。然而，这类方案除了需要维修之外，还增加了电子器件的复杂性和成本。

机架式导热管组件可以提供完善的热稳定性且技术维护工作量不大。

还有一个更简单的散热方案是利用被动散热技术，将散热片与嵌入式蒸汽腔(本质上就是将一个导热管调整为扁平状态成为平坦的导热管)相组合，或使用表面整合了导热管的散热片。这两种方案都可以通过蒸发嵌入式导热管或蒸气腔中的工作液来快速而均匀地传热。水蒸气携热量均匀地通过散热片的整个底板表面和散热鳍片，避免了热点的出现。因为散热片是等温的，所以穿过散热鳍片的流动空气带走的热量最多。

总的来说，医疗设备转向被动散热设备(如，导热管、散热片和蒸汽腔)的趋势反映了朝尺寸更小、功能更强大和更微型化电子产品的不断演进。尽管有更多的传统冷却方案(制冷、TEC、液体冷却板、等等)仍是有些医疗设备最适当的选择，然而设计师们发现，随着被动冷却技术的发展，它将变得越来越有吸引力。

材料结构所取得的一系列进步也使得被动散热方案对医疗设备设计人员而言更具吸引力。例如，随着热解石墨(APG)的出现，使得相比传统的铝或铜质散热片尺寸更小、重量更轻和散热更有效的散热组件成为可能。

随着产品朝着更微型化和电子外壳更小型化的趋势发展，导热率更高的材料可以助设计人员一臂之力。APG的有效热传导率为1000 W/m?K，这是固体铝的5倍，固体铜的2.5倍。APG也可以被封装用于手术器械等应用。在这类应用中，出于对组织损坏、结疤或感染的考虑，避免APG与人体组织相接触至关重要。

APG等材料的发展有助于解释为什么医疗设备设计人员更多地选择被动散热控制系统。因为这些系统不仅能提供更广泛的选择，并且在很多情况下能提供更好的散热管理方案选项。相比传统的液体冷却方案，被动散热系统更可靠(传送部件越少意味着失效的风险也越低)、维修工作量减少、设计更灵活，运行更安静，并且在许多情况下更容易管理成本。下文给出了多个整合在一些重要医疗设备应用中的被动散热管理概念的示例。

诊断成像

因为电子产品的性能在达到临界温度之后会迅速下降，外壳冷却对用到电子元器件较多的技术至为关键，如磁共振成像(MRI)、电脑断层扫描(CT)、超声波和X光(X射线)。温度的细微波动都将影响校准和结果，从而导致代价昂贵的停机和维修。在推动扫描仪、生物技术设备及实验室微化验等医疗设备测试结果的可重复性和可再现性朝着接近完美的程度(≥95%)发展，美国FDA扮演了重要的角色。为了确保其精确性，仅单独一台诊断成像机 (21 CFR 900.12)，规范就强制要求进行31项单独的测试，其中有很多项测试会受到散热性能的影响。竞争性的诊断医疗设备市场使得严格的散热控制成为电子产品设计中更为重要的因素。

设计人员通常要在很窄的温度变化范围(ΔT)内开展工作，设备机箱内部和外部环境温度一般相差10℃。多个发热源(如设备电源以及其它分立电子组件)可产生1200瓦或1200瓦以上的总输出功率，其中有400瓦为需要排放的废热。在限制风扇大小和风速的情况下，要实现静音工作变得更加复杂。

这些难题往往都可通过导热管换热器最大程度地解决。在导热管换热器中，热量经导热管从设备的内部传导至设备外部，然后通过鳍片式散热片排放到周围空气中。如果换热器的鳍片面积越大、导热管的效率越高，就允许使用更小、更安静的风扇，并且能满足法规和临床环境下严格的散热要求。在某些情况下，也可以将导热管技术用于导热管本身，从而利用热力学定律而不是电子设备或风扇来完成热量的传送。

在重要的护理监控设备中，也用到了类似的导热管技术来冷却显示器。如图中所示，一台机架式导热管组件可以在技术维护工作量很小的情况下提供完善的热稳定性。因没有用到传送部件，这使得导热管的正常工作寿命可以达到几百万个小时，从而在关键的护理操作中几乎不可能会出现失效。

化验和样品筛选

有些最具挑战性的准确性和可重复性要求与自动化血清和尿液筛检化验有关。这些设备使用激光和先进的光学系统以确保对数千样品的全面校准和测量的一致性。必须保护这些系统不受机械系统(如，用于移动样品和试剂的输送机)以及其它电子产品和电源所产生热量的影响。

之前自动化验所用的散热管理方案使用的是TEC，通常从样品校准区两侧地散发的热量不一致。然而，被动热传导方案依赖于铜质蓄热器，将热量经导热管传送至散热鳍片。对导热管槽或蒸气腔进行极精密的加工是必须的，因为其表面的粗糙程度可能会降低热交换器的效率。精密机械加工最大限度地减少了表面凹凸不平的情况(达到微米级)，从而确保热交换器各个表面能彼此最大程度地与对方接触。通过降低接触热阻，有助于实现达到和热电设备等级相同的散热控制。与此同时，被动系统也解决了一致性、等温性能的难题。

有些自动化验设备为导热管组件提供了理想的底座，这是最常用的两种不同方式之一。在第一种方案中，导热管将热量传导至金属外壳或其它散热片，然后将热量散发到设备外壳外部的环境空气中。这是最简单的方案，并且具有灵活性的优势，因为可生产各种不同形状和尺寸的导热管来满足每台设备的不同需求。

被动传热方案依赖于铜质蓄热器，将热量经导热管传送至散热鳍片。

在其它应用场合，会用到第二个方案：配置有嵌入式蒸汽室的散热片，利用对流冷却，提供最佳的等温以实现更高效的冷却。相比传统的散热片，这种方案的散热能力更强，因为它不像固体散热片结构一样存在热阻。该方案通过三维热传，可实现更低的设备温度和更高的元器件可靠度。应当指出的是，这个方案可能需要更改散热片的几何形状和更改电子器件的基座。

也不是所有设备都适合使用导热管组件。有些大型和大功率的自动化检测设备可能需要一个中央液体冷却系统，将来自电子设备机箱内部的热量经冷却工作液进行传送。这种方法能提供可靠的散热控制，但可能成本很高且占用空间。此外，中央液体冷却系统还存在渗漏的可能，需要进行维护以确保最佳的系统性能。

无论选择什么样的配置，化验设备一般要求对用于极为狭窄的ΔT窗口的散热组件进行特殊设计。化验设计人员和管理规范要求通常会计算出可接受的ΔT ，然后将ΔT进一步缩小范围，以提供额外的安全余量。也可将导热管和其它被动器件用于冷却输送机等设计组件，通过采用一个只用到了少数几个或没有用到传送部件的散热解决方案来将热量散发到外界空气中。

生物技术与研究

方便聚合酶链反应(PCR)技术的循环设备已经出现，并且成为生物技术和研究的真正主力军，但它们也会带来相当棘手的散热管理难题。为了确保效率，设备温度不仅必须保持在适当的范围内，同时还必须在冷、热之间做每分钟数千次的循环，以提供可展开PCR反应的最佳条件。

被动散热控系统可使设备简单、设计灵活、成本可控制、运行安静。

PCR循环器在过去通常用多达6个TEC进行散热控制。然而，要求使用复杂且昂贵的电子设备和软件对所有TEC做一致的散热控制。但这些TEC在使用一段时间之后，由于每个TEC的降级程度不同，可能会再出现不一致和不能等温的情况。

最近针对PCR设备制造商研发了一项工艺制程，将TEC经一个石墨接口(采用32个精密钻孔的专利方案，将蒸气室组件底部贴附在热电控制器)连接到蒸汽室，因此热量通过三维轴一致地散发。该工艺制程提供瞬间等温用以匹配冷、热周期之间的恒定波动，用热力学定律替代复杂的电子算法。

手术工具

通过小直径的导热管进行蒸汽散热，对设计用于脑部外科手术等场合的镊子大有帮助。本设计包括精确的温度控制，以提高手术效率。外科产品制造商所进行的许多项实验表明，当烧灼钳的温度超过80 ° C时，被钳住的人体组织可能在手术过程中会粘在烧灼镊上。针对这一情况的专利手术钳散热设计采用有源热量传送，吸收极细(直径为1毫米或更小)手术钳尖(和人体组织) 的热量。工作液体因吸收烧灼过程中所产生的热量而蒸发。然后蒸气被送到导热管温度最低的冷凝段，蒸气因受冷而凝结，从而更有效地散热。冷凝后的工作液通过毛细管被返送至钳尖。当然，传送过程中要对抗重力工作液的重力。

微米级的精确工程设计使得在该应用中使用被动散热技术成为可能。该手术冷却系统采用尺寸最小的量产热管组件(直径为2.34毫米)，用于对尺寸为0.5"4毫米的手术钳尖进行精确的散热控制。

结论

在医疗设备的发展过程中，被动散热管理很显然是一个帮助确保当前医疗设备的精确性和先进功能的主要因素，并能将这些能力进一步发扬光大。被动散热管理方案在节省空间、减轻重量、降低维修成本等方面具有非常有价值的优势。相比那些依赖泵压液体的冷却系统，被动散热管理方案对环境的影响更小。因电子器件的功能和计算能力的提升一直在产生更多需要散发的热量，且(医疗设备)小型化正在逐步缩减用于部署散热管理器件的空间，创新的散热技术对未来医疗器械的发展发挥着重要作用。