被动散热管理方案推动医疗电子设备发展

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。