隨著醫(yī)療診斷和分析儀器小型化的趨勢(shì)，制造商嘗試將更多的功能集成在更緊湊的空間中，這導(dǎo)致熱通量不平衡的發(fā)生，嚴(yán)重影響設(shè)備的使用壽命和診斷準(zhǔn)確性。致力于開發(fā)更具市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品的醫(yī)療企業(yè)們開始認(rèn)識(shí)到熱控制的重要性。溫度控制系統(tǒng)在性能、尺寸和改善測(cè)試結(jié)果方面發(fā)揮著重要作用。
熱控制系統(tǒng)
熱控制系統(tǒng)通常由四個(gè)組件組成：熱源、散熱器、溫度傳感器和控制器。通過各個(gè)組件的成功集成，以獲得最大的性能、最小的成本和盡可能短的周轉(zhuǎn)時(shí)間。
制造商使用的熱控制解決方案主要分為兩類：主動(dòng)冷卻和被動(dòng)冷卻。
1、主動(dòng)冷卻
1.1風(fēng)扇：
風(fēng)扇通過使空氣穿過熱部件，吸收部件的熱量來(lái)達(dá)到降溫的目的。整體冷卻效果由空氣的流速和溫度以及部件的尺寸和輸出量來(lái)決定。
優(yōu)點(diǎn)：
成本低
安裝靈活
缺點(diǎn)：
不斷的空氣交換增加灰塵和濕氣的可能性
對(duì)大功率設(shè)備無(wú)效
不能冷卻至環(huán)境溫度以下
1.2散熱器：
通常，散熱器由鋁制成，因?yàn)殇X具有相對(duì)較高的導(dǎo)熱性和較低的成本。它可以通過擠壓、沖壓、粘合、鑄造或機(jī)加工來(lái)獲得可最大化表面積的形狀，從而促進(jìn)周圍較冷空氣的熱量吸收。
優(yōu)點(diǎn)：
成本低
安裝靈活
缺點(diǎn)：
沒有溫度控制
不能冷卻至環(huán)境溫度以下
1.3液體冷板：
通常，液體冷板由銅、鋁或鋁銅管制成。熱量被泵運(yùn)送通過板的液體吸收，板直接附著在被冷卻的物體上。在開環(huán)系統(tǒng)中，液體（通常是自來(lái)水）流經(jīng)板并通過排水管排出。在閉環(huán)系統(tǒng)中，泵通過熱交換器或散熱器使液體再循環(huán)。
優(yōu)點(diǎn)：
體積小
高效散熱
缺點(diǎn)：
沒有溫度控制
存在泄漏的可能性
不能冷卻至環(huán)境（液體）溫度以下
液體來(lái)源的可用性
2、被動(dòng)冷卻
2.1熱管：
熱管是一種密封容器，通過內(nèi)部流體的蒸發(fā)和冷凝來(lái)傳遞熱量。通常使用氨、水、丙酮或甲醇等特殊流體。當(dāng)熱量在蒸發(fā)器內(nèi)被吸收時(shí)，流體被蒸發(fā)，從而在熱管內(nèi)產(chǎn)生壓力梯度。蒸汽被迫流到管道的較冷端，在此處凝結(jié)，將熱量釋放給周圍環(huán)境。冷凝的流體通過毛細(xì)結(jié)構(gòu)內(nèi)的重力或毛細(xì)管作用返回蒸發(fā)器。
優(yōu)點(diǎn)：
體積小
可靠性高
缺點(diǎn)：
沒有溫度控制
不能冷卻至環(huán)境溫度以下
2.2壓縮機(jī)：
商用的壓縮機(jī)冷卻系統(tǒng)包括三個(gè)部分：蒸發(fā)器、壓縮機(jī)和冷凝器。在蒸發(fā)器中，加壓的制冷劑可以膨脹、沸騰和蒸發(fā)，在從液體變?yōu)闅怏w時(shí)吸收熱量。壓縮機(jī)起到制冷劑泵的作用，并將氣體重新壓縮成液體。冷凝器將吸收的熱量（以及壓縮過程中產(chǎn)生的熱量）排出到周圍環(huán)境中。
優(yōu)點(diǎn)：
冷卻能力高
可以冷卻至環(huán)境溫度以下
允許溫度控制
缺點(diǎn)：
通常體積龐大
噪音大
安裝靈活性有限
維護(hù)和可靠性差
2.3熱電冷卻器：
熱電冷卻器是由半導(dǎo)體材料制成的固態(tài)熱泵。它們沒有移動(dòng)部件，但包含一系列夾在陶瓷板之間的 p 型和 n 型半導(dǎo)體對(duì)或結(jié)。當(dāng)電子從p型元件的低能級(jí)傳遞到n型元件的高能級(jí)時(shí)，熱量在冷結(jié)處被電子吸收。在熱結(jié)處，當(dāng)電子從高能n型元件移動(dòng)到低能p型元件時(shí)，能量被排出到散熱器。
優(yōu)點(diǎn)：
尺寸小
安裝靈活
無(wú)移動(dòng)部件
可以冷卻至環(huán)境溫度以下
允許溫度控制
提供加熱能力
與散熱器、冷板和熱管兼容
缺點(diǎn)：
需要直流電源
成本高
高性能、高靈敏成像設(shè)備和樣品處理診斷系統(tǒng)都需要適當(dāng)?shù)臒峥刂?，以確保準(zhǔn)確性和功能。制造商需要識(shí)別溫度敏感部件，以便開發(fā)具有良好兼容性和經(jīng)濟(jì)高效的集成系統(tǒng)。
基于PCR護(hù)理點(diǎn)檢測(cè)被認(rèn)為是診斷傳染病的金標(biāo)準(zhǔn)。便攜式護(hù)理點(diǎn)測(cè)試（POCT）設(shè)備需要更復(fù)雜的熱控制解決方案，能夠承受快速溫度變化引起的機(jī)械應(yīng)力。
應(yīng)用挑戰(zhàn)
挑戰(zhàn)一
測(cè)試次數(shù)和樣本量有助于確定冷卻 POC設(shè)備所需的熱管理系統(tǒng)的參數(shù)。有些POCT設(shè)備需要精確熱控制的溫度敏感光電器件。為了保持最佳性能，這類器件必須在精確的溫度范圍內(nèi)，確保測(cè)試結(jié)果的一致性。
挑戰(zhàn)二
PCR檢測(cè)等POCT應(yīng)用需要更復(fù)雜和精確的溫度穩(wěn)定管理。用于實(shí)時(shí)PCR檢測(cè)的熱循環(huán)儀需要多達(dá)40個(gè)熱循環(huán)才能產(chǎn)生數(shù)百萬(wàn)條DNA序列用于分析。由于在加熱和冷卻循環(huán)期間發(fā)生的機(jī)械應(yīng)力會(huì)縮短部件的使用壽命，甚至影響檢測(cè)結(jié)果。因此必須通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)對(duì)每個(gè)設(shè)定點(diǎn)的溫度加熱和冷卻過程進(jìn)行精確的溫度控制。
挑戰(zhàn)三
便攜式POCT設(shè)備需要減小儀器的尺寸、重量和功率要求。制造商必須縮小POCT設(shè)備的尺寸，以便于攜帶至實(shí)驗(yàn)室之外的其他區(qū)域。設(shè)備的小型化使工程師將更多的功能集成在更小的空間中，從而導(dǎo)致熱密度增加。這種熱量必須有效地消散到周圍環(huán)境中，以滿足提高性能的要求。
隨著下一代醫(yī)療器械小型化，快捷化和檢測(cè)精確化的發(fā)展趨勢(shì)，設(shè)計(jì)中的熱管理變得更加重要。
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