從成像設(shè)備到手術(shù)器械再到自動(dòng)免疫，二十一世紀(jì)功能強(qiáng)大的醫(yī)療技術(shù)令人刮目相看，這在很大程度上要?dú)w功于微處理器計(jì)算能力的提高。然而，對(duì)散熱工程師們而言，這些進(jìn)步也同樣付出了相應(yīng)的代價(jià)。設(shè)備的功率越大意味著其發(fā)熱量越大，并且從總體來講，還要在越來越小的空間里進(jìn)行散熱（因設(shè)備的體積變得越來越?。?。隨著我們對(duì)醫(yī)療設(shè)備精確度和可靠性的要求越來越高，散熱控制變得更加重要。

另一個(gè)挑戰(zhàn)源自于醫(yī)療設(shè)備因涉及高風(fēng)險(xiǎn)而存在某些特殊要求的這一事實(shí)。例如，因?yàn)榭紤]到有些材料與人體的親密性，散熱解決方案中的有些常用材料（如，銅）在許多醫(yī)療應(yīng)用中都不能使用（銅除了會(huì)造成人體組織發(fā)炎之外，還會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的、不可逆轉(zhuǎn)的神經(jīng)組織退化）。有些醫(yī)療應(yīng)用出于對(duì)精確度的需要，可能會(huì)把供冷卻解決方案使用的空間壓縮到幾乎消失的地步——有些手術(shù)器械需要進(jìn)行散熱量管理以避免對(duì)人體組織造成傷害，但它們僅為設(shè)計(jì)人員提供0.5毫米的位置來部署傳熱技術(shù)。

另一個(gè)要求采用超小型導(dǎo)熱管理方案的領(lǐng)域是人體植入式設(shè)備的設(shè)計(jì)，植入式設(shè)備即要求尺寸小也要求具有精確的溫度變化系數(shù)(?T°) ，以便保護(hù)人體器官。最后，溫度迅速地做周期性變化（在幾毫秒內(nèi)溫度波動(dòng)的范圍高達(dá)50℃）是許多實(shí)驗(yàn)室設(shè)備（如DNA捻接器）的共同特點(diǎn)。

所有這些與精確度、可靠性、尺寸限制和嚴(yán)格材料選擇相關(guān)的因素使得醫(yī)療散熱工程設(shè)計(jì)對(duì)設(shè)計(jì)人員而言成了一件高難度的事。熱傳設(shè)計(jì)工程師們必須在效率和尺寸Vs成本之間做取舍，并且越來越多地是在散熱性能Vs低噪音之間做取舍（這意味著盡管風(fēng)扇的高容積氣流量使其具有最佳的散熱性能，但在有些應(yīng)用中卻不能使用風(fēng)扇）。

傳熱

散熱工程師們已經(jīng)越來越多地轉(zhuǎn)向被動(dòng)傳熱設(shè)備（如，導(dǎo)熱管）來應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。因?yàn)閷?dǎo)熱管內(nèi)的工作液有液體和水蒸氣兩種存在形式，所以導(dǎo)熱管為兩相冷卻器件。工作液從液態(tài)到水蒸氣的轉(zhuǎn)變實(shí)現(xiàn)了熱量的傳送。導(dǎo)熱管內(nèi)的工作液經(jīng)過蒸發(fā)、傳送（熱量）、冷凝和冷凝后的工作液被送回蒸發(fā)區(qū)這一連續(xù)周期。在此工作過程中不會(huì)有傳送零部件失效---在哪些可靠性極其重要以取得精確結(jié)果或?qū)崿F(xiàn)病人康復(fù)的應(yīng)用中，這是核心的考慮因素。被動(dòng)傳熱組件的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單明了，一般涉及一個(gè)注有工作液、相對(duì)容易做到微型化的真空密封管。不斷進(jìn)步的毛細(xì)結(jié)構(gòu)技術(shù)有助于確保已經(jīng)冷卻和冷凝的工作液能抵抗重力，將其有效而可靠地送回導(dǎo)熱管的熱量輸入段。這使得導(dǎo)熱管可工作在不同朝向。在有更多設(shè)計(jì)自由的情況下，設(shè)計(jì)人員甚至可以采用柔性導(dǎo)熱管。

另一個(gè)比較常用的散熱方案是散熱片。散熱片可以工作在強(qiáng)迫或自然對(duì)流方式。但同樣，無論采用哪種方案都意味著要進(jìn)行取舍。如果加大用來冷卻的氣流，則意味著可以減少散熱鰭片的數(shù)量或縮小散熱鰭的面積。但是，如果風(fēng)扇產(chǎn)生的氣流越大，其所產(chǎn)生的噪音也越大；如果風(fēng)扇產(chǎn)生的氣流小，則風(fēng)扇運(yùn)行更安靜且尺寸能做到更小，但這又意味著散熱片必須有更多或更大的散熱鰭片。因此，在同一設(shè)備內(nèi)要讓散熱組件同時(shí)做到尺寸更小和更安靜不是件容易的事。

在導(dǎo)熱管熱交換器中，熱量經(jīng)導(dǎo)熱管傳導(dǎo)至散熱鰭片，然后散發(fā)到周圍空氣中。

但是也能做到。同時(shí)減小尺寸和降低噪音的方法就是讓散熱器片更加等溫?？蓪?duì)之前采用單個(gè)熱電冷卻器（TEC）進(jìn)行冷卻的散熱片重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，改用多個(gè)TEC，通過散熱片表面均勻地傳熱，而不再是純粹地依靠導(dǎo)熱來傳熱。然而，這類方案除了需要維修之外，還增加了電子器件的復(fù)雜性和成本。

機(jī)架式導(dǎo)熱管組件可以提供完善的熱穩(wěn)定性且技術(shù)維護(hù)工作量不大。

還有一個(gè)更簡(jiǎn)單的散熱方案是利用被動(dòng)散熱技術(shù)，將散熱片與嵌入式蒸汽腔（本質(zhì)上就是將一個(gè)導(dǎo)熱管調(diào)整為扁平狀態(tài)成為平坦的導(dǎo)熱管）相組合，或使用表面整合了導(dǎo)熱管的散熱片。這兩種方案都可以通過蒸發(fā)嵌入式導(dǎo)熱管或蒸氣腔中的工作液來快速而均勻地傳熱。水蒸氣攜熱量均勻地通過散熱片的整個(gè)底板表面和散熱鰭片，避免了熱點(diǎn)的出現(xiàn)。因?yàn)樯崞堑葴氐?，所以穿過散熱鰭片的流動(dòng)空氣帶走的熱量最多。

總的來說，醫(yī)療設(shè)備轉(zhuǎn)向被動(dòng)散熱設(shè)備（如，導(dǎo)熱管、散熱片和蒸汽腔）的趨勢(shì)反映了朝尺寸更小、功能更強(qiáng)大和更微型化電子產(chǎn)品的不斷演進(jìn)。盡管有更多的傳統(tǒng)冷卻方案（制冷、TEC、液體冷卻板、等等）仍是有些醫(yī)療設(shè)備最適當(dāng)?shù)倪x擇，然而設(shè)計(jì)師們發(fā)現(xiàn)，隨著被動(dòng)冷卻技術(shù)的發(fā)展，它將變得越來越有吸引力。

材料結(jié)構(gòu)所取得的一系列進(jìn)步也使得被動(dòng)散熱方案對(duì)醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)人員而言更具吸引力。例如，隨著熱解石墨（APG）的出現(xiàn)，使得相比傳統(tǒng)的鋁或銅質(zhì)散熱片尺寸更小、重量更輕和散熱更有效的散熱組件成為可能。

隨著產(chǎn)品朝著更微型化和電子外殼更小型化的趨勢(shì)發(fā)展，導(dǎo)熱率更高的材料可以助設(shè)計(jì)人員一臂之力。APG的有效熱傳導(dǎo)率為1000 W/m?K，這是固體鋁的5倍，固體銅的2.5倍。APG也可以被封裝用于手術(shù)器械等應(yīng)用。在這類應(yīng)用中，出于對(duì)組織損壞、結(jié)疤或感染的考慮，避免APG與人體組織相接觸至關(guān)重要。

APG等材料的發(fā)展有助于解釋為什么醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)人員更多地選擇被動(dòng)散熱控制系統(tǒng)。因?yàn)檫@些系統(tǒng)不僅能提供更廣泛的選擇，并且在很多情況下能提供更好的散熱管理方案選項(xiàng)。相比傳統(tǒng)的液體冷卻方案，被動(dòng)散熱系統(tǒng)更可靠（傳送部件越少意味著失效的風(fēng)險(xiǎn)也越低）、維修工作量減少、設(shè)計(jì)更靈活，運(yùn)行更安靜，并且在許多情況下更容易管理成本。下文給出了多個(gè)整合在一些重要醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用中的被動(dòng)散熱管理概念的示例。

診斷成像

因?yàn)殡娮赢a(chǎn)品的性能在達(dá)到臨界溫度之后會(huì)迅速下降，外殼冷卻對(duì)用到電子元器件較多的技術(shù)至為關(guān)鍵，如磁共振成像（MRI）、電腦斷層掃描（CT）、超聲波和X光（X射線）。溫度的細(xì)微波動(dòng)都將影響校準(zhǔn)和結(jié)果，從而導(dǎo)致代價(jià)昂貴的停機(jī)和維修。在推動(dòng)掃描儀、生物技術(shù)設(shè)備及實(shí)驗(yàn)室微化驗(yàn)等醫(yī)療設(shè)備測(cè)試結(jié)果的可重復(fù)性和可再現(xiàn)性朝著接近完美的程度（≥95％）發(fā)展，美國FDA扮演了重要的角色。為了確保其精確性，僅單獨(dú)一臺(tái)診斷成像機(jī) (21 CFR 900.12)，規(guī)范就強(qiáng)制要求進(jìn)行31項(xiàng)單獨(dú)的測(cè)試，其中有很多項(xiàng)測(cè)試會(huì)受到散熱性能的影響。競(jìng)爭(zhēng)性的診斷醫(yī)療設(shè)備市場(chǎng)使得嚴(yán)格的散熱控制成為電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中更為重要的因素。

設(shè)計(jì)人員通常要在很窄的溫度變化范圍（ΔT）內(nèi)開展工作，設(shè)備機(jī)箱內(nèi)部和外部環(huán)境溫度一般相差10℃。多個(gè)發(fā)熱源（如設(shè)備電源以及其它分立電子組件）可產(chǎn)生1200瓦或1200瓦以上的總輸出功率，其中有400瓦為需要排放的廢熱。在限制風(fēng)扇大小和風(fēng)速的情況下，要實(shí)現(xiàn)靜音工作變得更加復(fù)雜。

這些難題往往都可通過導(dǎo)熱管換熱器最大程度地解決。在導(dǎo)熱管換熱器中，熱量經(jīng)導(dǎo)熱管從設(shè)備的內(nèi)部傳導(dǎo)至設(shè)備外部，然后通過鰭片式散熱片排放到周圍空氣中。如果換熱器的鰭片面積越大、導(dǎo)熱管的效率越高，就允許使用更小、更安靜的風(fēng)扇，并且能滿足法規(guī)和臨床環(huán)境下嚴(yán)格的散熱要求。在某些情況下，也可以將導(dǎo)熱管技術(shù)用于導(dǎo)熱管本身，從而利用熱力學(xué)定律而不是電子設(shè)備或風(fēng)扇來完成熱量的傳送。

在重要的護(hù)理監(jiān)控設(shè)備中，也用到了類似的導(dǎo)熱管技術(shù)來冷卻顯示器。如圖中所示，一臺(tái)機(jī)架式導(dǎo)熱管組件可以在技術(shù)維護(hù)工作量很小的情況下提供完善的熱穩(wěn)定性。因沒有用到傳送部件，這使得導(dǎo)熱管的正常工作壽命可以達(dá)到幾百萬個(gè)小時(shí)，從而在關(guān)鍵的護(hù)理操作中幾乎不可能會(huì)出現(xiàn)失效。