從成像設備到手術(shù)器械再到自動免疫，二十一世紀功能強大的醫(yī)療技術(shù)令人刮目相看，這在很大程度上要歸功于微處理器計算能力的提高。然而，對散熱工程師們而言，這些進步也同樣付出了相應的代價。設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行散熱（因設備的體積變得越來越?。ｋS著我們對醫(yī)療設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。

另一個挑戰(zhàn)源自于醫(yī)療設備因涉及高風險而存在某些特殊要求的這一事實。例如，因為考慮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)療應用中都不能使用（銅除了會造成人體組織發(fā)炎之外，還會導致嚴重的、不可逆轉(zhuǎn)的神經(jīng)組織退化）。有些醫(yī)療應用出于對精確度的需要，可能會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)器械需要進行散熱量管理以避免對人體組織造成傷害，但它們僅為設計人員提供0.5毫米的位置來部署傳熱技術(shù)。

另一個要求采用超小型導熱管理方案的領(lǐng)域是人體植入式設備的設計，植入式設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)溫度波動的范圍高達50℃）是許多實驗室設備（如DNA捻接器）的共同特點。

所有這些與精確度、可靠性、尺寸限制和嚴格材料選擇相關(guān)的因素使得醫(yī)療散熱工程設計對設計人員而言成了一件高難度的事。熱傳設計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（這意味著盡管風扇的高容積氣流量使其具有最佳的散熱性能，但在有些應用中卻不能使用風扇）。

傳熱

散熱工程師們已經(jīng)越來越多地轉(zhuǎn)向被動傳熱設備（如，導熱管）來應對這些挑戰(zhàn)。因為導熱管內(nèi)的工作液有液體和水蒸氣兩種存在形式，所以導熱管為兩相冷卻器件。工作液從液態(tài)到水蒸氣的轉(zhuǎn)變實現(xiàn)了熱量的傳送。導熱管內(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)病人康復的應用中，這是核心的考慮因素。被動傳熱組件的設計簡單明了，一般涉及一個注有工作液、相對容易做到微型化的真空密封管。不斷進步的毛細結(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熱管的熱量輸入段。這使得導熱管可工作在不同朝向。在有更多設計自由的情況下，設計人員甚至可以采用柔性導熱管。

另一個比較常用的散熱方案是散熱片。散熱片可以工作在強迫或自然對流方式。但同樣，無論采用哪種方案都意味著要進行取舍。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，如果風扇產(chǎn)生的氣流越大，其所產(chǎn)生的噪音也越大；如果風扇產(chǎn)生的氣流小，則風扇運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，在同一設備內(nèi)要讓散熱組件同時做到尺寸更小和更安靜不是件容易的事。

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

但是也能做到。同時減小尺寸和降低噪音的方法就是讓散熱器片更加等溫?？蓪χ安捎脝蝹€熱電冷卻器（TEC）進行冷卻的散熱片重新進行設計，改用多個TEC，通過散熱片表面均勻地傳熱，而不再是純粹地依靠導熱來傳熱。然而，這類方案除了需要維修之外，還增加了電子器件的復雜性和成本。

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

還有一個更簡單的散熱方案是利用被動散熱技術(shù)，將散熱片與嵌入式蒸汽腔（本質(zhì)上就是將一個導熱管調(diào)整為扁平狀態(tài)成為平坦的導熱管）相組合，或使用表面整合了導熱管的散熱片。這兩種方案都可以通過蒸發(fā)嵌入式導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底板表面和散熱鰭片，避免了熱點的出現(xiàn)。因為散熱片是等溫的，所以穿過散熱鰭片的流動空氣帶走的熱量最多。

總的來說，醫(yī)療設備轉(zhuǎn)向被動散熱設備（如，導熱管、散熱片和蒸汽腔）的趨勢反映了朝尺寸更小、功能更強大和更微型化電子產(chǎn)品的不斷演進。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)療設備最適當?shù)倪x擇，然而設計師們發(fā)現(xiàn)，隨著被動冷卻技術(shù)的發(fā)展，它將變得越來越有吸引力。

材料結(jié)構(gòu)所取得的一系列進步也使得被動散熱方案對醫(yī)療設備設計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發(fā)展，導熱率更高的材料可以助設計人員一臂之力。APG的有效熱傳導率為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)器械等應用。在這類應用中，出于對組織損壞、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)療設備設計人員更多地選擇被動散熱控制系統(tǒng)。因為這些系統(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。相比傳統(tǒng)的液體冷卻方案，被動散熱系統(tǒng)更可靠（傳送部件越少意味著失效的風險也越低）、維修工作量減少、設計更靈活，運行更安靜，并且在許多情況下更容易管理成本。下文給出了多個整合在一些重要醫(yī)療設備應用中的被動散熱管理概念的示例。

診斷成像

因為電子產(chǎn)品的性能在達到臨界溫度之后會迅速下降，外殼冷卻對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）。溫度的細微波動都將影響校準和結(jié)果，從而導致代價昂貴的停機和維修。在推動掃描儀、生物技術(shù)設備及實驗室微化驗等醫(yī)療設備測試結(jié)果的可重復性和可再現(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，僅單獨一臺診斷成像機 (21 CFR 900.12)，規(guī)范就強制要求進行31項單獨的測試，其中有很多項測試會受到散熱性能的影響。競爭性的診斷醫(yī)療設備市場使得嚴格的散熱控制成為電子產(chǎn)品設計中更為重要的因素。

設計人員通常要在很窄的溫度變化范圍（ΔT）內(nèi)開展工作，設備機箱內(nèi)部和外部環(huán)境溫度一般相差10℃。多個發(fā)熱源（如設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。在限制風扇大小和風速的情況下，要實現(xiàn)靜音工作變得更加復雜。

這些難題往往都可通過導熱管換熱器最大程度地解決。在導熱管換熱器中，熱量經(jīng)導熱管從設備的內(nèi)部傳導至設備外部，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、導熱管的效率越高，就允許使用更小、更安靜的風扇，并且能滿足法規(guī)和臨床環(huán)境下嚴格的散熱要求。在某些情況下，也可以將導熱管技術(shù)用于導熱管本身，從而利用熱力學定律而不是電子設備或風扇來完成熱量的傳送。

在重要的護理監(jiān)控設備中，也用到了類似的導熱管技術(shù)來冷卻顯示器。如圖中所示，一臺機架式導熱管組件可以在技術(shù)維護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，這使得導熱管的正常工作壽命可以達到幾百萬個小時，從而在關(guān)鍵的護理操作中幾乎不可能會出現(xiàn)失效。