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医疗诊断设备加热器选择策略
[2008.4.1]
作者：Russell Strehlow，Minco研发经理

医疗诊断设备厂商使用分立电热器来进行局部加热，以实现或加强产品/设备功效。这里通过一项简单的小型测试，比较了聚酰亚胺绝缘蚀箔加热器（polyimide insulated etched foil heaters）、硅橡胶绝缘线绕加热器（silicone rubber insulated wound wire heaters）、厚膜加热器（thick film heaters）、与筒式加热器(cartridge heaters)的优势与缺陷，以满足那些负责保证医疗诊断设备的可靠性与性能的专业设计人员需求。最终结果是，聚酰亚胺绝缘蚀箔加热器与多方面的特性都比其它类型出色。

传导加热

我们在初级的物理课中学过，热传导有有三种机制：热传导、热对流及热辐射。虽然在医疗诊断设备行业中有的应用需要对流与辐射加热，本文主要讨论传导方式的热传输。

通常，医疗诊断设备需要加热的原因主要有三点。第一个是提高接受诊断病人的舒适度。一个示例是超声图像诊断中采用凝胶加热。这种加热并不需要严格的控制，但必须保证温度在病人感觉舒服的范围内。

加热的第二个原因是为化学分析提供可重复发生的条件。在这种情况下，热量并不会促成或加速分析过程本身，而是帮助或加速诊断设备的加热及稳定运行。第三个也是最常见的原因，加热所要分析的试样及/或作为化学分析的反应物或催化剂加入的试剂。加热可保存试样，也可启动、维持或加速化学反应或生化过程。本文的测试与讨论非常适合于这种加热。

测试方案

首先要明确那些操作医疗诊断设备进行加热人员的主要顾虑。然后，确定最常可用的适合加热技术。利用这些信息，我们设计一个测试方案，可直接分析相关的问题，并提供解决这些问题的基础条件。

将加热器整合到诊断设备中的主要问题是所加热材料的热均匀性、加热与冷却速度、加热元件的单位成本及加热器自身的可靠性等。

常用传导加热技术是聚酰亚胺绝缘蚀箔加热器(图1)、硅橡胶绝缘线绕加热器(图2)、厚膜加热器(图3)与筒式加热器(图4)。

选择一个10x13cm的散热片是由于它可以适合现成的加热器尺寸，并能方便地用到医疗诊断应用中。选择铝，是由于它具有良好的热传导性及加工属性。选择90°C的测试温度，是由于这是常用的对变性核酸（如DNA）医疗诊断应用的温度。由于处于较高的温度，所以更突出了加热器间的性能差异。

每种加热器上安装了四个1.3cm厚的铝散热片。选择1.3cm的厚度，是为了容纳筒式加热器。此外，另采用一个0.6cm厚的散热片安装蚀铂加热器，以建立分析散热片厚度及质量对加热与冷却时间的影响的条件。

聚酰亚胺绝缘蚀铂与硅橡胶绝缘线绕加热器用压敏胶(PSA)薄膜安装到其散热片上。厚膜加热器包含五个独立的加热器，每个都用两个螺栓紧固到散热片上。筒式加热器包含四个独立的筒式加热器，安装到在散热片上的孔中。根据筒式厂商所指定的，孔的直径要比筒式加热器大。

温度控制采用一个MincoCT16温度控制器，并将PID参数设置到“normal”（正常）。控制传感器为到用螺丝固定到散热片的一个嵌有外壳的热电偶。

测试包括在相同的功率输入及相同的PID设置条件，观察加热时间、冷却时间、及每个散热片稳定状态热均匀性。采用一20个热电偶(图5)的阵列用来跟踪加热、冷却、与均匀性。

加热、冷却

由于各种加热元件的电阻不同，必须对每个测试调节输入电压，以提供37.0瓦特的最大输入功率。输入电压利用加热元件的室内温度电阻来计算。在加热阶段，控制器以100%的占空比工作，直到散热片温度接近90°C的设定点。

1.3cm厚的散热片加热速率有明显的差异。这些差异可以由两个因素造成：1}散失到空气中的热量，2}每个加热元件相关的电阻温度系数(TCR)。当一个加热加热元件温度升高时，其电阻会与加热元件的TCR成正比例地变化。电阻的变化导致了输入到加热器的功率(表1)变化。

嵌入到散热片中的筒式加热器，由于向空气散失的功率接近零，且有较低的TCR，而具有最快的上升速度。蚀铂加热器由于其较大的接触面且与散热片接触更紧密,与厚膜与线绕加热器相比，向空气中散失的热损耗较低。而且它具有较低的TCR，所以其上升速度位居第二。

线绕加热器比筒式与蚀铂加热器有更高的TCR，但比厚膜加热器低，尽管厚膜加热器接触面更大，其加热速度还是比厚膜快。厚膜加热器的滞后是由于其具有较高的TCR、不良的热传导性、不锈钢基板。而且与散热片的不良接触造成了在加热时容易翘曲的问题。

加热时间的差异如表1所示。蚀铂加热器0.6cm厚的散热片由于需加热的质量最少，有最快的加热速度。也可用于线绕与厚膜加热器。

冷却过程包括除去散热片的外壳，以及切断加热器的电源。表2显示了筒式加热器在1.3cm厚散热片中最显著的冷却速度差异。它明显慢于其它方式。部分原因是由于由于筒式加热器的构造，导致其潜伏的热量积聚。其它安装在散热片外部的加热器以较低的加热元件温度运行，因此储存较少的能量，能较快地冷却。0.6cm厚的散热片由于总热质量最少，冷却最快。

热均匀性

选择用于此测试的加热器可向散热片提供均匀的热量输入。并不是要散热片的所有工作表面都提供最佳的热均匀性。此测试并不说明哪种加热器可在散热片工作表面提供最均匀的热量，只作为各种可能性的讨论基础。

在优化工作表面的热均匀性时，散热片本身的几何形状与加热器一样重要。在我们的测试中，蚀铂、线绕与厚膜加热器都安装在整个表面散热片一侧，以一个方向将热量均匀输入到散热片。3维散热片必然比2维的平面加热器有更多的面积。这表示，即使加热器向散热片提供了非常均匀的热量，热量均匀地从散热片表面发散，散热片的温度也不会均匀。实际上，面积集中的位置温度会低些，如侧面与角上(图6)。这个影响可在对测试模块(图7)的FEA建模体现，也可以在装有蚀铂加热器的1.3cm厚散热片的红外图像中(图8)看出。

热量在一面均匀地进入散热片，也可以从其它一五个面散出。FEA建模显示了在散热片底部均匀的热量输入，并未造成顶部均匀的温度，这是由于较多热量在表面面积更集中的角上散发掉了。

不均匀的热量损耗可通过热量散失较多的位置输入更多热量来补偿。这样的加热器称为分析式加热器。对三种平面加热器类型都可以进行分析，但筒式加热器由于具有柱形几何形状，无法对热量输入进行分析。

除了对加热器进行分析，以适应散热片的热损耗外，还要保证加热器与散热片的均匀接触。注意到这一点，并使用适当的材料后，硅橡胶与聚酰亚胺绝缘加热器都安装到多数散热片材料中。可以采用压敏胶薄膜或控制热量与压力进行直接压合来安装。后者可将加热元件与散热片间的热隔离降到最小。

采用机械安装的加热器更易产生不均匀接触的问题。这可在一个用螺栓紧固到散热片上的厚膜加热器的红外图像中看出。如果具有均匀热量输入的加热器与散热片形成均匀接触，可以得到类似蚀铂加热器(图8)的热量图，或至少是冷却边缘不太明显的均匀热量图。但热点总是分布在散热片的两端(图9)。这说明边缘的加热器接触不良，而散热片成了中央心加热器。这会导致不锈钢加热器基板的翘曲或弯曲。

加热器平均成本

比较用于这些测试中的加热器的报价，在500件的的批量下，聚酰亚胺绝缘蚀箔加热器价格最低，线绕与厚膜加热器稍高些，筒式加热器价格最高，比其它四种加热器高出八倍。

应该指出，这个测试中使用了四个筒式加热器用来提供较好的加热与热均匀性性能。但，可采用单个筒式加热器降低加热器成本，而要以牺牲热均匀性为代价。

尽管聚酰亚胺绝缘蚀箔加热器比线绕与厚膜加热器有较低的报价，但由于某些采购谈判、定制设计变化或某些细小的因素（（如报价人可能　改变定单等）的影响，总体价格差不多。多数情况下，与蚀铂加热器相比，硅橡胶线绕加热器会便宜些，特别是在加热器的尺寸增大时。

这些加热技术的可靠性取决于其应用。医疗诊断应用一般在37°C至90°C较低范围温度下运行，远远低于这些加热器的最大运行温度。因此，这四类加热器的可靠性很高。

结束语

在四种加热器类型中，在相同的加热边界与控制条件下，筒式加热器加热速度最快，但其散热片的质量必须增大，以适应筒式加热器的几何形状。测试显示，散热片的质量对于加热速度比加热器类型本身更重要。在三种加热器类型中，蚀铂加热器由于有较小的散热片质量，具有最快的加热速度。这三种加热器类型有相似的冷却特性，而筒式加热器由于热质量及较高的加热元件温度排在最后。

工作表面热均匀性取决于下面几个因素：分析热量输入来补偿不均匀的热量输出的精确度、以及加热器与散热片间热电阻的大小与一致性。因此，蚀铂加热器可提供最佳的热均匀性。这是由于它适当地压合到散热片上，可以精细地对其结构进行精细地绘制以分析热量，并提供一致而较低的热电阻。线绕加热器的结构不能精细地绘制，厚膜加热器不能提供一致而较低的热电阻。由于与比筒式加热器相比，线绕与厚膜加热器可以更好地分析，还有更好的均匀性。

Captions:

图1. 聚酰亚胺绝缘蚀箔加热器。

图2. 硅橡胶绝缘线绕加热器。

图3. 厚膜加热器。

图4. 筒式加热器。

图5. 一个20热电偶阵列用来跟踪加热、冷却、及均匀性。

图6.,在面积集中的位置（如侧面与角上）温度更低些。

图7. 对测试模块的FEA建模。

图8. 装有蚀铂加热器的1.3cm厚散热片的红外图像。

图9. 边缘的加热器与接触不好，而散热片成了中央加热器。

表1. 电阻温度系数的变化导致了输入到加热器的功率(表1)的变化。

图表1. 加热时间的差异。

图表2. 筒式加热器冷却较慢，而0.6cm厚的散热片比1.3cm厚的散热片冷却快。

表1. 室温下与90°C的加热器加热元件电阻与相应的功率。

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Figure 1, Figure 2, Figure 3, Figure 4, Figure 5, Figure 6, Figure 7, Figure 8, Figure 9, Chart 1, Chart 2, Table 1

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