Нагревательные элементы для медицинского оборудования

Электрические нагревательные элементы обычно используются в медицинском и аналитическом оборудовании, таком как масс-спектрометр, где источник тепла может преобразовывать образец в пар для анализа.

Безопасность медицинского оборудования

Оборудование, предназначенное для использования в медицинских учреждениях, должно соответствовать очень строгим стандартам безопасности. К системам, требующим электрического нагрева, например, для обогрева пациента или диализа крови, предъявляются критические требования по электробезопасности, чтобы предотвратить травмы пациента или обслуживающего персонала во время использования. В этой статье обсуждается, как электрические нагреватели, такие как патронные ТЭНы, могут иметь серьезные последствия для безопасности медицинского оборудования, если они не спроектированы должным образом для использования в качестве безопасного для медицинских целей нагревательного элемента.

Одним из требований электробезопасности является наличие очень низкого порога тока утечки. Утечка определяется как электрический ток, который может проходить через корпус оборудования на землю. Нормы устанавливаются допустимым током, который может пройти через сердце до возникновения фибрилляции желудочков. В зависимости от использования оборудования предел утечки регулируется в зависимости от риска.  

• Например, в случаях, когда существует высокий риск повреждения сердца во время использования оборудования, допустимый предел утечки составляет 10 мкА (0,01 мА).  
• Для портативного оборудования, которое вряд ли повлияет на сердце, допускается более высокий предел — 500 мкА (0,5 мА), также известный как ток прикосновения. Ток прикосновения определяется как вероятность того, что пациенты или обслуживающий персонал могут почувствовать поражение электрическим током при прикосновении к оборудованию.  
• Вне лечебных учреждений — устройства, которые используются в лабораториях за пределами зон ухода за пациентами, — допускается до 3500 мкА (3,5 мА). Опять же, на этом уровне можно почувствовать ощущение шока. Для сравнения, 50 000 мкА (50 мА) превышают порог «отпускания» и даже на долю секунды могут привести к фибрилляции желудочков.

Еще один аспект безопасности заключается в том, что для поддержания точной температуры необходим очень точный контроль нагрева. Примером строго контролируемой потребности в тепле может быть во время диализа диапазон температуры крови 35-37°С, с наиболее эффективным диапазоном для предотвращения повышения внутренней температуры тела 34-35°С.

Так откуда же берется «утечка»?

Ни один электрический изолятор не идеален, и ни одна электрическая цепь не идеальна. Каждое соединение в цепи имеет импеданс, который сопротивляется протеканию через него тока. В обычной цепи ток проходит по трем путям: фаза (линия), нейтраль и земля. Важно всегда помнить, что когда вы прикасаетесь к оборудованию, ваше тело становится частью цепи с путем к заземлению.  

Таким образом, утечка — это электрический ток, оставляющий изделие в непреднамеренной цепи, например, на землю.

Почему нагреватели могут иметь утечку?  

Давайте удостоверимся, что нам ясно, что такое утечка на самом деле, поскольку иногда ее путают с другими электрическими состояниями. Есть два электрических термина, которые мы должны признать: емкость и утечка. Они отличаются друг от друга.  

• Емкость - это измерение электрического заряда, который должен храниться в материале, не уходить на землю, а храниться как батарея.
• Утечка - это измерение электрического заряда, пересекающего изоляционный материал до потенциала земли.  

Существует третья тема индуцированного напряжения, которая заслуживает краткого обсуждения. Это не утечка, но ее часто путают с ней. Когда клиент использует вольтметр между корпусом незаземленного нагревателя и заземлением, он может увидеть указанное значение напряжения. Поскольку в патронных нагревателях используется сердечник из намотанной проволоки, помещенной внутри трубки, магнитное поле на этом сердечнике будет возбуждать электроны во внешней трубке. Так делают трансформаторы. Поскольку содержание железа очень низкое, а диэлектрический зазор большой, фактический реальный ток (измеряемый в мА) очень мал. Таким образом, несмотря на то, что измерение может вызывать тревогу, с точки зрения безопасности продукт по-прежнему безопасен.  

Возвращаясь к емкости и утечке — диэлектрическая изоляция, которую мы используем, изготовлена ​​из MgO. Оксид магния MgO имеет несколько свойств.  

• Он стабилен в очень широком диапазоне температур, поэтому не разлагается и не воздействует на другие материалы.  
• Он теплопроводный, что отлично подходит для передачи тепла из одного места в другое. Это позволяет использовать его в нагревателях.  
• Однако MgO также обладает электрической емкостью, что означает, что он удерживает небольшой электрический заряд при первом включении. Это нормально и характерно для многих типов изоляции.  
• MgO считается гигроскопичным, что означает, что он имеет высокое сродство к влаге. Влажный оксид магния будет более емкостным, чем сухой, и он также позволит большему количеству утечек пройти на землю, пока не высохнет.
• Как и у любого материала, характеристики меняются при повышении температуры. Диэлектрическая прочность MgO (сопротивление электрическому потоку) падает по мере увеличения температуры, при которой он работает, что позволяет большему току утечки проходить на землю.

Емкость

При нормальной работе нагревателя можно ожидать, что фактическая утечка на землю будет намного ниже стандарта в 100 мА, поскольку MgO сухой, заряженный и стабильный. Стандартные промышленные испытания нагревателя на безопасность должны учитывать комбинированный зарядный ток плюс утечку, которые обесточенный нагреватель покажет при запуске. Поскольку зарядный ток имеет короткую продолжительность, мы можем назвать его пусковым током.  

Пусковой ток можно изобразить следующим образом:

Рисунок 1 – Пусковой ток при проверке на утечку

Многие производители медицинского оборудования должны использовать устройство УЗО (прерыватель тока замыкания на землю) в качестве защиты в цепи от чрезмерной утечки на землю. Однако устройства УЗО не учитывают этот начальный пусковой ток. Поскольку он не возвращается на нейтральную фазу, УЗО предполагает, что нагреватель небезопасен, и прерывает цепь. А поскольку устройство не может допустить «небезопасного» состояния в течение какого-либо периода времени, оно рассчитано на немедленное срабатывание. В тесте на истинную утечку вы увидите всплеск тока, который затем упадет до фактической утечки по мере стабилизации MgO, и вы начнете измерять истинную утечку (рис. 1).

Ток утечки

На ток утечки на землю через изоляционный материал влияют:

• Температура, при которой нагреватель работает
• Влажность изоляции
• Органические загрязнения в чистоте изоляционного материала
• Толщина изоляции

Как отмечалось ранее, утечка из нагревателей зависит от температуры, при которой работает изоляция внутри нагревателя. По мере того, как MgO нагревается, электрическая изоляция падает, позволяя большему току проходить на землю. На рис. 2 показан пример изменения тока утечки по мере повышения температуры нагревателей по 5 различным нагревателям.

При этом надо помнить, что мы имеем в виду внутреннюю температуру нагревателя, а не заданную температуру системы нагрева. Разница может быть довольно большой в зависимости от посадки нагревателя, метода управления, местоположения, материалов, удельной мощности нагревателя, а также многих других соображений.

Поскольку оксид магния имеет высокое сродство к влаге, хранение нагревателя позволит влаге со временем просочиться в изоляцию и увеличить ток утечки на землю. Некоторые системы управления предлагают функции плавного пуска, которые помогают осушать MgO при запуске до подачи полной мощности, но системы безопасности, такие как УЗО, не позволят нагревателю даже достичь температуры сушки до срабатывания защиты. Производители нагревательных элементов разработали варианты, чтобы попытаться продлить срок хранения ТЭНов, и упаковывают нагреватели в специальные вакуумные упаковки для защиты во время транспортировки и хранения. Конечно, это не помогает, когда нагреватель установлен в машине, так как он извлечен из упаковки.

Любое органическое загрязнение изоляции отрицательно сказывается на ее свойствах – не только из-за проблем с утечкой, но и из-за надежности и срока службы изделия. Оксид магния можно получить несколькими способами, которые имеют разную степень чистоты, и обработка во время сборки имеет решающее значение для получения правильного контроля над конечным нагревателем. Некоторые конструкции покрывают песок органическим веществом, чтобы инкапсулировать частицы MgO, что может вызвать проблемы с надежностью нагревателя при более высоких температурах и с течением времени.

В некоторых случаях производители увеличивают толщину изоляции, чтобы обеспечить дополнительную защиту. Хотя это звучит просто, помните, что внутренняя температура изоляции является причиной более высоких утечек. Увеличение толщины изоляции увеличивает тепловую задержку поступления тепловой энергии к датчику подачи и управления, что увеличивает внутреннюю температуру нагревателя.

Что еще работает против?

Оборудование, используемое в медицинских целях, имеет несколько общих факторов риска, которым подвержены обычные электрические нагреватели: загрязнение и хранение.

Несмотря на то, что предпринимаются все усилия для предотвращения прямого контакта жидкостей с электрическими нагревателями с помощью продуманной конструкции оборудования, единственное, что невозможно предотвратить, — это поглощение атмосферной влаги нагревателем с течением времени. Жидкость действует иначе, чем влажность, для герметизации материалов.

Типичными уплотнительными материалами, используемыми в нагревателях, являются силикон или эпоксидная смола. У каждого есть свои сильные и слабые стороны, но независимо от того, какой тип герметика используется в конце нагревателя, многожильные провода будут отводить влагу через уплотнение в нагреватель.   

Транспортировка нагревателя представляет собой проблему, так как при дальних перевозках нагреватель подвергается изменениям атмосферного давления, а также изменениям влажности.

Тепловое расширение нагревателя с уплотнением — еще одна проблема, которую необходимо тщательно учитывать для обеспечения целостности уплотнения во время использования нагревателя.    

И, наконец, когда оборудование хранится в ожидании использования, нагреватели будут дышать влагой, что приведет к небезопасным условиям запуска оборудования.

Свяжитесь с Полимернагрев сегодня, чтобы узнать, как мы можем помочь вам добиться успеха в сфере нагрева медицинского оборудования!