Створення прототипу індукційного нагрівача для медичних цілей та його дослідження
Автор: Антонюк Ірена Вікторівна
Кваліфікаційний рівень: магістр
Спеціальність: Біотехнічні та медичні апарати і системи (Інтернет речей)
Інститут: Інститут телекомунікацій, радіоелектроніки та електронної техніки
Форма навчання: денна
Навчальний рік: 2022-2023 н.р.
Мова захисту: англійська
Анотація: У магістерській кваліфікаційній роботі було створено та досліджено прототип індукційного нагрівача для медичних цілей. Прототип був створений на основі чипа GreenPAK SLG47105 компанії Renesas Electronics Corporation. Індукційне нагрівання — це процес нагрівання електропровідних матеріалів, таких як метали, за допомогою електромагнітної індукції шляхом передачі тепла через індукційну котушку, яка створює електромагнітне поле всередині котушки для плавлення сталі, міді, латуні, графіту, золота, срібла, алюмінію та карбіду [1]. Індукційний нагрівач складається з електромагніту та електронного генератора, який пропускає через електромагніт змінний струм високої частоти (ЗС) [2]. Швидко змінне магнітне поле проникає в об’єкт, створюючи всередині провідника електричні струми, які називаються вихровими струмами [3]. Вихрові струми протікають крізь опір матеріалу і нагрівають його завдяки нагріванню Джоуля. У феромагнітних і феримагнітних матеріалах, таких як залізо, тепло також утворюється за рахунок втрат на магнітний гістерезис [4]. Частота електричного струму, який використовується для індукційного нагрівання, залежить від розміру об’єкта, типу матеріалу, зв’язку (між робочою котушкою та об’єктом, який нагрівається) і глибини проникнення [5]. Індукційне нагрівання (ІН) забезпечує безконтактне, швидке і ефективне нагрівання струмопровідних матеріалів. Воно є однією з основних технологій нагрівання в промисловості, побутовому та медичному застосуванні, серед інших застосувань, завдяки своїм перевагам у порівнянні з іншими класичними методами нагрівання, такими як нагрівання полум’ям, нагрівання опором або традиційні печі [6]. Гіпертермія - це терапія лікування раку, яка ґрунтується на нагріванні цільової пухлини до температури понад 50 ?C [7]. Це місцеве лікування видаляє ракову тканину, мінімізуючи пошкодження навколишніх здорових клітин. Таким чином, IH є гарною альтернативою для лікування раку, оскільки це безконтактна техніка нагрівання, тобто менш інвазійна, і забезпечує точний контроль потужності. Щоб точно подати енергію на пухлину, зазвичай, в область лікування вводиться феромагнітний матеріал [8]. Сучасні напрямки досліджень досліджують використання рідин з феромагнітними наночастинками для отримання точного розподілу тепла. Ці методи вимагають розробки точних перетворювачів потужності та керування, а також спеціальних конструкцій котушок індуктивності [9]. Щоб створити такий прилад було розроблено схему електричну принципову на основі чипа SLG47105, потужних МДН-транзисторів IRF3205 n-типу з радіаторами та робочою котушкою, виготовлено і протестовано макет приладу. Розроблено дизайн та виконане програмування чипа, використовуючи програмне середовище Go Configure Software Hub з повністю графічним процесом проектування, який не потребуючи мови програмування чи компілятора, дозволяючи дизайнеру налаштовувати, програмувати та тестувати спеціальні зразки за лічені хвилини [10]. Проведено необхідні інженерні розрахунки, а саме, розрахунок геометричних параметрів друкованого монтажу, розрахунок параметрів віброміцності друкованого вузла, визначені показники надійності індукційного нагрівача, оцінені параметри технологічності пристрою. Також було обраховано економічну доцільність розробки і виробництва даного проектного виробу (індукційного нагрівача), розраховано його вартість, економічний ефект у сфері виробництва, сумарний економічний ефект за термін експлуатації та загальний економічний ефект. У програмі COMSOL Multiphysics було побудовано моделі індукційного нагрівача, оскільки це програмне забезпечення може допомогти в проектуванні та оптимізації прототипу. А саме було показано норму густини струму, показано розподіл температури у нагрівачі та вектор швидкості потоку в розплавленому металі. Змінюючи певні параметри, можна досягти оптимального результату для тих чи інших потреб. З розробленим прототипом було проведено експерименти як впливає матеріал зразка та його розміри на безпосередньо нагрів та енергоспоживання приладу. Було використано також ще один тип робочої котушки, щоб додатково проаналізувати як відстань впливає на нагрівання об’єктів. Для кращого розуміння результатів усі дані було оброблено і подано у вигляді графіків для порівняння та рисунків з тепловізора для кращої візуалізації зміни температури в об`єктах. До кожного розділу було подано висновки. В кінці роботи подано загальний висновок з аналізом проведеної конструкторської та дослідницької роботи з подальшими пропозиціями в цій перспективній галузі. Ключові слова: індукційний нагрівач, гіпертермія, змінне магнітне поле, вихрові струми, SLG47105V, друкована плата, схема електрична.