Дрейф тока утечки в аппаратах ИВЛ при работе в отделении интенсивной терапии в условиях высокой влажности.

Дрейф тока утечки в аппаратах ИВЛ при работе в отделении интенсивной терапии в условиях высокой влажности.

Резюме

В отделении интенсивной терапии поддерживается относительная влажность от 50% до 85% для защиты дыхательных путей, и та же влага воздействует на изоляционные элементы. Сопротивление изоляции обычной плиты может упасть в 50 раз за 168 часов воздействия влажного тепла, а Y-образный элемент может потерять два порядка величины сопротивления изоляции за 12 месяцев эксплуатации. В этой статье рассматриваются три пути попадания воды в аппарат ИВЛ и приводится диаграмма зависимости сопротивления от влажности и тепла, показывающая изменение параметров перед отправкой аппарата.

1. Введение

Проверка герметичности аппарата ИВЛ проводится в лабораторных условиях при температуре 23 °C и относительной влажности от 45% до 75%. В отделении интенсивной терапии относительная влажность составляет от 50% до 85%, а в неонатальном отделении — до 90%. Именно разница между этими двумя условиями и является основной проблемой.

Аппарат искусственной вентиляции легких также работает неделями без остановки. Он включается и выключается от трех до восьми раз в день для транспортировки пациентов и работы с трубками, поэтому детали подвергаются тепловому циклу при каждом переключении. Каждый цикл приводит к образованию микротрещин на плате и на поверхности покрытия.

Пневматический канал обеспечивает дополнительный источник воды внутри корпуса. Нагреваемый увлажнитель и теплообменник поддерживают влажность газа на уровне, близком к 100%, а через патрубки в корпус может попадать лёгкий конденсат.

В типе CF установлен предельный ток 10 мкА. В этой статье рассматриваются три пути попадания воды в изолирующее оборудование и приводится экран, отображающий изменение тока перед отгрузкой устройства.

2. Основной механизм

2.1 Вариант первый: водяная пленка на поверхности доски

FR-4 поглощает от 0.5% до 1.2% своего веса в воде при относительной влажности 85%. Пленка на поверхности имеет толщину в несколько молекулярных слоев и сама по себе не проводит электричество. После растворения остатков флюса, соли или ионов дезинфицирующего средства образуется ионный путь.

I_surf = V_bias / R_ins

где I_surf — поверхностный ток утечки в нА, V_bias — постоянное смещение на узле в В, а R_ins — поверхностное сопротивление изоляции в ГΩ.

Влажное тепло наглядно демонстрирует проблему. После 168 часов при температуре 40 °C и относительной влажности 93% сопротивление платы может упасть со 100 МОм до 2 МОм. При напряжении 250 В постоянного тока узел с сопротивлением 1 ГОм пропускает 250 нА, а 4-6 узлов пациента добавляют от 1 мкА до 1.5 мкА, или до 15% от максимального значения.

Затем происходит электрохимическая миграция. При постоянном напряжении смещения водный слой действует как электролит, поэтому ионы меди и серебра перемещаются к катоду и образуют дендриты. Дендрит размером 50 мкм может снизить сопротивление между двумя контактными площадками с 1 ТΩ до менее 1 кОм.

2.2 Второй путь: проникновение влаги в деталь.

Эпоксидная смола после отверждения не становится полностью плотной. Свободный объем составляет от 2% до 5% от объема, и молекула воды размером 0.27 нм может перемещаться через эти пустоты.

t_d = x² / (6 · D)

где t_d — время проникновения в ч, x — толщина покрытия в мм, а D — коэффициент диффузии в см²/с.

Для покрытия толщиной 1 мм при температуре 25 °C время, необходимое для образования керамического тела, составляет от 100 до 500 часов. Это значение быстро снижается после образования микротрещин, поскольку вода начинает перемещаться вдоль поверхностей трещин, и скорость переноса возрастает в 10–100 раз.

Циклы нагрева способствуют образованию трещин. Эпоксидная смола расширяется при температуре от 30 до 60 ppm/°C, а керамический материал — от 8 до 12 ppm/°C, поэтому каждый цикл нагрева от 25 до 55 °C создает дополнительную нагрузку на соединение.

ΔL = L · Δα · ΔT

где ΔL — разница длин в мкм, L — длина соединения в мм, Δα — разница в расширении в ppm/°C, а ΔT — изменение температуры в °C.

Затем диэлектрик определяет дальнейшие действия. В структуре X7R на границе зерен присутствует богатая барием стеклообразная фаза, которая реагирует с водой. В результате реакции высвобождаются ионы бария и гидроксильные группы, которые переносят ионный ток.

2.3 Третий путь: конденсация через барьер

Разделительный трансформатор задает расстояние между барьерами для 2×MOPP. При выключении корпус охлаждается с 45 °C до 22 °C, и давление насыщенного пара падает вместе с ним. Затем вода конденсируется на поверхностях обмоток и внутри пазов печатной платы.

T_d = T - (100 - RH) / 5

где T_d — точка росы в °C, T — температура окружающей среды в °C, а RH — относительная влажность в процентах.

При температуре 25 °C и относительной влажности 75% точка росы составляет 20 °C. Любая поверхность внутри корпуса, температура которой опускается ниже этого значения, собирает воду. Каждый цикл включения/выключения приводит к растворению большего количества ионов в пленке, поэтому тенденция к утечке усиливается в течение всего срока службы.

Рис. 1 — Водяные пленки на досках, проникновение эпоксидной смолы и конденсация при охлаждении накапливаются в течение нескольких месяцев, поэтому сухой тест не выявляет изменений, которые обнаруживается в отделении интенсивной терапии.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Рейтинг IP, скрывающий проблему.

Корпус IPX1 или IPX2 защищает от брызг, но никак не справляется с внутренним конденсационным налетом. Более герметичный корпус удерживает больше тепла во время работы, поэтому охлаждение происходит глубже, а конденсация усиливается.

Один из аппаратов для диализа показал ток 11.5 мкА после 18 месяцев работы во влажном помещении, тогда как при сборке этот показатель составлял 6.5 мкА. Аппарат искусственной вентиляции легких имеет те же пути передачи тока, а также увлажнитель внутри корпуса.

Проблема 2: Y-образная часть как зона повышенной влажности.

Микросхема Y1 емкостью 1 нФ покидает завод с сопротивлением 10 ТΩ, поэтому при выпрямленном напряжении сети 373 В постоянного тока ток составляет 37 нА. После 12 месяцев эксплуатации в отделении интенсивной терапии сопротивление той же микросхемы может упасть до 100 МОм, и при том же напряжении смещения ток составит 3.73 мкА, что составляет 37% от максимального значения, достигаемого одной микросхемой.

Эту деталь нельзя просто удалить, поскольку она обеспечивает обратный путь синфазного сигнала. Работоспособным вариантом является использование элемента с меньшим значением индуктивности и большей индуктивностью дросселя.

Проблемный момент 3: Пять недостатков в проектировании влагозащитных свойств плит.

Обычно на чертеже небольшие зазоры: покрытие, не доходящее до краев контактных площадок, стенок переходных отверстий и корней разъемов; граница без щели; остатки флюса; разделительный трансформатор с открытой катушкой; и порты пациента без герметизации.

Каждый зазор создает дополнительный путь утечки в течение тех же самых влажных недель. В отверстии, где образуется слой оксида, может появиться поверхностная утечка в течение нескольких недель эксплуатации, и ни один из этих зазоров не обнаруживается при испытании на герметичность в сухих условиях.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Выберите диэлектрик, который не вступает в реакцию с водой.

Барьерная часть должна сохранять своё ИК-излучение в воде. Диэлектрик класса I Используется титанат стронция в качестве связующего вещества, не имеющий стеклообразной фазы на границе зерен, поэтому это вещество не вступает в реакцию с водой.

При температуре 85 °C и относительной влажности 85 % в течение 1,000 часов сопротивление изоляции такой детали остается выше 10 ГОм. У детали из сплава X7R с тем же сопротивлением оно может упасть до 1 ГОм или ниже за тот же период выдержки.

Стратегия 2: Прорезать канавку и покрыть ею доску.

Сделайте 2-миллиметровые прорези в области 2×MOPP, чтобы разорвать водяную пленку. Используйте селективное покрытие для каждого лимфатического узла пациента, а также покройте края контактных площадок, стенки сквозных отверстий и корни коннекторов, поскольку эти три места обычно являются «слепыми зонами».

Толщина покрытия должна составлять от 50 до 80 мкм. Более тонкая пленка оставляет микроотверстия по краям площадки, а более толстая пленка трескается в углах щели.

Стратегия 3: Заливка трансформатора компаундом и герметизация портов.

Заполните вакуумом разделительный трансформатор силиконом или эпоксидной смолой, чтобы заполнить воздушные зазоры между обмотками. Добавьте уплотнительные кольца и силиконовый герметик к датчику потока и выпускному клапану, чтобы пары выдыхаемого газа не могли достигать платы вдоль выводов.

Стратегия 4: Перестроить модель утечки на основе измеренных значений.

Установите значение Y из цепи: емкость Y, ток утечки на землю, синфазное напряжение, ток пациента. Значения от 220 пФ до 470 пФ подходят для большинства вентиляционных направляющих, после того как дроссель будет передавать разницу.

Там, где путь сигнала должен оставаться ровным, пленочный конденсатор Он лучше сохраняет свои свойства при нагревании, чем керамика класса II, поэтому подходит для чувствительного узла, в то время как часть класса I содержит барьерный узел.

Стратегия 5: Добавьте этап влажного тепла к тесту на выделение влаги.

Добавьте в план проверки конструкции и в критерии выпуска в производство выдержку при температуре 85 °C и относительной влажности 85% в течение 168 часов. Повторно измерьте герметичность и сопротивление поверхности пациента после выдержки, а не до нее.

Установите предельное значение поверхностного сопротивления после замачивания на уровне 5 МОм или выше, вместо часто приводимого значения в 2 МОм, чтобы учесть разброс характеристик партии и последующие годы.

Стратегия 6: Отслеживайте показания на протяжении всего срока службы.

Регистрируйте утечку тока от пациента при каждом шестимесячном визите для технического обслуживания и сравнивайте ее со значением на момент изготовления. Увеличение на 1 мкА или более за год указывает на зазор в покрытии, герметичность порта или дефект партии детали.

Сохраните запись с серийным номером, чтобы можно было проверить второй экземпляр из той же партии, прежде чем он не пройдет проверку на безопасность в больнице.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Номинальное напряжение (серия HVCT8G)	10 кВ постоянного тока	высоковольтный режим 1.5× в течение 60 с
емкость	4700 пФ ±20% (472М)	1 МГц, 1 В среднеквадратичное значение
ЭПР на частоте 1 МГц	ниже 50 мОм	-
Индуктивность петли (хорда E40)	ниже 8 нГн	Расстояние между клеммами: 40 мм
сопротивление изоляции	сопротивление выше 10 ГОм при напряжении 500 В постоянного тока	25 ° C, 60% относительной влажности
Диапазон температур	от −40 °C до +125 °C	Серия МЭК 60068-2
Возможность импульсного DV/DT	выше 50 кВ/мкс	при номинальном напряжении

5. Компоненты HVC для работы в отделениях интенсивной терапии с повышенной влажностью.

Влагостойкость обеспечивается диэлектриком и окружающим его уплотнением. Компания HVC производит компоненты N4700 для обоих типов материалов. дверная ручка конденсаторы и дисковых типов, в диапазоне от 1 кВ до 150 кВ, на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Сопротивление ИК-излучения превышает 10 ГОм после 1,000 часов при 85 °C / 85% относительной влажности. Резистивный путь остается в диапазоне наноампер, поэтому предельный ток в 10 мкА сохраняется на протяжении 8 лет.
• Вакуумная эпоксидная инкапсуляция. Газ удаляется из компаунда до отверждения, поэтому в покрытии меньше пустот, через которые может проникать вода.
• Данные по воздействию солевого тумана соответствуют стандарту IEC 60068-2-11. 96-часовое воздействие при температуре 35 °C сохраняет покрытие неповрежденным и предотвращает потери ИК-излучения на уровне менее 30%.
• TCC 0 ± 30 ppm/°C. Это значение сохраняется при нагревании корпуса от 25 °C до 55 °C, поэтому кривая фильтра остается в том же состоянии, что и при сканировании ЭМС.
• Координированные компоненты. HVRGXP резисторы выборки, толстопленочный резистор наборы и выпрямительный диод Штуки можно замачивать и просеивать за один раз для использования в делителе, дренажном устройстве и выпрямителе.
• Сравните с ведущими брендами. Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам. TDK Линии UHV, Murata DHS и Vishay 715C.

Доставка и поддержка

Стандартные детали отгружаются в течение 4–8 недель, а комплекты, изготовленные на заказ, — в течение 6–10 недель. Инженерный отдел HVC занимается проверкой покрытий и заливки компаундом, разработкой планов испытаний на воздействие влажного тепла и определением предельных значений для проверки деталей.

Укажите напряжение питания, предел утечки, схему расположения портов и целевой срок службы. HVC предоставит спецификацию с данными об ИК-поглощении после длительной выдержки и двухкомпонентным оценочным комплектом в течение пяти рабочих дней.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему аппарат ИВЛ проходит типовые испытания, но затем его характеристики начинают меняться в отделении интенсивной терапии?

Поскольку типовые испытания проводятся при температуре 23 °C и относительной влажности от 45% до 75%, а испытания в блоке управления двигателем (ICU) проводятся при относительной влажности от 50% до 85%, проверка проводится на сухом устройстве в течение одного дня. Впитывание воды платой, проникновение влаги в эпоксидную смолу и образование конденсата при охлаждении накапливаются в течение нескольких месяцев, и ни одно из этих явлений не отражается в результатах одного испытания (пройдено или не пройдено).

В2: Насколько сильно инфракрасное излучение части образца попадает под воздействие влажного тепла?

Сопротивление микросхемы Y1 емкостью 1 нФ может снизиться с 10 ТΩ до 100 МОм за 12 месяцев эксплуатации в отделении интенсивной терапии. При выпрямленном напряжении сети 373 В постоянного тока утечка возрастает с 37 нА до 3.73 мкА, что составляет 37% от предельного значения для микросхемы типа CF. При температуре 85 °C и относительной влажности 85% в течение 1,000 часов микросхема класса I сохраняет сопротивление выше 10 ГОм, в то время как микросхема X7R имеет сопротивление 1 ГОм или ниже.

В3: Предотвращает ли более высокий класс защиты IP образование конденсата внутри помещения?

Нет. Степень защиты IP покрывает брызги и пыль извне корпуса. Более герметичный корпус повышает внутреннюю температуру во время работы, поэтому охлаждение происходит глубже, а конденсация на обмотках и стенках пазов усиливается. Вентиляторы должны иметь внутреннюю систему увлажнения, поскольку увлажнитель внутри корпуса сам по себе является источником воды.

В4: Что делать с элементом Y, потерявшим ИК-излучение?

Сохраните компонент и уменьшите его номинал. Увеличьте емкость с 2.2 нФ до 220 пФ или 470 пФ, затем восстановите запас по синфазным помехам, увеличив индуктивность дросселя и добавив дифференциальный фильтр. Компонент обеспечивает обратный путь для синфазных помех, поэтому его удаление переместит проблему с излучением обратно в камеру.

Вопрос 5: Какой этап, связанный с воздействием влажного тепла, должен быть включен в план выпуска оборудования?

Выдержите устройство при температуре 85 °C и относительной влажности 85% в течение 168 часов, затем повторно измерьте утечку воздуха через пациента и поверхностное сопротивление. Установите предел поверхностного сопротивления после выдержки на уровне 5 МОм или более, вместо часто приводимого значения в 2 МОм. Проведите тот же этап при проверке конструкции и на серийном образце.

В6: Почему зазор в покрытии имеет большее значение, чем изменение его значения?

Поскольку зазор добавляет путь, который увеличивается со временем, а изменение значения фиксируется на этапе сборки. Пропущенный край контактной площадки или оголенная стенка переходного отверстия могут пропускать 250 нА при 250 В постоянного тока после образования водяной пленки, и дендриты затем снижают сопротивление узла ниже 1 кОм. В первую очередь следует покрывать края контактных площадок, стенки переходных отверстий и корни разъемов.

7. Рекомендации

1. IEC 60601-1:2005+AMD1:2012, Медицинское электрооборудование — Часть 1: Общие требования к базовой безопасности и основным рабочим характеристикамЖенева: МЭК, 2012.
2. МЭК 60601-2-12, Медицинское электрооборудование — Часть 2-12: Особые требования к базовой безопасности и основным рабочим характеристикам аппаратов искусственной вентиляции легких для интенсивной терапииЖенева: МЭК, 2020.
3. МЭК 60384-8, Неподвижные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 8: Неподвижные конденсаторы с керамическим диэлектриком, класс 1Женева: МЭК, 2015.
4. МЭК 60270, Методы высоковольтных испытаний — Измерения частичных разрядовЖенева: МЭК, 2015.
5. Эриксон Р.В. и Максимович Д., Основы силовой электроники, 3-е изд. Чам: Спрингер, 2020.
6. Мохан, Н., Унделанд, Т.М., и Роббинс, В.П. Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн, 3-е изд. Хобокен, Нью-Джерси: Wiley, 2003.
7. Д.Н. Донахью, М. Пехт, И.К. Ллойд и С. Ганесан, Деградация многослойных керамических конденсаторов под воздействием влагиНадежность микроэлектроники, том 46, № 2-4, стр. 400-408, 2006. https://doi.org/10.1016/j.microrel.2005.05.008
8. Сезон дуги и наблюдения за конструкцией доски (техническая заметка о высоковольтном дуговом пробое, остатках флюса и компоновке), Johanson Dielectrics, Inc., https://www.johansondielectrics.com/docs/3939/arc-season-and-board-design-observations.pdf .
9. ГБ/Т 6346.1-2024, 电子设备用固定电容器 第1部分:总规范 (Постоянные конденсаторы для использования в электронном оборудовании – Часть 1: Общая спецификация). Пекин: 国家市场监督管理总局, 2024 г.
10. MIL-PRF-55681 Ред. H, Конденсатор, чип, многослойный, фиксированный, с керамическим диэлектриком, с установленной и неустановленной надежностью, общие технические характеристики.Колумбус, Огайо: DLA Land and Maritime, 2025.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com