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Hintergrund
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Medizinische
Ultraschallbildgebung wurde zu einem populären Mittel, um den Zustand
und die Gesundheit von innenliegenden Gebieten des menschlichen
Körpers
zu visualisieren und medizinisch zu diagnostizieren. Bei dieser
Technik wird eine akustische Wandlersonde, die an einer Konsole
eines Ultraschallsystems über
ein Verbindungskabel angebracht ist, gegen das Gewebe des Patienten durch
die die Sonographie durchführende
Person gehalten, wobei sie fokussierte Ultraschallwellen auf abtastende
Weise emittiert und empfängt.
Die abtastenden Ultraschallwellen oder Ultraschallstrahlen erlauben
das systematische Erzeugen von Bildscheiben der Innengewebe des
Patienten zur Darstellung auf der Ultraschallkonsole. Die Technik
ist schnell, schmerzfrei, verhältnismäßig kostengünstig und
sicher, selbst für
solche Verwendungen wie die Bildgebung von Föten.
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Um
aus einem Ultraschallsystem und seinen zugehörigen Wandlern die beste Leistung
zu erzielen, ist es wünschenswert,
dass die Wandler, die zum Emittieren und Empfangen von Ultraschallimpulsen verwendet
werden, bei der maximalen akustischen Intensität arbeiten können, die
durch die U.S. Food and Drug Adminsitration (FDA) erlaubt wird.
Dies trägt
dazu bei, das Signal-zu-Rauschen Verhältnis für das gegebene System und den
Wandler zu maximieren, trägt
dazu bei, die bestmögliche
akustische Durchdringung zu erreichen, und stellt sicher, dass die
Bildgebungsleistung nicht dadurch begrenzt ist, dass man nicht die
vollständige
erlaubbare akustische Intensität
emittieren kann. Ferner erlaubt dies eine maximale Leistung der
verschiedenen Bildgebungsmoden, wie z. B. Farbströmung, Natural
Tissue Harmonic Imaging ("NTHI") und spektral Doppler.
Im NTHI-Modus wird der Wandler bei einer Frequenz angeregt und empfängt die
akustischen Echos bei einer zweiten Frequenz, typischerweise der
zweiten Harmonischen, um der nicht linearen Fortpflanzung von akustischen
Wellen durch das Gewebe und den dabei erzeugten Harmonischen Rechnung
zu tragen. Gleichzeitig gibt es praktische und regulative Grenzen
für die
erlaubbare Oberflächentemperatur,
die der Wandler erreichen darf, wenn er seine Bildgebungsfunktionen
ausführt.
Beispielsweise spezifiziert der Underwriters Laboratory (U.L.) Standard
#UL544 "Standard
for Safety: Medical and Dental Eqipment" eine obere Grenze von 50°C bei einer
Messung in Luft und eine obere Grenze von 43°C bei einem Test gegen ein das
Gewebe imitierendes Material für
den Wandlerbereich, der in Berührung
mit der Haut des Patienten ist. Es ist verständlich, dass es andere regulative
Standards geben kann oder dass diese Standards mit der Zeit überarbeitet
werden. Zusätzlich
ziehen es die die Sonographie durchführenden Personen vor, ein Wandlergehäuse zu ergreifen,
das angenehm kühl
ist, wodurch eine übermäßige Schweißbildung
in ihren Händen
verhindert wird und die Wahrscheinlichkeit verringert wird, den
Griff auf der Einrichtung zu verlieren. Ferner können erhöhte Innentemperaturen die Betriebscharakteristika
oder Leistungen der Wandlerkomponenten beeinflussen, ihre Effizienz
und/oder Betriebsfähigkeiten
verringern. Beispielsweise arbeiten CMOS integrierte Kreise, die
als ein Teil des Regelschaltkreises in dem Wandler verwendet werden
können,
schneller und effizienter bei geringeren Temperaturen.
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Mit
der Weiterentwicklung der Technologie ist die Verwendung von Elektronik,
welche stärker wärmeerzeugend
ist, innerhalb des Wandlers gewöhnlich.
Wie oben beschrieben treiben drei Begrenzungen die Notwendigkeit
an, einen Betriebstemperaturbereich für die Elektronik einzuhalten.
Die erste Grenze ist die von der FDA vorgegebene Grenze für die Patientenberührung. Die
zweite sind die Anforderungen des Benutzers/der die Sonographie
durchführenden
Person im Hinblick auf den Komfort und die Sicherheit des Bedieners.
Die dritte Anforderung ist die Notwendigkeit, die Temperatur der
Elektronik auf oder unter einer Maximaltemperatur bezüglich einer optimalen
Leistung zu halten. Diese Kombination von erhöhten Vorgaben und Temperaturgrenzen
erfordert, dass neue Verfahren entwickelt werden, um die durch die
Elektronik erzeugte Wärme
zu dissipieren. Insbesondere können
manche Wandlerdesigns eine Architektur verwenden, welche den Zusammenbau/die
Packung von vielen elektronischen Baugruppen erfordert. Diese Bedürfnisse
können
durch sowohl das physikalische Design des Wandlerhandgriffgehäuses als
auch durch den Typ und die Anzahl der Bauteile angetrieben sein,
die innerhalb des Gehäuses
untergebracht werden müssen.
Beispielsweise kann das Erzeugen eines Handgriffs mit einem optimal
ergonomischen Griff erfordern, dass ein übliches Elektronikpaket zu
den erforderlichen Bauteilen innerhalb des ergonomisch gestalteten
Gehäuses passt.
Diese Anordnungen/Packungen können
daher erhöhte
Bauteildichten und einen eingeschränkten Zugang aufweisen, oder
sie können
zu ungleichmäßig gestalteten
Elektronikpackungen führen,
bei denen die Positionen der Bauteile durch die physikalischen Beschränkungen
des Gehäuses
des Wandlerhandgriffs bestimmt sind. Da jede Baugruppe wärmeerzeugende
Bauteile enthalten kann, die gekühlt werden müssen, verteilt
die resultierende Anordnung dieser modularen Elektronikunterbaugruppen
wahrscheinlich Wärmequellen
innerhalb des gesamten Volumens der Elektronikanordnung und/oder
die daraus resultierende Anordnung kann eine höhere Dichte an wärmeerzeugenden
Bauteilen in einem Gebiet abhängig
von der Gesamtpackung der Anordnung aufweisen. Zusätzlich erhöht die Abwärme, die
durch die Elektronik erzeugt wird, die gesamte Abwärme, die
durch den Wandler erzeugt wird, und erhöht die Last auf die verschiedenen
implementierten Kühlsysteme.
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Zusätzlich hat
die Einführung
von Chirp Übertragungswellenformen,
Multifokus (dynamischer Übertragungsfokus)
und Bildgebungsmoden mit hoher Bildfolge die Anforderungen für die Übertragungsleistung
des Wandlers beträchtlich
erhöht.
Diese Zunahme der Betriebsleistung hat notwendigerweise zu einem
Anstieg der Betriebstemperaturen geführt.
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Unter
der Vorraussetzung, dass es wünschenswert
ist, bei der maximal erlaubbaren akustischen Intensität arbeiten
zu können,
und dass es gleichzeitig wünschenswert
ist, die Betriebstemperaturen im Inneren des Wandlers ebenso wie
die Oberflächentemperaturverteilung
der Patienten- und Benutzerberührungsbereiche
der Oberflächen
des Wandlers zu steuern, stellt die Thermotechnik eine ernsthafte Überlegung
während
der Gestaltung des Wandlers dar. Es gibt im Wesentlichen zwei mögliche Wege,
im Hinblick auf die Thermotechnik des Wandlers voranzukommen.
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Der
erste Weg verwendet passive Kühlmechanismen
und beinhaltet sicherzustellen, dass die Wärme, die durch die Elektronik
des Wandlers und sowohl durch den Umwandlungsvorgang elektroakustischer
Energie, welcher in den Piezoelementen des Wandlers stattfindet,
als auch durch die akustische Energie, die durch und/oder in angrenzende Wandlermaterialien
gelangt, erzeugt wird, passiv nach außen zu einer möglichst
großen
externen Oberfläche
des Wandlers verteilt wird. Dieser Wärmeverteilungsvorgang wird
typischerweise intern im Wandler durch thermische Leitung durch
Feststoffe und nachfolgend von dem externen Gehäuse des Wandlers weg unter
Einsatz der natürlichen
freien Konvektion zur Umgebung und/oder Strahlung zur Umgebung erzielt.
Idealerweise besteht die externe Wärme konvektierende und/oder
abstrahlende Oberfläche
aus der gesamten externen Oberfläche
des Wandlers, von der eine freie Konvektion und/oder Strahlungskühlung zur
Umgebung potentiell in unbehinderter Weise stattfinden kann. Wandlerhersteller haben
somit verschiedene passiv leitende Wärmeverteilungsplatten und Elemente
im Inneren der Innenräume
des Wandlers eingebaut, um die Verteilung von Wärme zur gesamten Oberfläche des
Gehäuses
des Wandlers sicherzustellen. Solche Elemente arbeiten gut, wobei
es jedoch häufig
die Fähigkeit
ist, die Wärme
aus der Elektronik und den elektroakustischen Elementen an sich
und in solche angrenzenden internen Strukturen thermischer Senken, wie
z. B. diese allgemein verwendeten Verteilungsplatten, zu bekommen,
was einen beträchtlichen
Teil des gesamten thermischen Dissipationswiderstands der Sonden
darstellt. Wenn dieser interne thermische Weg nicht gut ist, ist
es schwierig, die durch die Elektronik und die Piezoelemente erzeugte
Wärme um das
Gehäuse
zu verteilen. Wenn die durch die Elektronik und die Piezoelemente
erzeugte Wärme
nicht entfernt werden kann und effektiv zur gesamten Fläche des
Gehäuses
des Wandlers als Wärmesenke gebracht
werden kann, dann wird der Sondenoberflächenbereich, der in Kontakt
mit dem Patienten ist, heißer
als gewünscht,
da dieser Sondenbereich direkt angrenzend an die Piezoelemente ist.
Somit besteht selbst bei der passiven Strategie Bedarf im Hinblick
auf drei Schlüsselmechanismen:
a) Ableiten der Wärme
von dem im hohen Maß lokalisierten
Piezoelement oder den Elektronikgebieten; b) Verteilen dieser Wärme effizient
zu den externen Gehäuseoberflächen; und
c) Erlauben einer unbehinderten natürlichen Konvektion und/oder
Strahlung von den warmen Wandleroberflächen.
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In
jedem Fall minimiert bei der Verwendung dieser passiven Strategie
das Maximieren der externen Sondenoberfläche, auf der sich die Wärme in einer
nahezu gleichmäßigen Weise
verteilt, die Spitzenoberflächentemperatur,
die irgendwo auf der Oberfläche
der Sonden während
einer Konvektion/Strahlung der Sondenwärme zur Umgebung im stationären Zustand
erreicht wird. Diese passive Strategie läuft darauf hinaus, die Wärmelast
in der Umgebung zu verteilen, um die Bedeutung der eingeschränkten Fähigkeit
der freien Konvektion und/oder Strahlung zum Dissipieren von Wärme zu minimieren.
Die grundlegende Einschränkung
ist, dass bei den meisten Wandlern, selbst wenn die Wärme gleichmäßig auf
den externen Oberflächen
des Gehäuses
verteilt ist, nur einige wenige Watt von Wandlerantriebsleistung
erforderlich sind um zu bewirken, dass die durchschnittliche Oberflächentemperatur des
Wandlers inakzeptabel wird, entweder im Hinblick auf den Patienten
oder auf die die Sonographie durchführende Person. In diesen Fällen und
insbesondere für
kleine Wandler, die kleine Oberflächengebiete aufweisen, kann
man finden, dass man aufgrund der übermäßigen Temperaturen nicht in
der Lage ist, bei der erlaubbaren Grenze für die akustische Intensität zu arbeiten.
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1 zeigt
einen medizinischen Ultraschallwandler 1 des Stands der
Technik in einer schematischen Querschnittsansicht. Der Wandler 1 weist
ein typischerweise polymerisches externes Gehäuse 2 auf, das durch
die die Sonographie durchführende Person
ergriffen wird. Es ist zu erkennen, dass die Oberseite des Wandlers
(+ Y Ende) die typische akustische Linse 3 aufweist, die
dazu dient, den Ultraschallstrahl in der X-Y Ebene zu fokussieren,
wenn er in den jeweiligen Patienten passiert. Ein Fokussieren in
der X-Z Ebene wird über
elektronische Phasenverzögerungen
zwischen verschiedenen Piezoelementen durchgeführt, die auf einer Z-Achsenstufung und
in einem Z-Achsenabstand angeordnet sind, so dass sie in und aus
dem Papier gerichtet sind, wie es für gephaste Arraywandler gewöhnlich ist.
Der Boden oder die Rückseite
des Wandlers 1 weist ein flexibles Koaxialkabelbündel 4,
das von ihr ausgeht, auf. Das Kabel 4 ist in gestrichelter
Ansicht in seiner Mitte dargestellt, um seine beträchtliche Länge anzugeben,
gewöhnlich
in der Größenordnung
von 1,8288 m bis 3,6576 m (6 bis 12 Fuß). Dort, wo das Kabel 4 aus
dem Wandler 1 austritt, und insbesondere wo es aus dem
Wandlergehäuse 2 austritt,
ist eine flexible Spannungsentlastung 5 zu erkennen. Spannungsentlastungen
werden gewöhnlich aus
flexiblem Gummi, wie z. B. Silikongummi, gefertigt und dienen dazu,
einen Schaden an dem Kabel 4 oder ein chemisches Auslecken
in das Gehäuse 2 am
Punkt der Kabel/Gehäuse-Fügestelle
zu verhindern, insbesondere wenn das Kabel 4 durch den
Benutzer gebogen wird.
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Ein
Wanderkabelverbinder 6 kann am Ende des Kabels 4 (-
Y Ende) erkannt werden. Der Verbinder 6 weist gewöhnlich eine
durch Masse betätigte Gestaltung
auf und besitzt einen geeigneten drehbaren Betätigungsknopf 8 für diese
Funktion. Rechts von dem Verbinder 6 des Wandlers ist in
gestrichelten Linien ein dazu passender Ultraschallsystemverbinder 7 dargestellt,
der auf einer Ultraschallsystemkonsole 9 montiert ist.
Um den Wandler zu verwenden, würde
die die Sonographie durchführende
Person den Verbinder 6 in den dazu passenden Verbinder 7 einstöpseln (die
Verbinder sind nicht zusammengesetzt dargestellt), wodurch elektrisch
der Wandler 1 mit der Konsole 9 des Ultraschallsystems verbunden
wird.
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Im
inneren Bereich des Bodens des Wandlers 1, im Inneren des
Polymergehäuses 2,
laufen Teile von zahlreichen elektrischen Verbindungselementen 10 (angezeigt
durch Teile von gestrichelten Linien) von der Wandlereinrichtung 1 in
das Kabel 4 und weiter in den Verbinder 6. Im
Allgemeinen wird eine große
Anzahl von Verbindungselementen 10, die Koaxialkabel mit
gesteuerter Impedanz enthalten, im Kabel 4 vorgesehen,
um die elektrischen Impulse zu tragen, die an die einzelnen Piezoelemente übertragen
werden und von den einzelnen Piezoelementen empfangen werden, welche
den gephasten Array bilden. Die Einzelheiten, wie die Verbindungselemente 10 mit
den Piezoelementen oder mit dem Verbinder zusammengefügt sind,
sind nicht dargestellt, da dies nicht kritisch für das Verständnis der vorliegenden Erfindung
ist. Es sollte allgemein verstanden werden, dass zahlreiche Verbindungselemente 10 von
dem Wandler 1 und seinen Piezoelementen durch das Kabel
zu dem Verbinder 6 laufen und diese eine elektrische Funktion
erfüllen.
Verbindungselemente 10 müssen physikalisch durch das
Innere der Rückseite
des Wandlergehäuses 2 verlegt
werden und um irgendwelche andere Mittel, thermische oder andersartige,
herum, die darin angeordnet sind.
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Die
elektroakustische Wandlergerätanordnung 50 ist
innerhalb der Begrenzungen des Polymergehäuses 2 gepackt und
wird dort betrieben. Die Anordnung 50 ist schematisch in 1 und 2 dargestellt.
Die Anordnung 50 enthält
ein akustisches Unterstützungsmaterial 11,
Piezoelemente 12 und eine oder mehrere (eine ist dargestellt)
akustische Abgleichsschichten 13. Wenngleich die Linse 3 in 2 nicht
dargestellt ist, kann sie ebenfalls als Teil der Anordnung 50 angesehen
werden. Das akustische Unterstützungsmaterial 11 erfüllt die
Funktionen des Dämpfens
von akustischer Energie, die nach hinten gerichtet ist, um Echos
und metallischen Klang zu minimieren, und als mechanische Stütze für die Piezoelemente 12.
Die Materialien, die zum Herstellen der Unterstützung 11 verwendet
werden, sind im Allgemeinen schlecht oder nur mäßig thermisch leitfähig, da
es übermäßig schwierig
ist, ein in hohem Maß thermisch
leitfähiges
und gleichzeitig akustisch in hohem Maß dämpfendes Material zu gestalten.
Piezoelemente 12 können
beispielsweise aus Leitungs-Zirkrontitanat (PZT) oder Komposit PZT
auf eine für
den Fachmann gut bekannte Weise gefertigt werden. Auf der Oberseite
der Piezoelemente 12 ist die Abgleichsschicht oder sind
die Abgleichsschichten 13, die dazu dienen, als akustische
Impedanzumformer zwischen den Piezoelementen 12 mit hoher
akustischer Impedanz und der niedrigen akustischen Impedanz, dem
menschlichen Patienten, zu wirken. (Der menschliche Patient ist
nicht dargestellt, wobei jedoch zu verstehen ist, dass der Patient
in Berührung mit
der Linse 3 ist.)
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Das
Piezoelementmaterial, typischerweise PZT, ist eine Keramik, die
im Allgemeinen schlechte bis mäßige thermische
Leitfähigkeit
hat. Die Materialien der Abgleichsschicht(en) 13 weisen
ebenfalls aufgrund ihrer in Konflikt stehenden akustischen Anforderungen
häufig
schlechte bis mäßige thermische Leitfähigkeit
auf. Es ist anzumerken, dass die Unterstützung 11, die Piezoelemente 12 und
die Abgleichsschicht(en) 13 alle eng und mit dem Linsenmaterial 3 miteinander
verbunden sind, so dass akustische Energie, die in den Piezoelementen 12 erzeugt wird,
durch die Schichtschnittstellen in der +Y-Richtung frei passieren
kann. Selbstverständlich
können die
von dem Körper
reflektierten akustischen Echos entsprechend ebenfalls frei in der
-Y-Richtung, zurück
in die Sonde 1, passieren.
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In 1 nicht
dargestellt sind horizontal laufende (+-X-Achsenrichtung) Elektroden
in einer der Schnittstellen eines Typs aus der Linse 3 und
der Schicht 13, der Schicht 13 und der Piezoelemente 12 oder
der Piezoelemente 12 und der Unterstützung 11. Passende
dünne Elektroden
müssen
vorhanden sein, um elektrische Potentiale über die obere und untere Oberfläche der
Piezoelemente 12 aufzubringen und abzutasten. Elektrische
Verbindungselemente 10 sind typischerweise zu solchen ausgewählten Schnittstellenelektroden
auf einer Basis Piezoelement pro Piezoelement verlegt und damit
verbunden (Verbindungen und Leitungsverlauf sind nicht dargestellt).
Die Schnittstelle oder die Oberflächenelektroden müssen mit
jedem der Piezoelemente 12 einen elektrischen Kontakt herstellen,
ohne merklich das akustische Leistungsspektrum des Wandlers 1 negativ
zu beeinflussen. Somit werden solche Elektroden typischerweise als
sehr dünne,
metallische Elektroden gewählt
und haben sehr geringe Masse. Dies wiederum bewirkt, dass die Elektroden
schlechte thermische Leiter in der seitlichen X-Richtung sind.
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Auch
in 1 dargestellt sind zwei symmetrisch angeordnete
Paare von Elementen 14 und 15 zur Verstärkung der
passiven thermischen Leitung, die auf jeder Seite der Anordnung 50 angeordnet sind.
Das thermische Element 14 ist physikalisch und thermisch
verbunden mit dem Randgebiet des Element Arrays 12 und
der Schicht 13 schematisch dargestellt und möglicherweise
auch mit den Enden der Schnittstellen oder Oberflächenelektroden
(nicht gezeigt). Das thermische Element 15 ist thermisch
und physikalisch verbunden mit dem Element 14 schematisch
dargestellt. Die Elemente 14 und 15 sind so angeordnet,
dass sie in enger Nachbarschaft und in gutem thermischen Kontakt
mit den Innenwänden des
Gehäuses 2 sind.
Es ist zu erkennen, dass das thermische Element 15 typischerweise
dicker (wie dargestellt) ist und daher stärker thermisch leitfähig als
das Element 14 ist unter der Voraussetzung des vergrößerten Raumes
in Richtung auf das Kabelende des Wandlers. Ferner kann das Element 15 aus
mehr als einem Bauteil zusammengesetzt sein, das kombiniert die
Funktion des Elements 15 ausführt. In einem solchen repräsentativen
Beispiel würden
die Elemente 14 aus dünnen
Filmen aus flexiblem Kupfer, etwa in der Gestalt eines flexiblen
Schaltkreises, bestehen, der sich weg von den Rändern des Piezoelement-Arrays 12 erstreckt
und möglicherweise
von einem Punkt innerhalb einer Schnittstelle ausgeht, wie z. B.
der Schnittstelle zwischen der Unterstützung 11 und dem Array 12,
dem Array 12 und der Schicht 13 oder der Schicht 13 und
der Linse 3, wobei er auch eine vorher erwähnte Elektrodenfunktion
erfüllt.
In diesem Beispiel ist der Hauptzweck des Elements (oder flexiblen
Kreises) 14 eine elektrische Verbindung nach Bedarf in
den Schnittstellen zwischen zumindest bestimmten der laminierten
Schichten. Die Elemente 15 würden typischerweise aus Aluminium oder
Kupferplatten bestehen, vorzugsweise zwischen 0,000254 m – 0,002032
m (0,010-0,080 Inch) dick, die mit den inneren Oberflächen des
Gehäuses 2 verbunden
oder thermisch unmittelbar daran angeschlossen sind. Die Fügestelle
zwischen den Elementen 14 und 15 muss thermisch
leitend sein. Wenn das Element 14 ein elektrischer biegsamer Schaltkreis
ist, der zur Verbindung verwendet wird, dann müsste darauf geachtet werden,
nur eine thermische Fügestelle
vorzusehen und keine elektrische Fügestelle, so dass die biegsamen
Spuren, die verlegt werden müssen
(nicht dargestellt), nach hinten zu den Verbindungselementen 10 nicht
kurzgeschlossen werden.
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Wenn
die die Sonographie durchführende Person
oder der Benutzer mit der Wandlersonde 1 eine Bildgebung
durchführt, überträgt die Systemkonsole 9 eine
Serie von elektrischen Impulsen durch die Verbinder 7, 6 und
das Kabel 4 zu dem akustischen Array von Piezoelementen 12.
Die elektroakustischen Piezoelemente 12 wandeln die elektrischen
Pulse in akustische Ausgangsenergie um, die von der Gummilinse 3 in
den Patienten ausstrahlt. Während
des Abschnitt des Empfangs des Ultraschalls bei der akustischen
Strahlenbildung erfasst das Piezoelement in einem passiven Modus
die elektrische Störung,
die durch akustische Energie erzeugt wird, die von dem Innengewebe
des Patienten zurückprallt
und zurück
in den Wandler 1 reflektiert wird. Es ist hauptsächlich der Übertragungsabschnitt während der
Bildgebung, wenn Wärme
durch die Piezoelemente erzeugt wird. Dies liegt daran, dass der Vorgang
zur elektroakustischen Energieumwandlung weniger als 100 % effizient
ist. Somit wirken die Piezoelemente 12 als unbeabsichtigte
Wärmequellen. Zweitens
wird, wenn Ultraschallenergie durch die Piezoelemente 12 erzeugt
wird, sie in gewissem Maß durch
die Schichten 13 und die Linse 3 absorbiert, so dass
solche Schichten gewöhnlich
nicht vollständig verlustlos
sind. Der nicht vermeidbare Teil von akustischer Energie, der nicht
Null ist, der weg von dem Patienten in die Unterstützung 11 gerichtet
ist, dient auch dazu, in der Unterstützung 11 Wärme zu erzeugen.
Somit tritt Wärme
auf, die direkt in den Piezoelementen 12 erzeugt wird,
und Wärme,
die indirekt in dem Unterstützungsmaterial 11,
der/den Abgleichsschicht(en) 13 und der Linse 3 erzeugt
wird.
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Ein
thermisches Element 14, wenn es aus einem flexiblen Schaltkreis
besteht, der zum Teil aus einem dünnen Metall wie z. B. Kupfer
gebildet ist, bietet eine mäßige thermische
Leitung von Wärme,
die durch Piezoelemente 12 erzeugt wird, seitlich in der X
und Z-Richtung zu den Rändern
des Geräts
und dann nach unten zu einer beträchtlicheren thermischen Senke,
wie z. B. dem Element 15. Der Zweck des Elements 15 ist
es, die innere Oberfläche
des Gehäuses 2 isotherm
zu gestalten, so dass Wärme dazu
gebracht wird, über
die Gehäusewand
an allen Orten zu fließen.
Der thermische Zweck des Elements 14 ist es, die Wärme weg
von den Piezoelementen 12 zu schaffen und so umzulenken,
dass sie in das Element 15 zur isothermen Gestaltung einströmen kann.
Unter Verwendung der Kombination von thermischen Elementen 14 und 15 wurde
es möglich, passiv
die Wärme
isotherm an den meisten der Oberflächen des Innengehäuses 2 zu
verteilen. Es ist zu verstehen, dass das Gehäuse 2, das aus einem
Polymer hergestellt wird, typischerweise die Wärme schlecht leitet. Es ist
daher kritisch, die Wärme über den
größten Teil
oder die gesamte Innenoberfläche des
Gehäuses 2 verteilt
zu bekommen, so dass eine beträchtliche
Oberfläche
vorhanden ist, um zu kompensieren, dass der thermische Widerstand über die Dicke
der Gehäusewand 2 hoch
ist, und den thermischen Gesamt-Widerstand zwischen den Elementen und
der Umgebung so gering wie möglich
zu halten.
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Wärme, die
in der/den Abgleichsschicht(en) 13 und der Linse 3 erzeugt
wird, kann ebenfalls nach unten in Richtung auf die Piezoelemente 12 oder
an deren Schnittstellenelektroden (nicht dargestellt) geleitet werden,
die wiederum die Wärme
zu den Rändern
der Stapelanordnung zur Umlenkung nach unten in der -Y-Richtung über das
Element 14 beispielsweise weitergeben können. Wenn die Wandlersonde 1 in
Kontakt mit dem Gewebe eines Patienten ist, kann ein bestimmter
Teil der Wärme
direkt in den Patienten passieren. In jedem Fall beschränkt die U.L.-Begrenzung
bezüglich
der Haut oder Gewebetemperatur beträchtlich die Temperatur der
Linse und die Wärmedissipation
in Richtung auf den Patienten.
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Wärme, die
in dem Unterstützungsmaterial 11 erzeugt
wird, kann zu thermischen Mitteln, wie dem Element 15,
weitergegeben werden. Das Element 15 kann so angeordnet
sein, dass es sogar das Unterstützungsmaterial 11 umhüllt oder
sich darum wickelt in der Form eines metallischen thermischen Behälters oder
einer Dose (nicht dargestellt), um den Durchlass von Wärme von
dem Unterstützungsmaterial 11 in
das thermische Element 5 und aus dem Wandler 1 heraus
zu vereinfachen.
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Somit
wird die Fähigkeit
der Sonde 1 zum Abgeben von Wärme
zur Umgebung hauptsächlich durch
passive freie Konvektion und/oder Strahlung von Wärme von
den externen Oberflächen
der Sonde bestimmt. Es gibt eine eher beschränkte Kapazität, Wärme durch
Strahlung zur Umgebung und/oder natürliche Konvektion von Luft
an der externen Sondenoberfläche
vorbei zu entfernen, selbst bei diesem optimal isotherm gestalteten
Beispiel. In der Praxis ist es bei den Begrenzungen im Hinblick
auf die Temperatur der Linse 3 und im Hinblick auf den
Komfort der die Sonographie durchführenden Person beim Ergreifen
nicht möglich,
mehr als einige wenige Watt von thermischer Energie auf diese passive
Weise des Stands der Technik zu dissipieren. Ferner bedecken typischerweise
verschiedene die Sonographie durchführende Personen andere Mengen
der Sondenoberfläche
mit ihren Händen,
wenn sie sie greifen, und in manchen Fällen wird ein großer Teil
der Wärme
durch Leitung direkt in die Hand/Hände der die Sonographie durchführenden
Person geleitet. Dies kann bei der die Sonographie durchführenden Person
einen fehlenden Komfort oder einen schlechten Griff bewirken. Wenn
die einzige verfügbare
wärmedissipierende
Oberfläche
und der einzige verfügbare
Weg die externe Gehäuseoberfläche ist,
welche durch Konvektion und/oder Strahlung zur Umgebung oder durch
Leitung in den Patienten und/oder die Hand der die Sonographie durchführenden
Person dissipiert, dann gelten strenge Leistungsdissipationsgrenzen
von einigen wenigen Watt, insbesondere bei kleinen Sonden, die kleine
Oberflächen
aufweisen, selbst wenn die Oberfläche in einen isothermen Zustand
versetzt wird.
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Andere
haben versucht, die seitliche (X-Achse) und/oder vertikale (Y-Achse)
thermische Leitfähigkeit
des akustischen Unterstützungsmaterials 11, der
Piezoelemente 12 und der akustischen Abgleichsschichten 13 zu
erhöhen.
Wenngleich diese Maßnahmen
dazu beitragen, die Fläche
des akustischen Arrays besser isotherm zu halten, insbesondere für sehr große Arraysonden,
tragen sie nicht dazu bei, die Kapazität zum Entfernen der Wärme von
den externen Oberflächen
der Sonde auf verbesserte Weise zu erhöhen.
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Eine
Ausdehnung des Ansatzes der Passivkühlung hat den Versuch beinhaltet,
einen Teil der Wärme
nach unten entlang der Länge
des angebrachten Kabels zu leiten oder zu verteilen, damit das Kabel
eine größere passive
Konvektions- und/oder Strahlungsoberfläche anbieten kann. Dies hilft
der Situation nur minimal aufgrund des von Benutzern bevorzugten
Kabels mit kleinem Durchmesser und der Schwierigkeit des Vorsehens
eines großen
thermisch leitfähigen
Wegs in einem solchen Kabel mit kleinem Durchmesser, ohne Kompromisse
bezüglich
der gewünschten
Flexibilität
und der Kompaktheit des Kabels einzugehen. Eine solche minimale
Maßnahme ist
im U.S. Patent Nr. 5,213,103 "Apparatus
for and method of cooling ultrasonic medical transducers by conductive
heat transfer" von
Martin et al. beschrieben.
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Als
ein spezielles Beispiel könnte
ein Kupfernetz von dem Inneren des Gehäuses 2 in zumindest eine
begrenzte Länge
des Kabels 4 angrenzend an das Gerät 1 geführt werden.
Dieses thermische Mittel aus geflochtenem Kupfer kann mit einem
thermischen Mittel in dem Gehäuse,
wie z. B. den dargestellten Elementen 14, 15 oder 14 und 15 verbunden werden
oder kann auch als Element 15 beispielsweise dienen. Diese
Maßname
erzeugt im Wesentlichen zusätzliche
dissipative Oberfläche
auf dem Kabel.
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Es
ist anzumerken, dass für
Endokavitätswandler,
(Sonden, die intern in den menschlichen Körper eingeführt werden) Wärme sowohl
durch direkte Leitung zu den Innengeweben und Fluiden des Patienten
dissipiert wird, als auch durch die Leitung aus dem Kabel heraus
und durch Konvektion und/oder Strahlung von dem freigelegten Wandlerhandgriff
der außerhalb
der Kavität
des Patienten bleibt. Es müssen
auch die maximalen Oberflächentemperaturen
geregelt werden, die durch diese Sonden erreicht werden.
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Die
zweite Strategie zum Kühlen
von Wandlern ist es, eine aktive Kühlung statt einer passiven Kühlung zu
verwenden, um Wärme über das
hinaus zu dissipieren, was passiv konvektiert und/oder abgestrahlt
werden kann oder von den externen Wandleroberflächen geleitet werden kann.
Aktive Kühlung bedeutet,
dass man ein Mittel vorsieht, um aktiv Wärme von dem Wandler zu entfernen,
wie z. B. indem eine gepumptes Kühlmittel
oder ein anderes aktives Kühlungsmittel
eingesetzt werden. Durch die Verwendung einer aktiven Kühlung kann
man sicherstellen, dass man den akustischen Wandler immer bis zu der
akustischen Intentsitätsgrenze
hin betreiben kann, wobei gleichzeitig akzeptable Oberflächentemperaturen
aufrecht erhalten werden, unabhängig
davon, wie klein der Wandler ist, oder wie viel Oberfläche er zum
Kühlen
relativ zu seiner akustischen Intensität anbietet.
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Zumindest
ein Teil des Grunds, warum aktive Kühlung noch nicht verwendet
worden ist, ist aufgrund der offensichtlichen Kosten, der Zuverlässigkeit
und wegen Aspekten bezüglich
der Einfachheit der Benutzung, die damit einhergehen. Es gibt einen gut
gefestigten fortgesetzten Trend in der Ultraschallindustrie in Richtung
auf zuverlässige
gephaste "Festzustand" Arraywandler ohne
sich bewegende Teile und mit herausragendem chemischen Wiederstand
bezüglich
Desinfektionsvorgängen,
einschließlich
Vorgängen,
welche ein vollständiges
Eintauchen in Chemikalien für
ausgedehnte Zeitdauern mit sich bringen. Es gibt einen neueren Trend
in Richtung auf das Minimieren der Kosten des Besitzes für alle medizinischen
Geräte,
sowie die Notwendigkeit, sie zu warten oder zu reparieren. Beide
dieser Trends bringen strenge Begrenzungen bezüglich eines möglichen
aktiven Wandler-Kühlmittels
zur Verwendung im Krankenhaus, der Klinik oder in der Umgebung von ärztlichen
Praxen mit sich.
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Schließlich muss
man berücksichtigen,
dass Bildgebungswandler in die verschiedenen Verbinderports der
Ultraschallkonsole auf eine variierende, persönlich angepasste Weise eingestöpselt und
ausgestöpselt
werden, wobei irgend ein aktives Kühlschema vorzugsweise weiterhin
die Freiheit bieten sollte, dies zu tun, und die Integrität oder der
Einfachheit dieser Verbindung nicht wesentlich verkomplizieren sollte.
Große
Anzahlen von Verbinder-Einstöpsel/Ausstöpselzyklen
sollten ebenfalls die Leistung des aktiven Kühlmittels nicht verschlechtern.
Irgendein aktives Kühlschema
sollte eine minimale zusätzliche
Wartung mit sich bringen und sollte für den Benutzer so transparent
wie möglich
sein.
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Diese
Aufgabe wird mit einem Ultraschallwandler mit dem Merkmal des Anspruchs
1 und mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 17 gelöst. Bevorzugte
Ausführungsformen
sind in den abhängigen
Ansprüchen
angegeben.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 stellte
eine Teilquerschnittsansicht eines typischen gephasten Arraywandlers
im Festzustand gemäß dem Industriestandard
mit seinem zugehörigen
Kabel, Systemverbinder, der Systemkonsole, dem dazu passenden Verbinder
und typischen passiven Wärmeverteilungsplatten
dar.
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2 stellt
eine Seitenansicht einer Piezoelementwandleranordnung des Typs dar,
der in dem Gerät,
das in 1 dargestellt ist, verwendet wird.
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3 ist
eine Teilquerschnittsansicht einer Wandleranordnung, wobei eine
thermoelektrische Kühleinrichtung
thermisch mit den wärmedissipierenden
Piezoelementen und deren lokalen zugehörigen passiven Wärmedissipationselementen
verbunden ist.
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4 stellt
ein Blockdiagramm einer Wandleranordnung gemäß einer Ausführungsform
dar.
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5A zeigt
eine Ultraschallwandleranordnung auf mikromechanischer Basis gemäß einer
alternativen Ausführungsform.
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5B zeigt
eine Ultraschallwandleranordnung auf mikromechanischer Basis gemäß einer
anderen alternativen Ausführungsform.
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6 zeigt
eine alternative Ausführungsform
der Wandleranordnung von 4, wobei die thermoelektrische
Kühleinrichtung
weiter mit der Elektronikanordnung der Wandlersonde verbunden ist.
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7A–7D zeigen
beispielhafte elektronische Unterbaugruppen und elektronische Baugruppen,
welche wärmeleitende
Schichten verwenden, zur Verwendung mit der Ausführungsform nach 6.
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8A–8C zeigen
beispielhafte Elektronikunterbaugruppen und Elektronikbaugruppen, die
wärmeleitende
gedruckte Schaltkreistafeln oder Wärmeleitungen verwenden, zur
Verwendung mit der Ausführungsform
nach 6.
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9A–9B stellen
beispielhafte Verfahren zum Verbinden des Kühlsystems des Wandlermoduls
mit dem Kühlsystem
der Elektronikanordnung zur Verwendung mit der Ausführungsform
gemäß 6 dar.
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10A–10B zeigen alternative beispielhafte Verfahren
zum Verbinden des Kühlsystems
des Wandlermoduls mit dem Kühlsystem
der Elektronikanordnung zur Verwendung mit der Ausführungsform
nach 6.
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11A–11C stellen eine thermische Isolierung des Wandlermoduls
und der Elektronikanordung gemäß einer
Ausführungsform
dar.
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12A–12B stellen beispielhafe elektronische Unterbaugruppen
und Elektronikbaugruppen dar, die eine Flüssigkeitskühlung verwenden, zur Verwendung
mit der Ausführungsform
nach 6.
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Detaillierte
Beschreibung der gegenwärtig
bevorzugten Ausführungsformen
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Die
Erfindung bezieht sich auf die Bildgebung von Materialien in lebendem
Gewebe, und insbesondere auf die Erhöhung der Leistungsausgabe von
Wandler-Mitteln, die zur akustischen Bildgebung verwendet werden,
durch die Kompensation von thermischen Problemen, die mit solchen
erhöhten Leistungsausgaben
einher gehen, unter der Verwendung von aktiver Kühlung. Bezüglich einer weiteren Information über die
Verwendung von aktiver Kühlung
in Wandlern wird auf U.S. Patent Nr. 5,560,362 verwiesen, das hier
durch Bezugnahme eingeschlossen ist.
-
Wie
oben beschrieben enthalten gegenwärtige Wandler Designs eine
Verbindung einer flexiblen Schaltkreistafel zu einer Seite des piezoelektrischen-Materials
als Signalanschluss, und eine Kupferfolie, die als die Erdungselektrode
an der anderen Seite des piezoelektrischen Materials wirkt. Es ist
zu verstehen, dass andere Typen von Wandlern eine andere Erdungsstruktur
erfordern können.
Beispielsweise kann ein 2-D Array Wandler einen Flex-Schaltkreis erfordern,
so dass einzelne Erdungselektroden für jedes Element vorgesehen
werden. Ein Teil der durch das PZT und die erste Impedanzanpassungsschicht
erzeugten Wärme
kann von der Stirnfläche der
Sonde durch die Verwendung dieser Schichten entfernt werden. Die
gegenwärtigen
Wandlerdesigns verbinden thermisch diese Kupferschichten mit den thermischen
Dissipationsplatten am Wandlerhandgriff, was zu einer Verbesserung
der thermischen Leistung führt.
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3 stellt
ein System dar, das eine thermoelektrische Kühleinrichtung 30,
wie z. B. eine Peltier Einrichtung, in dem thermischen Weg zwischen
passiven leitenden Elementen 15, 15A und einem
Wärmetauscher 16A verwendet.
Es ist anzumerken, dass sich das thermische Element 15A über die akustische
Unterstützung 11 derart
erstreckt, dass Wärme
in der oberen Kühloberfläche (+Y
Oberfläche)
des thermoelektrischen Kühlers 30 abgelagert werden
kann. Der Kühler 30 würde typischerweise aus
einer elektrisch betriebenen Anschlusseinrichtung bestehen, die
einen thermischen Gradienten erzeugen kann und Wärme durch ihre Dicke entlang der
Y-Achse transportieren kann (manchmal als Peltiereinrichtung bezeichnet).
Solche Einrichtungen sind typischerweise eher ineffizient, wenngleich
sie beträchtliche
Mengen von Wärme
bewegen können. Somit
können
die Kühlsystembauteile,
die in U.S. Patent Nr. 5,560,362 beschrieben sind, dazu verwendet werden,
nicht nur die Piezoelementwärme
abzuführen,
die durch den Kühler 30 gepumpt
wird, sondern auch die Abwärme,
die durch den Kühler 30 an
sich erzeugt wird. Insbesondere sind solche thermoelektrischen Kühler 30 beispielsweise
von Marlow Industries, Inc. (10451 Vista Park Road, Dallas, Tex. 75238)
erhältlich,
wobei die Wärmeabführkapazitäten den
Bereich von 1 bis 150 Watt abdecken. Die kalte (kühlende)
Seite des Kühlers 30 kann
abhängig von
der Wärmelast
und der spezifischen Art des Kühlers
die Kapazität
aufweisen, zwischen 10 und 100 Grad Celsius zu unterkühlen. Die
Verwendung eines thermoelektrischen Kühlers 30 bietet die
Vorteile einer dynamischen Echtzeittemperaturregelung der Wandlerpiezoelemente
und/oder einer thermischen Kapazität, die Piezoelemente 12 sogar
zu unterkühlen,
wie beschrieben, ohne dass ein herkömmliches Kühlsystem mit Freon erforderlich
ist. Der Leser mag realisieren, dass der thermoelektrische Kühler 30 so angeordnet
sein kann, dass er seine Wärme
an irgend eines der anderen bekannten thermischen Dissipationsmittel
abgibt.
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Ein
spezifischer Vorteil eines thermoelektrischen Kühlers 30 wird geschätzt, wenn
eine Ultraschallbildgebung mit hoher Frequenz von Geweben nahe der
Oberfläche
durchgeführt
wird. Bei diesen zunehmenden Anwendungen werden zunehmende Mengen
von Wärmeenergie
in der Sonde und in dem Gewebe erzeugt, da die Hersteller danach
streben, die höchstmögliche Auflösung bei
den maximalen erlaubbaren akustischen Intensitäten zu erzielen. Es wäre ziemlich
schwierig, eine vernünftige
Linsentemperatur aufrecht zu erhalten, wenn nicht eine Kühleinrichtung 30,
die eine sehr große
Kühlkapazität aufweist
(eine Einrichtung, die unterkühlen
kann, kann zu diesem Zweck dienen), in unmittelbarer Nähe zu den
Piezoelementen, der Linse und dem Gewebe vorhanden ist.
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Im
Gegensatz zur Verbindung des thermoelektrischen Kühlers mit
den passiv leitenden Elementen 15, 15A wie oben
beschrieben, kann man den Wärmetransfer
zwischen den Kupferfolien und den thermischen Platten verbessern,
indem man die thermoelektrische Kühleinrichtung dazwischen platziert, so
dass die heiße
Anschlussstelle der thermoelektrischen Kühleinrichtung in Berührung mit
den thermischen Platten ist und die kalte Anschlussstelle in Kontakt
mit der Kupferfolie ist. Dabei bedeutet der Ausdruck "verbunden mit", dass ein direkter
Anschluss vorhanden ist oder dass eine indirekte Verbindung durch
eine oder mehrere Zwischenkomponenten vorgesehen ist. Dies trägt dazu
bei, die Temperatur der Kupferfolie auf einer niedrigeren Temperatur
zu halten, wobei die Temperatur der thermischen Platten erhöht wird.
Die thermischen Platten sind in Berührung mit den Kunststoffteilen
am Wandlerhandgriff. Wenn der Wandlerhandgriff aus thermisch leitenden
Materialien gefertigt ist, kann die thermische Dissipation der Einrichtung
insgesamt verbessert werden. Alternativ können die thermischen Platten
oder die heiße
Anschlussstelle der thermoelektrischen Kühleinrichtung mit der Kabelummantelung
des gesamten Wandlers verbunden sein. Die Kabelabschirmung des gesamten
Wandlers weist eine große
Oberfläche
auf. Die Oberfläche
der Leiter in der Kabelummantelungsabschirmung ist 200 cm × 1 cm.
Dies ist deutlich größer als
die Oberfläche
des Wandlers (1,9 cm × 1,4
cm) oder des Handgriffs (etwa 80 cm2).
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4 zeigt
ein Blockdiagramm einer Wandleranordnung 138 gemäß einer
ersten Ausführungsform.
Die Anordnung 138 enthält
eine Unterstützungsschicht 102,
eine piezoelektrische Schicht 104, eine Impedanzabgleichsschicht 106 und
eine mechanische Linse 108. Die piezoelektrische Schicht 104 ist
vorzugsweise eine PZT Schicht 104, wie oben beschrieben,
und die mechanische Linse 108 ist vorzugsweise aus Silikongummi
gefertigt, wenngleich der Fachmann erkennt, dass andere Materialien
verwendet werden können.
Ferner erkennt ein Fachmann, dass andere Mechanismen zum Erzeugen
der Ultraschallenergie ebenfalls verwendet werden können, wie
unten diskutiert wird.
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Bei
der ersten Ausführungsform
liegen Anschlussschaltkreisschichten 110, 112,
die flexible Signalanschlüsse
enthalten, und elektrische Erdungsverbindungen, sandwichartig zwischen
den Wandlerschichten 102, 104, 106. Es
ist zu verstehen, dass die Wandleranordnung mehr oder weniger funktionelle
und elektrische Anschlussschichten aufweisen kann und dass andere
Materialien statt oder zusätzlich
zu den offenbarten Materialien verwendet werden können. Die
flexiblen Schaltkreisschichten (Flex-Schaltkreis) 110, 112 enthalten
vorzugsweise ein Material, das zusätzlich dazu, dass es elektrisch leitfähig ist,
thermisch leitfähig
ist, wie z. B. Kupfer. Ein thermoelektrischer Kühler 122 und insbesondere die
kalte Anschlussstelle des thermoelektrischen Kühlers 122, ist thermisch
verbunden 116, 118, 120 mit den flexiblen
Schaltkreisschichten 110, 112, Die thermische
Verbindung wird vorzugsweise derart implementiert, dass sie nicht
mit dem elektrischen Betrieb der flexiblen Schaltkreisschichten 110, 112 und dem
Betrieb des Wandlers 138 in Wechselwirkung tritt. Der thermoelektrische
Kühler 122 und
insbesondere die heiße
Anschlussstelle des thermoelektrischen Kühlers 122, ist thermisch
mit einer Wärmesenkeneinrichtung 126 verbunden.
Die Wärmesenkeneinrichtung 126 kann
ein aktives oder passives Kühlsystem
wie oben beschrieben, das Wandlergehäuse, oder ein Wärmedissipationssystem,
das auf phasenänderndem
Material basiert, wie unten beschrieben, sein. Die Wärmesenkeneinrichtung 126 führt Wärme ab,
die durch den thermoelektrischen Kühler 122 von dem Wandler 138 dissipiert
wird, ebenso wie Wärme,
die durch den Betrieb des thermoelektrischen Kühlers 122 an sich
erzeugt wird.
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Im
Betrieb des Wandlers 138 wird Wärme innerhalb der verschiedenen
Schichten 102, 104, 106, 108 wie
oben beschrieben erzeugt. Die erzeugte Wärme wird weg von den Schichten 102, 104, 106, 108 durch
die wärmeleitenden
flexiblen Schaltkreisschichten 110, 112 und aus
dem Wandler entlang des thermischen Wegs 116, 118, 120 zum
thermoelektrischen Kühler 122 konvektiert.
Ein elektrischer Strom, der durch den thermoelektrischen Kühler läuft (elektrische
Verbindungen sind nicht dargestellt), bewirkt, dass der thermoelektrische
Kühler 122 Wärme von seiner
kalten Anschlussstelle zu seiner heißen Anschlussstelle konvektiert, wie
oben beschrieben und wie es im Stand der Technik bekannt ist. Die
erzeugte Wärme
wird dann an die Wärmesenkeneinrichtung 126 weiter
gegeben. Durch direktes Verbinden des thermoelektrischen Kühlers 122 mit
den flexiblen Schaltkreisschichten 110, 112 wird
die innerhalb der Schichten 102, 104, 106, 108 des
Wandlers 138 erzeugte Wärme
effektiver dissipiert. Wie oben festgehalten ist es häufig die
Fähigkeit,
die Wärme
aus den elektroakustischen Elementen an sich und in angrenzende
interne thermische Senkenstrukturen zu bekommen, was einen beträchtlichen
Teil des gesamten thermischen Dissipationswiderstands der Sonden
vorsieht. Unter der Voraussetzung, dass die flexiblen Schaltkreisschichten 110, 112 typischerweise schlechte
thermische Leiter sind, wie oben beschrieben, führt diese Platzierung des thermoelektrischen Kühlers 122 im
Wesentlichen nahe an der Wandleranordnung 138 und in direktem
thermischen Kontakt mit den flexiblen Schaltkreisschichten 110, 112,
ohne die Notwendigkeit für
dazwischenliegende passive thermische Elemente, zu einer effektiveren
und effizienteren Wärmedissipation.
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Bei
einer zweiten Ausführungsform
kann die während
des Betriebs des Wandlers 138 erzeugte Wärme auch
weg von den anderen Schichten 102, 104, 106, 108 der
Wandleranordnung 138 entfernt werden, wie z. B. der mechanischen
Linse/Fenster 108 oder den Impedanzabgleichsschichten 106.
Um dies zu erzielen kann eine dünne
(< 0,1 λ, wobei λ die Wellenlänge in dem
Schichtmaterial ist) Schicht von thermisch leitfähigem Material, wie z. B. Kupfer
oder ein Metallgitter, in die RTV Linse 108 und/oder die
Impedanzabgleichsschichten 106 eingebettet werden und entsprechend
mit dem thermoelektrischen Kühler 122 verbunden
werden.
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Wie
festgehalten ist, kann die Kühlkapazität der thermoelektrischen
Einrichtung 122 über
den in die Einrichtung 122 eingeführten elektrischen Strom gesteuert
werden. Bei einer dritten Ausführungsform ist
ein Feedbackregelungskreis 128 vorgesehen, um die Temperatur
der Sonde zu überwachen
und den der thermoelektrischen Kühleinrichtung 122 zugeführten elektrischen
Strom zu justieren, um den optimalen Zustand unter allen Betriebsbedingungen
zu halten. Der Feedbackregelungskreis 128 ist mit der Stromzufuhrregelung
des thermoelektrischen Kühlers 122 verbunden
(134), und mit einem Temperatursensor 130, der
es dem Kreis 128 erlaubt, die Sondentemperatur zu überwachen.
Der Feedbackregelungskreis 128 kann durch den Benutzer
geregelt werden oder kann automatisch geregelt werden, um die gewünschten
Sondenbetriebstemperaturen zu halten, thermische Überlasten
anzuzeigen oder zu verhindern, oder anderweitig den optimalen Sondenbetrieb
aufrecht zu erhalten. Ferner kann der Feedbackregelungskreis 128 verwendet
werden, um effektiv den thermoelektrischen Kühler 122 nur dann
zu betätigen,
wenn es erforderlich ist, um eine gewünschte Sondentemperatur zu
erzielen, wodurch ein unnötiger
Betrieb des Kühlers 122 vermieden wird.
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Bei
einer vierten Ausführungsform
enthält die
Wärmesenkeneinrichtung 126 ein
Phasenänderungsmaterial,
wie z. B. Wachs, in dem Gehäuse oder
in Gehäusewänden des
Wandlergehäuses (nicht
dargestellt), um die durch die thermoelektrische Kühleinrichtung 122 selbst
erzeugte Wärme
zu dissipieren. Die Polarität
der dem Kühler 122 zugeführten Spannung
kann umgekehrt werden, wenn der Wandler 138 keine Wärme erzeugt
oder nicht in einem thermisch begrenzten Modus betrieben wird, um das
Phasenänderungsmaterial
abzukühlen.
Dies kann durch den Feedbackregelungskreis 128 geregelt
werden.
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Bei
einer fünften
Ausführungsform
können getrennte
thermoelektrische Kühler 122 vorgesehen sein,
um die durch eine oder mehrere der Schichten 102, 104, 106, 108 erzeugte
Wärme,
wie oben beschrieben, zu dissipieren.
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Es
wird auch durch die Fachleute unmittelbar erkannt, dass man einfach
den thermoelektrischen Kühler 122 verwenden
kann, um auch die Sonde zu erwärmen,
so dass sie warm ist und in der Empfindung des Patienten komfortabel
ist, wenn sie anfangs verwendet wird. Alternativ kann man sicherstellen, dass
die Sonde zu allen Zeiten bei einem gewünschten, festgelegten Temperaturpunkt
arbeitet (einschließlich
wenn die Sonde anfangs angeschaltet wird), oder unterhalb eines
solchen festgelegten Punkts oder über einem unteren festgelegten
Punkt und unter einem zweiten höheren
festgelegten Punkt. Dies kann erzielt werden, indem die Polarität des dem
thermoelektrischen Kühler 122 zugeführten Stroms
wie oben beschrieben umgekehrt wird. Der Kühler 122 kann auch
dazu verwendet werden, die Sonde zu kühlen, um eine Beschädigung von
ihr während
heißen
Desinfektions- oder Sterilisationsvorgängen, die zum Reinigen der
Sonde verwendet werden, zu vermeiden.
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5A und 5B zeigen
Querschnittsansichten einer sechsten Ausführungsform, welche Ultraschallwandler
auf mikromechanischer Basis verwendet, wie z. B. kapazitive mikromechanische
Ultraschallwandler ("cMUT's"). Solche Wandler verwenden mikromechanische
Bauteile, die unter Verwendung von Herstellungstechniken für integrierte Schaltkreise
hergestellt werden, um die Ultraschallenergie zu erzeugen und die
resultierenden Echos zur diagnostischen Bildgebung zu empfangen.
Für weitere
Informationen bezüglich
cMUT's und anderen
mikromechanisch basierten Ultraschallwandlern wird auf U.S. Patent
Nr. 6,605,043 "DIAGNOSTIC
MEDICAL ULTRASOUND SYSTEMS AND TRANSDUCERS UTILIZING MICRO-MECHANICAL
COMPONENTS" verwiesen,
das hier durch Verweis eingeschlossen ist.
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5A zeigt
eine Ultraschallwandleranordnung 502 auf mikromechanischer
Basis, die eine thermoelektrische Kühleinrichtung 508 wie
oben beschrieben an ihr angebracht hat. Die mikromechanischen Wandlerelemente 506 sind
auf einem Substrat 504 hergestellt, wie z. B. einem Siliciumwafer,
wenngleich andere Substratmaterialien verwendet werden können. Die
kalte Anschlussstelle der thermoelektrischen Kühleinrichtung 508 ist
thermisch verbunden, wie z. B. durch einen thermisch leitfähigen Kleber,
mit der Rückseite
des Substrats 504, so dass Wärme, die durch die mikromechanischen
Wandlerelemente 506 erzeugt wird, weg von dem Substrat
geleitet wird. Eine Wärmesenkeneinrichtung 510,
wie z. B. die Wärmesenkeneinrichtungen,
die oben beschrieben wurden, ist mit der heißen Anschlussstelle der thermoelektrischen
Kühleinrichtung 508 verbunden,
um die erzeugte Wärme
davon zu dissipieren.
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5B zeigt
eine Wandleranordnung 512 gemäß einer alternativen Ausführungsform.
Die Wandleranordnung 512 enthält mikromechanische Wandlerelemente 516,
die auf einem Substrat 514 hergestellt sind, wie z. B.
einem Siliciumwafer. Ein thermoelektrischer Kühler 518 ist auf der
gegenüberliegenden
Seite des Substratmaterials 514 derart hergestellt, dass
die kalte Anschlussstelle des thermoelektrischen Kühlers 518 in
der Nähe
zu den mikromechanischen Wandlerelementen 516 ist. Eine Wärmesenkeneinrichtung 520,
wie z. B. die oben beschriebenen Wärmesenkeneinrichtungen, ist
mit der heißen
Anschlussstelle der thermoelektrischen Kühleinrichtung 518 verbunden,
um die erzeugte Wärme davon
zu dissipieren. Alternativ kann der thermoelektrische Kühler 518 auf
der gleichen Seite des Substrats 514 wie die mikromechanischen
Ultraschallelemente 516 integriert bzw. hergestellt sein,
beispielsweise, weg zu einer Seite.
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Es
ist zu verstehen, dass die Ausführungsformen,
die mikromechanische Ultraschallelemente verwenden, die oben beschriebenen
Feedbackregelungskreise verwenden können. Ferner können die Wärmesenkeneinrichtungen 510, 520 aktive
oder passive Einrichtungen wie oben beschrieben sein und nach Bedarf
gestaltet werden, um die dissipierte Wärme an einen gewünschten
Punkt innerhalb oder außerhalb
des Wandlergehäuses
zu kanalisieren.
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Zusätzlich zu
der Wandleranordnung enthalten moderne Wandlerdesigns oftmals entweder
aktive oder passive wärmeerzeugende
Elektronikbaugruppen, die auch als Elektronikpackungen bezeichnet
werden, innerhalb des Handgriffs des Wandlers. So wie es auch hier
verwendet wird, kann sich die Elektronik "Packung" auch auf die gesamte Ansammlung von
elektrischen Bauteilen beziehen, die innerhalb des Wandlerhandgriffgehäuses enthalten
sind, und sowohl elektrisch als auch physikalisch zusammengefügt und angeordnet
sind. Diese Elektronikbaugruppen enthalten einzelne Komponenten,
wie z. B. Widerstände,
Schalter, integrierte Schaltkreise, usw. und/oder gedruckte Schaltkreistafeln
("PCB"), die solche diskreten
Komponenten daran auf entweder einer oder beiden Seiten und/oder
auf einer oder mehreren Kanten der PCBs befestigt haben. Die verschiedenen
diskreten Komponenten werden typischerweise an einem oder mehreren
PCBs angebracht, die als elektronische Unterbaugruppen bezeichnet
werden. Diese Unterbaugruppen werden dann zusammengefügt, um eine
oder mehrere elektronische Baugruppen zu bilden, wie z. B. durch
Stapeln, Stöpseln,
Löten,
Verdrahten oder anderweitiges Verbinden der Unterbaugruppen, sowohl
physikalisch als auch elektrisch, wie z. B. durch Verbinden jeder
Unterbaugruppe mit einem gemeinsamen Back-plane PCB oder mit einem
gemeinsamen elektrischen Bus/Signalbus. Während die Anzahl der diskreten
Bauteile in großem
Maß durch
technische und funktionelle Anforderungen und Begrenzungen bestimmt
wird, wird die Konfiguration und die Anzahl der Unterbaugruppen
und Baugruppen durch sowohl die geforderte Funktionalität als auch
das physikalische Design des Wandlerhandgriffs bestimmt, in das die
Bauteile passen müssen.
Wenn sie in eine Elektronikbaugruppe zusammengefügt sind, können die verschiedenen diskreten
Bauteile der Unterbaugruppen auf einer Oberfläche ausgerichtet sein, die
außenliegend
bezüglich
der Gesamtanordnung ist, oder sie können innerhalb der Anordnung
positioniert oder verborgen sein, d. h. intern in der Anordnung.
Diskrete Komponenten von einer oder mehreren Unterbaugruppen, die
im Inneren einer Baugruppe positioniert sind, d. h. verborgen oder
teilweise innen verdeckt sind, können
in unmittelbarer Nachbarschaft zueinander sein, wobei kein oder
nur wenig Raum zwischen ihnen ist. Eine Familie der möglichen
Wärmequellen
sind integrierte Schaltkreise (IC's), die Signale an die Ultraschallwandleranordung übertragen
und Signale von der Ultaschallwandleranordnung empfangen. Diese
IC's können an
unterschiedlichen Stellen angeordnet sein, d. h. auf verschiedenen
Baugruppen innerhalb des Wandlerhandgriffs, oder sie können innerhalb
einer Baugruppe von Unterbaugruppen konzentriert sein. Im einfachsten
Fall für
den Wärmetransfer
können
sie auf der Oberfläche
einer Elektronikbaugruppe liegen, d. h. auf der extern nach außen gerichteten
Oberfläche.
Die mechanische/physikalische Anforderung nach einer kompakten,
raumeffizienten Anordnung verschärft
die Möglichkeit,
diese Anordnung innerhalb der optimalen Betriebstemperatur zu halten,
aufgrund der Schwierigkeit, Wärme
von der Anordnung abzuführen.
Bei einer Ausführungsform
können
wärmeerzeugende Bauteile
auch auf der Rückseite
des cMUT Wandlersubstrats angeordnet sein, wie es oben beschrieben ist
und in 5A und 5B gezeigt
ist. Für
den Zweck der offenbarten Ausführungsformen
kann dieses Substrat, das wärmeerzeugende
Bauteile auf einer Seite und mikromechanische Wandlerelemente auf
der anderen Seite aufweist, als Schaltkreistafel und als ein Teil
einer Elektronikunterbaugruppe oder Baugruppe, wie beschrieben,
angesehen werden. Ferner können
Kühlverfahren,
die oben für
mikromechanische Arrays beschrieben wurden, verwendet werden, um
außerdem
die Komponenten zu kühlen, die
auch auf dem Substrat positioniert sind. Alternativ oder zusätzlich zu
diesem Kühlverfahren
können
die unten beschriebenen Verfahren dazu verwendet werden, um sowohl
Wärme von
den auf dem Substrat montierten Bauteilen als auch von dem mikromechanischen
Wandlerarray an sich zu entfernen.
-
Die
Elektronikpackung, von der ein jeweiliger Wandler mehr als eine
aufweisen kann, ist die Sammlung von Elektronikbaugruppen, und deren Unterbaugruppen,
wie sie physikalisch zum Einsetzen in den Wandlerhandgriff während des
Herstellens gepackt ist. Es kann Wandlerherstellungsmontagetechniken
geben, welche die wärmeerzeugenden Bauteile
innerhalb des Volumens der Elektronikpackung auf modulare Weise
verteilen. Wenn einige Elektronikunterbaugruppen zusammengefügt sind, wie
z. B. in einer Baugruppe gestapelt sind, sind jedoch Verfahren,
die es erlauben, dass die Wärme von
innerhalb der Elektronikbaugruppe abgezogen wird, erforderlich.
Bei den Ausführungsformen,
die Wandlerarrays auf mikromechanischer Basis verwenden, können mehrere
Unterbaugruppen oder Baugruppen in naher Nachbarschaft zum Wandlersubstrat
und den darauf positionierten Bauteilen platziert werden.
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Für Bauteile,
die auf der äußeren Oberfläche einer
speziellen Baugruppe positioniert sind, oder Bauteile, die physikalisch
zugänglich
sind, kann eine direkte Berührung
verwendet werden, um die thermische Energie abzuführen. Bei
einer Ausführungsform kann
eine thermoelektrische Einrichtung, wie z. B. eine Peltier Kühleinrichtung,
die oben beschrieben wurde, mit der kühlen Seite der Einrichtung
in direktem Kontakt mit der zu kühlenden
Komponente platziert werden. Die heiße Seite der thermoelektrischen Einrichtung
kann dann mit entweder einer aktiven oder passiven Einrichtung verbunden
werden, um weiter die thermische Energie von der thermoelektrischen
Einrichtung abzuführen.
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6 zeigt
ein Verfahren zum Kühlen
einer Elektronikanordnung 602 durch gemeinsames Verwenden
des oben beschriebenen thermoelektrischen Kühlsystems. Die Anordnung 602 enthält eine
oder mehrere Unterbaugruppen 604, 606, auf denen
einzelne Bauteile 608 befestigt sind. Ein thermisch leitender
Mechanismus 610, der unten genauer beschrieben wird, ist
zwischen den Unterbaugruppen 604, 606 derart platziert,
dass er thermische Energie vom Inneren der Anordnung 602 zur
Umgebung der Anordnung 602 und weiter zur kalten Seite
der thermoelektrischen Einrichtung 612 leitet, die dann
die thermische Energie entfernt, zusätzlich zu der thermischen Energie
von dem piezoelektrischen Modul 614 des Wandlers, wie oben
beschrieben.
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Ein
Verfahren zum Kühlen
einer Elektronikbaugruppe 602, die aus mehreren Unterbaugruppen 604, 606 wie
oben beschrieben und in 7A dargestellt
besteht, ist die Verwendung von Schichten von ausreichend dickem,
in hohem Maß leitfähigem Material 702,
wie z. B. Kupfer, wie es in 7B dargestellt
ist, als der thermisch leitfähige
Mechanismus 610 zum Herausziehen der thermischen Energie
aus dem Inneren der Anordnung 602, wie oben beschrieben.
Die leitenden Schichten 702 können an der Elektronikunterbaugruppe 604, 606 vor
der Montage der Elektronikbaugruppe 602 mit einem leitenden
Epoxy befestigt werden. Zusätzlich
können
die leitenden Schichten 702 thermisch an der Elektronikunterbaugruppe 604, 606 mit
leitenden Fetten, Auflagen oder Phasenänderungsschnittstellen angebracht werden,
bei denen es gegebenenfalls erforderlich sein kann oder nicht, dass
sie mit einer separaten mechanischen Klemme (nicht dargestellt)
am Platz gehalten werden. Während
der Montage der Elektronikbaugruppe 602 können die
leitenden Schichten 702 mit leitenden Verbindern 704 zusammengeschnürt werden,
wie z. B. mit leitenden Abstandselementen 704 oder anderen
thermisch leitfähigen
Komponenten, unter Verwendung von Befestigungselementen oder eines
leitfähigen
Klebemittels. Dies Unterbaugruppe 604, 606 kann
dann thermisch an einem Wärmetauscher 706 angebracht
werden, der Wärme
weg durch die Verwendung eines Kühlmittels transportiert,
das durch den Wärmetauscher
strömt, wie
es in 7C gezeigt ist. Andere Verfahren
können
auch eingesetzt werden, wobei die Kupferschichten 702 direkt
an dem Wärmetauscher 708 angebracht
sind, was die Notwendigkeit von leitenden Verbindern 704 überflüssig macht,
wie es in 7D gezeigt ist.
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Gemäß der Darstellung
in 8A liegt ein zweites Verfahren zum Abkühlen einer
Elektronikbaugruppe 602, die aus mehreren Unterbaugruppen 604, 606 besteht,
darin, die Funktionalität
der leitfähigen
Schicht 702, die oben beschrieben wurde, in die gedruckte
Schaltkreistafel ("PCB") 802 zu
integrieren, auf der die wärmeerzeugenden
Bauteile 608 montiert sind. Dies kann erzielt werden durch
den Zusatz von zusätzlichen
Kupferebenen (nicht dargestellt) innerhalb des PCB's 802 oder
effizienter durch Verfahren, welche den ThermalClad® Vorgang
der Bergquist Company verwenden, die sich in Chanhassen, Minnesota
befindet, wobei der PCB auf einem thermisch leitfähigen Substrat,
gewöhnlich
Aluminium oder Kupfer, gebildet wird. Bei einem Verfahren ähnlich zum
Vorgang der Kupferschicht 702, der oben diskutiert ist,
würden
die leitfähigen
Ebenen des PCB's 802 thermisch
mit dem Wärmetauscher 706 oder 708,
entweder über
thermisch leitfähige
Verbinder 704, wie z. B. thermisch leitfähige Abstandselemente
oder andere thermisch leitfähige
Bauteile, wie es in 8B dargestellt ist, oder direkt, ähnlich zu demjenigen,
der in 7D dargestellt ist, verbunden werden.
Alternativ kann ein geeignetes leitfähiges Material auf die Oberfläche des
PCB's aufgebracht werden,
wobei das Material Öffnungen,
Ausstanzungen, Ätzungen
oder Anderweitiges aufweist, so dass es in Kontakt mit der Oberfläche des
PCB's ist, ohne die
Montage oder den Betrieb der daran angebrachten Bauteile zu beeinträchtigen.
Das leitfähige
Material kann eine leitfähige
Schicht sein, die mittels Kleber an dem PCB angebracht wird. Das
leitfähige
Material wird dann weiter mit dem Wärmetauscher wie oben beschrieben
verbunden.
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Ein
anderes Verfahren zum Abführen
von Wärme
von innerhalb der modularen Elektronikanordnung 602 ist
das Implementieren von Wärmeleitungen 804,
wie es in 8C dargestellt ist. Die wärmeerzeugenden
Bauteile 608 können
thermisch an kleinen Wärmesenken
angebracht sein, in denen eine Wärmeleitung 804 montiert
ist. Die Wärmeleitung 804 kann
effektiv die Wärme
von einem heißen Bauteil
zu einem kühleren
Wärmetauscher 806 bewegen,
der aktiv oder passiv gekühlt
wird. Wärmeleitungen 804 verwenden
ein (nicht dargestelltes) thermisch leitfähiges Material, das innerhalb
der Wärmeleitung 804 enthalten
ist, das seine Charakteristika, wie z. B. seine Dichte oder physikalische
Form (wie z. B. von flüssig
zu dampfförmig) ändert, wenn
es thermische Energie absorbiert. Diese Änderungen bewirken, dass sich
die thermisch leitfähigen
Materialien weg von den wärmeerzeugenden
Bauteilen 608 und in Richtung auf den kühleren Wärmetauscher 806 bewegen,
wo die Änderungen
durch das Entfernen der thermischen Energie durch den Wärmetauscher
rückgängig gemacht
werden, wodurch eine zirkulierende/zyklische Strömung in dem thermisch leitfähigen Material
induziert wird, die thermische Energie aus der Anordnung 602 leitet.
Beispielhafte Wärmeleitungen,
die mit den offenbarten Ausführungsformen
verwendet werden können,
umfassen Wärmeleitungen,
die durch Thermacore, Inc., aus Lancaster, PA oder Aavid Theralloy,
LLC, aus Concord, New Hampshire hergestellt werden.
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Bei
einer anderen in 12A dargestellten Ausführungsform
wird thermische Energie aus der Anordnung 602 durch aktive
Kühlmittel
geleitet, wie z. B. durch Zirkulieren eines Kühlmittels innerhalb eines Wegs
direkt auf oder innerhalb des PCB's 1202. Insbesondere dann,
wenn das piezoelektrische Wandlermodul, auch als das "akustische Modul" bezeichnet, aktiv
flüssig
gekühlt
wird, würde
das gleiche Kühlmittel,
das verwendet wird, um aktiv Wärme
von dem piezoelektrischen Wandlermodul zu entfernen, in einem Verteiler 1208 verteilt
werden und würde
in der Nähe
der wärmeerzeugenden
Bauteile 608 auf dem PCB vorbeiströmen, wobei die Wärme von
innerhalb der Anordnung 602 entfernt wird. Bei einer Ausführungsform
sind ein oder mehrere flüssig
gekühlte
Wärmetauscher 1204 an
jedem wärmeerzeugenden
Bauteil 608 oder nahe dazu auf der Unterbaugruppe 604, 608 vor
der Montage befestigt. Ferner werden Kühlmittelleitungen 1206 mit
diesen Wärmetauschern 1204 verbunden.
Bei der Montage der Ekektronikanordnung 602 werden die
Kühlmittelleitungen 1206 mit
dem Verteiler 1208 verbunden, damit Kühlmittel in die Anordnung 602 zirkulieren
kann und die thermische Energie davon entfernen kann. Bei einer
alternativen Ausführungsform,
die in 12B dargestellt ist, werden
die Wärmetauscher 1204 und
die Kühlmittelleitungen 1206 in
der gedruckten Schaltkreistafel 1210 bei der Herstellung eingebettet.
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Bei
noch einer anderen nicht dargestellten Ausführungsform ist die gesamte
Elektronikbaugruppe 602 innerhalb eines abgedichteten Behälters eingekapselt.
Dieser Behälter
könnte
das Gehäuse
des Wandlerhandgriffs oder eine Struktur innerhalb des Gehäuses des
Wandlerhandgriffs sein. Innerhalb dieses Behälters ist ein thermisch leitfähiges und
elektrisch isolierendes Fluid, wie z. B. FluorinertTM,
hergestellt durch 3M, aus St. Paul, Minnesota, vorgesehen, das dazu
verwendet werden kann, Wärme
von dem wärmeerzeugenden
Bauteil 608 an eine integrierte Wärmesenke zu transferieren,
die aktiv durch ein getrenntes Kühlmittel
gekühlt
wird, das innerhalb eines Wärmetauschers
strömt.
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Ein
Gestaltungsproblem, das als Folge des Erhöhens der Wandlergehäusetemperatur
mit wärmeerzeugender
Elektronik auftritt, ist, dass der traditionelle Kühlweg für das Wandlermodul
deutlich weniger effizient gemacht wird. Das Wandlermodul kann ein
Wandlermodul auf piezoelektrischer Basis, ein Wandlermodul auf mikromechanischer
Basis oder auf Basis einer anderen Technologie oder einer Kombination
davon sein. Das Temperaturdifferenzial zwischen der Linse der arbeitenden
Wandleranordnung und dem Wandlerhandgriff ist in großem Maß verringert,
was möglicherweise
dazu führt,
dass die Linsentemperatur über
regulative Grenzen getrieben wird. Wie oben beschrieben kann eine
Peltier-Einrichtung oder eine andere thermoelektrische Einrichtung
verwendet werden, um die Referenzsenkentemperatur für das Wandlermodul
herunterzutreiben. Wenngleich die Ineffizienz einer Peltiereinrichtung möglicherweise
mehr Leistung verbraucht und mehr Wärme erzeugt, als einfach bei
einer passiven Kühlgestaltung
dissipiert werden kann, stellt bei einem aktiv gekühlten Wandler
diese Ineffizienz nur eine inkrementelle Zunahme bezüglich der
gesamten thermischen Last dar. Wie es oben beschrieben wurde, kann
die Peltiereinrichtung 902 thermisch an der Unterstützung, den
Signalleitern, Erdungen und Abschirmungen, oder an einer thermischen
Struktur, die speziell gestaltet ist, dass sie eine isotherme Struktur. ist,
um das Wandlermodul 904 angebracht sein, wie in 9A und 9B gezeigt
ist. Um ein Thermomanagement für
den gesamten Wandler vorzusehen, der sowohl das Wandlermodul 904 als
auch die Elektronikbaugruppe 602 enthält, kann bei einer Ausführungsform
die heiße
Seite der Peltiereinrichtung 902 an einem ausreichend dicken
Streifen von in hohem Maß thermisch
leitfähigem
Material 906 angebracht sein: Wie oben beschrieben kann
das Wandlermodul 904 ein Wandlermodul auf piezoelektrischer
Basis, ein Wandlermodul auf mikromechanischer Basis oder auf Basis
einer anderen Technologie oder einer Kombination davon enthalten.
Das andere Ende des thermisch leitfähigen Streifens 906 kann
an dem aktiv kühlenden
Wärmetauscher 908 angebracht
sein, der dazu verwendet wird, die Wandlerelektronikanordnung 602 zu
kühlen,
die mit dem Wärmetauscher 908 wie
oben beschrieben verbunden ist. Bei einer anderen Ausführungsform
kann eine Wärmeleitung 910 dazu
verwendet werden, die Wärme
von einem Wärmetauscher 912,
der in Kontakt mit der heißen
Seite der Peltiereinrichtung 902 ist, zum aktiven Wärmetauscher 908,
wie es in 9B gezeigt ist, zu transferieren.
Eine dritte Ausführungsform
kann die Kühlmittelschleife 1012 für die aktive
Kühlung
von der Elektronikbaugruppe 602 und dem Wärmetauscher 908 fortsetzen
und sie zur Peltiereinrichtung 902, dem Wärmetauscher 1012,
umlenken, um die Wärme
von der heißen
Seite wegzuziehen, ehe das Kühlmittel
seinen Kühlzyklus
abschließt,
wie es in 10A gezeigt ist.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
kann die Peltiereinrichtung 1018 zwischen dem Wandlermodul 904 und
dem aktiv kühlenden
Wärmetauscher 1020 an
der anderen Seite des Wärmetauschers 1020,
wie es in 10B gezeigt ist, angeordnet
sein. Dies treibt die Temperatur der Elektronikbaugruppe 602 nach
unten, legt jedoch eine große
Last auf das gesamte Kühlsystem
aufgrund der Ineffizienzen der Peltiereinrichtung 1018 auf.
In diesem Fall kann das Wandlermodul 904 an der Wärmesenke 1022 der Elektronikbaugruppe 602 über einen
massiven Leiter oder eine Wärmeleitung 1016 angebracht
sein.
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Um
die thermische Regelung von verschiedenen Teilen des Wandlers nicht
zu unterbrechen, können
Elektronikanordnungen 602 und Wandlermodule 904,
die in dem gleichen Wandlerhandgriff enthalten sind, thermisch voneinander
isoliert sein, um die spezifischen Wärmedissipationswege für die zwei Wärmequellen
zu regeln. Die thermischen Wege können justiert werden, indem
die thermische Leitfähigkeit
oder Dicke der Isolation um die Wärmequellen eingestellt wird.
Durch Regeln der Wärmewege
kann man das thermische Profil des Wandlerhandgriffs fein einstellen
um die Effizienz des Thermodesigns zu maximieren.
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Wie
es in 11A dargestellt ist, umgibt
ein Isolator 1104 mit extrem niedriger thermischer Leitfähigkeit
die Elektronikbaugruppe(n) 602 in dem Handgriff 1102.
Dies kann auf viele Weisen erzielt werden, einschließlich, jedoch
nicht darauf beschränkt,
durch Polyurethanschaum, syntaktischen Schaum, eine Gore-tex-Umwicklung,
einen geeignet beabstandeten Luftspalt oder einen Vakuumspalt, der
in den Gehäusekunststoff
des Handgriffs 1102 eingebaut ist. Wenn die Elektronikbaugruppen 602 gut
isoliert sind, wird nahezu die gesamte Wärme, die innerhalb der Elektronik
erzeugt wird, weg nach unten entlang des Kabels 1106 durch
das oben beschriebene aktive Kühlmittel
gezogen. Die Temperatur des Wandlerhandgriffs 1102 wird
daher nicht beträchtlich
durch die Elektronik angehoben. Dies erlaubt es, dass das Wandlermodul 904 die
gesamte Oberfläche
des Handgriffs 1102 als eine Konvektions- und/oder Strahlungsoberfläche verwendet,
wie es bei einem Wandler ohne wärmeerzeugende
Elektronik der Fall wäre.
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In
manchen Fällen
kann es wünschenswert sein,
einen Teil des Wandlerhandgriffs als eine Konvektions- und/oder
Strahlungsoberfläche
für die durch
die Elektronikanordnungen 602 erzeugte Wärme zu nutzen. 11B stellt einen Fall dar, in dem die Menge des
isolierenden Materials 104 in dem Handgriff 1102 angepasst
wurde, damit das Gehäuse einen
spezifischen Temperaturbereich während
normaler Verwendung erreicht. Ein Teil der durch die Elektronikbaugruppe(n) 602 erzeugten
Wärme wird durch
diese Oberfläche
des Handgriffs 1102 dissipiert und der Rest wird weg nach
unten durch das Kabel 1106 durch das aktive Kühlmittel
wie beschrieben gezogen. In ähnlicher
Weise gibt es einen Bereich des Wandlerhandgriffs 1102,
der speziell zur Dissipation von Wärme, die innerhalb des Wandlermoduls 1102 erzeugt
wird, gestaltet ist. Die zwei Wärmequellen
und thermischen Wege sind thermisch durch einen sehr guten thermischen
Isolator 1108 isoliert.
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Beide
Gestaltungen oben können
mit Peltiereinrichtungen (nicht dargestellt) verwendet werden, die
an entweder dem Wandlermodul 904 oder der Elektronikbaugruppe 602 oder
beiden implementiert sind, wie es im Detail oben beschrieben ist.
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Bei
einer anderen in 11C dargestellten Ausführungsform
kann das Wandlermodul 904 durch eine Peltiereinrichtung 1110 gekühlt werden
und kann möglicherweise
gut vom Rest des Wandlerhandgriffs durch die gleichen oben beschriebenen und
in 11B gezeigten Verfahren isoliert sein. Die heiße Seite 1112 der
Peltiereinrichtung 1110 ist auf der Seite der Elektronikbaugruppe 602 der
isolierenden Barriere 1108. Die Isolation, welche die Peltiereinrichtung 1110 und
die Elektronikbaugruppe 602 umgibt wird eingestellt, um
den Wandlerhandgriff 1102 in einen speziellen Temperaturbereich
zu betreiben. Der Rest der durch die Peltiereinrichtung 1110 und
Elektronikbaugruppe 602 erzeugten Wärme wird durch aktive Mittel
entlang des Kabels 1196 gezogen oder anderweitig wie oben
beschrieben dissipiert.
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Es
ist zu verstehen, dass die offenbarten Ausführungsformen nicht auf eindimensionale
Wandler beschränkt
sind und mit 2-D Wandlern oder anderen Arten von Wandlern ebenso
verwendet werden können.
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Es
ist daher beabsichtigt, dass die vorhergehende detaillierte Beschreibung
eher als veranschaulichend denn als begrenzend angesehen wird, und
es ist zu verstehen, dass es die folgenden Ansprüche sind, einschließlich aller Äquivalente,
welche den Rahmen dieser Erfindung definieren sollen.