DE102005001673B4 - System und Verfahren zum aktiven Kühlen der Elektronik einer Wandleranordnung - Google Patents

System und Verfahren zum aktiven Kühlen der Elektronik einer Wandleranordnung Download PDF

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Abstract

Ultraschallwandler, enthaltend:
ein Gehäuse (1102);
ein Wandlermodul (614, 904), das in dem Gehäuse (1102) montiert ist, wobei das Wandlermodul (614, 904) betätigbar ist, Ultraschallenergie zu übertragen; und
eine Elektronikbaugruppe (602), die in dem Gehäuse (1102) angeordnet ist und mit dem Wandler (904) verbunden ist und durch einen Innenbereich und einen Außenbereich charakterisiert ist, wobei die Elektronikbaugruppe (602) enthält:
zumindest eine Elektronikunterbaugruppe (604, 606), die zumindest ein diskretes elektrisches Bauteil (608) aufweist, das daran befestigt ist und in dem Innenbereich angeordnet ist; und
einen ersten thermischen Leiter (610, 702, 804, 1206), der thermisch mit dem zumindest einen diskreten elektrischen Bauteil (608) verbunden ist und betreibbar ist, Wärme zu entfernen, die durch das zumindest eine diskrete elektrische Bauteil (608) erzeugt wird, und die Wärme von dem Innenbereich zu dem Außenbereich zu führen, wobei der erste thermische Leiter (610, 702, 804, 1206) weiter zumindest eine thermisch leitfähige Schicht...

Description

  • Hintergrund
  • 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.
  • 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.
  • 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 sowohl durch 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 beider 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.
  • 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.
  • Das U.S. Patent Nr. 6,605,043 "DIAGNOSTIC MEDICAL ULTRASOUND SYSTEMS AND TRANSDUCERS UTILIZING MICRO-MECHANICAL COMPONENTS" beschreibt kapazitive mikromechanische Ultraschallwandler und andere mikromechanisch basierte Ultraschallwandler.
  • 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.
  • Ein Wandlerkabelverbinder 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.
  • 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.
  • 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.)
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 Intensitätsgrenze 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.
  • Das U.S. Patent Nr. 5,560,362 beschreibt die Verwendung von aktiver Kühlung in Wandlern sowie thermoelektrische Kühleinrichtungen.
  • Zumindest ein Teil des Grunds, warum aktive Kühlung noch nicht verwendet worden ist, sind die offensichtlichen Kosten, die Zuverlässigkeit und Aspekte 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.
  • 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.
  • Diese Aufgabe wird mit einem Ultraschallwandler mit dem Merkmal des Anspruchs 1 und mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 16 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 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.
  • 2 stellt eine Seitenansicht einer Piezoelementwandleranordnung des Typs dar, der in dem Gerät, das in 1 dargestellt ist, verwendet wird.
  • 3 ist eine Teilquerschnittsansicht einer Wandleranordnung, wobei eine thermoelektrische Kühleinrichtung thermisch mit den wärmedissipierenden Piezoelementen und deren lokalen zugehörigen passiven Wärmedissipationselementen verbunden ist.
  • 4 stellt ein Blockdiagramm einer Wandleranordnung gemäß einer Ausführungsform dar.
  • 5A zeigt eine Ultraschallwandleranordnung auf mikromechanischer Basis gemäß einer alternativen Ausführungsform.
  • 5B zeigt eine Ultraschallwandleranordnung auf mikromechanischer Basis gemäß einer anderen alternativen Ausführungsform.
  • 6 zeigt eine alternative Ausführungsform der Wandleranordnung von 4, wobei die thermoelektrische Kühleinrichtung weiter mit der Elektronikanordnung der Wandlersonde verbunden ist.
  • 7A7D zeigen beispielhafte elektronische Unterbaugruppen und elektronische Baugruppen, welche wärmeleitende Schichten verwenden, zur Verwendung mit der Ausführungsform nach 6.
  • 8A8C zeigen beispielhafte Elektronikunterbaugruppen und Elektronikbaugruppen, die wärmeleitende gedruckte Schaltkreistafeln oder Wärmeleitungen verwenden, zur Verwendung mit der Ausführungsform nach 6.
  • 9A9B stellen beispielhafte Verfahren zum Verbinden des Kühlsystems des Wandlermoduls mit dem Kühlsystem der Elektronikanordnung zur Verwendung mit der Ausführungsform gemäß 6 dar.
  • 10A10B zeigen alternative beispielhafte Verfahren zum Verbinden des Kühlsystems des Wandlermoduls mit dem Kühlsystem der Elektronikanordnung zur Verwendung mit der Ausführungsform nach 6.
  • 11A11C stellen eine thermische Isolierung des Wandlermoduls und der Elektronikanordung gemäß einer Ausführungsform dar.
  • 12A12B stellen beispielhafte elektronische Unterbaugruppen und Elektronikbaugruppen dar, die eine Flüssigkeitskühlung verwenden, zur Verwendung mit der Ausführungsform nach 6.
  • Detaillierte Beschreibung der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen
  • 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.
  • Wie oben beschrieben, enthalten gegenwärtige Wandler Designs eine Verbindung einer flexiblen Leiterplatten 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.
  • 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 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 Leiterplatten ("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 Leiterplatten 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 Leiterplatte ("PCB") 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 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 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.
  • 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.
  • 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 Leiterplatte 1210 bei der Herstellung eingebettet.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 1104 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.
  • Beide Gestaltungen oben können mit Peltiereinrichtungen (nicht dargestellt) verwendet werden, die entweder an dem Wandlermodul 904 oder der Elektronikbaugruppe 602 oder an beiden implementiert sind, wie es im Detail oben beschrieben ist.
  • 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

Claims (27)

  1. Ultraschallwandler, enthaltend: ein Gehäuse (1102); ein Wandlermodul (614, 904), das in dem Gehäuse (1102) montiert ist, wobei das Wandlermodul (614, 904) betätigbar ist, Ultraschallenergie zu übertragen; und eine Elektronikbaugruppe (602), die in dem Gehäuse (1102) angeordnet ist und mit dem Wandler (904) verbunden ist und durch einen Innenbereich und einen Außenbereich charakterisiert ist, wobei die Elektronikbaugruppe (602) enthält: zumindest eine Elektronikunterbaugruppe (604, 606), die zumindest ein diskretes elektrisches Bauteil (608) aufweist, das daran befestigt ist und in dem Innenbereich angeordnet ist; und einen ersten thermischen Leiter (610, 702, 804, 1206), der thermisch mit dem zumindest einen diskreten elektrischen Bauteil (608) verbunden ist und betreibbar ist, Wärme zu entfernen, die durch das zumindest eine diskrete elektrische Bauteil (608) erzeugt wird, und die Wärme von dem Innenbereich zu dem Außenbereich zu führen, wobei der erste thermische Leiter (610, 702, 804, 1206) weiter zumindest eine thermisch leitfähige Schicht (610, 702, 804, 1206) enthält, die über dem zumindest einen diskreten Bauteil (608) angebracht ist und sich von dem Innenbereich zu dem Außenbereich der Elektronikbaugruppe (602) erstreckt.
  2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, weiter enthaltend einen zweiten thermischen Leiter (120, 704, 706, 708, 806, 908, 1022, 1118, 1208), der mit dem ersten thermischen Leiter (610, 702, 804, 1206) verbunden ist und nahe an dem Außenbereich angeordnet ist und betreibbar ist, die Wärme von dem ersten thermischen Leiter (610, 702, 804, 1206) zu entfernen.
  3. Ultraschallwandler nach Anspruch 2, wobei der zweite thermische Leiter (120, 704, 706, 708, 806, 908, 1022, 1118, 1208) weiter einen thermoelektrischen Kühler (126, 902, 1018, 1110) enthält.
  4. Ultraschallwandler nach Anspruch 3, wobei der thermoelektrische Kühler (126, 902, 1018, 1110) eine Peltiereinrichtung (126, 902, 1018, 1110) enthält.
  5. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der zweite thermische Wandler (120, 704, 706, 708, 806, 908, 1022, 1118, 1208) mit dem Wandlermodul (614, 904) verbunden ist und weiter betreibbar ist, Wärme, die durch das Wandlermodul (614, 904) erzeugt wird, zu entfernen.
  6. Ultraschallwandler nach Anspruch 5, wobei der zweite thermische Leiter (120, 704, 706, 708, 806, 908, 1022, 1118, 1208) mit dem Wandlermodul (614, 904) durch einen massiven thermischen Leiter (906, 1016) verbunden ist.
  7. Ultraschallwandler nach Anspruch 5, wobei der zweite thermische Leiter (120, 704, 706, 708, 806, 908, 1022, 1118, 1208) mit dem Wandlermodul (614, 904) durch einen flüssigen thermischen Leiter (1012, 1208) verbunden ist.
  8. Ultraschallwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine thermisch leitfähige Schicht (702) mit zumindest einer anderen thermisch leitfähigen Schicht (702) und einem zweiten thermischen Leiter (120, 704, 706, 708, 806, 908, 1022, 1118, 1208) durch einen thermisch leitfähigen Verbinder (704) verbunden ist.
  9. Ultraschallwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine elektronische Unterbaugruppe (604, 606) weiter eine gedruckte Schaltkreistafel (604, 606) enthält, wobei die gedruckte Schaltkreistafel (604, 606) den ersten thermischen Leiter (610, 702, 804, 1206) enthält.
  10. Ultraschallwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste thermische Leiter (610, 702, 804, 1206) zumindest eine Wärmeleitung (804, 910, 1016) enthält.
  11. Ultraschallwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste thermische Leiter (610, 702, 804, 1206) eine durch Flüssigkeit kühlende Schleife (1012, 1206) enthält.
  12. Ultraschallwandler nach Anspruch 11, wobei die zumindest eine elektronische Unterbaugruppe (604, 606) weiter eine gedruckte Schaltkreistafel (1202, 1210) enthält, wobei die Schleife (1206) mit flüssigem Kühlmittel in die gedruckte Schaltkreistafel (1202, 1210) eingebettet ist.
  13. Ultraschallwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (1102) weiter einen Wandlerbereich (1116), der das Wandlermodul (614, 904) aufnimmt, und einen Elektronikbereich (1114), der die Elektronikbaugruppe (602) aufnimmt, enthält, wobei das Gehäuse (1102) weiter eine thermische Trennung (1108, 1110) enthält, die zur thermischen Isolation des Wandlerbereichs (1116) von dem Elektronikbereich (1114) wirkt.
  14. Ultraschallwandler nach Anspruch 13, wobei die thermische Trennung (1108, 1110) einen thermoelektrischen Kühler (1110) enthält, wobei der thermoelektrische Kühler eine kalte Seite, die in dem Wandlerbereich (1116) angeordnet ist und zum Entfernen von Wärme von dem Wandler (614, 904) wirkt, und eine heiße Seite, die in dem Elektronikbereich (1114) angeordnet ist, aufweist.
  15. Ultraschallwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Wandlermodul (614, 904) einen Wandler auf mikromechanischer Basis enthält.
  16. Verfahren zum Kühlen eines Ultraschallwandlers, wobei der Ultraschallwandler ein Gehäuse (1102), ein Wandlermodul (614, 904), das in dem Gehäuse (1102) montiert ist, und eine Elektronikbaugruppe (602) enthält, die in dem Gehäuse (1102) angeordnet ist, und durch einen Innenbereich und einen Außenbereich charakterisiert ist, wobei die Elektronikbaugruppe (602) zumindest eine Elektronikunterbaugruppe (604, 606) enthält, die zumindest ein diskretes elektrisches Bauteil (608) aufweist, das daran angebracht ist und in dem Innenbereich angeordnet ist, wobei das Verfahren enthält: Erzeugen von Wärme durch das zumindest eine elektrische Bauteil (608); Abführen der Wärme von dem Innenbereich zu dem Außenbereich unter Verwendung eines ersten thermischen Leiters (610, 702, 804, 1206), der thermisch mit dem zumindest einen elektrischen Bauteil (608) verbunden ist; aktive Mittel entlang des Kabels 1106 gezogen oder anderweitig wie oben beschrieben dissipiert. 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. Anbringen von zumindest einer thermisch leitfähigen Schicht (610, 702, 804, 1206) über das zumindest eine diskrete Bauteil (608) und Erstrecken der zumindest einen thermisch leitfähigen Schicht (702) von dem Innenbereich zu dem Außenbereich der Elektronikbaugruppe (602).
  17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Entfernen der Wärme von dem ersten thermischen Leiter (610, 702, 804, 1206) weiter das aktive Leiten der Wärme weg von dem ersten thermischen Leiter (610, 702, 804, 1206) unter Verwendung eines thermoelektrischen Kühlers (126, 902, 1018, 1110) enthält.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei die Elektronikunterbaugruppe (604, 606) eine gedruckte Schaltkreistafel (604, 606) enthält, die mit dem zumindest einen diskreten elektrischen Bauteil (608) verbunden ist, wobei das Verfahren weiter das Einbetten des ersten thermischen Leiters (610, 702, 804, 1206) in die gedruckte Schaltkreistafel (604, 606) enthält.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei der erste thermische Leiter (610, 702, 804, 1206) zumindest eine Wärmeleitung (804, 910, 1016) enthält.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, wobei der erste thermische Leiter (610, 702, 804, 1206) eine durch Flüssigkeit kühlende Schleife (1012, 1206) enthält.
  21. Verfahren nach Anspruch 19, wobei die zumindest eine Elektronikunterbaugruppe (604, 606) weiter eine gedruckte Schaltkreistafel (604, 606) enthält, wobei die durch Flüssigkeit kühlende Schleife (1206) in der gedruckten Schaltkreistafel (604, 606) eingebettet ist.
  22. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 21, weiter enthaltend: Abführen von Wärme von dem ersten thermischen Leiter (610, 702, 804, 1206) durch einen zweiten thermischen Leiter (120, 704, 706, 708, 806, 908, 1022, 1118, 1208), der nahe an dem Außenbereich angeordnet ist und mit dem ersten thermischen Leiter (610, 702, 804, 1206) verbunden ist.
  23. Verfahren nach Anspruch 22, wobei der zweite thermische Leiter (120, 704, 706, 708, 806, 908, 1022, 1118, 1208) weiter mit dem Wandlermodul (614, 904) verbunden ist, wobei das Verfahren weiter das Abführen von Wärme, die durch das Wandlermodul (614, 904) erzeugt wird, durch den zweiten thermischen Leiter (120, 704, 706, 708, 806, 908, 1022, 1118, 1208) enthält.
  24. Verfahren nach Anspruch 23, wobei der zweite thermische Leiter (120, 704, 706, 708, 806, 908, 1022, 1118, 1208) mit dem Wandlermodul (614, 904) durch einen massiven thermischen Leiter (906, 1016) verbunden ist.
  25. Verfahren nach Anspruch 23, wobei der zweite thermische Leiter (120, 704, 706, 708, 806, 908, 1022, 1118, 1208) mit dem Wandlermodul (614, 904) durch einen flüssigen thermischen Leiter (1012, 1206) verbunden ist.
  26. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 25, wobei das Gehäuse (1102) weiter einen Wandlerbereich (1116) enthält, welcher das Wandlermodul (614, 904) aufnimmt, und einen Elektronikbereich (1114) enthält, welcher die Elektronikbaugruppe (602) aufnimmt, wobei das Verfahren weiter das thermische Isolieren des Wandlerbereichs (1116) von dem Elektronikbereich (1114) enthält.
  27. Verfahren nach Anspruch 26, weiter enthaltend das thermische Isolieren des Wandlerbereichs (1116) von dem Elektronikbereich (1114) unter Verwendung eines thermoelektrischen Kühlers (1110), wobei der thermoelektrische Kühler eine kalte Seite, die in dem Wandlerbereich (1116) angeordnet ist und zum Entfernen von Wärme von dem Wandler (614, 904) wirkt, und eine heiße Seite, die in dem Elektronikbereich (1114) angeordnet ist, enthält.
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