CN103959432B - 用于改进ir发射器的温度调制和功耗的结构设计与处理 - Google Patents

Abstract

一种红外发射器，其被构造为具有减小的热质量和增大的热导率，以有效地从发射电磁辐射的发热元件递送和消散热。改进的热动力过程可以提升功耗和/或寿命中的一个或两者。

Description

用于改进IR发射器的温度调制和功耗的结构设计与处理

技术领域

本公开涉及能够在IR气体探测系统中使用的红外发射器，所述红外发射器具有提升的效率和/或寿命。

背景技术

已知制造在具有低热导率的基底上的红外发射器。由被设置于基底上的发射层，从这样的发射器发射红外电磁辐射。由被设置于所述基底上的电引线向所述发射层提供电流。一般地，所述基底具有至少约0.005英寸的厚度。不是试图减小发射器整体的热质量，常规的红外发射器倾向于被制造为以前被认为是均衡水平的热质量。

发明内容

因此，本公开的一个或多个方面涉及一种红外发射器。在一些实施例中，所述发射器包括：基底、发热元件和消散层。所述基底具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面，并且所述基底基本上是平面的。所述发热元件被设置于所述基底的所述第一表面的部分上，并且被配置为响应于被引入到其的电流而发射红外电磁辐射。所述消散层被设置于基底的所述第一表面上，具有小于约40μm的厚度，覆盖所述第一表面的至少约70％，并且由具有至少110W/m℃的热导率的材料构成。

本公开的又另一方面涉及一种发射红外电磁辐射的方法。在一些实施例中，所述方法包括连接发热元件与电源，所述发热元件被设置于基底上，所述基底具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面，所述基底基本上是平面的，所述发热元件被设置于所述基底的所述第一表面上，并且被配置为响应于被引入到其的电流而发射红外电磁辐射，所述发热元件通过被设置于所述基底上的一对引线与所述电源连接，所述一对引线被配置为将所述发热元件连接到电源，以便于电流到所述发热元件的引入；经由所述引线将电流从所述电源引导通过所述发热元件；响应于所述电流从所述发热元件而发射电磁辐射；并且通过消散层从所述基底消散热，所述消散层被设置于所述基底的所述第一表面的至少70％上，所述消散层由具有至少约110W/m℃的热导率的材料构成。

本公开的再另一方面涉及一种红外发射器。在一些实施例中，所述发射器包括：用于承载所述发射器的部件的器件，用于承载的所述器件具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面，用于承载的所述器件基本上是平面的；用于发射红外电磁辐射的器件，其被设置于用于承载的所述器件的所述第一表面的部分上，用于发射的所述器件被配置为响应于被引入到其的电流而发射红外电磁辐射；用于消散热的器件，其被设置于用于承载的所述器件的所述第一表面的至少70％上，用于消散的所述器件由具有至少约110W/m℃的热导率的材料构成。

在参考附图考虑以下描述及所附权利要求书后，本公开的这些及其它目的、特征和特性，以及操作方法和相关结构元件的功能及各部分的组合和制造的经济性将变得更加显而易见，所有附图均形成本说明书的部分，其中，在各附图中，相似的附图标记指示相应的部分。然而，应明确理解，附图仅是出于图示和描述的目的，而不旨在定义本公开的限度。

附图说明

图1为气道适配器和换能器的分解图；

图2为气道适配器和换能器的截面视图；

图3为红外发射器(总体视图)；

图4为红外发射器(侧视图)；

图5为红外发射器(总体视图)；

图6为红外发射器(侧视图)；并且

图7为发射红外电磁辐射的方法。

具体实施方式

本文中使用的单数形式的“一”、“一个”以及“该”包括多个指代物，除非上下文中明确地另行规定。本文中所用的两个或多个零件或部件被“耦合”的表述将意味着所述零件直接或间接地(即，通过一个或多个中间零件或部件，只要发生连接)被结合到一起或一起工作。本文中所用的“直接耦合”意指两个元件彼此直接接触。本文中所用的“固定耦合”或“固定”意指两个部件被耦合以作为一体移动，同时维持相对于彼此的固定取向。

本文中所用的词语“一体的”意指部件被创建为单件或单个单元。亦即，包括单独创建并然后被耦合到一起成为单元的多件的部件不是“一体的”部件或体。本文中采用的两个或多个零件或部件相互“接合”的表述将意味着所述零件直接地或通过一个或多个中间零件或部件而相互施加力。本文中采用的术语“数目”将意味着一或大于一的整数(即，多个)。

本文中使用的方向短语，例如但不限于，顶部、底部、左、右、上、下、前、后以及它们的派生词涉及附图中所示的元件的取向，并且不对权利要求构成限制，除非在权利要求中明确记载。

本文描述的红外发射器的原理可以被用于换能器中，用于输出(a)在幅度上与流动通过患者到机械呼吸机电路的气道适配器的二氧化碳的浓度成比例的信号，以及(b)参考信号。可以(以例如在美国专利号4859858、4859859和/或5369277中的一个或多个中所公开的方式，在此通过引用将所述专利整体并入本申请)按比例缩放这些信号，以提供第三信号，其动态地表示流动通过所述气道适配器的二氧化碳的浓度。在图1和2中示出示范性气道适配器和互补的换能器，并且分别用附图标记22和25识别。

图1主要示出换能器24的聚合物外壳26。该换能器也包括：(a)红外辐射发射器单元28；(b)探测器单元30(示于图2中)；以及(c)探测器单元电源32。

所图示的气道适配器22被设计用于被插入患者的气管的气管内导管和/或某种其他对象接口器具，与机械呼吸机或其他可呼吸气体的加压流的生成器的管件之间的连接，并且换能器24在该情况中被用于测量内科患者的呼出二氧化碳水平，和/或其他气体的水平。

参考图1和图2，气道适配器22为单件单元，其典型地由聚对苯二甲酸丁二醇酯聚酯(Valox polyester)和/或其他聚合物模塑而成。气道适配器22具有大体为平行六面体的中心截面34和两个圆柱体端截面36和38，带有从端到端延伸通过所述适配器的采样通道40。端截面36和38与中心截面34轴向对齐。

气道适配器22的中心截面34提供换能器24的座。整体式U形壳元件42纵向于所述适配器并且还在由图1中的箭头44指示的横向方向，准确地定位换能器24。箭头44还示出在其中气道适配器22被转移以将其组装到换能器24的方向。在气道适配器22的中心截面34中形成孔径46和48。在换能器24被组装到所述气道适配器后，这些孔径沿由图2中的附图标记50识别的光路对齐。该光路从换能器24中的红外辐射发射器单元28，跨气道适配器22和流动通过其的(一种或多种)气体，横向延伸到换能器24的红外辐射探测器单元30。

为了：(a)防止流动通过气道适配器22的气体通过孔径46和48逃逸，而不衰减穿过光路50的所述红外辐射，并且(b)防止外来物质到所述气道适配器的内部，通过窗口52和54来密封所述孔径。窗口52和54可以由红外透射性材料构成，例如蓝宝石或其他透射性材料。

换能器24的壳26(源单元28和探测器单元30被容纳于其中)具有第一端截面58和第二端截面60，在它们之间有矩形配置的间隙62。用被组装到气道适配器22的所述换能器，换能器壳26的两个截面58和60包围气道适配器中心截面34的那两个内侧壁64和66，能量透射窗口52和54被安装在两个内侧壁64和66中。

在换能器外壳26的内端壁76和78中提供的孔径72和74中，沿光路50安装光学透明窗口68和70。这些窗口允许在换能器外壳26的左手端截面58中的单元28中生成的红外辐射的束经过气道适配器22，并且从所述气道适配器到在所述换能器外壳的右手端截面60中的探测器单元30。同时，窗口68和70防止外来物质透入所述换能器壳的内部。

红外发射器80由红外发射器单元28支持，并且被配置为响应于被施加到其的电流，发射红外电磁辐射。图3和4图示了单独的并且远离换能器24的红外发射器80。如在图3和图4中可见，红外发射器80包括基底90，其可以为约0.250英寸长和/或约0.040英寸宽。在一些实施例中，基底小于0.003英寸厚，由此有效降低发射器80的总体热质量。在一些实施例中，基底为0.003至0.005英寸厚。基底90由具有低热导率的材料构成。例如，所述材料的热导率可以小于约5W/m℃，由此有效降低发射器80的总体热质量。非限制性地，基底90可以由以下中的一种或多种构成：滑石、二氧化硅、玻璃陶瓷、云母和/或其他材料。

消散层93被设置于基底90的上表面92上。消散层93由具有高热导率和低电导率的材料构成。其热导率为至少约100W/m℃，为至少约120W/m℃，为至少约145W/m℃，和/或其他热导率。其电导率小于0.01/Qm，或小于0.005/Qm，和/或其他电导率。消散层93被配置为在使用期间消散来自基底90的热。在一些实施例中，消散层93覆盖上表面92的至少约70％，上表面92的至少约80％，上表面92的至少约90，和/或上表面92的其他比例。消散层93可以为厚达约50μm，厚达约40μm，厚达约30μm，厚达约20μm，和/或具有其他厚度。

两个电引线94和96被设置于基底90的上表面92之上。在图4和图5中示出的示范性红外辐射发射器80中，引线94与96之间的间隙为约0.020英寸。在一些实施例中，引线94和96被设置于消散层93上，消散层93将那个引线94和96与基底90分开。

引线94和96由具有相对高的电导率和相对高的热导率的材料构成。例如，引线94和96可以具有至少约4.5x 10⁶/Qm的电导率。引线94和96可以具有至少约145W/m℃的热导率。非限制性地，引线94和96可以由以下中的一种或多种构成：金、铜、硅和/或其他材料。引线94和96被结合到发射器80。这可以通过印刷处理来执行。引线的可以厚达20μm。所述厚度也可以被控制为小于10μm，并且所述引线可以在所述基底的所述第一表面上从所述发射元件铺展至少1mm，以同时充当热消散层。

发热元件102被叠加在引线94和96上，并且被设置于基底90的上表面92上。发热元件102为发射性电阻材料的厚膜或层。通过非限制性范例的方式，可以通过烧制包括大比例的铂并且具有在约250℃至约700℃的操作温度的墨水来制造发热元件102。

在一些实施例中，发热元件102为约0.070英寸长。发热元件102的两端104和106交叠约0.020英寸到发射器80的引线94和96上。因此，总交叠可以构成发热元件102的总面积的约50％至约60％。

在操作期间，引线94和96使发热元件102与电源连接，使得来自所述电源的电流通过引线94和96被施加到发热元件102。在刚刚描述的范围内的交叠倾向于防止在发热元件102与引线94和96之间的界面处的电流密度变得太高，太高则可能通过烧穿或发热元件80的疲劳开裂，而造成发热元件80故障。

图5和图6图示了发射器80的实施例，其中，由引线94和96自身构成消散层93。在这样的实施例中，消散层93被构造为两个物理分离的段，一个被连接到发热元件102的每侧。这些实施例与具有印刷的引线的常规发射器之间的一个可能的区别在于，在这样的实施例中，引线94和96组合，以覆盖上文阐述的上表面92的比例。不加限制地，消散层93可以由硅(例如，在由消散层93分别构成引线94和96时)、诸如金或铜的金属(例如，在引线94和96构成消散层93时)和/或其他材料中的一种或多种构成。

在基底90的背表面108上，设置背层110。背层110至少基本上覆盖的背表面108的全部(例如，全部或基本上全部)。背层110在操作期间有效消散来自基底90的热。背层110可以具有小于约0.00004英寸的厚度。背层110可以具有不小于约的145W/m℃热导率。背层110可以由以下中的一种或多种构成：金、铜、硅和/或其他材料。

除其他方式以外，凭借以下中的一个或多个：基底90的减小的热导率、基底90的减小的厚度、引线94和96的增大的电导率、通过消散层93的增大的热导率和/或背层108的增加，红外发射器80的效率可以具有与常规发射器相比减小的热质量和/或可以更快地消散热。针对一些常规加热元件(IR发射器)，需要达到某个温度或温度调制，用于气体探测。该温度或温度调制是所述IR发射器的动态热发热与传导的结果。以红外发射器80的所述设计和结构，通过对脉冲能量递送、热质量、热绝缘和/或热传导的控制和平衡，提升了功率效率和温度调制。可以通过红外发射器80的设计，使在工作周期的所述调制器件的槽温降低直到60％。所述改善的功率效率和递送可以降低功耗，延长红外发射器80的操作寿命，和/或提供其他提升，例如承受更大的耐力和光损耗。所述改进的温度和温度调制可以改善信噪比，减少对功耗的需要，和/或提供其他提升。

图7图示了发射红外电磁辐射的方法120。下文提供的方法120的操作意图为示例性的。在一些实施例中，可以用一个或多个未描述的额外操作，和/或无需所讨论的操作中的一个或多个，来完成方法120。额外地，在图7中图示并在下文中描述的方法120的所述操作的顺序不旨在限制。

在操作122，连接发热元件与电源。在一些实施例中，所述发热元件与(在图3和图4中示出并在本文中描述的)发热元件102相同或相似。在一些实施例中，通过与(在图3和图4中示出并在本文中描述的)引线94和96相同或相似的一对引线，执行操作122。

在操作124，电流被导向通过所述发热元件，以诱发所述发热元件中的发热。在一些实施例中，通过与(在图3和图4中示出并在本文中描述的)引线94和96相同或相似的一对引线，来执行操作124。

在操作126，响应于所述电流，发射红外电磁辐射。在一些实施例中，通过与(在图3和图4中示出并在本文中描述的)发热元件102相同或相似的发热元件，来执行操作126。

在操作128，从发热元件消散热。对来自所述发热元件的热的所述消散可以增大调制幅度，降低功耗，提升寿命，和/或提供其他提升。在一些实施例中，通过与(在图3至图6中示出并在本文中描述的)消散层93和/或背层110相同或相似的消散层和/或背层，来执行操作128。

在权利要求书中，置于括号之间的任何附图标记都不应被解释为对权利要求的限制。词语“包括”或“包含”不排除存在权利要求中列出的那些之外的其他元件或步骤；在列举了若干器件的装置型权利要求中，这些器件中的一些可以由同一件硬件来实现。元件前面的词语“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。在列举了若干器件的装置型权利要求中，这些器件中的一些可以由同一件硬件来实现。尽管在互不相同的从属权利要求中记载了特定元件，但是这并不指示不能有利地组合这些元件。

尽管己经出于例示的目的基于当前认为是最实际和优选的实施例详细描述了本发明，但要理解，这样的细节仅仅是为了该目的，本发明不限于公开的实施例，而是相反，旨在涵盖所述权利要求的精神和范围之内的修改和等价布置。例如，要理解，本发明预期，可以将任意实施例的一个或多个特征在可能的范围内与任意其他实施例的一个或多个特征相组合。

Claims (12)

1.一种红外发射器(80)，所述发射器包括：

基底(90)，其具有第一表面(92)和与所述第一表面相对的第二表面(108)，所述基底基本上是平面的；

消散层(93)，其被设置于所述基底的所述第一表面上，所述消散层的厚度小于40μm，覆盖所述第一表面的至少70％，并且由具有至少110W/m℃的热导率的材料构成；

发热元件(102)，其被设置于所述消散层(93)上，所述发热元件被配置为响应于正被引入到所述发热元件的电流而发射红外电磁辐射；以及

背层(110)，所述背层被设置于所述基底的所述第二表面上，所述背层由具有至少145W/m℃的热导率的材料构成。

2.如权利要求1所述的发射器，其中，所述基底具有小于5W/m℃的热导率。

3.如权利要求1所述的发射器，还包括由所述基底承载的一对引线(94、96)，所述一对引线被配置为将所述发热元件连接到电源，以方便将电流引入到所述发热元件，并且其中，所述一对引线被设置于所述消散层的一侧上，在所述消散层的与所述基底的所述第一表面相对的一侧上。

4.如权利要求1所述的发射器，还包括由所述基底承载的一对引线(94、96)，所述一对引线被配置为将所述发热元件连接到电源，以方便将电流引入到所述发热元件，并且其中，所述一对引线构成所述消散层。

5.一种发射红外电磁辐射的方法，所述方法包括：

连接发热元件与电源，所述发热元件被设置于基底上，所述基底具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面，所述基底基本上是平面的，所述发热元件被设置于所述基底的所述第一表面上并且被配置为响应于正被引入到所述发热元件的电流而发射红外电磁辐射，所述发热元件通过设置于所述基底上的一对引线与所述电源连接，所述一对引线被配置为将所述发热元件连接到电源，以方便将电流引入到所述发热元件；

经由所述引线将电流从所述电源引导通过所述发热元件；

响应于所述电流而从所述发热元件发射电磁辐射；

通过消散层从所述基底消散热，所述消散层被设置于所述基底的所述第一表面的至少70％上，所述消散层由具有至少110W/m℃的热导率的材料构成；并且

通过被设置于所述基底的所述第二表面上的背层从所述基底消散热，所述背层由具有至少145W/m℃的热导率的材料构成。

6.如权利要求5所述的方法，其中，所述基底具有小于5W/m℃的热导率。

7.如权利要求5所述的方法，其中，所述一对引线被设置于所述消散层的一侧上，在所述消散层的与所述基底的所述第一表面相对的一侧上。

8.如权利要求5所述的方法，其中，所述一对引线构成所述消散层。

9.一种红外发射器(80)，所述发射器包括：

用于承载所述发射器的部件的器件(90)，用于承载的所述器件具有第一表面(92)和与所述第一表面相对的第二表面(108)，用于承载的所述器件基本上是平面的；

用于消散热的器件(93)，其被设置于用于承载的所述器件的所述第一表面的至少70％上，用于消散的所述器件由具有至少110W/m℃的热导率的材料构成；

用于发射红外电磁辐射的器件(102)，其被设置于用于消散的所述器件上，用于发射的所述器件被配置为响应于正被引入到其的电流而发射红外电磁辐射；以及

用于从用于承载的所述器件进一步消散热的器件，用于进一步消散的所述器件被设置于用于承载的所述器件的所述第二表面上，并且由具有至少145W/m℃的热导率的材料构成。

10.如权利要求9所述的发射器，其中，用于承载的所述器件具有小于5W/m℃的热导率。

11.如权利要求9所述的发射器，还包括用于将电流从电源传导到用于发射的所述器件的器件(94、96)，用于传导的所述器件被设置于用于消散的所述器件上。

12.如权利要求9所述的发射器，还包括用于将电流从电源传导到用于发射的所述器件的器件，用于传导的所述器件构成用于消散的所述器件。