CN112782841A - 用于内窥镜或外窥镜的冷却装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于内窥镜或外窥镜的冷却装置(32)，冷却装置(32)具有布置在载体元件(2)上的热源(1)，载体元件(2)布置在刚性热障元件(5)上，热障元件(5)布置在壳体(3)上，使载体元件(2)、热障元件(5)和壳体(3)形成机械上刚性的单元，热障元件(5)具有低热导率，在壳体(3)和承载件(2)之间布置有导热元件(9)，导热元件以第二表面(36)贴靠在载体元件(2)的第一表面(34)上，以第三表面(38)面对壳体(3)的第四表面(40)，导热元件(9)具有高热导率，第二表面(36)与第三表面(38)成角度而置，导热元件(9)与载体元件(2)和壳体(3)分开地构造。另外，公开了一种具有冷却装置(32)的系统(30)。

Description

用于内窥镜或外窥镜的冷却装置
技术领域
本发明涉及一种用于内窥镜或外窥镜的冷却装置以及涉及一种具有冷却装置的系统。
背景技术
内窥镜和外窥镜被动地通过其表面散发由于光损耗和电损耗产生的热量。这会使这些仪器整体变热。用于散热的结构上的相应的工作的重点在于，确保运行中达到的表面温度低于DIN EN 60601-1标准中定义的最高温度。
US 2016/0278620 A1公开了一种图像拍摄设备，图像拍摄设备具有：图像拍摄装置，在图像拍摄装置上设置有光接收分段；传热元件，该传热元件包括配线板；与图像拍摄设备连接的连接分段；从连接分段延伸出来的弯曲分段；以及由金属制成的壳体，该壳体的内部面与容纳在内侧上的传热元件的固定分段的一部分保持接触。
DE 10 2016 014 247 A1公开了一种具有至少一个内部热源的视频内窥镜，该视频内窥镜具有：潜热存储器，该潜热存储器用于通过在至少一个内部热源与潜热存储器之间形成的热传递路径来吸收由至少一个内部热源产生的热量的至少一部分，其中，为了增大热阻，在热传输路径中布置有热阻元件。以此方式，尤其可以实现视频内窥镜可以在更长的时间段内运行，而视频内窥镜的壳体的表面不超过预定的最高温度。
发明内容
本发明的目的是，提供一种用于内窥镜或外窥镜的改进的冷却装置，该冷却装置以很少的结构耗费提供足够程度的冷却。
根据一个方面，该目的通过一种用于内窥镜或外窥镜的冷却装置来实现，该冷却装置具有布置在载体元件上的热源，其中，载体元件布置在刚性的热障元件上并且该热障元件布置在壳体上，使得载体元件、热障元件和壳体形成机械上刚性的单元，其中，热障元件具有低热导率，其中，在壳体和承载件之间还布置有导热元件，所述导热元件以第二表面贴靠在载体元件的第一表面上，以第三表面面对壳体的第四表面，其中，导热元件具有高热导率，所述第二表面与第三表面成角度而置，并且导热元件与载体元件和壳体分开构造。
发明人已经认识到，满足标准DIN EN 60601-1当然是一个重要的方面，但是电气构件、特别是图像传感器的升温表现为图像质量方面的限制因素。这取决于工作温度，因为温度越高，产生的暗电流噪声就越大。在参数表或者说规格表中，给出了尚可保证“良好”图像质量的最高温度。
恰好对于尤其是那些不手持的外窥镜而言，对于整个系统还算充分的冷却来说被允许的温度通常高于根据DIN EN 60601-1标准的仪器所允许的表面温度，这令人惊讶地实现了图像传感器的被动散热(通过热传导和自由对流)。通常，外窥镜比内窥镜功率更大，也就是产生更大的损耗功率，这使得还达到更高的表面温度。然而，在现有技术中，这已阻止了所构建的图像传感器的被动冷却，因为所述图像传感器作为热源必须始终比周围的构件更热，才能够向周围的构件散发损耗热量。
所提出的冷却装置的特别之处之一是，热源相对于壳体的机械联接与热源至壳体的热耦合是分开的。一方面，这是通过载体元件、热障元件和壳体形成机械上刚性的单元而实现的，其中该热障元件具有低热导率。另一方面，这通过布置在壳体和载体元件之间的导热元件具有的高热导率来实现。
术语“刚性”应理解为，当在制造过程中将导热元件布置在载体元件和壳体之间时，载体元件、热障元件和壳体的布置方案至少基本上保持不变。这种刚性的目的是，将导热元件的第二表面压向载体元件的第一表面，并且将导热元件的第三表面压向壳体的第四表面或压到壳体的第四表面上。按照这种方式，各个表面彼此相对牢固地靠在一起，并允许从热源通过导热元件向壳体良好的热导流。
术语“低热导率”和“高热导率”应理解为是指：借助低热导率，使得通过热障元件向壳体的热导流至少基本上保持得很低或被阻止，并且借助高热导率使经导热元件向壳体的热导流得到促进。目的尤其是，从热源到壳体的总热导流的至少80％、优选至少85％、特别优选至少90％、尤其是至少95％经由导热元件实现。在一些配置中，该数值是至少97％、优选至少99％、特别优选99.5％、特别是99.9％。
当选择用于导热元件和热障元件的材料时，本领域的技术人员指导方针是：期望多大的刚度以及热导流的多大比例应至少经由导热元件来引导。原则上，大量的材料组合是可行的，只要可以实现机械联接和热耦合之间的分离方面即可。
通过导热元件与载体元件和壳体分开地构造，并且第二表面与第三表面成角度而置的方式，可以实现简单的结构设计，同时可以从热源良好地传热到作为热沉的壳体。
在一些优选的构造中，当组装冷却装置时，导热元件被推入或者说插入到载体元件和壳体之间。由于第二表面和第三表面之间的角度(类似于一倾斜平面)，导热元件首先发生物理接触，然后在进一步推入时开始对壳体和载体元件施加力。但是，由于这些元件是刚性的并且在其位置方面相对于彼此至少基本上没有变化，因此这些元件现在对导热元件施加反作用力。由此，第一表面被压向第二表面，而第三表面被朝向第四表面压或压到第四表面。这实现特别好的热导流。基于该角度，可以补偿结构内的公差。
在一些优选实施方式中，第二表面和/或第三表面也与第四表面成角度而置。按照这种方式，冷却装置可以容易地适应于相应的应用情况。在其他优选配置中，第一表面平行于第二表面和/或第三表面平行于第四表面。这使得这两对表面之间有特别好的接触。
在一些优选的设计中，使用热电冷却模块，该热电冷却模块将热源、特别是图像传感器直接冷却。在此涉及的是一种热泵，可以从一个位置抽取热量并将其传输到另一个位置。为此，必须提供必须以额外热量形式散发的功率。在这种情况下，额外的热量被被动排放到壳体，然后进一步加热并散发更多的热量。
原则上，也可以使用外部主动冷却。诸如水或空气之类的冷却介质借助于外部泵通过软管输送到内窥镜或外窥镜中，以冷却图像传感器。这需要另一外部设备。但是，提出的解决方案可以省去这个额外的外部设备。除了电力和数据线缆以及光缆之外，也无需铺设任何其他线路(这被认为令人讨厌)。此外，没有流体流动产生的噪音。
原则上也可以使用内部主动冷却。构造在内窥镜中的风扇可确保图像传感器被冷却。在此，取消外部软管，但是建议的解决方案在此也具有优势，因为冷却不会产生噪音。另外，没有颗粒、特别是灰尘会进入内窥镜或外窥镜中，因此不能沉积在光学部件上。
在优选的设计中，图像传感器作为热源通常位于电路板上，位于作为载体元件的图像传感器支架上(通过该图像传感器支架来调节图像传感器的取向和位置)。图像传感器支架由铝制成，因此可以有效地将热量从图像传感器传导至冷却元件。冷却元件位于图像传感器支架和作为热沉的冷却体之间，该冷却体尽可能大范围地散发热量。图像传感器支架既不接触周围部件也不接触冷却体，因此冷却模块尽可能地仅散发图像传感器的损耗热量。用导热性差的垫圈来防止热量可能通过螺钉从冷却体流到图像传感器支架。这有助于传感器冷却的高效率。冷却模块必须传递的热量越少，冷侧的温度就可以越低。
因此，该目的得以完全实现。
在优选的设计中，导热元件被设计成，为了定位导热元件而推入或者说插入载体元件和壳体之间，并由此以其第二表面滑动到载体元件的第一表面上。
就制造技术而言，这种设计很好地实现，并且在第一或第二表面之间实现了良好的表面接触。
在优选的设计中，导热元件呈楔形地构造。
就制造技术而言，该改进容易实现，并且在第一或第二表面之间产生良好的表面接触。
在优选的设计中，导热元件具有固定元件，借助该固定元件可以将导热元件固定在载体元件上。
一方面，这种构造确保导热元件持久地保持在限定的位置中并且特别是就总是发生的热变化而言不移位。固定元件优选是螺钉，该螺钉接合到载体元件中的螺纹中。
在优选的设计中，固定元件具有柔性元件，该柔性元件布置在导热元件和载体元件之间并且被设计成在导热元件和载体元件之间分摊和/或减小压力。
该设计使得导热元件相对于载体元件特别好地座靠，而不会对载体元件施加过大的压力。
在优选的设计中，壳体具有壳体盖，该壳体盖覆盖由热源、载体元件和导热元件组成的结构。
这种设计使得在冷却装置的安装期间能够达到壳体的内部并且在安装之后封闭壳体。根据各自的安装情况，壳体盖可以至少近似地跟随由热源、载体元件和导热元件组成的结构的形状，并且尤其是呈弓形和/或球形地构造。
在优选的设计中，在导热元件与壳体之间布置有冷却元件。
这种设计实现了从热导流中带走更多的热量。
在优选的设计中，冷却元件被构造为珀耳帖元件(Peltier-Element)。
这种设计能够实现从热源离开的进一步增大的热导流。在此，珀尔帖元件以其进行冷却的侧面朝向热源，而以其散热侧面朝向壳体。在热源一侧的温度降低增加了流向珀耳帖元件的热量。壳体侧面上的温度的升高增大了从珀耳帖元件离开的热导流。
在优选的设计中，第二表面具有彼此成角度的第一表面分段和第二表面分段。
这种设计实现了对可装配性和可制造性的简化。
在优选的设计中，热障元件选自由合成材料、不锈钢和钛组成的组中的一种材料或由上述材料形成。
在实际测试中，这些材料已被证明对热障元件有利。
在优选的设计中，导热元件具有选自铝、铝合金、铜和铜合金组成的组中的一种材料或由上述材料形成。
在实际测试中，已证明这些材料对于导热元件是有利的。
根据第二方面，本发明的目的通过具有上述冷却装置的系统来实现，其中，附加于所述第一热源，在壳体内还布置有第二热源。
在该设计中，另一个第二热源存在于系统中，第二热源例如是由电子构件(例如现场可编程门阵列(FPGA))的热损耗或光损耗产生。特别地假设第二热源具有比第一热源更高的温度。这意味着在壳体内部产生了额外的热量，该热量例如可以使第一热源(例如一个或多个图像传感器)加温。由于从第一热源到壳体的良好的热导流，可以减少或防止对第一热源的额外加温。
在优选的设计中，第二热源直接布置在壳体上。
这种布置实现了：由第二热源发出的大部分热能直接到达壳体，并例如通过空气从那里消散。
在优选的设计中，第二热源与散热器连接，该散热器被设计成增加从热源到壳体的热导流。
按照这种方式，可以减少从第二热源到第一热源的剩余热导流。由此，可以减少或防止对第一热源的额外加温。另外，散热器实现了将产生的热量散发到更大的区域，从而避免了表面上的点状热区，也称为热点。
在优选的设计中，冷却体具有支架，在支架上布置有热管，该热管沿壳体延伸。
这种设计增加了从第二热源到壳体的热导流。由此，则减少了从第二热源到第一热源的剩余热导流。因此，可以减少或防止对第一热源的额外加热。
不言而喻，上述特征和下面将要说明的特征不仅能够以各自指定的组合使用，还能够以其他组合或单独使用，而不离开本发明的范围。
附图说明
在附图中示出本发明的实施例，并且在下面的说明书中对其进行更详细的说明。其中：
图1示出具有冷却装置的系统的实施方式；
图2示出根据第一实施方式的冷却装置的组装时的第一步骤；
图3示出冷却装置的第一实施方式的构造的第二步骤；
图4示出冷却装置的第一实施方式的构造的第三步骤；
图5示出冷却装置的第一实施方式的构造的第四步骤；
图6示出冷却装置的第二实施方式；
图7示出具有冷却装置的系统的第二实施方式；
图8示出具有冷却装置的系统的第三实施方式；
图9示出具有冷却装置的系统的第四实施方式；
图10示出在系统的第二实施方式中从第二热源到壳体的热导流的简化图示；
图11示出第二热源相对于壳体的布置的第一实施方式；
图12示出第二热源相对于壳体的布置的第二实施方式；
图13示出第二热源相对于壳体的布置的第三实施方式；
图14示出第二热源相对于壳体的布置的第四实施方式；以及
图15示出第二热源相对于壳体的布置的第五实施方式。
具体实施方式
图1示出具有冷却装置32的系统30，第一热源1和第二热源7布置在壳体3内。在此，期望的是，在第一热源1周围形成第一温度区33’，相反，第二温度区33”形成在壳体3内，第二温度区的温度高于或可以高于第一温度区33’的温度。在此还通过示例示出在第二温度区域33”内但在第一温度区域33’外的光学部件8。
现在将在下面更详细地讨论冷却装置32的结构。
图2示出组装冷却装置32的第一实施方式的第一步骤。这里示出两个热源1，在此这两个热源分别由图像传感器或LED形成。热源1被布置在载体元件2上，其中，载体元件2被布置在刚性的热障元件5上。还示出壳体3的环境6。
在此，热障元件5以这样的方式布置在壳体3上：载体元件2、热障元件5和壳体3形成机械上刚性的单元。热障元件5的热导率很低。这确保了热源1相对于壳体3的稳定的机械布置。
图3示出冷却装置32的组装的第二步骤。在该图中示出了载体元件2的第一表面34、加热元件9的第二表面36、加热元件9的第三表面38以及壳体3的第四表面40。第一表面34具有彼此成角度而置的第一表面分段10和第二表面分段10’。
还可以看出，第二表面36与第三表面38成角度而置。导热元件9与载体元件2和壳体3分开地构造。导热元件9具有高热导率。利用箭头表示：导热元件9在组装时推入或者说插入载体元件2和壳体3之间，在此推入或者说插入载体元件2和冷却元件4之间。
导热元件9呈楔形地构造。此外，导热元件被设计成被推入或者说插入到载体元件2和壳体3之间，以对导热元件进行定位，并且在此，以其第二表面36滑动到载体元件2的第一表面34上。
图4示出冷却装置32的组装中的第三步骤。现在，导热元件9在此被推入或者说插入到载体元件2与壳体3之间，更确切地说是推入或者说插入载体元件2与冷却元件4之间。在该位置，导热元件9以其第二表面36贴靠在载体元件2的第一表面34上并且以其第三表面38面对壳体3的第四表面40。
为了稳定地定位，导热元件9具有固定元件12，在这里是螺钉，导热元件9利用该固定元件固定在载体元件2上。固定元件12具有柔性元件11，该柔性元件布置在导热元件9和载体元件2之间。柔性元件11设计成，在导热元件9和载体元件2之间分摊和/或减小压力。
图5示出冷却装置32的组装的第四步骤。在此已经布置了壳体盖13，该壳体盖覆盖由热源1、载体元件2和导热元件9组成的结构。此外，壳体盖13在该设计中，也覆盖冷却元件4。
图6示出冷却装置32的第二实施方式，其中，导热元件9以其第三表面38直接贴靠在第四表面40上。
图7示出在环境6中的壳体3的示意性图示，在壳体3内部示出第一温度区域33’和第二温度区域33”。此外，这里再次示出第二热源7。在此，第二热源7直接布置在壳体3上。下图所示的散热器42的支架14布置在第二热源7上。
图8示出第二热源7与散热器42连接，该散热器被设计用于，增加从第二热源7到壳体3的热导流。这里，散热器42具有沿着壳体3延伸的热管15。在此，热管15特别在壳体3的壁附近延伸或布置在壳体3的壁上。通过这里改进的热分布，避免了表面上的点状热部。
图9示出系统30的第三实施方式，现在热管15更长并且在其他支架16、17、18中被引导。
图10象征性地示出从第二热源7到壳体3的热导流的走向。热导流由箭头19表示。
图11示出第二热源相对于壳体的布置的第一实施方式。在此，第二源7直接布置在壳体3上。
图12示出第二热源相对于壳体的布置的第二实施方式。在此，第二热源7借助于支架20固定在壳体3上，该支架20被设计用于热传递。
图13示出第二热源相对于壳体的布置的第三实施方式。第二热源7在此直接布置在壳体3上。优选被动式实施的冷却器21也布置在第二热源7上。
图14示出第二热源相对于壳体的布置的第四实施方式。在此，支架20设计成，使得该支架具有多个凹部14a、14b、14c，这些凹部可以与热管连接。
图15示出第二热源相对于壳体的布置的第五实施方式。在该实施方式中，多个第二热源7a、7b、7c将其一部分热量散发到共同的冷却器21中。
应该注意的是，热源是或尤其是被加载工作电压的电气构件或电子构件。热源是例如图像传感器，特别是CMOS图像传感器。

Claims (14)

1.一种用于内窥镜或外窥镜的冷却装置(32)，其中，冷却装置(32)具有热源(1)，所述热源布置在载体元件(2)上，载体元件(2)布置在刚性的热障元件(5)上，热障元件(5)布置在壳体(3)上，使得：载体元件(2)、热障元件(5)和壳体(3)形成机械上刚性的单元，热障元件(5)具有低热导率，在壳体(3)和承载件(2)之间还布置有导热元件(9)，所述导热元件以第二表面(36)贴靠在载体元件(2)的第一表面(34)上并且以第三表面(38)面对壳体(3)的第四表面(40)，导热元件(9)具有高热导率，所述第二表面(36)与所述第三表面(38)成角度而置，导热元件(9)与载体元件(2)和壳体(3)分开构造，并且导热元件(9)被构造用于，为了导热元件的定位而被推入载体元件(2)与壳体(3)之间并且以其第二表面(36)滑动到载体元件(2)的第一表面(34)上。
2.根据权利要求1所述的冷却装置(32)，其中，导热元件(9)呈楔形地构造。
3.根据权利要求1或2所述的冷却装置(32)，其中，导热元件(9)具有固定元件(12)，导热元件(9)能够利用所述固定元件固定在载体元件(2)上。
4.根据权利要求3所述的冷却装置(32)，其中，固定元件(12)具有柔性元件(11)，所述柔性元件布置在导热元件(9)与载体元件(2)之间，并且被构造用于，在导热元件(9)和载体元件(2)之间分摊和/或减小压力。
5.根据前述权利要求中任一项所述的冷却装置(32)，其中，壳体(3)具有壳体盖(13)，所述壳体盖覆盖由热源(1)、载体元件(2)和导热元件(9)组成的结构。
6.根据前述权利要求中任一项所述的冷却装置(32)，其中，在导热元件(9)和壳体(3)之间布置有冷却元件(4)。
7.根据权利要求6所述的冷却装置(32)，其中，冷却元件(4)设计为珀耳帖元件。
8.根据前述权利要求中任一项所述的冷却装置(32)，其中，第一表面(34)具有相互间成角度而置的第一表面分段(10)和第二表面分段(10’)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的冷却装置(32)，其中，导热元件(5)选自合成材料、不锈钢和钛中的一种材料，或者导热元件(5)由合成材料、不锈钢和钛形成。
10.根据前述权利要求中任一项所述的冷却装置(32)，其中，导热元件(9)选自铝、铝合金、铜和铜合金中的一种材料，或者导热元件(5)由铝、铝合金、铜和铜合金形成。
11.一种具有根据前述权利要求中任一项所述的冷却装置(32)的系统，其中，在壳体(3)内，附加于所述第一热源(1)，布置有第二热源(7)。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，第二热源(7)直接布置在壳体(3)上。
13.根据权利要求11或12所述的系统，其中，第二热源(7)与散热器(42)连接，所述散热器被构造用于，增大从第二热源(7)到壳体(3)的热导流。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，散热器(42)具有支架(14)，在所述支架上布置有热管(15)，其中，热管(15)沿壳体(3)延伸。
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