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Die
Erfindung betrifft die Kühlung
eines diagnostischen Ultraschalltransducers. Medizinische piezoelektrische
Diagnoseultraschallgeräte
und unterstützende
Elektronik erzeugen während
des Betriebs eine signifikante Abwärme. Im Allgemeinen werden Transducer
favorisiert, die bei höheren
Energiepegeln betrieben werden können.
Derartige Transducer liefern eine bessere Diagnosefunktion aufgrund
der erhöhten
Sendeenergie in den Körper.
Die Integration von wärmeerzeugenden
rauscharmen Verstärkern
in der Nähe
der Schallempfänger
erhöht
das Signal-zu-Rausch
Verhalten für
die detektierte Ultraschallenergie.
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Es
gibt vorgeschriebene Grenzwerte für Temperaturen, die für die Oberflächen des
Transducers erlaubt sind. Beispielsweise liegt ein Grenzwert für die Oberfläche eines
diagnostischen Ultraschalltransducers, die mit einem Patienten in
Kontrakt ist, bei 43°C.
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Im
Allgemeinen wird Abwärme,
die in dem Transducer erzeugt wird, durch passive Verfahren entweder
an den Patienten oder an die Atmosphäre abgeleitet. Aufgrund des
begrenzten Oberflächenbereichs
eines praxisnahen Ultraschalltransducers, gibt es Grenzen für die Wärmemenge,
die an die Umgebung oder an den Patienten durch Ableitung, durch Strahlung
und durch freie Konvektion von temperaturverträglichen Oberflächen abgeführt werden
kann. Die praktischen Grenzwerte für die Energieabgabe für kleine
Diagnoseultraschalltransducer liegen in der Größenordnung von 1 bis 2 Watt
im stabilen Zustand.
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In
der
US 5,560,362 erhöht eine
aktive Kühlung
die Wärmemenge,
die von einem Transducer abgeführt
werden kann. Im Allgemeinen verwenden aktive Kühlsysteme ein Kühlmittel,
das in einem geschlossenen Regelkreislauf fließt, um Abwärme an einen Ort abzugeben,
wo sie effizient in die Atmosphäre
abgeführt
werden kann. Lüfter
und Fluid/Luft-Wärmetauscher
in dem Transduceranordnungssystemanschluss erleichtern das Abführen von Abwärme an die
Umgebung. Es gibt praktische Grenzen, wie viel Wärme in dieser Art und Weise
abgeführt
werden kann, aufgrund der begrenzten Volumen von Wärmetauschern
und Lüftern,
und aufgrund der relativ kleinen Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlmittel
und der Atmosphäre.
Praktische Grenzen können
im stabilen Zustand bei 5 bis 12 Watt liegen.
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Gemäß einem
anderen Ansatz ist die Wärmeabführungshardware
in dem Systemanschluss oder dem Bildgebungssystem lokalisiert, anstatt
in dem Transduceranordnungsanschluss. Fluid wird von dem Anschluss
(Konnektor) zu dem Bildgebungssystem befördert. Da die Transduceranordnung
lösbar
mit dem Systemsanschluss verbunden wird, kann ein praktikables Verfahren
zum Transport von Fluid an und von dem System eine Herausforderung
sein.
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Die
im Folgenden beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele enthalten Verfahren
und Systeme zum Kühlen
eines Ultraschalltransducers unter Verwendung eines Tiefkühlsystems.
Aufgrund der Größe des Bildgebungssystems
kann es praktikabler sein das Kühlsystem
in dem Ultraschallsystem oder in einer Konsole unterzubringen. Eine
bidirektionale Fluid-übertragung
zwischen dem Bildgebungssystem und der Transduceranordnung kann
jedoch vermieden werden. Ein Kühlsystem,
welches einen geschlossenen Kühlmittelkreislauf
aufweist, ist in der Transduceranordnung lokalisiert, um Abwärme von den
Schallkomponenten und/oder von der unterstützenden Elektronik zu extrahieren
und die Wärme
an eine thermische Schnittstelle zwischen dem Transduceranordnungsanschluss
und dem Ultraschallbildgebungssystem zu befördern. Thermisch leitende Komponenten
in jedem Anschluss, dem Ultraschallsystemanschluss und dem Transduceranordnungsanschluss
sind in Kontakt miteinander angeordnet, um thermisch die Wärme von
der Transduceranordnung an das Kühlsystem
zu leiten, ohne dass Fluid übertragen
werden muss. Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung wird ein System geschaffen zum Kühlen eines
Ultraschalltransducers. Eine Ultraschalltransduceranordnung ist
betreibbar, um wieder lösbar
mit einem Ultraschallbildgebungssystem verbindbar zu sein. Eine
Tiefkühlvorrichtung
befindet sich in dem Ultraschallsystem. Ein Anschluss (Konnektor) ist
betreibbar, um zwischen der Ultraschalltransduceranordnung und der
Tiefkühlvorrichtung
ohne Fluidübertragung
thermisch zu leiten.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der Erfindung wird ein System geschaffen zum Kühlen eines
Ultraschalltransducers. Eine Ultraschalltransduceranordnung hat
einen ersten Fluidweg, der sich von benachbart zu einem Transducerarray
zu einem ersten thermisch leitenden Schuh in dem ersten Anschluss
erstreckt. Ein Ultraschallsystem hat eine Tiefkühlvorrichtung und einen zweiten
Anschluss, der betreibbar ist, um mit dem ersten Anschluss verbunden
zu werden, und hat einen zweiten thermisch leitenden Schuh in dem
zweiten Anschluss. Der zweite thermisch leitende Schuh kontaktiert
den ersten thermisch leitenden Schuh, wenn die Ultraschalltransdu ceranordnung
mit dem Ultraschallsystem verbunden ist. Die Tiefkühlvorrichtung
ist mit dem zweiten thermisch leitenden Schuh thermisch verbunden.
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Gemäß einem
dritten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren geschaffen zum Kühlen eines
Ultraschalltransducers. Eine aktive Kühlung wird bereitgestellt innerhalb
eines Ultraschallsystems. Wärme wird
von dem Ultraschalltransducer in Antwort auf die aktive Kühlung innerhalb
des Ultraschallsystems ohne eine Fluidverbindung zwischen dem Ultraschalltransducer
und dem Ultraschallsystem abgeführt.
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Die
vorliegende Erfindung wird durch die folgenden Ansprüche definiert,
und nichts in diesem Abschnitt soll eine Einschränkung dieser Ansprüche darstellen.
Weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden in
Verbindung mit den bevorzugten Ausführungsbeispielen beschrieben.
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Die
Komponenten und die Figuren sind nicht notwendigerweise skaliert,
sondern heben stattdessen dasjenige hervor, das zur Verdeutlichung
der Prinzipien der Erfindung dient. Darüber hinaus bezeichnen in den
Figuren gleiche Bezugszeichen entsprechende Teile in verschiedenen
Ansichten.
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1 zeigt
ein Diagramm gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
eines aktiven Kühlsystems für einen
Ultraschalltransducer;
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2 zeigt
ein Querschnittsdiagramm gemäß einem
Ausführungsbeispiel
eines Transduceranordnungskabels für ein fluidbasiertes aktives
Kühlsystem;
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3 zeigt
ein Diagramm gemäß einem zweiten
Ausführungsbeispiel
eines aktiven Kühlsystems
für einen
Ultraschalltransducer;
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4 zeigt
eine grafische Darstellung gemäß einem
Ausführungsbeispiel
eines Wärmeflussdiagramms;
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5 zeigt
ein Diagramm gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel
eines aktiven Kühlsystems für einen
Ultraschalltransducer;
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6 zeigt
ein Diagramm gemäß einem vierten
Ausführungsbeispiel
eines aktiven Kühlsystems
für einen
Ultraschalltransducer;
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7 zeigt
ein Diagramm gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel
eines aktiven Kühlsystems
für einen
Ultraschalltransducer; und
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8 zeigt
ein Diagramm gemäß einem sechsten
Ausführungsbeispiel
eines aktiven Kühlsystems
für einen
Ultraschalltransducer.
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Vorschriften
erfordern, dass Ultraschalltransducer, die für medizinische Diagnosevorgänge verwendet
werden, nicht wärmer
als 43°C
werden, und zwar dort, wo der Transducer den Patienten berührt. Bei
einer angenommenen Umgebungslufttemperatur von 25°C ermöglicht eine
18°C Temperaturdifferenz eine
Wärmeabfuhr
durch passive Verfahren, zu denen beispielsweise eine natürlich Konvektion,
Leitung und Strahlung gehören.
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Um
eine zusätzliche
Wärmeabfuhr
bereitzustellen, wird ein Kühlsystem
in der Transduceranordnung verwendet, das ein zirkulierendes flüssiges Kühlmittel
verwendet, um Abwärme
von den wärmeerzeugenden
Schallkomponenten und Elektronikkomponenten in dem Transducer entlang
ihrer Kabel an den Transduceranschluss zu transportieren. Anstatt
zu versuchen die Abwärme
in dem relativ kleinen Anschluss abzuführen, wird die Wärme an das Ultraschallbildgebungssystem
durch thermische Leitung übertragen.
Sobald es in dem Bildgebungssystem ist, wird die Abwärme in die
Atmosphäre
abgeführt
mit Hilfe eines Dampf/Flüssigkeit-
oder einer anderen Art von Tiefkühlsystem.
Aufgrund der Fähigkeit eines
Tiefkühlsystems
Wärme auf
einen Temperaturgradienten zu pumpen, kann die thermische Aufnahme
in dem System bei einer Temperatur weit unter der Umgebungslufttemperatur
gehalten werden. Dies ermöglicht,
dass die Temperaturdifferenz zwischen dem wärmeerzeugenden Transducer und
der Wärmesenke,
die sich jetzt in dem Bildgebungssystem befindet, auf einen sehr
viel größeren Wert
ansteigt, beispielsweise 40 bis 60°C. Die erhöhte Temperaturdifferenz wird
verwendet, um die Menge an Abwärme,
die von dem entfernt lokalisierten Transducer abgeführt werden
kann, zu erhöhen.
Mehr Wärme
kann innerhalb des Transducers erzeugt werden, bevor vorgeschriebene
Oberflächentemperaturgrenzwerte überschritten
werden.
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1 zeigt
ein System zum Kühlen
einer Komponente oder von Komponenten einer Ultraschalltransduceranordnung 12 durch
Verwendung eines Dampf/Flüssigkeits-Tiefkühlsystems,
welches innerhalb des Ultraschallbildgebungssystems 14 angeordnet
ist. Das Ultraschallsystem 14 integriert Komponenten (40–54) eines
Tiefkühlsystems
zur Verbesserung der Wärmeabfuhr.
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Die
Abwärme
wird durch die Transducerschallkomponenten 15 und/oder
durch unterstützende
Elektronik, nicht gezeigt, die in dem Transducergehäuse 18 angeordnet
ist, oder durch den Anschluss 26 während eines normalen Betriebs
erzeugt. Ein Teil dieser Abwärme
wird an das Ultraschallsystem 14 übertragen und an die Atmosphäre abgegeben.
Irgendein Bereich von Temperaturgradienten kann bereitgestellt werden,
beispielsweise 20–60°C von einem
Schallfenster 16 zu dem Tiefkühlsystem, welches innerhalb
des Ultraschallsystems 14 ist. Die hier als ein Beispiel
für einen
Temperaturgradienten, der zu verschiedenen Komponenten oder Übertragungen
gehört,
diskutierten Temperaturen dienen lediglich zur funktionalen Beschreibung und
sind nicht berechnet worden. Um die Beschreibung zu vereinfachen,
wird ein stabiler Betriebszustand angenommen.
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Die
Ultraschalltransduceranordnung 12 enthält das Transducergehäuse 18,
und alle Komponenten darin, eine Kabelanordnung 13 und
einen Anschluss 26 und alle Komponenten darin. Ultraschallenergie,
die in dem Schall-Stack (Stapel) 15 erzeugt wird, wandert
durch das Schallfenster 16 zu dem Patienten, der nicht
gezeigt ist. Eine kleine Menge an Schallenergie, die von den anatomischen
Merkmalen innerhalb des Patienten reflektiert werden, kehrt zu dem
Schall-Stack 15 zurück,
wo sie in kleine elektrische Signale umgewandelt wird, die entweder
durch die elektronischen Komponenten, die in dem Gehäuse 18 sind,
verarbeitet werden, oder die direkt an das Bildgebungssystem geleitet
werden zur Umwandlung in ein klinisch verwendbares diagnostisches
Bild. Die aktiven Kühlsystemkomponenten
innerhalb des Transducergehäuses 18 enthalten
eine Thermalplatte 20, einen Wärmetauscher 22 und
einen Fluidweg 24. Die aktiven Kühlsystemkomponenten, die in
dem Anschluss enthalten sind, enthalten einen thermisch leitenden
Schuh 32 mit einer Anschlussoberfläche 30, einer Feder 34 und
einer Rezirkulationspumpe 28. Weitere, andere oder weniger
Komponenten können
zur Übertragung
von Wärme
von den Komponenten innerhalb des Transducergehäuses 18 zu dem Anschluss 26 vorhanden
sein, beispielsweise an Stelle oder zusätzlich zu dem Fluidweg 24.
Gemäß einem
anderen Beispiel sind die Thermalplatte 20, der Wärmetauscher 22 und/oder
andere Komponenten nicht weggelassen.
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Die
Ultraschalltransduceranordnung
12 ist lösbar mit dem Ultraschallsystem
14 verbindbar.
Zusätzlich
zu den oben genannten Komponenten enthält der Anschluss
26 elektronische
Zwischenverbindungen (Anschlüsse)
oder Metallkontakte zur Verbindung mit einem entsprechen den Anschluss
auf dem Ultraschallsystem
14. Die elektronischen Zwischenverbindungen
liefern Sendewellenformen von dem Ultraschallsystem
14 an
den Transducer
15 zur Erzeugung von Schallwellenfronten,
um einen Patienten abzutasten (zu scannen) und/oder liefern Empfangssignale
von dem Transducer
15 an das Ultraschallsystem
14 zur
Bildgebung. Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
sind einige oder alle der elektronischen Bauteile, die zur Erzeugung
der Sendewellenformen verwendet werden, innerhalb der Transduceranordnung
12,
beispielsweise innerhalb des Transducergehäuses
18 oder sowohl
in dem Transducergehäuse
18 als
auch in dem Anschluss
26. Gemäß einem anderen oder weiteren
Ausführungsbeispiel
ist ein Teil der Empfangselektronik, beispielsweise ein Multiplexer,
Vorverstärker
oder Filter, ebenfalls in der Transduceranordnung
12 positioniert.
Alternativ ist die Transduceranordnung
12 frei von aktiven
Elektronikbauteilen. Eine mechanische Verbindung wird ebenfalls
bereitgestellt zur lösbaren
Verbindung des Anschlusses
26 mit dem Ultraschallsystem
14.
Beispielsweise halten Verriegelungen, Schnapp-Pass-Anschlussoberflächen, ein
Gewinde oder andere Mechanismen den Anschluss
26 am Ultraschallsystem
14 während der
Verwendung. Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
enthält
die Transduceranordnung
12 Komponenten, die in der
US 5,560,362 , deren Offenbarung
durch Bezugnahme hiermit Bestandteil dieser Anmeldung wird, enthalten sind.
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Der
Ultraschalltransducer 15 enthält ein eindimensionales oder
mehrdimensionales Array von Elementen (Anordnung von Elementen).
Der Transducer 15 enthält
eine Anpassungsschicht, einen Stützblock
(Backing Block), individuelle piezoelektrische oder CMUT-Elemente,
und eine flexible Schaltung zur elektrischen Zwischenverbindung.
Hochspannungssendewellenformen werden an den Transducer 15 angelegt,
um Schallwellenfronten zu erzeugen. Die Weitergabe der Sendewellenformen erzeugt
Wärme.
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Das
Schallfenster 16 enthält
Pebax, Epoxyd, Silikongummi, Urethan oder andere Materialien zur Beförderung
von Schallenergie zu/von dem Körper mit
minimaler Reflexion oder Schallverlust. Alternativ ist das Schallfenster 16 als Öffnung ausgebildet.
Das Schallfenster 16 ist der primäre Bereich der Transduceranordnung 12 für den Kontakt
mit dem Patienten. Verschiedene Temperaturregulierungen werden für das Schallfenster 16 verwendet.
Aufgrund der thermischen Leitung kann Wärme, die durch den Transducer 15 oder
sonst wo innerhalb des Gehäuses 18 erzeugt
wird, zu einer erhöhten
Temperatur des Schallfensters 16 führen.
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Das
Transducergehäuse 18 ist
aus Pebax, Kunststoff, Epoxyd, Metall, Fiberglas oder einem anderen
Material, das für
ein Gehäuse
des Transducers 15 geeignet ist. Das Transducergehäuse 18 ist
geformt, um von einem Sonografieanwender gehalten zu werden. Alternativ
ist das Transducergehäuse 18 geformt,
um in einen Patienten eingeführt
zu werden, beispielsweise als ein Katheter geformt, als eine Endo-Kavitäts-Sonde,
eine Transesophageal-Sonde oder eine intra-operative Sonde. Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
enthält
das Transducergehäuse 18 auch
aktive Elektronikbauteile, beispielsweise Verstärker, Transistoren, Wellenformgeneratoren,
Digital-zu-Analog-Wandler und/oder Digital-zu-Optisch-Wandler. Aktive
Elektronikbauteile erzeugen ebenfalls Wärme.
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Abwärme, die
von Komponenten in dem Transducergehäuse 18 erzeugt wird,
wird abgeführt, um
auszuschließen,
dass die Oberflächentemperatur vorgeschriebene
Grenzwerte überschreitet.
Die thermische Leitung an den Körper
und an die anderen Komponenten innerhalb des Gehäuses 18 überträgt die Wärme weg
von den Wärmequellen,
beispielsweise von dem Transducer 15. Die Abwärme wird durch
die Thermalplatte 20 unter den Thermalgradienten übertragen.
Die Thermalplatte 20 ist aus Kupfer, Aluminium oder einem
anderen Metall oder einem anderen Material, welches eine thermische
Leitung liefert. Die Thermalplatte 20 ist unmittelbar benachbart
zu einer oder zu mehreren Wärmequellen positioniert,
beispielsweise entlang der Seite eines Transducerstapels, oder ist
mit anderen thermischen Leitern verbunden, beispielsweise mit einer
Erdungsebene. Gemäß einem
Beispiel hat die Thermalplatte eine Temperatur von 10°C in einem
stabilen Zustand. Mehr als eine Thermalplatte 20 kann vorgesehen werden.
Gemäß alternativen
Ausführungsbeispielen ist
die Thermalplatte 20 flexibel, hat eine andere nicht plattenähnliche
Form oder andere Temperaturen im stabilen Zustand.
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Der
Wärmetauscher 22 ist
mit einem Teil der Thermalplatte 20 verbunden oder als
ein Teil der Thermalplatte 20 ausgebildet. Der Wärmetauscher 22 ist
aus Kupfer, Aluminium, einem anderen Metall oder einem anderen thermisch
leitenden Material. Der Wärmetauscher 22 hat
eine große
Oberflächenbereichsverbindung
mit der Thermalplatte 22, jedoch kann ein kleinerer Oberflächenbereich
vorgesehen werden. Der Wärmetauscher 22 enthält auch
einen oder mehrere interne Kanäle
zur thermischen Übertragung
an das Kühlmittel,
welches durch den Fluidweg 24 fließt. Alternativ ist der Fluidweg 24 benachbart
zu dem Wärmetauscher 22 oder
zu der Thermalplatte 20 ohne den Wärmetauscher 22 positioniert. Gemäß einem
Beispiel hat der Wärmetauscher 22 im Durchschnitt
eine Temperatur von 4°C
im stabilen Zustand.
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Der
Fluidweg 24 ist eine Röhre
aus Mylar, Pebax, PTFE, Urethan, HDPE oder einem anderen Material,
das kompatibel ist zu dem zirkulierenden Kühlmittel. Der Fluidweg 24 schließt ein Kühlmittel ein,
beispielsweise Freon, Flourinert, Ethylenglykol, Propylenglykol,
Alkohol oder ein anderes Liquid oder Gas, das ein Einfrieren bei
Temperaturen der Verwendung verhindert. Flüssigkeiten mit hohen spezifischen
Wärmekoeffizienten
und geringen Viskositäten sind
bevorzugt. Der Fluidweg 24 erstreckt sich von dem Anschluss 26 durch
das Kabel 13 zu dem Transducergehäuse 18, beispielsweise
benachbart zu dem Transducer 15. In dem Anschluss 26 erstreckt
sich der Fluidweg 24 benachbart zu dem oder in den thermisch
leitenden Schuh 32 hinein. Der Fluidweg 24 ist ein
geschlossener Kreislauf.
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Die
Temperaturdifferenz zwischen dem wärmeren Wärmetauscher 22 und
dem kühleren
zirkulierenden Kühlmittel 24 verursacht
eine Übertragung von
Wärme in
das Kühlmittel,
wodurch dessen Temperatur von –2°C, wenn das
Kühlmittel
in das Transducergehäuse 18 eintritt,
auf 9°C,
wenn das Kühlmittel
das Transducergehäuse 18 verlässt, zunimmt.
Da das zirkulierende Kühlmittel
in dem Kabel unterhalb der typischen Umgebungslufttemperatur von
ungefähr
25°C liegt,
wird Wärme
aus der Atmosphäre
extrahiert, wenn das Kühlmittel
von dem Anschluss 26 zu dem Transducergehäuse 18 und
zurück
wandert. Gemäß diesem
Beispiel verursacht diese Wärme, dass
die Temperatur des Kühlmittels
um 2 Grad ansteigt, wenn das Kühlmittel
zwischen dem Transducer 15 und dem Anschluss 26 fließt. Die
resultierende Temperatur des Kühlmittels,
welches in das Transducergehäuse 18 eintritt,
reduziert die Abwärmemenge, die
von den wärmeerzeugenden
Komponenten in dem Transducergehäuse 18 abgeführt werden
kann.
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2 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
des Fluidwegs 24 entlang des Transduceranordnungskabels,
um die Wärmeübertragung
aus der Umgebung zu reduzieren. Der Fluidweg 24 ist positioniert,
um von einer Mehrzahl von koaxialen Leitern 60 umgeben
zu sein. Die koaxialen Leiter 60 werden verwenden, um elektrische
Sendeimpulse zu leiten, die entweder in dem Bildgebungssystem 14 oder
in dem Anschluss 26 erzeugt werden. Die Empfangssignale von
dem Transducer 15 werden an den Anschluss 26 geleitet,
indem die gleichen Leiter oder indem al ternative Leiter verwendet
werden. Die koaxialen Leiter 60 und die zugehörigen Luftspalte 65 stellen
eine thermische Isolation bereit. Eine weitere Isolation wird durch
die geschichtete Röhre
für den
Fluidweg 24 geschaffen. Eine äußere Schicht 62, beispielsweise
extrudiertes Mylar oder PTFE, ist um eine innere Schicht 64,
beispielsweise extrudiertes PTFE oder ein anderes Material, das
mit dem Kühlmittel
kompatibel ist, herum angeordnet. Die innere Schicht 64 und/oder
die äußere Schicht 62 haben
Grate oder Separatoren, um einen Spalt 66 zwischen den Schichten 62 und 64 zu
bilden und aufrechtzuerhalten. Der Spalt 66 ist mit Luft,
mit einem Isolator oder einem anderen Material gefüllt, um
die Wärmeübertragung
weiter zu reduzieren.
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Erneut
bezugnehmend auf 1 liegt der Zweck der Pumpe 28 darin
das Kühlmittel
durch den geschlossenen Fluidweg 24 zu rezirkulieren. Die Pumpe 28 enthält einen
integrierten elektrischen Motor. Die Pumpe 28 kann eine
Zentrifuge, eine feste Verdrängung,
eine Membran oder andere Verfahren zur Bewegung des Fluids verwenden.
Die Pumpe 28 ist in dem Anschluss 26 der Transduceranordnung 12.
Die Pumpe 28 ist separat von dem thermisch leitenden Schuh 32 ausgebildet
oder in den thermisch leitenden Schuh 32 integriert. Elektrische
Energie wird an die Pumpe 28 von dem Ultraschallsystem 14 geliefert,
beispielsweise durch elektrischen Zwischenverbindungen oder Kontakte
zwischen dem Anschluss 26 und dem Ultraschallsystem 14.
Die Pumpe 28 erhöht
den Druck des Kühlmittels,
um Reibungsverluste, die in Zusammenhang stehen mit der Bewegung
des Kühlmittels
durch den Fluidweg 24, zu kompensieren.
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Gemäß einem
alternativen Ausführungsbeispiel
ist die Pumpe 28 in der Ultraschalltransduceranordnung 12 und
mechanisch mit einem Motor verbunden, der in dem Ultraschallsystem 14 ist.
Eine Welle, die von dem Motor gedreht wird, veranlasst den Betrieb
der Pumpe 28. Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
enthält
die Welle eine lösbare
Verbindung oder eine Kopplung zum Verbinden der Pumpenwelle mit
der Motorwelle zwischen dem Transduceranordnungsanschluss 26 und
dem Anschluss des Ultraschallsystems 14. Gemäß einem
anderen Ausführungsbeispiel
ist die Kopplung magnetisch, ohne eine mechanische Schnittstelle.
Der Antriebsmotor ist an einer Stelle, die bequem durch das Ultraschallsystem 14 mit
Energie versorgt werden kann. Die Menge der elektrischen Energie,
die in dem Ultraschallsystem 14 verfügbar ist, ist größer als
die Menge, die an den Anschluss 26 durch normale Zwischenverbindungsverfahren übertragen
werden kann. Dies kann hilfreich sein für ein Tiefkühlsystem, wel ches in dem Anschluss 26 ist,
da Tiefkühlsysteme relativ
große
Energiemengen verbrauchen. Ebenso können sich RFI-Vorteile ergeben,
den Antriebsmotor in dem Bildgebungssystem 14 zu platzieren,
aufgrund der Praktikabilität
des Implementierens von raumeinnehmenden Abschirmungen oder elektrischen
Filtern.
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Erneut
bezugnehmend auf 1, ist die Feder 34 eine
einzelne oder enthält
mehrere Federn, um in der Lage zu sein eine Normalkraft zwischen den
thermisch leitenden Schuhen 32 und 40 zu erzeugen.
Ein Hebelarm oder andere Vorrichtungen zum Anlegen einer Normalkraft
zwischen dem thermisch leitenden Schuh 32 und dem thermisch
leitenden Schuh 40 kann zusätzlich oder alternativ verwendet
werden. Die Normalkraft verbessert die Effizienz der Thermalzwischenverbindung
zwischen den zwei leitenden Schuhen 32 und 40.
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Der
thermisch leitende Schuh 32 ist eine Platte, ein Block
oder ein anders geformtes Material. Kupfer, goldplattiertes Kupfer,
Silber, Aluminium, ein anderes Metall oder andere thermisch leitende
Materialien können
verwendet werden. Die Anschlussfläche 30 des thermisch
leitenden Schuhs 32 ist flach ausgebildet, mit einem Oberflächenbereich
von ungefähr ½ bis 2
Quadratinch. Gemäß anderen
Ausführungsbeispielen
ist die Oberfläche 30 nicht
flach, und hat beispielsweise Lamellen zur Einpassung in entsprechende
Schlitze. Der thermisch leitende Schuh 32 enthält eine
oder mehrere Fluidkanäle,
beispielsweise einen weit schweifenden Pfad des Fluidwegs 24.
Die Kanäle
innerhalb des thermisch leitenden Schuhs 32 sind designed,
um die Effizienz der Wärmeübertragung
von dem wärmeren
Kühlmittel 24 an den
kühleren
thermisch leitenden Schuh 32 zu maximieren. Die Kanäle des Fluidwegs 24 sind
ungefähr 3
mm voneinander beabstandet, jedoch können größere oder kleinere Abstände mit
einem einzelnen oder mehreren Kreisläufen geschaffen werden. Das erwärmte Kühlmittel 24 von
dem Transducergehäuse 18 wird
durch den thermisch leitenden Schuh 32 zirkuliert, wobei
die Kühlmitteltemperatur
um 15 Grad reduziert wird, aufgrund der Wärmeübertragung an den thermisch
leitenden Schuh 40 mit niedrigerer Temperatur.
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In
dem Ultraschallsystem 14 ist der andere thermisch leitende
Schuh 40 aus dem gleichen oder einem anderen Material,
und hat die gleiche oder eine andere Form, wie der thermisch leitende
Schuh 32 der Transduceranordnung 12. Der thermisch
leitende Schuh 40 des Ultraschallsystems 14 besteht aus
einem festen Material, das geeignet ist zum Kontaktieren oder zum
Ver binden mit dem festen thermisch leitenden Schuh der Transduceranordnung 12, wenn
der Anschluss 26 mit dem Ultraschallsystem 14 verbunden
wird. Die leitenden Schuhe 32, 40 liefern eine
thermisch Zwischenverbindung ohne Fluidübertragung, wobei Wärme durch
Leitung übertragen wird.
Flache Anschlussflächen
und/oder eine geringe Normalkraft, die durch die Feder 24 oder
eine andere Struktur in dem Anschluss 26 oder in dem System 14 erzeugt
wird, stellen einen effizienten thermisch Weg oder eine Verbindung
sicher. Die Temperatur des thermisch leitenden Schuhs 40 beträgt –10°C, was eine
Temperaturdifferenz von 2 Grad zwischen den Anschlussschuhen zur
Folge hat, um die Abwärme
in das System 14 zu übertragen.
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Der
thermisch leitende Schuh 40 enthält Merkmale zur Übertragung
von Wärme
an das Tiefkühlsystem
in dem Ultraschallsystem 14. Ein Tiefkühlweg 46 verläuft durch
oder neben dem thermisch leitenden Schuh 40. Der Tiefkühlweg 46 ist
eine Röhre
aus Kupfer, einem anderen Metall oder einem anderen kompatiblen
Material, welches das Tiefkühlmittel
einkapselt. Freon 134a ist ein Beispiel für ein Kühlmittel,
welches an unterschiedlichen Stellen innerhalb des Tiefkühlwegs 46 im
Dampfzustand und flüssigen
Zustand vorliegt. Der Kältemittelweg 46 erstreckt
sich von benachbart zu oder von innerhalb der Systemverdampfer thermisch
leitenden Schuhs 40 durch den Kompressor 48 zu
dem Kondensator 50, durch die Öffnung 44 zurück zu dem
Verdampfer (thermisch leitenden Schuh) 40. Der Fluidweg 46 ist ein
geschlossener Kreis, der in dem Bildgebungssystem 14 ist
oder separat von dem Fluidweg 24 der Transduceranordnung 12 ausgebildet
ist.
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Wenn
das Kältemittel
in Dampfform durch den Kompressor 48 verläuft, wird
die Temperatur des Kältemittels
auf eine Temperatur erhöht,
die signifikant über
der Temperatur der Umgebungsluft liegt, durch eine im Wesentlichen
adiabatische Kompression. Dieser heiße Hochdruckdampf bewegt sich
dann zu dem Kondensator 50, wo signifikante Wärme an die
inneren Oberflächen
des Kondensators 50 übertragen
wird. Wenn Wärme
aus dem Dampf extrahiert wird, kondensiert der Dampf zu einer Flüssigkeit
mit fast der gleichen Temperatur. Diese Wärme, die aus der fast isothermen
Phasenänderung
freigesetzt wird, wird als latente Verdampfungswärme bezeichnet. Wenn das Hochdruckkältemittel
den Kondensator 40 verlässt,
ist das Kältemittel
größtenteils
flüssig. Die
Temperatur des Kältemittels
ist fast gleich der Temperatur des Hochdruckdampfes, der in den
Kondensator eintritt.
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Die
Hochdruckflüssigkeit
wandert zu der Öffnung 44 am
Eingang zu dem Verdampfer. Der Druck der fließenden Flüssigkeit reduziert sich, wenn
sie durch die Öffnung 44 verläuft und
in den Verdampfer 44 eintritt. Das flüssige Niederdruckkältemittel
verdampft in dem Verdampfer 40 und extrahiert die erforderliche
latente Verdampfungswärme
aus den inneren Durchgängen
des Verdampfers 40. Wärme, die
von dem Verdampfer 40 extrahiert worden ist, verursacht
eine Temperaturreduzierung. Das resultierende Kältemittel mit niedrigem Druck,
niedriger Temperatur wird dann in gasartiger Form an den Kompressor 48 zurückgegeben,
um den kontinuierlichen Prozess zu wiederholen.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
ist die Öffnung 44 einstellbar,
so dass sie verwendet werden kann, um das Ausmaß der erreichten Kühlung zu steuern.
Kleine Öffnungen
stehen in Zusammenhang mit einer hohen Wärmeübertragungsrate. Wenn die Öffnungsgröße zunimmt,
reduziert sich der Kältemittelrückdruck
in den Kondensator. Die resultierende Druckerhöhung über dem Kompressor 48 wird
geschwächt.
Die resultierende niedrigere Kühlmitteltemperatur
aus dem Kompressor 48, die in den Kondensator 50 eintritt,
reduziert die Wärmeübertragungsrate.
Wenn die Öffnung
vollständig
geöffnet wird,
endet die Energie, die verwendet wird, um den Kompressor zu betreiben,
als Wärme,
wodurch der Verdampfer 40 tatsächlich die Temperatur erhöht. Gemäß alternativen
Ausführungsbeispielen
ist die Öffnung 44 an
einer anderen Stelle, beispielsweise in dem thermisch leitenden
Schuh 40 integriert ausgebildet, oder von dem thermisch
leitenden Schuh 40 beabstandet.
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Der
Wärmetauscher 50 ist
aus einem Metall oder einer anderen Struktur, mit dem Fluidweg 46 benachbart
zu oder innerhalb der Struktur, die als Flüssigkeits/Luft-Wärmetauscher
oder Kondensator arbeitet. Lamellen 52 sind geschaffen
zur Übertragung von
Wärme (beispielsweise
50°C) an
die Atmosphäre.
Die Wärme
wird von dem thermisch leitenden Schuh 40 (Verdampfer)
an den Kondensator 50 übertragen
zur Abgabe in die Umgebungsluft durch Strahlung oder durch erzwungene
Konvektion. Die Energie, um Wärme
auf den Temperaturgradienten zu pumpen, wird durch den Kompressor 48 geliefert.
Ein kleiner Lüfter 54 wird
verwendet, um die Kühlumgebungsluft
durch den Wärmetauscher
zirkulieren zu lassen. Gemäß einem
anderen Ausführungsbeispiel liefern
Lüfter,
die bereits in dem System zum Kühlen anderer
Komponenten verwendet werden, die Luftzirkulation.
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Das
Tiefkühlsystem 49 hält den thermisch leitenden
Schuh 40 auf einer Temperatur, die kleiner als die der
Umgebungsluft ist. Folglich wird ein steiler Temperaturgradient
in der Transduceranordnung 12 geschaffen. Folglich kann
mehr Wärme
aus dem Transducer 15 extrahiert und in die Atmosphäre abgegeben
werden. Gemäß diesem
Beispiel hat die thermisch Schnittstelle an dem thermisch leitenden Schuh 32 –10°C. Ohne ein
Tiefkühlsystem
wäre der thermisch
leitende Schuh 40 mindestens bei einer Temperatur von 25°C der Umgebungslufttemperatur.
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Es
gibt verschiedene Verfahren zum Designen einer aktiven Kühlung oder
von Tiefkühlsystemen.
Im Allgemeinen überträgt die Kühlung Wärme bis
zu einem Thermalgradienten. Dies ist entgegen den normalen Situationen,
bei denen Wärme
von einer höheren
Temperaturregion zu einer niedrigeren Temperaturregion durch Leitung,
Strahlung oder Konvektion fließt.
Elektrische oder andere Formen von Energie müssen an die aktive Kühlvorrichtung 49 geliefert
werden. Obwohl die Kühlung
externe Energieformen verwendet, wenn die aktive Kühltransduceranordnung 15 verwendet
wird, erlaubt die Kühlung
eine Extraktion einer signifikant größeren Menge an Wärme, als
sonst möglich
wäre.
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3 zeigt
ein alternatives Ausführungsbeispiel
eines Tiefkühlsystems 49.
Das Tiefkühlsystem 49 enthält den Lüfter 54,
Lamellen 52, einen Adapter 72, Federn 74 und
eine thermisch elektrische Vorrichtung 70. Weitere, andere
oder weniger Komponenten können
bereitgestellt werden, beispielsweise keine Bereitstellung des Lüfters 54,
der Lamellen 52, des Adapters 72 und/oder der
Federn 74. Der Transducer 12 ist funktional identisch
zu dem oben gemäß 1 beschriebenen.
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Die
thermisch elektrische Vorrichtung 70 ist ein thermoelektrischer
Kühler.
Die thermoelektrischen Kühlvorrichtungen
verwenden den Peltier-Effekt, um Wärme zu veranlassen zwischen
verschmolzenen unähnlichen
Metalloberflächen
zu fließen, wenn
ein Gleichstrom angelegt wird. Gemäß einem Ausführungsbeispiel
ist der thermoelektrische Kühler 70 1,75
Inch × 1,56
Inch und ungefähr
0,093 Inch dick. Ein derartiger thermoelektrischer Kühler 70 in der
Lage ist 50 Watt Leistung in der Form von Wärme zu bewegen, gegen einen
20 Grad Temperaturgradienten, in dem ungefähr 100 Watt elektrischer Energie verwendet
wird. Ein Marlow XLT2385 ist ein Beispiel eines handelsüblichen
thermoelektrischen Kühlers. 40
Watt Wärme können von
einer Struktur, die 30°C hat,
an eine benachbarte Struktur, die 50°C hat, abgeführt werden, indem ein Gleichstrom
von 9 Ampere und eine Potentialdifferenz von 5,5 Volt verwendet werden.
Folglich treten 50 Watt in die kalte Fläche ein und 90 Watt aus der
heißen
Fläche
aus. Andere thermisch elektrische Vorrichtungen 70 sind
in dem US-Patent mit der Anmeldenummer 10/183,302 offenbart, deren
Offenbarung durch Bezugnahme hiermit Bestandteil dieser Anmeldung
wird. Mehr oder weniger effiziente Vorrichtungen mit einer größeren oder
kleineren thermischen Kapazität
können
für einen
größeren oder
kleineren Gradienten bereitgestellt werden.
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Um
Wärme über größere Temperaturanstiege
zu pumpen, werden mehrere thermisch elektrische Geräte 70 kaskadenartig
in Serie geschaltet. Um die Wärmemenge
zu erhöhen,
die über
einen gegebenen Temperaturanstieg gepumpt wird, werden mehrere thermisch
elektrische Geräte 70 parallel
positioniert. Zusätzliche
thermische elektrische Vorrichtungen 70 verwenden weitere
Energie. Beispielsweise, wie in 3 gezeigt,
wird 40 Watt Wärme
von dem thermisch leitenden Schuh 40 (–10°C) zu dem Extrusionsadapter 72 (50°C) gepumpt,
indem vier thermische elektrische Vorrichtungen 70 verwendet werden,
zwei Reihenstapel sind in diesem Beispiel parallel geschaltet. 4 zeigt
ein Thermodiagramm dieses Aufbaus. In diesem Beispiel sind insgesamt 230,6
Watt elektrische Energie erforderlich, um 40 Watt Wärme von –10°C auf +50°C zu pumpen.
Folglich werden insgesamt 270,6 Watt an die 25°C Atmosphäre von der Metalllamellenstruktur 52 bei
48°C abgegeben.
Für dieses
Beispiel wurde eine Lüfter/Wärmetauscher-Anordnung
(52 und 54) mit einem thermischen Widerstand von
ungefähr 0,185°C/Watt verwendet.
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Verglichen
mit den Komponenten, die das Dampf/Flüssigkeits-Kühlsystem gemäß 1 enthalten,
sind die thermisch elektrischen Vorrichtungen 70 relativ
klein und im Allgemeinen weniger effizient. Kühlsysteme, die auf thermischen
elektrischen Vorrichtungen basieren, bieten verschiedene Packaging-Vorteile
aufgrund ihrer Größe. Die
elektrische Energie, um die hinzugefügten thermoelektrischen Kühler zu
betreiben, kann beispielsweise aus dem Bildgebungssystem extrahiert
werden, von einer separaten Quelle geliefert werden, oder durch
eine Batterie oder eine Brennstoffzelle geliefert werden, die entweder
in dem Bildgebungssystem oder an einem entfernten Ort ist. Die thermoelektrischen
Kühler können aufgrund
ihrer kompakten Größe ein verbessertes
Kühlsystem
erlauben, welches als Zusatz auf einem existierenden Bildgebungssystem
montierbar ist.
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Erneut
bezugnehmend auf 3 ist der Adapter 72 aus
Aluminium, Kupfer, einem anderen Metall oder einem anderen thermisch
leitenden Material, das in der Größe und in der Form derart ist,
dass es sandwichartig die thermisch elektrischen Vorrichtungen 70 gegen
den thermisch leitenden Schuh 40 ausbildet. Der Schuh 40 und
der Adapter 72 sind auch durch eine oder durch mehrere
Federn 74 verbunden, wobei komprimierte Gummiabstandshalter
oder ein anderes Material verwendbar ist, um den Adapter 72 gegen
die thermisch elektrischen Vorrichtungen 70 anzuordnen.
Alternativ drückt
die Metalllamellenstruktur 52 die thermisch elektrische
Vorrichtungen 70 gegen den Schuh 40, ohne Verwendung
eines Adapters 72.
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Die 5 und 6 zeigen
zwei andere Ausführungsbeispiele,
die eine zusätzliche
aktive Kühlvorrichtung 80 in
der Ultraschalltransduceranordnung 12 bereitstellen. 5 zeigt
die zusätzliche aktive
Kühlvorrichtung 80 in
dem Transduceranschluss 26 und mit einer thermisch elektrischen
Vorrichtung 70 in dem Ultraschallsystem 14. 6 zeigt die
zusätzliche
aktive Kühlvorrichtung 80 in
dem Anschluss 26 zusätzlich
zu dem Dampf/Flüssigkeits-Kühlsystem 49,
welches in dem Ultraschallsystem 14 ist. Die zusätzliche
aktive Kühlvorrichtung 80 ist
ein einzelner oder enthält
mehrere thermisch elektrische Kühler,
die benachbart zu dem thermisch leitenden Schuh 32 in dem
Anschluss 26 der Ultraschallanordnung 12 positioniert
sind. Die zusätzliche thermische
elektrische aktive Vorrichtung 80 kann +50 Watt oder eine
andere elektrische Energiemenge verwenden, um zu arbeiten. Die zusätzliche
aktive Kühlvorrichtung 80 wird
mit Energie versorgt durch eine oder durch mehrere Zwischenverbindungen oder
durch elektrische Kontakte mit dem Ultraschallsystem 14,
welches für
die Wattzahl, die von der zusätzlichen
aktiven Kühlvorrichtung 80 verwendet wird,
betreibbar ist. Es ist auch möglich,
dass ein kleines Kühlsystem
(Dampf/Gas), das in dem Anschluss 26 ist, von einem entfernt
angeordneten Motor in dem Ultraschallsystem 14 mit Energie
versorgt wird, um eine weitere aktive Kühlung in dem Transduceranordnungsanschluss 26 bereitzustellen.
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Wie
in 5 gezeigt, schließt der Adapter 82 an
den thermisch leitenden Schuh 40 an, beispielsweise durch
Bereitstellung einer flachen Oberfläche. Der Adapter 82 ist
aus Kupfer, goldplattiertem Kupfer oder aus einem anderen thermisch
leitenden Material. Die Federn 74 oder 34 drücken die
zusätzliche
aktive Kühlvorrichtung 80 zwischen
den Adapter 82 und den Schuh 32.
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Die
zusätzliche
aktive Kühlvorrichtung 80 kann
Anschlussflächen
des thermisch leitenden Schuhs 40 und des Adapters 82 zur
Folge haben, die eine Temperatur aufweisen, die näher bei
der Umgebungstemperatur von ungefähr 20 bis 25°C ist, obwohl
das Kühlmittel
in dem Fluidweg 24 sehr viel kälter ist. Es ist weniger wahrscheinlich,
dass der thermisch leitende Schuh 40 und der Adapter 82 Feuchtigkeit
aus der Atmosphäre
kondensieren oder zusammenfrieren. Die zusätzliche aktive Kühlvorrichtung 80 liefert
beispielsweise einen Temperaturgradienten von ungefähr 33°C. Der Adapter 82 hat
25°C. Der
thermisch leitende Schuh 40 hat ungefähr 23°C. Gemäß 5 liefert
die thermoelektrische Kühlvorrichtung 70 in
dem Ultraschallsystem 14 einen 33°C Temperaturanstieg, so dass
der Adapter 72 bei 56°C ist.
Die Wärmetauscherlamellen 52 haben
53°C mit Luft,
die von der Umgebungstemperatur von 25°C auf 45°C erwärmt worden ist.
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Gemäß 6 ist
das Kältemittel
in flüssiger Form,
welches in die Öffnung 44 eintritt,
bei 50°C
und 148 psi. Wenn es durch die Öffnung 44 fließt, verringert
sich der Druck auf 20 psi, und die Temperatur verringert sich auf –20°C. Wenn das
Kältemittel
durch den Verdampferschuh 40 wandert, ändert sich das Kältemittel
von flüssig
in dampfförmig.
Das gasartige Kältemittel,
das den Schuh 40 verlässt,
hat ungefähr –15°C bei einem
Druck von 20 psi. Da der Druck in dem Kompressor 48 von
20 psi auf 148 psi erhöht wird,
erhöht
sich die Temperatur auf 50°C.
Nachdem das Kältemittel
in dem Kondensator 50 zu einer Flüssigkeit kondensiert, ist die
Kältemitteltemperatur
immer noch bei 50°C.
Der Zyklus wird folglich wiederholt. Die Umgebungsluft, die in die
Lamellen 52 gezwungen wird, erhöht sich von 25°C auf 40°C, bevor sie
ausgegeben wird.
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7 zeigt
ein Ausführungsbeispiel,
bei dem das Kühlsystem 49 in
dem Ultraschallsystem 14 auch eine Wärmeleitung 90 und/oder
einen thermischen Speichertank 92 enthält. Die Wärmeabfuhrrate kann die Rate überschreiten,
die man erhält,
wenn nur die Lamellen 95 und der Lüfter 54 verwendet
werden.
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Die
Wärmeleitung 90 ist
eine geschlossene Struktur aus Aluminium, Kupfer oder einem anderen Material,
welches ein Wärmeübertragungsmedium
in Dampfform und in flüssiger
Form enthält.
Die Wärmeleitung 90 hat
einen Durchmesser von ungefähr ¼ Inch,
kann jedoch größer oder
kleiner sein. Das Wärmeübertragungsmedium
ist Wasser, Alkohol, Azeton, Freon oder eine andere Substanz. Materialien
mit hohen latenten Verdampfungswärmen
sind bevorzugt, um die Leistungsfähigkeiten der Wärmeleitung
zu maximieren. Die Wärme,
die in den Verdampferabschnitt von dem Adapter 72 übertragen
wird, wird durch die Flüssigkeit
absorbiert, wodurch diese verdampft. Wenn der Dampf erzeugt wird,
wandert der Dampf zu dem etwas kühleren
Kondensatorabschnitt, wo der Dampf sich verflüssigt, nach einer Absonderung
der Verdampfungswärme
auf den inneren Wänden
der Wärmeleitung 90.
Da die Verdampfung und die Kondensation im Wesentlichen bei der
gleichen Temperatur auftreten, hat die Wärmeleitung 90 eine
sehr hohe effektive thermische Leitfähigkeit, verglichen mit einem äquivalenten
festen Material, beispielsweise Metall. Relativ kleine Wärmeleitungen 90 können große Wärmemengen
mit einem sehr kleinen Temperaturgradienten übertragen. Kondensierte Flüssigkeit
wird an den Verdampferabschnitt zurückgegeben, indem die Schwerkraft
verwendet wird, oder indem eine Struktur oder eine Maßnahme verwendet
wird, die ein kapillares Verhalten von Flüssigkeiten verwendet.
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Der
thermische Speichertank 92 ist aus einer Metall- oder einer
anderen Materialstruktur zur Aufnahme eines Phasenänderungsmediums 91.
Unter Verwendung des Thermalspeichertanks 92 kann die Wärmeabfuhrrate
von dem Transducer 15 die Fähigkeit des Systems übersteigen,
Wärme in
die Atmosphäre
zu geben. Die Abwärme
wird nicht so schnell in die Atmosphäre abgegeben, wie sie durch
den Transducer 15 oder durch aktive elektronische Bauteile,
die entweder in dem Transducergehäuse 18 oder in dem
Anschluss 26 sind, erzeugt wird. Die Abwärme, die
nicht anderweitig abgeführt
wird, wird in dem Phasenänderungsmedium 91 zur
Abgabe zu einem späteren
Zeitpunkt gespeichert. Cetylalkohol ist ein Beispiel für ein derartiges
Medium mit einer Fusionstemperatur von ungefähr 50°C und einer relativ hohen Fusionswärme. Das
System arbeitet folglicherweise nicht kontinuierlich in einem stabilen
Zustand. Dieses spezielle System ist praktikabel für eine Ultraschalldiagnoseeinrichtung,
da die Diagnosevorgänge
im Allgemeinen nicht kontinuierlich erfolgen.
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Der
Kondensatorabschnitt der Wärmeleitung 90 ist
thermisch verbunden mit der thermisch leitenden verflüssigter
Struktur 94, die in dem Thermalspeichertank 92 ist.
Wärme,
die durch den Verflüssiger 94 an
das Medium 91 übertragen
wird, veranlasst eine Menge des Mediums von einem festen in einen flüssigen Zustand,
gemäß der Fusionswärme für dieses
Material umgewandelt zu werden. Ebenfalls eingekapselt in dem Thermalspeichertank 92 ist
ein Luft/Flüssigkeits-Wärmetauscher
(Verfestiger) 96. Der Verfestiger 96 und die Lamellen 95 sind
aus Kupfer, Aluminium oder einem anderen thermisch leitenden Material.
Die Wärme
wird von dem wärmeren flüssigen Medium 91 zu
der kühleren
Umgebungsluft durch den Verfestiger 96 und die Lamellen 95 übertragen.
Die Abfuhr dieser Fusionswärme
von der Flüssigkeit
veranlasst das Medium fest zu werden. Die Wärmeabgabe von dem Verfestiger
zu der Umgebungsluft wird durch das Vorhandensein des Lüfters 54 verbessert.
Eine enge räumliche
Nähe der Wärmeübertragungsoberflächen des
Verflüssigers 94 zu
entsprechenden Oberflächen
des Verfestigers 96 minimiert oder eliminiert die Notwendigkeit
für eine
Pumpe das flüssige
Medium 91 in dem Speichertank 92 physikalisch
zirkulieren zu lassen. Alternativ überträgt eine Pumpe in dem Thermalspeichertank 92 das
flüssige
Medium 93 von der Umgebung der Verflüssigerlamellen 94 zu
dem Verfestiger 96.
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In
diesem Beispiel extrahiert die aktive Kühlhardware 20, 22 in
dem Transducergehäuse 18 Wärme mit
einer Rate von 40 Watt von dem Transducer 15. Aufgrund
der thermischen elektrischen Kühler 70 werden
insgesamt 270,6 Watt entweder in dem Medium 96 gespeichert
oder an die Atmosphäre
durch die Lamellen 95 abgegeben. Wenn der Lüfter 54 und
der Lamellenradiator 96 nur in der Lage sind 75 Watt an die
Atmosphäre
abzugeben, dann werden 0,195 Kilowattstunden Energie gespeichert,
wenn der Transducer 15 mit voller Leistung eine Stunde
lang betrieben wird. Die Rate der Wärmeabgabe von dem Verfestiger 96 an
die Umgebungsluft kann erhöht
werden, indem die Luftgeschwindigkeit erhöht wird, indem ein leistungsfähiger Lüfter 54 verwendet
wird, oder indem der Oberflächenbereich
der Fest/Luft-Wärmeübertragungsoberflächen vergrößert wird.
Der Vorteil des Erhöhens
der Rate der Wärmeübertragung
wird reduziert durch die Energie, die an die thermoelektrischen
Vorrichtungen geliefert werden muss.
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Wie
in 8 gezeigt, kann das Kühlsystem 49 gesteuert
werden, um direkt die Temperatur des thermisch leitenden Schuhs 40 zu
regulieren, oder um indirekt die Temperatur des Schall fensters 16 zu regulieren.
Eine programmierbare Steuerung, beispielsweise ein Mikrocontroller,
ein programmierbares Feldgatearray, eine analoge Schaltung, eine
digitale Schaltung oder eine andere Steuerung steuert den Betrieb
der Öffnung 44,
des Kompressors 48, des Lüfters 54 und/oder
der Pumpe 28, basierend auf Temperaturen, die von einem
Sensor 102, der innerhalb des thermisch leitenden Schuhs 40 angeordnet ist,
gemessen werden. Die Steuerung kann physikalisch entweder in der
Transduceranordnung 12 oder in dem Bildgebungssystem 14 sein.
Darüber
hinaus oder alternativ sind Temperatursensoren 102, beispielsweise
Thermoelemente, Thermistoren oder RDTs (Resistance Temperature Detector)
in oder in naher Umgebung des Transducers 15, dem Wärmetauscher 22,
dem Transduceranordnungsschuh 32, dem Systemschuh 40 und/oder
an anderen Stellen, beispielsweise innerhalb der Fluidwege 24 und/oder 46 angeordnet.
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Die
Wärmemenge,
die in dem Transducer 15 erzeugt wird, die transducerunterstützenden
Elektronikbauteile, die in dem Gehäuse 18 sind, und/oder aktive
Elektronikbauteile, die in dem Anschluss 26 sind, hängt von
dem Design dieser Komponenten ab, und von der Art und Weise, wie
sie zur Gewinnung einer diagnostischen Information von einem Patienten verwendet
werden. Eine zuverlässige
Wärmeabfuhr von
den Komponenten wird verwendet, um sicherzustellen, dass die Transduceroberflächentemperaturen
vorgeschriebene Grenzwerte nicht überschreiten, und dass die
Elektronikbauteile nicht durch übermäßige Temperaturen
zerstört
werden.
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Aktive
Kühlsysteme,
insbesondere aktive Tiefkühlsysteme
verbrauchen eine erhebliche Energiemenge während ihres Betriebs. Verschiedene Komponenten
dieser Systeme werden auf Temperaturen unterhalb der Umgebungslufttemperatur
gehalten. Diese niedrigen Temperaturen können eine Kondensation der
atmosphärischen
Feuchtigkeit hervorrufen und/oder die Bildung von Frost verursachen. Die
Steuerung, die die Kühlsystemkomponenten
betreibt, kann verwendet werden, um eine Kondensation oder Frost
zu verhindern oder zu begrenzen. Die Transducerabwärmeabfuhrrate
kann in verschiedener Weise gesteuert werden. Mit thermoelektrischen Kühlvorrichtungen 70, 80 wird
die Wärmeabfuhrrate bestimmt
durch die Menge des elektrischen Stroms, der durch die Vorrichtung
fließt.
Durch Umkehren des Stroms transportieren die thermoelektrischen
Vorrichtungen die Wärme
in entgegengesetzter Richtung, was einen Wärmeeffekt liefert. Für einen Dampf/Flüssigkeits-Kühlansatz
kann die Wärmeabfuhrra te
gesteuert werden, indem das Expansionsventil (die Öffnung 44)
eingestellt wird, indem der Kompressor 48 ein- und ausgeschaltet
wird, oder durch Steuerung des Luftflusses durch den Kondensator.
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Da
das Bildgebungsultraschallsystem 14 den Betrieb der Transduceranordnung 12 steuert, kann
die Menge an Abwärme,
die in den Transducerkomponenten erzeugt wird, geschätzt werden
basierend auf vorherigen experimentellen Tests. Darüber hinaus,
kann zu der oben beschriebenen Temperaturerfassung die Steuerung
die Abwärmeabfuhrrate für verschiedene
Betriebsmodi basierend auf Algorithmen als Funktion des Betriebs
der Transduceranordnung 12 steuern. Beispielsweise wird
eine größere Abwärmeabfuhrmenge
bereitgestellt für
eine kontinuierliche Wellenbildgebung, als für eine getriggerte Kontrastmittelbildgebung.
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Wie
in 8 gezeigt, kann in einem anderen oder in einem
zusätzlichen
Ausführungsbeispiel
ein Temperatursensor (Sensoren) 102, der in dem thermisch
leitenden Schuh 40 bereitgestellt ist, oder ein Temperatursensor
(Sensoren) 101, die in dem Transducer 15 bereitgestellt
sind, verwendet werden, um Information zu erzeugen, die verwendet
wird, um das Kühlsystem
zu steuern. Die Wärmeabfuhrrate
wird erhöht
für detektierte
Temperaturen größer als
voreingestellte Werte. Die Wärmeabfuhrrate
wird reduziert für
Temperaturen unterhalb der gleichen oder unterhalb anderer voreingestellter
Werte. Die Menge der Erhöhung
oder der Reduzierung kann basieren auf anderen Schwellenwerten.
Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
wird das Wärmeabfuhrsystem
bei dem minimalen Pegel betrieben, um die Temperaturen innerhalb
vorbestimmter Grenzen zu halten.
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Gemäß einem
anderen Ausführungsbeispiel ist
das Wärmeabfuhrsteuerungssystem
optimiert, um die Temperatur der thermisch leitenden Schuhe 32 und 40 zu
steuern, wenn der Transducer nicht verwendet wird. Während eines
normalen Betriebs arbeiten die Schuhe 32 und 40 bei
Temperaturen, die signifikant unterhalb der Umgebungslufttemperatur liegen;
dies kann eine Kondensation von Feuchtigkeit aus der Atmosphäre verursachen.
Wenn die Feuchtigkeit in empfindliche Elektronikbauteile in dem
Anschluss 26 oder in dem Bildgebungssystem 14 eindringt,
kann dies Probleme bezüglich
der Zuverlässigkeit
verursachen. In extremen Fällen
kann die Feuchtigkeit, die auf den leitenden Schuhen 32 und/oder 40 gebildet
ist, gefrieren; dies würde
ein Entfernen der Transduceranordnung 12 von dem Bildgebungssystem 14 oder
die Installation des Transducers an dem Bildgebungssystem ausschließen.
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Der
thermoelektrische Kühler
und die Dampf/Gas-Kühlsysteme 49 können beide
arbeiten, um Wärme
in den Schuhen 32, 40 zu erzeugen, wie in 3 gezeigt.
Die thermische elektrische Kühlvorrichtung 70 wird
mit einem Gleichstrom mit Energie versorgt, mit einer Polarität umgekehrt
zu der normalen Betriebsmodalität.
Bei einem derartigen Betrieb wird die thermische elektrische Vorrichtung
tatsächlich
zu einem Heizer. Gemäß dem Ausführungsbeispiel
unter Verwendung eines Flüssigkeits/Dampf-Kühlssystems,
wie in 8 gezeigt, kann der Kompressor 48 in
umgekehrter Richtung betrieben werden, wodurch die Temperatur des
thermisch leitenden Schuhs 40 erhöht wird. Eine alternative Weise
des Erwärmens
des thermisch leitenden Schuhs 40 wäre das Öffnen der Öffnung 44, wie oben diskutiert.
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8 zeigt
ein Ausführungsbeispiel,
welches Heizer 100 verwendet, als Alternative oder zusätzlich zu
den thermischen elektrischen Kühlgeräten 70, 80 oder
den Kompressor 48. Der Heizer 100 enthält einen
elektrischen Kartuschenheizer. Der Heizer 100 und keiner,
eine oder mehrere der Temperatursensoren 102 sind in oder
benachbart zu dem thermisch leitenden Schuh 40 und/oder
dem thermisch leitenden Schuh 32 angeordnet. Zwei Heizer 100 sind
gezeigt, jedoch können
mehr als zwei/drei oder nur einer oder mehrere bereitgestellt werden. Die
geschlossene Kreislauftemperatursteuerung wird verwendet, um die
Temperatur des Schuhs 40 zu bestimmen und Entscheidungen
zu treffen, wie viel Strom durch die Heizer 100 fließen muss,
um einen vorprogrammierten Temperaturpegel, beispielsweise die atmosphärische Temperatur
aufrechtzuerhalten. Diese Steuerung überwacht auch die Bildgebungssystemanforderungen,
und überwindet
einen vorprogrammierten Temperaturpegel und/oder betreibt den Kompressor 48,
um eine Kühlung
bereitzustellen.
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Ein
Verfahren wird bereitgestellt zum Kühlen eines Ultraschalltransducers.
Das Verfahren verwendet eines der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele
oder ein anderes Ausführungsbeispiel.
Eine aktive Kühlung
wird in einem Ultraschallsystem durch ein Kühlmittel durchgeführt. Beispielsweise
sind Ultraschallsysteme wagenmontierte Bildgebungsvorrichtungen
zur medizinischen Diagnoseverwendung. Strahlformer und Bildprozessoren
in dem Ultraschallsys tem erzeugen diagnostische Bilder oder Information.
Kühlvorrichtungen
sind ebenfalls in dem Ultraschallsystem angeordnet, beispielsweise
auf demselben Wagen, Gehäuse
oder Rahmen.
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Die
Transduceranordnungen sind lösbar
mit dem Ultraschallsystem verbunden, um einen Patienten mit Ultraschallenergie
abzutasten. Während
des Betriebs erzeugen der Transducer und irgendwelche integrierten
aktiven Elektronikbauteile Wärme.
Die Wärme
wird von dem Ultraschalltransducer geleitet oder übertragen.
In Antwort auf das Kühlmittel
in dem Ultraschallsystem wird die Wärme an das Ultraschallsystem
ohne eine Fluidverbindung zwischen dem Ultraschalltransducer und
dem Ultraschallsystem geleitet. An Stelle des Fluidtransfers wird
die Wärme
von der Transduceranordnung an das Ultraschallsystem durch entsprechende
Anschlüsse
geleitet. Ein Thermalblock in dem Ultraschalltransduceranordnungsanschluss
ist an einen Thermalblock in dem Ultraschallsystemanschluss angeschlossen.
Wärme wird durch
die Thermalblöcke
geleitet. Gemäß einem Ausführungsbeispiel
ist das Kühlsystem 49 ein
Adapter, der innerhalb eines Bildgebungssystems positionierbar ist,
oder zwischen dem Anschluss 26 und dem Bildgebungssystem 14.
Der Adapter wird verwendet, um existierende Systeme für eine aktive Kühlung zu
verwenden. Der Anschluss 26 der Transduceranordnung 12 enthält den Schuh 32 für einen leitenden
Anschluss mit einem Schuh 40 in dem Adapter.
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Obwohl
die Erfindung im Vorangegangenen unter Bezugnahme auf verschiedene
Ausführungsbeispiele
beschrieben wurde, soll verstanden werden, dass irgendwelche Änderungen
und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne den Bereich der
Erfindung zu verlassen. Es ist folglich beabsichtigt, dass die vorangegangene
detaillierte Beschreibung lediglich beispielhaft ist und keine Einschränkung darstellt.