JP5395159B2 - 内部冷却室を有する超音波照射装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の基本超音波変換器を有する超音波照射装置の一般的分野に関する。それぞれ超音波変換器は、少なくとも１個の電気音響要素を有する。複数の基本超音波変換器は、超音波照射装置の装置外枠上に分布している。電気音響要素は、超音波照射装置の「前」面において分布されることによって、超音波照射されるべき媒質に面して配置される。

一般に圧電材料、複合圧電材料、または半導体材料製である電気音響要素たとえば容量型微細加工超音波変換器（ＣＭＵＴ）によって、電気音響効率が制限された高出力超音波が生成可能になる。

典型的にこれらの材料で、１００ｋＨｚと１０ＭＨｚの間に含まれる周波数に対して電気音響効率は、４０％〜８０％である。また超音波に変換されないエネルギーの大部分は、熱となって変換器内で消散する。

電気音響要素を数秒間連続運転して過熱が生じると、電気音響要素が破損、更には破壊することがあり、このような加熱は、電気音響要素を構成しているかまたは電気音響要素に隣接している機械的部分を劣化させる虞さえある。

それゆえ現在このような加熱が、数秒間という長い期間にわたる非常に高い音響インテンシティを制限している。一般に超音波変換器の表面において、過熱を生じることなく数十秒のオーダーで５Ｗ／ｃｍ^２以上のパワー（電力）を生成することは、難しいと認識されている。

超音波変換器の温度を低くするために、発生した熱を消散させるための解決手法がある。公知の解決は、超音波照射装置の「前」面に、冷却された流体たとえば一般に水を循環させることからなる。この場合、液体との超音波結合は、超音波の焦点を合わせる媒質によって達成できる。

米国特許出願公開第２００５／１６３６８３号明細書

しかし、従来の装置において熱交換面は、超音波照射装置の「前」面に制限されている。非常に高い音響インテンシティを使用しなければならない場合には、熱を十分除去できない。

それゆえ本発明の主たる目的は、このような欠点を克服するために、複数の基本超音波変換器を有し、それぞれ基本超音波変換器が少なくとも１個の電気音響要素を有し、複数の超音波変換器が装置外枠上に分布しており、しかも電気音響要素が、装置の前面上で少なくとも２次元に広がるように分布されることによって、超音波照射されるべき媒質に面して配置されようになっている超音波照射装置を提案する。この超音波照射装置において、それぞれ超音波変換器は、熱伝導材料製で長手方向に延びる変換器本体を有する。変換
器本体の前端に電気音響要素が配置され、装置外枠は、前面の背後に配置された密封された冷却室を有する。この冷却室は、変換器本体によって横切られ、冷却流体の流れによって貫流されるようになっている。

変換器本体が冷却室を貫通する、超音波照射装置のこの新規の構造によって、熱の消散を利用することによって顕著な量の熱を、超音波変換器の後部に伝達できる。実際、前面に音響要素が配置された超音波変換器の能動部分によって発生した熱は、基本変換器本体の形成材料によって、後部に向かって排出される。

本発明によって、変換器本体と冷却液の間に熱交換面を得ることが可能である。これによって熱交換は、従来の前部からの冷却システムを使用した場合よりも遥かに広い表面で達成される。更に冷却液は、熱源である超音波変換器に直接接触させられるため、超音波変換器によって発生した熱を、冷却液に伝達することが最適化される。

従ってこの新規の冷却システムによって、基本超音波変換器の加熱を制限でき、超音波変換器の表面で遥かに高い音響インテンシティを達成することが可能である。本発明によって、約２０Ｗ／ｃｍ^２のパワーを得ることが可能である。

本発明の意味において、「装置外枠」という言葉は、超音波変換器を支持し、変換器本体によって垂直に横切られる冷却室のケーシングを形成できる機械的構造を指す。
本発明の好適な実施形態に従い、変換器本体は、流体の循環を容易にする輪郭形状にされている。

このような特性によって、変換器本体は、冷却室内の流体の循環に対する障害をなすことが最大限に避けられる。
本発明の特徴に従い、流体力学的抵抗を減らすために、変換器本体が少なくとも１つの方向に、流れの方向に対して垂直に首部を有する。

このような首部によって、１対の超音波変換器同士の間で流体力学的抵抗の少ない流れが可能になる。この首部は、流体流れの好適な方向に対して、垂直な方向に変換器本体の幅を縮小するか、更には変換器本体の直径を小さくすることによって形成されてよい。

超音波変換器の構成に起因する応力のために、首部は、超音波変換器の後部、すなわち熱源から離して設ける必要がある。それにもかかわらず、変換器本体を形成する材料が良好な熱伝導体である限り、首部を超音波変換器の後端の方に配置するというこの特徴は、不利な条件ではない。

本発明の有利な特徴に従い、変換器本体の表面形状は、たとえば流体との熱交換面が超音波変換器に沿って均一かつ一定の断面に対応するような表面形状の場合の熱交換面よりも、大きく形成される。

冷却流体の流れ方向に沿って、変換器本体に筋（溝）を付けることからなる特徴は、熱交換面と冷却流体への熱伝達の増加に寄与するだけでなく、変換器本体の両側で冷却流体の循環を案内することによって、循環を促進することにも寄与できる。

本発明の有利な特徴に従い、装置外枠は、超音波照射装置の後部に、基本変換器と同数の取付開口を有する。このため超音波変換器は、冷却室を貫いて取外可能に取付けられている。

この特徴によって、超音波照射装置のメンテナンスが、容易にされる。実際、超音波照
射装置は、高いインテンシティで動作する多数の基本超音波変換器を有するため、これらの超音波変換器が個々に故障する可能性があり、その場合は交換しなければならない。この特徴によって簡単で迅速な交換が可能になり、それは必ずしも熟練していない作業員によっても行なうことができる。このことによって装置全体を修理に出しやすく、または特性が劣化した装置を使用することが避けられる。

有利な実施形態において、超音波変換器と装置外枠の間の密封は、超音波変換器を装置外枠から分離し、かつ変換器変換器の形成材料と、装置外枠の形成材料との間において両形成材料で互いに異なる熱膨張を許容するフレキシブルな材料を、スペース内に配置することによって提供される。このようなフレキシブルな材料、たとえばフレキシブルな接着剤またはＯリングガスケットを受容するために調整された溝は、変換器本体および／または取付開口の周囲に設けることができる。

有利には、変換器本体は、熱伝導材料である金属と、セラミックと充填樹脂のうちから選択された材料で作られている。
上に挙げた材料は、顕著な熱伝導率を有して、基本超音波変換器の後部を通して熱を良好に除去できる。ここで特記すると、変換器本体は、導電体であってもなくてもよい。

本発明の特徴に従い、超音波変換器の電気音響要素は、圧電材料、複合圧電材料、容量型微細加工超音波変換器を含む半導体材料のうちから選択される材料で作られている。
本発明の有利な特徴に従い、超音波変換器は、冷却室の容積内で流体が均一に流れることができるように、前面において空間的に分布している。

この特徴に従い、超音波変換器の空間的分布は、冷却液が冷却スペース全体を均一に流れることができるようにするという観点で選択されている。
特別の特徴に従い、超音波照射装置の前面は、平坦な円板または湾曲した円板の形をしているため、超音波変換器は、１個の螺旋または円板の中心に合わせた複数の螺旋上に分布している。

この分布によって、螺旋条同士の間で、またはそれぞれ螺旋の間で、均一な流体の循環を保証することが可能である。
本発明の有利な特徴に従い、冷却室は、冷却流体のための少なくとも１個の冷却室入口と冷却室出口を有する。

このような特徴によって、超音波照射装置の外部にあるポンプによって、冷却流体の更新と、流体の循環の付勢とが可能になる。
本発明の好適な特徴に従い、１個以上の冷却室入口の位置と、１個以上の冷却室出口の位置とは、冷却室のスペース内で冷却流体が均一に流れることができるように、超音波変換器の分布に応じて選択されている。

この特徴によって、冷却流体の導入と排出のための超音波変換器の分布を考慮に入れると、超音波変換器と冷却流体の間の熱交換を最適化することができる。
従って好ましくは、超音波変換器が、１個の螺旋、または円板の中心に合わせた複数の螺旋の上に分布しているとき、冷却室は、螺旋と同数の冷却室入口と、円板の中心に配置された１個の冷却室出口とを含む。

より一般的に、冷却室入口または冷却室出口の数を増やすことによって、流体の循環をより良好に分布させることが可能である。この特徴によって、超音波変換器の空間的分布を最大限利用することによって、冷却流体の均一な流れを強制することが可能である。

本発明の好適な特徴に従い、冷却流体の冷却室入口の数は、冷却室出口の数よりも多い。
実際、流体を循環させるためにポンプを使用する場合、ポンプ入口の許容圧力が、ポンプ出口圧力よりも低いことを考慮すると、流体の均一な循環を提供するために冷却室出口の数を増やすよりも、冷却室内の冷却流体のための冷却室入口の数を増やすことが望ましい。この場合、複数の螺旋上の分布形態は、特に流体の均一な循環を使用するように適合されることが特記される。

本発明の有利な特徴に従い、装置外枠は、２個の基材（マトリックス）、すなわち前基材と後基材に分割されている。前基材は、超音波変換器の前端を支持し、後基材は、超音波変換器の後端を支持する。

この特徴によって、冷却室を、前基材と後基材とで互いに同じ形で簡単に形成することが可能である。超音波照射装置を組立てたときに冷却室は、前基材と後基材の間に配置される。装置の組立てを完了するために、前基材と後基材において互いに向き合うように専用に設けられた取付開口に、変換器本体を導入する。従って前基材は、音響放出側の超音波変換器の前端を支持し、後基材は、１本以上の電源ケーブルの出口で超音波変換器の後端を支持する。

有利には、前基材は、熱伝導材料で作られる。後基材は、熱絶縁材料、随意に透明材料で作られる。
これらの特徴によって、装置前面では、熱伝導基材上でエネルギーの消散を増すことが可能である。

他方、装置後部は、熱絶縁基材によって形成されるため、装置後部に配置された部品において結露、従って湿気の存在、およびまたこれらの部品を劣化させる虞がある不必要な加熱を避けることができる。

有利には、装置外枠は、冷却室内部の種々互いに異なる位置の温度を測定するための温度測定手段を備えている。
この特徴によって、冷却室に送られる流量と、流体の温度とを制御することによって、加熱が生じないことが保証される。流量と冷却流体の制御は、冷却室内で監視される温度を追跡することによって実現できる。

本発明の有利な特徴に従い、冷却室は、冷却流体の好適な経路を区画形成するために、変換器本体と同じ幅か、またはより狭く形成された、複数の変換器本体同士を接続する少なくとも１個の隔壁を有する。

従って有利には、冷却室と完全に等しい高さか、または中間の高さのみ有することができる隔壁は、複数の超音波変換器同士を接続する。この強制された好適な流体経路を生み出す特徴によって、冷却室内で制御された流体流れを確保できる。

有利には、これらの超音波変換器を分布させるために、隔壁は、共通の螺旋上に配置された超音波変換器同士を接続する。
本発明の別の有利な特徴に従い、更に装置前面と、超音波照射されるべき媒質のケーシングとを冷却するための従来のシステムを使用する目的で、冷却室を横切る流体の少なくとも１個の周縁部の外室入口管と、中央部の外室出口管とを有する。

このような従来の冷却システムは、従来のように冷却流体が循環する漏れ止めポケットを形成する外膜を、装置前面に使用する。このポケットによって、音響結合も達成できる
。

冷却室から独立したこの追加の冷却回路は、超音波変換器をそれらの前端を通して冷却するという利点を有する。これによって提供される冷却は、本発明に従う冷却室によって提供される冷却を増加させるであろう。この場合も、多数の外室入口管を周縁部に空間的に分布させることによって、超音波照射されるべき媒質に接触する外膜を、効果的かつ均一に冷却することが可能である。

本発明の有利な特徴に従い、装置前面を冷却するための従来の冷却システムを充填する間に捕捉された気泡を、急速に排気できるようにするために、装置前面に断面の大きい排気孔が設けられる。排気孔は、冷却室を横切る導管に続いている。

装置前面に存在する気泡は、実際に超音波の伝播を著しく妨害する。空気は、水よりも密度が小さく、超音波照射装置は、一般に回転シャフトが実質的に水平な位置で使用されるため、この気泡除去システムは、使用中に気泡をより容易に排出できるように、超音波照射装置の高い位置に配置されると有利である。

本発明に従い使用される流体は、水と；熱容量および／または熱伝導率つまり冷却効率を増すことができる１種類以上の添加剤を含んだ水と；重水（以上挙げた液体はこれらの液体によって要求される条件を順守した材料製の回路を流れる）と；気体（気体によって要求される条件を順守した材料製の回路において加圧下で使用される）とのうちから選択されてよい。

添加剤は、医用と両立すると有利である。
本発明に従い、装置よりも上流側に配置された冷却装置によって、流体が冷却されると有利である。

本発明の他の特徴と利点は、制限的な性格ではなく例示的な実施形態を図示した添付の図面を用いた以下の説明から明らかになる。

本発明に従う超音波照射装置の第１実施形態の斜視断面図。 本発明の好適な実施形態に従う超音波照射装置の正面図。 超音波照射装置の斜視断面図。 本発明に従う超音波照射装置で使用される基本超音波変換器の例。 別の超音波変換器の例。 更に別の超音波変換器の例。 更に別の超音波変換器の例。 本発明の有利な実施形態に従う装置の、前基材における冷却室の内面の斜視図。

図１は、本発明の第１実施形態に従う超音波照射装置１００の斜視断面図を示す。
超音波照射装置１００は、ここでは前基材１２０と後基材１４０からなり、これらの間に冷却室１３０を区画形成する装置外枠を有する。この冷却室１３０は、本発明に従い冷却室１３０を貫通する複数の基本超音波変換器としての超音波変換器１１０によって横切られている。それぞれ超音波変換器１１０は、前基材１２０に専用に設けられた取付開口１２１に滑入されるようにした前端と、後基材１４０に専用に設けられた取付開口１２１に滑入されるようにした後端とを有している。

本発明に従い、超音波照射装置１００の前基材１２０と後基材１４０を作るために種々異なる材料が使用されてよい。特に前基材１２０は、ガラスもしくはカーボンを充填した樹脂、またはアルミニウムもしくはチタンなどの金属から作られてよい。こうすることによって前基材１２０と後基材１４０の熱伝導特性、および随意に伝導特性が調節され得る。

技師または患者が前基材１２０に触れることによって、前基材１２０の形成材料が電気ショックを生成する虞があるすべての場合に放電を避けるために、前基材１２０の前面１２０’を、絶縁材料被覆で覆うことが望ましいであろう。ただし前基材１２０の形成材料が、完全な伝導体、または完全な絶縁体である場合は除く。

超音波変換器１１０の後基材１４０の形成材料が、一般に湿度と温度に敏感な電気要素と、電子要素プローブである超音波照射装置１００の後部との間の熱絶縁を提供する絶縁材料であると有利である。

後基材１４０がプラスチック製であり、この後基材１４０が光学的に特別透明に形成されることによって、冷却室１３０の目視検査を可能にすると有利である。
プローブである超音波照射装置１００が、磁気共鳴映像法に組合わせて使用される本発明の特定の実施形態において、装置外枠の形成材料も超音波変換器１１０も、磁化率の影響を生み出したり渦電流のような電磁的現象を誘発したりしないように、非強磁性材料および／または非金属材料から選択される。樹脂やセラミックは、このような場合に選好される材料である。

磁気共鳴映像法に組合わせずに使用することを意図した実施形態においては、装置外枠を形成するために、強磁性材料および／または金属材料、たとえばアルミニウムとチタンを含む軽量金属も使用できる。

図１に示された有利な実施形態に従い、前基材１２０と後基材１４０の間に区画形成された冷却室１３０は、冷却液のための冷却室入口１４１と冷却室出口１４２を有する。これによって、変換器本体１１３に接触している液体を更新し、液体流量を調節することが可能である。こうすることによって、更に冷却室１３０内を流れる流体の温度を、外部要素たとえば冷却回路によって制御できる。

更に装置外枠が、温度測定手段を種々の位置に備えていると有利である。これらの温度測定手段によって、超音波照射装置１００の加熱を追跡でき、必要ならば冷却室１３０内を流れる流体の流量または温度を調節できる。

有利には冷却室１３０は、更に冷却流体のための外室入口管１４５と外室出口管１４６によって垂直に横切られており、超音波照射装置１００の外部では、冷却流体が、図１では密封された外膜２００が存在することによって実現された外室２０１内で、前基材１２０の外面上を流れるようにした。図１では、この外室２０１は、外膜２００の内側部分と、前基材１２０の前面１２０’とによって仕切られている。外室入口管１４５と外室出口管１４６は、従来の冷却システムを使用することに対応しており、外膜２００によって区画形成された外室２０１は、従来のように外膜２００に接触する超音波照射されるべき媒質との不可欠な音響結合機能も果たす。

本発明に従い、複数の超音波変換器１１０が装置外枠に沿って分布しているため、超音波変換器１１０の前端は、前基材１２０の外面に均一な密度で分布している。この外面は、超音波照射されるべき媒質に面して配置されている。

図２は、超音波変換器１１０が複数の螺旋１２２ａ〜１２２ｈに沿って分布している、本発明に従う超音波照射装置１００の好適な実施形態を例示する。図２Ａは、このような装置の前基材１２０の外面の正面図である。図２Ｂに略示されているように、この前基材１２０は、凹状に湾曲した円板の形をしている。

この前基材１２０は、超音波変換器１１０を８個の同心の螺旋１２２ａ〜１２２ｈに沿って分布するように位置決めする取付開口１２１を有し、これらの螺旋１２２ａ〜１２２ｈの中心は、超音波照射装置１００の前面１２０’を形成する円板の中心に配置されている。

前基材１２０は、更に従来の冷却システムの外室２０１内の冷却流体のために、螺旋１２２ａ〜１２２ｈと同数の外室入口管１４５と、外室２０１からの冷却流体のための外室出口管１４６とを有している。外室出口管１４６は、円板の中心に配置されている。

有利には、前面１２０’には断面が大きい排気孔１４７が設けられ、冷却室１３０を横切る導管に続いており、超音波変換器１１０の前部、すなわち前基材１２０の前面１２０’と、外膜２００との間に位置する外室２０１を充填する間に捕捉された気泡を、急速に排気できるようになっている。前面１２０’に存在する気泡は、実際に超音波の伝播を著しく妨害する。超音波照射装置１００を使用している間、気泡除去システムは、重力について高い位置に配置されると、空気は水よりも密度が小さく、気泡をより容易に排出できるため有利である。

本発明の好適な実施形態に従い、超音波照射装置１００は、冷却室１３０内の冷却流体のための冷却室入口１４１も、螺旋１２２ａ〜１２２ｈの数と同じだけ多く有する。この場合、これらの冷却室入口１４１は、超音波照射装置１００の後基材１４０の周縁部に、図２に示す外室入口管１４５と類似の仕方でこれに近接して配置される。こうして冷却室入口１４１は、後基材１４０の周縁部に規則的な間隔で分布している。

従って、それぞれ冷却室入口１４１は、それぞれ螺旋条としての螺旋１２２ｉと螺旋１２２ｉ＋１との間の間隔に、冷却流体を供給するようになっている。この場合、冷却流体は、超音波照射装置１００の後基材１４０の中心に配置された冷却室出口１４２によって吸い上げられる。

絶対的には、これらの冷却室入口１４１と冷却室出口１４２は、逆に配置されてもよい。それにもかかわらず、本発明に従う超音波照射装置１００と一緒に使用されるようなポンプの吸込み挙動の故に、冷却流体のための一つの冷却室出口１４２を有することが好ましい。

実際に冷却室入口１４１が円板の中心に配置されたとすると、８個の螺旋１２２ａ〜１２２ｈ全体にわたって適切に流体が分布することを確保するのは、困難であろう。つまり吐出圧力は、８個の螺旋１２２ａ〜１２２ｈの間に区画形成された経路に均等に分布させることを確保できず、また吸込みによる強い圧力損失のため、この問題を修正することはできないであろう。従って冷却流体の好適な経路は、８個の冷却室出口１４２のノズルによって液体を吸い上げるよりも、８個の冷却室入口１４１のノズルによって液体を冷却室１３０内部に押し出すことによって、より容易に達成される。

流体力学に関する同様の所見は、超音波照射装置１００の中心に設けられた唯一の外室出口管１４６と、超音波照射装置１００の周縁部に分布する、従来の冷却システムの外室２０１内の流体に対する複数の外室入口管１４５にも該当する。

超音波変換器１１０が、螺旋１２２ａ〜１２２ｈ上に分布していることによって、超音波照射装置１００は、螺旋１２２ａ〜１２２ｈと同数の冷却室入口１４１を備え、これらの冷却室入口１４１は、螺旋１２２ａ〜１２２ｈのそれぞれ周端に配置されている。このような特徴に関連することによって、冷却室１３０の内部スペース全体における冷却流体の均一な流れと、それぞれ超音波変換器１１０との熱交換が提供される。

特筆に値するのは、超音波変換器１１０が１個以上の螺旋１２２ａ〜１２２ｈに沿って分布されることによって、本発明に従う超音波変換器１１０の適切な冷却だけでなく、非常に良好な音響効率も可能になるということであり、これも同様に出願者によって保護される。

図３Ａ〜図３Ｄは、本発明に従う超音波照射装置１００で使用されることを意図した超音波変換器１１０の例を示す。
ここに示されたすべての超音波変換器１１０は、前端に電気音響要素１１１を有し、有利には４分の１波長板１１２と、電気音響要素１１１の表面に対して垂直な方向で長手方向に延びる円筒断面の変換器本体１１３とを備えている。電気音響要素１１１は、超音波照射装置１００の動作に有用な音響放出を生成する。それぞれ超音波変換器１１０の後部には、電源ケーブルの出口用の機構が設けられている。

図３Ａは、本発明に従う装置で使用される超音波変換器１１０の最も単純な実施形態を例示する。この超音波変換器１１０は、均一な円断面の変換器本体１１３を有する。
本発明に従い、冷却流体への最大の熱伝達を達成するために、変換器本体１１３を形成する材料を熱特性に従って選択することが重要である。それゆえこのような材料は、高い熱伝導率と大きい熱容量を有することになろう。

図３Ｂに例示された本発明の好適な実施形態に従い、超音波変換器１１０は、超音波変換器１１０の長手方向本体である変換器本体１１３の直径を縮小することによって形成された首部１１４を有する。

図３Ｂでは、首部１１４が変換器本体１１３の後部位置に設けられているのが見られる。この特徴は、超音波変換器１１０の構造に関する条件に適合している。それにもかかわらず、首部１１４は、熱源である電気音響要素１１１にできるだけ近づけて作製するのは有利であろう。

図３Ｃは、本発明に従う超音波変換器１１０の他の実施形態を示している。この実施形態に従い、超音波変換器１１０は、超音波変換器１１０に沿った流体の流れの好適な方向で体積が縮小されている。この流れの方向は、それぞれ超音波変換器１１０を流体の流れに対して適切な位置と向きに配置できるためにそれぞれ超音波変換器１１０で知られていなければならない。このことは超音波照射装置１００の組立について高い精度を要求するが、首部１１４における熱交換面を最適化し、圧力損失を制限できる。

超音波変換器１１０の配向を容易にするために、そのような変換器本体１１３と後基材１４０に設ける取付開口１２１が非円形断面となるようにすると有利であろう。この断面は、たとえば楕円形断面であってよく、この楕円形の主軸の向きは、首部１１４が設けられた方向に対して相対的に知られている。この場合、冷却室１３０内に設けられた流体の流れに対して相対的に向けられた取付開口１２１に超音波変換器１１０の後端が進入するように、超音波変換器１１０を配置すれば十分である。他方、図３Ｄに示されている実施形態では、超音波変換器１１０の後端は、円形である。それにもかかわらず本発明において他の配向手段、たとえば首部１１４の方向に対する垂直線に整列させた、すなわち冷却流体の予想される流れの方向に整列させた、線または切欠きを使用できる。

図３Ｃでは、冷却室１３０内に存在するように意図された変換器本体１１３の全体が縮小された。これが有利な理由は、こうすることによって冷却流体との熱交換面が比例して増すからである。

加えてこの図３Ｃでは、冷却流体との熱交換面を増すために首部１１４の表面にマイクロ溝が設けられている。このようなマイクロ溝またはミリ溝は、本発明に従って使用することが意図されている超音波変換器１１０のいかなる型の首部１１４にも実施できることが有利である。

図２Ｂに略示された好適な実施形態において、前基材１２０の前面１２０’は、外面が凹状に湾曲した円板の形をした表面であるため、超音波変換器１１０は、冷却室１３０内で「ファンアウト」として整えられている。この場合、超音波変換器１１０それぞれの前端同士は、後端同士よりも互いに接近している。それぞれ超音波変換器１１０は、首部１１４を熱源にできるだけ近づけて、すなわち超音波変換器１１０の前端に近づけて配置することが有利である。それにもかかわらず、変換器本体１１３は、熱伝導材料で作られているため、図３Ｂに従う超音波変換器１１０を使用することが可能である。この場合、超音波変換器１１０の後端に向かって位置決めされた首部１１４は、ファンアウトされた超音波変換器１１０が、冷却室１３０内で互いに最も遠く離れているレベルに配置される。このような首部１１４によって、流体の流れは、超音波変換器１１０の前端に向かって設けられた同一の首部１１４と比較して、流体力学的抵抗が減少する。このことは、首部１１４が熱源から離れて位置決めされた場合でも有利である。

実際、流れの中に置かれた障害物によって発生する流体力学的抵抗は、距離の４乗に比例することが知られている。同様に、超音波変換器１１０の間の距離が１ｍｍのオーダーであるならば、障害物の前と後ろでは、２バール（２×１０^−５Ｐａ）のオーダーの差圧が観察されるのに対し、距離が２ｍｍ〜３ｍｍに増えると、差圧は、１バール（１０^−５Ｐａ）未満、一般的には０．１バール（０．１×１０^−５Ｐａ）のオーダーの圧力に減少する。

図１に示す本発明に従う超音波照射装置１００におけるように、超音波変換器１１０同士の間の距離は、首部１１４を形成しなければ全体に１ｍｍのオーダーであるが、流体の流れを容易にする首部１１４を用いることによって、超音波変換器１１０同士を２ｍｍ〜３ｍｍの距離で明確に互いに分離させることが可能である。この距離は、超音波変換器１１０の後端で流体の流れを効率的に増すのに十分である。図２Ｂに示されているように、複数の超音波変換器１１０がファンアウト配置されている場合に、首部１１４が超音波変換器１１０の後端に形成されているならば、この利点は実質的に少ない。

上記のことを考慮すると、冷却室１３０内に配置することを意図した変換器本体１１３の全体にわたって首部１１４を有する超音波変換器１１０を用いることは、可能なときには最も有利な選択肢であることが理解される。

本発明に従う装置に使用することを意図した超音波変換器１１０の特定の実施形態において、変換器本体１１３の形は、超音波変換器１１０同士の互いに対する相対的な配置に適合されている。ファンアウト配置された超音波変換器１１０の場合、それぞれ変換器本体１１３は、特に円錐形であってよい。

図４に示す本発明の特定の特徴に従い、前基材１２０と後基材１４０のうちの少なくとも１つ、ここでは冷却室１３０の内側から見た前基材１２０は、超音波変換器１１０が取付開口１２１内に導入されたときに超音波変換器１１０同士を互いに接続できる隔壁１２
３を備えている。これらの隔壁１２３によって、流体を超音波変換器１１０同士の間で１個以上の好適な経路に沿って完全に案内することによって、冷却流体の制御された流れを確保することが可能である。図４では、好適な経路は、超音波変換器１１０が分布している螺旋１２２ａ〜１２２ｈの間を通る経路である。

冷却流体の選択に関しては、特に衛生上の観点から、とりわけ事故で漏れが生じたときの衛生と安全上の条件に関して、本発明に従う超音波照射装置１００の使用のための意図された用途と両立し得るならば、顕著な熱容量を有するいかなる流体も適している。

使用できる一連の冷却流体のうち例を挙げるならば、水、好ましくは医用と両立し得る添加剤を含んだ水、重水、気体（前記気体によって要求される条件を順守した材料製の回路において加圧下で使用される）などである。

それにもかかわらず、本発明に従う超音波照射装置１００の容易な使用を可能にするためには、液体を低い圧力で使用できることが一般的に望ましい。
追記すると、この超音波照射装置１００を、磁気共鳴法を用いる撮像システムに組合わせて水中の水素結合の共鳴周波数で使用すると、水を冷却流体として使用することが問題を引き起こす。この場合、水は、実際に映像に悪影響を及ぼす原因となる。

特定の媒質、特に生体有機媒質の撮像に関して言えば、他の使用できる共鳴周波数はない。したがってそのような媒質に超音波照射装置１００を使用することが所望される場合は、冷却流体は、水の共鳴周波数で共鳴できる分子結合を有しないことが望ましい。

この場合、酸素に結合した陽子を含まない液体が使用される。従って、重水素の磁気共鳴周波数は、水素の磁気共鳴周波数とは著しく異なるため、重水を冷却流体として使用することが考慮され得る。

最後に注記すれば、以下の特許請求項に記載されているように、本発明の原理に従い種々の使用が達成され得る。

Claims (21)

1. 複数の基本超音波変換器としての超音波変換器（１１０）を有する超音波照射装置（１００）であって、
   前記超音波変換器（１１０）は、電気音響要素（１１１）を有し、
   複数の前記超音波変換器（１１０）は、前記超音波照射装置（１００）の装置外枠（１２０、１４０）上に分布し、前記電気音響要素（１１１）は、前記超音波照射装置（１００）の前面である装置前面（１２０’）の第１側において分布し、前記装置前面（１２０’）は、超音波照射される媒質に前記装置前面（１２０’）の前記第１側で面するように少なくとも２次元に広がり、
   それぞれ前記超音波変換器（１１０）は、熱伝導材料製で長手方向に延びる変換器本体（１１３）を有し、前記変換器本体（１１３）の前端に、電気音響要素（１１１）が配置され、
   前記装置外枠（１２０、１４０）は、前記装置前面（１２０’）の第２側に配置されるように密封された冷却室（１３０）を有し、
   前記冷却室（１３０）は、前記変換器本体（１１３）によって横切られ、かつ前記変換器本体（１１３）を冷却するように冷却流体の流れによって貫流されるように構成されている
   ことを特徴とする、超音波照射装置。
2. 前記変換器本体（１１３）は、前記冷却流体の循環を容易にする輪郭形状にされている、
   請求項１記載の超音波照射装置。
3. 前記変換器本体（１１３）は、前記冷却流体の流体力学的抵抗を減らすために、前記冷却流体の流れに対して垂直な方向にくびれる首部（１１４）を有する、
   請求項２記載の超音波照射装置。
4. 前記変換器本体（１１３）の表面形状の、前記冷却流体との熱交換面は、前記超音波変換器（１１０）に沿って均一で一定の断面に対応するような場合の表面形状の熱交換面よりも大きい、
   請求項１〜３何れか一項記載の超音波照射装置。
5. 前記装置外枠（１２０、１４０）が、前記超音波照射装置（１００）の後部に、前記超音波変換器（１１０）と同数の取付開口（１２１）を有することによって、
   前記超音波変換器（１１０）は、前記冷却室（１３０）を貫いて取外可能に取付けられている、
   請求項１〜４何れか一項記載の超音波照射装置。
6. 前記変換器本体（１１３）は、熱伝導材料である金属とセラミックと充填樹脂のうちから選択された材料で作られている、
   請求項１〜５何れか一項記載の超音波照射装置。
7. 前記超音波変換器（１１０）は、前記冷却室（１３０）のスペース内で前記冷却流体が均一に流れることができるように、前記装置前面（１２０’）に空間的に分布している、
   請求項１〜６何れか一項記載の超音波照射装置。
8. 前記装置前面（１２０’）が、平坦な円板または湾曲した円板の形をしているため、
   前記超音波変換器（１１０）は、１個の螺旋（１２２）、または円板の中心に合わせた複数の螺旋（１２２ａ〜１２２ｈ）上に分布している、
   請求項７記載の超音波照射装置。
9. 前記冷却室（１３０）は、前記冷却流体のための少なくとも１個の冷却室入口（１４１）と、冷却室出口（１４２）とを有する、
   請求項１〜８何れか一項記載の超音波照射装置。
10. 前記冷却室入口（１４１）の位置と、前記冷却室出口（１４２）の位置とは、前記冷却室（１３０）のスペース内で前記冷却流体が均一に流れることができるように前記超音波変換器（１１０）の分布に応じて選択されている、
    請求項９記載の超音波照射装置。
11. 前記冷却室（１３０）は、
    複数の前記螺旋（１２２ｉ、ｉ＝ａ〜ｈ）の数と同数の、複数の冷却室入口（１４１）と；
    円板の中心に配置された１個の冷却室出口（１４２）と
    を有する、
    請求項８記載の超音波照射装置。
12. 複数の前記冷却室入口（１４１）の数は、前記冷却室出口（１４２）の数よりも多い、
    請求項９〜１１何れか一項記載の超音波照射装置。
13. 前記装置外枠は、２個の基材、すなわち前基材（１２０）と後基材（１４０）に分割され、
    前記前基材（１２０）は、前記超音波変換器（１１０）の前端を支持し、
    前記後基材（１４０）は、前記超音波変換器（１１０）の後端を支持する、
    請求項１〜１２何れか一項記載の超音波照射装置。
14. 前記前基材（１２０）は、熱伝導材料製であり、
    前記後基材（１４０）は、熱絶縁材料製である、
    請求項１３記載の超音波照射装置。
15. 前記装置外枠は、前記冷却室（１３０）内部の種々異なる位置の温度を測定する温度測定手段を備える、
    請求項１〜１４何れか一項記載の超音波照射装置。
16. 前記冷却室（１３０）は、前記冷却流体の好適な経路を区画形成するために、前記変換器本体（１１３）と同じ幅かまたはより狭い少なくとも１個の隔壁（１２３）を有する、
    請求項１〜１５何れか一項記載の超音波照射装置。
17. 前記隔壁（１２３）は、共通の螺旋（１２２ｉ）上に配置された複数の前記超音波変換器（１１０）同士を接続する、
    請求項１６記載の超音波照射装置。
18. 前記超音波照射装置（１１０）は更に、超音波照射されるべき媒質のケーシングと前記装置前面（１２０’）とを冷却するための従来の冷却システムを使用する目的で、前記冷却室（１３０）を横切る前記冷却流体のための外室入口管（１４５）と外室出口管（１４６）を有する、
    請求項１〜１７何れか一項記載の超音波照射装置。
19. 前記装置前面（１２０’）には、前記装置前面（１２０’）を冷却する従来の冷却システム（２０１）を充填する間に捕捉された気泡を急速排気するための排気孔（１４７）が形成され、
    前記排気孔（１４７）は、前記冷却室（１３０）を横切る導管に続く、
    請求項１〜１８何れか一項記載の超音波照射装置。
20. 前記冷却流体は、
    水と；
    熱容量と熱伝導率を増すことができる１種類以上の添加剤を含んだ水と；
    重水と；および
    気体と
    のうちから選択され、
    以上挙げた液体は、前記液体によって要求される条件を順守した材料製の回路を流れ、
    前記気体は、前記気体によって要求される条件を順守した材料製の回路において加圧下で使用される、
    請求項１〜１９何れか一項記載の超音波照射装置。
21. 前記冷却流体は、前記超音波照射装置（１００）よりも上流に配置された冷却装置によって冷却される、
    請求項１〜２０何れか一項記載の超音波照射装置。

Images