JP5577007B2 - 内視鏡電子部品用冷却手段 - Google Patents

Description

本発明は、発熱電子部品のための冷却手段に関する。

感光センサ、発光ダイオード（ＬＥＤ）などの電子部品は、たとえば内視鏡などの医療機器において使用が増加している。通常、内視鏡はその先端に感光性マイクロチップ形式の視覚手段、上流に配置された光学的手段および照明手段を有している。特に、このような機器において、照明手段および体温自体によって生じた熱を適当な冷却手段によって補償する必要があり、または感光性電子部品を過加熱から適当な断熱材によって保護する必要がある。

したがって、特許文献１から、照明手段、光学的手段および画像検出手段を備え、先端面に配置された発光要素および内視鏡光学素子の後方に配置された集積型画像形成手段を含む、体腔内の診断および治療目的に適した内視鏡のための内視鏡ヘッドが公知である。さらに前記先行技術によると、冷却液を通過させるための冷却手段が設けられ、該冷却液は画像形成手段によって通過する。このようにして、全体的に画質を改善するために、感熱性画像検出手段が過熱から保護される。

しかしながら、この種の内視鏡ヘッドの全体的な機能に関して、画像形成手段自体の冷却は不充分であることが判明した。冒頭ですでに説明したように、このような内視鏡ヘッドは、適切な場合には、熱力学負荷にさらしてはならない、または小さな熱力学負荷のみにさらしてもよい複数の電子的および水圧／空気圧手段を装備している。特に内視鏡光学素子の焦点調整装置はとりわけ感熱性があり、温度上昇時には光学要素の最適な調整はもはや可能ではない。

この問題を解決するために、特許文献２から、電子部品のための冷却手段を同様に使用する一方向型の内視鏡が知られている。しかしながら、この冷却手段はＬＥＤに関連している。換言すれば、ＬＥＤは、光学素子およびスプレー手段など内視鏡特有の他の部品も収容される内視鏡の前面キャップに嵌合することが可能なように形成される冷却手段の一部として設計されている。

このために、前記冷却手段は、ＬＥＤ用の差込式接続部が集積される半円筒形のカラーの形状であり、その端面にＬＥＤを受け取るための取付部を示している。さらに、これによってレンズシステムならびに感光性センサを含む光学素子全体が、冷却手段によって包囲され、したがってＬＥＤに対して熱から遮断されている。

しかしながら本発明の発明者は、前記冷却手段の特別な設計が、いずれにせよ内視鏡において著しく制限されている構造空間をさらに減少させることを見出した。さらに前記先行技術によるＬＥＤは、冷却するにもかかわらず、配置によっては検査される体腔の組織と接触することがあり、熱傷を生じる可能性もある。

独国特許出願公開第１９６２６４３３号明細書 米国特許出願公開第２００５／００７５５３８号明細書

したがって、本発明の目的は、特に医療機器において使用される高い効率性を特徴とする電子部品のための、また組織の損傷の回避するための一般的な冷却手段を提供することである。

叙上の本発明の目的は、添付の請求項１による特徴を備える一般的な冷却手段により達成される。

先行技術とは対照的に、本発明の核心は実質的に熱負荷に対して電子手段の感熱部品を保護することにあるのではなく、熱の発生場所で熱エネルギーを破壊することにある。これに関連して、冷却手段は冷却される電気部品に対して、特に内視鏡の場合には、つまり内視鏡の方向に見て発熱電気部品の後方に、あるいは発熱電気部品を支持するプリント基板の裏面にまだ充分な構造空間がある方向に配置されることが重要である。

本発明によると、内視鏡に取り付ける際に、内視鏡の先端を形成するキャップ内に内視鏡特有の光学素子であるＬＥＤなどの照明手段を収容することが提供され、一方で、偏向部と称される、いわゆる内視鏡軸の湾曲可能な部分の上流に構造的にキャップとは別に冷却手段が配置される。

照明手段は、内視鏡キャップの下部端を形成するプリント基板上に従来の方法でハンダ付けされ、また好ましくはその下側に接触面を含む。さらに、照明手段のハンダ付けピンチおよび／またはさらなる接触ピンが、プリント基板の下側から好ましくは突出する。

冷却手段は、好ましくは偏向部の最も外側の端面を形成し、また第１熱交換器が配設され、内視鏡の取り付け時にプリント基板と熱接触する熱伝導カバーをその下側に有する。

さらに本発明による冷却手段は、冷却液ポンプを構成する冷却回路、発熱電子部品において熱エネルギーを吸収および排出するための第１熱交換器、吸収された熱エネルギーを空気中に排出するための第２熱交換器、および発熱電子部品により排出された熱量を検出するための熱エネルギー検出ユニットと検出された熱エネルギーに応じて流量を調整するための調整ユニットを構成する制御手段とを配設し、これによって所定温度の場合に発生熱量と排出熱量とのあいだの平衡がもたらされる。

最終的に本発明によると、内視鏡のキャップに収容される好ましくはＬＥＤである照明手段の各々を、好ましくは放物状の縦断面を有するゴブレット形状のリフレクタに挿入し、該リフレクタは、その上に照明手段が配置されるキャップの後部プレートを形成するプリント基板とキャップの前方側とのあいだの距離を架橋する。

本発明のさらなる有利な構成は他の従属請求項の主題である。

以下、本発明を添付図面を参照して好ましい実施の態様により詳細に説明する。

図１の基本構成図によると、本発明の冷却手段は、たとえば好ましくはＬＥＤである照明手段などの発熱電子部品を冷却するための冷却回路と現在発生した熱量の関数として流量を調整するための制御手段とを備える。これの代替手段として、特定の部品および予期される対応する作動状態に対する発熱量を事前に決定し、予想された推定の発熱量に基づく冷却液の吐出量（供給速度）を事前調整することも可能である。

本発明による冷却回路は、供給ポンプ１、供給通路を通り該供給ポンプ１に流体接続されている第１熱交換器ＷＴ１、ならびに該第１熱交換器ＷＴ１および供給ポンプ１に流体接続されている第２熱交換器ＷＴ２からなる（閉回路）。これの代替手段として、第２熱交換器ＷＴ２を省略し、その代わりに使用済みの、つまり加熱された冷却液を直接排出することも可能である（開回路）。

図１の基本図からさらに理解できるように、第１熱交換器ＷＴ１は、電気プリント基板（ＰＣＢ）３上にハンダ付け／差し込まれる、たとえばＬＥＤやパワートランジスタなどの照明手段などの発熱電子部品２の領域に直接配設される。

試験は、ＬＥＤなどの電子部品２により発生した熱エネルギーの最大８０％までが電気的接続ピンチ４を経由して好ましくはプリント基板３に伝達されることを実証した。このため、熱交換器ＷＴ１をプリント基板３の下方にある発熱電子部品２の導電ピンチ４のハンダ付けされた点の領域に配置することが特に効果的であることが判明した。

図３に発熱電子部品２の下方の熱交換器ＷＴ１の基本構成が示されている。

図３によると、プリント基板３はその下方に冷却チャンバ６を形成する基部部材５上に支持されている。

図３に拡大されてさらに示されるように、電子部品２の接続ピンチ４は部分的に冷却チャンバ６内に突出し、これによって冷却チャンバ６を通る熱交換器ＷＴ１に熱を排出する。図３において、熱交換器ＷＴ１は閉構造中の冷却コイルとして示されている。しかしながら、冷却チャンバ６をプリント基板２自身によってあるいはプリント基板に接触される熱伝達板によって密閉し、冷却液を開構造中の冷却チャンバ６に直接案内することも可能である。

図３によると電子部品２は、じょうご形状の好ましくはアルミニウム製のリフレクタ７によって取り囲まれる、好ましくはＬＥＤである照明手段の形状をしており、これによって光効率が増進する。周知のとおり、アルミニウムは優れた熱伝導体である。

上記ですでに述べたように、少なくとも２０％の総発熱量が電子部品２自身を介して周囲に伝達されるため、リフレクタ７が加熱される可能性がある。このため、任意的に熱交換器ＷＴ１をさらにリフレクタ７の周りに少なくとも部分的に導き、そこに吸収された熱量を通過する冷却液を介して排出することも可能である。

電子部品のための本冷却手段は、特に内視鏡などの医療機器において好ましくは使用される。通常、内視鏡は複数の電気部品、光学部品ならびに水圧部品が緊密に配置され、その結果、機械的ならびに熱力学的に相互に影響する。最近では内視鏡は、その上流に光学手段が配設される感光性マイクロチップが装備され、視覚画像信号がラインシステムを経由してコンピュータに送信される。この種の感光性マイクロチップおよびその上流に配置された光学手段はきわめて感熱性があり、したがって、特に体腔内での使用時には過熱に対して保護されなければならない。

最適な画像信号を得るためには前記ＬＥＤの形状の照明手段がさらに必要であり、これは高い光効率であるにもかかわらず、相当な熱エネルギーを発生する。さらに、電気エネルギーおよび／または水圧／空気圧流体を有する内視鏡ヘッドの供給は、狭い空間のために一般的に問題を示す。つまり、供給通路および排出通路の直径は任意の大きさに設計できず、妥協なしに利用可能な空間に適合されなければならない。

このため本発明により、ＬＥＤなどの電気部品２によって発生した熱量を検出し、検出された熱量に対して発熱電気部品２を冷却するために必要な冷却液の量を適合することが提供される。このように手段全体の最適効率が達成され、ポンプ１のエネルギー消費および冷却回路の流体通路の断面がそれぞれ最適化される。

図１によると、このために、その現在の検出値が演算器（ＣＰＵ）に供給され、発熱電気部品２に供給される電圧計８および電流計９から構成される電気測定回路が配設される。

ＣＰＵには、電圧、電流および熱エネルギーに関する部品に特有な数値表が格納されている。このような表は、各々の特有の部品に対する分析によって事前に作成可能である。換言すれば、特定の電流電圧比の場合、電気部品は表によって検出可能な所定の熱エネルギーを発生する。ＣＰＵは、測定された電流／電圧値から得られた熱エネルギーとポンプ１を通る冷却液の現在の排出速度とを比較して、適切に排出速度を制御する。

換言すれば、所定の通路断面および熱交換器に対する特定の熱量が分析により決定され、ポンプ１の所定の容量の場合に最大限に排出可能である。したがって、ポンプ１の容量および該ポンプによってくみ上げられた冷却液の量が、それぞれの電気部品によって発生する算出された熱量を吸収するためにちょうど足りるように、ＣＰＵはポンプ１を制御する。

代替手段または選択肢として、ポンプ１の下流に制御可能なポンプ１の代わりにおよび／またはポンプ１に加えて、制御可能な絞り弁１０を配置し、算出された熱エネルギーに対応する冷却液の容量を制御することも当然可能である。また、所定の発熱エネルギーを超えたとき、特に冷却手段の最大冷却能力が不充分になったとき、電気部品２に供給される電気エネルギーを減少することも可能である。

図１にさらに示されるように、図示された電気制御回路に加えてまたは電気制御回路の代わりに、発熱電気部品２の周辺に直接配置され、現在の温度値をＣＰＵに入力する熱センサ１１が配設されてもよい。制御可能ポンプ１および／またはポンプの下流に配置された制御バルブ１０は、ＣＰＵの制御ユニットＥ１によって適切に制御される。

図２において、特にプリント基板３および第１熱交換器ＷＴ１の領域での本発明による冷却装置の構造設計の第一例が示されている。この手段は、詳細には示されない内視鏡の先端部の領域に好ましくは使用される。

図２によると、図中に示されたプリント基板３は結果的に目盛円盤形状を有しており、この場合は３つの発光ダイオード（ＬＥＤ）を支持している。プリント基板３は基部要素１２に接着され、その外形はプリント基板３の形状に適合している、つまり同様に目盛円盤形状である。

基部要素１２は、プリント基板３が基部要素１２に接着される際に、プリント基板３によって該基部要素１２の上側で閉じられた槽状の凹所１３を形成する。該槽状の凹所１３内部には、図２では３つの熱コイルによって示された熱交換器ＷＴ１が収容されている。最後に、それを経由してプリント基板３が電気エネルギーを供給され、熱交換器ＷＴ１が冷却液を供給される端部側に配置された２つの接続要素（ねじ、スタブなど）１４が、基部要素１２の下側のプリント基板３の反対側に配設される。

最終的に概説すると、機能に関しては、図２の基部要素１２は図３の基部５に対応する。したがって、槽状の凹所１３を密閉するように、また冷却液で直接満たすように設計することが基本的に可能である。内視鏡に取り付ける際は、照明手段／照明手段に固定されたプリント基板を含む基部要素１２は、内視鏡の先端を形成するキャップの下方に偏向されて配置され、ここでは図３に示されたリフレクタ７は、さらに詳細には示されていないキャップの前面において照明部材と光発現端とのあいだの距離を架橋する。

これによって、光学手段、流体通路、噴霧手段などを受領するキャップ内部の制限された空間がさらに狭くなることがなく、他方では、これによって照明手段が検査される体腔の周辺組織に接近し過ぎること、あるいは組織に接触して熱傷を生じることが回避される。

図４に本発明の第２の好ましい実施の態様が示される。

冷却手段は、コップまたは椀の形状を有する内視鏡軸の湾曲可能なアダプタ２１の端部プレート２０（以後偏向部と称する）を形成する。コップ２０は、該コップのパイプ形状またはノズル形状の突出部２３が挿入される中央貫通孔２２を有する。これによって、冷却手段の冷却チャンバ２４を構成する環状溝が形成される。

コップ形状の端部プレート２０の開口前部は、熱伝導材から構成される円環板またはカバープレート２５によって被覆される。端部プレート２０の下側は、水圧／空気圧作動送風機、圧電要素、走行／圧力ケーブルなど、先行技術から公知である偏向部の作動要素２６のための停止面を形成する。さらに、電気ケーブル２８を経由して制御ユニット（詳細に図示せず）に接続された多数の電気差込式接続部２７が、端部プレート２０に形成されている。

さらに、端部プレート２０はその外側前方部に内視鏡の端部キャップ２９のための端子を形成する。ここでは、この端子は、端部プレート２０の縁部に配置され、そこから軸方向延びる突起またはブラケット３０の形状の多数のロック要素（クリップ）を構成する。各々のブラケット３０は、対応するキャップ側の切込み３２に係止することによって係合するように適合された停止留め具３１をその端部側に含む。

端部キャップ２９には、複数の部品、たとえばレンズシステム３４および感光センサ３５を構成する光学手段３３、好ましくはＬＥＤである照明手段３６、医療機器を通過させるための中央貫通路などが配設されている。

図４に示されているように、少なくとも照明手段３６が、端部キャップ２９の下部カバーを形成するプリント基板３８上に配置されている。キャップ２９を偏向部の端部プレート２０に取り付ける際に、端部プレートの電気差込式接続部２７（ソケット）に押し込まれる多数の接続ピン３９は、プリント基板３８の下側から突出している。端部キャップ２９の忠実な大きさの取り付けになるように、コップ形状の端部プレートの中央のノズル形状の突出部２３は、熱伝導カバープレート２５から軸方向に突出し、端部キャップ２９の操作通路３７にセンタリング補助具として嵌合するように適合される。端部キャップ２９は、その下面において、特にプリント基板３８の下側の上方を偏向部の端部プレート２０上に設置され、ロック要素３０の保持力に加えて、たとえば糊付けなどで固定される。取り付け位置において、熱伝導カバープレート２５は照明手段を支持するプリント基板３８の下部側に隣接し、このためプリント基板３８と端部プレートとのあいだでの熱伝達が可能となる。

図４によると、少なくとも２つのさらなる流体通路４０、４１が偏向部を通って案内され、そのうち通路４０は冷却チャンバに流体接続された供給通路を形成し、他方の通路４１は排出通路を形成する。

上記の設計の代替として、図４の第２の実施の態様においてカバープレート２５を省略し、代わりにキャップ２９を端部プレート２０に取り付ける際に、プリント基板３８が開口設計された冷却チャンバ２４を直接被覆することも可能である。後者の場合、環状のシール（詳細には図示せず）を端部プレート２０の周囲表面ならびにコップ形状の端部プレート２０の中央突起２３の前方側に配設することが可能であり、ここでは端部キャップ２９を偏向部２１に取り付ける際、環状シールは端部キャップ２９の前方側およびキャップ２９の中央操作通路３７の波形段部４２に接触し、冷却チャンバ２４を放射状に密閉する。

最終的に図４において、リフレクタ５０は独立して考慮される発明の主題として示されている。

以上で説明したように、照明手段３６を軸方向に後退させることにより、および冷却手段を端部キャップ２９から該端部キャップのすぐ後方に配置された偏向部２１に移動することにより、内視鏡の端部キャップ２９内部には他の必要な部品のための充分な空間が残される。さらに、照明手段３６の周辺組織への直接的な接触が回避される。周囲への充分な照明を保証するために、好ましくはＬＥＤの形式の照明手段３６とキャップ２９中のペイン／窓４３によって閉じられる光発現縁とのあいだには、好ましくは縦断面において放物状であるゴブレット形状のリフレクタ５０が配置される。前記ゴブレットは、さらに好ましくはプリント基板をキャップ２９に取り付ける際にプリント基板３８に固定され、キャップに挿入される。

ゴブレット形状のリフレクタ５０は、内部を銀メッキされたプラスチック材または（研磨および／または銀メッキされた）アルミニウムから構成可能である。代替手段として、リフレクタ５０の代わりに、ガラス体または好ましくは周囲面を銀メッキされた異なる光伝導性体の形式の光導体を使用することも可能である。

本発明の第１の好ましい実施の態様による本発明の冷却手段の基本構成図である。 図１の本発明による冷却手段の一部である電子プリント基板の基本構成図である。 図２の電子プリント基板および冷却手段の基本側面図である。 本発明の第２の好ましい実施の態様による冷却手段からなる内視鏡の遠位端部の基本側面図である。

符号の説明

１ 供給ポンプ
２ 発熱電子部品
３、３８ プリント基板
４ 導通ピンチ
６ 冷却チャンバ
７、５０ リフレクタ
８ 電圧計
９ 電流計
１０ 絞り弁
１１ 熱センサ
１２ 基部要素
１３ 凹所
１４ 接続要素
２０ 端部プレート（コップ）
２１ アダプタ
２２ 中央貫通孔
２３ 突出部
２４ 冷却チャンバ
２５ カバープレート
２６ 作動要素
２７ 接続部
２８ 電気ケーブル
２９ 端部キャップ
３０ ブラケット（ロック要素）
３１ 留め具
３２ 切込み
３３ 光学手段
３４ レンズシステム
３５ 感光センサ
３６ 照明手段
３７ 操作通路
４３ 窓

Claims (12)

1. 少なくとも電気基板上に取り付けられた照明手段およびレンズシステムおよび感光センサを含む光学手段を収容する端部キャップを含み、前記基板は、前記端部キャップの軸方向下方の密封カバーを形成し、前記端部キャップが内視鏡軸の手動により湾曲可能なアダプタの前部に取り付けられ、照明手段である前記キャップ内部の電気部品を冷却するための冷却手段を含む内視鏡であって、
   前記冷却手段が湾曲可能なアダプタの一部であって、前記端部キャップをアダプタ上に配置することにより、該冷却手段が、冷却される電気部品または電気部品に接続された架橋部と熱接触され、
   前記冷却手段は、
   冷却液を供給する冷却回路と、
   冷却チャンバと、
   を含み、
   前記冷却回路と前記冷却チャンバが前記湾曲可能なアダプタの一部を形成し、前記冷却回路と前記冷却チャンバは前記端部キャップの先端から軸方向に引き離されており、
   前記冷却チャンバの軸方向上方の密封カバーは、少なくとも前記電気基板あるいは前記電気基板に隣接する軸方向上方のカバープレートのうちの１つにより形成され、
   前記冷却チャンバは、前記冷却液が該冷却チャンバを通して供給され、前記アダプタ上に前記キャップを配置するように、前記電気基板あるいは軸方向上方のカバープレートによって流体密封され、前記冷却手段が、冷却される前記電気部品または該電気部品に接続された架橋部と直接熱接触される内視鏡。
2. 前記冷却手段が前記アダプタの端部プレートを形成し、該端部プレートは冷却チャンバを有し、前記端部プレートでは、熱交換器が収容されるか、冷却チャンバが湾曲可能なアダプタ内部の供給および排出パイプを経由して供給される冷却液で充填される請求項１記載の内視鏡。
3. 前記電気部品が、前記キャップの下部密閉カバーを形成するプリント基板上に取り付けられ、その下側において前記湾曲可能なアダプタの端部プレートまたはその部品と接触され得る隣接面を構成する請求項２記載の内視鏡。
4. 前記端部プレートが、パイプ形状の中央突出部を有するコップ形状であって、これにより熱伝導材料製のカバープレートによって端部プレートの前方側にて閉じられる環状溝が形成される請求項２記載の内視鏡。
5. 縦断面にゴブレット形状であるリフレクタあるいはガラスまたは透明プラスチック材料製の光伝導体が、照明手段とキャップの前方側の光発現開口とのあいだの距離を架橋するために配設される請求項１記載の内視鏡。
6. 前記冷却手段が、
   冷却液送出ユニットを含む冷却回路、
   発熱電子部品において熱エネルギーを吸収および排出するための第１熱交換器、および
   所定温度において発生熱量と排出熱量との平衡がもたらされる値に冷却液の流量を調整するための制御手段
   を含む請求項１〜５のいずれか１項に記載の内視鏡。
7. 前記制御手段が、発熱電子部品によって排出された熱量を検出するための熱エネルギー検出ユニットおよび検出された熱エネルギーに応じて流量を調整するための調整手段を含む請求項６記載の内視鏡。
8. 前記冷却液送出ユニットが、制御可能なポンプである請求項６記載の内視鏡。
9. 前記冷却液送出ユニットが、流量を調整するための制御ユニットによって制御される制御弁を含む請求項６記載の内視鏡。
10. 前記熱エネルギー検出ユニットが電圧計および電流計に接続され、これによって前記発熱部品に印加された電圧および該発熱部品によって吸収された電流が測定される請求項７記載の内視鏡。
11. 前記熱エネルギー検出ユニットが、前記発熱部品の領域に配置された温度センサに接続されてなる請求項７記載の内視鏡。
12. 供給電圧および供給電流に関する前記部品特有の熱量表が制御手段に格納されてなる請求項１０記載の内視鏡。

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