CN1820712A - 利用制冷***来去除超声换能器中的废热的方法 - Google Patents

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Abstract

提供了利用设在成像***(14)中的制冷***(49)来对超声换能器(15)进行冷却的方法和***。设在换能器组件(12)中的再循环冷却剂的闭合回路(24)将废热从设在远处的会发热的声部件(15)或有源电子器件传递到设在换能器连接器(26)中的热传导靴块(32)上。各连接器(26)即超声***连接器(26)和换能器组件连接器(26)中的热传导材料定位成相互接触，从而可在无流体传输的条件下将热量从换能器组件(12)热传导至设在成像***(14)中的制冷***(49)上。

Description

利用制冷***来去除超声换能器中的废热的方法
技术领域
本发明涉及诊断用超声换能器的冷却。医疗诊断用的超声压电器件和配套电子装置在工作期间会产生显著的废热。通常来说，在较高功率水平下工作的换能器是有利的。由于提高了传入身体内的能量，因此这种换能器提供了优越的诊断性能。将会发热的低噪音放大器集成在声接收器的附近可提高测得超声能量的信噪比性能。
背景技术
对换能器表面所允许的温度而言存在着一些条例限制。例如，用于与患者接触的诊断用超声换能器的表面的条例限制是43℃。
通常来说，通过被动式方法可将在换能器中产生的废热消散到患者或周围环境中。由于实用超声换能器的表面积有限，因此通过传导、辐射和自由对流而从温度顺应面传递到环境和患者中的热量是有限的。在稳态下，对于小的诊断用超声换能器而言，能量消散的实际限值约为1到2W。
在美国专利No.5560362中，主动式冷却增加了可从换能器中去除的热量。通常来说，主动式冷却方案使用冷却剂，其在闭合回路***中流动，将废热传递到可以高效率地消散到大气中的某一位置。位于换能器组件***连接器中的风扇和流体/空气热交换器可促进废热到环境的消散。由于用于热交换器和风扇的容积有限，并且由于冷却剂和大气之间的相对较小的温差，因此可通过这种方式来消散的热量实际上是有限的。在稳态下，实际限值约为5-12W左右。
在另一方法中，热消散硬件设于***连接器或成像***中，而非位于换能器组件的连接器中。流体从连接器传送至成像***。如果换能器组件与***连接器之间采用可拆式连接，那么用于传送流体进/出***的实用方法可能存在困难。
发明内容
作为介绍，下述优选实施例包括利用制冷主动式冷却***来冷却超声换能器的方法和***。由于成像***的尺寸的原因，将制冷***设在超声***或康索尔***中是比较实用的。然而，可以避免成像***和换能器组件之间的双向流体传输。使用了冷却剂闭合回路的冷却***设于换能器组件中，用于从声部件和/或配套电子装置中抽取废热，并且将热量传送到换能器组件连接器和超声成像***之间的热界面中。各连接器即超声***连接器和换能器组件连接器中的热传导部件定位成相互接触，从而在无流体传输的条件下将热量从换能器组件热传导至制冷***中。
在第一方面，提供了一种用于冷却超声换能器的***。可操作超声换能器组件以与超声成像***可释放地连接。制冷冷却装置位于超声***中。可操作连接器以在无流体传输的条件下在超声换能器组件和制冷冷却装置之间进行热传导。
在第二方面，提供了一种用于冷却超声换能器的***。超声换能器组件具有第一流体通道，其从换能器阵列的附近延伸至第一连接器中的第一热传导靴块(shoe)上。超声***具有制冷冷却装置和与第一连接器可操作地相连的第二连接器，并且在第二连接器中具有第二热传导靴块。如果超声换能器组件与超声***相连，那么第二热传导靴块与第一热传导靴块相接触。制冷冷却装置与第二热传导靴块热连接。
在第三方面，提供了一种用于冷却超声换能器的方法。在超声***中提供了主动式冷却。热量响应于超声***中的主动式冷却而在超声换能器和超声***之间无流体连接的条件下从超声换能器中传导出来。
本发明由权利要求来限定，因此本部分不应被认为限制了那些权利要求。以下将结合优选实施例来进一步讨论本发明的其它方面和优点。
附图说明
部件和图纸不一定是成比例的，相反，其重点是说明本发明的原理。此外在这些图中，相同的标号表示所有不同视图中的相对应的零部件。
图1是用于超声换能器的主动式冷却***的第一实施例的图示；
图2是基于流体的主动式冷却***的换能器组件电缆的一个实施例的截面图；
图3是用于超声换能器的主动式冷却***的第二实施例的图示；
图4是热流图的一个实施例的图示；
图5是用于超声换能器的主动式冷却***的第三实施例的图示；
图6是用于超声换能器的主动式冷却***的第四实施例的图示；
图7是用于超声换能器的主动式冷却***的第五实施例的图示；和
图8是用于超声换能器的主动式冷却***的第六实施例的图示。
具体实施方式
条例要求，在换能器接触患者的情况下，用于医疗诊断过程的超声换能器被限制为不超过43℃。对于假定为25℃的环境气温而言，只有18℃的温度差异便于通过包括自然对流、传导和辐射在内的被动式方法来去除热量。
为了提供额外的去热，使用了一种位于换能器组件中的利用再循环液体冷却剂的冷却***，其可将废热从换能器内的发热的声部件或电子器件中沿其电缆传递到换能器连接器上。与试图消散相对较小连接器中的废热不同，热量通过热传导传递到超声成像***中。一旦设在成像***中，废热就将在蒸气/液体或其它一些类型的制冷***的帮助下消散到大气中。由于制冷***可沿温度梯度来泵送热量，因此***中的热容器可维持在远低于环境气温之下的温度。这就使现在位于成像***中的发热的换能器和散热器之间的温度差异提高到更高的值，例如40到60℃。增加的温度差异用于提高可从这种远程定位的换能器中去除的废热的量。在超出条例规定的表面温度限值之前，在换能器中可产生更多的热量。
图1显示了利用设在超声成像***14中的蒸气/液体制冷***来冷却超声换能器组件12中的部件的***10。超声***14包括用于增强去热的制冷***的部件(40-54)。在正常工作期间，由设在换能器外壳18中的换能器声部件15和/或图中未示出的配套电子装置或连接器26产生了废热。这些废热中的一些传递到超声***14中，并消散在大气中。从声窗16到设在超声***14中的制冷***可提供任意范围的温度梯度，例如20-60℃。此处所讨论的温度作为与不同部件或传输相关联的温度梯度的一个示例，只是为功能描述而提供的，并没有作过计算。为了简化功能描述，假定操作在稳态下进行。
超声换能器组件12包括换能器外壳18及其内的所有部件、电缆组件13，以及连接器26及其内的所有部件。在声管组15中产生的超声能量经由声窗16传播到图中未示出的患者身上。从患者的解剖特征上反射回的少量超声能量返回到声管组15中，在此处将其转换成小的电信号，该电信号由设在外壳18中的电子器件进行处理，或者直接传给成像***，用于转换成临床用的诊断图像。位于换能器外壳18中的主动式冷却***的部件包括导热板20、热交换器22和流体通道24。设在连接器中的主动式冷却***的部件包括带有配合面30的热传导靴块32、弹簧34和循环泵28。另外，作为流体通道24的替代或附加，可以提供不同的或更少的部件以用于将热量从设在换能器外壳18中的部件上传递给连接器26。作为另一示例，可以不提供导热板20、热交换器22和/或其它部件。
超声换能器组件12与超声***14可松开地相连。除上面列出的部件之外，连接器26还包括电互连或金属触头，用于与超声***14上的对应连接器相配合。电互连提供了从超声***14至换能器15的传播波形，用于产生用来扫描患者的声波波阵面，和/或将来自换能器15的接受信号提供给超声***14以用于成像。在一个实施例中，一些或所有用于产生传播波形的电子装置都设在换能器12中，例如位于换能器外壳18中或位于换能器外壳18和连接器26中。在一个不同的或另外的实施例中，还可在换能器12中设置某些接收用电子装置，例如多路复用器、前置放大器或滤波器。或者，换能器组件12未设有源电子装置。也可提供机械连接，用于将连接器26可松开地连接在超声***14上。例如，在使用期间可用锁扣、卡扣配合式配合面、螺纹或其它机构来将连接器26固定到超声***14上。在一个实施例中，换能器组件12包括美国专利No.5560362中所公开的部件，其说明书通过引用结合于本文中。
超声换能器15包括一维或多维阵列的元件。换能器15包括匹配层、支承块、单独的压电或CMUT元件，以及用于电互连的柔性电路。对换能器15施加高压传播波形以产生声波波阵面。传播波形的转换产生了热量。
声窗16包括Pebax、环氧树脂、硅橡胶、聚氨酯，或者其它用于在最小反射或声损失的条件下传送声能进/出于身体的材料。或者，声窗16是开孔。声窗16是换能器组件12中的用于与患者接触的主要部分。各种温度调节都适用于声窗16。由于热传导的原因，由换能器15和外壳18中别处产生的热量可能会导致声窗16的温度升高。
换能器外壳18由Pebax、塑料、环氧树脂、金属、玻璃纤维或其它适于容纳换能器15的材料制成。换能器外壳18的形状制成为可由超声测验师手持。或者，换能器外壳18的形状制成为可***到患者中，例如成形为导管、内腔探针、经食管探针或内操作探针。在一个实施例中，换能器外壳18还包括有源电子装置，例如放大器、晶体管、波形发生器、数模转换器和/或数字至光学转换器。这些有源电子装置也会发热。
应去除由换能器外壳18中的部件所产生的废热，以便阻止表面温度超出条例限值。至身体和至外壳18中的其它部件的热传导将热量从热源如换能器15中传递出来。废热以一定热梯度传递经过导热板20。导热板20是铜、铝、其它金属或其它可提供热传导的材料。导热板20设置成紧邻于一个或多个热源，例如沿着换能器管组的侧边，或者与其它热导体如接地面相连。在一个示例中，导热板具有10℃的稳态温度。可提供超过一块的导热板20。在一些备选实施例中，导热板20是柔性的，具有其它非板材形状或其它稳态温度。
热交换器22与导热板20相连或成形为导热板20的一部分。热交换器22是铜、铝、其它金属或其它热传导材料。热交换器22具有与导热板22相连的较大表面积，但也可提供较小的表面积。热交换器22还包括一条或多条内部沟槽，用于流经流体通道24的冷却剂的热传递。作为备选，流体通道24可设在热交换器22的附近，或在没有热交换器22的条件下设在导热板20的附近。在一个示例中，热交换器22具有平均4℃的稳态温度。
流体通道24是与循环冷却剂相容的聚酯薄膜、Pebax、PTFE、聚氨酯、HDPE或其它材料制成的管道。流体通道24封装了冷却剂，例如氟利昂、Flourinert、乙二醇、丙二醇、酒精或任何其它在使用温度下可避免冻结的液体或气体。优选具有高比热和低粘度的液体。流体通道24从连接器26穿过电缆13而延伸到换能器外壳18中，例如靠近换能器15。在连接器26中，流体通道24延伸到热传导靴块32的附近或其内。流体通道24是闭合回路。
在较暖的热交换器22和较冷的循环冷却剂24之间的温度差异导致热量传递到冷却剂中，导致其温度从冷却剂进入换能器外壳18时的-2℃提高到冷却剂离开换能器外壳18时的9℃。由于电缆中的循环冷却剂低于约25℃的典型环境气温，因此当冷却剂从连接器26流到换能器外壳18中之后返回时，会从大气中吸取热量。在这个示例中，当冷却剂在换能器15和连接器26之间每流动一趟时，这种热量将导致冷却剂提高2度的温度。进入换能器外壳18中的冷却剂的所得温度增量将降低可从换能器外壳18内的发热部件中所去除的废热量。
图2显示了沿着换能器组件电缆以减少来自周围环境的热传递的流体通道24的一个实施例。流体通道24定位成被多条同轴导体60包围。同轴导体60用于传导在成像***14或在连接器26中所产生的电传播脉冲。利用相同的导体或利用交替的导体可将来自换能器15的接受信号传导至连接器26。同轴导体60和相关的气隙65提供了一定的热绝缘。进一步的绝缘由用于流体通道24的分层管来提供。例如由挤压的聚酯薄膜或PTFE制成的外层62围绕着例如由挤压的PTFE或其它与冷却剂相容的材料制成的内层64。内层64和/或外层62具有凸脊或隔离部，以在层62和64之间创造和维持间隙66。间隙66用空气、隔热材料或其它材料填充，以进一步减少热传递。
再次参见图1，泵28的目的是使冷却剂通过闭合流体通道24进行再循环。泵28包括集成的电动机。泵28可以使用离心式、固定排量式、膜片式或其它方法来移动流体。泵28处于换能器组件12的连接器26中。泵28可与热传导靴块32分开，或者集成在一起。电功率例如通过连接器26和超声***14之间的电互连或触头而从超声***14提供给泵28。泵28增加了冷却剂的压力，以克服与使冷却剂流经流体通道24有关的摩擦损失。
在一个备选实施例中，泵28位于超声换能器组件12中，并且与位于超声***14中的电动机机械式互联。由电动机转动的轴导致泵28运转。在一个实施例中，该轴包括可拆式联轴器或耦合装置，用于将位于换能器组件连接器26和超声***14的连接器之间的泵轴和电动机轴连接在一起。在另一实施例中，联接是磁性的而无机械式接口。驱动电动机位于可由超声***14方便地提供动力的位置处。超声***14中的可用电功率的量大于可通过正常互联方法而传递到连接器26上的量。这对于设在连接器26中的制冷***来说是有用的，因为制冷***消耗了相对较大量的功率。出于实现空间占用保护或电滤波的实用性的原因，将驱动电动机设在成像***14中在RFI方面也具有优点。
再次参见图1，弹簧34是单个弹簧或复式弹簧，其可在热传导靴块32和40之间产生法向力。作为附加或另选，还可使用杠杆臂或其它机构，以便在热传导靴块32和连接器的热传导靴块40之间施加法向力。法向力提高了这两个热传导靴块32和40之间的热互连效率。
热传导靴块32是板材、块体或其它形状的材料。也可使用铜、镀金的铜、银、铝、其它金属或其它热传导材料。热传导靴块32的配合面30是平的，具有例如1/2到2平方英寸的表面积。在其它实施例中，表面30不是平的，例如具有用于装配到对应槽中的散热片。热传导靴块32包括一条或多条流体沟槽，例如流体通道24的迂回路径。热传导靴块32中的沟槽设计成可最大限度地提高从较暖的冷却剂24至较冷的热传导靴块32之间的热传递效率。流体通道24的沟槽彼此相隔约3mm，但也提供更大或更小一些的间隔及单条或多条回路。被加热的冷却剂24从换能器外壳18通过热传导靴块32进行循环，在热传导靴块32处，由于热传递至更低温度的热传导靴块40，因此冷却剂的温度减少了15度。
在超声***14中，另一热传导靴块40可具有与换能器组件12的热传导靴块32相同或不同的材料、形状和构造。***的热传导靴块40是实心材料体，当连接器26与超声***14连接时，可对传导靴块40进行操作以与换能器组件12的实心热传导靴块相接触或相配合。热传导靴块32，40在没有流体传输的条件下提供了热互连，热量通过传导进行传递。在连接器26或在***14中的平坦配合面和/或由弹簧34或其它结构引起的适度法向力保证了有效的散热路径或连接。***的热传导靴块40的温度为-10℃，在相配合的靴块之间造成了2℃的温度差异，从而将废热传入***14中。
***的热传导靴块40包括用于将热量传递到超声***14的制冷***中的特征。制冷剂通道46穿过***热传导靴块40或位于其一旁。制冷剂通道46是由铜、其它金属或其它相容性材料制成的封装了制冷剂的管。氟利昂134a是制冷剂的一个例子，其以气态和液态存在于制冷剂通道46中的不同位置处。制冷剂通道46从***蒸发器的热传导靴块40中或其附近通过压缩机48而延伸到冷凝器50，并经由管口44而回到蒸发器40。流体通道46是闭合回路，其处于成像***14中并与换能器组件12的流体通道24间隔开。
当制冷剂以蒸气形式通过压缩机48时，通过本质上为绝热的压缩来将制冷剂的温度提高到显著高于周围空气温度之上的温度。然后这种热的高压蒸气移动到冷凝器50中，在此处将大量的热量传递到冷凝器50的内表面上。由于从蒸气中吸取了热量，因此蒸气凝聚成几乎相同温度下的液体。这种从几乎等温相变中释放出的热量称为汽化潜热。当高压制冷剂离开冷凝器40时，制冷剂大部分是液体。制冷剂的温度与进入冷凝器的高压蒸气的温度几乎相同。
高压液体移动到蒸发器入口处的管口44中。流动液体的压力在其通过管口44并进入蒸发器44时会下降。低压液体制冷剂在蒸发器40中闪蒸成蒸气，并从蒸发器40的内通道中吸取所需的汽化潜热。从蒸发器40中吸取热量导致其温度下降。然后，最终的低压、低温气体制冷剂返回压缩机48，以重复该连续的过程。
在一个实施例中，管口44的尺寸是可调节的，因此其可用来控制所达到的制冷量。小的管口同高的传热率相关。随着管口尺寸的增加，冷凝器中的制冷剂背压下降。压缩机48上的所得压力增量会减少。离开压缩机48并进入冷凝器50的最终较低的冷却剂温度使传热率下降。如果管口完全敞开，那么用于操作压缩机的能量作为热量而终止，导致蒸发器40实际上提高了温度。在备选实施例中，管口44设在不同的位置，例如集成在热传导靴块40中，或者与热传导靴块40间隔开。
热交换器50是金属或其它的结构，其中流体通道46靠近或位于该结构中，用作液体/空气热交换器或冷凝器。散热片52提供来用于将热量(如50℃)传递给大气。热量从***的热传导靴块40(蒸发器)传递至冷凝器50，通过辐射或强制对流而消散到周围空气中。用于沿一定温度梯度泵送热量的能量由压缩机48来提供。采用小风扇54来使冷却的周围空气循环经过热交换器。在另一实施例中，在***中已经用于冷却其它部件的风扇提供了空气循环。
制冷***49将热传导靴块40维持在小于环境气温的温度下。结果，在换能器组件12中形成了较陡的温度梯度。因此可从换能器15中吸取更多的热量并消散到大气中。在这个示例中，热传导靴块32处的热界面处于-10℃下。在没有制冷***的条件下，热传导靴块40将处于最小25℃的温度下，即处于环境气温下。
目前有几种方法可用于设计主动式冷却或制冷***。总体说来，制冷是沿一定热梯度来传递热量。这与热量从高温区域经传导、辐射或对流而流向低温区域的正常情况相反。必须向制冷用主动式冷却装置49供应电形式或其他形式的能量。虽然制冷使用外部形式的能量，但是当应用于主动式冷却的换能器组件15时，制冷可吸取比不使用制冷时能吸取的热量大得多的热量。
图3显示了制冷***49的一个备选实施例。制冷***49包括风扇54、散热片52、适配器72、弹簧74和热电装置70。另外，可提供不同或更少量的部件，例如不提供风扇54、散热片52、适配器72和/或弹簧74。换能器组件12在功能上与上面图1中所述的相同。
热电装置70是热电冷却器。热电冷却装置在遇到直流电流时利用珀尔帖效应而导致热量在熔化的异种金属表面之间流动。在一个实施例中，热电冷却器70是1.75英寸×1.56英寸的装置，并且约为0.093英寸厚。在20度的温度梯度下并利用约100W的电能，这种热电冷却器70能够以热量的形式移动50W的功率。可买到的热电冷却器的一个例子是Marlow XLT2385。通过使用9A的直流电流和5.5V的电势差，便可将40W的热量从30℃下的结构传递到50℃下的相邻结构上。这样，50W进入冷面，而90W离开热面。也可以使用在美国专利No._____(申请序列号No.10/183302)中所公开的其它热电装置70，其说明书通过引用结合于本文中。对于或大或小的梯度来说，可以提供带有或大或小热容量的或高或低效率的装置。
为了在更大温升上泵送热量，可将多个热电装置70以串联形式层叠起来。为了增加给定温升上的所泵送热量的大小，可以并行设置多个热电装置70。额外的热电装置70使用额外的能量。例如在图3中，利用四个热电装置70可将40W的热量从***热传导靴块40(-10℃)泵送到挤压成型的适配器72(50℃)上，在这个示例中，两个串联的管组并联起来。图4是这种配置的热流图。在这个示例中，为了将40W的热量从-10℃泵送至+50℃，要求共计230.6W的电能。这样，共计有270.6W从48℃下的金属散热片结构52消散到25℃的大气中。对于这个示例，使用了热阻约为0.185℃/W的风扇/热交换器组件(52和54)。
与图1所示的构成蒸气/液体制冷***的部件相比，热电装置70相对较小，并且总体上效率更低。基于热电装置的制冷***由于其尺寸的原因而提供了若干包装方面的优势。操作辅助热电冷却器的电能可从成像***中吸取，由单独的源来供应，或由设在成像***中或远程位置上的电池或燃料电池来供能。由于其紧凑的尺寸，热电冷却器可允许增强的冷却***作为辅助部件而安装在现有的成像***上。
再次参见图3，适配器72由铝、铜、其它金属或其它热传导材料制成，其尺寸和形状加工成将热电装置70夹在***热传导靴块40上。靴块40和适配器72还经由一个或多个弹簧74、压缩的橡胶隔块或其它材料而连接起来，其可操作地将适配器72设置在热电装置70上。作为备选，金属散热片结构52可将热电装置70压在靴块40上，无需使用适配器72。
图5和6显示了在超声换能器组件12中提供额外的主动式冷却装置80的两个其它实施例。图5显示了换能器连接器26中的额外的主动式冷却装置80和超声***14中的热电装置70。除了位于超声***14中的蒸气/液体制冷***49之外，图6还显示了位于连接器26中的额外的主动式冷却装置80。额外的主动式冷却装置80是单台或多台热电冷却器，其设在超声组件12的连接器26中的热传导靴块32附近。额外的热电主动式装置80使用50+W或其它量的电能来工作。额外的主动式冷却装置80通过一个或多个与超声***14的互连或电接触来提供功率，而超声***14可由额外的主动式冷却装置80所用的电功率来操作。设在连接器26中的小型制冷***(蒸气/气体)可由超声***14中的远程设置的电动机来提供功率，从而在换能器组件连接器26中提供另外的主动式冷却。
参看图5，适配器82与***的热传导靴块40相配合，例如提供平坦的表面。适配器82是铜、镀金的铜或其它热传导材料。弹簧74或34将额外的主动式冷却装置80压在适配器82和靴块32之间。
即使流体通道24中的冷却剂处于远低得多的温度下，额外的主动式冷却装置80也可导致***的热传导靴块40和适配器82的配合面具有接近周围环境的温度，例如约20-25℃。热传导靴块40和适配器82不太可能使大气中的湿气凝聚出来或凝结在一起。例如，额外的主动式冷却装置80提供了约33℃的温度梯度。适配器82处于25℃。***的热传导靴块40处于约23℃下。对于图5，超声***14中的热电冷却装置70提供了33℃的温升，使适配器72处于56℃。热交换器的散热片52处于53℃下，空气从25℃的周围温度加热到45℃。
对于图6来说，进入管口44中的液体形式的制冷剂处于50℃和148psi下。当其通过管口44时，压力减少到20psi，温度下降到-20℃。当制冷剂穿过蒸发器靴块40时，制冷剂从液体变成蒸气。离开靴块40的气态制冷剂处于约-15℃和20psi下。随着压力在压缩机48中从20psi增加到148psi，温度增加到50度。在制冷剂在冷凝器50中凝聚成液体之后，制冷剂温度仍然是50℃。该循环如此重复进行。受迫进入散热片52中的周围空气从25℃增加到40℃，之后排出。
图7显示了超声***14中的制冷***49还包括热管90和/或贮热槽92的实施例。此时的排热率可超出仅使用散热片95和风扇54时的排热率。
热管90是由铝、铜或其它材料制成的封闭结构，其包含蒸气和液体形式的热传递介质。热管90的直径约为1/4英寸，但可更大或更小一些。热传递介质是水、酒精、丙酮、氟利昂或其它物质。优选具有高汽化潜热的材料，其可最大限度地提高热管的性能。从适配器72传入蒸发器部分中的热量由液体吸收，导致其变成蒸气。当蒸气产生时，蒸气往略微较冷的冷凝器部分移动，在此处蒸气在将汽化热排放到热管90的内壁上之后液化。由于蒸发和冷凝发生在基本相同的温度下，因此当与相当的固体材料如金属比较而言，热管90具有非常高效的导热性。相对较小的热管90可在非常小的温度梯度下传递大量的热量。冷凝的液体利用重力或使用某些利用液体的毛细作用特性的结构或滤网而返回蒸发器部分。
贮热槽92是用于容纳相变介质91的金属或其它材料的结构。利用该贮热槽92，换能器15的排热率可超过***将热量消散到大气中的能力。废热并不能如同其由换能器15或由设在换能器外壳18或连接器26中的有源电子装置所产生的那么迅速地消散到大气中。没有消散的废热存储在相变介质91中，以便在以后进行散热。这种介质的一个例子是十六醇，其具有约50℃的熔化温度以及相对较高的熔化热。因此，***并不在稳态下连续工作。这种特殊***是对于诊断用超声设备非常实用，这是因为诊断过程通常并不在连续的基础上完成。
热管90的冷凝器部分与设在贮热槽92中的热传导的液化结构94热共性。由液化器94传递给介质91的热量导致一定量的介质从固体转换成液体，其量与材料的熔化热相一致。封装在贮热槽92中的还有空气/液体热交换器(凝固器)96。凝固器96和散热片95是铜、铝或其它热传导材料。通过凝固器96和散热片95可将热量从较暖的液体介质91传递到较冷的周围空气。这种从液体中排出的熔化热导致介质凝固。从凝固器至周围空气的热传递由风扇54来增强。液化器94的热传递表面与凝固器96的相应表面的紧密相邻最大程度地减小或消除了在储存箱92中需要泵来使液体介质91物理性地循环的需求。作为备选，贮热槽92中的泵可将液体介质93从液化器散热片94的附近传递到凝固器96中。
在这个示例中，换能器外壳18中的主动式冷却硬件20，22以40W的速率从换能器15中吸取热量。由于热电冷却器70的原因，共计270.6W功率存储在介质91中，或通过散热片95消散到大气中。如果风扇54和带散热片的辐射器96只能将75W功率消散到大气中，那么如果换能器15在一整个小时内满功率地使用，将有0.195千瓦时的能量被存储起来。通过利用更强劲的风扇54来提高空气速度，或者通过增加固体/空气热传递表面的表面积，便可提高从凝固器96消散到周围空气中的排热率。提高传热率的优点在于，可以减少必须施加给热电装置的能量的大小。
参照图8，可以控制制冷***49以直接调控热传导靴块40的温度，或者间接地调控声窗16的温度。根据设在热传导靴块40中的传感器102所测量的温度，可编程控制器如微型控制器、现场可编程门阵列、模拟电路、数字电路或其它控制器便可控制管口44、压缩机48、风扇54和/或泵28的操作。控制器物理性地设在换能器组件12或成像***14中。作为附加或另选，温度传感器102如热电偶、热敏电阻或RDT(电阻式温度检测器)可设在换能器15、热交换器22、换能器组件靴块32、***靴块40中或其附近和/或其它位置，例如设在流体通道24和/或46中。
在换能器15、设在外壳18中的换能器配套电子装置和/或位于连接器26中的有源电子装置中所产生的热量的大小取决于这些部件的设计以及用于从患者身上获得诊断信息的方式。从部件中可靠地除热可用于保证换能器的表面温度不超出条例限制，并且电子器件不会因过高的温度而损坏。
主动式冷却***特别是制冷主动式冷却***在其工作期间会消耗可观的能量。这些***的数个部件维持在低于环境气温之下的温度。这些低温可能导致大气湿气凝结，和/或导致霜的成形。操作冷却***部件的控制器可用于避免或限制凝结或结霜。换能器废热排放率可通过几种方式来控制。对于热电冷却装置70，80而言，排热率由流经装置的电流量来确定。通过使电流反向，热电装置将在相反的方向上传递热量，提供加热效果。对于蒸气/液体制冷方法，通过调整膨胀阀(管口44)、通过压缩机48接通和断开循环或者通过控制流经冷凝器的气流便可控制排热率。
由于成像超声***14控制换能器组件12的操作，因此在换能器部件中将产生的废热量可基于以前的实验测试进行估计。除了上面描述的温度检测之外，控制器还可作为换能器组件12的操作的函数基于一定算法来控制用于各种操作模式的废热排放率。例如，用于连续波形成像比用于触发式显影剂成像需要去除更大量的废热。
参照图8，在另一或额外的实施例中，可采用设于热传导靴块40中的温度传感器102或设于换能器15中的温度传感器101来产生用于控制冷却***的信息。如果检测温度大于预定值，则增大排热率。如果温度处于相同或其它预定值之下，则减小排热率。增大或减小的量基于其它阈值。在一个实施例中，除热***将以最低的水平进行操作，以将温度保持在预定的限值内。
在另一实施例中，除热控制***经过优化，以便在不使用换能器时控制热传导靴块32和40的温度。在正常工作期间，靴块32和40在显著低于环境气温的温度下工作；这可能导致大气中的湿气凝结。如果湿气侵入连接器26或成像***14的精密电子装置中，可能会导致可靠性问题。在极端的情况下，形成于热传导靴块32和/或40上的湿气可能冻结；这将阻止将换能器组件12从成像***14上拆卸下来，或者阻止将换能器安装在成像***上。
热电冷却器和蒸气/气体制冷***49可运转而在靴块32，40中产生热量，如图3所示。热电冷却器设备70可由电流极性与正常工作模式中相反的直流电流来驱动。以这种方式工作的热电装置实际上变成了加热器。在使用图8所示的液体/蒸气制冷***的实施例中，压缩机48可在相反方向上运转，导致热传导靴块40提高温度。如上所述，加热热传导靴块40的备选方式是打开管口44。
图8显示了一个实施例，其使用了不同于热电冷却装置70，80或压缩机48或者作为其附加的加热器100。加热器100包括筒式电加热器。加热器100和零个、一个或多个温度传感器102定位于***热传导靴块40和/或换能器组件的热传导靴块32中或其附近。在图中显示了两台加热器100，但也可提供一个或三个或更多个加热器。采用闭环温度控制器来确定靴块40的温度，并确定有多少电流流经加热器100，以维持预编程的温度水平，例如大气温度。该控制器还可监测成像***的操作要求，并且优先于预编程的温度水平，和/或操作压缩机48以提供冷却。
本文提供了一种用于冷却超声换能器的方法。这种方法使用其中一个上述实施例或不同的实施例。通过制冷可在超声***中进行主动式冷却。例如，超声***是用于医疗诊断用途的安装在手推车上的成像装置。超声***中的波束生成器和图像处理器产生诊断图像或信息。制冷装置也可设在超声***中，例如设在相同的手推车、外壳或框架中。
换能器组件与超声***是可释放、可拆卸的，以便利用超声能量来扫描病人。在工作期间，换能器和任何集成的有源电子装置产生热量。热量从超声换能器中传导或传递出来。响应于超声***中的制冷作用，热量在超声换能器和超声***之间在没有流体连接的条件下传导至超声***中。作为流体传输的替代，热量通过相应的连接器从换能器组件传导到超声***中。超声换能器组件的连接器中的热块与超声***连接器中的热块相配合。热量经由这些热块进行传导。
在一个实施例中，制冷***49定位于适配器中，适配器可设在成像***中或位于连接器26和成像***14之间。可采用适配器来改装主动式冷却的现有***。换能器组件12的连接器26包括与适配器中的靴块40传导式配合的靴块32。
虽然上面已经参照各种实施例来介绍了本发明，然而应当理解，在不脱离本发明范围的条件下，可进行许多变动和改动。因此，前面详细的描述应被认为是说明性而非限制性的，并且还应当理解，正是由以下权利要求包括所有等同物来限定本发明的精神和范围。

Claims (29)

1.一种用于冷却超声换能器(15)的***(10)，所述***(10)包括：
超声换能器组件(12)；
超声***(14)，所述超声换能器组件(12)可***作以与所述超声***(14)可释放地相连；
位于所述超声***(14)中的制冷装置(49)；和
连接器(26)，其可***作以在无流体传输的条件下在所述制冷装置(49)和超声换能器组件(12)之间进行热传导。
2.根据权利要求1所述的***(10)，其特征在于，所述制冷装置(49)包括压缩机(48)和热交换器(50)。
3.根据权利要求1所述的***(10)，其特征在于，所述制冷装置(49)包括热电冷却器(70)。
4.根据权利要求1所述的***(10)，其特征在于，所述制冷装置(49)包括热管(90)、贮热槽(92)或其组合。
5.根据权利要求1所述的***(10)，其特征在于，所述连接器(26)包括金属靴块(32)。
6.根据权利要求5所述的***(10)，其特征在于，所述金属靴块(32)包括流体通道(24)。
7.根据权利要求1所述的***(10)，其特征在于，所述连接器(26)包括位于所述超声换能器组件(12)中的第一固体材料(32)和位于所述超声***(14)中的第二固体材料(40)，所述第一和第二固体材料(32，40)可***作，以便在所述换能器组件(12)与所述超声***(14)连接时通过施加法向力而相互接触。
8.根据权利要求1所述的***(10)，其特征在于，所述超声换能器组件(12)还包括：
从所述连接器(26)延伸到换能器阵列外壳(18)上的第一流体通道(24)；和
泵(28)，其可操作以使流体在所述第一流体通道(24)中循环。
9.根据权利要求8所述的***(10)，其特征在于，所述制冷装置(49)包括延伸到所述连接器(26)中的第二流体通道(46)。
10.根据权利要求8所述的***(10)，其特征在于，所述超声换能器组件(12)包括多条在所述连接器(26)和换能器阵列外壳(18)之间延伸的同轴电缆(60)，所述多条同轴电缆(60)设在所述第一流体通道(24)的周围，所述第一流体通道(24)具有内管和外管(62，64)，在所述内管和外管(62，64)之间设有间隙(66)。
11.根据权利要求8所述的***(10)，其特征在于，所述泵(28)位于所述超声换能器组件(12)中，并通过所述连接器(26)而与所述超声***(14)中的电动机相连。
12.根据权利要求1所述的***(10)，其特征在于，所述***还包括空气热交换器(50)，其与所述超声***(14)中的制冷装置(49)相连。
13.根据权利要求1所述的***(10)，其特征在于，所述***还包括位于所述超声换能器组件(12)中的额外的制冷装置(80)。
14.根据权利要求1所述的***(10)，其特征在于，所述***还包括：
毗邻所述连接器(26)的加热器(100)。
15.根据权利要求1所述的***(10)，其特征在于，所述***还包括：
控制器，其可***作以响应于温度传感器或所述超声换能器组件(12)的换能器(15)阵列的使用而调控温度。
16.一种用于冷却超声换能器(15)的***(10)，所述***(10)包括：
超声换能器组件(12)，其具有从所述换能器(15)的附近延伸到第一连接器(26)的第一热传导靴块(32)中的第一流体通道(24)；和
具有制冷装置(49)的超声***(14)，其具有可***作以与所述第一连接器(26)相连的第二连接器(26)，并具有位于所述第二连接器(26)中的第二热传导靴块(40)，所述第二热传导靴块(40)定位成在所述超声换能器组件(12)与所述超声***(14)相连时与所述第一热传导靴块(32)相接触，所述制冷装置(49)与所述第二热传导靴块(40)热连接。
17.根据权利要求16所述的***(10)，其特征在于，所述第一和第二连接器(26)无流体连接。
18.根据权利要求16所述的***(10)，其特征在于，所述制冷装置(49)包括：带有热交换器(50)、热电冷却器(70)或这两者的压缩机(48)。
19.根据权利要求16所述的***(10)，其特征在于，所述第一流体通道(24)延伸到所述第一热传导靴块(32)中，与所述第一流体通道(24)隔开的第二流体通道(46)延伸到所述第二热传导靴块(40)中。
20.一种用于冷却超声换能器(15)的方法，所述方法包括：
在超声***中(14)中进行主动冷却；和
响应于所述超声***(14)中的主动式冷却而在所述超声换能器(15)和超声***(14)之间无流体连接的条件下从所述超声换能器(15)中传导热量。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述热传导包括通过与所述超声***(14)中的第二热块(40)相配合的所述超声换能器组件连接器(26)中的第一热块(32)来进行热传导。
22.一种用于冷却超声换能器(15)的方法，所述方法包括：
在所述换能器(15)中产生废热；
利用传导将废热传递至成像***(10)中；
在所述成像***(10)中将废热排入大气中。
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
测量所述换能器(15)附近的温度；和
作为温度的函数来调控热传递和排热。
24.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述热传递和排热包括防止温度超出设定点。
25.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
作为所述换能器(15)操作的函数来调控热传递和排热。
26.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
操作热电冷却器(70，80)、电阻加热器(100)或其组合；和
作为操作的函数来限制湿气形成。
27.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述排热包括利用所述成像***(10)中的制冷***(49)进行排热；
还包括利用位于所述换能器组件(12)中且用于所述换能器(15)的控制器来控制所述制冷***(49)的操作。
28.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
当所述换能器(15)不使用时，将用于所述换能器(15)的换能器组件(12)和成像***(10)之间的界面基本上维持在环境温度下。
29.一种用于冷却超声换能器(15)的改良***，所述***(10)包括：
位于适配器中的制冷***(49)；
所述适配器上的适配器连接器，其用于与换能器组件连接器(26)相连；和
位于所述适配器连接器(26)中的固相热导体(40)，所述固相热导体与所述制冷***(10)相连。
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