[发明专利]具有内部冷却腔的声穿透装置

说明书

技术领域

本发明涉及具有多个基本超声波传感器的声穿透装置的基本领域，每个基本超声波传感器具有至少一个电声部件，所述多个传感器分布在底盘上，使得电声部件分布在声穿透装置的所谓“前”表面上，所述声穿透装置的前表面旨在放置成面向要声穿透的介质。

背景技术

电声部件通常由压电材料、压电复合材料或者半导体材料制成，例如微加工电容式超声波传感器(CMUT)，该电声部件允许通过受限的电声效率来产生高功率超声波。

通常而言，对于包括在100kHz与10MHz之间的频率，这些材料的电声效率在40％到80％之间。同样，未转换为超声波的能量的大部分作为热量在传感器中被驱散。

在数秒的时段内电声部件的连续操作期间，过大的加热可能会损坏电声部件或者甚至可能毁坏电声部件，且该加热甚至可损坏组成电声部件或邻近于电声部件的机械部分。

因此，该加热效应目前限制在数秒的长时段内产生非常高的声强度的可能性。通常认为的是，在几分之一秒量级的时段内没有过量加热的情况下，在传感器的表面处难以产生大于5W/cm2的功率。

存在驱散所产生的热量的解决方案，以便降低传感器的温度。已知的解决方案包括使得冷却流体(通常为水)在声穿透装置的“前”面部上循环。在该情形中，通过该流体，可用介质实现超声波耦合，超声波会聚于介质中。

然而，热交换表面仍局限于声穿透装置的“前”表面并且在必须使用十分高的声强度的情形中不允许将热量充分移除。

发明内容

因此，本发明的主要目的在于通过构想出声穿透装置(insonification device)来克服这种缺点，该声穿透装置包括多个基本超声波传感器，每个传感器包括至少一个电声元件，多个传感器分布在底盘上，使得电声元件分布在装置的所谓前表面上，所述前表面在至少两个方向上延伸并且旨在放置成面向要声穿透的介质，声穿透装置使得每个传感器包括在所谓的前端部处由导热材料制成的纵向主体，电声元件放置在所谓的前端部处，底盘包括放置在前表面后面的密封式冷却腔，所述冷却腔由传感器主体正好穿越并且旨在由冷却剂流体流所经过。

该新式结构的声穿透装置允许通过使用热量驱散来将显著量的热量朝向传感器的后部传递，其中传感器主体经过冷却腔。当然，由传感器的有源部分产生的热量通过由基本传感器主体形成的材料朝向后部带走，该有源部分是位于前表面上的声元件。

通过本发明，可能在传感器主体与冷却剂流体之间获得热交换表面。因此，比在使用来自于前部的常规冷却系统时大得多的表面上得到热交换。此外，由于冷却剂流体放置成直接接触热源(传感器)，因而优化传感器所产生的热量朝向冷却剂流体的传递。

因而，采用该新式冷却系统，可能的是限制基本传感器的加热以及在传感器的表面处达到高得多的声强度。采用本发明，因而可能得到约20W/cm²的功率。

在本发明的意义上，术语“底盘”是指能够支承传感器并且能够形成冷却腔的壳体的机械结构，所述冷却腔由传感器主体正好穿越。

根据本发明的优选实施例，传感器主体定轮廓成便于流体的循环。

通过这种特性，充其量避免的是，传感器主体形成对流体在冷却腔内循环的阻碍。

根据本发明的具体特征，传感器主体在至少一个方向上具有颈部，该方向垂直于流动方向，以便降低液力阻抗。

这种颈部允许在每对传感器之间的流量，其具有降低的液力阻抗。该颈部可包括收缩传感器主体在垂直于流体流动方向的方向上的宽度或者包括传感器主体的均匀减少的直径。

由传感器的构造引起的应力可能需要颈部由传感器的后部部分制成，即在与热源一定距离处。然而，在形成传感器主体的材料是良好的热导体的情况下，包括将颈部朝向传感器的后端部放置的该特征不受影响。

根据本发明的有利特征，传感器主体具有表面几何形状，其中流体的交换表面可大于与对应于沿着传感器的均匀且恒定截面的表面几何形状相对应的交换表面。

可包括对冷却剂流体的流动方向上传感器主体加条纹的特征不仅有助于增加交换表面和朝向冷却剂流体的热传递而且可通过引导冷却剂流体在传感器主体的侧面上的循环而有助于促进冷却剂流体的循环。

根据本发明的有利特征，由于底盘在声穿透装置的后部处包括与基本传感器一样多的细孔，传感器可移除地附连通过冷却腔。

通过该特征，可有利于保持声穿透装置。当然，在声穿透装置包含以高强度操作的大量基本传感器时，这些传感器潜在地经受单个故障，于是必须将其更换。该特征允许容易且快速的更换，这可由不必要对其熟练的工人来实施。这避免了将装置整体存放用于修理或者使用具有降级特性的装置。