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HINTERGRUND
ZU DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung betrifft allgemein eine Kühlungsanordnung und insbesondere
eine Kühlungsanordnung
für eine
Röntgenröhre, um
Wärme von
Komponenten der Röntgenröhre abzuführen. Die
die Kühlungsanordnung
aufweisende Röntgenröhre kann
in Anwendungen auf dem Gebiet medizinischer Diagnostik, industrieller
Bildgebung und Kristallographie verwendet werden.
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In
einer Röntgenröhre wird
ein Elektronenstrahl über
eine sehr hohe Spannung von einer Kathode durch ein Vakuum hindurch
zu einer auf einer Anode angeordneten Brennfleckposition gelenkt.
Röntgenstrahlen
entstehen, wenn Elektronen auf der Anode auftreffen, die aus einer
Bahn aus einem höchstschmelzenden Metall
besteht, z.B. aus Wolfram, Molybdän oder Rhodium. Allerdings
ist der Umwandlungswirkungsgrad von Röntgenröhren sehr gering und beträgt gewöhnlich weniger
als 1 des Gesamtenergieeintrags. Der Rest, d.h. mehr als 99 % der
eingespeisten Elektronenstrahlenergie, wird in thermische Energie
oder Wärme
umgewandelt.
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Verfahren
zur Abfuhr oder zu sonstiger wirkungsvoller Bewältigung der Wärme stellen
daher sowohl für
die Entwicklung als auch für
den Betrieb einer Röntgenröhre gewöhnlich ein
großes
Problem dar. Sehr hohe Temperaturen in der Röntgenröhre führen möglicherweise zu Abkühlzeitverlängerung,
zu Schmelzen des Targets und zu Abriss und/oder Verdunstung von
Anodenlagerschmierstoff. Aufgrund dieser Kühlungsprobleme werden Röntgenröhren entwickelt,
die geringere Leistungskapazität,
größere Anoden
und höhere
Belastung der Anodenlager, größere Wärmetauscher
und höhere
Kühlmittelströmungsraten
aufweisen. Um eine Röntgenröhre mit
höherer
Leistungskapazität
zu erzielen, ist gewöhnlich
eine größere Anode
erforderlich, was mit größeren Abmessungen
der Röntgenröhre verbunden
ist.
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Einige
der herkömmlichen
Lösungen
zur Abfuhr von Wärme
von Röntgenröhren oder
zu deren Kühlung
basieren darauf, das Target drehend anzutreiben und die Wärmespeicherungskapazität durch
Anbringen eines Elements aus Graphit auf dem Target zu steigern.
Es wurden Versuche unternommen, das Target konvektiv zu kühlen, indem
ein Kühlmittel
durch die Anode geleitet wird. Ein Nachteil dieses Verfahrens ist
die Erfordernis einer berührungsfreien
oder berührungslosen
Dichtung, um einen zwischen der Anode und dem Rahmen der Röntgenröhre angeordneten
Vakuumbereich abzudichten. Ein weiteres Verfahren aus dem Stand
der Technik versucht das Target zu kühlen, indem dieses an der Röntgenröhrenrahmenanordnung
angebracht wird und die Rahmenanordnung rotierend angetrieben wird.
Hierfür
würde ein
Motor mit großer
Kapazität
benötigt, der
hohen Leistungsanforderungen genügt,
um die Rahmenanordnung und darüber
hinaus die Strahlablenkungseinrichtung in Drehung zu versetzen,
die dazu dient, den Elektronenstrahl auf das Target zu lenken, um einen
angemessenen Brennfleck zu erhalten.
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Es
besteht daher ein Bedarf nach einer Röntgenröhrenkühlungsanordnung, die einen
hervorragenden thermischen Wirkungsgrad ermöglicht und sich problemlos
sowie kostengünstiger
und einfacher herstellen lässt
als Kühlsysteme
nach dem Stand der Technik. Ferner besteht ein Bedarf, eine wirkungsvolle
Kühlungsanordnung
an bestehende Röntgenröhren anzupas sen,
so dass auf eine vollständige
Neukonstruktion der bestehenden Röntgenröhren verzichtet werden kann.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Auf
die oben erwähnten
Mängel,
Nachteile und Probleme wird hier eingegangen, die nach dem Lesen und
Verstehen der folgenden Beschreibung verständlich werden.
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Die
vorliegende Erfindung schafft eine Röntgenröhre mit einer Kühlungsanordnung,
die erheblich höheren
Wärmeübertragungsraten
als Röntgenröhren aus
dem Stand der Technik aufweist, wobei die Entwicklung von Röntgenröhren mit
höherer
Leistung ermöglicht
wird, ohne die Anodenabmessung zu steigern oder Anodenlager mit
höherer
Wärmebeständigkeit
verwenden zu müssen.
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In
einem Ausführungsbeispiel
gehören
zu einer Kühlungsanordnung
für eine
Röntgenröhre mit
einem stationären
Körper
ein rotierender Körper,
der wenigstens um einen Abschnitt des stationären Körpers angeordnet ist, und wenigstens
ein Kühlfluidkreislauf
mit wenigstens einem durch diesen strömenden Kühlfluid. Der wenigstens eine
Kühlfluidkreislauf
ist vorzugsweise zwischen dem rotierenden Körper und dem stationären Körper angeordnet,
wobei das wenigstens eine Kühlmittel
zwischen dem rotierenden Körper
und dem stationären
Körper
strömt.
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In
noch einem Ausführungsbeispiel
gehören
zu einer Kühlungsanordnung
für eine
Röntgenröhre mit einem
Röntgenröhrenrahmen
ein rotierender Körper,
der wenigstens um einen Ab schnitt des Röntgenröhrenrahmens angeordnet ist,
und wenigstens ein Kühlfluidkreislauf
mit wenigstens einem Kühlfluid,
das zwischen dem rotierenden Körper
und dem Röntgenröhrenrahmen
angeordnet ist.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
gehören
zu einer Röntgenröhre: eine
Vakuumgehäuseeinheit, eine
Kathode, die in der Gehäuseeinheit
verbunden ist und einen Elektronenstrahl erzeugt, eine in der Gehäuseeinheit
verbundene Anode, die den Elektronenstrahl empfängt und Röntgenstrahlen erzeugt, die
durch eine Röntgenröhre gelenkt
werden, und eine Röntgenröhrenkühlungsanordnung,
die einen rotierenden Körper
enthält,
der wenigstens um einen Teil des Vakuumgehäuses und des Röntgenröhrengehäuses angeordnet
ist, und wenigstens einen Kühlfluidkreislauf
aufweist, der wenigstens ein Kühlfluid
enthält,
das zwischen dem rotierenden Körper
und einem stationären
Körper
angeordnet ist.
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In
noch einem weiteren Ausführungsbeispiel
gehören
zu einer Röntgenröhre: ein
Vakuumgehäuse, eine
Kathode, die innerhalb des Vakuumgehäuses verbunden ist und einen
Elektronenstrahl erzeugt, ein in dem Vakuumgehäuse angeordnetes Anodentarget,
das mit einem Anodenrahmen verbunden ist, wobei das Anodentarget
den Elektronenstrahl von der Kathode empfängt und Röntgenstrahlen erzeugt, die
durch ein Fenster in der Röntgenröhre gelenkt
werden, und eine Kühlungsanordnung,
die einen um den Anodenrahmen angeordneten rotierenden Körper enthält.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
gehören
zu einer Röntgenröhre mit
einer Kühlungsanordnung: ein
Rahmen, der eine Kathode und einen ersten Abschnitt einer Anode
umschließt,
ein Anodenrahmen, der mit dem Rahmen verbunden ist und sich um einen
zweiten Abschnitt der Anode erstreckt, eine Anodenantriebsanordnung,
die mit der Anode verbunden ist, um den ersten Abschnitt der Anode
drehend anzutreiben, ein rotierender Körper, der um die Anodenantriebsanordnung
und den Anodenrahmen positioniert ist, und mindestens zwei Kühlfluidkreisläufe, die
mindestens zwei Kühlfluide
zum Kühlen
der Röntgenröhre enthalten.
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In
noch einem weiteren Ausführungsbeispiel
gehören
zu einer Röntgenröhre mit
einer Kühlungsanordnung
ein Vakuumgehäuse,
das eine Kathode und einen ersten Abschnitt einer darin angeordneten
Anode umschließt,
und ein rotierender Körper,
der um einen zweiten Abschnitt der Anode rotiert. Der zweite Abschnitt der
Anode weist eine Anzahl kreisförmiger
Vorsprünge
auf, die sich davon radial nach außen erstrecken. Der rotierende
Körper
rotiert um die auf dem zweiten Abschnitt der Anode angeordneten
kreisförmigen
Vorsprünge.
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Vielfältige weitere
Merkmale, Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden dem Fachmann
anhand der beigefügten
Zeichnungen und der detaillierten Beschreibung der Erfindung verständlich gemacht.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
eine Schnittansicht einer Röntgenröhre mit
einer Kühlungsanordnung
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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2 zeigt
eine Schnittansicht einer Röntgenröhre mit
einer Kühlungsanordnung
gemäß noch einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung; und
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3 zeigt
eine Schnittansicht einer Röntgenröhre mit
einer Kühlungsanordnung
gemäß noch einem weiteren
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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In
der folgenden detaillierten Beschreibung wird auf die einen Bestandteil
der vorliegenden Erfindung bildenden beigefügten Zeichnungen Bezug, genommen,
in denen spezielle Ausführungsbeispiele,
die durchgeführt
werden können,
veranschaulichend gezeigt werden. Diese Ausführungsbeispiele sind im Einzelnen ausreichend
beschrieben, um dem Fachmann eine Verwirklichung der Ausführungsbeispiele
zu ermöglichen, und
es ist klar, dass weitere Ausführungsbeispiele
verwendet werden können,
und dass logische, mechanische, elektrische und sonstige Änderungen
vorgenommen werden können,
ohne vom Gegenstand der Ausführungsbeispiele
abzuweichen. Die folgende detaillierte Beschreibung sollte daher
nicht als den Schutzumfang der Erfindung beschränkend bewertet werden.
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In
vielfältigen
Ausführungsbeispielen
gehören
zu der erfindungsgemäßen Röntgenröhrenkühlungsanordnung
ein rotierender Körper,
der um einen Abschnitt eines stationären Körpers der Röntgenröhre angeordnet ist und wenigstens
einen Kühlfluidkreislauf
aufweist, der wenigstens ein Kühlfluid
enthält,
das zwischen dem rotierenden Körper
und dem stationären
Körper
der Röntgenröhre zirkuliert.
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Die
vorliegende Erfindung schafft eine Röntgenröhre mit einer Kühlungsanordnung,
die (mittels Konvektion) erheblich höhere Wärmeübertragungsraten aufweist als
Röntgenröhren aus
dem Stand der Technik, wodurch es ermöglicht wird, Röntgenröhren mit
höherer
Leistung einzusetzen, ohne die Anodenabmessung zu erhöhen oder
wärmebeständigere
Anodenlager vorauszusetzen.
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1 zeigt
eine geschnittene Teilansicht einer Röntgenröhre 10 mit einer Kühlungsanordnung 30 gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Die Röntgenröhre 10 weist ein Vakuumgehäuse 12 auf,
das eine Kathode 14 und einen Abschnitt einer Anode 16 umschließt. Die
Kathode 14 wird mit Hochspannung betrieben und emittiert
in Richtung der Anode 16 einen Elektronenstrahl. Die Anode 16 empfängt den
Elektronenstrahl von der Kathode 14 und erzeugt Röntgenstrahlen,
die durch ein in der Röntgenröhre 10 angeordnetes
Fenster gelenkt werden. Zu der Anode 16 gehören vorzugsweise
ein rotierendes Target 18, eine Welle 20, die
sich axial von einer Seite des rotierenden Targets 18 aus
erstreckt, und ein Rahmen 22, der sich um die Welle 20 erstreckt
und mit dieser über
mehrere Lager 24 verbunden ist. Der Rahmen 22 ist
vorzugsweise mit dem Vakuumgehäuse 12 verbunden.
Die Röntgenröhre 10 enthält ferner
eine Anodenantriebsanordnung 26, um das Anodentarget 18 um
eine Rotationsachse drehend anzutreiben. Die Anodenantriebsanordnung 26 ist
vorzugsweise ein mit hohem Wirkungsgrad arbeitender Induktionsmotor,
der mit der Anode 16 verbunden ist.
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Die
Kühlungsanordnung 30 ist
um einen Abschnitt der Röntgenröhre 10 angeordnet.
Die Kühlungsanordnung 30 enthält vorzugsweise
einen rotierenden Körper 32,
der um einen Abschnitt eines stationären Körpers 34 der Röntgenröhre 10 po sitioniert
ist, und wenigstens einen Kühlfluidkreislauf 36,
der wenigstens ein Kühlfluid 38 enthält, das
zwischen dem rotierenden Körper 32 und
dem stationären
Körper 34 angeordnet
ist. Der rotierende Körper 32 ist
vorzugsweise mit einer Drehkörperantriebsanordnung 40 verbunden,
um den rotierenden Körper 32 um
eine Rotationsachse drehend anzutreiben. Die Drehkörperantriebsanordnung 40 ist vorzugsweise
mit dem rotierenden Körper 32 über eine
Welle 42 verbunden, die an einem geschlossenen Ende 54 des
rotierenden Körpers 32 befestigt
ist, um den rotierenden Körper 32 um
den stationären
Körper 34 der
Röntgenröhre herum
drehend anzutreiben. Die Kühlungsanordnung 30 ist
vorzugsweise an einer Stützanordnung 44 befestigt,
um den rotierenden Körper 32 an
der Röntgenröhre zu lagern.
Die Stützanordnung 44 weist
vorzugsweise wenigstens einen Kühlfluideinlass 46 und
wenigstens einen Kühlfluidauslass 48 für den wenigstens
einen Kühlfluidkreislauf 36 und
für die
Strömung
des wenigstens einen Kühlfluids 38 auf.
Die Stützanordnung 44 kann
beliebig konstruiert sein, um einen rotierenden Körper an
einem feststehenden Körper
zu lagern.
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Zu
dem stationären
Körper 34 gehören vorzugsweise
ein an der Röntgenröhre angeordnetes
Vakuumgehäuse,
ein Röntgenröhrenrahmen,
der Röntgenröhrenkomponenten
trägt,
und/oder ein Anodenrahmen, der die Anode trägt. Der rotierende Körper 32 basiert
vorzugsweise auf einer Scheibe, einem hohlen zylindrisch geformten
Körper
oder einer Kombination davon, oder auf einer beliebigen ähnlichen
Konstruktion. Der rotierende Körper 32 weist
vorzugsweise eine Außenfläche 50,
eine Innenfläche 52,
an einem seiner Enden ein geschlossenes Ende 54 und an
seinem entgegengesetzten Ende ein offenes Ende 56 auf.
Der rotierende Körper 34 weist
vorzugsweise ferner einen Flansch 58 auf, der sich nach
außen
und radial von einem Rand 60 des offenen Endes 56 weg
erstreckt, um die Strömung
des wenigstens einen Kühlfluids 38 durch
den wenigstens einen Kühlfluidkreislauf 36 hindurch
zu fördern.
Der rotierende Körper 32 weist
vorzugsweise wenigstens ein Öffnung 62 auf,
die sich durch dessen geschlossenes Ende 54 hindurch erstreckt,
um dem wenigstens einen Kühlfluid 38 zu
erlauben, zwischen dem rotierenden Körper 32 und dem stationären Körper 34 zu
strömen.
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Der
wenigstens eine Kühlfluidkreislauf 36 ist
dazu eingerichtet, das wenigstens eine Kühlfluid 38 zwischen
dem rotierende Körper 32 und
dem stationäre
Körper 34 zirkulieren
zu lassen. Der wenigstens eine Kühlfluidkreislauf 36 ermöglicht es
dem wenigstens einen Kühlfluid 38,
durch einen offenen Bereich 64 zwischen dem rotierenden
Körper 32 und
dem stationären
Körper 34 zu
zirkulieren. Das um eine Außenfläche 66 des
stationären
Körpers 34 strömende wenigstens
eine Kühlfluid 38 entzieht
der Röntgenröhre Wärme. Das wenigstens
eine Kühlfluid 38 kann
in dem Kreislauf durch einen (nicht gezeigten) Wärmetauscher geleitet werden,
um von dem wenigstens einen Kühlfluid 38 Wärme in die
Umgebung abzuführen
und in dem Kreislauf in die Röntgenröhre zurückgeführt zu werden.
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Die
Drehkörperantriebsanordnung 40 kann
entweder ein eine einzige Phase aufweisender oder ein Dreiphasen-Induktionsmotor sein,
der über
die Welle 42 unmittelbar mit dem rotierenden Körper 32 verbunden ist.
Dieser Induktionsmotor kann ein Motor mit konstanter oder mit variabler
Drehzahl sein, um den rotierenden Körper 32 mit konstanter
bzw. mit variabler Drehgeschwindigkeit anzutreiben. Die zum Antrieb
des rotierenden Körpers
erforderliche Leistung hängt
von dem Radius des rotierenden Körpers
und von der Frequenz ab. Der rotierende Körper kann in Abhängigkeit
von der Leistung, von der gewünschten
Abkühlrate
und der Röntgenröhrenkonstruktion im
Bereich von etwa 5000 bis 10000 U/min drehend angetrieben werden.
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Die
Anodenantriebsanordnung 26 und die Drehkörperantriebsanordnung 40 können miteinander
synchronisiert sein oder können
voneinander unabhängig
laufen, wobei die Drehkörperantriebsanordnung 40 ein mikrocontrollergestütztes Antriebssystem
aufweist, das die Drehzahl des Elektromotors in Abhängigkeit
von der Temperatur des wenigstens einen Kühlfluids ändern kann.
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Die
Kühlungsanordnung 30 weist
ferner mehrere Strömungs-1eitflächen oder
-nuten 68 oder eine beliebige sonstige ähnliche Konstruktion auf, die
entweder auf der Innenfläche 52 des
rotierenden Körpers 32 oder
auf der Außenfläche 66 des
stationären
Körpers 34 ausgebildet
ist, um die Strömung
des wenigstens einen Kühlfluids 38 durch
den Kühlfluidkreislauf 36 hindurch
zu fördern.
Die Strömungsleitflächen oder
-nuten 68 erstrecken sich vorzugsweise nach innen und radial
von der Innenfläche 52 des
rotierenden Körpers 32 weg und/oder
erstrecken sich nach außen
und radial von der Außenfläche 66 des
stationären
Körpers 34 weg.
In dem wenigstens einen Kühlfluid 38 wird
zwischen dem rotierenden Körper 32 und
dem stationären
Körper 34 aufgrund
der Scherkräfte,
die durch Strömungsleitflächen oder
-nuten 68 auf das wenigstens eine Kühlfluid 38 ausgeübt werden,
ein örtliches
Turbulenzströmungsfeld
erzeugt. Eine solche örtliche
Turbulenz führt
zu sehr hohen Konvektionskoeffizienten. Diese hohen Konvektionskoeffizienten
stellen eine hohe Wärmeabfuhrrate
sicher. Die Rotation des rotierenden Körpers 32 um den stationären Körper 34 bewirkt
ein Druckgefälle,
das in Verbindung mit den Strömungsleitflächen oder
-nuten 68 die Strömung
des wenigstens einen Kühlfluids 38 um den
stationären
Körper 34 fördert.
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In
dem in 1 veranschaulichten Ausführungsbeispiel weist die Röntgenröhre 10 optional
einen in der Anode 16 und dem Anodentarget 18 angeordneten
zweiten Kühlfluidkreislauf 70 auf,
der ein zweites Kühlfluid 72 in
einen in der Anode 16, dem Anodentarget 18 und
dem Rahmen 22 gebildeten offenen Bereich 74 liefert.
Das zweite Kühlfluid 72 füllt den
in der Anode 16, dem Anodentarget 18 und den Rahmen 22 angeordneten
offenen Bereich 74 aus und umgibt die Welle 20 und
die mehreren Lager 24, um die Röntgenröhre zu kühlen. Dieser zweite Kühlfluidkreislauf 70 kann
ferner wenigstens einen Kühlfluideinlass 76 und
wenigstens einen Kühlfluidauslass 78 aufweisen.
Der wenigstens eine Kühlfluideinlass 76 ist
vorzugsweise mit einer Dichtung 96 abgedichtet. Desgleichen
ist der wenigstens eine Kühlfluidauslass 78 vorzugsweise
mit einer Dichtung 98 abgedichtet.
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Beispielsweise
ist die Kühlungsanordnung
mit wenigstens einem Kühlfluidkreislauf
versehen, der wenigstens einen Kühlfluideinlass
und wenigstens einen Kühlfluidauslass
aufweist, durch den wenigstens ein Kühlfluid zirkuliert wird. Die
möglichen
Kühlfluide
für den
Einsatz in dem wenigstens einen oder mehreren Kühlfluidkreisläufen dieser
Erfindung können
auf Luft, Wasser, Fluorcarbonflüssigkeiten
(FC-75, FC-77, usw.),
Mineralöl,
Transformatoröl,
sonstigen Ölen,
Flüssigmetallen,
Galliumlegierungen oder vielfältigen
organischen Flüssigkeiten,
z.B. organischen Flüssigkeiten
der Marke Dowtherm®, usw. basieren. Das wenigstens
eine Kühlfluid
kann abhängig
von der Konstruktion in dem Kreislauf durch einen Wärmetauscher
geleitet werden, der von dem wenigstens einen Kühlfluid Wärme an die Umgebung abführt und
das wenigstens eine Kühlfluid in
die Röntgenröhre zurückgibt,
wo es weiter zur Kühlung
dient.
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2 veranschaulicht
eine geschnittene Teilansicht einer Röntgenröhre 110 mit einer
Kühlungsanordnung 130 gemäß noch einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Zu der Röntgenröhre 110 gehört ein Rahmen 128,
der eine Kathode 114, einen Abschnitt einer Anode 116 und
einen Rahmen 194 zum Auffangen rückgestreuter Elektronen umschließt. Die
Anode 116 umfasst vorzugsweise ein rotierendes Target 118,
eine Welle 120, die mit einer Seite des rotierenden Targets 118 verbunden
ist, eine Anodenantriebsanordnung 126, die über mehrere
Lager 124 mit der Welle 120 verbunden ist, um
das Anodentarget 118 um eine Rotationsachse drehend anzutreiben,
und einen Anodenrahmen 122, der sich um die Anode 116 und
die Anodenantriebsanordnung 126 erstreckt. Der Anodenrahmen 122 ist
vorzugsweise mit der Anodenantriebsanordnung 126, einer
Trägerplatte 180 und
dem Rahmen 128 verbunden. Die Anodenantriebsanordnung 126 basiert
vorzugsweise auf einem mit hohem Wirkungsgrad arbeitenden Induktionsmotor,
der einen mit der Welle 120 verbundenen Stator 182 aufweist.
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Die
Kühlungsanordnung 130 umfasst
vorzugsweise einen rotierenden Körper 132,
der um die Anodenantriebsanordnung 126 und den Anodenrahmen 122 positioniert
ist, und mindestens zwei Kühlfluidkreisläufe 136, 170.
Der rotierende Körper 132 ist
vorzugsweise mit einer Drehkörperantriebsanordnung 140 verbunden, die
dazu dient, den rotierenden Körper 132 um
eine Rotationsachse drehend anzutreiben. Die Drehkörperantriebsanordnung 140 ist
vorzugsweise mit dem rotierenden Körper 132 über eine
Welle 142, verbunden, die an einem geschlossenen Ende 154 des
rotierenden Körpers 132 befestigt
ist, um den rotierenden Körper 132 um den
Anodenrahmen 122 herum drehend anzutreiben. Die Kühlungsanordnung 130 ist
vorzugsweise an einer Stützanordnung 144 angebracht,
um den rotierenden Körper 132 auf
der Röntgenröhre zu lagern.
Die Stützanordnung 144 weist
vorzugsweise wenigstens einen Kühlfluideinlass 146 und
wenigstens einen Kühlfluidauslass 148 für einen
zweiten Kühlfluidkreislauf 136 und
für die
Strömung
eines zweiten Kühlfluids 138 auf.
Die Stützanordnung 144 kann
beliebig konstruiert sein, um einen rotierenden Körper auf
einem feststehenden Körper
zu lagern.
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Der
rotierende Körper 132 ist
vorzugsweise ein hohler Zylinder mit einer Außenfläche 150, einer Innenfläche 152,
einem an einem seiner Enden geschlossenen Ende 154 und
einem an seinem entgegengesetzten Ende offenen Ende 156.
Der rotierende Körper 132 weist
ferner vorzugsweise wenigstens eine Öffnung 162 auf, die
sich durch dessen geschlossenes Ende 154 hindurch, erstreckt,
um dem zweiten Kühlfluid 138 zu
erlauben, zwischen dem rotierenden Körper 132 und dem Anodenrahmen 122 zu
strömen.
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Der
erste Kühlfluidkreislauf 170,
der in dem Anodenrahmen 122 angeordnet ist und die Anodenantriebsanordnung 126 umgibt,
liefert ein erstes Kühlfluid 172 in
einen offenen Bereich 174 zwischen dem Anodenrahmen 122 und
der Anodenantriebsanordnung 126, wobei der Stator 182 des
mit hohem Wirkungsgrad arbeitenden Induktionsmotors der Anodenantriebsanordnung 126 von
dem ersten Kühlfluid 172 umflutet
wird. Der zweite Kühlfluidkreislauf 136 ist
dazu eingerichtet, ein zweites Kühlfluid 138 zwischen
dem rotierenden Körper 132 und
dem Anodenrahmen 122 zirkulieren zu lassen. Der zweite
Kühlfluidkreislauf 136 ermöglicht es dem
zweiten Kühlfluid 138 durch
einen offenen Bereich 164 zwischen dem rotierenden Körper 132 und
dem Anodenrahmen 122 zu zirkulieren. Das um die Trägerplatte 180,
eine Außenfläche 166 des
Anodenrahmens 122 und den Stator 182 strömende zweite
Kühlfluid 138 entzieht
der Röntgenröhre Wärme. Das
zweite Kühlfluid 138 kann in
dem Kreislauf durch einen (nicht gezeigten) Wärmetauscher geleitet werden,
um von dem zweiten Kühlfluid 138 Wärme in die
Umgebung abzuführen.
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Die
Drehkörperantriebsanordnung 140 kann
entweder ein eine einzige Phase aufweisender oder ein Dreiphasen-Induktionsmotor sein,
der über
die Welle 142 unmittelbar mit dem rotierenden Körper 132 verbunden
ist. Dieser Induktionsmotor kann ein Motor mit konstanter oder mit
variabler Drehzahl sein, um den rotierenden Körper 132 mit konstanter
bzw. mit variabler Drehgeschwindigkeit anzutreiben. Die Anodenantriebsanordnung 126 und
die Drehkörperantriebsanordnung 140 können miteinander
synchronisiert sein oder können voneinander
unabhängig
laufen, wobei die Drehkörperantriebsanordnung 140 ein
mikrocontrollergestütztes Antriebssystem
aufweist, das die Drehzahl des Elektromotors in Abhängigkeit
von der Temperatur des Kühlfluids
variieren kann.
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Die
Kühlungsanordnung 130 weist
ferner mehrere Strömungsleitflächen oder
-nuten 168 auf, die entweder auf der Innenfläche 152 des
rotierenden Körpers 132 oder
auf der Außenfläche 166 des
Anodenrahmens 122 ausgebildet sind, um die Strömung des
zweiten Kühlfluids 138 durch
den zweiten Kühlfluidkreislauf 136 hindurch
zu fördern.
Die Strömungsleitflächen oder
-nuten 168 erstrecken sich vorzugsweise nach innen und
radial von der Innenfläche 152 des
rotierenden Körpers 132 weg
und/oder erstrecken sich nach außen und radial von der Außenfläche 166 des
Anodenrahmens 122 weg.
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Der
rotierende Körper 132 rotiert
um den Anodenrahmen 122, der die von dem ersten Kühlfluid 172 umflutete
Anodenantriebsanordnung 126 enthält. In diesem Ausführungsbeispiel
wird der Stator 182 auch durch den zweiten Kühlfluidkreislauf 136 und
das zweite Kühlfluid 138 gekühlt. Das
zweite Kühlfluid 138 strömt zwischen
dem rotierenden Körper 132 und
dem Anodenrahmen 122 über
die Trägerplatte 180,
die Außenfläche 166 des
Anodenrahmens 122 und den Stator 182. Aufgrund
der Rotation des rotierenden Körpers 132, entsteht
ein Druckgefälle,
das den Strom des zweiten Kühlfluids 138 durch
den zweiten Kühlfluidkreislauf 136 hindurch
fördert.
Die Strömungsleitflächen oder
-nuten 168 steigern außerdem
die Strömungsrate
des zweiten Kühlfluids 138 durch
den zweiten Kühlfluidkreislauf 136.
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Wie
oben erwähnt,
stellen die Ausführungsbeispiele
von 2 die Verwendung von mindestens zwei Kühlfluidkreisläufen und
mindestens zwei Kühlfluiden
bereit. Die möglichen
Kühlfluide
zum Einsatz in den Kühlfluidkreisläufen können auf
Luft, Wasser, Fluorcarbonflüssigkeiten
(FC-75, FC-77, usw.), Mineralöl,
Transformatoröl,
sonstigen Ölen,
Flüssigmetallen,
Galliumlegierungen oder vielfältigen
organischen Flüssigkeiten, z.B.
organischen Flüssigkeiten
der Marke Dowtherm®, und dergleichen basieren.
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In
noch einem Ausführungsbeispiel
von 2 gehören
zu einer Kühlungsanordnung
ein erster Kühlfluidkreislauf
mit einem ersten Kühlfluid,
das in einem Kreislauf über
einen Stator geleitet werden kann, eine Anodenantriebsanordnung,
eine in einem Röntgenröhrenrahmen
angeordnete Trägerplatte,
ein Fenster in einer Röntgenröhre und
ein Kathodenrahmen einer Röntgenröhre. Der
erste Kühlfluidkreislauf
weist wenigstens einen Kühlfluideinlass
in dem Röntgenröhrenrahmen
auf, der mit einer Dichtung in dem Röntgenröhrenrahmen abgedichtet ist.
Das erste Kühlfluid
füllt einen
offenen Bereich zwischen dem Röntgenröhrenrahmen
und der Anodenantriebsanordnung. Die Kühlungsanordnung weist ferner
einen zweiten Kühlfluidkreis lauf
mit einem zweiten Kühlfluid
auf, das in einem Kreislauf zwischen einem rotierenden Körper und
dem Röntgenröhrenrahmen
geleitet werden kann. Der zweite Kühlfluidkreislauf weist wenigstens
einen Kühlfluideinlass
und wenigstens einen Kühlfluidauslass
auf, um das zweite Kühlfluid
durch den zweiten Kühlfluidkreislauf
und durch einen Wärmetauscher
zirkulieren zu lassen, um Wärme
von dem zweiten Kühlfluid
in die Umgebung abzuführen.
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3 veranschaulicht
eine geschnittene Teilansicht einer Röntgenröhre 210 mit einer
Kühlungsanordnung 230 gemäß noch einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. In diesem Ausführungsbeispiel weist die Röntgenröhre 210 ein
Vakuumgehäuse 212 auf,
das eine Kathode 214 und einen ersten Abschnitt 284 einer
Anode 216 umschließt.
Die Anode 216 ist vorzugsweise stationär und weist zusätzlich zu
dem ersten Abschnitt 284 einen zweiten Abschnitt 286 auf,
der sich durch eine Öffnung 288 in
dem Vakuumgehäuse 212 nach
außen
erstreckt. Der zweite Abschnitt 286 der Anode 216 weist
vorzugsweise mehrere kreisförmige
Vorsprünge 290 auf,
die sich von einem Grundkörper 292 der
Anode 216 aus radial nach außen erstrecken.
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Die
Kühlungsanordnung 230 enthält vorzugsweise
einen rotierenden Körper 232,
der um die mehreren kreisförmigen
Vorsprünge 290 rotiert,
die sich von dem zweiten Abschnitt 286 der Anode 216 aus
erstrecken. Die Kühlungsrate
der Röntgenröhre 210 wird
durch die Bereitstellung des rotierenden Körpers 232 erheblich gesteigert,
der durch einen (nicht gezeigten) mit variabler Drehzahl betriebenen
Motor angetrieben wird, der den rotierenden Körper um die Anzahl kreisförmiger Vorsprünge 290 drehend
antreibt. Die Kühlungsanordnung 230 kann
optional einen Kühlfluidkreislauf 236 mit
einem Kühlflu id 238 aufweisen,
das zwischen dem rotierenden Körper 232 und
den mehreren kreisförmigen
Vorsprüngen 290 strömt. Die
Kühlung
kann aufgrund von natürlicher
Konvektion oder mittels erzwungener Konvektion erfolgen. Die Rotationsgeschwindigkeit
des rotierenden Körpers 232 kann
in Abhängigkeit
von der gewünschten
Kühlungsrate
variiert werden. Diese gesteigerte konvektive Kühlung wird bewirkt, indem in
dem rotierenden Körper 232,
wie in den vorangehenden Ausführungsbeispielen
beschrieben, ein örtliches
turbulentes Strömungsfeld
erzeugt wird.
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Der
rotierende Körper 232 ist
vorzugsweise ein hohler Zylinder mit einer Außenfläche 250, einer Innenfläche 252,
einem an einem seiner Enden geschlossenen Ende 254 und
einem an seinem entgegengesetzten Ende offenen Ende 256.
Der rotierende Körper 232 weist
vorzugsweise ferner wenigstens eine Öffnung 262 auf, die
sich durch dessen geschlossenes Ende 254 hindurch erstreckt,
um dem Kühlfluid 238 zu erlauben,
innerhalb des rotierenden Körpers 232 und
der mehreren kreisförmigen
Vorsprünge 290 zu
strömen.
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An
vielfältigen
Ausführungsbeispielen
der Erfindung wurden mittels im Handel erhältlicher Computer-Wärmeübertragungscodes
(IDEE ESC) vorbereitende Simulationen durchgeführt, wobei von einem Fluidvolumen
ausgegangen wurde, das eine äußere rotierende
Begrenzung und eine innere nicht rotierende Begrenzung aufwies,
wobei eine wesentliche Steigerung der Konvektionskoeffizienten und
der Wärmeabfuhrraten
gegenüber
Konstruktionen aus dem Stand der Technik beobachtet wurde.
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Zu
den Vorteilen der Erfindung zählen:
1) geringere Anoden- und Targettemperaturen, was Brennfleckschmelzen
und die Verdunstung von Anodenlagerschmierstoffen vermeidet; 2)
geringere Anodenabkühlzeiten, mit
der Folge eines effizienten Wärmemanagements
und eines besseren Wirkungsgrads der Röntgenröhre; und 3) die Fähigkeit,
im Falle des Einsatzes in Systemen der Computertomographie-(CT)
und der vaskulären medizinischen
Bildgebung höhere
Spitzenleistungslasten zu bewältigen.
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Vielfältige Ausführungsbeispiele
dieser Erfindung schaffen eine Kühlungsanordnung
für eine
Röntgenröhre und
die sich ergebende Röntgenröhre, die
die Kühlungsanordnung
verwendet, wie sie hier beschrieben ist. Allerdings sind die Ausführungsbeispiele
nicht darauf beschränkt
und können
in Verbindung mit anderen rotierenden (CT-, vaskulären) Anodenröntgenröhrenkonfigurationen
und winzigen Röhrenköpfen stationärer Anoden
verwendet werden. Die Anwendung der Erfindung kann auf andere Gebiete,
beispielsweise die industrielle Bildgebung usw., ausgedehnt werden.
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Es
ist eine Kühlungsanordnung 30 für eine Röntgenröhre 10 mit
einem stationären
Körper 34 geschaffen,
wobei zu der Anordnung ein rotierender Körper 32 gehört, der
wenigstens um einen Abschnitt des stationären Körpers 34 herum angeordnet
ist, und wenigstens einen Kühlfluidkreislauf 36 aufweist,
der wenigstens ein durch diesen strömendes Kühlfluid 38 enthält. Der
Kühlfluidkreislauf 36 ist
vorzugsweise zwischen dem rotierenden Körper 32 und dem stationären Körper 34 angeordnet,
wobei das Kühlfluid 38 zwischen
dem rotierenden Körper 32 und
dem stationären
Körper 34 strömt.
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Während die
Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben
wurde, wird dem Fachmann einleuchten, dass an den Ausführungsbeispielen
gewisse Substitutionen, Abänderungen
und Auslassungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang
der Erfindung abzuweichen. Dementsprechend ist die vorausgehende
Beschreibung lediglich als exemplarisch anzusehen, und sollte den
Schutzumfang der Erfindung, wie er in den nachfolgenden Ansprüche dargelegt
ist, nicht begrenzen.
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