DE102011004220B4 - Röntgenstrahlersystem und medizinisches Röntgen-Bildgebungssystem mit zwei Kühlvorrichtungen - Google Patents

Abstract

Kühlmittelgekühltes Röntgenstrahlersystem mit einem eine Kathode (210), eine Anode (380) und ein Austrittsfenster (360) umfassenden Röntgenstrahler (100), gekennzeichnet durch, – eine erste Kühlvorrichtung (110) mit einem ersten Kühlkreislauf, die Wärme von der Anode (380) und dem Austrittsfenster (360) abführt, und – eine von der ersten Kühlvorrichtung getrennte zweite Kühlvorrichtung (120) mit einem zweiten Kühlkreislauf, die Wärme von der Kathode (210) abführt.

Description

• Die Erfindung betrifft ein kühlmittelgekühltes Röntgenstrahlersystem mit einem Röntgenstrahler und zwei Kühlkreisläufen sowie ein das Röntgenstrahlersystem umfassendes medizinisches Röntgen-Bildgebungssystem.
• Ein Röntgenstrahlersystem besteht typischerweise aus einem Röntgenstrahler und einer mit dem Röntgenstrahler verbundenen Kühlvorrichtung. Der Röntgenstrahler besteht in der Regel aus einer evakuierten Röntgenröhre und einem die Röntgenröhre umgebenden Röntgenstrahlergehäuse.
• Zum Betrieb des Röntgenstrahlers muss der Röntgenröhre Hochspannung zugeführt werden. Die Zuführung der Hochspannung beginnend von den Anschlüssen des Strahlergehäuses durch das Innere an die dafür vorgesehenen Kontakte der Röntgenröhre muss entsprechenden elektrischen Isolationsanforderungen genügen, da das Strahlergehäuse üblicherweise auf Massepotenzial liegt.
• Während des Betriebs der Röntgenröhre entsteht an verschiedenen Stellen der Röntgenröhre Wärme, die in Summe nahezu der gesamten eingespeisten elektrischen Energie entspricht und durch Kühlung abgeführt werden muss. Insbesondere entsteht Wärme im Bereich der Kathode, dem Bereich des thermisch beheizten Elektronenemitters, dem Bereich des Austrittsfensters, der durch die unmittelbare Nähe zum Brennfleck hauptsächlich durch Streuelektronen beheizt wird sowie im Bereich, in dem die Wärme aus der Anode abgeführt wird. Je nach konkreter Ausführung des Röntgenstrahlersystems können auch weitere Bereiche mit einem Bedarf an Kühlung existieren.
• Besonderes Augenmerk muss in der Regel auf die Kühlung im Bereich des Austrittsfensters der Vakuumhülle gelegt werden, weil hier ein hoher Wärmeeintrag oftmals in Form einer Wechselbelastung in einer Struktur auftritt, die konstruktionsbedingt aus vakuumtragenden Verbindungen eines dünnen Fensters mit dem Rest der Vakuumhülle besteht.
• Aus der US 2008/0069293 A1 ist bekannt, zur Wärmeabfuhr ein Kühlmittel zu verwenden, das das Strahlergehäuse ganz oder in Teilen durchströmt und mit einem Kühlsystem einen Kreislauf bildet. Dabei muss das Kühlmittel die oben beschriebenen elektrischen Isolationsanforderungen erfüllen. Insbesondere muss eine Potentialtrennung von die Hochspannung führenden Leitungen oder Flächen der Röntgenröhre gewährleistet werden. Andererseits muss eine effiziente Wärmeabfuhr von den oben beschriebenen Wärmequellen erfolgen.
• Weitere Anforderungen ergeben sich aus einer erforderlichen Verträglichkeit des eingesetzten Kühlmittels im Fehlerfall, beispielsweise bei Leckage und Austritt des Mediums, der Kompatibilität des Kühlmediums mit den im Kühlkreislauf eingesetzten Materialien, der thermischen Stabilität sowie der Beständigkeit gegen Röntgenstrahlung.
• Deshalb kommen, insbesondere bei einfachen Röntgenstrahlern, häufig elektrisch isolierende Kühlmittel, wie z. B. Transformatorenöle, zum Einsatz, da sie mit ihren Materialeigenschaften den bestmöglichen Kompromiss bezüglich der oben aufgeführten Anforderungen darstellen. Sie gewährleisten in Kombination mit entsprechenden konstruktiven Maßnahmen die Potenzialtrennung an den kritischen die Hochspannung führenden Stellen sowie ermöglichen einen Abtransport der Wärme über die durch die Umwälzung im Kühlkreislauf erzwungene Konvektion. Ein Nachteil der Verwendung dieser bekannten Kühlmittel ist die typischerweise geringe Kühleigenschaft wegen des geringen Wärmeübergangskoeffizienten und wegen der geringen spezifische Wärmekapazität.
• Insbesondere für Röntgenstrahlersysteme mit höheren Betriebsleistungen sind auch komplexere Ausführungen des Kühlkreislaufes bekannt. So offenbart die US 6 977 991 B1 , dass durch konstruktiv erzwungene Führung des Kühlmittels die Kühlleistung an kritischen Stellen innerhalb des Röntgenstrahlergehäuses erhöht werden kann. Zu diesen Stellen zählen typischerweise das für Röntgenstrahlen transparente Austrittsfenster des Vakuumgehäuses oder, wenn die Röntgenröhre konstruktiv eine Verengung zwischen Kathodenbereich und Anodenbereich aufweist, der Taillenbereich der Röhrenhülle.
• In der Patentschrift EP 1 707 036 B1 wird eine Kühlvorrichtung für eine Röntgenröhre offenbart, wobei durch zwei Zuflusslinien ein Kühlmittel der Röntgenröhre zugeführt wird und durch eine Abflusslinie das Kühlmittel die Röntgenröhre wieder verlässt.
• Inder Offenlegungsschrift JP 2003 142 016 A wird eine zwangsgekühlte Röntgenröhre offenbart. Durch eine geeignete Schirmstruktur wird die Kühlwirkung der Kühlvorrichtung verbessert.
• Es ist Aufgabe der Erfindung eine verbesserte Kühlvorrichtung für Röntgenstrahlersysteme anzugeben.
• Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe mit dem Röntgenstrahlersystem des unabhängigen Patentanspruchs gelöst.
• Die Erfindung beansprucht ein kühlmittelgekühltes Röntgenstrahlersystem mit einem eine Kathode, eine Anode und ein Austrittsfenster umfassenden Röntgenstrahler. Das System besitzt zur Abfuhr der Verlustwärme eine erste Kühlvorrichtung, die Wärme von der Anode und dem Austrittsfenster abführt, und eine zweite Kühlvorrichtung, die Wärme von der Kathode abführt. Die Erfindung bietet den Vorteil, die Kühlung eines Röntgenstrahlers zu optimieren, indem für unterschiedliche Bereiche des Röntgenstrahlers je nach Anforderung Kühlmittel mit hohen elektrischen Isolationseigenschaften oder mit hoher Kühlkapazität zum Einsatz kommen können. Außerdem können die beiden Kühlkreisläufe dem Wärmeabfuhrbedarf entsprechend unterschiedlich ausgelegt werden.
• In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die erste Kühlvorrichtung ein erstes Gehäuse, das im Wesentlichen den Bereich des Röntgenstrahlers umschließt, in dem die Anode und das Austrittsfenster angeordnet sind.
• in einer weiteren Ausführungsform umfasst die zweite Kühlvorrichtung ein zweites Gehäuse, das im Wesentlichen den Bereich des Röntgenstrahlers umschließt, in dem die Kathode angeordnet ist.
• Des Weiteren kann sich ein erstes Kühlmittel innerhalb des ersten Gehäuses befinden.
• In einer Weiterbildung kann das erste Kühlmittel ein Wasser-Glykol-Gemisch sein. Dadurch ist eine leistungsfähige Wärmeabfuhr möglich.
• In einer weiteren Ausführungsform kann sich ein zweites Kühlmittel innerhalb des zweiten Gehäuses befinden.
• Bevorzugt kann das zweite Kühlmittel eine hohe elektrische Isolierung aufweisen.
• Außerdem kann das zweite Kühlmittel ein Transformatorenöl sein. Dies erfüllt die hohen Isolationsanforderungen im Bereich der Kathode.
• In einer Weiterbildung der Erfindung ist die erste Kühlvorrichtung als aktiver Kühlkreislauf mit einem Wärmetauscher ausgebildet.
• In einer weiteren Ausführungsform besitzt das erste Gehäuse einen Kühlmitteleinlass und einen Kühlmittelauslass.
• Des Weiteren kann das erste Kühlmittel durch den Kühlmitteleinlass in das erste Gehäuse eintreten und durch den Kühlmittelauslass das erste Gehäuse verlassen.
• In einer weiteren Ausführungsform kann die zweite Kühlvorrichtung als passiver, geschlossener Kühlkreislauf ohne Wärmetauscher ausgebildet sein.
• Bevorzugt können das erste Gehäuse und das zweite Gehäuse eine gemeinsame Trennwand aufweisen, durch die Wärme von der zweiten Kühlvorrichtung an die erste Kühlvorrichtung abgebbar ist.
• Die Erfindung beansprucht auch ein medizinisches Röntgen-Bildgebungssystem mit einem erfindungsgemäßen Röntgenstrahlersystem.
• Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen eines Ausführungsbeispiels anhand einer schematischen Zeichnung ersichtlich.
• Es zeigt:
• Figur: ein Röntgenstrahlersystem mit einer ersten und einer zweiten Kühlvorrichtung.
• Die Figur zeigt ein Röntgenstrahlersystem mit einem Röntgenstrahler 100 und erfindungsgemäß mit einer ersten Kühlvorrichtung 110 und einer zweiten Kühlvorrichtung 120. Der Röntgenstrahler 100 umfasst eine Kathode 210, eine Drehanode 380, ein Austrittsfenster 360 und ein Ablenkmagnetsystem 230. Im Bereich der Kathode 210 bestehen hohe Anforderungen an die elektrische Isolation, es wird aber nur ein geringer Teil der gesamten Verlustwärme des Röntgenstrahlers 100 erzeugt. Im Bereich der Drehanode 380 und des Austrittsfensters 360 entsteht der größte Teil der Verlustwärme des Röntgenstrahlers 100, aber insbesondere bei unipolaren Röntgensystemen bestehen keine Anforderungen bezüglich der Hochspannungsisolation.
• Die erste Kühlvorrichtung 110 ist als aktiver, geschlossener Kühlkreislauf ausgebildet. Über einen Kühlmitteleinlass 310 in dem ersten Gehäuse 300 der ersten Kühlvorrichtung 110 strömt ein kaltes erstes Kühlmittel 330 von einem Rückkühlsystem 400 bzw. Wärmetauscher in das erste Gehäuse 300 ein, erwärmt sich und wird über einen Kühlmittelauslass 320 dem Rückkühlsystem wieder zugeführt. Das erste Kühlmittel 330 hat hohe Kühleigenschaften, wobei keine Anforderungen bezüglich der elektrischen Isolation erfüllt werden müssen. Bevorzugt werden Wasser/Glykol-Gemische oder äquivalente Kühlmittel verwendet.
• Die erste Kühlvorrichtung 110 zeigt eine Zwangsführung des ersten Kühlmittels 330 über Bereiche des Röntgenstrahlers 100 mit einer besonders hohen Wärmeabgabe. Über den Kühlmitteleinlass 310 wird das erste Kühlmittel 330 beispielsweise zunächst in eine mit der Vakuumhülle 350 des Röntgenstrahlers 100 in Kontakt stehende Schildstruktur 370 geführt. Von dort aus gelangt das erste Kühlmittel 330 zu dem Bereich des Austrittsfensters 360, dann zu der Vakuumhülle 350 und von dort aus durch die Lagerung der Drehanode 380. Über den Kühlmittelauslass 320 gelangt das erste Kühlmittel 330 anschließend in das Rückkühlsystem 400 zurück.
• Die zweite Kühlvorrichtung 120 umfasst ein zweites Gehäuse 200 und ist im Gegensatz zu der ersten Kühlvorrichtung 110 als abgeschlossener, passiver Kühlmittelkreis ausgebildet. Die zweite Kühlvorrichtung 120 kommt ohne aktive Umwälzung eines zweiten Kühlmittels 220 aus. Nur durch Eigenkonvektion erfährt das zweite Kühlmittel 220 eine Umwälzung, die gegebenenfalls durch die erhöhte Beschleunigung während einer Gantryrotation in CT Systemen verstärkt wird. Um die hohen elektrischen Isolationsanforderungen im Bereich der Kathode 210 zu erfüllen, wird beispielsweise Transformatorenöl oder ein entsprechendes hochisolierendes Kühlmittel eingesetzt, das lediglich die geringen Kühlanforderungen im Bereich der Kathode 210 erfüllen muss.
• Die Abfuhr der in der Kathode 210 und anderen Wärmequellen wie z. B. eines Ablenkmagnetsystems 230 entstehenden Wärme erfolgt also zunächst durch Konvektion des zweiten Kühlmittels 220 an der Wand des zweiten Gehäuses 200, danach durch Wärmeleitung durch die Wand des zweiten Gehäuses 200 hindurch und anschließend durch äußere Konvektionskühlung des zweiten Gehäuses 200. Zusätzlich kann über eine gemeinsame Trennwand 250 des zweiten Gehäuses 200 mit dem ersten Gehäuse 300 eine Wärmeleitung in die erste Kühlvorrichtung 110 erfolgen.
• Bevorzugt wird obiges Röntgenstrahlersystem bei medizinischen Röntgen-Bildgebungssystemen verwendet. Aber auch andere Anwendungen beispielweise bei der Gepäckkontrolle oder bei der Materialprüfung sind möglich.
• Bezugszeichenliste

100

Röntgenstrahler

110

Erste Kühlvorrichtung

120

Zweite Kühlvorrichtung

200

Zweites Gehäuse

210

Kathode

220

Zweites Kühlmittel

230

Ablenkmagnetsystem

240

Hochspannungsdurchführung

250

Trennwand zwischen zweitem Gehäuses 200 und erstem Gehäuse 300

300

Erstes Gehäuse

310

Kühlmitteleinlass

320

Kühlmittelauslass

330

Erstes Kühlmittel

350

Vakuumhülle

360

Austrittfenster

370

Schildstruktur

380

Drehanode

390

Stator der Drehanode 380

400

Wärmetauscher/Rückkühlsystem

Claims (14)

1. Kühlmittelgekühltes Röntgenstrahlersystem mit einem eine Kathode (210), eine Anode (380) und ein Austrittsfenster (360) umfassenden Röntgenstrahler (100), gekennzeichnet durch, – eine erste Kühlvorrichtung (110) mit einem ersten Kühlkreislauf, die Wärme von der Anode (380) und dem Austrittsfenster (360) abführt, und – eine von der ersten Kühlvorrichtung getrennte zweite Kühlvorrichtung (120) mit einem zweiten Kühlkreislauf, die Wärme von der Kathode (210) abführt.
2. Röntgenstrahlersystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch: – ein erstes Gehäuse (300) der ersten Kühlvorrichtung (110), das den Bereich des Röntgenstrahlers (100) umschließt, in dem die Anode (380) und das Austrittsfenster (360) angeordnet sind.
3. Röntgenstrahlersystem nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch: – ein zweites Gehäuse (200) der zweiten Kühlvorrichtung (120), das den Bereich des Röntgenstrahlers (100) umschließt, in dem die Kathode (210) angeordnet ist.
4. Röntgenstrahlersystem nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch: – ein erstes Kühlmittel (330) innerhalb des ersten Gehäuses (300).
5. Röntgenstrahlersystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kühlmittel (330) ein Wasser-Glykol-Gemisch ist.
6. Röntgenstrahlersystem nach einem der Ansprüche 3 bis 5, gekennzeichnet durch: – ein zweites Kühlmittel (220) innerhalb des zweiten Gehäuses (200).
7. Röntgenstrahlersystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Kühlmittel (220) eine hohe elektrische Isolierung aufweist.
8. Röntgenstrahlersystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Kühlmittel (220) ein Transformatorenöl ist.
9. Röntgenstrahlersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kühlvorrichtung (110) als aktiver Kühlkreislauf ausgebildet und mit einem außerhalb des ersten Gehäuses (300) angeordneten Wärmetauscher oder Rückkühlsystem (400) verbunden ist.
10. Röntgenstrahlersystem nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gehäuse (300) einen Kühlmitteleinlass (310) und einen Kühlmittelauslass (320) umfasst.
11. Röntgenstrahlersystem nach Anspruch 10 und einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kühlmittel (330) durch den Kühlmitteleinlass (310) in das erste Gehäuse (300) eintritt und durch den Kühlmittelauslass (320) das erste Gehäuse (300) verlässt.
12. Röntgenstrahlersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kühlvorrichtung (120) als passiver, geschlossener Kühlkreislauf ohne Wärmetauscher oder Rückkühlsystem ausgebildet ist.
13. Röntgenstrahlersystem nach einem der Ansprüche 3 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gehäuse (300) und das zweite Gehäuse (200) eine gemeinsame Trennwand (250) aufweisen, durch die Wärme von der zweiten Kühlvorrichtung (120) an die erste Kühlvorrichtung (110) abgebbar ist.
14. Medizinisches Röntgen-Bildgebungssystem mit einem Röntgenstrahlersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

Images