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Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung einer Gantry eines Computertomographen. Ein Computertomograph ist zur röntgentechnischen Erzeugung von Schnittbildern, insbesondere in der Medizintechnik, ausgebildet. Ebenso sind Computertomographen in der zerstörungsfreien Materialprüfung einsetzbar.
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Die Gantry eines Computertomographen umfasst ein im Wesentlichen ringförmiges, nicht rotierendes Teil, allgemein als Gantrygehäuse bezeichnet. Das Gantrygehäuse weist allgemein einen festen Tragrahmen auf, an dem Verkleidungselemente oder Strömungsbleche befestigt sind. Am Tragrahmen wiederum ist ein im Betrieb des Computertomographen rotierendes, ebenfalls im Wesentlichen ringförmiges Teil, allgemein als Rotor der Gantry bezeichnet, mittels einer geeigneten Lagerung, beispielsweise Wälzlagerung, gelagert. Alternativ zur direkten Lagerung kann der Rotor auch über einen Kipprahmen und damit kippbar am Tragrahmen befestigt sein. Der Rotor wiederum umfasst einen als Drum bezeichneten Drehrahmen, an dem alle rotierenden Komponenten befestigt sind, insbesondere mindestens ein Röntgenstrahler sowie mindestens ein mit diesem zusammenwirkender Detektor. Der Drehrahmen besteht üblicherweise aus einem Metallguss, insbesondere Aluminiumguss.
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In einem Computertomographen als röntgentechnischem Gerät wird der größte Teil der zum Betrieb des Röntgenstrahlers benötigten elektrischen Leistung in Wärme und nur ein relativ geringer Anteil in Röntgenstrahlung umgesetzt. Aus diesem Grund ist für eine ausreichende Kühlung des Röntgenstrahlers zu sorgen, welche beispielsweise durch eine Luftkühlung in der Gantry realisierbar ist.
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Aus der
DE 10 2005 041 538 B4 ist eine Gantry eines Computertomographen bekannt, welche einen Tragring zur Lagerung eines rotierbaren Drehwagens umfasst, wobei der Tragring einen Kühlkanal zur Zuführung eines Kühlmittels, nämlich Luft, zu dem Drehwagen aufweist. Der Kühlkanal weist eine Mehrzahl an Durchlässen und einen in Umfangsrichtung variierenden Querschnitt auf, wobei der variierende Querschnitt an die im Kühlkanal abnehmende Menge an Kühlmittel anpassbar ist.
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Die
DE 103 04 661 B4 offenbart ein weiteres Verfahren zur Kühlung einer Gantry eines Computertomographen durch Luftkühlung. In diesem Fall ist das Gantrygehäuse mittels eines Lagers an einem stationären Teil des Computertomographen kippbar gelagert. Eine Kühlgaszuführeinrichtung ist dazu vorgesehen, im Bereich des Lagers einen Kühlgasstrom von dem stationären Teil in das Gantrygehäuse zu leiten.
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Die
WO 2008/052735 A1 betrifft ein Kühlmodul, insbesondere zur Kühlung eines medizinischen Gerätes. Auch in diesem Fall kann es sich bei dem medizinischen Gerät um einen Computertomographen handeln, wobei das Kühlmodul die Innenluft in dessen Gantry kühlt. Das Kühlmodul weist einen Gas-Flüssigkeits-Wärmetauscher, einen Ventilator, sowie eine zumindest teilweise in diesen integrierte Steuereinheit auf.
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Aus der
DE 199 45 413 A1 ist eine weitere Kühleinrichtung für eine Gantry eines Computertomographen bekannt, welche mindestens einen von einem flüssigen Medium durchströmten Wärmetauscher aufweist. Bei dem flüssigen Medium kann es sich um ein eine Röntgenstrahlenquelle des Computertomographen umgebendes Kühl- und Isolationsöl handeln. Der Wärmetauscher, welcher insgesamt annähernd eine Ringform hat, ist aus einzelnen quaderförmigen Wärmetauscherelementen zusammengesetzt, wie sie in der Kfz-Industrie verwendet werden.
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Die
DE 2010 013 604 A1 offenbart ebenfalls einen Computertomographen mit Flüssigkeitskühlung. Auf dem Rotor der Gantry des Computertomographen sind mindestens eine Röntgenröhre sowie ein Flüssigkeitskühlsystem angeordnet. Das Flüssigkeitskühlsystem erstreckt sich über verschieden große Abstände von der Rotationsachse, so dass in unterschiedlichem Maße Zentrifugalkräfte auftreten. Zur Druckerhöhung im Kühlsystem ist ein mitrotierendes Ausgleichsvolumen vorgesehen, das durch ein Masseelement derart belastet wird, dass fliehkraftbedingt der Druck auf die Kühlflüssigkeit erhöht wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kühleinrichtung einer Gantry eines Computertomographen gegenüber dem genannten Stand der Technik weiterzuentwickeln, insbesondere platzsparend zu gestalten.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Kühleinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Diese Kühleinrichtung dient der Kühlung einer Gantry eines Computertomographen, welche ein Gantrygehäuse und einen relativ zu diesem rotierbaren, eine Röntgenquelle und mindestens eine Kühlmittelleitung aufweisenden Rotor umfasst, wobei die Kühlmittelleitung als Rohrwicklung am Umfang des Rotors, insbesondere am Umfang des Drehrahmens ausgebildet ist und mehrere parallel zueinander angeordnete, in Tangentialrichtung des Rotors verlaufende Leitungsabschnitte aufweist. Die aus in Tangentialrichtung verlaufenden Leitungsabschnitten aufgebaute Rohrwicklung bildet dabei einen Wärmetauscher, welcher beim Betrieb des Computertomographen Wärme an die Umgebungsluft abgibt. Die durch den Wärmetauscher erwärmte Luft kann beispielsweise aus dem Computertomographen abgeführt und/oder innerhalb des Computertomographen mittels eines weiteren, stationären Wärmetauschers abgekühlt werden.
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Eine besonders platzsparende Gestaltung des Wärmetauschers am Rotor der Gantry ist in Ausführungsformen gegeben, bei denen die in Umfangsrichtung verlaufenden Leitungsabschnitte des Wärmetauschers einlagig am Umfang des Rotors angeordnet sind.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform sind die Leitungsabschnitte mehrlagig am Umfang des Rotors angeordnet. In diesem Fall ist die Kühlleistung im Vergleich zur erstgenannten Ausführungsform bei nur moderatem Mehrbedarf an Bauraum deutlich erhöht.
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In beiden Fällen zeichnet sich der als Röhrenkühler ausgebildete Wärmetauscher aufgrund der möglichen Ausnutzung der gesamten, im wesentlichen zylindrischen Umfangsfläche des Drehrahmens des Rotor als Montagefläche für die den Wärmetauscher bildenden Leitungsabschnitte durch ein großes Speichervolumen und damit insbesondere durch eine sehr hohe kurzfristig aufnehmbare, durch die Röntgenquelle oder Röntgenquellen erzeugte thermische Spitzenleistung aus. Gleichzeitig ist auch die permanent von der als Rohrwicklung ausgebildeten Kühlmittelleitung an die Umgebung abführbare thermische Leistung aufgrund der außenliegenden, den Umfang des Drehrahmen des Rotors zumindest abschnittsweise, bevorzugt vollständig umschließenden, von vorzugsweise flüssigem Kühlmittel durchströmten Leitungsabschnitte außerordentlich hoch. Diese hohe Kühlleistung ermöglicht im Vergleich zum Stand der Technik die Verkürzung von Kühlungspausen oder die vollständige Eliminierung von Kühlungspausen, was mit einer entsprechenden Erhöhung der Nutzungszeit des Computertomographen gleichbedeutend ist.
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Die Röntgenquelle sowie die Kühlmittelleitung sind in montagefreundlicher Weise an dem Drehrahmen des Rotors befestigbar. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung trägt der Drehrahmen eine zwischen der Röntgenquelle und der Kühlmittelleitung liegende Wärmeisolation. Durch diese Wärmeisolation wird der Wärmestrom auf der Rotorseite der Gantry vergleichmäßigt, was insbesondere zu einer Verringerung von thermisch bedingten, die Abbildungsqualität des Computertomographen beeinträchtigenden Geometrieänderungen beiträgt.
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Das Gantrygehäuse weist allgemein einen festen Tragrahmen auf, an dem Verkleidungselemente oder Strömungsbleche befestigt sind. Bei einigen Ausführungsvarianten umfasst der Tragrahmen einen Kipprahmen, dessen Kippachse orthogonal zur Rotationsachse des Rotors ausgerichtet ist.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist der selbst nicht rotierbare Tragrahmen, an welchem der den Röntgenstrahler sowie den mitrotierenden, als außenliegende Rohrwicklung ausgebildeten Wärmetauscher tragende Rotor drehbar gelagert ist, von einem ringförmigen, sich in Axialrichtung – bezogen auf die Rotationsachse der Gantry – zum Rotor hin verjüngenden Kühlluftkanal umgeben. Hierbei erfolgt mittels zumindest eines Lüfters eine Luftzuführung vom Gantrygehäuse zum Rotor der Gantry. Mindestens ein die Luftzuführung bewirkender Lüfter kann entweder außerhalb oder innerhalb der Gantry angeordnet sein. In bevorzugter Weise ist eine Mehrzahl an Lüftern, deren Anzahl an die geforderte Kühlleistung angepasst ist, insgesamt ringförmig im Kühlluftkanal auf der Seite des Kipprahmens, das heißt auf der nicht rotierenden Seite der Gantry, angeordnet. Indem einerseits der ringförmige Kühlluftkanal, soweit er sich auf der nicht rotierenden Seite der Gantry befindet, zu einem beliebigen Grad, bei Bedarf nahezu vollständig, mit Lüftern bestückbar ist und andererseits der rotierende Abschnitt des Kühlluftkanals zu einem hohen Grad mit den eine Rohrwicklung bildende Leitungsabschnitten des Wärmetauschers ausgefüllt ist, wird auf engstem Raum ein hoher Wärmestrom durch die Gantry erzeugt.
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Eine bevorzugte Bauform der Gantry sieht einen Kühlluftkanal vor, welcher, bezogen auf die Rotationsachse des Rotors, einen in Axialrichtung ausgerichteten Kühlluftzufuhrabschnitt am oder im Tragrahmen sowie einen in Radialrichtung ausgerichteten Kühlluftaustrittsabschnitt, der den Rotor der Gantry radial umgibt, aufweist. Abweichend hiervon sind beispielsweise auch Bauformen realisierbar, bei denen die Gantry insgesamt hauptsächlich in Axialrichtung von Kühlluft durchströmbar ist.
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Als Fluid, welches durch die Kühlmittelleitung auf der Rotorseite der Gantry fließt, ist beispielsweise Wasser oder Öl nutzbar. Das im Wärmetauscher strömende Fluid wird vorzugsweise auch direkt zur Kühlung der Röntgenquelle genutzt.
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Bei allen beschriebenen Bauformen der Gantry kann zur Verbesserung des Wärmeübergangs, optional auch zur gezielten Leitung von Kühlluft innerhalb der Gantry, die Kühlmittelleitung thermisch leitend mit Kühllamellen verbunden sein.
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Die beschriebenen Konstruktionsmerkmale der Kühlung, betreffend sowohl den Wärmetauscher als auch dessen umgebende Bauteile, insbesondere Wandungen oder Leitelemente zur Kühlluftleitung, ermöglichen eine sehr flexible, beanspruchungsgerechte Auslegung der Kühlleistung unter Nutzung eines einheitlichen Grundkonzepts, welches stets auf einem gewickelten Rohrwärmetauscher basiert. Einfache Variationsmöglichkeiten sind beispielsweise durch eine Änderung der Anzahl der Windungen des Wärmetauschers oder durch die Verwendung von den Wärmetauscher bildenden Leitungsabschnitten mit geändertem Durchmesser gegeben. Ebenso ist es möglich, am Umfang der Rotor der Gantry entweder nur einen einzigen Wärmetauscher oder eine Mehrzahl an Wärmetauschern anzubringen.
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In jedem Fall ist durch die Anordnung des mindestens einen Röhrenkühlers am Umfang des Rotors flexibel nutzbarer Bauraum stirnseitig am Rotor, das heißt auf dessen Front- und Rückseite geschaffen. Eine Kühlmittelpumpe, an welche die Kühlmittelleitung angeschlossen ist, ist beispielsweise stirnseitig am Rotor angeordnet. Ebenso kann auf einer Stirnseite, insbesondere der Frontseite, der Rotor auch ein Ausgleichsgefäß, welches eine Komponente der Kühleinrichtung darstellt, angeordnet sein. Das Ausgleichsgefäß kann sich jedoch auch auf der dem Tragrahmen zugewandten Rückseite oder am Umfang des Rotors befinden.
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Der Vorteil der Erfindung liegt insbesondere darin, dass durch die Ausbildung eines Wärmetauschers auf der Rotorseite einer Gantry als Rohrwärmetauscher mit in Umfangsrichtung radial außen am Rotor liegenden Kühlmittelleitungen sowohl ein guter Wärmeübergang zu radial außerhalb des Rotors angeordneten Teilen des Computertomographen gegeben als auch der vorhandene Bauraum auf der Rotorseite der Gantry gut ausnutzbar ist.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen, teilweise in grober Vereinfachung:
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1 im Querschnitt ausschnittsweise eine Gantry eines Computertomographen,
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2, 3 in schematischen Schnittdarstellungen verschiedene Varianten einer Gantry eines Computertomographen,
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4–6 verschiedene stirnseitige Ansichten jeweils einer Gantry eines Computertomographen.
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Einander entsprechende oder gleichwirkende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnete, in 1 ausschnittsweise dargestellte Gantry ist Teil eines nicht weiter gezeigten Computertomographen, hinsichtlich dessen prinzipieller Funktion auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen wird.
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Die Gantry 1 hat eine insgesamt etwa torusförmige Gestalt und umfasst ein nicht rotierbares, lediglich kippbares Gantrygehäuse 2 sowie ein hieran mittels einer Lagerung 3, nämlich einer Wälzlagerung, drehbar befestigtes, mehrere Einzelkomponenten aufweisendes Teil, welches insgesamt als Rotor 4 der Gantry 1 bezeichnet wird.
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Als Einzelkomponenten des Rotors sind in 1 ein mittels der Lagerung 3 am Gantrygehäuse 2 gelagerter Drehrahmen 5, auch als Drum bezeichnet, sowie eine am Drehrahmen 5 befestigte Röntgenquelle 6 und eine Strahlerblende 7, die im Strahlengang der von der Röntgenquelle 6 emittierten Röntgenstrahlung angeordnet ist, erkennbar. Weiter zeigt 1 eine ebenfalls am Umfang des Drehrahmens 5 befestigte Rohrwicklung 8, welche aus in Tangentialrichtung des Rotors 4 verlaufenden, parallel voneinander beabstandeten Leitungsabschnitten 9 gebildet ist und als Wärmetauscher fungiert, um insbesondere von der Röntgenquelle 6 erzeugte Wärme abzuführen. Ein in 1 durch dicke Pfeile veranschaulichter Kühlluftstrom durchströmt den Rotor 4 der Gantry 1 in axialer Richtung. Ein Fluid- und/oder Wärmestrom innerhalb des Rotors 4 zwischen der aus einer Kühlmittelleitung gebildeten Rohrwicklung 8 und der Röntgenquelle 6 ist durch dünnere Pfeile angedeutet.
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Um die Kühlluft gezielt an der Oberfläche der die Rohrwicklung 8 bildenden Leitungsabschnitte 9 zu leiten, befindet sich radial außerhalb der Leitungsabschnitte 9 ein dieses umgebendes ringförmiges Leitblech 10. Auf der radial inneren Seite der Rohrwicklung 8, zwischen den aufgewickelten Leitungsabschnitten 9 und dem Drehrahmen 5, befindet sich optional eine ebenso wie das Leitblech 10 einen Zylindermantel beschreibende Wärmeisolation 11.
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Der Kühlluftstrom ist im Ausführungsbeispiel nach 1 von der Frontseite zur Rückseite der Gantry 1 gerichtet. Beim Ausströmen der Kühlluft aus dem zwischen der Wärmeisolation 11 und dem Leitblech 10 gebildeten ringförmigen Kühlluftkanal 12, in welchem die Rohrwicklung 8 angeordnet ist, trifft die Kühlluft auf einen Kipprahmen 13, der eine Komponente des Gantrygehäuses 2 darstellt. Wärme, die beim Betrieb des Computertomographen von der Röntgenquelle 6 zum Kipprahmen 13 gelangt, wird somit ebenfalls durch den Kühlluftstrom abgeführt. Die Kühlluft verlässt das Gantrygehäuse 2 in radialer Richtung, wobei zur Ableitung des Kühlluftstroms aus dem Gantrygehäuse 2 in diesem Öffnungen angeordnet sind.
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Außerhalb des Gantrygehäuses 2 befinden sich nicht dreh- oder kippbare Komponenten des Computertomographen, von welchen in 1 lediglich eine stationäre Kühlung 14 ansatzweise dargestellt ist. Die stationäre Kühlung 14 arbeitet wie die mit der Rohrwicklung 8 realisierte Kühlung auf der Rotorseite der Gantry 1 mit einem Luft-Flüssigkeits-Wärmetauscher und ist ebenfalls in Axialrichtung durchströmbar, wobei die Strömungsrichtung der Luft in der stationären Kühlung 14 der Kühlluftströmung im Kühlluftkanal 12 entgegengerichtet ist. Nach dem Ausströmen der zu kühlenden Luft aus der stationären Kühlung 14 strömt die gekühlte Luft in den Kühlluftkanal 12 zurück, womit ein geschlossener Kühlluftkreislauf im Computertomographen gebildet ist. In nicht dargestellter Weise sind auch Ausführungsformen realisierbar, in denen die Kühlluft lediglich ein einziges Mal durch den Kühlluftkanal 12 geleitet geleitet und anschließend vom Computertomographen weggeleitet wird.
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Das Ausführungsbeispiel nach 2, welches lediglich den Rotor 4, nicht jedoch das Gantrygehäuse 2 einer Gantry 1 zeigt, zeigt im Detail die thermische Kopplung zwischen der Rohrwicklung 8 und einer zu kühlenden Komponente, nämlich Röntgenquelle 6. Das die Rohrwicklung 8 durchströmende Fluid ist mit dem die Röntgenquelle 6 kühlenden Öl identisch. Es ist somit ein einziger Wärmeträgerkreislauf gegeben, in welchem Wärme durch das Wärmeträgermedium, nämlich Öl, an der Röntgenquelle 6 aufgenommen und an der Rohrwicklung 8 abgegeben wird. Zur fluidtechnischen Verbindung zwischen der zu kühlenden Komponente und der Rohrwicklung 8 sind Kupplungsstücke 15 vorgesehen.
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In 2 ist weiter eine mehrlagige Ausführung der Rohrwicklung 8 erkennbar. Diese Anordnung der Leitungsabschnitte 9 in zwei oder mehr zueinander konzentrischen Schichten ist ebenso beim Ausführungsbeispiel nach 1 oder beim Ausführungsbeispiel nach 3 realisierbar. Die Rotationsachse der Gantry 1 ist in 2 und 3 mit R bezeichnet.
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Das Ausführungsbeispiel nach 3 zeigt eine Variante der Kühlung einer Gantry 1, bei welcher Kühlluft in axialer Richtung in das Gantrygehäuse 2 einströmt und dieses in radialer Richtung verlässt. Innerhalb des Kipprahmens 13 ist ein ringförmiger, in Axialrichtung ausgerichteter Kühlluftzufuhrabschnitt 16 gebildet, in welchem mehrere Lüfter 17 angeordnet sind.
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Zwischen dem im Gantrygehäuse 2 ausgebildeten Kühlluftzufuhrabschnitt 16 des Kühlluftkanals 12 und dem im Rotor 4 liegenden Abschnitt desselben Kühlluftkanals 12 existiert lediglich ein geringer axialer Spalt, welcher die Kühlluftströmung nicht wesentlich beeinflusst. Eine wesentliche Beeinflussung der Kühlluftströmung geschieht dagegen durch eine Verjüngung 18 des Kühlluftkanals 12, welche auf der Rotorseite gebildet ist. Der Kühlluftstrom wird hierdurch beschleunigt, wobei die Strömungsrichtung zunächst im Wesentlichen axial bleibt.
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Die durch die Rohrwicklung 8 erwärmte Kühlluft wird schließlich in radialer Richtung abgeleitet, wozu ein in das Gantrygehäuse 2 integrierter Kühlluftaustrittsabschnitt 19 des Kühlluftkanals 12 dient. Die erwärmte Kühlluft wird vorzugsweise über einen hier nicht dargestellten stationären Kühler zurück in den Kühlluftzufuhrabschnitt 16 geleitet, so dass auch in diesem Fall, wie im Ausführungsbeispiel nach 1, der Kühlluftstrom geschlossen ist.
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In 4 ist in einer schematisierten Frontansicht einer Gantry 1 eine Kühlung des Rotors 4 unter zusätzlicher Nutzung von Kühllamellen 20 gezeigt, welche thermisch leitend mit der Rohrwicklung 8 verbunden sind.
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Die 5 und 6 zeigen jeweils in einer Ansicht analog 4 eine Draufsicht auf die vordere Stirnseite einer Gantry 1, das heißt auf den Rotor 4. In beiden Fällen ist zusätzlich zur Röntgenquelle 6 auch eine Elektronikbaugruppe 21 erkennbar, welche auf der Frontseite der Gantry 1 angeordnet ist. Ferner ist in 5 eine frontseitige Strahlerkühlung 22 gezeigt, die zusätzlich zu der am Umfang des Rotors 4 liegenden Rohrwicklung 8 einen weiteren, optionalen Wärmetauscher darstellt.
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Eine solche Strahlerkühlung auf der Frontseite der Gantry 1 ist im Ausführungsbeispiel nach 6 nicht vorgesehen. Vielmehr wird die Kühlung sämtlicher Wärme erzeugender Komponenten auf der Rotorseite der Gantry 1 in diesem Fall mit Hilfe mindestens einer Rohrwicklung 8 am Umfang des Rotors 4 bewerkstelligt. Weitere Komponenten der Gantrykühlung wie eine in 6 angedeutete Kühlmittelpumpe 23 sind dagegen auf der Frontseite der Gantry 1 anordenbar. Die gesamte Gantrykühlung ist damit, anders als ein herkömmliches Kühlmodul, durch räumliche Trennung ihrer einzelnen Komponenten, mit teilweise frontseitiger (Kühlmittelpumpe 23) und teilweise umfangsseitiger (Rohrwicklung 8) Anordnung, entzerrt, wodurch im Vergleich zum Stand der Technik insbesondere auf der Frontseite der Gantry 1 zusätzlicher Bauraum 24 geschaffen ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005041538 B4 [0004]
- DE 10304661 B4 [0005]
- WO 2008/052735 A1 [0006]
- DE 19945413 A1 [0007]
- DE 2010013604 A1 [0008]
