DE19945416C1 - Kühleinrichtung für einen Röntgenstrahler - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung für einen Rötgenstrahler (1), welcher eine in einem mit Kühlmedium gefüllten Gehäuse (2) angeordnete Röntgenstrahlenquelle (3) umfaßt. Die Kühleinrichtung weist wenigstens einen wärmeleitend mit dem Röntgenstrahler (1) verbundenen, mit einem Phasenumwandlungsmaterial versehenen Phasenumwandlungsspeicher (12 bis 15) auf.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung für einen Rönt­ genstrahler, welcher eine in einem mit Kühlmedium gefüllten Gehäuse angeordnete Röntgenstrahlenquelle aufweist.

Die bei der Erzeugung von Röntgenstrahlung mit einem Röntgen­ strahler eingesetzte elektrische Energie wird zu ca. 99% in Wärmeenergie umgewandelt. Die im Betrieb des Röntgenstrahlers anfallende Wärme muss in der Regel in irgendeiner Weise von dem Röntgenstrahler abgeführt werden, um den Röntgenstrahler über einen längeren Zeitabschnitt für radiologische Aufnahmen von einem Objekt betreiben zu können. Dies ist insbesondere dann erforderlich, wenn, wie z. B. bei der Computertomogra­ phie oder der Angiographie, hohe Röntgenleistungen benötigt werden.

Die Kühlung bekannter, Drehanodenröntgenröhren aufweisender Röntgenstrahler erfolgt derart, dass die im Betrieb der Dreh­ anodenröntgenröhre anfallende Wärme im Anodenteller zwischen­ gespeichert und vorwiegend über Wärmestrahlung an ein die Drehanodenröntgenröhre umgebendes, in einem Gehäuse des Rönt­ genstrahlers enthaltenes Kühl- und Isolationsöl abgegeben wird. Das Kühl- und Isolationsöl zirkuliert in der Regel in einem geschlossenen Kreislauf durch das Gehäuse des Röntgen­ strahlers und einem mit dem Röntgenstrahler wärmeleitend ver­ bundenen Wärmetauscher, der die aus dem Kühl- und Isolati­ onsöl aufgenommene Wärme beispielsweise an die Umgebungsluft abgibt. Wird im Betrieb des Röntgenstrahlers allerdings die maximal zulässige Temperatur des Kühl- und Isolationsöls er­ reicht, führt dies zu relativ langen Zwangspausen, in denen der Röntgenstrahler nicht betrieben werden kann.

Derartige Röntgenstrahler sind beispielsweise in der DE 196 12 698 C1 und der DE 197 41 750 A1 beschrieben. Jeder der Röntgenstrahler weist ein mit einem Kühlmittel gefülltes Gehäuse auf, in dem eine Drehkolbenröhre angeordnet ist und zur Kühlung mit dem Kühlmittel beaufschlagt wird. Vorzugs­ weise durchströmt das Kühlmittel das Gehäuse und einen mit dem Röntgenstrahler verbundenen Wärmetauscher.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kühlein­ richtung der eingangs genannten Art derart auszuführen, dass der Röntgenstrahler über einen längeren Zeitabschnitt betrie­ ben werden kann.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch eine Kühl­ einrichtung für einen Röntgenstrahler, welcher eine in einem mit Kühlmedium gefüllten Gehäuse angeordnete Röntgenstrahlen­ quelle umfasst, aufweisend wenigstens einen wärmeleitend mit dem Röntgenstrahler verbundenen, mit einem Phasenumwandlungs­ material (PCM = Phase Change Material) versehenen Phasenum­ wandlungsspeicher, im folgenden als PCM-Speicher bezeichnet. Ein PCM-Speicher zeichnet sich dadurch aus, dass das Phasen­ umwandlungsmaterial z. B. Paraffin oder Salz, bei einer be­ stimmten Grenztemperatur, welche für Paraffin bei ca. 54°C und für Salz bei ca. 72°C liegt, eine Phasenumwandlung voll­ zieht. Während der Phasenumwandlung, welche unter Zuführung von Energie erfolgt, bleibt die Temperatur des Phasenumwand­ lungsmaterials praktisch konstant, da die zugeführte Energie für die Phasenumwandlung benötigt wird. Die während der Pha­ senumwandlung zugeführte Energie wird dabei im PCM-Speicher zwischengespeichert und bei einer Umkehrung der Phasenumwand­ lung wieder frei. Erst nach der Phasenumwandlung des Phasen­ umwandlungsmaterial, beispielsweise vom festen in den flüssi­ gen Aggregatzustand, erfolgt bei weiterer Zuführung von Ener­ gie wieder eine Erhöhung der Temperatur des Phasenumwand­ lungsmaterials. Erfindungsgemäß speichert ein derartiger PCM- Speicher als Komponente einer Kühleinrichtung für einen Rönt­ genstrahler die im Betrieb des Röntgenstrahlers erzeugte Wär­ meenergie zwischen, indem sein Phasenumwandlungsmaterial bei Überschreitung seiner charakteristischen Grenztemperatur eine Phasenumwandlung vollzieht. Auf diese Weise kann in Abhängig­ keit vom Volumen und der Art des Phasenumwandlungsmaterials des PCM-Speichers über einen gewissen Zeitabschnitt die Tem­ peratur des Kühlmediums des Röntgenstrahlers trotz der stetig bei der Erzeugung von Röntgenstrahlung anfallenden Wärme na­ hezu konstant gehalten werden. Im Vergleich zu herkömmlich gekühlten Röntgenstrahlern verzögert sich der Anstieg der Temperatur des Kühlmediums, so dass eine längere Betriebs­ dauer des Röntgenstrahlers ermöglicht wird.

Aus der US 5,507,337 ist im Übrigen ein Wärmepumpen- und Klimatisierungssystem bekannt, welches einen mit einem Phasenumwandlungsmaterial versehenen Wärmespeicher umfasst.

Eine Variante der Erfindung sieht vor, dass der PCM-Speicher im Kühlmedium des Röntgenstrahlers angeordnet ist. Auf diese Weise kann der PCM-Speicher direkt aus dem Kühlmedium die Wärmeenergie für die Phasenumwandlung seines Phasenumwand­ lungsmaterials aufnehmen.

Nach Ausführungsformen der Erfindung umfasst die Kühleinrich­ tung einen wärmeleitend mit dem Röntgenstrahler verbundenen Wärmetauscher und/oder ein wärmeleitend mit dem Röntgenstrah­ ler verbundenes Speichergefäß, welche jeweils wenigstens ei­ nen PCM-Speicher aufweisen. Der Wärmetauscher sowie das Spei­ chergefäß erhöhen die Kühlleistung der Kühleinrichtung, wobei die im Betrieb des Röntgenstrahlers erzeugte Wärme vom Rönt­ genstrahler abgeführt und in dem PCM-Speicher des vorzugs­ weise in einiger Entfernung von dem Röntgenstrahler angeord­ neten Wärmetauschers und/oder Speichergefäßes zwischengespei­ chert wird. Dies hat neben der zusätzlichen Kühlung des Rönt­ genstrahlers durch die Wärmeabgabe des Wärmetauschers und/ oder des Speichergefäßes, beispielsweise an die Umgebungs­ luft, den Vorteil, dass bei Betriebspausen des Röntgenstrah­ lers, in denen sich die Phasenumwandlung rückwärts vollzieht, die dabei frei werdende Energie nicht nur an das Kühlmedium des Röntgenstrahlers, wie im Falle der Anordnung des PCM- Speichers im Gehäuse des Röntgenstrahlers, sondern auch an die den Wärmetauscher und/oder das Speichergefäß umgebende Luft abgegeben wird, wodurch das Kühl- und Isolationsöl des Röntgenstrahlers schneller Normaltemperatur erreicht.

Varianten der Erfindung sehen vor, dass das Gehäuse des Rönt­ genstrahlers und der Wärmetauscher und/oder das Gehäuse des Röntgenstrahlers und das Speichergefäß derart über Leitungen miteinander verbunden sind, dass das Kühlmedium durch das Ge­ häuse des Röntgenstrahlers und den Wärmetauscher und/oder durch das Gehäuse des Röntgenstrahlers und das Speichergefäß zirkulieren kann. Durch die Zirkulation des Kühlmediums er­ gibt sich ein effektiver Wärmetransport vom Röntgenstrahler zu jedem der in dem Wärmetauscher und/oder in dem Speicherge­ fäß angeordneten PCM-Speicher.

Da die Phasenumwandlungsmaterialien eine nur geringe Wärme­ leitfähigkeit aufweisen, weshalb Wärme nur langsam von Pha­ senumwandlungsmaterialien aufgenommen bzw. wieder abgegeben wird, sieht eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Er­ findung vor, daß der PCM-Speicher eine aus einem gut wärme­ leitenden Material gebildete Matrix aufweist, in die das Pha­ senumwandlungsmaterial eingebracht ist. Die Grenztemperatur für die Phasenumwandlung des wärmeleitenden Materials der Ma­ trix ist dabei so hoch, daß bei dem Einsatz der Matrix in ei­ ner Kühleinrichtung für einen Röntgenstrahler keine Phasenum­ wandlung des Materials erfolgt. Durch die Einbringung des Phasenumwandlungsmaterials in eine Matrix aus einem gut wär­ meleitenden Material lassen sich auf vorteilhafte Weise hohe Lade- und Entladeströme bei der Aufnahme bzw. Abgabe von Wärme für einen PCM-Speicher erreichen. Darüber hinaus erge­ ben sich bei einer Einbringung des Phasenumwandlungsmaterials in eine derartige Matrix bei Temperaturerhöhungen keine Volu­ menänderungen des PCM-Speichers, womit eine Vereinfachung der Konstruktion derartiger PCM-Speicher einhergeht. Des weiteren bewirkt die Einbringung des Phasenumwandlungsmaterials in eine Matrix, daß die Lade- und die Entladetemperatur für den PCM-Speicher, d. h. die Grenztemperatur, bei der sich die Phasenumwandlung in die eine und in die andere Richtung voll­ zieht, wenigstens im wesentlichen gleich ist.

Vorteilhaft erweist sich auch, daß die Form und Größe eines PCM-Speichers mit Matrix sehr flexibel gestaltet werden kann, so daß eine Anordnung des PCM-Speichers bei entsprechender Gestaltung an beliebigen Stellen der Kühleinrichtung möglich ist.

Gemäß einer Variante der Erfindung ist die Matrix vorzugs­ weise aus Graphit gebildet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den beigefügten schematischen Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Kühleinrichtung und

Fig. 2 Temperaturverläufe erfindungsgemäßer Kühleinrichtun­ gen im Vergleich zum Temperaturverlauf einer bekann­ ten Kühleinrichtung für einen Röntgenstrahler.

Die Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Kühleinrichtung für ei­ nen Röntgenstrahler 1. Der Röntgenstrahler 1 weist ein Ge­ häuse 2 auf, in dem eine ein Röntgenstrahlenbündel 4 aussen­ dende Röntgenstrahlenquelle 3 angeordnet ist und welches mit einem die Röntgenstrahlenquelle 3 umgebenden Kühl- und Isola­ tionsöl gefüllt ist.

Das Gehäuse 2 des Röntgenstrahlers 1 ist über eine Leitung 5 mit einer Pumpe 6 und mit einem Speichergefäß 7 verbunden. Das Speichergefäß 7 ist über eine Leitung 8 mit einem im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels Öl-Luft-Wärmetau­ scher 9 und dieser ist über eine Leitung 10 mit dem Röntgen­ strahler 1 verbunden. Der Röntgenstrahler 1, das Speicherge­ fäß 7 und der Wärmetauscher 9 bilden also einen geschlossenen Kreis, in dem Kühl- und Isolationsöl zirkulieren kann. Die Zirkulation des Kühl- und Isolationsöls im Betrieb des Rönt­ genstrahlers 1 wird durch die Pumpe 6 bewerkstelligt. Ein an die Leitung 5 angeschlossenes Ausdehnungsgefäß 11 dient zur Aufnahme von sich infolge der Erwärmung ausdehnendem Kühl- und Isolationsöl.

Erfindungsgemäß weist die Kühleinrichtung PCM-Speicher zur Zwischenspeicherung der von dem Röntgenstrahler 1 im Betrieb erzeugten Wärme auf, um den Röntgenstrahler 1 über einen län­ geren Zeitabschnitt betreiben zu können. Im Falle des vorlie­ genden Ausführungsbeispiels sind in dem Röntgenstrahler 1 ein PCM-Speicher 12, in dem Speichergefäß 7 zwei PCM-Speicher 13, 14 und in einer von dem Kühl- und Isolationsöl durchströmten Kammer des Wärmetauschers 9 ein PCM-Speicher 15 angeordnet.

Jeder der PCM-Speicher 12 bis 15 ist im Falle des vorliegen­ den Ausführungsbeispiels derart ausgebildet, daß sein Phasen­ umwandlungsmaterial, z. B. Paraffin, Salz oder Wasser, in eine Graphitmatrix eingebracht ist.

Wird im Betrieb des Röntgenstrahlers 2 infolge der von der Röntgenstrahlenquelle 3 erzeugten Verlustwärme das Kühl- und Isolationsöl erhitzt, nehmen der PCM-Speicher 12 sowie die PCM-Speicher 13, 14 und 15 infolge der durch die Pumpe 6 be­ werkstelligten Zirkulation des Kühl- und Isolationsöls die Wärme aus dem Kühl- und Isolationsöl auf. Wird dabei die Grenztemperatur des in den PCM-Speichern 12 bis 15 enthalte­ nen Phasenumwandlungsmaterials erreicht, wird die Phasenum­ wandlung vollzogen, wobei die Temperatur des Kühl- und Isola­ tionsöls bis zum Abschluß der Phasenumwandlung, beispiels­ weise vom festen in den flüssigen Aggregatzustand, nahezu konstant gehalten wird, da die in dieser Phase des Betriebes von der Röntgenstrahlenquelle 3 an das Kühl- und Isolationsöl abgegebene Wärme dem Kühl- und Isolationsöl praktisch voll­ ständig von den PCM-Speichern 12 bis 15 für die Phasenumwand­ lung entzogen wird.

Auf diese Weise kann der an sich stetige Temperaturanstieg des Kühl- und Isolationsöls durch die PCM-Speicher 12 bis 15 unterbrochen und die Temperatur des Kühl- und Isolationsöls während der Phasenumwandlung konstant gehalten werden. Erst nach der Phasenumwandlung des Phasenumwandlungsmaterials er­ höht sich bei weiterer Energiezuführung die Temperatur des Kühl- und Isolationsöls weiter.

Fig. 2 zeigt in einer Vergleichsdarstellung drei simulierte Temperaturverläufe A bis C über der Zeit für eine bekannte, einen Röntgenstrahler und einen Öl-Luft-Wärmetauscher aufwei­ sende Kühleinrichtung (Temperaturverlauf A), für eine erfin­ dungsgemäße Kühleinrichtung, welche im Unterschied zu der be­ kannten Kühleinrichtung zusätzlich einen 31-PCM-Speicher mit Salz als Phasenumwandlungsmaterial, dessen Grenztemperatur bei 72°C liegt, aufweist (Temperaturverlauf B), und für eine erfindungsgemäße Kühleinrichtung, welche im Unterschied zu der bekannten Kühleinrichtung einen 31-PCM-Speicher mit Was­ ser als Phasenumwandlungsmaterial, dessen Grenztemperatur für den Übergang von der flüssigen in die gasförmige Phase bei 100°C liegt, aufweist (Temperaturverlauf C).

Die Temperaturverläufe A bis C machen deutlich, daß bei Ver­ wendung eines PCM-Speichers in einer Kühleinrichtung für ei­ nen Röntgenstrahler bei einem typischen Lastzyklus eines Röntgenstrahlers von ca. 100 Sekunden die auftretende Maxi­ maltemperatur des Kühl- und Isolationsöls deutlich unterhalb der Maximaltemperatur liegt, welche auftritt, wenn für die Kühlung des Röntgenstrahlers eine bekannte Kühleinrichtung zum Einsatz kommt. Aus dem Temperaturverlauf B ist die Verzö­ gerung des Temperaturanstiegs im Kühl- und Isolationsöl in­ folge der Phasenumwandlung des Salzes vom festen in den flüs­ sigen Aggregatzustand bei 72°C zu erkennen. Aus dem Tempera­ turverlauf C wird deutlich, daß es nach dem Erreichen der Grenztemperatur von 100°C im Kühl- und Isolationsöl zu keiner weiteren Temperaturerhöhung kommt, da bei 100°C die Phasenum­ wandlung des Wassers vom flüssigen in den gasförmigen Aggre­ gatzustand erfolgt, wobei während dieser Phase der Lastzyklus des Röntgenstrahlers beendet ist.

Wie aus den Temperaturverläufen B und C ebenfalls ersichtlich ist, vollzieht sich die Abkühlung des Kühl- und Isolationsöls in den Kühleinrichtungen mit PCM-Speicher langsamer als bei der bekannten Kühleinrichtung, da in der Abkühlphase infolge der rückwärts ablaufenden Phasenumwandlung des Phasenumwand­ lungsmaterials, bei der die in den PCM-Speichern zwischenge­ speicherten Wärme wieder abgegeben wird, die Temperatur des Kühl- und Isolationsöls während der Phasenumwandlung konstant bleibt. Erst nach der Phasenumwandlung erfolgt die weitere Abkühlung des Kühl- und Isolationsöls.

Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels weist die Kühleinrichtung ein Speichergefäß 7 und einen Wärmetauscher 9 auf, was nicht notwendigerweise der Fall sein muß. Vielmehr kann die Kühleinrichtung nur einen im Kühl- und Isolationsöl des Röntgenstrahlers angeordneten PCM-Speicher oder nur ein mit dem Röntgenstrahler wärmeleitend verbundenes, wenigstens einen PCM-Speicher aufweisendes Speichergefäß oder nur einen mit dem Röntgenstrahler wärmeleitend verbundenen, einen PCM- Speicher aufweisenden Wärmetauscher aufweisen. Des weiteren können in Anlehnung an das vorliegende Ausführungsbeispiel auch ein oder mehrere PCM-Speicher an beliebigen anderen als den beschriebenen Stellen in der Kühleinrichtung plaziert werden.

Darüber hinaus müssen das Speichergefäß, der Wärmetauscher und der Röntgenstrahler nicht notwendigerweise derart verbun­ den sein, daß das Kühl- und Isolationsöl durch den Röntgen­ strahler, das Speichergefäß und den Wärmetauscher zirkulieren kann. Vielmehr kann die wärmeleitende Verbindung zwischen dem Röntgenstrahler und dem Speichergefäß sowie dem Röntgenstrah­ ler und dem Wärmetauscher auch in anderer Weise, beispiels­ weise über Kupferleitungen, realisiert werden.

Claims (8)

1. Kühleinrichtung für einen Röntgenstrahler (1), welcher eine in einem mit Kühlmedium gefüllten Gehäuse (2) angeord­ nete Röntgenstrahlenquelle (3) umfaßt, aufweisend wenigstens einen wärmeleitend mit dem Röntgenstrahler (1) verbundenen, mit einem Phasenumwandlungsmaterial versehenen Phasenumwand­ lungsspeicher (12 bis 15).

2. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, bei der der Phasenumwand­ lungsspeicher (12) im Kühlmedium des Röntgenstrahlers (1) an­ geordnet ist.

3. Kühleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, welche einen mit dem Röntgenstrahler (1) wärmeleitend verbundenen Wärmetau­ scher (9) umfaßt, welcher einen Phasenumwandlungsspeicher (15) aufweist.

4. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, welche ein mit dem Röntgenstrahler (1) wärmeleitend verbundenes Speichergefäß (7) umfaßt, welches einen Phasenumwandlungs­ speicher (13, 14) aufweist.

5. Kühleinrichtung nach Anspruch 3, bei der das Gehäuse (2) des Röntgenstrahlers (1) und der Wärmetauscher (9) derart über Leitungen (5, 8, 10) miteinander verbunden sind, daß das Kühlmedium durch das Gehäuse (2) des Röntgenstrahlers (1) und den Wärmetauscher (9) zirkulieren kann.

6. Kühleinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, bei der das Ge­ häuse (2) des Röntgenstrahlers (1) und das Speichergefäß (7) derart über Leitungen (5, 8, 10) miteinander verbunden sind, daß das Kühlmedium durch das Gehäuse (2) des Röntgenstrahlers (1) und das Speichergefäß (7) zirkulieren kann.

7. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der der Phasenumwandlungsspeicher (12 bis 15) eine aus einem gut wärmeleitenden Material ausgebildete Matrix aufweist, in die das Phasenumwandlungsmaterial eingebracht ist.

8. Kühleinrichtung nach Anspruch 7, bei der die Matrix aus Graphit ausgebildet ist.