CN101896032A - 用于计算机断层电子设备热处理的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明披露了用于冷却与计算机断层检测器阵列(18)相关的电子设备的方法和设备。更具体的，本发明披露了在冷却CT检测器电子设备(150)中使用热电冷却器(110)。本发明提供了使用鼓风机或者风扇来在用于CT检测器电子设备(150)的冷却的压力充气区(140)内再循环空气。本发明披露了使用管芯型热导管(220)，其水平放置或者使得蒸发器端(281)径向远离冷凝器端(282)放置，使得旋转力辅助热流通过热导管，用于冷却CT检测器电子设备(150)。本发明披露了轴向沟槽热导管(280)的使用，以冷却CT检测器电子设备(250)，因为它们在回转条件下具有增强的性能。本发明披露了使用散热器(240)和与任何类型的热导管结合的循环风扇(230)。

Description

用于计算机断层电子设备热处理的方法和设备

技术领域

本发明总的涉及计算机断层(CT)成像系统。更具体的，其涉及用于冷却与CT扫描器相关的电子设备的方法和设备。

背景技术

至少在一些CT成像系统结构中，固定地安装在地上的框架包括x射线源和辐射检测器阵列。该x射线源投射扇形束，其被准直以位于笛卡儿坐标系的X-Y平面内，且通常称为“成像平面”。该x射线束通过被成像的目标，诸如病人。该束在被目标衰减以后照射在辐射检测器阵列上。在检测器阵列处接收的衰减的束辐射的强度依赖于目标的x射线束的衰减。该阵列的每个检测器元件产生独立的电信号，其为对检测器位置处的束衰减的测量。分别获得来自所有检测器的衰减测量，以产生传送曲线。该x射线源和检测器阵列与成像平面内的台架一起，且围绕要被成像的目标旋转。该x射线源通常包括x射线管，其发射x射线束。该x射线检测器通常包括用于准直在检测器处接收到的x射线束的准直器。闪烁器位于准直器附近，光电二极管定位在闪烁器附近。

通过与灵敏x射线检测器相关的电子设备和与包括x射线管本身的CT成像系统相关的其它部件产生的功率输出随着每个新一代的CT系统而增加。当封装空间保持恒定或者减小时，该功率输出增加。尤其是，用于将x射线输入转换为有用的电信号的电子设备正迅速成为CT系统内的主要热源，比得上处于稳定状态下x射线管。由于许多原因，使得这些电子设备的冷却困难。

为了提供较高的信号密度和减小电子噪声，电子设备移动更靠近x射线检测器。因此，高功率电子设备传导连接到x射线检测器中的高度温度敏感的光电二极管。此外，在模数转换器之间存在很小的空间，如果不是不切实际的，其也使得直接对流冷却困难。

通常用于现有CT检测器中的光电二极管只在窄的温度范围内工作。因此，任何热控制方案必须不但防止来自电子设备的热量到达光电二极管，而且防止过度冷却光电二极管的可能性。

有两个因素使得CT检测器台架中的直接对流冷却困难。第一个因素是台架内的空气温度通常与房间环境温度成比例地变化。通常，使用CT成像机器的房间的温度是规定的，且具有11℃的范围。冷却空气温度的变化可以导致这样的情况，即，热侧的热量流到光电二极管，且可能将光电二极管的温度升高到其设定点温度之上，该设定点温度通常为36℃±1℃。在另一极端情况下，最低的冷却空气温度可以将光电二极管冷却到超过其需要的或者最佳工作温度以外。阻碍直接对流冷却的第二个因素是CT系统上的电子设备旋转。该旋转易于引起通过可以接附到旋转侧的任何冷却风扇的气流速率的下降，这是由于风扇入口流边界条件的变化。也就是，因为入口速度向量易于朝着垂直于流的方向，所以台架盖子附近的流在风扇入口处产生较低的压力。台架的旋转也易于引起台架内的空气混合，从而导致冷却空气温度中的几乎瞬时的阶跃变化。在直接对流冷却系统中需要考虑的另一个因素在于，由于允许空气流过电子设备，所以为电场的进入产生了开口。这样，直接对流冷却对电磁干扰(EMI)屏蔽有负面影响。

发明内容

本发明提供一种局部旋转的制冷系统，以积极控制冷却系统的空气温度。本发明还提供了一种完全封闭的系统，这样，减少了电子设备的曝光和颗粒污染。使用风扇来在封闭物内再循环空气。本发明还提供了管道系统，以在模数转换器和在检测器阵列中产热的其它部件之间引导冷却空气。本发明还提供了在模数转换器上使用散热器，以最大化有效对流热交换的表面积的量。

将CT检测器电子设备封闭在冷却系统中提供了精确的温度控制，其实际上不受台架旋转的影响。系统的完全封闭也意味着优化EMI屏蔽，这样可以减少电子设备的局部屏蔽。局部电子设备屏蔽的减少减少了电子设备和x射线检测器光电二极管之间的固有的传导连接。

本申请的发明的优点在于，其消除了冷却空气温度波动的问题。此外，可以实现比通过简单使用房间空气实现的要低的冷却空气温度，增加了从电子设备去除功率的能力。这样的系统的另一个优点在于，电子设备的完全封闭提供了与电磁干扰(EMI)的隔绝。也就是，系统将几乎不受由于旋转产生的内部空气流变化的影响，且将提供最好可能的EMI屏蔽。

本发明的还有的优点在于，使用热电冷却器(TEC)消除了与将气-液型制冷系统放置到固定侧相关的选点问题。系统的完全封闭意味着优化EMI屏蔽，这样，电子设备的局部屏蔽可以减少。局部电子设备屏蔽的减少减少了电子设备和x射线检测器光电二极管之间的固有的传导连接。

本发明提供了使用热交换器来去除来自再循环空气的热量。本发明的一个实施例提供了使用散热器和热电冷却器的组合，以去除来自再循环空气的热量。本发明的该实施例还提供了控制器和反馈控制机构，其主要负责确定再循环空气的温度和调节热电冷却器，以保持冷却空气在规定的温度范围内。

本发明还提供了有效的电子设备冷却，同时最小化x射线检测器和电子设备之间的温度传导连接。在一个实施例中，本发明提供了连接到分流板的热导管阵列，该分流板热连接到产热芯片。然后从电子设备抽出热量，且使用强制对流来去除。在还有一个实施例中，本发明提供了在电路板内放置热导管。本发明的还有一个实施例提供了在电子设备封装之间使用热导管。

本发明还提供了使用管芯型热导管，其水平放置，或者使得蒸发器端比冷凝器端径向伸出更远地放置，使得旋转力辅助热流通过热导管。通常，在旋转载荷下，管芯型热导管将正确地起作用，只要旋转力不超过热导管内的径向毛细抽吸力。

在毛细抽吸力超过旋转力的情况下，可以使用其它热传导方法。例如，本发明提供使用管芯型热导管和轴向沟槽热虹吸管的组合，或者无管芯热导管。轴向沟槽热导管在旋转条件下具有增强的性能。这主要是由于轴向沟槽在旋转条件下起阿基米德螺旋的作用。

本发明还提供了轴向沟槽热导管，其中，该热导管定位为使得蒸发器端平行于或者低于冷凝器端。因此，当台架倾斜时，不要求冷凝器端中的液体对抗重力流动来冷却电子设备。

从下面的详细描述可以明白本发明的前面的和其它特征。

附图说明

图1是CT成像系统的视图。

图2是图1中所示的系统的示意框图。

图3是本发明的具有电子设备冷却系统的检测器阵列的前截面示意图。

图4是图3的电子设备冷却系统的顶部截面图，更详细地示出了冷却系统的结构。

图5A是CT成像系统的示意图，其示出了检测器阵列和模数电子设备。

图5B是CT成像系统型面的示意图，其示出了台架的最大倾斜角。

图6A是检测器阵列和相关电子设备的示意图，示出了本发明的一个实施例。

图6B是CT成像机的台架端部的示意正视图。

图6C是A/D转换器、分流板和热导管的示意正视图。

图6D是本发明的还有一个实施例的示意正视图。

图6E是本发明的还有一个实施例的示意正视图。

图7A是本发明的还有一个实施例的示意图。

图7B是管芯型热导管的示意图。

图8A是与管芯型热导管一起使用的轴向沟槽热虹吸管的示意图。

图8B是轴向沟槽热虹吸管的示意图。

具体实施方式

现在详细参考附图，其中，同样标记的元件始终相应于同样的元件，图1和2示出了多切片扫描计算机断层(CT)成像系统10。该CT成像系统10显示为包括台架12，其代表“第三代”CT成像系统。台架12具有x射线源14，其朝着台架12的相对侧上的检测器阵列18投射x射线束16。检测器阵列18通过包括多个检测器元件20的多个检测器排(没有显示)形成，其一起感测通过诸如病人之类的目标的投射的x射线。每个检测器元件20产生代表照射x射线束的强度，以及当它通过目标或者病人22时束的衰减的电信号。在扫描期间，为了获得x射线投射数据，台架12和安装其上的部件围绕旋转中心24旋转。图2只示出了单排检测器元件20(即，检测器排)。然而，多切片检测器阵列18包括检测器元件20的多个平行检测器排，使得可以在扫描期间同时获得相应于多个准平行或者平行切片的投射数据。

通过CT系统10的控制机构26来管理台架12的旋转和x射线源14的工作。控制机构26包括x射线控制器28和台架马达控制器30，x射线控制器28给x射线源14提供动力和定时信号，台架马达控制器30控制台架12的转速和位置。控制机构26中的数据采集系统(DAS)32采样通过柔性电缆(在图1和2中没有显示)从检测器元件20接收的模拟数据，且将数据转换为数字信号，以便随后处理。图像重建器34接收来自DAS 32的采样和数字化的x射线数据，且进行高速图像重建。该重建的图像作为输入提供到计算机36，该计算机在大容量存储装置38中存储图像。

计算机36还接收由操作者通过控制台40产生的命令和扫描参数，该控制台40包括至少一个输入装置，诸如键盘或者鼠标。相关的阴极射线管显示器42允许操作者观察来自计算机36的重建的图像和其它数据。操作者施加的命令和参数由计算机36用于提供控制信号和信息到DAS32、x射线控制器28和台架马达控制器30。此外，计算机36操作工作台马达控制器44，其控制机动化的工作台46，以在台架12中定位病人22。具体的，工作台46移动病人22的部分通过台架开口48。

在一个实施例中，计算机36包括一种装置，例如，软盘驱动器或者CD-ROM驱动器，用于读取来自诸如软盘或者CD-ROM之类的计算机可读介质的指令和/或数据。在另一个实施例中，计算机36执行存储在固件(没有显示)中的指令。计算机36编程为执行这里描述的功能，因此，如这里使用的，术语“计算机”不仅限于那些通常在本领域中称为计算机的那些集成电路，而是更广泛地涉及计算机、处理器、微型控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器、专用集成电路和其它可编程的电路。

如前所述和在图3和4中显示的，本发明提供用于在图像重建过程中使用的电子设备封装的温度调节装置。

如图3和4中所示，总的来说，本发明使用局部旋转的制冷系统100，以积极地控制冷却系统的空气温度。该系统完全由热空气压力通风区130和冷空气压力通风区140封闭，且经由风扇或者多个风扇121再循环空气通过冷空气压力通风区，空气经过热的模数转换器150和任何其它热的部件，以从电子设备去除热。然后，空气经过由热电冷却器(TEC)的冷侧111组成的热交换器部分。TEC的热侧112位于由热侧压力通风区130和冷侧压力通风区140组成的封闭物的外部，且将来自TEC热侧112的热，泵送到检测器封闭物300外部的空气。一个实施例还可以设置为通过使用与反馈控制机构连通的控制器来调节TEC110，使得通过增加或者减小风扇速度来调节冷却空气温度为几摄氏度的小温度范围。

更具体的，本发明提供一种检测器封闭物300，其通常包括冷空气压力通风区140和热空气压力通风区130，以封闭检测器阵列18和与其相关的电子设备。甚至更具体的，在检测器阵列18的一侧上，本发明提供冷空气压力通风区140。该冷空气压力通风区140可以分为两个腔，使得冷空气可以从检测器阵列18的两端向内引导。这样，冷空气可以在电子设备150之间更加均匀地分布，以更有效地冷却。明显地，本发明还可以提供TEC110来冷却检测器封闭物300内的多个腔。实际上，由于由存在的电子设备150产生的高热载荷，可能需要几个TEC110来冷却检测器阵列的电子设备150，每个TEC使用风扇121来循环冷却的空气通过冷空气压力通风区140，然后通过电子设备阵列150，到达热空气压力通风区130，以及返回到TEC的冷侧111来用于冷却。

冷空气压力通风区用于围绕在检测器阵列中产热的A/D转换器151和其它电子设备150来引导冷空气。本发明还提供使用折流板或者流体导向器160来更有效地将空气引导到电子设备150上。具体的，A/D转换器151产生相当大量的热。然而，A/D转换器151通常是细长的，且比它们代表的光电二极管要窄。因此，空气可以在A/D转换器151之间循环，以更显著地冷却。然后，通过热侧压力通风区130来收集变暖的空气。在显示的实施例中，该热侧压力通风区130将热空气引导到在检测器阵列18的端部的TEC的冷侧111。

在检测器阵列18的端部处的是TEC的冷侧111。TEC的冷侧也称为热源113。如在现有技术中已知的热电冷却器110是固态热泵。热电冷却器是基于珀尔帖效应。通常，TEC单元111用于将热量以一定方式从一个平的单元转移到另一个，且幅度与流过它的电流一致。通常，TEC110以与热电偶的原理相反的原理起作用。换句话说，当热电偶以跨过两个不相同的金属的热产生电流的原理工作时，TEC110以跨过两个不相同的材料施加电流产生温度差的原理工作。

TEC的热侧112位于热空气压力通风区130和冷空气压力通风区140两者的外部，且通常在检测器封闭物300的外部。TEC110通常将热量泵送到TEC的冷侧112，其起散热器114的作用。然后，散热器114合适地定尺寸，以将热散到房间310。散热器114可以简单地依赖于表面积和自然对流来散热，或者如图3和4所示的，通过风扇122使用强制对流来跨过散热器114的区域向外吹空气。此外，除了TEC的热侧112的表面以外散热器114不需要是任何其它的东西。在一个实施例中，TEC的热侧112可以具有散热片，以辅助散热。

由冷空气压力通风区140和热空气压力通风区130的组合提供的检测器封闭物300有助于防止额外的光到达灵敏的光电二极管，以及防止污垢和灰尘进入光电二极管和灵敏的电子设备。冷空气压力通风区140还是可去除的，用于维修到达电子设备150和检测器阵列18。

在图3中，检测器阵列18示出了本发明的具体的实施例。检测器阵列18是弯曲的内部部分，且通常包括多个检测器元件。检测器元件被加热，以便优化操作。

具体的，检测器轨道18通过空气流挡板或者直接对流中断器180与温度控制设备分离。空气流挡板180设计为隔离检测器元件，其要求为在一定的温度范围内避开电子设备150，该电子设备需要被冷却到检测器元件的温度以下。

接下来，在截面中显示的是电子设备150，诸如模数转换器151。如所示的，每个A/D转换器151具有散热器152。散热器152设计为将由A/D转换器151以及其它电子设备产生的热量消散到流过电子设备150的空气。为了说明，如图3所示，空气直接向上离开纸面流动，或者直接向下进入纸面流动。然后，通过数字插塞隔壁170围绕电子设备150包含空气，该数字插塞隔壁170密封电子设备150，防止光、灰尘和可能损坏电子设备150的其它杂质进入。

图4示出了与本发明的一个实施例一起使用的实际空气流的模式。具体的，本发明的温度控制装置包括冷空气压力通风区140、热空气压力通风区130、热电冷却器110、散热器和多个循环风扇121、122。在该实施例中，检测器轨道分为两个区域，其每个区域由热电冷却器110冷却。这降低了跨过电子设备150的大温度梯度的可能性。虽然只显示了两个区域，但是可以使用更多的区域来提供更好的温度调节。

图4还示出了从TEC110的冷侧通过冷侧压力通风区140的强制对流，其中，其引导通过电子设备150，从接附到电子设备的散热器获得热量，以及引导或者抽吸到热侧压力通风区130。然后，热侧压力通风区130引导空气到TEC的冷侧111，其在TEC的冷侧111上制冷空气。在CT成像机外部的TEC的热侧112，或者散热器也使用外部的冷却风扇122来冷却。

总之，本发明提供了一种用于冷却CT检测器阵列18的电子设备的方法和设备，所述检测器阵列包括多个光电二极管，所述光电二极管连接到包括模数转换器151的电子设备150，当工作时，所述模数转换器151产热；热侧压力通风区130，其用于积累由电子设备150加热的空气；热电冷却器110，其接附到热侧压力通风区130的一端；热源113，其以热连通的关系连接到热电冷却器110；冷侧压力通风区140，其用于引导空气跨过电子设备150；以及循环风扇121，其用于从热侧压力通风区130抽吸空气跨过热电冷却器110，且进入冷侧压力通风区140。在具体的实施例中，电子设备温度调节设备还包括温度测量装置，其与温度测量装置电连通，使得可编程的温度控制器通过增加循环风扇121的速度或者增加热电冷却器110的功率来调节电子设备的温度。

在本发明的还有一个实施例中，电子设备冷却通过使用热导管220来实现。本发明提供具有x射线管14和检测器阵列18的CT成像机，其中检测器阵列18具有电子设备封装250。电子设备封装的主要部件之一，以及对有问题的发热的最大贡献部分之一是模数转换器251。本发明的第二个实施例提供了多个热导管220，以调节电子设备封装251的温度。

如本领域中熟知的热导管220是一种类型的传热装置，其将填充在封闭的管子内的工作流体的潜热由相变来运输。工作流体在热导管220内经历相变，且在蒸发侧和冷凝侧之间循环。蒸发的蒸汽通过压力梯度从蒸发侧移动到冷凝侧，而冷凝物通过管芯的毛细力，热导管220内的重力或者离心力返回到冷凝侧。

没有管芯且通常依赖重力和/或离心力的热导管220称为热虹吸管。通常，管芯型热导管能很好工作，而与蒸发侧和冷凝侧的位置无关，但是对于热虹吸管，蒸发侧应该放置在比冷凝侧高的位置。

如图5所示，CT成像系统包括x射线管14、检测器组件18和通常包括多个模数转换器251的电子设备封装250。当成像系统工作时，A/D转换器251产生相当大量的热。

因此，如图6A所示，本发明提供分流板200，其具有通常水平跨过分流板200走向的多个热导管210。图6A可能相对于图6B最好地显示，图6B示出了CT检测器台架12的端视图。分流板200使得更加均匀的热分布到达热导管220。在旋转条件下，当管芯型热导管尽可能水平，或者通过蒸发器端远离旋转中心，使得旋转力辅助热流时，管芯型热导管220最有效地工作。

在图8A和8B中显示的另一个实施例中，当旋转载荷对于管芯型热导管太大而不能有效起作用时，特别重要的，本发明提供使用无管芯热导管，或者轴向沟槽热虹吸管280结合热导管220。热虹吸管280的性能在旋转条件下实际上增强了。使用热虹吸管280结合管芯型热导管确保了电子设备在静止和旋转条件下都保持冷却，热虹吸管280在旋转条件下优化地起作用，热导管在静止条件下优化地起作用。

明显的，有很多方法可以接附热导管和热虹吸管，然而，在图6A、6C、6D和6E中只显示了一些。通常，两种类型的热导管220、280可以如图6E中所示嵌入分流板230，或者如图6C和6D所示在分流板230外部。然而，关于轴向沟槽热导管280，如图8A所示，为了有效，轴向沟槽热虹吸管280应该以一定角度放置，使得蒸发器端281比冷凝器端282低。这确保了冷凝器端282内的液体不需要对抗重力流动。

和前面一样，检测器阵列18和灵敏电子设备封装250封闭在密封的压力通风区内，尽管在压力通风区内不出现强制对流。替代地，热导管220用于从电子设备封装250将热量引导到外部房间空气。然后，热导管220在CT外继续，且终止于散热器240。散热器220封闭在鼓风机箱或者压力通风区260内，且由循环风扇230冷却。

在还有一个实施例中，如图6E中所示，本发明使用具有多个嵌入的热导管220的分流板230。热导管220终止于散热器240。散热器240由压力通风区260内的离心鼓风机230冷却。明显的，除非散热器240很大，否则要求跨过散热器240的强制对流保持散热器240处于合理的温度下。然而，使用循环风扇230或者离心鼓风机是不相关的。

经常地，一层绝缘物210定位在检测器阵列18和电子设备封装250之间。此外，经常地，要求密封面270围绕热导管220，其中热导管离开压力充气区到达散热器240。

前述的描述是为了说明而提出的。应该理解，可以在不偏离本发明的精神和范围的情况下构造本发明的广泛不同的实施例。还应该理解，本发明不限于在说明书中描述的具体实施例，而只由后附的权利要求书中限定。

Claims (5)

1.一种用于调节计算机断层成像机(10)的CT检测器阵列(18)的电子设备的温度的设备，其包括：

与电子设备(250)热接触的多个热导管(220)，所述热导管(220)从分流板(200)向外延伸；

接附到所述热导管(220)的散热器(240)；

包含所述分流板(230)的鼓风机箱(260)；以及

用于吹送空气跨过散热器(240)的循环风扇(230)。

2.如权利要求1所述的电子设备温度调节设备，还包括插入电子设备(150)和热导管(220)之间的分流板(200)，所述分流板(200)提供电子设备(150)和热导管(220)之间的有效热接触表面。

3.如权利要求2所述的电子设备温度调节设备，还包括轴向沟槽虹吸管(280)，所述轴向沟槽虹吸管(280)与电子设备(250)热接触。

4.如权利要求3所述的电子设备温度调节设备，其特征在于，所述轴向沟槽虹吸管(280)以一定角度定位，使得蒸发器端(281)比冷凝器端(282)低。

5.如权利要求4所述的电子设备温度调节设备，还包括鼓风机箱(260)内的温度测量装置。

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