CN116825593A - 一种x射线管散热装置及具有该散热装置的x射线管 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例涉及一种X射线管散热装置和具有该散热装置的X射线管，该散热装置包括第一散热模块和第二散热模块；第一散热模块设置于阳极靶面的两端，该第一散热模块通过所述阳极靶面的旋转形成旋转磁场；第二散热模块设置于所述X射线管的管壳外部，该第二散热模块通过切割所述旋转磁场的磁力线而感应出电流以耗散热量。本发明实施例的技术方案，针对现有技术中采用热辐射或者热传导的方式传递热量存在的效率较低的问题，通过热电效应以及电磁感应效应来实现将热量传递到管壳外，极大地提高了散热效率。利用热电效应以及电磁感应效应实现热量的传递，不受辐射面积和材质的限制，耗散热量和效率均得以提高。
Description
技术领域
本发明实施例涉及仪器散热技术领域，尤其涉及一种X射线管散热装置及具有该散热装置的X射线管。
背景技术
X射线管的原理是阴极灯丝通电后升温释放出电子，并在高压电场的作用下高速撞向阳极靶面，在产生了X射线的同时，绝大部分(约99％)的能量转化成热能，需要耗散出去。而目前的X射线管热量耗散主要是通过热辐射的方式传导热量，例如采用旋转阳极的靶面热辐射到管壳的方式，采用该方式散热，热量耗散受到辐射面积和材质限制而被阻碍，效率比较低。
发明内容
基于现有技术的上述情况，本发明实施例的目的在于提供一种X射线管散热装置及具有该散热装置的X射线管，利用热电效应和电磁感应效应，将热量通过电磁耦合的方式传递到管壳外，极大地提高了热量耗散的效率。
为达到上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种X射线管散热装置，所述X射线管包括管壳以及设置于管壳内的阴极和阳极，所述阳极包括可旋转的靶面；所述散热装置包括第一散热模块和第二散热模块；
所述第一散热模块设置于靶面的两端，该第一散热模块通过所述靶面的旋转形成旋转磁场；
所述第二散热模块设置于所述X射线管的管壳外部，该第二散热模块通过切割所述旋转磁场的磁力线而感应出电流以耗散X射线管操作过程中产生的热量。
进一步的，所述第一散热模块包括热电偶对，所述热电偶对沿靶面的旋转轴方向固定在靶面的外缘；
所述热电偶对包括第一热电偶和第二热电偶，所述第一热电偶和第二热电偶分别设置于靶面的热端和冷端。
进一步的，所述第一热电偶和第二热电偶的构成相同，并且均由两种不同金属线端部焊接而成。
进一步的，所述热电偶对采用能够耐受2000度以上高温的材料。
进一步的，所述第一热电偶设置于所述靶面接近电子束流轰击点的第一位置；所述第二热电偶设置于所述靶面远离所述第一位置的第二位置。
进一步的，所述第二散热模块包括感应线圈回路；
所述感应线圈回路缠绕在所述X射线管管壳外部，该感应线圈回路的输出端连接负载。
进一步的，所述感应线圈回路切割所述旋转磁场的磁力线感应出电流。
进一步的，所述第二散热模块包括金属片。
进一步的，所述金属片切割所述旋转磁场的磁力线感应出涡流。
根据本发明的另一个方面，提供了一种具有散热装置的X射线管，所述X射线管包括管壳和封闭设置于管壳内部的阳极和阴极；
所述阳极包括作为目标表面的可旋转靶面；
所述阴极与阳极相对设置，该阴极包括用于在X射线管操作期间向所述靶面发射电子束的灯丝；
所述散热装置设置于所述X射线管上，以耗散该X射线管操作时产生的热量；所述散热装置包括如本发明第一个方面所述的散热装置。
综上所述，本发明实施例提供了一种X射线管散热装置及具有该散热装置的X射线管，所述X射线管包括管壳以及设置于管壳内的阴极和阳极，所述阳极包括可旋转的靶面；所述散热装置包括第一散热模块和第二散热模块；所述第一散热模块设置于靶面的两端，该第一散热模块通过所述靶面的旋转形成旋转磁场；所述第二散热模块设置于所述X射线管的管壳外部，该第二散热模块通过切割所述旋转磁场的磁力线而感应出电流以耗散X射线管操作过程中产生的热量。本发明实施例提供的X射线管散热装置，通过热电效应以及电磁感应效应来实现将热量传递到管壳外，极大地提高了散热效率。
本发明具有如下有益的技术效果：
(1)针对现有技术中采用热辐射或者热传导的方式传递热量存在的效率较低的问题，本发明实施例通过热电效应以及电磁感应效应来实现将热量传递到管壳外，极大地提高了散热效率。
(2)利用热电效应以及电磁感应效应实现热量的传递，X射线管的靶面在工作过程中产生的高热转化为第二散热模块感应出的电流，并将该电流以热量的形式耗散至负载中，不受辐射面积和材质的限制，耗散热量和效率均得以提高。
附图说明
图1是X射线管的结构示意图；
图2是热电流的形成示意图；
图3是本发明实施例X射线管散热装置的结构示意图；
附图标记说明：
101-管壳；102-阴极；103-阳极；104-定子；1021-灯丝；1031-靶面；1032-热端；1033-冷端；2051-第一热电偶；2052-第二热电偶；2053-感应线圈回路。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的模块或具有相同或类似功能的模块。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
需要说明的是，除非另外定义，本发明实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
X射线管是工作在高电压下的真空二极管，图1中示出了X射线管的结构示意图。如图1所述，X射线管通常包括管壳101和封闭设置于管壳内部的阳极103和阴极102。其中，阳极103包括作为目标表面的可旋转的靶面1031，靶面1031的前端有电子束流轰击点，即热端1032，后端为冷端1033；阴极102与阳极103相对设置，该阴极102包括用于在X射线管操作期间向所述靶面1031发射电子束的灯丝1021。该X射线管还包括具有转子和定子104的电机，所述转子和定子104连接至所述靶面1031。
X射线管的原理是阴极灯丝1021通电后升温释放出电子束，并在高压电场的作用下高速撞向阳极靶面1031上的电子束流轰击点(即热端)1032，在产生了X射线的同时，绝大部分(约99％)的能量转化成热能，需要耗散出去。由于靶面1031的工作温度高达2000摄氏度，高温的工况对X射线管的性能和寿命都有比较大的影响，因此需要将X射线管的靶面在工作中的高热量耗散到管壳之外。而目前的X射线管的设计主要是通过旋转阳极的靶面1031热辐射到管壳101的方式。该种热量耗散方式受到辐射面积和材质限制而被阻碍，效率比较低。
针对现有技术的上述问题，本发明实施例提供了一种利用热电效应和电磁感应效应，将热量通过电磁耦合的方式传递到管壳外的散热装置。塞贝克效应(Seebeck effect)又称作第一热电效应，是指由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的热电现象。一般规定热电势方向为：在热端电子由负流向正。图2中示出了热电流的形成示意图，如图2所示，在两种金属线A和B组成的回路中，如果使两个接触点的温度不同，则在回路中将出现电流，称为热电流。相应的电动势称为热电势，其方向取决于温度梯度的方向。电磁感应(Electromagnetic induction)现象是指放在变化磁通量中的导体，会产生电动势。此电动势称为感应电动势或感生电动势，若将此导体闭合成一回路，则该电动势会驱使电子流动，形成感应电流(感生电流)。
下面对结合附图对本发明实施例的技术方案进行详细说明。根据本发明的一个实施例，提供了一种X射线管散热装置，该X射线管散热装置的结构示意图如图3所示。所述X射线管的结构与图1所示的X射线管结构相同，包括管壳101和封闭设置于管壳101内部的阳极和阴极102，其中，阳极包括作为目标表面的可旋转的靶面，靶面的前端有电子束流轰击点，即热端1032，后端为冷端1033；阴极102与阳极相对设置，该阴极102包括用于在X射线管操作期间向所述靶面发射电子束的灯丝。
本发明该实施例提供的散热装置包括第一散热模块和第二散热模块；第一散热模块设置于所述靶面的两端，该第一散热模块通过所述靶面的旋转形成旋转磁场；第二散热模块设置于所述X射线管的管壳外部，该第二散热模块通过切割所述旋转磁场的磁力线而感应出电流以耗散热量。
根据某些实施例，该第一散热模块包括热电偶对，热电偶对沿靶面的旋转轴方向固定在靶面的外缘，热电偶对与靶面绝缘且没有电气连接。该热电偶对可以包括第一热电偶2051和第二热电偶2052，例如将第一热电偶2051设置于阳极靶面的热端1032，将第二热电偶2052冷端1033。该第一热电偶2051和第二热电偶2052的构成相同，并且均由两种不同金属线端部熔融焊接而成。热电偶端部的焊接方式例如可以采用电焊、对焊以及绞状电焊等方式。根据某些实施例，可以将第一热电偶2051设置于所述靶面接近电子束流轰击点的第一位置，将第二热电偶2052设置于所述靶面远离所述第一位置的第二位置。该热电偶对通常由两种不同金属线绞合而成，且能够耐受2000度以上的高温，由于靶面的工作温度高达2000摄氏度，因此需要采用能够耐受高温的材料来构成热电偶。例如可以采用WRe3/25钨-铼热电偶对，该钨-铼热电偶对可耐受2330摄氏度高温。
通过在靶面的热端(即电子束流轰击点)和冷端布置热电偶对，并将热电偶的热端固定在接近电子束流轰击点位置，冷端固定在远离热端的位置。依据塞贝克效应(Seebeckeffect)，在两种金属组成的回路中，如果两个接触点的温度不同，则在回路中将出现热电流电势，其方向取决于温度梯度的方向。由于热电偶形成环形电流，环形电流产生磁场，而且这个磁场因为靶面旋转而形成旋转磁场。
根据某些实施例，该第二散热模块包括感应线圈回路2053；所述感应线圈回路2053缠绕在所述X射线管管壳101外部，该感应线圈回路2053的输出端可以连接例如电阻等负载，该感应线圈回路2053切割所述旋转磁场的磁力线感应出电流，所感应出的电流以热量的形式耗散在其连接的电阻等负载中，从而实现了高效的散热。本实施例采用的感应线圈导线例如为绝缘线，该绝缘线固定在管壳上并且对管壳绝缘，可以采用本领域常见的感应线圈实现，对于感应线圈的匝数和材质不做具体限定。
根据某些实施例，该第二散热模块也可以包括金属片，该金属片围绕在所述X射线管管壳101外部设置，金属片切割所述旋转磁场的磁力线感应出涡流，所感应出的涡流以热量的形式耗散在该金属片中，从而实现了高效的散热。该金属片例如可以为中空的筒状结构，或者可以由两个金属环构成筒状结构的两个端部，两个金属环之间通过多条金属条相互连接。该筒状结构与X射线管的管壳101同轴并围绕管壳101的外部绝缘设置。
根据电磁感应效应，在管壳101外布置感应线圈回路2053，并将该线圈感应回路2053的输出端接入电阻或负载，或者在管壳101外布置金属片，则线圈回路2053会因为切割磁力线而感应出电流，或者金属片因为切割磁力线而在金属片中感应出涡流。而这部分电流或者涡流会以热量的形式耗散在线圈、电阻及负载中，或金属片中，这样就相当于把热能通过电磁耦合的方式传递出管壳101外。通过热电效应和电磁感应效应将热量转化为电流，并将该电流以热量的形式耗散至负载中，可以不受辐射面积和材质的限制，耗散热量和效率均得以提高。
根据本发明的另一个实施例，提供了一种具有散热装置的X射线管，该X射线管的结构示意图如图3所示，所述X射线管包括管壳101和封闭设置于管壳内部的阳极和阴极102；其中，阳极包括作为目标表面的可旋转靶面；阴极102与阳极相对设置，该阴极102包括用于在X射线管操作期间向所述靶面发射电子束的灯丝。该散热装置设置于所述X射线管上，具体设置方式如上述实施例中所述，该散热装置用以耗散该X射线管操作时产生的热量。所述散热装置例如为本发明上述各实施例中所涉及的散热装置，在此不再赘述。该X射线管通过采用上述实施例中提供的散热装置，具有较高的散热效率，避免了高温的工况对X射线管的性能和寿命产生的比较大的影响。
综上所述，本发明实施例涉及一种X射线管散热装置和具有该散热装置的X射线管，所述X射线管包括管壳以及设置于管壳内的阴极和阳极，所述阳极包括可旋转的靶面；所述散热装置包括第一散热模块和第二散热模块；所述第一散热模块设置于靶面的两端，该第一散热模块通过所述靶面的旋转形成旋转磁场；所述第二散热模块设置于所述X射线管的管壳外部，该第二散热模块通过切割所述旋转磁场的磁力线而感应出电流以耗散X射线管操作过程中产生的热量。本发明实施例的技术方案，针对现有技术中采用热辐射或者热传导的方式传递热量存在的效率较低的问题，通过热电效应以及电磁感应效应来实现将热量传递到管壳外，极大地提高了散热效率。利用热电效应以及电磁感应效应实现热量的传递，X射线管的靶面在工作过程中产生的高热转化为第二散热模块感应出的电流，并将该电流以热量的形式耗散至负载中，不受辐射面积和材质的限制，耗散热量和效率均得以提高。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (10)
1.一种X射线管散热装置，其特征在于，所述X射线管包括管壳以及设置于管壳内的阴极和阳极，所述阳极包括可旋转的靶面；所述散热装置包括第一散热模块和第二散热模块；
所述第一散热模块设置于靶面的两端，该第一散热模块通过所述靶面的旋转形成旋转磁场；
所述第二散热模块设置于所述X射线管的管壳外部，该第二散热模块通过切割所述旋转磁场的磁力线而感应出电流以耗散X射线管操作过程中产生的热量。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一散热模块包括热电偶对，所述热电偶对沿靶面的旋转轴方向固定在靶面的外缘；
所述热电偶对包括第一热电偶和第二热电偶，所述第一热电偶和第二热电偶分别设置于靶面的热端和冷端。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第一热电偶和第二热电偶的构成相同，并且均由两种不同金属线端部焊接而成。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述热电偶对采用能够耐受2000度以上高温的材料。
5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第一热电偶设置于所述靶面接近电子束流轰击点的第一位置；所述第二热电偶设置于所述靶面远离所述第一位置的第二位置。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二散热模块包括感应线圈回路；
所述感应线圈回路缠绕在所述X射线管管壳外部，该感应线圈回路的输出端连接负载。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述感应线圈回路切割所述旋转磁场的磁力线感应电流。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二散热模块包括金属片。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述金属片切割所述旋转磁场的磁力线感应出涡流。
10.一种具有散热装置的X射线管，其特征在于，所述X射线管包括管壳和封闭设置于管壳内部的阳极和阴极；
所述阳极包括作为目标表面的可旋转靶面；
所述阴极与阳极相对设置，该阴极包括用于在X射线管操作期间向所述靶面发射电子束的灯丝；
所述散热装置设置于所述X射线管上，以耗散该X射线管操作时产生的热量；所述散热装置包括如权利要求1-9中任意一项所述的散热装置。
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