CN1891017A - 用于x射线管的空气通量导向器系统 - Google Patents

用于x射线管的空气通量导向器系统 Download PDF

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Abstract

用于X射线管组件(10)的冷却系统(12)包括接收来自X射线管组件的外壳(40)的冷却液体和传递热量到空气流的热交换器(14、16)。风扇(90)，例如轴向风扇，引导气流穿过热交换器。风扇设置在导管(78)内。沿等线的空气通量导向器(110)设置为拦截来自导管的气流并且在基本垂直于风扇的旋转轴的方向上改向气流。

Description

用于X射线管的空气通量导向器系统
本申请涉及X射线管领域。本发明在从用于冷却X射线管的冷却液体中移除热量中特别有用，并且将结合具体应用来介绍本发明。然而，应当理解，本发明可以应用于需要有效传输热量的不同应用场合。
射线管通常包括由金属或玻璃制成的，支撑在X射线管外壳内的真空外壳。外壳收纳阴极组件和阳极组件。阴极组件包括加热电流通过的阴极丝。电流充分地加热该丝以便放射电子云，即热电子放射产生。在100-200kV的量级内的高势能应用在阴极组件和阳极组件之间。电子束以充足能量撞击靶以产生X射线和大量的热量。
包围X射线管的X射线管外壳填充有液体(例如油)以辅助冷却X射线管。为了分配在X射线生成时产生的热负载，在X射线产生的整个过程中，始终保持固定的冷却液体流。在穿过X射线管外壳的循环后，冷却液体通过热交换器。热交换器使油内存储的热量散发到周围空气，通过对流传输热量。冷却的油再循环至X射线管外壳。风扇通常用于引导空气经过或穿过热交换器以加强热量传输。
在可算式层析X射线摄影法(CT)扫描仪中，X射线管及其关联的热交换器和冷却风扇固定在环状旋转台架上。台架快速地在病人周围旋转以获得CT图像。在旋转中热交换器及其关联风扇的重量对于保持架的平衡起了重要的作用。热交换器的尺寸也受限于台架的空隙约束。随着X射线管的热输出增加，对于传统风扇来说在不太重的情况下提供维持足够冷却需要的高流率以达到台架平衡是困难的。此外，大风扇易于嘈杂，将打扰病人。
本发明提供克服上面提及的问题及其他的新的、改进的方法和装置。
根据本发明的一个方面，提供用于与关联X射线管组件使用的冷却系统。冷却系统包括容纳来自关联的X射线管组件外壳的冷却流体并且在冷却流体和气流间传输热量的热交换器。风扇设置为移动气流通过热交换器。空气通量导向器定位为拦截来自热交换器的气流和将气流改向到与风扇的旋转轴基本垂直的方向上。
根据本发明的另一方面，提供X射线管组件和冷却系统。组件包括用于X射线产生的X射线管。流体流路将来自X射线管的加热的冷却流体送到冷却系统且将冷却的流体返回到X射线管。冷却系统包括设置为移动气流经过流路部分的轴向风扇，风扇具有旋转轴。空气通量导向器与风扇轴向间隔开且成形为径向偏转由风扇排出的空气。
根据本发明的又一方面，提供用于冷却X射线管组件的方法。该方法包括容纳来自X射线管通过流体流路加热的冷却液体。在冷却液体和由风扇产生的气流之间传输热量。风扇在基本与其旋转轴平行的方向上排出空气。排出的空气偏转到基本与轴垂直的方向上。
本发明的至少一实施例的一个优点是它允许不需要提高冷却系统的重量实现高冷却速度。
本发明的至少一实施例的另一个优点是它允许多于一个的热交换器并排工作，由此提高冷却速度。
本发明的至少一实施例的另一个优点是风扇噪音降低。
本发明的至少一实施例的另一个优点是振动减少。
本发明的至少一实施例的另一个优点在于延长X射线管寿命。
对于本领域的技术人员来说，基于对下文优选实施例的详细描述的阅读和理解，本发明的进一步优点将变得显而易见。
本发明可采用各种元件和元件的排列，以及各种步骤和步骤的排列。附图仅用于阐述优选实施例的目的并且不解释为限定本发明。
图1是根据本发明X射线管组件和冷却系统的透视图；
图2是图1的X射线管组件和冷却系统的示意图，部分切去以展示阳极组件；
图3是图1冷却系统的放大透视图，为了清楚表示移除了风扇盖；
图4是图3的冷却系统的部分侧视截面示意图；
图5是图3的空气流通道的放大透视图；
图6是图3的空气通量导向器的放大前透视图；
图7是图6的空气通量导向器的后透视图；
图8是图3的冷却系统的俯视图；
图9是图3的冷却系统的部分透视图，显示了用于将冷却系统安装到图1的X射线管组件上的支架；
图10是具有图1的X射线管组件和冷却系统的CT扫描仪的透视图。
参考图1，显示了用于医学诊断系统类型的X射线管组件10，如可算式层析X射线摄影法(CT)扫描仪，用于提供射线放射束。X射线管组件10由包括至少一个热交换器14、16的冷却系统12冷却。在所示实施例中显示了平行排列的两个热交换器14、16。
现在参考图2，X射线管组件10包括可旋转地安装在由包壳或框24限定的真空腔22内的阳极组件20，包壳或框24通常由金属玻璃和/或陶瓷制成。X射线管阳极组件20安装为用于关于经由一般显示为26的轴承组件的轴旋转。加热元件阴极组件28供给及聚焦电子。阴极相对于阳极偏置，以便电子加速到阳极20。电子撞击阳极的靶区的部分转换成热量及X射线，X射线在框内穿过窗30发射。阳极组件20，阴极组件28，和框24一起组成X射线管32。
X射线管组件10还包括填充有热传递及电绝缘冷却流体的外壳40，例如绝缘油。外壳40至少部分包围X射线管的框24并且限定窗41，X射线通过窗41离开X射线管组件10。冷却液体定向为通过窗30、框24、轴承组件26以及其它X射线管32的散热器件流动。
冷却液体由冷却系统12冷却。具体来说，加热的冷却液体通过定位在外壳的阴极端的出口线路42离开外壳40，由冷却系统冷却，并且冷却的液体由位于外壳阳极端的返回线路44返回到外壳。线路42、44可以是挠性软管、金属导管等形式并且形成传送冷却液体通过冷却系统的热交换器14、16的部分流体流路46。
在流体流路46内的储液器50可适应由于温度波动产生的冷却液体体积的变化。冷却液体由液泵52通过流路46抽出，在所示实施例中，尽管液泵52定位在流体线路54中，在储液器50和热交换器14、16的中间，其他定位也是可以考虑的。在泵52的下游，冷却液体分成两条线路56、58，一条线路通往一个热交换器14、16。在各自的热交换器14、16内，冷却液体定向为沿着显示为管道60、62的盘旋的散热器路径，同时流过热交换器的空气接触管道并且在那里加热。热交换器可以包括用于增加散热表面积的鳍片(未示)。在一个实施例中，热交换器由铝或其他轻质材料制成并且具有大约6个鳍片/cm。对于功率大约为4-6KW的X射线管，大约为20cm×20cm×9cm的热交换器可提供足够的冷却能力，同时可满足传统台架间隙约束的要求。
现在请参考图3和4，来自周围环境的冷却空气经由过滤器70、72进入热交换器14、16，过滤器70、72交叉安装在由各自的热交换器14、16的外壳77限定的入口端74，76处。过滤器70、72可以是任何一种传统形式，例如泡沫材料。泡沫材料的密度优选为足够细以捕获约束热交换器效率的灰尘，但没有细到降低系统的冷却效率。在一个实施例中，采用密度大约是25PPI的泡沫材料。如果热交换器的设计允许，可以省略过滤器。
通过与管道60、62和鳍片接触而加热的气流离开热交换器14、16并且进入中空空气通量导管78、80。导管安装在热交换器的外壳77上，以包围热交换器的出口82，84。导管78、80形成用于冷却系统12的空气分配系统86、88的一部分。
应当理解，热交换器14、16及其关联空气分配系统86、88是相同的，如相互的镜像设置。因此为了方便，将详细描述其中一个空气分配系统86，另一空气分配系统88理解为类似运作。
尤其参考图4，空气通量导管78的圆柱壁89优选为由防火材料例如聚碳酸酯制成。导管可以具有大约4-8cm的轴长以及大约16-26cm的内径。
继续参考图4，空气分配系统86还包括风扇及马达组件，其包括由风扇马达91驱动的旋转风扇90。虽然风扇90优选为轴向风扇，采用径向风扇也是可以考虑的。轴向风扇是将气流导向在大致轴向方向上，由平行于风扇90旋转轴的轴线X-X表示。空气在基本相同的轴向方向上经由空气通量导管78的入口端92进入风扇。适合的风扇90是流率大约为15-20m3/min或更高的风扇。例如，风扇可以具有五个到十个刀片或具有有效直径为15-25cm并在大约2800rpm旋转的叶轮94。
如图4所示，风扇的刀片94完全定位在空气通量导管78的圆柱状内通道95内，并邻近导管的圆形出口96。导管78在其出口端96是设定好大小的以在空气通量导管和风扇刀片94之间提供小的间隙(例如，大约0.02-0.1cm)。以这种方式，空气通量导管壁89的内表面98有助于维持排出空气的大致轴向流动方向。
如图4和图5所示，空气通量导管78通过固定元件100(例如螺丝，螺钉等)安装在热交换器外壳77上，固定元件100穿过在空气通量导管的进口端92的外边缘104内适宜地定位的孔102(在所示实施例中为4个)。邻近进口端92，空气通量导管必需加宽以容纳热交换器出口82的大小。在所示实施例中，空气通量导管的模制角106成形为允许导管入口端92紧密配合热交换器出口82的矩形形状。因而导管78在热交换器出口82周围提供了充分的密封封口。以这种方式，全部或基本全部离开热交换器出口82的空气进入空气通量导管78。
离开空气通量导管78的出口96的空气在沿等线的(contoured)空气通量导向器110上碰撞，空气通量导向器110与出口轴向对齐，并与出口间隔开。空气通量导向器拦截来自导管的大致轴向气流并且将气流导向到大致垂直于风扇90旋转轴的方向上(即，改向空气的全部流动方向更接近于垂直轴)。特别地，空气通量导向器将气流大约改向90°以便空气在大致横向方向上远离空气通量导向器流动。
最好地如图6和图7所示，空气通量导向器110包括平滑的沿等线的圆盘或壁112，其具有像被削去顶部的锥形形状，并具有向内弯曲的外表面113。圆盘从相邻风扇90的风扇端114向远离风扇的外端116增加其外径。在所示实施例中，壁112是具有曲率半径r的沿等线形，例如，半径大约为8-10cm以减少风扇内空气的压缩(图4)。在外端116的外径dd大于风扇刀片的直径df。例如，dd可以是被风扇刀片94旁切的圆的直径的100-120％。在所示实施例中，dd是20-30cm或者更大。在风扇端处的直径小于风扇刀片的外径。在风扇端处的直径部分由安装在其上的风扇马达的尺寸支配。通过引导气流沿着由图4内的箭头所示的弯曲通路，空气通量导向器可减少易于由紊流产生的气流噪音。
空气通量导向器110优选地由防火材料(例如，聚碳酸酯)制成以保持其重量最小并且阻止来自风扇马达的振动。圆盘112可以具有大约为0.2-0.4cm的厚度。有呈角度间隔开的内肋118(图7显示为8个)安装到圆盘112有助于维持空气通量导向器110的刚性。
通量导向器110限定在风扇端轴向对齐的插口120，插口120大小定制为接收其内的风扇马达91。在插口120中的孔122(在所示实施例中为四个)接收固定元件123(图4)，例如螺丝，螺钉等，用于将风扇马达91安装到空气通量导向器110。形成在插口内的较大的孔124、126用以接收配线(未示)、马达的部分等。所有的孔122、124、126由马达91遮盖以便来自风扇的很少或没有冷却气流穿过空气通量导向器110。如图7所示，螺丝与肋118轴向对齐并且由环形支撑结构129的钻孔128支撑，环形支撑结构129与肋118结合允许空气通量导向器110基本中空并且因而轻质，同时提供用于马达91的刚性支撑。
由空气通量导向器110改向的空气通过在安装在两空气分配系统86、88上的盖132(图1)内切削的槽130远离热交换器流动。槽130设定好大小并且定位为允许充分地向外流动以便不约束冷却系统的效能。
为减少来自两平行风扇系统的流动模型的干涉产生的紊流，空气通量分隔器140安装在空气通量导向器的外端。分隔器140由成形的平板例如铝板组成。如图1所示，虽然两平行通量分隔器140、141一个用于各导向系统86、88，其也希望单一空气通量分隔器可以在两系统中使用。空气通量分隔器140的面积足够大以最小化紊流。分隔器的尺寸比空气通量导向器110的大并且形状大致是正方形或矩形而不是圆形。分隔器140具有用于接收马达安装螺丝123的孔142，由此马达91和空气通量导向器110安装到空气通量分隔器上。
备选地，代替通量分隔器140，空气通量导向器可以形成从其外围延伸的向外延伸边缘。
如图8和图9所示，风扇安装支架150、152分别连接到热交换器14、16上并作为用于空气通量导向器系统86、88的底部。特别地，各支架包括通过螺丝100安装在热交换器外壳77的板154，板154在空气通量导管78和热交换器的中间。夹具156从板154延伸并且其末端固定到空气通量分隔器140后部。支架150、152限定通过适合的定位固定元件(例如螺丝160(图1))安装在X射线管外壳的向外延伸侧边缘158。支架还包括轴向延伸的顶部边缘及底部边缘162(仅顶部边缘可见)，盖132通过适合的固定元件进行安装。
相较于没有通量导向器的系统而言，散热得到增加。已经发现提高23％或更多的散热，使得冷却系统12比传统已经存在的系统适用于更高的台架速度和/或更高输出的X射线管。例如相较于传统系统的108Watts/℃，在本系统中已经实现至少130Watts/℃的散热率，以及通常大约140-150Watts/℃或者更高。
如图10所示，所描述的冷却系统具有用于可算式层析X射线摄影法(CT)系统200的合适的重量及尺寸。CT系统200包括关于台架轴Z旋转的环形台架210。X射线管10及其关联冷却系统12安装在台架上。病人支架212通过台架内的检查区214平行于Z轴平移。穿过在支架上的受验者216的X射线由安装在来自X射线管组件10的台架的对面的探测器218的弧接收。使用适当的数据处理及重建系统(未示)，将代表受验者身体结构的X射线数据用于重建身体结构的图像。
风扇的旋转轴X保持平行于台架210的旋转轴Z。虽然冷却系统12已经描述为通过支架150、152安装在X射线管外壳40上，冷却系统备选地安装在台架210上是可以考虑的。
并不意图限制本发明的范围，下文实例说明冷却系统的效力。
不同的冷却系统构造为使用如先前所述类型平行的成对径向风扇或者平行的成对轴向风扇。轴向风扇(在零压力点流率18.8m3/min，转速2,800RPM，刀片直径20cm，具有个9刀片)由生产商供给由钢铁形成的外框(轴向，有框(w/frame))。在某些测试中在风扇插入空气通量导管(轴，无框)前框被移除。测试不同类型的过滤器，包括无过滤器，10ppi过滤器，以及25ppi过滤器，10ppi过滤器具有较大的孔并且因此比25ppi过滤器具有较小的流动阻力。在这些测试中，空气通量导管相当粗糙地成形为圆柱状(大约20cm长)，其并不能完全遮盖热交换器的出口。空气通量导向器是切割成形，而不是模制成形(外径21cm，曲率半径9.5cm)。在某些测试中，使用由厚度大约为0.2cm的铝板成形的空气通量分隔器。
表1显示了得到的结果。优选构造一般是具有低油温及高散热率(Q/ITD＝比率/(热油温-冷油温))。然而，其它因素，例如风扇噪音及振动倾向在评定用于CT扫描仪中的合适构造中也趋于重要。
没有生产商框的轴向风扇在测试中执行很好，尤其是当与导管、空气通量导向器、空气通量分隔器以及开槽盖组合时。例如，测试13具有散热率为132Watts/℃，与具有散热率为108W/℃的传统热交换器设计相比十分有利。与传统风扇相比，这种排列也具有低噪音输出和减少的振动。
测试与那些已描述的实例1相似，例如由包括2个热交换器、2个轴向风扇、2个导管、2个空气通量导向器以及2个分隔器的冷却系统完成。在这些测试中，空气通量导管模制为以提供如图5所示的角件以允许空气通量导管与热交换器出口的形状更加紧密配合。导管出口直径设计为比实例1中的更加接近风扇刀片的直径，允许风扇更加高效地运作。通量导向器也增加了尺寸，从最大直径约21cm到最大直径约24.6cm并且模制为比实例1中使用的粗切削导向器提供更光滑的外表面。已发现这些改变可减小气流摩擦力和紊流以便提高散热效率。散热结果(Q/ITD)示于表2并且与那些由径向风扇操作的商业冷却系统相比较。对于每一测试，阳极、定子及泵的功率是相同的(分别是4500W、400W以及187W)。因此来自X射线管外壳的散热对于每一构造(350W)是相同的。基于台架温度为37℃预测最大冷却油温。
表2
  构造   Q/ITD，W/℃   预测最大冷却油温，℃
  商业冷却系统(径向风扇)   126   73
  具有轴向风扇、导管、空气通量导向器以及空气通量分隔器的冷却系统   150   67
如表2所示，本冷却系统在散热率方面胜于商业冷却系统。对于本系统，最大冷却油温相比于商业系统也显著较低。基于得到的结果，本冷却系统通过维持低于63℃的油温可以对运作在功率至少为4.5KW的X射线管进行十分有效的冷却。如果油温允许稍高一点，冷却系统预期能够对运作在功率大约为6KW的X射线管进行有效冷却。
本发明已经参考优选实施例描述。其他人基于对前述详细描述的阅读和理解将想到修改以及变更。倾向于将本发明解释为在附加权利要求或其相等的范围内包括所有这些修改以及变更。
表1
  测试   风扇   空气通量分隔器   空气通量管道   空气通量导向器   空气过滤器，PPI  风扇重量，1b(一侧)   盖   最高油温，℃   Q/ITD，W/C
  1   半径   No   No   No   25  3.5   Yes   63   134
  2   轴向，无框   Yes   No   Yes   25  3.8   Yes   65.4   100.22
  3   轴向，无框   Yes   No   Yes   25  3.9   Yes   63.3   105.5
  4   轴向，有框   Yes   No   No   25  4.7   Yes   68   108
  5   轴向，有框   Yes   No   No   25  4.7   No   63.4   125.2
  6   轴向，有框   Yes   No   No   25  4.7   Yes   69   109.8
  7   轴向，   Yes   No   No   25  4.7   No   67.0   108
  有框
  8   轴向，有框  Yes   No   No   25   4.7   No   63.0   125
  9   轴向，有框  Yes   No   No   None   4.7   No   59.5   142.5
  10   轴向，有框  Yes   No   No   None   4.7   开槽盖   63   127
  11   轴向，无框  Yes   Yes   Yes   None   4.2   开槽盖   63   145
  12   轴向，无框  Yes   Yes   Yes   10   4.2   开槽盖   63.2   133
  13   轴向，无框  Yes   Yes   Yes   25   4.2   开槽盖   62.6   132

Claims (20)

1.一种用于关联的X射线管组件(10)的冷却系统(12)包括：
接收来自关联的X射线管组件外壳(40)的冷却流体并且在所述冷却流体和气流之间传输热量的热交换器(12，14)；
设置为通过所述热交换器移动所述气流的风扇(90)；以及
定位为拦截来自所述热交换器的所述气流并且将所述气流改向到大致垂直于所述风扇的旋转轴的方向上的空气通量导向器(110)。
2.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于：所述风扇是轴向风扇。
3.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于：所述空气通量导向器限定具有外部凹面(113)的截顶锥体。
4.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于：所述空气通量导向器沿风扇的旋转轴与风扇间隔开。
5.根据权利要求4所述的冷却系统，其特征在于：所述空气通量导向器与风扇的旋转轴对齐。
6.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于：所述风扇定位在所述热交换器和所述空气通量导向器之间。
7.根据权利要求6所述的冷却系统，其特征在于：所述风扇包括具有直径小于所述空气通量导向器的最大外径的刀片(94)。
8.根据权利要求6所述的冷却系统，其特征在于：所述风扇包括马达(91)，所述马达安装到空气通量导向器上。
9.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于：进一步包括接收来自所述热交换器的空气并且横截面朝所述空气通量导向器变小的导管(78)。
10.根据权利要求9所述的冷却系统，其特征在于：所述风扇包括设置在所述导管内的径向刀片(94)。
11.根据权利要求10所述的冷却系统，其特征在于：所述空气通量导向器限定具有外部凹面(113)的截顶锥体，所述导管、所述风扇刀片以及所述空气通量导向器是同轴的。
12.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于：进一步包括：
与所述第一热交换器平行安装的第二热交换器；
设置为移动第二气流通过所述第二热交换器的第二风扇；以及
定位为拦截来自所述第二热交换器的所述第二气流并且将所述第二气流改向到大致垂直所述第二风扇的旋转轴方向上的第二空气通量导向器。
13.根据权利要求12所述的冷却系统，其特征在于：进一步包括定位在所述第一和第二空气通量导向器之间的至少的第一空气通量分隔器(140)，以减少由所述第一和第二气流的混合产生的紊流。
14.根据权利要求13所述的冷却系统，其特征在于：所述第一和第二空气通量导向器是背对背安装。
15.根据权利要求13所述的冷却系统，其特征在于：进一步包括：限定具有弯曲外部凹面的截顶锥体的第二空气通量导向器；
第二导管；以及
第二风扇，所述第一和第二风扇的风扇刀片，所述第一和第二导管，以及所述第一和第二空气通量导向器是同轴的。
16.一种组件包括：
安装在外壳(40)内的X射线管(32)；
根据权利要求1所述的冷却系统(12)；以及
通过所述外壳和根据权利要求1所述的冷却系统循环所述冷却流体的泵(52)。
17.根据权利要求16所述的组件，其特征在于：所述X射线管具有至少4.5KW的输入功率。
18.一种CT系统(200)包括：
安装用于绕台架轴旋转的台架(210)；
安装在外壳(40)内的X射线管(32)；
根据权利要求1所述的冷却系统(12)；以及
通过所述外壳及根据权利要求1所述的冷却系统循环所述冷却流体的泵(52)，其由所述台架支撑；以及
相对于所述X射线管安装到所述台架的X射线探测器的阵列(218)。
19.一种X射线管组件及冷却系统包括：
用于产生X射线的X射线管(32)；
从所述X射线管(32)传递加热的冷却流体并且将冷却的流体返回所述X射线管的流体流路(46)；以及
冷却系统(12)，所述冷却系统(12)包括：
设置为移动气流穿过所述流路部分的轴向风扇(90)，所述风扇具有旋转轴；以及
与所述风扇轴向间隔开并且成形为径向偏转由所述风扇排出的空气的空气通量导向器(110)。
20.一种用于冷却X射线管组件(10)的方法包括：
通过流体流路接收来自所述X射线管组件的加热的冷却液体；
在所述冷却液体和由风扇(90)产生的气流之间传输热量，所述风扇在基本平行于其旋转轴的方向上排出所述气流；
在基本与所述轴向方向垂直的径向方向上偏转所述排出的空气。
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