DE10064341C2 - Röntgenröhre mit Latentwärmespender - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Röntgenröhre, aufweisend ein im Betrieb der Röntgenröhre um eine Drehachse rotierendes Vaku­ umgehäuse und eine mit dem Vakuumgehäuse verbundene Anode.

Die bei der Erzeugung von Röntgenstrahlen mit Röntgenröhren eingesetzte elektrische Energie wird zu ca. 99% in Wärmeener­ gie umgewandelt. Diese im Betrieb der Röntgenröhre auf der Anode anfallende Verlustwärme kann bei herkömmlichen Drehano­ den-Röntgenröhren im Wesentlichen nur durch Strahlung von der Anode abgeführt werden. Die durch Wärmeleitung von der Anode herkömmlicher Drehanoden-Röntgenröhren abführbare Verlustwär­ memenge ist dagegen vernachlässigbar. Dies hat zur Folge, dass bei herkömmlichen Drehanoden-Röntgenröhren kein echter Dauerbetrieb möglich ist, sondern ein intermittierender Be­ trieb derart erfolgt, dass immer dann, wenn die Wärmespei­ cherfähigkeit der Anode erschöpft ist, eine Betriebspause eingelegt werden muss, in der die auf der Anode angesammelte Wärmemenge durch Strahlung abgeführt wird.

Röntgenröhren der eingangs genannten Art, wie sie beispiels­ weise aus der DE 198 51 853 C1 bekannt sind, bieten gegenüber herkömmlichen Drehanoden-Röntgenröhren den Vorteil, dass die Anode direkt mit einem Kühlmedium beaufschlagt werden kann und somit eine schnelle Abfuhr der anfallenden Verlustwärme durch Wärmeleitung möglich ist.

Da als Kühlmedium bei Drehröhren gewöhnlich eine Flüssigkeit eingesetzt wird, tritt allerdings der Nachteil ein, dass in­ folge der Rotation des Vakuumgehäuses der Drehröhre in der Flüssigkeit ganz erhebliche Reibungsverluste auftreten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Röntgenröhre der eingangs genannten Art so auszubilden, dass die Reibungs­ verluste vermindert sind und trotzdem eine gute Kühlung ge­ währleistet ist.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch eine Rönt­ genröhre, aufweisend ein im Betrieb der Röntgenröhre um eine Drehachse rotierendes Vakuumgehäuse und eine mit dem Vakuum­ gehäuse verbundene Anode, wobei die Anode mit einem Latent­ wärmespeicher versehen ist, der in wärmeleitender Verbindung mit der Anode steht.

Unter einem Latentwärmespeicher soll hier eine Einrichtung verstanden werden, die ein Phasenumwandlungsmaterial, im Fol­ genden als PCM (= phase change material) bezeichnet, enthält. Ein solcher beispielsweise in der DE 298 21 270 U1 beschrie­ bener Latentwärmespeicher zeichnet sich dadurch aus, dass das PCM, zum Beispiel Paraffin oder ein geeignetes Salz (auch andere Stoffe, z. B. Metalle, sind möglich), bei einer bestimmten Grenztemperatur, die für Paraffin bei beispiels­ weise ca. 50° und bei Salzen gewöhnlich darüber liegt, eine Phasenumwandlung vollzieht. Während der Phasenumwandlung, bei der es sich gewöhnlich um die Phasenumwandlung zwischen dem festen und dem flüssigen Zustand handelt, bleibt die Tempera­ tur des PCM trotz Wärmezufuhr praktisch konstant, da die zu­ geführte Energie, die der Schmelzenthalphie entspricht, für die Phasenumwandlung benötigt wird. Die dem Latentwärmespei­ cher während der Phasenumwandlung des PCM zugeführte Wärme wird also in dem Latentwärmespeicher zwischengespeichert und erst bei einer Umkehrung der Phasenumwandlung wieder frei. Bei Energiezufuhr erfolgt eine Erwärmung des PCM über die Grenztemperatur hinaus erst dann, wenn die Phasenumwandlung des PCM vollständig abgeschlossen ist und die Energiezufuhr weiter aufrecht erhalten wird.

Es wird also deutlich, dass im Falle der Erfindung der Latentwärmespeicher als Zwischenspeicher für die im Betrieb der Röntgenröhre anfallende Verlustwärme dient, so dass eine Überhitzung der Anode vermieden wird und die übliche kontinu­ ierliche Wärmeabfuhr an das Umfeld direkt von der Anode aus erfolgen kann.

Damit bietet die erfindungsgemäße Röntgenröhre die Vorausset­ zung, auf ein flüssiges Kühlmedium zur Abfuhr der auf der Anode anfallenden Verlustwärme zu verzichten und statt dessen, gemäß bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, Mittel zum Beaufschlagen des Latentwärmespeichers mit einem gasförmigen Kühlmedium, insbesondere Luft oder Isoliergas, vorzusehen.

Es wird also deutlich, dass die bei Röntgenröhren der ein­ gangs genannten Art üblicherweise auftretenden hohen Rei­ bungsverluste mit der erfindungsgemäßen Röntgenröhre durch Einsatz eines gasförmigen Kühlmedium vermieden werden können, wobei infolge der besonderen Wärmespeicherfähigkeit des La­ tentwärmespeichers die in Phasen intensiver Nutzung der Rönt­ genröhre vermehrt einfallende Verlustwärme, die durch das gasförmige Kühlmedium nicht ohne weiteres abführbar wäre, in dem Latentwärmespeicher zwischengespeichert wird und in Pha­ sen weniger intensiver Nutzung der Röntgenröhre durch das gasförmige Kühlmedium abgeführt wird.

Eine besonders intensive wärmeleitende Verbindung des Latent­ wärmespeichers mit der Anode lässt sich erreichen, wenn die Anode gemäß einer Ausführungsform der Erfindung eine Wandung des Vakuumgehäuses bildet und an ihrer Außenseite mit dem Latentwärmespeicher versehen ist.

Da PCM in der Regel eine nur geringe Wärmeleitfähigkeit auf­ weisen, ist gemäß bevorzugten Varianten der Erfindung zwi­ schen der Anode und dem Latentwärmespeicher wenigstens ein Wärmeleitkörper angeordnet, der vorzugsweise aus einem Mate­ rial gebildet ist, dessen Wärmeleitfähigkeit wenigstens gleich der von Kupfer ist und der durch Löten oder Schweißen mit der Anode verbunden sein kann.

Wenn gemäß einer Variante der Erfindung ein einziger Wärme­ leitkörper vorgesehen ist, ist es im Interesse einer guten Wärmeleitung zweckmäßig, diesen flächenhaft mit der Anode zu verbinden. Im Interesse eines guten Wärmeübergangs zwischen dem Wärmeleitkörper und dem in dem Latentwärmespeicher enthalte­ nen PCM ist gemäß einer weiteren Variante der Erfindung vor­ gesehen, dass der Wärmeleitkörper mit dem PCM in wärmeleiten­ der Verbindung in Eingriff stehende Rippen aufweist.

Anstelle eines einzigen Wärmeleitkörpers können gemäß einer Ausführungsform der Erfindung auch mehrere Wärmeleitkörper vorgesehen sein, die mit der Anode verbunden sind, wobei die Wärmeleitkörper mit dem in dem Latentwärmespeicher enthalte­ nen PCM in wärmeleitender Verbindung in Eingriff stehen. Da­ bei können die Wärmeleitkörper als Stifte oder als rohrför­ mige, insbesondere konzentrisch zu der Drehachse der Röntgen­ röhre angeordnete Ringe ausgebildet sein.

Eine besondere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Rippen des Wärmeleitkörpers bzw. die Wärmeleitkörper auf der von der Anode abgewandten Seite des Latentwärmespeichers aus diesem nach außen treten. In diesem Falle ist eine beson­ ders intensive Wärmeabfuhr möglich. Alternativ besteht auch die Möglichkeit, den Latentwärmespeicher mit Kühlrippen zu versehen. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den bei­ gefügten schematischen Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Röntgenröhre im Längsschnitt,

Fig. 2 in vergrößerter Darstellung einen teilweisen Längs­ schnitt durch die Anode und den mit dieser verbunde­ nen Latentwärmespeicher der Röntgenröhre gemäß Fig. 1, und

Fig. 3 und 4 in zu Fig. 2 analoger Darstellung Varianten der erfindungsgemäßen Röntgenröhre.

Die Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Röntgenröhre, deren Vakuumgehäuse 1 in schematisch angedeuteter Weise (Lager L₁ und L₂) um eine Drehachse D drehbar gelagert ist. Das Vakuum­ gehäuse 1 ist bezüglich der Drehachse D im Wesentlichen rota­ tionssymmetrisch ausgebildet. Im Inneren des Vakuumgehäuses 1 ist ein Elektronenemitter 2 mit Fokussierungselektrode 3 an­ geordnet, der im Betrieb der Röntgenröhre in an sich bekann­ ter, nicht dargestellter Weise durch einen Heizstrom beheizt wird und einen in Fig. 1 mit E bezeichneten Elektronenstrahl vorzugsweise kreisförmigen Querschnitts aussendet.

Der Elektronenstrahl E trifft im Betrieb der Röntgenröhre auf eine Anode 4 auf, da zwischen der Anode 4 und dem in nicht näher dargestellter Weise von dieser elektrisch isolierten Elektronenemitter 2 in an sich bekannter, nicht dargestellter Weise eine Beschleunigungsspannung, die sogenannte Röhren­ spannung, anliegt. Die durch die Röhrenspannung beschleunig­ ten Elektronen des Elektronenstrahls E treffen mit solcher Energie auf die Anode 4 auf, dass von dem im Folgenden als Brennfleck BF bezeichneten Auftreffort des Elektronenstrahls E Röntgenstrahlung ausgeht.

In Fig. 1 ist die von dem Brennfleck BF ausgehende und durch einen als Strahlenaustrittsfenster 5 dienenden ringförmigen Bereich verringerter Wandstärke des Vakuumgehäuses 1 austre­ tende Röntgenstrahlung durch einige mit R bezeichnete Pfeile veranschaulicht.

Die Anode 4 bildet übrigens eine Wandung des Vakuumgehäuses 1, nämlich sozusagen dessen Boden.

Um zu erreichen, dass sich der Brennfleck BF im Betrieb der Röntgenröhre an der gewünschten Stelle auf der Anode 4 aus­ bildet und trotz der Rotation der Röntgenröhre ortsfest bleibt, ist ein relativ zu dem Vakuumgehäuse 1 stationäres, d. h. nicht mit dem Vakuumgehäuse 1 rotierendes, Ablenksystem 6 vorgesehen, das im Falle des beschriebenen Ausführungsbeispiels in an sich bekannter, nicht näher dargestellter Weise mit geeigneten Strömen versorgte Spulen enthält, die zum ei­ nen eine Fokussierung und zum anderen die erforderliche Ab­ lenkung des Elektronenstrahls E bewirken.

Wie aus der Fig. 2 ersichtlich ist, weist die Anode 4 einen Grundkörper 9 auf, der beispielsweise aus Molybdän gebildet ist, und in demjenigen Bereich, in dem er wegen der Rotation der Röntgenröhre von dem Elektronenstrahl E überstrichen wird, mit einer Brennbahn 10 versehen ist, die beispielsweise aus einer Wolfram-Rhenium-Legierung gebildet ist.

Um die im Betrieb der Röntgenröhre in die Anode 4 einge­ brachte Verlustwärme abführen zu können, ist die Außenseite der Anode 4 mit einem insgesamt mit 7 bezeichneten, in Fig. 1 nur schematisch angedeuteten Latentwärmespeicher versehen, dem Mittel zum Beaufschlagen mit einem gasförmigen Kühlmedium zugeordnet sind, die in Fig. 1 durch einen den Latentwärme­ speicher mit Umgebungsluft beaufschlagendes Gebläse 8 veran­ schaulicht sind.

Der Latentwärmespeicher 7 dient als Zwischenspeicher für die im Betrieb der Röntgenröhre anfallende Verlustwärme, so dass eine kontinuierliche Abfuhr der auf der Anode 4 anfallenden Verlustwärme nicht notwendig ist. Damit besteht die Möglich­ keit, auf ein flüssiges Kühlmedium zur Abfuhr der auf der Anode 4 anfallenden Verlustwärme zu verzichten und statt des­ sen die in dem Latentwärmespeicher 7 zwischengespeicherte Verlustwärme mittels eines gasförmigen Kühlmediums, nämlich der dem Latentwärmespeicher 7 mittels des Gebläses 8 zuge­ führten Umgebungsluft, abzuführen.

Durch den Verzicht auf ein flüssiges Kühlmedium sind die da­ mit üblicherweise verbundenen hohen Reibungsverluste vermie­ den.

Wie bereits eingangs erwähnt wurde, enthält der Latentwärme­ speicher 7 PCM 11, welches im Falle des beschriebenen Ausfüh­ rungsbeispiels in einem zu der Anode 4 hin offenen, topfför­ migen Gehäuse 12 aufgenommen ist.

Um eine gute thermische Kopplung der Anode 4 mit dem in dem Latentwärmespeicher 7 enthaltenen PCM 11 zu gewährleisten, ist an der Außenseite der Anode 4 ein Wärmeleitkörper 13 vor­ gesehen, der im Falle des beschriebenen Ausführungsbeispiels aus Kupfer besteht. Der Wärmeleitkörper 13 ist durch Löten oder Schweißen flächenhaft mit der Anode 4 verbunden, was erleichtert wird, wenn die beiden zu verbindenden Flächen wie im Falle des dargestellten Ausführungsbeispiels plan sind.

Um den Wärmeübergang zwischen Anode 4 und PCM 11 weiter zu verbessern, weist der Wärmeleitkörper 13 vorzugsweise ring­ förmige Rippen auf, von denen eine in Fig. 2 mit 14 bezeich­ net ist, die mit dem PCM 11 in Eingriff stehen.

Um die Abfuhr von in dem Latentwärmespeicher 7 gespeicherter Wärme durch den durch das Gebläse 8 erzeugten Luftstrom zu verbessern, kann der Latentwärmespeicher 7, wie in Fig. 2 strichliert angedeutet, an seiner von der Anode 4 abgewandten Stirnseite mit einem Kühlkörper 15 versehen sein.

Der Latentwärmespeicher 7 und gegebenenfalls der Kühlkörper 15 sowie der Wärmeleitkörper 13 mit den Rippen 14 sind übri­ gens ebenso wie die Anode 4 und die Röntgenröhre insgesamt im wesentlichen rotationssymmetrisch zur Drehachse D ausgebildet.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 unterscheidet sich von dem zuvor beschriebenen zunächst dadurch, dass das Gehäuse 12 das PCM 11 lediglich nach Art eines Ringes umgibt. Dadurch besteht die Möglichkeit, die Kühlrippen 14 des Wärmeleitkör­ pers 13 derart zu verlängern, dass diese aus dem PCM 11 nach außen treten und somit zusätzlich die Funktion des im Falle des zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiels vorgesehenen Kühlkörpers 15 übernehmen.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 unterscheidet sich von dem gemäß Fig. 3 dadurch, dass nicht ein einziger Wärmeleit­ körper 13 mit Rippen 14 vorgesehen ist, sondern dass statt dessen mehrere Wärmeleitkörper 16 ₁ bis 16 _n vorgesehen sind, die die Form konzentrischen Rohrabschnitten aufweisen, je­ weils mit der Außenseite der Anode 4 durch Löten oder Schweißen verbunden sind und konzentrisch zu der Drehachse D angeordnet sind.

Alternativ besteht die Möglichkeit, gemäß Fig. 5 stabförmige Wärmeleitkörper 16 ₁₁ bis 16 _nm vorzusehen, die im Falle der Fig. 5 auf n zur Drehachse D konzentrischen Kreisen angeord­ net sind, wobei die Anzahl der auf einem Kreis angeordneten Wärmeleitkörper m ist. Die auf jeweils einem der Kreise ange­ ordneten stabförmigen Wärmeleitkörper sind von ihren direkten Nachbarn in nicht dargestellter Weise jeweils um die gleiche Bogenlängen beabstandet. Des weiteren sind der Radienunter­ schiede zweier direkt benachbarter Kreise jeweils gleich.

Die erfindungsgemäße Röntgenröhre kann in an sich bekannter, nicht dargestellter Weise in einem Schutzgehäuse aufgenommen sein, wobei anders als bei herkömmlichen Röntgenröhren das Schutzgehäuse keine Flüssigkeit enthält, sondern von einem gasförmigen Kühlmedium, insbesondere der Umgebungsluft, durchströmt ist, wobei die Strömung beispielsweise durch ein Gebläse aufrecht erhalten wird.

Die Erfindung kann übrigens auch bei solchen Röntgenröhren zur Anwendung kommen, bei denen in aus der US 5 046 186 an sich bekannter Weise der Elektronenemitter relativ zu dem Vakuumgehäuse drehbar gelagert ist und durch geeignete Maß­ nahmen relativ zu dem Vakuumgehäuse ortsfest gehalten wird.

Claims (15)

1. Röntgenröhre, aufweisend ein im Betrieb der Röntgenröhre um eine Drehachse rotierendes Vakuumgehäuse und eine mit dem Vakuumgehäuse verbundene Anode, wobei die Anode mit einem Latentwärmespeicher versehen ist, der in wärmeleitender Ver­ bindung mit der Anode steht.

2. Röntgenröhre nach Anspruch 1, bei der Mittel zum Beauf­ schlagen des Latentwärmespeichers mit einem gasförmigen Kühl­ medium vorgesehen sind.

3. Röntgenröhre nach Anspruch 2, bei der als gasförmiges Kühlmedium Luft vorgesehen ist.

4. Röntgenröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 3, deren Anode eine Wandung des Vakuumgehäuses bildet und an ihrer Außen­ seite mit dem Latentwärmespeicher versehen ist.

5. Röntgenröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der zwischen der Anode und dem Latentwärmespeicher wenigstens ein Wärmeleitkörper angeordnet ist.

6. Röntgenröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der der wenigstens eine Wärmeleitkörper aus einem Material gebildet ist, dessen Wärmeleitfähigkeit wenigstens gleich der von Kup­ fer ist.

7. Röntgenröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der der wenigstens eine Wärmeleitkörper durch Löten oder Schweißen mit der Anode verbunden ist.

8. Röntgenröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der ein einziger Wärmeleitkörper vorgesehen ist, der flächenhaft mit der Anode verbunden ist.

9. Röntgenröhre nach Anspruch 8, bei der der Latentwärmespei­ cher ein PCM enthält und bei der der Wärmeleitkörper mit dem PCM in wärmeleitender Verbindung in Eingriff stehende Rippen aufweist.

10. Röntgenröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der mehrere Wärmeleitkörper vorgesehen sind, die mit der Anode verbunden sind und bei der der Latentwärmespeicher ein PCM enthält, mit dem die Wärmeleitkörper in wärmeleitender Ver­ bindung in Eingriff stehen.

11. Röntgenröhre nach Anspruch 10, bei der die Wärmeleitkör­ per als Stifte ausgebildet sind.

12. Röntgenröhre nach Anspruch 10, bei der die Wärmeleitkör­ per als rohrförmige Ringe ausgebildet sind.

13. Röntgenröhre nach Anspruch 12, bei der die als rohrför­ mige Ringe ausgebildeten Wärmeleitkörper konzentrisch zu der Drehachse der Röntgenröhre angeordnet sind.

14. Röntgenröhre nach einem der Ansprüche 9 bis 13, bei der die Rippen des Wärmeleitkörpers oder die Wärmeleitkörper auf der von der Anode abgewandten Seite des Latentwärmespeichers aus diesem nach außen treten.

15. Röntgenröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei der der Latentwärmespeicher mit Kühlrippen versehen ist.