DE10117027C2 - Flüssigkeitsgekühlte Röntgenröhre mit Phasenwechselmaterial(PCM) enthaltenden Mikrokapseln in der Kühlflüssigkeit - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht/sich auf eine flüssigkeitsgekühlte Röntgenröhre, bei der zur Abfuhr der Verlustwärme die Kühl­ flüssigkeit in einem geschlossenen Kühlkreislauf zirkuliert.

Bei Röntgenröhren, die insbesondere für den Einsatz in Compu­ tertomographen vorgesehen sind, besteht der Wunsch bzw. die Forderung, die Wärme effizienter als bisher direkt von der Röhre abführen zu können. Dieser Wunsch besteht insbesondere bei der Forderung nach einer Leistungserhöhung der Röhre und trifft sowohl auf Glaskolbenröntgenröhren als auch auf Ganz­ metallröntgenröhren und Drehkolbenröhren zu, die in der Regel mit Öl gekühlt werden.

Bei Glaskolbenröntgenröhren ist es hauptsächlich die sich durch starke lokale Erhitzung am anodenseitigen Glaskolben absetzende Ölkohle, die sich katalytisch auf eine weitere Ölkohlebildung auswirkt, mit der Folge, dass im fortgeschrit­ tenen Stadium die Kühlung lokal schlechter wird und dann die Röntgenröhre vorzeitig ausfallen kann, oder dass beim Recyc­ ling der Glaskolben wegen der erhöhten Ablagerungen an Kohle­ resten nicht für eine Wiederverwendung herangezogen werden kann.

Bei Ganzmetallröntgenröhren sind es insbesondere die beiden Engstellen am Kathodenhals und am Strahlenaustrittsfenster, die einer besonders starken Erwärmung unterliegen. Auch hier besteht ein stärkerer Bedarf an Kühlung, insbesondere wenn man die Kurzzeitbelastung der Röhre erhöhen will. Aufgrund der konstruktiven Gegebenheiten lässt sich aber die Kühlleis­ tung nicht ohne weiteres, z. B. durch Einbau einer stärkeren Pumpe oder durch Einbau von speziellen Strömungsleitkörpern, erhöhen. Mit dem Einbau von Strömungsleitkörpern würde sich außerdem auch der Strömungswiderstand erhöhen, mit der Folge, dass sich auch die Kühlmitteltemperatur erhöhen würde.

Bei Drehkolbenröhren kann die sehr hohe Wärmemenge an der Anode durch eine direkte Ölkühlung nicht schnell genug an den meist vorhandenen Ölkühler abgegeben werden. Die Ölmenge ist aus Platz- und Gewichtsgründen meist begrenzt und kann des­ halb nicht einer erhöhten Leistungs- und damit Wärmeentwick­ lung angepasst werden. Um dieses Problem in den Griff zu be­ kommen, hat man schon versucht, in den Kühlkreislauf einen speziellen Zwischenspeicher einzubauen, um damit die kurz­ fristig anfallende Wärme zwischenspeichern zu können. Ein solcher Zwischenspeicher ist jedoch einerseits ein ver­ gleichsweise technisch aufwendiges Bauteil, andererseits führt die mit einem solchen Bauteil verbundene Gewichtserhö­ hung wegen der höheren Rotationsfliehkräfte bei CT-Anlagen zu weiteren Problemen, die dann zu lösen wären. Einen Zwi­ schenspeicher vorzusehen hat außerdem den weiteren Nachteil, dass sich der Strömungswiderstand für das durchlaufende Öl erhöhen würde und deshalb dann eine stärkere Ölpumpe vorgese­ hen werden müsste.

Aus der DE 197 41 750 A1 ist eine Drehkolbenröhre bekannt, deren Vakuumhülle innerhalb eines mit einem flüssigen Kühl­ mittel gefüllten Strahlergehäuses rotiert. Dabei ist ein ex­ terner Wärmetauscher zur Rückkühlung des Kühlmittels vorgese­ hen. Das Strahlergehäuse weist einen Kühlmittelzulaufstutzen und einen Kühlmittelablaufstutzen auf, die an solchen Positi­ onen des Strahlergehäuses angeordnet sind, das durch die Ro­ tation des Drehkolbens ein Unter- bzw. Überdruck erzeugt wird, wodurch das Kühlmittel ohne Umwälzpumpe durch den ex­ ternen Wärmetauscher gefördert wird.

Aus der DE 196 40 275 A1 ist eine Röntgenröhre bekannt, die in einem mit einer Flüssigkeit gefüllten Schutzgehäuse aufge­ nommen ist, wobei eine Entgasungsvorrichtung für die Flüssig­ keit vorgesehen ist, die mit Hilfe eines Getters in der Flüssigkeit enthaltene Gasmoleküle durch eine flüssigkeitsun­ durchlässige, jedoch die Diffusion von Gasmolekülen erlau­ bende Wand abführt.

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Auf­ gabe zugrunde, demgegenüber eine Verbesserung zu erzielen und eine flüssigkeitsgekühlte Röntgenröhre der eingangs genannten Gattung anzugeben, bei der die Kühlleistung verbessert werden kann ohne dass die angegebenen Nachteile in Kauf genommen werden müssen.

Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Verwendung einer Kühlflüssigkeit, welcher Latentwärmespeicherelemente in Form von Mikrokapseln beigefügt sind, die im Flüssigkeitsstrom des Kühlmittels mit zirkulieren, lässt sich die Kühlleistung be­ trächtlich erhöhen.

Als Latentwärmespeicherelemente werden Speicherelemente be­ zeichnet, die ein Phasenwechselmaterial(phase-change- material), nachfolgend kurz PCM genannt, enthalten. Solche PCM-Speicherelemente zeichnen sich dadurch aus, dass das Phasenumwandlungsmaterial bei einer bestimmten Grenztempera­ tur eine Phasenumwandlung vollzieht. Während dieser Phasenum­ wandlung, welcher unter Zufuhr von Energie erfolgt, bleibt die Temperatur des PCM praktisch konstant, da die zugeführte Energie praktisch für die Phasenumwandlung benötigt wird. Die während der Phasenumwandlung zugeführte Energie wird dabei in den PCM-Speicherelementen zwischengespeichert und bei Um­ kehrung der Phasenumwandlung wieder freigesetzt. Erst nach der Phasenumwandlung erfolgt bei weiterer Zufuhr von Energie eine Erhöhung der Temperatur des PCM.

Bei der erfindungsgemäßen Anwendung wird also die in der Röntgenröhre anfallende Wärme über einen gewissen Zeitab­ schnitt in den PCM-Speicherelementen zwischengespeichert. In Abhängigkeit vom gewählten Werkstoff des PCM und der Menge der in die Kühlflüssigkeit eingebrachten PCM-Speicherele­ mente kann über einen bestimmten Zeitabschnitt die Temperatur der Kühlflüssigkeit trotz der bei der Erzeugung der Röntgen­ strahlung anfallenden Wärme nahezu konstant gehalten werden. Im Vergleich zu herkömmlichen Maßnahmen zur Kühlung einer Röntgenröhre wird der Anstieg der Temperatur der Kühlflüssig­ keit stark verzögert, so dass der Röntgenstrahler bei glei­ cher Betriebsdauer stärker belastet werden kann, oder dass bei gleicher Belastung die Betriebsdauer des Röntgenstrahlers wesentlich verlängert werden kann.

Als PCM-Werkstoffe kommen in erster Linie Paraffine in Fra­ ge deren Schmelztemperaturen zwischen 9°C und 112°C liegen. Ein bevorzugtes Paraffin-PCM hat beispielsweise eine Grenz­ temperatur von ca. 54°C, bei der sich die Umwandlung voll­ zieht. Alternativ zu Paraffin können auch geeignete Fettalko­ hole, Fettsäuren, Hydrate von Natriumcarbonat, Natriumacetat, Calciumchlorid und Lithium- oder Magnesiumnitrat in Betracht gezo­ gen werden.

Die Mikrokapseln haben vorteilhafterweise eine Größe von etwa 5 bis 10 µm, im Maximum etwa 20 bis 50 µm Durchmesser und sind mit einem Anteil von etwa 10 Volumenprozent der Kühl­ flüssigkeit beigemischt. Der Körper oder die Hülle der Kap­ seln besteht vorteilhafterweise aus einem vernetzten Kohlen­ stoff.

Mit den erfindungsgemäß vorgeschlagenen Maßnahmen lässt sich die Wärmekapazität und damit auch die Kühlleistung um ein Vielfaches erhöhen. Der besondere Vorteil liegt darin, dass durch das ständige Vorbeiströmen der PCM-Speicherelemente an den Wärme erzeugenden Bauteilen ein rascherer Abtransport der Wärme direkt am Entstehungsort erreicht wird. Die Kühlung der Bauteile 'vor Ort' wird dadurch sehr viel effizienter als ohne diese PCM-Speicherelemente. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass zur Erhöhung der Kühlleistung die Durch­ flussmenge der Kühlflüssigkeit nicht erhöht zu werden braucht. Die in der Regel vorhandene Ölpumpe braucht demnach nicht größer dimensioniert zu werden.

Anhand der Figur wird ein Anwendungsfall näher beschrieben.

Ein beispielsweise für eine CT-Anlage vorgesehener Röntgen­ strahler 1 weist ein Gehäuse 2 auf, in dem eine ein Röntgen­ strahlenbündel 3 aussendende Röntgenstrahlenquelle 4 angeord­ net ist. Das Gehäuse 2 ist mit einem geeigneten, die Röntgen­ strahlenquelle umgebenden Kühl- und Isolationsöl gefüllt und über Leitungen 5 mit einer Pumpe 6 und einem als Zwischen­ speicher dienenden Wärmetauscher 7 verbunden. Röntgenstrah­ ler, Pumpe, und Wärmetauscher bilden einen geschlossenen Kühlmittelkreis in dem das Kühl- und Isolationsöl zirkuliert. Mit 8 ist ein an die Leitung 5 angeschlossenes Ausdehnungsge­ fäß bezeichnet welches in bekannter Weise zur Aufnahme des sich infolge der Erwärmung ausdehnenden Kühl- und Isolations­ öls dient.

Erfindungsgemäß sind dem zirkulierenden Kühl- und Isolations­ öl mit PCM gefüllte Mikrokapseln beigemischt. Die Mikrokap­ seln selbst bestehen aus einem vernetzten Kohlenstoff und haben eine Größe von etwa 5 bis 10 µm, wodurch sie durch engs­ te Durchgänge im Kühlmittelkreislauf problemlos hindurch strömen können. Je nach den konstruktiven Gegebenheiten sowie je nach Größe und Leistung der Röntgenröhre können auch grö­ ßere Kapseln vorgesehen werden.

Die Beimischung an Mikrokapseln erfolgt vorteilhafterweise mit einem Volumenanteil von 10%. Sofern eine höhere Kühlleis­ tung erwünscht ist, kann der Anteil der Kapseln im Öl erhöht werden.

Wenn, wie im dargestellten Anwendungsfall vorgesehen, im Kühlflüssigkeitskreis ein Wärmetauscher als Zwischenspeicher vorgesehen ist, so ist dies nicht zwingend erforderlich. We­ gen der guten Wärmespeicherung der mit PCM gefüllten Mikro­ kapseln kann gegebenenfalls auf den Wärmetauscher verzichtet werden.

Obgleich wegen der besonders guten elektrischen Isolationsei­ genschaft als Kühlmittel in der Regel ein Öl, z. B. Transfor­ matorenöl, verwendet wird, so ist es auch denkbar, dann, wenn die elektrische Isolation der Röntgenröhre auf andere Art sichergestellt werden kann, eine andere Kühlflüssigkeit, z. B. Wasser zu verwenden. In diesem Anwendungsfall kann als PCM mit Vorteil ein Metallsalz verwendet werden.

Claims (4)

1. Flüssigkeitsgekühlte Röntgenröhre, bei der die Kühlflüs­ sigkeit in einem geschlossenen Kühlkreis zirkuliert und bei der der Kühlflüssigkeit Mikrokapseln, die ein Phasenwechsel­ material (phase-change-material, kurz PCM) enthalten, beige­ fügt sind.

2. Flüssigkeitsgekühlte Röntgenröhre nach Patentanspruch 1, bei der die Mikrokapseln eine Größe aufweisen, die im Bereich zwischen 5 µm und 20 µm liegt.

3. Flüssigkeitsgekühlte Röntgenröhre nach Patentanspruch 1 oder 2, bei der der Zusatz an Mikrokapseln in der Größenord­ nung von etwa 5% bis 20% des Volumens der Kühlflüssigkeit liegt.

4. Flüssigkeitsgekühlte Röntgenröhre nach einem der Patentan­ sprüche 1 bis 3, bei der ein PCM verwendet ist welches auf einem der folgenden Stoffe basiert: Paraffine, Fettalkohole, Fettsäuren, Hydrate von Natriumcarbonat, Natriumacetat, Cal­ ciumchlorid, Lithiumnitrat, oder Magnesiumnitrat