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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Computertomographie(CT)-Bildgebungssysteme.
Spezieller bezieht sie sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Kühlen
der mit CT-Scannern verbundenen Elektronik.
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In
zumindest einigen CT-Bildgebungssystemanordnungen enthält ein stationärer, auf
dem Boden montierter Rahmen eine Röntgenstrahlenquelle und ein
Strahlungsdetektorfeld. Die Röntgenstrahlenquelle
sendet ein fächerförmiges Strahlenbündel aus,
das zum Liegen innerhalb einer X-Y-Ebene eines kartesischen Koordinatensystems
eingeblendet ist und allgemein als „Abbildungsebene" bezeichnet wird.
Das Röntgenstrahlenbündel tritt
durch das abzubildende Objekt, wie z.B. einen Patienten, hindurch.
Nachdem das Strahlenbündel
durch das Objekt abgeschwächt
worden ist, trifft es auf das Feld von Strahlungsdetektoren auf.
Die Intensität
der auf dem Detektorfeld empfangenen Strahlung des abgeschwächten Bündels ist
von der Abschwächung
des Röntgenstrahlenbündels durch
das Objekt abhängig. Jedes
Detektorelement des Felds erzeugt ein separates elektrisches Signal,
das eine Messung der Bündelabschwächung am
Ort des Detektors darstellt. Die Abschwächungsmessungen von allen Detektoren werden
separat akquiriert, um ein Durchgangsprofil zu erzeugen. Die Röntgenstrahlenquelle
und das Detektorfeld werden innerhalb der Abbildungsebene und um
das abzubildende Objekt herum mit einem Gantryrahmen gedreht. Die
Röntgenstrahlenquelle enthält typischerweise
eine Röntgenröhre, die
ein Röntgenstrahlenbündel aussendet.
Die Röntgenstrahlendetektoren
enthalten typischerweise einen Kollimator zum Einblenden der an
dem Detektor empfangenen Röntgenstrahlenbündel. Ein
Szintillator ist neben dem Kollimator angeordnet, und Fotodioden
sind neben dem Szintillator angeordnet.
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Die
Energieabgabe sowohl durch die mit empfindlichen Röntgenstrahlendetektoren
verbundene Elektronik als auch durch andere mit dem CT-Bildgebungssystem
verbundene Komponenten einschließlich der Röntgenröhre selbst, steigt mit jeder neuen
Generation von CT-Systemen an. Dieser Anstieg der Energieabgabe
findet statt, während
der Packungsraum konstant bleibt oder sich verkleinert. Speziell
wird die beim Umwandeln der Röntgenstrahleneingangsgrößen in ein
nutzbares elektronisches Signal verwendete Elektronik schnell zur
vorherrschenden Wärmequelle
innerhalb eines CT-Systems,
die der Röntgenröhre im stationären Betriebszustand
gleichkommt. Das Kühlen
dieser Elektronik wird aus einer Anzahl von Gründen erschwert.
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Um
höhere
Signaldichten zu beherrschen und das elektronische Rauschen zu verringern,
ist die Elektronik näher
zu dem Röntgenstrahlendetektor
hin verschoben worden. Daher ist die Hochleistungselektronik leitfähig mit
der hochgradig temperaturempfindlichen Fotodiode in dem Röntgenstrahlendetektor
verbunden. Außerdem
ist zwischen den Analog-Digital-Wandlern
sehr wenig Platz verfügbar, was
eine direkte Konvektionskühlung
schwierig, wenn nicht undurchführbar
macht.
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Die
in bestehenden CT-Detektoren gewöhnlich
verwendeten Fotodioden arbeiten nur in einem engen Temperaturbereich.
Daher muss jede Lösung für die thermische
Steuerung nicht nur die Wärme von
der Elektronik daran hindern, die Fotodiode zu erreichen, sondern
auch die Gefahr einer Überkühlung der
Fotodioden abwenden.
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Es
gibt zwei Faktoren, die eine direkte Konvektionskühlung in
einem CT-Detektor-Gantryrahmen erschweren. Der erste ist die Tatsache,
dass sich die Lufttemperatur innerhalb des Gantryrahmens typischerweise
proportional zu der Umgebungstemperatur des Raumes ändert. Allgemein
ist die Temperatur eines Raumes, in dem eine CT-Bildgebungsmaschine
verwendet wird, angegeben und weist einen Schwankungsbereich von
11°C auf.
Eine Schwankung der Temperatur der Kühlungsluft kann zu Situationen
führen,
in denen die Hitze von der heißen
Seite zu den Fotodioden fließt
und die Temperatur der Fotodioden über deren Nennpunkttemperatur erhöhen kann,
die allgemein bei 36°C ± 1°C liegt.
In dem anderen Extremfall kann die niedrigste Temperatur der Kühlungsluft
die Fotodiode unter ihre gewünschte
oder optimale Betriebstemperatur abkühlen. Der zweite Faktor, der
eine direkte Konvektionskühlung
verhindert, ist die Tatsache, dass die Elektronik in einem CT-System
rotiert. Diese Rotation führt zum
Hervorrufen eines Rückgangs
des Maßes
des Luftstroms durch jegliche Kühlungsventilatoren,
die an dem rotierenden Teil befestigt sein können, gemäß den Änderungen der Grenzbedingungen
des Ventilatoreinlassstroms. Das heißt, weil der Geschwindigkeitsvektor
am Einlass dazu tendiert, senkrecht zur Flussrichtung ausgerichtet
zu sein, erzeugt der Fluss nahe der Gantryrahmenabdeckungen einen
geringeren Druck an dem Ventilatoreinlass. Die Drehung des Gantryrahmens
neigt außerdem
zum Verursachen einer Durch mischung der Luft innerhalb des Gantryrahmens,
wodurch sie zu einem nahezu augenblicklichen Schritt bei der Änderung
der Kühlungslufttemperatur
führt.
Ein anderer Faktor, der in einem direkten Konvektionskühlungssystem
berücksichtigt
werden muss, besteht darin, dass durch das Ermöglichen, dass Luft über die
Elektronik strömt, eine Öffnung für den Eintritt
elektromagnetischer Felder geschaffen worden ist. Daher hat die
direkte Konvektionskühlung
einen negativen Einfluss auf die Abschirmung gegen elektromagnetische
Wechselwirkung (EMI).
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung schafft ein örtlich beschränktes, rotierendes
Kühlungssystem
zum aktiven Steuern der Lufttemperatur des Kühlungssystems. Die Erfindung
schafft weiterhin ein System, das komplett geschlossen ist, wodurch
das Ausgesetztsein gegenüber
Licht und die Verunreinigung durch Teilchen in der Elektronik verringert
werden. Innerhalb dieses Gehäuses
wird die Luft durch Verwendung von Ventilatoren oder Gebläsen in Umlauf
gebracht. Die vorliegende Erfindung schafft außerdem eine Leitung, um die
Kühlungsluft
zwischen die Analog-Digital-Wandler und andere Wärme erzeugende Komponenten
in dem Detektorfeld zu führen.
Die vorliegende Erfindung sorgt auch für die Verwendung von Wärmesenken
auf den Analog-Digital-Wandlern, um die Größe der Oberfläche für einen
effizienten konvektiven Wärmeaustausch
zu maximieren.
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Das
Einschließen
der CT-Detektorelektronik in dem Kühlungssystem sorgt für eine Präzisionssteuerung
der Temperatur, die von der Rotation des Gantryrahmens im Wesentlichen unbeeinträchtigt ist. Ein
vollständiger
Einschluss des Systems bedeutet auch, dass die EMI-Abschirmung optimiert
wird und dadurch die lokale Abschirmung der Elektronik verringert
werden kann. Die Verringerung der lokalen Abschirmung der Elektronik
verringert die ihr eigene leitfähige
Kopplung zwischen der Elektronik und der Fotodiode des Röntgenstrahlendetektors.
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Der
Vorteil der vorgeschlagenen Erfindung besteht darin, dass sie das
Problem der Temperaturschwankungen der Kühlungsluft beseitigt. Ferner kann
eine niedrigere Kühlungslufttemperatur
als bei einfacher Verwendung von Raumluft erreicht werden, wodurch
die Fähigkeit,
Energie von der Elektronik abzuführen,
erhöht
wird. Ein weiterer Vorteil eines solchen Systems besteht darin,
dass der vollständige Einschluss
der Elektronik eine Isolation gegen elektromagnetische Wechselwirkungen
(EMI) schafft. Das heißt,
dass das System gegen Veränderungen des
internen Luftstroms in Folge der Rotation nahezu unempfindlich wäre und die
bestmögliche
EMI-Abschirmung schaffen würde.
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Noch
ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass
die Verwendung thermoelektrischer Kühler (TECs) die Standortsprobleme beseitigt,
die mit der Platzierung eines Kühlsystems vom
Luft-Flüssigkeits-Typ
im stationären
Teil verbunden sind. Der vollständige
Einschluss des Systems bedeutet, dass die EMI-Abschirmung optimiert
wird und dadurch die lokale Abschirmung der Elektronik verringert
werden kann. Die Verringerung der Abschirmung bei der lokalen Elektronik
verringert die ihr anhaftende leitfähige Kopplung zwischen der
Elektronik und der Fotodiode des Röntgenstrahlendetektors.
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht
die Verwendung eines Wärmetauschers
zum Entziehen der Wärme
aus der im Kreislauf zurückgepumpten Luft.
Eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ermöglicht
die Verwendung einer Kombination aus einer Wärmesenke und einem thermoelektrischen
Kühler
zum Entziehen der Wärme
aus der zurückgepumpten
Luft. Diese Ausführungsform
schafft auch eine Steuerung und eine Rückwirkungssteuerungsvorrichtung,
die in erster Linie zum Bestimmen der Temperatur der zurückströmenden Luft
und zum Regeln des thermoelektrischen Kühlers zum Halten der Kühlungsluft
innerhalb eines bestimmten Temperaturbereiches verantwortlich ist.
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht
ferner eine effiziente Kühlung
der Elektronik, indem sie die wärmeleitende
Kopplung zwischen dem Röntgenstrahldetektor
und der Elektronik minimiert. In einer Ausführungsform schafft die vorliegende
Erfindung ein Feld von Wärmerohren
(Heat Pipes), die mit einer thermisch mit den Wärme erzeugenden Chips verbundenen
Abstandhalterplatte (Spread plate) gekoppelt sind. Die Wärme wird
anschließend
von der Elektronik weg geleitet und unter Verwendung erzwungener
Konvektion abgeführt.
In noch einer anderen Ausführungsform
schafft die vorliegende Erfindung eine Anordnung von Wärmerohren
innerhalb der Leiterplatten. Noch eine andere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ermöglicht
die Benutzung von Wärmerohren
zwischen den Elektronikpaketen.
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht
außerdem
die Verwendung von Wärmerohren
vom Dochttyp, die entweder horizontal oder mit dem Verdampferende
radial weiter außen
als mit dem Kondensatorende angeordnet sind, so dass die Rotationskräfte den
Wärmefluss
durch das Wärmerohr
unterstützen.
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Allgemein
wird ein Wärmerohr
vom Dochttyp unter Rotationsbelastung so lange richtig funktionieren,
wie die radialen kapillaren Pumpkräfte innerhalb des Wärmerohres
von den Rotationskräften
nicht übertroffen
werden.
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In
Situationen, in denen die Rotationskräfte die kapillaren Pumpkräfte übertreffen,
können
andere Wärmeleitungsverfahren
benutzt werden. Z.B. ermöglicht
die vorliegende Erfindung die Benutzung einer Kombination aus einem
Wärmerohr
vom Dochttyp und einem axialen Rillenthermosiphon oder einem dochtlosen
Wärmerohr.
Axiale Rillenwärmerohre
weisen unter rotierenden Bedingungen eine verbesserte Leistung auf.
Dies liegt hauptsächlich
an der axialen Rille, die unter rotierenden Bedingungen wie eine
Archimedische Schraube funktioniert.
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Die
vorliegende Erfindung schafft außerdem ein axiales Rillenwärmerohr,
bei dem das Wärmerohr so
ausgerichtet ist, dass das Verdampferende entweder parallel zu dem
Kondensatorende oder tiefer als dieses angeordnet ist. Daher ist
die Flüssigkeit
in dem Kondensatorende nicht gezwungen, zum Kühlen der Elektronik gegen die
Schwerkraft zu fließen, wenn
der Gantryrahmen schräg
gestellt wird.
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Das
Vorhergehende und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden
aus der folgenden detaillierten Beschreibung sichtbar.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
eine bildliche Ansicht eines CT-Bildgebungssystems.
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2 zeigt
ein Blockschema des in 1 dargestellten Systems.
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3 zeigt
von vorne betrachtet eine schematische Schnittansicht des Detektorfelds
der vorliegenden Erfindung, das ein Elektronikkühlsystem aufweist.
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4 zeigt
von oben betrachtet eine Schnittansicht des Elektronikkühlsystems
aus 3, das den Aufbau des Kühlsystems genauer zeigt.
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5A zeigt
ein Schema eines CT-Bildgebungssystems, das das Detektorfeld und
die Analog-Digital-Elektronik zeigt.
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5B zeigt
ein Schema eines CT-Bildgebungssystems im Profil, das den maximalen
Grad an Neigung des Gantryrahmens zeigt.
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6A zeigt
eine schematische Ansicht eines Detektorfelds und der zugehörigen Elektronik, die
eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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6B zeigt
einen schematischen Aufriss des Endes des Gantryrahmens einer CT-Bildgebungsmaschine.
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6C zeigt
einen schematischen Aufriss von Analog-Digital(A/D)-Wandlern, einer Abstandhalterplatte
und Wärmerohren.
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6D zeigt
einen schematischen Aufriss von noch einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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6E zeigt
einen schematischen Aufriss von noch einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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7A zeigt
eine schematische Ansicht von noch einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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7B zeigt
eine schematische Ansicht eines Wärmerohres vom Dochttyp.
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8A zeigt
eine schematische Ansicht eines mit einem Wärmerohr vom Dochttyp verwendeten
axialen Rillenthermosiphons.
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8B zeigt
eine schematische Ansicht eines axialen Rillenthermosiphons.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Indem
nun im Detail auf die Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen
gleich nummerierte Elemente überall
den gleichen Elementen entsprechen, zeigen die 1 und 2 ein
Vielschichtaufnahmen-Computertomographie(CT)-Bildgebungssystem 10.
Das CT-Bildgebungssystem 10 ist mit einem Gantryrahmen 12 gezeigt
und für
ein CT-Bildgebungssystem der „dritten
Generation" typisch.
Der Gantryrahmen 12 weist eine Röntgenstrahlenquelle 14 auf,
die ein Röntgenstrahlenbündel 16 auf
ein Detektorfeld 18 auf der gegenüber liegenden Seite des Gantryrahmens 12 projiziert.
Das Detektorfeld 18 wird aus einer Vielzahl von Detektorzeilen
(nicht dargestellt) gebildet, die eine Vielzahl von Detektorelementen 20 enthalten,
die gemeinsam die durch ein Objekt, wie z.B. einen Patienten 22,
durchdringenden projizierten Röntgen strahlen
wahrnehmen. Jedes Detektorelement 20 erzeugt ein elektrisches
Signal, das die Intensität
des auftreffenden Röntgenstrahlenbündels und
damit die Abschwächung
des Bündels darstellt,
wenn dieses durch das Objekt oder den Patienten 22 durchdringt.
Während
einer Aufnahme zum Akquirieren der Röntgenstrahlenprojektionsdaten
rotieren der Gantryrahmen 12 und die an diesem angebrachten
Komponenten um eine Zentralachse 24 der Rotation. 2 zeigt
nur eine einzelne Zeile von Detektorelementen 20 (z.B.
eine Detektorzeile). Jedoch enthält
ein Vielschichtdetektorfeld 18 eine Vielzahl von parallelen
Detektorzeilen von Detektorelementen 20, so dass die zu
einer Vielzahl von quasiparallelen oder parallelen Schichten gehörenden Projektionsdaten
während
einer Aufnahme gleichzeitig akquiriert werden können.
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Die
Rotation des Gantryrahmens 12 und der Betrieb der Röntgenstrahlenquelle 14 werden
von einer Steuerungsvorrichtung 26 des CT-Systems 10 kontrolliert.
Die Steuerungsvorrichtung 26 enthält eine Röntgensteuerung 28,
die Energie und Taktsignale an die Röntgenstrahlenquelle 14 und
eine Gantry-Motorsteuerung 30 liefert, die die Rotationsgeschwindigkeit
und die Position des Gantryrahmens steuert. Ein Datenakquisitionssystem
(DAS) 32 in der Steuerungsvorrichtung 26 tastet
die empfangenen analogen Daten von den Detektorelementen 20 über ein
flexibles Kabel (nicht gezeigt in den 1 und 2)
ab und wandelt die Daten in digitale Signale zur folgenden Verarbeitung
um. Eine Bildwiederherstellungseinrichtung 34 empfängt die
abgetasteten und digitalisierten Röntgendaten von dem DAS 32 und
führt eine
Hochgeschwindigkeits-Bildwiederherstellung aus. Das wiederhergestellte
Bild wird auf den Eingang eines Rechners 36 gegeben, der
das Bild in einer Massenspeichereinrichtung 38 speichert.
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Der
Rechner 36 empfängt
auch Befehle und Aufnahmeparameter von einem Bediener über eine Konsole 40,
die wenigstens eine Eingabeeinrichtung, wie z.B. eine Tastatur oder
eine Maus, enthält.
Eine zugehörige
Kathodenstrahlröhrenanzeige 42 erlaubt dem
Bediener, das wiederhergestellte Bild und andere Daten aus dem Rechner 36 zu
betrachten. Die vom Bediener gelieferten Befehle und Parameter werden
von dem Rechner 36 verwendet, um Steuersignale und Informationen
an das DAS 32, die Röntgensteuerung 28 und
die Gantry-Motorsteuerung 30 zu
liefern. Zusätzlich
bedient der Rechner die Tischmotorsteuerung 44, die zum
Positionieren des Patienten 22 in dem Gantryrahmen 12 einen
motorisierten Tisch 46 steuert. Speziell bewegt der Tisch 46 Teilbereiche
des Patienten 22 durch die Gantryöffnung 48.
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In
einer Ausführungsform
enthält
der Rechner 36 eine Einrichtung, z.B. ein Diskettenlaufwerk oder
ein CD-ROM-Laufwerk
zum Lesen von Anweisungen und/oder Daten von einem rechnerlesbaren Medium,
wie z.B. einer Diskette oder einer CD-ROM. In einer anderen Ausführungsform
führt der
Rechner 36 in Firmware (nicht dargestellt) gespeicherte
Anweisungen aus. Der Rechner 36 ist zum Ausführen der
hierin beschriebenen Funktionen programmiert, folglich ist der Ausdruck „Rechner", wenn er hierin verwendet
wird, nicht auf solche integrierten Schaltungen beschränkt, die
in der Fachwelt typischerweise als Rechner bezeichnet werden, sondern
bezieht sich in einem weiteren Sinne auf Computer, Prozessoren,
Mikrocontroller, Mikrocomputer, programmierbare logische Steuerungen,
anwendungsspezifische integrierte Schaltungen und andere programmierbare
Schaltungen.
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Wie
im vorangegangenen erörtert
und in den 3 und 4 gezeigt,
schafft die vorliegende Erfindung eine Temperaturregelungsvorrichtung
für das in
einem Bildwiederherstellungsprozess verwendete Elektronikpaket.
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Wie
in den 3 und 4 und in der Zusammenfassung
gezeigt ist, verwendet die vorliegende Erfindung ein örtlich beschränktes rotierendes Kühlsystem 100 zum
aktiven Steuern der Lufttemperatur des Kühlsystems. Das System ist vollständig von
einer Heißluftsammelkammer 130 und
einer Kaltluftsammelkammer 140 umgeben und versetzt die
Luft über
einen oder mehrere Ventilatoren oder Gebläse 121 durch die Kaltluftsammelkammer
in Umlauf, und die Luft passiert die heißen Analog-Digital-Wandler 150 und
beliebige andere heiße
Komponenten, um die Wärme
von der Elektronik abzuführen.
Die Luft wird anschließend
an einem Wärmetauscherabschnitt
vorbei geleitet, der aus der kalten Seite eines thermoelektrischen
Kühlers
(TEC) 111 besteht. Die heiße Seite des TEC 112 ist
außerhalb
des Gehäuses
angeordnet, das aus der Sammelkammer der heißen Seite 130 und
der Sammelkammer der kalten Seite 140 besteht, und pumpt
die Wärme
von der heißen
Seite des TEC 112 in die Luft außerhalb des Detektorgehäuses 300.
Eine Ausführungsform kann
auch für
die Regelung der TEC 110 durch Verwendung einer Steuerung
in Kommunikation mit einer Rückwirkungssteuerungsvorrichtung
sorgen, so dass die Temperatur der Kühlungsluft entweder durch Erhöhen oder
Verringern der Ventilatorgeschwindigkeit auf einen engen Temperaturbereich von
wenigen Grad Celsius geregelt wird.
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Spezieller
schafft die vorliegende Erfindung ein Detektorgehäuse 300,
das allgemein eine Kaltluftsammelkammer 140 und eine Heißluftsammelkammer 130 aufweist,
um das De tektorfeld 18 und die damit verbundene Elektronik
einzuschließen. Noch
spezieller schafft die vorliegende Erfindung auf einer Seite des
Detektorfelds 18 eine Kaltluftsammelkammer 140.
Die Kaltluftsammelkammer 140 kann in zwei Kammern unterteilt
sein, so dass die Kaltluft von beiden Enden des Detektorfelds 18 nach
innen geleitet werden kann. Auf diese Weise kann die kalte Luft für eine effizientere
Kühlung
gleichmäßiger zwischen der
Elektronik 150 verteilt werden. Offensichtlich könnte die
vorliegende Erfindung auch TECs 110 bereitstellen, die
viele Kammern innerhalb des Detektorgehäuses 300 kühlen. Tatsächlich können wegen der
von der vorhandenen Elektronik 150 erzeugten hohen Wärmelast
mehrere TECs 110 zum Kühlen der
Elektronik 150 des Detektorfelds erforderlich sein, die
jeweils Ventilatoren 121 verwenden, die die gekühlte Luft
durch eine Kaltluftsammelkammer 140, danach durch ein Elektronikfeld 150 in
eine Heißluftsammelkammer 130 und
zurück
zu der kalten Seite eines TEC 111 zur Kühlung in Umlauf versetzen.
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Die
Kaltluftsammelkammern werden verwendet, um die kalte Luft um die
A/D-Wandler 151 und die andere in dem Detektorfeld Wärme erzeugende
Elektronik 150 herum zu leiten. Die vorliegende Erfindung
kann auch die Verwendung von Ablenkplatten oder Strömungslenkern 160 ermöglichen,
um die Luft effizienter auf die Elektronik 150 zu leiten. Speziell
die A/D-Wandler 151 erzeugen eine erhebliche Wärmemenge.
Jedoch sind die A/D-Wandler 151 allgemein länglich und
schmaler als die Fotodioden, zu denen sie gehören. Daher kann Luft für eine spezifischere
Kühlung
zwischen den A/D-Wandlern 151 in
Umlauf gebracht werden. Die erwärmte
Luft wird danach von der Heißluftsammelkammer 130 gesammelt.
Die Heißluftsammelkammer 130 leitet
die heiße Luft
zu der kal ten Seite des TEC 111, die sich in der gezeigten
Ausführungsform
am Ende des Detektorfelds 18 befindet.
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An
dem Ende des Detektorfelds 18 befindet sich die kalte Seite
des TEC 111. Die kalte Seite des TEC wird auch als Wärmequelle 113 bezeichnet. Thermoelektrische
Kühler 110,
wie sie nach dem Stand der Technik bekannt sind, sind Festkörperwärmepumpen.
Thermoelektrische Kühler
basieren auf dem Peltier-Effekt. Allgemein dienen TEC-Einheiten 111 zum Übertragen
von Wärme
von einer ebenen Einheit zu einer anderen in einer Art und einem
Ausmaß,
wie sie dem elektrischen Stromfluss durch sie entsprechen. Allgemein
arbeiten TECs 110 nach dem umgekehrten Prinzip zu dem eines
Thermoelements. Mit anderen Worten arbeiten TECs 110 nach dem
Prinzip, dass ein zwischen zwei verschiedenen Materialien eingespeister
Strom eine Temperaturdifferenz bewirkt, während ein Thermoelement nach dem
Prinzip arbeitet, dass Wärme
zwischen zwei verschiedenen Metallen einen Strom erzeugt.
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Die
heiße
Seite des TEC 112 ist außerhalb sowohl der Heißluftsammelkammer 130 als
auch der Kaltluftsammelkammer 140 und allgemein außerhalb des
Detektorgehäuses 300 angeordnet.
Allgemein pumpt der TEC 110 Wärme zu der heißen Seite
des TEC 112, was für
eine Wärmesenke 114 kennzeichnend
ist. Die Wärmesenke 114 ist
dann von einer angemessenen Größe, um die
Wärme in
dem Raum 310 zu verteilen. Die Wärmesenke 114 könnte sich einfach
auf die Oberfläche
und natürliche
Konvektion zum Verteilen der Wärme
stützen
oder, wie in den 3 und 4 gezeigt,
eine erzwungene Konvektion mit einem Ventilator 122 verwenden,
um Umgebungsluft über
die Fläche
der Wärmesenke 114 zu blasen.
Weiterhin braucht die Wärmesenke 114 nichts
anderes als die Oberflä che
der heißen
Seite des TEC 112 zu sein. In einer Ausführungsform
kann die heiße
Seite des TEC 112 Kühlrippen
aufweisen, um die Wärmeabführung zu
unterstützen.
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Das
durch die Kombination der Kaltluftsammelkammer 140 und
der Heißluftsammelkammer 130 geschaffene
Detektorgehäuse 300 ist
auch nützlich,
um überschüssiges Licht
am Erreichen der empfindlichen Fotodioden zu hindern, sowie Schmutz und
Staub am Eintritt in die Fotodioden und die empfindliche Elektronik
zu hindern. Die Kaltluftsammelkammer 140 ist auch für Wartungszugriff
auf die Elektronik 150 und das Detektorfeld 18 entfernbar.
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In 3 zeigt
das Detektorfeld 18 eine spezifische Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Das Detektorfeld 18 ist der
gebogene Innenabschnitt und besteht allgemein aus einer Vielzahl
von Detektorelementen. Die Detektorelemente werden für einen
optimalen Betrieb beheizt.
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Speziell
ist die Detektorschiene 18 von der Temperatursteuerungsvorrichtung
durch eine Luftstrombarriere oder direkte Konvektionsunterbrechung 180 getrennt.
Die Luftstrombarriere 180 ist zum Isolieren der Detektorelemente,
die innerhalb eines bestimmten Temperaturbereiches gehalten werden
müssen,
gegenüber
der Elektronik 150 konstruiert, die unter die Temperatur
der Detektorelemente gekühlt
werden muss.
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Als
nächstes
sind im Querschnitt die Elektronik 150, wie z.B. die Analog-Digital-Wandler 151,
gezeigt. Wie gezeigt, weist jeder A/D-Wandler 151 eine Wärmesenke 152 auf.
Die Wärmesenken 152 sind zum
Verteilen der von den A/D-Wandlern 151 sowie von
der übrigen
Elektronik erzeugten Wärme
in der durch die Elektronik 150 strömenden Luft konstruiert. Zu
Zwecken der Darstellung und wie in 3 gezeigt,
würde die
Luft entweder nach oben aus der Seite heraus oder nach unten in
die Seite hinein fließen.
Die Luft wird anschließend
um die Elektronik 150 herum von der Kanalwand 170 mit
Leiterplattenanschlüssen
umschlossen, die die Elektronik 150 gegen Licht, Staub
und andere Verunreinigungen abschirmt, die die Elektronik 150 beschädigen könnten.
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4 zeigt
das bei einer Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung verwendete tatsächliche Luftstrommuster. Speziell
besteht die Temperatursteuerungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung aus
einer Kaltluftsammelkammer 140, einer Heißluftsammelkammer 130,
einem thermoelektrischen Kühler 110,
einer Wärmesenke
und einer Vielzahl von Umwälzventilatoren 121, 122.
In dieser Ausführungsform
ist die Detektorschiene in zwei Bereiche unterteilt, die jeweils
von einem thermoelektrischen Kühler 110 gekühlt werden.
Dies verringert die Möglichkeit eines
großen
Temperaturgefälles über der
Elektronik 150. Obwohl nur zwei Bereiche gezeigt sind,
können auch
mehr verwendet werden, um eine bessere Temperaturregelung zu erreichen.
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4 zeigt
ebenfalls die erzwungene Konvektion von der kalten Seite des TEC 110 durch
die Kaltluftsammelkammer 140, wo sie durch die Elektronik 150 hindurch
gelenkt wird, Wärme
von den an der Elektronik befestigten Wärmesenken aufnimmt und in die
Heißluftsammelkammer
geleitet oder gezogen wird. Die Heißluftsammelkammer 130 leitet
die Luft anschließend
zu der kalten Seite des TEC 111, die die Luft auf der kalten
Seite des TEC 111 kühlt.
Die heiße
Seite des TEC 112 oder die Wärmesenke, die sich außerhalb
der CT- Bildgebungsmaschine
befindet, wird ebenfalls unter Verwendung eines äußeren Kühlungsventilators 122 gekühlt.
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Zusammengefasst
schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Kühlen
der Elektronik eines CT-Detektorfelds 18, wobei das Detektorfeld
aus einer Vielzahl von Fotodioden zusammengesetzt ist, wobei die
Fotodioden mit der Elektronik 150 einschließlich den
Analog-Digital-Wandlern 151 verbunden
sind, wobei die Analog-Digital-Wandler 151 während des
Betriebs Wärme
erzeugen: eine Sammelkammer einer heißen Seite 130 zum
Sammeln der durch die Elektronik 150 erhitzten Luft, einen
an einem Ende der Sammelkammer der heißen Seite 130 befestigten
thermoelektrischen Kühler 110,
eine in thermischer Beziehung mit dem thermoelektrischen Kühler 111 stehende
Wärmequelle 113,
eine Sammelkammer der kalten Seite 140 zum Lenken der Luft über die
Elektronik 150 hinweg bzw. zwischen dieser hindurch und
einen Umwälzventilator 121 zum
Ziehen der Luft aus der Sammelkammer der heißen Seite 130 durch
den thermoelektrischen Kühler 110 hindurch
und in die Sammelkammer der kalten Seite 140 hinein. In
speziellen Ausführungsformen
weist die Vorrichtung zur Regelung der Elektroniktemperatur weiterhin
eine Temperaturmessungsvorrichtung in elektronischer Kommunikation
mit der Temperaturmessungsvorrichtung auf, so dass die programmierbare
Temperatursteuerung die Temperatur der Elektronik entweder durch Erhöhen der
Geschwindigkeit des Umwälzventilators 121 oder
durch Erhöhen
der dem thermoelektrischen Kühler 110 zugeführten Leistung
regelt.
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In
noch einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird die Kühlung der Elektronik durch
Verwendung von Wärmerohren 220 erreicht.
Die vorliegende Erfindung schafft eine CT-Bildgebungsmaschine, die
eine Röntgenröhre 14 und
ein Detektorfeld 18 aufweist, wobei das Detektorfeld 18 ein
Elektronikpaket 250 aufweist. Eine der Hauptbestandteile
des Elektronikpakets und einer der am stärksten zur problematischen
Wärmeerzeugung
Beitragenden ist der Analog-Digital-Wandler 251.
Diese zweite Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung schafft eine Vielzahl von Wärmerohren 220 zum
Regeln der Temperatur des Elektronikpakets 250.
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Wie
es nach dem Stand der Technik wohlbekannt ist, ist ein Wärmerohr 220 eine
Art von Wärmeübertragungsvorrichtung,
die die Umwandlungswärme
eines Phasenübergangs
eines in ein geschlossenes Rohr gefüllten Arbeitsfluids transportiert.
Das Arbeitsfluid durchläuft
den Phasenübergang
innerhalb des Wärmerohrs 220 und
läuft zwischen
der Verdampfungsseite und der Kondensationsseite um. Verdampfter
Dampf bewegt sich von der Verdampfungsseite auf die Kondensationsseite
durch einen Druckgradienten, während
das Kondensat durch die Kapillarkräfte des Dochtes, die Schwerkraft
oder die Zentrifugalkraft innerhalb des Wärmerohres 220 auf die
Verdampfungsseite zurückkehrt.
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Wärmerohre 220,
die keinen Docht aufweisen, und allgemein auf Gravitations- und/oder
Zentrifugalkräften
aufbauen, werden Thermosiphons genannt. Allgemein arbeiten Wärmerohre
von Dochttyp ohne Rücksicht
auf die Lage der Verdampfungsseite und der Kondensationsseite gut,
aber bei einem Thermosiphon sollte die Verdampfungsseite in einer höheren Position
als die Kondensationsseite angeordnet sein.
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Wie
in 5 gezeigt ist, enthält das CT-Bildgebungssystem
eine Röntgenröhre 14,
eine Detektoranordnung 18 und ein Elektronikpaket 250,
das allgemein aus einer Vielzahl von Analog-Digital-Wandlern 251 besteht.
Die A/D-Wandler 251 erzeugen eine
wesentliche Wärmemenge,
wenn das Bildgebungssystem in Betrieb ist.
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Daher
hat die vorliegende Erfindung, wie in 6A gezeigt,
eine Abstandhalterplatte 200 geschaffen, die eine Vielzahl
von allgemein horizontal durch die Abstandhalterplatte 200 hindurch
verlaufenden Wärmerohren 210 aufweist. 6A wird
vielleicht am besten im Gegensatz zu 6B betrachtet, die
eine Endansicht des CT-Detektorgantryrahmens 12 zeigt.
Die Abstandhalterplatten 200 erlauben einer gleichmäßigeren
Wärmeverteilung,
die Wärmerohre 220 zu
erreichen. Unter rotierenden Bedingungen arbeiten die Wärmerohre 220 vom
Dochttyp am effizientesten, wenn sie so horizontal wie möglich oder
mit dem Verdampferende weiter von der Zentralachse der Rotation
entfernt sind, so dass die Rotationskräfte den Wärmefluss unterstützen.
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In
noch einer anderen Ausführungsform,
die besonders wichtig ist, wenn die Rotationsbelastung für ein Wärmerohr
vom Dochttyp zu stark ist, um noch effizient zu funktionieren, ermöglicht die
vorliegende Erfindung die Verwendung eines dochtlosen Wärmerohres
oder eines axialen Rillenthermosiphons 280 in Kombination
mit Wärmerohren 220.
Die Leistung eines Thermosiphons 280 wird unter rotierenden
Bedingungen tatsächlich
gesteigert. Die Verwendung von Thermosiphons 280 in Kombination
mit Wärmerohren
vom Dochttyp stellt sicher, dass die Elektronik sowohl unter stationären als
auch unter rotierenden Bedingungen kühl bleiben wird, wobei die Thermosiphons
unter rotierenden Bedingungen und die Wärmerohre unter stationären Bedingungen
optimal funktionieren.
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Offensichtlich
gibt es viele Wege, die Wärmerohre
und Thermosiphons zu befestigen, jedoch sind einige in den 6A, 6C, 6D und 6E dargestellt.
Allgemein können
beide Typen von Wärmerohren 220, 280 entweder,
wie in 6E gezeigt, in die Abstandhalterplatte 230 eingebettet sein
oder, wie in den 6C und 6D gezeigt,
außerhalb
der Abstandhalterplatte angeordnet sein. Jedoch sollten im Hinblick
auf die axialen Rillenwärmerohre 280 und,
wie in 8A gezeigt, um effizient zu sein,
die axialen Rillenthermosiphons 280 in einem Winkel angeordnet
sein, so dass das Verdampferende 281 niedriger als das
Kondensatorende 282 liegt. Dies stellt sicher, dass die
Flüssigkeit
in dem Kondensatorende 282 nicht gegen die Schwerkraft
zu fließen
braucht.
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Wie
zuvor, sind das Detektorfeld 18 und das empfindliche Elektronikpaket 250 innerhalb
einer abgedichteten Sammelkammer eingeschlossen, obwohl keine erzwungene
Konvektion innerhalb der Sammelkammer auftritt. Statt dessen werden
die Wärmerohre 220 verwendet,
um die Wärme
von dem Elektronikpaket 250 in die Außenraumluft zu leiten. Die
Wärmerohre 220 setzen
sich dann außerhalb
des CT fort und enden in einer Wärmesenke 240.
Die Wärmesenke 220 ist
innerhalb eines Lüftereinhausung
oder einer Sammelkammer 260 eingeschlossen und wird durch
einen Umwälzventilator 230 gekühlt.
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In
noch einer anderen Ausführungsform
verwendet die vorliegende Erfindung, wie in 6E gezeigt,
eine Abstandhalterplatte 230, die eine Vielzahl von eingebetteten
Wärmerohren 220 aufweist.
Die Wärmerohre 220 enden
in einer Wärmesenke 240. Die
Wärmesenke 240 wird
von einem zentrifugalen Lüfter 230 innerhalb
einer Sammelkammer 260 gekühlt.
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So
lange die Wärmesenke 240 nicht
sehr groß ist,
ist offensichtlich eine erzwungene Konvektion durch die Wärmesenke 240 erforderlich,
um die Wärmesenke 240 bei
einer annehmbaren Temperatur zu halten. Es ist jedoch irrelevant,
ob ein Umwälzventilator 230 oder
ein zentrifugales Gebläse
verwendet wird.
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Häufig ist
eine Isolationsschicht 210 zwischen dem Detektorfeld 18 und
dem Elektronikpaket 250 angeordnet. Auch ist häufig eine
Dichtungsoberfläche 270 um
die Wärmerohre 220 herum
erforderlich, wo diese aus der Sammelkammer zu der Wärmesenke 240 hin
austreten.
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Die
vorliegende Erfindung offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Kühlen
der mit einem Computertomographie(CT)-Detektorfeld verbundenen Elektronik.
Spezieller offenbart die vorliegende Erfindung die Verwendung von
thermoelektrischen Kühlern
beim Kühlen
der CT-Detektorelektronik. Die vorliegende Erfindung ermöglicht auch
die Verwendung von Gebläsen
oder Ventilatoren, um Luft innerhalb einer Sammelkammer zur Kühlung der CT-Detektorelektronik
in Umlauf zu versetzen. Die vorliegende Erfindung offenbart auch
die Verwendung von Wärmerohren
vom Dochttyp, die entweder horizontal angeordnet sind oder deren
Verdampferende radial weiter außen
als das Kondensatorende angeordnet ist, so dass die Rotationskräfte den
Wärmefluss
durch das Wärmerohr
zum Kühlen
der CT-Detektorelektronik unterstützen. Die vorliegende Erfindung
offenbart auch die Verwendung von axialen Rillenwärmerohren
zum Kühlen
der CT-Detektorelektronik,
weil sie unter Drehbedingungen eine erhöhte Leistung erbringen. Als
Letztes offenbart die vorliegende Erfindung die Verwendung von Wärmesenken
und Umwälzventilatoren
in Verbindung mit irgendeinem Typ von Wärmerohren.
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Die
vorangegangene Beschreibung ist zu Zwecken der Veranschaulichung
dargestellt worden. Es sollte verstanden werden, dass weit abweichende Ausführungsformen
der Erfindung konstruiert werden können, ohne den Geist und den
Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Es sollte auch
verstanden werden, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die
speziellen, in der Beschreibung beschriebenen Ausführungsformen
beschränkt
ist, außer
wenn dies in den beigefügten
Ansprüchen
bestimmt ist.