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Die
Erfindung betrifft ein Tomographiegerät mit einem Ringkanal
und mit mindestens einem Entlüftungselement zum Abführen
eines in dem Ringkanal strömenden Luftstroms.
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Mit
einem Tomographiegerät, beispielsweise einem Computertomographiegerät,
werden dreidimensionale Schichtbilder von einem Untersuchungsbereich
eines Patienten für Diagnose- oder Therapiezwecke erstellt.
Der Aufbau eines Computertomographiegerätes umfasst eine
Gantry mit einem stationären Tragrahmen, in dem ein Drehrahmen
um eine Achse rotierbar gelagert ist. Auf dem Drehrahmen sind elektronische
Komponenten eines Aufnahmesystems angeordnet, so dass durch Rotation
des Drehrahmens bei gleichzeitigem kontinuierlichem Vorschub eines
auf einer Lagerungsvorrichtung gelagerten Patienten in Richtung
der Systemachse Projektionen aus einer Vielzahl von unterschiedlichen Projektionsrichtungen
an verschiedenen Positionen entlang des Untersuchungsbereichs erfassbar
sind. Die durch eine solche spiralförmige Abtastung gewonnenen
Projektionen werden an eine Recheneinheit übermittelt und
zu einem dreidimensionalen Schichtbild verrechnet.
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Ein
grundsätzliches thermisches Problem bei sämtlichen
Computertomographiegeräten besteht darin, dass die bei
der Erzeugung von Röntgenstrahlung eingesetzte elektrische
Energie bis zu 99% in Wärmeenergie umgewandelt wird. Zur
Gewährleistung eines einwandfreien Betriebs des Aufnahmesystems
ist es notwendig, die anfallende Wärme von den auf dem
Drehrahmen angeordneten Komponenten abzuführen. Dies stellt
insbesondere dann eine große Herausforderung dar, wenn
zur Abtastung des Untersuchungsbereichs hohe Röntgenleistungen
benötigt werden. So muss beispielsweise eine Überhitzung
der Röntgenröhre vermieden werden. Auch der Detektor
muss während des Betriebs des Computertomographiegerätes
gekühlt werden, da sich mit zunehmender Erwärmung
das Signal- zu Rauschverhältnis der erfassten Messwerte
verschlechtert, was eine Reduzierung der Bildqualität von
rekonstruierten Schichtbildern zur Folge hat.
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Computertomographiegeräte
sind aus diesem Grund mit einer Kühlvorrichtung zur Kühlung
der auf dem Drehrahmen angeordneten Komponenten ausgestattet. Prinzipiell
kann zwischen wassergekühlten und luftgekühlten
Systemen unterschieden werden. Wassergekühlte Systeme haben
den Vorteil, dass die im Gerät erzeugte Wärme
wirkungsvoll ohne Erwärmung der Raumluft abgeführt
wird. Diese Systeme können daher unabhängig von
einer in dem Untersuchungsraum vorhandenen Klimaanlage betrieben
werden. Die Realisierung von wassergekühlten Systemen ist
jedoch mit einem hohen finanziellen Aufwand verbunden. Computertomographiegeräte weisen
als eine preisgünstigere Alternative daher typischerweise
eine Kühlvorrichtung auf, bei der Luft aus dem Untersuchungsraum
angesaugt und durch das Computertomographiegerät eingeleitet
wird. Dabei nimmt die Luft einen Teil der von den Komponenten abgegebenen
Wärme auf. Der so erwärmte Luftstrom wird anschließend über
ein Entlüftungselement nach außen hin ausgeleitet.
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Neben
der eigentlichen Kühlung ist auch die Reduzierung der durch
das Kühlsystem hervorgerufenen akustischen Emissionen bei
Betrieb des Computertomographiegerätes ein wichtiger Aspekt
bei der Entwicklung der Systeme. Maßnahmen zur Reduzierung
der Geräusche sind in diesem Zusammenhang beispielsweise
bei einem aus der
DE
10 2005 041 542 A1 offenbarten Computertomographiegerät bekannt.
Zwischen dem Drehrahmen und dem Tragrahmen wird ein Ringkanal gebildet.
Der Drehrahmen weist bei dem bekannten Fall Öffnungen auf,
die in einem ungleichmäßigen Öffnungsmuster
auf dem Drehrahmen verteilt angeordnet sind. Bei Rotation des Drehrahmens überstreichen
diese Öffnungen zyklisch in dem Tragrahmen vorgesehene
Aussparungen. Auf diese Weise kann der Luftaustausch mittels ei ner
stetigen Druckschwankung erfolgen, was mit einer Reduzierung der
akustischen Emissionen verbunden ist.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Tomographiegerät
so auszugestalten, dass die akustischen Emissionen bei Betrieb eines luftgekühlten
Tomographiegerätes weiter reduziert werden.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Tomographiegerät mit einem Ringkanal
und mit mindestens einem Entlüftungselement zum Abführen
eines in dem Ringkanal strömenden Luftstroms gemäß den
Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Tomographiegerätes sind
Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 8.
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Das
erfindungsgemäße Tomographiegerät umfasst
mindestens ein Entlüftungselement zum Abführen
eines in dem Inneren des Tomographiegerätes strömenden
Luftstroms, wobei das Entlüftungselement ein Eintrittsfenster
aufweist, welches in dem Inneren des Tomographiegerätes
zur Aufnahme zumindest eines Teils des Luftstroms angeordnet ist, wobei
zur Erzielung eines geglätteten Strömungsprofils
an einem Austrittsfenster des Entlüftungselements das Eintrittsfenster
in den beiden Seitenbereichen im Vergleich zur Mitte einen größeren
effektiven Eintrittsquerschnitt aufweist.
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Die
Erfinder haben erkannt, dass ein erheblicher Anteil der akustischen
Emission bei Betrieb des Tomographiegerätes insbesondere
durch hohe Strömungsgeschwindigkeiten an den Richtungslamellen des
Austrittsfensters verursacht wird.
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Aufgrund
der Reibung zwischen dem Luftstrom und den Ringkanalwänden
strömt die Luft in dem Ringkanal über den Querschnitt
betrachtet nicht gleichförmig mit derselben Geschwindigkeit.
Die Beträge der Geschwindigkeitsvektoren sind in der Mitte des
Querschnitts am höchsten und nehmen zum Rand des Ringkanals
hin ab. Das Strömungsprofil des Luftstroms in dem Ringkanal
besitzt dabei näherungsweise eine gaußförmige Gestalt.
Unter einem Strömungsprofil wird in diesem Zusammenhang
der Kurvenverlauf verstanden, der die Geschwindigkeitsvektoren über
den Querschnitt einhüllt.
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Die
Erfinder haben erkannt, dass die akustischen Emissionen im Bereich
der Austrittsfenster insbesondere durch hohe Strömungsgeschwindigkeiten
an den Richtungslamellen im mittleren Bereich des Austrittsfensters
entstehen. Starke Luftströmung in diesem Bereich verursacht
nämlich Verwirbelungen und Luftstromabrisse und somit Druckschwankungen,
die als störendes Geräusch wahrnehmbar sind.
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Als
Maßnahme zur Reduzierung der akustischen Emissionen bei
gleichem Luftdurchsatz bzw. zur Erhöhung des Luftdurchsatzes
bei gleichbleibender akustischer Emission wird daher vorgeschlagen, den
Luftstrom durch spezielle Ausgestaltung des Eintrittsfensters so
abzuändern, dass das Strömungsprofil am Austrittsfenster
geglättet wird. Somit werden also punktuell auftretende
Spitzen in der Strömungsgeschwindigkeit vermieden und akustische Emissionen
reduziert. Dies wird dadurch erreicht, dass das Eintrittsfenster
in den Seitenbereichen einen größeren effektiven
Eintrittsquerschnitt aufweist.
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Der
jeweilige Einlassquerschnitt ist hierbei durch Projektion einer
Verbindungslinie, welche den oberen und unteren Abschnitt des Eintrittsfensters verbindet
und senkrecht zu einer Ringkanalachse verläuft, auf eine
senkrecht zur Einströmrichtung gedachte Projektionsebene
definiert.
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Durch
den größeren Eintrittsquerschnitt in den Seitenbereichen
wird von dem Entlüftungselement in diesem Bereich im Vergleich
zur Mitte ein größerer Teil des Luftstroms aufgenommen.
Dadurch, dass im Seitenbereich die Luft mit geringerer Geschwindigkeit
strömt, kann bei entsprechender Dimensionierung des Eintrittsquerschnitts
die pro Zeiteinheit an das Austrittsfensters transportierte Luftstrommenge über
den Querschnitt nahezu konstant gehalten werden. Somit werden also
ein höherer Luftdurchsatz und damit eine größere
Kühlleistung erzielt.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Tomographiegerät
einen Ringkanal auf, in dem der Luftstrom strömt und in
dem das Eintrittsfenster des Entlüftungselements angeordnet
ist. Dabei weist in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
ein oberer Abschnitt des Eintrittsfensters entsprechend einer Außenkontur
des Ringkanals eine konvexe Formgebung auf. Hierdurch ist das Entlüftungselement
in das Gehäuse des Tomographiegerätes leicht integrierbar
und kann in einem Spezialfall einen Teil des Gehäuses bilden.
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Das
Entlüftungselement umfasst weiterhin vorteilhaft ein Schaufelblatt,
dessen Vorderkante einen unteren Abschnitt des Eintrittsfensters
bildet. Das Entlüftungselement umfasst also Einzelbaugruppen,
so dass eine einfache Fertigung und Montage möglich ist.
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Durch
den modularen Aufbau des Entlüftungselements aus Einzelbaugruppen
ist es in einfacher Form möglich, mit identischen Gleichbauteilen verschiedene
Konfigurationen mit unterschiedlichen Eintrittsquerschnitten zu
realisieren.
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Die
Vorderkante des Schaufelblattes ist in der Regel in Richtung der äußeren
Ringkanalwand konvexförmig geformt, so dass in dem Seitenbereich ein
größerer effektiver Eintrittsquerschnitt im Vergleich
zur Mitte entsteht. Der Einstrittsquerschnitt kann darüber
hinaus auch dadurch noch erhöht werden, dass die Ränder
des Schaufelblattes in den Ringkanal hinein ragen. Die Ränder
erstrecken sich also in entgegen gesetzter Richtung der in dem Ringkanal
vorhandenen Strömungsrichtung.
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Eine
Hinterkante des Schaufelblattes bildet vorzugsweise einen Abschluss
zu einem Gehäuse des Entlüftungselementes und
ist als gerade Kante ausgestaltet. Hierdurch werden die Voraussetzungen für
ein einfaches Schwenken des Schaufelblattes um eine durch die Kante
verlaufende Drehachse geschaffen.
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Durch
die verstellbare Lagerung des Schaufelblattes sind unterschiedliche
effektive Eintrittsquerschnitte einstellbar. Verschiedene große
Eintrittsquerschnitte werden also dadurch realisiert, dass das Schaufelblatt
gegenüber der Strömungsrichtung um einen bestimmten
Winkel verkippt angeordnet ist.
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Das
Entlüftungselement wirkt als Strömungsteiler,
in dem es einen bestimmten Teil des Luftstroms in dem Ringkanal
abgreift. Das Tomographiegerät weist in einer weiteren
vorteilhaften Ausgestaltung mehrere, beispielsweise 3, Entlüftungselemente
auf, welche in Stromrichtung des strömenden Luftstroms
hintereinander angeordnet sind, wobei die effektiven Eintrittsquerschnitte
der Entlüftungselemente in dieser Richtung zum gleichmäßigen
Abführen des Luftstroms über die Entlüftungselemente
zunehmen. Durch die kontinuierlich größer werdenden Eintrittsquerschnitte
wird gewährleistet, dass die Menge der durch das jeweilige
Entlüftungselement abgegriffenen Luft nahezu gleich groß ist.
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Zur
effektiven Ablenkung der ausströmenden Luft in die Umgebung
weist das Tomographiegerät vorteilhaft Richtungslamellen
auf, die über das Austrittsfenster verteilt angeordnet
sind. Hierdurch soll eine Änderung der Strömungsrichtung
des aus dem Austrittsfenster strömenden Luftstroms so bewirkt
werden, dass eine neben dem Ringkanal des Tomographiegerätes
stehende Person durch den Luftstrom nicht gestört wird.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß den
Unteransprüchen sind in den folgenden schematischen Zeichnungen
dargestellt. Es zeigen:
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1 in
Draufsicht ein Computertomographiegerät, wobei die wesentlichen
Komponenten einer Gantry im Inneren des Gehäuses in gestrichelter Linienform
dargestellt sind,
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2 in
perspektivischer Ansicht ein Entlüftungselement des erfindungsgemäßen
Computertomographiegerätes gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel,
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3 in
Seitenansicht das in 2 gezeigte Entlüftungselement,
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4 ein
Schaufelblatt des Entlüftungselementes in einem ersten
Ausführungsbeispiel,
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5 ein
Schaufelblatt des Entlüftungselementes in einem zweiten
Ausführungsbeispiel,
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6 ein
Eintrittsfenster ohne einen größeren effektiven
Eintrittsquerschnitt in den Seitenbereichen mit zugehörigem
Strömungsprofil, und
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7 ein
Eintrittsfenster mit einem größeren effektiven
Eintrittsquerschnitt in den Seitenbereichen mit zugehörigem
Strömungsprofil.
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In 1 ist
ein Tomographiegerät, hier ein Computertomographiegerät,
zunächst ohne ein in 2 und 3 gezeigtes
Entlüftungselement 1 dargestellt. Im Inneren des
Gerätes befindet sich ein in gezeigter φ-Richtung
um eine Achse 15 rotierbar angeordneter Drehrahmen 14.
Zur Kühlung von auf dem Drehrahmen 14 angeordneten
elektronischen Komponenten, beispielsweise von einer Röntgenröhre 16 und
einem Detektor 17, wird die Luft zunächst in das
Innere des Drehrahmens 14 geleitet. Das Einleiten der Luft
kann beispielsweise über ein nicht gezeigtes Lager erfolgen,
mit dem der Drehrahmen 14 zusätzlich kippbar gelagert
ist. In dem Drehrahmen 14 wird ein Teil der von den Komponenten
erzeugten Wärme aufgenommen und anschließend über Öffnungen 18 in
einen zwischen einem Tragrahmen 19 und dem Drehrahmen 14 gebildeten
Ringkanal 2 geleitet. Der Ringkanal 2 weist eine
Aussparung 20 oberhalb des Computertomographiegerätes
auf, so dass der in dem Ringkanal 2 strömende
Luftstrom über die Aussparung 20 in die Umgebung
abgeleitet werden kann.
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Ohne
weitere Maßnahmen würde das Überstreichen
der Öffnungen 18 in dem Bereich der Aussparung 20 zu
einem Druckunterschied und somit zu einem pulsartigen Ausstoß der
Luft führen, welcher mit Verwirbelungen und Strömungsabrissen
verbunden ist. Verwirbelungen und Strömungsabrisse führen
zu Geräuschemissionen und somit zu einer Geräuschbelastung
für eine Bedienperson 21 oder für einen
Patienten.
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Der
Luftstrom würde darüber hinaus in tangentialer
Richtung zur Rotationsbewegung φ des Drehrahmens 14 austreten.
Befindet sich die Aussparung 20 in dem oberen Bereich des
Computertomographiegerätes, so kann der Luftstrom der unmittelbar
neben der Gantry stehenden Bedienperson 21 in das Gesicht
geblasen werden, was zusätzlich zu der Geräuschentwicklung
als unangenehm empfunden wird und zu einer Beeinträchtigung
des Bedienkomforts führt.
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Aus
diesem Grund weist das Computertomographiegerät ein in 2 in
einer perspektivischen Ansicht und in 3 in einer
Seitenansicht gezeigtes Entlüftungselement 1 auf,
welches in die in 1 gezeigte Aussparung 20 integrierbar
ist und mit dem ein gewisser Teil des Luftstroms aus dem Ringkanal 2 abgezweigt
und gezielt in die Umgebung abgegeben werden kann.
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Das
Entlüftungselement 1 verfügt über
ein Eintrittsfenster 3 und ein Austrittsfenster 4, über
die zumindest ein Teil des Luftstroms aus dem Ringkanal 2 in
das Entlüftungselement 1 ein- und anschließend ausgeleitet
wird. Das Eintrittsfenster 3 ist zu diesem Zweck in dem
Ringkanal 2 angeordnet und deckt einen Teil der Querschnittsfläche
des Ringkanals 2 ab. Das Austrittsfenster 3 ist
in dem eingebauten Zustand integraler Bestandteil des Gehäuses
des Computertomographiegerätes und weist dieselbe konvexartige
Formgebung wie das Gehäuse auf.
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Ein
oberer Abschnitt 9 des Eintrittsfensters 3 verläuft
ebenfalls konvexförmig und grenzt an das Gehäuse
an.
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Damit
zur Geräuschminimierung der Luftstrom am Austrittsfenster 4 über
die Breite des Entlüftungselementes 1 hinweg möglichst
ein in 7 gezeigtes geglättetes bzw. abgeflachtes
Strömungsprofil 5 aufweist, ist das Eintrittsfenster 3 so
gestaltet, dass in den Seitenbereichen 6 im Vergleich zur
Mitte 7 ein größerer effektiver Eintrittsquerschnitt 8 vorhanden
ist.
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Dies
wird in dem gezeigten Ausführungsbeispiel dadurch erreicht,
dass einerseits der untere Abschnitt 10 des Eintrittsfensters 2 eine
konvexe Formgebung mit einer Krümmung aufweist, die stärker
ist als die Krümmung des oberen Abschnitts 9.
Der senkrechte Abstand zwischen dem oberen Abschnitt 9 und
dem unteren Abschnitt 10 des Eintrittfensters 3 ist
in den Seitenbereichen 6 also größer
als der Abstand in der Mitte 7.
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Der
untere Abschnitt 10 des Eintrittsfensters 1 wird
dabei durch eine Vorderkante 22 eines in 4 gezeigten
Schaufelblattes 11 gebildet. Die Hinterkante 12 des
Schaufelblattes 11 ist als gerade Kante ausgebildet, so
dass ein Abschluss zum Austrittsfenster 4 gebildet werden
kann.
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Das
Schaufelblatt 11 ist zwischen zwei parallel zueinander
angeordneten Seitenwänden 23 eines Gehäuserahmens
gelagert und derart um die Hinterkante 12 drehverstellbar
angeordnet, dass in verschiedenen Verstellpositionen verschieden
große, in 7 durch das Bezugszeichen 8 angedeutete
Eintrittsquerschnitte 8 in dem Einstrittsfenster 3 gebildet werden.
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Das
Schaufelblatt 11 wird im einfachsten Fall zwischen die
Seitenwände gespannt und über Stifte und Bohrungen 24 in
seiner Position gehalten, wobei zum Zwecke der Übersichtlichkeit
nur eine Bohrung mit einem Bezugszeichen versehen ist. Über eine
zusätzlich vorgesehene Schraubverbindung ist das Schaufelblatt 11 endgültig
fixierbar.
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Zur
Erhöhung des effektiven Eintrittsquerschnitts 8 können
die Ränder des Schaufelblattes 11, so wie in 5 gezeigt,
herausgezogen sein, so dass sie in den Ringkanal 2 hineinragen.
Es wäre ebenso denkbar, dass die beiden Ausgestaltungen der
Vorderkante 22 des Schaufelblattes aus den 4 und 5 zur
Erhöhung des effektiven Eintrittsquerschnitts in Kombination
eingesetzt werden.
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Das
Austrittsfenster 4 besteht aus einer Abdeckung, welche
eine zum äußeren Ring des Ringkanals 2 passende
Formgebung aufweist. Das Austrittsfenster 4 weist Umlenkmittel
in Form von Richtungslamellen 13 zur Umlenkung einer Strömungsrichtung
der Luft auf, welche über die von der Öffnung
des Austrittsfensters 4 begrenzte Fläche verteilt angeordnet
sind. Zum Zwecke der Übersichtlichkeit ist nur eine Richtungslamelle
mit einem Bezugszeichen versehen. Die Richtungslamellen 13 bewirken einerseits,
dass die austretende Luftströmung in eine durch die Richtungslamellen 13 vorgebbare
Raumrichtung abgelenkt wird. Der austretende Luftstrom ist beispielsweise
unmittelbar zur Decke des Untersuchungsraums ableitbar. Er kann
somit nicht mehr einer Bedienperson 21 in das Gesicht geblasen
werden.
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Zum
anderen bewirken die Richtungslamellen 13 auch eine gewisse
Unterbrechung des direkten Schallweges von dem Ringkanal 2 in
die Umgebung, da die Richtungslamellen 13 über
die Austrittsöffnung 4 hinweg verteilt angeordnet
sind. Die Richtungslamellen 13 weisen dabei eine strömungsoptimale
Gestalt auf und vermindern darüber hinaus die Auswirkungen
von Druckschwankungen, so dass Verwirbelungen und Strömungsabrisse
und eine damit verbundene Geräuschentwicklung weitgehend unterbunden
werden können.
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In
den 6 und 7 sind zwei Eintrittsfenster 3 mit
zugehörigen Strömungsprofilen 5 gezeigt.
Bei dem in 6 ge zeigten Eintrittsfenster 3 weisen
die Seitenbereiche 6 keinen höheren effektiven
Eintrittsquerschnitt 8 im Vergleich zur Mitte 7 auf. Das
Strömungsprofil 5 hat eine gaußförmige
Gestalt. Die hohen Geschwindigkeitsvektoren in der Mitte 7 der
Eintrittsöffnung 3 verursachen an den Richtungslamellen 13 der
Austrittsöffnung 4 starke Geräuschemissionen.
In der 7 sind die effektiven Eintrittsquerschnitte 8 in
den Seitenbereichen 6 im Gegensatz dazu im Vergleich zur
Mitte 7 erhöht. Dies bewirkt eine Glättung
bzw. Abflachung des Strömungsprofils 5. Hierdurch
werden die beobachteten, maximalen Beträge der Geschwindigkeitsvektoren
reduziert. Obwohl die Geschwindigkeitsvektoren in den Randbereichen
gegenüber dem in 6 gezeigten Beispiel
erhöht sind, wirkt die Verringerung der maximal auftretenden
Beträge der Geschwindigkeitsvektoren stark Geräusch
reduzierend.
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Zusammengefasst
kann gesagt werden:
Die Erfindung betrifft ein Tomographiegerät
mit einem Ringkanal 2 und mit mindestens einem Entlüftungselement 1 zum
Abführen eines in dem Ringkanal 2 strömenden
Luftstroms, wobei das Entlüftungselement ein Eintrittsfenster 3 aufweist,
welches in dem Ringkanal 2 zur Aufnahme zumindest eines
Teils des Luftstroms angeordnet ist, wobei zur Erzielung eines geglätteten
Strömungsprofils 5 an einem Austrittsfenster 4 des
Entlüftungselements 1 das Eintrittsfenster 3 in
den beiden Seitenbereichen 6 im Vergleich zur Mitte 7 einen
größeren effektiven Eintrittsquerschnitt 8 aufweist.
Durch die Glättung des Strömungsprofils 5 an
dem Austrittsfenster 4 können Verwirbelungen und
Luftstromabrisse der Luft weitgehend vermieden werden, so dass bei
Betrieb des Tomographiegerätes störende akustische
Emissionen reduziert werden bzw. ein höherer Luftdurchsatz
und damit eine größere Kühlleistung erzielt
werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005041542
A1 [0005]