DE102011082685A1 - Anode device, useful for X-ray tube, comprises anode body comprising focal spot range, receiving device that is attached at anode body in area adjacent to focal spot range, and latent heat storage element arranged in receiving device - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anodenvorrichtung mit Wärmespeicher für Röntgenröhren, ein Verfahren zum Herstellen einer Anodenvorrichtung für eine Röntgenröhre, und eine Röntgenröhre mit wärmespeichernder Anodenvorrichtung. The present invention relates to an anode device with heat storage for X-ray tubes, a method of manufacturing an anode device for an X-ray tube, and an X-ray tube with heat-storing anode device.
Stand der Technik State of the art
Röntgenröhren befinden sich üblicherweise in evakuierten Gehäusen, in denen eine Kathode und eine Anode untergebracht sind. Die Kathode emittiert dabei einen Elektronenstrahl, welcher auf die Anode an einer definierten Stelle, dem so genannten Brennfleck, auftrifft. Dadurch wird Röntgenstrahlung vom Material der Anode abgegeben. X-ray tubes are usually in evacuated housings in which a cathode and an anode are housed. The cathode emits an electron beam, which impinges on the anode at a defined location, the so-called focal spot. As a result, X-ray radiation is emitted from the material of the anode.
Nur ein geringer Teil der im Brennfleck der Anode eingebrachten Energie wird tatsächlich in Röntgenstrahlung umgesetzt, der erheblich größere Anteil von etwa 99 % wird in Wärmeenergie verwandelt. Diese Wärmeenergie heizt die Anode sehr schnell auf. Im Brennfleck können dadurch hohe Temperaturen entstehen, die das Anodenmaterial beschädigen, beispielsweise durch Schmelzen und sukzessives Verformen des Anodenmaterials oder durch zyklische thermische Verspannungen, was daraufhin zu erhöhten Ausfallraten der Röntgenröhre führen kann. Only a small part of the energy introduced in the focal spot of the anode is actually converted into X-radiation, the considerably larger proportion of about 99% being converted into heat energy. This heat energy heats up the anode very quickly. As a result, high temperatures can occur in the focal spot which damage the anode material, for example by melting and successive deformation of the anode material or by cyclic thermal stresses, which can then lead to increased failure rates of the X-ray tube.
Das Problem wird dadurch verstärkt, dass die in der Anode entstehende Wärme nur schwer wieder abgeführt werden kann. Das üblicherweise durch Kühlfluid gekühlte evakuierte Gehäuse ist nur über die elektrischen Kontakte und die Anbringung wärmeleitend mit der Anode in Kontakt. Die Abgabe von Wärmestrahlung ist hingegen zu langsam, um die entstehende Wärme schnell genug wieder abzugeben. Gerade bei medizintechnischen Röntgenröhren kann es in Abhängigkeit von der Anwendung zu längeren Bestrahlzeiten kommen, so dass der Wärmeeintrag in das Anodenmaterial beträchtlich sein kann. Typische Bestrahlzeiten liegen im Bereich der Computertomographie bei einigen Sekunden, im Bereich der Fluoroskopie oder Angiographie bei einigen Minuten. The problem is aggravated by the fact that the heat generated in the anode can be removed with difficulty. The evacuated housing, which is usually cooled by cooling fluid, is in heat-conducting contact with the anode only via the electrical contacts and the attachment. The release of heat radiation, however, is too slow to release the resulting heat quickly enough. Particularly with medical-technical X-ray tubes, depending on the application, longer irradiation times can occur, so that the heat input into the anode material can be considerable. Typical irradiation times are in the range of computed tomography at a few seconds, in the area of fluoroscopy or angiography at a few minutes.
Die Druckschrift
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht also darin, eine Anodenvorrichtung für eine Röntgenröhre bereitzustellen, mit der eine Überhitzung der Anode vermieden und somit die Betriebsdauer der Röntgenröhre erhöht werden kann, ohne die Röntgenröhre zu beschädigen. An object of the present invention is therefore to provide an anode device for an X-ray tube, with the overheating of the anode avoided and thus the operating time of the X-ray tube can be increased without damaging the X-ray tube.
Zusammenfassung der Erfindung Summary of the invention
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht daher in einer Anodenvorrichtung für eine Röntgenröhre, mit einem Anodenkörper, welcher einen Brennfleckbereich aufweist, und welcher dazu ausgelegt ist, bei einem Auftreffen eines Elektronenstrahls auf den Brennfleckbereich Röntgenstrahlung zu erzeugen, einer Aufnahmeeinrichtung, welche an dem Anodenkörper in einem dem Brennfleckbereich benachbarten Bereich angebracht ist, und mindestens einem Latentwärmespeicherelement, welches in der Aufnahmeeinrichtung angeordnet ist. One aspect of the present invention is therefore an anode device for an X-ray tube, comprising an anode body having a focal spot region and adapted to generate X-radiation when an electron beam strikes the focal spot region, a capture device located on the anode body in one The region adjacent to the focal spot region is attached, and at least one latent heat storage element, which is arranged in the receiving device.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung eine Röntgenröhre, mit einer erfindungsgemäßen Anodenvorrichtung. In another aspect, the invention provides an x-ray tube having an anode device according to the invention.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verwenden eines mit einem Drehanodenteller gekoppelten Phasenwechselmaterials zur Aufnahme von Wärme, welche beim Bestrahlen des Drehanodentellers mit einem Elektronenstrahl entsteht. According to a further aspect, the invention relates to using a phase change material coupled to a rotary anode plate for absorbing heat which is produced when the rotary anode plate is irradiated with an electron beam.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Anodenvorrichtung für eine Röntgenröhre, mit den Schritten des Anbringens einer Aufnahmevorrichtung an einem Drehanodenteller, und des Anordnens mindestens eines Latentwärmespeicherelements in der Aufnahmevorrichtung. According to a further aspect, the invention provides a method for producing an anode device for an x-ray tube, comprising the steps of attaching a receiving device to a rotary anode plate, and arranging at least one latent heat storage element in the receiving device.
Ein wesentlicher Grundgedanke der Erfindung besteht darin, die bei einem Bestrahlen einer Anode einer Röntgenröhre auftretende Wärmeenergie in einen Latentwärmespeicher nahe dem Brennfleckbereich abzuführen. Dadurch kann in vorteilhafter Weise eine Erhitzung der Anode über eine Phasenumwandlungstemperatur des Latentwärmespeichers hinaus vermieden oder zumindest hinausgezögert und die sichere Betriebsdauer der Röntgenröhre verlängert werden. An essential basic idea of the invention consists in dissipating the heat energy occurring when an anode of an X-ray tube is irradiated into a latent heat store near the focal spot area. As a result, heating of the anode beyond a phase transition temperature of the latent heat accumulator can advantageously be avoided or at least delayed, and the safe operating time of the x-ray tube can be extended.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Speicherdichte von Latentwärmespeichern sehr hoch ist und das Gesamtgewicht des Anodenkörpers gering gehalten werden kann. Insbesondere für Drehanoden ist dies vorteilhaft, da das Trägheitsmoment des Drehanodentellers minimiert werden kann. An advantage of the invention is that the storage density of latent heat storage is very high and the total weight of the anode body can be kept low. This is advantageous in particular for rotary anodes since the moment of inertia of the rotary anode plate can be minimized.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der Latentwärmespeicher an die jeweilige Anwendung angepasst werden kann, um andere Teile der Anodenvorrichtung wie beispielsweise Gleitlager einer Drehanode gegenüber Überhitzung geschützt werden können. Another advantage of the invention is that the latent heat storage can be adapted to the particular application to other parts of the anode device such as plain bearings of a rotary anode can be protected against overheating.
Die Anodenvorrichtung kann in einer vorteilhaften Ausführungsform ein Drehanodenteller sein und der Brennfleckbereich eine in einem Außenbereich des Drehanodentellers auf einer ersten Oberfläche des Drehanodentellers umlaufende Brennbahn. Dabei kann die Aufnahmevorrichtung eine ringförmige Struktur aufweisen, welche auf einer zweiten, der ersten Oberfläche gegenüberliegenden Oberfläche des Drehanodentellers in einem Außenbereich des Drehanodentellers angeordnet ist. Mit dieser Anordnung kann ein gute thermische Anbindung an den Brennfleckbereich erzielt und zugleich eine symmetrische Massenverteilung des Latentwärmespeichers erreicht werden. In an advantageous embodiment, the anode device may be a rotary anode plate and the focal spot region may be one in one Exterior of the rotary anode plate on a first surface of the rotary anode plate rotating focal path. In this case, the receiving device may have an annular structure which is arranged on a second surface of the rotary anode plate opposite the first surface in an outer region of the rotary anode plate. With this arrangement, a good thermal connection to the focal spot area can be achieved and at the same time a symmetrical mass distribution of the latent heat accumulator can be achieved.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Aufnahmeeinrichtung ein nach außen dichtes Gehäuse und ein in dem Gehäuse aufgenommenes Schaummaterial mit einer Vielzahl von Poren umfassen. Dabei kann das mindestens eine Latentwärmespeicherelement ein Phasenwechselmaterial umfassen, welches in die Poren des Schaummaterials injiziert ist. Auf diese Weise kann bei einem Aufschmelzen des Phasenwechselmaterials eine Gewichts- und damit Schwerpunktverlagerung des Phasenwechselmaterials vermieden werden, so dass das Auftreten einer Unwucht des Drehanodentellers im Betrieb verhindert werden kann. According to an advantageous embodiment, the receiving device may comprise an outwardly sealed housing and a foam material accommodated in the housing with a plurality of pores. In this case, the at least one latent heat storage element may comprise a phase change material which is injected into the pores of the foam material. In this way, when the phase change material melts, a weight shift and therefore a center of gravity displacement of the phase change material can be avoided, so that the occurrence of an imbalance of the rotary anode plate during operation can be prevented.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Aufnahmeeinrichtung ein nach außen dichtes Gehäuse umfassen und das mindestens eine Latentwärmespeicherelement eine Vielzahl von in dem Gehäuse aufgenommenen Hohlkugeln aufweisen, welche mit einem Phasenwechselmaterial gefüllt sind. Dies bietet den Vorteil, dass das Phasenwechselmaterial sicher in den Hohlkugeln eingeschlossen bleibt und nicht aus der Aufnahmeeinrichtung austreten kann. Zudem kann eine Schwerpunktsverlagerung bei einem Aufschmelzen des Phasenwechselmaterials effektiv vermieden werden. According to an advantageous embodiment, the receiving device may comprise a housing which is sealed to the outside, and the at least one latent heat storage element may have a multiplicity of hollow spheres accommodated in the housing, which are filled with a phase change material. This offers the advantage that the phase change material remains securely trapped in the hollow balls and can not escape from the receiving device. In addition, a center of gravity shift can be effectively avoided when melting the phase change material.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann das mindestens eine Latentwärmespeicherelement eine Vielzahl von Kompositpartikeln umfassen, welche einen Kern aus einem Phasenwechselmaterial und eine Hülle aus einem gegenüber dem Phasenwechselmaterial inerten Material aufweisen. According to a further advantageous embodiment, the at least one latent heat storage element may comprise a multiplicity of composite particles which have a core of a phase change material and a sheath of a material which is inert to the phase change material.
Vorteilhaferweise kann das Phasenwechselmaterial eine metallische Legierung, vorzugsweise eine eutektische Legierung, ein Salzhydrat, eine Carbonatmischung, eine ionische Flüssigkeit oder Paraffin umfassen. Auf diese Weise kann ein Schmelzpunkt an die jeweilige Anwendung angepasst oder ein möglichst unverändertes Schmelzverhalten nach langer Gesamtbestrahlzeit garantiert werden. Advantageously, the phase change material may comprise a metallic alloy, preferably a eutectic alloy, a salt hydrate, a carbonate mixture, an ionic liquid or paraffin. In this way, a melting point can be adapted to the particular application or guaranteed as unchanged as possible melting behavior after a long Gesamtbestrahlzeit.
Weitere Modifikationen und Variationen ergeben sich aus den Merkmalen der abhängigen Ansprüche. Further modifications and variations will be apparent from the features of the dependent claims.
Kurze Beschreibung der Figuren Brief description of the figures
Verschiedene Ausführungsformen und Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung werden nun in Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen genauer beschrieben, in denen Various embodiments and embodiments of the present invention will now be described in more detail with reference to the accompanying drawings, in which: FIG
Die beschriebenen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung. The described embodiments and developments can, if appropriate, combine with one another as desired. Further possible refinements, developments and implementations of the invention also include combinations, not explicitly mentioned, of features of the invention described above or below with regard to the exemplary embodiments.
Die beiliegenden Zeichnungen sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen dabei gleiche oder ähnlich wirkende Komponenten. The accompanying drawings are intended to provide further understanding of the embodiments of the invention. They illustrate embodiments and, together with the description, serve to explain principles and concepts of the invention. Other embodiments and many of the stated advantages will become apparent with reference to the drawings. The elements of the drawings are not necessarily shown to scale to each other. The same reference numerals designate the same or similar components.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung Detailed description of the invention
Die Röntgenröhre
Im Betrieb der Röntgenröhre
An einer Unterseite des Anodenkörpers
Die Aufnahmeeinrichtung
Ansicht (a) zeigt eine erste Oberfläche des Anodenkörpers
In der Aufnahmeeinrichtung
Hierzu kann es vorteilhaft sein, das Latentwärmespeicherelement
Die Latentwärmespeicherelemente
Das Diagramm
Bei der Verwendung eines Latentwärmespeichers für eine Anodenvorrichtung kann der Latentwärmespeicher daher Wärme, die bei einem Bestrahlen der Anodenvorrichtung durch einen Elektronenstrahl, beispielsweise in einer Röntgenröhre, aufnehmen, ohne dass sich die Temperatur des Latentwärmespeichers ändert. Der sich dadurch ergebende Temperaturverlauf während eines Betriebszyklus einer Röntgenröhre ist beispielhaft in Diagramm
Das Diagramm
Als Latentwärmespeicherelemente
Alternativ kann es möglich sein, Hohlkugeln aus einem gegenüber einem Phasenwechselmaterial inerten Material zu fertigen und diese Hohlkugeln mit dem Phasenwechselmaterial zu befüllen. Beispielsweise kann hierzu ein kalt verfestigendes Material wie zum Beispiel ein hydraulisches Bindemittel wie Feuerfestzement verwendet werden. Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Hohlkugeln nach dem Befüllen mit Phasenwechselmaterial mittels eines Sol-Gel-Prozesses oder einer Verglasung abgedichtet werden. Alternatively, it may be possible to produce hollow spheres from a material which is inert to a phase change material and to fill these hollow spheres with the phase change material. For example, for this purpose, a cold solidifying material such as a hydraulic binder such as refractory cement may be used. It may further be provided that the hollow spheres are sealed after filling with phase change material by means of a sol-gel process or a glazing.
Eine weitere Alternative bietet die Möglichkeit, Kompositpartikel in einem thermischen Spritzprozess zu erzeugen. Die Kompositpartikel bilden dabei eine sogenannte Core-Shell-Struktur, also eine Kern-Hüllen-Struktur aus, bei der ein Kern aus Phasenwechselmaterial von einem gegenüber dem Phasenwechselmaterial inerten Material umhüllt ist. Die Kompositpartikel werden dabei durch ein gleichzeitiges Spritzen der beiden Materialien in Pulverform beispielsweise als Nanopartikel erzeugt. Another alternative offers the possibility of producing composite particles in a thermal spraying process. The composite particles form a so-called core-shell structure, ie a core-shell structure in which a core of phase change material is enveloped by a material that is inert to the phase change material. The composite particles are thereby produced by simultaneous injection of the two materials in powder form, for example as nanoparticles.
Alle Alternativen bieten den Vorteil, dass Phasenwechselmaterial durch eine gleichmäßige Verteilung in einem quasihomogenen Latentwärmespeicher verarbeitet werden können. Dies bietet besondere Vorteile bei der Vermeidung von Unwuchten in Drehanodenvorrichtungen, da die quasi-homogenen Latentwärmespeicher auch bei einem Aufschmelzen des Phasenwechselmaterials keiner Verlagerung des Schwerpunkts unterliegen. All alternatives have the advantage that phase change material can be processed by a uniform distribution in a quasi-homogeneous latent heat storage. This offers particular advantages in the prevention of imbalances in rotary anode devices, since the quasi-homogeneous latent heat storage are not subject to any shift of the center of gravity even with a melting of the phase change material.
Die Erfindung betrifft eine Anodenvorrichtung für eine Röntgenröhre, mit einem Anodenkörper, welcher einen Brennfleckbereich aufweist, und welcher dazu ausgelegt ist, bei einem Auftreffen eines Elektronenstrahls auf den Brennfleckbereich Röntgenstrahlung zu erzeugen, einer Aufnahmeeinrichtung, welche an dem Anodenkörper in einem dem Brennfleckbereich benachbarten Bereich angebracht ist, und mindestens einem Latentwärmespeicherelement, welches in der Aufnahmeeinrichtung angeordnet ist. The invention relates to an anode device for an X-ray tube, comprising an anode body having a focal spot region and adapted to generate X-radiation when an electron beam strikes the focal spot region, a recording device attached to the anode body in an area adjacent to the focal spot region is, and at least one latent heat storage element, which is arranged in the receiving device.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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