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Die Erfindung betrifft ein Computertomographiegerät gemäß dem Patentanspruch 1 und ein Verfahren zur Kühlung gemäß dem Patentanspruch 10.
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Die Gantry eines Computertomographiegeräts umfasst ein im Wesentlichen ringförmiges, stationäres Teil, allgemein als Gantrygehäuse bezeichnet. Das Gantrygehäuse weist allgemein einen festen Tragrahmen auf, an dem Verkleidungselemente oder Strömungsbleche befestigt sind. Am Tragrahmen wiederum ist ein im Betrieb des Computertomographiegeräts rotierendes, ebenfalls im Wesentlichen ringförmiges Teil, allgemein als Rotor der Gantry bezeichnet, mittels einer geeigneten Lagerung, beispielsweise Wälzlagerung, gelagert. Der Rotor wiederum umfasst einen als Drum bezeichneten Drehrahmen, an dem alle rotierenden Komponenten befestigt sind, insbesondere mindestens ein Röntgenstrahler sowie mindestens ein mit diesem zusammenwirkender Röntgendetektor.
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In einem Computertomographiegerät wird der größte Teil der zum Betrieb der Komponenten wie z.B. des Röntgenstrahlers benötigten elektrischen Leistung in Wärme und nur ein relativ geringer Anteil in Röntgenstrahlung umgesetzt. Aus diesem Grund ist eine ausreichende Kühlung notwendig. Bisher werden die Komponenten auf dem Rotor der Gantry im Allgemeinen mittels Luftkühlung gekühlt. Dies geschieht dadurch, dass die Kühlluft (meist erzeugt im stationären Teil der Gantry) durch die Komponente geführt wird, oder durch einen Öl/Wasserkühler fließt. Der Röntgenstrahler wird meist über einen extra Kühlkreislauf gekühlt. Hier wird z.B. warmes Öl/Wasser aus dem Röntgenstrahler durch einen Wärmetauscher gepumpt. Der Wärmetauscher wird von kühler Luft durchflossen, dadurch wird die Verlustleistung an den stationären Teil der Gantry übergeben. Von dort wird die Luft gekühlt und wieder in den Kühlkreislauf geschickt (Wassergekühlte Gantry) – oder in den Untersuchungsraum geblasen (Luftgekühlte Gantry).
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Durch das Kühlmedium Luft, das zum Energieaustausch zwischen Rotor und stationärem Teil der Gantry benutzt wird, werden wegen der hohen Verlustleistung der Komponenten des Rotors große Luftmengen benötigt oder müssen kleine Luftmengen sehr schnell bewegt werden. Dies bedeutet im Allgemeinen große oder eine Vielzahl an Lüftervorrichtungen, welche wiederum einen hohen Geräuschpegel verursachen. Außerdem hat Luft eine relativ niedrige spezifische Wärmespeicherkapazität, daher werden wiederum große Mengen Luft zum Abführen der Verlustleistung benötigt. Die Luftführung (Absaugung, Druckkanal, Luftleitbleche, etc.) und die entsprechenden Lüftervorrichtungen benötigen viel Bauraum und einen aufwändigen Einbau in die Gantry. Bei reinen luftgekühlten Gantrys wird zudem die warme Luft in den Untersuchungsraum geblasen, was eine entsprechende Klimaanlage in diesen Räumen erfordert.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Computertomographiegerät sowie ein Verfahren zur Kühlung bereitzustellen, welche eine leistungsfähige, leise und aufwandsarme Kühlung der Komponenten des Rotors der Gantry ermöglichen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Computertomographiegerät gemäß dem Patentanspruch 1 und durch ein Verfahren zur Kühlung gemäß dem Patentanspruch 10; vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand der zugehörigen Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß ist ein Computertomographiegerät mit einer Gantry, aufweisend ein stationäres Gantrygehäuse und einen relativ zu dem stationären Gantrygehäuse drehbaren Rotor, wobei an dem Rotor zumindest ein Röntgenstrahler und ein Röntgendetektor angeordnet sind, wobei die Gantry eine Kühlvorrichtung mit zumindest einem Kühlkreislauf mit von einer Flüssigkeit durchflossenen Kühlleitungen aufweist, wobei zumindest ein erster Teil der Kühlleitungen an dem Gantrygehäuse und ein zweiter Teil an dem Rotor angeordnet sind und wobei der erste Teil und der zweite Teil mittels zumindest einer Drehdurchführung zum Austausch der Flüssigkeit verbunden ist, vorgesehen.
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Bei einem erfindungsgemäßen Computertomographiegerät ist durch eine Flüssigkeitskühlung, durch welche die Komponenten wie z.B. der Röntgenstrahler und der Röntgendetektor gekühlt werden können, eine besonders leistungsfähige und effektive Kühlung möglich. So haben Flüssigkeiten wie z.B. Wasser und Öl eine etwa vierfach höhere spezifische Wärmekapazität als Luft, wodurch eine schnellere und effektivere Kühlung als mittels Luft gewährleistet ist. Durch die zumindest eine Drehdurchführung kann die Flüssigkeit problemlos von den auf dem Rotor der Gantry angeordneten Kühlleitungen in die Kühlleitungen des Gantrygehäuses und zurück geleitet werden.
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Hierfür können zwei Kühlkreisläufe von Kühlleitungen vorgesehen sein: Nach einer Ausgestaltung der Erfindung sind zwei erste Leitungsabschnitte an dem Gantrygehäuse und zwei zweite Leitungsabschnitte an dem Rotor angeordnet und jeweils ein erster und ein zweiter Leitungsabschnitt zum Austausch von Flüssigkeit mittels jeweils zumindest einer Drehdurchführung verbunden und bilden jeweils ein Flüssigkeitsaustauschleitungssystem, wobei von den zwei Flüssigkeitsaustauschleitungssystemen ein Kühlleitungssystem zum Transport von gekühlter Flüssigkeit und ein Abwärmeleitungssystem zum Transport von erwärmter Flüssigkeit verwendbar sind. Dadurch kann die zur Kühlung einer Komponente des Rotors verwendete, erhitzte Flüssigkeit auf das Gantrygehäuse zurückgeleitet und dort z.B. mittels Wärmetauschern wieder gekühlt werden, um dann erneut am Rotor zur Kühlung der Komponente/n verwendet zu werden. Dadurch wird auf dem Rotor kein Bauraum für Vorrichtungen zur Kühlung wie Lüftervorrichtungen, Luftführungen, Saugkanäle oder ähnliches benötigt, so dass der Rotor kleiner, leichter und kompakter gebaut werden kann und kleinere Antriebe benötigt. Ohne die Verwendung von bei Luftkühlungen notwendigen Lüftervorrichtungen ist zudem eine geräuschlose und damit störungsfreie Kühlung möglich. Die erfindungsgemäße Kühlung ist außerdem hygienisch vorteilhaft und dadurch auch für sterile Umgebungen geeignet, da im Gegensatz zu vielen Luftkühlungen keine verunreinigte Luft in den Untersuchungsraum geblasen wird. In diesem Zusammenhang können in diesen Untersuchungsräumen kleinere Klimaanlagen verwendet werden, wodurch Energie gespart und eine bessere Energiebilanz erzielt werden kann.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Kühlung von zumindest einer Komponente auf einem Rotor eines erfindungsgemäßen Computertomographiegeräts mit einer Kühlvorichtung umfasst die folgenden Schritte:
- a) Transport von gekühlter Flüssigkeit von dem stationären Gantrygehäuse auf den Rotor des Computertomographiegeräts mittels zumindest einer Drehdurchführung,
- b) Kühlung der Komponente durch die gekühlte Flüssigkeit,
- c) Abtransport der durch die Kühlung erwärmten Flüssigkeit von dem Rotor auf das stationäre Gantrygehäuse,
- d) Kühlung der erwärmten Flüssigkeit, und
- e) kontinuierliche Wiederholung der Schritte a bis d während des Betriebs des Computertomographiegeräts.
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In vorteilhafter Weise ist die Kühlvorrichtung zur Kühlung des Röntgenstrahlers und/oder anderer Komponenten auf dem Rotor verwendbar. Insbesondere der Röntgenstrahler benötigt eine sehr effektive Kühlung, da er mit Hochspannung betrieben wird und es leicht zu Überhitzung kommen kann. Zusätzlich oder alternativ können auch eine oder mehrere andere Komponenten auf dem Rotor, z.B. der Röntgendetektor oder ein Kollimator, gekühlt werden.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist ein Teil des zweiten Leitungsabschnitts durch den Röntgenstrahler und/oder die andere(n) Komponente(n) zumindest teilweise durchgeführt angeordnet und ist gekühlte Flüssigkeit durch den Teil des zweiten Leitungsabschnitt durchführbar. Auf diese Weise ist eine direkte und sehr effektive Kühlung des Röntgenstrahlers möglich. Alternativ kann ein Teil des zweiten Leitungsabschnitts Kühleinheiten wie Wärmetauscher betreiben, welche dann wiederum z.B. mittels eines weiteren, kleinen Kühlkreislaufs den Röntgenstrahler und/oder die Komponenten kühlen.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die zumindest eine Drehdurchführung zum Austausch der Flüssigkeit berührungslose Dichtungen auf. Auf diese Weise tritt durch die Drehung der Drehdurchführung kein Abrieb auf und die Dichtung bleibt in ihrer Dichtwirkung erhalten. Insbesondere können als berührungslose Dichtungen Labyrinthdichtungen verwendet werden. Eventuell in geringen Mengen austretende Flüssigkeit kann mittels einer zusätzlichen Kapselung mit Leckwasserringen und Lufträumen abgefangen werden.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist auf dem Gantrygehäuse zumindest eine Kühleinheit, insbesondere ein Wärmetauscher, zur Kühlung der erwärmten Flüssigkeit angeordnet. Alternativ kann der erste Leitungsabschnitt sich auch auf Leitungen außerhalb des stationären Gantrygehäuses erstrecken und es können Kühleinheiten in separaten Gehäusen oder gar Räumen angeordnet sein.
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In vorteilhafter Weise für einen gleichmäßigen Transport der Flüssigkeit durch die Kühlleitungen weist die Kühlvorrichtung zumindest eine Pumpe auf.
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Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden im Folgenden anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele in der Zeichnung näher erläutert, ohne dass dadurch eine Beschränkung der Erfindung auf diese Ausführungsbeispiele erfolgt. Es zeigen:
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1 ein grundsätzlicher Aufbau eines Computertomographiegeräts nach dem Stand der Technik;
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2 eine Ansicht von Kühlleitungen einer Kühlvorrichtung gemäß der Erfindung;
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3 ein Querschnitt durch eine Drehdurchführung mit einem ersten und den zweiten Leitungsabschnitt der Kühlleitungen des erfindungsgemäßen Computertomographiegeräts;
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4 eine Außenansicht der Drehdurchführung nach 2; und
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5 einen Abfolge eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In der 1 ist ein bekanntes Computertomographiegerät mit einer Gantry 1 gezeigt. Die Gantry 1 weist sowohl ein stationäres Gantrygehäuse 2 als auch einen Rotor 3, welcher dazu ausgebildet ist, um eine Drehachse 4 zu rotieren. Auf dem Rotor 3 sind zumindest ein Röntgenstrahler 6 und ein Röntgendetektor 5 (z. B. ein Zeilendetektor) angeordnet, es können auch weitere Komponenten vorgesehen sein. Während der Rotation des Rotors 3 werden von dem Röntgendetektor eine Vielzahl von Schnittbildern eines von der Röntgenstrahlung des Röntgenstrahlers durchleuchteten Untersuchungsobjekts aufgenommen und anschließend mittels eines Computers rekonstruiert. Die Komponenten auf dem Rotor, insbesondere der Röntgenstrahler, werden während des Betriebs stark erhitzt und müssen deshalb gekühlt werden.
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Anstelle der bisher verwendeten Luftkühlungen ist erfindungsgemäß eine Kühlvorrichtung mit von einer Flüssigkeit durchflossenen Kühlleitungen und zumindest einer Drehdurchführung zwischen dem stationären Gantrygehäuse und dem Rotor vorgesehen. Mit Hilfe der Drehdurchführung(en) mit großem Durchmesser (etwa in der Größenordnung der Gantry) wird die Flüssigkeit problemlos vom stationären Gantrygehäuse direkt auf den Rotor gebracht. Damit kann die Kühlkapazität wesentlich vergrößert werden und es wird schneller und effektiver gekühlt, da Flüssigkeiten eine größere spezifische Wärmekapazität als z.B. Luft aufweisen.
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In der 2 sind die Kühlleitungen 8 der Kühlvorrichtung des erfindungsgemäßen Computertomographiegeräts schematisch gezeigt, wobei zwei Drehdurchführungen 9 lediglich durch Pfeile angedeutet sind. Erste Leitungsabschnitte 8.1 der Kühlleitungen sind dabei auf dem stationären Gantrygehäuse 2 angeordnet, während zweite Leitungsabschnitte 8.2 auf dem Rotor 3 angeordnet sind. Der Übergang zwischen Rotor 3 und stationärem Gantrygehäuse 2 ist dabei durch eine gestrichelte Linie angedeutet. Ein Teil der ersten Leitungsabschnitte 8.1 und ein Teil der zweiten Leitungsabschnitte 8.2 bilden dabei zusammen ein Flüssigkeitsaustauschleitungssystem zum Transport der gekühlten Flüssigkeit (hier Kühlleitungssystem 10 genannt) von dem stationären Gantrygehäuse auf den Rotor. Ein jeweils anderer Teil der ersten Leitungsabschnitte 8.1 und ein anderer Teil der zweiten Leitungsabschnitte 8.2 bilden ein Flüssigkeitsaustauschleitungssystem zum Abtransport der durch die Kühlung der Komponente/des Röntgenstrahlers erwärmten Flüssigkeit (hier Abwärmeleitungssystem 11 genannt) von dem Rotor auf das stationäre Gantrygehäuse. Beide weisen jeweils eine Drehdurchführung 9 auf. Beispielhaft ist der Röntgenstrahler 6 als zu kühlende Komponente auf dem Rotor 3 angedeutet. Die gekühlte Flüssigkeit durchfließt z.B den Röntgenstrahler oder einen kleineren zur Kühlung vorgesehenen Wärmetauscher an dem Röntgenstrahler und kühlt diesen dadurch. Die Flüssigkeit selbst wird dabei erwärmt. Wenn die erwärmte Flüssigkeit wiederum auf dem stationären Gantrygehäuse ist, wird sie mittels einer Kühleinheit 7 (z.B. einem großen Wärmetauscher) wiederum abgekühlt.
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In den 3 und 4 sind die beiden Drehdurchführungen 9 im Querschnitt und von außen gezeigt, wobei wiederum die auf dem Rotor 3 angeordneten Abschnitte und die auf dem stationären Gantrygehäuse 2 angeordneten ersten Leitungsabschnitte 8.1 und die auf dem Rotor 3 angeordneten zweiten Leitungsabschnitte 8.2 durch eine gestrichelte Linie getrennt sind. Das Kühlleitungssystem 10 ist dazu ausgebildet, gekühlte Flüssigkeit vom stationären Gantrygehäuse auf den Rotor zu transportieren und das Abwärmeleitungssystem 11 ist dazu ausgebildet, erwärmte Flüssigkeit vom Rotor 3 auf das stationäre Gantrygehäuse zu transportieren. Die Transportrichtungen der Flüssigkeit sind durch die Pfeile angedeutet. Zur Abdichtung der Drehdurchführungen sind jeweils Dichtungen 14 angeordnet, z.B. Labyrinthdichtungen. Es können jedoch auch andere Dichtungen wie z.B. reibungsbehaftete herkömmliche Elastomerdichtungen, Sperrgasdichtungen oder Gleitringdichtungen oder reibungsfreie Ferrofluid-Dichtungen verwendet werden. Gemeinsam sind die Drehdurchführungen in einem Gehäuse mit Lufträumen 12 gekapselt, welches einen Leckwasserring 13 aufweist und mit weiteren äußeren Dichtungen 14 verschlossen ist, um eventuelle durch die Dichtungen der Drehdurchführungen in geringen Mengen austretende Flüssigkeit aufzufangen. In der 4, in der die Ansicht des Gehäuses um die Drehdurchführungen von außen gezeigt ist, sind zusätzliche Sperrluftzufuhrleitungen 15 und Entwässerungsleitungen 16 angedeutet.
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In der 5 ist ein Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Kühlung einer Komponente (wie z.B. dem Röntgenstrahler) eines Rotors eines Computertomographiegeräts gezeigt. Zur Durchführung des Verfahrens kann ein erfindungsgemäßes Computertomographiegerät mit einer Kühlvorrichtung wie oben beschrieben genutzt werden. In einem ersten Schritt a wird gekühlte Flüssigkeit (wie z.B. Wasser oder Öl) von den Kühlleitungen des stationären Gantrygehäuses in die Kühlleitungen des Rotors des Computertomographiegeräts via zumindest einer Drehdurchführung transportiert. Hierfür können auch z.B. Pumpen genutzt werden. Auf dem Rotor wird dann in einem zweiten Schritt b die Komponente (z.B. der Röntgenstrahler) durch die gekühlte Flüssigkeit gekühlt, z.B. indem die Komponente von der Flüssigkeit durchflossen wird oder indem ein Wärmetauscher mit einem kleineren Kühlkreislauf gekühlt wird. Anschließend wird in einem dritten Schritt c die durch die Kühlung erwärmte Flüssigkeit von den Kühlleitungen auf dem Rotor in die Kühlleitungen auf dem stationären Gantrygehäuse transportiert, wiederum via Drehdurchführung (durch dieselbe wie beim Antransport oder durch eine weitere Drehdurchführung). In einem vierten Schritt d wird dann die erwärmte Flüssigkeit wieder gekühlt, mittels einer Kühleinheit wie z.B. einem Wärmetauscher. Die Kühleinheit kann auf oder an dem stationären Gantrygehäuse angeordnet sein oder auch außerhalb dessen in einem eigenen Gehäuse oder einem zusätzlichen Raum, wobei hier z.B. die Flüssigkeit durch Schläuche geleitet wird. Die vier Schritte a bis d werden kontinuierlich wiederholt, solange das Computertomographiegerät betrieben wird bzw. bis die Komponente ausreichend gekühlt ist.
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Insgesamt wird durch das erfindungsgemäße Computertomographiegerät bzw. das Verfahren eine effektivere und leistungsfähigere Kühlung von auf dem Rotor angeordneten Komponenten gewährleistet. Durch den Transport von Flüssigkeit zur Kühlung von dem stationären Gantrygehäuse auf den Rotor und zurück kann eine zusätzliche, sperrige und schwere Kühleinheit auf dem Rotor eingespart werden, was wiederum für einen leichteren Rotor sorgt. Die Kühleinheit zur Kühlung der Flüssigkeit kann auf dem stationären Gantrygehäuse oder außerhalb dessen angeordnet werden, hierdurch entfällt eine Einschränkung der Baugröße der Kühleinheit und die Kühlkapazität ist nach Bedarf ohne Einschränkung ausbaufähig. Der Kühlmittelstrom (also die Flüssigkeit) kann direkt durch die Komponente auf dem Rotor geleitet werden. Durch die Flüssigkeits-Kühl-leitungen werden keine Lüfter benötigt und damit ist diese Form der Kühlung sehr leise. Der Aufbau der Gantry kann insgesamt kleiner gestaltet werden, da Luftführungen (Druck, Saugkanäle) wegfallen und Flüssigkeits-Kühleinheiten auch außerhalb der Gantry untergebracht werden können. Das erfindungsgemäße Computertomographiegerät ist auch für Umgebungen, mit besonderen hygienischen Anforderungen geeignet (Operationsräume), da kein Luftstrom in die Umgebung entlassen wird. Entsprechend können auch größere Klimaanlagen für diese Umgebungen eingespart werden, was letztendlich auch Energie spart.
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Die Erfindung lässt sich in folgender Weise kurz zusammenfassen: Für eine besondere effektive Kühlung von z.B. Röntgenstrahlern ist ein Computertomographiegerät mit einer Gantry, aufweisend ein stationäres Gantrygehäuse und einen relativ zu dem stationären Gantrygehäuse drehbaren Rotor, wobei an dem Rotor zumindest ein Röntgenstrahler und ein Röntgendetektor angeordnet sind, wobei die Gantry eine Kühlvorrichtung mit zumindest einem Kühlkreislauf mit von einer Flüssigkeit durchflossenen Kühlleitungen aufweist, wobei zumindest ein erster Leitungsabschnitt der Kühlleitungen an dem Gantrygehäuse und zumindest ein zweiter Leitungsabschnitt der Kühlleitungen an dem Rotor angeordnet sind und wobei der erste und der zweite Leitungsabschnitt mittels zumindest einer Drehdurchführung zum Austausch von Flüssigkeit verbunden sind, vorgesehen.
