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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Behälter für einen Röntgengenerator, der zumindest teilweise gefüllt ist mit einer elektrisch isolierenden Flüssigkeit. Der Behälter weist eine Druckausgleichsvorrichtung für die Flüssigkeit auf. Die Erfindung betrifft auch einen Röntgengenerator mit einem derartigen Behälter.
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Hintergrund der Erfindung
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Röntgenstrahlung ist seit vielen Jahren für die medizinische Diagnostik unverzichtbar. Die Röntgenstrahlung wird beispielsweise durch einen Röntgengenerator wie in 1 dargestellt erzeugt. Moderne Röntgengeneratoren (Hochfrequenz- oder Multipulsgeneratoren) bestehen aus einem Netzeingang 1, einem Zwischenkreis 2, einem Schwingkreiswechselrichter 3 (auch als Inverter bezeichnet), einem Hochspannungserzeuger 4 und einem Röntgenstrahler 5. Die vom Röntgenstrahler 5 benötigte Beschleunigungsspannung U wird vom Hochspannungserzeuger 4 bereitgestellt. Der Hochspannungserzeuger 4 erzeugt aus der hochfrequenten Ausgangsspannung des Schwingkreiswechselrichters 3 mittels des Hochspannungstransformators 6 und einer daran anschließenden Gleichrichterkaskade 7 die Beschleunigungsspannung U beispielsweise in Höhe von etwa +/–75 kV.
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Bei der Erzeugung der Röntgenstrahlung sind der Hochspannungserzeuger 4 und der Röntgenstrahler 5 für gewöhnlich in jeweils einem Behälter (auch als Kessel bezeichnet) untergebracht. Einerseits können dadurch die hohen Spannungen auf einem geringen Bauraum realisiert werden, andererseits können die Wärmeverluste der zur Erzeugung der Röntgenstrahlung erforderlichen elektrischen Bauteile durch einen flüssigen Isolierstoff, zum Beispiel durch ein Isolieröl, gut aufgenommen (= hohe Wärmekapazität) und auch verteilt (= Konvektion des Isolieröls bei Temperaturunterschieden) werden.
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Im Betrieb erwärmt sich der Isolierstoff und dehnt sich aus. Bekannte mineralische Isolieröle weisen einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 700 bis 950 ppm/K auf. Da der Isolierstoff nahezu nicht komprimierbar ist, muss eine konstruktive Maßnahme zum Ausgleich der Volumenänderung des Isolierstoffs im Röntgenstrahler und im Hochspannungserzeuger vorgesehen sein (= Druckausgleichsvorrichtung).
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Aus der Offenlegungsschrift
EP 0 283 688 A1 ist ein elastisches Ausdehnungsgefäß mit einer Membran für einen Röntgenstrahler bekannt. Die Membran besteht aus einem ölbeständigen, elektrisch isolierendem Material, beispielsweise aus Nitril oder Silikon, und bildet ein Ausdehnungsgefäß. Durch den Druck des sich ausdehnenden Isolierstoffs wird die Membran verformt und komprimiert den gasgefüllten Innenraum der Membran. Alternativ kann die Membran auch offen zur umgebenden Atmosphäre ausgebildet sein.
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Um die Lebensdauer der Membran nicht zu verringern, wird diese in einem elektrisch möglichst feldfreien Raum angeordnet, wodurch sich aber der Bauraum vergrößert. Alternativ kann ein Potenzialschutzschild, das mit elektrischer Masse verbunden ist, zum Schutz der Membran verwendet werden. Dies ist bei einem zur Umgebung offenen Aufbau auch zu bevorzugen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist Aufgabe der Erfindung, einen weiteren Behälter für einen Röntgengenerator mit einer Druckausgleichvorrichtung und einen weiteren Röntgengenerator mit einem Behälter anzugeben.
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Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe mit dem Behälter und dem Röntgengenerator der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß weist der Behälter für einen Röntgengenerator als Druckausgleichsvorrichtung für einen flüssigen Isolierstoff (= elektrisch isolierende Flüssigkeit) eine elektrisch leitfähige Membran auf, die mit Erdpotenzial (= elektrischer Masse) verbunden ist. Eine Membran oder Membrane ist eine dünne Schicht eines Materials, die den Stofftransport durch diese Schicht beeinflusst bzw. unterbindet. Membranen treten in vielfältigen Anwendungen und Funktionen auf. In der Technik verwendet man Membranen als Trennschicht in der Membrantechnik. Membranen bilden Trennschichten zwischen Stoffen und/oder Gasen. In der Regel sind Membranen flexible und/oder elastische Schichten. Ein Behälter kann auch als Tank, Gefäß, Kessel oder Behältnis bezeichnet werden.
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Die Erfindung beansprucht einen Behälter, der zumindest teilweise mit einer elektrisch isolierenden Flüssigkeit gefüllt ist, für einen Röntgengenerator, mit einer Druckausgleichsvorrichtung für die Flüssigkeit. Der Behälter umfasst eine mit elektrischer Masse verbundene, elektrisch leitfähige, flexible, die Druckausgleichsvorrichtung bildende Membran, wobei die Membran zumindest teilweise mit der Flüssigkeit in Wirkverbindung steht. Die Membran ist innerhalb des Behälters angeordnet oder bildet teilweise den Behälter und die elektrische Leitfähigkeit der Membran ist größer 1 Siemens pro Meter.
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Die Erfindung bietet den Vorteil, dass der Abstand der Membran zu elektrisch aktiven Bauteilen verringert werden kann, ohne dass elektrische Entladungen in luftgefüllten angrenzenden Kammern oder Schichten auftreten.
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In einer Weiterbildung kann die Membran einen Balg (= Luftkammer) bilden, der mit der Atmosphäre kommuniziert, d.h. im Balg herrscht immer der atmosphärische Außendruck.
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In einer Weiterbildung kann die Membran eine Trennschicht zwischen der Flüssigkeit und der umgebenden Atmosphäre bilden.
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In einer weiteren Ausführungsform kann die Membran einen Teil einer Behälterwand des Behälters bilden.
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In einer weiteren Ausgestaltung kann die Membran in dem Behälter angeordnet sein, wobei zwischen der Membran und der Behälterwand des Behälters eine Luftkammer gebildet wird.
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In einer weiteren Ausführungsform kann die Membran elektrisch leitend mit der Behälterwand des Behälters verbunden sein, wobei die Behälterwand mit der elektrischen Masse verbunden ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Membran aus Kautschuk oder Silikon gebildet sein.
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Außerdem kann die Membran eine elektrisch leitfähige Kunststoffmatrix, elektrisch leitfähige Partikel, eine elektrisch leitfähige Oberfläche oder elektrisch leitfähige Drähte, Fasern oder Bänder aufweisen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Flüssigkeit ein Isolieröl, beispielsweise Transformatoröl, sein.
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In einer weiteren Ausführungsform kann der Behälter einen in der Flüssigkeit angeordneten Hochspannungserzeuger und/oder eine in der Flüssigkeit angeordnete Röntgenröhre aufweisen.
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Die Erfindung beansprucht auch einen Röntgengenerator zur Erzeugung einer Hochspannung für einen Röntgenstrahler mit einem erfindungsgemäßen Behälter zur Aufnahme von elektrischen Bauteilen.
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Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen mehrerer Ausführungsbeispiele anhand von schematischen Zeichnungen ersichtlich.
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Es zeigen:
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1: ein Schaltbild eines Röntgengenerators gemäß Stand der Technik,
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2: einen Querschnitt durch einen Behälter mit einer leitfähigen Membran,
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3: einen Querschnitt durch einen weiteren Behälter mit einer leitfähigen Membran,
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4: einen Querschnitt durch einen weiteren Behälter mit einer leitfähigen Membran und
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5: einen Querschnitt durch einen weiteren Behälter mit einer leitfähigen Membran.
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Detaillierte Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele
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2 zeigt einen Behälter 8, der auch als Tank oder Kessel bezeichnet wird, im Querschnitt. In dem Behälter 8 befinden sich elektrische Bauteile 13, zum Beispiel Hochspannungsbauteile, die in einer elektrisch isolierenden Flüssigkeit 14, beispielsweise einem Isolieröl, gelagert sind. Um die Ausdehnung der Flüssigkeit 14 bei Erwärmung durch die elektrischen Bauteile 13 auszugleichen, weist der Behälter 8 eine Druckausgleichsvorrichtung in Form einer elastischen, elektrisch leitfähigen Membran 10 auf, die mit der Behälterwand 9 eine Luftkammer 11 bzw. Luftspalt bildet. Der Druck in der Luftkammer 11 ist gleich dem der den Behälter 8 umgebenden Atmosphäre 15. Die Membran 10 kann sich somit in Richtung 12 bewegen und dadurch auftretende Druckschwankungen der Flüssigkeit 14 ausgleichen.
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Die Behälterwand 9 liegt an elektrischer Masse (= Erdpotenzial) und dadurch auch die mit der Behälterwand 9 verbundene Membran 10. Die Membran 10 besteht aus einem mineralölbeständigen Elastomer, wie beispielsweise Kautschuk (Nitrilkautschuk, EPDM, IIR, SBR) oder Silikon. Die leitfähige Membran 10 wird zur Beeinflussung / Steuerung des elektrischen Felds genutzt, wodurch der Abstand zu den elektrisch aktiven Bauteilen 13 reduziert werden kann. Die leitfähige Membran 10 kann auf unterschiedliche Arten hergestellt werden, muss aber immer mechanisch flexibel bleiben, darf im Betrieb bei allen Temperature keine Abplatzungen oder Falten bilden und muss beständig gegen Mineralöle sein.
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Die Membran 10 weist beispielsweise eine elektrisch leitfähige Kunststoffmatrix auf, beinhaltet leitfähige Partikel wie Graphit, Russ, SiC oder Metallpartikel, weist eine leitfähige Oberfläche auf, ein oder beidseitig, oder es sind leitfähige Drähte, Fasern oder Bänder integriert. Die Leitfähigkeit der Membran 10 sollte größer als 1 Siemens pro Meter sein.
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Im Folgenden sind die Ergebnisse von rechnerischen Simulationen beschrieben. Es wird angenommen, dass sich die elektrischen Bauteile 13, wie beispielsweise Hochspannungserzeuger oder Röntgenröhre, auf Hochspannungspotenzial (etwa 75 kV) befinden. Wäre die Membran 10 isolierend, würde das elektrische Feld in den gasgefüllten Ausgleichsraum, also in die Luftkammer 11, eindringen. Der Abstand zwischen den elektrischen Bauteilen 13 und der Membran 10 wäre zu gering, so dass sich eine Maximalfeldstärke von größer 4 kV/mm in der Luftkammer 11 ergibt. Dies kann zu Entladungen führen, da die intrinsische Leitfähigkeit von Luft bei 2,4 kV/mm liegt.
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Ist die Membran 10 aber bei gleicher Dimensionierung des Behälters 8 elektrisch leitfähig, d.h. ist die Leitfähigkeit wesentlich größer als die der isolierenden Flüssigkeit 14, und ist die Membran 10 über den Behälter 8 gut geerdet, so bleibt die Luftkammer 11 (also der mit Luft gefüllte Raum) elektrisch feldfrei. Die Feldstärke in der Flüssigkeit 14 über der Membran 10 steigt aber an. Da jedoch die Flüssigkeit 14 eine wesentlich höhere elektrische Festigkeit als die Luftkammer 11 aufweist, kann es zu keinen Entladungen aufgrund zu hoher E-Felder kommen.
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3 zeigt in einer Schnittansicht eine weitere Ausführungsform des Behälters 8 mit der elektrisch isolierenden Flüssigkeit 14, in der sich die elektrischen Bauteile 13 befinden. Der Behälter 8 liegt auf Masse. Die elektrisch leitfähige Membran 10 bildet eine Seite der Behälterwand 9 und bildet somit eine Trennschicht zwischen der Flüssigkeit 14 und der Atmosphäre 15. Bei Ausdehnung der Flüssigkeit 14 kann sich die Membran 10 in Richtung 12 nach außen wölben.
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4 zeigt in einer Schnittansicht eine Abwandlung der Ausführungsform nach 3. Der Behälter 8 weist elektrische Bauteile 13 in einer elektrisch isolierenden Flüssigkeit 14 auf. Die Behälterwand 9 liegt auf Masse. Ein Teil der unteren Behälterwand 9 wird durch die elektrisch leitfähige Membran 10 gebildet, die eine Trennschicht zwischen der Flüssigkeit 14 und der Atmosphäre 15 darstellt. Die Membran 10 kann sich bei einer Volumenänderung der Flüssigkeit 14 in Richtung 12 bewegen.
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5 zeigt in einer Schnittansicht eine weitere Ausführungsform des Behälters 8 mit innenliegenden elektrischen Bauteilen 13, die von der elektrisch isolierenden Flüssigkeit 14 umschlossen sind. Die Behälterwand 9 liegt auf Masse. Die Druckausgleichsvorrichtung wird durch die elektrisch leitfähige Membran 10 in Form eines die Luftkammer 11 bildenden Balgs gebildet. Die Luftkammer 11 hat eine röhrenartige Verbindung 14 zur der den Behälter 8 umgebenden Atmosphäre 15 und kann somit mit der Atmosphäre 15 im Sinne von kommunizierenden Gefäßen kommunizieren (d.h. der Druck in der Luftkammer bleibt immer gleich dem atmosphärischen Außendruck).
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Alle in den 2 bis 5 beschriebenen Behälter können für den Aufbau eines Röntgengenerators für die Erzeugung einer Hochspannung zur Ansteuerung eines Röntgenstrahlers aber auch zum Aufbau eines Eintanks, der sowohl die Bauteile zur Hochspannungserzeugung als auch den Röntgenstrahler aufnimmt, verwendet werden.
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Die elektrisch leitfähige Membran 10 der Behälter nach 2 bis 5 wirkt feldsteuernd und beeinflusst das elektrische Feld und die parasitären Kapazitäten der in der Nähe liegenden elektrischen Bauteile 13. Dies kann für eine Konstruktion und Auslegung eines Hochspannungserzeugers gezielt ausgenutzt werden. Dabei muss die Formveränderung der Membran 10 während des Betriebs beachtet werden.
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Die parasitären Kapazitäten beeinflussen u.a. die Verluste der für die Gleichrichtung benötigten Hochspannungsdioden im Hochspannungserzeuger. Wird der Hochspannungserzeuger betrieben, erwärmt er sich so stark, dass sich die Membran verformt. Durch den größeren Abstand zu den Dioden verringern sich somit die an den Dioden entstehenden Verluste, so dass sich der Hochspannungserzeuger weniger erwärmt. Gleichzeitig sinkt die elektrische Festigkeit der isolierenden Flüssigkeit mit steigender Temperatur, was aber durch den zusätzlichen Abstandsgewinn wieder kompensiert wird.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch die Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung durch die offenbarten Beispiele nicht eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann daraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Netzzugang
- 2
- Zwischenkreis
- 3
- Schwingkreiswechselrichter
- 4
- Hochspannungserzeuger
- 5
- Röntgenstrahler
- 6
- Hochspannungstransformator
- 7
- Gleichrichterkaskade
- 8
- Behälter
- 9
- Behälterwand
- 10
- elektrisch leitfähige Membran
- 11
- Luftkammer
- 12
- Bewegungsrichtung der Membran 10
- 13
- elektrische Bauteile
- 14
- isolierende Flüssigkeit
- 15
- Verbindung
- 16
- Atmosphäre
- U
- Beschleunigungsspannung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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