DE102017200766A1

DE102017200766A1 - Gehäuse für einen Hochspannungstank, Hochspannungstank für eine Hochspannungserzeugung und Verfahren zum Betrieb eines Hochspannungstanks

Info

Publication number: DE102017200766A1
Application number: DE102017200766.4A
Authority: DE
Inventors: Christian Hoffmann; Gerd Mörsberger
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2017-01-18
Filing date: 2017-01-18
Publication date: 2018-07-19
Also published as: CN108337796B; US10405416B2; CN108337796A; US20180206317A1

Abstract

Die Erfindung gibt ein Gehäuse für einen Hochspannungstank (9) an, aufweisend einen einseitig offenen Kessel (1) und einem den Kessel verschließenden Platinendeckel (2, wobei mindestens einen Dehnungsmessstreifen (4) auf oder in dem Platinendeckel (2) derart angeordnet ist, dass er bei einer druckbedingten Verformung des Platinendeckels (2) gedehnt oder gestaucht wird.Ein Hochspannungstank (9) für einen Röntgenstrahler (10) mit einem derartigen Gehäuse und ein zugehöriges Betriebsverfahren werden ebenfalls angegeben.Die Erfindung bietet den Vorteil, dass auf einfache und sichere Art ein unzulässiger Druck in einem Gehäuse für einen Hochspannungstank (9) ermittelbar ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Gehäuse für einen Hochspannungserzeugungstank. Das Gehäuse weist einen einseitig offenen Kessel und einen den Kessel verschließenden Platinendeckel auf. Die Erfindung betrifft auch einen Hochspannungstank für eine Hochspannungserzeugung mit einem derartigen Gehäuse. Die Erfindung betrifft außerdem ein zugehöriges Verfahren zum Betrieb eines Hochspannungstanks.
Hintergrund der Erfindung
Bei der Erzeugung von Röntgenstrahlung wird ein Hochspannungstank (auch abgekürzt als HVT bezeichnet) zur Erzeugung der Hochspannung für den Röntgenstrahler benötigt. Der HVT ist häufig in Kesselbauweise mit einem mit einem flüssigen Isoliermedium gefüllten metallischen Gehäuse ausgeführt. Einerseits können so die erforderlichen hohen Spannungen zur Röntgenstrahlungserzeugung auf geringem Bauraum realisiert werden. Andererseits kann die dabei entstehende Verlustwärme der elektrischen Komponenten durch das flüssige Isoliermedium, beispielsweise ein Isolieröl, wegen seiner hohen Wärmekapazität gut aufgenommen und durch die Konvektion desselben bei Temperaturunterschieden verteilt werden. Dabei erwärmt sich das Isolieröl und dehnt sich aus.
Bekannte mineralische Isolieröle weisen einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 700 - 950 ppm/K auf. Da das Isolieröl nicht komprimierbar ist, ist eine konstruktive Möglichkeit zum Ausgleich der Volumenänderung (zum Beispiel Expansionsgefäß, Druckausgleichsbehälter) des Isolieröls im Röntgenstrahler und HVT erforderlich. Bekannt sind elastische Ausdehnungsgefäße. Üblicherweise wird aus einem ölbeständigen Membranmaterial (Nitril, Silikon, etc.) mit isolierenden Eigenschaften ein sogenanntes Ausdehnungsgefäß gefertigt. Durch den Druck des sich ausdehnenden Isolieröls wird die Membran verformt und komprimiert und sorgt somit für einen Druckausgleich.
Durch diesen Ausgleichsmechanismus werden Innendrücke im Kessel des HVT bei Temperaturhüben vermieden, wobei in der Praxis aber natürlich nur begrenzte Ausdehnungsvolumina zur Verfügung gestellt werden können. Wenn aber die vorhandenen elektronischen Temperatursensoren ausfallen oder die Funktion der Membran gestört oder eingeschränkt ist (z.B. bei falscher Grundeinstellung oder durch Alterungseffekte die z.B. zur Versteifung der Ausgleichmembrane führen), entstehen so hohe Drücke im Kessel, dass der Kessel bersten kann. Deswegen müssen die ölgefüllten Kessel gemäß der Druckbehälterverordnung dem dreifachen möglich auftretenden Druck zumindest kurzzeitig standhalten.
Im Falle einer Verwendung eines dünnwandigen Tiefziehkessels mit einem flächig abschließenden Platinendeckel samt elektrischen Interfacefunktionen (Stromzuleitungen, Messsignale, Verbindungstechnik, etc.) werden schon bei einem geringen Überdruck im Inneren des Kessels (speziell durch Wärmebildung) Deformationen des Kessels ausgelöst.
Die Funktionalität des HVT ist dabei durch folgende Risiken gefährdet:

- Auftretende Scherkräfte, die die Dichtungen nachhaltig schädigen können; es kann zu einem Austritt von Isolieröl kommen.
- Beim Versagen weitere Sicherheitsfunktionen (Membranen, Temperatursensoren) können sich die inneren Drücke bis zum Bersten des Kessels aufbauen.
- Schon bei geringen mechanischen Verspannungen können Teile der Interfacefunktion des Platinendeckels beeinträchtigt bzw. nachhaltig beschädigt werden.
- Dichteprüfung der Hochspannungserzeugungsvorrichtung zur Sicherstellung, dass kein Isolierölverlust über der Lebensdauer auftreten kann, mit dem dreifachen maximalen Betriebsdruck.

Unzulässig hohe Drücke können durch einen Drucksensor ermittelt werden, der den Druck im Kessel direkt misst. Dem Drucksensor muss rückseitig jedoch der äußere Luftdruck zugeführt werden (Relativ-Druck-Messung), weshalb der Drucksensor zwangsläufig in die Kesselwand eingelassen werden muss, was eine zusätzliche Öffnung sowie eine aufwändige Verkabelung erfordert.
Alternativ kann auch der absolute Druck des Isolieröls im geschlossenen Kessel gemessen werden, wobei jedoch zwei Sensoren erforderlich sind: einer für das Isolieröl und ein zweiter für die umgebende Atmosphäre. Dies führt bei der Herstellung eines Hochspannungserzeugungstanks zu Abgleich- und Genauigkeitsproblemen.
Aus Sicherheitsgründen wird deshalb meist noch ein zusätzlicher Druckschalter zur Notabschaltung integriert (= eine weitere Öffnung in der Kesselwand). Der Druckschalter ist jedoch ein mechanisches Bauteil mit entsprechend hohen Drucktoleranzen für das Schaltmoment. Außerdem sind mechanische Druckschalter erst ab einem Mindestdruckunterschied von etwa 0,5 bar geeignet.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Gehäuse für einen Hochspannungstank, einen Hochspannungstank und ein Verfahren zum Betrieb eines Hochspannungstanks anzugeben, die Druckänderungen im Inneren des Gehäuses erfassen können.
Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe mit dem Gehäuse, dem Hochspannungstank und dem Verfahren zum Betrieb eines Hochspannungstanks der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Da die mechanische Stabilität eines Platinendeckels deutlich unter der eines Kessels eines Gehäuses eines Hochspanungstanks liegt, zeigen sich die Druckunterschiede im Inneren des Gehäuses zunächst am Platinendeckel als Verformung (bei Überdruck als Wölbung nach außen, bei Unterdruck als Wölbung nach innen). Diese Verformung wird erfindungsgemäß mittels eines Dehnungsmessstreifens (kurz DMS) direkt erfasst und zur Überwachung bzw. Abschaltung genutzt.
Dazu kann der DMS außen auf den Platinendeckel aufgeklebt oder in den Platinendeckel integriert werden. Der DMS weist einen druck- bzw. deformationsabhängigen Widerstand auf. Eine nachgeschaltete Messschaltung, beispielsweise in Form einer Halb- oder Vollbrücke (z.B. eine Wheatstonesche Brücke), kann die Veränderungen des Widerstands des DMS infolge der mechanischen Verformungen erfassen.
Die Erfindung beansprucht ein Gehäuse für einen Hochspannungstank der Hochspannungserzeugung, aufweisend einen einseitig offenen Kessel und einem den Kessel verschließenden Platinendeckel, wobei mindestens ein Dehnungsmessstreifen auf oder in dem Platinendeckel derart angeordnet ist, dass er bei einer druckbedingten Verformung des Platinendeckels gedehnt oder gestaucht wird.
In einer Weiterbildung ist der Kessel ein Gastronorm-Behälter. Gastro-Norm ist ein weltweit gebräuchliches Behältersystem, das durch die Verwendung genormter Größen einen einfachen Austausch von Lebensmittelbehältern ermöglicht und in lebensmittelverarbeitenden Betrieben sowie Großküchen Verwendung findet. Die Verwendung eines Gastronorm-Behälters ist eine kostengünstige Variante für einen Tiefziehkessel.
Die Erfindung bietet den Vorteil, dass auf einfache und sichere Art ein unzulässiger Druck in einem Gehäuse für einen Hochspannungstank ermittelbar ist.
In einer Weiterbildung kann im Inneren des Gehäuses ein Isolieröl vorhanden sein.
In einer Weiterbildung kann das Gehäuse eine Messschaltung, aufweisen, die ausgebildet ist, Widerstandsänderungen des Dehnungsmessstreifens zu erfassen.
In einer weiteren Ausbildung kann die Messschaltung eine Wheatstonesche Brückenschaltung aufweisen.
In einer weiteren Ausprägung kann eine mit der Messschaltung elektrisch verbundene elektrische Sicherheitsschaltung vorhanden sein, die ausgebildet ist, bei einem vorgebbaren Grenzwert einer Widerstandsänderung des Dehnungsmessstreifens eine Hochspannungserzeugung abzuschalten.
Die Erfindung beansprucht auch einen Hochspannungstank für eine Hochspannungserzeugung aufweisend einen Hochspannungstransformator, der im Inneren eines erfindungsgemäßen Gehäuses angeordnet ist.
Die Erfindung beansprucht außerdem ein Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Hochspannungstanks, wobei bei einer einen vorgebbaren Grenzwert übersteigenden Dehnung oder Stauchung des Dehnungsmessstreifens die Hochspannungserzeugung abgeschaltet wird.
Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen eines Ausführungsbeispiels anhand von schematischen Zeichnungen ersichtlich.
Es zeigen:

1: eine Schrägansicht eines Gehäuses mit Dehnungsmessstreifen,
2: einen Querschnitt eines Gehäuses mit einem gewölbten Platinendeckel mit Dehnungsmessstreifen und
3: ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Ermittlung eines Überdrucks in einem Gehäuse.

Detaillierte Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
1 zeigt eine Schrägansicht eines Gehäuses eines Hochspannungstanks für die Hochspannungserzeugung. Das Gehäuse weist einen nach oben offenen Kessel 1 auf, der mit einem Platinendeckel 2 druckdicht verschlossen ist. Im Inneren des Gehäuses befindet sich u.a. der Hochspannungstransformator in einem Isolieröl 3. Auf dem Platinendeckel 2 ist ein Dehnungsmessstreifen 4 aufgeklebt, der mit einer nicht dargestellten Messschaltung verbunden ist. In 1 ist kein unzulässiger Überdruck im Gehäuse. Der Platinendeckel 2 ist eben und nicht gewölbt oder verformt. Die Ausgleichsmembranen 7 zum Druckausgleich sind nicht beansprucht.
2 zeigt einen Querschnitt durch ein Gehäuse gemäß 1, wobei das Isolieröl 3 im Inneren des Kessels 1 durch eine Temperaturerhöhung ausgedehnt ist und die Ausgleichsmembranen 7 bereits völlig zusammendrückt hat. Der Druck im Inneren des Gehäuses ist so groß, dass der Platinendeckel 2 nach außen gewölbt ist und dadurch den Dehnungsmessstreifen 4 dehnt. Die durch die Dehnung verursachte Widerstandsänderung kann mit Hilfe der nicht dargestellten Messschaltung bestimmt werden.
Durch die Messschaltung, aufweisend AD-Wandlern / FPGA und zugehöriger Software, können der Grundzustand ermittelt sowie Veränderungen erfasst und ausgewertet werden. Bevor schädigungsrelevante Verformungen auftreten können, kann somit die Hochspannungserzeugung mit Hilfe der Sicherheitsschaltung abgeschaltet werden. Dadurch kann beispielsweise die Temperatur im Inneren, die u.a. zu einem höheren Druck führt, abgesenkt werden. Falls ein seltenes alterungsbedingtes Versagen der Membranen vorliegt, kann diese Beschädigung festgestellt werden, bevor ein Austritt des Isolieröls aus dem Gehäuse erfolgen kann. Dieser muss aufgrund der Umweltbedenklichkeit des Isolieröls 3 unbedingt vermieden werden.
Die Verformung des Platinendeckels 2 und deren Bestimmung mit dem Dehnungsmessstreifen 4 ist experimentel für einen 3,2 mm starken Platinendeckel 2 erfasst worden. Dabei zeigt sich ein etwa parabolischer Zusammenhang zwischen Dehnung des Dehnungsmessstreifens 4 und Kraft auf den Platinendeckel 2.
3 zeigt ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Ermittlung eines Überdrucks in einem Gehäuse gemäß der 1 und 2. Auf dem Platinendeckel 2 eines Gehäuses sitz ein Dehnungsmessstreifen 4, der elektrisch mit der Messschaltung 5 verbunden ist. Die Messschaltung kann eine Wheatstonesche Brücke zur Auswertung aufweisen. Die Messschaltung 5 ist mit einer Sicherheitsschaltung 6 verbunden, die dafür sorgt, dass bei Überschreiten eines vorgebbaren Drucks im Kessel 1 die Hochspannungserzeugung abgeschaltet wird. Dadurch kann das Isolieröl abkühlen und der Druck verringert sich. Im Inneren des Kessels 1 befindet sich ein Hochspannungstransformator 8. Alles zusammen ist Teil eines Hochspannungstanks 9 für einen Röntgenstrahler 10.
Der HVT enthält üblicherweise auch einen Sensor für die Öltemperatur. Da Druck und Temperatur nach dem Verschließen des Kessels 1 zwangsläufig zusammenhängen, kann die P-T-Kurve (also die Veränderung des Dehnungsmessstreifens 4 in Abhängigkeit von der Öltemperatur) in einem Kalibrierschritt aufgenommen (z.B. während der ohnehin nötigen Prüfung des Kessels 1) - und im weiteren Betrieb kontinuierlich überprüft werden. Auf diese Weise kann nicht nur ein Ölverlust durch eine Leckage im HVT entdeckt werden (der Druck wäre für die aktuelle Temperatur zu niedrig), sondern auch eine Gasbildung infolge von Überschlägen im Öl (durch das Gas wäre der Druck für die aktuelle Temperatur zu hoch). Diese beiden Probleme sind mit konventioneller Technik (Temperatur- oder Druckschalter) bisher nicht detektierbar.
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.
Bezugszeichenliste

1: Kessel
2: Platinendeckel
3: Isolieröl
4: Dehnungsmessstreifen
5: Messschaltung
6: Sicherheitsschaltung
7: Ausgleichsmembran
8: Hochspannungstransformator
9: Hochspannungstank
10: Röntgenstrahler

Claims

Gehäuse für einen Hochspannungstank für eine Hochspannungserzeugung, aufweisend einen einseitig offenen Kessel (1) und einem den Kessel (1) verschließenden Platinendeckel (2), gekennzeichnet durch: - mindestens einen Dehnungsmessstreifen (4), der auf oder in dem Platinendeckel (2) derart angeordnet ist, dass er bei einer druckbedingten Verformung des Platinendeckels (2) gedehnt oder gestaucht wird.
Gehäuse nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch: - im Inneren des Gehäuses angeordnetes Isolieröl (3).
Gehäuse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kessel (1) ein Gastronorm-Behälter ist.
Gehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch: - eine Messschaltung (5), die ausgebildet ist, Widerstandsänderungen des Dehnungsmessstreifens (4) zu erfassen.
Gehäuse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Messschaltung (5) eine Wheatstonesche Brückenschaltung aufweist.
Gehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch: - eine mit der Messschaltung (5) elektrisch verbundene Sicherheitsschaltung (6), die ausgebildet ist, bei einem vorgebbaren Grenzwert einer Widerstandsänderung des Dehnungsmessstreifens (4) eine Hochspannungserzeugung abzuschalten.
Hochspannungstank (9) für eine Hochspannungserzeugung, aufweisend einen Hochspannungstransformator (7), der im Inneren eines Gehäuses nach einem der vorhergehenden Ansprüche angeordnet ist.
Verfahren zum Betrieb eines Hochspannungstanks (9) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer einen vorgebbaren Grenzwert übersteigenden Dehnung oder Stauchung des Dehnungsmessstreifens (4) die Hochspannungserzeugung abgeschaltet wird.