DE102020208976A1

DE102020208976A1 - Röntgenquellenvorrichtung umfassend eine Anode zur Erzeugung von Röntgenstrahlen

Info

Publication number: DE102020208976A1
Application number: DE102020208976.0A
Authority: DE
Inventors: Christian Loesch; Matthias Seufert
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2020-07-17
Filing date: 2020-07-17
Publication date: 2022-01-20
Also published as: US11804354B2; CN113948357A; US20220020555A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Röntgenquellenvorrichtung (1) umfassend eine Anode (2) zur Erzeugung von Röntgenstrahlen, mit einem Antrieb (3) zur Drehung der Anode (2) um einen Anodenmittenachse (A) umfassend einen Stator (6) und einen ersten Rotor (4), wobei der erste Rotor (4) relativ zur Anode (2) drehfest ist, wobei eine Kühleinrichtung zur Kühlung der Anode (2) und/oder des Antriebs (3) mittels eines Kühlmittels (10) vorhanden ist. Indem der Antrieb (3) einen zweiten Rotor (5) umfasst, welcher dazu ausgestaltet ist, das Kühlmittel (10) umzuwälzen, wird eine besonders kompakte, leichte und effiziente Kühlung für einer Röntgenquellenvorrichtung (1) bereitgestellt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Röntgenquellenvorrichtung umfassend eine Anode zur Erzeugung von Röntgenstrahlen, mit einem Antrieb zur Drehung der Anode um einen Anodenmittenachse umfassend einen Stator und einen ersten Rotor, wobei der erste Rotor relativ zur Anode drehfest ist, wobei eine Kühleinrichtung zur Kühlung der Anode und/oder des Antriebs mittels eines Kühlmittels vorhanden ist.
Röntgenstrahlen für den technischen oder medizinischen Einsatz werden typischerweise erzeugt mittels eines auf einer Anode auftreffenden Elektronenstrahls. Der Auftreffpunkt des Elektronenstrahls wird als Brennfleck bezeichnet.
Aufgrund der mittels des Elektronenstrahls in die Anode eingebrachten Energie kommt es nicht nur zur Emission von Röntgenstrahlen, sondern auch zu einer signifikanten Erwärmung der Anode.
Häufig kommen sogenannten Drehanoden zum Einsatz, welche mittels eines Antriebs in Drehung versetzt werden können. Durch die Drehung der Anode und einer außerhalb einer Anodenmittenachse bzw. Anodendrehachse angeordneten, aus Außensicht stationären Brennflecks wird die Energie des Elektronstrahls ringförmig in die Anode eingebracht. Es kommt somit zu einer verbesserten räumlichen Energieverteilung auf der Anode und nicht nur zu einer stationären punktuellen Erhitzung der Anode am Brennfleck. Gleichzeitig generiert jedoch auch der Antrieb der Anode Abwärme.
Zum Zweck der Kühlung von Anode und/oder Antrieb kommen Kühleinrichtungen zum Einsatz, um die während des Betriebs der Röntgenquellenvorrichtung entstehende Abwärme an die Umgebung abführen.
Eine Kühleinrichtung umfassend einen Kühlkreislauf ist in der Regel außerhalb eines Außengehäuses der Röntgenquellenvorrichtung angebracht und benötigt relativ viel Bauraum. Dieser kann zudem nicht effizient genutzt werden, da man die benötigten Komponenten, z.B. der Schläuche aufgrund von notwendigen Biegeradien, nicht beliebig kompakt verbauen kann.
Außerdem ist bei derartigen außerhalb des Außengehäuses angeordneten Kühleinrichtungskomponenten nicht nur die Masse und der Platzbedarf der zusätzlichen Schläuche sowie Verbindungselemente nachteilig, sondern auch die zusätzliche Masse des in den Schläuchen befindlichen Kühlmittels trägt zu einem erhöhten Gesamtgewicht der Röntgenquellenvorrichtung bei.
Eine Einrichtung zum Kühlen einer Anode einer Röntgenröhre ist bspw. aus DE 10 2016 217 423 A1 bekannt. Hierbei werden verschiedenen Kühlkreisläufe genutzt, um eine vorteilhafte Kühlung für die Röntgenröhre bereitzustellen.
US 7,197,119 B2 offenbart eine Drehkolben-Röntgenröhre, bei der die Rückseite der Drehanode, die bauartbedingt Teil des Röhrengehäuses ist, direkt von einem ruhenden Kühlmedium im Strahlergehäuse gekühlt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine kompakte und effiziente Kühlung für eine Röntgenquellenvorrichtung bereitzustellen.
Die Aufgabe wird gelöst mittels einer anspruchsgemäßen Röntgenquellenvorrichtung. Die Röntgenquellenvorrichtung umfasst eine Anode zur Erzeugung von Röntgenstrahlen, einen Antrieb zur Drehung der Anode um eine Anodenmittenachse und eine Kühleinrichtung zur Kühlung der Anode und/oder des Antriebs mittels eines Kühlmittels, wobei der Antrieb einen Stator und einen ersten Rotor umfasst, wobei der erste Rotor relativ zur Anode drehfest ist, wobei der Antrieb einen zweiten Rotor umfasst, welcher dazu ausgestaltet ist, das Kühlmittel umzuwälzen.
Die anspruchsgemäße Lösung erlaubt es, eine Röntgenquellenvorrichtung zu verwirklichen, bei der die Kühleinrichtung im Wesentlichen vollständig innerhalb eines Außengehäuses der Röntgenquellenvorrichtung angeordnet ist. Im Außenbereich der Röntgenquellenvorrichtung angeordnete Kühlkomponenten können weitgehend oder vollständig entfallen.
Ferner wird mittels der bereitgestellten Lösung eine effektive Kühlung der Anode und des Anodenantriebs ermöglicht. Insbesondere ermöglicht es die erfindungsgemäße Lehre den Bauraum für eine Röntgenquellen-Kühleinrichtung, sowie die Masse und die Komplexität der Kühlungseinrichtung signifikant zu reduzieren. Gleichzeitig werden durch die geringere Anzahl von benötigten Komponenten Kosten und Montageaufwände reduziert.
Insbesondere wirken der erste Rotor und der zweite Rotor mit demselben Stator zusammen.
Insbesondere kann der zweite Rotor als Ersatz für ein Statorjoch angesehen werden, so dass durch Ersetzung des Statorjochs durch den zweiten Rotor im Wesentlichen keine Gewichtszunahme der Röntgenquellenvorrichtung erfolgt. Der zweite Rotor ist ferner insbesondere mittels des Streufeldes des Stators antreibbar, während mittels des ersten Rotors die Anode drehbar ist.
Insbesondere kann der erste Rotor, der Stator und der zweite Rotor vom Außengehäuse kühlmitteldicht umgeben sein. Insbesondere kann der zweite Rotor sowie ggf. zusätzlich der Stator in unmittelbarem Kontakt mit dem Kühlmittel sein, so dass der zweite Rotor das Kühlmittel durch seine Dreh-Bewegung unmittelbar in Bewegung setzen kann.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst der zweite Rotor wenigstens ein Umwälzelement, welches bei Drehung des Rotors ein Umwälzen des Kühlmittels bewirkt. Ein derartiges Umwälzelement kann bspw. als Schaufel, Finne, Scheibe, Schlitzöffnungen oder ähnliches ausgestaltet sein. Das Umwälzelement hat die Funktionen einen Vortrieb bzw. eine Bewegung des Kühlmittels zu bewirken, mit dem Ziel eine verbesserte Wärmeabfuhr von Antrieb und Anode zu ermöglichen.
Das wenigstens eine Umwälzelement ist vorzugsweise derart am Rotor angeordnet, dass sich ein gewünschter Kühlmittelfluss innerhalb der Röntgenquellenvorrichtung einstellt. Insbesondere kann das wenigstens eine Umwälzelement z.B. an einem Außen- und/oder Innenradius des zweiten Rotors, bspw. an einer vom zweiten Rotor umfassten magnetischen Rückführung, angeordnet sein.
In einer weiteren Ausgestaltung der Röntgenquellenvorrichtung sind die Anode und der erste Rotor innerhalb eines evakuierbaren, insbesondere evakuierten, Gehäuses angeordnet und der Stator und der zweite Rotor jeweils außerhalb des Gehäuses angeordnet. Diese Anordnung ist vorteilhaft, da die Anode zumindest während des Betriebs innerhalb eines Vakuums anzuordnen ist. Unter einem evakuierbaren Gehäuse wird ein Gehäuse verstanden, welches geeignet ist, durch einmalige oder dauerhafte Evakuierung ein Vakuum, geeignet Erzeugen von Röntgenstrahlen, zu erhalten.
Mittels des Gehäuses erfolgt somit eine Trennung der Röntgenquellenvorrichtung in mehrere Teilvolumen. Im ersten Teilvolumen, dem evakuierbaren bzw. evakuierten Teilvolumen, ist vorzugsweise die Anode und der erste Rotor zum Antrieb der Anode angeordnet. Im zweiten, vom ersten durch das Gehäuse abtrennten Teilvolumen, ist vorzugsweise der Stator und der zweite Rotor angeordnet.
Das zweite Teilvolumen kann insbesondere mit Kühlmittel befüllt, insbesondere vollständig ausgefüllt, sein, welches zumindest den zweiten Rotor, ggf. auch den Stator, umgibt bzw. umströmt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Röntgenquellenvorrichtung ist das wenigstens eine Umwälzelement derart ausgestaltet, dass bei Drehung des zweiten Rotors das Kühlmittel mittels des wenigstens einen Umwälzelements zumindest abschnittsweise, insbesondere laminar, entlang des Gehäuses bewegbar ist. Im Hinblick auf eine effektive Abführung der Abwärme ist es von Vorteil, wenn das Kühlmittel mittels der Umwälzelemente über einen längeren Abschnitt des aufgeheizten Gehäuses, vorzugsweise laminar, bewegbar ist. Hierdurch kann ein effektiver mittelbarer Wärmetausch zwischen Anode bzw. erstem Rotor und Kühlmittel über das Gehäuse realisiert werden.
Es können ggf. auch Führungsmittel zur Führung des Kühlmittels am Gehäuse vorgesehen werden, welche einen laminaren Kühlmittelstrom entlang einer Gehäusewand unterstützten oder bereitstellen.
In einer weiteren Ausführungsvariante der Röntgenquellenvorrichtung ist zwischen dem Stator und dem ersten Rotor ein erster Luftspalt vorhanden, wobei zwischen dem Stator und dem zweiten Rotor ein zweiter Luftspalt vorhanden ist, wobei der erste Luftspalt eine Breite aufweist, die größer ist als eine Breite des zweiten Luftspalts. Damit ist der Abstand der Rotoren vom Stator, welche der Breite des Luftspalts entspricht, flexibel einstellbar. Insbesondere wenn der Stator und der zweite Rotor das gleiche elektrische Potential aufweisen, kann der Luftspalt bzw. der Abstand zwischen Stator und zweitem Rotor deutlich kleiner bemessen sein als zwischen Stator und erstem Rotor. Insbesondere kann die Breite des zweiten Luftspalts 0,01 bis 0,5 mal der Breite des ersten Luftspalts betragen. Die unterschiedliche Dimensionierung der Breite des ersten und zweiten Luftspalts erlaubt eine kompakte Anordnung des Stators und des zweiten Rotors, insbesondere außerhalb des evakuierbaren bzw. evakuierten Gehäuses.
In einer weiteren Ausführungsvariante der Röntgenquellenvorrichtung ist der Antrieb als Axialflussmaschine ausgestaltet und in Richtung der Anodenmittenachse ist der erste Rotor auf einer anodennahen Seite des Stators und der zweite Rotor auf einer anodenfernen Seite des Stators angeordnet. Es handelt sich hierbei um eine vorteilhafte kompakte Ausführung im Hinblick der Ausgestaltung des Antriebs als Doppel-Rotor-Axialflussmaschine.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Röntgenquellenvorrichtung ist der Antrieb als Radialflussmaschine ausgestaltet, wobei die Anodenmittenachse im Wesentlichen identisch mit einer Drehachse des ersten Rotors ist, wobei der Stator den ersten Rotor radial zur Anodenmittenachse umgibt, wobei der zweite Rotor den Stator radial, d.h. in radialer Richtung, zur Anodenmittenachse umgibt. Dies ermöglicht eine in axialer Richtung der Anodenmittenachse kompakte Bauweise einer Doppel-Rotor-Radialflussmaschine.
In einer alternativen Ausgestaltung der Röntgenquellenvorrichtung ist der Antrieb als Radialflussmaschine ausgestaltet und die Anodenmittenachse ist im Wesentlichen identisch mit einer Drehachse des ersten Rotors, wobei der Stator den ersten Rotor radial zur Anodenmittenachse umgibt, wobei der zweite Rotor radial, d.h. in radialer Richtung, zwischen dem ersten Rotor und dem Stator, insbesondere außerhalb eines Gehäuses, angeordnet ist. Hierdurch lässt sich eine noch kompaktere Bauform in axialer Richtung als auch in radialer Richtung der Anodenmittenachse realisieren.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Röntgenquellenvorrichtung sind der erste Rotor, der zweite Rotor und der Stator von einem Außengehäuse umgeben, welches die Röntgenquellenvorrichtung von der Umgebung abgrenzt, wobei das Außengehäuse wenigstens ein Wärmetauschelement umfasst, wobei das Wärmetauschelement dazu ausgebildet ist, diesem vom Kühlmittel zugeführte Wärme an die Umgebung abzugeben. Das Wärmetauschelement dient dem Zweck eine vorteilhafte Wärmeübertragung vom Kühlmittel zur Umgebung zu gewährleisten. Das Wärmeübertragungselement kann als Kühlrippe, -finne oder ähnliches ausgebildet sein. Es können auch verschiedene Arten von Wärmetauschelementen kombiniert werden.
Die Röntgenquellenvorrichtung ist vorzugsweise kühlmitteldicht ausgestaltet. Bspw. kann das Außengehäuse sämtliche sonstigen funktionswesentliche Komponenten der Röntgenquellenvorrichtung flüssigkeitsdicht umgeben. Ggf. kann das Außengehäuse auch mit anderen Komponenten der Röntgenquellenvorrichtung zusammenwirken, etwa dem evakuierbaren bzw. dem evakuierten Gehäuse, um die Röntgenquellenvorrichtung flüssigkeitsdicht auszugestalten.
In einer weiteren Variante der Röntgenquellenvorrichtung sind die Anode und der erste Rotor innerhalb eines evakuierbaren oder evakuierten Gehäuses angeordnet, wobei der zweite Rotor außerhalb des Gehäuses und innerhalb eines Außengehäuses angeordnet ist, wobei das Gehäuse und das Außengehäuse zusammen einen kühlmitteldichten Innenraum ausbilden, wobei dieser Innenraum mit Kühlmittel befüllt ist, wobei wenigstens der zweite Rotor innerhalb des Kühlmittels gelagert angeordnet ist, wobei der zweite Rotor wenigstens ein Umwälzelement umfasst, mittels dem das Kühlmittel zumindest abschnittsweise längs des Gehäuses, insbesondere laminar, bei Drehung des zweiten Rotors bewegbar ist, wobei das Kühlmittel derart geführt ist, dass dieses nach Passieren des Gehäuses in Richtung des Außengehäuses, insbesondere in Richtung eines am Au-ßengehäuse angeordneten Wärmetauschelements, abfließt.
Nachfolgend wird anhand von Ausführungsvarianten die Erfindung beispielhaft erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Ansicht einer Röntgenquellenvorrichtung mit einem als Axialflussmaschine ausgestalteten Antrieb,
2 eine schematische Ansicht einer Röntgenquellenvorrichtung mit einem als Radialflussmaschine ausgestalteten Antrieb gemäß einer ersten Ausführungsvariante,
3 eine schematische Ansicht einer Röntgenquellenvorrichtung mit einem als Radialflussmaschine ausgestalteten Antrieb gemäß einer zweiten Ausführungsvariante.

Soweit in den Figuren gleiche Bezugszeichen verwendet werden, bezeichnen diese gleiche Komponenten.
1 zeigt eine schematische Ansicht einer Röntgenquellenvorrichtung 1. Diese umfasst eine Anode 2, mittels welcher im Betrieb der Röntgenquellenvorrichtung 1 Röntgenstrahlen erzeugt werden. Die Anode 2 ist um eine Anodenmittenachse A mittels eines Antriebs 3 rotierbar.
Gemäß 1 ist der Antrieb 3 als Axialflussmaschine 31, insbesondere als Axialfluss-Asynchronmotor, ausgestaltet. Unter Axialflussmaschine 31 wird ein elektrischer Motor verstanden, bei dem der magnetische Fluss längs einer Drehachse, in 1 identisch mit der Anodenmittenachse A, eines ersten Rotors 4 der Axialflussmaschine 31 ist.
Neben dem ersten Rotor 4 umfasst die Axialflussmaschine 31 ferner einen zweiten Rotor 5 und einen Stator 6. Der erste und der zweite Rotor 4 bzw. 5 umfassen neben einem Rotorleiter 41 bzw. 51 jeweils Komponenten zur Führung des magnetischen Flusses 42 bzw. 52. Durch Zusammenwirken des jeweiligen Rotorleiters 41 bzw. 51 mit dem Stator 6 wird eine Drehung der Rotoren 4 bzw. 5 ermöglicht. Der Stator 6 umfasst - schematisch dargestellt - eine Leiterwicklung 61 und ein Blechpaket 62 zur Erzeugung eines axialen magnetischen Flusses.
Gemäß 1 ist der erste Rotor 4 - in Richtung der Anodenmittenachse A betrachtet - näher an der Anode 2 angeordnet als der Rotor 5. Insbesondere ist der Stator 6 - in Richtung der Anodenmittenachse A betrachtet - zwischen erstem und zweitem Rotor 4 bzw. 5 angeordnet. Insbesondere ist der Rotor 4 in einer Anoden-nahen Position und der Rotor 5 in einer Anoden-fernen Position angeordnet.
Mittels des ersten Rotors 4 kann durch Zusammenwirken mit dem Stator 6 eine Drehbewegung des ersten Rotors 4 erzeugt werden. Die Anode 2 ist mit dem ersten Rotor 4 derart wirkverbunden, dass die Drehbewegung des ersten Rotors 4 auf die Anode 2 übertragbar ist. Vorzugsweise sind der erste Rotor 4 und die Anode 2 relativ zueinander drehstarr ausgebildet, bspw. mittels einer Welle miteinander verbunden. Der erste Rotor 4 dient somit dem Antrieb der Drehung für die Anode 2.
Der zweite Rotor 5, welcher mit demselben Stator 6 zusammenwirkt, wie der erste Rotor 4, ist dazu vorgesehen, eine effektive und kompakte Kühlung der Röntgenquellenvorrichtung 1 zu ermöglichen, d.h. als Kühlpumpe bzw. als Kühlmittelpumpe zu wirken.
Die Anode 2, die in den Figuren nicht dargestellte Elektronenquelle und Elektronenoptik, und der erste Rotor 4 sind innerhalb eines evakuierbaren bzw. evakuierten Gehäuses 7 angeordnet, d.h. von diesem umgeben. Zumindest während des Betriebs der Röntgenquellenvorrichtung 1 ist für die Anode 2 ein ausreichendes Vakuum bereitzustellen.
Der Stator 6 sowie der zweite Rotor 5 sind außerhalb des evakuierbaren bzw. evakuierten Gehäuses 7 angeordnet. Der Stator 6 sowie der zweite Rotor 5 sind wiederum im Inneren eines Außengehäuses 8 der Röntgenquellenvorrichtung 1 angeordnet, d.h. in einem von dem Gehäuse 7 und dem Außengehäuse 8 gebildeten Innenraum. Dieser Innenraum ist mit Kühlmittel 10 befüllt, d.h. der Stator 6 und der zweite Rotor 5 sind von Kühlmittel 10 umgeben. Der vom Außengehäuse 8 und vom Gehäuse 7 gebildete Innenraum ist ferner kühlmitteldicht ausgebildet.
Das Kühlmittel 10 dient dazu, die entstehende Abwärme, z.B. von der Anode 2 oder den Komponenten des Antriebs 3 aufzunehmen. Soweit die Komponenten vom Gehäuse 1 vollständig umgeben sind, d.h. innerhalb des evakuierbaren bzw. evakuierten Gehäuses 1 angeordnet sind, erfolgt eine Kühlung durch die Kühlung des Gehäuses 1. Als Kühlmittel 10 kommt bspw. hitzebeständiges Öl in Frage.
Für einen effektiven Abtransport der vom Antrieb 3 und der Anode 2 abgegebenen Wärme ist es von erheblichem Vorteil, wenn das Kühlmittel 10 in Bewegung ist. D.h. das Kühlmittel 10 soll die Wärme abgebenden Komponenten, soweit möglich, umfließen und soll die aufgenommene Wärme zumindest zum Teil, möglichst jedoch vollständig, an das Außengehäuse 8 bzw. an wenigstens ein am Außengehäuse 8 angeordnetes Wärmetauschelement 11 abgegeben werden. Vorzugsweise sind am Außengehäuse 8 eine Mehrzahl an Wärmetauschelementen 11 angeordnet. Mittels des Außengehäuses 8 bzw. der Wärmetauchelemente 11 wird die Wärme an die Umgebung der Röntgenquellenvorrichtung 1 abgegeben.
Um einen kontrollierten und spürbaren Fluss des Kühlmittels zu erreichen, umfasst der zweite Rotor 5 eine Mehrzahl an Umwälzelementen 9. Dreht sich der zweite Rotor 5, indem dieser im Betrieb mit dem vom Stator 6 generierten Streumagnetfeld zusammenwirkt, wird das Kühlmittel 10 mittels der Umwälzelemente 9 im Innenraum zwischen Gehäuse 7 und Außengehäuse 8 bewegt.
Gemäß 1 sind die Umwälzelemente 9 als Schaufeln ausgebildet; es kommen jedoch auch anderen Arten/Formen von Umwälzelementen 9 in Betracht. Von Bedeutung ist, dass mittels des Umwälzelements das Kühlmittel, vorzugsweise in eine bestimmte Richtung und/oder mit einer gewünschten Geschwindigkeit, bewegbar ist. Durch Richtung und/oder Geschwindigkeit des Kühlmediums kann der Abwärmetransport innerhalb der Röntgenquellenvorrichtung 1 beeinflusst werden.
Der zweite Rotor 5 ist relativ zum Gehäuse 7 derart angeordnet und das wenigstens eine Umwälzelement 9 derart am zweiten Rotor 5 angeordnet, dass sich bei Drehung des zweiten Rotors 5 eine laminare Strömung des Kühlmittels 10 wenigstens entlang eines Abschnitts des Gehäuses 7 einstellt. Hierdurch wird die Abwärme des Gehäuses effektiv vom Kühlmittel 10 aufgenommen. Ggf. können am Gehäuse 7 auch Führungsmittel vorgesehen werden, um einen laminaren Kühlmittelstrom zu erzeugen oder zu unterstützen und diesen gezielt zu führen.
Vorzugsweise stellt sich ein Strom des Kühlmittels 10 im Betrieb derart ein, dass das vom Gehäuse 7 erwärmte Kühlmittel 10 in Richtung des Außengehäuses 8 strömt. Insbesondere kann der Innenraum des Außengehäuses bzw. das Gehäuse 7 derart geformt bzw. beschaffen sein, dass im Betrieb der Röntgenquellenvorrichtung 1 das Kühlmittel 10 zu wenigstens einem am Au-ßengehäuse 8 angeordneten Wärmetauschelement 11 geführt wird.
Mittels einer Mehrzahl an Wärmetauschelementen 11 wird die Wärme vom Kühlmittel an die Umgebung abgegebenen. Gemäß 1 sind Wärmetauschelemente 11 als Finnen ausgebildet, welche auf einer der Umgebung zugewandten Seite des Außengehäuses 8 angeordnet sind. Die Finnen dienen dazu, eine vergrößerte Oberfläche zum Wärmeaustausch bereitzustellen. Es sind jedoch auch anderen Arten von Wärmetauschelementen einsetzbar, insbesondere können diese auch als aktive Wärmepumpe ausgestaltet sein, wie etwa als Peltierelemente, um die Kühlleistung zu erhöhen.
Die Axialflussmaschine 31 gemäß 1 erlaubt zudem eine besonders kompakte Bauweise, insbesondere in radialer Richtung der Anodenmittenachse A, da ein Luftspalt L zwischen Stator 6 und zweitem Rotor 5 deutlich kleiner gewählt werden kann, als der Luftspalt L zwischen erstem Rotor 4 und Stator 6.
2 zeigt eine schematische Ansicht einer weiteren Röntgenquellenvorrichtung 1. Diese umfasst eine Anode 2, welche um eine Anodenmittenachse A mittels eines Antriebs 3 rotierbar ist.
Gemäß 2 ist der Antrieb 3 als Radialflussmaschine 32 ausgestaltet. Unter Radialflussmaschine 32 ist ein elektrischer Motor zu verstehen, bei dem der magnetische Fluss radial zu einer Drehachse, in 1 identisch mit der Anodenmittenachse A, eines Rotors 4 der Radialflussmaschine 32 ist.
Neben dem ersten Rotor 4 umfasst die Radialflussmaschine 32 ferner einen zweiten Rotor 5 und einen Stator 6. Der erste und der zweite Rotor 4 bzw. 5 umfassen neben einem Rotorleiter 41 bzw. 51 jeweils Komponenten zur Führung des magnetischen Flusses 42 bzw. 52. Der Stator 6 umfasst eine entsprechende Leiterwicklung 61 und ein Blechpaket 62 zur Erzeugung eines radialen magnetischen Flusses. Indem der Rotorleiter 41 bzw. 51 mit dem vom Stator erzeugten Magnetfeld zusammenwirkt, kann eine Drehbewegung des jeweiligen Rotors 4 bzw. 5 um die Anodenmittenachse A erfolgen.
Gemäß 2 umgibt der Stator 6 den ersten Rotor 4 radial zur Drehachse des ersten Rotors 4. Bspw. ist dieser konzentrisch zum ersten Rotor 4 angeordnet und ein Innendurchmesser des Stators 6 ist größer als ein Außendurchmesser des ersten Rotors 4. Der zweite Rotor 5 ist ferner radial weiter außen angeordnet als der Stator 6 und umgibt wiederum diesen. Es ergibt sich somit eine „konzentrische Anordnung“ des ersten Rotors 4, des Stators 6 und des zweiten Rotors 5 um die Drehachse des ersten Rotors 4, hier identisch mit der Anodenmittenachse A.
Mittels des ersten Rotors 4 kann durch Zusammenwirken mit dem Stator 6 eine Drehbewegung des ersten Rotors 4 erzeugt werden. Die Anode 2 ist mit dem ersten Rotor 4 derart wirkverbunden, dass die Drehbewegung des ersten Rotors 4 auf die Anode 2 übertragbar ist. Vorzugsweise sind der erste Rotor 4 und die Anode 2 relativ zueinander drehstarr ausgebildet, z.B. mittels einer Welle verbunden. Der erste Rotor 4 dient dem Antrieb der Drehung für die Anode 2.
Der zweite Rotor 5, welcher mit demselben Stator 6 zusammenwirkt wie der erste Rotor 4, ist dazu vorgesehen, eine effektive und kompakte Kühlung der Röntgenquellenvorrichtung 1 zu ermöglichen, d.h. als Kühlpumpe bzw. Kühlmittelpumpe zu wirken.
Die Anode 2, die in 2 nicht dargestellte Elektronenquelle und Elektronenoptik, und der erste Rotor 4 sind innerhalb eines evakuierbaren bzw. evakuierten Gehäuses 7 angeordnet, d.h. von diesem umgeben. Zumindest während des Betriebs der Röntgenquellenvorrichtung 1 ist für die Anode 2, d.h. in dem vom Gehäuse 7 umgebenen Innenraum ein ausreichendes Vakuum bereitzustellen.
Der Stator 6 sowie der zweite Rotor 5 sind außerhalb des evakuierbaren bzw. evakuierten Gehäuses 7 angeordnet. Der Stator 6 sowie der zweite Rotor 5 sind ferner von einem Außengehäuses 8 der Röntgenquellenvorrichtung 1 umgeben, d.h. in einem vom Gehäuse 7 und Außengehäuse 8 gebildeten Innenraum. Dieser Innenraum ist mit Kühlmittel 10 befüllt, vorzugsweise ein flüssiges Medium. Der Stator 6 und der zweite Rotor 5 sind von Kühlmittel 10 umgeben und stehen mit diesem direkt in Kontakt. Der vom Außengehäuse 8 zusammen mit dem Gehäuse 7 gebildete Innenraum ist ferner kühlmitteldicht ausgebildet.
Das Kühlmittel 10 dient dazu, die entstehende Abwärme, z.B. von der Anode 2 oder den Komponenten des Antriebs 3 aufzunehmen. Soweit die Komponenten vom Gehäuse 7 vollständig umgeben sind, d.h. innerhalb des evakuierbaren bzw. evakuierten Gehäuses 7 angeordnet sind, erfolgt eine Kühlung durch die Kühlung des Gehäuses 7. Als Kühlmittel kommt bspw. hitzebeständiges Öl in Betracht.
Für einen effektiven Abtransport der vom Antrieb 3 und der Anode 2 abgegebenen Wärme ist es von erheblichem Vorteil, wenn das Kühlmittel 10 in Bewegung ist. D.h. das Kühlmittel 10 soll die die Wärme abgebenden Komponenten, soweit möglich, umfließen und soll die aufgenommene Wärme zumindest zum Teil, idealerweise vollständig, an das Außengehäuse 8 bzw. an eines oder mehrere Wärmetauschelemente 11, abgeben. Mittels des Außengehäuses 8 bzw. der Wärmetauchelemente 11 wird dann die Wärme an die Umgebung der Röntgenquellenvorrichtung 1 abgegeben.
Um einen kontrollierten und spürbaren Fluss des Kühlmittels 10 im Innenraum zu ermöglichen, umfasst der zweite Rotor 5 eine Mehrzahl an Umwälzelementen 9. Dreht sich der zweite Rotor 5, indem dieser im Betrieb mit dem Stator 6 zusammenwirkt, dann wird das Kühlmittel 10 mittels der Umwälzelemente 9 im Innenraum zwischen Gehäuse 7 und Außengehäuse 8 bewegt.
Gemäß 2 sind die Umwälzelemente 9 als Schaufeln oder Finnen ausgebildet, die derart orientiert und am zweiten Rotor 5 angeordnet sind, dass während des Betriebs ein gewünschter Kühlmittelfluss, insbesondere im Sinne von Strömungsgeschwindigkeit und Strömungsrichtung, eingestellt wird; es kommen jedoch auch anderen Arten/Formen von Umwälzelementen 9 in Betracht.
Der zweite Rotor 5 ist relativ zum Gehäuse 7 derart angeordnet und das wenigstens eine Umwälzelement 9 derart am zweiten Rotor 5 angeordnet, dass sich im Betrieb der Röntgenquellenvorrichtung 1 eine laminare Strömung des Kühlmittels 10 wenigstens entlang eines Abschnitts des Gehäuses 7 einstellt. Hierdurch wird die Abwärme des Gehäuses effektiv vom Kühlmittel 10 aufgenommen und anschließend vom Gehäuse 7 verlässlich wegtransportiert. Ggf. können am Gehäuse 7 Führungsmittel vorgesehen werden, um einen laminaren Kühlmittelstrom zu erzeugen und gezielt zu führen.
Mittel einer Mehrzahl an Wärmetauschelementen 11 wird die Wärme vom Kühlmittel an die Umgebung abgegebenen. Gemäß 1 sind Wärmetauschelemente als Finnen ausgebildet, welche auf einer der Umgebung zugewandten Seite des Außengehäuses 8 angeordnet sind. Die Finnen dienen dazu, eine vergrößerte Oberfläche zum Wärmeaustausch bereitzustellen. Es sind jedoch auch anderen Arten von Wärmetauschelementen einsetzbar, insbesondere können diese auch als aktive Wärmepumpe ausgestaltet sein, um die Kühlleistung zu erhöhen.
Die Radialflussmaschine 32 gemäß 2 erlaubt zudem eine besonders kompakte Bauweise, da auch hier ein Luftspalt L zwischen Stator 6 und zweitem Rotor 5 deutlich kleiner gewählt werden kann, als der Luftspalt L zwischen erstem Rotor 4 und Stator 6.
Eine baulich besonders kompakte Ausführungsform ist in 3 gezeigt. Diese unterscheidet sich von 2 dahingehend, dass der zweite Rotor 5 nicht radial zur Drehachse um den Stator 6 herum angeordnet ist, sondern, dass der zweite Rotor im Luftspalt L zwischen dem ersten Rotor 4 und dem Stator 6 angeordnet ist und den ersten Rotor 4 radial zumindest abschnittsweise in axialer Richtung umgibt. Im Übrigen gelten die Ausführungen zu 2.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016217423 A1 [0008]
US 7197119 B2 [0009]

Claims

Röntgenquellenvorrichtung (1) umfassend eine Anode (2) zur Erzeugung von Röntgenstrahlen, einen Antrieb (3) zur Drehung der Anode (2) um eine Anodenmittenachse (A) und eine Kühleinrichtung zur Kühlung der Anode (2) und/oder des Antriebs (3) mittels eines Kühlmittels (10), wobei der Antrieb (3) einen Stator (6) und einen ersten Rotor (4) umfasst, wobei der erste Rotor (4) relativ zur Anode (2) drehfest ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (3) einen zweiten Rotor (5) umfasst, welcher dazu ausgestaltet ist, das Kühlmittel (10) umzuwälzen.
Röntgenquellenvorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei der zweite Rotor (5) wenigstens ein Umwälzelement (9) umfasst, welches bei Drehung des zweiten Rotors (5) ein Umwälzen des Kühlmittels (10) bewirkt.
Röntgenquellenvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anode (2) und der erste Rotor (4) innerhalb eines evakuierbaren, insbesondere evakuierten, Gehäuses (7) angeordnet sind und der Stator (6) und der zweite Rotor (5) jeweils außerhalb des Gehäuses (7) angeordnet sind.
Röntgenquellenvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei das wenigstens eine Umwälzelement (9) derart ausgestaltet ist, dass bei Drehung des zweiten Rotors (5) das Kühlmittel (10) mittels des wenigstens einen Umwälzelements (9) zumindest abschnittsweise, insbesondere laminar, entlang des Gehäuses (7) bewegbar ist.
Röntgenquellenvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen dem Stator (6) und dem ersten Rotor (4) ein erster Luftspalt (L) vorhanden ist, wobei zwischen dem Stator (6) und dem zweiten Rotor (5) ein zweiter Luftspalt (L) vorhanden, wobei der erste Luftspalt eine Breite aufweist, die größer ist als eine Breite des zweiten Luftspalts.
Röntgenquellenvorrichtung (1) nach Anspruch 5, wobei die Breite des zweiten Luftspalts (L) 0,01 bis 0,5 mal der Breite des ersten Luftspalts (L) beträgt.
Röntgenquellenvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Antrieb (3) als Axialflussmaschine (31) ausgestaltet ist und in Richtung der Anodenmittenachse (A) der erste Rotor (4) auf einer anodennahen Seite des Stators (6) und der zweite Rotor (5) auf einer anodenfernen Seite des Stators (6) angeordnet ist.
Röntgenquellenvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Antrieb (3) als Radialflussmaschine (32) ausgestaltet ist und die Anodenmittenachse (A) im Wesentlichen identisch ist mit einer Drehachse des ersten Rotors (4), wobei der Stator (6) den ersten Rotor (4) radial zur Anodenmittenachse (A) umgibt, wobei der zweite Rotor (5) den Stator (6) radial zur Anodenmittenachse (A) umgibt.
Röntgenquellenvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Antrieb (3) als Radialflussmaschine (32) ausgestaltet ist und die Anodenmittenachse (A) im Wesentlichen identisch ist mit einer Drehachse des ersten Rotors (4), wobei der Stator (6) den ersten Rotor (4) radial zur Anodenmittenachse (A) umgibt, wobei der zweite Rotor (5) radial zwischen dem ersten Rotor (4) und dem Stator (6), insbesondere außerhalb eines evakuierten oder evakuierbaren Gehäuses (7), angeordnet ist.
Röntgenquellenvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Rotor (4), der zweite Rotor (5) und der Stator (6) von einem Außengehäuse (8) umgeben sind, welches die Röntgenquellenvorrichtung (1) von der Umgebung abgrenzt, wobei das Außengehäuse (8) wenigstens ein Wärmetauschelement (11) umfasst, wobei das Wärmetauschelement (11) dazu ausgebildet ist, diesem vom Kühlmittel (10) zugeführte Wärme an die Umgebung abzugeben.