DE102022202730A1

DE102022202730A1 - Röntgenhochspannungsgenerator mit einem oszillierendem Wärmerohr

Info

Publication number: DE102022202730A1
Application number: DE102022202730.2A
Authority: DE
Inventors: Andreas Hader; Florian Schwarz; Stefan Stegmeier; Stefan Waffler; Thomas Weidinger; Michael Wimmer
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2022-03-21
Filing date: 2022-03-21
Publication date: 2023-09-21
Anticipated expiration: 2042-03-22
Also published as: CN116801467A; DE102022202730B4; US20230300963A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Zwei-Phasen-Kühlsystem für einen Röntgenhochspannungsgenerator, den Röntgenhochspannungsgenerator, einen Röntgenstrahler und eine Computertomographieeinrichtung.Das Zwei-Phasen-Kühlsystem für einen Röntgenhochspannungsgenerator weist- einen Kühlkörperblock,wobei der Kühlkörperblock einen Kühlkanalkreislauf räumlich umgibt, wobei der Kühlkanalkreislauf mit einem Arbeitsmedium zumindest teilweise gefüllt ist und als oszillierendes Wärmerohr wirkt, und- eine Wärmesenke zur Entwärmung einer Wärmequelle auf, dadurch gekennzeichnet,dass der Kühlkörperblock aus einem Material besteht, welches ein Polymer aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Zwei-Phasen-Kühlsystem für einen Röntgenhochspannungsgenerator, den Röntgenhochspannungsgenerator, einen Röntgenstrahler und eine Computertomographieeinrichtung.
Ein herkömmlicher Röntgenhochspannungsgenerator wird typischerweise dazu eingesetzt, aus einer üblichen Netzspannung Hochspannung im kV-Bereich zu generieren. Diese Hochspannung liegt beispielsweise zwischen einem Elektronenemitter und einer Anode einer Röntgenröhre an, wobei von dem Elektronenemitter emittierte Elektronen mittels der Hochspannung auf kinetischen Energien im keV-Bereich beschleunigt werden und bei der Wechselwirkung mit der Anode Röntgenstrahlen erzeugen.
Ein solcher Röntgenhochspannungsgenerator gibt während der Zeit der Röntgenstrahlenerzeugung eine vergleichsweise hohe elektrische Spitzenleistung an die Röntgenröhre ab. Die elektrische Spitzenleistung liegt in Abhängigkeit der jeweiligen Anwendung im Bereich von mehreren kW. Im Zeitraum zwischen der Röntgenstrahlenerzeugung gibt der Röntgenhochspannungsgenerator typischerweise keine oder nur eine sehr geringe elektrische durchschnittliche Leistung ab. Der Röntgenhochspannungsgenerator ist üblicherweise also dazu eingerichtet, eine hohe Spitzenleistung bei einer geringen durchschnittlichen Leistungsabgabe bereitzustellen.
Eine derartige Konfiguration des Röntgenhochspannungsgenerators stellt hohe Anforderungen an ein Kühlsystem des Röntgenhochspannungsgenerators. Denn während der Abgabe der elektrischen Spitzenleistung entsteht im Röntgenhochspannungsgenerator üblicherweise ein dementsprechend hoher Verlustleistungseintrag. Um die im Röntgenhochspannungsgenerator zur Bereitstellung der Hochspannung vorgesehenen leistungselektronischen Schaltungsteile nicht zu überhitzen, muss die zu Wärme gewandelte Verlustleistung durch das Kühlsystem zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig abgeführt werden.
Eine weitere Herausforderung ist, dass die leistungselektronischen Schaltungsteile, welche im Röntgenhochspannungsgenerator regelmäßig parallel betrieben werden, vorzugsweise möglichst gleichmäßig an eine Wärmesenke des Kühlsystems angeschlossen sind. Dabei muss die Wärme teilweise über unterschiedlich lange Strecken transportiert werden. Dasjenige Schaltungsteil, welches am wenigsten entwärmt werden kann, beispielsweise aufgrund der größten Entfernung zur Wärmesenke des Kühlsystems, legt typischerweise hierbei die Leistungsfähigkeit des gesamten Röntgenhochspannungsgenerators fest.
Beispielsweise kann ein herkömmliches Kühlsystem derart dimensioniert sein, den maximalen Verlustleistungseintrag dauerhaft abführen zu können. Es ist bekannt, das Kühlsystem eines herkömmlichen Röntgenhochspannungsgenerators entsprechend mit Zwischenwärmespeichern auszugestalten, um durch die dadurch geschaffene Wärmekapazität die Verlustwärme temporär zwischenzuspeichern zu können. Durch eine spezifische Ausgestaltung des Zwischenwärmespeichers kann beispielsweise eine Leistungsklasse des Kühlsystems eingestellt werden. Ein solcher Zwischenwärmespeicher ist vorzugsweise nahe der Wärmequelle, insbesondere dem leistungselektronischen Bauteil, angeordnet. Als Zwischenwärmespeicher eignet sich zum Beispiel ein Zwischenspeicherklotz mit hoher Wärmekapazität, z.B. aus Kupfer und/oder Aluminium. Der Zwischenwärmespeicher wird üblicherweise über so wenige thermische Übergänge wie möglich an die Wärmequelle angeschlossen. Durch die Wärmekapazität des Zwischenwärmespeichers kann vorzugsweise der während der Röntgenstrahlenerzeugung anfallende Verlustleistungseintrag zwischengespeichert werden, woraufhin mit einer höheren Zeitkonstante die im Zwischenwärmespeicher gepufferte Wärmeenergie typischerweise an ein externes Kühlmedium abgegeben wird. Hierfür wird die Verlustleistung beispielsweise über eine Trägerplatte an eine Wärmesenke, welche z.B. eine Gantry einer Computertomographieeinrichtung bilden kann, abgegeben.
Ein solches herkömmliches Kühlsystem mit einem Zwischenwärmespeicher weist einen vergleichsweise komplexen Aufbau auf, welcher aus mehreren Elementen, wie Befestigungsbleche, einem Zwischenspeicherklotz und leistungselektronischen Schaltungsteilen, bestehen kann. Das herkömmliche Kühlsystem ist daher regelmäßig vergleichsweise groß und/oder schwer, was aufgrund des Materialeinsatzes kostenintensiv sein kann. Auch enge insbesondere voneinander abhängige Fertigungstoleranzen stellen hohe Anforderungen an das Kühlsystem und dessen Montageprozess.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Zwei-Phasen-Kühlsystem für einen Röntgenhochspannungsgenerator, den Röntgenhochspannungsgenerator, einen Röntgenstrahler und eine Computertomographieeinrichtung mit einem flexibleren und leistungsfähigeren Kühlsystem anzugeben.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Das Zwei-Phasen-Kühlsystem für einen Röntgenhochspannungsgenerator weist

- einen Kühlkörperblock, wobei der Kühlkörperblock einen Kühlkanalkreislauf räumlich umgibt, wobei der Kühlkanalkreislauf mit einem Arbeitsmedium zumindest teilweise gefüllt ist und als oszillierendes Wärmerohr wirkt, und
- eine Wärmesenke zur Entwärmung einer Wärmequelle auf, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörperblock aus einem Material besteht, welches ein Polymer aufweist.

Das Zwei-Phasen-Kühlsystem ermöglicht insbesondere folgende Vorteile:

Vorteilhafterweise kann eine räumliche Entkopplung der Wärmesenke und der Wärmequelle durch den Einsatz des Zwei-Phasen-Kühlsystems verwirklicht werden, wodurch der Aufbau zum Beispiel des Röntgenhochspannungsgenerators flexibler wird. Insbesondere die Ausgestaltung des Kühlköperblocks aus Polymer mit dem innenliegenden Kühlkanalkreislauf ermöglicht die Überwindung größerer Distanzen zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke typischerweise ohne Beeinträchtigung der Kühlleistung des Zwei-Phasen-Kühlsystems. Das Zwei-Phasen-Kühlsystem, insbesondere der Kühlkanalkreislauf und der Kühlkörperblock, ermöglichen also eine räumliche Flexibilisierung, denn im Gegensatz zu einem herkömmlichen Zwei-Phasen-Kühlsystem können weit entfernte Wärmesenken nun vorteilhafterweise thermisch direkt gekoppelt werden. Die räumliche Flexibilisierung ermöglicht vorteilhafterweise alternativ oder zusätzlich eine flexiblere Formgebung bei der Ausgestaltung der äußeren Form des Zwei-Phasen-Kühlsystems, insbesondere des Kühlkörperblocks.

Ein weiterer Vorteil des Zwei-Phasen-Kühlsystems betrifft die Möglichkeit verschiedene Funktionen in dem Zwei-Phasen-Kühlsystem, insbesondere in dem Kühlkörperblock aus dem Material, welches das Polymer aufweist, integrieren zu können. Diese Funktionen umfassen beispielsweise zusätzlich zur Entwärmung, eine elektrische Isolation, einen Distanzausgleich, ein Gehäuse(teil), eine Schnittstellenfunktion und/oder eine Abschirmung. Dadurch entfällt vorteilhafterweise wenigstens eine weitere herkömmliche Komponente, welche typischerweise für diese Funktionen benötigt wird. Die Integration dieser oder eines Teils der Funktionen in das Zwei-Phasen-Kühlsystem kann darüber hinaus einen Fertigungsprozess des Röntgenhochspannungsgenerators vereinfachen und/oder verkürzen, da typischerweise weniger herkömmliche Komponenten montiert werden müssen. Dies kommt regelmäßig mit einem Kostenvorteil einher. Der Distanzausgleich kann durch eine maßgefertigte Gestaltung des Kühlkörperblocks erfolgen. Die Gehäusefunktion kann dadurch erreicht werden, dass das Gehäuse und der Kühlkörperblock in einem Schritt gefertigt werden. Durch die Fertigbarkeit mit Spritzguss oder 3D-Druck ergeben sich üblicherweise einfachere Integrationsmöglichkeiten als bei herkömmlichen Blechen. Die Schirmfunktion kann insbesondere durch eine zumindest teilweise Beschichtung des Kühlkörperblocks z.B. mittels einer fluiddichten, insbesondere schirmfähigen oder leitfähigen, Lage oder mittels eines metallischen Elements erreicht werden. Die Schnittstellenfunktion kann vorzugsweise dadurch erreicht werden, dass in den Kühlkörperblock eine Stromführung, z.B. eine Stromschiene für hohe Ströme, eine Haltevorrichtung und/oder ein Befestigungselement eingebracht werden. Vorteilhaft am Einsatz des Zwei-Phasen-Kühlsystems im Röntgenhochspannungsgenerator ist, dass prinzipiell das Zwei-Phasen-Kühlsystem in einem Vakuum funktionsfähig ist.
Das Zwei-Phasen-Kühlsystem umfasst die Wärmesenke und/oder wirkt als Wärmesenke. Die Wärmesenke ist insbesondere zur Abfuhr eines Teils des in Wärme umgewandelten Verlustleistungseintrags geeignet. Die Wärmesenke gibt typischerweise mehr Verlustleistung an eine Umgebung außerhalb des Zwei-Phasen-Kühlsystems ab als die Wärmesenke von der Umgebung aufnimmt. Die Wärmesenke ist zumindest ein Teilbereich des Zwei-Phasen-Kühlsystems, welcher für die Entwärmung geeignet ist, beispielsweise aufgrund der Materialzusammensetzung, des inneren Aufbaus und/oder der äußeren Form. Die äußere Form der Wärmesenke kann eine Oberflächenvergrößerung etwa wie durch Kühlrippen oder Kühlfinnen aufweisen. Die Wärmesenke kann ein passives Bauteil oder ein aktives, beispielsweise mit einem Ventilator ausgestaltetes, Bauteil sein. Die Wärmesenke kann aktiv oder passiv betrieben sein. Die Wärmesenke kann an den Kühlkörperblock angeschlossen sein und/oder mit dem Kühlkörperblock direkt thermisch gekoppelt sein.
Die Wärmesenke ist typischerweise der Wärmequelle derart abgewandt, dass die übertragene Wärme von der Wärmequelle weg abgeführt wird. Die Entwärmung der Wärmequelle umfasst insbesondere die Kühlung der Wärmequelle. Die Wärmesenke ist beispielsweise mit einem gasförmigen oder flüssigen, externen Kühlkreis zur Verstärkung der Entwärmung direkt thermisch gekoppelt. In diesem Fall bildet insbesondere der externe Kühlkreis die Umgebung der Wärmesenke und die Wärmesenke wirkt typischerweise als Wärmeübertrager an den externen Kühlkreis. Der externe Kühlkreis kann insbesondere durch ein elektrisch isolierendes Fluid, insbesondere Öl, gebildet sein, in welchem das Zwei-Phasen-Kühlsystem, der Röntgenhochspannungsgenerator, die Schaltungsanordnung und/oder das zumindest eine leistungselektronische Schaltungsteil gelagert ist. Der Wärmeübertrag im externen Kühlkreis kann auf einer erzwungenen Konvektion basieren.
Das Zwei-Phasen-Kühlsystem kann insbesondere zur Entwärmung der weiteren elektronischen Bauteile und/oder der leistungselektronischen Schaltungsteile ausgebildet sein. Das Zwei-Phasen-Kühlsystem kann insbesondere dazu eingerichtet sein, eine Wärmequelle an einer Wärmesenke, mehrere Wärmequellen an einer Wärmesenke, eine Wärmequelle an mehreren Wärmesenke oder mehrere Wärmequellen an mehreren Wärmesenken zu entwärmen.
Direkt thermisch, thermisch direkt oder thermisch gekoppelt bedeutet insbesondere, dass zwei Elemente für einen Wärmeübertrag physisch miteinander verbunden sind. Beispielsweise ist das zumindest eine leistungselektronische Schaltungsteil mit dem Zwei-Phasen-Kühlsystem verbindbar, insbesondere verbunden bzw. an das Zwei-Phasen-Kühlsystem angeschlossen.
In dem Kühlkörperblock ist ein Kühlkanalkreislauf vorgesehen. Der Kühlkörperblock umgibt den Kühlkanalkreislauf typischerweise vollständig, so dass das Arbeitsmedium von einer Kanalwand des Kühlkanalkreislauf im Kühlkanalkreislauf im Wesentlichen zurückgehalten wird. Im Wesentlichen bezieht sich darauf, dass in Abhängigkeit von der Materialzusammensetzung des Kühlkörperblocks und/oder einer gewissen Porosität des Kühlkörperblocks eine gewisse, typischerweise geringe Diffusion des Arbeitsmediums durch die Kanalwand hindurch auftreten kann.
Der Kühlkörperblock kann einstückig oder mehrstückig ausgebildet sein. Der einstückige Kühlkörperblock ist typischerweise aus einem Stück oder einteilig. Der mehrstückige Kühlkörperblock kann aus mehreren Kühlkörperblockelementen bestehen, welche zusammengesetzt den Kühlkörperblock bilden. Die mehreren Kühlkörperblockelemente können unterschiedlich dimensioniert sein und/oder weisen typischerweise dieselbe Materialzusammensetzung auf. Beispielsweise ist denkbar, dass ein Kühlkörperblockelement den Kühlkanalkreislauf umgibt und ein weiteres Kühlkörperblockelement einen weiteren Kühlkanalkreislauf oder keinen Kühlkanalkreislauf umfasst. Wenn das weitere Kühlkörperblockelement keinen Kühlkanalkreislauf umfasst, kann das Kühlkörperblockelement insbesondere als Deckel z.B. für die Wärmequelle oder Kühlkörpererweiterung eingesetzt sein.
Der Kühlkörperblock kann grundsätzlich als Teil eines Gehäuses insbesondere des Röntgenhochspannungsgenerators ausgebildet sein. In diesem Fall bildet typischerweise eine zum Beispiel der dem zumindest einen leistungselektronischen Schaltungsteil gegenüberliegende Oberfläche die Wärmesenke. Ein weiterer Vorteil des Kühlkörperblocks kann sein, wenn eine Haltevorrichtung für ein metallisches Element, z.B. eine Leiterplatte, ein Befestigungselement und/oder für eine Stromzuführung als Teil des Kühlkörperblocks vorgesehen ist.
Der Kühlkanalkreislauf umfasst einen in sich geschlossenen Weg, entlang welchen das Arbeitsmedium im Betrieb hin und her läuft, insbesondere oszilliert. In dieser Anmeldung wirkt der Kühlkanalkreislauf als oszillierendes Wärmerohr. Der Begriff pulsierend kann in diesem Zusammenhang anstatt oszillierend verwendet werden. Der Kühlkanalkreislauf weist insbesondere mehrere gerade und/oder gebogene Kanalabschnitte auf. Die Kanalabschnitte können kreisförmig, mäanderförmig, spiralförmig, flächig, länglich und/oder eckig angeordnet sein. Die Anzahl an Kanalabschnitten pro Flächeneinheit kann insbesondere im Bereich der Wärmesenke und/oder der Wärmequelle erhöht sein.
Die Kanalabschnitte weisen beispielsweise einen Durchmesser kleiner 6 mm, vorzugsweise kleiner 3 mm auf. Ein Querschnitt der Kanalabschnitte beträgt beispielsweise zwischen 0,1 und 50 mm^2, vorzugsweise zwischen 0,25 und 4 mm^2. Die Kanalabschnitte sind typischerweise zur Ermöglichung eines Kapillarflusses bzw. von Kapillarität ausgebildet, insbesondere wenn das Wärmerohr als oszillierendes Wärmerohr ausgebildet ist. Durch die dabei dominierende Oberflächenspannung liegen Gas- und Flüssigkeitsphase getrennt voneinander vor. Die Kanalabschnitte weisen typischerweise einen geschlossenen, beispielsweise röhrenförmigen, insbesondere runden oder (recht)eckigen, Querschnitt auf. Im Betrieb oszilliert das Arbeitsmedium im Kühlkanalkreislauf hin und her. Typischerweise kann das Arbeitsmedium eine Vorzugsrichtung der Strömung aufweisen.
Das Zwei-Phasen-Kühlsystem ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanalkreislauf einen der Wärmequelle zugewandten ersten Abschnitt und einen der Wärmesenke zugewandten zweiten Abschnitt aufweist. An dem ersten Abschnitt nimmt der Kühlkanalkreislauf typischerweise zumindest einen Teil des Verlustleistungseintrags auf und übergibt an dem zweiten Abschnitt zumindest einen Teil des Verlustleistungseintrags an die Wärmesenke. Beispielsweise verdampft das Arbeitsmedium an dem ersten Abschnitt, auch Verdampfer genannt, und kondensiert an dem zweiten Abschnitt, auch Kondensator, genannt. Der Wärmetransport erfolgt also insbesondere durch einen Phasenwechsel beim wiederholbaren Wechsel zwischen Gasphase und Flüssigkeitsphase. Das oszillierende Wärmerohr nutzt den Phasenwechsel und einen konvektiven Wärmetransport.
Bezüglich der grundsätzlichen Funktionsweise und Ausgestaltung eines (oszillierenden) Wärmerohrs ist auf die Veröffentlichungen von Taft, „Non-Condensable Gases and Oscillating Heat Pipe Operation“, Frontiers in Heat Pipes (FPH), 4, 013003 (2013), DOI: 10.5098/fhp.v4.1.3003, Yang et al., „A novel flat polymer heat pipe with thermal via for cooling electronic devices", Energy Conversion and Management 100 (2015) 37-44, DOI: 10.1016/j.enconman.2015.04.063, Schwarz et al., „Interaction of flow pattern and heat transfer in oscillating heat pipes for hot spot applications“, Applied Thermal Engineering Volume 196, September (2021), 117334, DOI: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2021.117334, Schwarz et al., „Thermodynamic Analysis of the Dryout Limit of Oscillating Heat Pipes", Energies 13, no. 23: 6346. https://doi.org/10.3390/en13236346, Der et al., „Characterization of polypropylene pulsating heat stripes: Effects of orientation, heat transfer fluid, and loop geometry", Applied Thermal Engineering 184 (2021) 116304, DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2020.116304 sowie Der et al., „Thermal performance of pulsating heat stripes (PHS) built with plastic materials", Joint 19th IHPC and 13th IHPS, Pisa, Italy, June 10-14, 2018, verwiesen.
Der Kühlkanalkreislauf kann mit dem Arbeitsmedium teilweise gefüllt sein. Der Füllgrad des Kühlkanalkreislaufes beträgt typischerweise zwischen 10 und 90%, vorzugsweise zwischen 30 und 80%. Der Füllgrad ist in Abhängigkeit des im flüssigen Zustand vorliegenden Anteils des Arbeitsmediums relativ zum Volumen definiert. Insbesondere im Betrieb ist der restliche Teil des Volumens mit Arbeitsmedium im gasförmigen Zustand gefüllt. Der Kühlkanalkreislauf kann eine verschließbare Öffnung zur Regulierung des Füllgrads des Arbeitsmediums aufweisen. Der Kühlkanalkreislauf ist vorzugsweise hermetisch und/oder irreversibel verschlossen oder verschließbar. Insbesondere kann nach dem Befüllen des Kühlkanalkreislaufs der Kühlkanalkreislauf verschlossen werden. Die Öffnung des Kühlkanalkreislaufs kann beispielsweise durch ein Löten, ein Schweißen, ein Verschrauben und/oder ein Verschmelzen geschlossen sein. Das Arbeitsmedium im Kühlkanalkreislauf ist insbesondere ein Fluid, welches vorzugsweise dielektrisch, insbesondere elektrisch isolierend ist. Das Arbeitsmedium kann insbesondere Aceton, Ethanol, Wasser, Methanaol, Fluorinierte wie z.B. Novec, Perfluorhexan, z.B. FC-72, ein Lösungsmittel, ein Kühlmittel oder eine Zusammensetzung der vorgenannten Stoffe sein.
Erfindungsgemäß ist der mit dem Arbeitsmedium in Kontakt stehende Teil des Kühlkörperblocks oder der gesamte Kühlkörperblock aus einem elektrisch isolierenden Material, z.B. aus oder mit dem Polymer, aufgebaut. Vorzugsweise kann das Zwei-Phasen-Kühlsystem also vorteilhafterweise die elektrische Isolation zwischen Wärmequelle und Wärmesenke gewährleisten, während bei einem herkömmlichen Kühlsystem regelmäßig zusätzliche Bauteile dafür nötig sind, insbesondere bei der Verwendung von Kupfer- und/oder Aluminium-Kühlkörperklötzen.
Der Kühlkörperblock des Zwei-Phasen-Kühlsystems besteht also aus einem Material, welches das Polymer aufweist. In anderen Worten weist der Kühlkörperblock das Polymer auf. Grundsätzlich ist es denkbar, dass das Material, aus welchem das Zwei-Phasen-Kühlsystem besteht, zusätzlich beispielweise Metall und/oder Keramik aufweist, vorzugsweise ohne die Eigenschaften bei einem Aufbau mit dem Polymer zu beeinträchtigen, insbesondere die Möglichkeit zur elektrischen Isolation. Ein derartiger Polymerkühlkörperblock bietet insbesondere den Vorteil geringerer Kosten, einem geringeren Gewicht und/oder einer einfacheren Verarbeitung im Vergleich zu Metall. Weiterhin sind Polymere vorteilhafterweise elektrisch isolierend und/oder amagnetisch. Polymere sind typischerweise nicht fluiddicht, insbesondere nicht gasdicht. Der Kühlkörperblock ist vorteilhafterweise vor einem Eindringen von Gas, insbesondere O₂, CO₂ und/oder H₂O z.B. mittels einer fluiddichten Lage geschützt. Der Kühlkörperblock kann durch ein additives Fertigungsverfahren und/oder ein Spritzguss-Fertigungsverfahren hergestellt sein.
Vorteilhafterweise ist eine Kühlleistung des im Kühlkanalkreislauf im Betrieb zirkulierenden Arbeitsmediums größer als eine Kühlleistung des den Kühlkanalkreislauf umgebenden Kühlkörperblocks. Das Zwei-Phasen-Kühlsystem ist in anderen Worten derart ausgestaltet, dass der Wärmetransport im Kühlkanalkreislauf innerhalb des Kühlkörperblocks die Wärmeleitung des Kühlkörperblocks vorzugsweise wesentlich übersteigt.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass das Polymer Polypropylen, Polycarbonat, Polyetheretherketon, Polyamid oder Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer ist.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass das Material ausschließlich das Polymer enthält. In anderen Worten besteht das Material ausschließlich aus dem Polymer. In diesem Fall bildet der Kühlkörperblock einen Polymerkühlkörperblock.
Eine dazu alternative Ausführungsform sieht vor, dass das Material zusätzlich ein Metall und/oder eine Keramik enthält und dass das Material durch eine Vermischung homogenisiert ist. Die Keramik kann insbesondere aus Al2O3, Si3N oder AlN bestehen. Das Metall kann insbesondere Kupfer, Aluminium, Eisen oder Legierungen aus diesen Elementen sein. Beispielsweise sind Partikel der verschiedenen Elemente, sprich Polymersowie Metall- und/oder Keramikpartikel, miteinander vermischt, um das Material des Kühlkörperblocks zu bilden.
Keramiken zählen wie Gläser und Metalle typischerweise zu den gasdichten Materialien. Je nach Gas ist eine gewisse Dicke der Keramik nötig, damit die Keramik gasdicht ist. Eine Dicke im Bereich unter 100 nm ist regelmäßig nicht ausreichend, sodass die Keramik die Gasdiffusion typischerweise nur verzögert. Eine Dicke von gleich oder größer als 1 µm gewährleistet typischerweise, dass die Keramik und/oder ein Glas und/oder ein Metall gasdicht und somit fluiddicht ist.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass der Kühlkörperblock eine Einlage, insbesondere aus Kupfer und/oder Aluminium, aufweist, wobei das Material der Einlage eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist als das Material des Kühlkörperblocks. Die Einlage kann dicht oder porös sein. Die Einlage kann beispielsweise vollständig oder teilweise von dem Kühlkörperblock umschlossen sein. Alternativ kann die Einlage auf den Kühlkörperblock aufgesetzt sein. Die Einlage ermöglicht vorteilhafterweise eine bessere thermische Kopplung zwischen den verschiedenen Bauelementen, insbesondere zwischen der Wärmesenke, der Wärmequelle, dem Kühlkörperblock und/oder dem Kühlkanalkreislauf. Grundsätzlich ist es denkbar, dass der Kühlkörperblock mehrere Einlagen aufweist oder dass die Einlage aus mehreren insbesondere baugleichen Einlageelementen besteht.
Es ist denkbar, dass der Kühlkörperblock einen weiteren Kühlkanalkreislauf aufweist und dass der Kühlkanalkreislauf und der weitere Kühlkanalkreislauf mittels der Einlage thermisch direkt gekoppelt sind. Der Kühlkanalkreislauf und der weitere Kühlkanalkreislauf können prinzipiell gleichermaßen beschaffen sein, z.B. aus gleichen Kanalabschnitten aufgebaut sein. Grundsätzlich ist denkbar, dass sich die Beschaffenheit, z.B. ein Querschnitt, ein Arbeitsmedium, eine Anordnung, etc., der Kanalabschnitte des Kühlkanalkreislaufes und des weiteren Kühlkanalkreislaufes unterscheidet. Das Arbeitsmedium des Kühlkanalkreislaufes und das Arbeitsmedium des weiteren Kühlkanalkreislaufes sind insbesondere voneinander separiert, beispielsweise durch die Einlage und optional zusätzlich durch die Kanalwände voneinander getrennt. Die jeweiligen geschlossenen Wege kreuzen sich also typischerweise nicht, so dass die jeweiligen Arbeitsmedien nicht vermischt werden. Die Einlage ermöglicht vorteilhafterweise durch die thermisch direkte Kopplung einen Wärmeübertrag von dem Kühlkanalkreislauf in den weiteren Kühlkanalkreislauf und umgekehrt. Bei dieser Ausgestaltung ist typischerweise die Wärmequelle dem Kühlkanalkreislauf und die Wärmesenke dem weiteren Kühlkanalkreislauf zugewandt. Die Einlage ist insbesondere zwischen einem Kanalabschnitt des Kühlkanalkreislaufes und einem Kanalabschnitt des weiteren Kühlkanalkreislaufes angeordnet.
Folgende Weiterbildung ist möglich, dass der Kühlkanalkreislauf und der weitere Kühlkanalkreislauf jeweils in verschiedenen geometrischen Ebenen liegen, wobei die Ebenen einen Abstand größer null aufweisen und zumindest eine Ausdehnung der Einlage mit dem Betrag des Abstands korreliert, um den Abstand zwischen dem Kühlkanalkreislauf und dem weiteren Kühlkanalkreislauf thermisch zu überbrücken, wobei der Kühlkanalkreislauf und der weitere Kühlkanalkreislauf mittels der Einlage thermisch direkt gekoppelt sind. Die beiden Ebenen sind insbesondere parallel zueinander ausgerichtet. Die beiden Ebenen werden insbesondere durch die jeweiligen Kanalabschnitte der Kühlkanalkreisläufe aufgespannt. Die Ausführungsform ermöglicht vorteilhafterweise einen Aufbau des Zwei-Phasen-Kühlsystems über mehrere Ebenen und/oder in mehreren Schichten, wobei die jeweiligen Kühlkanalkreisläufe mittels der Einlage und optional weiteren Einlagen thermisch direkt gekoppelt sind. Diese Ausführungsform bietet also den Vorteil, dass eine Einwirkung von Gravitation oder einer Fliehkraft auf das Arbeitsmedium und eine damit einhergehende Kühlleistungseinschränkung reduziert, vorzugweise ausgeschlossen werden kann. Dafür kann es insbesondere vorteilhaft sein, zumindest eine Ebene, insbesondere die Ebenen tangential und/oder senkrecht zur Gravitationsrichtung und/oder zur Fliehkraftrichtung auszurichten. Die Fliehkraft, beispielweise größer 5g und weniger als 200g, insbesondere zwischen 50g und 150g, typischerweise ca. 100g kann beispielsweise durch den Einsatz des Zwei-Phasen-Kühlsystems auf einem rotierenden Teil der Gantry einer Computertomographieeinrichtung entstehen.
Grundsätzlich ist es denkbar, dass das Zwei-Phasen-Kühlsystem ein Unterstützungselement zum Anlaufen des Zwei-Phasen-Kühlsystems, insbesondere des oszillierenden Wärmerohrs, aufweist. Die folgenden fünf Varianten beschreiben je solch ein Unterstützungselement, welche jeweils für sich einzeln oder in beliebiger Kombination betrachtet dazu geeignet sind, das Anlaufen des Zwei-Phasen-Kühlsystems zu verbessern. Die Verbesserung kann in einer Erhöhung der Wahrscheinlichkeit liegen, dass das Zwei-Phasen-Kühlsystem angelaufen ist.
Das Anlaufen des Zwei-Phasen-Kühlsystems umfasst insbesondere das Anlaufen des oszillierenden Wärmerohrs und/oder bedeutet, dass das Arbeitsmedium innerhalb des Kühlkanalkreislaufes strömt. Im Betrieb des Zwei-Phasen-Kühlsystems ist in dieser Anmeldung definiert als, dass das Arbeitsmedium strömt. Somit ist das Zwei-Phasen-Kühlsystem zur Entwärmung bereit. In anderen Worten entwärmt das Zwei-Phasen-Kühlsystem sobald der Anlaufvorgang startet. Um Anzulaufen muss das Zwei-Phasen-Kühlsystem typischerweise Wärme aufnehmen. Dabei beginnt regelmäßig die Entwärmung, insbesondere die Kühlwirkung. Das Anlaufen erfolgt insbesondere, sobald eine Temperaturdifferenz zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke vorliegt. Vor dem Betrieb des Röntgenhochspannungsgenerators kann grundsätzlich das Zwei-Phasen-Kühlsystem außer Betrieb sein, was bedeutet, dass währenddessen das Arbeitsmedium im Kühlkanalkreislauf nicht strömt. Das Zwei-Phasen-Kühlsystem ist vorzugweise angelaufen, bevor oder sobald das zumindest eine leistungselektronische Schaltungsteil die Wärmequelle bildet.
Eine erste Variante sieht vor, dass die Einlage innerhalb des Kühlkanalkreislaufes angeordnet und von dem Arbeitsmedium umströmt ist und als ein Unterstützungselement zum Anlaufen des Zwei-Phasen-Kühlsystems wirkt. Bei dieser Ausführungsform kann die Einlage dicht oder porös sein, z.B. ein Metallschaum. Die Einlage ist insbesondere benachbart zur Wärmequelle und/oder zur Wärmesenke angeordnet. Benachbart bedeutet insbesondere, dass die Einlage aufgrund der geringen Distanz zur Wärmequelle oder zur Wärmesenke die thermisch direkte Kopplung verstärken kann.
Eine zweite Variante sieht vor, dass das Zwei-Phasen-Kühlsystem ein Flüssigkeitsreservoir als Unterstützungselement mit einer zusätzlichen Menge an Arbeitsmedium aufweist, wobei das Flüssigkeitsreservoir an den Kühlkanalkreislauf angeschlossen ist. Das Flüssigkeitsreservoir kann in dem Kühlkörperblock vorgesehen sein. Das Flüssigkeitsreservoir ist typischerweise benachbart zum Kühlkanalkreislauf angeordnet. Die zusätzliche Menge an Arbeitsmedium unterstützt vorzugsweise das Anlaufen des Zwei-Phasen-Kühlsystems.
Eine dritte Variante sieht vor, dass der Kühlkanalkreislauf als Unterstützungselement ein Element zur Oberflächenvergrö-ßerung, beispielsweise eine Spiralfeder und/oder Kühlfinnen, umschließt. Das Element zur Oberflächenvergrößerung verstärkt vorzugsweise an Ort und Stelle die thermisch direkte Kopplung und unterstützt somit das Anlaufen des Zwei-Phasen-Kühlsystems.
Eine vierte Variante sieht vor, dass der Kühlkanalkreislauf benachbart zur Wärmequelle als Unterstützungselement einen verjüngten Querschnitt aufweist. In anderen Worten ist der Kühlkanalkreislauf benachbart zur Wärmequelle verjüngt. Der Kühlkanalkreislauf kann grundsätzlich alternativ oder zusätzlich benachbart zur Wärmesenke verjüngt sein. Die Verjüngung des Kühlkanalkreislaufes verstärkt vorteilhafterweise die Kapillarwirkung und/oder verbessert somit das Anlaufen des Zwei-Phasen-Kühlsystems. Die Verjüngung des Kühlkanalkreislaufes bedeutet insbesondere eine Querschnittverringerung in einem Teilabschnitt des Kühlkanalkreislaufes.
Eine fünfte Variante sieht vor, dass das Zwei-Phasen-Kühlsystem eine mit dem Kühlkanalkreislauf thermisch direkt gekoppelte Hilfswärmequelle als Unterstützungselement aufweist. Die Hilfswärmequelle ist typischerweise ein elektrisches Bauteil, z.B. ein Heizwiderstand, und/oder induktives Bauteil. Die Hilfswärmequelle ist insbesondere aktivierbar bevor die Wärmequelle in Betrieb ist und/oder bevor die Röntgenstrahlenerzeugung erfolgt. Nach dem Anlaufen des Zwei-Phasen-Kühlsystems ist die Hilfswärmequelle typischerweise deaktiviert. Die Hilfswärmequelle wird beispielsweise dadurch aktiviert, dass sie angeschaltet, sprich in Betrieb genommen wird. Die Hilfswärmequelle und die Wärmequelle können beispielsweise abwechselnd im Betrieb sein. Die Hilfswärmequelle kann insbesondere in einem Zeitraum zwischen der Bereitstellung der Hochspannung und/oder der Röntgenstrahlenerzeugung aktiv sein. Die Hilfswärmequelle kann grundsätzlich im Betrieb sein, währenddessen die Wärmequelle im Betrieb ist. Die Hilfswärmequelle erzeugt typischerweise einen, z.B. um den Faktor 10, insbesondere Faktor 1000, geringeren Verlustleistungseintrag als die Wärmequelle. Die Hilfswärmequelle erzeugt typischerweise nur Verlustleistung. Die Hilfswärmequelle ist insbesondere dazu eingerichtet, durch den erzeugten Verlustleistungseintrag das Anlaufen des Zwei-Phasen-Kühlsystems, insbesondere das Anlaufen des oszillierenden Wärmerohrs, zu unterstützen. Die Hilfswärmequelle ermöglicht insbesondere, dass das oszillierende Wärmerohr anläuft oder angelaufen ist, wenn das zumindest eine leistungselektronische Schaltungsteil außer Betrieb ist. Die Hilfswärmequelle ist typischerweise benachbart zur Wärmequelle und/oder zur Wärmesenke angeordnet. Grundsätzlich ist es denkbar, dass die Hilfswärmequelle an einem Teilabschnitt des Kühlkanalkreislaufes angeordnet ist, an welchem das Arbeitsmedium durch Gravitation und/oder die Fliehkraft verdrängt wird, um der Verdrängung vorzugsweise entgegenzuwirken.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass der Kühlkanalkreislauf derart verwinkelt ausgebildet ist, dass mindestens zwei Teilebenen des Kühlkanalkreislaufes in einem Winkel größer 0° zueinanderstehen. Der Winkel beträgt typischerweise mehr als 0° und weniger als 360°. Der Kühlkanalkreislauf ist gemäß dieser Ausführungsform nicht komplett plan, sprich in einer einzigen Ebene ausgestaltet, sondern weist einen Winkel, z.B. einen Knick, oder eine Rundung auf. In einer Seitenansicht oder in einem Querschnitt durch den Kühlkanalkreislauf kann der Kühlkanalkreislauf beispielsweise ein L, ein U oder ein O bilden. Im letzteren Fall ist der Kühlkanalkreislauf derart verwinkelt, dass der Kühlkanalkreislauf eine Art Kreis bilden kann. Eine Teilebene des Kühlkanalkreislaufes umfasst insbesondere diejenigen Kanalabschnitte des Kühlkanalkreislaufes, welche zumindest näherungsweise in einer geometrischen Ebene liegen. Wenn der Kühlkanalkreislauf beispielsweise ein L bildet, ist eine der beiden Teilebenen im ersten Schenkel des L und die andere der beiden Teilebenen im zweiten Schenkel des L. Grundsätzlich ist als Weiterbildung dieser Ausführungsform denkbar, dass in jeder Teilebene separate Kühlkanalkreisläufe vorgesehen sind, welche paarweise beispielsweise mittels der Einlage thermisch direkt gekoppelt sind. Diese Ausführungsform ist insbesondere vorteilhaft, weil dadurch das Zwei-Phasen-Kühlsystem räumlich flexibler ausgestaltet werden kann.
Eingebracht in den Kühlkörperblock bedeutet in der vorliegenden Anmeldung insbesondere, dass eine Einhüllende des Kühlkörperblocks die eingebrachte Einheit vollständig umfasst. Die Einhüllende kann vollständig aus einem Material des Kühlkörperblocks und somit aus der Oberfläche des Kühlkörperblocks bestehen oder alternativ zumindest teilweise eine Oberfläche der eingebrachten Einheit mitumfassen. In anderen Worten kann die eingebrachte Einheit vollständig vom Kühlkörperblock umschlossen sein oder die eingebrachte, insbesondere am Kühlkörperblock angebrachte, Einheit bildet zumindest einen Teil einer Seite dieser Anordnung aus Kühlkörperblock und eingebrachter Einheit.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Wärmequelle, insbesondere das zumindest eine leistungselektronische Schaltungsteil, als Teil einer das Arbeitsmedium im Kühlkanalkreislauf umschließenden Kanalwand des Kühlkörperblocks in den Kühlkörperblock eingebracht ist und das Arbeitsmedium elektrisch isolierend ist. Der Vorteil dieser Ausführungsform ist insbesondere, dass das Arbeitsmedium direkt mit der Wärmequelle in Berührung kommt, wodurch die thermisch direkte Kopplung typischerweise verstärkt ist. Die Entwärmung der Wärmequelle erfolgt somit typischerweise direkt an der Oberfläche des zumindest einen leistungselektronischen Schaltungsteils. In diesem Fall ist das Arbeitsmedium elektrisch isolierend, um einen sicheren Betrieb des Röntgenhochspannungsgenerators zu gewährleisten. Die Wärmequelle kann zum Kühlkreislauf mit der am stärksten zu entwärmenden Oberfläche ausgerichtet sein. Die Wärmequelle kann das zumindest eine leistungselektronische Schaltungsteil einer Schaltungsanordnung sein. Die Schaltungsanordnung kann zur Bereitstellung einer Hochspannung eingerichtet sein.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass der Kühlkörperblock zumindest teilweise mit einer fluiddichten Lage beschichtet ist. Dann ist der Kühlkörperblock vorteilhafterweise vor dem Eindringen eines Fluids und/oder eines Gases geschützt. Die fluiddichte Lage kann beispielsweise SiO₂ und/oder eine Keramik und/oder ein Metall aufweisen. Die fluiddichte Lage ist typischerweise eine Schicht im Kontakt mit dem Kühlkörperblock, insbesondere eine Beschichtung des Kühlkörperblocks. Eine mit der fluiddichten Lage beschichtete Oberfläche des Kühlkörperblocks ist insbesondere eine fluiddichte Oberfläche. Eine Oberfläche, welche keine fluiddichte Lage aufweist oder an keine andere fluiddichte Oberfläche angrenzt, ist regelmäßig diffusionsoffen.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass in den Kühlkörperblock eine Haltevorrichtung und/oder ein Befestigungselement zur mechanischen Stabilisierung des Kühlkörperblocks eingebracht ist. Diese Ausführungsform ist insbesondere vorteilhaft, weil durch das additive Fertigungsverfahren die Haltevorrichtung und/oder das Befestigungselement in den Kühlkörperblock mit dem Polymer integriert werden kann. Das Befestigungselement kann insbesondere ein Stecker zur Verbindung von einer Flachbaugruppe und/oder ein Federelement sein.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass in den Kühlkörperblock eine Leiterplatte eingebracht ist, welche zur elektrischen Versorgung der Wärmequelle eingerichtet ist. Die Leiterplatte kann mit dem zumindest einen leistungselektronischen Schaltungsteil, insbesondere der Schaltungsanordnung des Röntgenhochspannungsgenerators, bestückt sein. Alternativ oder zusätzlich können weitere resistive und/oder kapazitive und/oder induktive Bauteile auf der Leiterplatte vorgesehen sein. Die Befestigung des zumindest einen leistungselektronischen Schaltungsteils und/oder der Bauteile erfolgt insbesondere gemäß einer SMD-Montage und/oder eine THT-Montage. Die SMD-Montage ist vorteilhaft, weil dafür typischerweise kein Durchbrechen einer typischerweise fluiddichten Leiterbahnebene und somit keine Abdichtung der Perforation nötig ist. Die Leiterplatte ist insbesondere eine Platine. Die Leiterplatte kann mit der Bauelementeseite zum Kühlkörperblock hin ausgerichtet sein. Alternativ kann die Bauelementeseite der Leiterplatte vom Kühlkörperblock wegweisen. Zum Beispiel kann die Leiterplatte mehrere Leiterbahnebenen, insbesondere aus Kupfer und/oder Kunststoff und/oder Papier und/oder Keramik, aufweisen. Eine der Leiterbahnebenen, beispielsweise eine dem Kühlkörperblock abgewandte Schicht, kann durchgängig ausgebildet sein zur elektromagnetischen Abschirmung und/oder zur elektrischen Isolation und/oder bevorzugt zur Abdichtung. Eine solche Leiterbahnebene bildet insbesondere die fluiddichte Lage und/oder ist ein metallisches Element.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Leiterplatte mehrlagig ist, wobei zumindest zwei der Leiterbahnebenen der Leiterplatte leitfähig sind und zwischen den beiden leitfähigen Leiterbahnebenen ein Diffusionskanal in einer zwischen den beiden leitfähigen Leiterbahnebenen angeordneten diffusionsoffenen Leiterbahnebene gebildet ist, wobei die gegenüberliegenden diffusionsoffenen Enden des Diffusionskanals zueinander derart beabstandet sind, dass der Diffusionskanal aufgrund seiner Länge fluiddicht ist. Der Diffusionskanal ist definiert als diejenige Strecke in einem Medium, welche ein Fluid, z.B. ein Gasmolekül, aufgrund der Beschaffenheit, insbesondere der Porosität, des Mediums am wahrscheinlichsten zurücklegt. Beispielsweise kann das Fluid in dem Diffusionskanal eher entlang der diffusionsoffenen Leiterbahnebene propagieren als durch die angrenzenden leitfähigen Leiterbahnebenen hindurch. Leitfähige Leiterbahnebenen weisen typischerweise Metall, insbesondere Kupfer, auf. Die diffusionsoffenen Leiterbahnebenen weisen typischerweise Kunststoff und/oder Papier auf. Die Leiterplatte weist typischerweise keine durchgängigen Durchkontaktierungen, sondern eine blinde Durchkontaktierung und/oder eine vergrabene Durchkontaktierung auf. Nachteilig an einer durchgängigen Durchkontaktierung ist insbesondere die Notwendigkeit der Abdichtung der Leiterplatte an einer solchen Durchkontaktierung. Nichtdurchgängige Durchkontaktierung erfordern keine durchgängige Bohrung und weisen somit diesen Nachteil nicht auf. Die leitfähigen Leiterbahnebenen decken in diesem Ausführungsbeispiel typischerweise nicht die gesamte Oberfläche des Kühlkörperblocks ab. An den Enden des Diffusionskanals sind typischerweise jeweils Isolationsabschnitte angeordnet. Ein Isolationsabschnitt ist zur elektrischen Isolation von zumindest zwei Abschnitten von leitfähigen Leiterbahnebenen vorgesehen. Eine leitfähige Leiterbahnebene mit einem Isolationsabschnitt ist unterbrochen. Der Isolationsabschnitt schafft insbesondere eine Verbindung senkrecht zur Leiterbahnebene, so dass die Leiterbahnebene aufgrund der Unterbrechung fluidabdichtend wirken kann. Vorteilhafterweise ist die Leiterplatte also fluiddicht, weil der Abstand zwischen den Isolationsabschnitten groß genug gewählt ist. Vorzugsweise sind die gegenteiligen Ende des Diffusionskanals derart weit voneinander entfernt und weisen entlang des Diffusionskanals die diffusionsoffene Leiterbahnebene auf, dass das Fluid aufgrund der Länge des Diffusionskanals nicht durch den Diffusionskanal hindurch propagieren kann.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass der Kühlkörperblock derart dimensioniert ist, dass eine kürzeste Diffusionsstrecke zwischen dem Kühlkanalkreislauf und einer diffusionsoffenen Oberfläche des Kühlkörperblocks aufgrund ihrer Länge fluiddicht ist. Die Fluiddichtigkeit wird also vorteilhafterweise dadurch erreicht, dass die Diffusionsstrecke ausreichend lang ist. Wenn die kürzeste Diffusionsstrecke fluiddicht ist, ist somit der gesamte Kühlkörperblock fluiddicht.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass der Kühlkörperblock zumindest teilweise von einem metallischen Element, insbesondere von der Leiterplatte und/oder eine Folie und/oder einem Blech, eingehüllt ist. Das metallische Element ist insbesondere fluiddicht, schirmfähig und/oder leitfähig und kann zur elektromagnetischen Abschirmung und/oder zur elektrischen Isolation und/oder als fluiddichte Lage zur Abdichtung des Kühlkörperblocks gegen ein Austreten des Arbeitsmediums vorgesehen sein. Das metallische Element kann insbesondere als Abdichtdeckel zur Abdichtung ausgebildet sein. Das metallische Element kann insbesondere die Leiterplatte sein. Das metallische Element kann mehrlagig sein.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass das Zwei-Phasen-Kühlsystem einen Zwischenwärmespeicher, insbesondere aus Kupfer und/oder Aluminium, aufweist, wobei der Zwischenwärmespeicher mit dem zumindest einen leistungselektronischen Schaltungsteil mittels eines wärmeverteilenden Elements thermisch direkt gekoppelt ist und wobei das wärmeverteilende Element flächig an den Kühlkanalkreislauf angrenzt. Der Zwischenwärmespeicher ist beispielsweise ein Metallklotz, insbesondere aus Kupfer und/oder Aluminium. Der Zwischenwärmespeicher ermöglicht vorzugsweise ein Puffern eines maximalen Verlustleistungseintrags durch die Wärmequelle. Das wärmeverteilende Element besteht insbesondere aus Diamant und/oder einem graphitischen Material. Das wärmeverteilende Element vergrößert durch das flächige Angrenzen typischerweise die Wärmeübertragungsfläche zwischen dem Arbeitsmedium und dem zumindest einen leistungselektronischen Schaltungsteil und verbessert somit die thermische direkte Kopplung. Das wärmeverteilende Element kann insbesondere in einem Teilabschnitt des Kühlkanalkreislaufes die Kanalwand bilden. Das wärmeverteilende Element kann eine Länge aufweisen, welche mit dem Abstand zwischen dem Zwischenwärmespeicher und der Wärmequelle korreliert.
Ein erfindungsgemäßer Röntgenhochspannungsgenerator zur Bereitstellung einer Hochspannung weist das Zwei-Phasen-Kühlsystem und eine Schaltungsanordnung mit zumindest einem leistungselektronischen Schaltungsteil auf, wobei das zumindest eine leistungselektronische Schaltungsteil im Betrieb die Wärmequelle bildet, wobei das zumindest eine leistungselektronische Schaltungsteil mit dem Zwei-Phasen-Kühlsystem direkt thermisch gekoppelt ist zur Entwärmung der Wärmequelle an der Wärmesenke. Die Schaltungsanordnung kann zumindest teilweise auf der Leiterplatte angeordnet sein oder in die Leiterplatte integriert sein.
Da der Röntgenhochspannungsgenerator das Zwei-Phasen-Kühlsystem aufweist, teilt der Röntgenhochspannungsgenerator die im Zusammenhang mit dem Zwei-Phasen-Kühlsystem zuvor diskutierten Vorteile und dessen Ausführungsformen.
Der Röntgenhochspannungsgenerator ist zur Bereitstellung der Hochspannung insbesondere an einem Ausgang des Röntgenhochspannungsgenerators ausgebildet. Das Bereitstellen der Hochspannung umfasst insbesondere ein Erzeugen der Hochspannung. Bei der Bereitstellung transformiert der Röntgenhochspannungsgenerator insbesondere eine eingangsseitige übliche Netzspannung, welche typischerweise nicht im, sondern unter dem kV-Bereich liegt, oder eine Zwischenkreisspannung in die Hochspannung. Die Hochspannung liegt typischerweise an dem Ausgang des Röntgenhochspannungsgenerators an. Die Hochspannung ist typischerweise größer 10 kV und/oder kleiner 200 kV, beträgt beispielweise zwischen 20 und 150 kV, insbesondere zwischen 70 bis 120 kV. Der Röntgenhochspannungsgenerator, beispielsweise der Ausgang, ist mit der Röntgenröhre, insbesondere einem Eingang der Röntgenröhre, mittels eines Hochspannungskabels typischerweise zur Übertragung der Hochspannung verbindbar. Die Röntgenröhre kann insbesondere in Abhängigkeit von der von dem Röntgenhochspannungsgenerator bereitgestellten Hochspannung die Röntgenstrahlen erzeugen. Die erzeugten Röntgenstrahlen weisen typischerweise ein Energiespektrum bis zum Betrag der Hochspannung mal der Elementarladung e auf. Die Röntgenstrahlen werden typischerweise nicht im Röntgenhochspannungsgenerator, sondern in der Röntgenröhre generiert.
Die Bereitstellung der Hochspannung erfolgt insbesondere mittels der Schaltungsanordnung. Die Schaltungsanordnung umfasst zumindest ein leistungselektronisches Schaltungsteil für die Bereitstellung, insbesondere die Erzeugung, der Hochspannung. Üblicherweise umfasst die Schaltungsanordnung zusätzlich weitere elektronische Bauteile und/oder leistungselektronische Schaltungsteile. Das zumindest eine leistungselektronische Schaltungsteil kann beispielsweise ein Leistungstransistor, ein leistungselektronisches Bauelement, ein induktives Bauelement, ein resistives Bauelement und/oder ein kapazitives Bauelement sein. Das zumindest eine leistungselektronische Schaltungsteil kann insbesondere in einem TO-247-Gehäuse, einem SMD-Gehäuse, einem THT-Gehäuse oder einem Leistungsmodul verbaut sein.
Im Betrieb des Röntgenhochspannungsgenerators wird typischerweise die Hochspannung bereitgestellt. Währenddessen ist üblicherweise das zumindest eine leistungselektronische Schaltungsteil der Schaltungsanordnung in Betrieb, insbesondere unter Last. Der Betrieb des zumindest einen leistungselektronischen Schaltungsteils erfordert den Einsatz elektrischer Leistung, wobei üblicherweise nur ein Teil der elektrischen Leistung in Form der Hochspannung bereitgestellt wird und ein weiterer Teil als Verlustleistung abfällt. Das zumindest eine leistungselektronische Schaltungsteil ist zumindest im Betrieb eine Wärmequelle. Der Verlustleistungseintrag ist typischerweise so hoch, dass die Wärmequelle im Betrieb durch das Zwei-Phasen-Kühlsystem gekühlt wird. Der Verlustleistungseintrag kann im Betrieb variieren. Insbesondere nach der Bereitstellung der Hochspannung kann das zumindest eine leistungselektronische Schaltungsteil für einen gewissen Zeitraum als zu kühlende Wärmequelle fortbestehen.
Ein erfindungsgemäßer Röntgenstrahler weist

- den Röntgenhochspannungsgenerator zur Bereitstellung einer Hochspannung und
- eine Röntgenröhre zur Röntgenstrahlenerzeugung unter Verwendung der bereitgestellten Hochspannung auf.

Da der Röntgenstrahler das Zwei-Phasen-Kühlsystem aufweist, teilt der Röntgenstrahler die im Zusammenhang mit dem Zwei-Phasen-Kühlsystem zuvor diskutierten Vorteile und dessen Ausführungsformen. Der Röntgenstrahler bildet insbesondere eine Röntgenstrahlenerzeugungseinrichtung.
Die Röntgenröhre weist typischerweise ein evakuiertes Röntgenröhrengehäuse auf, welches ein Hochvakuum, einen Elektronenemitter und eine Anode umschließt. Die Anode kann eine Drehanode oder eine Stehanode sein. Bei der Ausführung als Drehanode wird typischerweise zwischen einer Drehanoden-Röntgenröhre, bei der sich die Anode innerhalb des Röntgenröhrengehäuses dreht, und einer Drehkolben-Röntgenröhre, bei der sich die Anode gemeinsam mit dem Röntgenröhrengehäuse dreht, unterschieden.
Der Elektronenemitter ist insbesondere ein Feldeffekt-Emitter oder ein thermionischer Emitter. Der Feldeffekt-Emitter weist typischerweise Kohlenstoffnanoröhrchen oder Siliziumnanoröhrchen oder Molybdännanoröhrchen auf. Die Elektronenemission beim Feldeffekt-Emitter wird typischerweise durch das Anlegen einer Gatespannung erwirkt, welche durch das in den Spitzen der Nanoröhrchen auftretenden elektrischen Felds die Elektronen aus diesen Nanoröhrchen extrahiert, wodurch der Elektronenstrom gebildet wird. Zusätzlich oder alternativ zum Schalten mittels der Gatespannung kann das Sperren eines generierten Elektronenstroms mittels eines Sperrgitters erfolgen. Den Nanoröhrchen kann eine Strombegrenzungseinheit vorgeschaltet sein. Der thermionische Emitter ist beispielsweise ein Wendelemitter oder ein Flachemitter, welcher direkt oder indirekt geheizt sein kann.
Der Elektronenemitter ist als Kathode ausgebildet oder gemeinsam mit einer Kathode gegenüber von der Anode angeordnet. Zwischen der Kathode und der Anode liegt die bereitgestellte Hochspannung an. Der Röntgenhochspannungsgenerator ist mit der Röntgenröhre zur Übertragung der bereitgestellten Hochspannung verbunden. Die von dem Elektronenemitter emittierten Elektronen werden mittels der Hochspannung in Richtung der Anode beschleunigt und bei der Wechselwirkung wird in einem Brennfleck auf der Anode die Röntgenstrahlung erzeugt.
Die erzeugten Röntgenstrahlen können insbesondere für eine medizinische Bildgebung und/oder eine Werkstoffprüfung eingesetzt werden. Typische Anwendungen bei der medizinischen Bildgebung sind eine Angiographie, eine Computertomographie, eine Fluoroskopie, eine Bildgebung für die Strahlentherapie, eine Mammographie und/oder eine Radiographie. Regelmäßig ist der Röntgenstrahler in Kombination mit einem Röntgendetektor im Einsatz. Zusätzlich kann je nach Art der Anwendung die Einbindung in eine bildgebende Anlage mit wie z.B. einen C-Bogen, eine Computertomographen, etc. erfolgen.
Die erfindungsgemäße Computertomographieeinrichtung weist

- eine kreisförmige Gantry mit einem rotierenden Teil und einem stationären Teil sowie
- den Röntgenhochspannungsgenerator oder
- den Röntgenstrahler mit dem Röntgenhochspannungsgenerator auf,

Da die Computertomographieeinrichtung das Zwei-Phasen-Kühlsystem aufweist, teilt die Computertomographieeinrichtung die im Zusammenhang mit dem Zwei-Phasen-Kühlsystem zuvor diskutierten Vorteile und dessen Ausführungsformen.
Der rotierende Teil der Gantry ist typischerweise in einem Luftspalt vom stationären Teil beabstandet. Über diesen Luftspalt wird beispielsweise kontaktbehaftet oder kontaktlos die Leistung zum Betreiben des Hochspannungsgenerators und somit des Röntgenstrahlers vom stationären Teil an den rotierenden Teil übertragen. In die umgekehrte Richtung werden beispielsweise Daten des Röntgendetektors vorzugsweise kontaktlos, beispielsweise elektrostatisch, kapazitiv oder optisch übertragen.
Es zeigen:

1 einen herkömmlichen Röntgenhochspannungsgenerator gemäß dem Stand der Technik,
2 ein erfindungsgemäßes Zwei-Phasen-Kühlsystem,
3 ein erstes Ausführungsbeispiel des Zwei-Phasen-Kühlsystems,
4 ein zweites Ausführungsbeispiel des Zwei-Phasen-Kühlsystems,
5 ein drittes Ausführungsbeispiel des Zwei-Phasen-Kühlsystems,
6 ein viertes Ausführungsbeispiel des Zwei-Phasen-Kühlsystems,
7 ein fünftes Ausführungsbeispiel des Zwei-Phasen-Kühlsystems,
8 ein sechstes Ausführungsbeispiel des Zwei-Phasen-Kühlsystems,
9 einen erfindungsgemäßen Röntgenhochspannungsgenerator,
10 ein erstes Ausführungsbeispiel des Röntgenhochspannungsgenerators,
11 ein zweites Ausführungsbespiel des Röntgenhochspannungsgenerators,
12 einen erfindungsgemäßen Röntgenstrahler und
13 eine erfindungsgemäße Computertomographieeinrichtung.

1 zeigt einen herkömmlichen Röntgenhochspannungsgenerator 10 gemäß dem Stand der Technik.
Der Röntgenhochspannungsgenerator 10 weist als Teil einer Schaltungsanordnung für die Bereitstellung einer Hochspannung zwei leistungselektronische Schaltungsteile 11 als Wärmequellen auf. Die beiden leistungselektronischen Schaltungsteile 11 sind jeweils auf einem Kühlkörperklotz 12 angeordnet, welcher beispielsweise aus Kupfer besteht. Eine Trägerplatte 13 trägt die beiden Kühlkörperklotze 12 und verbindet diese mit einer Wärmesenke 14. Die Trägerplatte 13 kann elektrisch isolierend ausgeführt sein. Alternativ oder zusätzlich kann eine Isolationslage zur elektrischen Isolation der leistungselektronischen Schaltungsteile 11 als Teil des herkömmlichen Röntgenhochspannungsgenerators 10 vorgesehen sein. Die Pfeile kennzeichnen den Wärmefluss von den Wärmequellen zur Wärmesenke 14.
2 zeigt einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Zwei-Phasen-Kühlsystems 22 für einen Röntgenhochspannungsgenerator.
Das Zwei-Phasen-Kühlsystem 22 weist eine Wärmesenke 23 auf bzw. wirkt selbst auf den einer Wärmequelle abgewandten Seiten als Wärmesenke 23. Zur Entwärmung der Wärmequelle weist das Zwei-Phasen-Kühlsystem 22 einen Kühlkörperblock 24 auf. Der Kühlkörperblock 24 umgibt einen Kühlkanalkreislauf 25 räumlich. Der Kühlkanalkreislauf 25 ist Teil des Zwei-Phasen-Kühlsystems 22. Der Kühlkanalkreislauf 25 ist mit einem Arbeitsmedium 26 zumindest teilweise gefüllt und wirkt als oszillierendes Wärmerohr. Der Kühlkörperblock 24 besteht aus einem Material, welches ein Polymer aufweist. Das Polymer kann Polypropylen, Polycarbonat, Polyetheretherketon, Polyamid oder Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer sein.
Der Kühlkanalkreislauf 25 weist rein für illustratorische Zwecke mäanderförmig angeordnete Kanalabschnitte auf. Beispielhaft sind 10 parallele Kanalabschnitte gezeigt. Die Anzahl an parallelen Kanalabschnitten kann über 50, insbesondere über 500 liegen, beispielsweise zwischen 2 und 1000 liegen. Ein Abstand, sprich eine Stegbreite, zwischen den Kanalabschnitten beträgt typischerweise zwischen 0,01 und 5 mm, beispielsweise zwischen 0,1 und 1 mm. Wenn der Kühlkörperblock 24 aus Polymer besteht, beträgt die Stegbreite beispielweise mindestens 0,3 mm, vorzugsweise 0,5 mm.
In diesem Ausführungsbeispiel enthält das Material ausschließlich das Polymer. Alternativ kann das Material zusätzlich ein Metall und/oder eine Keramik enthalten, wobei das Material durch eine Vermischung homogenisiert ist.
In 2 ist ein Querschnitt entlang einer Ebene des Kühlkanalkreislaufs 25 gezeigt. Die Schnittebene A-A ist in 4 angedeutet. In den folgenden 3 bis 11 steht diese Ebene des Kühlkanalkreislaufs 25 im Vergleich zu 2 im Wesentlichen senkrecht auf der Zeichenblattebene.
3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des Zwei-Phasen-Kühlsystems 22.
Das Zwei-Phasen-Kühlsystem 22 weist einen Zwischenwärmespeicher 29, insbesondere aus Kupfer und/oder Aluminium, auf. Der Zwischenwärmespeicher 29 ist mit zumindest einen leistungselektronischen Schaltungsteil 21 z.B. eines Röntgenhochspannungsgenerators mittels eines wärmeverteilenden Elements 30, insbesondere aus Diamant und/oder einem graphitischen Material, thermisch direkt koppelbar und in diesem Ausführungsbeispiel als Wärmequelle direkt thermisch gekoppelt. Das wärmeverteilende Element 30 grenzt flächig an den Kühlkanalkreislauf 25 an.
In diesem Ausführungsbeispiel weist der Kühlkörperblock 24 eine Einlage 27 auf, insbesondere aus Kupfer und/oder Aluminium, wobei das Material der Einlage 27 eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist als das Material des Kühlkörperblocks 24. Zwischen dem wärmeverteilenden Element 30 und dem Zwischenwärmespeicher 29 und/oder dem zumindest einen leistungselektronischen Schaltungsteil 21 und/oder der Wärmesenke 23 kann grundsätzlich ein Einlagenelement vorgesehen sein. Die drei Einlageelemente der Einlage 27 in 3 koppeln jeweils den Zwischenwärmespeicher 29, zumindest ein leistungselektronisches Schaltungsteil 21 als Wärmequelle und die Wärmesenke 23 an den Kühlkanalkreislauf 25 thermisch direkt. Die Wärmesenke 23 ist in diesem Ausführungsbeispiel mit einer die Oberfläche vergrößernden Form, insbesondere Kühlrippen, ausgestattet.
Der Zwischenwärmespeicher 29 ist in dieser Figur derart angeordnet, dass das zumindest eine leistungselektronische Schaltungsteil 21 zwischen dem Zwischenwärmespeicher 29 und der Wärmesenke 23 angeordnet ist. Alternativ ist denkbar, dass der Zwischenwärmespeicher 29 zwischen dem zumindest einen leistungselektronischen Schaltungsteil 21 und der Wärmesenke 23 angeordnet ist. Zwischen bedeutet in diesem Zusammenhang auf kürzester Strecke entlang des Kühlkanalkreislaufs 25.
4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des Zwei-Phasen-Kühlsystems 22.
Die Wärmequelle, hier das zumindest eine leistungselektronische Schaltungsteil 21, ist als Teil einer das Arbeitsmedium 26 im Kühlkanalkreislauf 25 umschließenden Kanalwand des Kühlkörperblocks 24 in den Kühlkörperblock 24 eingebracht. Das Arbeitsmedium 26 ist dielektrisch oder elektrisch isolierend.
5 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel des Zwei-Phasen-Kühlsystems 22.
Der Kühlkörperblock 24 ist zumindest teilweise mit einem metallischen Element 34 als fluiddichte Lage beschichtet. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Kühlkörperblock 24 damit vollständig eingehüllt.
Die Wärmequelle, beispielsweise das zumindest eine leistungselektronische Schaltungsteil 21, ist als Teil einer das Arbeitsmedium 26 im Kühlkanalkreislauf 25 umschließenden Kanalwand des Kühlkörperblocks 24 in den Kühlkörperblock 24 eingebracht. Das Arbeitsmedium 26 ist in diesem Fall dielektrisch oder elektrisch isolierend.
In den Kühlkörperblock 24 ist eine Leiterplatte, umfassend eine Stromzuführung 35, welche zur elektrischen Versorgung des Röntgenhochspannungsgenerators 20, z.B. des zumindest einen leistungselektronischen Schaltungsteils 21, eingerichtet ist, eingebracht. Grundsätzlich ist es denkbar, dass die Stromzuführung 35 als Stromschiene ausgebildet ist. Die Leiterplatte bildet das metallische Element 34.
6 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel des Zwei-Phasen-Kühlsystems 22.
In diesem Ausführungsbeispiel weist der Kühlkörperblock 24 die Einlage 27 auf. Das Material der Einlage 27 weist eine höhere Wärmeleitfähigkeit auf als das Material des Kühlkörperblocks 24. Der Kühlkanalkreislauf 25 ist derart verwinkelt ausgebildet, dass mindestens zwei, in diesem Ausführungsbeispiel vier, Teilebenen 25.T des Kühlkanalkreislaufes 25 in einem Winkel größer 0° zueinanderstehen.
Zusätzlich ist in 10 gezeigt, dass ein Befestigungselement 37, wie z.B. eine Art Federelement, zur Befestigung des zumindest einen leistungselektronischen Schaltungsteils 21 in den Kühlkörperblock 24 zur mechanischen Stabilisierung des Kühlkörperblocks 24 am Hochspannungsgenerator 20 eingebracht ist. An den Kühlkörperblock 24 ist mit einer Haltevorrichtung 36 das metallische Element 34, in diesem Fall eine Leiterplatte, befestigt. Die Haltevorrichtung 36 ist beispielsweise eine Schraube und/oder eine Klammer.
Der Kühlkörperblock 24 bietet den Vorteil, dass durch die verwinkelte Ausrichtung geometrisch komplexe Aufbauten des Zwei-Phasen-Kühlsystems 22 realisiert werden können, z.B. durch eine Aussparung des metallischen Element 34 hindurch.
7 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel des Zwei-Phasen-Kühlsystems 22.
In den Kühlkörperblock 24 ist eine Leiterplatte eingebracht, welche zur elektrischen Versorgung der Wärmequelle eingerichtet ist. Die Wärmequelle bildet in diesem Ausführungsbeispiel ein leistungselektronisches Schaltungsteil 21. Mittels nichtdurchgängiger Durchkontaktierungen 35 als Stromzuführung in der Leiterplatte ist die Wärmequelle elektrisch versorgt.
Die Leiterplatte ist mehrlagig und weist somit mehrere, in diesem Ausführungsbeispiel fünf, Leiterbahnebenen 46 auf. Die Leiterplatte, insbesondere die mehreren Leiterbahnebenen 46, sind seitlich mit einer fluiddichten Lage 48 fluiddicht abgedichtet.
Zumindest zwei der Leiterbahnebenen 46 der Leiterplatte sind leitfähig 46.L. Zwischen den beiden leitfähigen Leiterbahnebenen 46.L ist ein Diffusionskanal 47 in einer zwischen den beiden leitfähigen Leiterbahnebenen 46.L angeordneten diffusionsoffenen Leiterbahnebene 46 gebildet. Der Diffusionskanal 47 ist mit einem gestrichelten Doppelpfeil gekennzeichnet. Die gegenüberliegenden diffusionsoffenen Enden des Diffusionskanals 47 sind zueinander derart beabstandet, dass der Diffusionskanal 47 aufgrund seiner Länge fluiddicht ist.
Die Wärmequelle ist als Teil einer das Arbeitsmedium 26 im Kühlkanalkreislauf 25 umschließenden Kanalwand des Kühlköperblocks 24 in den Kühlkörperblock 24 eingebracht. Das Arbeitsmedium 26 ist elektrisch isolierend. Das Zwei-Phasen-Kühlsystem 22 ist auf einer Trägerplatte 39 befestigt. Letztere koppelt das Zwei-Phasen-Kühlsystem 22 und die Wärmesenke 23. Zumindest eine Einlage 27 verbessert den Wärmeübertrag von dem Kühlkanalkreislauf 25 an die Wärmesenke 23.
8 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel des Zwei-Phasen-Kühlsystems 22.
Das Zwei-Phasen-Kühlsystem 22 ist zur Entwärmung zweier Wärmequellen ausgebildet. Zwei leistungselektronische Schaltungsteile 21 bilden die Wärmequellen, wobei eine gemäß SMD-Montage und die andere gemäß THT-Montage mit einer Stromzuführung 35 verbunden sind.
Die Stromzuführung 35 ist in diesem Ausführungsbeispiel eine Stromschiene. Alternativ ist denkbar, eine leitfähige Leiterbahnebene einer Leiterplatte als Stromzuführung zu verwenden.
Der Kühlkörperblock 24 ist derart dimensioniert, dass eine kürzeste Diffusionsstrecke zwischen dem Kühlkanalkreislauf 25 und einer diffusionsoffenen Oberfläche des Kühlkörperblocks 24 aufgrund ihrer Länge fluiddicht ist. Die diffusionsoffene Oberfläche des Kühlkörperblocks 24 ist mit einer gestrichelten Linie dargestellt.
Der Kühlkörperblock 24 ist in diesem Ausführungsbeispiel mehrstückig ausgebildet. Ein oberer Teil ist oberhalb der Wärmequellen als eine Art Deckel und ein unterer Teil ist unterhalb der Wärmequellen angeordnet.
9 zeigt einen Röntgenhochspannungsgenerator 20.
Der Röntgenhochspannungsgenerator 20 ist zur Bereitstellung einer Hochspannung ausgebildet und weist das Zwei-Phasen-Kühlsystem 22 und eine Schaltungsanordnung mit zumindest einem leistungselektronischen Schaltungsteil 21 auf. Das zumindest eine leistungselektronische Schaltungsteil 21 bildet im Betrieb die Wärmequelle. Das zumindest eine leistungselektronische Schaltungsteil 21 ist mit dem Zwei-Phasen-Kühlsystem 22 direkt thermisch gekoppelt zur Entwärmung der Wärmequelle an der Wärmesenke 23.
Eine Trägerplatte 39 ist an den Kühlkörperblock 24 angeschlossen und thermisch direkt gekoppelt, um die Kühlleistung weiter zu verbessern. Dadurch bildet insbesondere die Trägerplatte 39 die Wärmesenke 23 des Zwei-Phasen-Kühlsystems 22. Die Trägerplatte 39 kann beispielsweise ein Gehäuse des Röntgenhochspannungsgenerators 20 sein oder eine Gantry einer nicht gezeigten Computertomographieeinrichtung 50 oder ein Gestell eines nicht dargestellten Röntgenstrahlers 40.
10 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des Röntgenhochspannungsgenerators 20.
Für eine bessere Wärmespreizung grenzt ein Einlageelement der Einlage 27 flächig an eine Trägerplatte 39 an, um den Wärmeeintrag in die Trägerplatte 39 zu verbessern. Mit der Trägerplatte 39 ist die Wärmesenke 23 direkt thermisch gekoppelt. Letztere kann beispielsweise die Gantry einer nicht gezeigten Computertomographieeinrichtung 40, insbesondere der rotierende Teil 52, sein.
Im Vergleich zu 9 ist die Trägerplatte 39 in 10 nicht seitlich zum Kühlkörperblock 24, sondern unterseitig angeordnet.
11 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des Röntgenhochspannungsgenerators 20.
Die Wärmequelle, also das zumindest eine leistungselektronische Schaltungsteil 21, ist als Teil einer das Arbeitsmedium 26 im Kühlkanalkreislauf 25 umschließenden Kanalwand des Kühlkörperblocks 24 in den Kühlkörperblock 24 eingebracht. Dadurch wird das zumindest eine leistungselektronische Schaltungsteil 21 direkt von dem Arbeitsmedium 26 gekühlt. Das Arbeitsmedium 26 ist in diesem Fall dielektrisch oder elektrisch isolierend.
Der Kühlkörperblock 24 ist auf der Seite mit dem zumindest einen leistungselektronischen Schaltungsteil 21 mittels des metallischen Elements 34 als fluiddichte Lage abgedichtet. Das metallische Element 34 ist eine Leiterplatte mit mehreren Leiterbahnebenen. Die Leiterplatte ist eine mehrlagige Platine, wobei deren Leiterbahnebenen mit sogenannten „burried vias“ als Stromzuführung 35 ausgestattet ist.
12 zeigt einen erfindungsgemäßen Röntgenstrahler 40.
Der Röntgenstrahler 40 weist einen Röntgenhochspannungsgenerator 20 zur Bereitstellung einer Hochspannung und eine Röntgenröhre 41 auf. Der Röntgenhochspannungsgenerator 20 und die Röntgenröhre 41 sind zur Übertragung der Hochspannung mit einem Hochspannungskabel 42 verbunden.
Die Röntgenröhre 42 weist ein Röntgenröhrengehäuse 43, einen darin angeordneten Elektronenemitter 44 als Kathode und eine Anode 45 auf. Die Hochspannung liegt zwischen dem Elektronenemitter 44 und der Anode 45 an.
13 zeigt eine Computertomographieeinrichtung 50.
Die Computertomographieeinrichtung 50 weist eine kreisförmige Gantry mit einem rotierenden Teil 52 und einem stationären Teil 51 sowie den Röntgenhochspannungsgenerator 20 als Teil des Röntgenstrahlers 40 auf. Das Zwei-Phasen-Kühlsystem 22 ist auf der Gantry angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel sind der rotierende Teil 52 und der stationäre Teil 51 scheibenförmig angeordnet. Alternativ kommt eine trommelförmige Ausführung in Betracht.
Der Röntgenstrahler 40 ist auf dem rotierenden Teil 52 angeordnet. Ein Patient 53 ist auf einer Patientenliege 54 gelagert.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung dennoch nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

Yang et al., „A novel flat polymer heat pipe with thermal via for cooling electronic devices“, Energy Conversion and Management 100 (2015) 37-44 [0023]
Schwarz et al., „Thermodynamic Analysis of the Dryout Limit of Oscillating Heat Pipes“, Energies 13, no. 23: 6346 [0023]
„Characterization of polypropylene pulsating heat stripes: Effects of orientation, heat transfer fluid, and loop geometry", Applied Thermal Engineering 184 (2021) 116304 [0023]
„Thermal performance of pulsating heat stripes (PHS) built with plastic materials", Joint 19^th IHPC and 13^th IHPS, Pisa, Italy, June 10-14 [0023]

Claims

Zwei-Phasen-Kühlsystem (22) für einen Röntgenhochspannungsgenerator (40), aufweisend: - einen Kühlkörperblock (24), wobei der Kühlkörperblock (24) einen Kühlkanalkreislauf (25) räumlich umgibt, wobei der Kühlkanalkreislauf (25) mit einem Arbeitsmedium (26) zumindest teilweise gefüllt ist und als oszillierendes Wärmerohr wirkt, und - eine Wärmesenke (23) zur Entwärmung einer Wärmequelle, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörperblock (24) aus einem Material besteht, welches ein Polymer aufweist.
Zwei-Phasen-Kühlsystem (22) nach Anspruch 1, wobei das Material ausschließlich das Polymer enthält.
Zwei-Phasen-Kühlsystem (22) nach Anspruch 1, wobei das Material zusätzlich ein Metall und/oder eine Keramik enthält und wobei das Material durch eine Vermischung homogenisiert ist.
Zwei-Phasen-Kühlsystem (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in den Kühlkörperblock (24) eine Haltevorrichtung (36) und/oder ein Befestigungselement (37) zur mechanischen Stabilisierung des Kühlkörperblocks (24) am Röntgenhochspannungsgenerator (20) eingebracht ist.
Zwei-Phasen-Kühlsystem (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in den Kühlkörperblock (24) eine Leiterplatte eingebracht ist, welche zur elektrischen Versorgung der Wärmequelle eingerichtet ist.
Zwei-Phasen-Kühlsystem (22) nach Anspruch 5, wobei die Leiterplatte mehrlagig ist, wobei zumindest zwei der Leiterbahnebenen (46) der Leiterplatte leitfähig (46.L) sind und zwischen den beiden leitfähigen Leiterbahnebenen (46.L) ein Diffusionskanal (47) in einer zwischen den beiden leitfähigen Leiterbahnebenen (46.L) angeordneten diffusionsoffenen Leiterbahnebene (46) gebildet ist, wobei die gegenüberliegenden diffusionsoffenen Enden des Diffusionskanals (47) zueinander derart beabstandet sind, dass der Diffusionskanal aufgrund seiner Länge fluiddicht ist.
Zwei-Phasen-Kühlsystem (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kühlkörperblock (24) derart dimensioniert ist, dass eine kürzeste Diffusionsstrecke zwischen dem Kühlkanalkreislauf (25) und einer diffusionsoffenen Oberfläche des Kühlkörperblocks (24) aufgrund ihrer Länge fluiddicht ist.
Zwei-Phasen-Kühlsystem (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wärmequelle als Teil einer das Arbeitsmedium (26) im Kühlkanalkreislauf (25) umschließenden Kanalwand des Kühlkörperblocks (24) in den Kühlkörperblock (24) eingebracht ist und das Arbeitsmedium (26) elektrisch isolierend ist.
Zwei-Phasen-Kühlsystem (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kühlkörperblock (24) zumindest teilweise mit einer fluiddichten Lage beschichtet ist.
Zwei-Phasen-Kühlsystem (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Zwei-Phasen-Kühlsystem (22) einen Zwischenwärmespeicher (29), insbesondere aus Kupfer und/oder Aluminium, aufweist, wobei der Zwischenwärmespeicher (29) mit der Wärmequelle mittels eines wärmeverteilenden Elements (30), insbesondere aus Diamant und/oder einem graphitischen Material, thermisch direkt koppelbar ist und wobei das wärmeverteilende Element (30) flächig an den Kühlkanalkreislauf (25) angrenzt.
Zwei-Phasen-Kühlsystem (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kühlkörperblock (24) eine Einlage (27), insbesondere aus Kupfer und/oder Aluminium, aufweist, wobei das Material der Einlage (27) eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist als das Material des Kühlkörperblocks (24).
Zwei-Phasen-Kühlsystem (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kühlkanalkreislauf (25) derart verwinkelt ausgebildet ist, dass mindestens zwei Teilebenen (25.T) des Kühlkanalkreislaufes (25) in einem Winkel größer 0° zueinanderstehen.
Röntgenhochspannungsgenerator (20) zur Bereitstellung einer Hochspannung, aufweisend - das Zwei-Phasen-Kühlsystem (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und - eine Schaltungsanordnung mit zumindest einem leistungselektronischen Schaltungsteil (21), wobei das zumindest eine leistungselektronische Schaltungsteil (21) im Betrieb die Wärmequelle bildet, wobei das zumindest eine leistungselektronische Schaltungsteil (21) mit dem Zwei-Phasen-Kühlsystem (22) direkt thermisch gekoppelt ist zur Entwärmung der Wärmequelle an der Wärmesenke (23).
Röntgenstrahler (40), aufweisend - einen Röntgenhochspannungsgenerator (20) zur Bereitstellung einer Hochspannung nach Anspruch 13 und - eine Röntgenröhre (41) zur Röntgenstrahlenerzeugung unter Verwendung der bereitgestellten Hochspannung.
Computertomographieeinrichtung (50), aufweisend - einen Röntgenhochspannungsgenerator (20) nach Anspruch 13 oder - einen Röntgenstrahler (40) nach Anspruch 14 und - eine Gantry mit einem rotierenden Teil (52) und einem stationären Teil (51), wobei das Zwei-Phasen-Kühlsystem (22) auf der Gantry angeordnet ist.