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Die Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Einrichtung zum Kühlen von Öl oder einem anderen Fluid bzw. trömungsmittel, das dazu verwendet wird, Wärme von der Röntgenrohre in einem diagnostischen Computer-Tomographie (CT)-Bildgebungssystem abzuführen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Einrichtung der vorstehend genannten Art, die das akustiche Geräusch in signifikanter Weise verringert, das die Patienten der CT-Bildgebung oder das Arbeitspersonal stören oder beunruhigen kann.
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Bekanntlich erzeugt eine Röntgenröhre wesentliche Wärmemengen im Laufe ihres Betriebs. Dementsprechend müssen Maßnahmen vorgesehen sein, um Wärme aus der Nähe der Röhre abzuführen und die Wärme in die Umgebung zu verteilen. In einer üblichen Anordnung zirkuliert ein Kühlfluid oder Öl, wie beispielsweise ein Produkt, das unter dem Handelsnamen UNI-Volt von der Firma Exxon vertrieben wird, um die Röhre, um überschüssige Wärme aufzunehmen, und strömt dann durch einen ersten Schlauch, eine Leitung oder ähnliches zu einem Wärmetauscher. Der Tauscher bewirkt, daß in dem Öl gespeicherte Wärme der umgebenden Luft ausgesetzt wird, so daß die Wärme darauf übertragen werden kann. Das gekühlte Öl strömt dann durch einen zweiten Schlauch oder eine Leitung zur Röhre zurück.
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Kühlanordnungen der oben genannten Art, wie sie bspw. in der
US 4 115 597 beschrieben sind, verwenden üblicherweise einen Lüfter bzw. ein Gebläse, um Luft durch oder an dem Wärmetauscher vorbei zu bewegen, um die Wärmeübertragung zu verstärken. Wenn die Röntgenröhre in Verbindung mit einem CT System verwendet wird, sind die Röhre, der Wärmetauscher und das Kühlgebläse auf entsprechende Weise auf einem ringförmigen Gestellt angebracht, das schnell um den Patenten gedreht wird, um ein CT Bild zu gewinnen. Das Gestell kann mit beispielsweise 90 U/Min umlaufen. Gegenwärtig sind die Kühlgebläse der Röntgenröhre, wie sie in CT Systemen verwendet wird, axial. Das heißt, sowohl die Eingangs- als auch Ausgangs-Luftströmungen, die von dem Gebläse erzeugt werden, sind entlang der Gebläseachse, d. h. der Achse der Schaufelrotation, gerichtet. Hier bedeuten ”Eingangs-” und ”Ausgangs-”Luftströmungen die Strömungen oder Mengen an Luft, die auf entsprechende Weise in oder aus einem Gebläse heraus durch dessen Betrieb bewegt werden. Um für eine ausreichende Kühlleistung zu sorgen, müssen axiale Kühlgebläse mit einer Drehzahl in der Größenordnung von 3600 U/Min umlaufen.
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Um Schwingungen zu widerstehen und für ein gewisses Maß an Festigkeit oder Stabilität zu sorgen, haben axiale Lüfter bzw. Gebläse im allgemeinen eine Anzahl von Streben oder ähnlichen Teilen, die um die äußeren Ränder der Gebläseschaufeln herum im Abstand zueinander angeordnet sind. Jedes Mal wenn eine Schaufel an einer der Streben vorbeiläuft, wird ein akustisches Geräusch erzeugt. Für die oben angegebene Lüfterdrehzahl ist der reine Ton oder die erste Harmonische eines derartigen Geräusches gut über 500 Hz. Dementsprechend sind die zweite oder höhere Harmonische von einem derartigen Geräusch gut über 1000 Hz. Wie allgemein bekannt ist, ist 1000 Hz ein sehr signifikanter Schwellenwert beim Verringern des ”Störfaktors”, der mit akustischem Lärm verbunden ist. Das heißt, akustischer Lärm mit Hauptfrequenzkomponenten, die über 1000 Hz liegen, haben die Tendenz, viel störender als Geräusche zu sein, die derartige Komponenten nicht enthalten.
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Der 1000 Hz Schwellenwert und der mit dem akustischen Lärm verbundene ”Störfaktor” sind von besonderer Signifikanz in bezug auf Röntgenröhren-Kühlsysteme zur Verwendung in CT Anwendungen. Wenn ein CT System betrieben wird, um ein Bild zu gewinnen, muß der Patient oder eine andere abzubildende Person für eine Zeitperiode so ruhig wie möglich bleiben. Dementsprechend ist es wünschenswert, störende Geräusche so weit wie möglich zu minimieren, um ein Stören, Irritieren oder in einigen Fällen Beängstigen des Patienten zu vermeiden. Übermäßiger Lärm kann auch für Personen störend sein, die mit dem CT System arbeiten. Ein Gestelllärm mit höheren Frequenzen kann auch den Patientenlautsprecher und das Mikrophon stören, die in den meisten Systemen verwendet werden, um eine kontinuierliche Kommunikation mit dem Patienten aufrechtzuerhalten.
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Eine Lösung, um den durch ein bekanntes Kühlgebläse erzeugten Lärm zu verringern, würde darin bestehen, dessen Drehzahl zu senken. Die Hauptfrequenzkomponenten des durch den Lüfter erzeugten akustischen Geräusches könnten dadurch unter den 1000 Hz Schwellenwert gesenkt werden. Jedoch würde die Luftströmung, die durch den Lüfter an den Wärmetauscher geliefert wird, dadurch ebenfalls in signifikanter Weise verkleinert werden, so daß die thermische Leistungsfähigkeit des Röntgenröhren-Kühlsystems in signifikanter Weise vermindert sein könnte.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, das Geräusch in einer Einrichtung signifikant zu verringern, die zur Abfuhr von Wärme aus dem Kühlöl oder -fluid einer Röntgenröhre angeordnet ist. Dabei soll die Einrichtung das Geräusch signifikant verringern, während eine gute thermische Leistungsfähigkeit beibehalten wird.
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Erfindungsgemäß wird eine Kühleinrichtung geschaffen zum Abführen von Wärme aus einem Fluid bzw. Strömungsmittel, das zum Kühlen einer Röntgenröhre verwendet wird, die auf dem Gestell von einem CT System angebracht ist, wobei das Gestell um eine Gestellachse umläuft. Die Einrichtung enthält einen Rahmen, der mit dem Gestell fest verbunden ist für eine Rotation damit, und sie enthält weiterhin Mittel zur Bildung einer Strömungsbahn für das Kühlfluid zwischen der Röntgenröhre und einer Stelle nahe dem Rahmen, wobei ein Teil der Strömungsbahn in einem speziellen räumlichen Volumen liegt. Es ist ein Radiallüfter vorgesehen zum Bewegen einer Luftströmung durch das räumliche Volumen, um Wärme von dem Kühlfluid abzuführen, wenn es durch den Teil der Bahn strömt. Der Radiallüfter weist eine Anordnung von Schaufeln oder Flügeln auf, die um die Lüfterachse rotieren, um die Luftströmung durch das räumliche Volumen hindurch in die Laufradflügelanordnung zu ziehen und danach die Luft in radialer Richtung auszustoßen. Es sind Mittel vorgesehen, um den Radiallüfter auf dem Rahmen so anzubringen, daß die Drehachse des Lüfters im wesentlichen parallel zu der Gestellachse ist.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel enthält der Rahmen eine gewählte Anzahl von ebenen tragenden Teilen, die im Abstand zu den Lüfterflügeln angeordnet sind. Jedes der ebenen Teile liegt in der Bahn der radial ausgestoßenen Luft und hat Seitenränder, die selektiv geformt sind, um Turbulenz in der ausgestoßenen Luftströmung zu verringern und dadurch Geräusch bzw. Lärm zu vermindern, der durch diese Turbulenz hervorgerufen wird. Vorzugsweise sind die Seitenränder von jedem der ebenen tragenden Teile mit einem gewählten Biegeradius versehen.
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Mit der Erfindung erzielbare Vorteile bestehen insbesondere darin, daß ein Radiallüfter als eine integrale Komponente verwendet wird. Weiterhin kann die erfindungsgemäße Kühleinrichtung in einem Computer-Tomographie-Bildgebungssystem verwendet werden, wobei die gyroskopische Belastung des Lüfters im wesentlichen eliminiert wird, um die Lebensdauer des Lüfters zu verlängern.
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Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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1 ist eine perspektivische Ansicht, die gewählte Komponenten von einem CT Bildgebungssystem zusammen mit einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.
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2 ist eine perspektivische Ansicht und zeigt das Ausführungsbeispiel gemäß 1 mit weiteren Einzelheiten.
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3 zeigt einen Schnitt entlang der Linie 3-3 in 2.
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4 zeigt einen Schnitt entlang der Linie 4-4 in 2.
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5 ist eine perspektivische Ansicht und zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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In
1 sind gewisse Komponenten von einem CT System
10 gezeigt, das ein ringförmiges Gestell
12 aufweist, das für eine Rotation um eine Gestellachse A
g angeordnet ist. Eine Röntgenröhre
14 und eine Anordnung bzw. ein Array
16 von Röntgen-Detektorelementen sind beide auf dem Gestell
12 für eine Rotation damit auf gegenüberliegenden Seiten des Gestells angebracht. Die Röntgenröhre
14 projiziert ein Röntgenbündel
18 in Richtung auf das Array
16, wobei das Bündel durch einen Abschnitt
20 von einem Patienten
22 hindurchtritt, der von einer Liege oder einer anderen Patientenstützplattform
24 getragen wird. Wenn das Gestell
12 um seine Achse umläuft, werden Röntgendaten, die die in dem Abschnitt
20 liegende Körperstruktur des Patienten
22 darstellen, durch das Elementenarray
16 gewonnen. Die gewonnenen Daten können verwendet werden, um ein Bild von dieser Körperstruktur nach Techniken und Praktiken zu konstruieren, die für den Fachmann in der Computer-Tomographie-Technik bekannt sind. Es sei darauf hingewiesen, daß gewisse andere CT Systemkomponenten, wie beispielsweise ein Datenverarbeitungs- und Bildrekonstruktionssystem, und auch Mittel zur Halterung und für einen Drehantrieb des Gestells
12 üblich und für den Fachmann in der CT Technik bekannt sind. Deshalb sind derartige Komponenten in
1 nicht gezeigt. CT Systeme sind mit weiteren Einzelheiten beispielsweise in den
US Patenten 5 473 654 und
5 473 655 , beide erteilt am 5. Dezember 1995, beschrieben, und deren Offenbarung soll durch diese Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung eingeschlossen sein.
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Wie oben ausgeführt wurde, kann eine Röntgenröhre 14 im Laufe der CT Bildgebung wesentliche Mengen an überschüssiger Wärme erzeugen. Dementsprechend ist eine Kühleinrichtung 26 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung und wie es nachfolgend näher erläutert wird ebenfalls auf dem Gestell 12 für eine Rotation damit angebracht. Um die überschüssige Wärme von der Röhre 14 abzuführen, wird ein Kühlöl oder -fluid, wie beispielsweise das oben erwähnte UNI-VOLT Produkt von Exxon (in 1 nicht gezeigt) um die Röntgenröhre 14 umgewälzt, so daß Wärme von der Röhre auf das Kühlöl übertragen wird. Das erwärmte Öl strömt durch einen Schlauch oder eine Leitung 28 zur Kühleinrichtung 26, die Wärme von dem Öl abführt und sie auf die Luft überträgt. Das gekühlte Öl strömt dann durch einen Schlauch oder eine Leitung 30 zurück zur Röntgenröhre 14.
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Weiterhin ist in 1 die Kühleinrichtung 26 mit einer Achse Af gezeigt, die, wie nachfolgend beschrieben wird, die Achse von einem dort eingebauten Kühllüfter ist. Die Kühleinrichtung 26 ist an dem Gestell 12 fest angebracht, entweder direkt oder durch Befestigung an der Röhre 14, so daß die Achse Af in einer parallelen Relation zu der Gestellachse Ag bleibt, wenn das Gestell 12 rotiert. Signifikante Vorteile bei der Ausbildung und Beibehaltung dieser parallelen Relation zwischen den Achsen Ag und Af werden ebenfalls nachfolgend beschrieben.
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In 2 ist die Kühleinrichtung 26 gezeigt, die allgemein einen Wärmetauscher 32, einen Luftmantel 34 und einen Lüfter 36 aufweist, der ein Radiallüfter ist. Der Wärmetauscher 32 ist mit einer Einlaßöffnung 38, die mit einem Schlauch 28 verbunden ist, einer Auslaßöffnung 40, die mit einem Schlauch 30 verbunden ist, und einer Innenkammer 42 versehen. Die Kammer 42 enthält eine Rohrleitung 44, deren zwei Enden auf entsprechende Weise mit den Einlaß- und Auslaßöffnungen 38 und 40 verbunden sind. Somit bildet die Rohrleitung 44 zusammen mit den Schläuchen 28 und 30 eine geschlossene Bahn für die Strömung von Kühlöl 46 von der Röntgenröhre 14 durch den Wärmetauscher 32 und dann zurück zur Röhre 14. 2 zeigt, daß die Rohrleitung 44 so geformt ist, daß sie viele U-förmige Biegungen hat, um die Länge der Bahn der Kühlölströmung zu maximieren, die in der Kammer 42 liegt. 2 zeigt ferner ein Staubsieb 48, das über der linken Seite des Wärmetauschers 32 angeordnet ist, wenn man 2 betrachtet. Es sei bemerkt, daß verschiedene Designs für den Wärmetauscher 32 auf dem Gebiet der Röntgenröhren-Kühlstechnik bekannt sind. Weitere Einzelheiten des hier gezeigten Wärmetauschers sollen primär die Arbeitsweise von einem konventionellen Röntgenröhren-Wärmetauscher darstellen und nicht eine spezielle Vorrichtung.
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In den 2 und 3 ist die Kammer 42 des Wärmetauschers 32 gezeigt, die durch den Luftmantel 34 mit einer inneren Kammer 50 des Radiallüfters 36 verbunden ist. Wenn also der Lüfter 36 in Drehrichtung angetrieben wird, wird Luft in der durch den Pfeil 52 gezeigten Richtung in die und durch die Kammer 42 gezogen. Diese Richtung ist im wesentlichen parallel zu der Achse Af. Wenn die Luft über die entsprechenden Segmente der Rohrleitung 44 strömt, wird Wärme von dem Kühlöl 46 auf die Luft übertragen. Um die Effizienz zu maximieren, bildet der Mantel 34 eine enge Dichtung mit dem Lüfter 36 um die Öffnung in die Kammer 50 herum und auch mit dem Wärmetauscher 32 um die Öffnung in die Kammer 42.
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Weiterhin ist in den 2 und 3 gezeigt, daß der Wärmetauscher 32, der Luftmantel 34 und der Radiallüfter 36 auf entsprechende Weise durch einen Rahmen gehaltert sind, der im wesentlichen ebene Wandteile 54 und 56 aufweist. Die Wandteile 54 und 56 sind im Abstand und parallel zueinander durch Seitenteile 58 und 60 miteinander verbunden, die mit selektivem Abstand von dem Lüfter 36 angeordnet sind. Die Seitenteile 58 und 60 sind mit den Wandteilen 54 und 56 durch Schweißen, Schrauben (nicht gezeigt) oder andere geeignete Mittel verbunden. An einem Ende von jedem der Wandteile sind Schraubenlöcher 62 vorgesehen, um Schrauben (nicht gezeigt) aufzunehmen, um die Wandteile und die dadurch gehalterte Kühleinrichtung 26 an dem Gestell 12 oder der Röntgenröhre 14 zu befestigen.
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Weiterhin ist in 3 ein Motor 64 in vereinfachter Form gezeigt, der durch geeignete Mittel mit dem Wandteil 56 fest verbunden ist. Der Motor 64 ruht in einem Schacht 66, der in dem Lüfter 36 ausgebildet ist, und ist mit Statorwicklungen 68 in einem Motorgehäuse 70 versehen. Der Motor 64 ist weiterhin mit einem Rotor 72 versehen, der in dem Gehäuse 70 durch Lager 74 gelagert und mit der Achse Af ausgerichtet ist. Der Radiallüfter 36 ist mit dem Rotor 72 durch ein Verbindungsteil 76 verbunden, so daß der Lüfter durch den Rotor in Drehrichtung angetrieben wird. Das Verbindungsteil 76 haltert den Lüfter 36 so, daß die Lüfterachse die Achse Af bildet. Somit dienen entsprechende Komponenten des Motors 64 dazu, den Radiallüfter 36 von dem Wandteil 56 auskragend zu haltern, und sie ordnen die Lüfterachse Af in einer parallelen Relation zu der Gestellachse Ag an. Wenn dem Motor 64 durch einen Satz von Leitern (nicht gezeigt) elektrische Energie zugeführt wird, wird der Stator 68 erregt, um den Rotor 72 und den Lüfter 36 in Drehrichtung anzutreiben.
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Weil die Achse des Radiallüfters 36 in paralleler Relation zu der Gestellachse Ag ist, werden gyroskopische Kräfte, die durch die Gestellrotation hervorgerufen werden, nicht auf den umlaufenden Lüfter ausgeübt. Wenn diese parallele Relation nicht vorhanden wäre, würde die Gestellrotation ein Drehmoment ungleich Null auf den Lüfter, und senkrecht zur Lüfterachse, ausüben, das die Lüfterlebensdauer ernsthaft verkürzen könnte. Ein Test von einem Ausführungsbeispiel der Erfindung hat beispielsweise gezeigt, daß die parallele Anordnung zwischen den Lüfter- und Gestellachsen die Lüfterlebensdauer in der Größenordnung von dem 12fachen in bezug auf Lüfter- und Gestellachsen verlängert, die senkrecht sind oder eine andere nicht-parallele Relation haben.
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2 und 3 zeigen den Radiallüfter 36 der mit Schaufeln oder Flügeln 80 versehen ist. Wenn die Flügel 80 gedreht werden, wird eine Einlaß-Luftströmung entlang der Achse Af in den Lüfter 36 bewegt, wie es oben beschrieben wurde. Die Luft wird dann radial ausgestoßen, d. h. sie wird von dem Lüfter 36, von der Achse Af weg, nach außen bewegt, wie es durch Pfeile 78 in 3 angegeben ist.
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Durch Verwendung eines Radiallüfters anstelle eines bekannten Axiallüfters kann die Drehzahl der Lüfterrotation verringert werden, ohne die Kühlleistung signifikant zu verkleinern. Beispielsweise wurde gefunden, daß, wenn ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer verminderten Drehzahl von 1900 U/Min angetrieben wird, eine erste harmonische Geräuschkomponente von nur 315 Hz erzeugt wird. Dementsprechend ist die zweite harmonische Komponente des Geräusches mit der Größenordnung von 750 Hz ebenfalls gut unterhalb des 1000 Hz ”Störfaktor-”Schwellenwertes. Das Ausführungsbeispiel erzeugte keine Komponenten höherer Ordnung mit signifikanter Amplitude. Zur gleichen Zeit war Kühlöl, das den Wärmetauscher verließ, nur in der Größenordnung von 2°0 wärmer als seine Temperatur, wenn der Lüfter mit einer viel höheren Drehzahl betrieben wurde.
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Um den Schall bzw. Lärm weiter zu verringern, ist der mit dem Radiallüfter 36 verwendete Rahmen mit Seitenteilen 58 und 60 versehen anstelle der Streben, die bei bekannten Axiallüftern verwendet werden. Somit wird der durch die Streben hervorgerufene Flügel-Vorbeilauflärm eliminiert. Bei der Positionierung der Seitenteile 58 und 60 ist es wünschenswert, sie in einer engen Abstandsrelation zu den Rändern der Flügel 80 zu haben, um für eine ausreichende strukturelle Halterung zu sorgen und auch die Kompaktheit in der Konstruktion der Kühleinrichtung 26 zu verbessern. Ein bevorzugter Abstand S liegt in der Größenordnung von 1,0–1,5 cm. Wie am besten in 4 gezeigt ist, ruft jedoch die radial ausgestoßene Luft einen Bereich 82 von Hochdruckluft zwischen dem Lüfter 36 und jedem der Seitenteile 58 und 60 hervor. Diese Hochdruckluft strömt in Bereiche 86 mit einen geringeren Druck aufweisender Luft nahe den Rändern 90 der Seitenteile 58 und 60. Um diese Luftströmung zu glätten, die in 4 durch Pfeile 88 gezeigt ist, ist eine Biegung 92 mit einem Radius r in den zwei gegenüberliegenden Seitenrändern 90 von jedem der Seitenteile 58 und 60 gebildet. Vorzugsweise liegt dieser Biegeradius r in der Größenordnung von 5,0 Millimetern.
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In 5 ist eine Kühleinrichtung 96 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Dieses Ausführungsbeispiel weist zwei Radiallüfter 36a und 36b auf, die in koaxialer Relation entlang einer Achse Af' ausgerichtet sind. Die Kühleinrichtung 96 enthält weiterhin Wärmetauscher 32a und 32b und Luftmäntel 34a und 34b, die den Lüftern 36a bzw. 36b zugeordnet sind. Die Lüfter 36a und 36b, die Wärmetauscher 32a und 32b und die Luftmäntel 34a und 34b sind ähnlich oder gleich wie der Lüfter 36, der Wärmetauscher 32 bzw. der Luftmantel 34 der oben beschriebenen Kühleinrichtung 26. 5 zeigt weiterhin die Kühleinrichtung 96, die mit Wandteilen 54a und 56a versehen sind, die auf entsprechende Weise den Wandteilen 54 und 56 ähnlich sind, die den Lüfter 26a, den Wärmetauscher 32a und den Luftmantel 34a in gleicher Weise in einer operativen Relation halten, wie die Kühleinrichtung 26. In ähnlicher Weise tragen Wandteile 54b und 56b den Lüfter 26b, den Wärmetauscher 32b und den Mantel 34b in der gleichen Weise wie die Kühleinrichtung 26. Die Wandteile 56a und 56b sind aneinander durch obere und untere Teile 98a bzw. 98b befestigt, die die zwei Abschnitte der Kühleinrichtung 96 zu einer einzigen Struktur verbinden.
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Weiterhin ist in 5 der Schlauch 28 gezeigt, der zwei Schauchsegmente 28a und 28b speist, die auf entsprechende Weise mit der Einlaßöffnung 38a des Wärmetauschers 32a und der Einlaßöffnung 38b des Wärmetauschers 32b verbunden sind. In gleicher Weise ist der Schlauch 30 verbunden, um Kühlöl von beiden Schlauchsegmenten 30a und 30b aufzunehmen, die auf entsprechende Weise mit der Auslaßöffnung 40a des Wärmetauschers 32a und der Auslaßöffnung 40b des Wärmetauschers 32b verbunden sind. Somit wird etwa die Hälfte des von der Röntgenröhre 14 kommenden als durch jeden der Wärmetauscher 32a und 32b geleitet, um dadurch gekühlt zu werden. Somit schafft die Kühleinrichtung 26 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung die doppelte Kühlleistung der in 2 gezeigten Kühleinrichtung 26 und ist trotzdem verhältnismäßig kompakt.
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5 zeigt den Lüfter 36b, wie er von dem Wandteil 56b durch einen Motor 64b auskragend gehaltert ist, der dem Motor 64 gleich oder ähnlich ist, wobei der Lüfter 36b durch den Motor 64b angetrieben wird. Der Lüfter 36a ist auf einem Motor (nicht gezeigt) angebracht und durch diesen angetrieben, der ebenfalls ähnlich oder gleich wie der Motor 64 und an dem Wandteil 56a befestigt ist. Die Kühleinrichtung 96 ist weiterhin mit Seitenteilen 58a und 58b, die auf entsprechende Weise dem Seitenteil 58 ähnlich sind, und mit Seitenteilen 60a und 60b versehen, die auf entsprechende Weise dem Seitenteil 60 ähnlich sind.
