DE19945417A1 - Kühleinrichtung und Computertomograph mit einer Kühleinrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung für einen an einer um eine Drehachse (3) drehbaren Gantry (1) angeordneten Röntgenstrahler (2), welcher eine in einem mit Kühlmedium gefüllten Gehäuse (9) angeordnete Röntgenstrahlenquelle (5) umfaßt. Die Kühleinrichtung weist eine in wenigstens einer Windung um die Gantry (1) geführte, mit dem Gehäuse (9) des Röntgenstrahlers (2) verbundene Leitung (10) auf, wobei Kühlmedium durch die Leitung (10) und das Gehäuse (9) des Röntgenstrahlers (2) strömt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung für einen an ei­ ner um eine Drehachse drehbaren Gantry angeordneten Röntgen­ strahler, welcher eine in einen mit Kühlmedium gefülltem Ge­ häuse angeordnete Röntgenstrahlenquelle umfaßt. Die Erfindung betrifft außerdem einen eine derartige Kühleinrichtung auf­ weisenden Computertomographen.

Die bei der Erzeugung von Röntgenstrahlung mit einem Röntgen­ strahler eingesetzte elektrische Energie wird zu ca. 99% im Wärmeenergie umgewandelt. Die im Betrieb des Röntgenstrahlers anfallende Wärme muß in der Regel in irgendeiner Weise von dem Röntgenstrahler abgeführt werden, um den Röntgenstrahler über einen längeren Zeitabschnitt für radiologische Aufnahmen von einem Objekt betreiben zu können. Dies ist insbesondere dann erforderlich, wenn wie z. B. bei der Computertomographie oder der Angiographie hohe Röntgenleistungen benötigt werden.

Bei der Computertomographie kommt erschwerend hinzu, daß der Röntgenstrahler an einer sich während radiologischer Aufnah­ men um eine Drehachse drehenden Gantry angeordnet ist. Wäh­ rend dem Röntgenstrahler dabei die elektrische Energie rela­ tiv einfach über Schleifringe zuführbar ist, erweist sich die Abführung der im Betrieb des Röntgenstrahlers anfallenden Wärme als problematisch. Die bisher in der Computertomogra­ phie eingesetzten, Drehanodenröntgenröhren aufweisenden Rönt­ genstrahler arbeiten derart, daß die im Betrieb der Dreh­ anodenröntgenröhre anfallende Wärme im Anodenteller zwischen­ gespeichert und vorwiegend über Wärmestrahlung an ein die Drehanodenröntgenröhre umgebendes, in einem Gehäuse des Rönt­ genstrahlers aufgenommenes Kühl- und Isolationsöl abgegeben wird. Das Kühl- und Isolationsöl zirkuliert in der Regel in einem geschlossenen Kreislauf durch das Gehäuse des Röntgen­ strahlers und einen mit der Gantry mitrotierenden ersten Wär­ metauscher, der die Wärme aus dem Kühl- und Isolationsöl auf­ nimmt und an die die Gantry umgebende Luft abgibt. Ein rela­ tiv zu der Gantry ortsfester zweiter Wärmetauscher kühlt die erwärmte Luft um die Gantry ab und führt die aus der Luft aufgenommene Wärme z. B. an ein ortsfest installiertes Kühl­ wassersystem ab.

Als nachteilig erweist sich bei einer derartigen Anordnung zur Kühlung des Röntgenstrahlers bzw. der Drehanodenröntgen­ röhre, daß die in Reihe liegenden Öl/Luft- und Luft/Wasser- Wärmetauscher wegen der geringen Wärmekapazität der Luft und wegen des nur geringen zulässigen Temperaturhubs der Luft in der Gantry recht voluminös ausgeführt werden müssen. Wird im Betrieb des Computertomographen die maximal zulässige Anla­ gentemperatur erreicht, führt dies zu langen Zwangspausen, in denen der Computertomograph nicht betrieben werden kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kühlein­ richtung der eingangs genannten Art derart auszuführen, daß die Kühlung des Röntgenstrahlers verbessert wird. Eine wei­ tere Aufgabe der Erfindung betrifft die Ausgestaltung eines Computertomographen derart, daß die Kühlung eines an einer Gantry angeordneten Röntgenstrahlers verbessert wird.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch eine Kühl­ einrichtung für einen an einer um eine Drehachse drehbaren Gantry angeordneten Röntgenstrahler, welcher eine in einem mit Kühlmedium gefüllten Gehäuse angeordnete Röntgenstrahlen­ quelle umfaßt, aufweisend eine in wenigstens einer Windung um die Gantry geführte und mit dem Gehäuse des Röntgenstrahlers verbundene Leitung, wobei Kühlmedium durch die Leitung und das Gehäuse des Röntgenstrahlers strömt. Erfindungsgemäß ist also zur verbesserten Kühlung des Röntgenstrahlers eine mit der Gantry rotierende, von Kühlmedium durchströmte Leitung, welches Kühlmedium auch das Gehäuse des Röntgenstrahlers durchströmt, in wenigstens einer Windung um die Gantry ge­ führt. Beim Strömen des Kühlmediums durch das Gehäuse des Röntgenstrahlers nimmt das Kühlmedium die im Betrieb des Röntgenstrahlers von der Röntgenstrahlenquelle erzeugte Wärme auf und gibt diese kontinuierlich beim Durchströmen der Lei­ tung an die die Gantry umgebende Luft als auch an die Gantry selbst ab, deren relativ große Oberfläche zur Abkühlung des Kühlmediums und deren Wärmekapazität zur Zwischenspeicherung der Wärme genutzt wird. Wenn die Gantry, wie allgemein üb­ lich, ringförmig ausgebildet ist, ist die Leitung vorzugs­ weise längs des äußeren Umfangs der Gantry angeordnet. Die Leitung kann jedoch beispielsweise auch entlang einer der Seitenflächen der Gantry geführt sein. Vorzugsweise ist die Leitung in mehreren Windungen um die Gantry geführt, so daß sich aufgrund des dadurch ergebenden größeren Volumens für das Kühlmedium in der Leitung sowie der größeren zur Kühlung zur Verfügung stehenden Oberfläche die Kühlleistung und die Wärmekapazität der Kühleinrichtung deutlich erhöhen läßt. Be­ dingt durch die effektive Kühlung des Röntgenstrahlers kann dessen Lastzyklus demnach deutlich verlängert werden.

Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfin­ dung ist das durch die Leitung strömende Kühlmedium das Kühl­ medium des Röntgenstrahlers. Auf diese Weise ist keine Tren­ nung zwischen dem im Gehäuse des Röntgenstrahlers aufgenomme­ nen Kühlmedium und dem durch die Leitung und das Gehäuse des Röntgenstrahlers strömenden Kühlmedium erforderlich. Vielmehr kann gemäß einer Variante der Erfindung das in dem Gehäuse des Röntgenstrahlers von der Röntgenstrahlenquelle erwärmte Kühlmedium unmittelbar mittels einer Pumpe durch die Leitung gepumpt werden, so daß stets eine Zirkulation des Kühlmediums durch die Leitung und den Röntgenstrahler sichergestellt ist.

Eine Variante der Erfindung sieht vor, daß die Kühleinrich­ tung einen dem Röntgenstrahler zugeordneten, mit der Gantry rotierenden Wärmetauscher aufweist, wobei die Leitung mit dem Wärmetauscher verbunden ist und das Kühlmedium auch durch den Wärmetauscher strömt. Durch das Vorsehen eines von Kühlmedium durchströmten Wärmetauschers läßt sich die Kühlleistung der Kühleinrichtung nochmals auf vorteilhafte Weise erhöhen.

Gemäß einer Variante der Erfindung ist die Leitung eine Well­ schlauchleitung, welche vorzugsweise direkt auf der Gantry aufliegt. Auf diese Weise kann der Wärmeübergang von dem durch die Wellschlauchleitung strömenden Kühlmedium auf die die Gantry umgebende Luft sowie auf die Gantry selbst verbes­ sert werden.

Die weitere Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch einen Computertomographen, welche eine der erfindungsgemäßen Kühl­ einrichtungen aufweist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den beigefügten schematischen Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Kühleinrichtung,

Fig. 2 in teilweiser geschnittener Darstellung eine Ansicht der Kühleinrichtung aus Fig. 1 in Richtung des Pfeiles II in Fig. 1 und

Fig. 3 Temperaturverläufe eines durch eine erfindungsgemäße Kühleinrichtung und eines durch eine bekannte Kühl­ einrichtung strömenden Kühlmediums.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Kühleinrichtung für einen an einer ringförmig ausgebildeten Gantry 1 eines in seiner Gesamtheit nicht näher dargestellten Computertomographen an­ geordneten Röntgenstrahler 2. Die Gantry 1 ist in nicht näher dargestellter Weise um eine Drehachse 3 drehbar an einem re­ lativ zu der Gantry 1 stationären Teil 4 des Computertomogra­ phen gelagert.

Der an der Gantry 1 angeordnete Röntgenstrahler 2 weist eine in einem Gehäuse 9 aufgenommene Röntgenstrahlenquelle in Form einer Drehkolbenröhre 5 auf, welche ein ein Meßfeld 6 durch­ dringendes fächerförmiges Röntgenstrahlenbündel 7 in Richtung auf einen dem Röntgenstrahler 2 gegenüberliegend an der Gan­ try 1 angeordneten Röntgenstrahlendetektor 8 aussendet. Das Gehäuse 9 des Röntgenstrahlers 2 ist im Falle des vorliegen­ den Ausführungsbeispiels mit einem die Drehkolbenröhre 5 um­ gebenden Kühl- und Isolationsöl gefüllt, welches im Betrieb des Computertomographen die von der Drehkolbenröhre 5 im Zuge der Erzeugung von Röntgenstrahlung abgegebene Verlustwärme aufnimmt.

Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist um die äu­ ßere Umfangsfläche der ringförmigen Gantry 1 eine Leitung 10 aus Kupferrohren runden Querschnitts in vier Windungen ge­ führt, welche auf der Umfangsfläche der Gantry 1 aufliegt. Die Leitung 10 verbindet das Gehäuse 9 des Röntgenstrahlers 2, eine Pumpe 11, ein Ausdehnungsgefäß 12 und einen an sich bekannten, an der Gantry 1 angeordneten Öl-Luft-Wärmetauscher 13 miteinander, so daß sich ein geschlossener Kreis ergibt, in dem ein Kühlmedium im Falle des vorliegenden Ausführungs­ beispiels das Kühl- und Isolationsöl des Röntgenstrahlers 2 zirkulieren kann.

Im Betrieb des Computertomographen saugt die in nicht darge­ stellter Weise von einer Steuereinheit des Computertomogra­ phen angesteuerte Pumpe 11 aus dem Gehäuse 9 des Röntgen­ strahlers 2 von der Röntgenstrahlenquelle 5 erwärmtes Kühl- und Isolationsöl an und pumpt es durch die verhältnismäßig lange Leitung 10. Die gewählte Anordnung der Pumpe 11 wirkt sich dabei günstig auf die Pumpleistung aus, da das Kühl- und Isolationsöl infolge der Erwärmung im Röntgenstrahler 2 eine vergleichsweise niedrige Viskosität aufweist.

Das durch die Leitung 10 strömende Kühl- und Isolationsöl gibt Wärme an die in einem Spalt 14 zwischen der Gantry 1 und dem stationären Teil 4 vorhandene Luft sowie an die Gantry 1 ab, deren Oberfläche zur Kühlung des Kühl- und Isolationsöls und deren Wärmekapazität zur Zwischenspeicherung von von dem Kühl- und Isolationsöl abgegebener Wärme genutzt wird. Der Wärmeübergangskoeffizient von glattem Kupferrohr zur Luft be­ trägt dabei bei einer Rotationsgeschwindigkeit von ca. 2 Um­ drehungen/s und bei einem Durchmesser der Gantry 1 von ca. 1,5 m mindesten 25 W/m²K.

Zusätzlich strömt das Kühl- und Isolationsöl durch das Aus­ dehnungsgefäß 12 und den Öl-Luft-Wärmetauscher 13, welcher dem Kühl- und Isolationsöl die Restwärme entziehen soll, be­ vor das Kühl- und Isolationsöl über die Leitung 10 zurück in das Gehäuse 9 des Röntgenstrahlers 2 strömt, um erneut Wärme aufzunehmen.

In Fig. 3 sind zwei simulierte Temperaturverläufe von in zwei verschiedenen Kühleinrichtungen zirkulierendem Kühl- und Iso­ lationsöl über der Zeit für einen typischen Lastzyklus von ca. 100 Sekunden Strahlungsdauer eines an einem Computertomo­ graphen angeordneten Röntgenstrahlers gezeigt. Der Tempera­ turverlauf A gehört zu einer bekannten Kühleinrichtung, wel­ che einen mit einem Röntgenstrahler verbundenen, mit der Gan­ try mitrotierenden Wärmetauscher umfaßt, wobei das Kühl- und Isolationsöl zur Kühlung des Röntgenstrahlers durch den Rönt­ genstrahler und den Wärmetauscher zirkuliert. Der Temperatur­ verlauf B gehört zu der in Fig. 1 und 2 dargestellten Kühlein­ richtung, welche im Unterschied zu der bekannten Kühleinrich­ tung zusätzlich die in vier Windungen um die Gantry 1 ge­ führte Leitung 10 aus 20 mm Kupferrohr aufweist, wobei das Kühl- und Isolationsöl, wie bereits erwähnt, durch den Rönt­ genstrahler 2, die Leitung 10 und den Wärmetauscher 13 zirku­ liert. Die Simulation beruht auf den Annahmen, daß die Mes­ sungen der Temperatur an gleichen Stellen in den Röntgen­ strahlern der beiden Anordnungen erfolgt, und daß die Rönt­ genstrahler sowie die Wärmetauscher der beiden Anordnungen gleichen Typs sind und die gleichen Leistungswerte aufweisen. Die relative Kühlleistung des Wärmetauschers wurde beispiels­ weise mit 0,14 KW/K angenommen.

Die simulierten Temperaturverläufe A und B des durch die bei­ den Kühleinrichtungen zirkulierenden Kühl- und Isolationsöls zeigen deutlich, daß die maximal auftretende Temperatur des in der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung zirkulierenden Kühl- und Isolationsöls deutlich unter der maximal auftretenden Temperatur des durch die bekannte Kühleinrichtung zirkulie­ renden Kühl- und Isolationsöls liegt. Somit wird deutlich, daß mit der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung eine effekti­ vere Kühlung des Röntgenstrahlers erzielt wird, wodurch die Strahlerdauerleistung erhöht werden kann.

Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels weist die Kühleinrichtung neben der um die Gantry 1 geführten Leitung 10 zusätzlich einen Wärmetauscher 13 auf. Der Wärmetauscher 13 muß jedoch nicht notwendigerweise vorhanden sein. Vielmehr kann die Kühlung des Kühl- und Isolationsöls auch nur mit Hilfe der um die Gantry 1 geführten Leitung 10 bewerkstelligt werden.

Des weiteren muß das in dem Gehäuse 9 des Röntgenstrahlers 2 enthaltene Kühlmedium nicht notwendigerweise mit dem durch die Leitung 10 strömenden Kühlmedium identisch sein. Vielmehr ist es denkbar, daß ein von dem in dem Gehäuse 9 des Röntgen­ strahlers 2 vorhandenen verschiedenes Kühlmedium durch die Leitung 10 strömt, wobei in diesem Fall die Leitung 10 zur Vermeidung der Mischung der Kühlmedien, beispielsweise spi­ ralförmig, durch das Gehäuse 9 des Röntgenstrahlers 2 geführt ist.

Im Unterschied zum vorstehend beschriebenen Ausführungsbei­ spiel der Erfindung kann die Leitung statt einem runden Rohr­ querschnitt auch einen anderen, die Oberfläche für den Wärme­ übergang vergrößernden Rohrquerschnitt aufweisen. Beispiels­ weise kann die Leitung eine Wellschlauchleitung sein, bei der die Oberfläche für den Wärmeübergang sowohl zwischen dem Kühlmedium und der die Gantry umgebenden Luft als auch zwi­ schen dem Kühlmedium und der Gantry selbst vergrößert ist.

Claims (6)

1. Kühleinrichtung für einen an einer um eine Drehachse (3) drehbaren Gantry (1) angeordneten Röntgenstrahler (2), wel­ cher eine in einem mit Kühlmedium gefüllten Gehäuse (9) ange­ ordnete Röntgenstrahlenquelle (5) umfaßt, aufweisend eine in wenigstens einer Windung um die Gantry (1) geführte und mit dem Gehäuse (9) des Röntgenstrahlers (2) verbundene Leitung (10), wobei Kühlmedium durch die Leitung (10) und das Gehäuse (9) des Röntgenstrahlers (2) strömt.

2. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, bei der das durch die Leitung (10) strömende Kühlmedium das Kühlmedium des Röntgen­ strahlers (2) ist.

3. Kühleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der eine Pumpe (11) vorgesehen ist, welche das Kühlmedium durch die Leitung (10) pumpt.

4. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, welche einen dem Röntgenstrahler (2) zugeordneten, mit der Gantry (1) rotierenden Wärmetauscher (13) aufweist, wobei die Lei­ tung (10) mit dem Wärmetauscher (13) verbunden ist und das Kühlmedium auch durch den Wärmetauscher (13) strömt.

5. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Leitung (10) eine Wellschlauchleitung ist.

6. Computertomograph mit einer Gantry (1) aufweisend eine Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5.