EP0268516B1 - Dispositif de refroidissement d'une source radiogène - Google Patents
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- EP0268516B1 EP0268516B1 EP87402390A EP87402390A EP0268516B1 EP 0268516 B1 EP0268516 B1 EP 0268516B1 EP 87402390 A EP87402390 A EP 87402390A EP 87402390 A EP87402390 A EP 87402390A EP 0268516 B1 EP0268516 B1 EP 0268516B1
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- H05G1/04—Mounting the X-ray tube within a closed housing
Definitions
- the invention relates to a device for cooling an X-ray source, of the type in which an X-ray tube is cooled using a fluid which is put into forced circulation (see document: PATENT ABSTRACTS OF JAPAN, vol. 8, no.44 (E-229) [1481], 25 February 1984; & JP-A-58 198 899 (HITACHI SEISAKUSHO KK) 18-11-1983).
- An X-ray source consists of an X-ray tube contained in an equipped sheath.
- the sheath provides protection against X-rays, electrical and mechanical shocks.
- the X-ray source further comprises a system for cooling the X-ray tube and the equipped sheath; this cooling being imposed by the fact that the electrical energy used to produce X-rays is transformed into X-rays with a yield of the order of 1%, that is to say that 99% of this energy is transformed into heat inside the source.
- the frame rates are very high and can correspond to an average dissipation power of several thousand watts.
- the cooling systems are much more important, and their efficiency conditions the operation and the performance of these radiodiagnostic installations where the thermal load of the radiogenic source is very high.
- the most common cooling method when the thermal load is high, consists in cooling the X-ray tube using a fluid already contained in the sheath to provide electrical insulation; this fluid being oil for example.
- the fluid or oil is forced into circulation around the X-ray tube, and outside the sheath where it passes through a cooling circuit which includes a heat exchanger: the fluid or oil, having received the heat produced by the X-ray tube , is cooled in turn when it passes through the heat exchanger; the heat exchanger being for example of the oil exchanger type or else of the type comprising a second circuit in which a second cooling fluid circulates, water for example.
- the X-ray tube and the sheath are cooled by the oil which circulates in the sheath, the oil itself being cooled thanks to the heat exchanger whose dimensions must allow the heat produced by the power dissipated during a operating cycle of the X-ray source.
- an operating cycle is formed of two consecutive periods of which the first corresponds to an intensive operation of the radiogenic source called time of examination, and whose second is called time of rest and corresponds when the operation of the latter stops.
- time of examination an intensive operation of the radiogenic source
- time of rest a second is called time of rest and corresponds when the operation of the latter stops.
- the examination of a patient requires a large number of linked sectional views, so that during the examination time, the thermal load regime is very high; then between two examinations of patients, that is to say during the rest time no heating is brought to the radiogenic source.
- the heat exchangers used in the prior art are oversized with respect to the power dissipated during an operating cycle. As a result, these heat exchangers have the disadvantages, in addition to a high cost, a large size and weight which lead to the use of heavy and complex mechanical means to make the sheath mobile.
- the solution consists in increasing the heat capacity ⁇ of the assembly formed by the sheath and the cooling circuit. , by increasing the volume of the fluid or oil which is used to cool the sheath and the X-ray tube.
- This solution apart from increasing the volume and the weight of the assembly, has the drawback of reducing the efficiency of the heat exchanger.
- the quantity of heat which it makes it possible to dissipate is proportional to the temperature difference between the fluid or the oil which passes through the heat exchanger and the outside air.
- the present invention relates to a device for cooling an X-ray source, making it possible to obtain efficient cooling of the sheath and the X-ray tube with a small volume of fluid or oil used to cool the sheath and the X-ray tube, while using a heat exchanger of small dimensions compared to the prior art.
- This is obtained by a new arrangement of means which makes it possible, in particular, to carry out a storage of heat during the examination, then a restitution of this heat to the heat exchanger between examinations, so that the heat exchanger functions, in the best conditions, at a regime close to continuous.
- a cooling device for an X-ray source comprising a sheath containing an X-ray tube operating with a higher thermal load during an examination time than during a rest time which follows the examination time, the sheath further containing a fluid to which the X-ray tube gives up its heat, the fluid being forced into circulation in a given direction in the sheath and in a cooling circuit comprising a heat exchanger, the heat stored by the fluid being partially removed the heat exchanger according to a first amount of heat, a second amount of the heat stored by the fluid tending to raise the temperature of the sheath-cooling circuit assembly, is characterized in that the cooling circuit comprises means for, on the one hand, storing a third quantity of heat stored by the fluid when the latter reaches a predetermined temperature, and on the other hand, for restoring this third quantity of heat to the heat exchanger via the fluid during the rest time which follows the examination time.
- FIG. 1 shows a cooling device 1 intended to cool an X-ray source 2.
- the X-ray source 2 comprises a sheath 3 containing in a conventional manner an X-ray tube 4.
- the X-ray tube 4 is of a conventional type, and comprises a vacuum-tight envelope 5, a first end 6 of which carries a cathode 7 disposed opposite an anode disc 8, the anode disc constituting in the nonlimiting example described, a rotating anode.
- the anode disc 8 is secured along its axis of symmetry 9.
- the cathode 7 and the anode 8 are electrically connected respectively on the side of the first end 6 and the second end 11 of the casing 5, to a first and to a second high-voltage end 14,15 mounted conventionally on the sheath 3 of way out of the latter without compromising its tightness.
- the high voltage ends 14,15 are intended to be connected in a known manner to one or more electrical sources (not shown); the other electrical connections necessary for the operation of the X-ray tube 4 being also known, and not participating in the invention, they are not shown in the figure.
- the cathode 7 When the X-ray tube 4 is in operation, the cathode 7 generates an electron beam 19 which bombards the anode 8 at a point where it forms a focal point 16 from which X-rays are emitted; these X-rays form a beam 17 which leaves the sheath 3 through an outlet window 18.
- the heat generated in the anode 8 by the bombardment of the electron beam 19 is transferred to the envelope 5, conventionally, mainly by thermal radiation from the anode 8.
- the sheath 3 contains a fluid 20 in which the envelope of the X-ray tube bathes.
- the fluid 20 is conventionally constituted by oil, the primary function of which is to provide electrical insulation in the sheath 3, which in the non-limiting example described, has the second function of cooling the X-ray tube 4; the fluid 20 or oil being called oil in the following description to simplify the latter.
- the sheath 3 has at each of these two opposite ends 21, 22 an orifice 23, 24 by which it communicates with a cooling circuit 25 in which the oil 20 is forced into circulation, so as to be cooled outside the sheath 3 after receiving heat produced by the X-ray tube 4.
- the cooling circuit 25 comprises on the one hand a pump 26 of a conventional type, intended to force the circulation of the oil 20, and on the other hand comprises a heat exchanger 27 of a type in itself conventional also .
- the heat exchanger 27 is of the oil-air type, that is to say that the oil 20 which passes through the heat exchanger transfers its heat to the ambient air.
- the heat exchanger 27 can for example be constituted by a radiator comprising a coil (not shown) provided with fins, and the oil 20 passing through this coil gives off heat to the ambient air by convection; this convection can be favored by a fan (not shown).
- the cooling circuit further comprises means 28 for storing heat stored by the oil 20 before it passes through the heat exchanger 27.
- an expansion device 31 is disposed between the sheath 3 and the means 28 intended to store the heat.
- the expansion device 31 makes it possible to compensate for expansions of the oil 20 by a modification of its volume; this expansion device 31 being of a type known per se.
- a second pipe 32 connects the means 28 for storing heat to an inlet 33 of the heat exchanger 27, the outlet 34 of which is connected by a third pipe 35 to the inlet 36 of the pump 26; an outlet 37 of the pump 26 being connected by a fourth pipe 38 to the inlet of the sheath 3, that is to say to the second orifice 24 which is disposed on the side of the cathode 7.
- the pump 26 determines at the oil 20 a direction of circulation, represented in FIG.
- the means 28 for storing heat have the function of storing heat stored by the oil 20 in contact with the X-ray tube 4. But, according to another characteristic of the invention, this function is only ensured from time when the oil temperature 20 a reaches a predetermined value when the oil 20 passes through the means 28 for storing the heat; that is to say that the means 28 for storing heat plays the role of a thermal flywheel whose action is controlled with a temperature threshold.
- the means 28 for storing heat comprise a second heat exchanger 41.
- the second heat exchanger 41 delimits an enclosed volume in which the fusion of a solid body C under the effect of the heat transferred to the second heat exchanger 41 by the oil 20.
- the second heat exchanger 41 comprises a coil 42 in which the oil 20 to be cooled circulates.
- the coil 42 is provided with fins 43 which form partitions, the interlacing of which constitutes cells 44 which are filled with the body C, symbolized in the figure by a cloud of points.
- the nature of the body C is chosen so that its melting point is close to the predetermined temperature which in the nonlimiting example described corresponds to the maximum temperature which is desired for the oil 20 in the sheath 3.
- the body C is also chosen to have a sufficiently high latent heat of fusion, of at least 10 calories per gram for example, so as to allow, from its fusion, to store a lot of heat in a small volume.
- the body C can be constituted for example by stearic acid which melts at 70 ° C and has latent heat of fusion of the order of 50 calories per gram.
- the fusion of the body C also makes it possible on the one hand to store a large amount of heat during the examination time T1 where the X-ray tube 4 operates with a high thermal load, and on the other hand allows this heat to be restored to the first heat exchanger 27, that is to say the oil 20, during the rest time T2 when the X-ray tube 4 operates with a reduced or zero thermal load, by the fact that the body C resolidifies and restores the heat that 'it accumulated during its merger.
- the heat produced by the X-ray tube 4 is transferred to the oil during this examination time, and this heat is divided into two quantities Q1, Q2: the first quantity Q1 is removed by the first heat exchanger 27 during the exam time T1; the second quantity of heat Q2 raises the temperature of the assembly formed by the sheath 3 and the entire cooling circuit 25, as long as the melting of the body C has not occurred.
- the melting of the body C occurs, the latter absorbs calories as a function of its latent heat of fusion, so that the temperature of the oil 20 at the inlet 33 of the first heat exchanger is substantially stabilized at the same temperature as the body melting temperature C.
- FIG. 2 illustrates this operation by a diagram which shows the variations in the temperature ⁇ of the oil 20 at the inlet 33 of the first heat exchanger, as a function of time T, by a first curve 50.
- the oil temperature 20 at instant to where the examination time T1 begins at a high thermal load regime is at a starting temperature ⁇ 1 between the temperature ⁇ o of the ambient area and the maximum temperature ⁇ m of the oil 20 in the sheath 3.
- the temperature of the oil 20 increases from instant to at a second instant t1 where it reaches the melting temperature ⁇ f.
- this fusion absorbs a third quantity of heat Q3 which corresponds to the calories that the X-ray tube 4 gives up to the oil 20 when the latter has reached the maximum temperature ⁇ m; so that the temperature of the oil 20 at the inlet of the first heat exchanger 27 is kept substantially constant at the same value as the melting temperature ⁇ f; the melting temperature ⁇ f may be a few degrees C lower than the maximum temperature ⁇ m of the oil 20 in the sheath 3.
- the oil 20 maintains a temperature close to the melting temperature ⁇ f after the end, at a third instant t2 of the examination time T1. Indeed, from the third instant t2 which also corresponds to the start of the rest time T2, the X-ray tube 4 no longer produces heat, and the temperature of the oil 20 at the outlet of the sheath 3 decreases. As a result, the body C tends to re-solidify and gives back to the oil 20 the heat which it has stored during the examination time T1. It follows that the temperature of the oil 20 at the inlet of the first heat exchanger 27, retains substantially the same temperature as the melting temperature ⁇ f until a fourth instant t3 when the body C is fully resolidified. From this instant t4, the temperature of the oil 20 at the inlet of the first heat exchanger 27 decreases to reach the starting temperature ⁇ 1 at a fifth instant t4.
- a second curve 51 shown in dotted lines in FIG. 2 illustrates the operation of a cooling device according to the prior art.
- the oil which has received heat from an X-ray tube must be cooled by a cooler, for example of the same type as the first heat exchanger 27.
- a cooler for example of the same type as the first heat exchanger 27.
- the temperature of this oil increases, from the starting temperature ⁇ 1, up to to reach the maximum temperature ⁇ m admissible in the sheath at the third instant t2, then decreases until finding the starting temperature ⁇ 1.
- the heat capacity equivalent to ⁇ of the sheath-cooling circuit assembly 3-25 is much lower than in the prior art , from which it results, on the one hand, a significant reduction in weight and size, and from where it results, on the other hand, that the maximum temperature ⁇ m is reached very largely before the end of the time of T1 exam.
- Another advantage provided by the invention resides in the fact that it is not necessary to wait until the oil 20 has returned to the starting temperature ⁇ 1 to start a new examination time T1, it is that is to say to put the X-ray tube 4 back into operation with a high thermal load.
- it is necessary that the oil is at the temperature of departure to start a new examination since the maximum temperature ⁇ m would be reached more quickly, and that in order not to exceed this maximum temperature ⁇ m it would be necessary to shorten the duration of the examination time.
- Yet another advantage provided by the invention is that by maintaining an almost constant oil temperature, the effects of thermal expansion are minimized.
- This description constitutes a nonlimiting example, which shows that a cooling device for an X-ray source in accordance with the invention makes it possible to obtain, compared to the prior art, much more efficient and safer cooling, while reducing significantly both the size and the weight of the sheath 3, of the heat exchanger 27 and of the oil 20.
- the products capable of constituting the body C are numerous, and are chosen in particular according to the power dissipated during the examination time, the duration of the examination time and the maximum desired temperature of the oil in the sheath 3 So, for example, if it is accepted that the temperature of the oil 20 in the sheath 3 can rise to around 110 ° C., the body C can be methyl fumarate, the density of which is 1.37. and the melting point is at 102 ° C, with a latent heat of fusion of 60 calories per gram: if we consider a volume of seven liters of this body, these seven liters can store once reached the temperature of 102 ° C, approximately 2,353,000 Joules.
- One liter of oil can store around 400 calories per degree and, for a temperature rise from 50 ° C to 100 ° C, one liter of oil can store 20,000 calories, i.e. 84,000 Joules.
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Description
- L'invention concerne un dispositif de refroidissement d'une source radiogène, du type dans lequel un tube radiogène est refroidi à l'aide d'un fluide qui est mis en circulation forcée (voir document: PATENT ABSTRACTS OF JAPAN, vol. 8, no.44 (E-229)[1481], 25 février 1984; & JP-A-58 198 899 (HITACHI SEISAKUSHO K.K.) 18-11-1983).
- Une source radiogène est constituée d'un tube à rayons X contenu dans une gaine équipée. La gaine permet d'assurer la protection aux rayons X, aux chocs électriques et mécaniques. De plus en plus souvent, la source radiogène comprend en outre un système pour refroidir le tube radiogène et la gaine équipée; ce refroidissement étant imposé par le fait que l'énergie électrique utilisée pour produire des rayons X est transformée en rayonnement X avec un rendement de l'ordre de 1 %, c'est-à-dire que 99 % de cette énergie est transformée en chaleur à l'intérieur de la source.
- Dans les applications radiologiques très peu chargées, c'est-à-dire où les cadences de prise des clichés sont faibles et correspondent à une puissance moyenne de dissipation de l'ordre de 200 Watts, les phénomènes de convection naturelles suffisent pour assurer le refroidissement ; un petit ventilateur proche de la gaine permettant d'augmenter encore la convection autour de cette dernière de sorte à atteindre environ 400 Watts.
- Avec les techniques modernes de radiodiagnostics, comme par exemple avec les examens vasculaires, le radiocinéma, ou le scanner, les cadences de prises de clichés sont très élevées et peuvent correspondre à une puissance moyenne de dissipation de plusieurs milliers de watts. Pour de telles applications radiologiques, les systèmes de refroidissement sont beaucoup plus importants, et leur efficacité conditionne le fonctionnement et les performances de ces installations de radiodiagnostics où la charge thermique de la source radiogène est très élevée.
- La méthode de refroidissement la plus répandue, quand la charge thermique est élevée, consiste à refroidir le tube radiogène en utilisant un fluide déjà contenu dans la gaine pour assurer l'isolation électrique ; ce fluide étant de l'huile par exemple. Le fluide ou huile est mis en circulation forcée autour du tube radiogène, et à l'extérieur de la gaine où il passe dans un circuit de refroidissement qui comporte un échangeur thermique : le fluide ou huile, ayant reçu la chaleur produite par le tube radiogène, est refroidi à son tour quand il passe dans l'échangeur thermique ; l'échangeur thermique étant par exemple du type échangeur huileair ou encore du type comportant un second circuit dans lequel circule un second fluide refroidisseur, de l'eau par exemple.
- Ainsi le tube radiogène et la gaine sont refroidis par l'huile qui circule dans la gaine, l'huile étant elle-même refroidie grâce à l'échangeur thermique dont les dimensions doivent permettre d'évacuer la chaleur produite par la puissance dissipée durant un cycle de fonctionnement de la source radiogène.
- En radiologie, et surtout dans les utilisations de scanner, un cycle de fonctionnement est formé de deux périodes consécutives dont la première correspond à un fonctionnement intensif de la source radiogène appelé temps d'examen, et dont la seconde est appelée temps de repos et correspond à un arrêt du fonctionnement de cette dernière. Avec le scanner, l'examen d'un patient nécessite un grand nombre de vues de coupe enchaînées, de sorte que pendant le temps l'examen, le régime de charge thermique est très élevé ; puis entre deux examens de malades, c'est-à-dire durant le temps de repos aucun échauffement n'est apporté à la source radiogène. Il en résulte que les échangeurs thermiques utilisés dans l'art antérieur sont surdimensionnés par rapport à la puissance dissipée durant un cycle de fonctionnement. Par suite, ces échangeurs thermiques présentent comme inconvénients, en plus d'un coût élevé, un encombrement et un poids importants qui conduisent à utiliser des moyens mécaniques lourds et complexes pour rendre la gaine mobile.
- Avec cette méthode, l'huile en traversant la gaine reçoit, durant le temps d'examen, une quantité de chaleur Q qui est partagée en deux parties Q1,Q2 : la première partie Q1 est évacuée par l'échangeur thermique durant le temps d'examen ; la seconde partie Q2 élève la température de l'ensemble gaine-circuit de refroidissement d'une valeur ϑ telle que:
ϑ =
où µ est la capacité calorifique équivalente de l'ensemble. - Il est à remarquer que dans l'art antérieur, pour ne pas conduire à des dimensions tout à fait inadmissibles de l'échangeur thermique, la solution consiste à augmenter la capacité calorifique µ de l'ensemble formé par la gaine et le circuit de refroidissement, en augmentant le volume du fluide ou huile qui sert à refroidir la gaine et le tube radiogène. Cette solution, outre qu'elle conduit à augmenter le volume et le poids de l'ensemble, présente l'inconvénient de diminuer l'efficacité de l'échangeur thermique.
- En effet, en supposant pour l'exemple que l'échangeur thermique soit du type huile-air extérieur, en première approximation, la quantité de chaleur qu'il permet de dissiper est proportionnelle à la différence de température entre le fluide ou l'huile qui passe dans l'échangeur thermique et l'air extérieur.
- D'autre part, la montée en température de l'ensemble à partir d'une température de départ ϑ 1, jusqu'à une température maximum admissible ϑ m s'écrit:
- Il ressort de la première relation (1) ci-dessus que le coefficient d'échange α doit être aussi grand que possible pour limiter la montée en température de l'ensemble, le coefficient α étant limité d'une part par la dimension de l'échangeur thermique, et limité d'autre part par la température maximum admissible de l'ensemble.
- Il apparaît également de la seconde relation (2) ci-dessus, que plus la capacité calorifique µ est élevée, plus l'élévation en température est lente. Aussi, dans l'art antérieur, l'augmentation de la capacité calorifique µ qui est réalisée pour limiter les dimensions de l'échangeur thermique, est telle que la température maximum admissible est atteinte à la fin du temps d'examen T1. Il en résulte que c'est seulement à la fin du temps d'examen T1 que le coefficient d'échange α est le plus grand : ceci conduit à augmenter les dimensions de l'échangeur de sorte qu'une partie du bénéfice apporté par l'augmentation du volume d'huile est perdue.
- La présente invention concerne un dispositif de refroidissement d'une source radiogène, permettant d'obtenir un refroidissement efficace de la gaine et du tube radiogène avec un faible volume de fluide ou huile servant à refroidir la gaine et le tube radiogène, tout en utilisant un échangeur thermique de faibles dimensions par rapport à l'art antérieur. Ceci est obtenu par un agencement de moyens nouveau qui permet, notamment, de réaliser un stockage de chaleur pendant l'examen, puis une restitution de cette chaleur à l'échangeur thermique entre les examens, de façon que l'échangeur thermique fonctionne, dans les meilleurs conditions, à un régime proche du continu.
- Selon l'invention, un dispositif de refroidissement pour une source radiogène, comportant une gaine contenant un tube radiogène fonctionnant avec une charge thermique plus élevée durant un temps d'examen que durant un temps de repos qui suit le temps d'examen, la gaine contenant en outre un fluide auquel le tube radiogène cède sa chaleur, le fluide étant mis en circulation forcée suivant un sens donné dans la gaine et dans un circuit refroidisseur comportant un échangeur thermique, la chaleur emmagasinée par le fluide étant pa rtiellement évacuée l'échangeur thermique selon une première quantité de chaleur, une seconde quantité de la chaleur emmagasinée par le fluide tendant à élever la température de l'ensemble gaine-circuit de refroidissement, est caractérisé en ce que le circuit de refroidissement comporte des moyens pour, d'une part, stocker une troisième quantité de chaleur emmagasinée par le fluide quand ce dernier atteind une température prédéterminée, et d'autre part, pour restituer cette troisième quantité de chaleur à l'échangeur thermique par l'intermédiaire du fluide durant le temps de repos qui suit le temps d'examen.
- L'invention sera mieux comprise grâce à la description qui suit, faite à titre d'exemple non limitatif, et en référence aux deux figures annexées parmi lesquelles:
- la figure 1 représente de manière schématique un dispositif de refroidissement selon l'invention ;
- la figure 2 est un diagramme qui illustre le fonctionnement du dispositif de refroidissement de l'invention.
- La figure 1 montre un dispositif de refroidissement 1 destiné à refroidir une source radiogène 2. La source radiogène 2 comporte une gaine 3 contenant d'une manière conventionnelle un tube radiogène 4. Le tube radiogène 4 est d'un type classique, et comporte une enveloppe 5 étanche au vide, dont une première extrémité 6 porte une cathode 7 disposée en face d'un disque d'anode 8, le disque d'anode constituant dans l'exemple non limitatif décrit, une anode tournante. Le disque d'anode 8 est solidarisé selon son axe de symétrie 9. à un rotor 10 qui est lui-même porté par la seconde extrémité 11 de l'enveloppe 5, l'intermédiaire d'un axe support 12 ; la rotation du rotor 10 et du disque d'anode 8 autour de l'axe de symétrie 9, est assurée par un stator 13 disposé à l'extérieur de l'enveloppe 5. La cathode 7 et l'anode 8 sont reliées électriquement respectivement du côté de la première extrémité 6 et de la seconde extrémité 11 de l'enveloppe 5, à un premier et à un second embout 14,15 haute tension montés de manière classique sur la gaine 3 de manière à sortir de cette dernière sans compromettre son étanchéité. Les embouts haute tension 14,15 sont destinés à être connectés d'une manière connue à une ou des sources électriques (non représentées) ; les autres connexions électriques nécessaires au fonctionnement du tube radiogène 4 étant également connues, et ne participant pas à l'invention, elles ne sont pas représentées sur la figure.
- Quand le tube radiogène 4 est en fonctionnement, la cathode 7 génère un faisceau d'électron 19 qui bombarde l'anode 8 en un point où il forme un foyer 16 à partir duquel sont émis des rayons X; ces rayons X forment un faisceau 17 qui sort de la gaine 3 par une fenêtre de sortie 18. La chaleur engendrée dans l'anode 8 par le bombardement du faisceau d'électrons 19 est transférée à l'enveloppe 5, de manière classique, principalement par un rayonnement thermique de l'anode 8. La gaine 3 contient un fluide 20 dans lequel baigne l'enveloppe du tube radiogène 4. Le fluide 20 est constitué de manière conventionnelle par de l'huile dont une première fonction est d'assurer l'isolation électrique dans la gaine 3, et qui dans l'exemple non limitatif décrit, a pour seconde fonction de refroidir le tube radiogène 4 ; le fluide 20 ou huile étant appelé huile dans la suite de la description pour simplifier cette dernière. A cette fin, la gaine 3 comporte à chacune de ces deux extrémités opposées 21,22 un orifice 23,24 par lequel elle communique avec un circuit de refroidissement 25 dans lequel l'huile 20 est mise en circulation forcée, de sorte à être refroidie à l'extérieur de la gaine 3 après avoir reçu de la chaleur produite par le tube radiogène 4.
- Le circuit de refroidissement 25 comporte d'une part une pompe 26 d'un type classique, destinée à forcer la circulation de l'huile 20, et comporte d'autre part un échangeur thermique 27 d'un type en lui-même classique également. Dans l'exemple non limitatif décrit, l'échangeur thermique 27 est du type huile-air, c'est-à-dire que l'huile 20 qui passe dans l'échangeur thermique cède sa chaleur à l'air ambiant. L'échangeur thermique 27 peut par exemple être constitué par un radiateur comportant un serpentin (non représenté) muni d'ailettes, et l'huile 20 en passant dans ce serpentin cède de la chaleur à l'air ambiant par convection ; cette convection pouvant être favorisée par un ventilateur (non représenté).
- Selon une caractéristique de l'invention, le circuit de refroidissement comporte en outre des moyens 28 pour stocker de la chaleur emmagasinée par l'huile 20 avant qu'elle ne passe par l'échangeur thermique 27.
- Le premier orifice 23 de la gaine 2, situé du côté de la seconde extrémité 11 du tube radiogène 4 c'est-à-dire du côté de l'anode 8, communique avec un tuyau 30 dans lequel l'huile 20 est conduite dans les moyens 28 destinés à stocker la chaleur. Dans l'exemple non limitatif décrit, un dispositif de dilatation 31 est disposé entre la gaine 3 et les moyens 28 destinés à stocker la chaleur. Le dispositif de dilatation 31 permet de compenser des dilations de l'huile 20 par une modification de son volume ; ce dispositif de dilatation 31 étant d'un type en lui-même connu. Un second tuyau 32 relie les moyens 28 destinés à stocker la chaleur à une entrée 33 de l'échangeur thermique 27, dont la sortie 34 est reliée par un troisième tuyau 35 à l'entrée 36 de la pompe 26 ; une sortie 37 de la pompe 26 étant reliée par un quatrième tuyau 38 à l'entrée de la gaine 3, c'est-à-dire au second orifice 24 qui est disposé du côté de la cathode 7. La pompe 26 détermine à l'huile 20 un sens de circulation, représenté sur la figure 1 par les flèches 40, tel que l'huile 20 qui pénètre dans la gaine 3 par le second orifice 24, traverse la gaine 3 en direction du premier orifice 23 par lequel elle sort de la gaine 3 pour passer dans le dispositif de dilation 31, pour ensuite passer par les moyens 28 destinés à stocker la chaleur, et traverser ensuite l'échangeur thermique 27 puis la pompe 26 avant de retourner dans la gaine 3.
- Les moyens 28 pour stocker la chaleur ont pour fonction de stocker de la chaleur emmagasinée par l'huile 20 au contact du tube radiogène 4. Mais, selon une autre caractéristique de l'invention, cette fonction n'est assurée qu'à partir du moment où la température de l'huile 20 a atteind une valeur prédéterminée quand l'huile 20 passe dans les moyens 28 pour stocker la chaleur ; c'est-à-dire que les moyens 28 pour stocker la chaleur joue le rôle d'un volant thermique dont l'action est commandée avec un seuil de température.
- A cet effet, dans l'exemple non limitatif décrit, les moyens 28 pour stocker la chaleur comportent un second échangeur thermique 41. Le second échangeur thermique 41 délimite un volume clos dans lequel est réalisée la fusion d'un corps solide C sous l'effet de la chaleur cédée au second échangeur thermique 41 par l'huile 20. Le second échangeur thermique 41 comporte un serpentin 42 dans lequel circule l'huile 20 à refroidir. Le serpentin 42 est muni d'ailettes 43 qui forment des cloisons dont l'entrecroisement constitue des alvéoles 44 qui sont remplies du corps C, symbolisé sur la figure par un nuage de points.
- La nature du corps C est choisie pour que son point de fusion soit voisin de la température prédéterminée qui dans l'exemple non limitatif décrit correspond à la température maximum qui est désirée pour l'huile 20 dans la gaine 3.
- Le corps C est en outre choisi pour avoir une chaleur latente de fusion suffisamment élevée, d'au moins 10 calories par gramme par exemple, de sorte à permettre à partir de sa fusion, de stocker beaucoup de chaleur sous un faible volume. Ainsi par exemple, si l'on souhaite que l'huile 20 ne dépasse par une température de 80°C dans la gaine 3, le corps C peut être constitué par exemple par de l'acide stéarique qui fond à 70°C et possède une chaleur latente de fusion de l'ordre de 50 calories par gramme. La fusion du corps C permet ai nsi d'une part de stocker une grande quantité de chaleur durant le temps d'examen T1 où le tube radiogène 4 fonctionne avec une charge thermique élevée, et permet d'autre part de restituer cette chaleur au premier échangeur thermique 27, c'est-à-dire l'huile 20, durant le temps de repos T2 quand le tube radiogène 4 fonctionne avec une charge thermique réduite ou nulle, par le fait que le corps C se resolidifie et restitue la chaleur qu'il a accumulé lors de sa fusion.
- En fonctionnement durant le temps d'examen T1, la chaleur produite par le tube radiogène 4 est cédée à l'huile durant ce temps d'examen, et cette chaleur est partagée en deux quantités Q1,Q2: la première quantitié Q1 est évacuée par le premier échangeur thermique 27 durant le temps d'examen T1 ; la seconde quantité de chaleur Q2 élève la température de l'ensemble formé par la gaine 3 et l'ensemble du circuit de refroidissement 25, tant que la fusion du corps C n'est pas intervenue. Quand intervient la fusion du corps C, ce dernier absorbe des calories en fonction de sa chaleur latente de fusion, de sorte que la température de l'huile 20 à l'entrée 33 du premier échangeur thermique est sensiblement stabilisée à la même température que la température de fusion du corps C. Ceci permet de réduire de manière importante, par rapport à l'art antérieur, la capacité calorifique µ de l'ensemble gaine-circuit de refroidissement 3,25 en réduisant le volume de l'huile 20 de sorte que la température maximum ϑ m de l'huile 20 dans la gaine 3 est rapidement atteinte, et que l'échange thermique au niveau du premier échangeur thermique 27 s'effectue à une température élevée ; ceci a pour conséquence d'augmenter l'efficacité du premier échangeur thermique 27 par rapport à l'art antérieur, et permet ainsi d'en réduire les dimensions.
- La figure 2 illustre ce fonctionnement par un diagramme qui montre les variations de la température ϑ de l'huile 20 à l'entrée 33 du premier échangeur thermique, en fonction du temps T, par une première courbe 50.
- En supposant que la source radiogène 2 ait déjà été chauffée et refroidie, la température de l'huile 20 à instant to où débute le temps d'examen T1 à un régime de charge thermique élevé, est à une température de départ ϑ 1 comprise entre la température ϑ o de l'aire ambiant et la température maximum ϑ m de l'huile 20 dans la gaine 3. Avec le dispositif de refroidissement selon l'invention, la température de l'huile 20 croît depuis l'instant to jusqu'à un second instant t1 où elle atteind la température de fusion ϑ f. La fusion du corps C ayant débutée au second instant t1, cette fusion absorbe une troisième quantité de chaleur Q3 qui correspond aux calories que cède le tube radiogène 4 à l'huile 20 quand cette dernière est arrivée à la température maximum ϑ m ; de sorte que la température de l'huile 20 à l'entrée du premier échangeur thermique 27 est maintenue sensiblement constante à une même valeur que la température de fusion ϑ f ; la température de fusion ϑ f pouvant être inférieure de quelques degrés C à la température maximum ϑ m de l'huile 20 dans la gaine 3.
- L'huile 20 conserve une température voisine de la température de fusion ϑ f après la fin, à un troisième instant t2 du temps d'examen T1. En effet, à partir du troisième instant t2 qui correspond aussi au début du temps de repos T2, le tube radiogène 4 ne produit plus de chaleur, et la température de l'huile 20 à la sortie de la gaine 3 diminue. Par suite, le corps C tend à se resolidifier et restitue à l'huile 20 la chaleur qu'il a stocké pendant le temps d'examen T1. Il en résulte que la température de l'huile 20 à l'entrée du premier échangeur thermique 27, conserve sensiblement la même température que la température du fusion ϑ f jusqu'à un quatrième instant t3 où le corps C est entièrement resolidifié. A partir de cet instant t4, la température de l'huile 20 à l'entrée du premier échangeur thermique 27, diminue pour atteindre la température de dépa rt ϑ 1 à un cinquième instant t4.
- Ceci permet durant un troisième temps T3, d'obtenir un fonctionnement du premier échangeur thermique 27 à une température voisine de la température de fusion ϑ f qui est elle-même proche de la température maximum ϑ m de l'huile 20 dans la gaine 3. En conséquence, le premier échangeur thermique 27 travaille à une température élevée, qui améliore le coefficient d'échange α, durant le troisième temps T3 qui peut être supérieur au temps d'examen T1.
- Une seconde courbe 51 représentée en traits pointillés sur la figure 2, illustre le fonctionnement d'un dispositif de refroidissement selon l'art antérieur. Dans l'art antérieur, l'huile qui a reçu de la chaleur d'un tube radiogène doit être refroidi par un refroidisseur, par exemple du même type que le premier échangeur thermique 27. A la mise en fonctionnement à un régime de charge thermique élevée, à partir de l'instant to, la température de cette huile croît, depuis la température de départ ϑ 1, jusqu'à atteindre la température maximum ϑ m admissible dans la gaine au troisième instant t2, puis diminue ensuite jusqu'à retrouver la température de départ ϑ 1. On observe dans ce cas que, contrairement au cas de l'invention, une température proche de la température maximum ϑ m n'est conservée que durant un quatrième temps T4 très inférieur au temps d'examen T1 ; c'est-à-dire qu'un échangeur thermique, dans une installation de l'art antérieur, présente un coefficient d'échange α médiocre durant le temps d'examen T1. Ainsi qu'il a été expliqué dans le préambule, une solution au coefficient d'échange α médiocre dans l'art antérieur consiste à augmenter le volume de l'huile pour augmenter la capacité calorifique de l'ensemble.
- Par contre, avec la présente invention, grâce au moyen 28 pour stocker la chaleur emmagasinée dans l'huile 20, la capacité calorifique équivalente α de l'ensemble gaine-circuit de refroidissement 3-25 est beaucoup plus faible que dans l'art antérieur, d'où il résulte, d'une part, une réduction importante du poids et de l'encombrement, et d'où il résulte d'autre part que la température maximum ϑ m est atteinte très largement avant la fin du temps d'examen T1. Ceci signifie que la somme de la seconde et de la troisième quantités de chaleur
- Un autre avantage apporté par l'invention réside dans le fait qu'il n'est pas nécessaire d'attendre que l'huile 20 soit revenue à la température de départ ϑ 1 pour débuter un nouveau temps d'examen T1, c'est-à-dire pour remettre le tube radiogène 4 en fonctionnement avec une charge thermique élevée. Au contraire, dans l'art antérieur, il est nécessaire que l'huile soit à la température de départ pour débuter un nouvel examen, du fait que la température maximum ϑ m serait plus rapidement atteinte, et que pour ne pas dépasser cette température maximum ϑ m il serait nécessaire d'écourter la durée du temps d'examen.
- Un autre avantage encore apporté par l'invention réside dans le fait qu'en maintenant une température d'huile 20 presque constante, on minimise les effets de dilatation thermique.
- Cette description constitue un exemple non limitatif, qui montre qu'un dispositif de refroidissement pour une source radiogène conforme à l'invention, permet d'obtenir par rapport à l'art antérieur, un refroidissement beaucoup plus efficace et plus sûr, tout en diminuant de façon importante à la fois l'encombrement et le poids de la gaine 3, de l'échangeur thermique 27 et de l'huile 20.
- Les produits susceptibles de constituer le corps C sont nombreux, et sont choisis notamment en fonction de la puissance dissipée pendant le temps d'examen, de la durée du temps d'examen et de la température maximum désirée de l'huile dans la gaine 3. Ain par exemple, si l'on accepte que la température de l'huile 20 dans la gaine 3 puisse monter jusqu'à environ 110°C, le corps C peut être du fumarate de méthyl, dont la densité est de 1,37 et le point de fusion est à 102°C, avec une chaleur latente de fusion de 60 calories par gramme : si l'on considère un volume de sept litres de ce corps, ces sept litres pourront stocker une fois atteinte la température de 102°C, environ 2 353 000 Joules. Un litre d'huile peut emmagasiner de l'ordre de 400 calories par dégré et, pour une élévation de température de 50°C à 100°C, un litre d'huile peut emmagasiner 20 000 calories, c'est-à-dire 84 000 Joules. Ainsi, on observe que pour stocker 2 350 000 Joules avec de l'huile, il serait nécessaire d'utiliser environ 27 litres d'huile supplémentaires, c'est-à-dire un volume environ quatre fois plus important que celui du corps C sans pour autant obtenir l'effet de limitation de la température maximum ϑ m, ni l'amélioration du coefficient d'échange α du premier échangeur thermique 27.
Claims (10)
- Dispositif de refroidissement pour une source radiogène, comportant une gaine (3), la gaine (3) contenant un tube radiogène (4) fonctionnant avec une charge thermique plus élevée durant un temps d'examen (T1) que durant un temps de repos (T2) qui suit le temps d'examen (T1), la gaine (3) contenant en outre un fluide (20) auquel le tube radiogène (4) cède sa chaleur, le fluide (20) étant mis en circulation forcée suivant un sens donné (40) dans la gaine (3) et dans un circuit de refroidissement (25) comportant un échangeur thermique (27), la chaleur emmagasinée par le fluide (20) durant le temps d'examen (T1) étant partiellement évacuée par l'échangeur thermique (27) selon une première quantité de chaleur (Q1), une seconde quantité (Q2) de chaleur emmagasinée par le fluide (20) tendant à élever la température de l'ensemble gaine-circuit de refroidissement (3,25), caractérisé en ce que le circuit de refroidissement (25) comporte des moyens (28) pour, d'une part, stocker une troisième quantitié (Q3) de chaleur emmagasinée par le fluide (20) quand ce dernier atteind une température prédéterminée (ϑm), et d'autre part, pour restituer cette troisième quantitié (Q3) de chaleur à l'échangeur thermique (27) par l'intermédiaire du fluide (20), durant le temps de repos (T2).
- Dispositif de refroidissement selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens (28) pour stocker la troisième quantité de chaleur (Q3) comportent un second échangeur thermique (41) dans lequel circule le fluide (20), et dans lequel est contenu un corps (C) solide qui fond en absorband la troisième quantité de chaleur (Q3) grâce à sa chaleur latente de fusion quand le fluide (20) atteind sensiblement la température de fusion (ϑf) du corps (C).
- Dispositif de refroidissement selon la revendication 2, caractérisé en ce que le corps (C) fondu durant le temps d'examen (T1) se resolidifie pendant le temps de repos (T2), en cédant la troisième quantité de chaleur (Q3) au premier échangeur thermique (27) par l'intermédiaire du fluide (20).
- Dispositif de refroidissement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens (28) pour stocker la chaleur sont disposés en amont du premier échangeur thermique (27), en considérant le sens (40) de circulation du fluide (20).
- Dispositif de refroidissement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'ensemble formé par la gaine (2), le circuit de refroidissement (25) et le fluide (20) a une capacité calorifique (µ) telle que le produit de la capacité calorifique (µ) par une différence de température (Δϑ) entre une température de départ (ϑ1) et la température maximum (ϑ m) est inférieur à la somme (
- Dispositif de refroidissement selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que la température de fusion du corps (C) est comprise entre 50°C et 120°C.
- Dispositif de refroidissement selon l'une des revendications 2 ou 3 ou 5, caractérisé en ce que le corps (C) a une chaleur latente de fusion égale ou supérieure à 10 calories par gramme.
- Dispositif de refroidissement selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que le corps (C) est du fumarate de méthyl.
- Dispositif de refroidissement selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que le corps (C) est de l'acide stéarique.
- Dispositif de refroidissement selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que le corps (C) est du naphtalène.
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