JP2014145503A - Cooling device and radiation detection device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、冷却装置および該冷却装置を備えた放射線検出装置に関する。 The present invention relates to a cooling device and a radiation detection device including the cooling device.
核医学における次世代の分子イメージング技術としてコンプトンカメラを用いたイメージング装置の研究開発が進展しつつある。核医学における分子イメージング技術とは、ガン細胞などの生体内で特異な状態を示す部位に集まりやすい物質にガンマ線などの放射線を放射する機能を持たせた放射薬剤を生体に投与し、当該特異状態部位から発せられる放射線を検出して画像化する技術である。コンプトンカメラは、コンプトン散乱の運動学を利用して、ガンマ線源の空間強度分布を画像化する装置であり、一般的に、散乱体として機能する半導体放射線検出素子と吸収体として機能する半導体放射線検出素子とを積層して構成される。コンプトンカメラに使用される放射線検出素子としては、カドミウムテルライド(CdTe)を使用したものなどが挙げられる。 Research and development of an imaging device using a Compton camera is progressing as a next-generation molecular imaging technology in nuclear medicine. Molecular imaging technology in nuclear medicine refers to the administration of a radiopharmaceutical that has the function of emitting radiation such as gamma rays to substances that tend to gather in parts that exhibit a specific state in the body, such as cancer cells, and that specific state. This is a technique for detecting and imaging radiation emitted from a region. A Compton camera is a device that uses Compton scattering kinematics to image the spatial intensity distribution of a gamma-ray source. Generally, a semiconductor radiation detector that functions as a scatterer and a semiconductor radiation detector that functions as an absorber. It is configured by stacking elements. Examples of the radiation detection element used in the Compton camera include those using cadmium telluride (CdTe).
コンプトンカメラを用いた撮像装置では、連続撮影を可能とするために放射線検出素子を冷却するための冷却機構が必要となる。例えば、カドミウムテルライド(CdTe)を使用した放射線検出素子は、−20℃程度で冷却した環境下で使用することが好ましい。 An imaging apparatus using a Compton camera requires a cooling mechanism for cooling the radiation detection element in order to enable continuous imaging. For example, a radiation detection element using cadmium telluride (CdTe) is preferably used in an environment cooled at about −20 ° C.
特許文献1は、冷却対象と熱的に連結された前方ペルチェ素子と、前方ペルチェ素子を冷却するために前方ペルチェ素子と熱的に連結された後方ペルチェ素子と、後方ペルチェ素子を冷却するために後方ペルチェ素子と熱的に連結された水冷手段と、前方ペルチェ素子を駆動する前方温度制御部と、後方ペルチェ素子の高温側温度が外気温度よりも高温になるように後方ペルチェ素子を駆動する後方温度制御部とを具備した分析装置用冷却機を開示している。
図1に、冷却機構を備えた放射線検出装置100の構成例を示す。カドミウムテルライド(CdTe)等の半導体を含んで構成される放射線検出素子10は、密閉容器104内に収容されている。放射線検出素子10の底面には、液冷ヒートシンク106が熱的に接続されている。液冷ヒートシンク106は、その内部において、液体冷媒を循環させるための循環流路が設けられている。この循環流路の一方の端部は液体冷媒を循環流路内に導入するための供給口106aに接続され、循環流路の他方の端部は液体冷媒を循環流路から排出するための排出口106bに接続されている。
FIG. 1 shows a configuration example of a
供給口106aおよび排出口106bは、それぞれ、断熱ホース108aおよび108bの一方の端部に接続され、断熱ホース108aおよび108bの他方の端部は、それぞれ、低温循環水槽110に接続されている。低温循環水槽110は、水槽内を循環する液体冷媒を冷却して外部に供給する装置である。低温循環水槽110で冷却された液体冷媒は、断熱ホース108aおよび供給口106aを経由して液冷ヒートシンク106の循環流路に供給され、放射線検出素子10の冷却を行った後、排出口106bおよび断熱ホース108bを経由して低温循環水槽110に戻される。このように放射線検出装置100は、放射線検出素子10を冷却するための液冷ヒートシンク106と低温循環水槽110とが離間して配置され、これらの間を長さ数メートルの断熱ホース108aおよび108bで繋いだ構成を有する。
The
このように、低温循環水槽110を用いて放射線検出素子10を冷却する構成では、装置の規模が大きくなり易く小型化が困難である。また、装置規模が大きい故に放射線検出素子10を所望の温度に安定化させるまでに比較的長い時間を要する。本構成の場合、放射線検出素子10の温度を例えば−20℃に維持しようとする場合、2〜3時間程度の冷却準備期間を要する。
Thus, in the structure which cools the
また、低温循環水槽110を使用する構成では、低温循環水槽110での電力消費量が大きく、装置全体の省電力化を行うことは困難である。例えば、放射線検出素子10の温度を−20℃に保持しようとする場合、冷却機構のみで600W程度の電力を消費する。
Moreover, in the structure using the low temperature circulating
また、放射線検出素子10の直下に液冷ヒートシンク106を配置し、液冷ヒートシンク106内を循環する液体冷媒で放射線検出素子10を冷却する構成では、放射線検出素子10の温度を例えば−20℃に維持しようとする場合、断熱ホース108aおよび108b内には、−20℃の液体冷媒が流れることとなる。従って、断熱ホース108aおよび108bの結露対策として断熱ホース108aおよび108bを構成する断熱材の厚さを30mm程度とする必要があり、その結果断熱ホース108aおよび108bの直径は、70mm程度となる。しかしながら、断熱ホース108aおよび108bの直径が大きくなると、断熱ホース108aおよび108bの柔軟性が著しく損なわれる。この場合、放射線検出素子10と低温循環水槽110とを近接して配置することが困難となり、十分な広さの設置スペースが必要となる。また、断熱ホース108aおよび108bの柔軟性が損なわれると、低温循環水槽110で生じた振動が、放射線検出素子10に伝搬しやすくなり、放射線検出素子10によって撮影される画像の画質に悪影響が及ぶおそれがある。
Further, in the configuration in which the liquid
このように、低温循環水槽110を用いて放射線検出素子10を冷却する構成では、装置規模および消費電力が大きく、小型化および低消費電力化が困難である。コンプトンカメラは福島原発等での放射線空間分布サーベイにも利用可能である。また陽電子放出画像診断(PET)と異なり、コンプトンカメラは測定対象を円周上に囲まなくても放射線分布の3次元像が取得できる利点がある。このため、ヘリコプターなどに搭載し、広域のサーベイなどを行うことが考えられる。装置重量、サイズ、連続駆動時間はフィールドワークの成否に影響する重要要素である。このため、現在実験室レベルで行われているコンプトンカメラ実験が今後実用となるためには、フィールドに持ち出せるためのさらなる小型化、軽量化および低消費電力化が求められている。
Thus, in the structure which cools the
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、従来よりも小型化および低消費電力化を図ることを可能とする冷却装置および当該冷却装置を含む放射線検出装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a cooling device and a radiation detection device including the cooling device that can be reduced in size and power consumption as compared with the related art. And
上記の目的を達成するために、本発明に係る冷却装置は、冷却対象物の冷却対象面に熱的に接続可能な冷却面を有する伝熱体と、前記伝熱体の前記冷却面とは反対側の面に吸熱面が熱的に接続された第1のペルチェ素子と、前記第1のペルチェ素子の発熱面に熱的に接続され且つ内部に冷媒を循環させる流路を有する第1の液冷ヒートシンクと、内部に前記第1の液冷ヒートシンクの流路に連結された流路を有する第2の液冷ヒートシンクと、前記第2の液冷ヒートシンクに吸熱面が熱的に接続された第2のペルチェ素子と、前記第1の液冷ヒートシンクと前記第2の液冷ヒートシンクとの間で冷媒を循環させる循環機構と、を含む。 In order to achieve the above object, a cooling device according to the present invention includes a heat transfer body having a cooling surface thermally connectable to a cooling target surface of an object to be cooled, and the cooling surface of the heat transfer body. A first Peltier element having an endothermic surface thermally connected to the opposite surface, and a first flow path thermally connected to the heat generating surface of the first Peltier element and circulating a refrigerant therein. A liquid-cooled heat sink, a second liquid-cooled heat sink having a flow path connected to the flow path of the first liquid-cooled heat sink, and an endothermic surface are thermally connected to the second liquid-cooled heat sink. A second Peltier element; and a circulation mechanism for circulating the refrigerant between the first liquid-cooled heat sink and the second liquid-cooled heat sink.
本発明に係る冷却装置は、前記冷却対象物を覆うように設けられ、前記冷却対象物に対する熱伝導および熱輻射を遮断する断熱カバーを更に含んでいてもよい。 The cooling device according to the present invention may further include a heat insulating cover that is provided so as to cover the object to be cooled and blocks heat conduction and heat radiation to the object to be cooled.
また、本発明に係る冷却装置は、前記冷却対象面に接触可能に設けられ且つ前記伝熱体の前記冷却面を露出するように前記伝熱体を覆う断熱材を更に含んでいてもよい。 The cooling device according to the present invention may further include a heat insulating material provided so as to be in contact with the surface to be cooled and covering the heat transfer body so as to expose the cooling surface of the heat transfer body.
また、前記第1のペルチェ素子および前記第2のペルチェ素子は1段構成であってもよい。 Further, the first Peltier element and the second Peltier element may have a one-stage configuration.
また、前記断熱カバーは、熱電率の低い芯材を遮熱性を有するフィルムで被覆した後、内部を減圧して封止することによって得られる真空断熱材を含んで構成されていてもよい。 Moreover, the said heat insulation cover may be comprised including the vacuum heat insulating material obtained by coat | covering the core material with low thermoelectric power with the film which has heat insulation, and reducing the inside and sealing.
さらに、前記断熱カバーは、各々が前記断熱カバーの各面に対応する複数の面を形成するように折り曲げ加工が施された複数の真空断熱材で構成され、前記断熱カバーの各面は、複数の真空断熱材を積層した積層構造を有していてもよい。 Further, the heat insulating cover is composed of a plurality of vacuum heat insulating materials that are bent so as to form a plurality of surfaces corresponding to the surfaces of the heat insulating cover, and each surface of the heat insulating cover includes a plurality of surfaces. You may have the laminated structure which laminated | stacked these vacuum heat insulating materials.
また、前記循環機構は、前記第1の液冷ヒートシンクの流路および前記第2の液冷ヒートシンクの流路に接続された柔軟性を有する断熱ホースと、前記断熱ホースに連結されたポンプと、を含んでいてもよい。 The circulation mechanism includes a heat-insulating hose having flexibility connected to the flow path of the first liquid-cooled heat sink and the flow path of the second liquid-cooled heat sink, a pump coupled to the heat-insulating hose, May be included.
また、本発明に係る冷却装置は、前記断熱カバーの内側に設けられて前記冷却対象物を収容するための密閉容器を更に含んでいてもよい。 Moreover, the cooling device according to the present invention may further include a sealed container that is provided inside the heat insulating cover and accommodates the object to be cooled.
また、本発明に係る放射線検出装置は、上記の冷却装置を含んで構成され、前記第1のペルチェ素子の吸熱面に熱的に接続された放射線検出素子を前記冷却対象物として含む。 Moreover, the radiation detection apparatus which concerns on this invention is comprised including said cooling device, and contains the radiation detection element thermally connected to the heat absorption surface of a said 1st Peltier element as said cooling target object.
本発明に係る冷却装置および放射線検出装置によれば、従来よりも小型化および低消費電力化を図ることが可能となる。 According to the cooling device and the radiation detection device of the present invention, it is possible to achieve downsizing and lower power consumption than in the past.
以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、各図面において同一または等価な構成要素および部分には同一の参照符を付与している。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In each drawing, the same reference numerals are given to the same or equivalent components and parts.
図2は、本発明の実施形態に係る冷却装置を含む放射線検出装置1の構成を示す図である。放射線検出装置1は、所謂コンプトンカメラを構成するものであり、外部から放射されるガンマ線等の放射線を放射線検出素子10において検出し、放射線源の放射線密度分布を画像化して出力する装置である。なお、放射線検出装置1は、X線等のガンマ線以外の放射線を検出するものであってもよい。また、放射線検出素子10は、本実施形態に係る冷却装置における冷却対象物に相当する。
FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of the
放射線検出素子10は、例えば、散乱体として機能する複数の半導体層の各々と、吸収体として機能する複数の半導体層の各々とを積層した積層体を含み、この積層体がケース内に収容されて構成される。なお、散乱体として機能する半導体層としては、コンプトン散乱を生じやすいシリコン(Si)などを使用することが可能である。また吸収体として機能する半導体層としては、散乱後の光子を高確率で吸収できるカドミウムテルライド(CdTe)などを使用することが可能である。
The
放射線検出素子10は、密閉容器20内に収容されており、同じく密閉容器20内に収容されたウレタンフォーム等によって構成される断熱材12の上に載置されている。密閉容器20は、比較的熱伝導率の小さいアクリル等の合成樹脂で構成されており、載置台22の上面に載置されている。なお、本実施形態では密閉容器20の内部は常圧(大気圧)とされているが、必要に応じて密閉容器20の内部を大気圧よりも低い圧力としてもよい。
The
断熱カバー80は、密閉容器20の全体をその内部に収容するように密閉容器20の外側を覆っている。断熱カバー80は、放射線検出素子10に対する外部からの熱伝導および熱輻射を遮断する断熱材81(図3参照)で構成されている。断熱カバー80の詳細な構成については後述する。
The
載置台22は、複数の支柱24によって検出器台28上に支持されており、支柱24によって形成された載置台22の下方空間には、放射線検出素子10から出力される放射線検出信号を処理する信号処理部26が設けられている。
The mounting table 22 is supported on the detector table 28 by a plurality of
放射線検出素子10の底面は、厚さ30〜40mm程度の金属等の比較的熱伝導率の高い部材によって構成されるヒートシンク伝熱体13の上面に接続されている。なお、放射線検出素子10の底面は、本実施形態に係る冷却装置の冷却対象面に相当し、ヒートシンク伝熱体13の上面は本実施形態に係る冷却装置の冷却面に相当する。断熱材12は、放射線検出素子の底面(冷却対象面)に接触可能に設けられ且つヒートシンク伝熱体13の上面(冷却面)を露出するように設けられている。これにより、放射線検出素子10およびヒートシンク伝熱体13に対する外部からの熱伝導が遮断されるようになっている。
The bottom surface of the
ヒートシンク伝熱体13の下面は、載置台22に形成された貫通孔22aにおいて載置台22の下面側に表出している。ヒートシンク伝熱体13の下面は、1段構成の第1のペルチェ素子30の吸熱面(低温側)に接続されている。すなわち、第1のペルチェ素子30の吸熱面は放射線検出素子10の底面と熱的に接続されている。なお、1段構成とは、一対の吸熱面および発熱面を含むペルチェ素子を積み重ねることなく使用する構成をいう。第1のペルチェ素子30の吸熱面は、図示しないコントローラによって半導体素子10の底面の温度を所望の温度(例えば−20℃)に維持するように制御される。第1のペルチェ素子30の発熱面(高温側)は、第1の液冷ヒートシンク40に熱的に接続されている。本実施形態では、第1のペルチェ素子30と放射線検出素子10との間にヒートシンク伝熱体13を設けることにより第1のペルチェ素子30の発熱面を放射線検出素子10から遠ざけている。これにより第1のペルチェ素子30の発熱面から発せられる輻射熱の放射線検出装置10に対する影響を小さくすることができる。
The lower surface of the heat sink
第1のペルチェ素子30および第1の液冷ヒートシンク40は、載置台22の下面側に設けられたウレタンフォーム等によって構成される断熱材14の内部に収容されており、第1のペルチェ素子30および第1の液冷ヒートシンク40に対する外部からの熱伝導が遮断されるようになっている。
The
第1の液冷ヒートシンク40は、その内部において、液体冷媒を循環させるための循環流路が設けられている。この循環流路の一方の端部は液体冷媒を循環流路内に導入するための供給口40aに接続され、循環流路の他方の端部は液体冷媒を循環流路から排出するための排出口40bに接続されている。
The first liquid-cooled
第1の液冷ヒートシンク40の供給口40aは、断熱ホース41aを介して第2の液冷ヒートシンク50の排出口50bに接続されている。一方、第1の液冷ヒートシンク40の排出口40bは、断熱ホース41bを介してポンプ42の吸入口42aに接続されている。ポンプ42の排出口42bは、断熱ホース41cの一方の端部に接続され、断熱ホース41cの他方の端部は、第2の液冷ヒートシンク50の供給口50aに接続されている。第2の液冷ヒートシンク50は、第1の液冷ヒートシンク40と同様、供給口50aおよび排出口50bに接続された液体冷媒を循環させるための循環流路をその内部に有している。
The
断熱ホース41a、41b、41cは、例えばシリコーンゴムチューブと、シリコーンゴムチューブの外側を覆う厚さ5mm程度のポリエチレンフォーム等によって構成される断熱材を含んで構成され、断熱ホース41a、41b、41c内を流れる液体冷媒に対する外部からの熱伝導が遮断されるようになっている。断熱ホース41a、41b、41cの直径は20mm程度とされ、図1に示す放射線検出装置100の断熱ホース108aおよび108bの直径よりも小さく且つ柔軟性を有している。
The
第2の液冷ヒートシンク50の上面および下面は、それぞれ、熱伝導率の比較的高い金属などによって構成される伝熱体54を介して1段構成の第2のペルチェ素子52aおよび52bの吸熱面(低温側)に接続されている。すなわち、第2の液冷ヒートシンク50の上面および下面は、第2のペルチェ素子52aおよび52bの吸熱面と熱的に接続されている。第2のペルチェ素子52aおよび52bの吸熱面は、図示しないコントローラによって第2の液冷ヒートシンク50の表面を所望の温度(例えば−1℃)に維持するように制御される。第2の液冷ヒートシンク50、伝熱体54および第2のペルチェ素子52a、52bは、ウレタンフォーム等によって構成される断熱材56で覆われており、これらの構成部品に対する外部からの熱伝導が遮断されるようになっている。本実施形態では、第2のペルチェ素子52aおよび52bと第2の液冷ヒートシンク50との間に伝熱体54を設けることにより第2のペルチェ素子52aおよび52bの発熱面を第2の液冷ヒートシンク50から遠ざけている。これにより第2のペルチェ素子52aおよび52bの発熱面から発せられる輻射熱の第2のヒートシンク50に対する影響を小さくすることができる。
The upper and lower surfaces of the second liquid-cooled
第2のペルチェ素子52aおよび52bの各々の発熱面(高温側)は、空冷ヒートシンク58に接続されている。空冷ヒートシンク58は、第2のペルチェ素子52aおよび52bの発熱面から発せられる熱を空気中に効率よく放熱するための複数の突起状構造を有している。冷却ファン59は、空冷ヒートシンク58を冷却するための送風用のファンであり、第2の液冷ヒートシンク50の上面側および下面側にそれぞれ設けられた空冷ヒートシンク58の各々に送風するように配置されている。第2の液冷ヒートシンク50、伝熱体54、第2のペルチェ素子52aおよび52b、断熱材56、空冷ヒートシンク58および冷却ファン59によって冷却ユニット60が構成される。
Each heat generating surface (high temperature side) of the
冷却ファン59およびポンプ42は、ゴム等の弾性部材によって構成される防振部29を介して検出器台28上に設置されている。これにより、冷却ファン59およびポンプ42が生ずる振動の放射線検出素子10への伝搬を低減している。
The cooling
第1の液冷ヒートシンク40は、第1のペルチェ素子30の発熱面の温度を一定に保つ役割を担う。これにより、放射線検出素子10の温度が一定(本実施形態では−20℃)に保たれ、放射線検出素子10を用いた放射線画像の連続撮影が可能となる。第1の液冷ヒートシンク40に供給された液体冷媒は、断熱ホース41bを介してポンプ42に供給される。ポンプ42から排出された液体冷媒は、断熱ホース41cを介して第2の液冷ヒートシンク50の循環流路に供給される。液体冷媒は、第2の液冷ヒートシンク50の循環流路を流れる間、1段構成の第2のペルチェ素子52aおよび52bによって冷却される。第2のペルチェ素子52aおよび52bによって冷却された液体冷媒は、断熱ホース41bを介して第1の液冷ヒートシンク40に戻される。このように、本実施形態に係る放射線検出装置1の冷却装置は、放射線検出素子10から発せられる熱を第1のペルチェ素子30を介して第1の液冷ヒートシンク40内の液体冷媒に取り込み、熱を取り込んだ液体冷媒を第2の液冷ヒートシンク50を含む冷却ユニット60において冷却して第1の液冷ヒートシンク40に戻す構成である。なお、本発明の実施形態に係る放射線検出装置1のうち、放射線検出素子10を除く構成が本発明の実施形態に係る冷却装置となる。
The first liquid-cooled
図3は、断熱カバー80を構成する断熱材81の断面図である。断熱材81は、例えば、ウレタン、粉末シリカ、グラスウール等の比較的熱伝導率の低い多孔質材料からなる芯材82を遮熱性(熱反射性)を有する金属フィルム(例えばアルミ箔)を含む金属ラミネート材83で被覆した後、内部を減圧して封止することによって得られる真空断熱材である。
FIG. 3 is a cross-sectional view of the
図4(a)は、断熱材81における熱伝導の様子を示す断面図である。図4(a)に示すように、断熱材81は、真空封止された芯材82を介する熱伝導はほぼ完全に遮断され、芯材82を被覆する金属ラミネート材83に沿った熱伝導が支配的となる。すなわち、断熱材81の高温側の熱は、金属ラミネート材83に沿って移動し、端部(シール部)84を経由して低温側に移動する。図4(b)は、端部84からの距離Xと移動熱量Qとの関係を示した図である。図4(b)に示すように、金属ラミネート材83の端部84からの距離Xが大きい程、熱抵抗が大きくなるので、移動熱量Qが小さくなる。
FIG. 4A is a cross-sectional view showing a state of heat conduction in the
従って、図5に示すように、2枚の断熱材81Aおよび81Bを重ね合わせ、低温側の断熱材81Aの端部84Aと、高温側の断熱材81Bの端部84Bとの距離Lを確保することにより、高温側から低温側への熱移動量を小さくすることが可能となる。すなわち、上記の距離Lは、2枚の断熱材81Aおよび81Bのオーバラップ長に相当し、オーバラップ長を高温側と低温側の温度差に応じて設定することにより、より高い断熱性能を発揮させることが可能となる。以上を踏まえ、断熱材を用いて断熱カバー80を以下のように作製した。
Therefore, as shown in FIG. 5, two
図6(a)は、複数の断熱材81a〜81dを用いた断熱カバー80の作製方法を示す斜視図であり、図6(b)は、これらの断熱材81a〜81dを組み合わせて構成される断熱カバー80の上面図である。
Fig.6 (a) is a perspective view which shows the preparation methods of the
以下に、複数の断熱材81a〜81dを用いて断熱カバー80を作成する方法について説明する。初めに、断熱カバー80の各面の寸法に対応する寸法を有する長方形の断熱材81a〜81dを用意する。次に、これらの断熱材81a〜81dに折り曲げ加工を施す。
Below, the method to produce the
断熱材81aは、コの字型となるように、その短辺と平行な2つの折り曲げ線91に沿って折り曲げられる。この折り曲げ加工によって形成された面S1は断熱カバー80の上面を形成し、面S2および面S3は断熱カバー80の互いに対向する2つの側面を形成する。
The
長方形の断熱材81bは、コの字型となるように、その短辺と平行な2つの折り曲げ線92に沿って折り曲げられる。この折り曲げ加工によって形成された面S4は断熱カバー80の上面を形成し、面S5および面S6は、上記の断熱材81aによって形成される断熱カバー80の側面と隣接する互いに対向する2つの側面を形成する。
The rectangular
断熱材81cは、コの字型となるように、その短辺と平行な2つの折り曲げ線93に沿って折り曲げられる。この折り曲げ加工によって形成された面S7は断熱カバー80の側面を形成し、面S8および面S9は、面S7によって形成される断熱カバー80の側面と隣接する側面を形成する。
The
断熱材81dは、コの字型となるように、その短辺と平行な2つの折り曲げ線94に沿って折り曲げられる。この折り曲げ加工によって形成された面S10は断熱カバー80の側面を形成し、面S11および面S12は、面S10によって形成される断熱カバー80の側面と隣接する側面を形成する。
The
次に、面S1と面S4とが重なり、面S2およびS3と面S5および面S6とが隣接するように折り曲げ加工を施した断熱材81aと81bを重ね合わせる。次に、面S2と面S7とが重なり、面S5と面S8とが重なり、面S6と面S9とが重なり合うように断熱材81cを更に重ね合わせる。断熱材81cの長手方向における端部は、それぞれ、断熱材81bの面S5の中央部および面S6の中央部に配置される。次に、面S3と面10とが重なり、面S5と面S11とが重なり、面S6と面S12とが重なり合うように断熱材81dを更に重ね合わせる。断熱材81dの長手方向における端部は、それぞれ、断熱材81bの面S5の中央部および面S6の中央部に配置される。このように、断熱材81a〜81dを重ね合わせることにより、断熱カバー80が完成する。
Next, the
上記したように、1枚の断熱部材に折り曲げ加工を施して断熱カバー80における複数の面を形成することにより、伝熱経路となる断熱材の端部84の数を少なくすることが可能となる。また、上記のように折り曲げ加工が施された各断熱材81a〜81dを重ね合わせることにより、断熱カバー80の全ての面は2枚の断熱材による積層構造となり、外側(高温側)に配置される断熱材の端部と内側(低温側)に配置される断熱材の端部とを離間させることができる。これにより、断熱材の端部間の熱抵抗を大きくすることができるので、当該端部間における熱移動量Qを小さくすることが可能となり、断熱カバー80において高い断熱性能を発揮させることができる。また、本実施形態に係る断熱カバー80は、遮熱性(熱反射性)を有する金属ラミネート材83を含んで構成されているので、熱伝導のみならず輻射による放射線検出素子10の温度上昇を防止することが可能である。
As described above, by bending a single heat insulating member to form a plurality of surfaces in the
図7に本実施形態に係る放射線検出装置1において、放射線検出素子10の底面の温度を−20℃に維持する場合における各部の温度および消費電力を示す。放射線検出素子10の底面の温度を−20℃に維持する場合、第1のペルチェ素子30の発熱面(高温側)の温度は第1の液冷ヒートシンク40によって約10℃に維持される。このとき、第1の液冷ヒートシンク40から排出されて断熱ホース41bを流れる液体冷媒の温度は約6℃であり、ポンプ42から排出されて断熱ホース41cを流れる液体冷媒の温度は約7℃である。ポンプ42から排出された液体冷媒は、第2の液冷ヒートシンク50内の循環流路を流れる間、第2のペルチェ素子52aおよび52bによって約4℃まで冷却される。このとき、第2のペルチェ素子52aおよび52bの吸熱面(低温側)の温度は約−1℃に設定される。第2の液冷ヒートシンク50から排出される約4℃の液体冷媒は断熱ホース41aを経由して第1の液冷ヒートシンク40に戻される。
FIG. 7 shows the temperature and power consumption of each part when the temperature of the bottom surface of the
上記の場合において、放射線検出素子10における消費電力は約3W、第1のペルチェ素子30における消費電力は約24W、第2のペルチェ素子52aおよび52bにおける消費電力はそれぞれ約84W、ポンプ42における消費電力は約2Wであり、放射線検出装置1における全消費電力は約197Wとなる。
In the above case, the power consumption of the
以上の説明から明らかなように、本発明の実施形態に係る冷却装置および該冷却装置を備えた放射線検出装置1では、図1に示す放射線検出装置100における低温循環水槽110に代えてペルチェ素子式の冷却ユニット60を用いて液体冷媒の冷却を行う構成としたので、装置の軽量化、小型化、低消費電力化を達成することができる。
As is clear from the above description, in the cooling device according to the embodiment of the present invention and the
また、本実施形態に係る冷却装置および該冷却装置を備えた放射線検出装置1によれば、小型化が達成されたことにより所望の冷却温度に安定するまでの時間を図1に示す放射線検出装置100よりも大幅に短縮することが可能となる。例えば、電源投入後、約15分程度で放射線検出素子10の温度を−20℃に維持することが可能となる。
In addition, according to the cooling device and the
図8は、本発明の実施形態に係る放射線検出装置1と同様、ペルチェ素子式の冷却ユニットを用いて液体冷媒の冷却を行う比較例に係る放射線検出装置2の構成を示す図である。以下において、比較例に係る放射線検装置2が、本発明の実施形態に係る放射線検出装置1と相違する部分について説明する。
FIG. 8 is a diagram illustrating a configuration of a
本発明の実施形態に係る放射線検出装置1では、放射線検出素子10は1段構成の第1のペルチェ素子30によって冷却されるのに対して比較例に係る放射線検出装置2では、放射線検出素子10は、第1の液冷ヒートシンク140によって冷却される。第1の液冷ヒートシンク140内を循環する液体冷媒は、断熱ホース141b、ポンプ42および断熱ホース141cを経由して冷却ユニット160を構成する第2の液冷ヒートシンク150に供給される。
In the
本発明の実施形態に係る放射線検出装置1では、第2の液冷ヒートシンク50内を循環する液体冷媒は、1段構成の第2のペルチェ素子52aおよび52bによって冷却されるのに対して、比較例に係る第2の液冷ヒートシンク150内を循環する液体冷媒は、2段構成のペルチェ素子152aおよび152bによって冷却される。ペルチェ素子152aおよび152bが2段構成とされることにより、ペルチェ素子152aおよび152aの発熱面における発熱量は、1段構成の場合よりも大きくなるので、ペルチェ素子152aおよび152aの発熱面に熱的に接続される空冷ヒートシンク158および冷却ファン159は、本発明の実施形態に係る放射線検出装置1における空冷ヒートシンク58および冷却ファン59よりも大型化されている。ペルチェ素子152aおよび152bによって冷却された液体冷媒は、断熱ホース141aを経由して第1の液冷ヒートシンク140に戻される。
In the
このように、比較例に係る放射線検出装置2の冷却装置は、放射線検出素子10から発せられる熱をペルチェ素子を介さずに直接第1の液冷ヒートシンク140内の液体冷媒に取り込み、熱を取り込んだ液体冷媒を第2の液冷ヒートシンク150を含む冷却ユニット160において冷却して第1の液冷ヒートシンク140に戻す構成である。
As described above, the cooling device for the
図8には、放射線検出素子10の底面の温度を−20℃に維持する場合における各部の温度および消費電力が示されている。比較例に係る放射線検出装置2において、放射線検出素子10の底面の温度を−20℃に維持する場合、第1の液冷ヒートシンク140から排出されて断熱ホース141bを流れる液体冷媒の温度は約−20℃であり、ポンプ42から排出されて断熱ホース141cを流れる液体冷媒の温度は約−19℃である。ポンプ42から排出された液体冷媒は、第2の液冷ヒートシンク150内の循環流路を流れる間、2段構成のペルチェ素子152aおよび152bによって約−23℃まで冷却される。このとき、ペルチェ素子152aおよび152bの吸熱面(低温側)の温度は約−30℃に設定される。第2の液冷ヒートシンク150から排出される約−23℃の液体冷媒は断熱ホース141aを経由して第1の液冷ヒートシンク140に戻される。
FIG. 8 shows the temperature and power consumption of each part when the temperature of the bottom surface of the
上記の場合において、放射線検出素子10における消費電力は約3W、2段構成のペルチェ素子152aおよび152bにおける消費電力はそれぞれ約125W、ポンプ42における消費電力は約2Wであり、比較例に係る放射線検出装置2における全消費電力は約255Wとなる。
In the above case, the power consumption in the
このように、放射線検出素子10の直下に配置された第1の液冷ヒートシンク140によって放射線検出素子10からの熱を液体冷媒に直接取り込む構成においては、放射線検出素子10の底面の温度を−20℃に維持しようとする場合、断熱ホース141a、141b、141c内を流れる液体冷媒の温度は、−20℃程度となる。従って、断熱ホース141a、141b、141cにおいて十分な結露対策が必要となり、低温循環水槽を使用する放射線検出装置100(図1参照)と同様、断熱ホース141a、141b、141cを構成する断熱材の厚さを30mm程度とする必要がある。その結果、断熱ホース141a、141b、141cの直径は、70mm程度となる。すなわち、比較例に係る放射線検出装置2の構成によれば、ペルチェ素子式の冷却ユニット160の採用によって低温循環水槽を使用する放射線検出装置100(図1参照)に対して小型化を図ることが可能であるが、断熱ホース141a、141b、141cの直径の縮小化を達成することができず、十分な小型化を達成できていない。また、断熱ホース141a、141b、141cの直径の縮小化を達成できていないので、断熱ホース141a、141b、141cを介したポンプ42および冷却ファン159からの振動の伝搬が問題を解決することができない。
Thus, in the configuration in which the heat from the
一方、本発明に係る放射線検出装置1によれば、放射線検出素子10の底面の温度を−20℃に維持しようとする場合、断熱ホース41a、41b、41c内を流れる液体冷媒の温度は、4℃〜7℃とされる。すなわち断熱ホース41a、41b、41c内を流れる液体冷媒の温度は、比較例に係る放射線検出装置2よりも周囲温度に近づくので、断熱ホース41a、41b、41cを構成する断熱材の厚さを小さくすることができ、断熱ホース41a、41b、41cの直径を小さくすることが可能である。本実施形態では断熱ホース41a、41b、41cを構成する断熱材の厚さを約5mm程度とし、断熱ホース41a、41b、41cの直径を約20mm程度としている。従って、本発明の実施形態に係る放射線検出装置1によれば、比較例に係る放射線検出装置2よりも更に小型に構成することが可能となる。また、断熱ホース41a、41b、41cの直径が小さくなることにより断熱ホース41a、41b、41cを介したポンプ42および冷却ファン59からの振動の伝搬を抑制することが可能となり、良好な画質の放射線画像を取得することが可能となる。
On the other hand, according to the
また、比較例に係る放射線検出装置2では、放射線検出素子10の底面の温度を−20℃に維持しようとする場合、冷却ユニット160を構成するペルチェ素子152aおよび152bの吸熱面(低温側)の温度が−30℃とされ、発熱面(高温側)の温度が周囲温度(例えば22℃)とされる。すなわち、ペルチェ素子152aおよび152bの吸熱面と発熱面の温度差が50℃以上となるので、ペルチェ素子152aおよび152bをそれぞれ、2段構成とする必要がある。その結果、ペルチェ素子152aおよび152bにおける消費電力が250Wとなる。
Further, in the
一方、本発明に係る放射線検出装置1によれば、放射線検出素子10の底面の温度を−20℃に維持しようとする場合、冷却ユニット60を構成する第2のペルチェ素子52aおよび52bの吸熱面(低温側)の温度が−1℃とされ、発熱面(高温側)の温度が周囲温度(22℃)とされる。すなわち、第2のペルチェ素子52aおよび52bの吸熱面と発熱面の温度差は23℃であるので、第2のペルチェ素子52aおよび52bをそれぞれ1段構成とすることができる。その結果、第2のペルチェ素子52aおよび52bにおける消費電力を168Wとすることができる。本実施形態に係る放射線検出装置1では、放射線検出素子10の直下に配置された第1のペルチェ素子30が更に必要となるが、第2のペルチェ素子52aおよび52bをそれぞれ1段構成とすることができるので、装置全体の消費電力を比較例に係る放射線検出装置2よりも小さくすることができる。
On the other hand, according to the
また、本発明の実施形態に係る第2のペルチェ素子52aおよび52aの発熱面における発熱量は、比較例に係る2段構成のペルチェ素子152aおよび152bよりも小さくなるので、空冷ヒートシンク58および冷却ファン59を比較例に係る空冷ヒートシンク158および冷却ファン159よりも小型化することが可能である。
Further, since the heat generation amount at the heat generation surface of the
また、本発明の実施形態に係る放射線検出装置1では密閉容器20の外側を真空断熱材により構成される断熱カバー80で覆っているので、密閉容器20内への熱の侵入を小さくすることができる。断熱カバー80は、芯材82を遮熱性(熱反射性)を有する金属ラミネート材83で被覆した後、内部を減圧して封止することによって得られる真空断熱材で構成されるので、熱伝導および輻射による放射線検出素子10の温度上昇を防止することができる。このように、冷却対象となる放射線検出素子10を真空断熱材により構成される断熱カバー80を用いて断熱することにより、冷却効率を高めることができるので更なる省電力化を達成することができる。
Further, in the
1 放射線検出装置
10 放射線検出素子
13 ヒートシンク伝熱体
20 密閉容器
30 第1のペルチェ素子30
第1の液冷ヒートシンク40
41a 断熱ホース41a
41b 断熱ホース41b
41c 断熱ホース41c
42 ポンプ
50 第2の液冷ヒートシンク50
52a、52b 第2のペルチェ素子
81 断熱材81
82 芯材82
83 金属ラミネート材83
DESCRIPTION OF
First liquid-cooled
41a
41c heat insulation hose 41c
42
52a, 52b
82
83
Claims (9)
前記伝熱体の前記冷却面とは反対側の面に吸熱面が熱的に接続された第1のペルチェ素子と、
前記第1のペルチェ素子の発熱面に熱的に接続され且つ内部に冷媒を循環させる流路を有する第1の液冷ヒートシンクと、
内部に前記第1の液冷ヒートシンクの流路に連結された流路を有する第2の液冷ヒートシンクと、
前記第2の液冷ヒートシンクに吸熱面が熱的に接続された第2のペルチェ素子と、
前記第1の液冷ヒートシンクと前記第2の液冷ヒートシンクとの間で冷媒を循環させる循環機構と、
を含む冷却装置。 A heat transfer body having a cooling surface thermally connectable to the surface to be cooled of the object to be cooled;
A first Peltier element having a heat absorption surface thermally connected to a surface of the heat transfer body opposite to the cooling surface;
A first liquid-cooled heat sink thermally connected to the heat generating surface of the first Peltier element and having a flow path for circulating a refrigerant therein;
A second liquid-cooled heat sink having a flow path connected to the flow path of the first liquid-cooled heat sink,
A second Peltier element having an endothermic surface thermally connected to the second liquid-cooled heat sink;
A circulation mechanism for circulating a refrigerant between the first liquid-cooled heat sink and the second liquid-cooled heat sink;
Including cooling system.
前記断熱ホースに連結されたポンプと、を含む請求項1乃至6のいずれか1項に記載の冷却機構。 The circulation mechanism includes a heat insulating hose having flexibility connected to the flow path of the first liquid-cooled heat sink and the flow path of the second liquid-cooled heat sink;
The cooling mechanism of any one of Claims 1 thru | or 6 including the pump connected with the said heat insulation hose.
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-
2013
- 2013-01-28 JP JP2013013272A patent/JP2014145503A/en active Pending
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