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Title:
COOLING DEVICE FOR X-RAY GENERATORS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2018/162437
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a cooling device for x-ray tubes in x-ray generators, comprising a housing with a central receiving device for receiving an x-ray tube with an inlet opening for supplying a gaseous coolant, an outlet opening for discharging the gaseous coolant, and a gas-conducting channel which extends between the inlet opening and the outlet opening. The gas-conducting channel is designed to conduct the gaseous coolant directly by the high-voltage x-ray tube housing during operation. The gas-conducting channel additionally extends in a helical manner about the x-ray tubes such that the electric potential applied to the x-ray tubes drops to zero potential along the gas-conducting channel.

Inventors:
HEUFT, Bernhard (Lindenstraße 7, Burgbrohl, 56659, DE)
POLSTER, Wolfgang (Cranachstraße 9a, Andernach, 56626, DE)
Application Number:
EP2018/055393
Publication Date:
September 13, 2018
Filing Date:
March 06, 2018
Export Citation:
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Assignee:
HEUFT SYSTEMTECHNIK GMBH (Am Wind 1, Burgbrohl, 56659, DE)
International Classes:
H05G1/02
Attorney, Agent or Firm:
GRITSCHNEDER, Sebastian et al. (Abitz & Partner Patentanwälte mbB, Arabellastr. 17, München, 81925, DE)
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Claims:
ANSPRÜCHE

1 . Kühlvorrichtung für Röntgenröhren in Röntgengeneratoren umfassend ein Gehäuse mit

- einer zentralen Aufnahmeeinrichtung zur Aufnahme einer Röntgenröhre,

- einer Einlassöffnung zur Zuführung eines gasförmigen Kühlmediums,

- einer Auslassöffnung zur Abführung des gasförmigen Kühlmediums und

- einen Gasführungskanal, der sich zwischen der Einlassöffnung und der Auslassöffnung erstreckt,

wobei der Gasführungskanal so ausgeführt ist, dass er im Betrieb das gasförmige Kühlmedium direkt an dem auf Hochspannung liegenden Gehäuse der Röntgenröhre vorbeiführt, und

wobei sich der Gasführungskanal spiralförmig um die Röntgenröhre erstreckt, so dass das an der Röntgenröhre anliegende elektrische Potential entlang des Gasführungskanals bis auf Nullpotential abfällt.

2. Kühlvorrichtung für Röntgengeneratoren nach Anspruch 1 , wobei das Gehäuse der Kühlvorrichtung aus elektrisch isolierendem Material, vorzugsweise aus thermoplastischem Kunststoff wie Polycarbonat, PVC oder Polyolefinen, aus Plexiglas oder aus Po- lyoxymethylen besteht.

3. Kühlvorrichtung für Röntgengeneratoren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Gasführungskanal von mindestens zwei spiralförmig angeordneten Innenwänden des Gehäuses der Kühlvorrichtung gebildet wird.

4. Kühlvorrichtung für Röntgengeneratoren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wanddicke der Innenwände so gewählt ist, dass die Summe der Wanddicken in radialer Richtung ausreichend groß ist, so dass bei der jeweils verwendeten Hochspannung ein radialer Funkenschlag durch die Innenwände vermieden wird.

5. Kühlvorrichtung für Röntgengeneratoren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse der Kühlvorrichtung zwei wiederverschließbar verbundene Gehäuseteile umfasst und jedes Gehäuseteil spiralförmige Innenwände umfasst, die im zusammengebauten Zustand ineinander greifen und dadurch den Gasführungskanal definieren.

6. Kühlvorrichtung für Röntgengeneratoren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das eine Gehäuseteil der Kühlvorrichtung mit einem Hochspannungsgenerator verbunden ist oder verbunden werden kann, und

wobei das andere Gehäuseteil der Kühlvorrichtung mit einer Röntgenröhre verbunden ist oder verbunden werden kann.

7. Röntgengenerator umfassend:

eine Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

einen Hochspannungsgenerator

und einer Röntgenröhre,

wobei der Hochspannungsgenerator die für den Betrieb der Röntgenröhre erforderliche Hochspannung erzeugt,

wobei die Röntgenröhre mit dem Hochspannungsgenerator über einen Hochspannungskontakt mechanisch und elektrisch verbunden ist,

und wobei sich die Kühlvorrichtung spiralförmig um die Röntgenröhre herum erstreckt, um die Röntgenröhre zu kühlen und gleichzeitig elektrisch abzuschirmen.

8. Verfahren zur Kühlung eines Röntgengenerators umfassend die Schritte:

- Bereitstellen eines Hochspannungsgenerators zur Erzeugung einer Hochspannung,

- Bereitstellen einer Röntgenröhre, die mit dem Hochspannungsgenerator über einen Hochspannungskontakt mechanisch und elektrisch verbindbar ist,

- Bereitstellen einer Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei sich der Gasführungskanal der Kühlvorrichtung spiralförmig um die Röntgenröhre herum erstreckt, um die Röntgenröhre zu kühlen und gleichzeitig elektrisch abzuschirmen,

wobei zur Kühlung des Röntgengenerators ein gasförmiges Kühlfluid durch die Kühleinrichtung geleitet wird.

9. Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei die durch das gasförmige Kühlfluid erbrachte Kühlleistung der Kühlvorrichtung bis zu 40 W, vorzugsweise 0,5 bis 25 Watt und weiter vorzugsweise 1 bis 12 W beträgt.

10. Verfahren gemäß Anspruch 8 oder 9, wobei die Röntgenröhre im Pulsbetrieb betrieben wird, so dass die Abwärmeerzeugung reduziert wird.

Description:
Kühlvorrichtung für Röntgengeneratoren

Die vorliegende Anmeldung betrifft eine Vorrichtung zum Kühlen von Röntgenröhren in Röntgengeneratoren unter Verwendung eines gasförmigen Kühlmediums als Kühlmittel. Bevorzugt wird dabei die Umgebungsluft als Kühlmittel eingesetzt. Weiter bevorzugt handelt es sich bei den Röntgengeneratoren um kompakte Röntgengeneratoren für Anwendungen im Bereich der Lebensmittelindustrie.

Herkömmliche Röntgenröhren umfassen eine evakuierte Röhre, in welcher sich ein elektrisches Filament zur Erzeugung freier Elektronen und davon beabstandet eine Anode befinden. Die vom Filament emittierten Elektronen werden durch eine zusätzlich angelegte Hochspannung im elektrischen Feld beschleunigt und auf die Anode gelenkt. Die Kollision der schnellen Elektronen mit der Anode führt zur Erzeugung von Röntgenstrahlung. Die so erzeugte Röntgenstrahlung kann zur Untersuchung oder Behandlung von Personen, Tieren oder Objekten eingesetzt werden.

Der Beschuss der Anode mit Elektronen führt darüber hinaus zur Erwärmung der Anode, da der größte Teil der kinetischen Energie der auftreffenden Elektronen in Wärme umgesetzt wird. Die in der Anode freigesetzte Wärmemenge ist dabei abhängig von Geschwindigkeit und Anzahl auftreffender Elektronen. Um ein zu starkes Erhitzen der Anode und damit der gesamten Röntgenröhre im Betrieb zu vermeiden, muss die erzeugte Wärmemenge von der Röntgenröhre abgeführt werden.

Hierfür finden in Abhängigkeit der Leistung der Röntgenröhre verschiedene Typen von Kühlsystemen Anwendung. Beim Design von Kühlungsvorrichtungen für Hochspannungsbauteile wie Röntgenröhren ist stets zu beachten, dass die Röntgenelektrode auf Hochspan- nungspotential liegt und dass für eine ausreichende Isolierung der Röntgenelektrode gegenüber der Umgebung gesorgt werden muss.

Um eine effektive Kühlung zu erreichen, wird meist ein flüssiges Kühlmittel zwischen einer äußeren Gehäusewand der Kühlvorrichtung und der Außenwand der Röntgenröhre eingesetzt. Als Kühlmittel wird dabei häufig ein Öl mit hoher Dielektrizitätskonstante verwen- det, so dass das Kühlmittel gleichzeitig auch der elektrischen Isolierung der im Betrieb auf Hochspannung liegenden Röntgenröhre dient. Eine solche Vorrichtung ist in der US 4,780,901 (A) beschrieben, in der ein dielektrisches Öl als elektrisch isolierendes Kühlmittel eingesetzt wird.

Aus dem deutschen Gebrauchsmuster DE 86 15 918.6 ist ein flüssigkeitsgekühlter Röntgenstrahler bekannt. Der Röntgenstrahler ist in einem mit einem Isolieröl gefüllten Gehäuse angeordnet. Außerdem ist eine Umlaufkühleinrichtung vorgesehen, die einen durch zwei Kühlmittelleitungen am Gehäuse angeschlossenen Kühler und eine Umwälzpumpe für das Isolieröl aufweist. Innerhalb des Gehäuses umspült das Isolieröl den Röntgenstrahler frei. Außerhalb des Gehäuses wird das Isolieröl über die Kühlmittelleitungen zu der Umwälzpumpe geleitet. Die Kühlmittelleitungen können dabei an einem Gebläse vorbeigeführt wer- den. Um das Kühlmittel möglichst effektiv zu kühlen, können die Kühlmittelleitungen im Bereich des Gebläses spiralförmig verlaufen und mit Kühlrippen versehen sein. Der spiralförmige Verlauf der Kühlmittelleitungen dient dabei der Erhöhung der für die Kühlung verwendbaren Oberfläche, um die Wärmeabgabe des Kühlmittels an die Umgebung zu erhöhen.

Solche dielektrische Öle erlauben einen sehr steilen Potentialverlauf innerhalb des Kühlmittels zwischen Hochspannungskomponenten und auf Massepotenzial befindlichen Komponenten, ohne dass dabei die Gefahr einer Funkenentladung besteht. Ein steiler Potentialverlauf erlaubt eine entsprechend kompakte Bauweise, da sehr kurze räumliche Abstände zwischen Hochspannungskomponenten (Außenwand der evakuierten Röntgenröhre) und auf Massepotenzial, das heißt Nullpotential befindlichen Komponenten (Außenwände des Gehäuses der Kühlvorrichtung) erlaubt sind.

Gerade im Bereich der Lebensmittel- oder Pharmaindustrie sind jedoch ölgekühlte Systeme oftmals nachteilig, da im Falle einer Undichtigkeit die Gefahr einer Kontamination von Lebensmitteln oder Arzneimitteln mit dem im allgemeinen gesundheitsschädlichen Öl besteht. Zudem sind ölgekühlte Systeme auch generell aufgrund regelmäßig durchzuführender Ölwechsel relativ wartungsintensiv.

Grundsätzlich wäre es durchaus möglich, Luftkühlungen für Röntgenröhren einzusetzen. Luft hat allerdings schlechtere Isolationseigenschaften. Für trockene Luft kann eine Durchschlagsfestigkeit von etwa 1 kV/mm (Kilovolt pro Millimeter) angenommen werden. Um unter realen Bedingungen eine Funkenentladung sicher zu vermeiden, müssen dagegen um einen Faktor drei höhere Abstände vorgesehen werden. Für typischerweise verwendete 100 kV Röntgenröhren ergibt sich damit ein einzuhaltender Abstand von etwa 30 cm zwischen einer sich auf Hochspannung befindlichen Röntgenröhre und dem auf Massepotential liegendem Gehäuse des Röntgengenerators.

Somit müssen herkömmliche luftgekühlte Systeme entsprechend größer dimensioniert werden und sind damit, besonders im Falle sehr hoher Betriebsspannungen, unhandlicher und weniger flexibel einsetzbar.

Gasförmige Kühlmedien werden bei herkömmlichen Röntgenröhren meist nur zur Außenkühlung eingesetzt. Dabei wird zum Beispiel Umgebungsluft an der auf Massepotential liegenden Außenseite des Röntgenstrahlers entlanggeführt. Diese Vorrichtungen eignen sich zum Einsatz, wenn nur relativ geringe Wärmemengen abtransportiert werden müssen. Da die Kühlung zudem von außen erfolgt, muss das Kühlmedium auch keinerlei elektrische Iso- lationseigenschaften aufweisen. Derartige Röntgenstrahler sind zum Beispiel aus der US 4,884,292 oder der US 4,355,410 bekannt.

Eine Röntgenröhre, genauer ein Drehkolbenröntgenstrahler, bei der/dem ein gasförmiges Kühlmedium zum Einsatz kommt, ist aus der DE 298 23 735 U1 bekannt. In der dort beschriebenen Vorrichtung wird das Kühlgas achsnah in das Innere des Gehäuses geleitet. Das Kühlgas dient dabei sowohl der Kühlung als auch der elektrischen Isolation der Hochspannungskomponenten vom Gehäuse. Aus diesem Grund kann hierbei auch nicht ein beliebiges Kühlgas eingesetzt werden, sondern das Kühlgas muss ein hochspannungsisolierendes Kühlgas sein. Als einziges Beispiel für ein solches Gas ist in dieser Schrift Schwefel- hexafluorid (SF 6 ) genannt. Da beim Einsatz dieses Gases strenge Sicherheitsrichtlinien erfüllt werden müssen und da dieses Gas eines der stärksten bekannten Treibhausgase ist, ist ein Einsatz dieses Kühlmittels unerwünscht.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Kühlvorrichtung für Röntgengeneratoren zur Verfügung zu stellen, welche wartungsärmer ist als ölbasierte Kühl- Vorrichtungen, welche dabei aber trotzdem eine kompakte Bauweise ermöglicht. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kühlvorrichtung für Röntgengeneratoren bereitzustellen, bei der beliebiges gasförmiges Kühlmittel eingesetzt werden kann.

Gelöst wird diese Aufgabe bei der Vorrichtung der eingangs genannten Art durch die Merkmale gemäß Anspruch 1 .

Die Kühlvorrichtung umfasst ein Gehäuse mit einer Einlassöffnung, einer Auslassöffnung und einem Gasführungskanal, der sich zwischen der Einlassöffnung und der Auslassöffnung erstreckt. Es ist eine zentrale Aufnahmeeinrichtung zur Aufnahme einer Röntgenröhre vorgesehen. Der Gasführungskanal ist so ausgeführt, dass er im Betrieb das gasförmige Kühlmedium direkt an dem auf Hochspannung liegenden Gehäuse der Röntgenröhre vorbei- führt. Das Kühlmedium nimmt dabei die von der Röntgenröhre produzierte Wärme auf und führt diese nach außen ab. Dabei kommt das gasförmige Kühlmedium allerdings mit auf Hochspannung liegenden Gehäuseteilen der Röntgenröhre in Kontakt. Um einen Funkenschlag entlang des Gasführungskanals zu vermeiden, wird das Kühlgas nicht auf direktem radialem Weg an der Röntgenröhre vorbeigeführt, sondern wird auf einem spiralförmig ver- laufenden Pfad durch das Gehäuse der Kühlvorrichtung geführt. Durch den spiralförmigen Verlauf wird die tatsächliche Länge des Gasführungskanals um ein Vielfaches verlängert, so dass trotz kompakter Bauweise ein ausreichend großer effektiver Abstand zwischen den Hochspannungsbauteilen der Röntgenröhre und den auf Massepotential liegenden Gehäuseteilen vorgesehen sein kann.

Der Begriff „spiralförmig" wie er in der vorliegenden Beschreibung verwendet wird, ist breit zu verstehen und soll im Wesentlichen beliebige Streckenverläufe umfassen, in denen das Kühlgas nicht auf direktem radialen Weg durch die Kühlvorrichtung geführt wird. Zum Beispiel könnte der„spiralförmige Streckenverlauf" auch so ausgeführt sein, dass das gasförmige Kühlmedium auf einem gewundenen oder mäandernden Pfad, der nur auf der einen Seite der Kühlvorrichtung verläuft, zum Gehäuse der Röntgenröhre geführt wird und dass das Kühlmedium dann auf einem ähnlich geformten Pfad, der aber nur in der anderen Hälfte der Kühlvorrichtung verläuft, nach außen geführt wird. Grundsätzlich kann unter dem Begriff „spiralförmiger Streckenverlauf" auch eine beliebige 3D-Labyrinth-Struktur verstanden werden, die es ermöglicht, einen ausreichend großen effektiven Abstand zwischen den Hochspannungsbauteilen der Röntgenröhre und den auf Massepotential liegenden Gehäuseteilen zu erhalten.

In der bevorzugtesten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat die spiralförmige Bahn jedoch tatsächlich die Form einer geometrischen Spirale und weist eine Mehrzahl von Windungen auf, die sich um die im Betrieb zentral angeordnete Röntgenröhre erstrecken.

Das Kühlgas kann im Wesentlichen jedes beliebige gasförmige Medium sein. Ein be- sonders geeignetes Kühlgas ist die Umgebungsluft, da diese eine besonders einfache und kostengünstige Kühlung erlaubt. Es können aber auch reine Gase wie Stickstoff, Helium, Argon oder C0 2 verwendet werden. Insbesondere erlaubt es die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Gasführungskanals beliebige Kühlgase einzusetzen, bzw. auch solche Kühlgase einzusetzen, die in herkömmlichen Systemen aufgrund ihrer geringen Durchschlagsfes- tigkeit nicht verwendet werden können. Insbesondere beim Einsatz von Umgebungsluft als Kühlgas müssen keine kühlgasspezifischen Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden, so dass in diesem Fall die Kühlung besonders variabel und kostengünstig eingesetzt werden kann.

Röntgenröhren werden üblicherweise mit Hochspannungen zwischen 10 und 200 kV betrieben. Die verwendete Hochspannung und das Kühlgas bestimmen im Wesentlichen wie lang der Gasführungskanal ausgeführt sein muss. Um die Kühlvorrichtung möglichst flexibel einsetzen zu können, sollte der Gasführungskanal so lang sein, dass selbst bei der maximal anlegbaren Hochspannung und bei maximaler Luftfeuchtigkeit kein Funkenschlag entlang des Gasführungskanals auftreten kann.

Das Gehäuse der Kühlvorrichtung ist aus elektrisch isolierendem Material hergestellt.

Vorzugsweise besteht das Gehäuse aus thermoplastischem Kunststoff wie Polycarbonat, Polysulfon, PVC oder Polyolefinen, aus Plexiglas oder aus Polyoxymethylen. Auch Kunst- stoff-Komposite oder Kunststoff-Keramik-Komposite können als Gehäusematerial eingesetzt werden. Wenn die generierte Röntgenstrahlung durch das Gehäuse geführt wird, kann über die Wahl des Gehäusematerials gezielt Einfluss auf die Absorption der Röntgenstrahlung genommen werden. Zum Beispiel können Röntgenstrahlen absorbierende Materialien einge- setzt werden, um einen bestimmten oder gewünschten Querschnitt des Röntgenstrahls zu erhalten.

Der Gasführungskanal ist vorzugsweise von zwei spiralförmig angeordneten Innenwänden des Gehäuses der Kühlvorrichtung gebildet. Die Innenwände definieren dabei eine erste spiralförmige Bahn, auf der das Kühlgas in den zentralen Bereich des Gehäuses, in dem sich im Betrieb die Röntgenröhre befindet, geleitet wird. Die Innenwände definieren dabei gleichzeitig eine zweite spiralförmige Bahn, auf der das Kühlgas vom zentralen Bereich des Gehäuses aus dem Gehäuse heraus geleitet wird.

Die zu verwendende Wanddicke der Innenwände hängt von der verwendeten Hoch- Spannung und dem eingesetzten Gehäusematerial ab. Die Gesamtwanddicke, also die Summe aller Wanddicken in radialer Richtung, muss ausreichend groß gewählt sein, so dass bei der jeweils verwendeten Hochspannung ein radialer Funkenschlag durch die Wände der Kühlvorrichtung vermieden wird. Die Durchschlagsfestigkeit des typischerweise verwendeten Wandmaterials ist etwa einen Faktor 10 höher als die Durchschlagsfestigkeit des Kühlgases und liegt im Bereich von etwa 25 bis 120 kV/mm. Um einen Funkendurchschlag zu vermeiden, sind daher üblicherweise Gesamtwanddicken von ca. 0,5 bis 3 cm zu verwenden, was eine Wanddicke von 1 bis 3 mm für die einzelnen Innen- und Außenwände der Kühlvorrichtung ergibt.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Gehäuse der Kühlvorrichtung zweiteilig ausgeführt. Die beiden Gehäuseteile können dabei reversibel miteinander verbunden werden. Die Verbindung kann zum Beispiel eine Steckverbindung sein. Vorzugsweise umfasst jedes der miteinander verbindbaren Gehäuseteile spiralförmige Innenwände, die im zusammengebauten Zustand ineinander greifen und dadurch den Gasführungskanal definieren. Ein zweiteiliges Gehäuse ist besonders einfach zu warten, da man sich jederzeit Zugang zu dem Inneren der Kühlvorrichtung beschaffen kann.

Weiter bevorzugt ist bei der zweiteiligen Ausführungsform das eine Gehäuseteil mit der Röntgenröhre verbunden, während der andere Gehäuseteil zum Beispiel mit dem Hochspannungsnetzteil verbunden ist. Die Röntgenröhre kann dabei permanent mit dem jeweiligen Gehäuseteil verbunden sein. Bei einem Defekt der Röntgenröhre kann die Röntgenröhre zusammen mit dem jeweiligen Gehäuseteil ersetzt werden. Zum Auswechseln der defekten Röntgenröhre muss lediglich der mit der Röntgenröhre verbundene Teil des zweiteiligen Kühlgehäuses entfernt und durch ein entsprechendes Austauschteil ersetzt werden. Auf diese Weise erleichtert die zweiteilige Kühlvorrichtung ebenfalls die Wartung des Röntgensys- tems.

In einer weiteren Ausführungsform kann der Gasführungskanal auch in der Form einer aufgewickelten Schlauchstruktur realisiert werden. Solche Schlauchstrukturen können sowohl auf der Basis von rechteckigen Schlauchgrundformen als auch auf Basis von runden oder elliptischen Schlauchgrundformen hergestellt werden. Die Schlauchstrukturen können dann in geeigneter Weise fixiert werden. Hierzu können die Schlauchstrukturen verklebt werden oder mit einem geeigneten Gehäuse versehen werden.

Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung auch einen Röntgen- generator, umfassend eine oben beschriebene Kühlvorrichtung, einen Hochspannungsgenerator und eine Röntgenröhre. Der Hochspannungsgenerator erzeugt dabei die für den Betrieb der Röntgenröhre erforderliche Hochspannung. Die Röntgenröhre ist mit dem Hochspannungsgenerator über einen zentralen Hochspannungskontakt mechanisch und elektrisch verbindbar. Die Kühlvorrichtung erstreckt sich radial um die Röntgenröhre herum, so dass die Röntgenröhre gekühlt und gleichzeitig elektrisch abgeschirmt wird.

Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem auch ein Verfahren zur Kühlung eines Röntgengenerators. Dabei wird ein Hochspannungsgenerator zur Erzeugung einer Hochspannung bereitgestellt. Eine Röntgenröhre wird mit dem Hochspannungsgenerator über einen Hochspannungskontakt mechanisch und elektrisch verbunden. Eine vorstehend be- schriebene Kühlvorrichtung wird bereitgestellt, wobei sich der durch die Kühlvorrichtung definierte Gasführungskanal spiralförmig um die Röntgenröhre herum erstreckt, um die Röntgenröhre zu kühlen und gleichzeitig elektrisch abzuschirmen. Zur Kühlung des Röntgengenerators wird ein gasförmiges Kühlfluid durch die Kühleinrichtung geleitet.

Die durch das gasförmige Kühlfluid erzielbare Kühlleistung ist geringer als die mit flüs- sigen Kühlmitteln erreichbare Kühlleistung und beträgt bis zu 40 W, vorzugsweise zwischen 0,5 und 25 Watt und weiter vorzugsweise 1 bis 12 W.

Wie bereits erwähnt, wird bei einem Röntgengenerator ein Großteil der aufgewendeten Energie in Wärme umgesetzt. Um Energie zu sparen bzw. um möglichst wenig überschüssige Wärmeenergie zu produzieren, kann eine Röntgenröhre auch im Pulsbetrieb betrieben werden, indem die Röntgenstrahlung jeweils nur für kurze Zeit erzeugt wird. Durch den Pulsbetrieb wird deutlich weniger Abwärme generiert als bei einem kontinuierlichen Dauerstrichbetrieb. Auf diese Weise kann eine relativ leistungsstarke Röntgenröhre verwendet werden, die aber dennoch deutlich weniger Abwärme generiert als eine entsprechende im Dauerstrichbetrieb angesteuerte Röntgenröhre. Bei geeigneter Dimensionierung ist die erfindungs- gemäße Kühlvorrichtung daher besonders vorteilhaft bei relativ leistungsstarken Röntgenge- neratoren im Pulsbetrieb anwendbar.

Merkmale, die im Zusammenhang mit einzelnen Ausführungsformen beschrieben sind, können, soweit nichts anderes angegeben ist, auch im Zusammenhang mit anderen Ausführungen eingesetzt werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen: Fig. 1 Aufbau einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung in einem Röntgengenerator; Fig. 2 Radialer Querschnitt der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung entlang der gestrichelten Linie 2-2 aus Fig. 1 ;

Fig. 3 Schematischer Verlauf des elektrischen Potentials innerhalb durch die erfin- dungsgemäße Kühlvorrichtung;

Fig. 4 Zweiteilige Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung;

Fig. 5 Die zwei Gehäuseteile der Ausführungsform gemäß Fig. 4; und

Fig. 6 Axialer Querschnitt durch die Kühlvorrichtung gemäß Fig. 4. Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung 10 zur Erzeugung von Röntgenstrahlung, umfassend eine Röntgenröhre 12, eine Kühlvorrichtung 14 und eine Hochspannungsquelle 16. Die Kühlvorrichtung 14 erstreckt sich um einen Teil der Röntgenröhre 12 herum und dient sowohl zur Kühlung als auch zur elektrischen Isolation der Röntgenröhre 12 von der Umgebung.

Die Kühlvorrichtung 14 weist ein Gehäuse 18 mit einer Gaseinlassöffnung 20 und einer

Gasauslassöffnung 22 zur Zufuhr bzw. zur Abfuhr des gasförmigen Kühlmittels auf. Im Inneren der Kühlvorrichtung 14 wird das Kühlmittel auf einer spiralförmigen Bahn in einem Gasführungskanal 24 an der Röntgenröhre 12 vorbeigeführt. Dabei nimmt das Kühlmittel die von der Röntgenröhre 12 erzeugte Wärme auf und führt diese an die Umgebung ab.

Die Röntgenröhre 12 wird üblicherweise mit Hochspannung von zwischen 20 und

150 kV betrieben. Die benötigte Hochspannung wird von der Hochspannungsquelle 16 bereitgestellt und über eine entsprechend vorgesehene Kontaktierung an die Röntgenröhre 12 angelegt. Um die Betriebssicherheit der Anordnung zu gewährleisten, sind die zugänglichen Gehäuseteile, insbesondere das Gehäuse 18 der Kühlvorrichtung 14, auf Masse gelegt.

Die Kühlvorrichtung 14 muss daher nicht nur so ausgelegt sein, dass die von der Röntgenröhre 12 erzeugte Wärme abgeführt werden kann, sondern muss gleichzeitig auch die Röntgenröhre 12 gegenüber der Umgebung elektrisch isolieren.

Das Gehäuse 18 der Kühlvorrichtung 14 ist daher zweckmäßigerweise aus thermoplastischem Kunststoff, z.B. aus Polysulfon, gefertigt. In der in Fig. 1 gezeigten Ausführungs- form befinden sich die Gaseinlassöffnung 20 und die Gasauslassöffnung 22 jeweils an einer Stirnseite des Gehäuses 18 der Kühlvorrichtung 14.

Der Verlauf des Gasführungskanals 24 im Inneren der Kühlvorrichtung 14 ist in dem Querschnitt der Fig. 2 abgebildet. Der Querschnitt ist entlang der Linie 2-2 aus Fig. 1 genommen. Das Kühlgas wird von der Gaseinlassöffnung 20 entlang des spiralförmigen Gas- führungskanals 24 durch das Gehäuse 18 der Kühlvorrichtung 14 geleitet. Im Zentrum der Kühlvorrichtung 14 kommt das Kühlgas in Wärmetauschbeziehung mit der Röntgenröhre 12 und nimmt von der Röntgenröhre 12 erzeugte Wärme auf. Das erwärmte Kühlgas wird an- schließend weiter durch den Gasführungskanal 24 geführt bis es schließlich an der Gasauslassöffnung 22 aus dem Gehäuse 18 der Kühlvorrichtung 14 austritt. Die schneckenförmig angeordneten inneren Wandungen der Kühlvorrichtung, die den Gasführungskanal 24 definieren, geben durch ihre spiralförmige Anordnung den Weg des Gasstroms vor.

Die Länge des Gasführungskanals 24 muss dabei so bemessen sein, dass ein Funkenschlag zwischen der zentral angeordneten sich auf Hochspannungspotential befindlichen Röntgenröhre 12 und der auf Massepotential liegenden Außenseite des Gehäuses 18 der Kühlvorrichtung 14 vermieden wird.

Die jeweils mindestens zu verwendende Länge des Gasführungskanals hängt dabei von der Höhe der Betriebsspannung der Röntgenröhre ab. Im Allgemeinen lässt sich dabei sagen, dass die Länge des Gasführungskanals etwa 3 mm/kV betragen sollte. Bei einer 100 kV-Röntgenröhre bedeutet dies, dass die Länge des Gasführungskanals zwischen der zentral angeordneten Röntgenröhre und der Gaseinlassöffnung bzw. der Gasauslassöffnung etwa 30 cm betragen sollte.

Um die Betriebssicherheit der Anordnung 10 zu gewährleisten, muss nicht nur der spiralförmige Gasführungskanal 24 der Kühlvorrichtung 14 ausreichend lang ausgeführt sein, sondern es muss auch dafür gesorgt werden, dass in radialer Richtung durch die Innen- und Außenwände des Gehäuses 18 der Kühlvorrichtung 14 kein Funkenschlag auftreten kann.

Um einen solchen radialen Funkenschlag zu vermeiden, muss die Summe der Wand- dicken des Gasführungskanals 24 in radialer Richtung der Kühlvorrichtung 14 derart gewählt sein, dass die resultierende Gesamtwanddicke einen solchen Funkenschlag verhindert. Die benötigte Gesamtdicke der Wände hängt dabei von den dielektrischen Eigenschaften des Materials ab, welches für das Gehäuse 18 der Kühlvorrichtung 14 verwendet wird. Typischerweise verwendete Thermoplasten weisen eine Durchschlagsfestigkeit von 10 bis 20 kV/mm auf. Für eine 100 kV Röntgenröhre bedeutet dies wiederum, dass eine Gesamtwandstärke von etwa 10 mm vorgesehen sein sollte, um auch einen radialen Funkenschlag zu vermeiden.

Beispielhaft ist in Fig. 3 der Verlauf des elektrostatischen Potentials in radialer Richtung entlang der Linie 3-3 von Fig. 2 dargestellt. Die Linie 3-3 führt in radialer Richtung von der Außenseite des Gehäuses 18 durch drei Wandbereiche A, B, C hindurch zur Röntgenröhre 12. Auf diesem Weg fällt das gesamte Hochspannungspotential von der Röntgenröhre auf Masse ab. Aufgrund der deutlich höheren Dielektrizitätskonstante des Kunststoff materi- als der Kühlvorrichtung 14 im Vergleich zur Dielektrizitätskonstante von Luft ergibt sich innerhalb der Wandbereiche A, B, C ein deutlich steilerer Potentialabfall als innerhalb des Gasführungskanals 24. Wie man dem Potentialverlauf in Fig. 3 entnehmen kann, ist die Gesamtdicke der Wandbereiche ausreichend dimensioniert, so dass das gesamte elektrische Potential der Röntgenröhre in radialer Richtung über die Wandbereiche abfallen kann, ohne dass es dabei zu einem Funkendurchschlag kommt.

Die Fig. 4 bis 6 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der das Gehäuse 18 der Kühlvorrichtung 14 zweiteilig ausgeführt ist. Der eine Teil 18a des Gehäuses der Kühlvorrichtung 14 ist dabei mit dem Hochspannungsgenerator 16 verbunden. Der andere Teil 18b des Gehäuses 18 ist mit der Röntgenröhre 12 verbunden. Wie in Fig. 5 veranschaulicht, umfassen die beiden Gehäuseteile 18a, 18b jeweils spiralförmig angeordnete Innenwände 26a, 26b, die den spiralförmigen Gasführungskanal 24 definieren. Die Außenwände der beiden Gehäusekomponenten 18a, 18b sind dabei so ausgeführt, dass sie eine stabile Steckverbindung bilden. Im zusammengebauten Zustand greifen die spiralförmigen Innenwände 26a, 26b in axialer Richtung so ineinander, dass die freien Enden der Innenwände des einen Gehäuseteils 18a, 18b jeweils bis an die Stirnseite 28b, 28a des jeweils anderen Gehäuseteils 18b, 18a reichen. Der so definierte Gasführungskanal 24 entspricht im Wesentlichen dem Gasführungskanal 24, wie er anhand der Figuren 1 bis 3 erläu- tert worden ist.

Um auch bei dieser Ausführungsform der Kühlvorrichtung 14 einen Funkenschlag zu vermeiden, gelten für die Länge des Gasführungskanals 24 und für die Summe der Wandstärken in radialer Richtung dieselben Kriterien wie bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform.

Fig. 6 zeigt einen Querschnitt in axialer Richtung durch eine zweiteilig ausgeführte

Kühlvorrichtung. Wie oben bereits angesprochen, erstrecken sich die spiralförmigen Innenwände 26a, 26b der einzelnen Gehäuseteile 18a, 18b zwar jeweils bis an die Stirnseiten 28b, 28a des jeweils anderen Gehäuseteils 18b, 18a, aber eine luftdichte Verbindung ist dabei für das Erreichen der Kühlwirkung der vorliegenden Erfindung nicht notwendigerweise erforder- lieh. Allerdings eröffnet eine nicht luftdichte Verbindung zwischen den beiden Gehäuseteilen einen weiteren potentiellen Streckenverlauf für einen Funkenschlag durch die Kühlvorrichtung.

Dieser potentielle Streckenverlauf für einen Funkenschlag ist in Fig. 6 dargestellt. Die beiden Gehäuseteile 18a und 18b weisen jeweils eine kreisförmige Stirnseite 28a und 28b auf. Von dieser Stirnseite erstrecken sich jeweils die spiralförmigen Innenwände 26a und 26b, die den Gasführungskanal 24 bilden. Die axiale Erstreckung der Innenwände 26a und 26b ist jeweils so bemessen, dass deren freien Enden die jeweils gegenüberliegende Stirnseite 28b und 28a berühren, so dass auch in dieser Ausführungsform das gasförmige Kühlmedium im Wesentlichen entlang des so geformten Gasführungskanals 24 geleitet wird.

In Fig. 6 sind verbleibende Zwischenräume zwischen den freien Enden der Innenwände 26a und 26b und den jeweils gegenüberliegenden Stirnseiten 28a und 28b aus Gründen der Anschaulichkeit übertrieben dargestellt. In tatsächlichen Kühlvorrichtungen würden allen- falls schmale Schlitze auftreten, die nur eine sehr geringe Menge an Kühlfluid durchtreten lassen würden.

Aber bereits schmale Schlitze würden ausreichend sein, um einen Funkenschlag zu ermöglichen. Ein potentieller Funkenweg ist in Fig. 6 als gestrichelte Linie eingezeichnet. Da schmale Schlitze zwischen den Gehäuseteilen nicht vermieden werden können bzw. aufgrund des vernachlässigbaren Effekts auf die Kühlwirkung in Kauf genommen werden sollen, muss bei dieser Ausführungsform dafür gesorgt werden, dass die Tiefe der ineinandergreifenden Innenwände 26a, 26b der beiden Gehäuseteile 28a, 28b so gewählt wird, dass die resultierende Funkenstrecke ebenfalls wieder lang genug ist, um bei den verwendeten Hochspannungen einen Funkenschlag entlang des in Fig. 6 eingezeichneten potentiellen Funkenweges zu vermeiden.

Darüber hinaus ist es bei der Verwendung von unschädlichen Kühlgasen wie Luft oder Stickstoff auch nicht unbedingt notwendig, eine absolut gasdichte Verbindung der beiden Gehäuseteile 18a und 18b sicherzustellen. Austretendes Kühlgas vermischt sich allenfalls mit der Umgebungsluft, führt aber im Gegensatz zu den sonst üblicherweise verwendeten dielektrischen Ölen nicht zur Kontamination der Bauteile oder der zu inspizierenden Produkte.

Die vorstehenden Ausführungen dienen lediglich der Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung und sind nicht limitierend auszulegen. Selbstverständlich wird ein Fachmann einzelne oder alle Merkmale, die im Zusammenhang mit einzelnen Ausführungsformen beschrieben sind, auch mit anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kombinieren.

Liste der Bezugszeichen

10 Röntgengenerator-Anordnung

12 Röntgenröhre

14 Kühlvorrichtung

16 HV-Generator

18 Gehäuse der Kühlvorrichtung

20 Gaseinlassöffnung

22 Gasauslassöffnung

24 Gasführungskanal

26 Innenwände des Gehäuses

28 Stirnwände des Gehäuses

30 potentielle Funkenstrecke