Brevet FR2698721A1 — publié le 19940603

SYSTEME DE REFROIDISSEMENT D'UNE ANODE POUR TUBE A RAYONS X DANS UN BLOC RADIOGENE SANS ECHANGEUR DE CHALEUR La présente invention concerne un système de refroidissement d'une anode permettant d'augmenter la dissipation thermique d'un tube radiogène en fonctionnement à l'intérieur d'un bloc radiogène sans pour autant se servir d'échangeur de chaleur comportant un fluide caloporteur, comme l'air ou l'eau, mis en circulation forcée. Un tube à rayons X ou tube radiogène comprend essentiellement deux électrodes, une cathode et une anode contenues dans un ballon de verre sous vide, et fixées respectivement aux extrémités de ce dernier. La cathode est généralement constituée par un filament de Tungstène, logé dans une pièce métallique de forme appropriée à jouer le rôle d'une lentille électronique, et que l'on appelle pièce de concentration. Elle est destinée à émettre un faisceau d'électrons focalisé sur l'anode. Cette anode, dans le cas des tubes à anode tournante, est souvent constituée d'un disque massif, en graphite ou en Molybdène par exemple, recouvert généralement sur une face d'une couche de Tungstène. Bien entendu, pour des applications spéciales, les matériaux de l'anode peuvent être autres que ceux cités ci-dessus. L'anode peut aussi être constituée. par une masse cylindrique en Cuivre portant, sur sa face placée en vis-à-vis de la cathode, une plaquette d'un métal réfractaire à numéro atomique élevé. Ç'est pour ce dernier type de tube que la présente invention a un grand intérêt. Lorsque le filament de la cathode est rendu incandescent et que l'anode est portée à un potentiel positif de quelques kilovolts par rapport à la cathode, les électrons émis par la cathode sont accélérés vers l'anode par le champ électrique créé entre les deux électrodes et bombardent une surface de l'anode, appelée foyer du rayonnement X. Cette zone d'impact des électrons devient la source principale d'émission des rayons X dans tout l'espace faisant face à l'anode, sauf aux incidences rasantes. Une faible proportion de l'énergie dépensée à produire le faisceau des électrons est transformée en rayons X, alors que le reste est transformée en chaleur qui est emmagasinée dans l'anode. Cette chaleur est due au ralentissement des électrons émis par la cathode et venant frapper l'anode. Elle est transférée ensuite vers le milieu extérieur par rayonnement, dans le cas d'un tube à anode tournante, et par conduction lorsque l'anode est fixe. Ces tubes à rayons X pour lesquels l'anode est fixe sont généralement montés dans des blocs radiogènes qui comprennent en plus un transformateur haute tension et des éléments de redressement. La puissance dissipée par convection naturelle du bloc radiogène, qui reçoit toute la chaleur de l'anode avant de la dissiper, ne peut dépasser 150 à 200 watts en permanence. Lorsque l'anode doit dissiper une puissance plus élevée, de l'ordre de 1 à 4 kilowatts, le tube à rayons X est placé, non plus dans le bloc radiogène, mais dans une gaine dotée d'un système de refroidissement à eau ou à air avec une convection forcée, comme un radiateur avec un ventilateur par exemple. De telles solutions de refroidissement par convection forcée représentent l'inconvénient de devoir apporter de l'eau à partir d'une source, ce qui est difficile quand le tube à rayons X est mobile autour du patient à radiographier, ou de souffler de l'air dans la salle od se trouve l'appareil de radiographie, salle généralement stérile où il est difficilement acceptable de brasser de l'air. La présente invention a pour but de résoudre ces inconvénients en proposant un système de refroidissement de l'anode par augmentation de la surface d'échange entre l'anode et le milieu extérieur. Pour cela, l'objet de l'invention est un système de refroidissement d'une anode pour tube à rayonnement X placé dans un bloc radiogène à paroi métallique et dont l'anode fixe est réalisée à partir d'un bloc de Cuivre dans lequel est enchassée une pastille dont le matériau est réfractaire et à numéro atomique élevé, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit de fluide de refroidissement passant dans l'anode et se prolongeant le long des surfaces du statif adjacentes au bloc radiogène. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront dans la description suivante d'exemples de réalisation d'une anode, illustrée par les dessins ci-annexés dans lesquels - les figures la et lb sont une représentation schématique d'un appareil de radiographie mobile et d'un bloc radiogène selon l'invention; - la figure 2 est une vue en coupe longitudinale d'un tube à rayons X comprenant un système de refroidissement de l'anode selon l'invention; - la figure 3 est une section de l'arceau portant le bloc radiogène refroidi selon l'invention. Les éléments portant les mêmes références dans les différentes figures remplissent les mêmes fonctions en vue des mêmes résultats. Comme le montre la figure la qui est une représentation schématique d'un appareil de radiologie mobile autour d'un plan P, où est placé le patient, le bloc radiogène 1 contenant le tube à rayons X est monté à une extrémité 2 d'un arceau 3 en forme d'arc de cercle ou de U, dont l'autre extrémité 4 supporte le tube amplificateur d'images 5. Cet arceau 3 est doté d'une rotule 6 en son milieu permettant sa rotation autour du plan P. La figure lb est une vue en coupe détaillée du bloc radiogène 1 de l'appareil de radiologie de la figure la. Il comprend un tube à rayons X 8 ainsi qu'un transformateur haute tension et des éléments de redressement 14. Le tube 8 comprend une cathode 9 placée en face de la pastille 11 émissive de rayons X d'une anode 7 dans une ampoule de verre 10, sous vide et un dispositif de refroidissement 13. La figure 2 est une vue en coupe longitudinale d'un tube a rayons X 8 dont l'anode est refroidie selon l'invention. Ce tube 8 comprend une anode 7, une cathode 9, fixée à une extrémité d'un tube en verre 10, en face de l'anode 7, elle-même fixée à l'autre extrémité. Cette anode 7 est réalisée à partir d'un bloc cylindrique en Cuivre, recouverte d'une couche 11 de dépôt de métal réfractaire à numéro atomique élevé sur sa face en regard de la cathode. Conformément à l'invention, le bloc de Cuivre de l'anode est solidaire de la paroi 15 du bloc radiogène. En fonctionnement, le disque de Cuivre de l'anode s'échauffe. Antérieurement, de l'air était soufflé ou de l'eau circulait dans l'épaisseur de l'anode. La chaleur de cette eau était transmise ensuite à la paroi du bloc radiogène qui, une fois chaude, la dissipait par convection naturelle. L'invention propose d'augmenter très sensiblement la surface d'échange thermique par convection, en faisant participer à l'échange une grande partie du statif de l'appareil. Pour cela, on adjoint un circuit de refroidissement 130 par eau ou tout autre fluide caloporteur passant dans l'anode et constitué de plusieurs tuyaux solidaires de différentes parties du statif adjacentes à l'enveloppe du tube, telles que 11 arceau portant le bloc radiogène, afin de les échauffer.Selon l'invention, la surface d'échange thermique est alors composée de la surface du bloc radiogène à laquelle on ajoute la surface de l'arceau. La figure 3 montre une section de l'arceau 3 portant le bloc radiogène contre la paroi duquel sont soudés quatre tuyaux 12 permettant la circulation de l'eau destinée au refroidissement de l'anode. Les tuyaux sont reliés au circuit d'eau passant dans l'anode. Dans le cas particulier de la figure 3, l'arceau 3 a une section carrée et les tuyaux 12 sont soudés à l'intérieur. Lesdits tuyaux peuvent être en métal, par exemple. Grâce à l'invention, la puissance thermique à dissiper peut être de l'ordre de cinq fois la puissance dissipable par le bloc radiogène seul. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le tube à rayons X pourrait être bipolaire, c'est-à-dire que l'anode serait connectée à la haute tension positive : dans ce cas, il suffit de remplacer l'eau du système de refroidissement par de l'huile isolante et d'isoler électriquement l'anode de la paroi du bloc reliée à la masse électrique. L'intérêt de l'invention réside dans le fait qu'on substitue à tous ces échangeurs de chaleur antérieurement décrits les surfaces du statif lui-même adjacentes au bloc radiogène, en élevant leurs températures. La chaleur dissipée par un corps chaud en convection naturelle s'écrit selon l'équation suivante W = h * S (T-To), où h est le coefficient d'échange thermique entre le corps et le milieu extérieur; S est la surface d'échange; T est la température du corps; et To est la température du milieu extérieur. L'invention consiste à augmenter la surface S, ce qui permet d'augmenter la puissance moyenne d'un bloc radiogène, sans ajouter de soufflerie pour refroidir l'anode. REVENDICATIONS 1. Système de refroidissement d'une anode pour tube à rayons X, fonctionnant à l'intérieur d'un bloc radiogène à paroi métallique et dont l'anode fixe est réalisée à partir d'un bloc de Cuivre dans lequel est enchassée une pastille de matériau réfractaire à numéro atomique élevé, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit de fluide de refroidissement passant dans l'anode (7) et se prolongeant le long des surfaces du statif adjacentes au bloc radiogène (1). 2. Système de refroidissement selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de fluide de refroidissement est constitué de plusieurs tuyaux (12) soudés contre la paroi de l'arceau (3) portant le bloc radiogène (1). 3. Système de refroidissement d'une anode pour tube à rayons X monopolaire selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'anode (7) fixe est reliée à la paroi du bloc radiogène (1) et en ce que le fluide de refroidissement est de l'eau. 4. Système de refroidissement d'une anode pour tube à rayons X bipolaire, selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'anode est isolée électriquement de la paroi du bloc radiogène et en ce que le fluide de refroidissement est de l'huile isolante électriquement. 5. Système de refroidissement selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les tuyaux du circuit de refroidissement sont en métal. 6. Système de refroidissement selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'arceau (3) portant le bloc radiogène (1) a une section carrée et les tuyaux (12) du circuit de refroidissement sont au nombre de quatre et sont soudés à l'intérieur de l'arceau.