(57)【要約】冷却油回路は冷却油をＸ線管の周りで循環させ、その廃熱を吸収する。冷凍回路は、冷却油を冷却する。熱緩衝器は、Ｘ線管がＸ線を発生しているときに、冷却流体からピーク熱負荷を吸収する。弁は、熱伝達効率を高めるために熱緩衝器に入る冷却油の相対的な量を調整する。熱緩衝器は、Ｘ線管の動作中に熱を吸収し、動作と動作の間に熱を放出することにより、システムが、より小さなより簡単な冷凍システムで、ピーク熱負荷を扱うことを可能とする。
2004512072.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｘ線管から熱を吸収するためにＸ線管と熱的に接触する冷却流体と、
Ｘ線管が熱を発生しているときは冷却流体から熱を吸収し、Ｘ線管がＸ線を発生していないときは冷却流体へ熱を放出する熱緩衝手段とを含む、
診断用スキャナのＸ線管用の冷却システム。
【請求項２】
冷却流体は、冷却油よりも高い熱容量を有する高い熱容量の材料を含む熱緩衝手段を通って循環し、上記高い熱容量の材料は熱緩衝手段を通って流れる冷却油と熱交換関係に置かれる、請求項１記載の冷却システム。
【請求項３】
熱緩衝手段は、高い熱容量の流体を含む空洞及び拡大された表面積がその中を通って延びる冷却流体通路を含み、冷却流体が上記通路を通るとき、冷却流体と高い熱容量の材料との間で熱が交換される、請求項１又は２記載の冷却システム。
【請求項４】
冷却流体通路は、冷却流体と高い熱容量の材料との間の熱伝達の率を高めるために周囲面にフィンが配置された複数の管を含む、請求項３記載の冷却システム。
【請求項５】
熱緩衝手段の上流に配置される弁と、
熱緩衝手段への冷却流体の流れを制御するために冷却流体の温度に従って弁を調整する弁制御部とを含む、請求項１乃至４のうちいずれか一項記載の冷却システム。
【請求項６】
冷却流体を熱緩衝手段の周りに迂回させるために熱緩衝手段に並列に上流に配置されるバイパス導管を更に含む、請求項１乃至５のうちいずれか一項記載の冷却システム。
【請求項７】
バイパス導管と熱緩衝手段とを通る冷却流体の相対的な流れを制御する少なくとも１つの弁を更に含む、請求項６記載の冷却システム。
【請求項８】
冷却流体と熱的に接触する冷凍システムを更に含み、上記冷凍システムは、冷却流体がＸ線管へ戻る前に冷却流体から熱を除去する、請求項１乃至７のうちいずれか一項記載の冷却システム。
【請求項９】
Ｘ線管からの冷却油を熱緩衝手段を迂回して冷凍システムへ通すバイパス線と、
熱緩衝手段とバイパス線とを通る冷却油の相対的な割合を制御する少なくとも１つの弁とを更に含む、請求項８記載の冷却システム。
【請求項１０】
冷凍システムは、冷却油の温度を測定するセンサ手段と、
感知した冷却温度に従って上記少なくとも１つの弁を制御する制御手段とを含む、請求項９記載の冷却システム。
【請求項１１】
冷凍システムは、気体の冷媒を使用し、
冷媒で冷却流体を冷却する蒸発器と、
蒸発器から放出される冷媒を受け取り蒸発器と連通する圧縮器と、
圧縮器の下流に配置され圧縮器と連通する凝縮器と、
圧縮器と蒸発器の間に配置され圧縮器及び蒸発器と連通する膨張弁とを含む、請求項８記載の冷却システム。
【請求項１２】
蒸発器の上流に配置され蒸発器に入る冷却流体を予冷する予冷器を更に含む、請求項１１記載の冷却システム。
【請求項１３】
蒸発された冷媒気体を冷却油からの熱で加熱するために冷凍システム中で蒸発器の下流に配置され、冷却油を予冷するために冷却油システム中で蒸発器の上流に配置される、予冷器／過熱器を更に含む、請求項１１記載の冷却システム。
【請求項１４】
過熱器は蒸発器の下流であり圧縮器の上流の位置に配置され、蒸発器を出る冷媒を過熱し蒸発器に入る冷却流体を予冷するために蒸発器及び圧縮器と連通する、請求項１１記載の冷却システム。
【請求項１５】
冷却流体から熱を除去する第２の冷却回路を更に含む、請求項１乃至１４のうちいずれか一項記載の冷却システム。
【請求項１６】
第２の冷却回路は、
冷媒気体を圧縮する圧縮手段と、
凝縮された冷媒気体を冷却する凝縮手段と、
冷却流体から熱を除去するために冷却された凝縮された気体を用いるための蒸発手段とを含む、請求項１５記載の冷却システム。
【請求項１７】
Ｘ線管と、
画像領域をはさんでＸ線管の向かい側に配置されるＸ線検出器と、
Ｘ線管から熱を除去するための請求項１乃至１６のうちいずれか一項記載の冷却システムとを含む、診断用撮像システム。
【請求項１８】
Ｘ線及び熱を発生するためにＸ線管を断続的に動作させる段階と、
Ｘ線管によって発生される熱を冷却流体により吸収する段階と、
Ｘ線管がＸ線及び熱を発生している間、冷却流体からの熱の一部を熱緩衝器に吸収する段階と、
加熱された冷却流体を冷却する段階と、
冷却された冷却流体をＸ線管へ再循環させる段階とを含む、放射線撮像における冷却方法。
【請求項１９】
Ｘ線管がＸ線及び熱を発生していないとき、冷却流体を用いて熱緩衝器から熱を吸収する段階を更に含む、請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
冷却流体と熱緩衝器との間の熱交換の率を調整する段階を更に含む、請求項１８又は１９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
［発明の背景］
本発明は放射線撮像の分野に係る。本発明は、特に、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）スキャナを用いた適用が有利であり、本願ではかかる適用について説明する。しかしながら、本発明は他の診断用のＸ線適用にも適用されうることが認められるべきである。
【０００２】
一般的に、ＣＴスキャナは、スキャン中に静止したままである床上形フレーム組立体と、その中に取り付けられた回転可能なフレーム組立体とを含む。Ｘ線管は、スキャン中に患者が入れられる検査領域の周りを回転する回転可能なフレーム組立体に取り付けられる。Ｘ線からの放射線は、患者が入れられる領域を横切り、放射線検出器のアレイに当たる。各サンプリング中のＸ線管の位置を用いて、患者を通る１以上のスライスの断層撮影画像が再構成される。
【０００３】
Ｘ線管組立体は、回転アノードＸ線管が中に取り付けられる容器を含む。高圧導線及び制御導線は、容器を通って管まで延びる。Ｘ線の発生中、カソード中の加熱されたフィラメントから電子が放出され、アノード上の焦点領域へ向かって加速される。アノードに当たるとき、焦点は白熱に加熱されＸ線の放出を励起する。電子のうちの幾らかの部分、即ち２次電子は、囲む容器に当たり、望ましくない廃熱に変換される。実際は、Ｘ線管に印加されるエネルギーの殆どは熱に変換される。ＣＴスキャナと他の放射線装置についてのなかなか解決されない問題の１つは、Ｘ線を発生している間に生成される廃熱を有効且つ効果的に拡散させることである。
【０００４】
廃熱を取り除くため、容器とＸ線管の間に冷却油が循環させられる。油は、一般的には容器の一端に配置される出口開口から引き入れられ、回転するガントリーの熱交換器を通って循環され、容器の逆の端の入口開口へ戻される。戻された冷却された液体は、容器を通って出口開口へ向かって軸方向に流れ、Ｘ線管から熱を吸収する。回転するガントリーから熱交換器によって除去された熱を伝達するのは、数学的論理学上困難である。Ｘ線管の冷却は、管の寿命と品質のために重要である。より高い電力のＣＴＸ線管に対する要請が高まるにつれ、冷却に管する問題はますます重要となりますます困難となっている。
【０００５】
Ｘ線管に印加される電力は、一般的には指定されるデューティーサイクルに従う。結果として、Ｘ線管からの熱拡散率の量は周期的に変化する。十分な冷却を確実とするため、Ｘ線管冷却システムは、一般的にはシステムによって受け取られる熱拡散のピーク値に基づいて設計される。従って、冷却システムの体積は不必要に大きくなることがあるが、動作中にＸ線管があまりにも高温となることを許すと、高価なＸ線管を不可逆的に損傷させうる。
【０００６】
本発明は、上述の欠点及び他の欠点を克服する新規な改善された冷却システムを提供する。
【０００７】
［発明の概要］
本発明の１つの面によれば、診断用スキャナのＸ線管の冷却システムが提供される。システムは、Ｘ線管と熱的に接触し、Ｘ線管からの熱を吸収する冷却流体を含む。システムはまた、Ｘ線管が熱を発生しているときにＸ線管から熱を吸収し、Ｘ線管がＸ線を発生していないときに冷却流体へ熱を放出する熱緩衝手段を含む。
【０００８】
本発明の他の面によれば、放射線撮影冷却方法が提供される。Ｘ線管は、Ｘ線及び熱を発生するよう断続的に動作される。Ｘ線管によって発生される熱は、冷却流体によって吸収される。冷却流体からの熱のうちの一部は、Ｘ線管がＸ線及び熱を発生している間、熱緩衝手段によって吸収される。加熱された冷却流体は冷却され、冷却された冷却流体はＸ線管へ再循環される。
【０００９】
本発明の１つの利点は、Ｘ線の発生中のピークの熱負荷を扱うことができる一方で、冷却流体を冷却するために必要な熱吸い戻しシステムの寸法を小さくすることである。
【００１０】
本発明の他の利点は、システムの効率を高めることである。
【００１１】
本発明の他の利点は、コンパクトさであり、回転するガントリーの上の貴重な空間が自由となることである。
【００１２】
本発明の他の利点は、当業者によれば以下の詳細な説明を読み理解することによって明らかとなろう。
【００１３】
本発明は、様々な構成要素と、構成要素の配置の形をとり、また、様々な段階と、段階の配置の形をとりうる。図面は望ましい実施例を例示するためにのみ示されるものであり、本発明を制限するものと理解されるべきではない。
【００１４】
［望ましい実施例の詳細な説明］
図１を参照するに、ＣＴスキャナは、データ収集中にその位置が固定される床上形又は静止したフレーム部Ａを含む。Ｘ線管組立体Ｂは、静止フレーム部Ａの中に回転可能に取り付けられる回転するフレームＣに取り付けられる。静止フレーム部Ａは、患者が入れられる検査領域１２を画成する円筒部１０を含む。放射線検出器１４のアレイは、患者を入れる領域１２の周りに同心状に配置される。静止フレームＡは回転するフレームＣと共に、選択可能な角度でスライスをスキャンするために傾斜されうる。
【００１５】
制御コンソール１６は、検出器アレイ１４からの出力信号から画像表現を再構成する画像再構成プロセッサ１８を含む。モニタ２０は、再構成された画像表現を人間が読むことが可能な表示へ変換する。コンソール１６はまた、画像表現を記録することや画像強調を行うこと等のための適当なディジタル記録媒体を含む。スキャンの開始、異なるスキャンの種類からの選択、システムの較正等といった種々の制御機能もまた制御コンソール１６で行われる。
【００１６】
Ｘ線管組立体Ｂは、患者が入れられる領域１２に向けられるＸ線透過窓２４を有する容器２２を含む。回転アノードＸ線管は、容器２２の中に取り付けられる。回転するアノードとカソードの間に印加される１５０ｋＶ以上のオーダの高い電圧は、カソードからアノードへ電子を加速させる。アノードに当たる電子からのエネルギーは、Ｘ線と大量の熱を生じさせる。
【００１７】
Ｘ線は、Ｘ線透過窓２４を通り患者が入れられる領域１２を横切って通過する。適当なＸ線コリメータは、従来技術と同様に、放射線をＸ線領域１２に広がる１以上の平坦なビームへ合焦させる。Ｘ線管Ｂに関連する他の機器、例えば高圧電源２６もまた回転するフレームＣに取り付けられる。高圧電源２６は、アノード及びカソードへ必要な高い電圧を与える。
【００１８】
特に図２を参照して、Ｘ線管Ｂによって発生される望ましくない熱は、例えば油、水、硫黄、六フッ化物、及び他の液体や気体といった冷却流体を、容器２２を通してＸ線管の周りに循環させることによって除去される。より特定的には、冷却流体は、入口開口を通って容器２２に入り、Ｘ線管からの熱を吸収し、加熱された冷却流体は出口開口を通って容器２２から出る。冷却システム５０は、冷却流体を所望の温度で容器２２へ再循環させ連続的に与えるために使用される。
【００１９】
冷却システム５０は、冷却流体を所望の温度でＸ線管Ｂへ循環させる冷却液又は冷却流体ループＤと、冷却流体ループＤの冷却流体を所望の温度に維持するために冷凍ループＥとを含む。冷却流体ループＤは、熱緩衝器５２、予冷器／過熱器５４、蒸発器５６、熱緩衝弁５８、バイパス弁６０、及び冷却流体ポンプ６２を含む。
【００２０】
冷却流体は、Ｘ線管組立体の出口開口から、熱緩衝導管６６及びバイパス導管６８へ分かれる出口導管６４へ入る。熱緩衝導管６６は、熱緩衝器５２と連通し、その中に熱緩衝弁５８が配置される。バイパス導管６８は、その中に配置されるバイパス弁６０を含む。弁５８、６０を通される全ての流体は、最終的には合流導管７０へ流れ込む。このように、両方の弁５８、６０が開いていれば、冷却流体の１つの流れは熱緩衝弁５８及び熱緩衝器５２を通って合流導管７０へ流れ込み、他の流れはバイパス弁６０を通って合流導管７０へ流れ込む。
【００２１】
予冷器／過熱器５４は、合流導管７０と蒸発器５６の間で連通する。特に、予冷器／過熱器５４は、合流導管７０の下流に蒸発器５６の上流に配置される。蒸発器５６は、入口開口を通ってＸ線管容器と連通するポンプ６２の上流にあり、ポンプ６２と連通する。
【００２２】
熱緩衝器５２は、水、液体金属、又は他の適当なヒートシンクといった高い熱容量の流体を含む空洞を含む。熱緩衝器５２の空洞を通る管状通路は、冷却流体ループＤの冷却流体が熱緩衝器５２へ、また、熱緩衝器から、容易に熱を伝達することを可能とするよう大きい表面積を有する。望ましくは、平行な管は、それらの周囲面の周りに配置される複数のフィンを含む。細長い管及び他の曲がった路も考えられる。熱緩衝器５２は、高い熱容量の流体が管を通って流れる冷却媒体から熱を吸収することを可能とするよう動作される。管に設けられたフィンは、冷却流体から伝達される熱の量を高める。
【００２３】
望ましくは、高い熱容量の流体は、熱緩衝器５２の中の空洞を約四分の三だけ満たすべきである。空洞の中の高い熱容量の流体の量を全容量よりも少なく保つことにより、回転フレームＣが回転するときに高い熱容量の流体の撹拌作用を可能とする。このような撹拌は、冷却流体と熱緩衝器５２の高い熱容量の流体との間の熱伝達を更に高めうる。
【００２４】
熱はまた、予冷器／過熱器５４及び蒸発器５６によって冷却流体ループＤの冷却流体から除去される。更に特定的には、予冷器／過熱器５４及び蒸発器５６は、冷却流体ループＤと冷凍ループＥの間の熱伝達を可能とする。冷凍ループＥは、予冷器／過熱器５４及び蒸発器５６を通って流れる冷却流体から熱を除去するために望ましくは圧縮性気体である冷媒を用いて従来通りに動作する。
【００２５】
冷凍ループＥは、予冷器／過熱器５４と、予冷器／過熱器５４の下流にあり予冷器／過熱器５４と連通する蒸発器５６と、予冷器／過熱器５４から放出される冷媒を受け取り予冷器／過熱器５４と連通する圧縮器７２と、圧縮器７２の下流にあり圧縮器７２と連通する凝縮器７４と、凝縮器７４と蒸発器５６の間に配置され凝縮器７４及び蒸発器５６と連通する膨張弁７６とを含む。
【００２６】
動作中、冷凍ループＥの液体冷媒は、冷却流体ループＤの冷却流体からの熱を吸収することにより蒸発器５６の中で蒸発する。蒸発した冷媒は、圧縮器７２によって凝縮器７４へ送られる前に、予冷器／過熱器５４において乾燥され、加熱又は過熱される。凝縮器７４において、蒸発した冷媒は凝縮器７４を通る冷却空気へ熱を拡散し、結果として再び液体の冷媒に戻る。液体冷媒は、膨張弁７６を通って蒸発器５６へ戻り、上述のサイクルを繰り返す。
【００２７】
Ｘ線管によって発生する熱の量は時間に亘って変化する。Ｘ線が発生すると、発生する熱の量は最大の熱負荷率であるかそれに近い熱負荷率となる。反対に、全ての他の時間に発生される熱の量は比較的低い。本発明の冷却システム５０は、ピーク熱負荷期間中の冷却流体からの熱の除去を助けるために熱緩衝器５２を使用する。熱緩衝器５２を使用するためには、冷凍ループＥが冷却流体から平均的な熱の率のみを除去することが可能であることが必要とされる。熱緩衝器は、本質的には、ピークの負荷の間にＸ線管Ｂによって発生される熱の可変の部分を待たせるか保存する。ピーク負荷期間が終了すると、熱緩衝器５２は次のピーク負荷期間の準備のために冷却流体によってある時間に亘って冷却される。
【００２８】
ピーク熱負荷期間中の動作において、バイパス弁６０が開かれる。熱緩衝弁５８は、Ｘ線管Ｂを得る冷却流体の温度に依存した可変の量だけ開かれ、Ｘ線管Ｂからの加熱された冷却流体が熱緩衝器５２へ入ることを可能とする。望ましくは、熱センサ９０は冷却油の温度を感知し、弁制御器９２は温度が高くなるにつれ弁５８を徐々に更に開き、温度が低くなるにつれ徐々に閉じる。熱緩衝器５２は、予冷器／過熱器５４及び蒸発器５６がＸ線管Ｂの過熱を防止する冷却流体から熱を除去するのを助ける。
【００２９】
ピーク負荷期間が終了すると、即ち、Ｘ線管の電源が切断されると、バイパス弁６０が閉じられ、全ての冷却流体を強制的に熱緩衝器５２を通させる。冷却流体の温度が熱緩衝器５２中の高い熱容量の材料の温度よりも下まで下がると、高い熱容量の材料から熱を吸収しはじめる。熱緩衝器５２の温度が所望の温度に戻ると、Ｘ線管Ｂは再び電源投入され、サイクルが繰り返される。
【００３０】
他の実施例では、バイパス導管６８、バイパス弁６０、及び制御弁５８は、設けられない。冷却流体は、ピーク及びピーク外の加熱負荷の間、Ｘ線管Ｂから直接に熱緩衝器５２を通って流れる。熱緩衝器５２は、上述のように動作を続ける。
【００３１】
他の実施例では、予冷器／過熱器５４が設けられない。予冷器／過熱器５４は、システム５０の動作効率を高めるが、必須の構成要素ではない。
【００３２】
冷凍ループＥは、最も速い動作サイクルに亘ってＸ線によって発生される熱を全て除去するような寸法とされる。熱緩衝器５２は、Ｘ線管の最も長い期間のサイクル中にＸ線管によって発生される熱と冷凍回路Ｅによって除去される熱との間の差を吸収するような寸法とされる。熱緩衝器５２の寸法を決めるとき、熱緩衝器５２は、必ずしもＸ線管の動作と動作の間の周囲温度とされるわけではないことに注意せねばならない。熱緩衝器５２は、速いオン・オフのサイクルの高められた温度で開始するときでも熱の差を吸収するような寸法とされるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明によるＣＴスキャナを概略的に示す図である。
【図２】
ＣＴスキャナのＸ線管からの熱の除去のための冷却システムを概略的に示す図である。
【図２】
2004512072.tif 000003
【国際公開パンフレット】
2004512072.tif 000004
2004512072.tif 000005
2004512072.tif 000006
2004512072.tif 000007
2004512072.tif 000008
2004512072.tif 000009
2004512072.tif 000010
2004512072.tif 000011
2004512072.tif 000012
2004512072.tif 000013
2004512072.tif 000014
2004512072.tif 000015
2004512072.tif 000016
2004512072.tif 000017
2004512072.tif 000018
2004512072.tif 000019
2004512072.tif 000020
【国際調査報告】
2004512072.tif 000021
2004512072.tif 000022