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APPAREIL DE RADIOLOGIE PORTABLE La présente invention s'inscrit dans le domaine de la radiologie industrielle et plus spécialement dans le domaine des générateurs de rayons X portables destinés au contrôle radiologique sur chantier.
Le rendement énergétique d'un tube à rayons X est très faible, de l'ordre de 3 %. La majeure partie de l'énergie fournie au tube est transformée en chaleur sur la cible. Cette cible étant de très petite dimension, il importe d'évacuer très rapidement cette chaleur sous peine de voir la température de la cible s'élever très rapidement, ce qui peut mener à sa fusion et à la destruction du tube.
Certes, il existe des générateurs qui comportent un échangeur de chaleur pour évacuer la chaleur du tube à rayons X, l'échangeur de chaleur étant constitué d'ailettes concentriques. L'efficacité d'un tel dispositif s'avère en pratique insuffisante.
Ce problème oblige la plupart des fabricants de générateurs portables à limiter le rythme de fonctionnement de leur appareil, par exemple à cinq minutes de fonctionnement puis cinq minutes d'arrêt. La rentabilité de l'appareil s'en trouve donc réduite.
Or, il existe dans la clientèle une forte demande pour un appareil acceptant un rythme de travail de 100 %. Ce
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besoin a amené le demandeur à concevoir et à mettre au point un système de refroidissement optimal pour tube à rayons X.
L'invention propose ainsi un générateur de rayons X portable comportant un dispositif de refroidissement tel que défini dans les revendications. Plus particulièrement, le dispositif de refroidissement comprend un radiateur à ailettes parallèles, fixé sur la partie accessible de l'anode du tube à rayons X, et un ventilateur disposé pour assurer une convection forcée à débit d'air élevé.
Le dispositif suivant l'invention étant basé sur une convection forcée et non sur la convection naturelle, il a paru avantageux de prévoir une surface d'ailettes très importante, quitte à avoir un espace réduit entre les ailettes pour une question d'encombrement.
L'objectif poursuivi dans la conception et la réalisation du générateur de rayons X portable suivant l'invention est d'atteindre un échange thermique optimal et pour atteindre cet objectif, une étude a été entreprise visant à optimiser les paramètres de réalisation du radiateur qui influencent l'échange thermique et par conséquent l'efficacité du refroidissement.
Le montage du radiateur sur l'anode du tube à rayons X est conçu de manière à réaliser un bon contact thermique et une bonne conduction thermique. A cet effet, le radiateur est avantageusement réalisé en deux parties serrées sur l'anode du tube à rayons X. Pour des raisons de poids, le radiateur peut avantageusement être réalisé en aluminium bien que le cuivre soit meilleur conducteur que l'aluminium mais il est plus lourd. Le
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choix de l'aluminium constitue un compromis satisfaisant : ce matériau est un peu moins bon conducteur de chaleur que le cuivre, mais il est nettement plus léger.
L'invention est exposée plus en détails dans ce qui suit sur un exemple de mode de réalisation illustré dans les dessins joints.
La figure 1 montre une vue en coupe axiale d'un générateur de rayons X conforme à l'invention.
La figure 2 est une vue de détail montrant le radiateur monté sur le tube à rayons X.
La figure 3 est une vue en plan de dessus du radiateur de la figure 2.
Sur la figure 1 qui représente un générateur de rayons X portable 10 conforme à l'invention, le tube à rayons X est désigné par 11, l'anode du tube par 12, le radiateur par 13 et le ventilateur par 14. Le radiateur 13 est fixé sur la partie accessible de l'anode 12. Se reportant à la vue de détail de la figure 2, on observe le profil conique du bas du radiateur 13. Celui-ci est avantageusement constitué de deux moitiés 13a et 13b serrées sur l'anode 12 du tube au moyen de vis (non représentées sur la figure 3). Le radiateur 13 comporte des ailettes 15 qui s'étendent parallèlement l'une à l'autre dans des plans parallèles à l'axe longitudinal de l'anode 12 du tube à rayons X.
L'adoption d'un radiateur à ailettes parallèles est conditionné par le fait que le dispositif suivant l'invention est basé sur une convection forcée et non sur la convection naturelle. Il a donc paru avantageux de prévoir une surface d'ailettes très importante, quitte
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à avoir un espace réduit entre les ailettes pour une question d'encombrement.
Les paramètres qui régissent l'échange thermique dans l'application particulière considérée par l'invention sont la largeur des ailettes, la largeur de l'espacement entre les ailettes et la hauteur totale du radiateur.
La réduction de la largeur entre ailettes permet d'augmenter la surface d'échange en augmentant le nombre d'ailettes. Elle permet également la réduction de la section de passage de l'air, ce qui augmente sa vitesse et favorise l'échange thermique. Par contre, si cette section est trop réduite, la perte de charge augmente et le débit d'air diminue, ce qui est défavorable.
La réduction de la largeur d'ailettes permet d'augmenter la surface d'échange, mais gêne le transfert de la chaleur vers l'extérieur des ailettes, réduisant ainsi leur efficacité.
L'augmentation de la hauteur du radiateur, quant à elle, permet d'augmenter la surface d'échange, mais augmente également les pertes de charges.
Il est clair que, vu les effets contradictoires de ces différents paramètres, un optimum a été recherché afin d'assurer un échange thermique optimal et, par voie de conséquence, une efficacité de refroidissement optimale.
Pour ne pas allonger inutilement l'appareil, la hauteur du radiateur est maintenue raisonnable en sorte que le
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radiateur ne dépasse pas de plus de 10 mm par rapport au tube à rayons X. Pour que le radiateur ne s'interpose pas dans le rayonnement du tube, la base du radiateur a reçu de préférence une forme conique avec un angle de 200. Le diamètre du radiateur est imposé par la nécessité de ménager une section de passage suffisante pour l'air entrant.
Le montage du radiateur sur l'anode du tube à rayons X est conçu de manière à réaliser un bon contact thermique et une bonne conduction thermique. A cet effet, le radiateur est avantageusement réalisé en deux parties serrées sur l'anode du tube à rayons X. Pour des raisons de poids, le radiateur peut avantageusement être réalisé en aluminium bien que le cuivre soit meilleur conducteur que l'aluminium mais il est plus lourd. Le choix de l'aluminium constitue un compromis satisfaisant : ce matériau est un peu moins bon conducteur de chaleur que le cuivre, mais il est nettement plus léger.
La hauteur du radiateur étant choisie, l'optimisation porte sur deux paramètres, à savoir la largeur (h) des ailettes et l'espacement (e) entre les ailettes.
Pour chaque couple de valeurs (h) et (e), la méthode de calcul est la suivante. On calcule la perte de char-ge du radiateur Ap (v) en fonction de la vitesse de l'air. Cette perte de charge est calculée en assimilant l'espace entre ailettes à une canalisation rectangulaire, et en appliquant la théorie des nombres adimensionnels. Connaissant la section des passages (la somme des intervalles entre ailettes), on peut en déduire la courbe àp (Q), perte de charge en fonction du débit d'air. En relevant l'intersection entre cette courbe et la courbe
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caractéristique du ventilateur, on détermine le débit et donc la vitesse de l'air pour ce point de fonctionnement.
On calcule alors le coefficient de convection entre les ailettes et l'air ambiant, toujours par la théorie des nombres adimensionnels. Connaissant la température ambiante, le coefficient de convection et la conductibilité thermique de l'aluminium et du cuivre, on peut alors calculer la température sur l'axe de l'anode, en supposant une répartition uniforme sur cet axe. Il ne reste plus alors qu'à rechercher le couple de valeurs (h, e) donnant la température la plus basse.
Un calcul par éléments finis de la répartition de la température dans l'anode permet de vérifier l'hypothèse de répartition quasiment uniforme de la température sur l'axe de l'anode.
Les calculs montrent que la largeur optimale des ailettes se situe aux alentours de 4 mm et que l'espacement optimal entre ailettes est d'environ 2 mm. La température calculée est de 1800C pour une puissance dissipée de 2000 W. Ce résultat permet de garantir à l'utilisateur un rythme de travail de 100 % à une température ambiante de 40OC.
Le problème se posant alors est celui de la réalisation pratique d'une telle pièce. En effet, son usinage coûterait une fortune, tandis que les méthodes de fonderie traditionnelles imposent d'avoir un angle de dépouille de 20 pour le démoulage. Quant à l'extrusion, elle ne pourrait se justifier économiquement que pour la production de séries de plusieurs milliers de pièces.
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La solution proposée conformément à un second aspect de l'invention, consiste en un moulage à l'aide d'un moule déformable. On réalise par usinage un modèle"positif" du radiateur, dont toutes les dimensions ont été augmentées du pourcentage de retrait de l'aluminium de fonderie. A partir de ce modèle on réalise un négatif, puis à nouveau un positif en silicone, puis, autour de ce modèle, on coule un négatif en plâtre.
La souplesse du silicone permet de le retirer malgré l'absence d'angles de dépouille. Ce plâtre sert alors de moule perdu pour couler la pièce définitive.
Cette solution ne permet toutefois pas d'avoir un espace entre ailettes inférieur à 4 mm. En choisissant alors h = e = 4mm, on obtient une température théorique de 2200C pour une puissance dissipée de 2000 W, ce qui reste tout à fait acceptable. Cependant, les mesures qui ont pu être réalisées par la suite ont montré que les hypothèses avaient été plutôt pessimistes, puisque la température effectivement relevée dans ces mêmes conditions est de l'ordre de 180 C. C'est ainsi que ce procédé de fabrication permet de garantir aux utilisateurs un rythme de travail de 100 % à une température ambiante de 40 C.