JP4549734B2 - 最適化させたｘ線管冷却デバイス - Google Patents

Description

本発明は、全般的にはＣＴイメージング・システムに関し、さらに詳細には、ファン及び熱交換器を冷却システムの一部として使用するようなイメージング・システムに関する。

コンピュータ断層（ＣＴ）イメージング・システムは現在、広範に利用されている。ＣＴシステムは、３６０°の画像を作成するために回転させるフレームを有するガントリを含んでいる。このガントリ・フレームは、Ｘ線管、並びにこのＸ線管の温度を制御するための冷却システムを含んでいる。この冷却システムは、典型的には、液体対気体の熱交換器を利用して動作時のＸ線管からの熱を除去している。この冷却システムはさらに、典型的には、熱交換器を通過するように気体を吸入しガントリから高温の気体を排気するために使用される１つまたは複数のファンを含んでいる。

ある特定の用途で必要となる熱交換器のサイズ及び表面積はその一部が、消費されるパワー並びに熱交換器を通過するように送られる周囲の気体の温度の関数である。パワーが大きいＣＴシステムでは、この周囲の気体温度は、パワー要件が高いことと相まって、多くの場合に大型の熱交換器の収容を困難とさせている。

さらに、より大型の熱交換器を利用している場合、ファンの回転軸がガントリの回転軸と平行になっておらず、このためジャイロスコープ荷重が加わることになる。ファンは、その回転軸がガントリ軸と平行であるときに信頼性がより高くなる。
米国特許第6491428号

したがって、冷却のための表面積をより広くしながら、依然としてガントリの空間要件内に収容できるようにした熱交換器を設けることが望ましい。さらに、面積がより大きな熱交換器を有すると共に、そのファン回転軸はガントリ回転軸と平行に維持することが望ましい。

本発明の目的は、ＣＴイメージング・システムの冷却システム向けの改良型熱交換器を提供することである。本発明の別の目的は、熱を放散させるようにより大きな表面積を設けながら依然として軸方向に気流方向を維持しているような熱交換器向けのパッケージを提供することである。

本発明のさらに別の目的は、ＣＴイメージング・システムの熱性能を向上させているＣＴイメージング・システム向けの冷却システムを提供することである。本発明のさらにまた別の目的は、熱交換器でより大きな熱伝達表面積を可能にしながら、その熱交換器を依然としてガントリ内に容易に収容できるような冷却システムを提供することである。

本発明に関するこれらの目的、並びにその他の目的は、添付の明細書、図面及び特許請求の範囲に記載した方法、装置及びシステムによって達成させている。さらに本発明は、ＣＴイメージング・システム内でＸ線管を冷却するために使用されている周知の装置、方法及びシステムと比べて多くの恩恵及び利点を有している。

本発明によれば、冷却システム向けの熱交換器は、そのガントリ内の許容空間のうちのできるだけ大きな空間内にはめ込めるような形状にして設けている。この点において、ガントリは、全体として環体すなわち「ドーナッツ」形を有するぴったり合ったカバー構造を有するのが一般的である。本発明の熱交換器は、その曲率をＣＴガントリの回転するエンベロープと一致させた環体の１つのセクタの形とすることが好ましい。この形状によって、熱を放散させるようにガントリ内で可能な最大の表面積が提供される。

この熱交換器はさらに、気流がガントリ軸と平行な方向で熱交換器を通過するように位置決めしている。これによって、冷却ファンの回転軸もガントリ軸と平行となるようにした冷却ファンの位置決めが可能となる。このためファン軸とガントリ軸が平行でない際にファン・シャフトに加わるようなジオスコープ（ｇｅｏｓｃｏｐｅ）荷重が回避される。

本発明のその他の態様及び利点は、以下の詳細な説明及び添付の特許請求の範囲に基づき、かつ添付の図面を参照することにより明らかとなろう。

本発明に対するより完全な理解を得るには、添付の図面でより詳細に図示すると共に以下で一例として記載している実施形態を参照することができる。

添付の図面の各々において、同じ構成要素を示すために同じ参照番号を使用している。さらに、コンピュータ断層（ＣＴ）イメージング・システムの冷却システムの改善に関する装置、システム及び方法に関連して本発明を記載しているが、本発明は様々な目的に適応させることが可能であり、単にＣＴシステムだけに限定するものではない。例えば本発明は、ＭＲＩシステム、放射線治療システム、別のＸ線イメージング・システム、超音波システム、核医学イメージング・システム、磁気共鳴分光システム、並びに当技術分野で周知のその他の応用及びシステムにおいて利用可能である。

さらに、ＣＴイメージング・システム向けのＸ線管と一緒に使用するように本発明を記載しているが、本発明は血管撮像用チューブなどその他の撮像チューブと一緒に使用することも可能である。

以下の説明では、本発明の好ましい実施形態に関する様々な動作パラメータ及び構成要素について記載している。これら具体的なパラメータや実施形態は単に一例として含めており限定を意味していない。

ここで図１を参照すると、従来のコンピュータ断層（ＣＴ）システムの概要図を開示しており、この全体を参照番号１０で示している。このイメージング・システム１０はＸ線撮像チューブ１６を有するガントリ１２を含んでいる。この撮像チューブ１６は検出器アレイ１８に向けてＸ線のビームを投射している。

このＣＴイメージング・システムを利用するときに、移動可能な摺動トレイ機構２２上に配置させた患者２０は中央のボア２２内に位置決めされる。撮像チューブ１６からのＸ線は、ボア２２の内部にある患者を通過して検出器アレイ１８によって検出され、これを用いてＣＴ画像またはＣＴ構成像が作成される。

図２は、ガントリ部材１２の数多くの内部構成要素を表している。このガントリは、外側カバーまたは外側構造１３と、ガントリ軸３２の周りを回転する回転式の内部環状フレーム部材３０と、を有している。このフレーム部材３０は、該フレーム部材に取り付けてこれと共に回転するような多数の構成要素を有している。これらの構成要素としては、Ｘ線管４０、熱交換器４２、１つまたは複数のファン部材５０（これらのうちの２つを図２に示す）、及びファン装着用ブラケット５４が含まれる。カバー１３は、このカバーの内部で冷却システムの構成要素を回転させる際に該構成要素の比較的近傍に位置決めされるような少なくとも１つの表面を有している。この間隔は概ね１．２７センチメートル（０．５０インチ）から概ね１５．２４センチメートル（６．０インチ）であるのが一般的である。

図示したＣＴシステムは、本発明の態様を強調するように簡略化している。当業者であれば、こうしたシステム内に存在させかつ含める必要があるような別の様々な構成要素が理解されよう。例えば、ＣＴシステム１０はさらに、マイクロプロセッサ・ベースであることが好ましいようなコントローラも含んでいる。このコントローラは、Ｘ線管４０に対する冷却システムの動作を制御するように設計している。

この冷却システムは、その主たる構成要素として、熱交換器４２及びファン５０を含んでいる。この点において、熱交換器４２は、オイル対気体の熱交換器とすることが好ましく、また一般に「オイル冷却器」と呼ばれている。Ｘ線システムでは典型的には、液体対気体タイプの熱交換器が使用されている。さらに、図面に示す実施形態では、そのファン５０を熱交換器４２と一体にして結合させている。当業者であれば、１つまたは複数のファンはこの熱交換器と隣接して配置させた独立した構成要素とすることができることが理解されよう。

この冷却ファン５０は、熱交換器内を循環する液体を、また最終的にはＸ線管４０を冷却するために熱交換器に気体を通過させるのに役立つように設計している。コントローラ（図示せず）は、その速度を制御しこれによりそのシステムの冷却量を制御するためにファンと動作可能に結合させている。この点において、ファンの速度はＸ線管の動作温度幅にわたって変更できることが好ましい。３７．８℃（１００°Ｆ）などの所定の温度に達成したときには、最大のファン速度が維持されるようにそのファン速度を上昇させている。この最大ファン速度は、例えば２９００ｒｐｍとすることが可能である。さらに、コントローラの出力、したがってファンの動作は、必ずしも線形的とする必要はない。

図２にはさらに、気体デフレクタ６０も表している。気体デフレクタ（「庇（ｖｉｓｏｒ）」ともいう）は熱交換器４２に取り付けられると共に、その前面４２Ａの全体に及んでいる。この点において、熱交換器を通過した気体は前面４２Ａを通って交換器内に導入されており、したがって熱交換器を通過するように気体がファン５０によって引き込まれている。

本発明の別の実施形態を図３に表している。図のように、このファン軸６４はガントリ軸３２と平行である。この向きは、本発明による気流及びファン回転に関する好ましい向きである。この方式では、熱交換器４２と関連づけされるファン５０は、その回転軸がガントリの回転軸と平行となるような向きとしている。このため、ファン軸とガントリ軸が平行でない場合にファン・シャフトに加わるようなジャイロスコープ荷重が解消される。

この冷却システムの全体を図３の参照番号３８で示しており、またこの冷却システムはポンプ６６及びシュラウド部材７０も含んでいる。このポンプ６６は、熱交換器４２内に入るように、また熱交換器４２から出るように、コンジット６８を通過して冷却オイルを循環させるために使用している。このシュラウド７０は、熱交換器を通過した気体をファン５０を通るように導くために使用している。

本発明による熱交換器４２の好ましい形状を図４、５及び６に表している。この熱交換器は、環体の１つのセクタの形状となるように形成させていると共に、ＣＴガントリの回転するエンベロープと一致した曲率４４を有している。熱交換器のこの湾曲した形状によって、ガントリのカバー内部にあるガントリ及びＣＴイメージング・システムからの熱を放散するために利用可能な最大表面積が提供される。従来のＣＴイメージング・システムにおける回転するガントリのぴったり合ったカバー内では、利用できるスペースの大きさは限られている。従来の熱交換器では、典型的には、熱交換器を利用可能なスペースの内部にはめ込むために、形状を矩形とすると共に大きさを限定している。

さらに、本発明では、図２に示す方式及び位置で熱交換器を位置決めすること、すなわちそのファンがガントリ軸３２と平行な軸の周りに回転できるようにして実質的に平らな側面４２Ａ及び４２Ｂを位置決めすることが重要である。熱交換器を通過しかつガントリを通過するような軸方向の気流を維持することが好ましい。

図４乃至６に示す熱交換器では、そのデバイスはその４つの外周面上に支持用部材及び／または装着用部材を有している。例えば、湾曲したブラケット４５及び４６は、熱交換器４２の上側及び下側の外周面のそれぞれの上に位置決めしており、一方装着用ブラケット４７及び４８は２つの端部外周面上に位置決めしている。端部装着用ブラケット４７及び４８はまた、熱交換器内部のコイル（図示せず）を通過するオイルを流入及び流出させるための様々なハードウェアを含んでいる。このハードウェアはその全体を、参照番号４９Ａ〜４９Ｆで表している。

図７は、ガントリ内部の気流を動揺させると共に熱せられ気体の再循環を防止するために本発明と共に利用可能な気体デフレクタ６０を模式的に表している。指摘したように、熱交換器４２には気体デフレクタ、すなわち庇６０を取り付け、すなわち接続している。矢印９０で表した冷却器吸入気体は、熱交換器のすぐ後ろ側に配置させたファン５０によって熱交換器４２内に引き入れて通過させている。ファン５０及びガントリ１２を通過する気体の大部分は矢印９４で表すように空気孔９２を通って排出される。

しかし図７に示すように、熱せられた気体の一部分は、ガントリのカバー１３内部において、熱交換器４２の前面４２Ａに向かう方向に再循環されることが多い。この再循環される気体を矢印９６で示している。気体デフレクタ６０を配置させていないと、上昇した温度にあるこの再循環気体は、点線で示すような矢印９８の経路をたどると共に、熱交換器及びファンを通過するように戻される。

熱交換器内に引き込む冷却気体は、ガントリの動作時にすでに存在している気体によって供給されるのが通常である。熱交換器４２を通って流れるＸ線管オイルからの熱を吸収するのに連れて、冷却気体の温度は上昇する。この熱せられた気体は、空気孔９２を通って熱交換器から排出させることが好ましい。ガントリを静止位置までもってきたときに、熱せられた排出気体は、ガントリのカバーすなわち構造１３上の空気孔９２に導かれる。しかし、ガントリ・カバーと回転する冷却システムの構成要素の間の間隔がごく接近しているため、熱せられた気体のある部分はカバー１３内部に留まると共に、再度熱交換器内に取り込まれる。この現象が起こると、Ｘ線管オイルの温度が上昇したままとなり、システムの熱動作性能が低下することになりかねない。気体デフレクタ６０を使用しているため、すでに熱せられた気体の取り込みが減少すると共に、熱交換器内に入る気体がガントリの内側部分から強制的に引き入れられる。したがって、Ｘ線管オイルはより低い定格温度で動作し、ＣＴシステムの熱動作性能が上昇する。

図８は、本発明によるガントリ／冷却システムの別の概要図である。図のように、低温の吸入気体９０は、カバー構造１３の下側部分内に配置させた空気孔１００を通り、ガントリ１２を通過するように引き込まれる。次いで、この低温の吸入気体は、図７に模式的に示すようにして熱交換器４２の前面の方向に導かれる。熱交換器４２は湾曲した（セクタ）形状を有すると共に、ガントリ回転軸に対して軸方向の気流を可能にするために対にしたファン５０を備えるように位置決めしている。熱せられた気体の再循環を防止するには気体デフレクタ６０を追加することができる。

本発明の具体的な実施形態について図示し記載してきたが、当業者によれば多くの変形形態や代替的な実施形態がなされよう。したがって、本発明は添付の特許請求の範囲によってのみ限定させるように意図している。

ＣＴシステムについてその一般的な構成要素を表している概要図である。 ガントリ・システムの内部にある本発明に従った構成要素のうちの幾つかを表しているガントリ・システムの部分図である。 本発明の実施の一形態の図である。 本発明の実施の一形態に従った好ましい熱交換器を様々な方向の１つから見た図である。 本発明の実施の一形態に従った好ましい熱交換器を様々な方向の１つから見た図である。 本発明の実施の一形態に従った好ましい熱交換器を様々な方向の１つから見た図である。 熱交換器にデフレクタ部材を使用していることを表した概要図である。 デフレクタ部材を有する本発明による熱交換器の実施の一形態を表した概要図である。

符号の説明

１０ コンピュータ断層（ＣＴ）システム
１２ ガントリ
１３ 外側カバー、外側構造
１６ Ｘ線撮像チューブ
１８ 検出器アレイ
２０ 患者
２２ ボア
２２ 摺動トレイ機構
３０ 環状フレーム部材
３２ ガントリ軸
３８ 冷却システム
４０ Ｘ線管
４２ 熱交換器
４２Ａ 熱交換器の平らな側面
４２Ｂ 熱交換器の平らな側面
４４ 曲率
４５ 湾曲したブラケット
４６ 湾曲したブラケット
４７ 装着用ブラケット
４８ 装着用ブラケット
４９Ａ オイル流入及び流出用ハードウェア
４９Ｂ オイル流入及び流出用ハードウェア
４９Ｃ オイル流入及び流出用ハードウェア
４９Ｄ オイル流入及び流出用ハードウェア
４９Ｅ オイル流入及び流出用ハードウェア
４９Ｆ オイル流入及び流出用ハードウェア
５０ ファン
５４ ファン装着用ブラケット
６０ 気体デフレクタ
６６ ポンプ
６８ コンジット
７０ シュラウド
９０ 冷却器吸入気体
９２ 空気孔
９４ 排出気体
９６ 再循環される気体
９８ 再循環気体の経路
１００ カバー構造の下側空気孔

Claims (10)

1. ガントリ回転軸を中心に回転するガントリ（１２）に位置決めされるＸ線管（４０）を冷却するための熱交換器（４２）であって、
   本体と、
   前記本体の内部に配置され、前記Ｘ線管（４０）を冷却する第１の冷却剤と該第１の冷却剤を冷却する第２の冷却剤を分離する閉じこめ部分とを備え、
   前記本体は、環体のセクタとした形状を有し、
   前記第２の冷却剤が前記ガントリ回転軸の方向に前記本体を通過して前記第１の冷却剤を冷却する、熱交換器（４２）。
2. 前記第１の冷却剤が冷却オイルであり、前記第２の冷却剤が気体であり、
   前記熱交換器が、前記冷却オイルが通過するコイルと、前記コイルに前記冷却オイルを流入及び流出させるためオイル流入及び流出用ハードウェアを含んでおり、
   前記本体が、湾曲した構成を有する上側外周面（４５）と、下側外周面（４６）と、第１の端部外周面（４７）と、第２の端部外周面（４８）と、を有しており、前記第２の冷却剤がこれらの外周面（４５−４８）により閉じこめられている請求項１に記載の熱交換機（４２）。
3. 前記上側外周面（４５）及び前記下側外周面（４６）の両方が湾曲した構成を有している、請求項２に記載の熱交換機（４２）。
4. 前記熱交換器（４２）と動作的に関連する少なくとも１つのファン部材（５０）をさらに備えており、前記熱交換器（４２）は少なくとも１つの平らな側面（４２Ａ）を有しており、かつ前記ファン部材は前記ガントリ回転軸と並行で、前記平らな側面と直交する回転軸（６４）を有している、請求項１乃至３のいずれかに記載の熱交換機（４２）。
5. ガントリ回転軸を有し、回転フレーム部材（３５）を有するガントリ部材（１２）と、
   前記フレーム部材（３０）上に位置決めしたＸ線管（４０）と、
   前記フレーム部材（３０）上で前記Ｘ線管（４０）と隣接して位置決めすると共に前記Ｘ線管を冷却するように適合させている熱交換器（４２）と、
   前記熱交換器と隣接して位置決めされると共に、前記ガントリ回転軸の方向に前記熱交換器を通して気体を流して前記熱交換器を冷却するように適合させた少なくとも１つのファン部材（５０）と、を備えており、
   前記熱交換器（４２）は１つの環体の１つの区間であるような構成を有しているコンピュータ断層（ＣＴ）イメージング・システム。
6. 前記ファン部材（５０）の回転軸（６４）が前記ガントリ回転軸と平行である、請求項５に記載のコンピュータ断層（ＣＴ）イメージング・システム。
7. 前記熱交換器（４２）が、湾曲した構成を有する上側外周面（４５）と、下側外周面（４６）と、第１の端部外周面（４７）と、第２の端部外周面（４８）と、を有しており、前記気体の流れがこれらの外周面（４５−４８）により拘束されている、請求項５又は６に記載のコンピュータ断層（ＣＴ）イメージング・システム。
8. 前記熱交換器が、前記Ｘ線管（４０）を冷却する冷却オイルが通過するコイルと、前記コイルに前記冷却オイルを流入及び流出させるためオイル流入及び流出用ハードウェアを含んでおり、
   前記熱交換器（４２）が少なくとも１つの平らな側面４２Ａを有しており、かつ前記ファン部材（５０）の回転軸（６４）が前記平らな側面（４２Ａ）と直交する、請求項７に記載のコンピュータ断層（ＣＴ）イメージング・システム。
9. 前記上側外周面部材（４５）から前記ガントリ回転軸の方向に延び、前記ファン部材（５０）により前記気体が放出された後に、再度前記熱交換器（４２）に取り込まれることを阻止されるデフレクタ（６０）を備える請求項７又は８に記載のコンピュータ断層（ＣＴ）イメージング・システム。
10. 前記気体は、前記熱交換器（４２）の後ろ側に配置させた前記少なくとも１つのファン部材（５０）によって前記熱交換器（４２）内に引き入れられてこれを通過し、
    前記ガントリが前記ファン部材（５０）により放出された前記気体の大部分を排出する空気孔（９２）を備える請求項５乃至８のいずれかに記載のコンピュータ断層（ＣＴ）イメージング・システム。
    
    

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