Вращающийся анод рентгеновской трубки Советский патент 1984 года по МПК H01J35/10 

1 Изобретение относится к рентгено технике, в частности к конструкции вращающегося анода рентгеновской трубки. Известен вращающийся анод рентге новской трубки, содержащий первую замкнутую камеру, частично заполненную жидким теплоносителем, а также камеру, соединенную с каналами подвода и отвода проточного хладагента в анод и из него ПТ. Охлаждение мишени трубки, функци которой выполняет одна из стенок первой (рабочей) камрры, осуществля ется благодаря кипению содержащейся в этой камере жидкости. Ее количество восполняется за счет конденсата, образующегося из паровой фазы теплоносителя на общей стенке обеих камер и перемещающегося под . действием центробежных сил к мищени. Общая стенка охлаждается теплоносителем, циркулирующим во второй камере. Преимуществом зтой конструк ции является небольшая величина центробежной составляющей гидростатического давления жидкой фазы теплоносителя на мишень. Однако известный анод характеризуется необходимостью строгой сбала сированности скоростей парогенераци и конденсации теплоносителя в рабоч камере анода, что ограничивает нагрузочную способность анода,поско ку баланс достигается при опре деленном значении мощности. Дальней шее увеличение мощности приводит к нарушению этого равновесия в сторону ускорения парообразования,полному испарению жидкой фазы теплоносителя и разрушению мишени трубки. Кроме того,, на поверхность жидко фазы хладагента в рабочей камере ок зывает давление паровая среда, и поскольку для эффективной конденсации необходима большая плотность па ра, требуется увеличивать его давле ние, что при прочих равных условиях приводит к уменьшению предельно допустимой (номинальной) мощности рен геновской трубки. Наибольшее (критическое) значение коэффициента теп лоотдачи оСцр является функцией Давления теплоносителя на охлаждаемую поверхность; в результате чего желательно не только вьшолнить усло вие максимальности Х кр j что в данной конструкции крайне сложно из-за 192 влияния таких трудно поддающихся учету факторов как соотношение скоростей парогенерации и конденсации, состояние поверхностей, на которых протекают эти процессы и т.п., но и поддерживать его в достаточно широком диапазоне рабочих режимов, что в известном аноде принципиально невозможно. Наиболее близким к предлагаемому является вращающийся анод рентге- . новской трубки, содержащий полую асимметричную камеру, боковая поверхность которой образует рабочую поверхность анода с фокусной дорожкой и которая установлена на полом валу, внутри которого пропущена трубка для формирования каналов подвода и отвода теплоносителя,, установленный в полой камере и жестко связанный с полым валом или трубкой распределительный элемент для формирования заданного режима протекания теплоносителя, сводящегося к обтеканию внутренней поверхности камеры анода, противоположной рабочей его поверхности 21 . Недостатком данного анода является относительно невысокая эффективность проточного охлаждения. .Цель изобретения - повышение эффективности охлаящения за счет создания условий для испарения теплоносителя в режиме кипения. Поставленная цель достигается тем, что во вращающемся аноде рентгеновской трубки, содержащем полую осесимметричную камеру, боковая поверхность которой образует рабочую поверхность анода с фокусной дорожкой и которая установлена на валу с каналами подвода и отвода теплоносителя, установленньй в полой камере распределительный элемент для формирования заданного режима протекания теплоносителя, распределительный элемент выполнен в виде наклонной к оси вращения анода перегородки, разделяющей камеру анода на две полости, первая из которых сообщается с каналами для подвода и отвода теплоносителя и с второй полостью, сообщающейся только с первой полостью по кольцевой зоне, расположенной рядом с рабочей поверхностью камеры анода, причем большая часть рабочей поверхности камеры анода с фокусной дорожкой

3.

примыкает к указанной второй полости.

На фиг. 1-3 показаны три варианта вьшолнепня вращающегося анода рентгеновской трубки.

Вращающиеся анод рентгеновской трубки содержит полую камеру 1. Фокусная дорожка 2 расположена на боковой поверхности камеры 1, установленной на полом валу 3, внутри.которого пропущена трубка 4 для формирования канала 5 подвода теплоносителя и канала 6 отвода теплоносителя,

В показанном на фиг.1 варианте с полым валом 3 жестко связан распределительный элемент в виде перегородки 7, разделяющей камеру 1 анод;а на первую полость 8 и вторую полость 9. Первая полость 8 сообщается с каналами 5 и 6 подвода и отвода теплоносителя, а также через кольцевой зазор 10 - с второй полостью 9, к которой примыкает большая часть рабочей поверхности анода с фокусной дорожкой 2. Полости 8 и 9 могут сообщаться друг с другом и посредством отверстий в перегородке 7, распределенных по кольцевой зоне, расположенной рядом с рабочей поверхностью камеры 1 анода. Перегородка 7 должна быть установлена наклонно к оси вращения анода.

В показанном на фиг.2 варианте перегородка 7 жестко связана с трубкой 4 в полом валу 3.

В показанном на фиг.З варианте перегородка выполнена двойной и также жестко связана с трубкой 4. При этом первая полость 8 сформирована самой двойной перегородкой 7. В этом варианте целесообразно установить подшипник 11 вблизи от мест подвода теплоносителя по каналу 5, что увеличивает устойчивость конструкции.

Охлаждение анода при его вращени осуществляется следующим образом.

Основной поток теплоносителя, имеющий высокую турбулентность, что необходимо для эффективного охлаждения вакуумного уплотнения вращающегся вала анода, циркулирует в област оси анода. Турбулентность теплоносителя вблизи фокусной дорожки 2 невелика, что создает необходимые условия для осуществления в данной

217194

конструкции теплообмена в режг-гме развитого пузырькового кипения хладагента, которьвЧ является оптимальным.

Процесс массообмена хладагента в 5 аноде основан на сепарации его жидкой и паровой фаз в поле центробежных сил: благодаря различию плотностей этих фаз пузьфьки пара всплывают в направлении центра вращения, а

0 жидкость перемещается в противоположном направлении.

Расположение и форма перегородки 7 выбраны исходя из того, чтобы, вторая полость 9 примыкала к наибо5 лее нагретой области рабочей поверхности камеры 1 анода вблизи от фокусной дорожки 2. Кроме того, в полости 9 необходимо создать условия для концентрации паровой фазы в ее

0 центральной части и жидкой фазы на ее периферии, поэтому перегородка 7 должно быть наклонна к оси вращения анода. Зазор 10 должен быть образован краем перегородки 7 и внут5 ренней поверхностью камеры 1, противоположной ее рабочей поверхности. Для эффективного.массообмена теплоно сителя в аноде площадь зазора 10 должна быть порядка суммарной площаQ ди сечений каналов 5 и 6.При меньшей величине зазора вследствие увелиг чивающегося гидравлического сопротивления его количество поступающего в первую полость 8 теплоносителя может оказаться недостаточным для компенсации его потерь на испарение, что приводит к разрушению мижени. При больших величинах зазора 10 возрастает турбулентность теплоносителя во второй полости 9, что затрудняет установление стабильного режима кипения. В свою очередь размеры каналов 4 и 5 могут быть определены по известным методам расчета теплообменных устройств, исходя из величины отводимой мощности, рода теплоносителя, конфигурации системы охлаждения и т.п.

При работе трубки благодаря 0 непрерывному кипению теплоносителя во второй полости 9 ее центральная часть заполняется паром. Под воздействием увеличивающегося давления пара Рр из полости 9 в полость 5 8 вытесняется часть жидкой фазы теплоносителя. Толщина ее слоя в рабочей камере уменьшается до тех пор, пока не становится равной шириие зазора 10. В этот момент открывается доступ пара в полость 8 Его избыток по радиальным направлениям отводится к центру анода и уда ляется из него через канал 6, где пар частично или полностью конденсируется, поскольку температура теп лоносителя в этойобласти невелика величина Р при этом уменьшается. Вследствие этого из полости 8 в полбсть 9 начинает перемещаться жидкий теплоноситель, его уровень в полости 9 поднимается до прежней величины S что изолирует пар в этой полости 9. Далее цикл повторяется . Таким образом, при работе трубки автоматически поддерживаются уровен теплоносителя и постоянные средние значения давлений жидкой и паровой фаз теплоносителя в теплообменной полости 9. Одним из путей повышения мощности рентгеновской трубки является увеличение диаметра и/или частоты вращения анода. Для высокоскоростных анодов большого диаметра особен но остро стоит проблема снижения давления теплоносителя. Решение этой проблемы может быть достигнуто, в частности, за счет уменьшения центробежной составляющей давления хладагента. Такие варианты предлагаемой конструкции анода с неподвижной перегородкой 7 показаны на фиг. 2 и 3. Механизм тепло- и массообмена.в этих вариантах аналогичен изложенному. Применение неподвижной перегородки 7 поз воляет уменьшить центробежную соетавляюп1ую давления теплоносителя за счет уменьшения угловой скорости его вращения в первой полости 8 У неподвижной общей стенки (фиг.2) угловая скорость вращения хладагента равна О, у торцовой стенки анода - скорости вращения последнего СО. В результате средняя скорость теплоносителя в первом приближении равна 0,5 СО. что приводит к снижению давления теплоносителя на мишень примерно на 75%. При использовании двух неподвижных стенок (фиг.З) .центробежная составляющая давления сводится к минимуму. Предлагаемая конструкция анода обеспечивает реализацию механизма тепло- и массообмена, не имеющего недостатков, присущих аналогу Л. Количество теплоносителя и давление его паровой и жидкой фаз в теплообменной полости 9 камеры 1 анода не зависит от соотношения скоростей состояния поверхностей и тепловой нагрузки анода. Среднее значение этих величин постоянно и определяется в основном конструктивными параметрами анода, а следовательно, имеется возможность при разработке выбрать их такими, чтобы обеспечить оптимальные условия теплообмена с наибольшим значением коэффициента теплоотдачи оС о(кр.г)2 Все перечисленные факторы способствуют улучшению .условий теплообмена во вращающемся аноде и позволяют увеличить номинальную мощность рентгеновской трубки. При уменьшении гидростатического давления теплоносителя в рабочей камере появляется возможность снизить массу и материалоемкость анода. . Кроме того, в предложенной конструкции основной поток теплоносителя с высокой турбулентностью циркулирует в области его анода,где гидравлическое сопротивление потоку, обусловленное центробежными силами, невелико. Это позволяет применять менее мощные и более экономичные системы охлаждения рентгеновской трубки.

ВРАЩАЮЩИЙСЯ АНОД РЕНТГЕНОВСКОЙ ТРУБКИ, содержащий полую осесимметричную камеру, боковая поверхность которой образует рабочую поверхность анода с фокусной дорожкой и которая установлена на валу с каналами подвода и отвода теплоносителя, установленный в полой камере распределительный элемент для формирования заданного режима протекания теплоносителя , отлич.ающийся тем, что, с целью повышения эффективности охлаждения за счет создания условий для испарения теплоносителя в режиме кипения, распределительный элемент выполнен в виде наклонной к.оси вращения анода перегородки, разделяющей камеру анода на две полости,первая из которых сообщается с каналами подвода и отвода теплоносителя и второй полостью, сообщающейся только с (О первой полостью по кольцевой зоне, расположенной рядом с рабочей поверхностью камеры анода,причем большая часть рабочей поверхности камеры анода с фокусной дорожкой примыкает к указанной второй полости.