Вращающийся анод 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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (И) 3(59 Н О1 J 35 10

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3481375/18-25 (22) 10.08.82 (46) 30.10.84. Бюл. № 40 (72) Ю.Б. Глушанок, С.В. Кириенко и Э.В. Кузьмин (71) Ленинградское научно-производственное объединение "Буревестник" (53) 621.386.2 (088.8) (56) 1. Заявка Великобритании

¹ 2020893, кл. Н 01 J 35/ 10, опублик. 1979.

2. Патент Японии № 53-35000, кл. Н 01 J 35/10, опублик. 1978 (прототип). (54)(57) 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, отличающийся 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 первой полостью по кольцевой зоне, расположенной рядом с рабочей поверхностью камеры анода, причем большая часть рабочей поверхности камеры анода с фокусной дорожкой при.мыкает к указанной второй полости.

1121719!

Кроме того, на поверхность жидкой фазы хладагента в рабочей камере оказывает давление паровая среда, и поскольку для эффективной конденса- 45 ции необходима большая плотность пара, требуется увеличивать его давление, что при прочих равных условиях приводит к уменьшению предельно допустимой (номинальной) мощности рент-5О геновской трубки. Наибольшее (критическое) значение коэффициента теплоотдачи ot,>> является функцией

Давления теплоносителя на охлаждаемую поверхность, в результате чего SS желательно не только выполнить условие максимальности % q> > что в данной конструкции крайне сложно из-за

Изобретение относится к рентгенотехнике, в частности к конструкции вращающегося анода рентгеновской трубки.

Известен вращающийся анод рентгеновской 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 f1) .

Охлаждение мишени трубки, функцию которой выполняет одна из стенок первой (рабочей) камеры, осуществляется 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, 2б действием центробежных сил к мишени. Общая стенка охлаждается теплоносителем, циркулирующим во второй камере. Преимуществом этой конструкции является небольшая величина 25 центробежной составляющей гидростатического давления жидкой фазы теплоносителя на мишень.

Однако известный анод характеризуется необходимостью строгой сбалан-ЗО сированности скоростей парогенерации и конденсации теплоносителя в рабочей камере анода, что ограничивает нагрузочную способность анода,поскольку этот баланс достигается при опре- З деленном значении мощности. Дальнейшее увеличение мощности приводит к нарушению этого равновесия в сторону ускорения парообразования,полному испарению жидкой фазы теплоноси- 4О теля и разрушению мишени трубки. 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 рентгеновской 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 (2) .

Недостатком данного анода является относительно невысокая эффективность проточного охлаждения.

Цель изобретения — повышение эффективности охлаждения 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, установленный 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 з 1121 примыкает к указанной второй полости.

На Лиг. 1-3 показаны три варианта выполнения вращающегося анода рентгеновской трубки.

Вращаннцимся анод рентгеновской трубки солержит полую камеру 1. Фокусная дорожка 2 расположена на боковой поверхности камеры 1, установленной на полом валу 3, внутри.ко- 10 торого пропущена трубка 4 для формирования канала 5 подвода теплоносителя и канала 6 отвода теплоносителя.

В показанном на фиг.1 варианте 15 с полым валом 3 жестко связан распределительный элемент в виде перегородки 7, разделяющей камеру 1 анода на первую полость 8 и вторую полость 9. Первая полость 8 сообща- 20 ется 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 35 перегородка 7 жестко связана с трубкой 4 в полом валу 3.

В показанном на фиг.3 варианте перегородка выполнена двойной и также жестко связана с трубкой 4. 40

При этом первая полость 8 сформирована самой двойной перегородкой 7.

В этом варианте целесообразно установить подшипник 11 вблизи от места подвода теплоносителя по каналу 5, 45 что увеличивает устойчивость конструкции.

Охлаждение анода при его вращении осуществляется следующим образом.

Основной поток теплоносителя, 50 имеющий высокую турбулентность, что необходимо для эффективного охлаждения вакуумного уплотнения вращающегося вала анода, циркулирует в области оси анода.. Турбулентность теплоноси- 55 теля вблизи фокусной дорожки 2 невелика, что создает необходимые условия для осуществления в данной

719 конструкции теплообмена в реющие развитого пузырькового кипения хладагента, который является оптимальным.

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

Расположение и форма перегородки

7 выбраны исходя из того, чтобы, вторая полость 9 примыкала к наиболее 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 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 внутренней поверхностью камеры 1, противоположной ее рабочей поверхности.

Для эффективного.массообмена теплоно сителя в аноде площадь зазора 10 олжна быть порядка суммарной площа- ди сечений каналов 5 и 6. При меньшей величине зазора вследствие увели-. чивающегося гидравлического сопротивления его количество поступающего в первую полость 8 теплоносителя может оказаться недостаточным для компенсации его потерь на испарение, что приводит к разрушению мишени.

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 непрерывному кипению теплоносителя во второй полости 9 ее центральная часть заполняется паром. Под воздействием увеличивающегося давления пара Рп из полости 9 в полость

8 вытесняется часть жидкой фазы теплоносителя. Толщина ее слоя в рабочей камере уменьшается до тех пор, пока не становится равной ши1121719 рине зазора 10. В этот момент открывается доступ пара в полость 8.

его избыток по радиальным направлениям отводится к центру анода и удаляется из него через канал 6, где пар частично или полностью конденсируется, поскольку температура теплоносителя в этой области невелика; величина Р при этом уменьшается.

Вследствие этого из полости 8 в полость 9 начинает перемещаться жидкий теплоноситель, его уровень в полости 9 поднимается до прежней величины о что изолирует пар в р этой полости 9. Далее цикл повторяется.

Таким образом, при работе трубки автоматически подцерживаются уровень 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 особенно 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 позволяет уменьшить центробежную составляющую давления теплоносителя эа 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 у, В результате средняя скорость теплоносителя в первом приближении равна 0,5 Ы что приводит к сниже5 нию давления теплоносителя на мишень примерно на 757. При использовании двух неподвижных стенок (фиг.3) центробежная составляющая давления сводится к минимуму.

Предлагаемая конструкция анода обеспечивает реализацию механизма тепло- и массообмена, не имеющего недостатков, присущих аналогу (1) .

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 0 = Мqp.q . Все перечисленные факторы способствуют улучшению условий теплообмена во

30 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

45 менее мощные и более экономичные системы охлаждения рентгеновской трубки.

1121719 щие 3 1О

Составитель К. Кононов

Техред А.Ач Корректор И. Муска

Редактор Н. Горват

Заказ 7989/40

Тираж 682 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раусшкая наб., д. 4/5

Филиал ППЛ "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная,4