具体实施方式
下面,参照附图对本发明的第一实施方式所涉及的旋转阳极型X射线管装置进行详细说明。
如图1所示,旋转阳极型X射线管装置包括:旋转阳极型X射线管1、产生磁场的作为线圈的定子线圈2、以及未图示的收容旋转阳极型X射线管和定子线圈的框体。
旋转阳极型X射线管1包括:作为固定体的固定轴10、冷却液20、管部30、环部40、阳极靶50、旋转部60、作为润滑剂的液体金属70、阴极80、以及真空管壳90。旋转阳极型X射线管1使用动压轴承。
固定轴10具有:筒部11、作为另一筒部的筒部12、以及环部13。固定轴10用Fe(铁)或Mo(钼)等材料形成。筒部11沿着转轴a延伸,以转轴a为中心轴形成为筒状。筒部11在其侧面具有径向滑动轴承面S1。筒部12沿着转轴a延伸,以转轴a为中心轴形成为筒状。筒部12的一端部被封住。筒部12的另一端部与筒部11紧密连通。更详细而言,环部13与筒部11和筒部12分别紧贴地接合,使筒部11和筒部12连通。筒部11、筒部12和环部13形成为一体。固定轴10的内部充满着冷却液20。在本实施方式中,冷却液20是水。固定轴10在其内部形成有供冷却液20流动的流路。固定轴10在其另一端部侧具有将冷却液20朝外部排出的排出口10b。
管部30设置在固定轴10的内部,与固定轴一起形成流路。管部30的一端部经由形成在固定轴10的另一端部上的开口部10a延伸至固定轴10的外部。管部30固定在开口部10a上。管部30的侧面与开口部10a紧贴。
管部30具有:朝其内部引入冷却液20的引入口30a、将冷却液20朝固定轴10的内部排出的排出口30b。引入口30a位于固定轴10的外部。排出口30b隔开间隙地位于固定轴10的一端部。
环部40设置在筒部12的内部,以围绕管部30的侧面的形态与管部30一体形成。环部40隔开间隙地设置在筒部12的内部。管部30和环部40与固定轴10一起形成流路。
根据上述内容,来自旋转阳极型X射线管1外部的冷却液20被从引入口30a引入,经由管部30的内部而朝筒部12的内部排出,经由筒部12和环部40之间,经由环部13和环部40之间,并经由筒部11和管部30之间,从排出口10b朝旋转阳极型X射线管1的外部排出。
阳极靶50具有阳极51以及设置在该阳极的外表面的一部分上的靶层52。阳极51形成为圆盘状,与固定轴10同轴地设置。阳极51用Mo等材料形成。阳极51具有在沿着转轴a的方向上凹陷的凹部51a。凹部51a以圆盘状凹入形成。筒部12与凹部51a嵌合。凹部51a与筒部12隔开间隙地形成。在沿着转轴a的方向上,凹部51a与靶层52的整体重叠。在靶层52的正下方(内侧)设置有液体金属70的热传递流路。靶层52用W(钨)等材料形成为轮状。靶层52的表面是电子碰撞面。
筒部12具有推力轴承面S3。阳极51具有推力轴承面S4。轴承面S3和轴承面S4在沿着转轴a的方向上彼此保持间隙地相对。轴承面S3和轴承面S4形成了推力轴承B2。
旋转部60形成为直径比筒部11大的筒状。旋转部60与固定轴10和阳极靶50同轴地设置。旋转部60形成得比筒部11短。
旋转部60用Fe和Mo等材料形成。更详细而言,旋转部60具有:筒部61、以围绕筒部61的一端部的侧面的形态与筒部一体形成的环部62、设置在筒部61的另一端部上的密封部63、以及筒部64。
筒部61围绕筒部11的侧面。筒部61在其内表面上具有与轴承面S1隔开间隙相对的径向滑动轴承面S2。轴承面S1和轴承面S2形成了径向滑动轴承B1。此处,在轴承面S1和轴承面S2上分别设有槽。旋转部60的环部62与阳极靶50接合。旋转部60设置成能以固定轴10为轴与阳极靶50一起旋转。
密封部63相对于轴承面S2位于与环部62(一端部)相反的一侧。密封部63与筒部61的另一端部接合。密封部63形成为环状,与固定轴10的侧面在整个圆周上隔开间隙地设置。筒部64与筒部61的侧面接合并固定在筒部61上。筒部64例如用Cu(铜)形成。
液体金属70被填充在筒部12和凹部51a间的间隙、环部13和环部62间的间隙、环部13和筒部61间的间隙、以及筒部11(轴承面S1)和筒部61(轴承面S2)间的间隙内。另外,这些间隙全部相连。在本实施方式中,液体金属70是镓铟锡合金(GaInSn)。
如图1和图2所示,密封部63和固定轴10间的间隙(空隙)c被设定成能维持旋转部60的旋转并能抑制液体金属70泄漏的值。根据上述内容,间隙c极小。在本实施方式中,间隙c为500μm以下。因此,密封部63作为迷宫密封环(labyrinth seal ring)起作用。
另外,密封部63具有多个收容部63a。此处,密封部63具有四个收容部63a。收容部63a使密封部63的内侧以圆形框状凹入而分别形成。在液体金属70从间隙c泄漏时,收容部63a收容泄漏的液体金属70。
筒部11具有推力轴承面S5。密封部63具有推力轴承面S6。轴承面S5和轴承面S6在沿着转轴a的方向上彼此保持间隙地相对。轴承面S5和轴承面S6形成了推力轴承B3。该推力轴承B3不会成为高温状态,能使轴承面S5和轴承面S6间的间隙维持一定值,因此,即使靶成为高温状态,也能使推力轴承B3正常地起作用。
上述阳极靶50和旋转部60形成了旋转体600。旋转体600由阳极靶50和旋转部60一体形成。旋转体600具有:大直径部610、以及直径比大直径部610小的小直径部620。在本实施方式中,大直径部610是阳极靶50,小直径部620是旋转部60。
如图1所示,阴极80与阳极靶50的靶层52隔开间隔地相对配置。阴极80具有释放电子的灯丝81。
真空管壳90收容着固定轴10、冷却液20、管部30、环部40、阳极靶50、旋转部60、液体金属70和阴极80。真空管壳90具有X射线透射窗90a和开口部90b。X射线透射窗90a在与转轴a正交的方向上与靶层52相对。固定轴10的另一端部经由开口部90b露出于真空管壳90的外部。开口部90b将固定轴10固定。固定轴10的侧面与开口部90b紧贴。
阴极80安装在真空管壳90的内壁上。真空管壳90被密闭。真空管壳90的内部被维持真空状态。
定子线圈2以与旋转部60的侧面、更详细而言筒部64的侧面相对的形态围绕真空管壳90的外侧设置。定子线圈2的形状是环状。
在框体内部收容有旋转阳极型X射线管1和定子线圈2,此外还填充有未图示的冷却液。
在上述X射线管装置的动作状态下,定子线圈2产生作用于旋转部60(特别是筒部64)的磁场,因此,旋转体600旋转。由此,阳极靶50旋转。另外,对阴极80相对地施加负的电压,对阳极靶50相对地施加正的电压。例如,对阴极80施加-150kV的电压,阳极靶50被接地。
由此,在阴极80和阳极靶50间产生电位差。因此,一旦阴极80释放电子,该电子便会被加速,与靶层52碰撞。即,阴极80对靶层52照射电子束。由此,靶层52在与电子碰撞时释放X射线,被释放的X射线通过X射线透射窗90a朝真空管壳90的外部、进而朝框体外部释放。
根据上述结构的旋转阳极型X射线管装置,阳极靶50具有与靶层52重叠的凹部51a,固定轴10与凹部51a嵌合。使靶层52和冷却液20的流路更加靠近。
在释放X射线时,旋转体600旋转时的离心力较强,液体金属70流动至靶层52(阳极靶50的焦点轨道面)的正下方并充满该位置,形成液体金属70的层。在释放X射线时,阳极靶50、特别是靶层52的电子碰撞面会成为高温状态,但靶层52的热量可经由阳极51和液体金属70传导给固定轴10,朝在固定轴10内部的流路内流动的冷却液20辐射。此时,液体金属70作为热传递流体起作用。从靶层52至冷却液20的流路的热传导路径较短。根据上述内容,能获得阳极靶50的冷却速度更快的旋转阳极型X射线管1。
由此,能抑制阳极靶50熔融等、阳极靶50所产生的不良情况。由于能增大阳极靶50所允许的热量输入,因此还能提高旋转阳极型X射线管1的输出。此外,还能获得延长旋转阳极型X射线管1的产品寿命的效果。
另外,将水作为冷却液20也有助于提高阳极靶50的冷却速度,进而提高旋转阳极型X射线管1的输出。即,冷却液20在电热界面上成为沸腾状态,有助于冷却。这样,沸腾冷却与不伴随沸腾的冷却相比,冷却效率较高,能进一步降低靶层52的温度。根据上述内容,能实现阳极靶50的高效冷却。
密封部63相对于轴承面S2位于与环部62(一端部)相反的一侧。密封部63没有设置在靶层52的电子碰撞面附近。由于密封部63在传热路径上离电子碰撞面较远,因此不会受到电子碰撞产生的热量的影响。即,能抑制密封部63成为高温状态而产生的变形。因此,能忽略密封部63的热变形而减小间隙c,并能抑制来自密封部63的液体金属70的泄漏。
例如,在旋转体600从静止状态转变为旋转状态时,即使因大直径部610附近的间隙处的液体金属70移动而产生液体金属70的反冲,该反冲的不良影响也不会波及密封部63。因此,不会出现密封部63被液体金属70浸润的情况,可防止液体金属70朝真空空间泄漏。
在旋转阳极型X射线管1采用使用了固体润滑剂的球轴承时,可能会因液体金属流入球轴承内残留、附着而妨碍固体润滑剂的塑性流动。然而,上述旋转阳极型X射线管1采用了将液体金属70自身作为润滑剂的动压轴承。因此,不会出现润滑性能下降的情况,能长时间稳定地使阳极靶50旋转,能获得延长旋转阳极型X射线管1的产品寿命的效果。
根据上述内容,可获得阳极靶50的冷却速度快并能延长产品寿命的旋转阳极型X射线管1和包括旋转阳极型X射线管1的旋转阳极型X射线管装置。
下面,对本发明的第二实施方式所涉及的旋转阳极型X射线管装置进行详细说明。另外,在本实施方式中,其它结构与上述第一实施方式相同,对相同的部分标注相同的符号并省略其详细说明。
如图3所示,旋转体600具有大直径部610以及小直径部620。大直径部610和小直径部620以没有连接面的形态一体形成。凹部51a与靶层52的整体重叠。在靶层52的正下方(内侧)设置有液体金属70的热传递流路。
根据上述结构的旋转阳极型X射线管装置,阳极靶50具有与靶层52重叠的凹部51a,固定轴10与凹部51a嵌合。使靶层52和冷却液20的流路靠近。因此,从靶层52至冷却液20的流路的热传导路径较短。
根据上述内容,可获得阳极靶50的冷却速度快并能延长产品寿命的旋转阳极型X射线管1和包括旋转阳极型X射线管1的旋转阳极型X射线管装置。
下面,对本发明的第三实施方式所涉及的旋转阳极型X射线管装置进行详细说明。另外,在本实施方式中,其它结构与上述第一实施方式相同,对相同的部分标注相同的符号并省略其详细说明。
如图4和图5所示,在大直径部610与小直径部620的边界附近,旋转体600(筒部61)具有推力轴承面S8。固定轴10(环部13)具有推力轴承面S7。轴承面S7和轴承面S8在沿着转轴a的方向上彼此保持间隙地相对。轴承面S7和轴承面S8形成了推力轴承B4。
该推力轴承B4不会成为高温状态,能使轴承面S7和轴承面S8间的间隙维持一定值,因此,即使靶成为高温状态,也能使推力轴承B4正常地起作用。
如图4和图6所示,固定轴10还具有环部14。环部14围绕筒部11的隔着径向滑动轴承面S1与筒部12(大直径部610)相反的一侧的侧面。筒部11和环部14以没有连接面的形态一体形成。
筒部61在隔着径向滑动轴承面S2与大直径部610相反的一侧具有内表面凹入的台阶部61a。环部14嵌合在由台阶部61a和密封部63围成的空间内。
环部14具有推力轴承面S9。筒部61具有推力轴承面S10。轴承面S9和轴承面S10在沿着转轴a的方向上彼此保持间隙地相对。轴承面S9和轴承面S10形成了推力轴承B5。该推力轴承B5不会成为高温状态,能使轴承面S9和轴承面S10间的间隙维持一定值,因此,即使靶成为高温状态,也能使推力轴承B5正常地起作用。
根据上述结构的旋转阳极型X射线管装置,阳极靶50具有与靶层52重叠的凹部51a,固定轴10与凹部51a嵌合。使靶层52和冷却液20的流路靠近。因此,从靶层52至冷却液20的流路的热传导路径较短。
推力轴承B4、B5不会成为高温状态。能防止推力轴承B4、B5因来自靶层52的热传导而变形,能将推力轴承B4、B5的间隙维持一定值,保持作为推力轴承B4、B5的功能,因此,能维持旋转体600的旋转动作。
根据上述内容,可获得阳极靶50的冷却速度快并能延长产品寿命的旋转阳极型X射线管1和包括旋转阳极型X射线管1的旋转阳极型X射线管装置。
下面,对本发明的第四实施方式所涉及的旋转阳极型X射线管装置进行详细说明。另外,在本实施方式中,其它结构与上述第一实施方式和第三实施方式相同,对相同的部分标注相同的符号并省略其详细说明。
如图7和图8所示,固定轴10还具有环部14。筒部61具有台阶部61a。环部14嵌合在由台阶部61a和密封部63围成的空间内。
环部14具有推力轴承面S9。筒部61具有推力轴承面S10。轴承面S9和轴承面S10在沿着转轴a的方向上彼此保持间隙地相对。轴承面S9和轴承面S10形成了推力轴承B5。
环部14具有推力轴承面S11。密封部63具有推力轴承面S12。轴承面S11和轴承面S12在沿着转轴a的方向上彼此保持间隙地相对。轴承面S11和轴承面S12形成了推力轴承B6。
这些推力轴承B5、B6不会成为高温状态,能将轴承面S9和轴承面S10间的间隙以及轴承面S11和轴承面S12间的间隙维持一定值,因此,即使靶成为高温状态,也能使推力轴承B5正常地起作用。
根据上述结构的旋转阳极型X射线管装置,阳极靶50具有与靶层52重叠的凹部51a,固定轴10与凹部51a嵌合。使靶层52和冷却液20的流路靠近。因此,从靶层52至冷却液20的流路的热传导路径较短。
推力轴承B5、B6不会成为高温状态。能防止推力轴承B5、B6因来自靶层52的热传导而变形,能将推力轴承B5、B6的间隙维持一定值,保持作为推力轴承B5、B6的功能,因此,能维持旋转体600的旋转动作。
根据上述内容,可获得阳极靶50的冷却速度快并能延长产品寿命的旋转阳极型X射线管1和包括旋转阳极型X射线管1的旋转阳极型X射线管装置。
下面,对本发明的第五实施方式所涉及的旋转阳极型X射线管装置进行详细说明。另外,在本实施方式中,其它结构与上述第一实施方式和第四实施方式相同,对相同的部分标注相同的符号并省略其详细说明。
如图9所示,固定轴10还具有环部14。筒部61具有台阶部61a。环部14嵌合在由台阶部61a和密封部63围成的空间内。旋转阳极型X射线管1形成了推力轴承B5、B6。
在沿着转轴a的方向上,凹部51a仅与靶层52的一部分、更详细而言是靶层52的内侧区域重叠。因此,仅在靶层52的内侧区域的正下方(内侧)设置有液体金属70的热传递流路。大直径部610的内径(凹部51a的直径)比上述第五实施方式的大直径部610的内径(凹部51a的直径)小。
根据上述结构的旋转阳极型X射线管装置,阳极靶50具有与靶层52重叠的凹部51a,固定轴10与凹部51a嵌合。使靶层52和冷却液20的流路靠近。因此,从靶层52至冷却液20的流路的热传导路径较短。
由于在靶层52的一部分的正下方(内侧)设置有液体金属70的热传递流路,因此与没有设置液体金属70的热传递流路时相比,能提高阳极靶50的冷却速度。
由于大直径部610的内径较小,因此能抑制液体金属70的剪切应力所产生的发热量。
此处,对液体金属70的剪切应力所产生的发热量给旋转阳极型X射线管装置造成的不良影响进行说明。液体金属70的剪切应力所产生的发热量的大小随着大直径部610的内径增大而增大。在液体金属70的发热量增大时,使旋转体600以必要的转速旋转的旋转力矩也增大。因此,使旋转体600旋转的定子线圈2(电动机)也增大。因此,旋转阳极型X射线管装置的重量和尺寸增大,很难将旋转阳极型X射线管装置装设到高速旋转的CT装置上。
根据上述内容,可获得阳极靶50的冷却速度快并能延长产品寿命的旋转阳极型X射线管1和包括旋转阳极型X射线管1的旋转阳极型X射线管装置。
下面,对本发明的第六实施方式所涉及的旋转阳极型X射线管装置进行详细说明。另外,在本实施方式中,其它结构与上述第一实施方式相同,对相同的部分标注相同的符号并省略其详细说明。
如图10所示,旋转阳极型X射线管1包括:固定轴10、冷却液20、管部30、阳极靶50、旋转部60、作为润滑剂的液体金属70、阴极80、以及真空管壳90。液体金属70的热传递流路从靶层52的正下方(内侧)偏离地设置。旋转阳极型X射线管1具有:径向滑动轴承B1、推力轴承B2和推力轴承B3。
液体金属70被填充在固定轴10的一端部和凹部51a间的间隙以及固定轴10(轴承面S1)和筒部61(轴承面S2)间的间隙内。另外,这些间隙全部相连。
旋转体600具有:大直径部610、以及直径比大直径部610小的小直径部620。在本实施方式中,大直径部610的内径(凹部51a的直径)和小直径部620的内径(筒部61的内径)大致相同。
根据上述结构的旋转阳极型X射线管装置,阳极靶50具有与靶层52重叠的凹部51a,固定轴10与凹部51a嵌合。使靶层52和冷却液20的流路靠近。因此,从靶层52至冷却液20的流路的热传导路径较短。
由于在阳极51上形成有凹部51a,且凹部51a设置有液体金属70的热传递流路,因此,与阳极51上没有形成凹部51a时相比,能提高阳极靶50的冷却速度。
大直径部610的内径与小直径部620的内径大致相同,较小,因此,能抑制液体金属70的剪切应力所产生的发热量。
根据上述内容,可获得阳极靶50的冷却速度快并能延长产品寿命的旋转阳极型X射线管1和包括旋转阳极型X射线管1的旋转阳极型X射线管装置。
下面,对本发明的第七实施方式所涉及的旋转阳极型X射线管装置进行详细说明。另外,在本实施方式中,其它结构与上述第一实施方式相同,对相同的部分标注相同的符号并省略其详细说明。
如图11所示,冷却液20的循环方向也可以相反。固定轴10在其另一端部侧具有将冷却液20引入的引入口10c。管部30具有:朝外部排出冷却液20的排出口30c、以及将冷却液20引入管部30的内部的引入口30d。排出口30c位于固定轴10的外部。引入口30d隔开间隙地位于固定轴10的一端部。
根据上述内容,来自旋转阳极型X射线管1外部的冷却液20被从引入口10c引入,经由固定轴10和旋转体600之间,经由管部30的内部,从排出口30c朝旋转阳极型X射线管1的外部排出。
根据上述结构的旋转阳极型X射线管装置,阳极靶50具有与靶层52重叠的凹部51a,固定轴10与凹部51a嵌合。使靶层52和冷却液20的流路靠近。因此,从靶层52至冷却液20的流路的热传导路径较短。
即使冷却液20的循环方向相反,也能使冷却液20良好地循环。不是将经由管部30内部而被加热的冷却液20朝固定轴10输送,而是将冷却液20直接朝固定轴10输送。因此,能充分冷却固定轴10,由此,能使旋转体600稳定地旋转。
根据上述内容,可获得阳极靶50的冷却速度快并能延长产品寿命的旋转阳极型X射线管1和包括旋转阳极型X射线管1的旋转阳极型X射线管装置。
另外,本发明并不局限于上述实施方式,在实施阶段,可以在不脱离其主旨的范围内将构成要素变形后具体化。通过上述实施方式所披露的多个构成要素的适当的组合,能形成各种发明。例如,也可以从实施方式所示的全部构成要素中删除几个构成要素。此外,还可以将不同实施方式中的构成要素适当组合。
例如,冷却液20也可以是水和防冻溶液的混合液。而且,也可以使用该冷却液20来进行沸腾冷却,使靶层52的温度降低。这种情况下,也能实现阳极靶50的高效冷却。
固定轴10的厚度只要是适当的值即可。当液体金属70以及与液体金属70接触的金属在它们的接触面上的温度上升时,在它们之间会产生反应生成物。反应生成物会堵塞旋转体60与固定轴10的间隙,在旋转体60旋转时成为阻力,有损作为旋转体的功能。因此,需要以某种程度降低液体金属70以及与其接触的金属的接触面的温度。
若固定轴10的厚度过大,则固定轴10的厚度方向的温差会增大。其结果是,液体金属70和固定轴10的传热面的温度变高,可能会产生反应生成物。
因此,通过以某种程度减小固定轴10的厚度,能降低其传热面的温度。较为理想的固定轴10的厚度是0.05mm以上5mm以下,由此,能使其长时间维持作为旋转体的功能。
固定轴10至少用低碳钢、钼或钼合金材料形成,固定轴10的表面可以用与液体金属70的反应温度较高的金属覆盖。通过如上所述地防止反应生成物的产生,能长时间维持作为旋转体的功能。另外,在覆盖固定轴10的表面时,可以使用镀覆或喷镀等方法来覆盖金属。
另外,固定轴10的表面也可以用陶瓷等无机材料来覆盖。通过如上所述地防止反应生成物的产生,能长时间维持作为旋转体的功能。
也可以将固定轴10用低碳钢形成,将固定轴10的表面用钼覆盖。另外,在用钼覆盖时,例如可以使用喷镀来进行。低碳钢强度高,具有容易与其它金属接合的优点。钼与液体金属70的反应速度较慢。因此,能长时间维持作为旋转体的功能。
如上所述,通过将固定轴10的表面用不与液体金属70反应的材料覆盖、或者将固定轴10自身用不与液体金属70反应的材料形成,能长时间稳定地使阳极靶50旋转,能延长产品寿命。
工业上的可利用性
根据本发明,可提供一种阳极靶的冷却速度快并能延长产品寿命的旋转阳极型X射线管。