DE60203202T2

DE60203202T2 - Röntgengerät mit Drehanodenröhre

Info

Publication number: DE60203202T2
Application number: DE60203202T
Authority: DE
Inventors: Saito Minato-ku Shin
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2001-01-22
Filing date: 2002-01-22
Publication date: 2006-03-23
Anticipated expiration: 2022-01-23
Also published as: EP1225793A3; DE60203202D1; JP2002216683A; EP1225793B1; US20020097838A1; EP1225793A2; US6594340B2

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Drehanoden-Röntgenstrahlröhrenvorrichtung, und insbesondere auf eine Drehanoden-Röntgenstrahlröhrenvorrichtung mit einer Kühlstruktur, welche einen Kühlwirkungsgrad einer in einem Gehäuse aufgenommenen Drehanoden-Röntgenstrahlröhre verbessern kann.
Bei einer Drehanoden-Röntgenstrahlröhrenvorrichtung ist eine Drehanoden-Röntgenstrahlröhre in einem Gehäuse aufgenommen, und die Drehanoden-Röntgenstrahlröhre umfasst eine Kathode zum Erzeugen eines Elektronenstrahls, ein Anodentarget zum Emittieren von Röntgenstrahlen bei Abstrahlung des Elektronenstrahls, einen Drehmechanismus zum drehbaren Haltern des Anodentargets und einen Vakuumkolben zum Umschließen der Kathode, des Anodentargets und des Drehmechanismus.
1 zeigt eine herkömmliche Drehanoden-Röntgenstrahlröhrenvorrichtung. In 1 bezeichnet die Bezugsziffer 41 ein Gehäuse, und eine Drehanoden-Röntgenstrahlröhre ist in dem Gehäuse 41 eingeschlossen. Ein Kühlmittel wie z.B. ein Isolieröl ist in einen Raum zwischen dem Gehäuse und der Drehanoden-Röntgenstrahlröhre eingefüllt.
Bei der in 1 dargestellten Drehanoden-Röntgenstrahlröhre 41 sind eine Kathode 44 zum Erzeugen eines Elektronenstrahls, ein Anodentarget 45 zum Emittieren von Röntgenstrahlen bei Abstrahlung des Elektronenstrahls und ein Drehmechanismus 46 zum drehbaren Haltern des Anodentargets 45 eingeschlossen. Der Drehmechanismus 46 umfaßt einen Drehzylinder 47, an dem das Anodentarget 45 befestigt ist, eine stationäre Welle 48 zum drehbaren Haltern des Drehzylinders 47 sowie dynamische Drucklager. Eine Drehanoden-Röntgenstrahlröhre mit einem dynamischen Drucklager ist aus EP-A-0477868 bekannt.
Bei den dynamischen Drucklagern sind spiralförmige Nuten bzw. Rillen eines Fischgrätenmusters an der Oberfläche oder den Oberflächen der stationären Welle 48 und/oder der Drehstruktur 47 ausgebildet, und ein flüssiges Metallschmiermittel, wie z.B. Gallium oder Galliumlegierung, wird auf die Spiralrillen sowie einen Zwischenraum zwischen der stationären Welle 48 und der Drehstruktur 47 aufgebracht. Eine Statorspule 49 zur Erzeugung eines Drehmagnetfeldes ist außerhalb des Vakuumkolbens 43 vorgesehen und um den Drehzylinder 47 herum angeordnet.
Eine Kühlervorrichtung 50 befindet sich außerhalb des Gehäuses 41 und umfasst eine Wärmeaustauscheinheit, eine Pumpeneinheit usw. Ein Kühlmittelauslassweg, wie z.B. ein Auslassrohr PO, koppelt die Kühlvorrichtung 50 mit dem Gehäuse 41, um ein Kühlmittel von der Kühlvorrichtung 50 dem Gehäuse zuzuführen, und ein Kühlmitteleinlassrohr, wie z.B. ein Einlassrohr Pi, koppelt ebenfalls das Gehäuse 41 mit der Kühlervorrichtung 50, um das Kühlmittel aus dem Gehäuse 41 zur Kühlervorrichtung 50 zurückzuführen.
Bei der in 1 gezeigten Vorrichtung wird das Isolieröl als Kühlmittel, das von der Drehanoden-Röntgenstrahlröhre 42 erwärmt wird, aus dem Gehäuse 41 über die Auslassleitung PO der Kühlvorrichtung 50 zugeführt, und das Isolieröl, das in der Kühlvorrichtung 50 gekühlt worden ist, wird aus der Kühlvorrichtung 50 über das Einlassrohr Pi auch dem Gehäuse 41 zugeführt, so dass das Isolieröl in einem Zirkulationsweg, wie er von einem Pfeil Y gezeigt ist, in Umlauf gehalten wird.
In einem Betriebsmodus legen die Statorspulen 49 das Drehmagnetfeld an den Drehzylinder 47 des Drehmechanismus 46 an, um den Drehzylinder 47 so zu drehen, dass das Anodentarget 45 gedreht wird. Der von der Kathode 44 erzeugte Elektronenstrahl wird durch eine Hochspannung zwischen der Kathode 44 und dem Anodentarget 45 beschleunigt und trifft auf das gedrehte Anodentarget 45 auf, so dass von dem Drehanodentarget 45 Röntgenstrahlen emittiert werden. Die Röntgenstrahlen passieren ein an dem Vakuumkolben 43 vorgesehenes Strahlungsfenster W1 und ein am Gehäuse 41 vorgesehenes Strahlungsfenster W2 und werden aus dem Gehäuse 41 geleitet.
Von dem Anodentarget 45, den Statorspulen 49, dem dynamischen Druckgleitlager zwischen der stationären Welle 48 und dem Drehzylinder 47 usw. wird auf das zwischen der Kühlvorrichtung 50 und dem Gehäuse 41 zirkulierende Isolieröl Wärme übertragen. Somit kühlt das die Wärme aufnehmende Isolieröl die Röntgenstrahlröhre.
Das dynamische Drucklager weist die Vorteile der Geräuscharmut, geringer Vibrationen und langer Lebensdauer infolge geringer Drehreibung auf. Auf den flüssigen Metallschmierstoff wird jedoch bei der Drehung des Drehzylinders eine Scherkraft aufgebracht, und eine Scherenergie wird auf den flüssigen Metallschmierstoff übertragen, so dass der flüssige Metallschmierstoff infolge der Scherenergie erwärmt wird und eine Temperatur des dynamischen Drucklagers steigt. Somit wird eine Diffusionsreaktion zwischen dem flüssigen Metallschmierstoff und einem Lagermaterial des Drehzylinders und der stationären Welle hervorgerufen. Infolgedessen kann es unmöglich sein, konstant eine stabile Drehung des Drehzylinders aufrechtzuerhalten. Demgemäß wird ein Verfahren zum Kühlen des Lagers bei der herkömmlichen Röntgenstrahlvorrichtung angewandt, bei der ein Kühlmittelraum in der stationären Welle vorgesehen ist, welche die Drehstruktur bildet, und das Isolieröl dem Kühlmittelraum zugeführt wird, um den Lagerabschnitt der stationären Welle zu kühlen.
Im folgenden wird unter Bezugnahme auf 2 eine herkömmliche Drehanoden-Röntgenstrahlröhrenvorrichtung mit einer stationären Welle eines Lagers, in der ein Kühlmittelraum ausgebildet ist, beschrieben. In 2 bezeichnen die gleichen Bezugsziffern gleiche Teile oder Elemente wie in 1, und eine detaillierte Beschreibung hiervon entfällt.
Ein Hohlraum 51 zum Zirkulieren eines Kühlmittels wie z.B. eines Isolieröls zur Kühlung einer stationären Welle 48 ist in der stationären Welle 48 in einer Axialrichtung ausgebildet, und ein Rohr 52 ist so angeordnet, dass es sich in den Hohlraum 51 in der Axialrichtung erstreckt. Das Rohr 52 ist mit dem Einlassrohr Pi an einem Bodenende 52A desselben gekoppelt und erstreckt sich entlang dem Hohlraum 51, und ein oberes Ende 52B des Rohrs Pi liegt dem inneren Boden des Rohrs Pi unmittelbar gegenüber.
Bei der in 2 gezeigten Konfiguration wird das durch das Einlassrohr Pi passierende Isolieröl in das Rohr 51 geleitet und strömt in dem Rohr 51, wie durch einen Pfeil Y1 gezeigt ist. Das Isolieröl wird von der Öffnung des oberen Endes 52B dem Strömungsraum und -weg zwischen dem Rohr 51 und der stationären Welle 52 zugeführt. Dann strömt das Isolieröl in dem Strömungsweg und strömt in den Raum des Gehäuses 41 aus, wie in 2 gezeigt ist. Das Einlassrohr Pi, das Rohr 51 und der Strömungsweg zwischen dem Rohr 51 und der stationären Welle 52 bilden einen Teil des Zirkulations-Kühlmittelwegs zum Leiten des Isolieröls, welches das Lager abkühlt, um die Temperatur des Lagers in einem vorbestimmten Temperaturbereich zu halten.
Danach strömt das von dem Strömungsweg in der stationären Welle 52 in den Raum im Gehäuse 41 einströmende Isolieröl zu den Statorspulen 49 und dem Vakuumkolben 43, um von den Statorspulen 49 und dem Vakuumkolben 43 erzeugte Wärme zu absorbieren, und wird der Kühlvorrichtung 50 über das Auslassrohr PO geliefert.
Bei der herkömmlichen Drehanoden-Röntgenstrahlröhrenvorrichtung ist der Kühlmittelhohlraum in der den Drehmechanismus bildenden stationären Welle vorgesehen, um von dem Lager usw. erzeugte Wärme zu absorbieren. Bei diesem Aufbau kann ein Innendurchmesser der stationären Welle in dem Kühlmittelhohlraum nicht sehr groß eingestellt werden, da die stationäre Welle einen relativ kleinen Außendurchmesser aufweist und eine ausreichende mechanische Festigkeit haben muß. Falls die stationäre Welle einen kleinen Innendurchmesser aufweist, um genügend mechanische Festigkeit zu haben, ergibt sich ein Druckverlust in dem Kühlmittelströmungsraum oder -weg in der stationären Welle, und eine Strömungsrate des in der Vorrichtung zirkulierenden Kühlmittels wird verringert und die Zirkulationsmenge des Kühlmittels nimmt in der Vorrichtung ab. Somit wird ein Kühlwirkungsgrad bei der Kühlung der stationären Spulen, des Vakuumkolbens usw. infolge der geringeren Zirkulationsmenge des Kühlmittels gemindert.
Es gibt ein verbessertes Verfahren zur Erhöhung eines Kühlwirkungsgrades, bei dem die Pumpfähigkeit zum Pumpen des Kühlmittels in der Kühlvorrichtung verbessert wird. Um die Pumpfähigkeit zu verbessern, ist es erforderlich, die Vorrichtung groß dimensioniert zu gestalten. Damit wird die Kühlvorrichtung kostspielig. Falls die Pumpfähigkeit verbessert wird, kann aber die Kühlwirkung auf ein hohes Niveau gesetzt werden, und die Viskosität kann infolge der exzessiven Kühlung des Lagers und des flüssigen Metallschmierstoffs stark sein und die Senkung der Temperatur des flüssigen Metallschmierstoffs kann unerwartet groß sein. Somit kann ein Drehmoment innerhalb eines Bereichs einer für das Anodentarget erforderlichen Drehgeschwindigkeit unangemessen groß werden, womit mehr Energiezufuhr zu den Statorspulen erforderlich ist.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Drehanoden-Röntgenstrahlröhrenvorrichtung bereitzustellen, die wirksam von einem Lager erzeugte Wärme aufnehmen kann, ohne die durch ein Gehäuse der Vorrichtung strömende Kühlmittelmenge zu mindern.
Gemäß der Erfindung wird eine Röntgenstrahlröhrenvorrichtung bereitgestellt mit:
einer Röntgenstrahlröhre mit
einem Drehanodentarget,
einer Kathode, die so konfiguriert ist, dass sie Elektronen für das Anodentarget erzeugt, um zu bewirken, dass das Anodentarget Röntgenstrahlen emittiert,
einem mit dem Anodentarget gekoppelten Drehzylinder,
einer stationären Achse, die so konfiguriert ist, dass sie den Drehzylinder drehbar lagert, wobei die stationäre Achse eine Öffnung und einen mit der Öffnung kommunizierenden Hohlraum aufweist,
einem dynamischen Drucklager, das zwischen der stationären Achse und dem Drehzylinder vorgesehen ist, und
einem Vakuumkolben, der zur Aufnahme des Anodentargets, der stationären Achse, des Drehzylinders und des Lagers konfiguriert ist,
einem Gehäuse, das zur Aufnahme der Röntgenstrahlröhre konfiguriert ist und in das ein Kühlmittel gefüllt ist bzw. wird,
einer Kühlervorrichtung, die zum Kühlen des Kühlmittels und zum Zirkulieren des Kühlmittels zwischen der Kühlervorrichtung und dem Gehäuse konfiguriert ist,
einem Kühlmittel-Splitter, der zum Aufteilen des von der Kühlervorrichtung zugeführten Kühlmittels in Kühlmittelströme in dem Gehäuse konfiguriert ist, wobei einer der Kühlmittelströme in den Hohlraum der stationären Achse geleitet wird.
Diese Zusammenfassung der Erfindung beschreibt nicht notwendigerweise alle nötigen Merkmale, so dass die Erfindung auch eine Unter-Kombination dieser beschriebenen Merkmale sein kann.
Die Erfindung ist aus der folgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen besser verständlich, in denen zeigen:
1 eine Schnittansicht, die schematisch eine herkömmliche Drehanoden-Röntgenstrahlröhrenvorrichtung darstellt,
2 eine Teil-Schnittansicht, die schematisch einen Teil einer herkömmlichen Drehanoden-Röntgenstrahl röhrenvorrichtung zeigt, welche mit einem Kühlmittel-Hohlraum versehen ist, der in einer stationären Welle der Vorrichtung ausgebildet ist,
3 eine Schnittansicht, die schematisch eine Drehanoden-Röntgenstrahlröhrenvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt,
4 eine Schnittansicht, die einen inneren Aufbau einer in 3 gezeigten Kombination einer stationären Welle und eines Rohrs zeigt, in dem ein Kühlmittelraum und ein Kühlmittel-Zirkulationsweg ausgebildet sind,
5 eine graphische Darstellung einer Beziehung zwischen einer Strömungsmenge eines durch den Kühlmittelraum und den Kühlweg gemäß 4 strömenden Kühlmittels und eines Öffnungsgrads einer Mündung, die gemäß einem Verfahren zum Einstellen der Strömungsmenge des Kühlmittels in der in 3 gezeigten Drehanoden-Röntgenstrahlröhrenvorrichtung eingestellt wird,
6 graphische Darstellungen einer Beziehung zwischen Betriebsmoden, der Drehgeschwindigkeit des Anodentargets und Strömungsraten des Kühlmittels in der in 3 gezeigten Drehanoden-Röntgenstrahlröhrenvorrichtung,
7 eine Schnittansicht zur schematischen Darstellung einer Drehanoden-Röntgenstrahlröhrenvorrichtung gemäß einer modifizierten Ausführungsform der Erfindung, und
8 eine Schnittansicht zur schematischen Darstellung einer Drehanoden-Röntgenstrahlröhrenvorrichtung gemäß einer weiteren modifizierten Ausführungsform der Erfindung.
Eine Drehanoden-Röntgenstrahlröhrenvorrichtung gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung wird unter Bezugnahme auf 3 bis 5 erläutert.
In 3 bezeichnet die Bezugsziffer 11 ein Gehäuse, in dem eine Drehanoden-Röntgenstrahlröhrenvorrichtung 12 aufgenommen ist. Ein Kühlmittel wie z.B. Isolieröl ist in einen Zwischenraum zwischen dem Gehäuse 11 und der Drehanoden-Röntgenstrahlröhre 12 eingefüllt. Eine Kühlvorrichtung 13 zum Zuführen des Kühlmittels ist unabhängig angeordnet, um das Kühlmittel dem Gehäuse 11 zuzuführen. Die Kühlvorrichtung 13 umfaßt einen Wärmetauscher (nicht gezeigt), eine Pumpeneinheit (nicht gezeigt) usw. Die Kühlvorrichtung 13 ist mit einem Kühlmittel-Auslaßweg versehen, wie z.B. einem Kühlmittel-Zuführrohr PO, das mit dem Gehäuse 11 gekoppelt ist. Auf diese Weise wird das Kühlmittel, d.h. das Isolieröl, von einem oberen Raum des Gehäuses 11 zu der Kühlvorrichtung 13 über das Kühlmittelzuführrohr PO ausgetragen, wie durch den Pfeil Y1 gezeigt ist, um von der Drehanoden-Röntgenstrahlröhre 12 erzeugte Wärme zu transportieren. Die Kühlvorrichtung 13 ist auch mit einem weiteren Kühlmittel-Zuführweg versehen, wie z.B. einem Kühlmittel-Einlaßrohr Pi, das an einem unteren Abschnitt des Gehäuses 11 befestigt ist und sich in das Gehäuse 11 hinein erstreckt. Im Gehäuse 11 ist das Einlassrohr Pi mit einer Kühlmittel-Aufteileinheit 14 gekoppelt. Die Aufteileinheit 14 umfaßt erste und zweite Rohrabschnitte 14A, 14B, um das Isolieröl in zwei orthogonale Strömungswege aufzuteilen.
Die in dem Gehäuse 11 aufgenommene Drehanoden-Röntgenstrahlröhre 12 umfaßt einen Vakuumkolben 15, eine Kathode 16 zum Erzeugen eines Elektronenstrahls, ein Anodentarget 17 zum Emittieren von Röntgenstrahlen bei Bestrahlung mit dem Elektronenstrahl und einen Halterungsmechanismus zum drehbaren Haltern des Anodentargets 17. Dynamische Druckgleitlager, die als Flüssigschichtlager oder Lager mit Metallschmierung bezeichnet werden können, sind zwischen einem Drehzylinder 21 und einer stationären Welle 22 vorgesehen. In dem dynamischen Druckgleitlager sind Fischgrätenmuster an der stationären Welle 22 und/oder dem Drehzylinder 21 ausgebildet, und ein flüssiger Metallschmierstoff aus Gallium oder einer Legierung mit Galliumlegierung wird auf die Fischgrätenmuster und einen Lagerspalt zwischen der stationären Welle 22 und dem Drehzylinder 21 aufgebracht. Die stationäre Welle 22 hat einen Hohlraum 23 zum Festlegen eines Kühlmittelwegs, in dem sich eine Kühlmittel-Zuführröhre 24 entlang einer Axialrichtung der stationären Welle 22 befindet. Das dem Zuführrohr 24 zugeführte Kühlmittel wird in den Hohlraum geleitet und zu dem Raum in dem Gehäuse 11 über eine Öffnung der stationären Welle 22 befördert.
Das Zuführrohr 24 hat einen Einlaß 24A und einen Auslaß 24B. Der Einlaß 24A ist mit dem ersten Rohrabschnitt 14A der Aufteileinheit 14 gekoppelt, und der Auslaß 24B befindet sich an der Oberseite des Hohlraums der stationären Welle 22. Eine Strömungsregelungseinheit 25 zum Regeln der Strömungsrate des Isolieröls ist an dem zweiten Rohrabschnitt 14B angebracht. Die Strömungsregelungseinheit 25 umfaßt einen Öffnungs-Einstellteil 25A zum Einstellen bzw. Anpassen der Öffnung des Strömungswegs in dem zweiten Rohrabschnitt 14B, eine Schraubenwelle 25B, die mit dem Öffnungs-Einstellteil 25A gekoppelt ist und am Gehäuse 11 zum Bewegen des Einstellteils 25A in einer Richtung senkrecht zu dem Kühlmittelströmungsweg vorgesehen ist, um die Strömungsrate in dem zweiten Rohrabschnitt 14B zu ändern, einen Balgsitz 25C, der um die Schraubenwelle 25B herum vorgesehen ist, um die Schraubenwelle 25B in einer flüssigkeitsdichten Weise zu bedecken, und einen Drehhandgriff 25D, der sich außerhalb des Gehäuses 11 befindet und mit der Schraubenwelle 25B gekoppelt ist. Die Schraubenwelle 25B wird gedreht, wenn der Drehhandgriff 25D gedreht wird, so dass der Einstellteil 25A nach oben oder unten bewegt wird, wie durch einen Pfeil Y3 gezeigt ist. Damit wird eine Öffnung vergrößert oder verkleinert, so dass die Strömungsrate des in dem zweiten Rohrabschnitt 14B strömenden Isolieröls geändert wird. Bei dieser Strömungsratenanpassung wird die zweite Strömungsrate von in dem ersten Rohrabschnitt 14A strömendem Isolieröl in umgekehrter Beziehung zu der Erhöhung bzw. Minderung der ersten Strömungsrate in dem zweiten Rohrabschnitt 14B erhöht oder gemindert.
Bei der oben beschriebenen Konfiguration wird das durch das Einlaßrohr Pi strömende Isolieröl in zwei Strömungen an der Aufteileinheit 14 aufgeteilt. Einer der Ströme wird in das Zuführrohr 24 geleitet, wie durch den Pfeil Y4 gezeigt ist, wird aus dem Auslaß 24B des Rohrs 24 herausgeleitet und rasch auf die innere Bodenfläche der stationären Welle 22 in dem Kühlmittelraum 23 aufgebracht. Der Isolierölstrom wird von dem Raum zu dem Hohlraum zwischen dem Zuführrohr 24 und der stationären Welle 22 geleitet und strömt in den Gehäuseraum des Gehäuses 11, wie durch den Pfeil Y5 gezeigt ist. Der andere Strom des in der Aufteileinheit 14 aufgeteilten Isolieröls wird in den zweiten Rohrabschnitt 14B geleitet, passiert den Öffnungs-Einstellteil 25A und strömt aus der Öffnung des zweiten Rohrabschnitts 14B in den Gehäuseraum im Gehäuse 11 aus.
Die Strömungen des von dem Kühlmittelraum 23 und dem zweiten Rohrabschnitt 14B strömenden Isolieröls strömen zusammen in das Gehäuse 11, wie durch den Pfeil Y6 gezeigt ist, und nehmen von den Statorspulen 19 und dem Vakuumkolben 15 erzeugte Wärme auf. Dabei wird das Isolieröl über das Auslassrohr PO in die Kühleinheit 13 zirkuliert.
Im folgenden wird der Aufbau der stationären Welle 22 detailliert unter Bezugnahme auf 4 beschrieben, die eine vergrößerte Ansicht der stationären Struktur 22 ist. In 4 bezeichnen gleiche Bezugsziffern gleiche Teile oder Elemente wie in 3, und eine detaillierte Beschreibung derselben entfällt. Eine aus Gold oder Goldlegierung hergestellte Überzugsschicht 32 ist an der Innenfläche der stationären Welle 22 ausgebildet, welche den hohlen Innenraum festlegt, um die Innenfläche vor Korrosion zu schützen.
Bei der oben beschriebenen Vorrichtung wird zu Beginn eines Betriebsmodus Energie an die Statorspulen 19 geliefert, um ein sich drehendes Magnetfeld um den Drehzylinder 21 herum zu erzeugen. Damit dreht das Drehmagnetfeld den Drehzylinder 21 des Drehmechanismus 18, und das Anodentarget 17 wird gedreht. In diesem Stadium trifft der von der Kathode 16 erzeugte Elektronenstrahl auf das Anodentarget 17 auf, und die Röntgenstrahlen werden von dem Anodentarget 17 emittiert. Die Röntgenstrahlen werden von der Vorrichtung über das am Vakuumkolben 15 vorgesehene Röntgenstrahlfenster W1 und das am Gehäuse 11 vorgesehene Röntgenstrahlfenster W2 nach außen abgegeben.
Das in dem Kühlmittelraum 23 der stationären Welle 22 strömende Isolieröl absorbiert von dem Lager erzeugte Wärme, um das Lager abzukühlen, und entlang der Oberfläche des Vakuumkolbens 13 im Gehäuse 11 strömendes Isolieröl absorbiert ebenfalls von dem Anodentarget und den Statorspulen 19 erzeugte Wärme, um die Statorspule 19 und die Röntgenstrahlvorrichtung zu kühlen.
Als nächstes wird die Funktion der Strömungsregelungseinheit 25 zum Regeln der Strömungsrate des Kühlmittels mit Bezug auf 5 beschrieben. In einem in 5 gezeigten Koordinatensystem bezeichnet die Abszissenachse einen Öffnungsgrad des Öffnungs-Einstellteils 25A in dem zweiten Rohrabschnitt 14B der Aufteileinheit 14, und die Ordinatenachse bezeichnet eine Strömungsmenge des Kühlmittels, wobei der Ursprung 0 einem Zustand des Schließens des zweiten Rohrabschnitts 14B entspricht, um den Strömungsweg des Kühlmittels in dem zweiten Rohrabschnitt 14B zu sperren. Eine Linie P zeigt die Gesamtmenge einer Kühlmittelzufuhr zu dem Einlassrohr Pi, eine Linie Q zeigt eine Beziehung zwischen der Strömungsmenge des Kühlmittels in dem ersten Rohrabschnitt 14A oder dem Zuführrohr 24 und dem Öffnungsgrad im zweiten Rohrabschnitt 14B, und eine Linie R bezeichnet eine Beziehung zwischen der Strömungsmenge des Kühlmittels im zweiten Rohrabschnitt 14B und dem Öffnungsgrad im zweiten Rohrabschnitt 14B, eine Linie M zeigt ebenfalls eine Strömungsmenge des Kühlmittels, die zum Kühlen der Röntgenstrahlröhrenvorrichtung erforderlich ist, und eine Linie N zeigt eine Strömungsmenge, die zum Kühlen des Lagers erforderlich ist.
Wenn in der Aufteileinheit 14 der Öffnungsgrad des Öffnungs-Einstellteils 25A des zweiten Rohrabschnitts 14 auf 0 eingestellt ist, wird das gesamte dem Einlassrohr Pi zugeführte Kühlmittel dem ersten Rohrabschnitt 14A und dem Zuführrohr 24 zugeleitet. Damit ist die Gesamtmenge des dem Einlassrohr Pi zugeführten Kühlmittels im wesentlichen gleich der Strömungsmenge des durch den ersten Rohrabschnitt 14A strömenden Kühlmittels.
Falls die Aufteileinheit 14 so eingestellt ist, dass der Öffnungsgrad des Öffnungs-Einstellteils 25A im zweiten Rohrabschnitt 14B erhöht wird, wird die Kühlmittelmenge, die im zweiten Rohrabschnitt 14B strömt, erhöht und die im ersten Rohrabschnitt 14A strömende Kühlmittelmenge gemindert. In diesem Zustand werden Druckverluste in den ersten und zweiten Rohrabschnitten 14A, 14B ausgeglichen, und die erforderlichen Kühlmittelmengen werden den ersten und zweiten Rohrabschnitten 14A, 14B zugeführt. Die Gesamtmenge des zugeführten Kühlmittels entspricht der Summe der erforderlichen Mengen des den ersten und zweiten Rohrabschnitten 14A, 14B zugeführten Kühlmittels.
Zusätzlich wird die zur Kühlung der Röntgenstrahlröhrenvorrichtung benötigte Gesamtströmungsmenge des Kühlmittels gemäß der Kühlfähigkeit bzw. Kühlkapazität der Kühlvorrichtung und einer Einstellung der Röntgenstrahlröhre bestimmt. Die zur Kühlung des Lagers erforderliche Strömungsmenge des Kühlmittels wird gemäß der Drehgeschwindigkeit des Anodentargets sowie der Form und dem Material des Lagers bestimmt. Im allgemeinen ist die zur Kühlung des Lagers erforderliche Strömungsmenge des Kühlmittels geringer als die zur Kühlung der Röntgenstrahlröhrenvorrichtung erforderliche Gesamtströmungsmenge des Kühlmittels. Der Öffnungsgrad des zweiten Rohrabschnitts 14B wird in einem bevorzugten Bereich von Öffnungsgradpunkten A und B gemäß 5 eingestellt bzw. angepasst.
Der tatsächliche Öffnungsgrad wird in dem bevorzugten Bereich von Öffnungsgradpunkten A und B basierend auf einem Experiment und auf einer Berechnung unter Berücksichtigung der Kühlwegstruktur und der Eigenschaften des Kühlmittels festgelegt. Der tatsächliche Öffnungsgrad wird vorzugsweise so bestimmt, dass eine Lagertemperatur mit einer ausreichenden Marge bei einer üblichen Drehgeschwindigkeit des Anodentargets eingestellt wird, was eine Reaktionsgeschwindigkeit zwischen der Lageroberfläche und dem Flüssigmetallschmierstoff mindern kann, um eine Verkürzung der Lebensdauer der Röntgenstrahlröhre zu verhindern, und was eine Überkühlung des Lagers verhindern kann, die ein Drehmoment erhöht.
Falls die Drehgeschwindigkeit des Anodentargets konstant ist, kann der Öffnungsgrad des Öffnungs-Einstellteils im zweiten Rohrabschnitt so festgesetzt oder eingestellt werden, dass eine angemessene Kühlmittelmenge zu dem Kühlmittelraum in der stationären Welle bei der Montage der Röntgenstrahlröhre strömt. Falls die Drehgeschwindigkeit des Anodentargets variiert, kann der Öffnungsgrad des Öffnungs-Einstellteils im zweiten Rohrabschnitt gemäß der Drehgeschwindigkeit des Anodentargets gesteuert werden, basierend auf Messdaten bezüglich der Gesamtmenge des zur Kühlung der Röntgenstrahlröhre erforderlichen Kühlmittels und der zur Kühlung des Lagers erforderlichen Kühlmittelmenge, die beide vorher gemessen wurden, und kann so eingestellt werden, dass eine angemessene Menge des Kühlmittels in den Kühlmittelraum in der stationären Welle geliefert wird.
Die Strömungsraten-Regelungseinheit 25 kann ein elektrisch betätigtes Ventil aufweisen, welches einen Öffnungsgrad des Öffnungs-Einstellteils in Reaktion auf ein dem elektrisch betätigten Ventil zugeführtes elektrisches Signal steuern kann. In einer bevorzugten modifizierten Ausführungsform misst eine Strommesseinheit 26 einen der Statorspule 19 gemäß 3 zugeführten Strom und erfasst eine Drehgeschwindigkeit des Anodentargets, um ein Drehsignal zu erzeugen. Das elektrische Betätigungsventil der Strömungsratenregelungseinheit 25 wird vorzugsweise in Reaktion auf das Drehsignal gesteuert. Im folgenden wird eine Arbeitsweise einer Drehanoden-Röntgenstrahlröhrenvorrichtung gemäß der modifizierten Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die 6 beschrieben.
6 zeigt eine Drehgeschwindigkeit des Drehanodentargets, eine Strömungsmenge des Kühlmittels und den Betriebsmodus bei der Drehanoden-Röntgenstrahlröhrenvorrichtung gemäß 3. Die Vertikalachse zeigt eine Drehgeschwindigkeit des Drehanodentargets und eine Strömungsmenge des Kühlmittels, und die Transversalachse zeigt einen Betriebsmodus der Röntgenstrahlröhre. In 6 zeigt eine Linie I eine Gesamtströmungsmenge des von der Kühlvorrichtung 13 dem Gehäuse 11 zugeführten Kühlmittels, die zweite Linie II zeigt eine Strömungsmenge des durch die zweiten Rohrabschnitte 14B in die stationäre Welle passierenden Kühlmittels, eine dritte Linie III zeigt ebenfalls eine Strömungsmenge des der stationären Welle 22 über die ersten Rohrabschnitte 14A zugeführten Kühlmittels, und eine vierte Linie IV zeigt eine Drehgeschwindigkeit eines Drehanodentargets 17.
Wie in 6 gezeigt ist, wird das Drehanodentarget 17 in einem Wartemodus mit relativ niedriger Drehgeschwindigkeit gedreht, da die Elektronen von der Kathode 16 nicht emittiert werden. Demgegenüber werden bei einem Röntgenstrahl-Bestrahlungsmodus Elektronen von der Kathode 16 emittiert und die Elektronen treffen auf das Drehanodentarget 17 auf, so dass das Drehanodentarget 17 erwärmt wird. Damit wird das Drehanodentarget mit relativ hoher Drehgeschwindigkeit gedreht. Entweder der Warte- oder der Bestrahlungsmodus wird als Stromsignal durch die Strommesseinheit 26 erfaßt, und das Stromsignal wird der Strömungsregelungseinheit 25 geliefert. Die Strömungsmenge des durch die zweiten Rohrabschnitte 14B passierenden Kühlmittels wird in Abhängigkeit von der Drehgeschwindigkeit des Drehanodentargets 17 durch die Strömungsregelungseinheit 25 gesteuert, und das durch die zweiten Rohrabschnitte 14B strömende Kühlmittel wird angepasst bzw. eingestellt. Im Wartemodus wird das Drehanodentarget mit relativ geringer Drehgeschwindigkeit gedreht, wie durch die Linie IV gezeigt ist und die Öffnung in den zweiten Rohrabschnitten 14B wird durch die Strömungsregelungseinheit 25 voll geöffnet, da es nicht erforderlich ist, die relativ große Menge an Kühlmittel der stationären Welle 22 zuzuführen, um den Lagerabschnitt an der stationären Welle 22 ausreichend zu kühlen. Daher ist ein Widerstand im Strömungsweg der zweiten Rohrabschnitte 14B gering und eine relativ große Menge an Kühlmittel passiert die zweiten Rohrabschnitte 14B, wie durch die Linie II gezeigt ist, und eine relativ große Gesamt-Kühlmittelmenge wird von der Kühlvorrichtung 13 dem Gehäuse 11 zugeführt, wie durch die Linie I gezeigt ist. Demgegenüber wird in dem Röntgenstrahl-Bestrahlungsmodus das Drehanodentarget 17 mit relativ hoher Drehgeschwindigkeit gedreht, wie durch die Linie IV gezeigt ist. Deshalb mindert die Strömungsregelungseinheit 25 den Öffnungsbereich bzw. die Öffnungsfläche in den zweiten Rohrabschnitten 14b, und der Strömungswiderstand der zweiten Rohrabschnitte 14B wird erhöht, so dass die Strömungsmenge des durch die zweiten Rohrabschnitte 14B passierenden Kühlmittels gemindert wird, wie durch die Linie II gezeigt ist. Die Gesamtmenge des von der Kühlvorrichtung 13 gelieferten Kühlmittels ist ebenfalls gemindert, wie durch die Linie I gezeigt ist. Mit einer Zunahme des Strömungswegwiderstandes der zweiten Rohrabschnitte 14B wird die Strömungsmenge des den ersten Rohrabschnitten 14A gelieferten Kühlmittels erhöht, wie durch die Linie III gezeigt ist. Im Ergebnis wird die stationäre Welle 22 durch die ausreichende Kühlmittelmenge genügend gekühlt.
Die Periode des Röntgenstrahl-Bestrahlungsmodus ist hier lang und beträgt etwa 1 min, und die Periode des Wartemodus beträgt -zig Minuten oder mehrere Minuten. Wie oben beschrieben wurde, kann die stationäre Welle 22 in dem Röntgenstrahl-Bestrahlungsmodus angemessen gekühlt werden, so dass es möglich ist, zu vermeiden, dass sich der Lagerabschnitt übermäßig erwärmt, und zu verhindern, dass der flüssige Metallschmierstoff mit dem Lagermaterial der stationären Welle 22 in Reaktion tritt.
Gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Strömung des Kühlmittels verzweigt und in die zwei Wege geleitet. So sind die Strömungswege, die jeweils einen individuellen Druckverlust aufweisen, parallel angeordnet und bilden einen parallelen Strömungsweg mit einem Gesamtdruckverlust, der geringer ist als der des seriellen Strömungswegs, bei dem das Kühlmittel durch den Innenraum der stationären welle hindurchströmt und in das Gehäuse in dem herkömmlichen Kühlsystem geleitet wird, wie in 2 gezeigt ist.
Daher kann die Gesamtströmungsmenge des Kühlmittels erhöht werden und die Wärme der gesamten Röntgenstrahlröhre kann sicher abgeführt werden. Da die in 3 gezeigte Konfiguration einfach ist, können die Herstellungskosten des Systems im Vergleich zu dem System zur Verbesserung einer Pumpenkapazität der Kühlvorrichtung reduziert werden. Außerdem können die Lagerabschnitte sicher gekühlt werden, da der Strömungsweg des Kühlmittels als Kühlmittelraum 23 in der stationären Welle 22 definiert ist. Bei dieser Konfiguration kann die Strömungsraten-Regulierungseinheit 25 die Strömungsmenge des durch den Raum 23 passierenden Kühlmittels so einstellen, dass der Lagerabschnitt auf einer geeigneten Temperatur gehalten wird.
In einer Modifikation gemäß 5 ist die Spiralnut bzw. Spiralrille 31 in der Innenfläche der stationären Welle 22 ausgebildet, welche den Kühlmittelraum 23 festlegt. Dieser Aufbau bietet einen großen Oberflächenbereich und eine Turbulenzwirkung des Isolieröls, so dass eine Kühlrate verbessert wird.
Außerdem kann eine Überzugsschicht 32, wie z.B. eine Goldschicht oder Goldlegierungsschicht, an einer Innenfläche der stationären Welle 22 ausgebildet sein. Damit wird auch dann, wenn Wasser, das leicht das Metall korrodiert, als Kühlmittel verwendet wird eine Korrosion der Innenseite der stationären Welle 22 verringert, so dass ihre Lebensdauer verlängert werden kann. Die Überzugsschicht 32 kann auf der gesamten Oberfläche, die dem Raum 23 zugewandt ist, dem Bodenflächenteil 33 oder der Bodenfläche 33 sowie dem Oberflächenbereich um den Bodenflächenteil 33, auf den das Kühlmittel aufgebracht wird, ausgebildet sein.
Bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der Kühlmittelstrom in zwei Wege verzweigt. Der Kühlmittelstrom kann aber auch in drei oder mehr Wege verzweigt werden, um das Kühlmittel auf die zu kühlenden Teile oder Bereiche aufzubringen. Außerdem kann der Kühlmittelstrom in zwei Kühlwege verzweigt werden, und von dort aus kann der Kühlmittelstrom weiter verzweigt werden.
Außerdem ist bei der Ausführungsform die Strömungsraten-Regulierungseinheit in dem Kühlweg vorgesehen, der direkt das Kühlmittel in das Gehäuse leitet. Die Strömungsraten-Regulierungseinheit kann in dem abgezweigten Weg vorgesehen sein, der das Kühlmittel in die stationäre Welle leitet, um den Lagerabschnitt zu kühlen.
Im folgenden werden Drehanoden-Röntgenstrahlröhrenvorrichtungen gemäß modifizierten Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf 7 und 8 beschrieben.
Bei der Drehanoden-Röntgenstrahlröhrenvorrichtung gemäß 7 ist die Aufteileinheit 14 mit einem dritten Rohrabschnitt 14C zusätzlich zu den zweiten Rohrabschnitten 14A, 14B versehen. Einer der Ströme wird in das Zuführrohr 24 geleitet, wie durch den Pfeil Y4 gezeigt ist, wird von dem Auslaß 24B des Rohrs 24 herausgeleitet und schnell auf die innere Bodenfläche der stationären Welle 22 in dem Kühlmittelraum 23 aufgebracht. Der Isolierölstrom wird von dem Raum zu dem Hohlweg zwischen dem Zuführrohr 24 und der stationären Welle 22 geleitet und strömt in den Gehäuseraum des Gehäuses 11, wie durch einen Pfeil Y5 gezeigt ist. Der zweite, in der Aufteileinheit 14 aufgeteilte Strom des Isolieröls wird in den zweiten Rohrabschnitt 14B geleitet, passiert den Öffnungs-Einstellteil 25A und strömt aus der Öffnung des zweiten Rohrabschnitts 14B in den Gehäuseraum im Gehäuse 11 aus. Ferner wird der in der Aufteileinheit 14 aufgeteilte dritte Strom des Isolieröls in den dritten Rohrabschnitt 14C geleitet und in einen Raum zwischen der Statorspule 19 und der Röntgenstrahlröhre 12 eingeführt. Daher wird die Statorspule 19 hauptsächlich durch den dritten Isolierölstrom gekühlt.
Bei der in 8 gezeigten Drehanoden-Röntgenstrahlröhrenvorrichtung ist die Aufteileinheit 14 auch mit einem dritten Rohrabschnitt 14C zusätzlich zu den zweiten Rohrabschnitten 14A, 14B versehen. Bei diesem Aufbau wird einer der Ströme in das Zuführrohr 24 geleitet, wie durch den Pfeil Y4 gezeigt ist, wird aus dem Auslaß 24B des Rohrs 24 herausgeleitet und rasch auf die innere Bodenfläche der stationären Welle 22 in den Kühlmittelraum 23 aufgebracht. Der Isolierölstrom wird auch von dem Raum zu dem Hohlweg zwischen dem Zuführrohr 24 und der stationären Welle 22 geleitet und strömt in den Gehäuseraum des Gehäuses 11, wie durch einen Pfeil Y5 gezeigt ist. Die zweiten und dritten, in der Aufteileinheit 14 aufgeteilten Ströme des Isolieröls werden in die zweiten und dritten Rohrabschnitte 14B, 14C geleitet und in einen Raum zwischen der Statorspule 19 und der Röntgenstrahlröhre 12 eingeleitet. Daher kühlen hauptsächlich die zweiten und dritten Isolierölströme die Statorspule 19. Bei diesem in 8 gezeigten Aufbau kann das Strömungsregelungsventil 25 am ersten Rohrabschnitt 14A vorgesehen sein.
Bei der in 7 und 8 gezeigten Drehanoden-Röntgenstrahlröhrenvorrichtung kann die Statorspule 19 wirksam gekühlt werden.

Claims

Röntgenstrahlröhrenvorrichtung mit: einer Röntgenstrahlröhre (12) mit einem Drehanodentarget (17), einer Kathode (16), die so konfiguriert ist, dass sie Elektronen für das Anodentarget (17) erzeugt, um zu bewirken, dass das Anodentarget (17) Röntgenstrahlen emittiert, einem mit dem Anodentarget (17) gekoppelten Drehzylinder (21), einer stationären Achse (22), die so konfiguriert ist, dass sie den Drehzylinder (21) drehbar lagert, wobei die stationäre Achse (22) eine Öffnung und einen mit der Öffnung kommunizierenden Hohlraum (23) aufweist, einem dynamischen Drucklager, das zwischen der stationären Achse (22) und dem Drehzylinder (21) vorgesehen ist, und einem Vakuumkolben (15), der zur Aufnahme des Anodentargets (17), der stationären Achse (22), des Drehzylinders (21) und des Lagers konfiguriert ist, einem Gehäuse (11), das zur Aufnahme der Röntgenstrahlröhre (12) konfiguriert ist und in das ein Kühlmittel gefüllt ist bzw. wird, einer Kühlervorrichtung (13), die zum Kühlen des Kühlmittels und zum Zirkulieren des Kühlmittels zwischen der Kühlervorrichtung (13) und dem Gehäuse (11) konfiguriert ist, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner umfaßt, einen Kühlmittel-Splitter (14), der zum Aufteilen des von der Kühlervorrichtung (13) zugeführten Kühlmittels in Kühlmittelströme in dem Gehäuse (11) konfiguriert ist, wobei einer der Kühlmittelströme in den Hohlraum (23) der stationären Achse (22) geleitet wird.
Röntgenstrahlröhrenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer der Kühlmittelströme direkt in einen Raum zwischen dem Gehäuse (11) und der Röntgenstrahlröhre (12) in dem Gehäuse (11) geleitet wird.
Röntgenstrahlröhrenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner umfaßt: einen Strömungsregelungsmechanismus (25), der in dem Strom vorgesehen ist und so konfiguriert ist, dass er eine Strömungsrate des Kühlmittelstroms regelt.
Röntgenstrahlröhrenvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner umfaßt: eine Sensoreinheit (20), die so konfiguriert ist, dass sie eine Drehrate des Anodentargets (17) abtastet, um ein Abtastsignal zu erzeugen, und eine Steuereinheit (26), die so konfiguriert ist, dass sie den Strömungsregelungsmechanismus (25) steuert, wobei der Strömungsregelungsmechanismus (25) die Strömungsrate gemäß dem Abtastsignal regelt bzw. reguliert.
Röntgenstrahlröhrenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die stationäre Achse (22) mit einer den Hohlraum (23) festlegenden Innenfläche versehen ist, wobei eine Spiralnut bzw. -rille (31) an der Innenfläche ausgebildet ist.
Röntgenstrahlröhrenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die stationäre Achse (22) mit einer den Hohlraum (23) festlegenden Innenfläche versehen ist, wobei eine Überzugsschicht (32) aus Gold oder Goldlegierung an der Innenfläche ausgebildet ist.
Röntgenstrahlröhrenvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner umfaßt: einen Rohrabschnitt (24), der in die Öffnung eingesetzt ist und sich in den Hohlraum (23) der stationären Achse (22) erstreckt, und der so konfiguriert ist, dass er den Kühlmittelstrom in den Hohlraum (23) leitet und den Kühlmittelstrom auf einen Teil der Innenfläche, auf der die Überzugsschicht (32) aus Gold oder Goldlegierung ausgebildet ist, aufbringt.