JP2004165167A - 単極ｃｔ管用の高熱伝導性のｈｖコネクタ - Google Patents

Abstract

【課題】 高電圧（ＨＶ）電気ケーブルをＸ線管に接続するための改良された装置を提供する。
【解決手段】 大電力Ｘ線装置（１０）用のＨＶコネクタは、充填物質を含み、同様な物質の礫体を充填することができる熱伝導性エポキシ（７０）と、ケーブル端子と、ファラデーカップ（７４）と、スプリング付勢接点と、鉛で裏張りされたハウジング（７８）とを含む。電界解除をもたらすために、中央区域内にファラデーカップ（７４）が配置される。ピンの位置合わせを容易にしかつ取扱いに対する強靱さを得るために、スプリング付勢接点が含まれる。ガスケット（１５）及びエポキシ（７０）の熱伝導性を適切に選択することにより、効果的な熱管理のための解決策が達成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、一般的にイメージングシステムに関し、より具体的には、高電圧（ＨＶ）電気ケーブルをＸ線管に接続するための改良された装置に関する。

典型的な回転アノードＸ線管は、非常に高い電圧（およそ１００ｋＶ程度の）で真空を通ってカソードからアノード上の焦点位置に方向付けされた電子ビームを含む。典型的には高速度で回転するタングステンのターゲットトラックを含むアノードに電子が衝突する時、Ｘ線が発生する。

Ｘ線管の変換効率は、比較的低く、典型的には全入力電力の１％より小さい。残りの電力は、熱エネルギーつまり熱に変換される。従って、熱を除去すること又は熱を管理するためのその他の有効な方法が、Ｘ線管設計における主要な関心事項である。

上に述べたＸ線を発生させるために、典型的にはＨＶ電力ケーブルを使用して、必須の１００ｋＶを超える電位差をカソードとアノードとの間に形成する。ケーブルの一端部は電源に接続され、他端部はカソードに接続するためのＨＶコネクタアセンブリによりＸ線管に接続される。一般にコネクタアセンブリは、Ｘ線管に対してケーブル端部を保持するための保持構造体を含み、ケーブル導電体の端部をＸ線管に結合できるようにする。ケーブル導電体は、典型的には単一の導電体又は複数の導電体のいずれかを含む。

コネクタアセンブリはさらに、Ｘ線管の外部に位置するケーブル導電体の全ての露出部分を囲む多量のＨＶ絶縁材を含む。ＨＶ絶縁材は、Ｘ線管に結合され、ケーブル導電体の高電圧との関係で比較的厚くされている。

一般に、エポキシのような高電圧絶縁材料はまた、熱伝導性が非常に悪いという傾向がある。熱伝導性が悪いことによって、ＨＶコネクタアセンブリが例えばＸ線管の端部間などにおいて該Ｘ線管に直接取り付けられた場合、望ましくない結果が生じる。

上に述べたように、Ｘ線の発生に伴う望ましくない副産物として、大量の熱がＸ線管内で発生する。この熱の一部分は、Ｘ線管に接触する比較的大きな面積を有するコネクタ絶縁材へ向けられる。その低い熱伝導特性の故に、この絶縁材は熱障壁として働き、非常に大量の熱がコネクタ近傍に蓄積する傾向になる。その結果、コネクタ絶縁材の温度限界を容易に超え、Ｘ線管の定常状態性能が制限されることになる。

臨床処理能力を改善するために、より大きな電力に対する要求が益々強くＸ線管設計者に課せられている。Ｘ線ビームを発生させるために、ＣＴ管は、伝統的に双極ＨＶシステムを含んでおり、この双極ＨＶシステムにおいては、カソードとアノードとが異なる極性の下において７０ｋＶで作動する。双極ＨＶシステムは、管ケーシング内にＨＶを引き込むために、典型的にはオイル内でＨＶフィードスルー（プリント配線板）を介して管挿入体へのＨＶ接続が行われる米国連邦規格のレセプタクル／プラグを使用する。

双極ＨＶシステム内のＨＶ構成部品の定格は、およそ７０ｋＶ程度である。管のピーク電力をより増大させるために、単極ＨＶシステムを備えた構成が作られた。単極管は、負極性の１４０ｋＶで作動し、接地されたアノード電極を含む。

単極システムは、ＨＶクリアランス、非常に高い作動電圧による放電活動、及び寸法上の制約といった解決すべき多数の問題点を有する。そのような構成のために、円錐形の絶縁材／プラグが作り出された。しかしながら、これらの円錐形装置の熱応力と材料劣化とによる信頼性と性能とに関わる幾つかの問題点が確認された。従って円錐形ＨＶ絶縁は、一般に高電力管については実現性のある方法ではない。

ＨＶコネクタが直面する主な問題点の１つは、高電力条件下におけるＨＶ完全性である。連続的な高電力供給のために、コネクタの温度はその材料の限界温度を超えることがある。その結果、過度な温度に関係した関連する材料の劣化が原因の熱暴走又は長時間放電に起因した電気的ブレイクダウンにより、破局的故障が起こる可能性がある。

多くの場合、典型的なＨＶ解決策では、１５０℃を超える温度を含む高温度状態を取り扱うことが困難である。連続１０５℃に定格されているに過ぎないエチレンプロピレン（ＥＰＲ）ゴムを含む構成部品は、そのような用途のためには極めて問題である。

現在のＸ線システムに関係した欠点は、Ｘ線システムへのＨＶ接続のための新たな技術が必要とされていることを明らかにしている。この新たな技術は、依然として優れたＨＶ性能を維持しながら、強靭な耐熱応力性をもつべきであり、かつ材料劣化を防止すべきである。本発明はこれらの目的に向けられている。

本発明の１つの態様によると、単極Ｘ線装置用のＨＶコネクタシステムは、ファラデーカップの部分を収容するための中央開口を形成するガスケットを備える第１の側面を含む。このシステムは更に、第１の側面とほぼ平行に配置された第２の側面と、第１の側面と第２の側面との間に配置されかつ該第１及び第２の側面に連結された外縁部を含む。外縁部は、ＨＶケーブルを受けるようになったケーブル端子を含む。熱伝導性エポキシが、円筒状の遮蔽型ハウジング内に密閉され、ファラデーカップが、エポキシにより囲まれかつ中央開口と同軸に配置される。遮蔽型装置は、ＨＶケーブルとＸ線装置とに電気的に連結されるようになっている。

本発明の別の態様によると、単極Ｘ線装置用のＨＶシステムを組み立てる方法は、鉛で裏張りされた円筒状のＨＶコネクタをＸ線装置に連結する段階を含む。ＨＶコネクタは、複数のスプリング付勢ボルトにより、Ｘ線装置（管ケーシング）のフランジに取り付けられる。ＨＶ絶縁材（セラミック）とコネクタとの間でガスケットが圧縮されるように、事前に付勢力（予荷重）が加えられる。ガスケット接合面に沿って緊密な接触を改善して空隙を排除するために、接合面にシリコングリースの薄い層が施される。

本発明の１つの利点は、ファラデーカップがＨＶ配線結合部近傍における局所的な電界の実質的解除をもたらし、そのことによって部分放電活動を低下させることである。もう１つの利点は、ガスケット及びエポキシベース材料の異なる熱伝導性を利用した熱管理である。

本発明の付加的な利点及び特徴は、添付図面に関連してなされた、以下の説明から明らかになるであろうし、また特許請求の範囲において具体的に指摘した手段及びその組み合せにより実現することができる。

次に、本発明のより完全な理解のために、添付図面を参照しながら、実施例として示す本発明の幾つかの実施形態について説明する。

本発明は、特に医学分野に適したＨＶコネクタシステムに関係して説明されるが当業者には分かるように、本発明は、ＨＶコネクタシステムを必要とする他の様々な用途にも応用可能である。

図１を参照すると、金属ハウジング１２に連結されたＨＶシステム１１を含むＸ線管システム１０（Ｘ線装置）が示されており、この金属ハウジング１２は、本発明の好ましい実施形態によるその他のＸ線管構成部品を支持している。

ＨＶ絶縁材１３とガスケット１５とＨＶコネクタ１７とを含むＨＶシステム１１については、図２Ａ、図３Ａ、及び図３Ｂに関して詳述にする。

金属ハウジング１２は、カソード１４と該カソード１４のための保護用真空エンクロージャとを含む。カソード１４は、高エネルギー電子ビーム１６をアノード２０のターゲットトラック１８上に方向付けており、該ターゲットトラック１８は、耐火性の金属ディスクを含み、従来型の支持及び駆動機構２２により連続的に回転される。ターゲットトラック１８は、環状又はリング状の形状を有し、典型的にはアノードディスク２０に一体的に結合されたタングステン基合金を含む。アノード２０が回転すると、カソード１４からの電子ビームがターゲットトラック１８の連続的に変化する部分に衝突して、焦点位置２４においてＸ線を発生する。このようにして発生されたＸ線ビーム２６は、アノード焦点からハウジング１２の側面に設けられたＸ線透過窓２７を通って発射される。

上述したようにＸ線を発生させるためには、カソード１４とアノード２０との間におよそ１００ｋＶ程度の電位差がなくてはならない。単極管構成においては、これはアノードを接地し（図示せず）、また必要とされる１００ｋＶ程度の電力を電気ケーブル２８を介してカソード１４に印加することにより達成される。ケーブル２８により伝送される高電圧の故に、該ケーブル２８をカソード１４に連結するためのＨＶコネクタを使用することが必要になる。

ＨＶシステム１１は、絶縁材ハウジング２９内に配置されかつガスケット１５に連結されたＨＶ絶縁材１３を含み、該ガスケット１５は、ＨＶコネクタ１７に連結される。本発明の実施形態によるＨＶシステムは、軸線８７と同軸の上記の構成部品を含むが、該ＨＶシステムには、当業者には分かるように、その他数多くの構成も含まれる。

ＨＶコネクタ１７は、熱伝導性エポキシ７０と、ケーブル端子７２と、ファラデーカップ７４と、スプリング付勢端子７６と、鉛で裏張りされたＡｌハウジング７８とを含む。

図１、図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃ、図３Ａ、及び図３Ｂを参照すると、ＨＶコネクタ１７は、円筒状の遮蔽型ハウジング（鉛で裏張りされたＡｌハウジング７８）を含み、該ハウジングは、ファラデーカップの部分を収容する開口８６を形成したガスケット１５を備える第１の側面８４（図では上側）を含む。ＨＶコネクタ１７はまた、第１の側面８４とほぼ平行に配置された第２の側面８８（図では下側）と、第１の側面８４と第２の側面８８との間に配置されかつ該第１及び第２の側面に連結された外縁部９０を含む。外縁部９０は、ＨＶケーブル２８を受けるようになったケーブル端子７２を含む。熱伝導性エポキシ７０が円筒状の遮蔽型ハウジング７８内に密閉され、ファラデーカップ７４がエポキシ７０により囲まれ、また該ファラデーカップ７４は、ＨＶケーブル２８と後述する電気連結部材３８とに電気的に連結するようになっている。

導電体３８の露出された端部、つまり管１０の内部で絶縁材８０の端部と絶縁材１３との間で延びる部分を絶縁するために、ＨＶコネクタハウジング７８は、エポキシ７０のような電気絶縁物質で満たされる。熱伝導性エポキシ７０は、Ａｌ₂Ｏ₃、ＡｌＮ、又はＢＮ粉末のような充填材を含むことができる。熱伝導性を更に増大させるためには、図２Ｂに示すように、それに代えてエポキシ７０には同様の物質７１の礫体が充填される。また、図２Ｃに示すように、熱伝導通路及びＨＶ絶縁の部分として、エポキシ内でＡｌ₂Ｏ₃のブロック７３を使用することができる。

更に、ＨＶコネクタ１７は、ガスケット１５及びエポキシ７０の熱伝導性を選択することにより、熱管理についての効果的な解決策をもたらす。例えば、高い熱伝導性を有するガスケットと低い熱伝導性を有するエポキシとを使用することによって、ガスケットを通ってハウジングへと熱の流れが方向付けられる熱通路が形成される。その結果、大量の熱がコネクタ内に侵入することが回避される。別の実施形態において、高い熱伝導性を有するエポキシと低い熱伝導性を有するガスケットとを使用することによって、熱がコネクタ１７内に侵入するのを防止する障壁が形成される。更に、ガスケットの接合面に沿って密接な接触を改善しかつ空隙を排除するために、接合面にシリコングリースの薄い層が施される。

中央区域内のファラデーカップ７４は、近傍に対する電界の遮蔽をもたらし、そのことによって望ましくない部分放電を減少させる。ファラデーカップ７４内において、電界は無視できるレベルまで低下される。ＨＶ接合及び接続は、放電から良好に保護される。

スプリング付勢ポゴピンのようなスプリング付勢接点７６は、ピンの位置合わせを単純化しかつ取扱いに対する強靱さをもたらす。高い温度限度のためのスプリング材料としては、インコネルを使用することができる。スプリング付勢力（荷重）は、様々な温度条件下におけるＨＶ絶縁材１３とＨＶコネクタ１７との間のＨＶ接続の接触作用を増大させる。

ＨＶコネクタ１７（鉛で裏張りされたＨＶコネクタ）は、熱伝導性エポキシ７０を密閉し、絶縁材ハウジング２９のフランジ６６に結合され、また該ＨＶコネクタ１７は更に、ＨＶケーブル端子７２を含む。

ＨＶコネクタ１７は、鉛で裏張りされたハウジング７８を含み、該ハウジング７８は、図示したように、その一端部において又は絶縁材ハウジング２９を介して、管ハウジング１２に結合される。鉛で裏張りされたハウジング７８は、アルミニウムのような別の材料を含むものとして構成することができる。

真空内における全体的なＨＶ安定性を改善するために、絶縁材１３が含まれる。絶縁材の輪郭は、表面フラッシュオーバを回避するように最適化される。三重点における電気的応力は、金属被覆法により最小化され（つまり、三重点がシフトされ）、それによって放電活動を緩和させる。図示するように、絶縁材の形状は、絶縁材１３がセラミックの表面フラッシュオーバ及びバルクブレイクダウンの防止に関して最適なＨＶ性能を有するように設計される。当業者には分かるように、図示した絶縁材は、本発明において使用可能な多くの絶縁材の１つであることを理解されたい。

再び図１、図３Ａ、及び図３Ｂを参照すると、電気的、熱的、及び機械的な理由で、僅かにテーパを付したガスケット１５が使用される。ガスケット１５は、厚い中央部とこれよりも僅かに薄い縁部とを有するように形成されているが、一様な厚みを有するガスケットであってもよい。ガスケット１５は、理想的にはシリコン物質（又はこれに匹敵する別の物質）で作られ、スプリング付勢コネクタ１７がセラミック絶縁材１３の平坦面に押し付けられた時、１５乃至３０ｐｓｉの荷重で圧縮される。閉じた接点は、接合面全体に沿ってＨＶ完全性を保証し、従ってＨＶ性能を保証する。

ＨＶケーブル２８は、該ケーブル２８の中央部に沿って配置された１つ又はそれ以上の導電体８２と、該導電体８２を囲むＨＶ絶縁層８０とを含む。上に述べたように、単一の中実の導電体８２を使用してもよいし、複数の導電体を使用してもよい。ＨＶケーブル２８は、該ＨＶケーブルがファラデーカップ７４又は当業者には分かるような別の導電手段に接触するように、ＨＶケーブル端子に連結される。

ＨＶケーブル２８は、コネクタハウジング７８の開口を通してＨＶコネクタ１７内に挿入される。開口７２は、典型的には軸線８７に対して軸直角な方向に配置される。導電体８２は、絶縁層８０の端部を超えて延び、ＨＶ絶縁材１３上のフィードスルーを貫通して向けられ、カソード１４に結合された電気連結部材３８に接続される。電気連結部材３８とカソード１４とは、セラミック物質又はこれに類した物質で形成されて管１０の端部内に挿入されているＨＶ絶縁材１３により、所定の位置に支持される。

導電体８２は典型的には銅を含み、絶縁材８０はＥＰゴムのような材料を含む。そのような材料は、ＨＶケーブル２８に可撓性を与えると同時に、このケーブル内を流れる高電圧電力のための十分な絶縁性をもたらす。

作動時には、Ｘ線源が作動され、高電圧電荷がＨＶ導電体を通ってファラデーカップ内へ流れる。それと同時に、ＨＶ絶縁材が、上述した独特な設計により、電界と放電の可能性とを最少化する。

以上の説明から、新規なＨＶコネクタシステムが当技術分野にもたらされたことが、分かるであろう。好ましい実施形態に関する上記の説明は、本発明原理の応用を示す多くの特定実施形態の幾つかを単に例示したものであることを理解されたい。当業者には、特許請求の範囲に記載した本発明の技術的範囲から逸脱することなく多くの他の構成が明らかであろう。

本発明の１つの実施形態によるＸ線管システムを一部破断して示した斜視図。 図１によるＨＶコネクタの斜視図。 図２Ａの線Ａ−Ａの方向に見た断面図。 本発明の別の実施形態による、図２Ａの線Ａ−Ａの方向に見た断面図。 本発明の別の実施形態によるＨＶコネクタシステムの斜視図。 図３Ａの線Ａ−Ａの方向に見た断面図。

符号の説明

１０ Ｘ線管システム
１１ ＨＶシステム
１２ 金属ハウジング
１３ ＨＶ絶縁材
１４ カソード
１５ ガスケット
１６ 電子ビーム
１７ ＨＶコネクタ
２０ アノード
２６ Ｘ線ビーム
２７ Ｘ線透過窓
２８ ＨＶケーブル
２９ 絶縁材ハウジング
３８ 電気連結部材
７０ 熱伝導性エポキシ
７２ ケーブル端子
７４ ファラデーカップ
７８ 鉛で裏張りされたＡｌハウジング
８２ 導電体

Claims (10)

1. 単極Ｘ線装置（１０）用のＨＶコネクタシステム（１１）であって、
   中央開口（８６）を形成したガスケット（１５）を含む第１の側面（８４）と、前記第１の側面（８４）とほぼ平行に配置された第２の側面（８８）と、前記第１の側面（８４）と前記第２の側面（８８）との間に配置されかつ該第１及び第２の側面に連結され、また前記中央開口（８６）と軸直角でありかつＨＶケーブル（２８）を受けるようになったケーブル端子を含む外縁部（９０）とを含む、円筒状の遮蔽型ハウジング（７８）と、
   前記円筒状の遮蔽型ハウジング（７８）内に密閉された熱伝導性エポキシ（７０）と、
   前記エポキシ（７０）により囲まれかつ前記中央開口（８６）と同軸に配置されたファラデーカップ（７４）と、
   を含み、
   前記ファラデーカップ（７４）が、前記ＨＶケーブル（２８）と前記Ｘ線装置（１０）とに電気的に連結するようになっている、
   ことを特徴とするシステム（１１）。
2. 前記ＨＶケーブル（２８）は、該ＨＶケーブル（２８）が前記ファラデーカップ（７４）に接触するように、前記ＨＶケーブル端子に連結されていることを特徴とする、請求項１に記載のシステム（１１）。
3. 前記エポキシ（７０）が、Ａｌ₂Ｏ₃粉末、ＡｌＮ粉末、ＢＮ粉末、又はこれらと同様な物質の礫体の少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項１に記載のシステム（１１）。
4. 前記エポキシ（７０）が、その熱性能を改善するために、少なくともＡｌ₂Ｏ₃ディスクのブロックを含むことを特徴とする、請求項１に記載のシステム（１１）。
5. 前記ガスケット（１５）に連結された絶縁材（１３）を更に含むことを特徴とする、請求項１に記載のシステム（１１）。
6. 前記ガスケット（１５）が、少なくとも部分的にはスプリング付勢装置からの圧縮力により、前記絶縁材（１３）と前記熱伝導性エポキシ（７０）との間で圧縮されていることを特徴とする、請求項５に記載のシステム（１１）。
7. 前記ガスケット（１５）が、シリコンゴム又は該シリコンゴムと同様な電気化学的特性を有する物質を含むことを特徴とする、請求項１に記載のシステム（１１）。
8. 前記ガスケット（１５）が、テーパを付けられていることを特徴とする、請求項１に記載のシステム（１１）。
9. Ｘ線装置（１０）と、
   中央開口（８６）を形成したガスケット（１５）を含む第１の側面（８４）と、前記第１の側面（８４）とほぼ平行に配置された第２の側面（８８）と、前記第１の側面（８４）と前記第２の側面（８８）との間に配置されかつ該第１の側面（８４）及び第２の側面（８８）に連結され、また前記中央開口（８６）と軸直角でありかつＨＶケーブル（２８）を受けるようになったケーブル端子を含む外縁部（９０）とを含む、前記Ｘ線装置（１０）に連結された円筒状の遮蔽型ハウジング（７８）と、
   ＨＶ絶縁材（１３）との間で前記ガスケット（１５）を圧縮するように、前記円筒状の遮蔽型ハウジング（７８）内に密閉された熱伝導性エポキシ（７０）と、
   前記中央開口（８６）と同軸でありかつ前記エポキシ（７０）により囲まれたファラデーカップ（７４）と、
   を含み、
   該ファラデーカップ（７４）が、前記ＨＶケーブル（２８）と前記Ｘ線装置（１０）とに電気的に連結するようになっている、
   ことを特徴とするＨＶシステム（１１）。
10. 単極Ｘ線装置（１０）用のＨＶシステム（１１）を組み立てる方法であって、
    開口を備えるガスケット（１５）を含む第１の側面（８４）と、前記第１の側面（８４）とほぼ平行に配置された第２の側面（８８）と、前記第１の側面（８４）と前記第２の側面（８８）との間に配置されかつ該第１及び第２の側面に連結された外縁部（９０）とを含む、鉛で裏張りされた円筒状のＨＶコネクタを、前記Ｘ線装置（１０）に連結する段階と、
    前記ガスケット（１５）をＨＶ絶縁材（１３）と導電性エポキシ（７０）との間で圧縮する段階と、
    を含むことを特徴とする方法。

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