JP2009081069A - 回転陽極型ｘ線管 - Google Patents

Abstract

【課題】 陽極ターゲットと冷却容器との隙間に液体金属を迅速且つ確実に供給することができる構造を備えた回転陽極型Ｘ線管を提供するにある。
【解決手段】 回転陽極型Ｘ線管においては、回転陽極に第１の間隙を空けて円盤部が嵌合され、陽極を支持する回転体には、第２の間隙を空けて固定シャフトが嵌合され、固定シャフト及び円盤部は、一体に形成され、その内が中空に形成されて冷却液が流通される。第１及び第２の間隙には、液体金属が充填され、第２の間隙内には、液体金属に動圧を発生させる動圧軸受け部が設けられている。第１間隙を第２間隙に直接に連通させる流路が設けられて動圧軸受け部外の液体金属が第１間隙から第２間隙に供給される。
【選択図】 図１

Description

この発明は、液体潤滑剤を用いた滑り軸受及びこの滑り軸受を備えた回転陽極型Ｘ線管に関する。

医療診断システム等に使用されている回転陽極型Ｘ線管は、高温、真空下で使用され、しかも、高速で陽極ターゲットが回転される厳しい使用環境にある。このような回転陽極型Ｘ線管は、特許文献１に開示されるように陽極ターゲットを支持する回転軸が液体金属を潤滑剤に用いる滑り軸受で支持される構造を備えている。Ｘ線管をさらに小型化並びに軽量化するためには、陽極ターゲットが液体金属を介して冷却される必要がある。このような背景から、陽極ターゲット背面と固定シャフトの間に隙間が設けられ、この間隙に液体金属が供給され、液体金属を熱伝達流体として陽極ターゲットが冷却される構造が提案されている。
特許２９６００８９

回転陽極型Ｘ線管においては、Ｘ線管装置の動作時に、陽極ターゲットは、この陽極ターゲットへの熱入力により高温になる。即ち、陽極ターゲットには、電子ビームが照射され、この電子ビームの照射により高温になる。特に、電子が衝突される電子衝突面（焦点）の温度が高温になる。このため、陽極ターゲットの温度は、材料の溶解温度以下に維持されなくてはならないとされている。

このような背景から、陽極ターゲットを冷却させる技術が開発されている。電子衝突面の近くで液体金属を熱伝達流体として用いて、陽極ターゲットの熱を冷却容器内の冷却水に伝達し、陽極ターゲットを冷却する技術がある。

しかし、従来の液体金属を冷却用の熱伝達流体として用いる回転陽極型Ｘ線管には、次のような問題がある。

液体金属を冷却用の熱伝達流体として用いる冷却機構においては、潤滑として使用している液体金属を固定シャフトと一体化されている冷却容器と陽極ターゲットとの隙間に確実に供給する必要がある。液体金属の充填量は回転体が停止している時に、シール部からの漏れない量に制限され、回転体が回転をはじめることで、液体潤滑剤は、遠心力で回転体の内側に張り付き、固定シャフトから冷却容器と陽極ターゲットとの隙間に誘導される。

しかしながら、液体金属は、動圧軸受の狭い隙間を通る必要があり、陽極ターゲットと冷却容器との隙間に誘導されるには時間を要する問題がある。

この発明は、上述した事情に鑑みなされたものであって、その目的は、陽極ターゲットと冷却容器との隙間に液体金属を迅速且つ確実に供給することができる構造を備えた回転陽極型Ｘ線管を提供することにある。

この発明によれば、
電子ビームが照射されてＸ線を発生するターゲットを備えた第１の中空部を有する回転陽極と、
当該回転陽極を支持する第２の中空部を有する回転体と、
前記回転陽極の第１の中空部内に第１の間隙を空けて嵌合され、第３の中空部を有する円盤部及び当該円盤部から延出され、前記回転体に第２の間隙を空けて嵌合され、前記円盤部の前記第３の中空部に連通され、冷却液が流通する第４の中空部を有し、前記回転体を回転可能に支持する固定シャフトから構成される固定部と、
前記第１及び第２の間隙に充填された液体金属と、
前記回転体の第２の中空部内面と前記固定シャフトの外面との間に設けられ、第２の間隙内の前記液体金属に動圧を発生させる動圧軸受け部と、
前記第１の間隙を前記第２の間隙に直接的に連通させる流路であって、前記動圧軸受け部外の前記液体金属を前記第１の間隙から第２の間隙に供給する流路と、
を具備する回転陽極型Ｘ線管が提供される。

また、この発明によれば、
電子ビームが照射されてＸ線を発生するターゲットを備えた第１の中空部を有する回転陽極と、
当該回転陽極から互いに反対方向に回転軸に沿って延出され、当該を支持する第２の中空部を有する第１及び第２の回転体と、
前記回転陽極の第１の中空部内に第１の間隙を空けて嵌合され、第３の中空部を有する円盤部及び当該円盤部から互いに反対方向に前記回転軸に沿って延出され、前記第１及び第２の回転体に夫々第２の間隙を空けて嵌合され、前記円盤部の前記第３の中空部に連通され、冷却液が流通する第４の中空部を有し、前記回転体を回転可能に支持する第１及び第２の固定シャフトから構成される固定部と、
前記第１及び第２の間隙に充填された液体金属と、
前記第１及び第２の回転体の第２の中空部内面と前記第１及び第２の固定シャフトの外面との間に夫々設けられ、第２の間隙内の前記液体金属に動圧を発生させる第１及び第２の動圧軸受け部と、
前記第１の間隙を前記第２の間隙に直接的に連通させる流路であって、前記第１及び第２の動圧軸受け部外の前記液体金属を前記第１の間隙から第２の間隙に夫々供給する第１及び第２の流路と、
を具備する回転陽極型Ｘ線管が提供される。

この発明の回転陽極型Ｘ線管においては、ターゲットの冷却に必要な液体金属が陽極ターゲットの背面に供給されるに際して液体金属が動圧軸受の狭い隙間を通らずに陽極ターゲットの背面に直接的に供給され、迅速且つ確実に供給されることが可能であることから、液体潤滑剤を用いた滑り軸受を備える高い信頼性の回転陽極型Ｘ線管を提供することができる。

以下、必要に応じて図面を参照しながら、この発明の一実施の形態に係る回転陽極型Ｘ線管を説明する。

図１に示すように、回転陽極型Ｘ線管は、一端が固定支持された筒状の固定シャフト１０、この固定シャフト１０に回転可能に軸支持された筒状の回転体６０と、この回転体６０の端部に固定され、回転体６０と共に回転される中空円盤状の回転陽極５０、この回転陽極５０のターゲット５２に対向するように配置され、陽極ターゲット５２に向けて電子ビームを照射する陰極４０と、これらを収容し、その内を真空に維持する真空外囲器（図示せず）とから構成されている。

回転体６０には、回転体６０と共に回転される銅等の導電材料で作られた筒状の回転発生部４が設けられ、この回転発生部４は、真空外囲器外に配置された回転磁界を発生させるステータコイル２に対向されている。ステータコイル２から回転磁界が回転発生部４に与えられることによって回転発生部４に生じる磁界と回転磁界とが反撥して回転力が発生されて回転体６０が回転される。

回転陽極型Ｘ線管及びステータコイル２は、筐体（図示せず）に収納されてＸ線管装置を構成している。陰極４０からの電子ビームが収束されて回転されている陽極ターゲット５２に照射されると、陽極ターゲット５２からＸ線が発生され、真空外囲器及び筐体に設けられたＸ線窓から外部にＸ線が照射される。

図１に示すように、固定シャフト１０は、固定シャフト１０と回転体６０との間に間隙（ギャップ）Ｇ１〜Ｇ５を空けるように回転体６０に嵌合され、この間隙Ｇ１〜Ｇ５には、液体金属３０が充填されている。回転体６０の開口部には、この間隙１〜Ｇ５から液体金属が漏れ出ることを防止する為にシール部６１が設けられ、回転体６０の開口部と固定シャフト１０の基部との間を液密にシールしている。

固定シャフト１０は、中空円筒状の軸部１４及びこの軸部１４に固定された中空の円盤部１６で構成され、軸部１４外周には、１対のラジアル軸受け部１１が同軸的に離間して形成されている。中空円筒状の軸部１４が単一のラジアル軸受け部１１で軸支可能であれば、軸部１４外周には、１対のラジアル軸受け部１１が設けられず、単一のラジアル軸受け部１１のみが設けられても良い。

このラジアル軸受け部１１には、へリングボーンパターン等の螺旋溝が形成され、ラジアル軸受け部１１間には、液体金属３０を貯蔵する為に窪み領域１５が設けられている。ラジアル軸受け部１１と回転体６０の内周面との間の軸受け間隙Ｇ１は、窪み領域１５と回転体６０の内周面との間の間隙Ｇ２よりも狭小に維持され、回転体６０の回転時に窪み領域１５と回転体６０の内周面との間の間隙Ｇ２から液体金属３０が螺旋溝のポンプ作用によって軸受け間隙Ｇ１に供給される。従って、軸受け部１１と回転体６０の内周面との間の軸受け間隙Ｇ１に供給される液体金属によってラジアル方向（半径方向）の動圧が高まり、回転体６０は、この動圧によって生ずるラジアル軸受けで半径方向において回転支持される。

ラジアル軸受け部１１にへリングボーンパターン等の螺旋溝を形成するに代えて、ラジアル軸受け部１１に対向する回転体６０の内周面にへリングボーンパターン等の螺旋溝を形成しても良い。また、へリングボーンパターン等の螺旋溝は、軸受け部１１及び軸受け部１１に対向する回転体６０の内周面の両方に形成されても良いことは明らかである。また、一対のラジアル軸受け部１１に限ることなく、一対のラジアル軸受け部１１の一方のみが固定シャフト１０に形成されても良いことは明らかである。

中空の円盤部１６は、中空円盤状の回転陽極５０の内表面に亘って間隙Ｇ３、Ｇ４、Ｇ５を空けるように回転陽極５０の内に嵌合されている。即ち、中空の円盤部１６の外側周面には、間隙Ｇ５が設けられ、軸部１４に連接する円盤部１６のリング状の平坦面１６Ａに間隙Ｇ３が設けられ、円盤部１６の頂面に相当する平坦な円盤面に間隙Ｇ４が設けられている。円盤部１６のリング状の平坦面１６Ａの内周領域には、図２に示すようにへリングボーンパターン等の螺旋溝１８が形成され、平坦面１６Ａの内周領域と回転陽極５０の内表面との間にスラスト軸受けを構成している。図２に示すように、スラスト軸受けは、回転陽極５０の回転とともに流入される液体金属潤滑剤の流体動圧によって回転陽極５０を回転体６０の軸方向に沿って支持している。円盤部１６の頂面に相当する平坦な円盤面に同様にへリングボーンパターン等の螺旋溝が形成され、その円盤面と回転陽極５０の内表面との間に更に他のスラスト軸受けが形成されても良い。

回転体６０の回転時において、間隙Ｇ３、Ｇ４、Ｇ５に迅速に且つ確実に液体金属３０を供給するために回転体６０には、貫通路７０が形成されている。この貫通路７０は、回転体６０の半径方向に対して放射状に斜め外方に延出されるように形成され、貫通路７０の一端は、軸受け１１間の間隙Ｇ２に開口され、その他端は、スラスト軸受け外周の間隙Ｇ３に連通されている。しかも、間隙Ｇ３においては、図２に示すように貫通路７０の他端開口は、流体圧力を生じさせる螺旋溝１８が形成されるリング状の領域の外周に形成されている。図２に示すように貫通路７０の他端開口は、リング状の領域内に等間隔で、換言すれば、回転体６０の中心に対して等しい円周角度を成すように配置されている。貫通路７０の一端の開口も同様に間隙Ｇ２内の内面に等間隔で、即ち回転体６０の中心に対して等しい円周角度を成すように配置されている。

回転体６０が回転されると、間隙Ｇ２内の液体金属は、遠心力によって回転体６０の内周面に押し付けられ、その一部が貫通路７０の一端開口を介して貫通路７０内に供給される。貫通路７０に供給された液体金属は、貫通路７０の他端開口から間隙Ｇ３に供給される。ここで、貫通路７０内の液体金属は、スラスト軸受けのポンピング作用によってスムーズにスラスト軸受けに供給されると共に間隙Ｇ４、Ｇ５にも供給される。

中空円筒状の軸部１４の中空部は、円盤部１６の中空部に連通され、両中空部は、冷却水の流路２０に規定され、中空円筒状の軸部１４及び円盤部１６は、冷却容器１２を構成している。軸部１４の中空部は、外部に開口し、この開口部から冷却水供給用のチューブ（図示せず）が挿入され、このチューブを介して冷却水が冷却容器１２の冷却水供給源から供給されて円盤部１６が冷却される。冷却水供給用のチューブを流路２０に挿入しなくとも、冷却容器１２の冷却水供給源から直接流路２０に冷却水を供給して円盤部１６を冷却しても良い。

Ｘ線管装置が動作されると、陽極ターゲット５０は、この陽極ターゲット５０への熱入力により高温になる。即ち、陽極ターゲット５０は、電子ビームが照射されることにより高温になる。特に、電子が衝突される電子衝突面（焦点）の温度が高温になる。この熱は、陽極ターゲット５０から間隙Ｇ３，Ｇ４及びＧ５内の液体金属３０に伝達され、また、この液体金属３０を介して円盤部１６に伝達される。円盤部１６に伝達された熱は、冷却容器１２内の冷却水に伝達されてＸ線管外部に放出される。回転体６０の回転に伴い貫通穴７０を介して液体潤滑剤３０が間隙Ｇ３，Ｇ４及びＧ５に供給される。従って、間隙Ｇ３，Ｇ４及びＧ５内の液体金属３０に伝達された熱は、各部に放散され、円盤部１６及び軸部１４に効率的に伝達され、効果的に冷却水を介してＸ線管外部に導かれる。従って、回転陽極５０の温度の上昇を抑制することができ、陽極ターゲット５０が溶融温度にまで上昇するような事態を防止することができる。

図３は、本発明の他の実施の形態に係る回転陽極型Ｘ線管の実施例の一部断面図である。

図１に示されたＸ線管においては、回転体６０に貫通路７０が形成されているが、図３に示されるように回転体６０外に配管７１が設けられ、この配管７１が回転体６０に開けられた開口７２に連通されとともに回転陽極５０に開けられた開口７４に連通されても良い。回転体６０側の開口７０は、図１に示す構造と同様に間隙Ｇ２に開口して液体金属がこの開口７０を介して供給される。また、回転陽極５０側の開口７２も間隙Ｇ３に連通するように開口され、しかも、図２を参照して説明したように流体圧力が上昇される螺旋溝１８が形成される領域外に開口されている。従って、回転体６０が回転をはじめることで、間隙Ｇ２に蓄えられていた液体潤滑剤３０は、遠心力で回転体６０の内側に張り付き、配管７１を通って隙間Ｇ３，Ｇ４，Ｇ５に液体金属３０が供給される。

図３に示すような、配管７１を設けたＸ線管においても、回転陽極５０から間隙Ｇ３、Ｇ４及びＧ５内の液体金属３０に伝達された熱は、各部に放散され、円盤部１６及び軸部１４に効率的に伝達され、効果的に冷却水を介してＸ線管外部に導かれる。従って、回転陽極５０の温度の上昇を抑制することができ、陽極ターゲット５０が溶融温度にまで上昇するような事態を防止することができる。

図４は、本発明の更に他の実施の形態に係る回転陽極型Ｘ線管の実施例の一部断面図である。

図１及び図３に示したＸ線管では、固定シャフト１０の一端が固定され、他端が自由端としての円盤部１６に連結されている片持ち構造を採用している。Ｘ線管は、このような片持ち構造に限らず、図４に示すように第１及び第２の固定シャフト１０が円盤部１６の両側に連結され、中心軸に沿って互いに反対方向に延出される両持ち構造に形成されても良い。この両持ち構造では、図４に示されるように第１及び第２の固定シャフト１０間に円盤部１６が設けられている。第１及び第２の固定シャフト１０の中空部が互いに連通されるように円盤部１６内の中空部に連通され、冷却水の流路２０に規定され、回転陽極５０を冷却する冷却構造を構成している。

第１及び第２の固定シャフト１０が両持ち構造を構成するに伴って回転体６０には、この第１及び第２の固定シャフト１０が嵌合される互いに反対方向に延出される第１及び第２の回転体６０が回転陽極５０に連結されている。この回転陽極５０内には、円盤部１６が嵌合され、この円盤部１６のリング状の平坦面に同様に螺旋溝１８が形成され、スラスト軸受けが設けられている。

円盤部１６の両側の第１及び第２の固定シャフト１０には、夫々軸受け部１１が設けられてラジアル軸受けを構成し、この軸受け部１１の外側に窪み領域１５が形成されている。また、第１及び第２の固定シャフト１０の他端の基部には、シール部材６１が設けられ、液体金属３０が外部に漏れ出ることが防止されている。そして、第１及び第２の固定シャフト１０及び円盤部の空洞部は、連通されて冷却液２０が流れる冷却容器１２を構成している。

図４に示される両持ち構造のＸ線管においても、第１及び第２の貫通路７０が夫々第１及び第２の回転体６０に設けられ、間隙Ｇ２と間隙Ｇ３とが連通され、間隙Ｇ２内の液体金属が間隙Ｇ３に供給され、間隙Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ５に亘って液体金属が循環されている。

尚、第１及び第２の貫通路７０は、夫々図２に示すと同様に螺旋溝１８が形成される領域外に開口されている。

図４に示される構造においても、回転陽極５０から間隙Ｇ３及びＧ５内の液体金属３０に伝達された熱は、各部に放散され、円盤部１６及び第１及び第２の固定シャフト１０に効率的に伝達され、効果的に冷却水を介してＸ線管外部に導かれる。従って、回転陽極５０の温度の上昇を抑制することができ、陽極ターゲット５０が溶融温度にまで上昇するような事態を防止することができる。

この発明の一実施の形態に係る回転陽極型Ｘ線管の構造を概略的に示す断面図である。 図１に示される回転陽極の内面に形成されるスラスト軸受け用の螺旋溝を概略的に示す平面図である。 この発明の他の実施の形態に係る回転陽極型Ｘ線管の構造を概略的に示す断面図である。 この発明の更に他の実施の形態に係る回転陽極型Ｘ線管の構造を概略的に示す断面図である。

符号の説明

２…ステータコイル、４…回転発生部、１０…固定シャフト、１１…軸受部、１２…冷却容器、１４…軸部、１５…窪み領域、１６…円盤部、１８…螺旋溝、２０…冷却液、３０…液体金属、４０…陰極、５０…回転陽極、５２…陽極ターゲット、６０…回転体、６１…シール部、６０…回転体、７０…貫通路、７１…配管、ａ…回転軸、Ｇ１〜Ｇ５…間隙

Claims (10)

1. 電子ビームが照射されてＸ線を発生するターゲットを備えた第１の中空部を有する回転陽極と、
   当該回転陽極を支持する第２の中空部を有する回転体と、
   前記回転陽極の第１の中空部内に第１の間隙を空けて嵌合され、第３の中空部を有する円盤部及び当該円盤部から延出され、前記回転体に第２の間隙を空けて嵌合され、前記円盤部の前記第３の中空部に連通され、冷却液が流通する第４の中空部を有し、前記回転体を回転可能に支持する固定シャフトから構成される固定部と、
   前記第１及び第２の間隙に充填された液体金属と、
   前記回転体の第２の中空部内面と前記固定シャフトの外面との間に設けられ、第２の間隙内の前記液体金属に動圧を発生させる動圧軸受け部と、
   前記第１の間隙を前記第２の間隙に直接的に連通させる流路であって、前記動圧軸受け部外の前記液体金属を前記第１の間隙から第２の間隙に供給する流路と、
   を具備する回転陽極型Ｘ線管。
2. 前記流路は、前記回転体に形成されていることを特徴とする請求項１の回転陽極型Ｘ線管。
3. 前記流路は、前記回転体外に設けられた配管内に定められることを特徴とする請求項１の回転陽極型Ｘ線管。
4. 前記流路は、一端が前記第１の間隙内に等しい間隔で開口され、他端が前記第２の間隙内に等しい間隔で開口されていることを特徴とする請求項１の回転陽極型Ｘ線管。
5. 前記動圧軸受け部は、前記固定シャフトに沿って互いに間隔を空けて配置された第１及び第２の動圧軸受けを含み、前記第の間隙は、当該第１及び第２の動圧軸受け間に形成された窪み領域を含み、前記流路は、当該窪み領域に開口されていることを特徴とする請求項１の回転陽極型Ｘ線管。
6. 前記円盤部は、前記固定シャフトの外周に前記回転体の前記第２の中空部のリング状内面に対向するリング状の外面を有し、当該リング状内面及びリング状外面のいずれか一方には、リング状に螺旋溝が形成され、前記流路は、当該螺旋溝外周側で開口されて前記第２の間隙に連通されていることを特徴とする請求項１の回転陽極型Ｘ線管。
7. 前記固定シャフトは、一端が固定されていることを特徴とする請求項１の回転陽極型Ｘ線管。
8. 電子ビームが照射されてＸ線を発生するターゲットを備えた第１の中空部を有する回転陽極と、
   当該回転陽極から互いに反対方向に回転軸に沿って延出され、当該を支持する第２の中空部を有する第１及び第２の回転体と、
   前記回転陽極の第１の中空部内に第１の間隙を空けて嵌合され、第３の中空部を有する円盤部及び当該円盤部から互いに反対方向に前記回転軸に沿って延出され、前記第１及び第２の回転体に夫々第２の間隙を空けて嵌合され、前記円盤部の前記第３の中空部に連通され、冷却液が流通する第４の中空部を有し、前記回転体を回転可能に支持する第１及び第２の固定シャフトから構成される固定部と、
   前記第１及び第２の間隙に充填された液体金属と、
   前記第１及び第２の回転体の第２の中空部内面と前記第１及び第２の固定シャフトの外面との間に夫々設けられ、第２の間隙内の前記液体金属に動圧を発生させる第１及び第２の動圧軸受け部と、
   前記第１の間隙を前記第２の間隙に直接的に連通させる流路であって、前記第１及び第２の動圧軸受け部外の前記液体金属を前記第１の間隙から第２の間隙に夫々供給する第１及び第２の流路と、
   を具備する回転陽極型Ｘ線管。
9. 前記第１及び第２の流路は、夫々前記第１及び第２の回転体に形成されていることを特徴とする請求項８の回転陽極型Ｘ線管。
10. 前記第１及び第２の固定シャフトは、一端が前記回転体に連結され、他端が固定されていることを特徴とする請求項８の回転陽極型Ｘ線管。

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