JP2011249244A - 回転陽極型ｘ線管 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却性能を向上することが可能な回転陽極型Ｘ線管を提供することを目的とする。
【解決手段】電子を放出する陰極と、前記陰極から放出された電子が入射してＸ線を放出する陽極ターゲットと、前記陽極ターゲットに連結された回転体と、前記回転体を回転可能に支持する円柱状の固定体と、前記回転体と前記固定体との間に充填された液体金属と、で構成される動圧式すべり軸受と、前記陽極ターゲット、前記陰極、及び、前記動圧式すべり軸受を収納した真空外囲器と、を備え、前記固定体は、冷却媒体が循環する流路であって前記固定体の中心軸と平行な方向に延出した円筒状の第１流路と、前記回転体と前記固定体との間から前記液体金属を取り込み可能な流路であって前記第１流路よりも前記固定体の中心軸側に位置し前記中心軸と平行な方向に延出した略直線状の第２流路と、を有することを特徴とする回転陽極型Ｘ線管。
【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は、回転陽極型Ｘ線管に関する。

回転陽極型Ｘ線管は、主として医療用レントゲン装置などに適用されている。

動圧式すべり軸受を介して陽極ターゲットの熱を伝導し、陽極ターゲットを冷却する構造の回転陽極型Ｘ線管の場合、軸受を構成する固定体の中心軸に沿って穴を形成し、この穴の奥にパイプで冷却媒体を導入して吹き付け、固定体の中心に向かって伝導してきた熱を奪う構造が提案されている。

また、熱伝導率の異なる部材によって固定体を構成する構造も提案されている。

特開２００１−１１８５３４号公報 特開２００１−１８９１４３号公報

本実施形態の目的は、冷却性能を向上することが可能な回転陽極型Ｘ線管を提供することにある。

本実施形態によれば、
電子を放出する陰極と、前記陰極から放出された電子が入射してＸ線を放出する陽極ターゲットと、前記陽極ターゲットに連結された回転体と、前記回転体を回転可能に支持する円柱状の固定体と、前記回転体と前記固定体との間に充填された液体金属と、で構成される動圧式すべり軸受と、前記陽極ターゲット、前記陰極、及び、前記動圧式すべり軸受を収納した真空外囲器と、を備え、前記固定体は、冷却媒体が循環する流路であって前記固定体の中心軸と平行な方向に延出した円筒状の第１流路と、前記回転体と前記固定体との間から前記液体金属を取り込み可能な流路であって前記第１流路よりも前記固定体の中心軸側に位置し前記中心軸と平行な方向に延出した略直線状の第２流路と、を有することを特徴とする回転陽極型Ｘ線管が提供される。

図１は、本実施形態における回転陽極型Ｘ線管の構成の一例を概略的に示す図である。 図２は、図１に示した回転陽極型Ｘ線管に適用可能な動圧式すべり軸受の構造例を示す断面図である。 図３は、図２に示した固定体をＡ−Ａ’線で切断したときの断面構造を概略的に示す図である。 図４は、図２に示した固定体をＢ−Ｂ’線で切断したときの断面構造を概略的に示す図である。 図５は、図２に示した固定体をＣ−Ｃ’線で切断したときの断面構造を概略的に示す図である。 図６は、本実施形態の変形例を説明するための図である。

以下、本実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、同一又は類似した機能を発揮する構成要素には同一の参照符号を付し、重複する説明は省略する。

図１は、本実施形態における回転陽極型Ｘ線管の構成の一例を概略的に示す図である。

すなわち、回転陽極型Ｘ線管１は、真空外囲器２、陰極３、陽極ターゲット４、動圧式すべり軸受１０などを備えて構成されている。真空外囲器２は、例えばガラスによって形成され、その内部の空間２Ａは高真空に維持されている。また、真空外囲器２は、その一部に設けられたＸ線用出力窓２Ｗを有している。このような真空外囲器２の内部には、陰極３、陽極ターゲット４、動圧式すべり軸受１０などが収容されている。

陰極３は、電子を放出する電子源である。この陰極３は、回転陽極型Ｘ線管１の管軸Ｏから外れた位置に配置されている。このような陰極３は、図示しない支持機構により真空外囲器２の内部で支持されている。

陽極ターゲット４は、陰極３から放出された電子が入射してＸ線を放出するものである。この陽極ターゲット４は、概略円盤状に形成され、その一部が陰極３と対向している。このように円盤状に形成された陽極ターゲット４は、その略中心で回転支持機構である動圧式すべり軸受１０に連結され、回転可能に支持されている。

動圧式すべり軸受１０は、回転体１１と、固定体１２と、これらの回転体１１と固定体１２との間に充填された液体金属１３とによって構成されている。

回転体１１は、陽極ターゲット４に連結された回転支柱１１Ａと、この回転支柱１１Ａに連結された回転軸１１Ｂと、この回転軸１１Ｂの外側に形成された回転子１１Ｃと、から構成されている。回転軸１１Ｂは、管軸Ｏに沿って延びた円筒状に形成されている。この回転軸１１Ｂの管軸Ｏに沿った一端側は塞がれており、また、回転軸１１Ｂの管軸Ｏに沿った他端側は開放されている。回転支柱１１Ａは、回転軸１１Ｂの一端側に連結されている。回転子１１Ｃは、銅のような電気抵抗の低い金属材料によって形成され、管軸Ｏに沿って延びた円筒状に形成されている。この回転子１１Ｃは、回転軸１１Ｂの一端側に固定されている。

固定体１２は、上記構成の回転体１１を回転可能に支持する。この図１では、固定体１２の断面構造は省略しており、より具体的な説明は後述する。

液体金属１３は、真空中での蒸気圧が比較的低い液体金属、例えばインジウム（Ｉｎ）−ガリウム（Ｇａ）合金からなる。この液体金属１３は、回転軸１１Ｂと固定体１２との間の隙間に充填されている。

図２は、図１に示した回転陽極型Ｘ線管１に適用可能な動圧式すべり軸受１０の構造例を示す断面図である。なお、ここでは、説明に必要な構成のみを図示しており、回転体１１については簡略化して図示している。

固定体１２は、管軸Ｏに沿って延出した円柱状に形成されている。管軸Ｏは、固定体１２の中心軸に相当する。このような固定体１２は、回転体１１と嵌合している。この固定体１２の側面１２Ａは、嵌合した回転体１１の内面１１Ｄと対向する円筒面である。また、この固定体１２の先端面１２Ｂは、円形である。液体金属１３は、固定体１２の側面１２Ａ及び先端面１２Ｂと、回転体１１の内面１１Ｄとの間に封入されている。

このような固定体１２には、図示を省略した陽極ターゲットの側に位置するターゲット側ラジアル軸受１２１と、ターゲット側ラジアル軸受１２１よりも後端側に位置する反ターゲット側ラジアル軸受１２２と、反ターゲット側ラジアル軸受１２２よりも後端側に位置するスラスト側軸受１２３と、が設けられている。このような構成の固定体１２の側面１２Ａには、液体金属１３を掻き寄せるためのヘリングボーンパターン１２Ｃが設けられている。

また、この固定体１２は、第１乃至第５流路Ｐ１乃至Ｐ５を有している。第１流路Ｐ１、第３流路Ｐ３、及び、第４流路Ｐ４は、冷却媒体として例えば絶縁油を循環させるための流路の一部を構成する。第２流路Ｐ２及び第５流路Ｐ５は、回転体１１と固定体１２との間から液体金属１３を取り込み可能な流路の一部を構成する。

第１流路Ｐ１は、固定体１２の中心軸Ｏと平行な方向に延出した円筒状の空間（冷却ジャケット）であり、側面１２Ａに近接して形成されている。第２流路Ｐ２は、第１流路Ｐ１よりも内側、つまり固定体１２の中心軸Ｏの側に位置しており、中心軸Ｏと平行な方向に延出した略直線状の空間である。この第２流路Ｐ２は、先端面１２Ｂまで貫通しており、回転体１１の内面１１Ｄと固定体１２の先端面１２Ｂとの間の空間と連通し、液体金属１３を取り込み可能である。

第３流路Ｐ３は、固定体１２の中心軸Ｏに沿って延出した略直線状の空間（還流穴）である。つまり、この第３流路は、第２流路Ｐ２よりもさらに内側に位置している。第４流路Ｐ４は、第１流路Ｐ１と第３流路Ｐ３とを連通する流路であって、第２流路Ｐ２と連通することなく固定体１２の径方向に延出した略直線状の空間である。第５流路Ｐ５は、第２流路Ｐ２と連通する流路であって、第１流路Ｐ１と連通することなく固定体１２の径方向に延出した直線状の空間である。

固定体１２は、さらに、その後端において、第３流路Ｐ３に連通するとともに第３流路Ｐ３と同軸的に形成された第６流路Ｐ６を有している。この第６流路Ｐ６は、第３流路Ｐ３よりも内径が大きな空間であり、図示を省略した真空外囲器の外部と連通している。この第６流路Ｐ６には、第３流路Ｐ３に挿入されるとともに真空外囲器の外部に引き出されたパイプＰＰが取り付けられている。このパイプＰＰは、第６流路Ｐ６を仕切り、その内側には第３流路Ｐ３と連通した第７流路Ｐ７を形成する。つまり、パイプＰＰの内側に形成された第７流路Ｐ７は、第６流路Ｐ６とは分離されている。

固定体１２は、さらに、第１流路Ｐ１と第６流路Ｐ６とを連通する第８流路Ｐ８を有している。この第８流路Ｐ８は、第２流路Ｐ２と連通することなく固定体１２の径方向に延出した略直線状の空間である。

なお、第３流路Ｐ３において、第４流路Ｐ４との連通する位置よりも先端側には、冷却媒体の澱みを無くすため、冷却媒体の流れを拡散するディフューザーＤＦが設けられることが望ましい。

このような構成によれば、陽極ターゲットで発生した熱が動圧式すべり軸受１０に伝導された際に、以下のようにして放熱・冷却される。すなわち、陽極ターゲットで発生した熱は、動圧式すべり軸受１０を構成する回転体１１に伝導してくる。回転体１１に伝導した熱は、液体金属１３を介して固定体１２の側面１２Ａに伝達される。つまり、この側面１２Ａは、回転体１１に伝導してきた熱を受け取る熱伝達面となる。

一方で、冷却媒体は、例えば、以下に説明する順路で循環される。すなわち、真空外囲器の外部から第６流路Ｐ６に導入された冷却媒体は、第８流路Ｐ８を通り、第１流路Ｐ１に導かれる。さらに、冷却媒体は、第１流路Ｐ１から第４流路Ｐ４を経由して、第３流路Ｐ３に導かれ、パイプＰＰの内部の第７流路Ｐ７を経て、真空外囲器の外部に導かれる。固定体１２の側面１２Ａに伝達された熱は、第１流路Ｐ１を流れる冷却媒体に伝達され、冷却媒体により運び去られる。

なお、第２流路Ｐ２及び第５流路Ｐ５は、回転体１１と固定体１２との間の液体金属１３などに含まれるガスを抜くためのガス抜き穴となる。これらの第２流路Ｐ２及び第５流路Ｐ５は、真空外囲器の内部の空間と連通している。このため、動圧式すべり軸受１０の内部のガスは、真空外囲器の内部の空間に放出され、液体金属１３が封入された動圧式すべり軸受１０の内部の圧力と真空外囲器の内部の圧力とを同一にすることができる。

図３は、図２に示した固定体１２をＡ−Ａ’線で切断したときの断面構造を概略的に示す図である。

図示した断面は、中心軸Ｏに直交する断面である。図示したように、第１流路Ｐ１は、側面１２Ａに近接した略リング状の断面を有している。ディフューザーＤＦが設けられた第３流路Ｐ３は、固定体１２の中央に位置し、略円形の断面を有している。これらの第１流路Ｐ１と第３流路Ｐ３とは、第４流路Ｐ４によって接続されている。

ここに示した例では、第４流路Ｐ４は、３箇所に形成されている。これらの第４流路Ｐ４は、中心軸Ｏから側面１２Ａに向かう半径方向に沿って放射状に形成されている。また、これらの３箇所の第４流路Ｐ４は、中心軸Ｏを中心として１２０°の方向に等間隔に形成されている。

第２流路Ｐ２は、第１流路Ｐ１と第３流路Ｐ３との間に位置し、略円形の断面を有している。ここに示した例では、第２流路Ｐ２は、３箇所に形成されている。これらの３箇所の第２流路Ｐ２は、中心軸Ｏを中心として１２０°の方向に等間隔に形成されている。また、これらの第２流路Ｐ２の各々は、３箇所の第４流路Ｐ４のそれぞれの間に位置しており、冷却媒体の流路である第１流路Ｐ１、第３流路Ｐ３、及び、第４流路Ｐ４とは連通していない。

図４は、図２に示した固定体１２をＢ−Ｂ’線で切断したときの断面構造を概略的に示す図である。

図示した断面も図３の断面と同様に、中心軸Ｏに直交する断面である。図示したように、第８流路Ｐ８は、第３流路Ｐ３と側面１２Ａとの間に位置し、略矩形状の断面を有している。なお、第８流路Ｐ８は、第３流路Ｐ３とは直接連通していない。ここに示した例では、第８流路Ｐ８は、３箇所に形成されている。これらの３箇所の第８流路Ｐ８は、中心軸Ｏを中心として１２０°の方向に等間隔に形成されている。

３箇所の第２流路Ｐ２の各々は、３箇所の第８流路Ｐ８のそれぞれの間に位置しており、冷却媒体の流路である第３流路Ｐ３及び第８流路Ｐ８とは連通していない。また、第２流路Ｐ２の各々は、側面１２Ａまで貫通する第５流路Ｐ５と接続されている。これらの第５流路Ｐ５は、中心軸Ｏから側面１２Ａに向かう半径方向に沿って放射状に形成されている。また、これらの３箇所の第５流路Ｐ５は、中心軸Ｏを中心として１２０°の方向に等間隔に形成されている。

図５は、図２に示した固定体１２をＣ−Ｃ’線で切断したときの断面構造を概略的に示す図である。

図示した断面も図３の断面と同様に、中心軸Ｏに直交する断面である。図示したように、第６流路Ｐ６は、固定体１２の中央に位置し、略円形の断面を有している。この第６流路Ｐ６の内側には、パイプＰＰが位置している。このパイプＰＰの内側には、第７流路Ｐ７が形成されている。３箇所の第２流路Ｐ２は、第６流路Ｐ６と側面１２Ａとの間に位置している。

上述したような構成の本実施形態によれば、固定体１２の内部において、液体金属１３と接する固定体１２の側面１２Ａに近接する位置に、側面１２Ａと略平行に延在した円筒状の空間を設け、この空間を第１流路Ｐ１として冷却媒体を循環させる流路の一部としている。このため、熱伝達面積を広く確保することができ、且つ、固定体１２の側面１２Ａから冷却媒体への熱伝達の経路を短縮することができる。したがって、十分な熱伝達を行うことができ、冷却性能を向上することが可能となる。

また、真空を作りこむ製造プロセス中や、動作中に動圧式すべり軸受１０の内部に溜まったガスを真空外囲器２の内部の空間２Ａに排気するための第２流路Ｐ２は、第１流路Ｐ１よりも中心軸Ｏの側に形成されている。このような第２流路Ｐ２を含むガス抜き経路は真空外囲器２の内部の真空の空間２Ａと連通している一方で、第１流路Ｐ１を含む冷却媒体が循環するための循環路は大気圧であるが、両者は互いに連通することなく分離されている。すなわち、ガス抜き経路は、固定体１２の内部において、循環路と立体的に交差して、回転体１１の内面１１Ｄと固定体１２の側面１２Ａとの間の空間と第５流路Ｐ５を介して連通している。

したがって、固定体１２の直径を拡大することなく、ガス抜き経路と循環路とを確実に分離する厚みを残して、循環路中に冷却媒体と熱伝達するための空間である第１流路Ｐ１を大きく形成することが可能となる。また、同時に液体金属１３を介して伝導してくる熱の経路を最小限に短くすることで軸受面温度を低く保ちながら大きな伝導冷却率を確保可能となる。

本実施形態において、第１流路Ｐ１は、固定体１２の側面１２Ａから固定体１２の径方向に沿って中心軸Ｏに向かう０．１ｍｍ〜１５ｍｍの距離の深さの範囲内に形成されている。第１流路Ｐ１は、熱伝達の観点からできる限り側面１２Ａに近接していることが望ましく、しかも、第１流路Ｐ１と側面１２Ａとの板厚は、回転体１１の内面１１Ｄと固定体１２の側面１２Ａとの間の液体金属１３が封入される空間を真空気密に保持するのに十分な厚みであることが望ましい。このような根拠を基に、発明者が検討を重ねたところ、上記の範囲内に第１流路Ｐ１を形成することが望ましいことが確認された。

また、本実施形態では、固定体１２の内部に外側から工具を差し込んで加工することが不可能な形状の流路が形成されているが、複数のパーツを摩擦圧接あるいは電子ビーム溶接により接合して容易に形成することが可能である。例えば、ガス抜き穴と循環路とが立体的に交差する位置に相当する部分で、固定体１２を中心軸Ｏの方向に対して垂直な断面で２体以上に分割して、内部にガス抜き穴及び循環路をそれぞれ加工した後に、上記手法で各パーツを接合することにより、リーク原因となる欠陥や加工歪等を残す事なく、本実施形態の構造の固定体１２を実現することができる。

また、本実施形態では、固定体１２は、鉄系素材を用いて形成されている。このような鉄系素材は、モリブデン（Ｍｏ）系の材料に比較して、熱伝導率は劣るものの、低コストであり、しかも加工性が良好であり、複雑な形状の流路を形成するのに適している。

図６は、本実施形態の変形例を説明するための図である。

本実施形態においては、図示したように、固定体１２は、第１流路Ｐ１において側面１２Ａに近接する側の内壁Ｐ１ＡにタービュランスプロモーターＴＰを有していても良い。このタービュランスプロモーターＴＰは、内壁Ｐ１Ａから図示を省略する中心軸側（つまり、側面１２Ａから遠ざかる側）に向かって突出した突起であり、内壁Ｐ１Ａを全周にわたって延出したリング状に形成されている。

第１流路Ｐ１には、絶縁油等の冷却媒体が流れるが、この冷却媒体の流れが層流になると、側面１２Ａから冷却媒体への熱伝達率が低下する。すなわち、内壁Ｐ１Ａ付近を流れる冷却媒体の流速は、第１流路Ｐ１において中心軸に近接する側の内壁Ｐ１Ｂ付近を流れる冷却媒体の流速よりも遅い。このため、内壁Ｐ１Ａ付近を流れる冷却媒体は、内壁Ｐ１Ｂ付近を流れる冷却媒体よりも高温となりやすい。高温の冷却媒体が内壁Ｐ１Ａ付近に滞るため、側面１２Ａからの熱伝達率の低下を招いてしまう。

そこで、図示したように、内壁Ｐ１ＡにタービュランスプロモーターＴＰを配置したことにより、内壁Ｐ１Ａ付近の境界層を剥離させて乱流ＴＦに遷移する。これにより、乱流ＴＦによる渦を発生させ境界層を攪拌して熱伝達率を向上させることが可能となる。

なお、タービュランスプロモーターＴＰは、冷却媒体の粘性、流速に応じた適切な間隔Ｗと、高さＨで配置されている。

以上説明したように、本実施形態によれば、冷却性能を向上することが可能な回転陽極型Ｘ線管を提供することができる。

なお、この発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、その実施の段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

例えば、本実施形態においては、動圧式すべり軸受１０は、その固定体１２の後端部のみが支持されている構成を例に説明したが、回転軸１１Ｂが円筒状に形成され、陽極ターゲット４が回転軸１１Ｂの略中央部に取り付けられ、しかも、固定体１２の両端部が支持された構成（両持ち軸受）であっても良い。

１…回転陽極型Ｘ線管
２…真空外囲器
３…陰極
４…陽極ターゲット
１０…動圧式すべり軸受
１１…回転体 １１Ｄ…内面
１２…固定体 １２Ａ…側面
１２Ｂ…先端面 １２Ｃ…ヘリングボーンパターン
１３…液体金属
Ｐ１乃至Ｐ８…流路
ＰＰ…パイプ
ＤＦ…ディフューザー
ＴＰ…タービュランスプロモーター

Claims (7)

1. 電子を放出する陰極と、
   前記陰極から放出された電子が入射してＸ線を放出する陽極ターゲットと、
   前記陽極ターゲットに連結された回転体と、前記回転体を回転可能に支持する円柱状の固定体と、前記回転体と前記固定体との間に充填された液体金属と、で構成される動圧式すべり軸受と、
   前記陽極ターゲット、前記陰極、及び、前記動圧式すべり軸受を収納した真空外囲器と、
   を備え、
   前記固定体は、冷却媒体が循環する流路であって前記固定体の中心軸と平行な方向に延出した円筒状の第１流路と、前記回転体と前記固定体との間から前記液体金属を取り込み可能な流路であって前記第１流路よりも前記固定体の中心軸側に位置し前記中心軸と平行な方向に延出した略直線状の第２流路と、を有することを特徴とする回転陽極型Ｘ線管。
2. 前記固定体は、さらに、前記固定体の中心軸に沿って延出した略直線状の第３流路と、前記第１流路と前記第３流路とを連通するとともに前記第２流路と連通することなく前記固定体の径方向に延出した略直線状の第４流路と、を有することを特徴とする請求項１に記載の回転陽極型Ｘ線管。
3. 前記固定体は、さらに、前記第２流路と連通するとともに前記第１流路と連通することなく前記固定体の径方向に延出した直線状の第５流路を有することを特徴とする請求項１に記載の回転陽極型Ｘ線管。
4. 前記第１流路は、前記固定体の側面から前記固定体の径方向に０．１ｍｍ〜１５ｍｍの距離の範囲内に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の回転陽極型Ｘ線管。
5. 前記固定体は、複数のパーツを摩擦圧接あるいは電子ビーム溶接により接合して形成されたことを特徴とする請求項１に記載の回転陽極型Ｘ線管。
6. 前記固定体は、鉄系素材を用いて形成されたことを特徴とする請求項１に記載の回転陽極型Ｘ線管。
7. 前記固定体は、前記第１流路において側面に近接する側の内壁に配置されたタービュランスプロモーターを有することを特徴とする請求項１に記載の回転陽極型Ｘ線管。

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