JP2726093B2 - Ｘ線発生装置の冷却装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、一般的にはＸ線発生装置に関し、更に詳し
くは、コンピュータ断層撮影（CT）スキャナのＸ線管の
ようなＸ線発生装置を冷却する装置に関する。

発明の背景 医学診断およびＸ線結晶学のような分野に使用される
高出力Ｘ線装置は比較的大量の熱を放散することができ
るアノードを必要とする。この熱を放散する主なモード
はアノードからの放射による熱伝達であるので、放射表
面積を増大することによって熱の放散を大きくすること
である。アノードを回転させることによって、カソード
から発生する電子ビームが当たるターゲット表面中の領
域が連続的に変化し、これによりＸ線放射の際に発生す
る熱を更に広い面積に有効に拡げることができる。従っ
て、アノードを回転させることによって、アノードを静
止させた装置の場合よりも一般に高い出力レベルでＸ線
装置を作動させることができ、またターゲット表面の材
料の温度限界を超えない限り、静止アノードを使用する
装置において遭遇するターゲット表面の劣化問題が避け
られる。

Ｘ線装置によって発生される熱量およびＸ線装置が達
する温度は相当なものである。電子ビームのエネルギの
0.5％以下がＸ線に変換され、残りのエネルギの大部分
が熱になるので、回転型アノードのターゲット表面の平
均温度は1200℃を超え、ピークのホットスポットの温度
はそれよりかなり高くなる。これらの温度の低減および
熱の放散は出力を増大するのに重要な問題である。しか
しながら、アノードの回転だけで発生熱を放散する能力
には限界がある。その結果、回転型アノードが最初に開
発されてから出力を更に高くした装置に対する需要があ
ったけれども、このような装置に対する開発が遅れてい
る。

従来の装置の別の欠点は寿命が得られていることであ
り、これは部分的には熱を放散する能力によって決めら
れる。Ｘ線装置は比較的高価であるので、このような装
置の寿命を延ばすことは実質的に価格を低減することに
ある。

Ｘ線装置において、装置の寿命を決定する主なものは
アノードのシャフトが回転するベアリングである。回転
型アノードに使用されるベアリングは典型的には回転真
空シールの必要性を避けるために真空ガラス・エンベロ
ープ内に配置されている。しかしながら、この真空中に
ベアリングを置くことは、特別な潤滑手段、例えばベア
リングに銀のコーティングを行なうようなことを必要と
するが、これ自身は感熱性である。ベアリングの温度は
主にアノードのシャフトを介してのアノードからベアリ
ングへの熱伝導により時には400℃を超えることがあ
る。このように熱が集中する不利な環境では、ベアリン
グの腐食が急速に生じて、シャフトの膠着ひいては装置
の故障を招くことがある。

Ｘ線装置のベアリングを約400℃の臨界温度以下に維
持するように適切な冷却を行えば、ベアリングの寿命、
従って装置自身の寿命が有効に延びることになる。この
ような冷却はピークおよび平均出力レベルを既存のＸ線
装置のものよりも増大させることを可能にするので更に
好ましく、現在の用途におけるものよりもこのような装
置の性能および有用性を伸ばすことができる。

CTスキャナに使用されているＸ線管の時間平均熱放散
量は患者のスループットを決定する。パルス式電子ビー
ムの必要な平均エネルギ出力は12kWであることが算出さ
れている。現在、CTスキャナ用のＸ線管は約3kWを放散
する。患者のスループットを増大させた場合に起こるよ
うなＸ線管のターゲットの過熱が生じたとき、装置の次
の使用までの時間をターゲットの冷却のために増大しな
ければならない。このため、より高い熱放散能力を有す
るＸ線管が得られれば機械の利用性を改良することがで
きることになる。

Ｘ線装置を冷却する従来の典型的な試みは米国特許第
4,455,504号に記載されている。この特許に開示されて
いるように、アノードの内部表面に直接接触するように
冷却流体をアノードの内部に循環させることによって冷
却を行っている。このような装置は冷却を増進するが、
回転流体シールを必要とする。シールは漏洩しやすいの
で、このような装置の信頼性は低く、漏洩が発生した場
合に装置が有効に動作し続ける保証はない。

本発明の目的は、上述した欠点のない新規な改良され
たＸ線発生装置を提供することにある。

本発明の他の目的は従来の装置よりも長い有効寿命を
有する新規な改良された高出力Ｘ線装置を提供すること
にある。

本発明の更に他の目的は放熱率が高く、連続動作を行
なうことができる新規な改良されたＸ線装置を提供する
ことにある。

発明の要約 本発明によれば、電子ビームを放出することができる
カソードおよびカソードから間隔をあけて配設されてい
る中空の回転型アノードを取り囲んだ真空エンクロージ
ャ手段を有するＸ線装置が提供される。アノードはリン
グ状ターゲット・トラックを有する中空の円盤形部分を
含む。円盤形部分はそれから軸方向に延在する第１の管
体に取り付けられている。中空の円盤形部分の内部およ
び第１の管体の内部は互いに連通している。アノードは
電子ビームに対するターゲット表面を構成する。円盤形
部分を有する静止挿入体が中空の回転型アノード構造の
中に該アノード構造から間隔をあけて配設されている。
更に、静止挿入体は第２および第３の管体を有し、この
管体の各々は静止円盤形部分に取り付けられ、該静止円
盤形部分から同軸に延在している。第２の管体は第１の
管体から間隔をあけて配設されて、第１の管体によって
取り囲まれている。第３の管体は第２の管体から間隔を
あけて配設されて、第２の管体によって取り囲まれてい
る。静止円盤形部分は一端が第３の管体の内部と連通し
て、静止円盤形部分の表面の下側に延在し、かつ他端が
第２および第３の管体の間に形成された環状空間と連通
する通路を画成している。ベアリング手段が第１の管体
を第２の管体上に回転自在に取り付けている。真空エン
クロージャを取り囲むケーシング手段が真空エンクロー
ジャを覆うように液体を流れさせる通路を画成する。

このようにして、静止挿入体は連続的な内部流路を画
成し、この流路を通して流体を循環させることにより、
Ｘ線の発生の副産物としてアノードに発生する熱を除去
することができる。

本発明の主題は特許請求の範囲に記載されているが、
本発明の構成および実施の方法ならびに本発明の他の目
的および利点は添付の図面を参照した以下の説明からよ
りよく理解されよう。

図面を参照した発明の詳細な説明 第１図には回転型アノードを有する従来の典型的なＸ
線発生装置11の断面図が示されている。図示のように、
Ｘ線発生装置11は真空ガラス・エンベロープ13を有し、
このエンベロープ13は回転する円盤形アノード21を取り
囲んでいる。アノード21はその前壁の周辺部に、前壁に
対して若干角度をもった環状ターゲット面23を有してい
る。環状ターゲット面は、グラファイトまたはモリブデ
ンで作られた車輪状部材上に設けられたタングステン合
金で構成されている。更に、ガラス・エンベロープ13内
にはカソード27が配設されている。アノード21に対する
カソードの位置は両者間の電子ビームがアノードの回転
軸29に対してはほぼ平行になるように定められている。
アノード21はシャフト19に取り付けられ、このシャフト
19はベアリング25によって回転自在に支持されている。
アノードおよびシャフトは固定子15および回転子17間の
電磁反作用によって回転軸29を中心として回転する。回
転子17はシャフト19に取り付けられている。

ターゲットにあたる電子ビームのエネルギの一部はＸ
線に変換される。Ｘ線はガラス・エンベロープを通過し
てＸ線管から出力される。残りのエネルギは熱になり、
この熱はターゲットから放射されるとともに、ガラス・
エンベロープおよび冷却油によって吸収される。この冷
却油は外側のケーシング31内に収容されているガラス・
エンベロープの外面に沿って流れる。冷却油は熱を熱交
換器（図示せず）に運ぶ。

次に、第２図および第３図を参照すると、本発明の実
施例が示されているが、これらの図において同じ構成要
素は同じ符号で示されている。これらの図では、簡単化
のため、アノードを回転させるための第１図に示す装置
にような本発明にとって重要でない要素は省略されてい
る。第２図はＸ線管の断面を示しており、このＸ線管に
おいて真空エンベロープ35が中空の回転型アノード37を
取り囲んでいる。アノード37は中空の円盤形部分39を有
し、この円盤形部分39はモリブデンのような高い温度に
耐え得る高伝導性材料で形成されている。円盤形部分は
ろう付け等によって第１の管体41に取り付けられ、この
管体41は円盤形部分から軸方向に延在している。第１の
管体41はステンレス鋼のような強度の高い材料で形成さ
れる。円盤形部分39は管体41に面していないその外側表
面である前面上に面取り縁部43を有している。この面取
り縁部はターゲットとして作用するタングステン・レニ
ウム合金のトラックで覆われている。カソード45は、記
号で示されているが、小さな直径の高エネルギ電子ビー
ムを発生する。この電子ビームは円盤形部分の回転する
縁部に当り、そのエネルギの一部がＸ線に変換されて、
真空ハウジングの石英窓47から出力される。中空の回転
型アノード内にはそれと同心に静止挿入体51が配置され
ている。この静止挿入体51は円盤形部分53ならびに２つ
の管体55および57を有する。管体55は管体57の内部に配
設され、両者は円盤形部分53に取り付けられ、かつ該円
盤形部分53から軸方向に延在している。静止円盤形部分
53および管体57はそれぞれ回転型アノードの円盤形部分
39および管体41から間隔をあけて配設されている。アノ
ードは管体41と57との間に設けられているベアリング61
により挿入体の周りに回転自在に取り付けられている。
ベアリング61は銀でコーティングされて、真空動作用の
乾式潤滑が行われる。円盤形部分39および53ならびに管
体41および57の間の空間は真空エンベロープ35の内部と
連通して、エンベロープが排気されている場合、アノー
ド39が真空中で完全に回転できるようになっている。ま
た、ベアリング61は真空の空間内に位置している。

次に、第２図および第３図を参照すると、静止円盤形
部分53はその前面のすぐ下側までその中央に延在して、
管体55の内部と連通する通路を画成している。円盤形部
分の前面の下側の中央通路は複数の半径方向に延在する
チャンネル63に接続されている。この複数のチャンネル
63は円盤形部分の前面の下側をその周辺部に向かって延
在して、挿入体の該円盤形部分の周辺部の下側のマニホ
ールド領域に到り、それから円盤形部分の後面の下側の
半径方向のチャンネルを介して、管体55および57の間に
形成された環状通路に連結されている。

真空ハウジング35は管体57の外面に取り付けられてい
る。ケーシング65が真空ハウジングから間隔をおけて該
ハウジングを取り囲む。ケーシングは誘電体の冷却流体
を導入する入口および排出する出口を有している。ハウ
ジング35の石英窓47に整列して配置されているケーシン
グの石英窓67はＸ線が管体から出力されることを可能に
している。静止挿入体、ならびに真空ハウジング35およ
びケーシング65もステンレス鋼で形成することができ
る。

動作においては、カソード45からの電子ビームが回転
型アノード37に衝突してＸ線を発生させ、Ｘ線は石英窓
47および67を介して出力される。衝突した電子ビームは
アノード37を過熱する。熱は回転型アノードの内部およ
び外部を取り囲んでいる真空の空間を介して放射によっ
て、回転するターゲットから伝達される。この熱は円盤
形部分39の前部および後部からハウジング35に伝達され
ると共に、回転する円盤形部分39の内部表面から静止円
盤形部分53に内向きに伝達される。放射による熱伝達を
促進するために、高い温度で高い熱放射率を有するコー
ティングが円盤形部分39のうちのターゲットを形成して
いない表面上に設けられ、また高い熱吸収率を有するコ
ーティングが静止円盤形部分の外面上に設けられる。更
に、放射を受ける内側の表面には熱伝達を増大させるた
めに適当なフィン（ひれ状部材）が設けられる。静止円
盤形部分は誘電体の冷却液の強制対流によって冷却され
る。挿入体内の通路の複数のチャンネルは静止円盤形部
分と冷却液との間の熱伝達を増大する。限定されたチャ
ンネル内での流れが層流である場合、冷却される面と冷
却液との間の熱伝達係数はチャンネルの幅に逆比例して
変化するので、微細なチャンネルを作るのが好ましい。
冷却剤の粘性により実際の最小チャンネル幅が決定され
る。更に、高いアスペクト比を有するチャンネル断面で
は熱抵抗が低減する。これについては、IEEEエレクトロ
ン・デバイス・レターズ（IEEE Electron Device Lette
rs）、第EDL−２巻、第５号、1981年５月号に所載のD.
B.タッカーマン（Tuckerman）およびR.F.W.ピーズ（Pea
se）による論文「VLSI用の高性能放熱（High−Performa
nce Heat Sinking for VLSI）」を参照されたい。冷却
流体の流れの方向は図示のように管体55から入ってベア
リング61の傍を通って流れ、それから静止円盤形部分の
前面の下側のチャンネルを半径方向外向きに通過してマ
ニホールド領域に至る。それから、流れは静止円盤形部
分の後面の下側のチャンネルを通って、管体55および57
の間に形成された環状空間に進む。以上の代わりに、流
れの方向は逆にすることもできる。すなわち、管体55お
よび57の間に形成された環状空間に流体を供給して、静
止円盤形部分を通して循環させた後、管体55の内部から
排出する。

計算によると、４インチの直径のアノードを有し、エ
ンベロープおよび静止挿入体が誘電体の冷却液で冷却さ
れるＸ線管の場合、平均12kWの熱を放熱することができ
る。この計算において挿入体はその前面および後面の各
々の下に168個のテーパの付けられたチャンネルを有す
るものとした。これらのチャンネルは0.5インチの直径
から2.5インチの直径まで延在し、断面は中央部におけ
る12×150ミルから周辺部における52×200ミルまで拡大
し、矩形チャンネルは挿入体の面に直角で大きな寸法の
ものである。必要な流量は、3M社から入手し得るフルオ
ロイナート（Fluoroinert:登録商標）EC−75のような過
フッ素化フルオロカーボンのような高い温度において高
い絶縁耐力および熱安定性を有する液体を静止挿入体に
通す場合、４気圧で19ガロン／分である。アノードの直
径を増大することによって、静止挿入体を大きくして、
ターゲットの冷却を促進することができる。

以上、回転する真空シールを必要とせずに放熱率を増
大したＸ線発生装置について説明した。

本発明を好適実施例について図示し説明したが、本技
術分野に専門知識を有する者にとっては、本発明の精神
および範囲から逸脱することなく形状および詳細におい
て種々の変更を行ない得ることは明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は中実の回転型アノードを有する従来のＸ線発生
装置の断面図である。 第２図は本発明のＸ線発生装置管の断面図である。 第３図は本発明の中空の回転型アノードの部分破断斜視
図である。 35……真空エンベロープ、37……中空の回転型アノー
ド、39……アノードの中空の円盤形部分、41……第１の
管体、43……面取り縁部（ターゲット）、45……カソー
ド、51……静止挿入体、53……静止円盤形部分、55……
第３の管体、57……第２の管体、61……ベアリング、63
……チャンネル、65……ケーシング。

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】リング状ターゲット・トラックを有する中
   空の円盤形部分を含み、該円盤形部分はそれから同軸に
   延在する第１の管体に取り付けられており、前記中空の
   円盤形部分の内部および前記第１の管体の内部が互いに
   連通している中空の回転型アノードと、 前記アノードの前記中空の円盤形部分の中にそれから間
   隔をあけて配設されている静止円盤形部分を含む静止挿
   入体であって、更に第２および第３の管体を有し、これ
   らの管体の各々は前記静止円盤形部分から同軸に延在し
   て前記静止円盤形部分に取り付けられており、前記第２
   の管体が前記第１の管体から間隔をあけて配設されて、
   該第１の管体によって取り囲まれており、前記第３の管
   体が前記第２の管体から間隔をあけて配設されて、該第
   ２の管体によって取り囲まれており、前記静止円盤形部
   分が、一端において前記第３の管体の内部と連通して、
   前記静止円盤形部分の表面の下側を延在し、かつ他端に
   おいて前記第２および第３の管体の間に形成された環状
   空間と連通している通路を画成している当該静止挿入体
   と、 前記第１の管体を前記第２の管体のまわりに回転自在に
   取り付けるベアリング手段と、 前記リング状ターゲット・トラックに向けて電子ビーム
   を発生するカソード手段と、 前記アノードおよび前記カソード手段を取り囲み、内部
   が前記アノードの内部と連通している真空エンクロージ
   ャ手段と、を備えていることを特徴とするＸ線発生装
   置。
2. 【請求項２】前記真空エンクロージャ手段を取り囲ん
   で、冷却液を前記真空エンクロージャ手段に沿って流す
   通路を画成するケーシング手段を更に含んでいる請求項
   １記載のＸ線発生装置。
3. 【請求項３】前記静止円盤形部分の前記通路が前記静止
   円盤形部分の中心部から周辺部に向かって前記静止円盤
   形部分の表面の下側を延在する複数のチャンネルを有す
   る請求項１記載のＸ線発生装置。
4. 【請求項４】前記チャンネルが前記静止円盤形部分の両
   方の円形表面の下側を中心部から周辺部に向かって半径
   方向に延在し、前記両表面の下側のこれらのチャンネル
   が互いに連通している請求項３記載のＸ線発生装置。