JP4376480B2

JP4376480B2 - Ｘ線管冷却システム

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Publication number: JP4376480B2
Application number: JP2001510277A
Authority: JP
Inventors: アンドルーズ，グレゴリー・シー
Original assignee: Varian Medical Systems Technologies Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Technologies Inc
Priority date: 1999-07-12
Filing date: 2000-07-10
Publication date: 2009-12-02
Anticipated expiration: 2020-07-10
Also published as: WO2001005196A3; WO2001005196A2; EP1234320A4; EP1234320B1; US6400799B1; JP2009009953A; JP2003506817A; JP4749456B2; DE60045160D1; EP1234320A2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、概してＸ線管に関する。より詳しくは、本発明の実施形態は、Ｘ線管から冷却システム媒体への熱転移率を増大させ、これによって、Ｘ線管構造中の熱誘起応力及び張力をかなり減少させる、Ｘ線管冷却システムに関する。
【０００２】
【従来技術】
Ｘ線生成装置は、工業及び医療の両方において、様々な幅広い用途で使用される、きわめて有用なツールである。例えば、かかる設備は、診断及び治療放射線医学、半導体製造及び組み立て、並びに、材料分析及び試験などの分野で一般に使用される。
【０００３】
Ｘ線装置の基本的な操作は、幾多の異なる用途で使用されるが、類似している。一般に、Ｘ線即ちＸ線放射は、電子が生成され、解離され、加速され、突然、停止されるときに生成される。基本的な典型のＸ線管は、一方の端部に、電子生成器を備えたカソードシリンダー、即ちカソードを有する。カソードのフィラメント部分に印加された電力は、熱イオン放射により電子を生成する。ターゲットとなるアノードは、カソードから軸方向に間隔を隔てられており、カソードにより放射された電子を受け取るように配置されている。更に設けられているものは、カソード及びアノードの間に高電位を印加するため使用される電圧源である。
【０００４】
作動中において、高電位は、カソード及びアノードの間に印加され、該高電位は、熱イオン放射された電子を、電子の流れとしてカソードから離れてアノードに向かう方向に加速させる。次に、加速電子は、ターゲットとなるアノード表面（即ち焦点トラック）に高速度で当たる。アノード上のターゲット表面は、高い原子数を持つ材料から構成され、これによって、当たった電子流れの運動エネルギーの一部分は、非常に高い周波数の電磁波即ちＸ線に転換される。その結果生成されたＸ線は、タゲート表面から放射され、例えば患者の身体など、対象内を貫通させるためＸ線装置に形成された窓を通して平行化される。周知されているように、対象を通過したＸ線は、例えばＸ線医療診断試験又は材料分析処理など、幾多の用途のうち任意のもので使用されるように、検出され、分析されることができる。
【０００５】
アノードターゲット表面を打つ電子のうちあるパーセンテージを占める電子は、Ｘ線を生成せず、その代わりに、表面から単に跳ね返るだけである。これらの電子は、「後方散乱」電子としばしば称される。幾つかのＸ線管では、これら跳ね返り電子のうちあるものは、なおまだ比較的高速度で移動しており、カソード及びアノードの間に配置されたシールド構造によって遮蔽され、収集され、その結果、それらはアノードのターゲット表面に再衝突しない。これは、跳ね返り電子がターゲットアノードに再衝突して、Ｘ線画像の品質に負の影響をもたらし得る焦点の外れたＸ線を生成することを防止する。跳ね返り電子の中には、カソードシリンダーの内部に衝突するものもある。
【０００６】
そのようなシールド構造の使用によって跳ね返り電子がアノードターゲットを再度打つことを防止できる一方で、その使用は、究極的にはＸ線管装置に損傷を与え、その作動寿命を短縮し得る追加の問題を生じさせる。特に、シールド構造に対し、又は、カソードシリンダーの内側に対して跳ね返り電子が衝突した結果生成された高い運動エネルギーは、かなりの量の熱を副産物として生成する。これらの高い温度は、ターゲットアノードで生成された高温度に加えて、構造（カソードシリンダー及びシールドを含む）、及び、構造接続部において熱応力を引き起こし、特に、長い時間の経過を通して、Ｘ線管アセンブリに様々な構造的欠陥の発生へと導き得る。その上、跳ね返り電子は、カソードシリンダー及びシールド構造の幾つかの部分と、他の部分よりも比較的大きい頻度で衝突するため、生成された熱は均等には分布しない。異なる熱領域は、その結果として様々に変動する熱膨張率を生じさせ、特に、多数の作動サイクルに亘って、Ｘ線管装置に損傷を与え得る機械的応力を生じさせる。例えば、機械的応力及び張力は、構造中のより低温部分が、構造のより高温部分の膨張に抵抗を与えるとき誘起される。応力及び張力のレベルは、低い温度差で比較的微々たるものとなる。しかし、高い温度差により生成される不均一膨張は、究極的には当該部品中に機械的欠陥を引き起こし得る、破壊的な機械的応力及び張力を誘起する。その上、これらの応力は、取り付けられた構成部品の間の接合部に特に損傷を及ぼす。
【０００７】
そのような高温度がシールド構造、カソードシリンダー及びＸ線装置の他の部品内で破壊的な熱的応力及び張力を引き起こすことができるため、様々な形式の冷却システムの使用により熱的応力及び張力を最小化するための試みがなされてきた。しかし、以前に販売されていたＸ線管冷却システムは、特にシールド構造及びカソードシリンダーの領域において、有効且つ効率的な冷却を提供することに関して完全には満足のいくものではなかった。
【０００８】
存在する高熱を消失させるため、Ｘ線管は、典型的には、何らかの形式の液体冷却構成を利用してきた。そのようなシステムでは、カソードシリンダーの外側表面のうち少なくとも幾つかの表面が、循環する冷却流体と直接接触した状態に置かれ、これによって対流熱移動冷却プロセスを容易にしている。しかし、しばしば、このアプローチは、制限された外側表面積を有する隣接するシールド構造を冷却するためには十分ではなく、しかも、それは、跳ね返った電子から非常な高温度に曝されているので、対流によっては有意な量の熱を冷却流体に効率的に転移させることはできなくなる。この問題に取り組むため、シールド構造には、冷却流体の流れが循環するところの内部冷却通路が作られてきた。かくして、シールド構造は、その内側を通って流れる冷却流体に、主要には対流によって熱を捨て去る。このアプローチも、総じて満足のいくものでは無かった。そのような冷却通路の制限されたサイズに起因して、制限された量の熱のみが冷却流体によって吸収されることができ、その結果、シールド構造は適切に冷却されなくなる。かくして、この種のＸ線装置は、更に大きい失敗率、並びに、より高温度及びその結果としての応力への繰り返された露出に起因して、より短い作動寿命を経験し得る。
【０００９】
また、この種のシステムでは、冷却流体は、シールド構造及びカソードシリンダーにおける有害な熱応力及び張力を排除するため有意な量の熱を吸収することができなければならない。しかし、現在の設計では、循環された冷却流体は、結局のところ、しばしば早々と、熱的破壊を被り、もはやＸ線管から熱を効率的に除去することは不可能となる。再び、これは、失敗をより多く被り、典型的には、全体的により短い作動寿命を有する、Ｘ線装置に移動する。
【００１０】
現在利用可能な冷却システムの設計は、別の観点においても欠落している。前記した通り、Ｘ線管内部に生成された熱は、均等に分布されない。しかし、現在利用可能な冷却システムは、Ｘ線管の幾つかのより高温の領域から、より低温の領域よりも迅速には熱を除去することができない。その代わりに、熱移送率は、現存するシステムにおいてはＸ線管を通してかなり一定である。このように、より高温に曝される当該領域は、適切に冷却されず、より大きな失敗率を被る。
【００１１】
現存するＸ線管設計には、余剰の作動温度により引き起こされる、追加の問題が存在する。特に、高い作動温度は、Ｘ線管装置の様々な部品部分の間の接続点に対し特に破壊的に作用する。例えば、カソードシリンダーは、シールド構造に取り付けなければならない、単一の一体部品として作られる。次に、シールド構造は、ハウジング、即ちＸ線管アセンブリを収容する金属容器に固定される。典型的には、これらの取り付けは、溶接即ちブレーズ接合の手段により達成される。しかし、従来技術のシステムでは、これらの接合は、存在する熱的及び機械的応力に対して特に損傷を受けやすい態様で装備され、しばしば早期に外れてしまう。かくして、熱の効率的な除去、並びに、構成部品間のロバストな接合取り付けが、構造的な一体性を維持し、Ｘ線装置の作動寿命の増加にとって重要である。
【００１２】
かくして、Ｘ線管から、特にカソードシリンダー及び隣接するシールド構造の領域から熱を効率的且つ有効に取り除くため使用することのできる冷却システムに対する必要性が当該技術分野で存在する。その上、熱的及び機械的応力の量を減少させるほど十分な熱の除去を提供し、これによって、Ｘ線管及びＸ線装置の全体的な作動寿命を増加させるシステムであって、これが無ければ、カソードシリンダー及びシールド内に熱的及び機械的応力が存在するであろうような該システムを有することが望ましい。同様に、該システムは、カソードシリンダー及びシールドアセンブリを製作するため使用される材料に熱解放損傷が発生することを防止し、且つ、様々な構造的構成部品間の取り付け点の間にある、接合部及び／又は取り付け点の間に発生する構造的損傷を減少させなければならない。構成部品間の接合部は、よりロバストであり、且つ、高温に耐えることができなければならない。また、システムが、他の部分よりも高温となるシステムの当該領域からより高い率で熱を有効に除去することができ、これにより様々に異なる熱領域の発生を減少させるならば望ましい。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の概括的な目的は、従来技術システムの前記した問題と取り組む、改善されたＸ線管冷却システムを提供することである。
【００１４】
より詳しくは、本発明の主要な目的は、Ｘ線管の構成部品から冷却システム冷却剤への対流的且つ伝導的熱転移を強化すると共に、Ｘ線管を用いた後方散乱電子の結果として生成された熱を除去する際に特に効率的である、改善されたＸ線管冷却システムを提供することである。
【００１５】
本発明の関連する目的は、Ｘ線管構成部品及び冷却剤内に存在する温度レベルを減少させ、これによって、熱応力に起因するＸ線管の破損の発生を減少させて、Ｘ線管の全体的な作動寿命を増加させる、冷却システムを提供することである。
【００１６】
本発明の別の目的は、冷却剤が、対流によりシールドから熱をより効率的に除去するように該シールド内に形成された通路を通って循環される、改善されたＸ線管冷却システムを提供することである。
【００１７】
本発明の更に別の目的は、冷却システムの冷却剤と接触する外側表面積を増加させたシールド構造を利用し、これによって、その効率並びにシールド構造から熱が除去される率を改善する、改善されたＸ線管冷却システムを提供することである。
【００１８】
本発明の更に別の目的は、より高い熱容量を有するシールド構造の領域が、より低い熱容量を有するシールド構造の部分より高い率で冷却される、冷却システムを提供することである。
【００１９】
本発明の別の目的は、作動しているＸ線管内に存在する熱的及び機械的応力に更に良く耐えることができる、Ｘ線管の構造間の改善されたブレーズ接合を提供することである。
【００２０】
本発明の他の目的及び利点は、添付図面を参照して、以下の詳細な説明及び請求の範囲を読むとき明らかとなろう。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
手短に要約すると、前記した目的及び利点は、改善されたＸ線管冷却システムを用いて提供される。本システムの好ましい実施形態は、熱交換装置の手段により連続的に循環される液体冷却剤を蓄えるリザーバーを備える。冷却剤リザーバー内に配置されたものは、Ｘ線管であり、該Ｘ線管は、内部に配置されたカソードヘッドアセンブリなどの、電子源を有するカソードシリンダーから構成される。Ｘ線管は、電子源により放出された電子を受け取ることのできるターゲット表面を有するアノードを包む空のハウジングからも構成される。カソードシリンダー及びＸ線管ハウジングの間に配置されたものは、シールド構造である。シールド構造は、開口を備え、該開口を通って、電子が電子源からターゲット表面に通過され、Ｘ線を生成する。その上、シールド構造は、電子収集表面を提供し、ターゲット表面から跳ね返った電子が該ターゲットに再度衝突することを防止する。
【００２２】
好ましい実施形態では、少なくとも１つの流体通路がシールド構造内に形成される。流体通路は、リザーバーからの冷却剤を入口ポートから受け取る。該冷却剤は、跳ね返り電子がシールドの内側表面を打つ結果として生成された熱を含む、シールド構造内に生成された熱を吸収するように、該通路を通過する。
【００２３】
冷却システムの好ましい実施形態は、シールド構造の外側表面に取り付けられた、複数の延長表面又は冷却フィンも備えている。流体通路から出た冷却剤は、シールドから冷却剤へ熱を伝達させる態様で配位された、延長表面を横切って流れることを可能にされる。
【００２４】
一つの好ましい実施形態では、冷却システムは、流体通路の熱転移能力を強化させるための手段を備える。図示の実施形態では、この手段は、流体通路内に配置されたコイル形成スプリングから構成される。該スプリングは、効率並びにシールド構造から熱が対流により除去される率を増加させる延長表面を提供する。
【００２５】
別の好ましい実施形態では、シールド構造内に形成された流体通路は、シールド構造の第１及び第２の区分を通って冷却材が流れることを可能にする態様で配位されている。その上、通路は、熱が第２の区分よりも大きい率で第１の区分から転移されるように更に配位されている。このようにして、より高い熱容量を有する区分（即ち、第１の区分）は、より低い熱容量を有する区分（即ち、第２の区分）より速い率で冷却される。これは、より高い効率、並びに、熱の均等に分布された消失を保証する。冷却剤が過度の熱的応力を受けないことも保証させる。
【００２６】
本発明の実施形態は、より構造的と思われるＸ線管アセンブリを設け、かくして、作動中のチューブに存在する熱的及び機械的応力により良く耐えることのできることも開示される。例えば、改善されたブレーズ接合が、シールド構造とＸ線管ハウジングの間に設けられる。特に、ブレーズ材料は、シールド構造の水平及び垂直表面の両方に沿って形成された接合部に沿って配置される。これは、より構造的と思われ、且つ、様々に変動する温度及びチューブの作動中に課された応力から生き残ることのできる、接続部を保証する。
【００２７】
本発明の上記並びに他の利点及び目的が得られるところの態様をより完全に理解するため、添付図面に示された本発明の特定の実施形態を参照することにより、本発明のより特別の説明が以下になされる。これらの図面が、本発明の典型的な実施形態のみを表し、従って、その範囲を限定するものとはみなされないという理解の下、該実施形態を作り且つ使用する上で現在のところそのベストモードと理解される本発明が、添付図面を使用することにより、特定的で詳細な事項が追加された状態で記載され且つ説明される。
【００２８】
【発明の実施の形態】
ここで、図面を参照する。該図面では、同様の構成要件が同様の参照番号に指示により与えられる。これらの図面は、本発明の現在のところ好ましい実施形態の図式的及び概略的表現であり、本発明を限定するものでも、必ずしもスケール通りに解釈されるものでもないことを理解するべきである。
【００２９】
まず、図１及び図２を共に参照すると、Ｘ線管装置の関連部分が参照番号１００で概略表されている。参照番号１０１で略示されたＸ線管は、典型的に「金属容器」１０７と称される、空にされたエンベロープハウジングが一般に形成される。空のエンベロープ、即ち、金属容器１０７は、ハウジング１１２内に配置される。Ｘ線管の空のエンベロープ１０７内部に配置されたものは、カソードヘッド１０６、フィラメント（図示せず）、及び、カソードシリンダー１０２内部に配置された関連する電子機器類（図示せず）の形態にある、電子源である。カソード１０６に隣接し、カソードシリンダー１０２の端部に取り付けられているものは、時折、「開口」と称され、本明細書中では、シールド構造１０８と称される電子収集装置である。また、Ｘ線管１０１内部に配置されているものは、カソード１０６の軸方向反対側に配置された回転式ターゲットアノード１０４である。電圧源は、アノード及びカソードに接続され、カソード１０６により放射された電位は、電圧差がカソード及びアノードの間に印加されたとき加速される。高速電子がアノードに向かって流れるとき、該電子は、シールド構造１０８内に形成された開口１２２を通過する。電子がターゲットのアノード１０４の表面と衝突するとき、その運動エネルギーの一部分は、Ｘ線に転換される。これらのＸ線は、部分的に平行化され、Ｘ線管１０１の側部に形成された窓１０３（図１）及びハウジング１１２内の対応する窓（図示せず）を通って放射される。
【００３０】
前記され、更に後述されるように、ターゲットのアノード表面１０４を打つ電子のうちあるものは、Ｘ線に転換されず、その代わりに、ターゲットのアノード１０４から跳ね返る。更に後述されるように、シールド構造１０８は、跳ね返り電子が落ちて再度ターゲットのアノード１０４を打ち、これによって焦点の外れたＸ線が生成されることを防止するように機能する。更に加えて、跳ね返り電子のうちあるものは、カソードシリンダー１０２の内側表面を打つ。これらの跳ね返り電子は、かくして、ターゲットのアノード１０４を再度打つことを防止される間に、それらは、なおまだ比較的高速度で移動し、かくして、これら電子が該構造を打つときシールド構造１０８及びカソードシリンダー１０２内に大量の熱を発生する。その結果、この熱は、ターゲットアノード１０４で生成される熱に加えて、Ｘ線管１０１から絶えず除去されなければならず、さもなければ装置への損傷が発生し得る。前記したように、シールド構造内の余剰熱及びカソードハウジングは、とりわけ長い時間の間に、特に問題を孕むものとなる。
【００３１】
図１は、現在のところ好ましい一実施形態において、ハウジング１１２により形成されたリザーバー内部に蓄えられた液体冷却剤１１４内にＸ線管１０１が如何に完全に浸漬されるかを示している。Ｘ線装置の作動の間、冷却剤は、ポンプ／冷却ユニット１３４を介してハウジング１１２を通って再循環される。冷却剤がハウジング１１２を通って循環されるとき、熱は、Ｘ線管構成部品から分散され、冷却剤により吸収される。次に、加熱された冷却剤は、熱交換器１３４へと循環され、該熱交換器では、熱は、放射表面などの任意の適切な手段により除去される。冷却された液体は、ハウジングリザーバーに戻って再循環される。
【００３２】
一般には、熱移送率は、表面積に比例し、該表面積に亘って熱が転移される。かくして、上記した通り、熱がＸ線管から冷却剤に伝達される際の効率は、冷却される構成部品の表面積に部分的に基づいている。該表面積は、過去においては、制限されており、シールド構造及びカソードシリンダー１０２の問題のある領域においては特に制限されていた。本発明の実施形態は、シールド構造１０８の手段により、この問題に取り組んでおり、本発明の好ましい実施形態は、図１に概略的に示され、図２、３、４及び６に更に詳細に示されている。図１、２及び１０に示されているように、シールド構造１０８は、Ｘ線管１０１の空のエンベロープである金属容器１０７の主要ボディ部分をカソードシリンダー１０２に相互接続する。図示の実施形態では、シールド構造１０８は、シールド１０８の底部に取り付けられた、開口ディスク１３７（図２及び８に示される）と称される、分離した底部カバーを備える。ディスク１３７は、金属容器１０７内部に形成された対応する凹部１５５に取り付けられる。好ましくは、この取り付けは、後述されるブレーズ接合を用いて達成される。現在のところ好ましい実施形態では、シールド１０８及び開口ディスク１３７は、例えばグリッドコップＡＬ−１５ＵＮＳＣ−１５７１５という商標名で知られ、且つ、ＯＭＧアメリカ社により販売されている材料などのような酸化アルミニウムで分散強化された銅合金から各々構成される。グリッドコップＡＬ−２５、並びに、グリッドコップＡＬ−６０ＵＮＳＣ−１５７２５及びＵＮＳＣ−１５７６０を含む他の材料も各々使用することができるが、これらに限定されるものではない。
【００３３】
図２及び図３に最も良く示されているように、シールド構造１０８、並びに、開口ディスク１３７は、電子の流れがカソード１０６からターゲットのアノード１０４（図２）まで通過することを可能にする、開口即ち開口部１２２を有する。また、開口１２２の回りに配置されているのは、跳ね返り電子収集表面１２４であり、該表面は、跳ね返り電子が、ターゲットのアノード１０４に近づき、再度衝突することから防止する機能を提供する。電子収集表面１２４が形成され、跳ね返り電子のトラジェクトリが、アノードターゲット表面１０４に戻る代わりに、収集表面１２４に当たるような態様に配置される。図示の実施形態では、表面１２４は、凹形の開口１２２に向かって傾斜面を形成される。他の形状及び輪郭を使用することができることが理解されよう。
【００３４】
現在のところ好ましい実施形態では、シールド構造は、熱をシールド構造から離れるように転移する手段を備える。例示によって、これに限定されないが、一つの好ましい実施形態では、熱転移手段は、図１に参照番号１１０で示され、図２、３、４及び６で更に詳細に示された複数の冷却部材、即ちフィンから構成される。これらの冷却フィン１１０は、シールド構造１０８の外側表面の周辺部の回りに形成された隣接する環状延在表面から構成され、図１に示されるように、リザーバー冷却剤１１４に少なくとも部分的に曝される。一般に、フィン１１０は、リザーバー冷却剤と接触するシールド１０８の表面積の量を効果的に増加させ、これによって、これらのフィンは、その効率、並びに、シールドから冷却剤に熱が伝達され且つ転移される率を増加させるように機能する。このことは、図３の好ましいシールド構造１０８の斜視図、及び、図４の側立面図において最も良く理解することができる。図示のように、複数の冷却フィン１１０は、シールド１０８の全外側表面の回りに形成され、冷却剤がフィンの間に流れ、これによって冷却剤に曝された表面積を最大にすることを可能にするように間隔を隔てられている。このようにして、収集表面１２４、シールドの内側表面１２５又はカソードシリンダー１０２の内側表面１０９（図２）において跳ね返り電子から生成された熱は、フィン１１０に伝達され、次に、冷却剤により効率的に転移されることができる。かくして、フィン１１０は、シールド構造１０８及びカソードシリンダー１０２の領域から冷却剤への対流による熱転移を容易にするため特に役立ち、これによって、跳ね返り電子の損傷を及ぼす熱的効果を減少させる。
【００３５】
フィンにより提供された強化冷却効果は、他の仕方でＸ線管の作動寿命を改善する。シールド構造１０８から冷却剤へ比較的大きな熱を伝達させることにより、フィン１１０は、シールドに形成された冷却剤通路を通って循環される冷却剤に課された熱負荷を減少させる（後述される）。換言すれば、フィン１１０は、シールド構造１０８から伝達された熱をより効率的に再分配するため役立つ。好ましい実施形態では、フィンにより生成された冷却効果は、循環する冷却剤に課された熱負荷のうち約７％から約９％までの減少を生じさせる。循環冷却剤に課された熱負荷が減少されるので、循環する冷却剤は、事実上、熱的破壊を被る可能性がより少なくなる。この利点は、より長い耐久性を持ち、より高い信頼性のＸ線管装置をもたらす。
【００３６】
本発明の好ましい実施形態は、シールド構造から、かくしてＸ線管からの全体に亘る熱転移率を増加させるためフィンを用いるが、代替構造即ちシールドの露出表面のエレメントの使用による表面積の増加を、熱がリザーバー冷却剤に転移される率の上昇を引き起こすため使用することができる。更には、シールド構造と一体の冷却フィンは好ましい実施形態であるが、本発明として、離散的な冷却フィン、即ち、シールド構造及び／又はカソードシリンダーに別体なものとして装着可能な冷却フィン構造、又は、その類似構造も考えられる。
【００３７】
好ましい実施形態では、本発明の冷却システムは、熱源に事実上最も近く配置され、且つ、これによって、特にシールド構造１０８の領域において作動中のＸ線管内に生成された熱の除去を更に援助するように機能する、追加の流体通路も備える。図示の実施形態では、図２で参照番号１３１及び１３２で示された、これらの内部流体通路は、２つの仕方で形成される。第１に、複数の通路１３１は、シールド１０８のボディ内部に直接的且つ一体的に形成することができる（即ち、中空ボアの形態で）。或いは、図示の実施形態の場合のように、間隔を隔てられた隆起部１３３及び１３５がシールド１０８の底部にあるチャンネルを形成することによって形成することができる（図５及び図６）。図２の実施形態に示されたように、開口ディスク１３７と称される、分離した底部カバーが、シールド１０８の底部に取り付けられる。次に、開口ディスク１３７が、金属容器１０７に形成された凹部１５５に、好ましくはブレーズ接合（その実施形態が後述される）を介して取り付けられる。開口ディスク１３７は、これに対応する開口１２２、並びに、図２（図８にも示される）で１３３’及び１３５’で示された相補的隆起部を有する。該相補的隆起部は、シールド１０８上の隆起部１３３、１３５に対して当接し、これにより、ディスク１３７がシールド１０８と嵌合するとき通路１３１を形成する。図示の実施形態では、１３１とラベル付けされた流体通路の両方は、図５に示されたように（図８にも示される）、円状隆起部１３５に形成された隙間のおかげで互いに流体連通する。
【００３８】
第２の組の通路１３２は、シールド１０８の外側周辺部の回りに形成される。これらは、間隔を隔てた複数の冷却表面１２６が、隆起部の形態で、形成される。該冷却表面は、金属容器１０７／マニホルド１１６の凹部１５５内に挿入されたとき、凹部１５５の内側表面に対して当接し、これによって個々の通路１３２を形成する。図３は、通路１３２の各々が隣接する隆起部１２６の間に形成された隙間１４１に起因して、どのように互いに流体連通するかを示している。更に加えて、好ましい実施形態では、通路１３１及び１３２は、後述する態様で互いに流体連通した状態に配置される。更に詳細に後述されるように、Ｘ線管の作動中に、冷却剤は、シールド構造１０８から対流により熱を除去するように、これらの通路を通して再循環される。
【００３９】
再び図１を参照すると、現在のところ好ましい実施形態において、冷却剤１１４がハウジング１１２のリザーバー内に配置された導管１０５を介して、どのようにハウジング１１２に供給されるかが示されている。導管１０５は、冷却剤マニホルド１１６に取り付けられるか、又は、該冷却剤マニホルド１１６と一体成形された入口／出口接続部１１８に接続される。該冷却剤マニホルド１１６は、Ｘ線管１０１の空のハウジング１０７上に配置されるか又は該ハウジングと一体部分として成形される。冷却剤マニホルド１１６は、マニホルド（図示せず）内に形成された入口ポート孔を介して、入口導管１０５及び流体通路１３１の間に流体連通経路を形成する。好ましい実施形態では、これは、当接する隆起部１３３／１３３’に形成された隙間１５１／１５１’が、入口導管１０５から流入する冷却剤を受け取るべく入口ポート孔と整列されるようにマニホルド１１６内のシールド１０８を配列することによってなされる。かくして、冷却剤は、通路１３１内に流れることを可能とされる。冷却剤が通路１３１に入るとき、それは２つの流れに分けられ、各々の流れは反対方位方向に循環する。勿論、冷却剤が通路１３１を通って進行するとき、熱は、シールド構造から冷却剤に転移される。
【００４０】
好ましい実施形態では、通路１３１は、通路１３２と流体連通した状態に配置される。これは、隙間１５１（並びに、図８に示される開口ディスク内の対応する隙間）とは反対側の点において隆起部１３３内に別の隙間１５３（図５）を設けることにより達成される。空洞部（図１２A及び１２Bで参照番号２００で示される）は、凹部１５５の内側壁内に形成される。この空洞部２００は、隙間１５３と整列され、通路１３２の少なくとも１つと流体連通した状態で通路１３１に位置するほど十分に大きい。かくして、この例の実施形態では、２つの冷却剤の流れが、通路１３１を通って進行し、次に、シールド１０８の反対側で集まる。冷却剤は、隙間１５３／１５３’を介して空洞部内に流れ込み、次に通路１３２を介してシールド１０８の上側半分内に流れ込み続ける。再び、冷却剤は分離し、２つの流れがシールド１０８の上側半分を横切る。また、下側半分においても同様に、冷却剤は、それがシールド及び表面１２６に亘って流れるとき、加熱される。
【００４１】
マニホルドの入口／出口接続部１１８内に形成されているものは、通路１３２と流体連通している出口ポート孔（図示せず）である。冷却剤の２つの流れがシールド１０８の上側半分を横切るとき、該流れは集まって、出口導管１２０と流体連通している出口ポート孔において流出する。図１では、出口導管は、流体流れラインにより示されるように、リザーバーと流体連通している。幾つかのＸ線管形状では、リザーバーに吐出される前に、対流による追加の熱除去をもたらすためＸ線管の他の領域内に形成された他の冷却通路に冷却剤を差し向けるため別のマニホルドを使用してもよいと認められる。
【００４２】
一旦、リザーバー１１２に吐出された場合、冷却剤は、前述したようにシールド１０８のフィン表面を含む、Ｘ線管の外側表面に亘って流れ、対流により冷却する。究極的には、冷却剤はリザーバーの吐出接続部１３６でリザーバー１１２から流出し、図１に示されたように、そのサイクルを繰り返すため外部熱交換器に戻る方向に流れる。かくして、フィン１１０により実行される対流熱転移は、冷却剤の通路１３１、１３２内の対流冷却を通して達成される熱転移を補完し、かくして、シールド１０８からの全体に亘る熱転移率の相対的増加に役立つ。
【００４３】
通路１３１、１３２へ冷却剤を提供するため使用され得る他の構成を利用できることが理解されよう。例えば、入口ポートの導管は、通路１３１に接続され、出口ポートが通路１３２に接続されるが、その反対の構成も使用することができる。その上、多数の入口ポート及び／又は多数の出口ポートも利用することができ、前記したように、追加のマニホルドを、Ｘ線管の他の領域に冷却剤を差し向けるため使用することができる。また、当業者ならば、通路１３１及び１３２を流体連通した状態に置くため、異なる構成を利用できることが分かるであろう。
【００４４】
更に加えて、マニホルド１１６から、シールド１０８の下側半分の通路１３１への流体入口ポートの相対的配位を変更してもよい。前述した説明では、流体入口ポート（図２Aの２０２）は、冷却剤がシールド１０８の上側半分及び通路１３２に流入するところの点と正反対の位置、即ち１８０度の角度に沿って配置されることが記された。この流れのスキームは、図１２Aに概略表されており、該スキームでは、冷却剤が入口ポート２０２を介してシールド１０８の下側半分に入り、２つの流れに分離し、該流れの各々は反対の方位角方向に循環する。次に、２つの流れは、空洞部２００で集まり、該空洞部では、それは、通路１３２を介してシールド１０８の上側半分に入る。この種のセットアップでは、２つの流れの流れ率は、おおよそ等しく、かくして、熱転移率は略等しい。
【００４５】
しかしながら、上記したように、シールド１０８内部の熱は不均一である。即ち、Ｘ線窓１０３により近いシールドの側は、典型的には、反対側よりも高い温度を被る。これは、ターゲット角度により後方散乱電子に課された効果、即ち、中心線側よりも電子収集表面１２４の窓側をより多くの電子が打つ効果に起因する。このようにして、別の好ましい実施形態では、流れ率は、より高い熱容量を有するシールドの当該部分（即ち、窓１０３により近い側）において増大され、熱の除去率を増加させる。一実施形態では、これは、通路１３１に関して入口ポート２０２の相対的配置を変更することによって達成される。この特定の構成は、図１２Bで表される。図示のように、１８０度より小さい角度αが、Ｘ線窓１０３に近い側で通路１３１及び空洞部２００に関して入口ポート２０２を配位するため使用される。相対的な移動距離のこの減少は、冷却剤の流れ率を増加させ、これによって、当該側の対流熱転移係数を増加させ、方位角方向のシールドの温度勾配を減少させる。その結果、窓側の熱転移率は、増加される。反対に、熱転移は、シールド１０８の残りの側で減少される。
【００４６】
熱転移率を増加させることは、他のアプローチを用いても達成することができる。例えば、窓１０３に近い側（又は、より高い熱容量を持つ任意の部分）において、通路１３１の流れ断面積を、増加させることができ、シールドの反対側／残りの部分に配置された通路では、減少することができる。これは、より高い熱容量を有するシールドの部分を通る冷却剤の流れ体積を増加させ、かくして、対流により転移される熱の率を増加させる。
【００４７】
ここで、冷却システムの現在のところ好ましい代替実施形態を示す図７を参照する。該図では、冷却剤マニホルド１１６は、シールド構造１０８の、及びかくして全体としてのＸ線管１００の強化された対流冷却を容易にするため、外側フィン１１０と連動して作動する。特に、冷却剤の流れは、前述したように、冷却ユニット１３４により生成され、冷却剤は、前述した態様で、入口導管１０５を通って流れ、冷却剤マニホルド１１６並びに通路１３１及び１３２に至る。しかし、図１で説明したように冷却剤をリザーバーに直接吐出する代わりに、出口導管１２０は、参照番号１２８で示され、冷却剤を２つの吐出流れに分離する、流れダイバーターに接続される。流れダイバーター１２８からの冷却剤流れのうち一方は、冷却剤出口ポート１３８を通ってリザーバー１１２（又は、オプションで、前述したように、Ｘ線管の他の領域に差し向けることができる別のマニホルド内）に吐出される。流れダイバーター１２８からの他の冷却剤の流れは、冷却剤出口ポート１３０を通って吐出され、該流れは、フィン１１０と交差するように方向付けられる。このように方向付けられた流れは、フィン１１０から熱をより効率的に除去する。図１に示されたように、冷却剤は、リザーバーの吐出接続部１３６でリザーバーから出て、サイクルを繰り返すため、冷却ユニット１３４に戻るように流れる。
【００４８】
図７の代替実施形態は、Ｘ線管の冷却を次の工程により強化する。（ｉ）Ｘ線管及び特にシールド１０８の表面積を増加させ、これによってＸ線管構造からリザーバー冷却剤への対流熱転移率を増加させるため冷却フィン１１０を設ける。（ｉｉ）フィンからの対流熱転移を増加させるためマニホルド冷却剤の一部分をフィンを横切って吐出するように差し向け、かくして、フィンの対流冷却効果を増大させる。（ｉｉｉ）シールド構造の内部を対流で冷却する。内部冷却通路、外部フィン及び二重吐出マニホルドの結合された効果は、熱がＸ線管から除去される率を有意に増加させることである。強化された熱転移率は、Ｘ線管作動温度を減少させ、かくして、合成された熱的機械的応力を減少させるため役立ち、冷却剤の熱的破壊を実質的に防止し、これによって冷却剤及び従ってＸ線管の寿命を延ばす。
【００４９】
前記した好ましい実施形態は、二つの出口流れのダイバーターを教えているが、多数の出口を備えた流れダイバーターを利用することができることも理解されるべきである。従って、多数の（即ち、２より多い）出口を用いるＸ線管冷却システムが、本発明の範囲内にあるものとして考えられる。
【００５０】
次に、図８及び図９Ａ−９Ｂを参照する。これらの図は共に、参照番号１０８’で概略示されたシールド構造の別の実施形態を示している。シールド１０８’は、前述したシールド１０８と類似しており、同様の構成要件に関する説明は繰り返さないことにする。更に示されているものは、開口ディスク１３７であり、流体通路１３１を形成するようにシールド１０８’の底部に形成された対応する隆起部１３３及び１３５と嵌合する隆起部１３３’及び１３５’を備えている。図８の実施形態は、１つの主要な点において図１乃至７の実施形態とは異なる。即ち、シールドアセンブリ１０８’は、冷却剤の通路の熱転移能力を増加させるための手段を備えている。例示の方法により、この機能を実行するための１つの構造は、図８で参照番号３００及び３０２で示されたコイル形成ワイヤであり、その各々は流体通路１４１内部に配置される。図９Ａの側断面図は、流体通路１３１内に配置されたコイル化ワイヤ３００、３０２を示している。コイル形成ワイヤ３００、３０２は、銅、又は、シールドに使用された種類の酸化アルミニウム分散強化銅合金などの熱伝導材料から構成される。コイル形成ワイヤの各々の巻き部は、円形又は非円形断面のいずれかを持つことができ、オプションで、非均一の直径／厚さを持つことができる。コイル形成ワイヤの巻き部は、熱伝導を増加させることのできるブレーズ又は類似の取り付け手段によって流体通路の内側壁に固定することができる。各々のコイルは、通路１３１内部の冷却剤により提供された熱転移率を増加させる。特に、コイル形成ワイヤの存在は、通路内に追加の表面積を追加し、これによって熱転移を容易にする。加えて、コイルは、冷却剤が通路内でコイルに亘って通過するとき冷却剤の境界層を破壊する。これは、乱流を促進し、更に熱転移を改善する。その上、通路１３１内に形成された（図８のディスク１３７で１３９’／１６１’及び１５１’／１５３’で示された）隙間のため、冷却剤はコイルワイヤ３００、３０２の軸に対し平行及び垂直の両方向に流れる。これは、熱がシールド１０８’から離れるように転移される率及び効率を更に増加させる。
【００５１】
この熱転移増加機能を提供するため他の構造を使用することができることが理解されよう。通路内に延長した熱転移表面を提供する事実上任意の構造要素を使用することができる。例えば、螺旋状テープ、銅ホイル形式エレメントを使用することができる。また、図示されたコイル構成とは異なるワイヤ配位を使用することができる。
【００５２】
上記したように、シールド及び開口ディスクアセンブリの領域内に存在する過度の温度は、機械的応力を引き起こし、これは２つの構成部品が取り付けられる領域で特に問題となり得る。これらの領域は、しばしば最も破損を受けやすい。このようにして本発明の実施形態は、シールド１０８及び開口ディスク１３７からＸ線管金属容器１０７に至るところで、この問題に取り組むことを志向する。特に、開口ディスク１３７及び金属容器１０７の間で改善されたブレーズ接合が提供される。従来技術で一般的であったように、水平表面にのみブレーズ接合された接合部を提供する代わりに、開口ディスクは、水平表面並びに垂直表面の両方に金属容器にブレーズ接合される。このブレーズ構成の好ましい実施形態は、ここで参照される図１０及び図１１に示されている。
【００５３】
図１０は、シールド１０８及び開口ディスク１３７のアセンブリに取り付けられたカソードシリンダー１０２の簡略図であり、該アセンブリはＸ線管の金属容器１０７に取り付けられる。図１１は、図１０のライン１１−１１に沿って取られた破断図であり、金属容器１３７及び開口ディスク１３７の間のブレーズ接合の現在のところ好ましい一実施形態を示している。図示のように、開口ディスク１３７は、ディスク１３７の周辺部の回りに外側に突出した肩領域３５０を備える。金属容器１０７は、ディスク１３７の肩領域と嵌合する対応して形成された肩領域３５２を備える。特に、２つの肩領域は、４０２で水平嵌合領域並びに垂直嵌合領域３００を一緒に形成する。これらの２つの領域は一緒にブレーズ接合することができる。この構成は、水平表面に沿ってのみブレーズを有する接合構成と比較すると、好ましい実施形態において６又はそれ以上の因子によって、ディスク１３７及び金属容器１０７の間の応力を減少させる点で特に有利な効果を奏する。このようにして、改善されたブレーズ接合は、Ｘ線管の極端な高温度に伴う応力に更に良好な抵抗を有し、その結果、破損を受けることがより少なく、且つ、より長い全体的な作動寿命を提供する装置を与える。
【００５４】
本発明は、その精神即ち本質的な特徴から逸脱することなく、他の特定の形態で実施することが可能である。説明した実施形態は、あらゆる点で図示としてだけみなされ、これらに限定されるものではないとみなすべきである。従って、本発明の範囲は、前述した説明によってというより、請求の範囲によって示される。請求の範囲の意味及び均等の範囲内に至る全ての変更は、それらの範囲内に包含されるべきである。
【００５５】
請求され、且つ、米国レター特許により保障されると望まれるものは、請求の範囲である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、冷却システムの１つの好ましい実施形態の平面図である。
【図２】図２は、図１に表された、カソードシリンダー及びフィンが形成されたシールド構造の一実施形態の等角断面図である。
【図３】図３は、シールド構造の現在のところ好ましい一実施形態の等角図である。
【図４】図４は、図３に示すシールド構造の側面図である。
【図５】図５は、シールド構造の平面図である。
【図６】図６は、図３に表されたシールド構造の断面図である。
【図７】図７は、冷却システムの代替実施形態の平面図である。
【図８】図８は、シールド構造の現在のところ好ましい別の実施形態の破断斜視図である。
【図９】図９Ａは、図８の組み立てられたシールド構造の断面図である。
図９Ｂは、図８のシールド構造の平面図である。
【図１０】図１０は、カソードシリンダー、シールド構造及びＸ線管の金属容器アセンブリの断面図である。
【図１１】図１１は、図１０のライン１１−１１に沿って取られた詳細図であり、開口ディスク及びＸ線管の金属容器の間のブレーズ接合形態を示す。
【図１２】図１２Ａは、シールド構造の下側半分を通過する流体流れを示す概略表現図である。
図１２Ｂは、シールド構造の下側半分を通過する流体流れのための代替ｍ構成を示す概略表現図である。

Claims

Ｘ線管であって、
（ａ）Ｘ線管の空のハウジングと、
（ｂ）前記空のハウジング内に配置された、アノード及び電子源であって、該アノードは前記電子源により放出された電子を受け取ることができるターゲット表面を有する、前記アノード及び電子源と、
（ｃ）前記電子源及び前記アノードの間に位置決めされたシールド構造であって、該シールド構造は該構造内に形成された開口を有し、該開口を通って、電子が前記電子源から前記ターゲット表面まで通過させられる、前記シールド構造と、
（ｄ）前記シールド構造の近傍に配置された少なくとも１つの流体通路であって、該流体通路は、冷却剤が通過し、これによって前記シールド構造の少なくとも一部分から熱を吸収することを可能にする、前記冷却通路と、
（ｅ）前記シールド構造の外側表面に配置された、複数の延長表面であって、該延長表面は、前記少なくとも１つの流体通路を通過した冷却剤と少なくとも部分的に接触し、且つ、前記シールド構造から前記冷却剤まで熱が転移されるように配位されている、前記複数の延長表面と、
を含む、Ｘ線管。
前記延長表面は、複数の隣接する環状フィンのエレメントから構成され、各々の環状フィンは、前記シールド構造の前記外側表面の回りに配置される、請求項１に記載のＸ線管。
前記延長表面は、前記流体通路の熱転移能力を増加させるように構成され配置されている、請求項１に記載のＸ線管。
少なくとも１つの流体通路内に配置されたコイル形成ワイヤを更に備える、請求項３に記載のＸ線管。
前記少なくとも１つの流体通路は、前記シールド構造の底部区分内に少なくとも２つの流体通路を画成する、流体通路として形成される、請求項１に記載のＸ線管。
前記２つの流体通路は、前記シールド構造の主要ボディ部分を開口ディスクに係合して取り付けることによって形成される、請求項５に記載のＸ線管。
前記少なくとも１つの流体通路は、前記シールド構造の側部内に形成された流体通路として形成される、請求項１に記載のＸ線管。
前記シールド構造の側部内に形成された流体通路は、該シールド構造がＸ線管ハウジングに作動的に取り付けられるとき、該シールド構造の外側周辺部の回りに形成された隣接する熱分散エレメントの間に形成される、請求項７に記載のＸ線管。
前記少なくとも１つの流体通路は、前記シールド構造の底部内に形成された少なくとも１つの流体通路と、該シールド構造の側部内に形成された少なくとも１つの流体通路と、を含む、請求項１に記載のＸ線管。
前記シールド構造の前記底部区分内に形成された流体通路と、該シールド構造の側部内に形成された流体通路とが流体連通している、請求項９に記載のＸ線管。
前記複数の延長表面は、前記シールド構造と一体成形されている、請求項１に記載のＸ線管。
前記少なくとも１つの流体通路は、冷却剤が該シールド構造の第１の区分及び第２の区分を通って流れることを可能にし、熱は、該第２の区分よりも大きい率で該第１の区分から転移される、請求項１に記載のＸ線管。
前記少なくとも１つの流体通路を通過した流れ冷却剤の一部分を、前記複数の延長表面の少なくとも一部分と直接交差するように差し向け、これによって、熱が該延長表面から差し向けられた冷却剤に転移される、流体流れ導管を更に含む、請求項１に記載のＸ線管。
前記シールド構造及び前記延長表面は、酸化アルミニウムで分散強化された銅合金から形成される、請求項１に記載のＸ線管。
前記シールド構造は、ブレーズ材料を用いて前記Ｘ線管ハウジングに取り付けられ、該ブレーズ材料は、該シールド構造及び該Ｘ線管ハウジングの水平及び垂直表面の両方に沿って形成された接続部に沿って配置される、請求項１に記載のＸ線管。
Ｘ線管のシールド構造部分を冷却するための方法であって、
（ａ）前記シールド構造内に形成された対応する通路を通る、少なくとも第１の流体経路及び第２の流体経路を設け、前記シールド構造は前記Ｘ線管のカソード及びアノードの間に直接位置決めされており、
（ｂ）前記第１の流体経路及び第２の流体経路の入口を通して液体冷却剤を前記第１の流体経路及び第２の流体経路に差し向け、
（ｃ）前記第１の流体経路及び第２の流体経路に接続された出口から液体冷却剤を吐出し、
（ｄ）前記シールド構造の外側表面に形成された複数の延長フィン表面を介して前記シールド構造の少なくとも一部の熱を前記吐出された液体冷却剤へと伝達させ、
（ｅ）前記液体冷却剤を冷却ユニットを通して循環させ、
（ｆ）前記工程（ｂ）乃至（ｅ）を繰り返す、各工程を含む、前記方法。
前記第１の流れ経路を通過した流体流れ率は、前記第２の流体経路の流体流れ率よりも大きい、請求項１６に記載の方法。