JP4431310B2 - 金属フレームｘ線インサートのコールドプレートウィンドウ - Google Patents

Description

【０００１】
発明の背景
本発明はＸ線写真技術に関する。本発明は、コンピューター化された断層撮影法（ＣＴ）のスキャナにおけるエックス線管と関連する特別の応用を発見し、特異的に言及して記述されるだろう。しかしながら、本発明はさらに、他の応用におけるエックス線管にしたがうかもしれないことが認識される。
【０００２】
ＣＴスキャナーは、走査中に静止しているままであるフロアを設置されたフレームアセンブリーを一般に含んでいる。Ｘ線管は、走査中に検査領域を受ける患者の周りを回転する回転式フレームアセンブリに設置される。Ｘ線管からの放射線は領域を受ける患者を透過し、放射線検出器のアレイに影響を与える。各サンプリング中のＸ線管の位置を用いて、患者による１つ以上の切片の断層撮影画像が再構成される。
【０００３】
Ｘ線管アセンブリは、一般的に、真空包を含有してハウジングを並べた鉛か、若しくは回転する陽極及び静止している陰極を保持するＸ線インサートを含む。冷却油は、Ｘ線インサート及びハウジングとの間で流れる。大きな高機能エックス線管では、Ｘ線インサートが、Ｘ線インサートからのＸ線の伝達を許容するためにその上に設置されているか若しくはろう付けされるベリリウムウィンドウを備えた金属シェルかフレームかもしれない。同様に、ハウジングは、Ｘ線出力ウィンドウを定義し、すなわち、Ｘ線がベリリウムウィンドウ及びＸ線出力ウィンドウを直接的に通過するかもしれないようなＸ線インサートのベリリウムウィンドウを備える配列である。
【０００４】
Ｘ線の生成中、電子は陰極の加熱されたフィラメントから照射され、陽極の焦点のスポットエリアに加速される。陽極を打ちつけ、数多の部分の電子、若しくは二次電子は取り囲んでいるフレームに弾み、熱に変換される。ベリリウムウィンドウは、ウィンドウが陽極の焦点スポットに近接しているために、加熱する二次電子の最も高い強度を受取る。熱は所望でなく、それは一般に廃熱と名付けられる。ＣＴスキャナー及び他のＸ線写真装置での執拗な問題の１つは、Ｘ線を生成する間に発生された廃熱を放散している。
【０００５】
廃熱を除去するために、冷却油はハウジングにより、Ｘ線インサートのまわりの冷却ジャケットを形成するＸ線インサートのまわりを頻繁に循環される。例えば、油は、ハウジングの片端にある出力アパーチャによって出されるかもしれないし、放熱器か若しくは熱交換器で循環し、ハウジングの反対端の入り口アパーチャに戻るかもしれない。戻った冷却された流体は、Ｘ線インサートから熱を吸収する、出力アパーチャに向かうハウジングにより軸方向に流れる。
【０００６】
この手法での廃熱の除去は常に、完全に効果的ではない。より詳細には、Ｘ線のインサートとハウジングとの間に流れることを単に冷却剤に強いることによる廃熱除去は、Ｘ線の出力ウィンドウのまわりで特に効果がない。密接した焦点のスポットからの二次電子及び熱の受容体である、ベリリウムウィンドウ及びその付近は優先的に熱される。さらに、ベリリウムウィンドウはフレームから外に突出して、最適の冷却を防ぐウィンドウ周辺の冷却剤の流れを一般に途絶えさせる。加えて、ハウジングのＸ線出力ウィンドウの形状は、冷却剤の流れを途絶えさせて、ベリリウムウィンドウへのその接近によって、ベリリウムウィンドウを通過することができる冷却剤の量を限定する。
【０００７】
ウィンドウが充分に冷却されていない場合、熱は、Ｘ線管の不良を引き起こす、ベリリウムウィンドウとＸ線インサートとの間のろう付け接合を破損する場合がある。さらに、ベリリウムウィンドウに近接する冷却剤は、ベリリウムウィンドウの残留炭素を煮沸し取り残すかもしれない。それがＸ線の画像の品質を下げるかもしれないので、そのようなコーティングは不適当である。
【０００８】
発明の概要
本発明の一つの態様と一致して、Ｘ線管アセンブリは、陽極と陰極を保持する、Ｘ線インサートを含む。Ｘ線インサートは、陽極に隣接するＸ線半透明ウィンドウを有している。コールドプレートは、Ｘ線半透明ウィンドウとサーマルコミュニケーションして設置されている。
【０００９】
本発明の別の態様と一致して、Ｘ線管の冷却方法が提供される。冷却流体の第一部分は、熱を除去するためにＸ線管を循環する。冷却流体の第二部分は、ウィンドウから熱を除去するＸ線管に配置されたＸ線半透明ウィンドウの周りに強いられる。冷却流体は、ウィンドウの周り及びＸ線管を冷却し、再循環する。
【００１０】
本発明の利点は、ベリリウムウィンドウとＸ線インサートとの間の結合に対する温度的な損傷の危険性を防御するか若しくは削減する性能を含む。
【００１１】
他の利点は、過熱によるＸ線管の欠損を削減若しくは防ぐことである。
【００１２】
本発明の他の利点は、冷却流体の過熱によるベリリウムウィンドウへの炭素の形成を削減するか若しくは防ぐことである。
【００１３】
本発明の他の利点は、高電圧の不安定の可能性を減少させるために冷却流体の誘電性の特性を維持することにある。
【００１４】
本発明のさらなる他の長所及び利点は、下記の詳細な記載の読み込みと理解によって当業者に明らかになるであろう。
【００１５】
本発明は、様々な構成部分及び構成部分の取り合わせ、並びに様々な段階及び段階の取り合わせをとるかもしれない。添付図は好ましい実施態様を例証するためだけの目的であって、本発明を制限するように構成されない。
【００１６】
好ましい実施態様の詳細な記載
図１を参照するに、ＣＴスキャナーは、データ収集中に固定された位置に維持される、設置されたフロア若しくは静止しているフレーム部分Ａを含んでいる。Ｘ線管Ｂは、静止しているフレーム部分Ａ内で回転可能で取り付けられている回転フレームＣに設置されている。Ｘ線管Ｂにより産出される熱は、油、水、冷却ガス、他の流体、及び前述に列記の組み合わせなどの冷却流体により熱交換機Ｄに転送される。
【００１７】
静止しているフレーム部分Ａは、検査領域１２を受取る患者を定義する穴１０を含んでいる。放射線検出器１４のアレイは、領域１２を受取る患者の周りに同心的に配置されている。回転式フレームＣを伴う静止しているフレーム部分Ａは、選択可能な角度で切片を走査するために傾けるか倒すことができる。制御卓１６は、画像の増強などを実行する、検出器のアレイ１４から出力信号の画像表現を再構築するための画像再構成プロセッサー１８を含んでいる。ビデオモニター２０は、再構成された画像表現を人間が読み取り可能な表示に変換する。制御卓１６はまた、画像表現をアーカイブするための適切なデジタル記憶メモリを含む。走査の開始、異なる種類の走査の選択、システムのキャリブレーションなどの様々な制御機能はまた、制御卓１６で実行される。
【００１８】
さらに図２を参照するに、Ｘ線管Ｂは、領域１２を受取る患者に向かうＸ線浸透性ウィンドウ２４を有するハウジング２２とハウジング２２に設置されるＸ線インサート２６を含んでいる。Ｘ線インサート２６は、ガラス、セラミック若しくは金属からなる。回転式の陽極２８は、ベアリングによってＸ線インサート２６に回転により設置され、陰極３０は回転式の陽極２８に隣接して設置されている。陰極３０からの電子は、Ｘ線の放射及び大量の熱を引き起こす、回転する陽極２８に対する高電圧によって推進される。Ｘ線インサート２６は、陰極３０に隣接して設置されたベリリウム若しくは他の低いＺ金属ウィンドウ３２とハウジング２２のＸ線浸透性ウィンドウ２４を含む。ベリリウムウィンドウ３２は、Ｘ線浸透性ウィンドウ２４により、Ｘ線インサート２６からの陰極３０及び陽極２８により産出されるＸ線をエリア１２を受取る患者まで通す。ベリリウムウィンドウ３２は、ベンディング、ろう付け若しくは任意の他の適切な手法で、Ｘ線インサート２６に付加される。陰極３０に電流を供給するための電気的な鉛板及び陽極２８に関連して大規模な負電位差の陰極３０にバイアスをかけるための鉛板は、陰極ウェル３４での膜を通過する。
【００１９】
Ｘ線がＸ線浸透性ウィンドウ２４を一旦通過し、領域１２を受取る患者を横切ると、適切なＸ線コリメーターは放射線を、従来の技術のようなファン若しくは円錐パターンで検査領域１２にかかる一つ以上の平面のビームに集中する。高電圧源３６及びポンプ３８などのＸ線管Ｂと関連する他の装置はまた、回転式フレームＣに設置されている。
【００２０】
Ｘ線管Ｂの作動中、ベリリウムウィンドウ３２の温度は素早く上昇する傾向にある。ウィンドウ温度の急激な上昇は、Ｘ線インサート２６内の熱い陽極２８からの熱の放射線だけでなく、ベリリウムウィンドウ３２及びそこに隣接するＸ線インサートエリア３９で衝突する二次電子からの運動エネルギーにより引き起こされる。ベリリウムウィンドウ３２、インサート２６、及びＸ線のインサート２６へのウィンドウ３２を設置するために使用される、結合する物質の相違する熱膨張係数は、温度増加として上昇する機械的なストレスを作り出す傾向がある。過度のウィンドウ温度は、インサート２６内の真空を破壊することができ、Ｘ線管Ｂの欠損を引き起こす、ウィンドウの接合の破損において潜在的に危険である。高いウィンドウ温度は、ウィンドウ３２の外部表面に近い冷却流体を過熱することができ、冷却流体の誘電性の特性を悪化し、高電圧の不安定な可能性を増大する。ウィンドウ３２に近い過熱された冷却流体はまた、炭化され粒子を形成するかもしれないために、不利益である。Ｘ線管Ｂ内に浮遊している電気的に伝導性の炭素粒子は、流体の安定性を悪化させ、アーキング（ａｒｃｉｎｇ）を引き起こす。この作用はＣＴスキャナーによって生成されるＸ線画像の質を劣化さするかもしれない。
【００２１】
図３を追加的に参照するに、コールドプレート４０は余剰熱を除去するためにベリリウム３２ウィンドウに統合されている。コールドプレート４０は、複数の波状のフィン４２、カバー若しくはシェル４４、入り口４６、及び出口４８からなる。ベリリウム若しくはアルミニウムなどの熱による伝導性物質の波状のフィン４２は、ベリリウムウィンドウ３２及び／若しくはその隣接するＸ線インサートエリア３９の縁エリア４９に構成されている。シェル４４はフィン４２を包含し、Ｘ線インサート２６の周りの周辺方向で流動性の通路を定義する。入り口４６及び出口４８は、ウィンドウ３２の縦方向に沿った流れを導くために配置されている。コールドプレート４０を横切る圧力損失を削減するために、入り口４６は滑らかな拡張セクション５０を含み、出口４８は幅広く開いている。冷却流体がコールドプレート４０に提供される場合、冷却流体は出口４８により放出し、Ｘ線管ハウジング２２内の冷却流体と混合する。シェル４４はアルミニウムからなることができる。したがって、このアルミニウムのシェルは、望ましいフィルター厚としてその厚さを設定することによりＸ線フィルタープレートとして使用されることができる。
【００２２】
代替として、コールドプレートシェル４０は、アルミニウムに代わってチタンから合成できる。チタンを使用する利点は、この金属は優れたＸ線透過性を有することである。さらに、シェル４０は、熱により伝導性でＸ線を伝達可能なプラスチックから合成することができる。
【００２３】
図１を参照するに、Ｘ線管Ｂを冷却するためには、加熱された冷却流体は、冷却流体循環ライン若しくは第一冷却流体ダクト５１により、Ｘ線管ハウジング２２から回転式フレームＣの熱交換機Ｄに循環される。冷却流体の循環は、流体ポンプ３８によりもたらされる。熱交換機Ｄから出た冷却された冷却油は、冷却流体返還ライン若しくは第二冷却流体ダクト５３を介してハウジング２２に返還される。冷却流体は、入り口アパーチャ５２によりハウジング２２に入る。冷却流体は、Ｘ線を産出する間に作り出された熱を吸収するＸ線管Ｂにより流れる。流体は、出口アパーチャ５４によりハウジング２２を出て第一冷却流体ダクト５１に向かい、熱交換器Ｄに戻り再循環する。
【００２４】
図２を参照するに、Ｘ線管Ｂの入り口５２に流れ込む冷却流体は、二つの流れに分配される。流体の第一の流れは、一般的にハウジング２２に向かい、一方で、管５６による第二の流れはコールドプレート４０に流れる。管５６は、コールドプレート４０の入り口４６に流動的に接続し、プラスチック若しくは任意の他の卑金属物質から合成できる。このように、管５６は、コールドプレート４０を介してベリリウムウィンドウ３２に冷却流体を直接的に提供する。管５６を出てコールドプレート４０に向かう流体は、コールドプレート４０の周りのハウジング２２による冷却流体の一般的な流れと相関して垂直に流れる。Ｘ線管ハウジング２２の入り口５２及び出口５４はハウジング２２の第一末端であり、第一のフローディバイダー５５により分離される。
【００２５】
第二のフローディバイダー５８は、Ｘ線インサート２６の軸面に沿って及びハウジング２２の入り口５２の垂直方向に沿ってハウジング２２の中間セクションに設置されている。第二のフローディバイダー５８は、ハウジング２２の二つの径路により流れる流体を強いるために使用される。より詳細には、第二のフローディバイダー５８は、ハウジング２２をベリリウムウィンドウ穴５９と反対の穴６１に分割する。穴５９、６１はハウジング２２の陰極側で流動的に接続されている。Ｘ線インサート２６の上半分、ハウジング２２の上半分、及び第二の流れディバイダー５８は、一般的にベリリウムウィンドウ穴５９を定義する。Ｘ線インサート２６の下半分、ハウジング２２の下半分、及び第二のフローディバイダー５８は、一般的に反対側の穴６１を定義する。
【００２６】
作動中に、熱交換機Ｄから供給された冷却流体は、Ｘ線管ハウジング２２の入り口５２に入る。冷却流体は第一及び第二の流れに分割される。第一の流れは、Ｘ線インサート２６の上半分を冷却するためにＸ線ハウジング２２に一般的に入り、ベリリウムウィンドウ穴５９に入る。第二の流れは、ハウジング２２の流れの入り口５２に流動的に接続している管５６によりコールドプレート３６及びコールドプレート４０の入り口４６に流れる。コールドプレート４０に導かれる冷却流体は、コールドプレート４０によって洗浄する間にコールドプレート４０の内部の活発な伝熱に従事する。冷却流体はコールドプレート４０を出て、ベリリウムウィンドウ穴５９で流体の流れと混合する。混合された冷却流体は、第二のフローディバイダーで１８０度反転する前に、ハウジング２２の陰極末端に向かって連続的に流れる。次いで、冷却流体は反対の穴６１に流れ込み、Ｘ線インサート２６の下半分を冷却する間にハウジング２２の出口５４に戻る。冷却流体はハウジング２２の出口５４から出て、Ｘ線管ハウジング２２内から吸収された熱を放出するために熱交換器Ｄに向かう。
【００２７】
コールドプレート４０とベリリウムウィンドウ３２を統合するために、波状のフィン４２はウィンドウ３２の縁のエリア４９及びウィンドウ３２に隣接するＸ線インサートエリア３９の周辺に構築される。シェル４４はＸ線インサート２６にろう付けされて、それによってコールドプレート４０を形成するためにウィンドウ３２とフィン４２を被膜する。多量の冷却流体は、フィン４２及びウィンドウ３２からの伝熱を増強するためにコールドプレート４０に導かれる。コールドプレートへの冷却流体は、Ｘ線ハウジング２２の入り口５２に位置するであろうフローディレクターにより管理され供給される。
【００２８】
図４を参照するに、本発明の代替となる実施態様において、第二及び独立している冷却ループはコールドプレート４０に冷却流体を提供するために使用される。冷却流体は、導管６０により第二熱交換器Ｅからコールドプレート４０に提供される。コールドプレート４０により流れている間に、冷却流体はベリリウムウィンドウ３２及びベリリウムウィンドウ３２を取り囲むＸ線インサート２６のエリア３９から熱を除去する。加熱された冷却流体はコールドプレート４０から返還導管６２に放出されて、第二ポンプ６４により熱交換機Ｅに戻って循環される。第一の熱交換器ＤはＸ線管Ｂのハウジング２２から出ている加熱された冷却流体を冷却するために継続しており、ハウジング２２による循環のための冷却された冷却流体をポンプ３８によって提供する。
【００２９】
コールドプレート４０から出ている冷却流体は、ハウジング２２による冷却流体の流れとはもはや合流しない。さらに、コールドプレート４０による冷却流体の流れは、Ｘ線ハウジングによる冷却流体の流れとの流動性のコミュニケーションでない。結果として、コールドプレート４０を冷却するために、非誘電体及び水を基にした流体を導入することが可能である。かかる冷却流体の使用は、ベリリウムウィンドウ３２を清潔に保つ一方で、コールドプレート４０の伝熱を増幅するであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明と一致するＣＴスキャナーの概略図である。
【図２】 図１のＸ線管アセンブリを概略する断面図である。
【図３】 波状のフィンを示すためにたシェルの一部分が削除されたコールドプレートの斜視図である。
【図４】 本発明の代替となる実施態様による冷却システムの概略図である。

Claims (15)

1. 陽極及び陰極を保持し、前記陽極に隣接するX線半透明ウィンドウを有するX線インサートと、
   複数のフィンが配置された冷却チャネルを定形するシェルを有するコールドプレートと、
   を有し、
   前記複数のフィンが内部に配置された前記シェルは、前記X線半透明ウィンドウと熱伝達が可能となるように、前記X線半透明ウィンドウの縁エリア及びX線インサート領域に設けられる、X線管アセンブリ。
2. さらに、X線ウィンドウを有しハウジング穴を定形するハウジングを有し、
   前記X線インサートは、前記ハウジングから離して前記ハウジング穴に配置され、両者の間に冷却流体貯蔵所が定形され、前記X線半透明ウィンドウは、前記X線ウィンドウと位置が揃えられ、
   前記ハウジングは、入り口アパーチャと出口アパーチャとを有し、
   前記入り口アパーチャは、前記冷却流体貯蔵所を、冷却流体循環ラインに流体的に接続し、
   該冷却流体循環ラインは、熱交換器と流体連通され、
   前記出口アパーチャは、前記冷却流体貯蔵所を、冷却流体返還ラインに流体的に接続し、
   該冷却流体返還ラインは、前記熱交換器と流体連通され、
   冷却流体は、ポンプにより、前記熱交換器、前記循環及び返還ライン、並びに前記X線インサートを通って循環されることを特徴とする請求項１に記載のＸ線管アセンブリ。
3. 前記冷却流体貯蔵所は、上部分と下部分とを有し、
   前記上部分は、フローディバイダー、前記X線インサート及び前記ハウジングによって定形され、
   前記上部分は、入り口アパーチャと前記下部分との間に、流体的に配置され、
   前記下部分は、前記フローディバイダー、前記X線インサート及び前記ハウジングによって定形され、
   前記下部分は、前記出口アパーチャと前記上部分の間に、流体的に配置されていることを特徴とする請求項２に記載のＸ線管アセンブリ。
4. 入り口及び出口アパーチャの両者は、前記ハウジングの一つの端部に配置され、前記ウィンドウは、上部分に隣接して配置され、前記入り口アパーチャにより、流体は、前記ハウジングに流入し、前記上部分を通り、前記下部分にまで至り、前記出口アパーチャから流出されることを特徴とする請求項３に記載のＸ線管アセンブリ。
5. 前記コールドプレートの入り口は、流体循環ラインに接続された液体ラインと流体連通されており、前記コールドプレートは、前記冷却流体貯蔵所内を流れる前記冷却流体よりも速い流速で前記液体ラインに流れる冷却流体を受容することを特徴とする請求項１乃至４の何れか一つに記載のＸ線管アセンブリ。
6. 前記コールドプレートは、入り口及び出口を有し、
   前記コールドプレートの前記入り口は、前記コールドプレートの第１の端部に配置された小さな拡張セクションを有し、
   前記出口は、幅広く開いており、前記コールドプレートの第２の端部に配置され、
   前記入り口及び出口は、前記X線半透明ウィンドウの周囲方向に沿って配向されていることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一つに記載のＸ線管アセンブリ。
7. 前記コールドプレートは、前記ウィンドウ及び該ウィンドウを取り囲む前記X線インサート上の領域から、熱を除去する波状のフィンを有することを特徴とする請求項１乃至６の何れか一つに記載のＸ線管アセンブリ。
8. 前記コールドプレートは、入り口及び出口を有し、
   前記入り口は、流体循環ラインと流体連通され、前記出口は、前記冷却流体貯蔵所と流体連通されていることを特徴とする請求項２乃至７の何れか一つに記載のＸ線管アセンブリ。
9. 前記コールドプレートは、
   平坦な拡張セクションを有し、前記コールドプレートを通る圧力低下を抑制する入り口と、
   前記入り口よりも実質的に大きな出口と、
   を有することを特徴とする請求項１乃至８の何れか一つに記載のＸ線管アセンブリ。
10. さらに、一つの端部が前記コールドプレートの入り口と接続され、隣接するその他の端部が冷却流体源に接続された液体ラインを有し、
    前記冷却流体源からの冷却流体は、前記冷却流体貯蔵所と前記液体ラインの間で分割されることを特徴とする請求項２乃至９の何れか一つに記載のＸ線管アセンブリ。
11. 前記コールドプレートは、前記ハウジングに対して周囲方向に拡張され、配向されていることを特徴とする請求項２乃至１０の何れか一つに記載のＸ線管アセンブリ。
12. 回転式フレーム部分のハウジング内に設置された請求項１乃至１１の何れか一つに記載のＸ線管アセンブリと；
    熱交換器、前記ハウジングの入り口アパーチャ、及び前記コールドプレートと流体連通された冷却流体循環ラインと；
    前記熱交換器、及び前記ハウジングの出口アパーチャと流体連通された冷却流体返還ラインと；
    前記冷却流体を、前記熱交換器、前記循環及び返還ライン、前記ハウジング、並びに前記コールドプレートを通るように循環させるポンプと；
    対象を通過する前記Ｘ線管アセンブリからのＸ線を電子データに変換するX線検出器のアレイと；
    前記電子データを画像表現に再構築する再構築プロセッサーと；
    を有するＣＴスキャナー。
13. Ｘ線管を冷却する方法であって、
    X線管全体に冷却流体の第１の部分を循環させて、熱を除去するステップと、
    前記冷却流体の第２の部分を、前記ウィンドウの周囲に向けることより、前記X線管に配置されたX線半透明ウィンドウから、熱を除去するステップと、
    前記冷却流体を冷却して、コールドプレートを介して、及び前記X線管全体に、前記冷却流体を再循環させるステップであって、
    前記コールドプレートは、フィンが内部に配置されたシェルを有し、該シェルは、前記ウィンドウの縁エリア及びX線インサート領域に形成される、ステップと、
    を有する方法。
14. 前記冷却流体の第２の部分を、前記ウィンドウの周囲に向けることにより、前記ウィンドウから、熱を除去するステップは、前記冷却流体の前記第２の部分を、前記X線管に対する周囲方向に流れるようにするステップを有することを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. 前記冷却流体の第２の部分を、前記ウィンドウの周囲に向けることにより、前記ウィンドウから、熱を除去するステップは、冷却流体の前記第１の部分の流れに対して、前記冷却流体の前記第２の部分の流れを制御し、前記第１の部分の全体的な流れに対して、前記第２の部分の流れが垂直になるようにするステップを有することを特徴とする請求項１３または１４に記載の方法。

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