JP4836577B2 - Ｘ線装置 - Google Patents

Description

この発明は、Ｘ線装置、ならびにＸ線装置に適用される回転陽極型Ｘ線管に関する。

回転陽極型Ｘ線管を用いたＸ線装置は、回転可能に支持された陽極ターゲットを真空外囲器内に収納した回転陽極型Ｘ線管本体と、陽極ターゲットが連結されたロータに対してＸ線管の外部から駆動磁界を提供するステータコイルと、Ｘ線管本体およびステータコイル両者を収納するハウジング等から構成されている。

ハウジングと回転陽極型Ｘ線管本体の隙間との間には、陽極ターゲット等から発生した熱を放熱する冷却媒体、例えば絶縁油や、水を主な成分として含む非油脂系冷却液が満たされている。すなわち、陽極ターゲット等からの熱は冷却媒体に放熱され、対流により冷却媒体が冷却されることにより、排熱される。この結果、陽極ターゲット等の発熱する要素が冷却される。この際、ステータコイルから生じた熱も同様に排熱され、結果として、ステータコイルも冷却される。なお、この種の密閉された冷却媒体を用いる冷却は、熱容量に余裕のある比較的小形のＸ線管に多く採用されている（例えば、実開昭５８−１６４１７１号公報）。

また、ステータコイルと回転陽極型Ｘ線管とを、非油脂系冷却液のなかでも熱伝達効率の大きい不凍液とした例も既に提案されている（例えば、特表２００１−５０２４７３号公報）。

しかしながら、油脂系冷却液を冷却媒体に用いた場合、例えばステータコイルの絶縁被覆材として広く利用されている含浸ワニス等が冷却媒体に溶出することにより、ステータコイルや絶縁油自身の絶縁性が低下してＸ線装置の寿命が低下する問題がある。

また、冷却媒体に非油脂系冷却液を用いる場合に特有の問題として、冷却媒体の電気伝導率が油脂系冷却液に比べて高いため、ステータコイルの絶縁を確保しなければならない問題がある。

この発明の目的は、冷却媒体を使用して、回転陽極型Ｘ線管を冷却するＸ線装置の特性を、長期に亘って安定に維持可能とすることである。

この発明は、Ｘ線を発生する陽極ターゲットと、前記陽極ターゲットに向けて電子を発生する電子放出源と、前記陽極ターゲットが連結されたロータと、前記ロータを回転させるための推進力を発生するステータコイルと、少なくとも前記陽極ターゲットと前記電子放出源と前記ロータを所定の真空度に維持する外囲器と、前記外囲器の周囲に水系冷却媒体を介在させることのできるハウジングと、前記電子放出源及び前記ステータコイルに電源を供給する電線材と、前記電線材及び前記ステータコイルを前記水系冷却媒体から絶縁するモールド材と、を具備するＸ線装置を提供するものである。

図１は、この発明の実施の形態が適用可能なＸ線装置の一例を説明する概略図。 図２は、この発明の実施の形態が適用可能なＸ線装置の別の一例を説明する概略図。 図３は、この発明の実施の形態が適用可能なＸ線装置のさらに別の一例を説明する概略図。 図４は、図１ないし図３により説明したＸ線装置に適用可能な冷却系（非油脂系冷却媒体のみを使用）の一例を説明する概略図。 図５は、図４に示したＸ線装置において、内部構造を説明するために、ハウジングの一部を取り外した状態を示す概略図。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１に示したように、例えばＸ線画像診断装置や非破壊検査装置に組み込まれ、対象物すなわち非検査対象に対して照射すべきＸ線を放射するＸ線装置１は、ハウジング３とハウジング３に収容され、所定強度のＸ線を所定方向に向けて放射可能なＸ線管本体（回転陽極型Ｘ線管）５を有する。

Ｘ線管本体５は、例えば主な成分が水であり、電気伝導率が所定の大きさ未満に管理された非油脂系冷却液７を介してハウジング３の所定の位置に収容されている。なお、冷却液７としては、周知の絶縁油等も利用可能である。

Ｘ線管本体５は、内部を所定の真空度に保持する外囲器９と、外囲器９内の所定の位置に設けられた陰極電子銃（熱電子放出源）１７と、電子銃１７から放出された電子が衝突されることにより所定波長のＸ線を放射する回転陽極（陽極ターゲット）１１と、陽極ターゲット１１が連結されたロータ１５（ロータ１５とターゲット１１とを合わせて回転部１３と呼称する場合もある）と、ロータ１５を回転させるための推進力すなわち磁界を提供するステータコイル１９と、外囲器９内の真空度を所定の条件に維持するため、内部で発生するガス（水素ガス等）を捕獲するゲッタ３１等を有する。なお、外囲器９の所定の位置には、回転陽極１１から放射されるＸ線を外部に出射するための、例えばベリリウム製の窓９ａが設けられている。

上述したＸ線管本体５において、陰極電子銃１７や、ステータコイル１９およびゲッタ３１等に電源を供給するための電源線すなわち電線材１７ｌ，１９ｌおよび３１ｌは、それぞれに設けられているターミナル部（コネクタあるいはコンタクトもしくは接触子と表示されることもある）と、ハウジング３に設けられる対応するターミナル部との間の電気的な接続に利用される。なお、個々の電線材は、ターミナル部等が用いられることなく、そのままハウジング３の外側まで延ばされてもよい。

任意の電線材１７ｌ，１９ｌあるいは３１ｌにおいて、ターミナル部と接続される部分すなわち電線材の導体が露出されている部分やターミナル部等において母材が露出されている部分は、樹脂等によりモールド（被複）されている（識別のために符号に「１００」を加算し、さらに「ｍ」を付加する、また、以下、モールド部と呼称する）。なお、個々のモールド部を提供するために用いられる樹脂材料としては、耐熱性や耐薬品性に優れた、例えばエポキシ樹脂やフッ素樹脂等が好ましい。

個々のモールド部１１７ｍ，１１９ｍあるいは１３１ｍは、少なくともハウジング３や外囲器９の孔の近傍あるいは図示しないコネクタ等の周囲に、冷却液が外囲器９内部に浸透することを防止可能に、形成される。なお、冷却液７と触れることある電線材の全ての領域がモールドされてもよいことは、いうまでもない。

特に、ステータコイル１９向けの電線材が、例えば含浸ワニス等の、冷却液７が内部に浸透する虞れのある材料である場合は、ステータコイル１９の周囲の全域にモールド材が配置されてもよい（ステータコイル１９がモールド材により完全に被覆されてもよい）。なお、ステータコイル１９をモールドすることにより、ステータコイル１９に電流が流れた場合に生じる騒音（電磁音）も低減される。

ステータコイルのモールド材としては、前記した樹脂に例えばアルミナ（酸化アルミ）又は窒化アルミもしくは窒化ホウ素等の絶縁性が高く、しかも樹脂よりも熱伝導性の良い材料からなる粉を分散させたものが好適である。

このように、冷却液に浸る電線材（電源線）もしくはコネクタの周囲を絶縁性が高い、モールド材により、被覆（モールド）することにより、冷却液として用いることのできる媒体の材質の自由度を高めることができる。この場合、冷却媒体としては、例えばエチレングリコールやプロピレングリコール等のグリコール類や、水とグリコール類とが混合された混合液等が利用可能である。

図２および図３は、図１に示した回転陽極型Ｘ線管を含むＸ線装置の別の実施の形態を説明する概略図である。なお、図１を用いて前に説明したと同様の、または類似した構成には、同じ符号を付して詳細な説明を省略する。

図２に示すように、Ｘ線管本体５は、例えば主な成分が水であり、電気伝導率が所定の大きさ未満に管理された非油脂系冷却液７を介してハウジング３の所定の位置に収容されている。なお、冷却液７としては、周知の絶縁油等も利用可能である。

ハウジング３内に満たされた冷却液７は、ハウジング３の所定の位置に設けられた第１および第２の接続部Ｃ０１およびＣ０２を経由して、ハウジング３の外部の所定位置に設けられ、冷却液７を強制的に冷却する冷却ユニット２１により冷却されるとともに、冷却ユニット２１と一体に、または冷却液７が流れる経路内の任意に位置に組み込まれているポンプ２１ａにより所定の流量でハウジング３と冷却ユニット２１との間を循環される。なお、ポンプ２１ａは、好ましくはギアポンプである。

従って、ステータコイル１９や外囲器９内、特に陽極ターゲット１１の近傍で生じる熱が冷却液７を介して冷却ユニット２１に排熱される。これにより、Ｘ線出力の大きなＸ線管本体が組み込まれた場合であっても、効率よく冷却されるので、特性が安定で長期に亘って所定のＸ線出力が維持可能なＸ線装置１が得られる。

なお、図３に示すように、冷却ユニット２１とポンプ２１ａにより循環される冷却液７は、最も発熱量の大きな陽極ターゲット１１と電子銃１７および電子銃１７を囲むように設けられる反跳電子捕捉トラップ（シールド構体）２３やロータ１５の内側にも、例えば冷却液流路Ｃ１１やＣ１２を介して循環されてもよい。

この場合、外囲器９内に循環される冷却液と、外囲器９とハウジング３との間を循環される冷却液とは、流路の構成により、同一の冷却液により循環可能となる。

図４は、図３に示したＸ線装置のＸ線管本体内の陽極ターゲットおよび陽極ターゲットとロータとからなる回転ユニットの軸部を、より効率よく冷却する冷却系の一例を示す。

図４に示すように、冷却ユニット２１のポンプ２１ａにより送出される冷却液７は、熱交換器２１ｂで冷却され、接続点Ｔ４およびハウジング３の接続点Ｔ１とを経由し、陽極ターゲット１１の回転ユニット１３の固定軸１３ａのパイプ１３ｈに、配管Ｐ１０１を介して案内される。なお、冷却媒体の流路は、Ｘ線管本体５の少なくとも一部に近接して設けられ、配管Ｐ１０１を含む第１冷却路Ｃ１０１、第２冷却路Ｃ１０２、および第３冷却路Ｃ１０３からなる。

第２冷却路Ｃ１０２は、電子銃１７近傍および反跳電子捕捉トラップ２３に冷却媒体７を案内し、第３冷却路Ｃ１０３は、反跳電子捕捉トラップ２３から陽極ターゲットの裏面に対向する位置に設けられた円盤状空間２７に冷却媒体７を案内する。なお、円盤状空間２７の導出口Ｃ１３２から排出された冷却媒体７はハウジング３の内部空間３ｂを経由して、冷却ユニット２１へ戻される。

より詳細には、図４に示すＸ線装置において、冷却媒体が供給される流路は、冷却ユニット２１のラジエータ２１ｂから、配管Ｐ１０１により、ロータ１５の固定軸１３ａのパイプ１３ｈに直接、接続される（導入口Ｃ１１１，第１冷却路Ｃ１０１）。

パイプ１３ｈに案内された冷却媒体は、固定軸１３ａ内の空胴すなわち円筒状の固定軸１３ａ内に設けられたパイプ１３ｈと軸１３ａとの間に規定される空間を通って、導入口Ｃ１１１の外周、かつ近傍に規定される導出口Ｃ１１２から、配管Ｐ１０２に案内され、陰極１７の周囲すなわち反跳電子捕捉トラップ２３と陽極ターゲット１１の近傍に位置されている第２冷却路Ｃ１０２に案内される。すなわち、固定軸１３ａを循環した冷却媒体は、導入口Ｃ１２１から反跳電子捕捉トラップ２３の近傍に案内され、導出口Ｃ１２２へ排出される。

反跳電子捕捉トラップ２３を循環された冷却媒体は、配管Ｐ１０３を通じて、真空容器９の外側、かつステータコイル１９の近傍に、回転ユニット１３の図示しない回転軸と直交するように設けられた壁面２５により外囲器９を囲む形状に設けられた壁面２５により規定される円盤状空間２７として定義されている第３冷却路Ｃ１０３の導入口Ｃ１３１に案内される。

円盤状空間２７は、その中心部を挟んで導入口Ｃ１３１から１８０°の位置に形成されている導出口Ｃ１３２と接続されている。

冷却媒体は導入口Ｃ１３１から円盤状空間２７に導入され、導出口Ｃ１３２からハウジング３の内部空間３ｂに排出される。このためハウジング３の内部空間３ｂは冷却媒体で満たされる。なお、内部空間３ｂに導入さえた冷却媒体は、接続点Ｔ２から配管Ｐ１０４を通じて、冷却ユニット２１に戻される。

換言すると、図４に示す冷却機構においては、冷却ユニット２１のラジエータ（熱交換器）２１ｂと導入口Ｃ１１１（第１冷却路Ｃ１０１）との間、導出口Ｃ１１２（第１冷却路Ｃ１０１）と導入口Ｃ１２１（第２冷却路Ｃ１０２）との間、導出口Ｃ１２２（第２冷却路Ｃ１０２）と導入口Ｃ１３１（第３冷却路Ｃ１０３）との間は、それぞれ、配管Ｐ１０１、Ｐ１０２およびＰ１０３により相互に連結されている。なお、配管Ｐ１０２およびＰ１０３は、その一部がハウジング３の外側に示されているが、いずれもハウジング３内に設けることができ、その位置（パイプ配置）は、図示の例に制限を受けることはない。また、任意の配管あるいは導入口もしくは導出口は、例えばホースにより接続され、しかも少なくとも一端が着脱可能であることはいうまでもない。

図４に示した冷却流路によれば、熱交換器２１ｂから送出された冷却媒体は、発熱量の大きな回転ユニット１３の軸受け部となる回転体１３ｂと固定軸１３ａとを第１に冷却する。従って、動圧流体軸受けが焼き付くことが、確実に防止できる。また、ゲッタ３１やステータコイル１９の周辺も、確実に冷却される。

ステータ１９は、ハウジング３内において、Ｘ線管本体５とともに、冷却媒体に浸されることから、たとえば絶縁性および耐水性が高く、しかも熱伝導率の高い樹脂材料等によりモールドされることが好ましい。

モールドに利用可能な樹脂材料としては、例えばエポキシ樹脂、タールエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂、フッ素樹脂、シリコーン樹脂、ポリウレタン樹脂の中から選ばれた樹脂またはそれを主成分とする混合樹脂を使用することができる。

また前記したようにモールド材の熱伝導性を向上させるために、上記樹脂中にアルミナ又は窒化アルミもしくは窒化ホウ素等の粉末を分散させても良い。

これにより、ステータ１９の周囲は、水系冷却媒体に接することがなく、電気絶縁性の低下を防止することが可能となる。

図４に示したＸ線装置においては、冷却媒体を水系冷却媒体の１種類のみとすることができ、コストが低減可能で、しかもメンテナンスも容易である。また、水系冷却媒体は、絶縁油と比較して熱伝達効率が高いため、装置全体の熱を効率よく放出可能となる。

また、水系冷却媒体は、絶縁油（非油脂系冷却媒体）に比較して粘性係数が小さいことから、ポンプ２１ａに作用する負荷が低減される。従って、冷却媒体が循環される流量が安定化される。しかも、冷却機構による冷却媒体の冷却能力が向上されることから、比較的負荷が大きいとされる動圧流体軸受けが損傷する（焼き付く）虞れが低減される。

図５は、図４に示したＸ線装置において、内部構造を説明するために、ハウジングの一部を取り外した状態を示している。

図５に示されるように、ステータコイル１９の周囲の所定の位置に設けられるモールド材１１９ｍは、ハウジング３にステータコイル１９（Ｘ線管本体５）を固定するための固定ブロック１９ｓを兼用する。もちろん、固定ブロック１９ｓは、電線材１９ｌのモールドに用いられる部分と別々であってもよいことはいうまでもない。

なお、Ｘ線管本体５の外囲器９をハウジング３に固定する際に利用可能となる固定ブロック９ｓが外囲器９の所定の位置に、任意の電線材をモールドするために利用されるモールド材が供給される工程において、外囲器９と一体的に形成されてもよい（図５は、既にモールドが形成された状態を示している）。

このように、ステータコイル１９やゲッタ３１の電線材をモールドする際に、モールドに利用されるモールド材を、外囲器９の所定の位置あるいは電線材をモールドするために不可欠な領域とは異なる領域に配置し、その（モールドされた）部分を、ハウジング３と外囲器９やステータコイル１９とを固定するための位置決め部（固定ブロック）とすることも可能である。

なお、モールド材によりハウジングと外囲器やステータコイルとを固定するための位置決め部（固定ブロック）を一体に形成することで、Ｘ線装置を組み立てる際の工数が低減されるとともに、ハウジング内のＸ線管本体（外囲器）の位置を正確に設定（組み立て）可能となることはいうまでもない。また、外囲器やステータコイルに固定ブロックをモールドにより設けることにより、ハウジング内でＸ線管本体に働く外力の影響を吸収でき、輸送時に損傷を受けることも低減される。

なお、この発明は上記した実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を種々変形して具体化することができる。また、上記した実施の形態に開示されている複数の構成要素を適宜に組み合わせることにより、種々の発明を形成することができる。例えば、実施の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。

以上説明したように、この発明によれば、油脂系冷却液を用いて発熱部分で生じる熱を排熱（冷却）する際に、内部に用いられる電線材がワニス含浸材を含む場合であっても冷却液の絶縁性が低下することがなく、効率よく排熱されるので、Ｘ線管から放射されるＸ線の特性が長期に亘って安定に維持される。

また、この発明によれば、ステータコイルに電流が流れることにより生じる騒音（電磁音）が低減される。

さらに、この発明によれば、冷却液の絶縁性（導電性）を考慮する必要がなく冷却効率の高い冷却媒体が利用可能で、冷却効率が向上される。

この発明によれば、冷却媒体を使用して回転陽極型Ｘ線管を冷却するＸ線装置において、長期に亘って安定な特性が確保できる。これにより、Ｘ線装置が組み込まれる、例えばＸ線画像診断装置や非破壊検査装置の寿命が増大される。また、Ｘ線装置自身の寿命も増大されるので、Ｘ線画像診断装置や非破壊検査装置のランニングコストも低減される。

Claims (7)

1. Ｘ線を発生する陽極ターゲットと、
   前記陽極ターゲットに向けて電子を発生する電子放出源と、
   前記陽極ターゲットが連結されたロータと、
   前記ロータを回転させるための推進力を発生するステータコイルと、
   少なくとも前記陽極ターゲットと前記電子放出源と前記ロータを所定の真空度に維持する外囲器と、
   前記外囲器の周囲に水系冷却媒体を介在させることのできるハウジングと、
   前記電子放出源及び前記ステータコイルに電源を供給する電線材と、
   前記電線材及び前記ステータコイルを前記水系冷却媒体から絶縁するモールド材と、
   を具備するＸ線装置。
2. 前記モールド材は、樹脂を含む請求項１記載のＸ線装置。
3. 前記モールド材は、熱伝導率を高めることのできる電気絶縁材料を含む請求項２記載のＸ線装置。
4. 前記水系冷却媒体は、グリコール類を含む請求項１記載のＸ線装置。
5. 前記水系冷却媒体は、水を主な成分としたグリコール類との混合液を含む請求項１記載のＸ線装置。
6. 前記水系冷却媒体は、冷却ユニットにより冷却されて循環される請求項１記載のＸ線装置。
7. 前記水系冷却媒体は、少なくとも前記陽極ターゲットと前記電子放出源との近傍を循環される請求項６記載のＸ線装置。

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