JP5315914B2

JP5315914B2 - Ｘ線管装置

Info

Publication number: JP5315914B2
Application number: JP2008268633A
Authority: JP
Inventors: 寛朗八木
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2008-10-17
Filing date: 2008-10-17
Publication date: 2013-10-16
Anticipated expiration: 2028-10-17
Also published as: JP2010097856A

Description

本発明は、医用診断用のＸ線管装置に係り、特に、陽極が外囲器と一体となって回転するＸ線管装置の技術に関する。

従来のＸ線管装置として回転陽極型Ｘ線管装置があり、これは内部が真空である外囲器の中で、陰極から放出された電子ビームが、回転する陽極に衝突することで、Ｘ線を発生させる。しかし、近年、新しいタイプのＸ線管装置として、外囲器とモータとを直結して、外囲器ごと回転させる外囲器回転型のＸ線管装置がある。陽極が外囲器と一体となって回転し、軸中心に設けられた陰極からの電子ビームを偏向コイルにより偏向させて、陽極のターゲットディスク上の所定位置に衝突させてＸ線を発生させる。

また、外囲器回転型のＸ線管装置には、回転する外囲器の外部に、絶縁容器が外囲器を取り囲むように配設されており、さらに、絶縁容器を収納するようにハウジングが構成されている。ハウジング内には絶縁油が充填されており、この絶縁油は、外囲器と絶縁容器との間（以下、ギャップ間と称す）にも循環して外囲器を冷却する。外囲器が高速で回転することにより、陽極で発生した熱を絶縁油に効率的に伝達し、外囲器の回転によるポンプ作用で絶縁油を効率的に循環させることができる。このようなＸ線管装置として特許文献１に例示されている。

ギャップ間に流れる絶縁油は、高速で回転する外囲器の壁面から絶縁油の粘性力によりギャップ内部にまで加速されるが、固定されている絶縁容器の壁面において減速される。つまり、外囲器の壁面に接している絶縁油は外囲器の回転速度と同じ速度であり、固定されている絶縁容器の壁面に接している絶縁油の速度はゼロである。このように、ギャップ間において絶縁油は、速度ゼロから高速で回転する外囲器の速度までの速度分布を有する。このギャップ間の絶縁油の速度分布は、図１０に示すような曲線である。図１０の横軸は外囲器の壁面からの距離を示している。

図１０によれば、外囲器の壁面近傍の絶縁油は一番大きな速度であるが、壁面から離れるにつれ急激に速度が低下し、その後、ほぼ速度が一定な区間となり、絶縁容器の壁面近くでまた、急激に速度が小さくなり、絶縁容器の壁面では速度がゼロとなる。このような速度分布であるので、速度分布曲線に変曲点が存在し、この変曲点における速度をギャップ間に流れる絶縁油の主流の速度Ｖsとすることができる。また、別の観点からみると、外囲器の壁面および絶縁容器の壁面のそれぞれから変曲点での主流の速度Ｖsに対して境界層を形成しているとみなすこともできる。このように考えると、外囲器の壁面から主流速度まで減速される境界層Ａと、絶縁容器の壁面から主流速度Ｖsまで加速される境界層Ｂと、速度が略一定な区間で境界層Ａと境界層Ｂに挟まれた中間層との３つの層がギャップ間に形成される。ここで、速度が略一定である基準として、主流速度Ｖsの±１％の速度範囲である区間を中間層の区間とする。また、境界層Ａおよび境界層Ｂには、それぞれ壁面の速度の影響を一番受ける内層と、壁面の回転トルクの影響が小さい外層とに分けられる。

しかしながら、このような構成を有するＸ線管装置の場合に、次のような問題が発生した。それは、Ｘ線管装置を作動させると、Ｘ線管装置全体に振動が発生するのである。Ｘ線管装置に振動が発生すると、Ｘ線管より照射されるＸ線の光軸がずれてしまうので、Ｘ線撮影に支障をきたす。
米国特許第７，０２５，５０２号明細書

本発明者は鋭意研究の結果、以下の知見を得た。すなわち、Ｘ線管装置に発生する振動の原因がギャップ間に発生するテイラー渦などの２次流れに関係があることである。すなわち、ギャップ間の絶縁油中には、外囲器の回転方向の主流の他に２次流れが発生し、この２次流れが、回転系の振動や騒音を増大させる原因となる。

さらに本発明者は、ギャップ間距離と、ギャップ間を流れる絶縁油の境界層の厚みと、ギャップ間に発生する２次流れとの間に関係があることを発見し、図１０に示す中間層の距離が長ければ長いほど、テイラー渦の渦の大きさが大きくなることを発見した。このテイラー渦の大きさが大きくなればなるほど、ギャップ間の絶縁油の流れが不安定になり、振動を発生させるのである。また、流れ場の乱れによるエネルギーロスにより、外囲器を回転させるトルクを増大させる原因にもなる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、外囲器と絶縁容器とのギャップ間において、絶縁油の２次流れを抑制することで振動の発生を抑制することができるＸ線管装置を提供することを目的とする。

本発明は、このような目的を達成するために、次のような構成をとる。
すなわち、請求項１に記載の発明は、Ｘ線管装置であって、電子ビームを発生させる陰極と、前記陰極からの電子ビームの衝突によりＸ線を発生させる陽極と、前記陰極および前記陽極を内部に収容しつつ前記陽極と一体となって回転する外囲器と、前記外囲器とともに冷却用流体を内部に収容する絶縁容器とを備え、前記外囲器と前記絶縁容器とのギャップ間に流れる前記冷却用流体の速度分布曲線には変曲点が存在し、前記外囲器の壁面および前記絶縁容器の壁面からそれぞれ形成される前記冷却用流体の境界層が互いに干渉することを特徴とする。

上記構成によれば、外囲器の壁面および絶縁容器の壁面から形成される境界層が互いに干渉する程ギャップ間の距離が短いので、テイラー渦などの渦の大きさが制限され、２次流れを抑制し、振動の発生を抑制する。これより、回転トルクの増加を抑制することができる。また、外囲器と絶縁容器との間に流れる冷却用流体の速度分布曲線に変曲点が存在するので境界層が保持されており、境界層が消失して冷却用流体の流速の速度勾配が急にならないので、摩擦トルクを低減することができる。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のＸ線管装置において、前記絶縁容器とともに冷却用流体を内部に収容するハウジングとを備え、前記絶縁容器と前記ハウジングとが接合されていることを特徴とする。

上記構成によれば、絶縁容器とともに冷却用流体を内部に収容するハウジングと、絶縁容器とが接合されているので、絶縁容器が確実に固定され、絶縁容器と外囲器とのギャップ間距離を適正に保持することができる。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載のＸ線管装置において、前記外囲器と前記絶縁容器とのギャップ間距離が１ｍｍ以上２ｍｍ以下であることを特徴とする。

上記構成によれば、外囲器と絶縁容器とのギャップ間距離が１ｍｍ以上２ｍｍ以下であるので、外囲器の壁面および絶縁容器の壁面から形成される境界層が互いに干渉する程ギャップ間距離が短いので、２次流れが抑制される。これより、X線管装置の振動を抑制することができ、回転トルクの増加も抑制することができる。

本発明に係るＸ線管装置によれば、外囲器と絶縁容器とのギャップ間において、絶縁油の２次流れを抑制することで振動の発生を抑制することができるＸ線管装置を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
図１は、実施例に係るＸ線管装置の概略断面図である。

図１に示すように、本実施例に係る外囲器回転型のＸ線管装置１は、真空排気された外囲器２を備えている。この外囲器２内に、高温に加熱され熱電子を放出するフィラメント３と、このフィラメント３を溝の中に取り付けた集束電極４とを収容し、この２つで陰極５を構成する。

陰極５と対向位置の外囲器２の端面には陽極６を配設している。陰極５および陽極６には、スリップリング機構（図示省略）により陰極側回転軸７および陽極側回転軸８を介して、高電圧発生源（図示省略）から高電圧を印加している。これより、加熱されたフィラメント３から発生した電子は、高電圧が作る電界により陽極６に向けて加速して、電子ビームを形成する。電子ビームは、外囲器２外に設けられた偏向コイル９により偏向され、陽極６のターゲットディスク傾斜部に衝突し、Ｘ線を発生させる。Ｘ線は外囲器２の放射口１０から放射される。なお、偏向コイル９は、外囲器２の外部に配設された後述する絶縁容器１１の外部に設けられ、外囲器２と絶縁容器１１とは互いに近接している。

外囲器２は、ステンレス鋼などの金属で形成される。これより、回転体としての機械的強度を増すことができる。なお、Ｘ線が放射される放射口１０を、アルミニウム、チタンなどのＸ線透過性のよい金属で形成する。陽極側の外囲器２の大径は１１０ｍｍ〜１４０ｍｍ程度である。フィラメント３は、電子源として線状のタングステンコイルやタングステン板などのフィラメントが用いられる。

外囲器２の陰極５側には回転軸７を挿入し、陽極６側にも回転軸８を装着している。陽極６側の回転軸８は回転駆動部（図示省略）に連結されて回転し、これに伴い外囲器２も回転する。外囲器２の回転速度は１０，０００ｒｐｍ程度と非常に高回転である。

次に、外囲器２を取り囲む絶縁容器１１およびハウジング１２の具体的な構造について説明する。図１に示すように、回転する外囲器２の外部には絶縁容器１１が外囲器２を取り囲むように配設されており、外囲器２と絶縁容器１１との間のギャップには冷却用の絶縁油１３が充填されている。絶縁容器１１は外囲器２の形状に合わせて取り囲んでおり、上述したように外囲器２と絶縁容器１１とは互いに近接している。外囲器２と絶縁容器１１とのギャップ間距離は、１ｍｍ以上２ｍｍ以下である。この絶縁容器１１の陰極５及び陽極６側の両側面部は、陰極側回転軸７の同軸上に軸受１５を介して保持されるとともに、陽極側回転軸８の同軸上にも軸受１６を介して保持されている。また、外囲器２と絶縁容器１１の陰極５及び陽極６側の両側面部との間にも、１ｍｍ以上２ｍｍ以下の隙間が設けられている。絶縁容器１１は非金属性の材料で形成されており、例えばエポキシ樹脂などの合成樹脂から形成されている。

本実施例では、絶縁油１３の動粘度は２０℃〜１００℃の範囲において１８〜２［ｍｍ^２／ｓ］程度のものを採用している。絶縁油１３は、本発明における冷却用流体に相当する。

絶縁容器１１のさらなる外部には、絶縁容器１１や外囲器２とともに絶縁油１３を内部に収容するハウジング１２を配設している。絶縁容器１１には開口部１４を設け、その開口を通して、ハウジング１２に収容された絶縁油１３は絶縁容器１１内外間で互いに移送することが可能である。開口部１４の位置は図１に示した位置に限られず、適宜決めればよい。

以上のように、絶縁容器１１は、高速で回転する外囲器２により乱れる絶縁油１３の流れをハウジング１２内で安定させるととともに、アース電位である偏向コイル９と高電圧が負荷されている外囲器２との絶縁性を確保している。

なお、ハウジング１２に、絶縁油１３を交換する循環路（図示省略）を設けてもよい。この場合には、熱せられた絶縁油１３を循環路内で交換することができるので、外囲器２の陽極６を効率よく冷却することができる。

外囲器２と絶縁容器１１とのギャップ間の距離が長ければ、既に説明したように、中間層で発生する２次流れの渦が大きいので、外囲器２に振動が発生する。そこで、ギャップ間の距離を短くすると、図２に示すように、中間層が変曲点の近傍にしか形成されず、ほとんど消滅してしまう。そして、それぞれの境界層ＡおよびＢの外層ＡおよびＢが互いに干渉し始める。このように、境界層同士が互いに干渉をし始める程ギャップ間の距離が短いと、テイラー渦などの渦の大きさが制限され、２次流れを抑制することができる。これより、外囲器２、陰極側回転軸７、陽極側回転軸８などの回転系の振動を抑制することができる。

さらに、ギャップ間の距離を短くすると、絶縁油１３の速度分布曲線における変曲点が消失し、図３に示すような速度分布曲線または直線となり、速度分布曲線または直線の勾配が大きくなる。速度分布曲線の勾配が大きくなると回転トルクに負荷がかかり、回転駆動するモータの容量を大きくしなければならない。

本実施例の回転系の振動の計測結果を図４に示す。図４のグラフは、陽極側回転軸８上に鉛直方向の加速度センサを取り付けて測定したものである。つまり、回転系の鉛直方向の振動を陽極側回転軸８の加速度を測定することで計測している。この測定結果によれば、ギャップ間の距離が短くなればなるほど、振動が減少しているが、ギャップ間が２ｍｍ以下になるとほぼ同じ値に収束する。つまり、ギャップ間距離が８ｍｍから２ｍｍまでの間には、中間層が存在し、回転系の振動に影響する程の渦の大きい２次流れが発生すると考えられる。ところが、ギャップ間距離が２ｍｍ以下になると中間層が消滅して互いの境界層が干渉し始めるので渦の大きさが制限され、この結果、２次流れが抑制されて回転系の振動がほぼ安定する。

本実施例のモータの回転トルクを図５に示す。ギャップ間距離が８ｍｍから４ｍｍまでは、２次流れの渦により摩擦トルクが発生するので、ギャップ間の距離を短くすればするほど、モータの回転トルクが低下する。
しかし、ギャップ間距離が２ｍｍ以下になると、互いの境界層が干渉し始めるので、速度分布曲線の勾配が大きくなり、摩擦トルクが増加する。さらに、ギャップ間距離が１ｍｍ未満になると絶縁油１３の速度分布曲線における変曲点が消失するので、さらに速度分布曲線の勾配が大きくなり、摩擦トルクが増加する。

本実施例の外囲器２と絶縁容器１１とのギャップ間の距離が２ｍｍの場合と４ｍｍの場合の速度分布曲線のシミュレーション結果を図６および図７に示す。図６によれば、ギャップ間の距離が２ｍｍの場合、速度分布曲線に変曲点が存在するが、変曲点近傍におい中間層が存在しない。これに対して、ギャップ間の距離が４ｍｍの場合、速度分布曲線に変曲点が存在するが、変曲点近傍において速度勾配が略一定となっており、中間層が存在する。この中間層にて２次流れが発生し、図４に示すように、回転系に振動が生じる。このように、ギャップ間を流れる絶縁油１３の速度分布のシミュレーション結果と陽極側回転軸８の加速度の計測結果およびモータの回転トルクの計測結果とに密接な関係がある。

また、ギャップ間の距離が２ｍｍの場合と４ｍｍの場合の速度分布曲線を比べると、ギャップ間距離は２倍異なるが、各境界層の内層の厚みはほとんど変わらない。つまり、ギャップ間の距離が２ｍｍの場合と４ｍｍの場合とにおいて各境界層の内層における急激な速度勾配に差がほとんどないので、摩擦トルクがほぼ一定である。図５に示すモータの回転トルクもほぼ一定である。

外囲器２と絶縁容器１１とのギャップ間距離が１ｍｍ未満であると、絶縁油１３の速度分布曲線における変曲点が消失し、図３に示すように速度分布曲線の勾配が大きくなる。速度分布曲線の勾配が大きくなると絶縁油１３の摩擦トルクが増加するので、モータの回転トルクに負荷がかかる。図５に示すように、ギャップ間の長さが１ｍｍ未満であると回転トルクの傾きが大きくなっており、絶縁油１３の速度分布曲線における変曲点が消失していると推測される。回転トルクが増加すると、外囲器を回転させるモータの容量が増え、モータの発熱量が増大し、モータ自体も大型化する。

また、ギャップ間距離が２ｍｍを超えると、外囲器２の壁面と絶縁容器１１の壁面からそれぞれ形成される境界層の間に中間層が形成され、各境界層間で干渉が生じなくなる。この結果、中間層においてテイラー渦などの渦の大きさが増大し、２次流れの勢いが加勢され、回転軸の振動が増大する。

このように、Ｘ線管装置に振動が発生すると、Ｘ線の光軸がズレてしまい、正確にＸ線透視画像が撮影できなくなるおそれもある。さらには、振動が発生すると、騒音も発生するので、被検体となる患者に不安を与えることになるので、Ｘ線撮影装置のＸ線管装置として好ましくない。

本実施例に係るＸ線管装置１によれば、外囲器２と絶縁容器１１とのギャップ間距離が１ｍｍ以上２ｍｍ以下に設定されているので、絶縁油１３は理想的な速度分布を形成することができる。このギャップ間距離であれば、ギャップ間に流れる絶縁油１３の速度分布曲線には変曲点が存在し、外囲器および絶縁容器からそれぞれ形成される境界層が互いに干渉する。これより、ギャップ間において絶縁油１３の２次流れを抑制することができるので、回転系を介してX線管装置１全体に発生する振動を抑制しつつ、モータの回転トルクに負担がかからないＸ線管装置１を構成することができる。また、モータの容量を抑制することができるので、X線管装置１の小型軽量化が可能になる。

本発明は、上記実施形態に限られることはなく、下記のように変形実施することができる。

（１）上述した実施例では、外囲器２の形状はラッパ型であったが、外囲器２の形状は特に限定されない。図８に示すように、偏向コイルを中心にして両側にいくにしたがって径が大きくなる形状の外囲器２１を備えたX線管装置２０でもよい。この場合、絶縁容器２１も外囲器２１の形状同様に、偏向コイルを中心にして両側にいくにしたがって径が大きくなる。

（２）上述した実施例では、絶縁容器１１を陰極側回転軸７および陽極側回転軸８に軸受１５、１６を介して保持していたが、図９に示すように、絶縁容器３１とハウジング１２とを接合したX線管装置３０でもよい。絶縁容器３１の陽極側を陽極側回転軸８と垂直方向にハウジング１２と接合し、絶縁容器３１の陰極側を回転軸７と平行にハウジング１２と接合する。この構成によれば、循環する絶縁油１３の中にありながら、外囲器２と絶縁容器３１とのギャップが微小な隙間でありながら適正に保ちつつ、絶縁容器３１を確実に保持することができる。また、絶縁容器３１の接合部には開口部１４が形成されており、絶縁油１３の循環が効率よくできる。また、外囲器２の形状が図８に示すように偏向コイルを中心にして両側にしたがって径が大きくなる形状である場合、絶縁容器３１の陰・陽両極側を陰極側回転軸７および陽極側回転軸８と垂直方向にハウジング１２と接合してもよい。

実施例に係るＸ線管装置の概略縦断面図である。実施例に係るＸ線管装置の外囲器と絶縁容器との間に流れる絶縁油の速度分布曲線を示す図である。実施例に係るＸ線管装置の外囲器と絶縁容器との間に流れる絶縁油の変曲点が無い速度分布曲線を示す図である。実施例に係るＸ線管装置の回転軸の加速度を示す図である。実施例に係るＸ線管装置の外囲器を回転させる回転力を示す図である。実施例に係るＸ線管装置の外囲器と絶縁容器との間に流れる絶縁油の速度分布曲線を示す図である。実施例に係るＸ線管装置の外囲器と絶縁容器との間に流れる絶縁油の速度分布曲線を示す図である。変形例に係るＸ線管装置の概略縦断面図である。変形例に係るＸ線管装置の概略縦断面図である。従来例に係るＸ線管装置の外囲器と絶縁容器との間に流れる絶縁油の速度分布曲線を示す図である。

符号の説明

２ … 外囲器
５ … 陰極
７、８ … 回転軸
６ … 陽極
１１ … 絶縁容器
１２ … ハウジング
１３ … 絶縁油

Claims

Ｘ線管装置であって、
電子ビームを発生させる陰極と、
前記陰極からの電子ビームの衝突によりＸ線を発生させる陽極と、
前記陰極および前記陽極を内部に収容しつつ前記陽極と一体となって回転する外囲器と、
前記外囲器とともに冷却用流体を内部に収容する絶縁容器とを備え、
前記外囲器と前記絶縁容器とのギャップ間に流れる前記冷却用流体の速度分布曲線には変曲点が存在し、
前記外囲器の壁面および前記絶縁容器の壁面からそれぞれ形成される前記冷却用流体の境界層が互いに干渉する
ことを特徴とするＸ線管発生装置。
請求項１に記載のＸ線管装置において、
前記絶縁容器とともに前記冷却用流体を内部に収容するハウジングとを備え、
前記絶縁容器と前記ハウジングとが接合されている
ことを特徴とするＸ線管装置。
請求項１または２に記載のＸ線管装置において、
前記外囲器と前記絶縁容器とのギャップ間距離が１ｍｍ以上２ｍｍ以下である
ことを特徴とするＸ線管装置。