JP5719240B2

JP5719240B2 - Ｘ線装置

Info

Publication number: JP5719240B2
Application number: JP2011130425A
Authority: JP
Inventors: 芳紹堤; 亨稲葉; 杉山　勝也; 勝也杉山; 岡村　秀文; 秀文岡村; 雄太郎田邉
Original assignee: Hitachi Medical Corp
Current assignee: Hitachi Healthcare Manufacturing Ltd
Priority date: 2011-06-10
Filing date: 2011-06-10
Publication date: 2015-05-13
Anticipated expiration: 2031-06-10
Also published as: JP2012256577A

Description

本発明は、Ｘ線を発生するＸ線管を冷却する機能を有するＸ線装置に関する。

従来、Ｘ線ＣＴ（Computed Tomography）装置など、Ｘ線を被写体に照射して断層写真などのＸ線画像を作成するＸ線装置では、単位時間当たりに撮影するＸ線画像の枚数を増やすことで撮影の高速化を図っている。単位時間当たりの撮影枚数を増やすためには、Ｘ線管からのＸ線の出力を高めることが必要となる。
Ｘ線管では、陰極（フィラメント）から放出された熱電子が加速し、陽極に衝突することによってＸ線が発生する。このとき、熱電子が陽極に衝突すると、衝突エネルギの一部が熱エネルギに変化して陽極は多量に発熱する。また、陰極から放出された熱電子の一部は陽極に衝突して反射する反射電子になる。この反射電子は、再度陽極に衝突したり、陽極を真空状態で収納する真空容器に衝突したりして、ここでも発熱する。

陰極から放出される熱電子が有する電子エネルギのうち、Ｘ線となってＸ線管から放出されるエネルギ量は微量であり、その大部分はＸ線管内で熱エネルギに変化している。そして、この発熱によって、陽極、陽極と接する部材、および真空容器が高温になる。
しかしながら、Ｘ線管を構成する部材には、Ｘ線が透過する窓部や真空容器のロウ付け部など、耐熱性の低い部分があるため、発熱を抑えるために冷却する必要がある。また、陽極の同じ面に熱電子が衝突することを避けるために、陽極は回転軸回りに回転しているが、陽極を回転支持する軸受は耐熱性の低い部材であり、高温になると正常な動作が妨げられる。したがって、特に陽極の軸受が高温にならないようにＸ線管を冷却する必要がある。

従来、Ｘ線管と、その外周に配設されるハウジング（Ｘ線管容器）との間に充填される液体の冷媒を、循環冷却することでＸ線管を冷却している。
このようにＸ線管を冷却する冷却ユニットは、冷媒を送液するポンプと、冷媒と外気との間で熱交換するラジエータを含んで構成される。
しかしながら、Ｘ線管から放射されるＸ線の出力（Ｘ線出力）が高くなるにともなって、Ｘ線管はサイズが大きくなって重量も増大する。このように巨大化したＸ線管に従来型の冷却ユニットを取り付けて一体構造とすると、このＸ線管が取り付けられるＸ線ＣＴ装置等も巨大化して重量が重くなり、例えば、メンテナンスの際の取り扱いが困難になるという問題がある。
したがって、Ｘ線管と冷却ユニットを別体構成とする構造が考えられている。

このようにＸ線管と冷却ユニットを別体構成とすると、例えばメンテナンス時にＸ線管と冷却ユニットを連結するコネクタが着脱されたときに、周囲の空気がコネクタのわずかな隙間等から冷媒に混入する場合がある。そして、混入した空気が気泡となって窓部とＸ線管容器の間を横切ると、冷媒と気泡はＸ線の吸収率が異なるため、Ｘ線管で発生して窓部を透過したＸ線の強度（Ｘ線強度）が変動する。そのため、Ｘ線装置から出射されるＸ線強度が一様ではなくなるという問題が発生する。

例えば、特許文献１，２には、Ｘ線管を冷媒で冷却する際に、冷媒に混入した空気などの気体からなる気泡を気泡ポケットに導いて、気泡が窓部（Ｘ線放射窓）を横切らないように構成する技術が開示されている。
特許文献１，２に開示される技術によると、冷媒に混入した空気等の気体からなる気泡が自体の浮力によってガイド版に沿って移動して気泡ポケットに集められ、気泡が窓部を横切ることを抑制できる。

特開２０００−２６２５０９号公報（図１〜図４）特開２０１０−１０４８１９号公報（図１〜図４）

しかしながら、例えばＸ線ＣＴ装置など、Ｘ線管が被写体の周囲を回転移動すると気泡ポケットの位置も移動することから、Ｘ線管の状態や位置によっては、気泡ポケットに集められた気泡が気泡ポケットから離脱する可能性がある。例えば、Ｘ線管が上下反転する状態のとき、気泡の浮力はＸ線管に対する下方に向かって作用することになり、気泡が気泡ポケットから離脱する可能性がある。そして、気泡ポケットから離脱した気泡が窓部を横切ると、Ｘ線装置から照射されるＸ線強度が変動する問題が発生する。

そこで、本発明は、冷媒に混入したガスからなる気泡を好適に捕捉して、出射されるＸ線強度が気泡の影響によって変動することを抑制可能なＸ線装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため本発明は、Ｘ線を透過する窓部を備える筐体内でＸ線を発生するＸ線管と、前記Ｘ線管を収納するＸ線管容器と、前記Ｘ線管を冷却する冷媒を前記Ｘ線管容器に送り込んで前記Ｘ線管の周囲に流通させる冷却ユニットと、を含んで構成され、前記Ｘ線管の前記筐体内で発生して前記窓部を透過したＸ線が前記冷媒を通過して前記Ｘ線管容器から出射するＸ線装置とする。そして、前記冷却ユニットから前記Ｘ線管容器に送り込まれる前記冷媒内の気泡を、前記窓部の前記冷媒の流れに対する上流で捕捉する捕捉部を備え、前記捕捉部は、前記窓部の上流で前記冷媒の流れの方向に直列に配置されて前記冷媒の流れの方向に平面を向ける平行な複数の板状部材を有し、前記板状部材を越えて流通する前記冷媒に圧力差を生じさせ、当該圧力差を利用して前記気泡を捕捉することを特徴とする。

本発明によると、冷媒に混入したガスからなる気泡を好適に捕捉して、出射されるＸ線強度が気泡の影響によって変動することを抑制可能なＸ線装置を提供できる。

本発明の第１実施形態に係るＸ線装置に備わるＸ線管の模式図である。Ｘ線管のＸ線照射窓周辺の構造を模式的に示す図である。気泡トラップの周辺での冷媒と気泡の流れの状態を示す図である。本発明の第２実施形態に係るＸ線装置に備わる気泡トラップを示す図である。

《第１実施形態》
以下、本発明の第１実施形態について、適宜図を参照して詳細に説明する。
Ｘ線装置１００は、例えば、Ｘ線管１で発生するＸ線５を出射して図示しない被写体（被検者など）に照射し、Ｘ線画像を作成する装置（ＣＴ装置等）である。
図１に示すように、Ｘ線管１は、フィラメント２（陰極）から放出される熱電子４を回転陽極３に衝突させ、そこで発生するＸ線５を、ベリリウムなどで構成される窓部（Ｘ線照射窓６）を透過させて外部に出射するように構成される。
このとき、フィラメント２から放出された熱電子４が回転陽極３に衝突すると、多量の熱が発生し、回転陽極３は非常に高温になる。また、回転陽極３に衝突した熱電子４の一部は、散乱や反射によって反射電子となり、その一部はＸ線照射窓６等に衝突する。このとき、反射電子の衝突によってＸ線照射窓６も高温になる。
なお、フィラメント２、回転陽極３、Ｘ線照射窓６など、Ｘ線管１を構成する各部材は、内部を真空状態に維持可能な筐体（真空容器１ａ）に収納され、Ｘ線管１は、真空容器１ａの内部でＸ線５を発生するように構成される。

そして、Ｘ線管１はＸ線管容器７に収納され、さらに、Ｘ線管１の真空容器１ａとＸ線管容器７の間に液体の冷媒１５（冷却油など）を流通させて、この冷媒１５でＸ線管１を真空容器１ａの周囲から冷却する構成とする。
そして、Ｘ線管１の真空容器１ａ内で発生してＸ線照射窓６を透過したＸ線５は、冷媒１５を通過してＸ線管容器７から出射される。
また、冷媒１５は、例えば冷却ユニット１４に備わる図示しない送液ポンプによって、図１に矢印で示すように冷却ユニット１４とＸ線管容器７を循環する。

Ｘ線管１の内部で発生する熱をＸ線管容器７の内部で真空容器１ａを介して吸熱して高温になった冷媒１５は、Ｘ線管側冷媒戻り管８、冷媒戻り側コネクタ１１、冷却ユニット側冷媒戻り管１３を介して冷却ユニット１４に取り込まれる。冷却ユニット１４では図示しない熱交換器によって高温の冷媒１５と外気が熱交換して冷媒１５が冷却される。
そして、冷却された冷媒１５は、冷却ユニット側冷媒送り管１２、冷媒送り側コネクタ１０、Ｘ線管側冷媒送り管９を介してＸ線管容器７に送り込まれ、Ｘ線管１の周囲を流通してＸ線管１から真空容器１ａを介して熱を吸熱する。
このように冷媒１５はＸ線管容器７と冷却ユニット１４を循環し、Ｘ線管１の周囲を流通してＸ線管１を冷却する。

冷媒送り側コネクタ１０は、冷却ユニット側冷媒送り管１２とＸ線管側冷媒送り管９を着脱可能に連結するコネクタであり、冷媒戻り側コネクタ１１は、冷却ユニット側冷媒戻り管１３とＸ線管側冷媒戻り管８を着脱可能に連結するコネクタである。
このように、冷媒送り側コネクタ１０と冷媒戻り側コネクタ１１が備わる構成によって、Ｘ線管１（Ｘ線管容器７）と冷却ユニット１４は着脱可能に別体で構成される。

Ｘ線管１と冷却ユニット１４は、例えばＸ線装置１００のメンテナンス時に切り離され、メンテナンス終了時に再度連結される。このとき、分離した状態の冷媒送り側コネクタ１０、冷媒戻り側コネクタ１１に生じている隙間から冷媒１５に空気が混入することがある。冷媒１５に混入した空気は冷媒１５内で気泡１５ａになり、この気泡１５ａがＸ線照射窓６の前面６ａ（Ｘ線管１で発生したＸ線５が真空容器１ａの外部に出射する面）を横切ると、前記したように、Ｘ線管容器７から出射されるＸ線５のＸ線強度が変動する。

そこで、第１実施形態に係るＸ線装置１００には、冷媒１５内の気泡がＸ線照射窓６の前面６ａを横切らないように、冷媒１５内の気泡を捕捉する捕捉部（気泡トラップ２０）が備わっている。
図１，２に示すように、気泡トラップ２０は、Ｘ線照射窓６のＸ線管側冷媒送り管９側に、冷媒１５の流れの方向に直列に配置される２枚の気泡トラップ板（第１トラップ板２１，第２トラップ板２２）を含んで構成される。
なお、冷媒１５はＸ線管側冷媒送り管９からＸ線管容器７に送り込まれてＸ線管側冷媒戻り管８に送り出される構成であるため、Ｘ線管側冷媒送り管９の側は冷媒１５の流れの上流になる。つまり、気泡トラップ２０は、Ｘ線照射窓６の、冷媒１５の流れの上流に配設される。
以下、上流および下流はＸ線装置１００における冷媒１５の流れに対する上流および下流を示す。

図２に詳細を示すように、第１トラップ板２１、第２トラップ板２２は、Ｘ線管１の真空容器１ａの外側に、Ｘ線管容器７（図１参照）との間に冷媒１５の流路が形成される高さで立設する板状部材である。また、第１トラップ板２１、第２トラップ板２２は、例えば、Ｘ線照射窓６の幅方向（冷媒１５の流れの方向と直交する方向）に等しい幅で、互いに平行に、かつ、冷媒１５の流れの方向に直列に並んで配置される。
なお、上流側の気泡トラップ板を第１トラップ板２１、下流側の気泡トラップ板を第２トラップ板２２としている。

図３に示すように、気泡１５ａが、Ｘ線管側冷媒送り管９から冷媒１５とともにＸ線管容器７に送り込まれると、気泡１５ａは、冷媒１５の流れにともなって上流側に備わる第１トラップ板２１に接近する。
第１トラップ板２１が配設される位置（図３にＡ部で示す位置）は、第１トラップ板２１とＸ線管容器７の間が冷媒１５の流路になることから、冷媒１５の流路は他の場所（気泡トラップ板が配設されない場所）に比べて狭くなり、冷媒１５の流速はＡ部で速くなる。また、冷媒１５の圧力は、他の場所（気泡トラップ板が配設されない場所）よりＡ部で高くなる。

一方、第１トラップ板２１の下流の位置（図３にＢ部で示す位置）は、Ｘ線管１の真空容器１ａの外側とＸ線管容器７の間が冷媒１５の流路になることから冷媒１５の流路がＡ部に比べて広がり、冷媒１５の流速はＡ部に対してＢ部で低下する。つまり、第１トラップ板２１が備わることによって、Ａ部（上流）よりＢ部（下流）で、冷媒１５の流速が遅くなる。そして、Ａ部にはＢ部より高い動圧が発生し、この動圧の差分に相当する圧力差がＡ部とＢ部に発生する。このことによって、冷媒１５の圧力はＡ部に対してＢ部で低くなる。
換言すると、Ａ部（上流）とＢ部（下流）で冷媒１５に流速差が生じ、さらに、この流速差による圧力差が生じて、Ｂ部はＡ部より低圧になる。

そして、冷媒１５内の気泡１５ａは破線の矢印で示されるように低圧のＢ部（低圧部）に吸い寄せられる。つまり、冷媒１５内の気泡１５ａは第１トラップ板２１より下流の位置で、第１トラップ板２１の側に吸い寄せられて捕捉される。また、第１トラップ板２１で捕捉されずに第２トラップ板２２を通過した気泡１５ａは、第２トラップ板２２より下流の位置で、第２トラップ板２２の側に吸い寄せられて捕捉される。

このように、Ｘ線管側冷媒送り管９からＸ線管容器７に送り込まれる冷媒１５内の気泡１５ａは、Ｘ線照射窓６（図２参照）の上流で第１トラップ板２１または第２トラップ板２２に捕捉され、Ｘ線照射窓６の前面６ａ（図２参照）を横切ることが防止される。
冷媒１５内の気泡１５ａは微量であるため、第１トラップ板２１および第２トラップ板２２で気泡１５ａは確実に捕捉される。
また、冷媒１５内の気泡１５ａは、冷媒１５の流れによって生じる圧力差で捕捉される構成であり、Ｘ線装置１００の位置や状態（上下反転など）に左右されない。つまり、Ｘ線装置１００の位置や状態が変わっても、冷媒１５の流れの方向が変わらない以上、Ｘ線装置１００に対するＢ部の位置（低圧の位置）は変わらない。したがって、気泡トラップ２０で冷媒１５内の気泡１５ａを捕捉することができ、Ｘ線照射窓６の前面６ａを気泡１５ａが横切ることを抑制できる。

そして、冷媒１５が流れている間は、図３に示すＡ部とＢ部に常に圧力差が生じることから、冷却１５の流れにともなって流れる気泡１５ａが、Ｘ線照射窓６の前面６ａ（図２参照）を横切ることを確実に抑制できる。

なお、気泡トラップ２０が１枚の気泡トラップ板からなる構成、または、３枚以上の気泡トラップ板からなる構成であってもよいことはいうまでもない。
また、第１トラップ板２１と第２トラップ板２２の高さ（Ｘ線管１の真空容器１ａからの高さ）は、Ｘ線管容器７との間に冷媒１５の流路が確保できる高さであれば、同じであってもよいし、異なっていてもよい。
また、第１トラップ板２１と第２トラップ板２２の間隔は適宜決定される値であればよい。例えば、実験計測等によって求めれる、効果的に気泡１５ａを捕捉できる間隔とすればよい。
さらに、第１トラップ板２１と第２トラップ板２２の幅がＸ線照射窓６の幅と等しい構成に限定されず、例えば、第１トラップ板２１と第２トラップ板２２の幅がＸ線照射窓６の幅より広い構成であってもよい。また、第１トラップ板２１と第２トラップ板２２の幅が異なる構成であってもよい。

《第２実施形態》
図４に示す本発明の第２実施形態では、冷却ユニット１４（図１参照）からＸ線管容器７に冷媒１５を送り込むための管路であるＸ線管側冷媒送り管９に気泡トラップ２０が備わる。
図４に示すように、Ｘ線管側冷媒送り管９の内壁に起立し、かつ冷媒１５の流路が確保されるように、つまり、Ｘ線管側冷媒送り管９を狭めるように、例えば、２枚の気泡トラップ板（第１トラップ板２１、第２トラップ板２２）が配設されて気泡トラップ２０が構成される。第１トラップ板２１および第２トラップ板２２は、互いに平行に、かつ、冷媒１５の流れの方向に対して直列に配設される。
そして、第１トラップ板２１および第２トラップ板２２によって、Ｘ線管側冷媒送り管９において冷媒１５の流路が狭まる狭路部が形成され、気泡トラップ２０が構成される。

このように構成される気泡トラップ２０は、第１トラップ板２１の位置（狭路部）でＸ線管側冷媒送り管９を狭め、その下流でＸ線管側冷媒送り管９を広げて、流通する冷媒１５に流速差を生じさせる。さらに、その流速差によって第１トラップ板２１の位置（上流）とその下流に圧力差を生じさせ、第１トラップ板２１の位置に比べて、その下流を低圧にする。

Ｘ線管側冷媒送り管９を流れる冷媒１５内の気泡１５ａは、例えば第１トラップ板２１の下流の位置（狭路部の下流の位置）で、第１実施形態と同様に破線で示す矢印のように捕捉される。また、第１トラップ板２１で捕捉されない気泡１５ａは、下流側に配設される第２トラップ板２２の下流の位置で破線で示す矢印のように捕捉される。

このように、例えばＸ線管側冷媒送り管９に設けられる気泡トラップ２０（第１トラップ板２１、第２トラップ板２２）であっても冷媒１５内の気泡１５ａを確実に捕捉することができ、気泡１５ａがＸ線照射窓６の前面６ａ（図１参照）を横切ることが抑制される。
また、第２実施形態は、気泡トラップ２０の第１トラップ板２１および第２トラップ板２２がＸ線管側冷媒送り管９に配設される構成であり、例えば、Ｘ線管１（図１参照）の、Ｘ線照射窓６（図１参照）の上流に、図２に示すように第１トラップ板２１および第２トラップ板２２を備える空間が確保できない場合であっても気泡トラップ２０を備えることができる。

なお、Ｘ線管側冷媒送り管９に限定されず、Ｘ線管側冷媒戻り管８（図１参照）、冷却ユニット側冷媒送り管１２（図１参照）、冷却ユニット側冷媒戻り管１３（図１参照）、に気泡トラップ２０を構成する第１トラップ板２１および第２トラップ板２２が配設される構成であってもよい。
または、Ｘ線管１の真空容器１ａ（図１参照）の外周、Ｘ線管側冷媒送り管９、Ｘ線管側冷媒戻り管８、冷却ユニット側冷媒送り管１２、冷却ユニット側冷媒戻り管１３の２箇所以上に気泡トラップ２０を構成する第１トラップ板２１および第２トラップ板２２が配設される構成であってもよい。

以上、第１実施形態および第２実施形態に示すように、本発明は、Ｘ線管１（図１参照）の真空容器１ａ（図１参照）の外周やＸ線管側冷媒送り管９（図４参照）の内壁に、板状の気泡トラップ板（第１トラップ板２１（図２参照）、第２トラップ板２２（図２参照））を配設するという簡単な構造で、確実に冷媒１５内の気泡１５ａ（図３参照）を捕捉できる。
また、Ｘ線装置１００（図１参照）の位置や状態が変わっても、冷媒１５内の気泡１５ａを確実に捕捉できる。
したがって、Ｘ線管１で発生するＸ線５（図１参照）が透過するＸ線照射窓６の前面６ａ（図１参照）を冷媒１５内の気泡１５ａが横切ることを効果的に抑制でき、Ｘ線管容器７から出射されるＸ線５のＸ線強度が気泡の影響によって変動することを効果的に抑制できる。

なお、気泡トラップ２０（図１参照）は、気泡トラップ板（第１トラップ板２１（図２参照）、第２トラップ板２２（図２参照））に限定されず、例えば、Ｘ線管１の真空容器１ａ（図１参照）に、Ｘ線管容器７との間の冷媒流路を狭めるように形成される凸状部であってもよい。

１Ｘ線管
１ａ真空容器（筐体）
５Ｘ線
６Ｘ線照射窓（窓部）
７Ｘ線管容器
９Ｘ線管側冷媒送り管（冷媒をＸ線管容器に送り込むための管路）
１４冷却ユニット
１５冷媒
１５ａ気泡
２０気泡トラップ（捕捉部）
２１第１トラップ板（板状部材、狭路部）
２２第２トラップ板（板状部材、狭路部）
１００Ｘ線装置

Claims

Ｘ線を透過する窓部を備える筐体内でＸ線を発生するＸ線管と、
前記Ｘ線管を収納するＸ線管容器と、
前記Ｘ線管を冷却する冷媒を前記Ｘ線管容器に送り込んで前記Ｘ線管の周囲に流通させる冷却ユニットと、を含んで構成され、
前記Ｘ線管の前記筐体内で発生して前記窓部を透過したＸ線が前記冷媒を通過して前記Ｘ線管容器から出射するＸ線装置であって、
前記冷却ユニットから前記Ｘ線管容器に送り込まれる前記冷媒内の気泡を、前記窓部の前記冷媒の流れに対する上流で捕捉する捕捉部を備え、
前記捕捉部は、前記窓部の上流で前記冷媒の流れの方向に直列に配置されて前記冷媒の流れの方向に平面を向ける平行な複数の板状部材を有し、
前記板状部材を越えて流通する前記冷媒に圧力差を生じさせ、当該圧力差を利用して前記気泡を捕捉することを特徴とするＸ線装置。
前記捕捉部は、
流通する前記冷媒の上流と下流で流速差を生じさせ、前記流速差によって前記圧力差を生じさせることを特徴とする請求項１に記載のＸ線装置。
前記捕捉部は、
前記Ｘ線管の外側に立設する前記板状部材を含んでなり、
前記板状部材が前記冷媒の流路を狭めるとともに、前記板状部材の下流で前記冷媒の流路が広がって前記流速差が生じるように構成されることを特徴とする請求項２に記載のＸ線装置。
前記捕捉部は、
前記冷却ユニットから前記冷媒を前記Ｘ線管容器に送り込むための管路を狭める狭路部を含んでなり、
前記狭路部が前記冷媒の流路を狭めるとともに、前記狭路部の下流で前記冷媒の流路が広がって前記流速差が生じるように構成されることを特徴とする請求項２または請求項３に記載のＸ線装置。