JP6303953B2 - Ｘ線管装置 - Google Patents

Description

この発明は、Ｘ線管装置に係り、特に、冷媒が充填された管容器の中にＸ線管全体が回転する外囲器回転型のＸ線管装置の技術に関する。

Ｘ線管装置では、Ｘ線管に印加する高電圧の絶縁およびＸ線管の冷却を兼ねて、管容器内に冷媒として絶縁油が充填される。絶縁油内に気泡が存在すると絶縁油の耐電圧特性が下がり、放電の原因となる。そこで放電を防止するために、管容器に注油される絶縁油は真空内で脱気され、気泡がない状態で充填される。また、Ｘ線管は負荷時に、特にアノード（陽極）が加熱され、その熱が絶縁油に伝達されるので、絶縁油は高温となる。発熱が大きい機種は絶縁油を冷却する冷却器（オイルクーラ）と組み合わせて絶縁油を循環して使用するのが一般的である。

Ｘ線管自身が高速で回転する外囲器回転型では、Ｘ線管が絶縁油中で高速で回転するので、回転によるポンプ作用で圧力差が生じ、負圧になる領域ではキャビテーション（Cavitation）を起こし、気泡が発生する。そこで気泡の発生を防止するために、内部の圧力を大気圧以上に維持する必要がある。そのために、循環用ポンプの直前を大気圧とし、ポンプの吐出圧で大気圧以上に維持する手法が採られる。

ところで、循環経路を有したＸ線管装置として、循環経路を二股に分岐して一方にバルブを装着して再度に合流するバイパス経路を有する構造がある（例えば、特許文献１〜４参照）。特許文献１、２では、循環経路を二股に分岐して一方にバルブを装着することで、冷媒の循環流量を切り替えている。特許文献３：特開２００２−２１６６８３号公報では、循環経路を二股に分岐して一方にバルブを装着することで、圧力損失（圧損）の釣り合いを取る。特許文献４：特開２００７−１２３２１１号公報では、循環経路を二股に分岐して一方にバルブを装着することで、ポンプのモータの回転数が高いときにポンプの保障する圧力が超えないように切り替え制御している。
また、特許文献２：２０１２−２２７０５９号公報では、冷媒中の金属の腐食溶解を低減するために、空気を抜いてガスを充満させるガスリザーバを備えている。

特開２００９−４３６５２号公報（第３，１２−１４頁、図８−１１） 特開２０１２−２２７０５９号公報（第１４−１６頁、図１１，１２，１５，１６） 特開２００２−２１６６８３号公報 特開２００７−１２３２１１号公報

しかしながら、Ｘ線管は10,000rpmまでの高速回転を行うので、回転数の増加に伴い、管容器の出口側（管容器から（冷却器を有した）熱交換器への経路側）の圧力が上がり、管容器の入口側（熱交換器から管容器への経路側）の圧力が下がるという現象が発生する。この現象によって、ポンプの吐出圧により大気圧以上に維持されていた圧力が低下し、Ｘ線管の回転により気泡が発生することになる。

この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、キャビテーションや気泡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。

この発明は、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、この発明に係るＸ線管装置は、冷媒が充填された管容器の中にＸ線管全体が回転する外囲器回転型のＸ線管装置であって、前記冷媒の温度制御を行う熱交換器と、内部の冷媒を循環する循環経路とを備え、前記循環経路を介して前記熱交換器および前記管容器を接続し、管容器から熱交換器へ流れる冷媒の循環経路において、管容器と熱交換器とを、自動開閉が可能なバルブを有した第１経路、第１経路よりも配管を細くして圧力損失を大きくした第２経路で並列に接続し、前記Ｘ線管の回転速度をキャビテーションが発生する第１の回転速度とする際には、前記第１経路の前記バルブを閉じて前記第２経路のみに冷媒を流し、前記Ｘ線管の回転速度を前記第１の回転速度よりも低速であってキャビテーションが発生しない第２の回転速度とする際には、前記第１経路の前記バルブを開き前記第１経路および前記第２経路の両方に冷媒を流すものである。

［作用・効果］この発明に係るＸ線管装置によれば、管容器から熱交換器へ流れる冷媒の循環経路において、管容器と熱交換器とを、自動開閉が可能なバルブを有した第１経路、第１経路よりも配管を細くして圧力損失を大きくした第２経路で並列に接続する。このように構成することで、Ｘ線管の回転によるポンプ作用で圧力差が生じ、キャビテーションや気泡が発生し得る状況の際（Ｘ線管の回転速度をキャビテーションが発生する第１の回転速度とする際）には、第１経路のバルブを閉じて圧力損失を大きくした第２経路のみに冷媒を流す。そうすると、管容器の内圧はそれ以降の循環経路の圧力損失（圧損）が増えるので上昇する。よって、負圧になることはなくキャビテーションの発生を抑制し、気泡の発生も抑制することができる。また、それ以外のとき（Ｘ線管の回転速度を第１の回転速度よりも低速であってキャビテーションが発生しない第２の回転速度とする際）には、第１経路のバルブを開き第１経路および第２経路の両方に冷媒を流す。その結果、キャビテーションや気泡の発生を抑制することができる。

この発明に係るＸ線管装置によれば、管容器から熱交換器へ流れる冷媒の循環経路において、管容器と熱交換器とを、自動開閉が可能なバルブを有した第１経路、第１経路よりも配管を細くして圧力損失を大きくした第２経路で並列に接続し、Ｘ線管の回転速度をキャビテーションが発生する第１の回転速度とする際には、第１経路のバルブを閉じて第２経路のみに冷媒を流し、Ｘ線管の回転速度を第１の回転速度よりも低速であってキャビテーションが発生しない第２の回転速度とする際には、第１経路のバルブを開き第１経路および第２経路の両方に冷媒を流すことで、キャビテーションや気泡の発生を抑制することができる。

実施例に係るＸ線管装置の概略図である。 図１の管容器の概略断面図である。 変形例に係るＸ線管装置の概略図である。

以下、図面を参照してこの発明の実施例を説明する。
図１は、実施例に係るＸ線管装置の概略図であり、図２は、図１の管容器の概略断面図である。

本実施例に係る外囲器回転型のＸ線管装置１は、図１および図２に示すように、管容器２と、それに収容された密閉容器３および外囲器４とを備えている。管容器２内には冷却用の絶縁油Ｏ（図２では図示省略）が充填されている。図２に示すように、外囲器４内に、電子ビームＢを発生させる陰極５と、その陰極５からの電子ビームＢを偏向させる偏向コイル（図示省略）と、その偏向コイルによって偏向した電子ビームＢの衝突によりＸ線（図１中では「X-ray」で表記）を発生させるターゲットディスクからなる陽極６とを収容して備えている。

陽極６のターゲットディスクへの電子ビームＢの衝突によって発生したＸ線を外部に取り出すために、管容器２にはＸ線窓２ａを設けるとともに、密閉容器３にもＸ線窓３ａを設けて、外囲器４にもＸ線窓４ａを設けている。Ｘ線窓２ａ，３ａ，４ａを、アルミニウム、チタンなどのＸ線透過性のよい金属または樹脂で形成する。陰極５をフィラメントで構成する。フィラメントとして、線状のタングステンコイルやタングステン板等のフィラメントを用いる。

陽極６として、タングステンやモリブデンを用いる。陽極６のターゲットディスクは、外周部は傾斜部からなり、内周部はフラット部からなる。偏向コイルによって偏向した電子ビームＢを陽極６のターゲットディスク傾斜部に衝突させることで、その衝突箇所からＸ線が発生する。

外囲器４の陽極側に回転軸７を装着している。ベアリング（図示省略）を介して回転軸７を回転自在に支持する。回転軸７は外囲器用のモータ８に連結されて回転し、これに伴い外囲器４も回転する。

図１に示すように、外囲器回転型のＸ線管装置１は、内部の絶縁油Ｏを循環する循環経路として循環用ホース９を備えるとともに、絶縁油Ｏの冷却を行う熱交換器１０を備えている。管容器２の入口２Ａ，出口２Ｂには、循環用ホース９をそれぞれ接続している。熱交換器１０は、主として、絶縁油Ｏを循環するポンプ１１および絶縁油Ｏを冷却するオイルクーラ１２から構成される。

管容器２に充填され、冷却のために循環する絶縁油Ｏは高温になるので、熱膨張により体積が増える。その膨張を吸収するゴム製や金属製のベローズ１３が熱交換器１０に組み込まれるが、組み込まれた部分が大気圧になり、ポンプ１１による吸入，吐出により循環する系の内部圧力が決定される。

一般的に、ホースは内部が負圧になると表面から気体を透過し、気体の溶け込みが起こる。よって、この気体の溶け込みを避けるために、循環器の系を全て正圧にすることが望ましく、正圧にするためにベローズ１３はポンプ１１の直前に配置される。この場合、管容器２はポンプ１１の吐出圧の半分程度のプラスの圧力がかかることになる。

このようにして、管容器２の入口２Ａ，出口２Ｂに循環用ホース９を接続し、熱交換器１０のベローズ１３，ポンプ１１，オイルクーラ１２の順に循環用ホース９を接続することで、循環用ホース９を介して熱交換器１０および管容器２を接続している。図１中の矢印に示す方向に、循環油Ｏは、管容器２の出口２Ｂ，ベローズ１３，ポンプ１１，オイルクーラ１２，管容器２の入口２Ａの順に循環する。

管容器２内でＸ線管全体が絶縁油Ｏの中で回転する外囲器回転型のＸ線管は回転による流れを発生させ、効率良くＸ線管を冷却する構造となっているが、「背景技術」の欄でも述べたように、この回転によるポンプ作用で出入口には圧力差が生じ、負圧になる領域ではキャビテーションを起こす。キャビテーションは内部圧力が高くなると発生しなくなることから、上記のポンプ１１の吐出圧で管容器２の内圧が上がるとキャビテーションは発生しなくなるが、ポンプ１１の吐出圧が低い場合や、Ｘ線管の回転数が高く、回転によるポンプ作用が大きい場合にはキャビテーションが発生する。

本発明は上記の事情を鑑み、キャビテーションの発生を抑制し、絶縁油Ｏ中に気泡が発生することを抑えることを目的としている。本実施例では、図１に示すように、管容器２から熱交換器１０へ流れる絶縁油Ｏの循環経路である循環用ホース９において、自動開閉が可能な電磁バルブ１４を有した第１経路としてバイパス経路９Ａ、バイパス経路９Ａよりも配管を細くして圧力損失を大きくした第２経路９Ｂで並列に接続している。図１では、管容器２から熱交換器１０へ流れる絶縁油Ｏの循環用ホース９を、管容器側でバイパス経路（第１経路）９Ａおよび第２経路９Ｂに分岐して構成し、熱交換器側でバイパス経路（第１経路）９Ａおよび第２経路９Ｂを合流して構成する。

バイパス経路９Ａの太さは、バイパス経路９Ａ以外の箇所における循環用ホース９と同じ太さであって、例えば内径が１２ｍｍの循環用ホース９を用いる場合には、循環用ホース９と同じ内径が１２ｍｍの太さを有したバイパス経路９Ａで構成する。一方、第２経路９Ｂはバイパス経路９Ａよりも配管が細ければ、特に限定されないが、バイパス経路９Ａの内径の１／３〜１／２程度の太さを有した第２経路９Ｂで構成する。内径が１２ｍｍのバイパス経路９Ａや循環用ホース９を用いる場合には、内径が４ｍｍ〜５ｍｍ程度の太さを有した第２経路９Ｂで構成する。

このようにして、本実施例では、管容器２の出口側に電磁バルブ１４を装着したバイパス経路９Ａを設けて、Ｘ線管を高速回転する場合には電磁バルブ１４を閉じてバイパス経路９Ａを閉じ、回転停止時や低速回転時には電磁バルブ１４を開けてバイパス経路９Ａを含めた循環経路で絶縁油Ｏを流す構成を採る。電磁バルブ１４を開けると十分な広さの流路が確保され、冷却に十分な流れが確保される。また、その状態では管容器２の内圧はそれほどに高くないが、低速回転時でも回転数も低いのでキャビテーションは発生しない。

次に、高速回転を行う場合には、電磁バルブ１４を予め閉じてバイパス経路９Ａを閉じて、圧力損失が大きい第２経路２Ｂのみに絶縁油Ｏを流して流路を狭くする。そうすると、管容器２の内圧はそれ以降の循環経路の圧力損失（圧損）が増えるので上昇する。流路が狭くなると流量は低下するが、高速回転することで回転によるポンプ作用で流量が大きく増えるので、冷却に必要な流量が確保される。

すなわち、上述したように管容器２および熱交換器１０は循環用ホース９で接続され、熱交換器１０のポンプ１１により内部の絶縁油Ｏは、図１中の矢印に示す方向に循環している。管容器２の出口２Ｂは図１では二股に分かれた循環路で繋がれ、その一方の循環路であるバイパス経路（第１経路）９Ａには電磁バルブ１４が挿入されており、外部から励磁電流を流すか流さないかで電磁バルブ１４を開閉することができる。

一方、管容器２内ではＸ線管は出入口を有した密閉容器３内に収納され、Ｘ線管が回転すると密閉容器３内の絶縁油ＯもＸ線管とともに回転して流れ、遠心力で外周部分の圧力が上がり、外周に設けられた出口から絶縁油Ｏが吐出する。すなわち、Ｘ線管が遠心ポンプとして動作する。密閉容器３の出口は管容器２の出口２Ｂに接続されており、管容器２の出口２Ｂは入口２Ａよりも高い圧力となり、熱交換器１０のポンプ１１による循環を補助する形でポンプ１１のみの流量以上の流量が流れる。このように流れが増すことにより、加熱したＸ線管は効率良く冷却されることになる。しかしながら、Ｘ線管は10,000rpmという高速で回転するので、ポンプ作用も大きく、管容器２の入口側では圧力が低下してしまい、キャビテーションを起こす可能性がある。

そこで、本実施例では、10,000rpmでＸ線管が高速回転する場合に電磁バルブ１４を閉じて流路を制限し、管容器２内の圧力が上昇する。この高い圧力のために、Ｘ線管が高速回転して入口側圧力が下がったとしても負圧になることがなく、キャビテーションを防止することが可能となる。一方、Ｘ線管の回転停止時や低速回転（例えば3,000rpm〜5,000rpm）時には電磁バルブ１４を開き、Ｘ線管の回転によるポンプ作用がなくとも十分な流量が確保できるように流路が広がる。このように熱交換効率を落とすことなく、キャビテーションの発生を抑制することができる。

本実施例では、キャビテーションや気泡が発生し得る状況として、Ｘ線管の回転数を10,000rpmとしたが、循環流路の径や使用温度や冷媒の種類等に応じて、キャビテーションや気泡が発生し得るＸ線管の回転数は適宜変更され得る。よって、Ｘ線管装置１を使用する前に、Ｘ線管の回転数を様々に変更しながらキャビテーションや気泡が発生し得るＸ線管の回転数を予め決定する。その回転数を閾値として、閾値未満のときには、電磁バルブ１４が自動的に開くようにコントローラ（図示省略）が励磁電流により制御し、閾値以上のときには、電磁バルブ１４が自動的に閉じるようにコントローラが励磁電流により制御する。

先行技術文献では、本発明のようなキャビテーションや気泡の発生を抑制することを課題としていない。特許文献１、２では冷媒の循環流量の切り替えを課題としており、特許文献３では圧力損失（圧損）の釣り合いを課題としており、特許文献４ではポンプのモータの回転数が高いときにポンプの保障する圧力が超えないように切り替え制御することを課題としている。これらの文献に対して、本発明では、キャビテーションや気泡の発生を抑制するために、電磁バルブ１４を有したバイパス経路９Ａを並列に接続している。

以上のように構成されたＸ線管装置１によれば、管容器２から熱交換器１０へ流れる冷媒（本実施例では絶縁油Ｏ）の循環経路である循環用ホース９において、管容器２と熱交換器１０とを、自動開閉が可能なバルブ（本実施例では電磁バルブ１４）を有した第１経路であるバイパス経路９Ａ、バイパス経路９Ａよりも配管を細くして圧力損失を大きくした第２経路２Ｂで並列に接続する。このように構成することで、Ｘ線管の回転によるポンプ作用で圧力差が生じ、キャビテーションや気泡が発生し得る状況の際には、バイパス経路９Ａのバルブ（電磁バルブ１４）を閉じて圧力損失を大きくした第２経路２Ｂのみに冷媒（絶縁油Ｏ）を流す。そうすると、管容器２の内圧はそれ以降の循環経路の圧力損失（圧損）が増えるので上昇する。よって、負圧になることはなくキャビテーションの発生を抑制し、気泡の発生も抑制することができる。また、それ以外のときには、バイパス経路９Ａのバルブ（電磁バルブ１４）を開きバイパス経路９Ａおよび第２経路２Ｂの両方に冷媒（絶縁油Ｏ）を流す。その結果、キャビテーションや気泡の発生を抑制することができる。

本実施例では、Ｘ線管の回転数に応じて、自動開閉が可能なバルブ（電磁バルブ１４）を切り替える。上述したようにキャビテーションや気泡が発生し得る状況としては、10,000rpmでＸ線管が高速回転する場合には、バイパス経路９Ａのバルブ（電磁バルブ１４）を閉じて圧力損失を大きくした第２経路２Ｂのみに冷媒（絶縁油Ｏ）を流す。よって、負圧になることはなくキャビテーションの発生を抑制し、気泡の発生も抑制することができる。また、それ以外の回転停止時や低速回転（例えば3,000rpm〜5,000rpm）時には、バイパス経路９Ａのバルブ（電磁バルブ１４）を開きバイパス経路９Ａおよび第２経路２Ｂの両方に冷媒（絶縁油Ｏ）を流す。

また、本実施例では、図１に示すように管容器２から熱交換器１０へ流れる冷媒（絶縁油Ｏ）の循環用ホース９を、管容器側でバイパス経路９Ａおよび第２経路９Ｂに分岐して構成し、熱交換器側でバイパス経路９Ａおよび第２経路９Ｂを合流して構成している。つまり、循環用ホース９を二股に分岐して、一方の第１経路であるバイパス経路９Ａにバルブ（電磁バルブ１４）を装着している。このように構成することで、従来と同じ構成で管容器２は出口２Ｂを設けて熱交換器１０に接続することができる。したがって、管容器２や熱交換器１０については従来と同じ構成の物を使用することができ、二股に分岐した循環用ホース９に付け替えるだけで、本実施例の構成を実現することができる。

この発明は、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）非破壊検査機器などの工業用装置やＸ線診断装置などの医用装置にも適用することができる。

（２）上述した実施例では、冷媒として絶縁油を例に採って説明したが、水を主体とした非油脂系の冷却液に例示されるように特に限定されない。ただし、Ｘ線管に印加する高電圧の絶縁を兼ねるために、絶縁油などのような絶縁性の高い冷媒を使用するのが好ましい。

（３）上述した実施例では、Ｘ線管の回転数に応じて、自動開閉が可能なバルブを切り替えたが、バルブの切り替えのパラメータとしては、必ずしもＸ線管の回転数に限定されない。例えば、冷媒（例えば絶縁油）の温度によって粘性が変化して、流量が変化することでキャビテーションや気泡が発生し得るので、冷媒の温度に応じて、自動開閉が可能なバルブを切り替えてもよい。また、上述した実施例と組み合わせて、Ｘ線管の回転数とともに冷媒の温度に応じて、自動開閉が可能なバルブを切り替えてもよい。

（４）上述した実施例では、図１に示すように管容器２から熱交換器１０へ流れる冷媒（絶縁油Ｏ）の循環用ホース９を、管容器側でバイパス経路９Ａおよび第２経路９Ｂに分岐して構成し、熱交換器側でバイパス経路９Ａおよび第２経路９Ｂを合流して構成したが、図１に示す構成に限定されない。管容器と熱交換器とを、自動開閉が可能なバルブを有した第１経路、第１経路よりも配管を細くして圧力損失を大きくした第２経路で並列に接続する構成であれば、図１のような途中分岐・合流の構成でなくともよい。例えば、図３に示すように、上流（管容器２）から下流（熱交換器１０）全体にわたって２つの第１経路９Ｃ，第２経路９Ｂを並列する構造でもよい。図３の場合には、第１経路９Ｃよりも配管を細くして圧力損失を大きくした第２経路９Ｂを構成し、第１経路９Ｃに電磁バルブ１４を装着する。そして、管容器２の出口を２Ｂ，２Ｃと２つ設け、出口２Ｂに第２経路９Ｂを接続し、出口２Ｃに第１経路９Ｃを接続する。ただし、管容器２や熱交換器１０については従来と同じ構成の物を使用するためには、上述した実施例のように二股に分岐した循環用ホース９（図１を参照）に付け替える構成（途中分岐・合流の構成）の方がより好ましい。

１ … Ｘ線管装置
２ … 管容器
４ … 外囲器
９ … 循環用ホース
９Ａ … バイパス経路（第１経路）
９Ｂ … 第２経路
１０ … 熱交換器
１４ … 電磁バルブ
Ｏ … 絶縁油

Claims (2)

1. 冷媒が充填された管容器の中にＸ線管全体が回転する外囲器回転型のＸ線管装置であって、
   前記冷媒の温度制御を行う熱交換器と、
   内部の冷媒を循環する循環経路と
   を備え、
   前記循環経路を介して前記熱交換器および前記管容器を接続し、
   管容器から熱交換器へ流れる冷媒の循環経路において、管容器と熱交換器とを、自動開閉が可能なバルブを有した第１経路、第１経路よりも配管を細くして圧力損失を大きくした第２経路で並列に接続し、
   前記Ｘ線管の回転速度をキャビテーションが発生する第１の回転速度とする際には、前記第１経路の前記バルブを閉じて前記第２経路のみに冷媒を流し、前記Ｘ線管の回転速度を前記第１の回転速度よりも低速であってキャビテーションが発生しない第２の回転速度とする際には、前記第１経路の前記バルブを開き前記第１経路および前記第２経路の両方に冷媒を流す、
   Ｘ線管装置。
2. 請求項１に記載のＸ線管装置において、
   前記管容器から前記熱交換器へ流れる前記冷媒の前記循環経路を、
   管容器側で前記第１経路および前記第２経路に分岐して構成し、
   熱交換器側で前記第１経路および前記第２経路を合流して構成する、
   Ｘ線管装置。