JPH0212745A - Ｘ線発生装置の冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、−膜内にはＸ線発生装置に関し、更に詳しく
は、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）スキャナのＸ線管の
ようなＸ線発生装置を冷却する装置に関する。

発明の背景 医学診断およびＸ線結晶学のような分野に使用される高
出力Ｘ線装置は比較的大量の熱を放散することができる
アノードを必要とする。この熱を放散する主なモードは
アノードからの放射による熱伝達であるので、放射表面
積を増大することによって熱の放散を大きくすることで
ある。アノードを回転させることによって、カソードか
ら発生する電子ビームが当たるターゲット表面中の領域
が連続的に変化し、これによりＸ線放射の際に発生する
熱を更に広い面積に有効に拡げることができる。従って
、アノードを回転させることによって、アノードを静止
させた装置の場合よりも一般に高い出力レベルでＸ線装
置を作動させることができ、またターゲット表面の材料
の温度限界を超えない限り、静止アノードを使用する装
置において遭遇するターゲット表面の劣化問題が避けら
れる。

Ｘ線装置によって発生される熱量およびＸ線装置が達す
る温度は相当なものである。電子ビームのエネルギの０
．　５％以下がＸ線に変換され、残りのエネルギの大部
分が熱になるので、回転型アノードのターゲット表面の
平均温度は１２００℃を超え、ピークのホットスポット
の温度はそれよりかなり高くなる。これらの温度の低減
および熱の放散は出力を増大するのに重要な問題である
。

しかしながら、アノードの回転だけで発生熱を放散する
能力には限界がある。その結果、回転型アノードが最初
に開発されてから出力を更に高くした装置に対する需要
があったけれども、このような装置に対する開発が遅れ
ている。

従来の装置の別の欠点は寿命が限られていることであり
、これは部分的には熱を放散する能力によって決められ
る。Ｘ線装置は比較的高価であるので、このような装置
の寿命を延ばすことは実質的に価格を低減することにあ
る。

Ｘ線装置において、装置の寿命を決定する主なものはア
ノードのシャフトが回転するベアリングである。回転型
アノードに使用されるベアリングは典型的には回転真空
シールの必要性を避けるために真空ガラス・エンベロー
プ内に配置されている。しかしながら、この真空中にベ
アリングを置くことは、特別な潤滑手段、例えばベアリ
ングに銀のコーティングを行なうようなことを必要とす
るが、これ自身は感熱性である。ベアリングの温度は主
にアノードのシャフトを介してのアノードからベアリン
グへの熱伝導により時には４００℃を超えることがある
。このように熱が集中する不利な環境では、ベアリング
の腐食が急速に生じて、シャフトの膠着ひいては装置の
故障を招くことがある。

Ｘ線装置のベアリングを約４００℃の臨界温度以下に維
持するように適切な冷却を行えば、ベアリングの寿命、
従って装置自身の寿命が有効に延びることになる。この
ような冷却はピークおよび平均出力レベルを既存のＸ線
装置のものよりも増大させることを可能にするので更に
好ましく、現在の用途におけるものよりもこのような装
置の性能および有用性を伸ばすことができる。

ＣＴスキャナに使用されているＸ線管の時間平均熱放散
量は患者のスルーブツトを決定する。パルス式電子ビー
ムの必要な平均エネルギ出力は１２ｋＷであることが算
出されている。現在、ＣＴスキャナ用のＸ線管は約３ｋ
Ｗを放散する。患者のスループットを増大させた場合に
起こるようなＸ線管のターゲットの過熱が生じたとき、
装置の次の使用までの時間をターゲットの冷却のために
増大しなければならない。このため、より高い熱放散能
力を有するＸ線管が得られれば機械の利用性を改良する
ことができることになる。

Ｘ線装置を冷却する従来の典型的な試みは米国特許筒４
．４５５，５０４号に記載されている。

この特許に開示されているように、アノードの内部表面
に直接接触するように冷却流体をアノードの内部に循環
させることによって冷却を行っている。このような装置
は冷却を増進するが、回転流体シールを必要とする。シ
ールは漏洩しやすいので、このような装置の信頼性は低
く、漏洩が発生した場合に装置が有効に動作し続ける保
証はない。

本発明の目的は、上述した欠点のない新規な改良された
Ｘ線発生装置を提供することにある。

本発明の他の目的は従来の装置よりも長い有効寿命を有
する新規な改良された高出力Ｘ線装置を提供することに
ある。

本発明の更に他の目的は放熱率が高く、連続動作を行な
うことができる新規な改良されたＸ線装置を提供するこ
とにある。

発明の要約 本発明によれば、電子ビームを放出することができるカ
ソードおよびカソードから間隔をあけて配設されている
中空の回転型アノードを取り囲んだ真空エンクロージャ
手段を有するＸ線装置が提供される。アノードはリング
状ターゲット拳トラックを有する中空の円盤形部分を含
む。円盤形部分はそれから軸方向に延在する第１の管体
に取り付けられている。中空の円盤形部分の内部および
第１の管体の内部は互いに連通している。アノードは電
子ビームに対するターゲット表面を構成する。円盤形部
分を有する静止挿入体が中空の回転型アノード構造の中
に該アノード構造から間隔をあけて配設されている。更
に、静止挿入体は第２および第３の管体を有し、この管
体の各々は静止円盤形部分に取り付けられ、該静止円盤
形部分から同軸に延在している。第２の管体は第１の管
体から間隔をあけて配設されて、第１の管体によって取
り囲まれている。第３の管体は第２の管体から間隔をあ
けて配設されて、第２の管体によって取り囲まれている
。静止円盤形部分は一端が第３の管体の内部と連通して
、静止円盤形部分の表面の下側に延在し、かつ他端が第
２および第３の管体の間に形成された環状空間と連通ず
る通路を画成している。ベアリング手段が第１の管体を
第２の管体上に回転自在に取り付けている。真空エンク
ロージャを取り囲むケーシング手段が真空エンクロージ
ャを覆うように液体を流れさせる通路を画成する。

このようにして、静止挿入体は連続的な内部流路を画成
し、この流路を通して流体を循環させることにより、Ｘ
線の発生の副産物としてアノードに発生する熱を除去す
ることができる。

本発明の主ｍは特許請求の範囲に記載されているが、本
発明の構成および実施の方法ならびに本発明の他の目的
および利点は添付の図面を参照した以下の説明からより
よく理解されよう。

図面を参照した発明の詳細な説明 第１図には回転型アノードを有する従来の典型的なＸ線
発生装置１１の断面図が示されている。

図示のように、Ｘ線発生装置１１は真空ガラス・エンベ
ロープ１３を有し、このエンベロープ１３は回転する円
盤形アノード２１を取り囲んでいる。

アノード２１はその前壁の周辺部に、前壁に対して若干
角度をもった環状ターゲツト面２３を有している。環状
ターゲツト面は、グラファイトまたはモリブデンで作ら
れた車輪状部材上に設けられたタングステン合金で構成
されている。更に、ガラス争エンベロープ１３内にはカ
ソード２７が配設されている。アノード２１に対するカ
ソードの位置は両者間の電子ビームがアノードの回転軸
２９に対してほぼ平行になるように定められている。

アノード２１はシャフト１９に取り付けられ、このシャ
フト１９はベアリング２５によって回転自在に支持され
ている。アノードおよびシャフトは固定子１５および回
転子１７間の電磁反作用によって回転軸２９を中心とし
て回転する。回転子１７はシャフト１９に取り付けられ
ている。

ターゲットにあたる電子ビームのエネルギの一部はＸ線
に変換されるｃ、Ｘ線はガラス・エンベロープを通過し
てＸ線管から出力される。残りのエネルギは熱になり、
この熱はターゲットから放射されるとともに、ガラス・
エンベロープおよび冷却油によって吸収される。この冷
却油は外側のケーシング３１内に収容されているガラス
ψエンベロープの外面に沿って流れる。冷却油は熱を熱
交換器（図示せず）に運ぶ。

次に、第２図および第３図を参照すると、本発明の実施
例が示されているが、これらの図において同じ構成要素
は同じ符号で示されている。これらの図では、簡単化の
ため、アノードを回転させるための第１図に示す装置に
ような本発明にとって重要でない要素は省略されている
。第２図はＸ線管の断面を示しており、このＸ線管にお
いて真空エンベロープ３５が中空の回転型アノード３７
を取り囲んでいる。アノード３７は中空の円盤形部分３
９を有し、この円盤形部分３９はモリブデンのような高
い温度に耐え得る高伝導性材料で形成されている。円盤
形部分はろう付は等によって第１の管体４１に取り付け
られ、この管体４１は円盤形部分から軸方向に延在して
いる。第１の管体４１はステンレス鋼のような強度の高
い材料で形成される。円盤形部分３９は管体４１に面し
ていないその外側表面である前面上に面取り縁部４３を
有している。この面取り縁部はターゲットとして作用す
るタングステン・レニウム合金のトラックで覆われてい
る。カソード４５は、記号で示されているが、小さな直
径の高エネルギ電子ビームを発生する。この電子ビーム
は円盤形部分の回転する縁部に当り、そのエネルギの一
部がＸ線に変換されて、真空ハウジングの石英窓４７か
ら出力される。中空の回転型アノード内にはそれと同心
に静止挿入体５１が配置されている。この静止挿入体５
１は円盤形部分５３ならびに２つの管体５５および５７
を有する。管体５５は管体５７の内部に配設され、両者
は円盤形部分５３に取り付けられ、かつ該円盤形部分５
３から軸方向に延在している。静止円盤形部分５３およ
び管体５７はそれぞれ回転型アノードの円盤形部分３９
および管体４１から間隔をあけて配設されている。アノ
ードは管体４１と５７との間に設けられているベアリン
グ６１により挿入体の周りに回転自在に取り付けられて
いる。ベアリング６１は銀でコーティングされて、真空
動作用の乾式潤滑が行われる。

円盤形部分３９および５３ならびに管体４１および５７
の間の空間は真空エンベロープ３５の内部と連通して、
エンベロープが排気されている場合、アノード３９が真
空中で完全に回転できるようになっている。また、ベア
リング６１は真空の空間内に位置している。

次に、第２図およびｍ３図を参照すると、静止円盤形部
分５３はその前面のすぐ下側までその中央に延在して、
管体５５の内部と連通ずる通路を画成している。円盤形
部分の前面の下側の中央通路は複数の半径方向に延在す
るチャンネル６３に接続されている。この複数のチャン
ネル６３は円盤形部分の前面の下側をその周辺部に向か
って延在して、挿入体の該円盤形部分の周辺部の下側の
マニホールド領域に到り、それから円盤形部分の後面の
下側の半径方向のチャンネルを介して、管体５５および
５７の間に形成された環状通路に連結されている。

真空ハウジング３５は管体５７の外面に取り付けられて
いる。ケーシング６５が真空ハウジングから間隔をあけ
て該ハウジングを取り囲む。ケーシングは誘電体の冷却
流体を導入する入口および排出する出口を有している。

ハウジング３５の石英窓４７に整列して配置されている
ケーシングの石英窓６７はＸ線が管体から出力されるこ
とを可能にしている。静止挿入体、ならびに真空ハウジ
ング３５およびケーシング６５もステンレス鋼で形成す
ることができる。

動作においては、カソード４５からの電子ビームが回転
型アノード３７に衝突してＸ線を発生させ、Ｘ線は石英
窓４７および６７を介して出力される。衝突した電子ビ
ームはアノード３７を加熱する。熱は回転型アノードの
内部および外部を取り囲んでいる真空の空間を介して放
射によって、回転するターゲットから伝達される。この
熱は円盤形部分３９の前部および後部からハウジング３
５に伝達されると共に、回転する円盤形部分３９の内部
表面から静止円盤形部分５３に内向きに伝達される。放
射による熱伝達を促進するために、高い温度で高い熱放
射率を有するコーティングが円盤形部分３９のうちのタ
ーゲットを形成していない表面上に設けられ、また高い
熱吸収率を有するコーティングが静止円盤形部分の外面
上に設けられる。更に、放射を受ける内側の表面には熱
伝達を増大させるために適当なフィン（ひれ状部材）が
設けられる。静止円盤形部分は誘電体の冷却液の強制対
流によって冷却される。挿入体内の通路の複数のチャン
ネルは静止円盤形部分と冷却液との間の熱伝達を増大す
る。限定されたチャンネル内での流れが層流である場合
、冷却される面と冷却液との間の熱伝達係数はチャンネ
ルの幅に逆比例して変化するので、微細なチャンネルを
作るのが好ましい。冷却剤の粘性により実際の最小チャ
ンネル幅が決定される。更に、高いアスペクト比を有す
るチャンネル断面では熱抵抗が低減する。

これについては、ＩＥＥＥエレクトロン・デバイスφレ
ターズ（ＩＥＥＥ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｄｅｖｉｃｅ　
Ｌｅｔｔｅｒｓ）、第ＥＤＬ−２巻、第５号、１９８１
年５月号に所載のり、　　Ｂ、　タッカ−マン（Ｔｕｃ
ｋｅｒｍａｎ）およびＲ２Ｆ、Ｗ、　　ビーズ（Ｐｅａ
ｓｅ）による論文ｒＶＬＳＩ用の高性能放熱（ｌｌｌｇ
ｈ−Ｐｅｒｌ’ｏｒｍａｎｃｅ　Ｈｅａｔ　Ｓｌｎｋｌ
ｎｇｆｏｒ　ＶＬＳＩ）　Ｊを参照されたい。冷却流体
の流れの方向は図示のように管体５５から入ってベアリ
ング６１の傍を通って流れ、それから静止円盤形部分の
前面の下側のチャンネルを半径方向外向きに通過してマ
ニホールド領域に至る。それから、流れは静止円盤形部
分の後面の下側のチャンネルを通って、管体５５および
５７の間に形成された環状空間に進む。以上の代わりに
、流れの方向は逆にすることもできる。すなわち、管体
５５および５７の間に形成された環状空間に流体を供給
して、静止円盤形部分を通して循環させた後、管体５５
の内部から排出する。

計算によると、４インチの直径のアノードを有し、エン
ベロープおよび静止挿入体が誘電体の冷却液で冷却され
るＸ線管の場合、平均１２ｋＷの熱を放熱することがで
きる。この計算において挿入体はその前面および後面の
各々の下に１６８個のテーパの付けられたチャンネルを
有するものとした。これらのチャンネルは０．５インチ
の直径から２．５インチの直径まで延在し、断面は中央
部における１２Ｘ１５０ミルから周辺部における５２Ｘ
２００ミルまで拡大し、矩形チャンネルは挿入体の面に
直角で大きな寸法のものである。必要な流量は、３Ｍ社
から入手し得るフルオロイナート（Ｐｌｕｏｒｏｌｎｅ
ｒｔ　：登録商標）ＥＣ−７５のような過フッ素化フル
オロカーボンのような高い温度において高い絶縁耐力お
よび熱安定性を有する液体を静止挿入体に通す場合、４
気圧で１９ガロン／分である。アノードの直径を増大す
ることによって、静止挿入体を大きくして、ターゲット
の冷却を促進することができる。

以上、回転する真空シールを必要とせずに放熱率を増大
したＸ線発生装置について説明した。

本発明を好適実施例について図示し説明したが、本技術
分野に専門知識を有する者にとっては、本発明の精神お
よび範囲から逸脱することなく形状および詳細において
種々の変更を行ない得ることは明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は中実の回転型アノードを有する従来のＸ線発生
装置の断面図である。 第２図は本発明のＸ線発生装置管の断面図である。 第３図は本発明の中空の回転型アノードの部分破断斜視
図である。 ３５・・・真空エンベロープ、３７・・・中空の回転型
アノード、３９・・・アノードの中空の円盤形部分、４
１・・・第１の管体、４３・・・面取り縁部（ターゲッ
ト）、４５・・・カソード、５１・・・静止挿入体、５
３・・・静止円盤形部分、５５・・・第３の管体、５７
・・・第２のＷ体、６１・・・ベアリング、６３・・・
チャンネル、６５・・・ケーシング。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、リング状ターゲット・トラックを有する中空の円盤
   形部分を含み、該円盤形部分はそれから同軸に延在する
   第１の管体に取り付けられており、前記中空の円盤形部
   分の内部および前記第１の管体の内部が互いに連通して
   いる中空の回転型アノードと、 前記アノードの前記中空の円盤形部分の中にそれから間
   隔をあけて配設されている静止円盤形部分を含む静止挿
   入体であって、更に、第２および第３の管体を有し、こ
   れらの管体の各々は前記静止円盤形部分から同軸に延在
   して前記静止円盤形部分に取り付けられており、前記第
   ２の管体が前記第１の管体から間隔をあけて配設されて
   、該第１の管体によって取り囲まれており、前記第３の
   管体が前記第２の管体から間隔をあけて配設されて、該
   第２の管体によって取り囲まれており、前記静止円盤形
   部分が、一端において前記第３の管体の内部と連通して
   、前記静止円盤形部分の表面の下側を延在し、かつ他端
   において前記第２および第３の管体の間に形成された環
   状空間と連通している通路を画成している当該静止挿入
   体と、 前記第１の管体を前記第２の管体のまわりに回転自在に
   取り付けるベアリング手段と、 前記リング状ターゲット・トラックに向けて電子ビーム
   を発生するカソード手段と、 前記アノードおよび前記カソード手段を取り囲み、内部
   が前記アノードの内部と連通している真空エンクロージ
   ャ手段と、を備えていることを特徴とするＸ線発生装置
   。 ２、前記真空エンクロージャ手段を取り囲んで、冷却液
   を前記真空エンクロージャ手段に沿って流す通路を画成
   するケーシング手段を更に含んでいる請求項１記載のＸ
   線発生装置。 ３、前記静止円盤形部分の前記通路が前記静止円盤形部
   分の中心部から周辺部に向かって前記静止円盤形部分の
   表面の下側を延在する複数のチャンネルを有する請求項
   １記載のＸ線発生装置。 ４、前記チャンネルが前記静止円盤形部分の両方の円形
   表面の下側を中心部から周辺部に向かって半径方向に延
   在し、前記両表面の下側のこれらのチャンネルが互いに
   連通している請求項３記載のＸ線発生装置。