JPH0340348A - Ｘ線管用回転陽極 - 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】 発明の背景 本発明はＸ線管における回転Ｘ線ターゲットの液体冷却
に関する。

医療診断法やＸ線結晶学の分野で用いられる形式の高出
力Ｘ線装置は比較的大量の熱を放散する能力のある陽極
を必要とする。この熱放散は主として陽極から輻射式熱
交換によって行われるので、輻射表面積を増大させると
より大量の熱放散が得られる。又、陽極を回転させるこ
とにより、新鮮なターゲツト面区域を、陰極から放出さ
れる電子ビームに順次連続して対応させることができ、
Ｘ線生成中に発生する熱をより大きな面積にａ利に拡散
することができる。すなわち、陽極を回転することで、
Ｘ線装置を固定陽極式装置の場合に比べて概してより高
い出力レベルで作動させることが可能となり、固定陽極
を使用する装置にみられるターゲツト面の侵食減粍問題
も、ターゲツト面材料の温度が限度を超えない限り避け
られる。

Ｘ線装置における発生熱Ωと到達温度はかなりな規模の
ものである。電子ビームのエネルギーはその０．５％未
満しかＸ線に変換されず、残りのエネルギーの大部分が
熱になるので、回転陽極のターゲツト面の平均温度は１
２００℃を超えることがあり得るし、高温点のピーク温
度はこれよりかなり高い。少しでも出力を増大するには
これらの温度の減少と熱の放散とが重要不可欠である。

しかも尚、回転陽極だけで発生熱を放散させる能力には
限りがある。結果として、回転陽極が最初に導入されて
以来型に高い出力の装置が要求されてきたにもかかわら
ず、要求に応じた装置の開発が遅れていた。

先行技術による装置の更なる不利益点は、寿命が限られ
ていることで、これは部分的には熱放散能力で決まる。

Ｘ線装置は比較的高価なので装置の寿命延長が出来れば
かなりのコスト削減になる。

例えば、ＣＴスキャン装置に使用されるＸ線装置の間開
平均の熱放散量によって患者撮像人数が決まる。現在の
ＣＴススキャンＸ線管は約３にνを放散する。患者数を
増加したときに起きるようなＸ線管ターゲットの過熱が
発生すると、ターゲット冷却のために以後の装置使用合
間時間を増加しなければならなくなる。すなわち、熱放
散能力の高いＸ線管を使用すれば装置の利用度が改善さ
れることになる。

設計限度を超えた高温になるのを避けるために、加熱さ
れた回転円板を内部冷却する必要がある場合、直接に液
体で冷却する方法が最も多くの熱を除去できる。回転陽
極の表面からその中空内部への熱伝達率を最大にするた
めには、大量の冷却液を非常に小さな流路に高速で流す
方法は実際的でないことが多い。更に、熱除去能力が水
よりも低い誘電体流体を使用するのが望ましい場合は、
通常の方法を用いて得られる熱伝達率ではその値が低過
ぎることが多い。

本発明の一つの目的は、全内面−１こわたって高い熱伝
達率を持たせて誘電体冷却液を使用できるようにした強
力Ｘ線管用ターゲットを有する回転陽極装置を提供する
ことである。

本発明の他の一つの目的は、冷却液の流量を多くしたり
流路を小さく複雑な設計にしたりする必要のない強力Ｘ
線管用ターゲットを有する回転陽極装置を提供すること
である。

発明の要約 本発明の一つの態様においては、二個の円形面を有する
車輪形中空回転体を含む回転陽極が提供される。これら
の円形面の一個には、ターゲット領域用に面取りした縁
部を設ける。車輪形中空回転体の内部には固形バッフル
板を同心に配置する。

上記固形バッフル板には接線速度を液体に伝達する手段
を設ける。上記円形バッフル板の外周は上記車輪形中空
回転体の内面から隔たるようにする。

又、冷却液を上記バッフル板の一方の側の中心部分に供
給する手段と上記バッフル板の他方の側から冷却液を除
去する手段とを設ける。更に、上記バッフル板を上記車
輪形中空回転体と同一の角速度で回転させる構造手段を
設ける。

本発明の他の一つの態様においては、車輪形中空回転体
の一方の内面に沿ってその周辺へ半径方向外向きに伸び
且つその車輪形中空回転体のＸ線ターゲットを有する他
方の内面に沿って半径方向内向きに伸びる冷却液流路を
有するようにした車輪形同転中空陽極の冷却方法が提供
される。上記車輪形中空回転体の接線方向速度が上記車
輪形中空回転体の中心近くにおいて上記車輪形中空回転
体に入る冷却液に伝達される。上記の半径方向外向きに
流れる液体中に発生する圧力を、上記の液体の沸騰を避
けるように選択する。上記の半径方向内向きに流れる液
体中に発生する圧力を、上記Ｘ線ターゲットの下方領域
に核沸騰が生じるように選択する。

発明の詳細な説明 本発明の主題は本明細書中の特許請求の範囲に特定して
記述されているが、本発明の構成、実施方法、他の諸口
的及び諸利益については、以下、。

添付図面を参照することによって最もよく理解されよう
。尚、図面中、類似数字は類似要素を示す。

まず第１図及び第２図にＸ線管用回転陽極１１を示す。

同陽極は、モリブデン製の車輪形中空回転体１３を第一
中空軸１５上に取り付けて構成され、同第−中空軸１５
は車輪形中空回転体１３の一方の側から伸びる形となる
。同車輪形中空回転体１３は、軸方向中心線に沿って結
合させた二個の部分で構成させてもよい。又、これら二
個の部分は、例えば電子ビーム溶接を用いて粘合させて
もよい。これら第一中空軸１５と車輪形中空回転体１３
との内側は、相互に流通できるようにする。

同車輪形中空回転体１３の、同第−中空軸１５と反対の
側には、面取りした縁部を設け、ターゲツト材を環状に
プラズマ塗付し、円板面の外側部分にターゲット１７を
形成する。環状ターゲツト面は、タングステン合金で構
成してもよい。車輪形中空回転体１３の内部には、円板
２４の各々の側に対称に位置させた半径方向に伸びる複
数の羽根２３を有する円板形仕切バッフル板２１を設け
る。

これらの羽根２３は、円板２４にろう付けなどの方法で
固定してもよい。円板２４の各々の側に８個の羽根が図
示されているが、−殻内には４個乃至１６個の羽根を使
用できる。バッフル板２１は、バッフル板２１内に形成
された中央開口部２７を囲み第一中空軸１５の内部に設
けられた第二中空軸２５によって支持される。第二中空
軸２５は、スペーサ３１によって第一中空軸内に同心に
支持される。バッフル板２１の円板部分２４と羽根２３
とは車輪形中空回転体１３の内面のどの部分にも固定す
る必要がないので、陽極の横進が筒車になる。もし望む
なら、羽根２３を車輪形中空回転体１３の内面に溶接し
てもよい。第一中空軸１５と第二中空軸２５とがスペー
サ３１で相互に固定されるので、車輪形中空回転体１３
とバッフル板２１とは単一ユニットとして回転する。バ
ッフル板２１と各軸１５及び２５とは例えばステンレス
鋼のような任意の適当な耐熱材料で構成してもよい。

本装置の作動の際は、第二中空軸２５の外側と第一中空
軸１５の内側との間に形成された環状流路が冷却液の流
入路となる。冷却液はＸ線管（図示しない）の外面の冷
却に用いられるのと同じ誘電性冷却液を使用すると好都
合であるが、これと同等の誘電性冷却液ならどれでもよ
い。冷却液は第二中空軸２５と第−中空軸１５との間に
形成された開口部を経てポンプ（図示しない）によって
供給される。冷却液はその後バッフル板２１により向き
を変え、バッフル板２１の羽根２３から確実に伝達され
た接線方向流体速度で半径方向に外向きに流れることに
なる。すなわち、冷却液は回転する車輪形中空回転体１
３に入るとバッフル板２１の一方の面上を半径方向外向
きにバッフル板２１の縁まで流れ、更に外縁を回り込む
。それから冷却液はバッフル板２１の他方の面上を半径
方向内向きに流れ、バッフル板２１の中心にある開口部
２７から第二中空軸２５を通り抜けて流出する。自由対
流熱伝達、核沸騰熱伝達、及び核沸騰における許容最大
沸騰熱束が加速度のま０加につれて増大する。ターゲッ
ト１７に電子ビームが衝突するので加熱率が車輪形中空
回転体の周辺部で最高値となることと、膜ｌ１ｉｌｌｉ
ＩＩＩ＆の場合には熱伝達率が低くなるので該周辺部で
の膜沸騰発生を防ぐのが望ましいこととから、円板の回
転速度と円板の直径との組み合わせを選択することによ
って、車輪形中空回転体の内側周辺部分の圧力が冷却液
の臨界圧力より高くなり、したがって高い自由対流熱伝
達率を保ちながら沸騰は起こさない状態を可能にできる
。この方法で熱除去を最大にできるが、一方、もし局部
的壁温が冷却液の飽和温度より低ければ臨界圧力より高
い圧力での運転は必要ない。

流入して来る冷却液がバッフル板２１の一方の側を半径
方向外向きに流れるときに熱は吸収するが沸騰はせず、
バッフル板２１の他方の側を半径方向内向きに流れると
きには沸騰するように羽根２３を選択することによって
、円板周辺での沸騰が避けられ、そこで必要とする高い
自由対流熱伝達率が得られる。すなわち、バッフル板の
、冷却液の流れが内向きの側では、高い核沸騰熱伝達率
が得られるような沸騰状態に入ることが可能となる。

核沸騰熱束の最大値は圧力によって決まる。半径方向の
圧力分布は、直径と回転速度とを与えた場合に羽根２３
の設計によって決まる接線方向の冷却液速度によって制
御される。これによって、熱束を核沸騰最大熱束よりも
低くすることが可能となる。局部的圧力制御を妨げるよ
うな、半径方向内向きの流れにおける真の蒸気形成を防
ぐためには、過冷沸騰が望ましく、これは更に核沸騰最
大熱束を増大させる役目もする。過冷沸騰は、液体の平
均温度が、与えられた圧力に対する飽和温度より低い場
合に生じ、核沸騰中に車輪形中空回転体の高温内壁に隣
接して発生する蒸気が流れの中のより冷たい液体によっ
て凝縮することが可能となる。

冷却液として適当な誘電体流体は、フルオリナート（Ｆ
ＬＵＯＲＩＮＥＲＴ）という商標でスリーエム社（３Ｍ
）から発売されているような、完全フッ化有機化合物で
もよい。フルオリナート７５の臨界点は１６．　４５ｋ
ｇ１’　／（Ｊ　（絶対圧力）（２３４ｐｓｌａ）であ
る。この圧力は、１２ｋＷのレベルで運転中の、流ｍｌ
　Ｌ　　９３　ｆ／ＩＩｌｉｎ（５ｇｐｍ）公称流体圧
力４．　２２−７．　０３ｋｇｆ／Ｃ−（ゲージ圧力）
　　（６０−１００ｐｓ１ｇ）の冷却液の流れる１０，
０００ｒｐＩｌｌで回転中の直径８８゜９ｍｍ　（３，
５ｉｎ）の中空陽極の内側で得られる。

陽極通過流量は、車輪形中空回転体出口で冷却液が過冷
状態を保つように選択する。高い熱伝達率を得るのに大
流量の必要はない。

もしバッフル板２１の半径方向外向きに冷却液が流れる
側又は冷却液がバッフル板２１の一方の側から他方の側
へ移る周辺部で沸騰が始まるとしたら、流れが不安定に
なり流れの制御が困難になるし、ターゲット上で電子ビ
ームが照射する円形部分の下方領域において膜沸騰が起
こり易くなり、冷却液への熱伝達が大幅に減少すること
になろう。

又もしバッフル板２１の半径方向外向きに冷却液が流れ
る側での沸騰を完全に避けた場合、冷却液への熱伝達の
最大値達成はできないだろう。

さて次に第３図において、バッフル板２１の羽根２３の
形状代案を示す。ターゲットへの熱投入が最大となる領
域で車輪形中空回転体から冷却液への熱伝達を増大させ
るためには、圧力が臨界圧力のプラスマイナス１０％以
内であるような領域を拡大することが望ましい。臨界点
は、液相と気相の両状態を示す物質の温度体積線図上で
飽和液体線と飽和蒸気線との交点として定義できる。臨
界点においては、共存する飽和液体状態と飽和蒸気状態
とは同一である。臨界点における温度、圧力、及び比容
積は臨界温度、臨界圧力、及び臨界体積と呼ばれる。臨
界点の近くでは熱伝達率カーブに鋭いピークがある。臨
界点の近くでの熱伝達には、臨界圧力のすぐ下では沸騰
熱伝達が、すぐ上では対流熱伝達が含まれると考えられ
ている。

車輪形中空回転体内における冷却液の半径方向圧力勾配
は強制渦流があるか、自由渦流があるかによって決まり
、強制渦流では圧力がより高くなる。

羽根のない領域では自由渦流が７メ在可能である。

バッフル板の円板部から車輪形中空回転体へ伸びる羽根
は、車輪形中空回転体の回転中に強制渦を形成する。第
３図では、熱伝達のピークが発生する領域を拡大するた
めに羽根の一部を切り取った設計にしである。これによ
り、臨界点の近くで得られる高い熱伝達率をよりよく利
用できるように変えた圧力変化分布領域が、半径方向に
伸びる形で得られる。羽根を切り取ったことで得られる
圧力変化分布により、強制渦と自由渦との両方の状態間
で熱伝達が行なわれることになる。典型的には、臨界圧
力のプラスマイナス１０％の範囲内で熱伝達率が大幅に
改善される。

次に第４図に、臨界圧力の近くで半径方向の圧力変化分
布を調整するために羽根の形状設計を変えた別の態様例
を示す。すなわち、羽根２３はバッフル板２１の内向き
流の面と外向き流の面とで一部を切り取った形にしであ
る。

更に第５図においては、羽根２３をバッフル板２１の中
心近くで湾曲させることにより、羽根表面に対して冷却
液速度を加速して熱伝達を改善するようにし、又、羽根
の相互作用による冷却液の逆流を冷却液の二次回流によ
り避けるようにしている。

又、第６図に示すバッフル板２１の別の態様例において
は、バッフル板と車輪形中空回転体内面との距離を、バ
ッフル板の内向き流側と外向き流側とで等しくしていな
い。すなわち、バッフル板の外向き流側と車輪形中空回
転体内面との距離を、バッフル板の内向き流側と車輪形
中空回転体内面との距離よりも狭くしである。隙間が狭
くなると冷却液の半径方向の速度が増すので冷却液の中
空軸への出口での逆流の減少に投立つ。

以上、誘電性冷却液を使えるようにするために中空部西
面全部にわたって高い熱伝達率を持たせた、強力Ｘ線タ
ーゲットを有する回転陽極について説明した。本発明を
そのいくつかの実施態様について特に図示説明してきた
が、本発明の精神及び範囲を逸脱することなくその形式
及び詳細について種々の変更が可能であることが当業者
には理解されよう。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明によるＸ線ターゲットを有する回転陽
極の部分切り取り斜視図である。第２図は、第１図のＸ
線ターゲットを有する回転陽極の側断面図である。第３
図乃至第６図は、本発明による回転陽極のバッフル板部
分のみを、冷却液制御用の形状の異なる例について示す
斜視図である。 （主ム符号の説明） １１：Ｘ線管用回転陽極 １３：車輪形中空回転体 １５：第一中空軸 １７：ターゲット ２１：バッフル板 ２３：羽根 ２４：円板 ２５：第二中空軸 ２７：中央開口部 ３１ニスペーサ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、Ｘ線管用回転陽極であって、 （１）２個の円形面を有し、その内の一方の円形面には
   ターゲット領域用に面取りした縁部を有する車輪形中空
   回転体と、 （２）上記車輪形中空回転体の内部に同心に配置された
   円形バッフル板であって、当該円形バッフル板のいずれ
   の側にも冷却液に対して接線速度を与える手段を備え、
   当該円形バッフル板の外周部が上記車輪形中空回転体の
   内面から隔たっている当該円形バッフル板と、 （３）上記円形バッフル板の第一の側の中央部分に冷却
   液を供給する手段と、 （４）上記円形バッフル板の第二の側の中央部分から冷
   却液を除去する手段と、 （５）上記車輪形中空回転体の回転時に上記円形バッフ
   ル板を回転させる構造手段と、 を含んでいるＸ線用管回転陽極。 ２、上記の冷却液に対して接線速度を与える手段が更に
   、円形バッフル板周辺部の近辺において強制渦状態と自
   由渦状態との間の動作を生じさせる手段を上記円形バッ
   フル板の第二の側に含んでいる請求項１記載のＸ線管用
   回転陽極。 ３、上記の冷却液に対して接線速度を与える手段が、上
   記円形バッフル板の両面上で半径方向に伸びる羽根で構
   成されている請求項１記載のＸ線管用回転陽極。 ４、上記の強制渦状態と自由渦状態との間の動作を生じ
   させる手段が、上記円形バッフル板上の他の羽根よりも
   円形バッフル板からの垂直延伸距離を短くした羽根で構
   成されている請求項２記載のＸ線管用回転陽極。 ５、Ｘ線管用回転陽極であって、 （１）２個の円形面を有し、その内の一方の円形面には
   ターゲット領域用に面取りした縁部を有し、他方の円形
   面には中央開口部を有している車輪形中空回転体と、 （２）上記中央開口部の周りで上記他方の円形面に固定
   した第一中空軸であって、当該第一中空軸の内側と上記
   車輪形中空回転体の内側とを流通可能にした当該第一中
   空軸と、 （３）上記車輪形中空回転体の内部に同心に配置された
   、中央開口部を有する円形バッフル板であって、冷却液
   に対して接線速度を与えるための複数の羽根を当該円形
   バッフル板の両側に設けて、当該円形バッフル板に固定
   し、当該円形バッフル板の外周部が上記車輪形中空回転
   体の内面から隔たっている当該円形バッフル板と、 （４）上記第一中空軸の内部に配置され、上記円形バッ
   フル板の上記中央開口部の周りで上記円形バッフル板に
   固定された第二中空軸と、（５）上記車輪形中空回転体
   と同一の速度で上記円形バッフル板を回転させる構造手
   段と、を含んでいるＸ線管用回転陽極。 ６、上記構造手段が上記第一中空軸と上記第二中空軸と
   の間に固定されている請求項５記載のＸ線管用回転陽極
   。 ７、上記羽根が上記車輪形中空回転体の内面から隔たっ
   ている請求項５記載のＸ線管用回転陽極。 ８、上記羽根が、上記円形バッフル板に沿って半径方向
   に伸び且つ上記円形バッフル板から垂直方向に伸び、更
   に円周方向に互いに等間隔に配置されている請求項５記
   載のＸ線管回転陽極。 ９、上記円形バッフル板上の羽根のうちの上記車輪形中
   空回転体の面取りした縁部に極めて近接して位置する羽
   根が、上記円形バッフル板上の他の部分に位置する羽根
   よりも上記円形バッフル板からの垂直方向の長さを短く
   されており、これによって半径方向の圧力変化を調整で
   きる領域が生じるようにした請求項８記載のＸ線管用回
   転陽極。 １０、上記羽根の、上記円形バッフル板の中心の近くに
   位置する部分が、少なくとも上記円形バッフル板の一方
   の側において陽極の回転方向に湾曲し、これにより冷却
   液の相対速度を増加できるようにした請求項５記載のＸ
   線管用回転陽極。 １１、上記円形バッフル板が上記車輪形中空回転体の上
   記の面取りした縁部を有する側の面に対し、他の側の面
   よりも近接して配置されている請求項５記載のＸ線管用
   回転陽極。１２、車輪形中空回転体の一方の側の内面に
   沿ってその周辺へ半径方向外向きに伸び且つ該車輪形中
   空回転体のうちのＸ線ターゲットを有する他方の側の内
   面に沿って半径方向内向きに伸びる冷却液流路を有する
   ようにしたＸ線管用回転陽極の冷却方法であって、 （１）中心付近で上記車輪形中空回転体に入った冷却波
   に上記車輪形中空回転体の接線速度を伝達する段階と、 （２）半径方向外向きに流れる上記冷却液の圧力を選択
   して上記冷却液の沸騰を避ける段階と、 （３）半径方向内向きに流れる上記冷却液の圧力を調整
   して上記車輪形中空回転体の周辺のＸ線ターゲット下方
   の領域で核沸騰が起こるようにする段階と、 を含むＸ線管用回転陽極の冷却方法。 １３、半径方向内向きに流れる上記冷却液の圧力を調整
   する上記段階が、圧力を上記冷却液の臨界点圧力になる
   ように調整することを含む請求項１２記載のＸ線管用回
   転陽極の冷却方法。 １４、上記冷却液の圧力を調整する上記段階が、流れを
   強制渦状態から強制渦流と自由渦流との間の状態に変え
   ることを含む請求項１３記載のＸ線管用回転陽極の冷却
   方法。