KR101140993B1 - 열방출 효율이 향상된 회전양극 엑스선관 구조 - Google Patents

열방출 효율이 향상된 회전양극 엑스선관 구조 Download PDF

Info

Publication number
KR101140993B1
KR101140993B1 KR1020110115232A KR20110115232A KR101140993B1 KR 101140993 B1 KR101140993 B1 KR 101140993B1 KR 1020110115232 A KR1020110115232 A KR 1020110115232A KR 20110115232 A KR20110115232 A KR 20110115232A KR 101140993 B1 KR101140993 B1 KR 101140993B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
anode
bearing
shaft
rotor
rotating anode
Prior art date
Application number
KR1020110115232A
Other languages
English (en)
Inventor
박래준
강현충
장창실
이상석
Original Assignee
주식회사엑스엘
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사엑스엘 filed Critical 주식회사엑스엘
Priority to KR1020110115232A priority Critical patent/KR101140993B1/ko
Priority to PCT/KR2011/008454 priority patent/WO2013069826A1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101140993B1 publication Critical patent/KR101140993B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J35/00—X-ray tubes
    • H01J35/02—Details
    • H01J35/04—Electrodes ; Mutual position thereof; Constructional adaptations therefor
    • H01J35/08—Anodes; Anti cathodes
    • H01J35/10—Rotary anodes; Arrangements for rotating anodes; Cooling rotary anodes
    • H01J35/105—Cooling of rotating anodes, e.g. heat emitting layers or structures
    • H01J35/106—Active cooling, e.g. fluid flow, heat pipes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J35/00—X-ray tubes
    • H01J35/02—Details
    • H01J35/04—Electrodes ; Mutual position thereof; Constructional adaptations therefor
    • H01J35/08—Anodes; Anti cathodes
    • H01J35/10—Rotary anodes; Arrangements for rotating anodes; Cooling rotary anodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2235/00—X-ray tubes
    • H01J2235/10—Drive means for anode (target) substrate
    • H01J2235/1046—Bearings and bearing contact surfaces
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2235/00—X-ray tubes
    • H01J2235/12—Cooling
    • H01J2235/1225—Cooling characterised by method
    • H01J2235/1262—Circulating fluids
    • H01J2235/1283—Circulating fluids in conjunction with extended surfaces (e.g. fins or ridges)

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • X-Ray Techniques (AREA)

Abstract

본 발명은 영상의 질 저하를 방지하고, 회전양극에서 발생된 열의 방출효율을 향상시켜 열로 인한 입력전력의 제한 조건을 완화시키며, 엑스선관 수명을 연장시킬 수 있는 회전양극 엑스선관 구조를 제공함에 그 목적이 있다.
이를 구현하기 위한 본 발명은, 전원이 인가되는 외부싱(401)과, 상기 인가된 전원에 의해 가열되어 전자빔을 방출하는 필라멘트(403)를 구비한 음극 어셈블리(400); 상기 필라멘트(403)로부터 방출된 전자빔과의 충돌에 의해 엑스선을 방출하는 타겟(603)과, 상기 타겟(603)의 하부에 일체로 결합된 회전양극체(608)로 이루어진 회전양극(600); 상기 회전양극(600)의 회전중심에 축 결합되는 샤프트(512,513)와, 상기 샤프트(512,513)의 하부에 결합되어 일체로 회전되는 로터(504)와, 상기 로터(504)를 지지하는 로터 베어링(501)과, 상기 샤프트(512,513)의 하단과 상단을 지지하는 샤프트 하단 베어링(502)과 샤프트 상단 베어링(503)을 포함하는 로터 및 베어링 어셈블리(500); 및 상기 회전양극(600)에서 발생된 열이 외부로 방열되도록 외측면에는 소정 간격으로 이격되어 돌출된 외부 방열구조(703)가 구비되며, 상기 회전양극(600)의 하부와 상부에 연결되는 하부 방열부(701)와 상부 방열부(705)가 구비된 금속외관 케이스(700);를 포함한다.

Description

열방출 효율이 향상된 회전양극 엑스선관 구조{Structure of rotating anode type X-ray tube having improved thermal emitting efficiency}
본 발명은 열방출 효율이 향상된 회전양극 엑스선관 구조에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 음극에 별도의 고전압 절연장치 없이도 엑스선관에 고전압을 인가할 수 있는 음극구조와, 샤프트 및 회전양극의 회전시 정밀한 회전밸런스를 유지함으로써 베어링의 마모를 지연시키고 편중마모가 없는 고속회전이 가능하게 되어 영상의 질 저하를 억제할 수 있는 로터 및 베어링 어셈블리와, 회전양극과 금속외관 케이스에 전도 또는 복사에 의한 열전달을 촉진하는 냉각구조를 구비함으로써 열방출 효율을 향상시킴과 아울러 열 발생으로 인한 입력전력의 제한 조건을 완화시키고 엑스선관의 수명을 연장할 수 있는 회전양극 엑스선관 구조에 관한 것이다.
엑스선은 가열된 필라멘트에서 발생된 열전자가 관전압에 의해 가속되어 타겟에 충돌될 때 발생되며, 관전압 150kV 이하에서는 1% 미만의 에너지만 엑스선으로 변환되고 나머지는 열 에너지로 변환된다. 엑스선관에 인가된 고전압(V)에 의해 가속되는 전자(e)에 의해 발생되는 엑스선은 다음 관계식을 갖는다.
Figure 112011087640708-pat00001
여기서, ½mv2 은 전자의 운동에너지, e는 전자의 전하량, m은 전자의 질량, υ는 가속된 전자의 충돌순간 속력, V는 전자가속전압이고, 발생된 엑스선 스펙트럼에서 최대 진동수 νmax와 최단파장 λmin은 다음과 같다.
Figure 112011087640708-pat00002
Figure 112011087640708-pat00003
입력전력의 99% 이상이 열로 전환되기 때문에 양극에 발생된 열로 인하여 엑스선관의 입력전력 및 사용에 제한을 받게 된다. 이러한 제한을 완화시키기 위해서 회전양극을 이용하게 되었고, 회전수를 높이고, 열방출을 높이기 위한 베어링과 회전양극 및 금속외관 케이스의 구조를 개선하는 일들이 이루어지고 있다.
동일한 초점에 대해서 입력전력을 높이려면 회전양극의 초점트랙을 크게 하고, 회전수를 높여야 되며, 관계식은 다음과 같다.
Figure 112011087640708-pat00004
여기서, n은 양극의 회전수, d는 초점트랙의 직경이다.
또한 입력전력과 엑스선발생 선량은 타겟재료와 관련이 있는데, 동일한 초점과 입력전력 및 동일한 양극구조에 대해서 발생 엑스선 선량과 타겟 원자번호는 비례하며, 관계식은 다음과 같다.
Figure 112011087640708-pat00005
여기서, I는 엑스선 발생 선량, i는 관전류, Z는 원자번호, V는 관전압이다. 즉, 동일한 입력전력에 대해서 타겟의 원자번호가 높을수록 엑스선 발생 선량(I)이 증가한다. 원자번호가 높은 재료로서 고온에 견딜 수 있는 재료가 텅스텐(W)이므로 타겟은 텅스텐 또는 텅스텐 합금이 이용된다. 타겟을 제외한 양극체는 타겟에서 발생된 열에 대한 저장체 역할을 하기 때문에 녹는점과 열용량이 높고 상대적으로 가벼운 재료가 이용되는데, 양극체의 재료로서는 몰리브덴(Mo) 또는 몰리브덴-그라파이트의 복합체가 이용된다.
엑스선관 작동시 초점의 온도는 2500℃~2800℃에 도달하며, 2800℃ 이상에서는 타겟의 손상이 급격히 진행되거나 녹는 상황이 발생되므로 피해야 되는 것으로 알려져 있다. 엑스선관을 연속가동하거나 빈번하게 사용시에는 초점 이외의 양극체 온도가 1500℃ 이상 도달되기도 한다.
도 1은 종래 회전양극 엑스선관의 일련의 작동이 연속적으로 실행되는 과정 및 실행 후 냉각되는 과정에서 초점과 양극체 및 외관 벌브의 온도변화를 나타낸 그래프, 도 2는 종래 회전양극 엑스선관의 구조를 나타낸 (a) 단면도 및 (b) 회전양극의 평면도이다.
도 1을 참조하면, 곡선 101은 초점면(210)의 온도변화, 곡선 102는 초점 이외의 초점트랙(211)의 온도변화, 곡선 103은 양극(202)의 온도변화, 곡선 104는 엑스선관을 지지하는 외관 벌브(206)의 양극(202) 가장자리에 인접한 부위, 특히 방사창 부근의 온도변화의 양상을 표현한 곡선이다. 온도가 높을수록 복사에 의한 열방출율이 높다. 초점(210)과 초점트랙(211)에서는 복사에 의한 열방출이 주도적으로 일어나고, 일부의 열은 양극(202)에 저장되어 복사와 전도에 의해 방출되는데, 양극(202)과 외부의 접촉은 베어링(208,209)이 유일하기 때문에 전도에 의해 방출되는 과정에서 베어링(208,209)이 과열되어 마모가 가속된다.
도 2를 참조하면, 초점(210)에서 발생된 열의 이동 및 방출경로는 다음과 같다. 초점(210)에서 발생된 열의 전도에 의한 방출은, 초점(210)→초점트랙(211)→초점트랙(211) 근방의 양극면 및 양극체(202)→샤프트(207)→로터(203)→내륜축(204)→로터 상단 및 하단 베어링(208,209)→외륜축(205)→엑스선관(200)이 침지되는 절연유의 대류→관장치의 하우징 케이스→외부방열의 경로를 따른다.
초점(210)에서 발생된 열의 복사에 의한 방출은, 초점(210)과 초점트랙(211) 및 양극(202)에서 복사→외관 벌브(206)에서 전도→절연유의 대류→관장치의 하우징 케이스→외부방열의 경로를 따른다.
열의 전도 과정에서 베어링(208,209)의 온도는 300℃~400℃에 도달되어 회전시 베어링(208,209)의 마모가 가속된다. 베어링(208,209) 및 이를 포함한 베어링 어셈블리(204,205,208,209)는 엑스선관(200)의 성능을 좌우하는 것으로서, 베어링(208,209)의 마모로 인한 양극(202)의 흔들림은 초점(210)의 흔들림이 되어 영상의 질을 떨어뜨리는 원인이 되므로 베어링(208,209)의 마모를 지연시키거나 안정적인 고속회전을 실행할 수 있는 기술들이 제시되고 있다. 베어링(208,209)의 마모를 지연시키는 방안으로는 양극(202)의 열이 베어링(208,209)에 급속히 전달되는 것을 방지하는 샤프트(207) 및 베어링 어셈블리(204,205,208,209) 구조에 관한 기술들과 양극(202)의 열저장 기능 및 복사방출 기능을 향상시키는 기술들이 제시되고 있으며, 이와 관련된 선행기술들은 다음과 같다.
대한민국 등록특허 10-0385639에는 Ga합금 등의 액체 금속 윤활제를 이용한 동압식 슬라이딩 베어링이 양극체를 지지하고, 베어링 전체적으로 온도가 균일하게 함으로써 열방출을 촉진하여 온도상승을 억제하고, 장기간에 걸쳐 안정적인 회전특성을 유지할 수 있는 회전양극형 엑스선관을 제시하였다.
유럽 공개특허 EP2264737A2에는 자기베어링과 볼베어링이 복합적으로 구성된 베어링 어셈블리가 양극체를 지지하여 안정적인 양극회전이 실행되도록 하였다.
유럽 등록특허 EP0917176B1에는 스트래들 베어링(straddle bearing) 구조의 베어링 어셈블리를 이용하여 양극을 지지하고, 양극의 질량중심이 두 개의 베어링에 대해서 대칭점에 위치되도록 함으로써 양극을 지지하는 두 개의 베어링에 전달되는 열과 중량하중이 동일해지도록 하여 베어링의 마모를 지연시키고 안정적인 양극의 회전이 실행되도록 하였다.
미국 등록특허 US006445769B1에는 로터베어링 내륜축은 내부가 빈 관형태이고, 내부에 냉각매질을 강제 순환시킬 수 있는 구조로서, 베어링을 강제 냉각시킴으로써 베어링의 수명이 연장되도록 하였다.
미국 공개특허 US20020085675A1에는 스트래들(straddle) 타입의 베어링 어셈블리를 이용하여 양극을 지지하고, 베어링 어셈블리와 동축으로 양극 복사열 수용체를 설치하였으며, 이 수용체의 열은 강제냉각되는 외기에 복사되게 함으로써 양극의 열을 방출하는 양극 복사열 수용체의 구조를 제시하였다.
미국 등록특허 US6603834B1에는 스트래들(straddle) 타입의 베어링 어셈블리를 이용하여 양극을 지지하고, 베어링 어셈블리와 동축으로 양극 복사열 수용체 및 베어링 어셈블리 전도열 수용체를 설치하였으며, 이 수용체의 외부면은 외부에 노출되어 강제공냉 되도록 하여 양극의 열을 효과적으로 방출하는 동시에 베어링 어셈블리가 냉각되도록 하였다.
본 발명의 목적은, 영상의 질 저하를 방지하고, 회전양극에서 발생된 열의 방출효율을 향상시켜 열로 인한 입력전력의 제한 조건을 완화시키며, 엑스선관 수명을 연장시킬 수 있는 베어링 어셈블리 구조와 회전양극 및 금속외관 케이스 구조를 제시하는 것이다.
또한 회전양극의 정밀한 회전밸런스를 유지하도록 함으로써 베어링의 마모를 지연시키고 고속회전을 실행할 수 있는 베어링 어셈블리 구조를 제시하는 것이다.
또한 회전양극의 열에 대해 복사 및 전도에 의한 열방출 효율을 높여 베어링의 열충격을 줄임으로써 베어링의 마모를 지연시키고, 열로 인한 입력전력의 제한 조건을 완화시킬 수 있는 회전양극 및 금속외관 케이스 구조를 제시하는 것이다.
또한 금속외관 케이스의 열방출 효율을 높이기 위한 구조 및 고전압 절연을 위한 음극 어셈블리 구조를 제시하는 것이다.
상술한 바와 같은 목적을 구현하기 위한 본 발명의 회전양극 엑스선관 구조는, 전원이 인가되는 외부싱(401)과, 상기 인가된 전원에 의해 가열되어 전자빔을 방출하는 필라멘트(403)를 구비한 음극 어셈블리(400); 상기 필라멘트(403)로부터 방출된 전자빔과의 충돌에 의해 엑스선을 방출하는 타겟(603)과, 상기 타겟(603)의 하부에 일체로 결합된 회전양극체(608)로 이루어진 회전양극(600); 상기 회전양극(600)의 회전중심에 축 결합되는 샤프트(512,513)와, 상기 샤프트(512,513)의 하부에 결합되어 일체로 회전되는 로터(504)와, 상기 로터(504)를 지지하는 로터 베어링(501)과, 상기 샤프트(512,513)의 하단과 상단을 지지하는 샤프트 하단 베어링(502)과 샤프트 상단 베어링(503)을 포함하는 로터 및 베어링 어셈블리(500); 및 상기 회전양극(600)에서 발생된 열이 외부로 방열되도록 외측면에는 소정 간격으로 이격되어 돌출된 외부 방열구조(703)가 구비되며, 상기 회전양극(600)의 하부와 상부에 연결되는 하부 방열부(701)와 상부 방열부(705)가 구비된 금속외관 케이스(700);를 포함한다.
이 경우 상기 음극 어셈블리(400)의 외부싱(401)은, 세라믹 소재로 이루어지고, 상측으로 개구부가 형성되며 내부가 중공된 원통형상으로 이루어지며, 상단 둘레에는 세라믹 부싱 상단 어댑터(406)가 결합되고, 하단 둘레에는 상기 금속외관 케이스(700)의 상면(709)에 체결되는 세라믹 부싱 하단 어댑터(405)가 결합되며, 상기 외부싱(401)의 바닥면에는 전기적 접속을 위한 전극핀(404)이 상하로 관통되어 상기 필라멘트(403)가 장착되는 집속캡(402)에 연결되어, 고전압의 인가시에도 상기 음극 어셈블리(400)의 절연 상태가 유지되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 세라믹 외부싱(401)에서 상기 세라믹 부싱 하단 어댑터(405)와, 세라믹 부싱 상단 어댑터(406) 및 전극핀(404)이 결합되는 부위는 진공기밀성이 유지되도록 메탈라이징 처리된 후에 브레이징 용접으로 결합되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 로터 및 베어링 어셈블리(500)는, 상기 로터(504)를 축 지지하는 로터베어링 어셈블리와, 상기 회전양극(600)을 지지하는 샤프트 베어링 어셈블리로 이루어지되, 상기 로터 베어링 어셈블리는, 상기 로터(504)의 하면에 결합되는 로터 베어링 내륜축(505)과, 상기 로터 베어링 내륜축(505)의 하부 둘레에 상기 로터 베어링(501)을 사이에 두고 연결되는 로터 베어링 외륜축(506) 및 상기 로터 베어링 내륜축(505)과 로터 베어링 외륜축(506) 사이에 개재되어 온도변화에 따른 축방향 길이변화를 흡수하는 로터 스페이서 스프링(507)으로 이루어지고, 상기 샤프트 베어링 어셈블리는, 상기 샤프트 하단 베어링(502)과 샤프트 상단 베어링(503), 상기 로터(504)의 상면에 결합되는 샤프트 내축(512)과, 상기 샤프트 내축(512) 둘레에 축 결합됨과 동시에 상기 회전양극(600)의 회전중심에 축 결합되어 샤프트 너트(514)에 의해 상기 회전양극(600)에 체결되는 샤프트 외축(513) 및 상기 샤프트 외축(513)과 상부 방열부(705) 사이에 개재되어 온도변화에 따른 축방향 길이변화를 흡수하는 샤프트 스페이서 베어링(508)으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한 상기 회전양극체(608)의 질량중심은 상기 샤프트 하단 베어링(502)과 샤프트 상단 베어링(503)의 중심에 위치하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 로터(504)와 로터 베어링 어셈블리 및 샤프트 베어링 어셈블리는 샤프트 내축(512)의 축선을 기준으로 동심 구조를 이루며 배치된 것을 특징으로 한다.
또한 상기 금속외관 케이스(700)의 상면(709)과 상기 상부 방열부(705)는 어댑터(707)에 의해 결합되되, 상기 어댑터(707)에는 온도변화에 의한 상기 샤프트(512,513) 및 상부 방열부(705)의 축방향 위치변동을 흡수할 수 있는 상하 플랙시블관(708)이 구비된 것을 특징으로 한다.
또한 상기 회전양극(600)의 상면 또는 하면에는 양극 베어링(601)이 장착되는 양극 베어링 홈(602)이 형성되고, 상기 양극 베어링(601)이 장착된 면의 반대 측면에는 복사열 방열홈(606)이 형성되며, 상기 상부 방열부(705)의 하부와 하부 방열부(701)의 상부에는 상기 양극 베어링(601)이 장착되는 양극 베어링 홈(713)과, 상기 복사열 방열홈(606)에 삽입되는 복사열 흡열체(702)가 형성된 것을 특징으로 한다.
또한 상기 회전양극(600)의 하면과 상면에는 복사열 방열홈(606,607)이 형성되고, 상기 하부 방열부(701)의 상부와 상부 방열부(705)의 하부에는 상기 복사열 방열홈(606,607)에 삽입되는 복사열 흡열체(702,717)가 형성된 것을 특징으로 한다.
또한 상기 회전양극(600)의 하면과 상면에는 양극 베어링(601)이 장착되는 양극 베어링 홈(602)이 각각 형성되고, 상기 하부 방열부(701)의 상부와 상부 방열부(705)의 하부에는 상기 양극 베어링(601)이 장착되는 양극 베어링 홈(602)이 각각 형성된 것을 특징으로 한다.
또한 상기 상부 방열부(705)와 하부 방열부(701)의 외부 방열구조(703)에는 열방출효율을 높이기 위한 강제공냉이 실행되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 상부 방열부(705)와 하부 방열부(701)의 내부에는 냉각유체가 순환되는 냉각유체 내부순환로(714)가 설치된 것을 특징으로 한다.
또한 상기 상부 방열부(705)와 하부 방열부(701)의 외면에는 냉각유체가 순환되는 냉각유체 외부순환로(715)가 설치된 것을 특징으로 한다.
또한 상기 상부 방열부(705)와 하부 방열부(701)의 내부 또는 외면에는 벽면이 이중으로 구비되어 그 사이 공간으로 냉각유체가 순환되는 이중자켓 냉각유체 순환로(716)가 형성된 것을 특징으로 한다.
또한 상기 금속외관 케이스(700)는 무산소동 재질로 이루어지고, 그 내면에는 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr) 또는 이들을 포함하는 합금의 비확산 게터가 도포된 것을 특징으로 한다.
또한 상기 양극 베어링(601)은 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 세라믹 또는 그라파이트 재질로 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 회전양극 엑스선관 구조에 의하면, 열로 인한 베어링 마모를 지연시키고 정밀한 회전밸런스를 유지함으로써 초점의 떨림을 방지하여 영상의 질이 저하되는 것을 방지하고 엑스선관의 사용수명을 연장할 수 있다.
또한 로터 및 베어링 어셈블리는 로터 베어링과 두 개의 샤프트 베어링 및 양극 베어링이 장착되어 있고, 로터 베어링은 로터 어셈블리 하부를 지지하고, 두 개의 샤프트 베어링은 양극체를 지지하는데, 양극체의 질량중심이 두 개의 샤프트 베어링 사이에 위치하도록 하고, 양극 베어링이 타겟면에 장착되어 있어서, 회전양극의 축을 안정적으로 지지하고 회전양극의 수평면을 안정적으로 지지함으로써 회전양극의 안정적인 고속회전을 실행할 수 있다.
또한 금속외관 케이스의 외부 방열구조 및 내부에 양극 복사열 흡열체가 구비되어 있고, 양극 복사열 흡열체는 양극의 하부와 상부에 형성된 복사열 방열홈에 결합되어 양극 복사열을 흡수하여 양극의 열을 효과적으로 방출함으로써 엑스선관의 열로 인한 사용제한을 완화시킬 수 있고, 베어링의 마모를 지연시킬 수 있다.
또한 금속외관 케이스에 냉각수 순환유로를 형성하여 냉각수를 금속외관 케이스에 강제순환시켜 복사에 의한 열방출을 촉진함으로써 엑스선관의 열로 인한 문제들을 더욱 완화시킬 수 있다.
또한 회전양극의 윗면 또는 윗면과 아랫면에 장착된 다수의 양극 베어링을 통해 접촉되는 금속외관 케이스의 상부 방열부와 하부 방열부를 통해 전도에 의해 양극 열방출을 촉진함으로써 엑스선관의 열로 인한 문제들을 더욱 완화시킬 수 있다.
또한 회전양극의 아랫면 또는 윗면과 아랫면에 회전양극의 복사열 방출효율을 높이기 위한 복사열 방열홈을 형성하고, 복사열 방열홈에 금속외관 케이스의 복사열 흡열체가 결합되어 복사에 의한 열방출을 촉진함으로써 엑스선관의 열로 인한 문제들을 더욱 완화시킬 수 있다.
또한 음극 어셈블리에 고전압을 인가할 수 있는 세라믹 외부싱이 결합되어 있고, 여기에 내부싱을 밀착된 상태로 결합함으로써 고전압이 절연되어 별도의 고전압 절연장치를 설치하지 않더라도 금속외관 케이스에 직접 강제공냉 또는 강제수냉을 수행하여 냉각효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래 회전양극 엑스선관의 일련의 작동이 연속적으로 실행되는 과정 및 실행 후 냉각되는 과정에서 초점과 양극체 및 외관 벌브의 온도변화를 나타낸 그래프,
도 2는 종래 회전양극 엑스선관의 구조를 나타낸 (a) 단면도 및 (b) 회전양극의 평면도,
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 회전양극 엑스선관의 구조를 나타낸 단면도,
도 4는 도 3에 도시된 음극 어셈블리의 단면도,
도 5는 도 3에 도시된 로터 및 베어링 어셈블리의 단면도,
도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 회전양극의 (a) 평면도와, (b) 단면도 및 (c) 저면도,
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 회전양극의 (a) 평면도와, (b) 단면도,
도 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 회전양극의 단면도,
도 9는 본 발명의 제1실시예에 따른 금속외관 케이스의 (a) 분해 단면도와, (b) 결합 단면도,
도 10은 본 발명의 제1실시예에 따른 금속외관 케이스의 상부 방열부와 하부 방열부에 냉각수 내부순환로가 형성된 강제수냉 냉각구조를 나타낸 단면도,
도 11은 본 발명의 제1실시예에 따른 금속외관 케이스의 상부 방열부와 하부 방열부에 냉각수 외부순환로가 형성된 강제수냉 냉각구조를 나타낸 단면도,
도 12는 본 발명의 제1실시예에 따른 금속외관 케이스의 상부 방열부와 하부 방열부에 이중재킷 냉각수순환로가 형성된 강제수냉 냉각구조를 나타낸 단면도,
도 13은 본 발명의 제2실시예에 따른 금속외관 케이스의 분해 단면도,
도 14는 본 발명의 제3실시예에 따른 금속외관 케이스의 분해 단면도,
도 15는 본 발명의 제1실시예에 따른 회전양극 엑스선관이 납차폐가 구비된 하우징 내부에 설치된 엑스선관장치의 단면도이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 회전양극 엑스선관의 구조를 나타낸 단면도, 도 4는 도 3에 도시된 음극 어셈블리의 단면도, 도 5는 도 3에 도시된 로터 및 베어링 어셈블리의 단면도이다.
본 발명에 따른 회전양극 엑스선관(300)은, 도 3에 도시된 바와 같이 외부의 전압이 인가되는 음극 어셈블리(400), 회전양극(600)의 회전시 회전 밸런스가 유지되도록 지지하는 로터 및 베어링 어셈블리(500), 음극으로부터 방출된 전자빔과의 충돌 및 반사에 의해 엑스선을 방출하는 회전양극(600) 및 상기 회전양극(600) 둘레에 구비되어 회전양극(600)으로부터 발생된 열을 외부로 방출하는 금속외관 케이스(700)를 포함하여 구성된다. 이하, 상기 구성요소들의 기술적 특징 및 작용을 순서대로 설명한다.
<음극 어셈블리(400)>
기존의 엑스선관에서는 음극과 양극의 고전압 접점이 노출되어 있어서 엑스선관의 작동시 고전압 절연에 대한 주의가 요구되었고, 엑스선관의 열을 방출하는 과정에서도 제한이 수반되었다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에서는 음극 어셈블리(400)에 고전압을 인가할 수 있는 세라믹 외부싱(401)을 구비함으로써 별도의 고전압 절연장치를 설치하지 않더라도 후술되는 바와 같이 금속외관 케이스(700)에 직접 강제공냉 또는 강제수냉을 수행하여 냉각효율을 향상시킬 수 있도록 하였다.
상기 세라믹 외부싱(401)은 상측으로 개구부가 형성되고 내부는 중공되며 상측으로부터 하측으로 갈수록 단면적이 점차 좁게 형성된 원통형상으로 이루어지며, 그 내측에는 외부로부터 고전압을 인가하기 위한 내부싱(미도시됨)이 삽입되어 전기적으로 연결된다. 상기 세라믹 외부싱(401)의 상단 둘레에는 세락믹 부싱 상단 어댑터(406)가 결합되고, 하단 둘레에는 금속외관 케이스(700)의 상면(709)에 체결되는 세라믹 부싱 하단 어댑터(405)가 결합되며, 세라믹 외부싱(401)의 바닥면에는 전극핀(404)이 상하로 관통되어 필라멘트(403)가 장착되는 집속캡(402)에 연결되어 있다. 세라믹 외부싱(401)은 150kV 절연기능을 가지며, 음극 어셈블리(400)를 지지하는 역할을 한다. 집속캡(402)은 필라멘트(403)를 지지하고, 필라멘트(403)에서 방출된 전자빔을 집속하는 기능을 한다. 필라멘트(403)는 외부전원에 의해 가열되어 전자를 방출하는 기능을 하고, 전극핀(404)은 필라멘트(403)를 지지하며, 필라멘트(403) 전원 입력시에 도선의 역할을 한다. 세라믹 부싱 하단 어댑터(405)는 음극 어셈블리(400)가 금속외관 케이스(700)의 상면(709)에 결합되도록 하고, 세라믹 부싱 상단 어댑터(406)는 고전압 인가시 내부싱이 세라믹 외부싱(401)에 밀착상태로 결합되어 절연상태를 유지하도록 하는 기능을 한다.
세라믹 외부싱(401)에서 세라믹 부싱 하단 어댑터(405)와, 세라믹 부싱 상단 어댑터(406) 및 전극핀(404)이 결합되는 부위에는 진공기밀성이 유지되도록 금속을 분사하여 도장하는 메탈라이징(metalizing)을 먼저 실시한 다음 브레이징 용접으로 결합하게 된다.
이와 같이 본 발명에서는 음극 어셈블리(400)에 세라믹 외부싱(401)을 구비하여 그 내측에 내부싱이 밀착된 상태로 결합되도록 구성함으로써, 고전압 절연이 유지되어 별도의 고전압 절연장치를 설치하지 않더라도 엑스선관에 고전압을 인가할 수 있는 기능을 제공한다. 이와 같은 음극 어셈블리(400)의 구성에 의해, 본 발명에서는 후술되는 바와 같이 금속외관 케이스(700)의 냉각효율을 높일 수 있도록 직접 강제공냉 또는 강제수냉을 할 수 있는 기능을 제공하고, 음극선관을 관장치에 내장했을 때에도 고전압 절연문제에 제한받지 않고 냉매를 강제순환시켜서 금속외관 케이스(700)의 냉각효율을 높일 수 있는 기능을 제공한다.
< 로터 및 베어링 어셈블리(500)>
기존 엑스선관에서 양극의 열은 베어링에 전도되는 과정에서 억제되고 지연되도록 의도하였지만, 베어링의 온도는 300℃~400℃에 도달되어 회전시 베어링 마모가 가속된다. 특히 양극의 회전시 두 개의 베어링(208,209, 도 2 참조)에 가해지는 하중이 서로 달라서 양극(202)에 가까운 위치에 있는 베어링(208)의 마모가 가속되어 양극(202)의 흔들림으로 인한 영상의 질저하 현상이 조기에 나타나는 문제점이 있었다.
본 발명에서는 베어링에 걸리는 양극하중의 편중현상을 해결하여 베어링의 편중마모로 인한 영상의 질저하 현상을 지연시키고, 로터(504)와 샤프트(512,513) 및 회전양극(600)의 안정적인 고속회전을 실행할 수 있는 로터 및 베어링 어셈블리(500) 구조를 제시하였다.
로터 및 베어링 어셈블리(500)는, 로터(504)와, 로터(504)를 축 지지하는 로터 베어링 어셈블리 및 회전양극(600)을 지지하는 샤프트 베어링 어셈블리로 구성된다. 로터(504)는 회전양극(600)을 구동함과 동시에 회전양극(600)을 지지하는 기능을 한다.
로터 베어링 어셈블리는, 로터(504)의 하면에 결합되는 로터 베어링 내륜축(505)과, 상기 로터 베어링 내륜축(505)의 하부 둘레에 로터 베어링(501)을 사이에 두고 연결되는 로터 베어링 외륜축(506) 및 상기 로터 베어링 내륜축(505)과 로터 베어링 외륜축(506) 사이에 개재되어 온도변화에 따른 축방향 길이변화를 흡수하는 로터 스페이서 스프링(507)으로 구성된다.
샤프트 베어링 어셈블리는, 샤프트 하단 베어링(502)과 샤프트 상단 베어링(503), 로터(504)의 상면에 결합되는 샤프트 내축(512)과, 상기 샤프트 내축(512)의 둘레에 축 결합됨과 동시에 회전양극(600)의 회전중심에 축 결합되어 샤프트 너트(514)에 의해 회전양극(600)에 체결되는 샤프트 외축(513) 및 상기 샤프트 외축(513)과 상부 방열부(705, 도 6 참조) 사이에 개재되어 온도변화에 따른 축방향 길이변화를 흡수하는 샤프트 스페이서 베어링(508)으로 구성된다.
로터(504)와, 로터 베어링 어셈블리 및 샤프트 베어링 어셈블리는 샤프트 내축(512)의 축선을 기준으로 동심 구조를 이루며 정밀 조립된다.
로터(504)는 외부 스테이터 코일(803, 도 8 참조)의 교류전류에 대응해서 회전이 구동되어 회전양극(600)을 회전시키는 기능을 한다. 로터 베어링(501)은 로터 베어링 내륜축(505) 및 외륜축(506)과 함께 로터(504)를 지지한다. 샤프트 하단 베어링(502)과 샤프트 상단 베어링(503)과 샤프트 내축(512) 및 샤프트 외축(513)은 샤프트 너트(514)와 함께 회전양극(600)을 지지하고 회전축 역할을 하여 로터(504)에서 구동된 회전구동력을 회전양극(600)에 전달한다. 특히 회전양극체(608)의 질량중심이 샤프트 하단 베어링(502)과 샤프트 상단 베어링(503)의 중심에 위치하도록 조립하여 베어링(501,502,503)의 편중마모를 해결하고 안정적인 고속회전을 실행할 수 있도록 한다. 로터 스페이서 스프링(507)과 샤프트 스페이서 스프링(508)은 로터 베어링 어셈블리와 샤프트 베어링 어셈블리의 온도변화에 따른 축방향 길이 변화를 흡수하여 구조에 변형이 되지 않도록 하는 기능을 한다.
<회전양극(600)>
도 6을 참조하면, 전자빔의 충돌시 초점(604)은 고온상태가 되고 복사에 의해서 열을 방출하고 일부는 초점트랙(605)을 가열한 상태로 회전하면서 타겟(603) 및 그 하부의 회전양극체(608) 전체로 전도되어 간다. 이 경우 초점트랙(605)은 여전히 고온상태이기 때문에 일부는 복사형태로 열을 방출하며, 타겟(603) 및 회전양극체(608) 전체로 전도되어 간다. 고온일수록 복사에 의한 열방출율은 높아지게 되는데, 엑스선관(300)의 작동시간이 경과되면 회전양극체(608)의 온도가 상승하여 복사에 의한 열방출율이 높아지게 된다.
기존의 고립된 양극(202, 도 2 참조)에서는 양극(202)에 열이 저장상태로 오래 머물게 되어 열로 인한 베어링(208,209)의 마모가 촉진되어 엑스선관의 사용 수명을 단축시키고 열로 인한 사용제한을 받게 되는 문제점이 있었다.
본 발명에서는 회전양극(600)에 양극 베어링(601)을 장착하여 회전양극(600)이 전도에 의해 열방출 기능을 갖게 하였고, 복사열 방열홈(606,607)을 내어 복사면적을 넓게 하여 복사율을 높이고, 상기 복사열 방열홈(606,607)에 복사열 흡열체(702,717)를 결합하여 열방출율을 높임으로써 회전양극(600)의 온도상승을 억제하여 베어링(501,502,503)의 마모를 지연시켜 엑스선관(300)의 사용 수명을 연장시키고, 열로 인한 사용제한을 완화시킬 수 있도록 하였다.
본 발명에서는 회전양극(600)의 유형을 3가지 제시하였다.
도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 회전양극의 (a) 평면도와, (b) 단면도 및 (c) 저면도, 도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 회전양극의 (a) 평면도와, (b) 단면도, 도 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 회전양극의 단면도이다.
제1실시예는, 도 6에 도시된 바와 같이 회전양극(600)의 상면 또는 하면에 양극 베어링(601)이 장착되는 양극 베어링 홈(602)을 형성하고, 다른 한 면은 복사열 방열홈(606)이 형성된 구조로서, 회전양극(600)에서 발생된 열은 양극 베어링(601)을 통해 전도의 형태로 열전달되고, 복사열 방열홈(606)을 통해 복사의 형태로 열전달이 이루어진다. 도 6(b)에서는 회전양극(600)의 상면에 양극 베어링(601)이 장착되는 양극 베어링 홈(602)이 형성되고, 회전양극(600)의 하면에 복사열 방열홈(606)이 형성되어 있는 회전양극(600)을 도시한 것이나, 다른 실시예로 회전양극(600)의 하면에 양극 베어링이 장착되고, 회전양극(600)의 상면에 복사열 방열홈이 형성되어 있는 구조의 경우에도 동일한 기능을 가지며, 동일한 내용으로 설명할 수 있다.
제2실시예는, 도 7에 도시된 바와 같이 회전양극(600)의 하면과 상면 두 면 모두에 복사열 방열홈(606,607)이 형성된 구조로서, 회전양극(600)에서 발생된 열은 복사열 방열홈(606,607)을 통해 복사의 형태로 열전달된다.
제3실시예는, 도 8에 도시된 바와 같이 회전양극(600)의 상면과 하면 두 면 모두에 양극 베어링(601)이 장착되는 양극 베어링 홈(602)이 형성된 구조로서, 회전양극(600)에서 발생된 열은 양극 베어링(601)을 통해 전도의 형태로 열전달된다.
양극 베어링(601)이 장착되는 회전양극(600)은 도 6(a),(b)에 도시된 바와 같이 회전양극(600)의 상면에 원형의 양극 베어링 홈(602)이 동심 구조로 한 개 라인 이상 형성되고, 여기에 다수의 양극 베어링(601)이 장착된다. 상기 양극 베어링(601)을 통해 회전양극(600)의 열을 금속외관 케이스(700)의 상부 방열부(705)로 전도 배출하여 회전양극(600)의 온도가 상승하는 것을 억제하는 기능이 있다. 회전양극(600)의 하면에 양극 베어링(601)이 장착되고, 상면에 복사열 방열홈이 형성되는 경우에도 이와 동일한 기능이 있다.
회전양극(600)의 상면과 하면 두 면 모두에 양극 베어링(601)이 장착되는 제3실시예의 경우, 회전양극(600)의 상면과 하면 모두에 양극 베어링 홈(602)이 동심 구조로 한 개 라인 이상 형성되고, 상기 양극 베어링 홈(602)에 다수의 양극 베어링(601)이 장착되고, 상기 양극 베어링(601)을 통해 회전양극(600)의 열을 금속외관 케이스(700)의 상부 방열부(705)와 하부 방열부(701)로 전도 배출하여 회전양극(600)의 온도가 상승하는 것을 억제하는 기능이 있다.
회전양극(600)에 장착되는 양극 베어링(601)의 재질은 열전도율이 우수하고 내열성이 강한 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo) 또는 고온에 견디는 금속, 세라믹, 그라파이트 등으로 구성될 수 있다.
복사열 방열홈(606,607)은 회전양극(600)의 표면이 평면구조로 이루어진 경우와 비교하여 복사면적을 넓게 하여 복사율을 높이기 위한 구조로서, 후술되는 바와 같이 금속외관 케이스(700)의 복사열 흡열체(702,717)를 결합하여 열방출율을 높임으로써 회전양극(600)의 온도상승을 억제하는 기능을 제공한다.
< 금속외관 케이스(700)>
도 9는 본 발명의 제1실시예에 따른 금속외관 케이스의 (a) 분해 단면도와, (b) 결합 단면도, 도 10은 본 발명의 제1실시예에 따른 금속외관 케이스의 상부 방열부와 하부 방열부에 냉각수 내부순환로가 형성된 강제수냉 냉각구조를 나타낸 단면도, 도 11은 본 발명의 제1실시예에 따른 금속외관 케이스의 상부 방열부와 하부 방열부에 냉각수 외부순환로가 형성된 강제수냉 냉각구조를 나타낸 단면도, 도 12는 본 발명의 제1실시예에 따른 금속외관 케이스의 상부 방열부와 하부 방열부에 이중재킷 냉각수순환로가 형성된 강제수냉 냉각구조를 나타낸 단면도, 도 13은 본 발명의 제2실시예에 따른 금속외관 케이스의 분해 단면도, 도 14는 본 발명의 제3실시예에 따른 금속외관 케이스의 분해 단면도이다.
기존의 엑스선관 외관 벌브(206, 도 2 참조)는 파이렉스 벌브가 일반적인 구조이고, 금속외관 벌브도 제시되고 있다. 파이렉스 벌브는 진공기밀유지 및 절연기능을 제공할 수 있으나, 자체의 양극 냉각기능은 없다. 금속외관 벌브는 양극의 복사열 흡수체로서 기능을 가지지만 효율이 낮다.
본 발명에서는 금속외관 케이스(700)가 양극 베어링 홈(713)에서 양극 베어링(601)과 접촉되어 회전양극(600)의 열이 전도에 의해 하부 방열부(701) 및 상부 방열부(705)를 통해 방출되도록 하는 기능을 갖도록 하였고, 복사에 의한 열방출율을 높이기 위해서 복사열 흡열체(702,717)를 회전양극(600)의 복사열 방열홈(606,607)에 결합하여 열방출율을 높일 수 있는 구조를 제시하였다.
금속외관 케이스(700)는 하부 방열부(701), 측면관(711), 상부 방열부(705)가 결합된 상면(709)으로 구성되어 있다.
금속외관 케이스(700)의 유형을 3가지 제시하였다.
제1실시예는, 도 6에 도시된 회전양극(600)의 상면 또는 하면에 양극 베어링(601)이 장착되고, 다른 한 면은 복사열 방열홈(606)이 형성된 회전양극(600)에 부합되는 금속외관 케이스(700) 구조이며, 도 9에 도시되어 있다. 하면에 양극 베어링이 장착되고, 상면에 복사열 방열홈이 형성되어 있는 회전양극에 부합되는 구조도 여기에 포함된다.
제2실시예는, 도 7에 도시된 회전양극(600)의 상면과 하면 두 면 모두에 복사열 방열홈(606,607)이 형성된 회전양극(600)에 부합되는 금속외관 케이스(700) 구조이며, 도 13에 도시되어 있다.
제3실시예는, 도 8에 도시된 회전양극(600)의 상면과 하면 두 면 모두에 양극 베어링(601)이 장착되는 양극 베어링 홈(602)이 형성된 회전양극(600)에 부합되는 금속외관 케이스(700) 구조이며, 도 14에 도시되어 있다.
이하, 상기 금속외관 케이스(700)의 제1 내지 제3 실시예를 순서대로 설명한다.
(상부 양극 베어링 접촉, 하부 복사열 흡열구조의 금속외관 케이스)
금속외관 케이스(700)의 제1실시예는, 도 6에 도시된 회전양극(600)의 상면에는 양극 베어링(601)이 장착되는 양극 베어링 홈(602)이 형성되고, 하면에는 복사열 방열홈(606)이 형성된 구조로 되어 있는 회전양극(600)에 부합되는 구조로 이루어진 것이다. 도 9에 도시된 바와 같이 하부 방열부(701)는 상부에 회전양극 하부 복사열 흡열체(702)가 형성되고, 외측면에는 외부 방열구조(703)로 되어 있고, 중심에는 샤프트 하단 베어링(502)의 외륜지지관(704)이 결합되어 있는 구조이다. 복사열 흡열체(702)는 복사에 의한 열방출율을 높이기 위해서 도 6(b)와 도 7(b)에 도시된 바와 같이 회전양극(600)의 하부 복사열 방열홈(606)에 결합되고, 복사열 흡열체(702)에 흡수된 복사열이 신속히 외부로 방출되도록 하부 방열부(701)의 외측면에는 소정 간격으로 이격되어 돌출된 외부 방열구조(703)로 되어 있다.
상기 하부 방열부(701)는 열방출율을 높이기 위해서 송풍수단(미도시됨)을 이용한 강제공냉을 실행할 수 있고, 도 10에 도시된 바와 같이 하부 방열부(701)의 내부에 냉각유체가 순환되는 냉각유체 내부순환로(714)가 설치된 구조, 도 11에 도시된 바와 같이 하부 방열부(701)의 외면에 냉각유체가 순환되는 냉각유체 외부순환로(715)가 설치된 구조, 도 12(a) 또는 도 12(b)에 도시된 바와 같이 하부 방열부(701)의 내부 또는 외면에 이중벽 구조로 이루어져 그 사이 공간으로 냉각유체가 순환되는 이중자켓 냉각유체 순환로(716)가 설치된 구조로 이루어져, 냉각수 또는 냉매를 강제순환시켜서 냉각시킬 수 있다.
도 9를 참조하면, 상부 방열부(705)가 결합된 금속외관 케이스(700)의 상면(709)은, 상부 방열부(705)가 결합되는 어댑터(707), 온도변화에 의해 샤프트 내축(512)과 샤프트 외축(513) 및 상부 방열부(705)의 축방향 위치변동을 흡수할 수 있는 상하 플렉시블 관(708), 음극 어셈블리(400)의 세라믹 부싱 하단 어댑터(405)가 결합되는 음극 어셈블리 어댑터(719), 측면관(711)과 결합되는 상면 어댑터(710), 진공배기관(718), 샤프트 상단 베어링(503)의 외륜지지관(706)으로 구성되어 있다. 양극 베어링(601)이 접촉되는 양극 베어링 홈(713)은 외륜지지관(706)과 일체의 수평부위에 가공되거나 외륜지지관(706)과 별개로 상부 방열부(705)에 접합된 수평지지체에 가공될 수 있다.
상부 방열부(705)는 양극 베어링 홈(713)에서 양극 베어링(601)과 접촉되어 회전양극(600)으로부터 전도에 의해 전달된 열을 외부 방열구조(703)를 통해 외부에 방출하는 기능을 갖는다. 상부 방열부(705)에 전도된 열이 외부로 신속히 방출되도록 송풍에 의한 강제공냉을 실행할 수 있고, 도 10에 도시된 냉각수 내부순환로(714), 도 11에 도시된 냉각수 외부순환로(715), 도 12에 도시된 이중재킷 냉각유체 순환로(716)를 통해 냉각수 또는 냉매를 강제순환시켜서 냉각을 촉진시킬 수 있다.
측면관(711)은 금속외관 케이스(700)의 상면(709)과 결합되는 상면 어댑터(710)와, 베릴륨 엑스선창(712)으로 구성되고, 위로는 상면 어댑터(710)를 통해 금속외관 케이스(700)의 상면(709)과 결합되고, 아래로는 하부 방열부(701)와 결합된다.
(상부 및 하부 복사열 흡열구조의 금속외관 케이스)
금속외관 케이스(700)의 제2실시예는, 도 7에 도시된 회전양극(600)의 상면과 하면 두 면 모두에 복사열 방열홈(606,607) 구조로 되어 있는 회전양극(600)에 부합되는 구조로 이루어진 것이다. 도 13에 도시된 바와 같이 복사에 의한 열방출율을 높이기 위해서 하부 방열부(701)의 복사열 흡열체(702)를 회전양극(600)의 하부에 형성된 복사열 방열홈(606)에 결합되게 하고, 상부 방열부(705)의 복사열 흡열체(717)를 회전양극(600)의 상부에 형성된 상부 방열홈(607)에 결합되게 하였다. 회전양극(600)에서 발생된 열의 복사에 의한 열전달은 회전양극(600)과 복사열 흡열체(702,717) 사이의 온도차에 의존하므로 하부 방열부(701) 및 상부 방열부(705)를 강제냉각시킴으로써 복사에 의한 열전달을 가속시킬 수 있다. 하부 방열부(701) 및 상부 방열부(705)를 강제냉각시키기 위한 방법으로는 송풍에 의한 강제공냉을 실행할 수 있고, 도 10에 도시된 냉각수 내부순환로(714), 도 11에 도시된 냉각수 외부순환로(715), 도 12에 도시된 이중재킷 냉각유체 순환로(716)를 통해 냉각수 또는 냉매를 강제순환시켜서 냉각을 촉진시킬 수 있다.
(상부 및 하부 양극 베어링 접촉 금속외관 케이스)
금속외관 케이스(700)의 제3실시예는, 도 8에 도시된 회전양극(600)의 상면과 하면 두 면 모두에 양극 베어링(601)이 장착되는 양극 베어링 홈(602) 구조로 되어 있는 회전양극(600)에 부합되는 구조로 이루어진 것으로, 회전양극(600)의 열이 회전양극(600)의 상하에 장착된 양극 베어링(601)을 통해 전도에 의해 하부 방열부(701) 및 상부 방열부(705)로 전도되어 방출되는 기능을 갖도록 구성되어 있다. 도 14에 도시된 바와 같이, 회전양극(600)의 상하에서 전도에 의한 열방출 기능을 위해서 하부 방열부(701)의 상면과 상부 방열부(705)의 하면에 회전양극(600) 상하의 양극 베어링 홈(602)에 부합되는 양극 베어링 홈(713)을 한 라인 이상 형성하고, 각각의 양극 베어링 홈(713)에 다수의 양극 베어링(601)을 장착하면, 하부 방열부(701)와 상부 방열부(705)의 양극 베어링 홈(713)과 회전양극(600) 상하의 양극 베어링 홈(602) 사이에 접촉된 양극 베어링(601)을 통해 회전양극(600)의 열이 하부 방열부(701)와 상부 방열부(705)로 전도되어 외부 방열구조(703)를 통해 외부로 방출된다.
전도에 의한 열전달은 회전양극(600)과 하부 방열부(701) 및 상부 방열부(705) 사이의 온도차에 의존하므로 하부 방열부(701) 및 상부 방열부(705)를 강제냉각시킴으로써 회전양극(600)에서 발생된 열의 전도에 의한 열방출을 가속시킬 수 있다. 하부 방열부(701) 및 상부 방열부(705)를 강제냉각시키기 위한 방법으로는 송풍에 의한 강제공냉을 실행할 수 있고, 도 10에 도시된 냉각수 내부순환로(714), 도 11에 도시된 냉각수 외부순환로(715), 도 12에 도시된 이중재킷 냉각유체 순환로(716)를 통해 냉각수 또는 냉매를 강제순환시켜서 냉각을 촉진시킬 수 있다.
한편, 상기 금속외관 케이스(700)는 열전도율이 우수한 무산소동 재질로 이루어지고, 그 내면에는 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr) 또는 이들을 포함하는 합금의 비확산 게터가 도포된 것으로 구성될 수 있다.
< 엑스선관 장치(800)>
도 15는 본 발명의 제1실시예에 따른 회전양극 엑스선관이 납차폐가 구비된 하우징 내부에 설치된 엑스선관장치의 단면도이다.
상기한 바와 같이 구성된 회전양극 엑스선관(300)은, 일측에 냉각유체의 유입구(804)가 형성되고, 타측에 냉각유체 배출구(805)가 형성된 하우징(802)의 내부에 장착되고, 회전양극 엑스선관(300)의 로터 및 베어링 어셈블리(500)의 외측 둘레에 스테이터 코일(803)을 설치함으로써 엑스선관장치(800)가 구성된다.
납차폐가 구비된 하우징(802)의 내부를 순환하는 냉각유체(801)는 금속외관 케이스(700)의 하부 방열부(701)와 상부 방열부(705)를 통해 전달된 열을 외부로 방출하는 기능을 하는 것으로, 냉각유체(801)로는 냉각수 또는 절연유가 사용될 수 있다. 회전양극 엑스선관(300)은 하우징(802) 내부를 순환하는 냉각유체(801)에 함침된 상태로 장착되는데, 본 발명에 따른 회전양극 엑스선관(300) 구조에서는 음극 어셈블리(400)에 세라믹 외부싱(401)이 구비되어 내부싱과의 연결에 의한 전압의 인가시에 고전압 절연이 유지되므로 냉각수 또는 절연유를 순환시킴에 있어서 고압절연 문제에 별도의 주의를 요하지 않는다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 회전양극 엑스선관(300) 구조는, 음극 어셈블리(400)에 세라믹 외부싱(401)이 구비되어 고전압 절연 유지가 가능하고, 로터 및 베어링 어셈블리(500)의 설치구조에 의해 회전양극(600)의 고속회전시에도 정밀한 회전밸런스가 유지되어 베어링(501,502,503)의 마모를 지연시키고 편중마모가 없는 고속회전이 가능하게 되어 영상의 질 저하를 억제할 수 있으며, 회전양극(600)의 상하부 및 금속외관 케이스(700)의 하부 방열부(701)와 상부 방열부(705)에 전도 또는 복사에 의한 열방출을 촉진하는 냉각구조를 구비함으로써 열방출 효율을 향상시킴과 아울러 열 발생으로 인한 입력전력의 제한 조건을 완화시키고 엑스선관(300)의 수명을 연장할 수 있게 된다.
위에서 몇몇의 실시예가 예시적으로 설명되었음에도 불구하고, 본 발명이 이의 취지 및 범주에서 벗어남 없이 다른 여러 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 따라서 상술된 실시예는 제한적인 것이 아닌 예시적인 것으로 여겨져야 하며, 첨부된 청구항 및 이의 동등 범위 내의 모든 실시에는 본 발명의 범주 내에 포함된다고 할 것이다.
101 : 초점면의 온도변화 102 : 초점 이외의 초점트랙의 온도변화
103 : 회전양극의 온도변화 104 : 외관 케이스의 온도변화
201 : 음극 202 : 양극
203 : 로터 204 : 내륜축
205 : 외륜축 206 : 외관 벌브
207 : 샤프트 208 : 로터 상단 베어링
209 : 로터 하단 베어링 210 : 초점
211 : 초점트랙 300 : 회전양극 엑스선관
400 : 음극 어셈블리 401 : 세라믹 외부싱
402 : 집속캡 403 : 필라멘트
404 : 전극핀 405 : 세라믹부싱 하단 어댑터
406 : 세라믹부싱 상단 어댑터 500 : 로터 및 베어링 어셈블리
501 : 로터 베어링 502 : 샤프트 하단 베어링
503 : 샤프트 상단 베어링 504 : 로터
505 : 로터 베어링 내륜축 506 : 로터 베어링 외륜축
507 : 로터 스페이서 스프링 508 : 샤프트 스페이서 스프링
509 : 절연관 510 : 절연관 하단 지지 어댑터
511 : 절연관 상단 지지 어댑터 512 : 샤프트 내축
513 : 샤프트 외축 514 : 샤프트 너트
600 : 회전양극 601 : 양극 베어링
602 : 양극 베어링 홈 603 : 타겟
604 : 초점 605 : 초점트랙
606,607 : 복사열 방열홈 608 : 회전양극체
700 : 금속외관 케이스 701 : 하부 방열부
702,717 : 복사열 흡열체 703 : 외부 방열구조
704 : 샤프트 하단 베어링 외륜 지지관
705 : 상부 방열부 706 : 샤프트 상단 베어링 외륜 지지관
707 : 상부 방열부 어댑터 708 : 상하 플렉시블관
709 : 금속외관 케이스 상면 710 : 금속외관 케이스 상면 어댑터
711 : 금속외관 케이스 측면관 712 : 베릴륨 엑스선창
713 : 양극 베어링 홈 714 : 냉각유체 내부순환로
715 : 냉각유체 외부순환로 716 : 이중재킷 냉각유체 순환로
718 : 진공배기관 719 : 음극 어셈블리 어댑터
800 : 엑스선관장치 801 : 냉각유체
802 : 하우징 803 : 스테이터 코일
804 : 냉각유체 유입구 805 : 냉각유체 배출구

Claims (16)

  1. 전원이 인가되는 외부싱(401)과, 상기 인가된 전원에 의해 가열되어 전자빔을 방출하는 필라멘트(403)를 구비한 음극 어셈블리(400);
    상기 필라멘트(403)로부터 방출된 전자빔과의 충돌에 의해 엑스선을 방출하는 타겟(603)과, 상기 타겟(603)의 하부에 일체로 결합된 회전양극체(608)로 이루어진 회전양극(600);
    상기 회전양극(600)의 회전중심에 축 결합되는 샤프트(512,513)와, 상기 샤프트(512,513)의 하부에 결합되어 일체로 회전되는 로터(504)와, 상기 로터(504)를 지지하는 로터 베어링(501)과, 상기 샤프트(512,513)의 하단과 상단을 지지하는 샤프트 하단 베어링(502)과 샤프트 상단 베어링(503)을 포함하는 로터 및 베어링 어셈블리(500); 및
    상기 회전양극(600)에서 발생된 열이 외부로 방열되도록 외측면에는 소정 간격으로 이격되어 돌출된 외부 방열구조(703)가 구비되며, 상기 회전양극(600)의 하부와 상부에 연결되는 하부 방열부(701)와 상부 방열부(705)가 구비된 금속외관 케이스(700);를 포함하는 회전양극 엑스선관 구조.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 음극 어셈블리(400)의 외부싱(401)은, 세라믹 소재로 이루어지고, 상측으로 개구부가 형성되며 내부가 중공된 원통형상으로 이루어지며, 상단 둘레에는 세라믹 부싱 상단 어댑터(406)가 결합되고, 하단 둘레에는 상기 금속외관 케이스(700)의 상면(709)에 체결되는 세라믹 부싱 하단 어댑터(405)가 결합되며, 상기 외부싱(401)의 바닥면에는 전기적 접속을 위한 전극핀(404)이 상하로 관통되어 상기 필라멘트(403)가 장착되는 집속캡(402)에 연결되어, 고전압의 인가시에도 상기 음극 어셈블리(400)의 절연 상태가 유지되는 것을 특징으로 하는 회전양극 엑스선관 구조.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 세라믹 외부싱(401)에서 상기 세라믹 부싱 하단 어댑터(405)와, 세라믹 부싱 상단 어댑터(406) 및 전극핀(404)이 결합되는 부위는 진공기밀성이 유지되도록 메탈라이징 처리된 후에 브레이징 용접으로 결합되는 것을 특징으로 하는 회전양극 엑스선관 구조.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 로터 및 베어링 어셈블리(500)는, 상기 로터(504)를 축 지지하는 로터베어링 어셈블리와, 상기 회전양극(600)을 지지하는 샤프트 베어링 어셈블리로 이루어지되,
    상기 로터 베어링 어셈블리는, 상기 로터(504)의 하면에 결합되는 로터 베어링 내륜축(505)과, 상기 로터 베어링 내륜축(505)의 하부 둘레에 상기 로터 베어링(501)을 사이에 두고 연결되는 로터 베어링 외륜축(506) 및 상기 로터 베어링 내륜축(505)과 로터 베어링 외륜축(506) 사이에 개재되어 온도변화에 따른 축방향 길이변화를 흡수하는 로터 스페이서 스프링(507)으로 이루어지고,
    상기 샤프트 베어링 어셈블리는, 상기 샤프트 하단 베어링(502)과 샤프트 상단 베어링(503), 상기 로터(504)의 상면에 결합되는 샤프트 내축(512)과, 상기 샤프트 내축(512) 둘레에 축 결합됨과 동시에 상기 회전양극(600)의 회전중심에 축 결합되어 샤프트 너트(514)에 의해 상기 회전양극(600)에 체결되는 샤프트 외축(513) 및 상기 샤프트 외축(513)과 상부 방열부(705) 사이에 개재되어 온도변화에 따른 축방향 길이변화를 흡수하는 샤프트 스페이서 베어링(508)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 회전양극 엑스선관 구조.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 회전양극체(608)의 질량중심은 상기 샤프트 하단 베어링(502)과 샤프트 상단 베어링(503)의 중심에 위치하는 것을 특징으로 하는 회전양극 엑스선관 구조.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 로터(504)와 로터 베어링 어셈블리 및 샤프트 베어링 어셈블리는, 샤프트 내축(512)의 축선을 기준으로 동심 구조를 이루며 배치된 것을 특징으로 하는 회전양극 엑스선관 구조.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 금속외관 케이스(700)의 상면(709)과 상기 상부 방열부(705)는 어댑터(707)에 의해 결합되되, 상기 어댑터(707)에는 온도변화에 의한 상기 샤프트(512,513) 및 상부 방열부(705)의 축방향 위치변동을 흡수할 수 있는 상하 플랙시블관(708)이 구비된 것을 특징으로 하는 회전양극 엑스선관 구조.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 회전양극(600)의 상면 또는 하면에는 양극 베어링(601)이 장착되는 양극 베어링 홈(602)이 형성되고, 상기 양극 베어링(601)이 장착된 면의 반대 측면에는 복사열 방열홈(606)이 형성되며,
    상기 상부 방열부(705)의 하부와 하부 방열부(701)의 상부에는 상기 양극 베어링(601)이 장착되는 양극 베어링 홈(713)과, 상기 복사열 방열홈(606)에 삽입되는 복사열 흡열체(702)가 형성된 것을 특징으로 하는 회전양극 엑스선관 구조.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 회전양극(600)의 하면과 상면에는 복사열 방열홈(606,607)이 형성되고,
    상기 하부 방열부(701)의 상부와 상부 방열부(705)의 하부에는 상기 복사열 방열홈(606,607)에 삽입되는 복사열 흡열체(702,717)가 형성된 것을 특징으로 하는 회전양극 엑스선관 구조.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 회전양극(600)의 하면과 상면에는 양극 베어링(601)이 장착되는 양극 베어링 홈(602)이 각각 형성되고,
    상기 하부 방열부(701)의 상부와 상부 방열부(705)의 하부에는 상기 양극 베어링(601)이 장착되는 양극 베어링 홈(602)이 각각 형성된 것을 특징으로 하는 회전양극 엑스선관 구조.
  11. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상부 방열부(705)와 하부 방열부(701)의 외부 방열구조(703)에는 열방출효율을 높이기 위한 강제공냉이 실행되는 것을 특징으로 하는 회전양극 엑스선관 구조.
  12. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상부 방열부(705)와 하부 방열부(701)의 내부에는 냉각유체가 순환되는 냉각유체 내부순환로(714)가 설치된 것을 특징으로 하는 회전양극 엑스선관 구조.
  13. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상부 방열부(705)와 하부 방열부(701)의 외면에는 냉각유체가 순환되는 냉각유체 외부순환로(715)가 설치된 것을 특징으로 하는 회전양극 엑스선관 구조.
  14. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상부 방열부(705)와 하부 방열부(701)의 내부 또는 외면에는 벽면이 이중으로 구비되어 그 사이 공간으로 냉각유체가 순환되는 이중자켓 냉각유체 순환로(716)가 형성된 것을 특징으로 하는 회전양극 엑스선관 구조.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 금속외관 케이스(700)는 무산소동 재질로 이루어지고, 그 내면에는 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr) 또는 이들을 포함하는 합금의 비확산 게터가 도포된 것을 특징으로 하는 회전양극 엑스선관 구조.
  16. 제8항 또는 제10항에 있어서,
    상기 양극 베어링(601)은 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 세라믹 또는 그라파이트 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 회전양극 엑스선관 구조.
KR1020110115232A 2011-11-07 2011-11-07 열방출 효율이 향상된 회전양극 엑스선관 구조 KR101140993B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110115232A KR101140993B1 (ko) 2011-11-07 2011-11-07 열방출 효율이 향상된 회전양극 엑스선관 구조
PCT/KR2011/008454 WO2013069826A1 (ko) 2011-11-07 2011-11-08 열방출 효율이 향상된 회전양극 엑스선관 구조

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110115232A KR101140993B1 (ko) 2011-11-07 2011-11-07 열방출 효율이 향상된 회전양극 엑스선관 구조

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101140993B1 true KR101140993B1 (ko) 2012-05-02

Family

ID=46271274

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020110115232A KR101140993B1 (ko) 2011-11-07 2011-11-07 열방출 효율이 향상된 회전양극 엑스선관 구조

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR101140993B1 (ko)
WO (1) WO2013069826A1 (ko)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101759090B1 (ko) * 2016-04-01 2017-07-18 경북대학교 산학협력단 양극 회전형 엑스선관
KR101824135B1 (ko) 2016-12-20 2018-02-01 경북대학교 산학협력단 열적 손상을 방지하는 양극 회전형 엑스선관 및 엑스선관 장치
CN109192644A (zh) * 2018-07-25 2019-01-11 思柯拉特医疗科技（苏州）有限公司 一种内部冷却滚珠轴承医用x射线管
KR101983070B1 (ko) * 2017-12-29 2019-05-29 경북대학교 산학협력단 양극 회전형 엑스선관
US10701789B2 (en) 2017-01-25 2020-06-30 Electronics And Telecommunications Research Institute Method for driving X-ray source
WO2022147366A1 (en) * 2020-12-31 2022-07-07 Varex Imaging Corporation Anodes, cooling systems, and x-ray sources including the same

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107768219B (zh) * 2017-11-29 2023-10-13 上海钧安医疗科技有限公司 一种新型大容量x线球管散热结构
CN108766861A (zh) * 2018-07-30 2018-11-06 麦默真空技术无锡有限公司 一种用于x射线ct管的阳极组件

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003217490A (ja) 2002-01-28 2003-07-31 Toshiba Corp 回転陽極型ｘ線管
US6603834B1 (en) 2001-09-18 2003-08-05 Koninklijke Philips Electronics, N.V. X-ray tube anode cold plate
US20030174811A1 (en) 2002-03-14 2003-09-18 Koninklijke Philips Electronics, Nv Liquid metal heat pipe structure for x-ray target
JP2005123086A (ja) 2003-10-17 2005-05-12 Toshiba Corp Ｘ線管装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6603834B1 (en) 2001-09-18 2003-08-05 Koninklijke Philips Electronics, N.V. X-ray tube anode cold plate
JP2003217490A (ja) 2002-01-28 2003-07-31 Toshiba Corp 回転陽極型ｘ線管
US20030174811A1 (en) 2002-03-14 2003-09-18 Koninklijke Philips Electronics, Nv Liquid metal heat pipe structure for x-ray target
JP2005123086A (ja) 2003-10-17 2005-05-12 Toshiba Corp Ｘ線管装置

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101759090B1 (ko) * 2016-04-01 2017-07-18 경북대학교 산학협력단 양극 회전형 엑스선관
KR101824135B1 (ko) 2016-12-20 2018-02-01 경북대학교 산학협력단 열적 손상을 방지하는 양극 회전형 엑스선관 및 엑스선관 장치
US10701789B2 (en) 2017-01-25 2020-06-30 Electronics And Telecommunications Research Institute Method for driving X-ray source
KR101983070B1 (ko) * 2017-12-29 2019-05-29 경북대학교 산학협력단 양극 회전형 엑스선관
CN109192644A (zh) * 2018-07-25 2019-01-11 思柯拉特医疗科技（苏州）有限公司 一种内部冷却滚珠轴承医用x射线管
CN109192644B (zh) * 2018-07-25 2023-09-01 思柯拉特医疗科技（苏州）有限公司 一种内部冷却滚珠轴承医用x射线管
WO2022147366A1 (en) * 2020-12-31 2022-07-07 Varex Imaging Corporation Anodes, cooling systems, and x-ray sources including the same
US11749489B2 (en) 2020-12-31 2023-09-05 Varex Imaging Corporation Anodes, cooling systems, and x-ray sources including the same

Also Published As

Publication number Publication date
WO2013069826A1 (ko) 2013-05-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101140993B1 (ko) 열방출 효율이 향상된 회전양극 엑스선관 구조
US6361208B1 (en) Mammography x-ray tube having an integral housing assembly
US6477231B2 (en) Thermal energy transfer device and x-ray tubes and x-ray systems incorporating same
US6430260B1 (en) X-ray tube anode cooling device and systems incorporating same
US9530528B2 (en) X-ray tube aperture having expansion joints
US6377659B1 (en) X-ray tubes and x-ray systems having a thermal gradient device
JP4298826B2 (ja) ストラドルベアリングアセンブリー
JPS6155732B2 (ko)
JP4950973B2 (ja) 耐熱材料を組み込んだ開口部の遮蔽物
US6295338B1 (en) Oil cooled bearing assembly
JP4309290B2 (ja) Ｘ線ターゲット用液体金属ヒートパイプ構造
JP3910468B2 (ja) 回転陽極型ｘ線管
JP2006302648A (ja) 回転陽極ｘ線管装置
US7668298B2 (en) System and method for collecting backscattered electrons in an x-ray tube
KR101150778B1 (ko) 공업용 ｃｔ장비의 ｘ선 튜브장치
JP2015520928A (ja) Ｘ線管用の冷却静止アノード
US8249219B2 (en) X-ray tube rotating anode
CN209766355U (zh) 一种新型x射线ct管
JP6620348B2 (ja) 回転陽極型ｘ線管
KR20170102311A (ko) 회전 양극형 x선관
CN111146058A (zh) 一种磁流体密封多臂阴极x射线管
CN211788909U (zh) 一种高寿命x射线ct管
JP2002352756A (ja) 回転陽極型ｘ線管装置
JP2016146281A (ja) Ｘ線発生装置用ターゲットマウントおよびこれを備えたｘ線発生装置
JP4847067B2 (ja) Ｘ線管装置

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
A302 Request for accelerated examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20150519

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170505

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180420

Year of fee payment: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190507

Year of fee payment: 8