KR101742642B1 - 열전소자를 구비하는 엑스선관의 방열구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 엑스선관의 방열구조에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 엑스선관의 타겟에서 발생하는 열을 효과적으로 방출하는 구조를 가짐으로써 엑스선관의 작동 신뢰성 및 내구성을 보장할 수 있는 엑스선관의 방열구조에 관한 것으로서, 내부에 전자총과 타겟을 수용하는 하우징 및 상기 하우징의 내벽에서 엑스선관의 방출부위에 인접하여 배치되고 타겟으로부터 발생된 열을 흡수하여 외부로 방출하는 열전소자를 구비하는 방열기구를 구비하는 엑스선관의 방열구조를 제공한다.

Description

열전소자를 구비하는 엑스선관의 방열구조{COOLING STRUCTURE OF X-RAY TUBE HAVING THERMOELECTRIC ELEMENT}

본 발명은 엑스선관의 방열구조에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 엑스선관의 타겟에서 발생하는 열을 효과적으로 방출하는 구조를 가짐으로써 엑스선관의 작동 신뢰성 및 내구성을 보장할 수 있는 엑스선관의 방열구조에 관한 것이다.

엑스선관이란 비접촉 또는 비파괴 방식으로 물체 등을 검사하는 장비의 엑스선 발생원으로 사용되는 것으로, 전자를 소정 타겟에 충돌시켜서 엑스선을 발생하는 장치를 말한다.

실개평3-110753호는 엑스선관, 더욱 구체적으로는 클로즈드 타입(Closed Typr) 엑스선 발생장치를 개시하는데, 유리재질 등의 절연재를 대략 원통형상으로 가공한 튜브가 하측의 본체와 결합하고, 상기 튜브에는 타겟을 지지하는 타겟 지지체가 고정되고, 본체에는 전자총이 수용된다.

상기 전자총으로부터 방출되는 전자는 타겟에 충돌하여 엑스선을 발생하고 상기 엑스선관의 외부로 엑스선을 방출하게 된다.

도 1은 종래기술의 엑스선 발생기의 방열구조를 나타내는 개념도이다.

일반적으로, 산업현장에서 많이 제조되는 물품의 이상 유무 등을 검사하기 위해서는 적어도 400W 이상의 고출력으로 연속사용 가능한 엑스레이가 필요하다. 그런데 엑스레이의 출력을 높이거나 연속사용을 하기 위해서는 엑스레이 발생장치에서 발생하는 열을 신속하고 효과적으로 냉각시킬 수 있는 능력이 필요하다.

이를 위해, 종래의 고출력 엑스레이 발생장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 일 측에 엑스레이를 방출하는 창(111a)이 형성된 하우징(111)과 상기 하우징(111) 내에 배치되어 엑스레이를 생성하는 엑스레이 발생기(112)와 상기 하우징(111) 내에 충전되어 상기 엑스레이 발생기(112)에서 발생하는 열을 냉각시키고 절연작용을 하는 절연유(113)로 이루어진 엑스레이 발생장치(110)와 하우징(121)과 상기 엑스레이 발생장치(110)에 필요한 고전압을 생성하며 상기 하우징(121) 내에 설치되는 고전압 발생기(122)와 상기 하우징(121) 내에 충전되어 상기 고전압 발생기(122)에서 발생하는 열을 냉각시키고 절연작용을 하는 절연유(123)로 이루어진 고전압 발생장치(120)와 상기 엑스레이 발생장치의 절연유(113)를 냉각하기 위한 펌프, 라디에이터, 응축기 등으로 이루어지는 냉각장치(130)를 구비한 구조로 이루어진다.

즉 종래의 고출력 엑스레이 발생장치(100)는, 엑스레이 발생장치(110)와, 고전압 발생기(122) 및 냉각장치(130)가 각각 분리되어 형성되는 것이 일반적이다.

상기한 종래의 고출력 엑스레이 발생장치에서는, 엑스레이의 생성시 발생하는 열을 냉각시키기 위해 상기 하우징(111) 내에 충전된 절연유(113)를 냉각장치(130)로 순환 냉각시키는데 상기 엑스레이 발생장치(110)를 수용하는 하우징(111)과 냉각장치(130)가 상호 먼 거리를 두고 분리 설치되어 있어, 상기 하우징(111)과 냉각장치(130)의 사이에는 절연유호스(130a)가 외부로 노출되어 길게 연결되어 있다. 따라서, 냉각장치에 의해 냉각된 절연유(113)는 절연유호스(130a)를 따라 순환되면서 냉기를 빼앗겨 열손실이 발생 될 수밖에 없다. 이러한 열손실로 인한 냉각효율을 저하를 만회하기 위해서 종래의 고출력 엑스레이 발생장치(100)의 냉각장치(130)는 단순히 라디에이터와 팬으로 구성된 단순한 것을 사용할 수 없으며, 응축기, 펌프, 라디에이터 등의 냉장고와 동일한 냉각방식을 채용해야 했기 때문에, 그 부피가 매우 컸다.

또한, 고전압 발생기(122)도 엑스레이 발생장치(110)와 분리되어 있기 때문에, 고전압 발생기(122)와 엑스레이 발생장치(110) 간을 상호 연결하기 위해 고가의 고전압 케이블(121a)을 설치해야 할 뿐 아니라, 40㎸ ∼ 160㎸의 고전압을 절연하기 위해 상기 고전압 발생기(122)의 하우징(121) 내에 별도의 절연유(123)를 충전해야 했다.

이 경우, 고전압 발생기(122)의 외부에 절연유(123)가 순환하게 되는데, 특히 타겟에 발생하는 고열을 방출하는 데 한계가 존재하였다.

고전압 발생기를 더욱 구체적으로 살펴보면, 클로즈드 타입의 고출력 엑스선관의 예인 실개평3-110753호는 엑스선관을 개시하는데, 유리재질 등의 절연재를 대략 원통형상으로 가공한 튜브가 하측의 본체와 결합하고, 상기 튜브에는 타겟을 지지하는 타겟 지지체가 고정되고, 본체에는 전자총이 수용된다.

그러나, 고열이 발생되는 타겟 부위에서의 방열대책이 전무한 실정이며 이러한 타겟 부위에 절연유를 유동시키는 구조를 채택할 수 없는 한계가 있다. 이는 엑스선 방출 성능의 사용에 따른 저하를 의미한다.

이에 본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 단순한 구조를 가지면서도 냉각 성능이 더욱 향상될 수 있는 구조를 가진 엑스선관의 방열구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 직접적이고 효과적으로 타겟 지지체를 방열할 수 있는 구조를 가짐으로써 고출력의 엑스선관에 최적화된 냉각구조를 가진 엑스선관의 방열구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 전자발생부로부터 방출된 전자가 타겟 지지체에 고정된 타겟에 충돌하여 엑스선을 방출하는 엑스선관에 있어서, 내부에 전자총과 타겟을 수용하는 하우징 및 상기 하우징의 내벽에서 엑스선관의 방출부위에 인접하여 배치되고 타겟으로부터 발생된 열을 흡수하여 외부로 방출하는 열전소자를 구비하는 방열기구를 구비하는 엑스선관의 방열구조를 제공한다.

바람직하게는, 상기 방열기구가 타겟을 중심으로 하우징의 측벽 및 저면에 밀착되어 대칭적으로 복수로 배열되고, 흡열면이 타겟을 지향하도록 배치되며 방열면은 하우징의 측벽부위에 밀착되어 배치될 수 있다.

본 발명에 따라, 고출력의 엑스선 발생장치에서 방열성능이 극대화될 수 있는 이점이 있다. 특히, 고열이 발생하는 타겟 부위에서 방열기구를 통해 직접적으로 냉각할 수 있는 구조를 가지므로, 엑스선 발생장치의 작동 신뢰성이 보장될 수 있는 효과가 있다.

또한, 열전소자의 적용으로서 전기적인 작용에 의하여 방열을 수행하므로 절연유나 냉각팬 등과 같은 구조물의 적용이 없어 구조적으로 단순하고, 열교환의 효율이 높은 장점이 있다.

도 1은 종래기술의 엑스선 발생기의 방열구조를 나타내는 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 엑스선관의 방열구조를 설명하기 위한 측단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 방열기구의 배치를 나타내는 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 엑스선관의 방열구조를 상세히 설명한다.

이하 설명에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자나 장치를 사이에 두고 연결되어 있는 경우를 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 발명은 기본적으로, 내부에 전자발생부와 타겟을 수용하는 하우징 및 상기 하우징의 내벽에서 엑스선관의 방출부위에 인접하여 배치되고 타겟으로부터 발생된 열을 흡수하여 외부로 방출하는 열전소자를 구비하는 방열기구를 구비하는 엑스선관의 방열구조를 제공한다.

본 발명은 전자발생부로부터 방출된 전자가 튜브 내부에 수용된 타겟 지지체에 고정된 타겟에 충돌하여 엑스선을 방출하는 엑스선관을 구성함에 있어서 내부에 열전소자를 포함하는 방열기구를 통하여 전기적인 제어로써 타겟에서 발생한 열을 방출하도록 하는바, 이러한 방열구조는 오픈 타입은 물론 클로즈드 타입의 엑스선관은 물론 다양한 형태의 엑스선관 내지는 튜브에 적용될 수 있다.

또한, 타겟의 배치형태는 반드시 도시된 상태에 한정된 것은 아니다.

도 2는 본 발명에 따른 엑스선관의 방열구조를 설명하기 위한 측단면도이다.

본 발명에 적용되는 엑스선관(100)은 전자발생부(120)와 타겟(113)을 구비한다.

상기 전자발생부(120)는 캐소드(Cathode)를 포함하는 것으로, 다공질의 텅스텐 등의 금속에 바륨옥사이드(BaO)를 도포한 것이다. 또한, 타겟(113)은 탄소재질로 이루어지며, 상층에 텅스텐 등의 엑스선 발생을 위한 코팅이 형성된다.

상기 전자총으로부터 발생된 전자가 타겟(113)에 충돌하면, 엑스선이 출사부(114)를 통하여 출력된다.

이러한 전자총을 구성함에 있어서, 게이트전극, 양극전극, 음극, 코일(122)이 구성될 수 있는데 이는 공지의 다양한 요소가 적용될 수 있으므로 구체적인 설명은 생략하도록 한다.

도시된 상태를 기준으로 전자발생부(120)는 하우징(200)의 상측에 단자부(121)를 통하여 외부의 고출력 전압이 인가될 수 있도록 고정배치되며, 그 하측으로는 전자가 충돌될 수 있도록 타겟(113)이 배치된다.

상기 타겟(113)의 배치부위에는 출사부(114)가 형성되어 발생된 엑스선이 외부로 방사될 수 있는 기능을 수행하게 된다.

이러한 엑스선의 발생효율을 고려하면 상기 하우징(200)의 내부는 진공으로 형성될 수 있고, 이를 위하여 상기 하우징(200)은 원기둥 형태의 튜브로 이루어지는 것이 고려될 수 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

이렇게 전자발생부(120)에서 발생된 전자들의 타겟으로 충돌로 인하여 엑스선이 발생하는 과정에서 타겟(113)에서 고열이 발생됨은 상술한 바와 같다. 이러한 고열은 타겟의 수명과 엑스선 발생성능에 영향을 미치기 때문에 열의 제어는 매우 중요한 요소가 될 수 있다.

그러나, 하우징(200)의 내부는 진공 상태를 유지하는 것이 바람직하고, 재질과 공간적인 문제를 고려하면 절연유나 방열핀 등의 배치에 있어서는 한계가 있다.

따라서, 본 발명에서는 열전소자를 하우징(200)의 내벽에 설치하여 전기적인 작용에 의한 열교환으로써 타겟(113) 부위에서 발생한 열을 방출하도록 한다.

방열기구(300)는 하우징(200)의 내벽에 밀착되어 설치될 수 있고, 하우징(200)의 내부, 더욱 정확하게는 타겟(113) 내지는 출사부(114) 부위에서 발생한 열을 흡수하여 내벽 및 외기를 통하여 방출할 수 있도록 기능할 수 있다.

이러한 방열기구(300)에 구비되는 열전소자는 하우징(200) 내부의 저부에 설치될 수 있으며, 여기서 저부란 타겟(113)이 배치되는 측을 의미한다. 따라서, 타겟의 배열이 변경되는 경우는 이에 따라 방열기구(300)의 배치도 변경될 수 있다.

경우에 따라 타겟(113)을 지지하는 타겟지지체가 출사부(114)에 이격되어 배치되는 경우 상기 방열기구(300)는 출사부(114)에 인접된 하우징(200)의 면에 밀착되어 설치될 수 있을 것이다.

이러한 열전소자는 전기적인 에너지를 열교환 에너지로 절환하는 열전소자를 포함하여 구성된다. 이러한 열전소자는 n형 열전반도체 소자와 p형 열전반도체 소자로 이루어지는 열전반도체 소자들이 교대로 배열되어 있으며, 열전반도체 소자들의 일면과 타면은 각각 금속 전극에 접합되어 있다. 열전소자는 일면과 타면에서 금속 전극에 교대로 접합되며, 최종적으로는 모든 열전반도체 소자들이 전기적으로 직렬로 접속된다.

이러한 열전소자의 전극에 제어부로부터 제어전류가 입력되면, n형 열전반도체 소자로부터 p형 열전반도체 소자의 방향으로 통전이 이루어지고, 펠티에(Peltier)효과에 따라 일면에서 흡열을 하고 타면에서 방열을 수행하게 된다.

따라서, 흡열을 하는 흡열면은 하우징의 공간 내부를 지향하고 방열을 하는 방열면은 하우징(200)의 내벽측을 지향하도록 함으로써 효율적인 방열이 이루어질 수 있도록 한다.

출사부(114)가 하우징(200)의 저부에 배치되는 경우 방열기구(300)는 이에 인접된 저면에 설치될 수 있는데, 이러한 방열기구(300)의 배치는 선택적이다.

바람직하게는 상기 방열기구(300)는 효율적인 열방출을 위하여 하우징(200)의 저면 및 측벽에 밀착되게 설치될 수 있다.

이와 관련하여 구체적인 실시예는 아래에서 살펴보도록 한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 방열기구의 배치를 나타내는 도면이다.

방열기구(300)가 소정의 모듈로서 단일로 타겟(113)을 중심으로 한 하우징(200) 내부 공간에서 편심되어 배치되는 경우를 고려해볼 수 있는데, 균일한 방열을 위하여 상기 방열기구(300)가 타겟(113) 내지는 출사부(114)를 중심으로 방사상 내지는 원주방향으로 배열하는 것도 바람직하다.

도면에 나타난 실시예들에서는 타겟(113) 내지는 출사부(114)를 중심으로 대칭적으로 두 개 이상의 방열기구(300)들이 배치되는 것을 나타내고 있다.

도 3의 (a)에서는 방열기구(300)의 흡열면이 상측을 지향하고 하우징(200)의 저면으로 열을 전도하여 외기에 방열할 수 있도록 방열면이 저면에 밀착된 상태를 나타내고 있다.

이러한 경우 하우징(200) 내부의 고른 열방출에 효과적일 수 있으나, 국지적으로는 가장 열발생이 많은 타겟(113) 부위에서의 열방출에는 효율이 다소 떨어질 우려가 있다.

이를 고려하여 도 3의 (b)와 같이 흡열면이 타겟을 지향하는 측면에 배치되고 방열면이 하우징(200)의 측벽에 밀착되어 형성될 수 있다.

특히, 엑스선관 튜브의 경우 출사부위에 구조물이 형성될 수 있으므로 측벽측으로 열을 방출하는 것이 열전도 및 외기와의 거리를 고려하면 바람직할 수 있다.

따라서, 방열기구(300)의 배열상태에서 내주측으로 흡열을 수행하고 외주측으로 방열을 수행할 수 있는 것이다.

본 발명의 엑스선관의 방열구조에 따라, 고출력의 엑스선 발생장치에서 방열성능이 극대화될 수 있는 이점이 있다. 특히, 고열이 발생하는 타겟 부위에서 방열기구를 통해 직접적으로 냉각할 수 있는 구조를 가지므로, 엑스선 발생장치의 작동 신뢰성이 보장될 수 있는 효과가 있다.

또한, 열전소자의 적용으로서 전기적인 작용에 의하여 방열을 수행하므로 절연유나 냉각팬 등과 같은 구조물의 적용이 없어 구조적으로 단순하고, 열교환의 효율이 높은 장점이 있다.

이상에서, 본 발명은 실시예 및 첨부도면에 기초하여 상세히 설명되었다. 그러나, 이상의 실시예들 및 도면에 의해 본 발명의 범위가 제한되지는 않으며, 본 발명의 범위는 후술한 특허청구범위에 기재된 내용에 의해서만 제한될 것이다.

113...타겟 114...출사부
120...전자발생부 121...단자부
122...코일 200...하우징
300...방열기구

Claims (2)

1. 전자발생부로부터 방출된 전자가 타겟 지지체에 고정된 타겟에 충돌하여 엑스선을 방출하는 엑스선관에 있어서,
   내부에 전자총과 타겟을 수용하는 하우징; 및
   상기 하우징의 내벽에서 엑스선관의 방출부위에 인접하여 배치되고 타겟으로부터 발생된 열을 흡수하여 외부로 방출하는 열전소자를 구비하는 방열기구;를 구비하며,
   상기 방열기구는,
   하우징 내부의 측벽 및 저면에 밀착되어 타겟을 중심으로 대칭적으로 배열되고 흡열면이 타겟을 지향하도록 배치되며 방열면은 하우징의 측벽부위에 밀착되어 배치되어 하우징의 측벽 측으로 열을 방출하는 엑스선관의 방열구조.
   
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