KR20010087942A

KR20010087942A - 고정양극형 엑스선관 장치

Info

Publication number: KR20010087942A
Application number: KR1020000011828A
Authority: KR
Inventors: 김성헌; 윤명훈
Original assignee: 김성헌
Priority date: 2000-03-09
Filing date: 2000-03-09
Publication date: 2001-09-26

Abstract

본 발명은 고진공으로 배기된 벌브내에 음극과 고정양극이 대향하여 배치되는 X선관과 이 X선관을 수납한 절연유가 충진된 상태의 관용기로 구성된 고정양극형 X선관 장치에 관한 것으로서, 본 발명의 고정양극형 X선관 장치는 X선관 및 관용기 밖으로 돌출된 고정양극을 둘러싸는 동시에 관용기의 일측 표면에 밀착되어 냉각을 행하는 제1 냉각수단과, 제1 냉각수단의 외측부를 절삭가공하여 형성한 공간에 설치되는 냉매를 포함한 냉매도관 및 냉매도관에 연결된 열교환기로 이루어진 제2 냉각수단과, 관용기의 외부에 설치되어 음극과 고정양극에 전원을 인가하는 주전원장치로 구성된다.

이와 같은 구성에 따라 작업환경이나 사용목적에 따라 본 발명의 고정양극형 X선관 장치의 방열량을 제어할 수 있는 한편, 장치의 크기를 소형화할 수 있다.

Description

고정양극형 엑스선관 장치{Fixed anode type X-ray tube device}

본 발명은 의료장비 또는 계측용 X선 시스템의 주요 구성 유니트인 X선관 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 X선관 등에서 발생한 열을 효율적으로 방열시킬 수 있는 고정양극형 X선관 장치 및 그의 냉각시스템에 관한 것이다.

X선관 장치는 진공관에 설치된 음극으로부터 타켓인 양극을 향해서 전자를 투사하여 X선을 발생시키는 장치로서, 이러한 X선관 장치는 비파괴 검사용이나 의료진단용 또는 화학분석용 등 다양한 검사장치나 진단장치에 응용되어 사용되고 있다.

일반적으로 X선관 장치는 회전양극형과 고정양극형으로 크게 구분할 수 있고, 회전양극형 X선관 장치는 순간적인 큰 부하에 견딜 수 있기 때문에 X선 촬영을 수반하는 장치에 넓게 사용되고 있으며, 고정양극형 X선관 장치는 순간적인 부하는 작지만 비교적 장시간에 걸쳐 사용할 수 있기 때문에 의료용 X선 투시장치나 산업현장에서의 비파괴 검사장치 등에 이용되고 있다.

이러한 X선관 장치는 에너지 절약이나 자원 절약이라는 측면에서 장치의 소형화 및 고효율화가 요구되고 있다.

도 4는 종래의 고정양극형 X선관 장치의 개략적인 구성을 나타내는 도면으로서, 이를 참고로 하여 종래의 고정양극형 X선관 장치를 설명하면 다음과 같다.

고정양극형 X선관 장치(10)는 고진공으로 배기된 벌브(Bulb, X-ray tubular bulb)내에 대향하여 배치되는 음극(14)과 고정양극(16)을 구비한 X선관(12)과, 음극(14)과 고정양극(16) 사이에 고전압을 인가하기 위한 고전압트랜스(18)와 음극공급전압용 트랜스(20) 등이 수납되고 절연유(26)가 충진된 상태의 관용기(22)로 구성된다.

음극(14)과 고정양극(16) 사이에 고전압을 인가한 상태에서 음극(14)을 통전시키면 음극(14)에서 발생한 열전자는 음극(14)과 고정양극(16) 사이의 고전압에 의해 가속되어 고정양극(16)에 충돌하고 이 순간에 X선이 발생한다.

그러나, 고정양극(16)에서 X선이 발생하는 순간 X선관에 공급된 에너지의 99% 이상은 열에너지로 변환되는데, 이러한 열에너지를 외부로 방출시키기 위해서 종래의 X선관 장치(10)에서는 자연냉각방식이 이용되고 있다.

즉, 종래의 X선관 장치는 벌브의 외측으로 돌출된 고정양극(16)의 한 끝에 냉각핀(24)을 설치하고 이 냉각핀(24)을 관용기(22)내의 절연유(26)와 직접 접촉하는 구조의 냉각장치를 구비하여 단순한 열전달을 통한 자연냉각방식으로 고정양극(16)에서 발생하는 열을 방열시키고 있다.

이와 같은 자연냉각방식은 고정양극(16)에서 발생한 열을 냉각핀(24)과 절연유(26)와 관용기(22)를 통해, 그리고 관용기(22)에 연결된 투시장치의 C형 지지암(28)을 통해 외부로 방열하는 방식이다.

또한, 종래의 X선관 장치(10)는 절연유(26)가 과열되어 팽창하면 관용기(22)의 내압을 높여 파열의 위험이 있으므로 X선관 장치의 안전성을 고려하여절연유(26)의 열팽창에 대응하여 변위하는 벨로우즈(미도시)와 이 벨로우즈가 소정량 이상의 변위를 하면 작동하는 마이크로스위치(미도시)로 구성된 안전장치를 관용기(22)에 설치하고 있다. 이러한 안전장치는 절연유(26)의 과열(관용기의 외부표면온도로 측정하여 55℃ 이상)로 열팽창하여 벨로우즈가 소정량 이상 변위하면 마이크로스위치가 작동하여 X선관 장치로의 고전압인가를 정지시키는 원리를 이용하고 있다.

그러나 상기와 같은 종래의 X선관 장치에서는 절연유(26)에서 관용기(22)로 열을 전달하는 방식이 대류에 의한 것이기 때문에 X선관 장치에 큰 부하가 걸릴 때 발생하는 열을 신속하게 방열할 수가 없고, 이에 따라 절연유(26)의 급속한 과열로 인해 안전장치가 작동하여 X선관 장치(10)를 정지시키므로써 작업을 중단시키는 문제가 있다.

또한, 상기와 같은 문제점을 개선하기 위해 일본특허공개(평08-031591)는 X선관 전체를 플레이트 형상으로 냉매도관을 설치하여 방열하는 방식을 사용하고 있으나 주요 발열부인 고정양극 자체의 방열이 미약하여 원하는 효과를 얻을 수가 없다.

다른 한편, 종래의 X선관 장치에서는 관용기(22) 내부에 고전압트랜스(18)와 음극공급전압용 트랜스(20) 등을 설치하므로 X선관의 대형화 및 중량화를 초래하여 휴대가 힘들고 사용환경에 대응한 장비의 적응력이 크게 떨어지며, 트랜스의 고장시 수리가 용이하지 못하다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 고정양극의 일측을 둘러싸는 열전도성 절연체를 설치하고, 이 열전도성 절연체를 절삭하여 형성한 공간에 열교환기와 연결가능한 냉매도관을 설치하므로써, 고정양극은 물론 X선관 장치 전체의 방열능력을 향상시키는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 음극전압용 트랜스와 고전압트랜스를 관용기 외부에 설치하므로써, X선관 장치를 소형화하는 동시에 수리 점검이 용이하도록 하는 것이다.

도 1은 본 발명의 고정양극형 X선관 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 구성도.

도 2는 본 발명의 고정양극형 X선관 장치의 냉각수단의 설치구조를 개략적으로 나타내는 구성도.

도 3은 도 2의 우측단면도.

도 4는 종래의 고정양극형 X선관 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 구성도.

※ 도면의 주요 부분에 대한 도면부호의 설명 ※

100 : 고정양극형 X선관 장치 102 : X선관(벌브)

104 : 음극 106 : 고정양극

108 : 관용기 110 : 열전도성 절연체

112 : 열감지기 114 : 냉매도관

116 : 열교환기(H.E) 118 : 고압발생장치

120 : 음극전원공급장치 122 : 주전원장치

124 : 호스 126 : 절연유

128 : 고압케이블

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 고정양극형 X선관 장치는 고진공으로 배기된 벌브내에 음극과 고정양극이 대향하여 배치되는 X선관을 절연유가 충진된 관용기내에 수납하여 이루어진 고정양극형 X선관 장치에 있어서, 관용기 외부로 돌출하는 고정양극의 일단부를 밀착하여 둘러싸는 동시에 관용기의 일측면과 밀착되는 열전도성 절연체인 제1 냉각수단과, 제1 냉각수단을 절삭하여 형성한 공간에 밀착하여 설치되는 냉매도관 및 냉매도관내의 냉매를 순환시켜 방열하는 열교환기로 구성된 제2 냉각수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 관용기의 어느 한쪽의 외부표면에 부착되어 X선관의 온도를 감지하는 동시에, X선관의 온도가 소정치를 초과했음을 감지하면 열교환기를 작동시키는 열감지기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

더 나아가, 본 발명의 고정양극형 X선관 장치는 음극과 고정양극으로 전압을 인가하는 음극전압용 트랜스와 고전압트랜스로 구성된 주전원장치를 관용기 외부에 설치하여 X선관 장치를 소형화하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 고정양극형 X선관 장치를 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 고정양극형 X선관 장치의 일실시예의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 2와 도 3은 본 발명의 고정양극형 X선관 장치의 일실시예의 열전도성 절연체 및 냉매도관의 설치구조를 개략적으로 나타내는 도면으로서, 이들 도면을 참고로 하여 본 발명의 고정양극형 X선관 장치(100)의 구성을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 고정양극형 X선관 장치(100)는 고진공으로 배기된 벌브내에 음극(104)과 고정양극(106)이 서로 대향하여 배치된 상태의 고정양극 X선관(102)을 절연유(126)로 충진되어 있는 관용기(108) 내에 수납하여 설치하고, X선관(102) 및 관용기(108)의 외부로 돌출하는 고정양극(106)의 말단에 밀착되어 둘러싸는 동시에 관용기(108)의 일측면과 밀착되는 열전도성 절연체(110)로 구성된 제1 냉각수단을 설치하며, 관용기(108)의 어느 한쪽의 외부표면에 X선관(102)의 온도를 감지하는 열감지기(112)를 설치하고, 제1 냉각수단인 열전도성 절연체(110)의 일측을 절삭가공하여 형성한 공간에 열교환기(116)와 연결가능한 냉매도관(114)으로 구성된 제2 냉각수단을 설치하는 한편, 고압발생장치(118)와 음극전원공급장치(120)로 구성된주전원장치(122)를 관용기(108)의 외부에 설치하여 구성한다.

제1 냉각수단을 구성하는 열전도성 절연체(110)의 절연재료로는 비교적 열전도율이 높은 재료, 예를 들면 질화알루미늄(AlN)나 탄화규소(SiC) 또는 산화베릴륨(BeO) 등을 이용할 수 있다.

또한, 열전도성 절연체(110)를 고정양극(106)의 돌출된 말단과 관용기(108)의 일측면에 밀착시켜 설치할 때는 고정양극(106) 및 관용기(108)와 열전도성 절연체(110) 사이의 열저항이 작도록 설계 및 설치하여 열전달이 용이하게 이루어지도록 한다.

관용기(108)의 일측 표면에 부착된 열감지기(112)는 X선관(102)의 온도를 감지하여 X선관의 온도가 소정 온도를 초과했음을 감지했을 때 이를 열교환기(116)로 전송하여 열교환기(116)를 작동시키는 기능을 하며, 열전도성 절연체(110)의 일측을 절삭가공하여 형성한 공간에 설치되는 냉매도관(114)은 열전도성 절연체(110)를 냉각하기 위한 것으로서 내부에는 열흡수력이 큰 냉매를 포함하고 있고, 열감지기(112)의 신호에 따라 작동하는 열교환기(116)는 냉매도관(114)내의 냉매를 냉매도관(114)과 열교환기(116) 사이를 착탈가능하게 연결하는 호스(124)를 통해 순환시켜 고온상태의 냉매를 냉각시킨 후 냉매도관(114)으로 복귀시키는 과정을 수행한다.

이때, 냉매도관(114)과 열교환기(116) 사이를 연결하는 호스(124)를 분리하므로써 열교환기(116)를 제거할 수도 있고, 열교환기(116)를 설치하고 이를 무조건 작동하도록 하므로써 열감지기(112)가 불필요하도록 할 수도 있을 것이다. 이것은다양한 작업환경에 따라 다양하게 적용할 수 있을 것이다.

한편, 관용기(108)의 외부, 즉 X선관 장치(100)의 외부에 설치되는 고압발생장치(118)와 음극전원공급장치(120)로 구성된 주전원장치(122)에 있어서, 입력전원으로서 교류전원이 입력되는 경우에 고압발생장치(118)는 내장된 교류/직류변환기(A/D Convertor)를 통해 교류를 직류로 변환한 후 승압하여 고전압상태의 직류로 X선관(102)의 고정양극(106)으로 인가하고, 음극전원공급장치(120)는 내장된 교류/직류변환기를 통해 교류를 직류로 변환한 후 X선관(102)의 음극(104)으로 인가한다.

또한, 직류전원이 입력되는 경우에는 고압발생장치(118)와 음극전원공급장치(120)가 직접 직류전원을 인가할 수 있으므로 각 장치에 내장되는 교류/직류변환기를 제거할 수 있으며, 이에 따라 장비의 소형화 및 경량화를 달성할 수 있다.

본 발명의 고정양극형 X선관 장치(100)에서는 입력되는 전원이 교류전원이든 또는 직류전원이든지에 관계없이 고압발생장치(118)와 음극전원공급장치(120)를 관용기(108) 외부에 설치하므로 전체적으로 고정양극형 X선관 장치(100)를 소형화및 경량화할 수 있고, 이에 따라 장치의 휴대가 간편한 동시에 다양한 작업환경에 대한 적응력을 높일 수 있다.

상기한 구성을 참고로 하여 본 발명의 고정양극형 X선관 장치(100)의 작용을 설명하면 다음과 같다.

먼저 전원이 고압발생장치(118)와 음극전원공급장치(120)에 인가되면 고압의 직류전원이 고압케이블(128)을 통해 고정양극(106)으로 인가되는 동시에, 음극(104)에도 직류전원이 인가된다. 이에 따라 음극(104)에서 발생하는 열전자가 고정양극(106)을 향해 투사되고, 투사된 열전자가 고정양극(106)에 인가된 고전압에 의해 가속되어 고정양극(106)에 충돌하면 고정양극(106)에서는 소정의 X선이 발생된다.

이러한 X선 발생작업이 소정시간 계속되면 고정양극(106) 및 X선관(102)에서는 열이 발생하게 되고, 이 열은 소정 온도를 초과하기 전까지는 고정양극(106)의 돌출된 단부에 밀착된 열전도성 절연체(110)와 냉매를 수용하고 있는 냉매도관(114)를 통해 외부로 방열되는 자연냉각방식을 따르게 된다.

그러나, X선 발생작업 시간이 소정시간이상 계속되어 장시간이 지나면 고정양극(106)과 X선관(102)에서 발생하는 열은 자연냉각이 가능한 온도범위를 초과하여 X선관(102)을 과열하게 하고, 관용기(108)의 외부 표면에 부착된 열감지기(112)는 X선관(102)의 온도가 소정 온도를 초과했음을 감지하여 감지신호를 열교환기(116)로 출력한다.

이에 따라, 열교환기(116)는 열감지기(112)의 신호에 따라 작동하여 냉매도관(114)과 연결된 호스(124)를 통해 냉매도관(114)내의 가열된 냉매를 끌어들여 외부로 강제방열시킨 후 냉각된 냉매를 다른 호스(124)를 통해 냉매도관(114)으로 복귀시키는 과정을 반복하므로써, 고정양극(106) 및 관용기(108)와 열전도성 절연체(110)를 통해 냉매도관(114)의 냉매로 전달된 열을 방열시키는 강제냉각작업을 수행한다.

상기한 강제냉각작업 중에도 관용기(108)를 통한 자연냉각은 지속적으로 이루어지고, 이에 따라 열교환기(116)에 걸리는 부하를 다소 낮출 수 있을 것이다.

물론, 작업환경에 따라 X선관 장치(100)를 저부하 상태로 작동시키는 경우에는 열감지기(112)는 물론 냉매도관(114)과 연결된 열교환기(116)도 제거한 상태로 X선관 장치(100)를 사용하므로써 장치의 사용이나 휴대 편의성 등을 향상시킬 수 있다.

또한, X선관 장치(100)를 고부하 상태에서 장시간 작동시키는 경우에는 처음부터 열교환기(116)를 작동시키므로써, 관용기(108) 외부표면에 열감지기(112)을 설치하는 것을 생략할 수도 있을 것이다.

상기한 바와 같은 구성으로 이루어지고 해당 작용을 하는 본 발명의 고정양극형 X선관 장치는 가장 열이 많이 발생하는 고정양극의 일단부가 열전도성 절연체로 둘러싸이는 동시에 열전도성 절연체의 일측에 형성된 공간에 냉매를 포함한 냉매도관이 설치되므로 X선관 장치에서 발생하는 열을 신속하게 방열할 수 있다.

또한, 종래에는 관용기 내부에 수납되어 설치되던 고압발생장치와 음극전원공급장치 등의 전원장치가 관용기 외부에 설치되므로 X선관 장치의 크기를 소형화하는 동시에 경량화할 수 있고, 본 출원인의 출원(한국특허공개 98-076317)과 같이 휴대용 기기화하기가 용이하며, 그 수리점검이 용이하다.

따라서, 본 발명의 고정양극형 X선관 장치를 사용하면, X선관 장치의 부하가 큰 경우에도 고정양극의 온도상승을 억제할 수 있으므로 고부하 상태에서의 장시간의 작업이 가능하게 되고, 치료나 진단 또는 산업상의 계측 작업 중에 안전장치의 작동으로 인하여 장치가 정지되어 작업이 중단되는 사태를 방지할 수 있다.

이와 함께, 고부하가 요구되는 작업의 경우에는 냉매도관 등에 열감지기에 의해 작동하는 열교환기 등의 부가적 장치를 설치하여 방열능력을 향상시킬 수 있고, 상대적으로 저부하가 요구되는 작업의 경우에는 열교환기 등의 부가적 장치를 제거하여 작업의 편의성 및 작업의 연속성 등을 향상시킬 수 있다.

이상 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 아니하는 범위내에서 여러가지의 치환, 변환 및 변경이 가능한 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

Claims

고진공으로 배기된 벌브내에 음극과 고정양극이 대향하여 배치되는 X선관을 절연유가 충진된 상태의 관용기내에 수납하여 이루어진 고정양극형 X선관 장치에 있어서,

상기 X선관(102)과 관용기(108)의 외부로 돌출한 고정양극(106)에 밀착되어 둘러싸는 동시에 상기한 관용기(108)의 일측 표면에 밀착되어 설치되는 제1 냉각수단과,

상기 제1 냉각수단의 일측을 절삭가공하여 형성한 공간에 설치되는 냉매를 포함한 냉매도관(114) 및 상기 냉매도관(114)과 분리가능하게 연결된 열교환기(116)로 이루어진 제2 냉각수단과,

상기 음극(104)과 고정양극(106)에 전원을 인가하는 주전원장치(122)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 고정양극형 X선관 장치.
제1 항에 있어서, 상기 관용기(108)의 외부 표면에 설치되어 상기 X선관(102)의 열을 감지하는 동시에 감지된 열이 소정 온도를 초과하면 상기 냉매도관(114)내의 냉매를 순환시키도록 열교환기(116)를 작동시키는 열감지기(112)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고정양극형 X선관 장치.
제1 항에 있어서, 상기 주전원장치(122)를 관용기(108)의 외부에 설치하여 X선관 장치를 소형화 및 경량화하는 것을 특징으로 하는 고정양극형 X선관 장치.
제1 항에 있어서, 상기 제1 냉각수단이 열전도성 절연체(110)인 것을 특징으로 하는 고정양극형 X선관 장치.
제4 항에 있어서, 상기 열전도성 절연체(110)는 질화알루미늄(AlN), 탄화규소(SiC) 및 산화베릴륨(BeO) 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 고정양극형 X선관 장치.
제1 항에 있어서, 상기 냉매도관(114)과 X선관 장치(100) 외부에 설치되는 열교환기(116)가 일정 길이의 호스(124)로 착탈가능하게 연결된 것을 특징으로 하는 고정양극형 X선관 장치.