JP4749615B2

JP4749615B2 - 固定陽極型ｘ線管装置

Info

Publication number: JP4749615B2
Application number: JP2001220090A
Authority: JP
Inventors: 宣之磯島; 忠克中島; 元達土肥; 誠大塚; 芳彦壇
Original assignee: Hitachi Medical Corp
Current assignee: Hitachi Healthcare Manufacturing Ltd
Priority date: 2001-07-19
Filing date: 2001-07-19
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2021-07-19
Also published as: JP2003036806A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固定陽極型Ｘ線管装置に関し、特に陽極、及びターゲットを十分に冷却するに好適な固定陽極型Ｘ線管装置及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固定陽極Ｘ線管装置は、小型で低コストな面を活かして、可搬型の小型Ｘ線装置や歯科用の小容量のもの、あるいは工業用等の許容負荷の小さいものに用いられている。
【０００３】
この固定陽極Ｘ線管装置として、図２及び図８に示すような構造のものが既に知られている。図２は図８の要部拡大図である。図２において、１は陰極、２はフィラメント、３は陽極、４はターゲット、５は支持材、６は真空外囲器、７は外囲器接合材、８は冷却ノズル、９は冷却面、１０は絶縁配管、１１は側壁内面、１２は隙間、１３は支持材である。図８において、５０はＸ線管容器、５１は絶縁油タンク、５２は絶縁油ポンプ、５３は放熱器、５４はファン、５５は配管、５６はＸ線照射対象、５７は絶縁支持材である。
【０００４】
以下同一機能を有するものは同じ符号で表記し、説明を省略する。
陰極１内のフィラメント２から放出された熱電子は、陽極３に吸引、加速され陽極３に埋め込まれたターゲット４に衝突する。衝突時の制動輻射作用によりＸ線が発生し、放射窓２４から外部に放射され、Ｘ線照射対象５６に照射される。
【０００５】
陽極３は支持材５により支持され、陰極１とともに真空外囲器６内に収納されＸ線管が構成される。真空外囲器６と支持材５は外囲器接合材７で接続され、内部が真空に気密される。
【０００６】
ここで陽極に入射する電子ビームのエネルギのうち、Ｘ線のエネルギとなるのは１％以下で、残りの９９％以上は熱となり、その大部分が熱負荷として陽極３に与えられる。
【０００７】
陽極３は真空中に置かれるため、輻射により外部に熱を放散するが、照射される電子ビームの強度が増すとターゲット４の温度が上昇して劣化が進むおそれがある。そこで大容量の固定陽極型Ｘ線管では図２に示すように、陽極３にターゲット４の裏面側から穴を開け、冷却ノズル８を挿入し、絶縁配管１０を介して供給される絶縁油を、冷却面９に噴射して陽極３を冷却している。噴射された絶縁油は、側壁内面１１と冷却ノズル８の隙間１２と、支持材５、支持材１３の内部を経て図８に示す外部に設けた放熱器５３に送られ、冷却後ポンプ５２で再びＸ線管に供給される。冷却に絶縁油を用いるのは、陽極に１００ｋＶ程度の高電圧が加えられるため電気的に外部と絶縁する必要があるためである。絶縁配管１０、絶縁支持材５７を用いるのも同じ理由である。
【０００８】
通常ターゲット４には融点の高いタングステンを用い、陽極３には熱伝導率の高い銅を用いる。Ｘ線発生に伴ってターゲット４で発生した熱は、熱伝導により陽極３に移動し、冷却面９で絶縁油に放散され、外部に放出される。
【０００９】
なお、この種の装置として関連するものには、例えば、「コロナ社刊、電子工学進歩シリーズ９“ＣＴスキャナ”第８８頁（昭和55年5月15日初版第２刷発行）」に示されているものが挙げられる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術では加工の容易さから、冷却面９、及び側壁内面１１は平滑面となっている。さらに冷却ノズル８と側壁内面１１の間の隙間１２が大きいため、隙間１２を流れる絶縁油の流速が小さくなり、側壁内面１１から絶縁油へ放散する熱量が小さくなっている。そのため所定値以上に熱電子の入射エネルギが増えると、陽極３、及びターゲット４の温度が上昇し、ターゲット表面の劣化が急速に進んで装置の寿命が短くなるという問題があった。また冷却面９の表面温度が高くなり、絶縁油の劣化が進むという問題があった。さらに、Ｘ線装置自体の小型化が求められており、大きな熱負荷に対応できる小型で高効率な陽極３の冷却面構造が必要とされている。
【００１１】
冷却構造の高効率化のためには冷却面にフィンを設置して、伝熱面積を増加することが有効であることが一般の熱機器で古くから知られている。しかし、固定陽極型Ｘ線管の冷却面の場合、有底円筒状の冷却面に冷却ノズルを挿入する構造であることから、冷却面に容易にフィンを加工することができないという問題がある。金型を用いた引き抜き加工を行えば、上記したフィン加工は可能であるが、金型自体が高価であり、少量生産の固定陽極型Ｘ線管の生産には不向きで、小量生産に適したフィン付き冷却面を有する陽極の製造方法が必要である。
【００１２】
本発明は、従来の固定陽極型Ｘ線管装置における上記の問題点を解決するためになされたものであって、陽極とターゲットの冷却効率が高く、小型の冷却構造と、その製造方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、以下によって達成される。
【００１４】
（1）陽極と、該陽極と対向して配置される陰極とを真空外囲器内に収納して成るＸ線管と、該Ｘ線管に冷却用絶縁油を供給する電気的絶縁機能を有する配管と、絶縁油を噴出するノズルと、前記配管を経由して前記Ｘ線管に絶縁油を供給する外部冷却装置とから成る固定陽極型Ｘ線管装置において、前記陽極は、絶縁油により直接冷却される有底円筒状冷却面を具備し、前記陽極の冷却面底部の冷却を前記ノズルから噴出する絶縁油で行った後に、流出する絶縁油をノズルに設けたノズルカバーと前記陽極の有底円筒内面との隙間に導いて、前記有底円筒状冷却面を冷却する構造を形成し、前記有底円筒状冷却面、もしくは該有底円筒状冷却面と前記冷却面底部の両者にフィンを設ける。
【００１５】
（2）上記（1）の固定陽極型Ｘ線管装置は、前記冷却面底部の部分で分離されその内部空洞部が貫通した陽極円筒部内面、もしくは平面状になっている冷却面底部と内部空洞部が貫通した陽極円筒部内面の両者にフィンを加工する第１工程と、この第１工程の後に前記底面部に前記円筒部をろう付けにより接合する第２工程とにより製造する。
【００１６】
（3）上記（1）の固定陽極型Ｘ線管装置の円筒部と底面部との接合部の外径は円筒部外径よりも大きくする。
【００１７】
（4）陽極と、該陽極と対向して配置される陰極とを真空外囲器内に収納して成るＸ線管と、該Ｘ線管に冷却用絶縁油を供給する電気的絶縁機能を有する配管と、絶縁油を噴出するノズルと、前記配管を経由して前記Ｘ線管に絶縁油を供給する外部冷却装置とから成る固定陽極型Ｘ線管装置において、前記陽極は、絶縁油により直接冷却される有底円錐面状冷却面を具備し、前記陽極の冷却面底部の冷却を前記ノズルから噴出する絶縁油で行った後に、流出する絶縁油を前記ノズルに設けたノズルカバーと前記陽極の円錐状冷却面との隙間に導いて、前記有底円錐面状冷却面を冷却する構造を形成し、前記有底円錐面状冷却面、もしくは該有底円錐面状冷却面と前記冷却面底部の両者にフィンを設ける。
【００１８】
（5）上記（4）の固定陽極型Ｘ線管装置は、前記冷却面底部の部分で分離されその内部空洞部が貫通した陽極円筒部内面、もしくは平面状になっている冷却面底部と内部空洞部が貫通した陽極円筒部内面の両者にフィンを加工する第１工程と、こ第１の工程の後に、前記底面部に円筒部をろう付けにより接合する第２工程とにより製造する。
【００１９】
（6）上記（1）と（4）の固定陽極Ｘ線管装置の真空外囲器内に収納される陽極支持材と、円筒面部と、底面部との接合は、同時に同じろう材でろう付けにより行う。
【００２０】
（7）上記（1），（3），（4），（6）の固定陽極型Ｘ線管装置は、冷却面底部フィンを、底面中心から少なくともノズル半径以上の位置から、外周部に放射状に設置し、陽極側壁部フィンを、少なくとも底面から前記冷却面底部フィンの高さより高い位置の側壁内面に設置する。
【００２１】
（8）上記（1）〜（7）の固定陽極型Ｘ線管装置は、陽極が受ける熱負荷が３ｋＷ以上であり、前記側壁部フィン２１のフィン高さは１〜４ｍｍであり、前記側壁部フィン２１の厚さは０．８〜２ｍｍであり、前記側壁部フィン２１のフィンピッチは０．８〜３ｍｍである。
【００２２】
（9）上記（1）〜（8）の固定陽極型Ｘ線管装置は、陽極の円筒部と底面部との接合部に接合位置を合わせるための凹凸部を円筒部、もしくは底面部の少なくとも一方に設けて成る。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施形態について図１を参照して説明する。
図１において、３ａは陽極底部、３ｂは陽極側壁部、１４は陽極筒、１５は陽極筒接合面、１６は陽極底部接合面、１７は陽極側壁部接合面、１８は支持材接合面、１９は真空外囲器接合面、２０はノズルカバー、２１は側壁部フィン、２２は底面、２３は底面部フィンである。陽極底部３ａと陽極側壁部３ｂの材質は銅である。
【００２４】
陰極１内のフィラメント２から放出された熱電子は、陽極底部３ａに吸引、加速され陽極底部３ａに埋め込まれたターゲット４に衝突する。衝突時の制動輻射作用によりＸ線が発生する。陽極底部３ａは陽極側壁部３ｂと陽極底部接合面１６で接合され、また陽極筒１４が陽極底部３ａに陽極筒接合面１５で接合され、全体として陽極３を構成する。陽極側壁部接合面１７で、陽極３は支持材５に接合支持され、陰極１とともに真空外囲器６内に収納される。ここで真空外囲器６と支持材５は、外囲器接合材７により真空外囲器接合面１９と支持材接合面１８で、それぞれ接続される。
【００２５】
陽極側壁部３ｂの内側は円筒状の空洞となっており、側壁内面１１に側壁部フィン２１を設ける。ノズルカバー２０を有する冷却ノズル８は、側壁部フィン２１と隙間１２を形成するように陽極側壁部３ｂ内部に挿入され、冷却ノズル８の先端から、底面部フィン２３を有する底面２２に冷却用絶縁油が噴射される。底面部フィン２３は設置しなくても良いものとする。底面部フィン２３を設置した場合には伝熱面積が増加するため、底面２２での熱放散が増加するため陽極３の温度を下げることができる。
【００２６】
底面２２を冷却した絶縁油は隙間１２を通過する過程で、陽極側壁部３ｂを冷却する。陽極底部３ａと陽極側壁部３ｂの材質は熱伝導率の高い銅であるため、陽極底部接合面１６を介して、高温となる陽極底部３ａから陽極側壁部３ｂに熱が移動する。
【００２７】
したがって、側壁内面１１に側壁部フィン２１を設置して、絶縁油流路の伝熱面積を増し、併せてノズルカバー２０によって隙間１２の断面積を小さくすることにより、隙間１２を流れる絶縁油の流速を大きくして熱伝達率を増加することで、陽極側壁部３ｂでの熱放散が増加して、陽極３及びターゲット４の温度を大幅に下げることができる。
【００２８】
上記の冷却面構造によれば、陽極及びターゲットを効果的に冷却することが可能で、従来ターゲットの劣化防止のために規制されていた以上の高いエネルギの電子ビームの照射が可能となり、より強い強度のＸ線を連続して発生することが可能になる。
【００２９】
また、上記した固定陽極型Ｘ線管装置は以下のようにして製造する。陽極筒１４、陽極底部３ａ、陽極側壁部３ｂ、支持材５を別々に加工する。この時、陽極側壁部３ｂは分割されているため、ワイヤカット加工、或いは機械加工等により側壁内面１１に側壁フィン２１を容易に加工することができる。また、上記と同様に陽極底部３ａも分割されているため、底面２２にワイヤカット加工、或いは機械加工等により底面部フィン２３を容易に加工することができる。
【００３０】
以上のように加工した陽極筒１４、陽極底部３ａ、陽極側壁部３ｂ、支持材５を、溶融温度の高い、例えば金銅ろう（融点約９９０℃）で同時にろう付けする。
【００３１】
次に、外囲器接続材７を介して陽極３と真空外囲器６、支持材１３を溶融温度が相対的に低い、例えば銀ろう（融点７８０℃）でろう付けする。
【００３２】
上記した製造方法によれば、少量生産時でも低コストで冷却面にフィンを設置することが可能となる。また、最も気密性を必要とする陽極３の真空外囲器６内での接合面１５，１６，１７は、溶融温度の高い同じろう材で同時に接合するため、ろう付け回数を減らすことができる。さらに、一箇所づつろう付けを行う場合と比較して、先にろう付けを行った箇所が、接合箇所が近接しているため後工程中の熱により再度溶融して気密性を損なうというおそれが無く、確実なろう付け作業を行うことができる。
【００３３】
尚、上記した実施の形態において陽極筒１４は、Ｘ線発生時に生じる二次電子の影響が小さい場合には、図１２に示すように省略してもよい。
【００３４】
さらに、図１３に示すようにシェル状の陽極筒１４ａをネジ６０により固定して陽極筒接合面１５でのろう付け箇所を減らす構成としてもよい。
また図３に示すように、陽極底部接合面１６の面積が大きくなるように陽極底部３ａと陽極側壁部３ｂの接続部外径を大きくして、陽極底部３ａと陽極側壁部３ｂとの接合部の熱抵抗を低減して、陽極側壁部３ｂへの熱移動を促進し、ターゲット４の温度を下げる構成としてもよい。
【００３５】
或いは、図４に示すように、陽極側壁部３ｂの側壁内面１１を円錐面状に形成して、側壁内面１１上に側壁部フィン２１を設ける構成としてもよい。この場合、隙間１２を一定にするためノズルカバー２０を側壁内面１１に合わせて、円錐面状とする。上記の構成により陽極底部接合面１６の面積が増加し、陽極底部３ａから陽極側壁部３ｂへの熱抵抗が低減し、高温となる陽極底部３ａから陽極側壁部３ｂへ、より多くの熱が移動して、ターゲット４の温度を下げることができる。また、接合面積が増えるためにろう付けによる接合をより確実に行うことができる。
【００３６】
尚、陽極底部接合面１６を、例えば図１４に示すように、陽極底部３ａ側に凹部を設ける構造とすれば、陽極底部３ａと陽極側壁部３ｂの接合作業工程での位置合わせが容易となり、接合を確実に行うことができる。或いは、図１５に示すように陽極底部３ａ、陽極側壁部３ｂの両者に凹凸部を設ける構造としても同様の効果を得ることができる。
【００３７】
次に、本発明の第２の実施の形態を図５と図６に示す。図５において、３は側壁部フィン２１と底面部フィン２３を一体にした構造の陽極である。
【００３８】
比較的大量にＸ線管を製造する場合には、側壁部フィン２１と底面部フィン２３を陽極３に一体して形成できる金型を製作し、鋳造後金型を引き抜くことにより陽極３を製造する方法がある。金型製作にコストがかかるが、大量に同一形状の陽極を製造する場合には有利である。陽極３に陽極筒１４と支持材５をろう付けすることで、第１の実施の形態と同様の冷却効率の高いＸ線管を製造することができる。同じ効果の説明については重複を避けるため省略するが、この実施の形態では、第１の実施の形態に対し、図１の１６で表わす陽極３のろう付け箇所が１箇所減る利点がある。尚、上記した実施の形態について底面部フィン２３は、陽極の温度が使用上満足する程度に低い場合には、設けなくても良い。
【００３９】
図６に示すように、陽極側壁部３ｂの側壁内面１１が円錐面状の場合でも上述した実施の形態と同様の効果が得られる。
上述した実施の形態において、底面部フィン２３を設ける場合には、図７に示すように底面部フィン２３は、底面中心から少なくとも冷却ノズル８の半径以上外側の位置から外周方向に放射状に設置し、陽極側壁部フィンを、少なくとも底面２２から前記冷却面底部フィンの高さｈ２より高い位置の側壁内面１１に設置する構成としてもよい。
【００４０】
冷却ノズル８の直下の部分は、冷却ノズル８から出る絶縁油の流速が大きい。この部分に底面部フィン２３を設置すると、流速が大きいため圧力損失が大きくなり、絶縁油の流量が低下するおそれがある。また、冷却ノズル８直下の底面２２では平滑面であっても熱伝達率が高い。そこで、図７に示すように少なくとも冷却ノズル８の半径以上の位置から底面部フィン２３を設置して、底面２２の外周に向かって流速の下がる絶縁油の流れを底面部フィン２３間の流路に絞ることで、熱伝達率の低下を防止し、底面２２全体の平均熱伝達率を平滑面の場合に対して向上することができ、陽極３、及びターゲット４の温度を低下することができる。
【００４１】
また、陽極側壁部フィン２１を、少なくとも底面２２から冷却面底部フィン２３の高さｈ２より高い位置の側壁内面１１に設置することで、冷却面底部フィン２３間から流出する絶縁油が、隙間１２に流入する際に偏りの無い一様な流れとなり、陽極側壁部３ｂ内面での絶縁油への熱放散が確実となる。
【００４２】
以上に述べた実施の形態について、陽極３が３ｋＷ以上の大きな熱負荷を受ける場合には、図７に記号で示す側壁部フィン２１のフィン高さｈを１〜４ｍｍ、フィン厚さｔを０．８〜２ｍｍ、フィンピッチｐを０．８〜３ｍｍとすることが望ましい。
【００４３】
側壁部フィン２１のフィン高さｈと、陽極３の冷却面の中で最も温度が高くなり、絶縁油の劣化に影響を及ぼす陽極底面２２の中心温度の間の関係を図９に示す。フィン高さｈが小さい場合には、伝熱面積が小さくなり、熱放散の量が小さくなり、陽極底面２２中心部温度は高くなる。他方フィン高さｈを所定値以上に大きくしても、側壁部フィン２１のフィン効率の低下と、圧力損失の増加による絶縁油流量の低下のため熱放散量が飽和に達して温度低下への効果が小さくなる。使用する絶縁油の熱伝導率、粘度等の物性を考慮すると、側壁部フィン２１のフィン高さｈを１〜４ｍｍとすることが絶縁油劣化防止のために望ましい。
【００４４】
陽極側壁部フィン２１のフィン厚さｔと陽極底面２２の中心温度の間の関係についても、上記したフィン高さｈと同様の理由で図１０に示す関係となり、側壁部フィン２１のフィン厚さｔを０．８〜２ｍｍとすることが絶縁油劣化防止のために望ましい。
【００４５】
陽極側壁部フィン２１のフィンピッチｐと陽極底面２２の中心温度の間の関係を図１１に示す。フィンピッチｐが小さい場合には、側壁部フィン２１間の流路の圧力損失が大きくなるため、絶縁油の流量が減少して、熱放散の量が小さくなって、陽極底面２２中心部温度は高くなる。他方、フィンピッチを大きくすると、同じ高さと厚さのフィンを使用していることを前提とすると、フィンの枚数を減らすことになり、伝熱面積が小さくなり、熱放散の量が小さくなって、陽極底面２２の中心部温度は高くなる。使用する絶縁油の熱伝導率、粘度等の物性を考慮すると、側壁部フィン２１のフィン高さｈを１〜４ｍｍとすることが絶縁油劣化防止のために望ましい。
【００４６】
【発明の効果】
本発明によれば、冷却フィンを設けて伝熱面積を増加することにより小型で高効率な冷却構造としたため、陽極、及びターゲットを十分に冷却できる固定陽極型Ｘ線管装置、及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態の断面図。
【図２】従来の固定陽極型Ｘ線管装置の一例の要部を示す断面図。
【図３】本発明の他の一実施の形態の断面図。
【図４】本発明の他の一実施の形態の断面図。
【図５】本発明の他の一実施の形態の断面図。
【図６】本発明の他の一実施の形態の断面図。
【図７】本発明の実施の形態の要部を示す図。
【図８】従来の固定陽極型Ｘ線管装置の一例の全体図。
【図９】陽極側壁部フィン高さと陽極底面中心温度との関係を示すグラフ。
【図１０】陽極側壁部フィン厚さと陽極底面中心温度との関係を示すグラフ。
【図１１】陽極側壁部フィンピッチと陽極底面中心温度との関係を示すグラフ。
【図１２】本発明の他の一実施の形態の断面図。
【図１３】本発明の他の一実施の形態の断面図。
【図１４】本発明の他の一実施の形態の断面図。
【図１５】本発明の他の一実施の形態の断面図。
【符号の説明】
１陰極、２フィラメント、３陽極、３ａ陽極底面部、３ｂ陽極側壁部、４ターゲット、５支持材、６真空外囲器、８冷却ノズル、９冷却面、１１側壁内面、１２隙間、１４陽極筒、１５陽極筒接合面、１６陽極底部接合面、１７陽極側壁部接合面、２０ノズルカバー、２１側壁部フィン、２２底面、２３底面部フィン、２４放射窓、５０Ｘ線管容器、５２絶縁油ポンプ、５３放熱器、５４ファン、５６Ｘ線照射対象、５７絶縁支持体

Claims

陽極と、該陽極と対向して配置される陰極とを真空外囲器内に収納して成るＸ線管と、該Ｘ線管に冷却用絶縁油を供給する電気的絶縁機能を有する配管と、絶縁油を噴出するノズルと、前記配管を経由して前記Ｘ線管に絶縁油を供給する外部冷却装置とから成る固定陽極型Ｘ線管装置において、
前記陽極は、絶縁油により直接冷却される有底円筒状冷却面を具備し、前記陽極の冷却面底部の冷却を前記ノズルから噴出する絶縁油で行った後に、流出する絶縁油をノズルに設けたノズルカバーと前記陽極の有底円筒内面との隙間に導いて、前記有底円筒状冷却面を冷却する構造を形成し、
前記有底円筒内面には、前記ノズルが延在する方向と平行に側壁部フィンが設けられ、前記側壁部フィンと前記有底円筒内面とが銅であることを特徴とする固定陽極型Ｘ線管装置。
陽極と、該陽極と対向して配置される陰極とを真空外囲器内に収納して成るＸ線管と、該Ｘ線管に冷却用絶縁油を供給する電気的絶縁機能を有する配管と、絶縁油を噴出するノズルと、前記配管を経由して前記Ｘ線管に絶縁油を供給する外部冷却装置とから成る固定陽極型Ｘ線管装置において、
前記陽極は、絶縁油により直接冷却される有底円錐面状冷却面を具備し、前記陽極の冷却面底部の冷却を前記ノズルから噴出する絶縁油で行った後に、流出する絶縁油をノズルに設けたノズルカバーと前記陽極の円錐状冷却面との隙間に導いて、前記有底円錐面状冷却面を冷却する構造を形成し、
前記円錐状冷却面には、前記ノズルが延在する方向に向かって側壁部フィンが設けられ、前記側壁部フィンと前記円錐状冷却面とが銅であることを特徴とする固定陽極型Ｘ線管装置。
請求項１又は２に記載の固定陽極型Ｘ線管装置において、
前記冷却面底部には、前記冷却面底部に噴出された前記絶縁油の流路を絞る底面部フィンが設けられることを特徴とする固定陽極型Ｘ線管装置。
請求項３に記載の固定陽極型Ｘ線管装置において、
前記底面部フィンは、前記冷却面底部の中心から前記ノズルの半径以上外側の位置から放射状に設置されることを特徴とする固定陽極型Ｘ線管装置。
請求項３又は４に記載の固定陽極型Ｘ線管装置において、
前記側壁部フィンは、前記冷却面底部から前記底面部フィンの高さより高い位置に設けられることを特徴とする固定陽極型Ｘ線管装置。
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の固定陽極型Ｘ線管装置において、
前記陽極が受ける熱負荷が３ｋＷ以上であり、前記側壁部フィンの高さは１〜４ｍｍであり、前記側壁部フィンの厚さは０．８〜２ｍｍであり、前記側壁部フィンのフィンピッチは０．８〜３ｍｍであることを特徴とする固定陽極型Ｘ線管装置。