グリースで潤滑した回転式アノード軸受けを備えたＸ線管用液冷式軸受け外被
【課題】ＣＴイメージング・システム等において、ガントリ負荷の増大、ピーク動作電力及び平均動作電力の増大、並びに全体的な軸受け性能の向上を可能にするために、回転式アノード軸受けの動作温度を低下させてアノード軸受けを潤滑する改善された方法を提供する。
【解決手段】回転式アノード軸受け外被が、真空室（１０８）を有するＸ線管フレーム（１０６）を含んでいる。アノード（１１０）が真空室（１０８）の内部に位置しており、軸受け（１１７）を介してシャフト（１１４）上で回転する。軸受け（１１７）は、Ｘ線管フレーム（１０６）の内面（１２６）に取り付けられている。軸受け（１１７）は熱エネルギをシャフト（１１４）からＸ線管フレーム（１０６）へ伝達する。
【解決手段】回転式アノード軸受け外被が、真空室（１０８）を有するＸ線管フレーム（１０６）を含んでいる。アノード（１１０）が真空室（１０８）の内部に位置しており、軸受け（１１７）を介してシャフト（１１４）上で回転する。軸受け（１１７）は、Ｘ線管フレーム（１０６）の内面（１２６）に取り付けられている。軸受け（１１７）は熱エネルギをシャフト（１１４）からＸ線管フレーム（１０６）へ伝達する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般的には、Ｘ線イメージング・システム及びその冷却手法に関する。さらに具体的には、本発明は、Ｘ線管の内部に設けられている回転式アノードの軸受けを冷却するシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＴイメージング・システムのようなＸ線管を含むＸ線イメージング・システムは典型的には、３６０°の画像を形成するために様々な速度で回転するガントリを含んでいる。ガントリはＸ線管のようなＸ線源を含んでおり、Ｘ線源は高エネルギ電子ビームによるアノードへの電子衝突によってＸ線を発生する。電子ビームは、アノードから真空ギャップによって物理的に離隔したカソードから発生する。アノードは、１対又は複数対のアノード軸受け上でモータを介して回転するシャフトに結合されたターゲットを有する。Ｘ線はターゲットから放出されて、ファン（扇形）形状のビームの形態で投射される。Ｘ線ビームは患者のような撮像対象を透過する。ビームは、対象によって減弱した後に、放射線検出器のアレイに入射する。アレイの各々の検出器素子が、検出器位置でのビーム減弱の測定値である別個の電気信号を発生する。全ての検出器からの減弱測定値を別個に取得して、画像の形成のための透過プロファイルを形成する。
【０００３】
撮像時間を高速化し、且つ画質を高め得るように、ガントリの回転速度を速め、またＸ線管のピーク動作電力及び平均動作電力を増大させることが望ましい。ガントリ回転速度を速めるとＸ線管軸受けに加わる機械的負荷が増大し、ピーク動作電力及び平均動作電力を増大させるとＸ線管軸受けに加わる熱負荷が増大する。
【０００４】
現在のＸ線管はしばしば、インサートの内部に封入されたフレームを有する。フレームの内部は高真空下にある。フレームとインサートとの間に油浴が位置している。油浴はフレームを冷却するために利用される。熱エネルギは、回転式アノード軸受けからフレームへ、真空室を通して輻射する。次いで、熱エネルギはフレームから油浴へ伝わる。熱せられたオイルは、熱交換器を通るオイルの循環によって冷却される。オイルの熱エネルギは、熱交換器において周囲空気へ伝達されるか、又は代替的には、外部の冷却器に出入りして循環する冷却材に伝達される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来は、アノード軸受けは、静止型軸受け外被の内部に位置する玉軸受け及び軸受けレースを含んでいる。軸受けの外レースは静止型外被に組み付けられており、軸受けの内レースは回転シャフトに組み付けられている。軸受けは銀又は鉛で潤滑されている。銀又は鉛は、潤滑剤が真空室の内部で放出されてＸ線管の動作性能の劣化を招くことを防ぐ接着性を有するため用いられている。銀及び鉛系の潤滑剤は、軸受け表面に留まって、軸受け玉と軸受けレースとの間の摩擦を小さくする。軸受けレースは典型的には、軸受け外被の内壁に結合されており、軸受けの内部の熱エネルギは、軸受け外被、軸受け外被の周りに位置する電気モータの回転子、及び多数の真空室内区域を通って、フレームへ輻射された後に油浴に伝達される。動作温度を低下させると共に軸受け玉と軸受けレースとの間の摩擦を小さくするために回転式アノード軸受けを冷却して潤滑するこの方法は、ピーク動作電力及び平均動作電力が増大し、またガントリ回転速度が速まった場合には不十分である。
【０００６】
ガントリ動作負荷を増大させ、ピーク動作電力及び平均動作電力を増大させることが望まれることに加えて、Ｘ線管軸受けの寿命を延ばすことも望ましい。このように、ガントリ負荷の増大、ピーク動作電力及び平均動作電力の増大、並びに全体的な軸受け性能の向上を可能にするために、回転式アノード軸受けの動作温度を低下させてアノード軸受けを潤滑する改善された手法が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、真空室を有するＸ線管フレームを含む回転式アノード軸受け外被を提供する。アノードが真空室の内部に位置しており、軸受けを介してシャフト上で回転する。軸受けは、Ｘ線管フレームの内面に取り付けられている。軸受けは、熱エネルギをシャフトからＸ線管フレームへ伝達する。
【０００８】
本発明の各実施形態は幾つかの利点を与える。かかる利点の一つは、回転式アノードとＸ線管フレームとの間に回転式アノードの軸受けを通る連続的で短距離の熱エネルギ伝導路を提供することである。この伝導路によってアノードとＸ線管フレームとの間の熱エネルギ伝達効率が高まり、アノード及び軸受けの動作温度が低下する。
【０００９】
本発明の一実施形態によって与えられるもう一つの利点は、回転式アノード軸受けをＸ線管フレームに取り付けることによりアノード軸受けの直接的冷却を提供することである。これにより、やはり熱エネルギ伝達効率が高まり、軸受けの動作温度が低下する。
【００１０】
加えて、本発明の一実施形態によって与えられるもう一つの利点は、軸受け外被内でのガリウム又はガリウム合金のような液体金属の利用を提供することであり、液体金属が熱分路として作用して、熱エネルギ伝達効率がさらに高まり、軸受けの動作温度が低下する。回転式アノード軸受けのＸ線管フレームへの直接的な結合及び液体金属冷却材の軸受け外被内への導入によって、真空グリースによる回転式アノード軸受けの潤滑を可能にする。グリース潤滑剤を用いると、軸受けの動作寿命が延び、またガントリ回転速度を速め、軸受けに加わる熱負荷を増大することが可能になる。
【００１１】
本発明の一実施形態によって与えられるさらにもう一つの利点は、モータ回転子、及び回転式アノードのシャフトの後端に取り付けられ且つ／又は結合されたその他モータ構成要素を活用することである。モータ構成要素をシャフトの端部に結合することにより、アノードとモータとの間の距離が増す。モータ構成要素とアノードとの離隔距離をこのように増すと、モータ構成要素の動作温度が低下し、これによりモータの動作寿命が延びる。
【００１２】
さらに、上述の各利点は別個に、また組み合わせて、Ｘ線管の性能、信頼性及び堅牢性を高めることができる。
【００１３】
本発明自体は、付随する利点と共に、以下の詳細な説明を添付図面と共に参照することにより最も十分に理解されよう。
【００１４】
本発明をさらに完全に理解するために、添付図面にさらに詳細に図示した実施形態を参照して、本発明の実例として以下で説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１に、従来のＸ線管アセンブリ１０の断面ブロック模式図を示す。Ｘ線管アセンブリ１０は、貯液槽の形態でオイル１４を収容したインサート１２を含んでいる。オイル１４は、インサート１２を通じて循環し、内部に収容されたＸ線管フレーム１６を冷却する。フレーム１６は真空室１７を有し、その内部に回転式アノード１８及び静止型カソード２０が位置している。アノード１８はシャフト２４に結合されており、シャフト２４は一組の軸受け２５上で回転する。軸受け２５は軸受け玉２６及び軸受け外レース２８を含んでおり、軸受け内レース（図示されていない）がシャフト２４と一体形成されている。軸受け玉２５は軸受けレースの内部に保たれて支持されている。
【００１６】
熱エネルギは伝導式で伝達されて、アノード１８からシャフト２４、軸受け玉２６及び軸受けレース２８を通って静止型軸受け外被３０へ到る。軸受け外被３０から、熱エネルギは輻射して、モータ回転子３４の内部に位置する真空室１７の第一の部分３２を通り、モータ回転子３４へ到る。四角形４６は、回転子３４の回転を生ずるモータの固定子を表わしている。モータ回転子３４から、熱エネルギは輻射して、モータ回転子３４の外部である真空室１７の第二の部分３６を通り、フレーム１６へ到る。
【００１７】
また、さらなる熱エネルギが、シャフト２４から、シャフト２４と軸受け外被３０又は外被３０に取り付けられた要素４０との間に位置する真空室１７の第三の部分３８を通って輻射する。同様に、前述したように、軸受け外被３０から、このさらなる熱エネルギは、第一の部分３２、モータ回転子３４、第二の部分３６を通って、フレーム１６へ伝わる。以上に述べたフレーム内部に存在する相当量の熱エネルギがオイル１４へ伝わる。オイル１４は循環して熱交換器及び外部冷却器（両方とも図示されていない）を介して冷却される。
【００１８】
幾分かの熱エネルギはまた、シャフト２４を通って軸受け外被３０へ伝わり、オイル１４によって冷却される。上述についての熱伝導路を矢印４２で示す。また、上述の熱輻射を矢印４４で示す。
【００１９】
軸受け玉２６は従来は、銀又は鉛によって固体潤滑されている。軸受けを潤滑し冷却するこの方法は、ガントリ回転速度が速まり、またピーク動作電力及び平均動作電力が増大した場合には不十分である。本発明は、既存のＸ線管回転式アノード軸受け構成でのこの制限及び他の制限を克服するものであり、以下で詳述する。
【００２０】
以下の図面では、同じ構成要素を参照するために同じ参照番号を用いる。主として計算機式断層写真法（ＣＴ）システムのＸ線管の内部の回転式アノードの軸受けを冷却するシステムに関して本発明を説明するが、本発明は、Ｘ線システム、マンモグラフィ・システム、血管撮像システム、外科用Ｃ型システム、放射線撮像（ＲＡＤ）システム、ＲＡＤ兼フルオロスコピィ・システム、並びにＣＴ−陽電子放出断層写真法（ＰＥＴ）又はＣＴ−核医学のような混合型モダリティを含む他の公知のモダリティ等を含めた様々なシステムに合わせて構成して適用することができる。
【００２１】
以下の説明では、構築された一つの実施形態について様々な動作パラメータ及び構成要素を説明する。これら特定のパラメータ及び構成要素は例として含められており、限定のためのものではない。
【００２２】
図２及び図３に、本発明の一実施形態によるＸ線源又はＸ線管アセンブリ５１を組み入れたＣＴイメージング・システム５０の遠近図及びブロック模式図を示す。イメージング・システム５０は、Ｘ線管アセンブリ５１及び検出器アレイ５６を有するガントリ５２を含んでいる。管アセンブリ５１は、検出器アレイ５６に向かってＸ線ビーム５８を投射する。管アセンブリ５１及び検出器アレイ５６は、並進式で動作可能なテーブル６０の周囲を回転する。テーブル６０は、管アセンブリ５１と検出器アレイ５６との間でｚ軸に沿って並進してヘリカル・スキャンを行なう。ビーム５８は、患者ボア６４の内部に配置された患者６２を透過した後に、検出器アレイ５６で検出される。検出器アレイ５６は、ビーム５８を受光すると投影データを生成し、このデータを用いてＣＴ画像を形成する。
【００２３】
Ｘ線管アセンブリ５１及び検出器アレイ５６は中心軸６６の周りを回転する。ビーム５８は多数の検出器素子６８によって受光される。各々の検出器素子６８が、入射したＸ線ビーム５８の強度に対応する電気信号を発生する。ビーム５８は患者６２を透過するに従って減弱する。ガントリ５２の回転及びＸ線管アセンブリ５１の動作は制御機構７０によって制御される。制御機構７０は、電力信号及びタイミング信号をＸ線管アセンブリ５１へ供給するＸ線制御器７２、並びにガントリ５２の回転速度及び位置を制御するガントリ・モータ制御器７４を含んでいる。データ取得システム（ＤＡＳ）７６が、検出器素子６８から発生されたアナログ・データをサンプリングし、アナログ・データをディジタル信号へ変換して以降の処理に供する。画像再構成器７８が、サンプリングされてディジタル化されたＸ線データをＤＡＳ７６から受け取って、高速画像再構成を実行してＣＴ画像を形成する。主制御器又はコンピュータ８０がＣＴ画像を大容量記憶装置８２に記憶させる。
【００２４】
コンピュータ８０はまた、操作者からの命令及び走査パラメータを操作コンソール８４を介して受け取る。表示器８６によって、操作者は再構成された画像及びコンピュータ８０からのその他データを観察することができる。操作者が供給した命令及びパラメータはコンピュータ８０によって制御機構７０の動作に利用される。加えて、コンピュータ８０は、テーブル６０を並進させてガントリ５２内で患者６２を配置するテーブル・モータ制御器８８を動作させる。
【００２５】
図４に、本発明の一実施形態によるＸ線管アセンブリ１００の断面ブロック模式図を示す。Ｘ線管アセンブリ１００は、冷却材１０４を内部に有する冷却材貯液槽の形態のインサート１０２又はかかる冷却材貯液槽を収容したインサート１０２を含んでいる。冷却材は、オイルの形態であってもよいし、又は当技術分野で公知のその他冷却材の形態であってもよい。軸受け外被又はフレーム１０６が冷却材１０４の内部に位置しており、当技術分野で公知の手法を用いて冷却材１０４によって熱的に冷却される。フレーム１０６は真空室１０８を包囲しており、真空室１０８に回転式アノード１１０及び静止型カソード１１２が位置している。アノード１１０は、ハブ１１６を介してシャフト１１４に取り付けられている。シャフト１１４は真空室１０８の内部に位置しており、軸受け玉１１８を含む第一の組の軸受け１１７、及び軸受け玉１２０を含む第二の組の軸受け１１９上で回転する。軸受け玉１１８及び１２０は、所定位置に保たれて、第一の軸受け外レース１２２及び第二の軸受け外レース１２４によってそれぞれ支持されている。軸受け玉１１８及び１２０はまた、シャフト２４の一体化した部分であってよい軸受け内レース（図示されていない）にも保たれて支持されている。軸受けレース１２２及び１２４はフレーム１０６の内面１２６に取り付けられている。四角形１２８によって表わされている１又は複数のモータ構成要素がシャフト１１４の後端１３０に取り付けられて、シャフト１１４の後端１３０を回転させるのに利用される（モータの固定子及び回転子のみを図示する）。モータ構成要素１２８も真空室１０８の内部に位置している。
【００２６】
アノード１１０の内部の熱エネルギは伝導式で直接伝達されて、ハブ１１６、シャフト１１４、軸受け玉１１８及び１２０、並びに軸受けレース１２２及び１２４を通ってフレーム１０６へ到る。この熱エネルギの伝達は、矢印１３２によって表わされているような単一の連続的な伝導式熱エネルギ経路の形態にある。
【００２７】
第一の組の軸受け玉１１８は、シャフト１１４の前端１３４側でハブ１１６の近くに装着されている。第二の組の軸受け玉１２０は、シャフト１１４の後端１３０側でモータ構成要素（１又は複数）１２８の近くに装着されている。軸受け玉１１８及び１２０、並びに軸受けレース１２２及び１２４は、当技術分野で公知のように銀又は鉛を用いて固体潤滑されていてよい。軸受け１１７及び１１９がフレーム１０６に直接結合されているため、これらの軸受け１１７及び１１９は冷却材１０４によって効率的に冷却される。これにより、ピーク電力及び平均電力を図１のＸ線管アセンブリ１０よりも増大させ、また軸受け１１７及び１１９の動作寿命を延ばすことが可能になる。軸受け外レース１２２及び１２４は、フレーム１０６に一体形成されていてもよいし、結合されていてもよいし、取り付けられていてもよい。
【００２８】
また、フレーム１０６は本質的に軸受け１１７及び１１９の外被であるため、より広い表面積の軸受け外被が冷却材１０４と接触し、これにより、フレーム１０６と冷却材１０４との間の対流式熱伝達が増大することに留意されたい。熱エネルギはまた、矢印１３８で示すように、シャフト１１４から、第一の軸受けの組１１８と第二の軸受けの組１２０との間の真空域１３６へ、そしてフレーム１０６へ輻射される。輻射された熱エネルギ１３８は、Ｘ線管アセンブリ１０内部の輻射された熱エネルギ４４とは対照的に、単一の真空域のみを通過する。
【００２９】
特定の方式の軸受け及び軸受けレースを図示しているが、様々な軸受け及び軸受けレースを用いてよい。従って、図示のような軸受けレースの軸受け通路の内部に保たれた玉軸受け、転がり軸受け、又は当技術分野で公知のその他シャフト転がり要素軸受け及び／若しくは軸受けレースを用いてよい。
【００３０】
モータ（全ては図示されていない）は、モータ回転子、モータ固定子、又は当技術分野で公知のその他モータ構成要素を備えた半径方向磁束型モータ又は軸方向磁束型モータであってよい。回転子が固定子の内部で回転する従来の方式の半径方向磁束型電気モータを用いる場合には、四角形１２８が回転子を表わし、破線の四角形１４０が固定子を表わす。軸方向磁束型モータを用いる場合には、モータ回転子及びモータ固定子の両方が真空１０８内に位置してよく、従って、四角形１２８が固定子及び回転子の両方の組み合わせを表わす。軸方向磁束型の実施形態では、固定子及び回転子は中心軸１４２の周りで平行に回転する。破線１４４が、軸方向磁束型モータの固定子と回転子との間の空気ギャップＧを図示するように示されている。軸方向磁束型モータを用いる場合には固定子１４０は利用されない。真空室に隣接してその外部にモータ固定子を設け、真空室の内部にモータ回転子を設けた軸方向磁束型モータを用いてもよい。この最後のサンプルの実施形態では、四角形１２８は軸方向磁束型モータの回転子のみを表わす。
【００３１】
シャフト１１４に沿った何らかの位置ではなく後端１３０にモータ構成要素１２８を結合すると、モータ構成要素１２８がアノード１１０から離隔することにより、モータ構成要素１２８の動作温度が低下する。このように動作温度が低下すると、アノード１１０の回転速度を速めることも可能になり、モータの動作寿命が延びる。
【００３２】
図５に、本発明のもう一つの実施形態によるＸ線管アセンブリ１５０の断面ブロック模式図を示す。Ｘ線管アセンブリ１５０は、Ｘ線管アセンブリ１００と同様に、冷却材１５４を内部に有する冷却材貯液槽の形態のインサート１５２又はかかる冷却材貯液槽を収容したインサート１５２を含んでいる。軸受け外被又はフレーム１５６が冷却材１５４の内部に位置しており、当技術分野で公知の手法を用いて冷却材１４４によって熱的に冷却される。フレーム１５６は第一の真空室１５８を包囲しており、真空室１５８に回転式アノード１６０及び静止型カソード１６２が位置している。アノード１６０は、ハブ１６６を介してシャフト１６４に取り付けられている。シャフト１６４は、第一の組の軸受け１６７及び第二の組の軸受け玉１６９上で回転する。軸受け１６７及び１６９は、軸受け玉１６８及び１７０、並びに軸受け外レース１７２及び１７４をそれぞれ有する。軸受け玉１６８及び１７０は、所定位置に保たれて、第一の軸受け外レース１７２及び第二の軸受け外レース１７４によってそれぞれ支持されている。軸受けレース１７２及び１７４はフレーム１５６の内面１７６に取り付けられている。１又は複数のモータ構成要素１７８がシャフト１６４の後端１８０に取り付けられて、やはり第一の真空室１５８か、又は図示のように別個の若しくは第二の真空室１８２の内部に位置している。従来の方式の電気モータを用いる場合には、四角形１７９が固定子を表わす。
【００３３】
しかしながら、Ｘ線管アセンブリ１００とは異なり、Ｘ線管アセンブリ１５０のシャフト１６４は、真空室１５８及び１８２の内部に部分的に位置すると共に、グリースで潤滑されて液体金属で冷却される軸受け域１８４の内部に位置し、軸受け域１８４は本質的に、軸受け玉１６８及び１７０の周囲の潤滑のための真空グリースと、軸受けの組１６８と組１７０との間のシャフト１６４の中央部分１８６の周囲の冷却のための液体金属とを含んでいる。真空グリースは太線の円１７１によって示されている。軸受け域１８４は、シャフト１６４の中央部分１８６を包囲している。軸受け玉１６８及び１７０、並びに軸受けレース１７２及び１７４は、軸受け玉１１８及び１２０、並びに軸受けレース１２２及び１２４と同様のものである。軸受け玉１６８及び１７０、並びに軸受けレース１７２及び１７４は、軸受け域１８４の内部に位置しており、内部に収容された材料物質によって潤滑されて冷却される．
本発明の一実施形態では、軸受け域１８４の内部の材料物質は、真空グリース、並びにガリウム及び／又はガリウム合金を含んでいる。ガリウム／ガリウム合金の濃度は、応用に応じて変えてよい。ガリウム／ガリウム合金は、液体金属の形態にあって、関連する冷却性及び潤滑性を有している。真空グリースを用いることにより、流体弾性力学的領域で作用し得る軸受け潤滑剤が提供され、従って軸受け１６７及び１６９が低摩擦レベルで動作することが可能になる。さらに、これにより、許容可能なガントリ回転速度、アノード１６０の許容可能な回転速度が速まり、軸受け１６７及び１６９の動作寿命が延びる。
【００３４】
ハブ１６６、シャフト１６４、軸受け玉１６８及び１７０、並びに軸受けレース１７２及び１７４から成る連続的な熱伝導エネルギ媒体が、アノード１６０とフレーム１５６との間に存在する。加えて、軸受け域１８４を付加することにより、熱エネルギはまた、伝導式で伝達されて、シャフト１６４から軸受け域１８４内部に収容された材料物質を通ってフレーム１５６へ到る。軸受け域１８４は、シャフト１６４とフレーム１５６との間の熱伝導性表面積を拡大して、熱エネルギ伝達効率を高める。
【００３５】
隙間シール１９０が、真空室１５８と真空室１８２との間に位置して、真空室１５８及び１８２を軸受け域１８４から分離している。シール１９０はフレームの内面１７６に位置しており、シール１９０とシャフト１６４との間の隙間を実質的に狭く又は密にしている。この隙間は数ミクロン程度であり、例えば、本発明の一実施形態では約３０ミクロンである。隙間が狭く、液体金属の表面張力が大きいことにより、軸受け域１８４の内部の真空グリース潤滑剤及び液体金属冷却材が真空室１５８及び１８２に流入するのを防いでいる。液体金属冷却材は、真空グリースの蒸気が発生した場合に真空室１５８及び１８２内に拡散しないようにするシールとして作用する高密度のものであってよい。第一のシール１８９がシャフト１６４の前端１９１側に位置している。また、第二のシール１９３が後端１８０側に位置している。シール１９０は、フレーム１５６の内部の環境に耐えることが可能であり、当技術分野で公知の様々な形式及び方式を有していていよい。
【００３６】
軸受け域１８４内部の液体金属冷却材又はグリース潤滑剤が真空室１５８及び１８２に流入するのをさらに防ぐために、シャフト１６４は、真空室１５２及び１８２から離隔すうようにシール１９０とシャフト１６４との間の隙間の内部に冷却材及び／又は潤滑剤を導く又は強制誘導する溝１９２を含んでいてよい。溝１９２の構成及びシャフト１６４の回転によって、液体金属及びグリースは軸受け域１８４に強制誘導される。図示の実施形態では、第一の組の螺旋溝１９４が第一のシール１８９と整列して前端１９１側に位置し、第二の組の螺旋溝１９６が第二のシール１９３と整列して後端１８０側に位置している。第一の組の溝１９４は第二の組の溝１９６とは反対に配向されて、液体金属及びグリースが第一の真空室１５８及び第二の真空室１８２に流入するのをそれぞれ防いでいる。
【００３７】
Ｘ線管アセンブリ１５０のモータ（全ては図示されていない）は、モータ構成要素１２８と同様に、半径方向磁束型モータ又は軸方向磁束型モータ及びこれらのモータ構成要素１７８であってよく、モータ回転子、モータ固定子、又は当技術分野で公知のその他モータ構成要素を含み得る。モータ構成要素１７８は後端１８０に結合されているので、モータ構成要素１７８は低下した動作温度で動作する。この動作温度の低下によって、やはりアノード１６０の回転速度を速め、モータの動作寿命を延ばすことが可能になる（モータの全ての構成要素は図示されていない）。
【００３８】
軸受け域１８４にガリウム／ガリウム合金を用いることにより、熱分路が設けられて、シャフト１６４と軸受けレース１７２及び１７４との間の熱勾配が小さくなり、これにより熱補償が不要になる。熱補償とは、加熱による相対的膨張に起因した軸受けの軸方向及び半径方向の遊びの効果を言い、この熱補償が、シャフト１６４と軸受けレース１７２及び１７４との間の熱勾配を小さくしたため最小化されている。熱分路としてガリウム／ガリウム合金を用い、またアノード１６０、シャフト１６４、モータ構成要素１７８、並びに特に軸受け１６８及び１７０の動作温度を低下させることにより、フレーム１５６内部の軸受け潤滑剤として真空グリースを用いることが可能になる。動作温度を低下させると、真空グリースの蒸発を防ぎ、軸受け１６８及び１７０の潤滑のために軸受け域１８４内部で真空グリースを用いることが可能になる。
【００３９】
図６について説明する。同図には、本発明のもう一つの実施形態に従ってアセンブリ１００及び１５０の一方のようなＸ線管アセンブリを動作させる方法が示されている。
【００４０】
ステップ２００では、アノード１１０及び１６０の一方のようなアノードが、フレーム１０６及び１５６の一方のような静止型フレームの内部で回転する。アノードは、軸受けの組１１７、１１９、１６７及び１６９のような１又は複数の軸受け上でシャフト１１４及び１６４の一方のようなシャフトを介して回転する。
【００４１】
ステップ２０２では、軸受け玉が、軸受けレース１２２、１２４、１７２及び１７４のような１又は複数の軸受け外レースを介してシャフト１６４に支持されてシャフト１６４上で回転する。軸受け外レースは、内面１２６及び１７６のようなＸ線管フレームの内面に取り付けられる。ステップ２０４では、軸受け玉及び軸受けレースはグリースで潤滑されて、軸受け域１８４のようにグリースで潤滑されて液体金属で冷却される区域内に位置し得る。軸受け玉及び軸受けレースは、上述のようにガリウム又はガリウム合金等のような液体金属を含有する真空グリースの内部に位置し得る。
【００４２】
ステップ２０６では、熱エネルギが、連続的な伝導式熱エネルギ媒体を介してアノードからフレームへ伝達される。熱エネルギは、ハブ１１６及び１６６の一方のようなハブ、シャフト、軸受け玉及び軸受けレースを介してＸ線管フレームへ伝導式で伝達される。ステップ２０８では、熱エネルギはまた、シャフトから、真空域１３６のような真空室の単一のみの真空ステージ又は部分を介してフレームへ直接輻射され得る。ステップ２１０では、熱エネルギはまた、グリースで潤滑されて液体金属で冷却される区域を介して、シャフトからＸ線管フレームへ伝導式で直接伝達され得る。ステップ２０６、２０８及び２１０では、熱エネルギは、アノードからフレームの外面へ、モータ構成要素でない伝達媒体を介して伝達される。ステップ２０６及び２１０では、熱エネルギは、アノードから冷却材１０４又は１５４のようなフレーム外部の冷却材へ、非輻射式で伝達される。
【００４３】
ステップ２１２では、シャフトは、モータ構成要素１２８及び１７８、並びに固定子１４０及び１７９によって表わされるもののようなシャフト後端に装着されたモータを介して回転する。シャフトは、従来の方式の電気モータ又は軸方向磁束型モータを介して回転することができる。
【００４４】
以上に述べた各ステップは、説明のための例を掲げるためのものであって、応用に応じて各ステップを相次いで、同期して、同時に、又は異なる順序で実行してよい。
【００４５】
本発明は、冷却効率を高め、またＸ線管構成要素の実用寿命を延ばすＸ線管アセンブリを提供する。これらのＸ線管アセンブリは、ガントリ回転速度を速め、Ｘ線管のピーク電力及び平均電力の要件を増大させることを可能にする。ガントリ回転速度を速め、Ｘ線管ピーク動作電力を増大させることにより、撮像時間をさらに高速化し、また画質を高めることができる。
【００４６】
１又は複数の実施形態に関連して本発明を説明したが、所載の特定の機構及び手法は本発明の原理を説明するものに過ぎず、特許請求の範囲によって定義した本発明の要旨及び範囲から逸脱せずに所載の方法及び装置に対して多くの改変を加え得ることを理解されたい。各請求項において図面の参照番号に対応付けられた参照番号は、請求される発明の理解を容易にするために付されているに過ぎず、請求される発明の範囲を制限するためのものではない。本出願の請求項の記載は、明細書の説明の一部となるように明細書に取り込まれる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】従来のＸ線管アセンブリの断面ブロック模式図である。
【図２】本発明の一実施形態によるＸ線管アセンブリを組み入れたＣＴイメージング・システムの遠近図である。
【図３】本発明の一実施形態によるＣＴイメージング・システムのブロック模式図である。
【図４】本発明の一実施形態によるＸ線管アセンブリの断面ブロック模式図である。
【図５】本発明のもう一つの実施形態によるＸ線管アセンブリの断面ブロック模式図である。
【図６】本発明のもう一つの実施形態によるＸ線管アセンブリを動作させる方法を示す図である。
【符号の説明】
【００４８】
１０、５１、１００、１５０ Ｘ線管アセンブリ
１２、１０２、１５２ インサート
１４ オイル
１６ Ｘ線管フレーム
１７、１０８、１５８、１８２ 真空室
１８、１１０、１６０ 回転式アノード
２０、１１２、１６２ 静止型カソード
２４、１１４、１６４ シャフト
２５、１１７、１１９、１６７、１６９ 軸受け
２６、１１８、１２０、１６８、１７０ 軸受け玉
２８、１２２、１２４、１７２、１７４ 軸受け外レース
３０、１０６、１５６ 静止型軸受け外被
３２ 真空室の第一の部分
３４ モータ回転子
３６ 真空室の第二の部分
３８ 真空室の第三の部分
４０ 要素
４２ 熱伝導路
４４ 熱輻射
４６、１７９ 固定子
５０ ＣＴイメージング・システム
５２ ガントリ
５６ 検出器アレイ
５８ Ｘ線ビーム
６０ テーブル
６２ 患者
６４ 患者ボア
６６ 中心軸
６８ 検出器素子
７０ 制御機構
８６ 表示器
１０４、１５４ 冷却材
１１６、１６６ ハブ
１２６、１７６ フレームの内面
１２８、１４０、１７８ モータ構成要素
１３０、１８０ シャフトの後端
１３２ 伝導式熱エネルギ経路
１３４、１９１ シャフトの前端
１３６ 真空域
１３８ 熱輻射
１４２ 中心軸
１４４ 空気ギャップ
１７１ 真空グリース
１８４ グリースで潤滑されて液体金属で冷却される軸受け域
１８６ 中央部分
１８９、１９０、１９３ 隙間シール
１９２ 溝
１９４、１９６ 螺旋溝
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般的には、Ｘ線イメージング・システム及びその冷却手法に関する。さらに具体的には、本発明は、Ｘ線管の内部に設けられている回転式アノードの軸受けを冷却するシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＴイメージング・システムのようなＸ線管を含むＸ線イメージング・システムは典型的には、３６０°の画像を形成するために様々な速度で回転するガントリを含んでいる。ガントリはＸ線管のようなＸ線源を含んでおり、Ｘ線源は高エネルギ電子ビームによるアノードへの電子衝突によってＸ線を発生する。電子ビームは、アノードから真空ギャップによって物理的に離隔したカソードから発生する。アノードは、１対又は複数対のアノード軸受け上でモータを介して回転するシャフトに結合されたターゲットを有する。Ｘ線はターゲットから放出されて、ファン（扇形）形状のビームの形態で投射される。Ｘ線ビームは患者のような撮像対象を透過する。ビームは、対象によって減弱した後に、放射線検出器のアレイに入射する。アレイの各々の検出器素子が、検出器位置でのビーム減弱の測定値である別個の電気信号を発生する。全ての検出器からの減弱測定値を別個に取得して、画像の形成のための透過プロファイルを形成する。
【０００３】
撮像時間を高速化し、且つ画質を高め得るように、ガントリの回転速度を速め、またＸ線管のピーク動作電力及び平均動作電力を増大させることが望ましい。ガントリ回転速度を速めるとＸ線管軸受けに加わる機械的負荷が増大し、ピーク動作電力及び平均動作電力を増大させるとＸ線管軸受けに加わる熱負荷が増大する。
【０００４】
現在のＸ線管はしばしば、インサートの内部に封入されたフレームを有する。フレームの内部は高真空下にある。フレームとインサートとの間に油浴が位置している。油浴はフレームを冷却するために利用される。熱エネルギは、回転式アノード軸受けからフレームへ、真空室を通して輻射する。次いで、熱エネルギはフレームから油浴へ伝わる。熱せられたオイルは、熱交換器を通るオイルの循環によって冷却される。オイルの熱エネルギは、熱交換器において周囲空気へ伝達されるか、又は代替的には、外部の冷却器に出入りして循環する冷却材に伝達される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来は、アノード軸受けは、静止型軸受け外被の内部に位置する玉軸受け及び軸受けレースを含んでいる。軸受けの外レースは静止型外被に組み付けられており、軸受けの内レースは回転シャフトに組み付けられている。軸受けは銀又は鉛で潤滑されている。銀又は鉛は、潤滑剤が真空室の内部で放出されてＸ線管の動作性能の劣化を招くことを防ぐ接着性を有するため用いられている。銀及び鉛系の潤滑剤は、軸受け表面に留まって、軸受け玉と軸受けレースとの間の摩擦を小さくする。軸受けレースは典型的には、軸受け外被の内壁に結合されており、軸受けの内部の熱エネルギは、軸受け外被、軸受け外被の周りに位置する電気モータの回転子、及び多数の真空室内区域を通って、フレームへ輻射された後に油浴に伝達される。動作温度を低下させると共に軸受け玉と軸受けレースとの間の摩擦を小さくするために回転式アノード軸受けを冷却して潤滑するこの方法は、ピーク動作電力及び平均動作電力が増大し、またガントリ回転速度が速まった場合には不十分である。
【０００６】
ガントリ動作負荷を増大させ、ピーク動作電力及び平均動作電力を増大させることが望まれることに加えて、Ｘ線管軸受けの寿命を延ばすことも望ましい。このように、ガントリ負荷の増大、ピーク動作電力及び平均動作電力の増大、並びに全体的な軸受け性能の向上を可能にするために、回転式アノード軸受けの動作温度を低下させてアノード軸受けを潤滑する改善された手法が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、真空室を有するＸ線管フレームを含む回転式アノード軸受け外被を提供する。アノードが真空室の内部に位置しており、軸受けを介してシャフト上で回転する。軸受けは、Ｘ線管フレームの内面に取り付けられている。軸受けは、熱エネルギをシャフトからＸ線管フレームへ伝達する。
【０００８】
本発明の各実施形態は幾つかの利点を与える。かかる利点の一つは、回転式アノードとＸ線管フレームとの間に回転式アノードの軸受けを通る連続的で短距離の熱エネルギ伝導路を提供することである。この伝導路によってアノードとＸ線管フレームとの間の熱エネルギ伝達効率が高まり、アノード及び軸受けの動作温度が低下する。
【０００９】
本発明の一実施形態によって与えられるもう一つの利点は、回転式アノード軸受けをＸ線管フレームに取り付けることによりアノード軸受けの直接的冷却を提供することである。これにより、やはり熱エネルギ伝達効率が高まり、軸受けの動作温度が低下する。
【００１０】
加えて、本発明の一実施形態によって与えられるもう一つの利点は、軸受け外被内でのガリウム又はガリウム合金のような液体金属の利用を提供することであり、液体金属が熱分路として作用して、熱エネルギ伝達効率がさらに高まり、軸受けの動作温度が低下する。回転式アノード軸受けのＸ線管フレームへの直接的な結合及び液体金属冷却材の軸受け外被内への導入によって、真空グリースによる回転式アノード軸受けの潤滑を可能にする。グリース潤滑剤を用いると、軸受けの動作寿命が延び、またガントリ回転速度を速め、軸受けに加わる熱負荷を増大することが可能になる。
【００１１】
本発明の一実施形態によって与えられるさらにもう一つの利点は、モータ回転子、及び回転式アノードのシャフトの後端に取り付けられ且つ／又は結合されたその他モータ構成要素を活用することである。モータ構成要素をシャフトの端部に結合することにより、アノードとモータとの間の距離が増す。モータ構成要素とアノードとの離隔距離をこのように増すと、モータ構成要素の動作温度が低下し、これによりモータの動作寿命が延びる。
【００１２】
さらに、上述の各利点は別個に、また組み合わせて、Ｘ線管の性能、信頼性及び堅牢性を高めることができる。
【００１３】
本発明自体は、付随する利点と共に、以下の詳細な説明を添付図面と共に参照することにより最も十分に理解されよう。
【００１４】
本発明をさらに完全に理解するために、添付図面にさらに詳細に図示した実施形態を参照して、本発明の実例として以下で説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１に、従来のＸ線管アセンブリ１０の断面ブロック模式図を示す。Ｘ線管アセンブリ１０は、貯液槽の形態でオイル１４を収容したインサート１２を含んでいる。オイル１４は、インサート１２を通じて循環し、内部に収容されたＸ線管フレーム１６を冷却する。フレーム１６は真空室１７を有し、その内部に回転式アノード１８及び静止型カソード２０が位置している。アノード１８はシャフト２４に結合されており、シャフト２４は一組の軸受け２５上で回転する。軸受け２５は軸受け玉２６及び軸受け外レース２８を含んでおり、軸受け内レース（図示されていない）がシャフト２４と一体形成されている。軸受け玉２５は軸受けレースの内部に保たれて支持されている。
【００１６】
熱エネルギは伝導式で伝達されて、アノード１８からシャフト２４、軸受け玉２６及び軸受けレース２８を通って静止型軸受け外被３０へ到る。軸受け外被３０から、熱エネルギは輻射して、モータ回転子３４の内部に位置する真空室１７の第一の部分３２を通り、モータ回転子３４へ到る。四角形４６は、回転子３４の回転を生ずるモータの固定子を表わしている。モータ回転子３４から、熱エネルギは輻射して、モータ回転子３４の外部である真空室１７の第二の部分３６を通り、フレーム１６へ到る。
【００１７】
また、さらなる熱エネルギが、シャフト２４から、シャフト２４と軸受け外被３０又は外被３０に取り付けられた要素４０との間に位置する真空室１７の第三の部分３８を通って輻射する。同様に、前述したように、軸受け外被３０から、このさらなる熱エネルギは、第一の部分３２、モータ回転子３４、第二の部分３６を通って、フレーム１６へ伝わる。以上に述べたフレーム内部に存在する相当量の熱エネルギがオイル１４へ伝わる。オイル１４は循環して熱交換器及び外部冷却器（両方とも図示されていない）を介して冷却される。
【００１８】
幾分かの熱エネルギはまた、シャフト２４を通って軸受け外被３０へ伝わり、オイル１４によって冷却される。上述についての熱伝導路を矢印４２で示す。また、上述の熱輻射を矢印４４で示す。
【００１９】
軸受け玉２６は従来は、銀又は鉛によって固体潤滑されている。軸受けを潤滑し冷却するこの方法は、ガントリ回転速度が速まり、またピーク動作電力及び平均動作電力が増大した場合には不十分である。本発明は、既存のＸ線管回転式アノード軸受け構成でのこの制限及び他の制限を克服するものであり、以下で詳述する。
【００２０】
以下の図面では、同じ構成要素を参照するために同じ参照番号を用いる。主として計算機式断層写真法（ＣＴ）システムのＸ線管の内部の回転式アノードの軸受けを冷却するシステムに関して本発明を説明するが、本発明は、Ｘ線システム、マンモグラフィ・システム、血管撮像システム、外科用Ｃ型システム、放射線撮像（ＲＡＤ）システム、ＲＡＤ兼フルオロスコピィ・システム、並びにＣＴ−陽電子放出断層写真法（ＰＥＴ）又はＣＴ−核医学のような混合型モダリティを含む他の公知のモダリティ等を含めた様々なシステムに合わせて構成して適用することができる。
【００２１】
以下の説明では、構築された一つの実施形態について様々な動作パラメータ及び構成要素を説明する。これら特定のパラメータ及び構成要素は例として含められており、限定のためのものではない。
【００２２】
図２及び図３に、本発明の一実施形態によるＸ線源又はＸ線管アセンブリ５１を組み入れたＣＴイメージング・システム５０の遠近図及びブロック模式図を示す。イメージング・システム５０は、Ｘ線管アセンブリ５１及び検出器アレイ５６を有するガントリ５２を含んでいる。管アセンブリ５１は、検出器アレイ５６に向かってＸ線ビーム５８を投射する。管アセンブリ５１及び検出器アレイ５６は、並進式で動作可能なテーブル６０の周囲を回転する。テーブル６０は、管アセンブリ５１と検出器アレイ５６との間でｚ軸に沿って並進してヘリカル・スキャンを行なう。ビーム５８は、患者ボア６４の内部に配置された患者６２を透過した後に、検出器アレイ５６で検出される。検出器アレイ５６は、ビーム５８を受光すると投影データを生成し、このデータを用いてＣＴ画像を形成する。
【００２３】
Ｘ線管アセンブリ５１及び検出器アレイ５６は中心軸６６の周りを回転する。ビーム５８は多数の検出器素子６８によって受光される。各々の検出器素子６８が、入射したＸ線ビーム５８の強度に対応する電気信号を発生する。ビーム５８は患者６２を透過するに従って減弱する。ガントリ５２の回転及びＸ線管アセンブリ５１の動作は制御機構７０によって制御される。制御機構７０は、電力信号及びタイミング信号をＸ線管アセンブリ５１へ供給するＸ線制御器７２、並びにガントリ５２の回転速度及び位置を制御するガントリ・モータ制御器７４を含んでいる。データ取得システム（ＤＡＳ）７６が、検出器素子６８から発生されたアナログ・データをサンプリングし、アナログ・データをディジタル信号へ変換して以降の処理に供する。画像再構成器７８が、サンプリングされてディジタル化されたＸ線データをＤＡＳ７６から受け取って、高速画像再構成を実行してＣＴ画像を形成する。主制御器又はコンピュータ８０がＣＴ画像を大容量記憶装置８２に記憶させる。
【００２４】
コンピュータ８０はまた、操作者からの命令及び走査パラメータを操作コンソール８４を介して受け取る。表示器８６によって、操作者は再構成された画像及びコンピュータ８０からのその他データを観察することができる。操作者が供給した命令及びパラメータはコンピュータ８０によって制御機構７０の動作に利用される。加えて、コンピュータ８０は、テーブル６０を並進させてガントリ５２内で患者６２を配置するテーブル・モータ制御器８８を動作させる。
【００２５】
図４に、本発明の一実施形態によるＸ線管アセンブリ１００の断面ブロック模式図を示す。Ｘ線管アセンブリ１００は、冷却材１０４を内部に有する冷却材貯液槽の形態のインサート１０２又はかかる冷却材貯液槽を収容したインサート１０２を含んでいる。冷却材は、オイルの形態であってもよいし、又は当技術分野で公知のその他冷却材の形態であってもよい。軸受け外被又はフレーム１０６が冷却材１０４の内部に位置しており、当技術分野で公知の手法を用いて冷却材１０４によって熱的に冷却される。フレーム１０６は真空室１０８を包囲しており、真空室１０８に回転式アノード１１０及び静止型カソード１１２が位置している。アノード１１０は、ハブ１１６を介してシャフト１１４に取り付けられている。シャフト１１４は真空室１０８の内部に位置しており、軸受け玉１１８を含む第一の組の軸受け１１７、及び軸受け玉１２０を含む第二の組の軸受け１１９上で回転する。軸受け玉１１８及び１２０は、所定位置に保たれて、第一の軸受け外レース１２２及び第二の軸受け外レース１２４によってそれぞれ支持されている。軸受け玉１１８及び１２０はまた、シャフト２４の一体化した部分であってよい軸受け内レース（図示されていない）にも保たれて支持されている。軸受けレース１２２及び１２４はフレーム１０６の内面１２６に取り付けられている。四角形１２８によって表わされている１又は複数のモータ構成要素がシャフト１１４の後端１３０に取り付けられて、シャフト１１４の後端１３０を回転させるのに利用される（モータの固定子及び回転子のみを図示する）。モータ構成要素１２８も真空室１０８の内部に位置している。
【００２６】
アノード１１０の内部の熱エネルギは伝導式で直接伝達されて、ハブ１１６、シャフト１１４、軸受け玉１１８及び１２０、並びに軸受けレース１２２及び１２４を通ってフレーム１０６へ到る。この熱エネルギの伝達は、矢印１３２によって表わされているような単一の連続的な伝導式熱エネルギ経路の形態にある。
【００２７】
第一の組の軸受け玉１１８は、シャフト１１４の前端１３４側でハブ１１６の近くに装着されている。第二の組の軸受け玉１２０は、シャフト１１４の後端１３０側でモータ構成要素（１又は複数）１２８の近くに装着されている。軸受け玉１１８及び１２０、並びに軸受けレース１２２及び１２４は、当技術分野で公知のように銀又は鉛を用いて固体潤滑されていてよい。軸受け１１７及び１１９がフレーム１０６に直接結合されているため、これらの軸受け１１７及び１１９は冷却材１０４によって効率的に冷却される。これにより、ピーク電力及び平均電力を図１のＸ線管アセンブリ１０よりも増大させ、また軸受け１１７及び１１９の動作寿命を延ばすことが可能になる。軸受け外レース１２２及び１２４は、フレーム１０６に一体形成されていてもよいし、結合されていてもよいし、取り付けられていてもよい。
【００２８】
また、フレーム１０６は本質的に軸受け１１７及び１１９の外被であるため、より広い表面積の軸受け外被が冷却材１０４と接触し、これにより、フレーム１０６と冷却材１０４との間の対流式熱伝達が増大することに留意されたい。熱エネルギはまた、矢印１３８で示すように、シャフト１１４から、第一の軸受けの組１１８と第二の軸受けの組１２０との間の真空域１３６へ、そしてフレーム１０６へ輻射される。輻射された熱エネルギ１３８は、Ｘ線管アセンブリ１０内部の輻射された熱エネルギ４４とは対照的に、単一の真空域のみを通過する。
【００２９】
特定の方式の軸受け及び軸受けレースを図示しているが、様々な軸受け及び軸受けレースを用いてよい。従って、図示のような軸受けレースの軸受け通路の内部に保たれた玉軸受け、転がり軸受け、又は当技術分野で公知のその他シャフト転がり要素軸受け及び／若しくは軸受けレースを用いてよい。
【００３０】
モータ（全ては図示されていない）は、モータ回転子、モータ固定子、又は当技術分野で公知のその他モータ構成要素を備えた半径方向磁束型モータ又は軸方向磁束型モータであってよい。回転子が固定子の内部で回転する従来の方式の半径方向磁束型電気モータを用いる場合には、四角形１２８が回転子を表わし、破線の四角形１４０が固定子を表わす。軸方向磁束型モータを用いる場合には、モータ回転子及びモータ固定子の両方が真空１０８内に位置してよく、従って、四角形１２８が固定子及び回転子の両方の組み合わせを表わす。軸方向磁束型の実施形態では、固定子及び回転子は中心軸１４２の周りで平行に回転する。破線１４４が、軸方向磁束型モータの固定子と回転子との間の空気ギャップＧを図示するように示されている。軸方向磁束型モータを用いる場合には固定子１４０は利用されない。真空室に隣接してその外部にモータ固定子を設け、真空室の内部にモータ回転子を設けた軸方向磁束型モータを用いてもよい。この最後のサンプルの実施形態では、四角形１２８は軸方向磁束型モータの回転子のみを表わす。
【００３１】
シャフト１１４に沿った何らかの位置ではなく後端１３０にモータ構成要素１２８を結合すると、モータ構成要素１２８がアノード１１０から離隔することにより、モータ構成要素１２８の動作温度が低下する。このように動作温度が低下すると、アノード１１０の回転速度を速めることも可能になり、モータの動作寿命が延びる。
【００３２】
図５に、本発明のもう一つの実施形態によるＸ線管アセンブリ１５０の断面ブロック模式図を示す。Ｘ線管アセンブリ１５０は、Ｘ線管アセンブリ１００と同様に、冷却材１５４を内部に有する冷却材貯液槽の形態のインサート１５２又はかかる冷却材貯液槽を収容したインサート１５２を含んでいる。軸受け外被又はフレーム１５６が冷却材１５４の内部に位置しており、当技術分野で公知の手法を用いて冷却材１４４によって熱的に冷却される。フレーム１５６は第一の真空室１５８を包囲しており、真空室１５８に回転式アノード１６０及び静止型カソード１６２が位置している。アノード１６０は、ハブ１６６を介してシャフト１６４に取り付けられている。シャフト１６４は、第一の組の軸受け１６７及び第二の組の軸受け玉１６９上で回転する。軸受け１６７及び１６９は、軸受け玉１６８及び１７０、並びに軸受け外レース１７２及び１７４をそれぞれ有する。軸受け玉１６８及び１７０は、所定位置に保たれて、第一の軸受け外レース１７２及び第二の軸受け外レース１７４によってそれぞれ支持されている。軸受けレース１７２及び１７４はフレーム１５６の内面１７６に取り付けられている。１又は複数のモータ構成要素１７８がシャフト１６４の後端１８０に取り付けられて、やはり第一の真空室１５８か、又は図示のように別個の若しくは第二の真空室１８２の内部に位置している。従来の方式の電気モータを用いる場合には、四角形１７９が固定子を表わす。
【００３３】
しかしながら、Ｘ線管アセンブリ１００とは異なり、Ｘ線管アセンブリ１５０のシャフト１６４は、真空室１５８及び１８２の内部に部分的に位置すると共に、グリースで潤滑されて液体金属で冷却される軸受け域１８４の内部に位置し、軸受け域１８４は本質的に、軸受け玉１６８及び１７０の周囲の潤滑のための真空グリースと、軸受けの組１６８と組１７０との間のシャフト１６４の中央部分１８６の周囲の冷却のための液体金属とを含んでいる。真空グリースは太線の円１７１によって示されている。軸受け域１８４は、シャフト１６４の中央部分１８６を包囲している。軸受け玉１６８及び１７０、並びに軸受けレース１７２及び１７４は、軸受け玉１１８及び１２０、並びに軸受けレース１２２及び１２４と同様のものである。軸受け玉１６８及び１７０、並びに軸受けレース１７２及び１７４は、軸受け域１８４の内部に位置しており、内部に収容された材料物質によって潤滑されて冷却される．
本発明の一実施形態では、軸受け域１８４の内部の材料物質は、真空グリース、並びにガリウム及び／又はガリウム合金を含んでいる。ガリウム／ガリウム合金の濃度は、応用に応じて変えてよい。ガリウム／ガリウム合金は、液体金属の形態にあって、関連する冷却性及び潤滑性を有している。真空グリースを用いることにより、流体弾性力学的領域で作用し得る軸受け潤滑剤が提供され、従って軸受け１６７及び１６９が低摩擦レベルで動作することが可能になる。さらに、これにより、許容可能なガントリ回転速度、アノード１６０の許容可能な回転速度が速まり、軸受け１６７及び１６９の動作寿命が延びる。
【００３４】
ハブ１６６、シャフト１６４、軸受け玉１６８及び１７０、並びに軸受けレース１７２及び１７４から成る連続的な熱伝導エネルギ媒体が、アノード１６０とフレーム１５６との間に存在する。加えて、軸受け域１８４を付加することにより、熱エネルギはまた、伝導式で伝達されて、シャフト１６４から軸受け域１８４内部に収容された材料物質を通ってフレーム１５６へ到る。軸受け域１８４は、シャフト１６４とフレーム１５６との間の熱伝導性表面積を拡大して、熱エネルギ伝達効率を高める。
【００３５】
隙間シール１９０が、真空室１５８と真空室１８２との間に位置して、真空室１５８及び１８２を軸受け域１８４から分離している。シール１９０はフレームの内面１７６に位置しており、シール１９０とシャフト１６４との間の隙間を実質的に狭く又は密にしている。この隙間は数ミクロン程度であり、例えば、本発明の一実施形態では約３０ミクロンである。隙間が狭く、液体金属の表面張力が大きいことにより、軸受け域１８４の内部の真空グリース潤滑剤及び液体金属冷却材が真空室１５８及び１８２に流入するのを防いでいる。液体金属冷却材は、真空グリースの蒸気が発生した場合に真空室１５８及び１８２内に拡散しないようにするシールとして作用する高密度のものであってよい。第一のシール１８９がシャフト１６４の前端１９１側に位置している。また、第二のシール１９３が後端１８０側に位置している。シール１９０は、フレーム１５６の内部の環境に耐えることが可能であり、当技術分野で公知の様々な形式及び方式を有していていよい。
【００３６】
軸受け域１８４内部の液体金属冷却材又はグリース潤滑剤が真空室１５８及び１８２に流入するのをさらに防ぐために、シャフト１６４は、真空室１５２及び１８２から離隔すうようにシール１９０とシャフト１６４との間の隙間の内部に冷却材及び／又は潤滑剤を導く又は強制誘導する溝１９２を含んでいてよい。溝１９２の構成及びシャフト１６４の回転によって、液体金属及びグリースは軸受け域１８４に強制誘導される。図示の実施形態では、第一の組の螺旋溝１９４が第一のシール１８９と整列して前端１９１側に位置し、第二の組の螺旋溝１９６が第二のシール１９３と整列して後端１８０側に位置している。第一の組の溝１９４は第二の組の溝１９６とは反対に配向されて、液体金属及びグリースが第一の真空室１５８及び第二の真空室１８２に流入するのをそれぞれ防いでいる。
【００３７】
Ｘ線管アセンブリ１５０のモータ（全ては図示されていない）は、モータ構成要素１２８と同様に、半径方向磁束型モータ又は軸方向磁束型モータ及びこれらのモータ構成要素１７８であってよく、モータ回転子、モータ固定子、又は当技術分野で公知のその他モータ構成要素を含み得る。モータ構成要素１７８は後端１８０に結合されているので、モータ構成要素１７８は低下した動作温度で動作する。この動作温度の低下によって、やはりアノード１６０の回転速度を速め、モータの動作寿命を延ばすことが可能になる（モータの全ての構成要素は図示されていない）。
【００３８】
軸受け域１８４にガリウム／ガリウム合金を用いることにより、熱分路が設けられて、シャフト１６４と軸受けレース１７２及び１７４との間の熱勾配が小さくなり、これにより熱補償が不要になる。熱補償とは、加熱による相対的膨張に起因した軸受けの軸方向及び半径方向の遊びの効果を言い、この熱補償が、シャフト１６４と軸受けレース１７２及び１７４との間の熱勾配を小さくしたため最小化されている。熱分路としてガリウム／ガリウム合金を用い、またアノード１６０、シャフト１６４、モータ構成要素１７８、並びに特に軸受け１６８及び１７０の動作温度を低下させることにより、フレーム１５６内部の軸受け潤滑剤として真空グリースを用いることが可能になる。動作温度を低下させると、真空グリースの蒸発を防ぎ、軸受け１６８及び１７０の潤滑のために軸受け域１８４内部で真空グリースを用いることが可能になる。
【００３９】
図６について説明する。同図には、本発明のもう一つの実施形態に従ってアセンブリ１００及び１５０の一方のようなＸ線管アセンブリを動作させる方法が示されている。
【００４０】
ステップ２００では、アノード１１０及び１６０の一方のようなアノードが、フレーム１０６及び１５６の一方のような静止型フレームの内部で回転する。アノードは、軸受けの組１１７、１１９、１６７及び１６９のような１又は複数の軸受け上でシャフト１１４及び１６４の一方のようなシャフトを介して回転する。
【００４１】
ステップ２０２では、軸受け玉が、軸受けレース１２２、１２４、１７２及び１７４のような１又は複数の軸受け外レースを介してシャフト１６４に支持されてシャフト１６４上で回転する。軸受け外レースは、内面１２６及び１７６のようなＸ線管フレームの内面に取り付けられる。ステップ２０４では、軸受け玉及び軸受けレースはグリースで潤滑されて、軸受け域１８４のようにグリースで潤滑されて液体金属で冷却される区域内に位置し得る。軸受け玉及び軸受けレースは、上述のようにガリウム又はガリウム合金等のような液体金属を含有する真空グリースの内部に位置し得る。
【００４２】
ステップ２０６では、熱エネルギが、連続的な伝導式熱エネルギ媒体を介してアノードからフレームへ伝達される。熱エネルギは、ハブ１１６及び１６６の一方のようなハブ、シャフト、軸受け玉及び軸受けレースを介してＸ線管フレームへ伝導式で伝達される。ステップ２０８では、熱エネルギはまた、シャフトから、真空域１３６のような真空室の単一のみの真空ステージ又は部分を介してフレームへ直接輻射され得る。ステップ２１０では、熱エネルギはまた、グリースで潤滑されて液体金属で冷却される区域を介して、シャフトからＸ線管フレームへ伝導式で直接伝達され得る。ステップ２０６、２０８及び２１０では、熱エネルギは、アノードからフレームの外面へ、モータ構成要素でない伝達媒体を介して伝達される。ステップ２０６及び２１０では、熱エネルギは、アノードから冷却材１０４又は１５４のようなフレーム外部の冷却材へ、非輻射式で伝達される。
【００４３】
ステップ２１２では、シャフトは、モータ構成要素１２８及び１７８、並びに固定子１４０及び１７９によって表わされるもののようなシャフト後端に装着されたモータを介して回転する。シャフトは、従来の方式の電気モータ又は軸方向磁束型モータを介して回転することができる。
【００４４】
以上に述べた各ステップは、説明のための例を掲げるためのものであって、応用に応じて各ステップを相次いで、同期して、同時に、又は異なる順序で実行してよい。
【００４５】
本発明は、冷却効率を高め、またＸ線管構成要素の実用寿命を延ばすＸ線管アセンブリを提供する。これらのＸ線管アセンブリは、ガントリ回転速度を速め、Ｘ線管のピーク電力及び平均電力の要件を増大させることを可能にする。ガントリ回転速度を速め、Ｘ線管ピーク動作電力を増大させることにより、撮像時間をさらに高速化し、また画質を高めることができる。
【００４６】
１又は複数の実施形態に関連して本発明を説明したが、所載の特定の機構及び手法は本発明の原理を説明するものに過ぎず、特許請求の範囲によって定義した本発明の要旨及び範囲から逸脱せずに所載の方法及び装置に対して多くの改変を加え得ることを理解されたい。各請求項において図面の参照番号に対応付けられた参照番号は、請求される発明の理解を容易にするために付されているに過ぎず、請求される発明の範囲を制限するためのものではない。本出願の請求項の記載は、明細書の説明の一部となるように明細書に取り込まれる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】従来のＸ線管アセンブリの断面ブロック模式図である。
【図２】本発明の一実施形態によるＸ線管アセンブリを組み入れたＣＴイメージング・システムの遠近図である。
【図３】本発明の一実施形態によるＣＴイメージング・システムのブロック模式図である。
【図４】本発明の一実施形態によるＸ線管アセンブリの断面ブロック模式図である。
【図５】本発明のもう一つの実施形態によるＸ線管アセンブリの断面ブロック模式図である。
【図６】本発明のもう一つの実施形態によるＸ線管アセンブリを動作させる方法を示す図である。
【符号の説明】
【００４８】
１０、５１、１００、１５０ Ｘ線管アセンブリ
１２、１０２、１５２ インサート
１４ オイル
１６ Ｘ線管フレーム
１７、１０８、１５８、１８２ 真空室
１８、１１０、１６０ 回転式アノード
２０、１１２、１６２ 静止型カソード
２４、１１４、１６４ シャフト
２５、１１７、１１９、１６７、１６９ 軸受け
２６、１１８、１２０、１６８、１７０ 軸受け玉
２８、１２２、１２４、１７２、１７４ 軸受け外レース
３０、１０６、１５６ 静止型軸受け外被
３２ 真空室の第一の部分
３４ モータ回転子
３６ 真空室の第二の部分
３８ 真空室の第三の部分
４０ 要素
４２ 熱伝導路
４４ 熱輻射
４６、１７９ 固定子
５０ ＣＴイメージング・システム
５２ ガントリ
５６ 検出器アレイ
５８ Ｘ線ビーム
６０ テーブル
６２ 患者
６４ 患者ボア
６６ 中心軸
６８ 検出器素子
７０ 制御機構
８６ 表示器
１０４、１５４ 冷却材
１１６、１６６ ハブ
１２６、１７６ フレームの内面
１２８、１４０、１７８ モータ構成要素
１３０、１８０ シャフトの後端
１３２ 伝導式熱エネルギ経路
１３４、１９１ シャフトの前端
１３６ 真空域
１３８ 熱輻射
１４２ 中心軸
１４４ 空気ギャップ
１７１ 真空グリース
１８４ グリースで潤滑されて液体金属で冷却される軸受け域
１８６ 中央部分
１８９、１９０、１９３ 隙間シール
１９２ 溝
１９４、１９６ 螺旋溝
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空室（１０８）を有するＸ線管フレーム（１０６）と、
前記真空室（１０８）の内部に位置し、少なくとも１個の軸受け（１１７）を介してシャフト（１１４）上で回転するアノード（１１０）と、
を備えた回転式アノード軸受け外被であって、
前記少なくとも１個の軸受け（１１７）は、前記Ｘ線管フレーム（１０６）の内面（１２６）に取り付けられて、熱エネルギを前記シャフト（１１４）から前記Ｘ線管フレーム（１０６）へ伝達する、
回転式アノード軸受け外被。
【請求項２】
前記シャフト（１１４）、前記少なくとも１個の軸受け（１１７）、及び前記フレーム（１０６）は、前記アノード（１１０）と前記フレーム（１０６）の外面との間で連続的な非流体型熱エネルギ伝達媒体を形成している、請求項１に記載の外被。
【請求項３】
前記シャフト（１１４）の後端（１３０）に結合されたモータ回転子（１２８）をさらに含んでいる請求項１に記載の外被。
【請求項４】
前記少なくとも１個の軸受け（１１７）と前記真空室（１０８）との間に結合された少なくとも１個のシール（１９０）をさらに含んでいる請求項１に記載の外被。
【請求項５】
前記少なくとも１個の軸受け（１１７）を包囲しており、前記真空室（１０８）から離隔して、グリースで潤滑されて液体金属で冷却される区域（１８４）をさらに含んでいる請求項１に記載の外被。
【請求項６】
前記グリースで潤滑されて液体金属で冷却される区域（１８４）は真空グリース（１７１）を含んでいる、請求項５に記載の外被。
【請求項７】
前記少なくとも１個の軸受け（１１７）は、真空グリース（１７１）で潤滑されて、液体金属で冷却される、請求項１に記載の外被。
【請求項８】
前記シャフト（１１４）は液体金属で冷却される、請求項１に記載の外被。
【請求項９】
前記シャフト（１１４）は、冷却材及び潤滑剤が前記真空室（１０８）に流入するのを防ぐ少なくとも一組の溝（１４２）を含んでいる、請求項１に記載の外被。
【請求項１０】
冷却材（１０４）で少なくとも部分的に充填されたインサート（１０２）と、
該インサート（１０２）の内部に位置し、真空室（１０８）を有するＸ線管フレーム（１０６）と、
前記真空室（１０８）の内部に位置しており、少なくとも１個の軸受け（１１７）を介してシャフト（１１４）上で回転するアノード（１１０）と、
を備えた撮像用管アセンブリであって、
前記少なくとも１個の軸受け（１１７）は、前記Ｘ線管フレーム（１０６）の内面（１２６）に取り付けられて、熱エネルギを前記シャフト（１１４）から前記Ｘ線管フレーム（１０６）へ伝達する、
撮像用管アセンブリ。
【請求項１】
真空室（１０８）を有するＸ線管フレーム（１０６）と、
前記真空室（１０８）の内部に位置し、少なくとも１個の軸受け（１１７）を介してシャフト（１１４）上で回転するアノード（１１０）と、
を備えた回転式アノード軸受け外被であって、
前記少なくとも１個の軸受け（１１７）は、前記Ｘ線管フレーム（１０６）の内面（１２６）に取り付けられて、熱エネルギを前記シャフト（１１４）から前記Ｘ線管フレーム（１０６）へ伝達する、
回転式アノード軸受け外被。
【請求項２】
前記シャフト（１１４）、前記少なくとも１個の軸受け（１１７）、及び前記フレーム（１０６）は、前記アノード（１１０）と前記フレーム（１０６）の外面との間で連続的な非流体型熱エネルギ伝達媒体を形成している、請求項１に記載の外被。
【請求項３】
前記シャフト（１１４）の後端（１３０）に結合されたモータ回転子（１２８）をさらに含んでいる請求項１に記載の外被。
【請求項４】
前記少なくとも１個の軸受け（１１７）と前記真空室（１０８）との間に結合された少なくとも１個のシール（１９０）をさらに含んでいる請求項１に記載の外被。
【請求項５】
前記少なくとも１個の軸受け（１１７）を包囲しており、前記真空室（１０８）から離隔して、グリースで潤滑されて液体金属で冷却される区域（１８４）をさらに含んでいる請求項１に記載の外被。
【請求項６】
前記グリースで潤滑されて液体金属で冷却される区域（１８４）は真空グリース（１７１）を含んでいる、請求項５に記載の外被。
【請求項７】
前記少なくとも１個の軸受け（１１７）は、真空グリース（１７１）で潤滑されて、液体金属で冷却される、請求項１に記載の外被。
【請求項８】
前記シャフト（１１４）は液体金属で冷却される、請求項１に記載の外被。
【請求項９】
前記シャフト（１１４）は、冷却材及び潤滑剤が前記真空室（１０８）に流入するのを防ぐ少なくとも一組の溝（１４２）を含んでいる、請求項１に記載の外被。
【請求項１０】
冷却材（１０４）で少なくとも部分的に充填されたインサート（１０２）と、
該インサート（１０２）の内部に位置し、真空室（１０８）を有するＸ線管フレーム（１０６）と、
前記真空室（１０８）の内部に位置しており、少なくとも１個の軸受け（１１７）を介してシャフト（１１４）上で回転するアノード（１１０）と、
を備えた撮像用管アセンブリであって、
前記少なくとも１個の軸受け（１１７）は、前記Ｘ線管フレーム（１０６）の内面（１２６）に取り付けられて、熱エネルギを前記シャフト（１１４）から前記Ｘ線管フレーム（１０６）へ伝達する、
撮像用管アセンブリ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００６−２１０３３９（Ｐ２００６−２１０３３９Ａ）
【公開日】平成１８年８月１０日（２００６．８．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−８１５５（Ｐ２００６−８１５５）
【出願日】平成１８年１月１７日（２００６．１．１７）
【出願人】（３０００１９２３８）ジーイー・メディカル・システムズ・グローバル・テクノロジー・カンパニー・エルエルシー (1,125)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年８月１０日（２００６．８．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１月１７日（２００６．１．１７）
【出願人】（３０００１９２３８）ジーイー・メディカル・システムズ・グローバル・テクノロジー・カンパニー・エルエルシー (1,125)
【Ｆターム（参考）】
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