JPS6155732B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は回転陽極Ｘ線管に関するもので、更に
詳しく言えば、Ｘ線管の熱容量を向上させる構造
に関するものである。

最近において使用される多くのＸ線検査技術に
おいては、高強度のＸ線を長時間にわたつて照射
することが要求される。これは、特に、運動する
器官を検査する場合や診断用の不透明液体が血管
中を進行する様子を追跡する場合のごとくに運動
の停止像が所望される検査技術において顕著であ
る。かかる場合においては、比較的高強度かつ長
時間のＸ線照射が相次いで行われる。ところで、
Ｘ線ターゲツトを衝撃した電子ビームのエネルギ
ーの大部分はターゲツト内において熱に変換され
る。回転陽極Ｘ線管の場合、回転するターゲツト
の温度は135℃にも達することがある。かかる熱
の大部分はターゲツトから放射され、そしてＸ線
管ハウジングまたはケーシング内の冷却液（たと
えば油）により運び去られる。しかしながら、タ
ーゲツトを回転陽極構造物に支持する心棒を通し
て伝導される熱も少なくない。これは回転陽極を
支持する軸受の温度を破壊的なレベルまで上昇さ
せる傾向がある。そこで、軸受およびＸ線管全体
を冷却するため、陽極回転子構造物が熱放射率の
大きい物質で通例被覆されることは公知の通りで
ある。

現在、350000熱量単位の蓄熱容量を持つたＸ線
管は熱容量の大きいＸ線管であると言える。通
例、このような熱容量を持つたＸ線管ではタング
ステンおよびモリブデン製の複合ターゲツトが使
用されるが、その体積は約4.5立方インチ
（73.74cc）かつ重量は約1.9ポンド（0.86Kg）であ
る。しかるに、高エネルギー検査技術に対しては
700000〜1000000熱量単位の蓄熱容量を持つたＸ
線管が要求されるようになつてきた。この場合、
大形のＸ線管において使用されるターゲツトで
は、直径が4.0インチ（10cm）、体積が11.4立方イ
ンチ（187cc）、重量が4.3ポンド（1.95Kg）、厚さ
が1.0インチ（2.54cm）、かつ慣性モーメントが約
９平方インチ・ポンドにも達するのが通例であ
る。通常のごとき一連の高エネルギー照射を行つ
た場合、ターゲツト自体において1000000熱量単
位もの熱が発生されることがある。このような熱
のうち、15％はターゲツトからの熱放射以外の方
法で放射させなければならないものと予想され
る。かかる多量の熱が軸受を通して伝導されたな
らば、その軸受は破壊されてしまう。本発明によ
れば、かかる軸受の温度を450℃より低く保つこ
とが可能となるのである。

ターゲツトから陽極回転子およびそれの軸受に
伝導される熱の量を制限するための従来法の一つ
として、導電性はかなり大きいが熱伝導性は比較
的小さいような材料（たとえばコロンビウム）か
ら成る心棒を用いてターゲツト円板を陽極回転子
に連結することが行われてきた。また、中実の
（中空でない）心棒の代りに管状の心棒を用いれ
ば、ターゲツトからの熱の流れが一層制御される
傾向が見られた。その当時におけるターゲツトの
重量はあまり大きくなく、従つて管状すなわち中
空の心棒でターゲツトを支持することが可能だつ
たのである。

ところが、本発明の対象となるような熱容量の
大きい新しいＸ線管の場合、約1.95Kgの重量を有
しかつ極めて高温になりながら高速で回転するタ
ーゲツトをコロンビウム製の中空心棒によつて安
全に支持することは不可能であり、従つて中実の
心棒を使用しなければならない。中実の心棒を使
用すれば、中空の心棒の場合に比べ、回転子ボス
への熱伝導が約130％増加するのが通例である。
本発明によつて提供される対策を講じない限り、
かかる熱伝導の増加のため、Ｘ線管の予想寿命の
満了よりも遥か以前に軸受の破壊を招くことにな
る。

さて本発明に従えば、回転陽極構造物の軸受と
Ｘ線ターゲツトとの熱的な絶縁を改善する手段お
よび熱放射性の大きい物質で被覆された誘導電動
機の回転子ライナに多くの熱を放流してそこから
放射させる手段が提供される。大きくて重いＸ線
ターゲツトは非管状すなわち中実のコロンビウム
製心棒上に支持される。かかる心棒は回転子ボス
に取付けられるが、この回転子ボスは熱伝導性の
大きい材料とりわけモリブデンまたはTZM（チ
タン−ジルコニウム−モリブデン合金）のごとき
モリブデン基合金で作られる。Ｘ線管の外被を通
して熱を放射する回転子ライナへの熱伝達を良好
にするため、回転子ボスはろう付けされる。他
方、軸受で支持された軸に回転子ボスを連結する
ためには、導電性が大きくかつ熱伝導性が小さい
材料で作られた同心的な軸受ボスが使用される。
この軸受ボスは、熱伝導性の小さい材料で作られ
ていることによるばかりでなく、横断面積を最小
にしかつ伝熱路の長さを最大にするような形状を
有することによつても、軸受への熱の流れを制限
するのに役立つ。

次に、かかる新規な蓄熱容量の大きいＸ線管が
いかに構成されるかを添付の図面に関連して一層
詳しく説明しよう。

第１図に示された回転陽極Ｘ線管は幾つかの点
で従来通りに構成されているから、先ず最初にそ
れらを説明しよう。かかるＸ線管はガラス外被１
０を有するが、この場合には慣例に従つてホウケ
イ酸ガラス製のものが使用されている。略示され
た陰極構造物１１はＸ線管の右端に封入されてい
る。なお、この種の陰極構造物１１は公知である
から、それから伸びる電気導線は図示されていな
い。陰極構造物１１は焦束用カツプ１２を有して
いて、その中には電子放出用のフイラメント（図
示せず）が配置されている。Ｘ線管の動作時に
は、通例のごとくにフイラメントから電子ビーム
が放出され、そして焦束用カツプ１２に対し高い
電位に保たれたＸ線ターゲツト１３に引寄せられ
る。ターゲツト１３はタングステンやモリブデン
のごとき耐火金属製の複合円板である。Ｘ線管の
動作時には、ターゲツト１３は10000rpmの高速
で回転し、そして1350℃もの動作温度に達するこ
とがある。本発明の対象となるような高エネルギ
ーＸ線管のターゲツトの場合、重量はたとえば約
4.3ポンド（1.95Kg）であり、また寸法はたとえ
ば厚さが１インチ（2.54cm）かつ直径が４インチ
（10cm）である。

第１図のＸ線管の左端では、ガラス−金属封止
部１５によつて示されるごとくフエルール１４が
外被１０に密封接合されている。かかるフエルー
ル１４の末端には溶接部１７に沿つて管状の金属
スリーブ１６が溶接され、また金属スリーブ１６
には円筒要素２５が密封接合されている。円筒要
素２５は外被１０の減径部分すなわち頚部１８を
通つて軸方向に伸び、そして断面で示された部分
１９を見ればわかるように玉軸受の外レース２０
をすえ込みによつて固定するための受口を提供し
ている。かかる玉軸受はまた内レース２１を有し
ていて、その中には軸２２が緊密にはめ込まれて
いる。軸２２の端部２３にはねじが切つてある。
なお、陽極回転子構造物の左側の部分２４の内部
にも玉軸受が設けられているが、これは図示され
ていない。円筒要素２５には円筒導体２６が連結
され、そしてＸ線管への高圧接続を行うための手
段として役立つている。かかる高圧接続はみぞ付
きのねじ２７によつて達成される。このねじはま
た、Ｘ線管をそれのハウジング（図示せず）内に
支持するためにも役立つものである。

陽極を回転させるための誘導電動機の回転子と
して働かせるという通常の目的のため、中空の積
層円筒要素３０が設けられている。図示されては
いないが、回転子を回転させる回転磁界を発生す
るため外被の頚部１８を包囲して配置された界磁
コイルと共にＸ線管が使用されることは公知であ
る。円筒要素３０は、通例のごとく、銅製の外部
円筒３１と鋼製の内部円筒３２との積層物であ
る。

次に、第１および２図を参照しながら本発明に
ついて説明すれば、Ｘ線ターゲツト１３は心棒３
３上に取付けられている。心棒３３は、高温下に
おける適度に優れた強度、たとえば銅に比べて小
さい熱伝導性、および適度に大きい導電性のごと
き望ましい特性を示すコロンビウムから成ること
が好ましい。ターゲツト１３は非常に大きくて重
いから、コロンビウム製の心棒３３は中空でなく
て中実であることを要する。前述の通り、コロン
ビウム製の中実心棒の使用はターゲツト１３から
回転子の軸受に過大な量の熱が伝導されるという
犠性を伴う。心棒３３には半径方向に広がるフラ
ンジ３４が一体成形されていて、これはターゲツ
ト１３の背部に設けられた対応する穴にはまり込
んでいる。心棒３３はまた延長部３６をも有して
いて、これはターゲツト１３の穴３７の中に緊密
にはまり込んでいる。ターゲツト１３を延長部３
６に固定するため、第２図を見ればわかる通り、
延長部３６の末端３８がすえ込みによつて広げら
れている。

回転子構造のうち、形状および材料の点から見
て特異な部品は回転子ボス４０および軸受ボス４
１であつて、これらは第２図に一層明確に示され
ている。

回転子ボス４０は、後記に一層詳しく定義され
るような熱伝導性の大きい合金群中の１種で作ら
れている。図示の通り、回転子ボス４０はややカ
ツプ状のもので、平らな内部端面４２および外部
端面４３並びに軸方向に伸びる側壁４４を有して
いる。側壁４４には肩４５が設けられていて、そ
れにより積層円筒要素３０の端部が回転子ボス４
０に突き当たりかつ接合部４６を形成している。
接合部４６はろう付けによつて固定されている
が、ろう材の厚さは薄膜程度であるから図示され
ていない。回転子ボス４０の中央には、コロンビ
ウム製心棒３３の減径端部４９を収容するための
穴が設けられている。減径端部４９には、ねじを
切つてない区域５０およびそれより先端に位置す
るねじを切つた区域５１が設けられている。心棒
３３は、区域５１にねじ込んだナツト５２によつ
て回転子ボス４０に固定されている。Ｘ線管内へ
の取付けに先立ち、心棒３３の区域５０，５１お
よびナツト５２は回転子ボス４０にろう付けされ
ている。そのためには、区域５１に隣接する心棒
３３の端部に銅−金ろう材の薄板を配置し、そし
てかかる集合体を真空炉内で加熱すれば、区域５
１のねじ山、ナツト５２のねじ山、および心棒３
３と回転子ボス４０とのその他の界面に沿つてろ
う材が流れることになる。この結果、回転子ボス
４０および心棒３３は実際的には一体構造物とし
て働く。第３図を見ればわかる通り、ナツト５２
は平らな側面を有するから、対応する形状のソケ
ツトを持つたスパナ（図示せず）で締付けること
ができる。

ろう付けによつて心棒３３を回転子ボス４０に
固定した後、積層円筒要素または回転子ライナ３
０の端部に回転子ボス４０がろう付けされる。

次に、やはり第２図を参照しながら軸受ボス４
１を説明しよう。前述の通り、軸受ボス４１は後
記に一層詳しく定義されるような熱伝導性の小さ
い合金群中の１種で作られている。

軸受ボス４１はほぼカツプ状であつて、回転子
ボス４０とは反対向きに凹んでいる。軸受ボス４
１は環状の壁５３を有するが、これは所要の強度
が得られる範囲内でできるだけ薄くすることが好
ましい。すなわち、それの横断面を極限まで縮小
し、それによつて軸方向の熱伝導性を低減させる
ことが好ましいのである。軸受ボス４１の端部５
４の中央にはねじを切つた穴が設けられていて、
これは回転可能な軸２２の端部２３とはまり合
う。回転子ボス４０と回転子ライナ３０との集合
体を軸受ボス４１に固定するのに先立ち、軸受ボ
ス４１は軸２２の端部２３にねじ込まれる。更に
また、回転子の最終的な組立てに先立ついずれか
の時点において、タングステン不活性ガス溶接
（TIG溶接）により軸受ボス４１を軸２２に固定
することが好ましい。

カツプ状の軸受ボス４１は円柱状の空間５５を
規定するが、そこにはいかなる金属も存在しな
い。従つて、完成後のＸ線管において見られるよ
うな真空条件下では、対流による心棒３３から軸
２２への熱の流れが防止されることになる。

第２図を見ればわかる通り、軸受ボス４１は軸
方向および半径方向に広がる環状のフランジ部分
５６をも有している。第３図に示されているごと
く、フランジ部分５６の前面５７は円周方向に沿
つて連続しているのではなく、溝５８の存在によ
つて４個の突起５７を形成している。その結果、
フランジ部分５６と回転子ボス４０の内部端面４
２との接触面積は減少し、従つて回転子ボス４０
から軸受ボス４１への熱伝達が減少することにな
る。

軸受ボス４１を含む集合体および回転子ボス４
０を含む集合体を組立てた後、４個の六角穴付き
ねじ５９〜６２を用いて回転子ボス４０が軸受ボ
ス４１に取付けられる。

本発明に従えば、前述の通り、Ｘ線ターゲツト
の心棒３３を回転子ライナ３０に連結する回転子
ボス４０は大きい熱伝導性および適度の導電性を
持つた金属で作られる。回転子ボス４０に関する
このような要求条件を満足するものとしては、真
空アーク鋳造法によつて製造される炭素脱酸モリ
ブデン基合金がある。一般にTZMとして知られ
るこの合金は幾つかの製造業者から入手可能であ
る。それは99.25％以上かつ最高99.4％までのモ
リブデンを含んでいる。その他の必須成分は約
0.4〜0.55％のチタンおよび約0.06〜0.12％のジル
コニウムである。残部は合計で最高約0.3％まで
の制御不純物たとえば炭素、鉄、ニツケル、ケイ
素、酸素、水素および窒素から成つている。
TZMはモリブデンよりも機械加工が容易であ
る。それの高温強度および熱伝導性は良好であつ
て、500℃における熱伝導率は約0.29カロリー／
cm²（断面積）・cm（長さ）・秒・℃である。

回転子ボスから（外レース２０および内レース
２１を含む）陽極構造物の軸受への熱伝導を抑制
するために使用される熱伝導性の小さい軸受ボス
４１を作るためには、数種の合金が有用であると
判明している。これらの合金はいずれもニツケル
基合金であつて、とりわけ下記のものが好適であ
る。

第１のものは「ハステロイ（Hastelloy）Ｂ」
および「ハステロイB2」であつて、後者よりも
前者の方が好適である。これらのハステロイ
（Hastelloy：登録商標）という名称を付した商品
名の合金はカボツト社（Cabot Corporation）の
ステライト（Stellite）部門から入手可能であ
る。ハステロイＢは2.5％のコバルト、１％のク
ロム、28％のモリブデン、５％の鉄、および残部
のニツケルから成る。ハステロイB2は約28％の
モリブデン、２％の鉄、１％のクロム、１％のコ
バルト、合計で最高約1.6％までのケイ素、マン
ガン、炭素、バナジウム、リンおよび硫黄、並に
残部のニツケルから成る。

軸受ボス４１用として適する熱伝導性の小さい
別のニツケル基合金としては、ロールド・アロイ
ズ社（Rolled Alloys，Inc.）から商品名RA−
333として入手可能な合金である。RA−333の構
成成分は約45％のニツケル、25％のクロム、３％
のタングステン、３％のモリブデン、３％のコバ
ルト、18％の鉄、1.25％のケイ素、1.5％のマン
ガン、並びに少量の炭素、リンおよび硫黄であ
る。

軸受ボス４１用として適するその他のニツケル
基合金としては、インターナシヨナル・ニツケル
社（International Nickel Company）の子会社
であるハンテイントン・アロイズ社
（Huntington Alloys，Inc.）から入手可能な入手
可能なインコネル（Inconell：登録商標）という
名称を付した商品名の合金とりわけ商品名インコ
ネル625として入手可能な合金である。インコネ
ル625の主要成分は約61％のニツケル、20〜23％
のクロム、８〜10％のモリブデン、４％のコロン
ビウムおよびタンタル、並びに2.5％の鉄であ
る。また、合計で約２％の少量成分としては、炭
素、マンガン、硫黄、ケイ素、アルミニウム、チ
タン、コバルトおよびリンが挙げられる。

入手可能なデータによれば、軸受ボス４１用と
して上記に提唱されたニツケル基合金が陽極回転
子の動作温度下で示す熱伝導率はアルミナと同程
度に小さいことがわかる。ところで、アルミナは
金属性を示さず、従つて強度および導電性の不足
のために使用不可能である。それに対し、上記の
合金は十分な高温強度および導電性を有しながら
も小さな熱伝導性を示すのである。

比較のため現時点で入手可能なデータに基づい
て述べれば、４０で示されるものと同様な回転子
ボスに対して一般に使用されてきたニツケルの
500℃における熱伝導率は約0.14カロリ／cm²（断
面積）・cm（長さ）・秒・℃である。本発明におい
て使用される熱伝導性の大きい回転子ボス４０用
のモリブデン基合金ZTMの熱伝導率は0.29であ
つて、これはニツケル値の２倍より大きい。他
方、熱伝導性の小さい軸受ボス４１用のニツケル
基合金のうち、ハステロイＢの熱伝導率は0.037
であり、またインコネルの熱伝導率は0.039であ
つて、これらはニツケルの値の約1/4である。従
つて、本発明の新規なＸ線管設計に基づけば、回
転子ボス４０の熱伝導率は軸受ボス４１の熱伝導
率の少なくとも7.8倍である。一般に、本発明に
おいて提唱されたモリブデン基合金TZMは上記
のごときニツケル基合金に比べて約７〜８倍の熱
伝導率を有している。

心棒３３および回転子ボス４０に対してナツト
５２を堅固にろう付けすることは、それぞれのね
じ山同士を固定して機械的強度および安全性（信
頼性）を向上させるばかりでなく、回転子ボス４
０との接触面積を増大させるためにも役立つ。そ
の結果、心棒３３から回転子ボス４０への熱の流
れが最大となり、従つて熱放射性の大きい物質で
被覆されたライナ３０からの熱放射が最大とな
る。

TZMで作られた熱伝導性の大きい回転子ボス
４１はターゲツト１３からの熱の多くを回転子ラ
イナ３０に効果的に放流してそこから放射させる
一方、熱伝導性の小さい軸受ボス４１は回転子ボ
ス４１から軸受への熱伝導を抑制して後者の過熱
を防止する。その結果、本発明のＸ線管の定格熱
容量は従来のＸ線管に比べて増加するが、これこ
そ本発明の本来の目的なのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は一部を切欠きかつ本発明に特に関連す
る部分を断面で示した回転陽極Ｘ線管の側面図、
第２図は第１図に示された回転陽極Ｘ線管の一部
の拡大図、そして第３図は一部を切欠きかつ一部
を第２図中の線３−３に沿つた断面で示した陽極
回転子の端面図である。 図中、１０はガラス外被、１１は陰極構造物、
１３はＸ線ターゲツト、２０は玉軸受の外レー
ス、２１は玉軸受の内レース、２２は軸、３０は
積層円筒要素（回転子ライナ）、３３は心棒、４
０は回転子ボス、４１は軸受ボス、５２はナツ
ト、５７は突起、そして５９〜６２はねじを表わ
す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 外被、前記外被の内部で回転し得るように軸
   受で支持された軸、回転可能なＸ線ターゲツト、
   前記ターゲツトを取付けた同軸心棒、前記外被内
   において前記軸を同心的に包囲していて、磁界の
   作用下で回転しかつ表面に熱放射促進用の処理を
   受けた細長い円筒要素、前記心棒を前記円筒要素
   に連結するための回転子ボス、および前記回転子
   ボスを前記軸に連結するための軸受ボスの諸要素
   を含む回転陽極Ｘ線管において、前記回転子ボス
   が熱伝導性の大きいモリブデン基合金で作られ、
   前記軸受ボスが熱伝導性の小さいニツケル基合金
   で作られ、かつ前記心棒が実質的にコロンビウム
   から成る非管状の部材であり、この結果前記ター
   ゲツトから前記軸受への熱の流れを制限しかつ前
   記円筒要素への熱の流れを増加して熱容量を向上
   したことを特徴とするＸ線管。 ２ 前記回転子ボス用の前記モリブデン基合金が
   99.25％以上かつ最高99.4％までのモリブデン、
   0.4〜0.55％のチタン、0.06〜0.12％のジルコニウ
   ム、および最高約0.3％までの制御不純物から成
   るものとして定義される、特許請求の範囲第１項
   記載のＸ線管。 ３ 前記軸受ボス用の前記ニツケル基合金が約28
   ％のモリブデン、５％の鉄、2.5％のコバルト、
   １％のクロム、および残部のニツケルから成るも
   のとして定義される、特許請求の範囲第１項記載
   のＸ線管。 ４ 前記軸受ボス用の前記ニツケル基合金が約28
   ％のモリブデン、２％の鉄、１％のクロム、１％
   のコバルト、合計で最高約1.6％までのケイ素、
   マンガン、炭素、バナジウム、リンおよび硫黄、
   並びに残部のニツケルから成るものとして定義さ
   れる、特許請求の範囲第１項記載のＸ線管。 ５ 前記軸受ボス用の前記ニツケル基合金が約45
   ％のニツケル、25％のクロム、18％の鉄、３％の
   タングステン、３％のモリブデン、３％のコバル
   ト、1.25％のケイ素、1.5％のマンガン、並びに
   微量の炭素、リンおよび硫黄から成るものとして
   定義される、特許請求の範囲第１項記載のＸ線
   管。 ６ 前記軸受ボス用の前記ニツケル基合金が約61
   ％のニツケル、20〜23％のクロム、８〜10％のモ
   リブデン、４％のコロンビウムおよびタンタル、
   2.5％の鉄、並びに合計で約２％の微量成分から
   成るものとして定義される、特許請求の範囲第１
   項記載のＸ線管。 ７ 前記回転子ボスが半径方向に広がる前板およ
   びそれと一体を成しながら軸方向に伸びる円形側
   壁から成るほぼカツプ状のもので、前記前板の凹
   側は平面を成しかつ前記心棒は前記前板に対し同
   軸的に固定され、前記軸受ボスが一端にねじ山を
   有しかつ他端に半径方向に広がるフランジ部分を
   有するほぼ円筒形の中空部材から成つていて、前
   記他端の端面には円周方向に沿つて互いに離隔し
   た複数の突起が設けられかつ前記突起のみが前記
   回転子ボスの平面状の前記前板に接触しているた
   め前記軸受ボスへの熱の流れが更に抑制され、し
   かも前記回転子ボスの前記前板を貫通して前記突
   起のそれぞれにねじ込むことのできるねじ手段に
   よつて前記回転子ボスが前記軸受ボスに取付けら
   れる、特許請求の範囲第１〜６項のいずれか１項
   に記載のＸ線管。