CN102187423B - X射线管内的轴承 - Google Patents
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Abstract
本发明描述用于产生X射线辐射的X射线管，其中所述X射线管包括具有旋转阳极的旋转结构；用于旋转地支承旋转结构的固定结构；布置在旋转结构与固定结构之间的液动轴承，其中所述轴承包括旋转结构与固定结构之间的间隙；以及用于相对于因热机械所致扭曲稳定间隙的尺寸的装置。另一方面描述一种制造根据本发明X射线管的方法，其中布置有用于稳定间隙尺寸的装置。也描述用于诊断用途的包括根据本发明的X射线管的X射线系统，其中所述X射线系统适于稳定间隙的尺寸。本说明书另一方面提供一种制造X射线系统的方法。
Description
技术领域
本发明涉及用于产生X射线辐射的X射线管和用于制造X射线管的方法，以及用于诊断用途的包括X射线管的X射线系统，特别是制造包括X射线管的X射线系统的方法。
背景技术
旋转阳极X射线管在诊断系统中产生X射线辐射，其中X射线管阳极工作时加热并在曝光期间及其后冷却。
热流动与热循环导致管组件的热机械变形。因此，管组件须设计为使其在所有特定条件下均能够可靠工作。
许多现代高性能X射线管采用液动轴承以支承旋转阳极，并通过直接传导冷却将来自阳极的热量朝向外部冷却流体消散。这些液动轴承的负载能力为旋转与固定轴承构件有效表面之间间隙尺寸的强函数。间隙尺寸典型地在仅为5至20um的范围，而轴承直径范围典型地为2至10cm，其长度为5cm至15cm。因此间隙为较小尺寸。给定特定转速，更大间隙以及低粘度轴承流体(热液态金属)均减小负载能力(轴承刚度)。
发明内容
因此，合意地是提供用于稳定轴承间隙的改进装置和方法。这些要求可由独立权利要求其中一项主题满足。本发明有利的实施例在附属权利要求进行描述。
根据本发明，使用轴承构件的受控匹配膨胀以稳定轴承间隙的尺寸，抵御热机械扭曲。这可由构件的至少某些部分使用热膨胀系数Cth不同的材料而实现(例如与处于更高温度的构件的材料相比，工作中处于更低温度的轴承构件材料选择为具有更高Cth)。另一方案是使用机械活塞式力产生装置，例如通过液压装置。其优点是例如在冷态可减少摩擦损耗，并在热态防止旋转不稳定。
根据本发明第一方面提出用于产生X射线辐射的X射线管。用于产生X射线辐射的X射线管包括具有旋转阳极的旋转结构；用于旋转地支承旋转结构的固定结构；布置在旋转结构与固定结构之间的轴承，其中所述轴承包括旋转结构与固定结构之间的间隙；以及用于相对于因热机械所致扭曲稳定间隙的尺寸的装置。
所述X射线管与阳极在工作过程中由电子束加热，所述电子束冲击靶标以产生X射线。因此，循环冷却流体系统布置成补偿并稳定管的温度。管内具有不同温度区域。不同温度导致管的固定部分与管的旋转部分之间轴承间隙的不同膨胀。在关键间隙尺寸局部变化(特别在截面尺寸不同的情况下)的情况下，X射线管工作时可能出现问题。因此，根据本发明的管具有用于补偿上述影响的装置，这导致轴承间隙的关键尺寸近似恒定。
根据本发明第二方面提供一种制造如权利要求1至12中任一所述X射线管的方法，其中布置用于稳定间隙尺寸的装置。
根据本发明第三方面提出用于诊断用途的X射线系统，所述系统包括如权利要求1至12任一所述的X射线管，其特征在于，所述X射线系统适于稳定间隙的尺寸。
根据本发明第四方面提出一种制造如权利要求14所述X射线系统的方法，其中用于稳定间隙尺寸的装置被布置成使得X射线系统适于稳定间隙的尺寸。
其它实施例包括在从属权利要求中。
根据本发明提供X射线管，其中管包括作为对间隙的机械限制的壁，其中稳定装置包括插入壁中的嵌衬，其中所述嵌衬相对于壁的至少一部分具有不同热膨胀系数。
因为热源(阳极)与散热器(循环冷却流体)的布置，具有不同温度区域。因此材料膨胀也可不同。这可导致间隙变形。为避免该影响，提出在较热位置布置膨胀较小的材料，在相对较冷位置布置膨胀程度较大的材料。这可通过在管内插入嵌衬完成。
根据一个示例性实施例提供X射线管，其中所述嵌衬紧邻间隙布置。这是有利的，因为在此情况下可增强嵌衬对间隙的影响。
根据另一示例性实施例提供X射线管，其中所述嵌衬具有较大热膨胀系数，所述嵌衬被布置在相对较冷环境中。
根据一个示例性实施例提供X射线管，其中所述嵌衬具有较小热膨胀系数，其中所述嵌衬布置在相对较热环境中。
根据另一示例性实施例提供X射线管，其中所述嵌衬包括不同材料的夹层结构，其中与所述壁的热膨胀系数相比具有较为接近的热膨胀系数的材料紧邻所述壁布置，其中与所述壁热膨胀系数相比具有大致不同的热膨胀系数的材料远离所述壁布置。
根据一个示例性实施例提供X射线管，其中所述嵌衬因其合适形状而适于稳定间隙的尺寸。所述嵌衬可具有适于所述间隙的形状。在此情况下所述嵌衬形状可增强所述嵌衬的稳定特性，以稳定间隙的尺寸。
根据另一示例性实施例提供X射线管，其中所述壁适于通过用于变形的装置变形，以稳定间隙的尺寸。X射线管的固定部分包括轴承轴。所述轴须为中空的，以包含循环冷却流体系统。在轴承轴的壁足够薄的情况下，可以使这些壁变形以补偿轴承间隙的变形。
根据一个示例性实施例提供X射线管，其中用于变形的装置包括用于对所述壁施加机械力的杠杆。
根据另一示例性实施例提供X射线管，其中用于变形的装置包括用于对所述壁施加流体压力的装置。
根据另一示例性实施例提供X射线管，其中所述壁厚度约为1至20mm。
根据一个示例性实施例提供X射线管，其中用于稳定的装置包括用于引导热流的通路，其中所述通路布置成使得间隙的变形是均匀的。
应注意上述特征可组合。即使未明确地详细描述，上述特征的组合可导致协同效果。
通过参考以下所述实施例，本发明的这些以及其它方面将是明显和明晰的。
附图说明
以下参考附图描述本发明示例性实施例。
图1显示诊断X射线系统中的X射线管；
图2显示X射线管；
图3显示X射线管的剖视图；
图4显示X射线管的剖视图；
图5显示X射线管的剖视图；
图6显示具有变形轴承间隙的X射线管的剖视图；
图7显示具有变形轴承间隙的X射线管的剖视图；
图8显示具有嵌衬的X射线管的剖视图；
图9显示具有嵌衬的X射线管的剖视图；
图10显示具有活塞式机械膨胀装置的X射线管的剖视图；
图11显示X射线管的剖视图，所述X射线管包括用于轴承轴液压膨胀的装置；以及
图12显示包括热传导通路的X射线管的剖视图。
具体实施方式
图1显示了典型的X射线管102，其中旋转阳极X射线管102在诊断X射线系统中产生X射线辐射103。在旋转阳极X射线管102产生X射线辐射过程中，X射线管102的阳极在工作时加热而在其后冷却。这些热循环导致X射线管元件的热机械变形。因此，管元件须设计为使其在所有特定条件下均可确保可靠工作。也显示管101更为详细的插图。
图2显示充满液态金属的轴承间隙201、被固定以支承X射线管的中空轴承轴202、旋转轴承套204、用于循环冷却流体的通路203、以及旋转阳极205。
图3显示了X射线管的剖视图。显示了旋转阳极305、旋转轴承套303、径向轴承307、轴向轴承306以及循环冷却流体304。此外，显示了被固定到管支承上的中空轴承轴302。
图4显示了具有循环冷却流体405、轴承间隙401以及阳极404的X射线管。显示具有重力406的机械力，这可导致X射线管的机械布置变形。也显示了管的旋转部分403的一部分以及管的固定部分402的一部分，其中管的固定部分402包括中空轴承轴。
图5显示由于热阳极504导致的热机械变形的结果，其中有热通量506、508。该热通量506、508穿过轴承间隙507和509。因位置510、509处高温，所述热量导致旋转轴承部件膨胀较大。此外，因位置508、511处中温，所述热量导致固定轴承轴膨胀较小。位置507、509以及508、511处膨胀的不同尺寸导致间隙尺寸增大的结果，这导致位置507、509处轴承负载能力降低。
综上所述，可说明阳极504加热导致液动轴承内的热梯度。其组件的不均匀膨胀可导致间隙尺寸显著变形，并不利地影响轴承稳定性和负载能力。加热的轴承流体的低粘度加大了该不利影响。通常，轴承组件为同一材料。通过设计其可成形为使得轴承在所有热条件下均稳定。但通常，这导致负载能力不可用以及在冷态下摩擦损耗过大。
图6显示其尺寸保持近似恒定的稳定后间隙601。这可通过在位置611、610处选择具有较大热膨胀系数的材料，并且通过在位置605、611处布置具有较小热膨胀系数的材料而获得。热膨胀系数变化可补偿不同温度。因此，可实现稳定轴承间隙607、609的效果。图6显示从热阳极604开始并穿过X射线管的旋转部分603到X射线管的固定部分602的热通量606、612。管由循环液态流体608冷却。
图7显示本发明实施例，其中间隙的稳定由热通量706、709穿过的位置处的嵌衬707、708实现。所述嵌衬707、708布置在X射线管的旋转部分703与X射线管的固定部分702之间的边界邻近处，其方式使得间隙701的尺寸将被有效地稳定。所述X射线管将由循环冷却流体705冷却，以补偿因阳极704而受热。
轴承构件702、703中的嵌衬707、708可用于补偿。在加热时，其膨胀程度与主体不同，并维持间隙尺寸。借助所述嵌衬，例如在冷侧使用具有较大(与主体材料相比)cth的嵌衬，而在热侧使用具有较小cth的嵌衬，可有不同实施例。此外，两实施例可组合。
为使间隙701形状最优，嵌衬707、708的型式可与局部热通量模式匹配。借助于该原理可稳定径向与轴向轴承。另一选项可为了轴承流体的化学稳定，例如以主体材料覆盖所述嵌衬707、708。
图8显示所述X射线管，其中从阳极804开始的热通量806、809穿过管的旋转部分803、间隙801以及管的固定部分802。对因为循环冷却流体805所产生冷侧以及热阳极804而导致的间隙801的不均等膨胀的补偿可通过布置嵌衬807、808而实现。一个实施例可使用嵌衬807、808的夹层结构以使主体与嵌衬材料匹配。
使用由不同材料和型式的夹层结构组成的补偿嵌衬807、808的效果是可避免因制造过程(例如钎焊或等离子气相沉积)的残余内应力所导致的破裂。不同材料可由其热膨胀系数和/或其相互粘合性而安排。具有接近主体轴承材料的特性可位于最接近轴承处。
图9显示从热源、阳极904开始导向散热器、循环冷却流体905的热通量906、909。所述热通量穿过管的旋转部分903、间隙901到管的固定部分902。根据该实施例具有为最大轴承稳定性而形成的嵌衬907、908，使得轴承有效表面和间隙901的形状在加热时最优形成。
因此，补偿嵌衬907、908可形成为使得加热时轴承间隙901以所需方式局部形成。当高温时，间隙901在轴承负载最大的区域可获得最小尺寸例如以处理回转力，这在该组径向轴承的外边缘是需要的。
图10显示具有阳极1004、管的旋转部分1003、管的固定部分1002、旋转部分1003与固定部分1002之间的间隙1001的管的布置。也显示热通量1006、1010。在管的固定部分1002内布置活塞式机械膨胀装置，其中在挤压时膨胀。由热膨胀装置1005借助活塞1009控制杠杆1007、1008。
根据本发明该实施例，内部中空轴1002也可机械膨胀。所致动的活塞1009推动杠杆1007、1008，所述杠杆推动中空轴1002的内表面。可通过温度升高时膨胀(具有较大cth的材料)的装置1005产生作用在活塞1009上的力。这可用于自动膨胀控制。活塞1009也可例如使用孔径由冷却流体的流体动压力来驱动。所述孔径可附连到活塞1009。油流量控制孔径上的压力降及作用在活塞1009上的力。根据本发明机械和热补偿也可组合。
图11显示具有热阳极1104、管的旋转部分1103、管的固定部分1102以及间隙1101的管的布置。也显示热通量1106、1108。为稳定间隙1101的尺寸，将中空轴1102注入压力为Pfluid的流体。该压力Pfluid可通过使用通过通路1105将流体供给到中空轴1102的液压泵1107获得。
静态流体压力Pfluid可施加到轴承轴1102。当轴1102的内壁足够薄时(约1mm)，该压力Pfluid可驱动内轴1102膨胀。所述壁的局部厚度选择成使得局部膨胀与外部旋转轴承部件的热膨胀最优地匹配。通常轴承轴1102的内表面由流体泵1107所驱动的循环流体冷却。热量随后通过外部热交换器消散到周围环境中。所述静态压力Pfluid也可在这种情况下施加。除驱动泵1107所产生的动态压力外，全部流体通路被置于该静态压力Pfluid下。通常流体为液态的(水、油)，但本发明也可包括其它型式的流体(受压气流)。
图12显示本发明一个实施例，其中热通量1206、1212从阳极1204被引导到管的旋转部分1203，其中热通量1206、1212可划分为穿过间隙1201并到达管的固定部分1202的例如两部分1211、1207。这导致结果是热量不再聚焦在单个点。也显示冷却通路内的径向轴承1209、1208。
该实施例导致结果是热传导将被引导通过阳极1204，其方式使得仅有均匀的轴承间隙变形。该模式可通过部件成型和/或材料选择而实现。轴冷却以防止间隙非均匀变形的方式完成，即间隙1201可变形，但在径向轴承1209、1208中是对称的，使径向轴承1209、1208仍具有同样刚度。
应注意术语“包括”并不排除其它元件或步骤，“一个”不排除多个。不同实施例相关所述元件也可组合。
应注意权利要求中参考标号不应视为限制权利要求范围。
参考标号列表
101 X射线管，
102 X射线管，
103 X射线辐射，
201 轴承间隙，
202 中空轴承轴，
203 循环冷却流体，
204 旋转轴承套，
205 旋转阳极，
301 间隙，
302 中空轴承轴，
303 旋转轴承套，
304 循环冷却流体，
305 旋转阳极，
306 轴向轴承
307 径向轴承，
401 间隙，
402 旋转部分，
403 固定部分，
404 阳极，
405 循环冷却流体，
406 重力，
501 间隙，
502 旋转部分，
503 固定部分，
504 阳极，
505 循环冷却流体，
506 热通量，
507 轴承间隙，
508 热通量，
509 位置，
510 位置，
511 位置，
601 间隙，
602 固定部分，
603 旋转部分，
604 阳极，
605 位置，
606 热通量，
607 轴承间隙，
608 循环冷却流体
609 轴承间隙，
610 位置，
611 位置，
612 热通量，
701 间隙，
702 固定部分，
703 旋转部分，
704 阳极，
705 循环冷却流体
706 热通量，
707 嵌衬，
708 嵌衬，
709 热通量，
801 间隙，
802 固定部分，
803 旋转部分，
804 阳极，
805 循环冷却流体
806 热通量，
807 嵌衬，
808 嵌衬，
809 热通量，
901 间隙，
902 固定部分，
903 旋转部分，
904 阳极，
905 循环冷却流体，
906 热通量，
907 嵌衬，
908 嵌衬，
909 热通量，
1001 间隙，
1002 固定部分，
1003 旋转部分，
1004 阳极，
1005 热膨胀装置
1006 热通量，
1007 杠杆，
1008 杠杆，
1009 活塞，
1010 热通量，
1101 间隙，
1102 固定部分，
1103 旋转部分，
1104 阳极，
1105 通路，
1106 热通量，
1107 液压泵，
1201 间隙，
1202 固定部分，
1203 旋转部分，
1204 阳极，
1205 冷却通路，
1206 热通量，
1207 热通量，
1208 径向轴承，
1209 径向轴承，
1210 热通量，
1211 热通量，
1212 热通量。
Claims (15)
1.一种用于产生X射线辐射的X射线管，其中所述X射线管包括：
旋转结构，所述旋转结构包括旋转阳极(704、804、904、1004、1104、1204)；
用于旋转地支承所述旋转结构的固定结构；
布置在所述旋转结构与所述固定结构之间的轴承，其中，所述轴承是包括在所述旋转结构与所述固定结构之间的间隙(701、801、901、1001、1101、1201)的液动轴承；
用于相对于由于热机械原因导致的扭曲稳定所述间隙(701、801、901、1001、1101、1201)的尺寸的装置；
其中，所述用于稳定所述间隙的尺寸的装置提供所述旋转结构与所述固定结构的受控匹配膨胀。
2.如权利要求1所述的X射线管，其特征在于，所述X射线管包括作为对所述间隙(701、801、901、1001、1101、1201)的机械限制的壁，所述用于稳定的装置包括插入在所述壁中的嵌衬(707、708、807、808、907、908)，所述嵌衬(707、708、807、808、907、908)相对于所述壁的至少一部分具有不同热膨胀系数。
3.如权利要求2所述的X射线管，其特征在于，所述嵌衬(707、708、807、808、907、908)被紧邻所述间隙(701、801、901、1001、1101、1201)布置。
4.如权利要求2所述的X射线管，其特征在于，所述嵌衬(707、708、807、808、907、908)具有较大热膨胀系数，所述嵌衬(707、708、807、808、907、908)被布置在相对较冷的环境中。
5.如权利要求2所述的X射线管，其特征在于，所述嵌衬(707、708、807、808、907、908)具有较小热膨胀系数，所述嵌衬(707、708、807、808、907、908)被布置在相对较热的环境中。
6.如权利要求2所述的X射线管，其特征在于，所述嵌衬(707、708、807、808、907、908)包括不同材料的夹层结构，其中与所述壁的热膨胀系数相比具有接近的热膨胀系数的材料被紧邻所述壁布置，与所述壁热膨胀系数相比具有大致不同的热膨胀系数的材料被远离所述壁布置。
7.如权利要求2所述的X射线管，其特征在于，所述嵌衬(707、708、807、808、907、908)由于合适的形状而适于稳定所述间隙(701、801、901、1001、1101、1201)的尺寸。
8.如权利要求1所述的X射线管，其特征在于，所述X射线管包括作为对所述间隙的机械限制的壁，所述壁适于通过用于变形的装置变形，以稳定所述间隙(701、801、901、1001、1101、1201)的尺寸。
9.如权利要求8所述的X射线管，其特征在于，所述用于变形的装置包括用于对所述壁施加机械力的杠杆(1007、1008)。
10.如权利要求8所述的X射线管，其特征在于，所述用于变形的装置包括对所述壁施加流体压力的装置。
11.如权利要求8所述的X射线管，其特征在于，所述壁厚度为1至20mm。
12.如权利要求1所述的X射线管，其特征在于，所述用于稳定的装置包括用于导引热流的通路，所述通路被布置成使得所述间隙(701、801、901、1001、1101、1201)的变形是均匀的。
13.一种制造如前述权利要求中任一所述的X射线管的方法，其中布置有用于稳定所述间隙(701、801、901、1001、1101、1201)尺寸的装置。
14.一种用于诊断用途的X射线系统，包括如1-12任一权利要求所述的X射线管，其中所述X射线系统适于稳定所述间隙(701、801、901、1001、1101、1201)的尺寸。
15.一种制造如权利要求14所述的X射线系统的方法，其中用于稳定所述间隙的尺寸的装置被布置成使得所述X射线系统适于稳定所述间隙(701、801、901、1001、1101、1201)的尺寸。
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