CN115263925A - 具有增强的密封结构的液态金属轴承结构 - Google Patents

具有增强的密封结构的液态金属轴承结构 Download PDF

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Abstract

本发明题为具有增强的密封结构的液态金属轴承结构。本发明提供了一种用于X射线管的轴承结构，该轴承结构包括轴颈轴承轴，该轴颈轴承轴具有包裹于套筒内的径向突出推力轴承。套筒的结构在套筒中形成有扩大的阱或空隙，这些阱或空隙邻近形成在套筒与轴之间的各种旋转防润湿密封件/密封表面设置。阱的几何形状被形成为将液态金属/润滑流体保持在由轴承组件限定的间隙内，并引导液态金属从限定在套筒与轴之间的间隙向外流动远离旋转防润湿密封件并回到间隙内。这种几何形状允许由轴承结构的旋转施加在液态金属上的离心力将流出的液态金属从旋转的防润湿密封件上移开，从而显著地减少液态金属与密封件的接触。

Description

具有增强的密封结构的液态金属轴承结构
背景技术
本发明整体涉及X射线管，并且更具体地涉及用于在X射线管中所用的轴承的结构和组装方法。
X射线系统(包括计算机断层摄影(CT)成像系统)可包括X射线管、检测器以及用于X射线管和检测器的支撑结构。在操作中，对象定位在其上的成像台可位于X射线管与检测器之间。X射线管通常朝对象发射辐射，诸如X射线。辐射穿过成像台上的对象并撞击在检测器上。当辐射穿过对象时，对象的内部结构导致在检测器处接收的辐射的空间差异。然后检测器生成数据，并且系统将该数据转换成图像，该图像可以用于评估对象的内部结构。对象可以包括但不限于医学成像规程中的患者或例如包裹中的无生命对象。
X射线管包括位于高真空环境内的阴极和阳极。在许多构型中，阳极结构由液态金属轴承结构(例如，人字形槽或螺旋槽轴承(SGB)结构，也称为流体动力轴承)支撑，该轴承结构形成有设置在套筒内的轴，阳极靶附接到该套筒并且围绕该轴旋转。螺旋槽轴承结构还包括位于轴和/或套筒的各个表面上的槽(诸如螺旋槽或螺线槽)，该槽用于承受当套筒围绕轴旋转时作用在该套筒上的径向力和轴向力。
通常，采用感应电动机来旋转阳极，该感应电动机具有圆柱形转子和定子，该圆柱形转子内置于至少部分地由支撑阳极靶的套筒形成的轴中，该定子具有包围X射线管的细长颈部的铜绕组。旋转阳极组件的转子由定子驱动。X射线管阴极提供聚焦电子束，该聚焦电子束在阴极到阳极真空间隙中被加速并在与阳极靶撞击时产生X射线。由于在电子束撞击靶时会产生高温，因此有必要以高旋转速度旋转阳极组件。这对轴承和形成阳极结构(即，阳极靶和支撑靶的轴)的材料提出了严格的要求。
X射线管中的液态金属轴承(诸如螺旋槽轴承)的优点包括由于接触面积增加而具有高负载能力和高传热能力。其他优点包括本领域通常理解的低声学噪声操作。镓、铟或锡合金等通常用作轴承结构中的液态金属，因为它们在室温下往往是液体并且在工作温度下具有足够低的蒸气压，以满足X射线管的严格高真空要求。
为了将液态金属/润滑流体保持在轴承结构内，轴承结构的部件形成有多个结构特征，这些结构特征用于使液态金属/润滑流体通过轴承结构的开口端的泄漏最小化。如图1A和图1B所示，用于现有技术轴承结构的套筒密封件/部分1000和推力密封件1002包括形成在其中的多个阱1004和相应的密封件1005，它们用作对液态金属/润滑流体流过阱1004和密封件1005的限制。阱1004和密封件1005彼此隔开，以便为液态金属流过阱1004和密封件1005并流出轴承结构提供冗余障碍。此外，一些阱1004形成有通道1006，这些通道引导进入阱1004的液态金属返回到轴承结构中。除了阱1004和密封件1005之外，轴1008还可以形成有邻近阱1004的径向底切部1010，其旨在限制流过底切部1010并到达阱1004和密封件1005的液态金属/润滑流体的量。
由于轴承中使用的液态金属的高表面张力，液态金属对轴承表面的粘附在液态金属与轴承部件之间产生高压密封(即，高达20psi)，诸如在由轴1008与套筒1000之间以及轴1008与推力密封件1002之间的间隙形成的密封件1005上产生高压密封，以将液态金属保持在轴承内。
然而，即使对于轴颈轴承部件的这些结构，由于液态金属及其氧化形式(例如氧化镓)相对于轴承结构的表面的高度润湿性质，也经常发生泄漏。特别是，形成液态金属的镓在轴承加工过程中在室温下被氧化成氧化镓，氧化镓可以在轴承结构内的镓体积的外部上形成涂层。氧化镓具有高度润湿性质，并且可以粘附到被构造成用作防润湿毛细管密封件的旋转密封件1005的表面上。氧化镓对旋转轴承表面的粘附导致由这些表面形成的防润湿密封件1005变成润湿毛细管密封件。润湿毛细管密封件作为液态金属(即镓)的密封件不太有效，因为润湿密封件吸入液体以形成密封件，使得液体更容易通过密封件1005泄漏，尤其是当设置在旋转部件之间时。
此外，由于液体存在于密封件1005内并形成该密封件，润湿毛细管密封件形成对捕集在轴颈轴承结构内的气体的阻挡。因此，润湿毛细管密封件将气体保持在轴承结构内并允许气体在密封件后面形成压力。当密封件1005后面的气体压力超过润湿毛细管密封件的最大值时，气体膨胀通过润湿毛细管密封件，导致密封件突然失效，从而使液态金属通过密封件流出。
而且，用于形成防润湿密封件1005的结构可能会使一定量的液态金属汇集在防润湿密封件的位置处。当该体积的汇集的液态金属覆盖或阻塞密封件1005时，诸如当相邻的阱1004充满液态金属时，液态金属也可能保持所捕集的气体，从而使得在汇集的液态金属后面聚集气体压力。最后，以与上述方式相同的方式，所捕集的气体的压力可迫使汇集的液态金属通过防润湿密封件1005泄漏。
因此，期望开发一种轴承结构以及用于形成和操作轴承结构的方法以用于X射线管，从而显著地减小氧化的液态金属和/或捕集的气体对形成在X射线管的轴承结构中的防润湿密封件的有害作用。
发明内容
在本公开中，一种用于X射线管的液态金属或螺旋槽轴承结构以及用于制造轴承结构的相关联过程，该轴承结构由轴组成，该轴具有轴颈轴承和包裹于轴承壳体或套筒内的径向突出推力轴承。该套筒包括推力密封件，该推力密封件围绕推力轴承与套筒接合，以便维持围绕轴颈轴承轴形成于套筒内的旋转液态金属密封件的同轴性。该推力密封件围绕轴颈轴承轴上的推力轴承与套筒的接合使得液态金属能够保持在轴颈轴承轴与套筒之间，以使得套筒能够在X射线管的操作期间围绕轴颈轴承轴自由旋转。
套筒和推力密封件的结构在套筒和推力轴承中形成有扩大的阱或空隙，这些阱或空隙邻近形成在套筒或推力轴承与轴之间的各种旋转防润湿密封件/密封表面设置。阱的几何形状被形成为将液态金属/润滑流体保持在由轴承组件限定的间隙内，并引导液态金属从限定在套筒/推力轴承与轴之间的间隙向外流动远离旋转防润湿密封件。这种几何形状允许由轴承结构的旋转施加在液态金属上的离心力将流出的液态金属从旋转的防润湿密封件上移开，从而显著地减少液态金属与密封件的接触。
此外，扩大的阱的几何形状被设计成通过在液态金属覆盖旋转的防润湿密封件/密封表面之前增加能够容纳在阱内的液态金属的量，并因而将气体捕集在轴承结构内，来最小化流出的液态金属对防润湿密封件在轴承结构的任何取向上的操作的影响。因此，这显著地减小了由液态金属施加在密封件上的相应静态压力，以及由所捕集的气体施加的将液态金属压靠在密封件上的动态压力，从而允许防润湿密封件将液态金属保持在轴承结构内，同时使气体能够通过密封件逸出。
此外，通过使用套筒和/或推力轴承上的表面纹理，增强了防润湿密封件将液态金属保持在轴承结构内的能力。进行表面纹理化，以显著减小设置在防润湿密封件上和/或其附近的能够与液态金属接触的套筒和推力轴承表面的表面积。这种减小的表面积大大降低了液态金属粘附到纹理化表面上并在其上铺展的能力，使得纹理化表面对液态金属高度防润湿。
此外，套筒、推力轴承和轴可以形成有抑制流出的液态金属流动的流体锁住特征。这些特征与流出的液态金属相互作用，以在流出的液态金属上产生表面张力，从而限制液态金属沿远离防润湿密封件的方向流动，由此改善防润湿密封件的维护和有效性。
在本发明的一个示例性实施方案中，一种用于X射线管的轴承组件，所述轴承组件包括：轴；套筒，所述套筒围绕所述轴设置，其中所述轴和所述套筒中的一者能够相对于另一者旋转以形成旋转部件和固定部件；润滑流体，所述润滑流体设置在所述轴与所述套筒之间位于设置在所述套筒与所述轴之间的间隙内；以及形成在所述套筒中的至少一个流体阱，所述至少一个流体阱具有与所述间隙流体连通的近侧端部、与所述间隙间隔开并邻近形成在所述套筒与所述轴之间的旋转密封件设置的远侧端部，以及在所述远侧端部与所述近侧端部之间延伸的倾斜表面。
在本发明的另一个示例性实施方案中，一种X射线管包括阴极组件和与所述阴极组件间隔开的阳极组件，其中所述阳极组件包括：轴；套筒，所述套筒设置在所述轴上，其中所述轴和所述套筒中的一者能够相对于另一者旋转以形成旋转部件和固定部件；润滑流体，所述润滑流体设置在所述轴与所述套筒之间位于设置在所述套筒与所述轴之间的间隙内；以及形成在所述套筒中的至少一个流体阱，所述至少一个流体阱具有与所述间隙流体连通的近侧端部、与所述间隙间隔开并邻近形成在所述套筒与所述轴之间的旋转密封件设置的远侧端部，以及在所述远侧端部与所述近侧端部之间延伸的倾斜表面。
在本发明的方法的又一个示例性实施方案中，用于在操作X射线管的使用期间使润滑流体从轴承组件的泄漏最小化的方法包括以下步骤：提供轴承组件，所述轴承组件包括轴；套筒，所述套筒设置在所述轴上，其中所述轴和所述套筒中的一者能够相对于另一者旋转以形成旋转部件和固定部件；润滑流体，所述润滑流体设置在所述轴与所述套筒之间位于设置在所述套筒与所述轴之间的间隙内；以及形成在所述套筒中的至少一个流体阱，所述至少一个流体阱具有与轴承间隙流体连通的近侧端部、与所述间隙间隔开并邻近形成在所述套筒与所述轴之间的旋转密封件设置的远侧端部，以及在所述远侧端部与所述近侧端部之间延伸的倾斜表面；操作所述X射线管以使所述旋转部件相对于所述固定部件旋转；以及将离开所述轴承间隙的润滑流体引导到所述阱中，以重定向到所述轴承间隙中。
应当理解，提供上面的简要描述来以简化的形式介绍在具体实施方式中进一步描述的精选概念。这并不意味着识别所要求保护的主题的关键或必要特征，该主题的范围由具体实施方式后的权利要求书唯一地限定。此外，所要求保护的主题不限于解决上文或本公开的任何部分中提到的任何缺点的实施方式。
附图说明
图1A和图1B是X射线管的现有轴承结构的部分的横截面视图。
图2是包括本公开的示例性实施方案的成像系统的框图。
图3是根据本公开的示例性实施方案并且可与图2所示的系统一起使用的X射线管的一部分的横截面视图。
图4是根据本公开的示例性实施方案的X射线管的轴承结构的横截面侧视平面图。
图5是根据本公开的示例性实施方案形成的包括扩大的轴承流体阱的图4的轴承结构的横截面视图。
图6是根据本公开的另一个示例性实施方案形成的在图5的轴承结构中形成的套筒流体阱的截面剖视图。
图7是根据本公开的示例性实施方案的套筒流体阱的横截面视图，示出了在水平轴承取向上的最大填充体积。
图8是根据本公开的示例性实施方案的套筒流体阱的横截面视图，示出了在竖直轴承取向上的最大填充体积。
图9是根据本公开的另一个示例性实施方案的形成在图5的轴承结构中的推力轴承流体阱的截面剖视图。
图10是根据本公开的示例性实施方案的推力轴承流体阱的横截面视图，示出了在水平轴承取向上的最大填充体积。
图11是根据本公开的示例性实施方案的推力轴承流体阱的横截面视图，示出了在竖直轴承取向上的最大填充体积。
图12是根据本公开的另外的示例性实施方案形成的包括流体锁住结构的图5的套筒流体阱的截面剖视图。
图13是根据本公开的另外的示例性实施方案的形成有防润湿纹理化表面的图5的轴承结构的轴的局部剖开的等轴视图。
图14是根据本公开的另外的示例性实施方案的形成有防润湿纹理化表面的图5的轴承结构的推力轴承的局部剖开的等轴视图。
图15是图5的轴承结构的经介质喷射的防润湿表面的1000倍放大俯视平面图。
图16是图5的轴承结构的经激光蚀刻的防润湿表面的300倍放大俯视平面图。
图17是图5的轴承结构的经激光蚀刻的防润湿表面的20000倍放大俯视平面图。
具体实施方式
图2是根据本发明的实施方案的成像系统10的实施方案的框图，该成像系统被设计为获取原始图像数据并处理该图像数据以进行显示和/或分析。本领域的技术人员将理解，本发明的各种实施方案适用于实现X射线管的许多医学成像系统，诸如X射线成像系统或荧光镜成像系统。其他成像系统(诸如，获取体积的图像三维数据的计算机断层摄影(CT)成像系统和数字射线照相(RAD)成像系统)也受益于本发明。以下对X射线成像系统10的讨论仅仅是一个这种实现的示例，并不旨在在模态方面进行限制。
如图2所示，成像系统10包括X射线管或X射线源12，该X射线管或X射线源被配置为穿过对象16投射X射线14束。对象16可包括人类受检者、行李件或希望被扫描的其他对象。X射线源12可以是产生X射线14的常规X射线管，该X射线具有范围通常为三十(30)keV至二百(200)keV的能量谱。X射线14穿过对象16，并且在被衰减之后撞击在检测器组件18上。检测器组件18中的每个检测器模块产生电信号，当X射线束穿过对象16时，该电信号表示撞击的X射线束的强度，因此表示被衰减的束。在一个实施方案中，检测器组件18是基于闪烁体的检测器组件，然而，也可以设想也可实现直接转换型检测器(例如，CZT检测器、光子计数检测器等)。
处理器20接收来自检测器18的信号，并生成与被扫描的对象16相对应的图像。计算机22与处理器20通信，以使操作员能够使用操作员控制台24来控制扫描参数并查看所生成的图像。也就是说，操作员控制台24包括某种形式的操作员界面，诸如键盘、鼠标、语音激活控制器或允许操作员控制X射线系统10并在显示单元26上查看来自计算机22的重构图像或其他数据的任何其他合适的输入装置。另外，控制台24允许操作员将所生成的图像存储在存储设备28中，该存储设备可包括硬盘驱动器、软盘、光盘等。操作员还可使用控制台24向计算机22提供命令和指令，用于控制向X射线源12提供功率和定时信号的X射线源控制器30。
图3示出了包括本发明的实施方案的X射线源12的横截面视图。在所示的实施方案中，X射线源12是X射线管40，该X射线管包括阳极组件42和阴极组件44。阳极组件42和阴极组件44被支撑在插入件或框架46内，该插入件或框架容纳靶或阳极48、轴承组件50和阴极52。框架46限定与环境相比相对低压(例如，真空)的区域，其中可存在高电压。框架46可定位在填充有冷却介质(诸如，油)的外壳(未示出)内，该冷却介质还可提供高电压绝缘。虽然上文将靶和阳极描述为X射线管40的共同部件，但是靶和阳极可以是替代X射线管实施方案中的单独部件。
在操作中，电子束54由阴极组件44产生。具体地讲，阴极52经由多根电引线56接收一个或多个电信号。电信号可包括使阴极52以一个或多个能量并以一个或多个频率发射电子束54的功率和定时/控制信号。电信号还可至少部分地控制阴极52和阳极48之间的电势。阴极52包括绝缘体58，臂60从该绝缘体延伸。臂60包封电引线56，该电引线延伸到安装在臂60末端的阴极杯62中。在一些实施方案中，阴极杯62包括聚集元件，该聚焦元件将从细丝发射的电子聚焦在阴极杯62内以形成电子束54。
当来自阴极52的电子束54的高速电子在撞击形成在阳极靶48上的靶表面66时突然减速时，产生X射线64。形成电子束54的高速电子经由它们之间的电势差(例如六十(60)千伏或在CT应用的情况下更高)朝向阳极靶48加速。X射线64通过形成在框架46中的辐射发射窗口68发射，该辐射发射窗口朝向检测器阵列(诸如，图1的检测器18)定位。
阳极组件42包括转子72和定子(未示出)，该定子位于X射线源40外部并且部分地包围转子72，用于在操作期间引起阳极靶48的旋转。阳极靶48由轴承组件50旋转支撑，该轴承组件在旋转时还使阳极靶48围绕中心线70旋转。如图所示，阳极靶48具有大致环形形状(诸如，圆盘状)，并且在其中心具有用于接收轴承组件50的环形开口74。
可将靶48制造成包括许多金属或复合物，诸如钨、钼或在被电子轰击时有助于Bermsstrahlung(即，减速辐射)的任何材料。可将阳极靶48的靶表面66选择成具有相对高的耐火值，以便承受由撞击靶表面66的电子产生的热量。此外，插入件或框架46内的空间以及阴极组件44和阳极组件42之间的空间处于真空压力下，以便使与其他原子的电子碰撞最小化并使电势最大化。
为了避免靶48在被电子轰击时过热，转子72围绕中心线70以高速(例如，90至250Hz)旋转靶48。除了阳极靶48在X射线管框架46内旋转之外，在CT应用中，还使X射线源40作为整体在台架(未示出)内以通常为1Hz或更快的速率围绕对象(诸如，图1中的X射线成像系统10的对象16)旋转。
可根据需要将轴承组件50形成诸如有多个合适的滚珠轴承(未示出)，但是在所示的示例性实施方案中其包括液体润滑或自作用轴承(诸如液态金属轴承)，该轴承具有足够的负载承载能力和可接受的声学噪声水平，以便在图1的成像系统10内操作。如本文所用，术语“自作用”和“自润滑”是指轴承润滑流体由于轴承部件相对运动且不存在外部泵而保持分布在轴承的表面上。
一般来讲，轴承组件50包括固定部件(诸如，轴76)和旋转部件(诸如，套筒78，该套筒包围轴76并且阳极靶48附接到该套筒)。虽然关于图3将轴76描述为轴承组件50的固定部分并且将套筒78描述为轴承组件50的旋转部分，但是本发明的实施方案也适用于其中轴76(旋转部件)在固定套筒78(固定部件)内旋转的实施方案。在这种构型中，阳极靶48将随着轴76旋转而旋转。
轴76包括腔、孔或冷却剂流动路径80，冷却剂82(图3)(诸如，油)流过该腔、孔或冷却剂流动路径以冷却轴承组件50。因此，冷却剂82使得从X射线源40(图3)的阳极靶48产生的热量能够从其中被提取并且被传递到X射线源40的外部。在跨骑式安装的轴承组件构型中，冷却剂流动路径80沿着轴76的纵向长度延伸。在另选实施方案中，孔80可仅延伸穿过轴76的一部分，诸如在X射线源40在放置在X射线成像系统中时被悬臂的构型中。
现在参考图4，示出了根据本发明的一个实施方案的轴承组件或结构50的一部分的横截面视图。轴承组件50包括定位在套筒78内的轴76，该轴被配置为支撑阳极靶，诸如图2的阳极靶48。润滑流体84定位在形成于轴76与套筒78之间的间隙208中。在本发明的实施方案中，润滑流体84是在轴承组件50的工作温度下以液态存在的金属或金属合金。
在轴承组件50的旋转部件和固定部件之间流动的润滑流体84可包括各种单独的流体以及流体的混合物。例如，可使用多种液态金属和液态金属合金作为润滑流体，诸如铟镓合金。更一般地，可使用在X射线管的真空水平压力下耐蒸发的具有相对低蒸气压的流体。在本发明的上下文中，低蒸气压通常可在1×10-5托的范围内。换句话讲，在真空中稳定的流体适用于X射线管系统中，以便在系统的操作期间不会不利地影响所建立的真空。在本公开中，作为非限制性示例，润滑流体84可以是镓或镓合金。
在图4所示的实施方案中，轴承组件50的轴76是固定部件，而套筒78是被构造成围绕轴76旋转的可旋转部件。然而，本领域的技术人员将认识到，本文所述的发明构思适用于替代轴承构型。例如，轴承组件50可替代地包括固定外部部件或壳体/套筒和旋转轴，该旋转轴包括附接到其上的阳极靶。又如，轴承组件50可以是“跨骑式”轴承，其被配置为支撑第一液态金属轴承和第二液态金属轴承之间的阳极靶。换句话讲，本发明的实施方案可结合到利用液态金属轴承来支撑阳极靶的任何轴承构型中。此类构型可包括固定轴和可旋转外部套筒，反之亦然。此外，本领域的技术人员将认识到，此类应用不必限于X射线管，而是可应用于在真空中具有旋转部件和固定部件的任何结构构型，该旋转部件被支撑在液态金属轴承组件内。因此，本文公开的本发明的实施方案可应用于具有可旋转部件和固定部件以及其间的润滑流体的任何轴承构造，而与构造或应用无关。
如图4所示，轴承组件50的轴76包括推力轴承88，该推力轴承包括径向突起90，该径向突起从轴76延伸并且定位在套筒78的径向腔92中。推力轴承88的径向突起90包括一对外部轴承表面94、96，该对外部轴承表面面向套筒78的径向腔92的内部轴承表面98、100。径向突起90限制套筒78相对于轴76的轴向运动，并且如图所示，润滑流体84也包括在径向突起90和壳体78之间。径向突起90不需要限制轴向长度，而是可在轴向长度上延伸以提供部件的额外机械支撑。
轴76还包括轴颈轴承102，该轴颈轴承与推力轴承88相邻定位并且从推力轴承88轴向延伸。轴76的轴颈轴承102的外表面104面向套筒78的内表面106。虽然轴颈轴承102被示出为位于推力轴承88的与外部轴承表面94相邻的第一侧上，但是本领域的技术人员将认识到，轴承组件50可包括位于推力轴承88的与外部轴承表面96相邻的第二侧上的第二轴颈轴承部分。可应用包括嵌入轴承组件50的接触/轴承表面中的槽的各种涂层、纹理和图案，以在轴76和套筒78相对于彼此旋转时改变轴承行为。
在图4所示的示例性实施方案中，旋转部件(例如，套筒78)可形成有包括套筒部分108和推力密封件110的2件式构造，以及如果需要或必要的话，包括第三密封件部件(未示出)。套筒部分108由成本低、可加工性好、磨耗/磨损特性好以及可焊性好的材料形成。此外，虽然这些材料确实能导热，但是任选地，可在轴承组件50与阳极靶48之间包括热屏障，以将轴承组件50中的温度维持在形成轴承组件50的材料的腐蚀限制下。在本发明的示例性实施方案中，形成套筒部分108的材料可以是非耐火金属，诸如铁合金，包括不锈钢、工具碳钢，诸如D2钢等，但也可使用耐火材料和金属，诸如钼。套筒部分108可被形成为单件所选材料，其中一端具有封闭的圆柱形顶盖部分112，相对端具有开口的底座部分114。在所示的示例性实施方案中，底座部分114任选地可与顶盖部分112一体形成，以形成套筒部分108的整体结构，轴76和推力密封件110可在该整体结构内接合，诸如名称为“Welded SpiralGroove Bearing Assembly”的美国专利申请公开号US2016/0133431中所公开的，该专利的全部内容以引用方式明确并入本文。在轴承组件50的另选示例性实施方案中，套筒78可形成有设置在套筒部分108与推力密封件110之间的间隔件(未示出)，其中该间隔件由合适的材料(诸如包含钢的金属)形成，该材料包括槽(未示出)和/或合适的防润湿涂层(未示出)，该防润湿涂层被施加到紧邻套筒部分108和推力密封件110设置并与其接触的间隔件表面，以在其间形成密封。
由于沿着轴承组件50的各个表面的轴承槽(未示出)的图案化，因此轴承组件50可被称为螺旋槽轴承(SGB)。槽可形成在轴承表面中，诸如在轴颈轴承102的外部、套筒部分108的内部表面上，以及在一个或两个外部轴承表面94、96和内部轴承表面98、100上，并且可由未开槽区域(未示出)分开。在一些示例中，槽可由人字形或对数螺旋形状形成。螺旋槽轴承也可等同地称为流体动力或水动力轴承和液态金属轴承。
在此类螺旋槽轴承中，润滑流体84容纳在轴承结构内，以利用表面的防润湿特性来减少通过轴承的泄漏，其中表面被涂覆和/或纹理化以防润湿，使得润滑流体84被推离间隙208的靠近轴承组件50的端部的小空间或端部。在此上下文中，间隙208可以在15微米至150微米的范围内，并且希望通过引导润滑或轴承流体84远离间隙208的端部以使气体能够通过间隙208的端部逸出，从而防止压力在轴承内聚集并促使润滑流体84通过间隙208的端部且离开轴承组件50，从而使间隙208的端部保持相对不受润滑流体84的阻碍。
参考图5至图11，为了增强轴承组件50将润滑流体84保持在间隙208内的能力，以及形成润滑流体84的一部分的、增加组件50内的润滑流体84的润湿性的任何氧化物，组件50的旋转部件(例如套筒78和推力密封件96)各自都形成有扩大的阱200。
在图5至图8中，示出了形成在套筒/套筒密封件78中的阱200的示例性实施方案。阱200沿轴76形成较大的开口，并具有多个几何特征，这些几何特征用于更有效地将轴承组件50内的润滑流体84保持和/或重定向。阱200限定邻近套筒76的与推力密封件96相反的端部的远侧端部202和在远侧端部202内部间隔开的近侧端部204。远侧端部202紧邻旋转防润湿密封件206设置，并且阱200的近侧端部204紧邻限定在轴76与套筒78之间的轴承流体间隙208设置。阱200的远侧端部202形成有重定向构件210，该重定向构件可形成为底切部或容积或它们的组合，该重定向构件具有任选的径向表面或部分212，该径向表面或部分在远离轴76的径向方向上邻近密封件206延伸到套筒78中。构件210从径向部分212沿至少一个轴向和/或径向方向延伸到套筒78中以形成容积214，在所示的示例性实施方案中，该容积具有成角度的表面216，该成角度的表面终止于凹入的弯曲端217，该弯曲端在远侧端部202内形成贮存器218。在操作中，流出由轴承组件50限定的间隙208的润滑流体84沿轴76行进并到达邻近远侧端部202的径向部分212的密封件206。当润滑流体84进一步沿着径向部分212被引导并进入容积214时，密封件206的各种防润湿属性和作用在流体84上的离心力引导润滑流体84远离密封件206并到达径向部分212上。
在形成于阱200的远侧端部202和近侧端部204处的构件210的凹入弯曲端217之间限定有流体引导表面220，该流体引导表面可以是平坦的，但是如所示的示例性实施方案中所示，该流体引导表面从远侧端部202朝向近侧端部204径向向外倾斜。该倾斜表面220用于在X射线管40的操作期间使用作用在流体84上的离心力将在阱200的远侧端部202处进入构件210的任何润滑流体84沿着倾斜表面220引导并回到轴承组件50的内部。此外，表面220和邻近近侧端部204的相关构件210的斜面的深度从现有技术的阱1000的底切深度减小，以紧密地对应于邻近近侧端部204的间隙208的位置，从而便于将润滑流体从阱200重定向到间隙208中。径向部分212、容积214和倾斜表面220的每个表面都是被润湿的或润湿性的表面，以增强润滑流体84沿所需方向流入阱200的远侧端部202的能力。
现在参见图7和图8，阱200示出为具有在轴承组件的水平取向(图8)和轴承组件的竖直取向(图8)上所需的润滑流体84水平，以将阱200填充到润滑流体84与旋转密封件206的表面接触的水平。由于阱200的扩大的体积和几何形状，在图6的水平取向上，整个阱200必须在流体84直接接触旋转密封件206之前充满润滑流体84。在竖直取向上，底切部210的整个容积214必须在润滑流体84接触旋转密封件206之前被充满。在任一取向上，与现有技术的阱构造中可能的情况相比，阱200防止更多的润滑流体84到达密封件206。
现在参见图5和图9至图11，推力密封件110包括形成在其中的阱300，该阱具有类似于阱200的构造。阱300包括邻近推力轴承88的近侧端部304和与推力轴承88间隔开的远侧端部302。阱300的远侧端部302形成有重定向构件310，该重定向构件可形成为底切部或容积，并具有径向部分312，该径向部分沿远离轴76的径向方向邻近旋转密封件206延伸到推力密封件110中。构件310从径向部分312轴向地和径向地延伸到套筒78中以形成容积314，该容积具有成角度的表面316，该成角度的表面终止于远侧端部302的圆形贮存器318中。
形成在阱300的远侧端部302和近侧端部304处的构件310限定在其间延伸的表面320，该表面从远侧端部302朝向近侧端部304径向向外倾斜。该倾斜表面320用于在X射线管40的操作期间使用作用在流体84上的离心力将进入阱300的远侧端部302的任何润滑流体84沿着倾斜表面320引导回轴承组件50的内部。
另外，如图9所示，阱300可包括通道322，该通道形成在推力密封件110中从阱300的大致远侧端部302延伸到围绕推力轴承88形成的径向腔92。当存在时，通道322有助于将润滑流体84从阱300内经由径向腔92重定向回到轴承组件50内。为了有助于该功能，容积314和倾斜表面320以及通道322(如果存在的话)的表面中的每一个都是被润湿的或润湿性的表面，以增强润滑流体84沿所需方向流入阱300的远侧端部302的能力。
现在参见图10和图11，类似于阱200，阱300示出为具有在轴承组件的水平取向(图10)和轴承组件的竖直取向(图11)上所需的润滑流体84水平，以将阱300填充到润滑流体84与旋转密封件206的表面接触的水平。由于阱300的扩大的体积和几何形状，在图7的水平取向上，整个阱300必须在流体84直接接触旋转密封件206之前充满润滑流体84。在竖直取向上，底切部310的整个容积314必须在润滑流体84接触旋转密封件206之前被充满。在任一取向上，与现有技术的阱构造中可能的情况相比，阱300防止更多的润滑流体84到达密封件206。
现在参考图12，除了阱200的表面的用于限制和重定向润滑流体84向旋转密封件206的流动的取向和/或特征之外，阱200和轴76还可以包括执行该功能的几何特征。在图12所示的示例性实施方案中，轴76包括从间隙208延伸到阱200中的径向向内渐缩的表面400。表面400终止于凸起的圆形顶端402，该顶端延伸到与表面400相反的凹入的滴流导向构件404(例如，底切部或容积)中。圆形顶端402的位置起到流体锁住特征406的作用，其中顶端402的形状使得沿表面400流动的任何润滑流体84在顶端402的顶点408处产生液滴，并防止流体84从端部402向内流入构件404中并沿轴76流向密封件206。通过在顶点408与构件404之间的圆形顶端402部分上以及通过构件404并且任选地沿轴76施加防润湿涂层600，可以增强锁住特征406阻止润滑流体84沿轴76流动的该功能。当液滴在圆形顶端402的顶点408处形成时，它们在达到足够质量时被释放以从顶端408脱离并落入阱200的构件210中。如前所述，润滑流体84的液滴从构件210被引导离开密封件206回到间隙208中。
除了轴76上的锁住特征406之外，阱200还可以包括锁住特征406。如图12所示，倾斜表面220可以在其上包括流体锁住特征406，以提供类似于圆形端部402的流体阻碍功能。特别是，表面220上的流体锁住特征406可包括邻近间隙208设置在底切部210的端部处的第一表面特征412和朝向构件210与第一表面特征412间隔开的第二表面特征414，其中在示例性实施方案中，第一表面特征412和第二表面特征414形成为包含表面特征的表面中的不连续部分。在所示的示例性实施方案中，第一特征412形成为表面220的肩部或斜率变化413，而第二特征414形成为形成于表面220中的径向延伸的凹陷部418的拐角或唇缘416。在每种情况下，第一特征412和第二特征414用于在流出间隙208的润滑流体84上产生流体表面张力/弯月面或流体锁住力，以阻碍流体84流向密封件206。
现在参考图13至图17的示例性示出的实施方案，除了用于阻碍润滑流体84流向密封件206并且使流体84远离密封件206重定向的阱200、300、套筒78、推力密封件110、套筒部分108和/或轴76的结构或几何特征之外，轴承组件50还包括形成或设置在轴承组件50的各种表面上的一个或多个表面变化，其中表面变化包括表面纹理化特征500和防润湿涂层600中的一者或两者，以增强轴承组件50的这种功能。
如图13和图14的示例性示出的实施方案中所示，表面纹理化特征500形式的表面变化可以应用于轴承组件50的各种表面，特别是应用于轴76、套筒78和推力轴承96上的一个或多个表面。表面纹理化特征500可以以任何合适的方式形成在轴承组件50的部件上，诸如在美国专利9，500，226中公开的那些，该专利题为“Method And Systems For TexturingLiquid Bearing Surfaces In X-Ray Tubes”(用于在X射线管中纹理化液体轴承表面的方法和系统)，其全部内容明确地以引用方式并入本文以用于所有目的。特征500形成或设置在轴76上邻近构件404内的阱200，在顶端402上，并沿着轴76的外部邻近阱200和300，朝向并穿过相应的密封件206延伸，如图13所示。特征500可另外形成在轴76和/或套筒78的轴向和/或径向表面上，例如套筒部分108和推力密封件110上，通向和/或形成密封件206的部分，以及形成在位于阱200、300附近的副阱250、350(图6和图9)的表面上，如图14所示。
表面纹理化特征500提供了轴承组件50的部件的区域，这些区域具有可供润滑流体84粘附和向外铺展的明显减小的表面积，在一个示例性实施方案中，是具有高度小于一微米(1μm)的突出部502的区域，以显著减小润滑流体84粘附到表面纹理化特征500的能力。因此，表面纹理化特征500用作轴承组件50的高效防润湿表面。
为了形成表面纹理化特征500，在某些示例性实施方案中，可以利用合适的介质喷射工艺，诸如磨粒喷射，其采用磨粒或磨料来纹理化表面，包括但不限于喷丸、喷砂或任何其他磨粒或磨料喷射、化学蚀刻、电化学纹理化或蚀刻、或激光蚀刻或纹理化，以及它们的组合。参考图15，示出了介质喷射表面505的放大图像，其显示了形成纹理化特征500的表面505的形貌结构，其具有可用于与润滑流体84接触的所需的减小的表面积。
在图16和图17中，示出了宏观(图16)和微观(图17)激光蚀刻表面510，其显示了包括形成纹理化特征500的突出部502的表面510的形貌结构，其具有可用于与润滑流体84接触的所需的减小的表面积。
此外，关于包括或省略表面纹理化特征500形式的表面变化的其他示例性实施方案，其上可设置表面纹理化特征500的旋转部件和/或固定部件(例如，套筒78和/或轴76)的表面可附加地或排他地在其上具有设置在表面上的防润湿涂层600形式的表面变化。涂层600可以具有任何合适的组成，并且可以以任何合适的方式施加，以增强阱200、300和流体锁住特征406的润滑流体阻碍和重定向功能。在一个示例性实施方案中，由于表面纹理化特征500在较低温度下提供防润湿特性方面更有效，所以对涂层600进行选择以在高温下提供有效的防润湿特性。因此，在一个示例性实施方案中，涂层600由在高温下具有高效防润湿特性的氮化钛(TiN)形成。
本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何包含的方法。本发明的专利范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员想到的其他示例。如果此类其他示例具有与权利要求书的字面语言没有区别的结构元素，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言具有微小差别的等效结构元素，则此类其他示例旨在落入权利要求书的范围内。

Claims (16)

1.一种用于X射线管的轴承组件，所述轴承组件包括：
轴；
套筒，所述套筒围绕所述轴设置，其中所述轴和所述套筒中的一者能够相对于另一者旋转以形成旋转部件和固定部件；
润滑流体，所述润滑流体设置在所述轴与所述套筒之间位于设置在所述套筒与所述轴之间的间隙内；以及
形成在所述旋转部件中的至少一个流体阱，所述至少一个流体阱具有与所述间隙流体连通的近侧端部、与所述间隙间隔开并邻近形成在所述套筒与所述轴之间的旋转密封件设置的远侧端部，以及在所述远侧端部与所述近侧端部之间延伸的流体引导表面。
2.根据权利要求1所述的轴承组件，其中所述流体引导表面沿径向向外的方向从所述远侧端部延伸到所述近侧端部。
3.根据权利要求1所述的轴承组件，所述轴承组件还包括形成在所述阱的所述远侧端部处的构件。
4.根据权利要求3所述的轴承组件，其中所述构件包括：
径向部分，所述径向部分邻近所述密封件设置并且延伸到所述套筒中；和
容积，所述容积形成在所述径向部分与所述流体引导表面之间。
5.根据权利要求4所述的轴承组件，其中所述容积包括：
成角度的表面，所述成角度的表面在远离近侧部分的方向上与所述密封件相反地从所述径向部分延伸；和
弯曲端，所述弯曲端在所述成角度的表面与所述流体引导表面之间延伸。
6.根据权利要求1所述的轴承组件，所述轴承组件还包括形成在所述流体引导表面、所述轴或它们组合中的至少一种上的至少一个流体锁住特征。
7.根据权利要求6所述的轴承组件，其中所述至少一个流体锁住特征是形成在所述流体引导表面上的表面不连续部分。
8.根据权利要求6所述的轴承组件，其中所述至少一个流体锁住特征形成为所述轴上的邻近所述间隙的表面不连续部分。
9.根据权利要求8所述的轴承组件，所述轴承组件还包括形成在所述轴上的滴流导向构件，所述滴流引导构件邻近所述表面不连续部分与所述间隙相反。
10.根据权利要求9所述的轴承组件，所述轴承组件还包括设置在所述滴流导向构件上的表面变化。
11.根据权利要求1所述的轴承组件，所述轴承组件还包括形成在所述旋转部件、所述固定部件或它们的组合上的至少一个表面变化。
12.根据权利要求11所述的轴承组件，其中所述至少一个表面变化是选自介质喷射表面纹理化特征、化学蚀刻表面纹理化特征、激光蚀刻表面纹理化特征、电化学纹理化特征、电化学蚀刻特征以及它们的组合的至少一个表面纹理化特征。
13.根据权利要求12所述的轴承组件，其中所述至少一个表面变化形成在所述旋转部件的邻近旋转密封件的径向表面上，形成在非旋转部件的邻近旋转密封件的径向表面上，或它们的组合。
14.根据权利要求12所述的轴承组件，其中所述至少一个表面纹理化特征包括高度小于1μm的表面突起。
15.根据权利要求11所述的轴承组件，至少一个表面变化是设置在所述旋转部件、所述固定部件或它们的组合上的防润湿涂层。
16.一种X射线管，所述X射线管包括：
阴极组件；以及
与所述阴极组件间隔开的阳极组件，其中所述阳极组件包括：
轴；
套筒，所述套筒设置在所述轴上，其中所述轴和所述套筒中的一者能够相对于另一者旋转以形成旋转部件和固定部件；
润滑流体，所述润滑流体设置在所述轴与所述套筒之间位于设置在所述套筒与所述轴之间的间隙内；以及
形成在所述套筒中的至少一个流体阱，所述至少一个流体阱具有与所述间隙流体连通的近侧端部、与所述间隙间隔开并邻近形成在所述套筒与所述轴之间的旋转密封件设置的远侧端部，以及在所述远侧端部与所述近侧端部之间延伸的流体导向表面。
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