CN117810049A - X射线管及用于x射线管的阳极组件、管芯组件 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种X射线管及用于X射线管的阳极组件、管芯组件，所述阳极组件包括：阳极靶；轴承组件，用于带动阳极靶转动，所述轴承组件包括与所述阳极靶连接的内轴承，所述内轴承具有沿着所述内轴承的轴向延伸的空腔，所述空腔内设置有毛细结构，所述内轴承沿轴向包括热端和冷端，所述热端相比所述冷端更靠近所述阳极靶；相变工质，填充于所述空腔内，所述相变工质至少于相变温度范围内在气态和液态之间转变，处于气态的相变工质在所述空腔内自所述热端朝向所述冷端扩散，处于液态的相变工质在所述毛细结构的毛细作用下，沿所述冷端指向热端的方向流动。上述方案能够提高轴承组件的导热效果，进而有助于提高阳极组件以及X射线管的散热效果。

Description

X射线管及用于X射线管的阳极组件、管芯组件

技术领域

本发明实施例涉及X射线管技术领域，尤其涉及一种X射线管及用于X射线管的阳极组件、管芯组件。

背景技术

电子计算机断层扫描(Computed Tomography，CT)是现代医学中重要的诊断技术。CT的核心部件X射线管（也可称为球管或管球等）是X射线的源头，同时也是制造成本较高的耗材。X射线管的主要由管芯组件、管壳（也可称为外壳）、冷却油、散热器等组成。管芯组件在高电压下产生X射线的同时也会产生大量的热。在X射线管工作和校正过程中，热量由管芯组件的靶面产生，主要储存在石墨中。管芯的散热非常重要。如果散热不良，会导致管芯壳窗变形、一些金属部件蒸散导致打火、轴承卡死等问题。

然而由于产生X射线的条件苛刻，需要高电压、高真空等要求，一般的X 射线管的散热手段比较单一，散热效果不理想。

发明内容

本发明实施例解决的技术问题是现有的X射线管的散热效果不理想。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种用于X射线管的阳极组件，包括：阳极靶；轴承组件，用于带动阳极靶转动，所述轴承组件包括与所述阳极靶连接的内轴承，所述内轴承具有沿着所述内轴承的轴向延伸的空腔，所述空腔内设置有毛细结构，所述内轴承导热且沿轴向包括热端和冷端，所述热端相比所述冷端更靠近所述阳极靶；相变工质，填充于所述空腔内，所述相变工质至少于相变温度范围内在气态和液态之间转变，处于气态的相变工质在所述空腔内自所述热端朝向所述冷端扩散，处于液态的相变工质在所述毛细结构的毛细作用下，沿所述冷端指向热端的方向流动。

可选的，所述毛细结构具有设置在所述空腔的内壁上的一层或多层毛细通道，所述毛细通道沿所述内轴承的轴向延伸。

可选的，所述空腔内设置有一个或多个环形结构，所述一个或多个环形结构与所述内轴承同轴，其中，所述毛细结构的至少一部分设置于所述环形结构的内壁和/或外壁。

可选的，所述一个或多个环形结构将所述空腔分割成多个子空腔，每个子空腔内均填充有所述相变工质。

可选的，所述相变工质可以选自一种或者多种类型的相变工质，其中，填充有同一种相变工质的子空腔可导通，和/或，填充有不同相变工质的子空腔不导通。

可选的，所述相变工质在温度低于预设温度阈值时处于固态，并沿所述内轴承的周向均匀粘附于所述空腔的内壁。

可选的，处于液态的相变工质占据所述空腔的体积不大于所述空腔体积的20%。

可选的，所述空腔为圆柱形空腔，所述空腔的直径不大于所述内轴承的直径的35%。

本发明实施例还提供一种用于X射线管的管芯组件，包括：阴极组件，用于发射电子束；上述任一种阳极组件，所述阳极组件中阳极靶的靶面用于接收所述电子束，并产生X射线；管壳，与所述阳极组件以及所述阴极组件连接，所述管壳具有真空腔体，所述管壳上设置有X光窗口，所述X光窗口用于出射X射线，其中，所述阳极组件位于所述真空腔体内。

本发明实施例还提供一种X射线管，包括：壳体；上述管芯组件，所述管芯组件中管壳与所述壳体之间具有容置腔，所述容置腔内容置有冷却液；或者上述任一种阳极组件，所述阳极组件位于所述壳体内。

与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：

用于X射线管的阳极组件的轴承组件用于带动阳极靶转动，轴承组件中的内轴承与阳极靶连接。内轴承具有沿着内轴承的轴向延伸的空腔，空腔内设置有毛细结构。所述内轴承沿轴向包括热端和冷端，所述热端相比所述冷端更靠近所述阳极靶。空腔内填充有相变工质，由于内轴承导热，阳极靶的热量可以传导至内轴承，而相变工质从液态相变到气态时，可以同时带走阳极靶的热量，处于气态的相变工质在空腔内自热端朝向冷端扩散，以将阳极靶的热量自热端转移至冷端，气态的相变工质通过空腔到达冷端，将热量传给内轴承，并经由热传导带走。此时气态的相变工质液化，处于液态的相变工质在毛细结构的毛细作用下，沿冷端指向热端的方向流动，并到达热端。如此往复循环，通过相变工质不断在液态和气态之间转换，可以持续带走阳极靶的热量，进而提高通过内轴承对阳极靶的散热效果，以有助于提高阳极组件和X射线管的散热效果。

进一步，相变工质在温度低于预设温度阈值时处于固态，并沿内轴承的周向均匀粘附于空腔的内壁。

进一步，空腔的直径不大于所述内轴承的直径的35%。如此在提高对阳极靶的散热效果的同时，可以确保内轴承的强度。

附图说明

图1是本发明实施例中的一种用于X射线管的阳极组件的结构示意图；

图2是本发明实施例中的一种内轴承的结构示意图；

图3是图2沿剖面线A-A的剖视图；

图4是本发明实施例中的另一种内轴承的结构示意图；

图5是图4沿剖面线B-B的剖视图；

图6是图4中C处的局部结构示意图；

图7是本发明实施例中的一种用于X射线管的管芯组件的结构示意图；

附图标记说明：

100-阳极组件；1-阳极靶；2-轴承组件；21-内轴承；211-热端；212-冷端；213-空腔；2131-子空腔；2132-空腔的内壁；214-法兰；215-连接孔；22-毛细通道；221-毛细通道的侧壁；23-外轴承；24-滚珠；25-套筒；26-阳极转子；3-环形结构；31-环形结构的内壁；32-环形结构的外壁；4-连接轴；y-轴向；200-阴极组件；300-管壳；301-X光窗口；302-真空腔体。

具体实施方式

如上所述，管芯组件在高电压下产生X射线的同时也会产生大量的热。在X射线管工作和校正过程中，热量由管芯组件的靶面产生，主要储存在石墨中。管芯的散热非常重要。如果散热不良，会导致管芯壳窗变形、一些金属部件蒸散导致打火、轴承卡死等问题。

然而由于产生X射线的条件苛刻，需要高电压、高真空等要求，一般的组件散热手段比较单一，大部分的热经由辐射换热传递到管芯壳，少部分经由轴承转动部分传到管壳，最后由冷却油和散热器换热。根据产品的型号和尺寸差异，在不同工况下的阳极靶的靶面最高温度可达700-1500°C，冷却油的油温可达50-90°C，目前散热效果不理想，而提高散热效率对延缓X射线管损耗至关重要。

为解决上述问题，在本发明实施例中，用于X射线管的阳极组件的轴承组件用于带动阳极靶转动，轴承组件中的内轴承与阳极靶连接。内轴承具有沿着内轴承的轴向延伸的空腔，空腔内设置有毛细结构。所述内轴承沿轴向包括热端和冷端，所述热端相比所述冷端更靠近所述阳极靶。空腔内填充有相变工质，由于内轴承导热，阳极靶的热量可以传导至内轴承，而相变工质从液态相变到气态时，可以同时带走阳极靶的热量，处于气态的相变工质在空腔内自热端朝向冷端扩散，以将阳极靶的热量自热端转移至冷端，气态的相变工质通过空腔到达冷端，将热量传给内轴承，并经由热传导带走。此时气态的相变工质液化，处于液态的相变工质在毛细结构的毛细作用下，沿冷端指向热端的方向流动，并到达热端。如此往复循环，通过相变工质不断在液态和气态之间转换，可以持续带走阳极靶的热量，进而提高通过内轴承对阳极靶的散热效果，以有助于提高阳极组件和X射线管的散热效果。

为使本发明实施例的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

图1是本发明实施例中的一种用于X射线管的阳极组件的结构示意图；图2是本发明实施例中的一种内轴承的结构示意图；图3是图2沿剖面线A-A的剖视图。下面结合图1至图3对本发明实施例提供一种用于X射线管的阳极组件（下面简称阳极组件）的具体结构进行说明。

在具体实施中，阳极组件100包括：阳极靶1、轴承组件2以及相变工质（图中未示意图）。轴承组件2用于带动阳极靶1转动，所述轴承组件2包括与所述阳极靶1连接的内轴承21。所述内轴承21具有沿着所述内轴承21的轴向y延伸的空腔213。所述空腔213内设置有毛细结构。所述内轴承21导热，沿轴向y包括热端211和冷端212，所述热端211相比所述冷端212更靠近所述阳极靶1。相变工质填充于所述空腔213内，所述相变工质至少于相变温度范围内在气态和液态之间转变，处于气态的相变工质在所述空腔213内自所述热端211朝向所述冷端212扩散，处于液态的相变工质在所述毛细结构的毛细作用下，沿所述冷端212指向热端211的方向流动。

在X射线管工作时，从冷态启动，此时温度未达到相变工质的相变温度，相变工质处于液态，在阳极靶1转动以及在毛细结构的毛细作用下，液态的相变工质可以覆盖整个空腔的内壁2131。随着热量从阳极靶1传导至内轴承21，液态的相变工质在对流换热的作用下可以快速使内轴承21温度均匀。随着温度持续升高，达到相变工质的相变温度，靠近阳极靶1的相变工质在被加热后发生相变转化成气态的相变工质，同时带走阳极靶1的热量；气态的相变工质通过空腔213到达冷端212，将热量传给内轴承21，并经由热传导带走。此时气态的相变工质液化，通过毛细结构到达热端211。如此往复循环。

由上可知，轴承组件2用于带动阳极靶1转动，轴承组件2中的内轴承21与阳极靶1连接。内轴承21具有沿着内轴承21的轴向y延伸的空腔213，空腔213内设置有毛细结构。所述内轴承21沿轴向y包括热端211和冷端212，所述热端211相比所述冷端212更靠近所述阳极靶1。空腔213内填充有相变工质，由于内轴承21导热，阳极靶1的热量可以传导至内轴承21，而相变工质从液态相变到气态时，可以同时带走阳极靶1的热量，处于气态的相变工质在空腔213内自热端211朝向冷端212扩散，以将阳极靶1的热量自热端211转移至冷端212，气态的相变工质通过空腔213到达冷端212，将热量传给内轴承21，并经由热传导带走。此时气态的相变工质液化，处于液态的相变工质在毛细结构的毛细作用下，沿冷端212指向热端211的方向流动，并到达热端211。如此往复循环，通过相变工质不断在液态和气态之间转换，可以持续带走阳极靶1的热量，进而提高通过内轴承21对阳极靶1的散热效果，以有助于提高阳极组件100和X射线管的散热效果。

在一些实施例中，内轴承21的空腔213可以设置于热端211。

在另一些实施例中，空腔213可以贯穿热端211及冷端212。

需要说明的是，冷端212和热端211是相对的概念，冷端212的温度不高于热端211的温度。

在一些非限制性实施例中，冷端212处可以设置有冷却装置，冷却装置可以对冷端212进行冷却，以使得气态的相变工质朝向冷端212流动时，能够较快地被冷端212冷却，以实现气态的相变工质携带的热量通过冷端212散发出去，提高轴承组件2的散热效率。关于冷却装置的具体实现形式此处不作限定。

在具体实施中，所述毛细结构具有设置在所述空腔的内壁2132上的一层或多层毛细通道，所述毛细通道22沿所述内轴承21的轴向y延伸。

在一些非限制性实施例中，毛细通道22还可以沿着与内轴承21的轴向y相交的方向延伸。也即，毛细通道22沿着内轴承21的轴向y以及与轴向y相交的方向延伸。例如，毛细通道22呈栅格状。

当所述毛细结构具有设置在所述空腔的内壁2132上的一层毛细通道时，毛细通道22沿所述内轴承21的轴向y延伸。当所述毛细结构具有设置在所述空腔的内壁2132上的多层毛细通道时，毛细通道22沿所述内轴承21的轴向y延伸以及与内轴承21的轴向y相交的方向延伸。

在一些实施例中，毛细通道的侧壁221可以是连续的结构或者间断的结构。毛细通道的侧壁221为间断结构时，毛细通道的侧壁221例如是间隔小于设定阈值的多个凸起。

在具体实施中，结合图1至图6，所述空腔213内设置有一个或多个环形结构3，所述一个或多个环形结构3与所述内轴承21同轴。如此，当阳极组件100在应用于X射线管时，有助于X射线管的设计以及旋转平衡性。其中，所述毛细结构的至少一部分设置于所述环形结构的内壁31和/或环形结构的外壁32。换言之，所述毛细结构的至少一部分设置于所述环形结构的内壁31，或者所述毛细结构的至少一部分设置于所述环形结构的外壁32，或者，所述毛细结构的至少一部分设置于所述环形结构的内壁31及环形结构的外壁32。

环形结构3可以与内轴承21一体成型，也可以固定连接于内轴承21。

所述一个或多个环形结构3将所述空腔213分割成多个子空腔2131，每个子空腔2131内均填充有所述相变工质。

在具体实施中，所述相变工质的相变温度范围为100℃至500℃。所述相变工质可以选自一种或者多种类型的相变工质。例如，所述相变工质包括如下一种或多种：萘、导热姆。萘的相变温度范围为150℃至470℃。导热姆的相变温度范围为200℃至450℃。需要说明的是，相变工质还可以采用其他类型的相变工质，此处不再一一举例。

在一些非限制性实施例中，可以在氮气环境下向内轴承21的空腔213内填充相变工质。可以根据内轴承21以及空腔213的尺寸及型号选取相变工质。

在阳极组件100的组装过程中，为了减小或者消除轴承组件2等一些旋转部件在旋转过程中不平衡量，使得轴承组件2整体在旋转过程中保持平衡，以减小轴承组件2的噪声、振动并延长轴承组件2的使用寿命，在向内轴承21的空腔213内填充相变工质后，密封空腔213，通常需要对轴承组件2做动平衡。对轴承组件2做动平衡时，对轴承组件2加热，使得相变工质充分融化为液态，之后轴承组件2开始转动，并在保持高速旋转的同时逐步冷却，随着温度降低，当温度低于预设温度阈值时，处于液态的相变工质相变为固态，并在轴承组件2的离心力作用下，处于固态的相变工质沿着内轴承21的周向均匀涂覆于空腔的内壁2132，也即沿着内轴承21的周向均匀粘附于所述空腔的内壁2132。当完成对轴承组件2的动平衡后，在轴承组件2的实际使用过程中，由于内轴承21的热量近乎于均匀传导，满足动平衡要求。

内轴承21的每个子空腔2131内分别填充同一种相变工质，多个子空腔2131内填充的相变工质可以相同，也可以不同。

在一些实施例中，填充有同一种相变工质的子空腔2131可导通。例如，可以在环形结构3上设置有开关结构，如环形结构3上开设有镂空开口，镂空开口的位置处设置有密封板，通过密封板打开或者关闭镂空开口，如此可以实现填充有同一种相变工质的子空腔2131可导通。若密封板不封住镂空开口，则填充有同一种相变工质的子空腔2131导通。若密封板封住镂空开口，则子空腔2131不导通。由此，可以根据实际需求灵活地对子空腔2131的导通情况进行配置。对于填充有同一种相变工质的子空腔2131导通，在相变工质处于气态时，可以使得气态的相变工质在子空腔2131之间对流，提高换热效果。

在另一些实施例中，填充有不同相变工质的子空腔2131不导通。也即填充有不同相变工质的子空腔2131是相互隔离的，相互隔离的各个子空腔2131内的相变工质仅可在各自的子空腔2131内流动。由于不同的相变工质的相变温度不同，换热效果也不相同，如此可以充分利用不同相变工质的相变温度，提高换热效果。

在又一些实施例中，内轴承21的子空腔2131可以包括填充有同一相变工质且可导通的子空腔2131。内轴承21也可以包括填充有不同相变工质，且不导通的子空腔2131。

在具体实施中，处于液态的相变工质占据所述空腔213的体积不大于所述空腔213体积的20%。如此，可以使得液态的相变工质受热变成气态的相变工质之后，气态的相变工质所产生的气体压力处于内轴承21的承受范围，确保内轴承21的安全性。

相应地，对于每个子空腔2131，该子空腔2131内的相变工质满足处于液态的相变工质占据所述子空腔2131的体积不大于所述子空腔2131体积的20%。

在具体实施中，所述相变工质在温度低于预设温度阈值时处于固态，并沿着内轴承21的周向均匀粘附于所述空腔的内壁2132。

在一些实施例中，所述空腔213为圆柱形空腔，所述空腔213的直径不大于所述内轴承21的直径的35%。如此在提高对阳极靶1的散热效果的同时，可以确保内轴承21的强度。

需要说明的是，阳极组件100除包括上述实施例描述的部件之外，还可以包括一些其他配合部件。例如，轴承组件2还可以包括：外轴承23、滚珠24、套筒25以及阳极转子26等。外轴承23套设于所述内轴承21；滚珠24位于所述内轴承21和所述外轴承23之间；套筒25套设于所述外轴承23，所述套筒25用于连接所述管芯的管壳；阳极转子26套设于所述套筒25外部，并与所述阳极靶1连接。阳极转子26可以与电机转子连接。例如，电机转子套设于阳极转子26的外部，电机转子与电机定子相配合，通过电机转子的旋转带动阳极转子26旋转，进而阳极转子26带动阳极靶1旋转。阳极靶1与内轴承21连接，内轴承21与外轴承23之间设置有滚珠24，而外轴承23与套筒25连接，经由套筒25可以实现对阳极组件100的固定且不干涉阳极靶1的旋转。

在一些实施例中，阳极组件100还包括与阳极靶1连接的连接轴4。连接轴4导热。内轴承21通过连接轴4与阳极靶1连接，通过连接轴4将阳极靶1上的热量传导至内轴承21。阳极转子26与连接轴4连接，如此，阳极转子26以及内轴承21随同阳极靶1转动。需要说明的是，图中阳极转子26与连接轴4仅为示意结构，在实际中，二者可以为相对独立的两个部件，通过紧固件或者通过焊接、粘接等方式连接在一起。

例如，内轴承21的热端211靠近阳极靶1一端还设置有法兰214，在法兰214上设置有多个连接孔215。通过连接孔215配合紧固件实现内轴承21与连接轴4连接。

本发明实施例还提供一种用于X射线管的管芯组件，参照图1至图7，管芯组件包括：阴极组件200、上述任一种阳极组件100以及管壳300。阴极组件200用于发射电子束；所述阳极组件100中阳极靶1的靶面用于接收所述电子束，并产生X射线；管壳300与所述阳极组件100以及所述阴极组件200连接，所述管壳300具有真空腔体302，所述管壳300上设置有X光窗口301，所述X光窗口301用于出射X射线，其中，所述阳极组件100位于所述真空腔体302内。

在具体实施中，阳极组件可以采用上述任一实施例提供的阳极组件100，关于阳极组件100的具体结构及工作原理可以参见上述任意实施例中的对于阳极组件100的描述，此处不再赘述。

本发明实施例还提供一种X射线管，包括：壳体；上述管芯组件，所述管芯组件中管壳与所述壳体之间具有容置腔，所述容置腔内容置有冷却液；或者上述任一种阳极组件，所述阳极组件位于所述壳体内。

其中，冷却液用于对管芯组件进行冷却，具体用于对阳极靶产生的热量进行冷却。冷却液可以为绝缘冷却油等。

在具体实施中，管芯组件或阳极组件可以分别采用上述任一实施例提供的管芯组件或阳极组件100，关于管芯组件及阳极组件100的具体结构及工作原理可以参见上述任意实施例中对于管芯组件及阳极组件100的描述，此处不再赘述。

需要说明的是，由于附图显示比例的原因，部分结构的线条可能会重叠导致出现黑色条，如图1、图2、图7中的毛细通道，由于可以在放大图或者单独部件示意图中清楚的示意毛细结构，通过结合放大图或者单独部件示意图可以清楚知道毛细结构，因此并不影响附图对结构的清楚示意以及本申请的保护范围。

应理解，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，表示前后关联对象是一种“或”的关系。

本申请实施例中出现的“多个”是指两个或两个以上。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (10)

1.一种用于X射线管的阳极组件，其特征在于，包括：

阳极靶；

轴承组件，用于带动阳极靶转动，所述轴承组件包括与所述阳极靶连接的内轴承，所述内轴承具有沿着所述内轴承的轴向延伸的空腔，所述空腔内设置有毛细结构，所述内轴承导热且沿轴向包括热端和冷端，所述热端相比所述冷端更靠近所述阳极靶；

相变工质，填充于所述空腔内，所述相变工质至少于相变温度范围内在气态和液态之间转变，处于气态的相变工质在所述空腔内自所述热端朝向所述冷端扩散，处于液态的相变工质在所述毛细结构的毛细作用下，沿所述冷端指向热端的方向流动。

2.如权利要求1所述的阳极组件，其特征在于，所述毛细结构具有设置在所述空腔的内壁上的一层或多层毛细通道，所述毛细通道沿所述内轴承的轴向延伸。

3.如权利要求1所述的阳极组件，其特征在于，所述空腔内设置有一个或多个环形结构，所述一个或多个环形结构与所述内轴承同轴，其中，所述毛细结构的至少一部分设置于所述环形结构的内壁和/或外壁。

4.如权利要求3所述的阳极组件，其特征在于，所述一个或多个环形结构将所述空腔分割成多个子空腔，每个子空腔内均填充有所述相变工质。

5.如权利要求4所述的阳极组件，其特征在于，所述相变工质可以选自一种或者多种类型的相变工质，其中，填充有同一种相变工质的子空腔可导通，和/或，填充有不同相变工质的子空腔不导通。

6.如权利要求1所述的阳极组件，其特征在于，所述相变工质在温度低于预设温度阈值时处于固态，并沿所述内轴承的周向均匀粘附于所述空腔的内壁。

7.如权利要求1所述的阳极组件，其特征在于，处于液态的相变工质占据所述空腔的体积不大于所述空腔体积的20%。

8.如权利要求1所述的阳极组件，其特征在于，所述空腔为圆柱形空腔，所述空腔的直径不大于所述内轴承的直径的35%。

9.一种用于X射线管的管芯组件，其特征在于，包括：

阴极组件，用于发射电子束；

如权利要求1至8任一项所述的阳极组件，所述阳极组件中阳极靶的靶面用于接收所述电子束，并产生X射线；

管壳，与所述阳极组件以及所述阴极组件连接，所述管壳具有真空腔体，所述管壳上设置有X光窗口，所述X光窗口用于出射X射线，其中，所述阳极组件位于所述真空腔体内。

10.一种X射线管，其特征在于，包括：

壳体；

如权利要求9所述的管芯组件，所述管芯组件中管壳与所述壳体之间具有容置腔，所述容置腔内容置有冷却液；或者如权利要求1至8任一项所述的阳极组件，所述阳极组件位于所述壳体内。