JP2002134047A

JP2002134047A - Ｘ線管軸受

Info

Publication number: JP2002134047A
Application number: JP2001079411A
Authority: JP
Inventors: Norman E Wandke; イーワンクノーマン; Mark S Maska; エスマスカマーク; Donald C Mueller; シーミューラードナルド
Original assignee: Marconi Medical Systems Inc
Current assignee: Philips Nuclear Medicine Inc
Priority date: 2000-02-10
Filing date: 2001-02-13
Publication date: 2002-05-10
Also published as: DE60101640D1; DE60101640T2; US6385293B1; EP1124250B1; EP1124250A1

Abstract

(57)【要約】【課題】動作温度を低下させるようにしたＸ線管軸受
を提供する。【解決手段】高エネルギＸ線管は、回転子を収容する
真空引きされたチャンバを有する。回転子は、電子の流
れの経路内で陽極を回転させ、Ｘ線ビームと熱を発生す
る。熱は、陽極から軸受シャフト５４に運ばれる。軸受
シャフト５４は、前方及び後方潤滑軸受４４Ｆ、４４Ｒ
の上で、静止した回転子支持(stationaryrotor)４２に
対して回転する。熱は、シャフト内の中央キャビティ６
０内に配置された銅等の高熱伝導率材料のコア７０によ
って、前方軸受４４Ｆから離れる方向に向かって流れ
る。選択により、コアと、レースに隣接する軸受シャフ
トの間に、環状断熱領域７４、７６が形成され、陽極と
レースの間の熱的経路が伸ばされる。前方軸受の温度低
下によって、潤滑材４６の蒸発率が低下し、それによっ
て、Ｘ線管の寿命が延びる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、Ｘ線管に関わり、
特に、医療診断の分野で用いられるＸ線管に関する。本
発明は、Ｘ線管ロータの軸受シャフトの前方軸受レース
（溝輪；race）の温度を下げることに関連して特に応用
でき、以下に特にそれについて記載する。しかし、本発
明は、他の真空システム内での熱の散逸にも応用でき
る。

【０００２】

【従来の技術】典型的な高出力のＸ線管は、真空容器内
に封じ込められた熱電子フィラメント陰極及び陽極を有
する。一般に、２〜５ミリアンペア程度の加熱電流がフ
ィラメントを通じて供給され、周囲を取り囲む電子雲を
生成する。その雲から陽極ターゲット領域に向けて電子
を加速するために、フィラメント陰極と陽極の間に、１
００〜２００キロボルト程度の高電圧が印可される。電
子ビームは、Ｘ線を発生するに十分なエネルギをもっ
て、陽極上の狭い領域即ちターゲット領域に衝突する。
電子の加速によって、管即ち陽極に５００〜６００ミリ
アンペア程度の電流を生じる。電子ビームの内のごく僅
かな部分だけがＸ線に変換される。エネルギのほとんど
の部分は熱に変換され、それによって、陽極は白色に熱
せられる。

【０００３】高エネルギ管内では、Ｘ線が発生している
間、熱エネルギを広い領域に拡散させてターゲット領域
の過熱を防ぐために、陽極が高速で回転する。陰極と容
器(envelope)は静止したままである。陽極の回転によっ
て、電子ビームは、陽極の小さな衝突点の上に、熱変形
を生じさせるほど長くは留まらない。陽極の直径は、十
分に大きいので、電子ビームで加熱された陽極上の各点
が、陽極の１回転を経て戻ってきて電子ビームで再び加
熱される前には十分に冷えている程度である。

【０００４】陽極は典型的には誘導電動機によって回転
する。誘導電動機は、ガラス容器の外側に配置された駆
動コイルと、容器内に配置され電気子及び軸受シャフト
を有して陽極に接続された回転子と、を有する。電動機
に電流が流されたとき、駆動コイルは電気子の中に誘導
電流及び磁場を生じさせ、それによって、回転子の電気
子その他の部分が回転する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】陽極の温度は１４００
℃にもなりうる。熱の一部は、電気子及び軸受シャフト
を含む回転子に伝達される。熱は、軸受シャフトを通っ
て軸受レースに伝わり、レースの中の潤滑された軸受ボ
ールに伝達される。軸受ボールの上の潤滑材は熱くなっ
て蒸発するようになる。

【０００６】Ｘ線管は低蒸発圧力の材料を必要とする真
空中で動作するので、標準的な石油を基礎とする潤滑剤
は使用できない。従って、軸受レースの上で、鉛等の固
体金属潤滑材を使用するのが業界で一般的である。３５
０℃を超えると、軸受レースからの鉛潤滑材の蒸発が加
速される。この温度は、軸受において、主に処理中に起
こり、又、使用寿命(field life)中にも起こる。潤滑材
の蒸発によって、軸受表面の急速な劣化が起こり、管の
早期破損が生じる。Ｘ線管では、前方軸受レースが、後
方軸受に比べて高温のターゲットに物理的に近い位置に
ある。それ故に、前方軸受は、後方軸受よりも約１００
℃熱く、後方軸受よりも遥かに高い率で破損する。

【０００７】潤滑材の蒸発を抑制するために、玉軸受の
上で鉛に代えて銀の潤滑が使用されることもある。銀は
鉛に比べて蒸発圧力が低く、鉛よりも少なくとも１００
℃熱いところで使用可能である。しかし、銀潤滑材は多
くの欠点を有する。即ち、あまり高温になると軸受鋼と
反応し、粒界割れを起こして、軸受の早期破損を生じる
傾向がある。更に、銀は潤滑性が低いために、比較的大
きな始動及び運転のトルクを必要とする。トルクによっ
て、軸受及び周囲の回転体の要素の摩擦及び渦電流誘導
による加熱によって、より多くの残留熱が、軸受に付加
される。銀潤滑材は更に、動作中に鉛より大きな騒音を
発生する。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の一つの態様によ
れば、Ｘ線ビームを出す高エネルギＸ線管が提供され
る。管は真空チャンバを形成する容器を有する。陰極は
電子源を提供するべくチャンバ内に配置される。陽極
は、チャンバ内に配置され、電子の衝突を受けてＸ線を
発生する。回転子は、陰極に対して相対的に陽極を回転
させる。回転子は、熱が陽極からコアを通って伝導する
ように高熱伝導率の回転子コアと、前方軸受レースを迂
回して(past the forward bearing race)コアが熱を伝
動するように、コアよりも低い熱伝導率の前方軸受レー
スと、を有する。

【０００９】本発明の他の態様によれば、Ｘ線管の回転
子が提供される。回転子は、第１の熱伝導率の材料から
形成された中空円筒シャフトを有する軸受部材を有す
る。円筒シャフトは、内部に潤滑軸受を受容するべく、
その外表面上に前方及び後方の軸受レースが形成されて
いる。回転子をＸ線管の陽極に接続するために、前方軸
受レースに隣接して、首部が軸受部材に接続されてい
る。挿入部は、中空シャフト内に受容され、第１の熱伝
導率よりも高い第２の熱伝導率の材料から形成され、前
方軸受レースからの熱を伝達し、Ｘ線管動作中の前方軸
受レースの温度を低下させる。

【００１０】本発明の他の態様によれば、陽極とこの陽
極に接続された回転子組立体とを有するＸ線管内の軸受
潤滑材の蒸発を抑制する方法が提供される。回転子組立
体は、前方軸受レースと後方軸受レースとを有する。前
方軸受レースは後方軸受レースに比べて陽極の近くに位
置する。この方法は、前方軸受レースを迂回して(aroun
d and past)後方軸受レースに向かうように熱を伝え
る。

【００１１】本発明の一つの利点は、Ｘ線管軸受シャフ
トの前方軸受の動作温度が低下することである。本発明
のもう一つの利点は、軸受ボールの潤滑材の蒸発率が低
下することである。本発明のもう一つの利点は、軸受及
び管の寿命が延びることである。本発明のもう一つの利
点は、軸受ボール潤滑材として鉛を使用できることであ
る。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照しながら、
本発明の実施の形態の例を詳細に説明する。図１は、医
療診断システムで使用されるタイプの回転陽極Ｘ線管で
あって、Ｘ線放射の焦点を絞ったビームを提供するため
のものを示す。管は回転陽極１０を有し、回転陽極１０
は、典型的にはガラス容器(envelope)１４で形成された
真空チャンバ１２内で動作する。陽極は円板状であっ
て、その環状の周辺端部に隣接した部分は円錐面をな
し、陽極表面即ちターゲット領域１６を形成している。
陰極組立体１８は、陽極表面１６に衝突する電子ビーム
Ａを供給して焦点を合わせる。フィラメントリード２０
は、ガラス容器を貫通して陰極組立体に電気接続され、
陰極組立体に電流を供給する。電子ビームが回転陽極に
衝突するとき、ビームの一部はＸ線Ｂに変換される。そ
のＸ線Ｂは陽極表面から放射され、そのＸ線の一つのビ
ームは、容器１４及び取り囲んでいる冷却油包囲(enclo
sure)即ちハウジング２２の窓を通って管の外に出て行
く。

【００１３】誘導電動機３０が陽極１０を回転させる。
誘導電動機は、ガラス容器の外側に配置された駆動コイ
ル３２を有する固定子と、ガラス容器内に配置されて陰
極１０に接続された回転子３４と、を有している。回転
子は、外側の円筒形電気子即ちスリーブ部３６と、電気
子の内側中央に配置された内側軸受部材３８とを有す
る。電気子３６と軸受部材３８は、モリブデンその他の
適当な材料からなる首部４０によって陽極に接続されて
いる。電気子３６は、銅等の熱的・電気的に伝導性の良
い材料から形成されている。電動機に電流が流れると、
駆動コイル３２は電気子内に磁場を誘導し、それによっ
て、電気子及び軸受部材が、静止した円筒形の回転子支
持４２と相対的に回転する。回転子支持４２は、電気子
及び軸受部材と同軸にそしてそれらの間に配置されてい
る。回転子支持は、後方端部で、取付け組立体４３によ
ってハウジング２２に接続されており、回転子軸受を剛
性をもって支持するために、容器１４の外側に延びてい
る。

【００１４】更に図２も参照して説明すると、玉軸受や
ころ軸受等の軸受４４が、軸受部材３８と回転子支持４
２との間に配置され、それによって、軸受部材、電気子
３６、陽極１０が、回転子支持４２に対して円滑に回転
できるようになっている。軸受ボールは、厚さ約１００
０〜３０００オングストロームの鉛や銀等の潤滑材４６
（図の尺度は一定でない）でコーティングされている。
好ましくは、Ｘ線管は、前方軸受ボール４４Ｆと後方軸
受ボール４４Ｒの両方を有する。

【００１５】ここで使用したように、「前方」、「後
方」等の言葉は、軸受部材３８と陽極１０とを貫通する
軸Ｚに沿って各要素の相対的位置を定義するために用い
る。「前方」と記載される要素は陽極に近い方であり、
「後方」と記載される要素は陽極から遠い方である。

【００１６】首部４０はステム部５０とフランジ５２と
を有する。フランジ５２は、ステム部の後方端から半径
方向に広がり、首部と軸受部材及び電気子とを接続する
ためのものである。軸受部材３８は、ほぼ円筒形のシャ
フト５４と、環状のハブ５６とを有する。ハブ５６は、
軸受部材の首部でシャフトから半径方向に広がってい
て、適当に配置された開口部５８を有する。ねじやボル
ト等の締結部材（図示せず）が、軸受部材ハブ５６及び
電気子３６を、開口部を通して首部フランジ５２と接続
する。

【００１７】首部のステム部５０は、中空の内部キャビ
ティ５９を形成し、このキャビティはフランジ５２に隣
接する開口を有する。これにより、陽極から来て首部を
通る熱は、図２の熱流の矢印Ｈに示すように、主に首部
フランジ５２と軸受ハブ５６とを通って軸受に入る。熱
は電気子３６（図２には示さない）にも入る。ステムキ
ャビティ５９によって、中実のステムに比べて、熱が流
れる部分の断面積が小さくなる。熱流量は断面積に依存
するので、断面積が小さくなると、軸受シャフトに流れ
る熱流量が小さくなる。

【００１８】Ｘ線管軸受シャフト５４は、内部に円柱形
キャビティ即ち穴６０を形成している。キャビティ６０
は、ハブ端部から軸方向にシャフトの中に、少なくとも
シャフトの途中まで延びていて、ハブ即ちシャフトの前
方端に隣接して開口６２を有する。軸受シャフトキャビ
ティ６０は、好ましくは、シャフト外径(internal diam
eter)の約７０％まで穿孔することによって形成する。
しかし、あまり多くの材料を削り取ると、軸受シャフト
は、軸受部材にかかる荷重に耐える十分な剛性を持てな
くなる。これは、軸受部材の早期破壊に繋がる可能性が
ある。キャビティを持ったシャフトを鋳造することを含
めて、その他のキャビティ形成方法も考えられる。

【００１９】前方軸受レース６４、後方軸受レース６６
が、シャフト５４の外側円柱面６８に形成されている。
前方軸受レースは陽極１０に最も近い。軸受レースは、
軸受シャフトに、それぞれ、前方軸受ボール４４Ｆ及び
後方軸受ボール４４Ｒを受け入れるための半円形断面の
環状の窪み即ち溝を有する。

【００２０】ほぼ円柱形のコア即ち挿入体７０は、軸受
キャビティ６０内に受容され、軸受シャフト５４の内側
円筒表面７２の少なくとも一部と熱的に接触している。
コア７０は、熱伝導率の高い材料（軸受シャフトの材料
よりも熱伝導率の高い材料）からできている。軸受シャ
フトは、工具鋼等の熱伝導率が比較的低い材料からでき
ている。レックス２０（商標；Rex20）は、軸受シャフ
トに一般的に使用される工具鋼の一つであり、中空軸受
シャフト５４に使用することができる。

【００２１】従って、熱は、好ましくは高熱伝導率のコ
ア７０を通って流れる。図２に示すように、熱は、軸受
ハブ５６に隣接する部分でコアに入り、コアを通って、
後方軸受レース６６に隣接するシャフト５４の後方端に
向かって流れる。これによって、前方レース６４から後
方レースへの熱伝達がなされ、前方レースで温度が下が
り、後方レースの温度が少し上昇する。後方レースの温
度は前方レースの温度よりもまだ低いので、前方レース
の温度が、Ｘ線管の寿命（前方軸受ボールからの潤滑材
の完全な蒸発によるＸ線管の破損までの時間）を支配す
る。従って、後方軸受レース温度の上昇は、管寿命に大
きな影響を与えない。

【００２２】一つの適当なコア７０は銅からできている
が、他の高熱伝導率材料も考えられる。銅は、他の多く
の高熱伝導率材料に比べて幾つかの利点を有している。
第１に、銅は、軸受シャフトの製造に一般的に使用され
ている工具鋼に比べて、高い熱膨張係数を有する。この
熱膨張係数の違いによって、Ｘ線管の動作中に銅製のコ
アが熱せられたときに、コアが軸受キャビティ６０内で
膨張し、軸受シャフト５４とコア７０との間の良好な接
触が、そして低い接触熱抵抗が保証される。これによっ
て、軸受とコアの間の熱伝達が促進される。銅は更に、
低い蒸気圧力を有するので、Ｘ線管の高真空条件での使
用に適している。コア材料としてのその他の適当な材料
には、銀やベリリウムが含まれる。コア７０は、コアと
軸受シャフト内表面７２との間の接触抵抗を減らすべ
く、極めて微細に仕上げられていることが好ましい。

【００２３】更に図３をも参照して説明する。好ましい
実施の形態においては、コア７０は、一つ又は複数の逃
し切削部即ち溝７４、７６を有する。溝７４、７６は、
コアの外表面の一部を機械工作するによって、円柱形の
窪みを形成したものでもよい。逃し溝７４、７６によっ
て、コアとシャフトの内表面７２との間に、環状の空間
７８、８０がそれぞれ形成される。この空間は、Ｘ線管
容器の最初の真空引きのときに真空に引かれ、熱伝導率
の低い断熱空間を形成する。これによって、コアと軸受
シャフトの間の熱移動が抑制される。溝７４、７６の長
さ及び位置によって、コアと軸受シャフトが熱的に接触
する環状の熱接触領域即ちパッド８４、８６の場所と大
きさが決定される。軸受シャフトとコアの間の伝導熱伝
達は、主にこれらの接触領域で行なわれる。溝の位置及
び長さを選択することによって、熱は、軸受シャフトに
戻される前に選択された距離だけコアに沿って移動する
ようにできる。この方法により、前方及び後方の軸受レ
ースの間の温度差を低下させ、好ましくはバランスさせ
る。

【００２４】図３は２本の溝７４、７６を示すが、より
少ない又はより多い溝を採用することも可能である。前
方の溝７４は、前方レース６４の少し前方から、コア７
０に沿って後方に向かって延びている。これによって、
ハブ５６に隣接して、そして前方レース６４の前方に、
前方接触領域８４が形成される。熱は、首部４０から後
方に向かって軸受シャフト５４内に流れ、その熱の大部
分は前方接触領域８４を通じてコア７０内に流れ込む。
この、コア内への熱の流入によって、ハブと前方レース
の間の軸受シャフトの前方部８５を通って直接前方レー
ス６４へ流れる熱の量が少なくなる。このように、熱の
大部分は、コアを通って、前方溝の端部に位置し前方レ
ースのかなり後方にある後方接触領域８６に向かって、
流れる。第２の接触領域８６を通ってシャフトに入る熱
の一部は、軸受シャフトに沿って第１のレース６４に向
かって前方に流れ、又、一部は、軸受シャフトに沿って
後方レース６６に向かって後方に流れる。

【００２５】図３に示すように、コア７０によって、シ
ャフト５４内を通って前方軸受レース６４に至る一部の
熱の通路が長くなり、それと同時に、その熱がシャフト
を通って後方軸受レースに至る通路が短くなる。このよ
うにして、二つのレースの間の熱の分配がより均一にな
る。従来の軸受シャフトにおいては、軸受シャフトに入
る熱が前方レースに至るまでの距離ｘは比較的短い。図
３の軸受部材で、ステムからシャフトに入る熱の少なく
とも一部は、コアに沿って流れ、軸受レースから距離ｙ
の所で軸受シャフトに再び入る。距離ｙは距離ｘよりも
長い。軸受シャフトに沿う点の温度は断面積及び熱が移
動した距離に依存するので、距離２ｙ−ｘが加算される
ことによって、前方軸受レースでの温度が低下する。こ
れとは対照的に、本発明の高熱伝導率のコアでない従来
の中実の工具鋼のコアによると、熱がシャフトを順次伝
達され、陽極１０から前方レース６４まで比較的近くて
熱経路の距離が比較的短いために、前方レースを後方レ
ースよりもはるかに高い温度に加熱してしまう。

【００２６】代替の実施の形態では、溝が、セラミック
等の低い熱伝導率（軸受シャフトの材料よりも低い熱伝
導率）の材料で満たされている。

【００２７】他の代替の実施の形態では、コアを切削し
て溝を作る代わりに、座金その他の適当なスペーサでコ
アの円周を取り囲むことによって接触パッド８４、８６
を形成する。座金は、コアと熱的に良好な接触を維持す
るためにコアに溶接することが好ましい。座金は、好ま
しくは高熱伝導率材料である。但し、工具鋼等の低熱伝
導率材料を使用することも可能である。これらはいずれ
にしても、隣接する溝空間７８、８０内の真空よりは高
伝導率である。他の代替として、接触パッド及び溝は、
軸受シャフト内表面７２を機械工作するか、シャフト内
表面に座金又はスペーサを溶接することによって形成す
ることもできる。

【００２８】第２の後方溝７６を、後方レース６６に隣
接して配置してもよい。後方溝によって、コア７０を通
る熱の一部が、後方溝の後方に流れ、後方レースの後方
に形成された第３の接触領域９０を通してシャフト５４
に流れる。これによって、コアを流れる熱の一部が、軸
受シャフト５４の後方部９２即ち後方レースの後方を加
熱し、それによって後方レースに達する熱の量を減らす
ことになる。

【００２９】溝７４、７６の幅及び長さと、接触領域８
４、８６、９０の長さは、前方レースから後方レースへ
の熱伝達を最適化し、前方レースと後方レースの間の温
度差を低減するように調整できる。軸受シャフト５４に
沿った熱の分布を最適化するように、溝及び接触領域の
数をより少なく又はより多くすることもできる。このよ
うにして、軸受温度は、Ｘ線管の特性に合わせて調整す
ることができる。

【００３０】軸受シャフトキャビティ内にしっかり固定
されたコア７０を保持するために、コアは好ましくはシ
ャフト５４に溶接される。図３に示すように、コアは、
その後方端部に、後方に延びる環状の溶接リム（へり）
９３を有する。軸受シャフトは、対応する溶接リム９４
を有する。コアを軸受シャフトキャビティ内に配置し
て、二つのリム９３、９４は互いに溶接され、溶接ジョ
イントを形成する。これは、コアを軸受シャフトに溶接
するのに都合の良い方法であるが、他の方法も考えられ
る。

【００３１】他の実施の形態では、コア７０が、軸受シ
ャフトキャビティ６０内に直接投げ入れられて鋳造され
る。この実施の形態では、軸受シャフト５４に穴があけ
られ、コアを形成するための銅等の溶融金属が充填され
る。溶融した銅は、加圧状態で冷却され、コアを形成す
る。この方法によれば、コアと軸受シャフトの間の熱接
触が良好になるが、溝の形成はすぐにはできない。

【００３２】図２に示すように、軸受ハブ５６は、数個
の貫通穴９６を有していてスポークを有する(spoked)ハ
ブを形成するものでもよい。穴は、ハブの質量の約１０
〜３０％を残すものであることが好ましい。材料を削る
ことによって残るハブの断面積が小さくすることによ
り、ハブの強度をあまり低下させずに、ハブ及び隣接す
る軸受シャフトの前方部８５を通る熱抵抗を増大させ
る。スポークを有する軸受ハブと銅製コアとの組合せに
よって、前方軸受レースの温度は約４０℃低下する。こ
れによって、処理期間中に軸受潤滑材の蒸発を１／４程
度に(by a factor of four)減らすことができる。

【００３３】図４にも示すように、他の代替の実施の形
態で、コア７０は、Ｘ線管の動作時又は環境温度におい
て液体であるような材料から形成される。適当な液体コ
アには、水銀、ガリウム、及び、ガリウム・インジウム
・錫の混合合金が含まれる。コア用の液体材料は、軸受
キャビティ６０内に注入又は導入される。次にキャビテ
ィの前方端部が、端部キャップ即ちプラグ１００によっ
てシールされ、液体材料コアの漏洩が防止される。Ｘ線
管の動作中の金属の漏洩は僅かであっても、Ｘ線管真空
中への金属の蒸発をもたらし、動作寿命を縮めることに
なりうる。従って、プラグは、溶接によって密にシール
することが好ましい。軸受キャビティの後方端部は、液
体金属の導入前に同様の端部キャップ即ちプラグ１０２
で栓をする。代替方法として、軸受シャフトは、その長
さに沿って全体には穴が開いておらず、後方端で一部が
残っていてこれがプラグとして機能するものでもよい。

【００３４】水銀等の液体金属は、銅、銀及びその他の
幾つかの固体金属に比べて熱伝導率が低い傾向がある
が、表面同士の極めて良好な接触を保証することができ
る。従って、軸受シャフト５４と液体コア７０の間の良
好な熱接触によって、コアの熱伝導率の低下がある程度
補償される。

【００３５】腐食性の液体金属による腐食を防止するた
めに、選択により、シャフトの内表面７２の表面処理
（例えば耐腐食材料によるメッキ等）が使用される。図
４は、軸受シャフトの内表面を、耐腐食材料１０４（図
は正しい尺度になっていない）の薄膜でコーティングし
た場合を示す。材料１０４も熱伝導率の高いものである
べきである。ニッケルは、適当な耐腐食材料である。

【００３６】図５に示す代替の実施の形態では、コア７
０'はＸ線管取付け具４３'と一体になっている。具体的
には、コアは、取付け具から前方に延びていて、中空の
軸受シャフト５４'に受け入れられる。コアの後端部
は、取付け具に溶接又はその他の方法で取り付けられ
る。この実施の形態で、コア７０'は、回転子支持４２'
及び取付け具とともに静止しており、軸受シャフト５
４'はコアに対して相対的に回転する。

【００３７】コアの直径は、軸受シャフトキャビティ６
０'の内径よりも僅かに小さく、動作中に、コアと軸受
シャフトの間に狭い真空の間隙１１０（図は正しい尺度
になっていない）が形成されるようになっている。コア
７０'には、図１〜４のコア７０と同様に溝を形成して
もよい。但し、溝の幅は真空の間隙１１０よりも大きく
する。Ｘ線管の動作中に、熱は、中空の軸受シャフト５
４'から、狭い真空間隙１１０を通ってコア７０'に伝達
される。熱は、コアから取付け具４３'とハウジングに
伝達され、そして容器の外側に通過し、ハウジングに充
填される冷却油に流れる。油を冷却することによって、
コアも冷却される。選択によって、ステムキャビティ５
９'の後方端部又は軸受シャフトキャビティの前方端部
に配置されて溶接された端部キャップ１１２によって、
コアの前方端部が、軸受シャフトキャビティからステム
キャビティに動いていくのが抑制される。これによって
コアは、軸受シャフト５４'の後方端部と取付け具４３'
との間の環状間隙１１４に保持されるように位置決めさ
れる。

【００３８】図６は、二つの軸受潤滑材、鉛と銀につい
て、軸受潤滑材の寿命を操作温度に対してプロットした
ものである。図６に示すように、温度が上昇すると潤滑
材の寿命（潤滑材が完全に蒸発するまでの時間で表す）
は指数関数的に低下する。これからわかることは、前方
軸受レースの温度を僅か２〜３度でも下げれば、たとえ
後方軸受の温度が同等の温度だけ上昇したとしても、潤
滑材の寿命が著しく延びることである。例えば鉛軸受に
ついて、温度が３５０℃から３２０℃に低下（即ち、３
０℃低下）すると、軸受潤滑材の寿命は、１５０時間未
満から７５０時間に延び、４０℃低下して３１０℃にす
ると寿命が１０００時間にまで延びる。図６は、図７に
示す蒸発率（グラム／平方センチメートル／秒で表す）
の計算から求めたものである。温度Ｔｉ（度Ｋ）におい
て潤滑材（銀又は鉛）が蒸発する時間Ｈは、得られた潤
滑材の測定による蒸発率から次の式のように乗算によっ
て計算した。

【００３９】Ｈ＝Ｍ／（Ｅｉ×Ｆ×３６００）（１）

【００４０】ここに、Ｆは露出潤滑面の面積（ｃ
ｍ^２）、Ｅｉは温度Ｔｉにおける潤滑材の蒸発率（ｇ／
ｃｍ^２／ｓｅｃ）、Ｍは潤滑材の質量（ｇ）である。

【００４１】蒸発率は次のように計算した。半径ｒの軸
受ボールの表面積Ｆ＝４πｒ^２。半径０．１２５インチ
（０．３１７５ｃｍ）のボールについては、表面積Ｆは
１．２６７ｃｍ^２である。各ボールに初めに付着された
潤滑材の重さはほぼ：

【００４２】Ｍｏ＝Ｆ×ｔ×ρ （２）

【００４３】ここに、ｔは付着された潤滑材の厚さ（ｃ
ｍ）、ρは潤滑材の密度（ｇ／ｃｍ^３）である。

【００４４】付着された潤滑材の厚さｔが１５００オン
グストローム（鉛）又は１０００オングストローム
（銀）の場合、鉛及び銀の密度ρがそれぞれ１１．３４
ｇ／ｃｍ ^３、１０．５００ｇ／ｃｍ^３であるから、

【００４５】鉛については、Ｍｏ＝２．１５５×１０
^−４ｇであり、銀については、Ｍｏ＝１．３３×１０
^−４ｇである。鉛及び銀についての蒸発率Ｅｉ（ｇ／ｃ
ｍ^２／ｓｅｃ）は、次の式を用いて計算した。

【００４６】Ｅi＝１０exp［（Ｈ−（０．５logＴｉ））−（Ｇ／Ｔｉ）］（３）

【００４７】Ｇ及びＨの値は、ダシュマン(Duschman)著
「真空技術の科学的基礎(Scientific Foundations of V
acuum Technique)」の第７００頁の表１０．２から次の
ように得た。

【００４８】鉛については、Ｇ＝９７１０，Ｈ＝７．６９銀については、Ｇ＝１４２７０，Ｈ＝８．６３式（３）から計算したＥｉの値を用いて、式（１）か
ら、蒸発までの時間を予測した。

【００４９】本発明のコア７０、７０'によって得られ
る温度低下により、軸受潤滑材として銀よりも鉛を採用
する方が好ましくなり、これにより、Ｘ線管操作におい
ていくつかの利点を得られる。銀潤滑材に比べて、例え
ば、必要なトルクが小さくなり、動作中の騒音レベルが
低下する。好ましくは、コア７０、７０'は、従来のＸ
線管に比べて、前方レース６４の温度を少なくとも２０
℃低下させ、更に好ましくは約４０℃以上低下させる。
本発明のコアを用いたＸ線管では、前方軸受の破損まで
の時間が延びることから、管寿命が延びるであろう。

【００５０】図１〜図４のＸ線管を形成するために、コ
ア７０は、軸受シャフトキャビティ６０内に挿入され、
そのコアをシャフトキャビティ内に保持するために、溶
接リム９３、９４が互いに溶接され、又は、端部キャッ
プ等の他の方法が採用される。シャフトのハブ５６は、
ねじその他の適当な締結部材によって首部フランジに接
続され、陽極１０は首部に接続される。軸受ボール４４
は、前方軸受レース６４及び後方軸受レース６６とこれ
らに対応する回転子支持４２の上のレースとの間に配置
される。Ｘ線管が組み立てられた後に、それは低圧に真
空引きされ、陽極を含む内部部品が加熱され、それによ
って、軸受シャフトも加熱される。その温度及び圧力状
態に置かれた部品から蒸発する材料は、Ｘ線管から排出
される。この処理段階で、前方軸受レース６４の温度が
低くなっていることによって、軸受ボール４４から蒸発
する潤滑材４６の量ははるかに小さくなっている。

【００５１】図９は他の実施の形態を示すもので、高熱
伝導率のコア１２２の前方端部１２４に隣接してコア１
２２の外側円柱表面１２１に、ほぼ円筒形の第１の軸受
シャフト部１２０が、溶接又はその他の方法でしっかり
と接続されている。首部１２６は、前方端部１２４を介
して、コアをＸ線管（図示せず）の陽極に接続してい
る。高熱伝導率のコア１２２の後方端部１３０に隣接し
て、ほぼ円筒形の第２の軸受シャフト部１２８が、溶接
又はその他の方法でしっかりと接続されている。第１及
び第２の軸受シャフト部１２０、１２８は、工具鋼等の
低熱伝導率材料からできている。軸受シャフト部１２
０、１２８は、潤滑軸受ボール（図示せず）を受け入れ
る軸受レース１３４、１３６をそれぞれ形成する。軸受
シャフト部は、それぞれ、コアの隣接領域から軸受レー
スを担う(carries)軸受シャフト部を分離する溝１３
８、１４０を有してもよい。好ましくは、溝はＸ線管チ
ャンバ１２にアクセス可能であって、チャンバが真空引
きされているときに同時に真空引きされる。この目的の
ために、各軸受シャフト部それぞれに通路１４４を設け
てもよい。

【００５２】選択的に、シャフト等の支持部材１５０が
コア１２２に沿って軸方向に延びていて、コアに剛性を
付与している。シャフト１５０は、好ましくは、工具鋼
その他の剛性材料からなる。シャフトは、陽極に直接接
続されているか、又は、首部１２６に接続されている。

【００５３】次に示す実施例は、本発明によるコアを用
いた軸受レース温度分布で得られる改良を示すもので、
発明の範囲を限定することを意図していない。

【００５４】

【実施例】＜実施例１−銅製コアと従来の固体シャフト
との比較＞従来の中実工具鋼シャフトの温度分布と、本
発明によって形成された中空工具鋼シャフト５４及び銅
製コア７０の温度分布とを比較することによって、軸受
レース温度における銅製コアの効果を判定した。各シャ
フトは、図８Ｂに示すように首部に結合された。二つの
シャフトの温度は、有限要素解析を用いて計算機モデル
化技術によって判定した。それぞれの首部の前方端部を
１２００℃に加熱して、ステムとシャフトの温度をモデ
ル化した。

【００５５】このような条件で動作した図８Ａ及び図８
Ｂに示す軸受シャフトの温度分布で、従来のシャフト
（図８Ａ）では、前方軸受レースは１９５℃に達し、後
方軸受レースは１０１℃に達した。これに対して、本発
明によるシャフト（図８Ｂ）の前方軸受レースは１５５
℃に達した。即ち従来のシャフトの場合よりも４０度低
かった。後方軸受レースの温度は１３５℃に達したので
これは従来の後方レースよりも高かったが、前方軸受レ
ースよりは低かった。従って、本発明のＸ線管は、従来
のＸ線管に比べて、軸受レースから潤滑材が蒸発する前
に、長時間運転できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による回転陽極管の模式図である。

【図２】図１のＸ線管の軸受部材及び首部の拡大断面斜
視図である。

【図３】図２の軸受シャフト及びコアの拡大断面図であ
る。

【図４】本発明による軸受シャフト、コア及び首部の代
替の実施の形態の拡大側断面図である。

【図５】本発明による軸受シャフト、コア及び首部の第
２の代替の実施の形態を示す図である。

【図６】鉛及び銀の潤滑材について、軸受ボールから潤
滑材が完全に蒸発するまでの時間の計算値を潤滑材の温
度に対してプロットしたグラフである。

【図７】鉛及び銀の潤滑材について、蒸発率の計算を温
度に対してプロットしたグラフである。

【図８Ａ】従来のＸ線管の首部の陽極端部が１２００℃
になるように加熱したときの、首部及び軸受部材の温度
分布図である。

【図８Ｂ】本発明による熱伝導コアを有する管の首部の
陽極端部が１２００℃になるように加熱したときの、首
部及び軸受部材の温度分布図である。

【図９】本発明によるＸ線管用の軸受シャフトと首部の
他の代替の実施の形態の側断面図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者マークエスマスカアメリカ合衆国イリノイ州 60067 パラタインノースウォーターバリー 1441 (72)発明者ドナルドシーミューラーアメリカ合衆国イリノイ州 60504 オーロラカムデンレーン 1250 Ｆターム(参考） 3J101 AA03 AA43 AA62 AA72 BA77 CA33 FA32 GA57

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｘ線ビームを作るＸ線管において、該Ｘ
線管は、真空チャンバ（１２）を形成する容器（１４）と、前記
チャンバ内に配置されて電子源を供給する陰極（１８）
と、前記チャンバ内に配置されて前記電子の衝突を受け
てＸ線を発生する陽極（１０）と、前記陰極と相対的に
回転する回転子（３４）とを有し、前記回転子は、前方軸受レース（６４、１３４）と、前記陽極からの熱がコアによって伝わるように、前記コ
アが前記前方軸受レースを迂回する(pass)熱を伝えるよ
うに、前記前方軸受レース（６４、１３４）の熱伝導率
がコアの熱伝導率よりも低くなっている、高熱伝導率を
有する回転子コア（７０、７０'、１２２）と、を有
し、前記Ｘ線管は更に、前記前方軸受レース内に受容される
潤滑軸受（４４）を有すること、を特徴とするＸ線管。
【請求項２】請求項１に記載のＸ線管において、前記
コア（７０、７０'、１２２）が、銅、銀及びベリリウ
ムからなるグループから選択された固体材料から形成さ
れていることを特徴とするＸ線管。
【請求項３】請求項１又は２に記載のＸ線管におい
て、前記コア（７０）が、コアを取り囲んでいてしかも
少なくとも前記前方軸受レースを形成している軸受シャ
フト（５４）に溶接されていること、を特徴とするＸ線
管。
【請求項４】請求項１乃至３のいずれかに記載のＸ線
管において、後方軸受レース（６６、１３６）と、前記
後方軸受レースによって受容された潤滑軸受（４４）
と、を更に有し、前記前方軸受の方が前記陽極に対して
前記後方軸受レースよりも近くにあること、を特徴とす
るＸ線管。
【請求項５】請求項４に記載のＸ線管において、前記
前方及び後方の軸受レースは共通のシャフト（５４、５
４'）の上に形成され、前記コア（７０、７０'）は前記
シャフトの内部キャビティ（６０）内に受容されてお
り、前記コアと前記軸受シャフトの間に、前記コアと前
記軸受シャフトの間の低い熱伝達の領域を与えるように
環状空間（７８、８０）が形成され、それによって、前
記コアと前記シャフトの間で、前記環状空間に隣接する
熱的接触領域（８４、８６）で熱が流れるようになって
おり、前記環状空間が、前記前方軸受レースに到達する
までに熱が伝わる経路長さを長くするように配置されて
いること、を特徴とするＸ線管。
【請求項６】請求項５に記載のＸ線管において、前記
環状空間が、前記コア（７０）の前記前方軸受レースに
隣接する溝（７４）によって形成されていること、を特
徴とするＸ線管。
【請求項７】請求項４に記載のＸ線管において、前記
前方及び後方の軸受レースは、前記陽極に接続され中空
の軸方向キャビティ（６０'）を有する軸受シャフト
（５４'）の上に形成され、前記コア（７０'）は、静止
したハウジング（２２）に接続され、前記軸受シャフト
が前記コアに対して回転できるように、その軸受シャフ
トと間隔をおいていること、を特徴とするＸ線管。
【請求項８】請求項４に記載のＸ線管において、前記
前方及び後方の軸受レースは、内部キャビティ（６０）
を有する共通シャフト（５４）に形成され、前記コア
（７０）は、水銀と、ガリウムと、錫とガリウム及びイ
ンジウムの少なくとも一方とを混ぜた合金とからなるグ
ループから選択された液体金属から形成されること、を
特徴とするＸ線管。
【請求項９】陽極（１０）と、この陽極に接続された
回転子組立体（３４）とを有するＸ線管内の軸受潤滑材
の蒸発を抑制する方法において、前記回転子組立体は前
方軸受レース（６４、１３４）と後方軸受レース（６
６、１３６）とを有し、前記前方軸受レースは前記軸受
レースに比べて前記陽極に近く、前記方法は、前記前方軸受レースを迂回して(around an
d past)、少なくとも前記前方軸受レースに隣接して前
記回転子組立体の内部領域に延びている高熱伝導率部
（７０、７０'、１２２）を通って、後方軸受レースに
向かって熱を伝動する工程を含むこと、を特徴とする方
法。
【請求項１０】請求項９に記載の方法において、前記高熱伝導率部と前記前方軸受レースとの間に断熱領
域（７８）を挿入することによって、前記高熱伝導率部
と前記前方軸受レースとの間の直接の熱伝達を抑制する
工程を更に含むこと、を特徴とする方法。