(57)【要約】【課題】Ｘ線管用の液体金属またはスパイラル溝ベアリング構造およびベアリング構造を製造するための関連するプロセスを提供する。【解決手段】Ｘ線管用の液体金属またはスパイラル溝ベアリング構造およびベアリング構造を製造するための関連するプロセスが提供され、ジャーナルベアリングスリーブには、Ｘ線管内のベアリングアセンブリの動作中にスリーブに伝達される熱を放散してスリーブの熱変形を最小限に抑え、それによってベアリングアセンブリ内のギャップサイズの変化を最小限に抑えるように機能する多数の構造が形成される。スリーブ内に形成された構造は、最高温度勾配が発生するスリーブのセクション内に配置されたスロットである。スロットは、スロット間のスリーブの部分の変形から生じる応力を最小限に抑えながら、スリーブから離れる方向への熱伝導率を増大させることを可能にする。【選択図】図２
2020024909.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｘ線管（４０）と共に使用するように適合されたベアリングアセンブリ（５０）であって、
ａ）シャフト（７６）と、
ｂ）前記シャフト（７６）の周りに回転可能に配置されたスリーブ（１０８）であって、前記スリーブ（１０８）は、前記スリーブ（１０８）の開放端を形成する着座部分（１１４）を含み、前記着座部分（１１４）は、内部に形成された少なくとも１つのスロット（１３０、１４０）を含むスリーブ（１０８）と、
ｃ）前記着座部分（１１４）内に少なくとも部分的に着座したスラストシール（１１０）であって、前記スラストシール（１１０）は、前記シャフト（７６）が通って延びる中央開口を有するスラストシール（１１０）と
を備える、ベアリングアセンブリ（５０）。
【請求項２】
前記着座部分（１１４）が、接合フランジ（１２０）を含み、前記少なくとも１つのスロット（１３０、１４０）が、前記接合フランジ（１２０）内に配置される、請求項１に記載のベアリングアセンブリ（５０）。
【請求項３】
前記接合フランジ（１２０）が、周辺切欠き（１２２）によって前記着座部分（１１４）の残りの部分から分離される、請求項２に記載のベアリングアセンブリ（５０）。
【請求項４】
前記スリーブ（１０８）が、非耐火金属で形成される、請求項１に記載のベアリングアセンブリ（５０）。
【請求項５】
前記非耐火金属が、ステンレス鋼または炭素工具鋼から選択される、請求項４に記載のベアリングアセンブリ（５０）。
【請求項６】
前記スリーブ（１０８）が、前記スリーブ（１０８）の閉鎖端を形成するキャップ部分（１１２）をさらに備え、前記キャップ部分（１１２）と前記着座部分（１１４）とが、一体構造として互いに一体的に形成される、請求項１に記載のベアリングアセンブリ（５０）。
【請求項７】
前記少なくとも１つの切欠き（１２２）が、前記着座部分（１１４）に半径方向内向きに延びる、請求項１に記載のベアリングアセンブリ（５０）。
【請求項８】
前記着座部分（１１４）に形成され、前記着座部分（１１４）の周囲の周りに互いに等距離で離間している多数の切欠き（１２２）をさらに備える、請求項７に記載のベアリングアセンブリ（５０）。
【請求項９】
前記少なくとも１つの切欠き（１２２）が、１ｍｍ〜５ｍｍの幅を有する、請求項１に記載のベアリングアセンブリ（５０）。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの切欠き（１２２）が、１ｍｍ〜３ｍｍの幅を有する、請求項１に記載のベアリングアセンブリ（５０）。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの切欠き（１２２）が、前記着座部分（１１４）から前記キャップ部分（１１２）に延びる、請求項６に記載のベアリングアセンブリ（５０）。
【請求項１２】
Ｘ線管ベアリングアセンブリ（５０）内で使用するように適合されたスリーブ（１０８）であって、
ａ）前記スリーブ（１０８）の閉鎖端を形成するキャップ部分（１１２）と、
ｂ）前記閉鎖端の反対側で前記キャップ部分（１１２）と係合し、前記スリーブ（１０８）の開放端を形成する着座部分（１１４）であって、前記着座部分（１１４）は、内部に形成された少なくとも１つのスロット（１３０、１４０）を含む着座部分（１１４）と
を備える、スリーブ（１０８）。
【請求項１３】
前記スリーブ（１０８）が、非耐火金属で形成される、請求項１２に記載のスリーブ（１０８）。
【請求項１４】
前記着座部分（１１４）に形成され、互いに等距離で離間している多数のスロット（１３０、１４０）をさらに備える、請求項１２に記載のスリーブ（１０８）。
【請求項１５】
前記着座部分（１１４）が、周辺切欠き（１２２）によって前記着座部分（１１４）の残りの部分から分離された接合フランジ（１２０）を含み、前記多数の切欠き（１２２）が、前記接合フランジ（１２０）に形成される、請求項１４に記載のスリーブ（１０８）。
【請求項１６】
前記多数の切欠き（１２２）が、前記接合フランジ（１２０）に半径方向内向きに延びる、請求項１４に記載のスリーブ（１０８）。
【請求項１７】
前記多数の切欠き（１２２）の各々が、前記接合フランジ（１２０）内の前記切欠き（１２２）に形成された半径（１４２）を含む、請求項１６に記載のスリーブ（１０８）。
【請求項１８】
Ｘ線管（４０）で使用するためのベアリングアセンブリ（５０）を形成するための方法であって、
ａ）非耐火材料で形成されたスリーブ（１０８）を設けるステップであって、前記スリーブ（１０８）は、前記スリーブ（１０８）の開放端を形成する着座部分（１１４）を有し、前記着座部分（１１４）は、内部に形成された多数のスロット（１３０、１４０）を有するステップと、
ｂ）一定量の液体金属ベアリング流体を前記スリーブ（１０８）に入れるステップと、
ｃ）シャフト（７６）を前記スリーブ（１０８）の前記着座部分（１１４）に挿入するステップと、
ｄ）スラストシール（１１０）を前記シャフト（７６）の周りの前記スリーブ（１０８）の前記着座部分（１１４）に固定するステップと
を含む、方法。
【請求項１９】
前記スリーブ（１０８）を設けるステップが、
ａ）前記スリーブ（１０８）を形成するステップと、
ｂ）前記多数のスロット（１３０、１４０）を前記スリーブ（１０８）の前記着座部分（１１４）に機械加工するステップと
を含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記スリーブ（１０８）を設けるステップが、前記着座部分（１１４）に前記切欠き（１２２）を有する前記スリーブ（１０８）を付加製造するステップを含む、請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、Ｘ線管に関し、より具体的には、Ｘ線管に利用されるスパイラル溝ベアリング（ＳＧＢ）の構造および組立方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｘ線システムは、Ｘ線管と、検出器と、Ｘ線管および検出器のための支持構造とを含むことができる。動作中、対象物が配置される撮像テーブルは、Ｘ線管と検出器との間に位置することができる。Ｘ線管は、典型的には、Ｘ線などの放射線を対象物に向かって放出する。放射線は、撮像テーブル上の対象物を通過し、検出器に当たる。放射線が対象物を通過すると、対象物の内部構造は、検出器で受容される放射線に空間的な変動を引き起こす。次いで、検出器は受容したデータを放出し、システムは、放射線の変動を画像に変換し、画像を使用して対象物の内部構造を評価することができる。対象物は、限定はしないが、例えば、Ｘ線スキャナにおけるパッケージまたはコンピュータ断層撮影（ＣＴ）パッケージスキャナなどの、医療撮像手順にある患者および無生物の対象物を含んでもよい。
【０００３】
Ｘ線管は、高真空環境内に位置したカソードおよびアノードを含む。多くの構成において、アノード構造は、アノードが取り付けられるスリーブまたはシェル内に配置された支持シャフトで形成され、支持シャフトの周りを回転する、液体金属ベアリング構造、例えば、スパイラル溝ベアリング（ＳＧＢ）構造によって支持される。スパイラル溝ベアリング構造はまた、スリーブが支持シャフトの周りを回転する際にスリーブに作用する半径方向および軸方向の力を吸収するように働く、スリーブまたはシェルの様々な表面上にスパイラル状または螺旋状の溝を含む。
【０００４】
典型的には、誘導モータは、アノードを回転させるために用いられ、誘導モータは、アノードターゲットを支持するスリーブと、Ｘ線管の細長い首部を取り囲む銅巻線を有する鉄製の固定子構造との少なくとも一部で形成された軸に組み込まれた円筒形の回転子を有する。回転アノードアセンブリの回転子は、固定子によって駆動される。Ｘ線管カソードは、アノードからカソードへの真空ギャップを横切って加速され、アノードとの衝突時にＸ線を発生する集束電子ビームをもたらす。電子ビームがターゲットに当たる場合に生成される高温のために、アノードアセンブリを高い回転速度で回転させる必要がある。これは、ベアリングおよびアノード構造を形成する材料、すなわち、アノードターゲットおよびターゲットを支持するシャフトに厳しい要求を課す。
【０００５】
Ｘ線管内のスパイラル溝ベアリングなどの液体金属ベアリングの利点は、接触面積の量の増加による高い負荷能力および高い熱伝達能力を含む。他の利点は、当技術分野で一般に理解されているような低い音響ノイズ動作を含む。ガリウム、インジウム、またはスズ合金は、典型的には、室温で液体である傾向があり、Ｘ線管の厳しい高真空条件を満たすために、動作温度で十分に低い蒸気圧を有するため、ベアリング構造で液体金属として使用される。しかしながら、液体金属は、反応性が高く腐食性である傾向がある。したがって、アノードアセンブリのシャフトなどの液体金属ベアリングと接触し、焦点スポットで生成された熱を分散するために回転される構成要素には、そのような腐食に耐性のあるベース金属が望ましい。
【０００６】
結果的に、アノードが接続されるスリーブの構造および支持シャフトは、Ｘ線管内に生じる高温および機械的応力に耐えることができなければならず、また、液体金属ベアリングの腐食作用に耐えることができなければならない。従来技術のベアリング構成では、モリブデンまたはタングステンなどの耐火金属は、スリーブまたはシェルの構成ならびに他のベアリング構成要素のためのベース材料として使用され得る。そのような材料は、腐食および高温に対して耐性があるだけでなく、真空適合性があり、したがってＸ線管用途に適している傾向がある。加えて、ベアリング構造の冷却は、冷却流体を支持シャフトの中心に流し込み、スリーブおよび液体金属ベアリング流体によってアノードから奪われた熱に熱的に接触させることによって行うことができる。
【０００７】
しかしながら、これらの材料は溶接性が低く、機械加工するのが困難であるため、これらの材料のベアリング構成要素はシールに漏れを生じさせ得る表面欠陥を有さずに製造するのが困難である。また、耐火材料の摩滅／摩耗性質が低いため、機械加工後に存在しなくても、これらの表面欠陥が管の通常の使用中に発生して流体漏れを生じさせ、それによって管の有効寿命が短くなる可能性がある。
【０００８】
液体金属／スパイラル溝ベアリング構造の代替の構成では、スリーブおよび支持シャフトの構成のための耐火金属の代わりに鋼のような他の金属を利用することができる。鋼は液体金属流体による腐食に対する耐性は低いが、それはまた、耐火金属と比較して低コスト、良好な機械加工性、良好な摩滅／摩耗特性、および良好な溶接性の利点を有する。したがって、これらの金属、例えば、鋼は、ベアリングスリーブを形成するように、より容易に構築されて接合され得る。
【０００９】
しかしながら、鋼に対する１つの重大な欠点は、その低い熱伝導率および高い熱成長であり、これは鋼で形成されたベアリング構成要素に変形を生じさせることによってベアリング寿命を制限し得、ベアリングアセンブリの回転構成要素と静止構成要素との間に形成されたギャップのサイズの変化をもたらし、それにより金属と金属との接触、すなわち、摩耗がもたらされ、ベアリングアセンブリおよび関連するＸ線管の有効寿命を短くする。
【００１０】
この問題に対処しようとする１つの従来技術の試みでは、米国特許出願公開第２０１１／０２８０３７６号に開示されているように、静止構成要素（シャフト）と回転構成要素（スリーブ）との間のギャップサイズを維持するためにベアリングアセンブリの静止構成要素が様々な構造で形成される。シャフト内に含まれる構造は、シャフトを形成する材料の残りの部分とは異なる熱膨張特性を有し、ギャップのサイズを維持するために拡張することができるインサートと、ギャップのサイズを維持するためにシャフトを拡張するように動作可能な機械的または油圧ピストンと、動作中のスリーブの加熱によるスリーブの変形量を少なくするためにスリーブおよびシャフト上の複数のスポットに向かって熱を引き込むシャフト内の構造とを含む。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１１／０２８０３７６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、従来技術の解決策のこれらの実施形態の各々において、構造は、シャフトおよび全体的なベアリングアセンブリの構成内に追加の構成要素および動作構造を含めることによって、ベアリングアセンブリの構成の複雑さを増大させる。さらに、追加の構造は、ベアリングアセンブリの静止部分、すなわち、シャフトに配置され、Ｘ線管の動作中にスリーブの加熱から生じるスリーブの変形に適応するようにシャフトの形状を調整するためだけに動作可能である。
【００１３】
結果として、構造内の熱勾配の形成を大幅に制限し、それによってベアリング構造の変形を最小限に抑えるように、低コストの材料を使用して単純化された構造で形成することができるＸ線管用のベアリング構造を形成するための構造および方法を開発することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本開示の１つの例示的な実施形態では、Ｘ線管用の液体金属またはスパイラル溝ベアリング構造およびベアリング構造を製造するための関連するプロセスが提供され、ジャーナルベアリングスリーブには、Ｘ線管内のベアリングアセンブリの動作中にスリーブに伝達される熱を放散してスリーブの熱変形を最小限に抑え、それによってベアリングアセンブリ内のギャップサイズの変化を最小限に抑えるように機能する多数の構造が形成される。スリーブ内に形成された構造は、Ｘ線管の動作中にスリーブ内に発生する熱勾配を少なくし、それによってスリーブを形成する材料の熱伝導率性質を相殺する。
【００１５】
本開示の別の例示的な実施形態では、スリーブ内に形成された構造は、最高温度勾配が発生するスリーブのセクション内に配置されたスロットである。スロットは、スロット間のスリーブの部分の変形から生じる応力を最小限に抑えながら、スリーブから離れる方向への熱伝導率を増大させることを可能にする。
【００１６】
本開示の１つの例示的な実施形態では、Ｘ線管と共に使用するように適合されたベアリングアセンブリは、シャフトと、シャフトの周りに回転可能に配置されたスリーブであって、スリーブは、スリーブの開放端を形成する着座部分を含み、着座部分は、内部に形成された少なくとも１つのスロットを含むスリーブと、着座部分内に少なくとも部分的に着座したスラストシールであって、スラストシールは、シャフトが通って延びる中央開口を有するスラストシールとを含む。
【００１７】
本開示の別の例示的な実施形態では、Ｘ線管ベアリングアセンブリ内で使用するように適合されたスリーブは、スリーブの閉鎖端を形成するキャップ部分と、閉鎖端の反対側でキャップ部分と係合し、スリーブの開放端を形成する着座部分であって、着座部分は、内部に形成された少なくとも１つのスロットを含む着座部分とを含む。
【００１８】
本開示の方法の例示的な実施形態では、方法は、非耐火材料で形成されたスリーブを設けるステップであって、スリーブは、スリーブの開放端を形成する着座部分を有し、着座部分は、内部に形成された多数のスロットを有するステップと、一定量の液体金属ベアリング流体をスリーブに入れるステップと、シャフトをスリーブの着座部分に挿入するステップと、スラストシールをシャフトの周りのスリーブの着座部分に固定するステップとを含む。
【００１９】
上記の簡単な説明は、詳細な説明でさらに説明される概念の選択を簡略化した形で紹介するために提供されていることを理解されたい。特許請求される主題の重要なまたは本質的な特徴を特定することは意図されておらず、その主題の範囲は詳細な説明に添付される特許請求の範囲によって一義的に定義される。さらに、特許請求される主題は、上記のまたは本開示の任意の部分に記載の欠点を解決する実施態様に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の例示的な実施形態を組み込んだ撮像システムのブロック図である。
【図２】本発明の例示的な実施形態による、図１に示すシステムと共に使用可能であるＸ線管の一部の断面図である。
【図３】本発明の例示的な実施形態によるＸ線管のベアリング構造の側断面図である。
【図４】従来技術のジャーナルベアリングスリーブの等角図である。
【図４Ａ】図４の線４Ａ−４Ａに沿った部分破断断面図である。
【図５】本発明の１つの例示的な実施形態によるジャーナルベアリングスリーブの等角図である。
【図５Ａ】図５の線５Ａ−５Ａに沿った部分破断断面図である。
【図６】本発明の別の例示的な実施形態によるジャーナルベアリングスリーブの等角図である。
【図６Ａ】図６の線６Ａ−６Ａに沿った部分破断断面図である。
【図７】図４〜図６Ａのジャーナルベアリングスリーブで検出されたギャップ変形のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１は、本発明の実施形態に従って、元の画像データを取得し、表示および／または分析のために画像データを処理するように設計された撮像システム１０の一実施形態のブロック図である。本発明の様々な実施形態がＸ線またはマンモグラフィシステムなどのＸ線管を実装する多数の医療撮像システムに適用可能であることは、当業者には理解されるであろう。容積の画像３次元データを取得するコンピュータ断層撮影（ＣＴ）システムおよびデジタルラジオグラフィ（ＲＡＤ）システムなどの他の撮像システムもまた、本発明の恩恵を受ける。Ｘ線システム１０の以下の説明は、そのような実施態様の単なる例であり、モダリティに関して限定することを意図するものではない。
【００２２】
図１に示すように、撮像システム１０は、対象物１６にＸ線１４のビームを投影するように構成されたＸ線管またはＸ線源１２を含む。対象物１６は、人間の被験者、手荷物の一部、または走査されることが望ましい他の対象物を含むことができる。Ｘ線源１２は、典型的には、３０ｋｅＶから２００ｋｅＶに及ぶエネルギーのスペクトルを有するＸ線１４を発生する従来のＸ線管とすることができる。Ｘ線１４は対象物１６を通過し、減衰された後、検出器アセンブリ１８に当たる。検出器アセンブリ１８の各検出器モジュールは、当たるＸ線ビーム、したがって減衰されたビームの強度を表すアナログ電気信号を、対象物１６を通過する際に発生する。一実施形態では、検出器アセンブリ１８は、シンチレーションベースの検出器アセンブリであるが、直接変換型検出器（例えば、ＣＺＴ検出器など）も実装することができることも想定される。
【００２３】
プロセッサ２０は、検出器１８から信号を受容し、走査されている対象物１６に対応する画像を生成する。コンピュータ２２はプロセッサ２０と通信し、オペレータコンソール２４を使用して、オペレータが走査パラメータを制御し、生成された画像を見ることを可能にする。すなわち、オペレータコンソール２４は、キーボード、マウス、音声起動コントローラ、またはオペレータがＸ線システム１０を制御して再構成された画像またはコンピュータ２２からの他のデータをディスプレイユニット２６で見ることを可能にする任意の他の適切な入力装置などの何らかの形態のオペレータインターフェースを含む。さらに、コンソール２４は、オペレータが生成された画像をハードドライブ、フロッピーディスク、コンパクトディスクなどを含むことができる記憶デバイス２８に格納することを可能にする。オペレータはまた、コンソール２４を使用して、Ｘ線源１２に電力およびタイミング信号を提供するソースコントローラ３０を制御するためのコマンドおよび命令をコンピュータ２２に提供することもできる。
【００２４】
図２は、本発明の実施形態を組み込んだＸ線源１２の断面図を示す。図示の実施形態では、Ｘ線源１２は、アノードアセンブリ４２およびカソードアセンブリ４４を含むＸ線管４０で形成される。Ｘ線管４０は、ターゲットまたはアノード４８、ベアリングアセンブリ５０、およびカソード５２を収容するエンベロープまたはフレーム４６内のアノードアセンブリおよびカソードアセンブリ４２、４４によって支持される。フレーム４６は、高電圧が存在し得る環境と比較して、比較的低圧（例えば、真空）の領域３０を画定する。フレーム４６は、高電圧絶縁を提供することもできる、油などの冷却媒体で満たされたケーシング（図示せず）内に配置することができる。ターゲットおよびアノードは、Ｘ線管４０の共通の構成要素として上記で説明したが、代替のＸ線管の実施形態では、ターゲットおよびアノードを別々の構成要素としてもよい。
【００２５】
動作中、電子ビーム５４がカソードアセンブリ４４によって発生される。特に、カソード５２は、一連の電気リード５６を介して１つまたは複数の電気信号を受容する。電気信号は、１つまたは複数のエネルギーで、かつ１つまたは複数の周波数でカソード５２に電子ビーム５４を放出させるタイミング／制御信号とすることができる。電気信号は、カソード５２とアノード４８との間の電位を少なくとも部分的に制御することもできる。カソード５２は、中央絶縁シェル５８を含み、そこからマスク６０が延びる。マスク６０は電気リード５６を囲み、電気リード５６はマスク６０の端部に装着されたカソードカップ６２に延びる。いくつかの実施形態では、カソードカップ６２は、電子ビーム５４を形成するためにカソードカップ６２内の熱電子フィラメントから放出された電子を集束する静電レンズとして働く。
【００２６】
Ｘ線６４は、電子ビーム５４の高速電子が、例えば、ＣＴ用途の場合に６０，０００ボルト以上である電位差を介してカソード５２からターゲット４８に形成されたターゲットまたは焦点面６６に向けられたときに突然減速される場合に発生する。Ｘ線６４は、図１の検出器１８などの検出器アレイに向かってフレーム４６に形成された放射線放出通路６８を通して放出される。
【００２７】
アノードアセンブリ４２は、動作中にアノード４８を回転させるために、回転子７２と、Ｘ線源４０の外側に位置し、回転子７２を部分的に取り囲む固定子（図示せず）とを含む。ターゲット４８は、回転時にターゲット４８を中心線７０を中心に回転させるベアリングアセンブリ５０によって回転中に支持される。図示されているように、ターゲット４８は、ディスクなどの概して環状の形状と、ベアリングアセンブリ５０を受容するためのその中心の環状の開口部７４とを有する。
【００２８】
ターゲット４８は、タングステン、モリブデン、銅などの多数の金属もしくは複合材料、または電極とぶつかったときに制動放射（すなわち、減速放射）に寄与する任意の材料を含むように製造することができる。ターゲット４８のターゲットまたは焦点面６６は、ターゲット４８に衝突する電子によって生成された熱に耐えるように、比較的高い耐火値を有するように選択することができる。さらに、カソードアセンブリ４４とターゲット４８との間の空間は、他の原子との電子衝突を最小限に抑え、電位を最大にするために排気することができる。
【００２９】
電子がぶつかったときにターゲット４８が過熱するのを避けるために、回転子７２は、ターゲット４８を中心線７０を中心に高速（例えば、９０〜２５０Ｈｚ）で回転させる。ＣＴ用途において、Ｘ線管容積４６内のターゲット４８の回転に加えて、Ｘ線源４０全体が、図１の撮像システム１０の対象物１６などの対象物を中心に、典型的には１Ｈｚ以上の速度で回転される。
【００３０】
ベアリングアセンブリ５０は、多数の適切なボールベアリング（図示せず）を用いて必要に応じて形成することができるが、図示の例示的な実施形態では、図１の撮像システム１０内で動作するのに適切な耐荷重能力および許容可能な音響ノイズレベルを有する液体潤滑または自動ベアリングを備える。本明細書で使用される場合、「自動」および「自己潤滑」という用語は、ベアリング潤滑剤がベアリング構成要素の相対運動および外部ポンプの非存在ためにベアリングの表面上に分散したままであることを意味する。
【００３１】
一般に、ベアリングアセンブリ５０は、中心シャフト７６などの静止部分と、ターゲット４８が取り付けられるシェル７８などの回転部分とを含む。中心シャフト７６は、ベアリングアセンブリ５０の静止部分として図２に関して説明されており、シェル７８は、ベアリングアセンブリ５０の回転部分として説明されているが、本発明の実施形態は、中心シャフト７６が回転シャフトであり、シェル７８が静止構成要素である実施形態にも適用可能である。そのような構成では、ターゲット４８は、中心シャフト７６が回転すると回転する。
【００３２】
中心シャフト７６は、油などの冷却剤（図示せず）がベアリングアセンブリ５０を冷却するために流れることができるキャビティまたは冷却剤流路８０を任意に含むことができる。このように、冷却剤は、Ｘ線源４０のターゲット４８から生成された熱をそこから取り出して、Ｘ線源４０の外部に伝達することを可能にする。ストラドルに装着されたＸ線管構成では、冷却剤流路８０は、Ｘ線源４０の長手方向の長さに沿って延びる。代替の実施形態では、冷却剤流路８０は、撮像システムに載置される場合にＸ線源４０が片持ちにされる構成などで、Ｘ線源４０の一部のみを通って延びることができる。
【００３３】
ここで図３を参照すると、本発明の一実施形態によるベアリングアセンブリまたは構造５０の一部の断面図が示される。ベアリングアセンブリ５０は、図２のターゲット４８などのアノード（図示せず）を支持するように構成される、シェル７８内に配置された中心シャフト７６を含む。潤滑剤８４は、中心シャフト７６とシェル７８との間に形成されたギャップ８６に配置される。本発明の実施形態では、潤滑剤８４は、ベアリングアセンブリ５０の動作温度において液体状態で存在する金属または金属合金である。
【００３４】
ベアリングアセンブリまたは構造５０の回転構成要素と静止構成要素との間を流れる潤滑流体８４は、様々な個々の流体ならびに流体の混合物を含むことができる。例えば、複数の液体金属および液体金属合金は、インジウムガリウム合金などの潤滑流体として使用することができる。より一般的には、Ｘ線管の真空レベル圧力で蒸発に耐える比較的低い蒸気圧を有する流体を使用することができる。本文脈では、低い蒸気圧は、一般に、１×１０−５Ｔｏｒｒの範囲内とすることができる。言い換えると、真空中で安定な流体は、システムの動作中に確立された真空に悪影響を及ぼさないように、Ｘ線管システムで使用するのが望ましい。本開示では、潤滑剤８４は、非限定的な例としてガリウムまたはガリウム合金とすることができる。
【００３５】
図３に示す実施形態では、ベアリングアセンブリ５０の中心シャフト７６は静止構成要素であり、シェル７８は中心シャフト７６を中心に回転するように構成された回転可能な構成要素である。しかしながら、当業者であれば、本明細書に記載された発明の概念は代替のベアリング構成に適用可能であることを認識するであろう。一例として、ベアリングアセンブリ５０は、代わりに、静止外側構成要素と、それに取り付けられたターゲットを有する回転中心シャフトとを含むことができる。別の例として、ベアリングアセンブリ５０は、第１および第２の液体金属ベアリングの間のターゲットを支持するように構成される「ストラドル」ベアリングとすることができる。言い換えると、本発明の実施形態は、アノードまたはターゲットを支持する液体潤滑ベアリングを利用する任意のベアリング構成に組み込むことができる。そのような構成は、静止中心シャフトおよび回転可能な外側シャフトを含むことができ、その逆も可能である。さらに、当業者であれば、そのような用途はＸ線管に限定される必要はないが、液体潤滑ベアリングによって支持される回転構成要素を真空中に有する任意の構成に適用することができることを認識するであろう。したがって、本発明は、構成または用途にかかわらず、回転可能な構成要素および静止構成要素、ならびにそれらの間の液体潤滑剤を有する任意のベアリング構成に適用可能である。
【００３６】
図３に示すように、ベアリングアセンブリ５０の中心シャフト７６は、中心シャフト７６から延び、シェル７８の半径方向キャビティ９２に配置される半径方向突起９０を備えるスラストベアリング部分８８を含む。半径方向突起９０は、中心シャフト７６に対してスリーブ７８の軸方向運動を制限し、図示のように、半径方向突起９０とシェル７８との間にも潤滑剤８４が含まれる。半径方向突起９０は、軸方向の長さに制限される必要はないが、構成要素の追加の機械的支持を提供するために軸方向の長さに拡張することができる。
【００３７】
図３に示す本発明の例示的な実施形態では、シェル７８は、スリーブ１０８とスラストシール１１０とを含む２ピース構成で形成される。図３、図６および図７に示すスリーブの例示的な構成では、スリーブ１０８は、低コストで、良好な機械加工性、良好な摩滅／摩耗特性、および良好な溶接性を有する材料で形成される。本発明の例示的な実施形態では、スリーブ１０８を形成する材料は、とりわけステンレス鋼、Ｄ２鋼などの工具炭素鋼を含む鉄合金などの非耐火金属である。スリーブ１０８は、選択された材料の単一片として形成され、一端に閉鎖された円筒形のキャップ部分１１２および反対端に開口した着座部分１１４を有する。図示の例示的な実施形態では、着座部分１１４は、キャップ部分１１２と任意に一体的に形成され、その全体が参照により本明細書に明示的に組み込まれる、Ｗｅｌｄｅｄ  Ｓｐｉｒａｌ  Ｇｒｏｏｖｅ  Ｂｅａｒｉｎｇ  Ａｓｓｅｍｂｌｙという名称の米国特許出願公開第２０１６／０１３３４３１号に開示されているものなど、シャフト７６とスラストシール１１０が係合することができるスリーブ１０８の一体構造を形成する。
【００３８】
ベアリングアセンブリまたは構造５０は、ベアリングの様々な表面に沿った溝のパターニングのためにスパイラル溝ベアリング（ＳＧＢ）と称することができる。いくつかの例では、スパイラル溝は、対数スパイラル形状から形成することができる。スパイラル溝ベアリングは、同様に、流体動圧ベアリングおよび液体ベアリングとも称することができる。そのようなスパイラル溝ベアリングでは、液体潤滑剤８４を収容する方法は、２つの一般的な方法に分類することができる。第１の方法は、ベアリングの端部近くに物理的障壁を設けることを含み、シャフトシールは他の用途で載置される。Ｘ線管内の真空の存在下でのゴムまたは他のタイプのシャフトシールは、不適切に機能し、迅速に劣化し、および／またはＸ線管内の圧力を破壊する可能性がある。同様の理由から、Ｏリング、グリース、または２つの構成要素間の回転潤滑を助けるための他の従来の手段は、Ｘ線潤滑における真空のために望ましくない場合がある。液体金属よりも蒸気圧の低いグリースおよび他の潤滑剤は、気化して真空を破壊する可能性がある。いくつかの例では、潤滑剤を捕捉してベアリングを通る漏れを低減するために、異なる形状およびサイズの物理的壁を異なる角度に載置することができる。
【００３９】
第２の一般的な方法は、潤滑剤の毛管力を利用することを含み、２つの対向するベアリング面の間の小さなギャップを流体で濡らして流体をギャップ内に保持する。言い換えると、表面の濡れ防止性質（テクスチャリング、コーティング、またはその両方による）は、潤滑剤が小さなギャップの間を流れるのを防止するのを助ける。いくつかの例では、潤滑剤がギャップを通って移動するのを減少させるために、潤滑剤が小さなギャップ内に噛み合うように、表面がより濡れるようにコーティングおよび／またはテクスチャリングされる。他の例では、潤滑剤がベアリングアセンブリの端部近くの小さなギャップから押し出されるように、表面がより濡れを防止するようにコーティングおよび／またはテクスチャリングされる。この文脈では、小さなギャップは、１５〜５０ミクロンの範囲であり得る。
【００４０】
図２および図３のベアリングアセンブリ５０などのＸ線管システムにおける液体ベアリングの動作は、少なくとも部分的には、負荷支持能力と流体ポンピング力との間のトレードオフに依存する可能性がある。いくつかの例では、負荷支持能力および流体ポンピング力は反比例し、ベアリング溝の幾何学的形状に直接関係する。例えば、液体ベアリングの回転速度が実質的に一定であれば、より深い溝はより高いポンピング力を提供することができ、一方、シャフトとスリーブとの間のクリアランスを増加させることによりベアリングの負荷支持能力を低下させることができる。潤滑流体を収容するためにポンピング力を利用することができ、潤滑流体を収容するのをさらに補助するためにシール表面に濡れ防止コーティングを適用することができる。
【００４１】
シャフトおよびスリーブなどのベアリング面の間にある潤滑流体は、互いに対して回転している。このように、潤滑流体は、限定はしないが、せん断、くさび、および圧搾を含む多数の方法で移動され、それによってシャフトおよびスリーブを互いに持ち上げて分離する圧力を生じさせる。この効果は、液体ベアリングが機能し、シャフトとスリーブとの間に低摩擦移動を提供することを可能にする。言い換えると、潤滑流体のせん断は、流体をポンピングする場合に流体にエネルギーを与え、シャフトとスリーブとの間のギャップへのポンピング作用が液体ベアリングを機能させる。表面から流体へのエネルギー伝達により、ベアリング機能が可能となる。用途において、Ｘ線管の状況では、いくつかのベアリング面と潤滑流体との間の濡れは、せん断によりエネルギーを流体に衝突させることを可能にする。しかしながら、いくつかのベアリング面と潤滑流体との間の濡れ防止は、ベアリング面の間の摩擦を低減させ、それによってベアリングアセンブリの動作温度を低下させる。
【００４２】
ここで図４を見ると、従来技術のジャーナルベアリングスリーブ構成において、スリーブ１０８は、着座部分１１４の一部として形成され、周辺／円周方向切欠き１２２によって着座部分１１４の残りの部分から離間したボルト締め接合フランジ１２０を含む。ターゲット４８は、Ｘ線管１２の動作中に熱がターゲット４８からスリーブ１０８のスリーブボルト締め接合フランジ１２０および着座部分１１４を通して伝達されるように、適切なボルト（図示せず）または他の締結具を使用してフランジ１２０に固定される。この熱は、冷却剤を着座部分１１４およびボルト締め接合フランジ１２０と熱的に接触させることによってシャフト７６内の冷却剤流路８０内の冷却剤の対流によって除去される。Ｄ２鋼などのスリーブ１０８を形成する材料の性質により、熱勾配１２４がボルト締め接合フランジ１２０の近くのスリーブ１０８内に発生する。この熱勾配は、スリーブ１０８の構造を加熱して変形させ、その結果、図７に示すように、スリーブ１０８とシャフト７６との間のベアリングギャップ８６が変化する。ギャップ８６の幅のこの最大変化は１０μｍであり、ギャップ８６のサイズは３０μｍ〜１２０μｍである。閉鎖端１１２から測定したスリーブ１０８の軸に沿って約６５ｍｍに位置する点でのギャップ８６の幅の増加は、ベアリングスリーブ１０８を本質的に短くし、シャフト７６とスリーブ１０８との間の金属と金属との接触を引き起こし、ベアリングアセンブリ５０の早期摩耗および故障をもたらす。ギャップ８６の幅の変化を生じさせる機構は、主に熱誘導性のフープ変形であり、スリーブ１０８のより高温の外径１２６がスリーブ１０８のより低温の内径１２８を開いている／撓ませている。
【００４３】
ここで図５の図示の例示的な実施形態を参照すると、この問題に対処するために、スリーブ１０８は、多数の等間隔のスロット１３０を形成することによって修正されている。この例示的な実施形態では、スロット１３０は、既に形成されたスリーブ１０８内に約３ｍｍ〜５ｍｍの幅を有するように機械加工され、スリーブ１０８の円周の周りに互いに等距離で離間している。スロット１３０の特定の場所は変えることができるが、図５〜図５Ａの例示的な実施形態では、スロット１３０は、フランジ１２０に半径方向内向きに、任意に部分的にキャップ部分１１２に延びるように形成され、フランジ１２０を多数の花弁またはセクション１３２に形成する。セクション１３２は各々、ターゲット４８をそれぞれのセクション１３２に固定するためのボルト開口１３４を含む。スロット１３０は、スリーブ１０８に対して軸方向に配向され、フランジ１２０内で発生する熱勾配がスリーブ１０８のキャップ部分１１２ではなく、フランジ１２０の個々のセクション１３２を変形させることを可能にすることによって、熱勾配誘導性のフープ歪みを低減する。個々のセクション１３２の撓みは、いくらかの歪みエネルギーを吸収し、「高温」の外径１２６が「低温」の内径１２８を引き開く量を減少させる。スロット１３０の幾何学的形状は、セクション１３２の変形の結果としてフランジ１２０に生じる応力を最小限に抑えながら、フランジ１２０の全体的な熱伝導領域の損失を最小限に抑えるようにサイズ／形状が決められている。
【００４４】
スロット１３０の存在によって提供される改善を決定するための試験は、例えば、試験セットアップの開始時の低温、および例えば、試験セットアップの最大可能定常状態熱条件での作動中などの高温において、ベアリングスリーブ１０８がガントリ回転中に静止シャフト７６に着地する速度を測定することによって実行された。下記の表１に示すように、低温対高温のベアリングスリーブ１０８のシャフト７６への着地速度のデルタ／差は、スロット１３０を有さないスリーブ１０８については５７Ｈｚであり、スロット１３０を含むスリーブ１０８については１２Ｈｚであった。
【００４５】
【表１】
2020024909.tif 000003
これらの結果は、回転スリーブ１０８がシャフト７６に着地する速度が大幅に低下するため、動作中のスリーブ１０８の変形がスロット１３０の存在によって著しく低減されることを明確に示しており、スリーブ１０８の変形が少ないという証拠を提供する。加えて、図７に示すギャップ８６の幅の最大変化の場所および量についての結果を見ると、スロット１３０の存在は、スロット１３０のないスリーブ１０８の最大ギャップ変化と比較して、最大ギャップ変化を３０％減少させる、すなわち、１０μｍから７μｍに減少させる。
【００４６】
スリーブの変形をさらに減少させるために、図６〜図６Ａの図示の例示的な実施形態では、スリーブ１０８には、スリーブ１０８の付加製造によって形成することができる幾何学的形状を有するスロット１４０が形成される。付加製造プロセスは、スロット１４０を隣接セクション１３２間の最小幅、例えば１ｍｍ〜３ｍｍの幅で形成してフランジ１２０から除去される材料の量を減らしてスロット１４０を形成し、それによってフランジ１２０／セクション１３２を通る最大熱伝導率を維持することを可能にする。加えて、スリーブ１０８の付加製造により、スロット１４０を最適な形状／プロファイルで形成し、スロット１４０なしで形成された従来技術のスリーブ１０８と比較して、最大ギャップ変化を約５０％、すなわち、１０μｍから約４．８μｍまでさらに減少させることを可能にする。スリーブ１０８に形成されたスロット１４０はまた、スロット１４０内に例えば数ミリメートル程度の半径１４２などの半径１４２も含むことができ、これは機械加工によって形成することが不可能であり、構造ＦＥＡモデルを使用して計算された機械加工されたスロット１３０を含む図５に示すスリーブ１０８と比較して、セクション１３２の変形の結果としてフランジ１２０に生じる応力を約３０％低下させる。
【００４７】
図示の例示的な実施形態および本開示の他の実施形態に関して、スロット１３０、１４０で形成されたスリーブ１０８、およびスリーブ１０８を組み込んだベアリングアセンブリ５０は、スリーブの変形を最小限に抑えることによって、他の材料の中でも特にＤ２鋼などの非耐火金属で形成されたＸ線管ベアリングのベアリング変形を減少させる利点を提供する。その結果、片持ちまたはストラドル型のベアリング構成で形成されているかどうかにかかわらず、スリーブ１０８およびベアリング５０の変形の減少は、ベアリング５０の早期摩耗を減少させることによってスリーブ１０８およびベアリング５０の有効寿命を延ばす。さらに、スロット１３０、１４０を有するスリーブ１０８の構成は、変形および摩耗の増大に適応するためのより大きなベアリングアセンブリ５０の構成の必要性を打ち消し、それによって管の出力密度が増大し、ベアリングアセンブリ５０内の摩擦を低下させる。これらの利点は、変形の問題に対処するためのより大型でより高価なベアリングを構成するコストの回避と共に、より高価な耐火材料と比較して非耐火金属を使用するベアリング５０およびスリーブ１０８の構成の大幅なコスト削減を提供する。
【００４８】
本明細書は、本発明を開示するために実施例を用いており、最良の形態を含んでいる。また、いかなる当業者も本発明を実施することができるように実施例を用いており、任意のデバイスまたはシステムを製作し使用し、任意の組み込まれた方法を実行することを含んでいる。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到する他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、特許請求の範囲の文言との差がない構造要素を有する場合、または特許請求の範囲の文言との実質的な差がない均等な構造要素を含む場合、特許請求の範囲内にあることを意図している。
【符号の説明】
【００４９】
４Ａ−４Ａ  線
５Ａ−５Ａ  線
６Ａ−６Ａ  線
１０  撮像システム、Ｘ線システム
１２  Ｘ線源、Ｘ線管
１４  Ｘ線
１６  対象物
１８  検出器アセンブリ、検出器
２０  プロセッサ
２２  コンピュータ
２４  オペレータコンソール
２６  ディスプレイユニット
２８  記憶デバイス
３０  ソースコントローラ、領域
４０  Ｘ線管、Ｘ線源
４２  アノードアセンブリ
４４  カソードアセンブリ
４６  フレーム、Ｘ線管容積
４８  アノード、ターゲット
５０  ベアリングアセンブリ、構造
５２  カソード
５４  電子ビーム
５６  電気リード
５８  中央絶縁シェル
６０  マスク
６２  カソードカップ
６４  Ｘ線
６６  焦点面
６８  放射線放出通路
７０  中心線
７２  回転子
７４  開口部
７６  中心シャフト、静止シャフト
７８  シェル、スリーブ
８０  冷却剤流路
８４  潤滑剤、潤滑流体、液体潤滑剤
８６  ギャップ、ベアリングギャップ
８８  スラストベアリング部分
９０  半径方向突起
９２  半径方向キャビティ
１０８  スリーブ、ベアリングスリーブ、回転スリーブ
１１０  スラストシール
１１２  キャップ部分、閉鎖端
１１４  着座部分
１２０  ボルト締め接合フランジ、スリーブボルト締め接合フランジ
１２２  周辺／円周方向切欠き
１２４  熱勾配
１２６  外径
１２８  内径
１３０  スロット
１３２  セクション、隣接セクション
１３４  ボルト開口
１４０  スロット
１４２  半径
【図１】
2020024909.tif 000004
【図２】
2020024909.tif 000005
【図３】
2020024909.tif 000006
【図４】
2020024909.tif 000007
【図４Ａ】
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【図５】
2020024909.tif 000009
【図５Ａ】
2020024909.tif 000010
【図６】
2020024909.tif 000011
【図６Ａ】
2020024909.tif 000012
【図７】
2020024909.tif 000013
【外国語明細書】
2020024909000001.pdf