(57)【要約】【課題】Ｘ線管に使用されるベアリングアセンブリの構造および組立方法を提供する。【解決手段】ベアリングハウジングまたはスリーブ内に収容された半径方向に突出するスラスト・ベアリング・フランジを有するジャーナルベアリングシャフトを含むＸ線管用のベアリング構造が提供される。スリーブは、スリーブ内に形成されてシャフトの周りを回転する液体金属シールの同軸性を維持するようにスリーブと係合するスラストシールを含む。シャフトは、シャフトから冷却剤への熱伝達を最大にするためにボア内に冷却剤を導く冷却管を含む中央ボアを含み、ベアリングシャフトを形成するために鋼などの熱伝導率がより低い材料を使用できるようにする。シャフト上のスラストフランジには、冷却剤および／または液体金属がスラストフランジを通ってスリーブの構成要素に大きな熱伝達をもたらし、それによって、ベアリング部品の熱変形を減少させることができるチャネルが形成されている。【選択図】図３
2019133913.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｘ線管（１２、４０）用のベアリングアセンブリ（５０）であって、前記ベアリングアセンブリ（５０）は、
スリーブ（７８、１０８）と、
前記スリーブ（７８、１０８）内に回転可能に配置されるシャフト（７６、２０２）であって、前記シャフト（７６、２０２）を貫通するボアを含み、前記シャフト（７６、２０２）が前記スリーブ（７８、１０８）と前記シャフト（７６、２０２）との間にギャップ（８６）を形成する、シャフト（７６、２０２）と、
前記シャフト（７６、２０２）上に配置されるスラストフランジ（８８）であって、前記スラストフランジ（８８）内に形成されるチャネルを含む、スラストフランジ（８８）と、
を備える、ベアリングアセンブリ（５０）。
【請求項２】
前記スラストフランジ（８８）が、前記スラストフランジ（８８）を貫通して延在し、前記ボアと連通する入口（３０２、５０２）および前記ボアと連通する出口（３０４、５０６）を有する、少なくとも１つのチャネルを含む、請求項１に記載のベアリングアセンブリ（５０）。
【請求項３】
前記入口（３０２、５０２）と前記出口（３０４、５０６）との間に配置される少なくとも１つの外部バッフルをさらに備える、請求項２に記載のベアリングアセンブリ（５０）。
【請求項４】
前記ボア内に配置される冷却管（２００）をさらに備え、前記少なくとも１つの外部バッフルが、前記スラストフランジ（８８）と前記冷却管（２００）との間に延在する、請求項３に記載のベアリングアセンブリ（５０）。
【請求項５】
前記少なくとも１つの外部バッフルが、前記冷却管（２００）上に形成される、請求項４に記載のベアリングアセンブリ（５０）。
【請求項６】
前記少なくとも１つのチャネルが、前記入口（３０２、５０２）と前記出口（３０４、５０６）との間の前記少なくとも１つのチャネル内に配置される少なくとも１つの内部バッフル（３０８）を含む、請求項２に記載のベアリングアセンブリ（５０）。
【請求項７】
前記フランジが、前記スラストフランジ（８８）を貫通して延在し、前記ギャップ（８６）と連通する入口（３０２、５０２）および前記ギャップ（８６）と連通する出口（３０４、５０６）を有する、少なくとも１つの内部チャネル（３００、５００）を含む、請求項１に記載のベアリングアセンブリ（５０）。
【請求項８】
前記入口（３０２、５０２）が、前記ボアの反対側の前記フランジの外側エッジ付近に配置される、請求項７に記載のベアリングアセンブリ（５０）。
【請求項９】
前記出口（３０４、５０６）が、前記ボアに隣接する前記フランジの内側エッジ付近に配置される、請求項７に記載のベアリングアセンブリ（５０）。
【請求項１０】
前記スラストフランジ（８８）が、前記シャフト（７６、２０２）を形成する材料とは異なる材料で形成される、請求項７に記載のベアリングアセンブリ（５０）。
【請求項１１】
前記スラストフランジ（８８）が、前記シャフト（７６、２０２）の周りの第２の半径方向部（４１２、４１４）に固定される第１の半径方向部（４１２、４１４）を含む、請求項１に記載のベアリングアセンブリ（５０）。
【請求項１２】
前記第１の半径方向部（４１２、４１４）および前記第２の半径方向部（４１２、４１４）が、カバー（４０６）によって接合される、請求項１１に記載のベアリングアセンブリ（５０）。
【請求項１３】
前記カバー（４０６）が、前記第１の半径方向部（４１２、４１４）または前記第２の半径方向部（４１２、４１４）の少なくとも一方に形成される、請求項１１に記載のベアリングアセンブリ（５０）。
【請求項１４】
動作中のＸ線管（１２、４０）で使用している間にベアリングアセンブリ（５０）を冷却する方法であって、前記方法は、
ベアリングアセンブリ（５０）を提供するステップであって、前記ベアリングアセンブリ（５０）が、
スリーブ（７８、１０８）と、
前記スリーブ（７８、１０８）内に回転可能に配置されるシャフト（７６、２０２）であって、前記シャフト（７６、２０２）を貫通するボアを含み、前記シャフト（７６、２０２）が前記スリーブ（７８、１０８）と前記シャフト（７６、２０２）との間にギャップ（８６）を形成する、シャフト（７６、２０２）と、
前記シャフト（７６、２０２）上に配置されるスラストフランジ（８８）であって、前記スラストフランジ（８８）内に形成されるチャネルを含む、スラストフランジ（８８）と、
を備える、ステップと、
前記スラストフランジ（８８）内のチャネルを通る冷却剤（８２）の流れを導くステップと、
を備える、方法。
【請求項１５】
前記チャネルを通る冷却剤（８２）の前記流れを導く前記ステップが、冷却油の流れを前記ボアから前記チャネルに導くステップを備える、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記チャネルを通る冷却剤（８２）の前記流れを導く前記ステップが、前記ギャップ（８６）から前記チャネルを通る液体金属の流れを導くステップを備える、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記チャネルを通る冷却剤（８２）の前記流れを導く前記ステップが、
前記ボアから第１のチャネルを通る冷却油の流れを導くステップと、
前記ギャップ（８６）から第２のチャネルを通る液体金属の流れを導くステップと、
を備える、請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
Ｘ線管（１２、４０）であって、
カソードアセンブリ（４４）と、
前記カソードアセンブリ（４４）から間隔を置いて配置されるアノードアセンブリ（４２）とを備え、前記アノードアセンブリ（４２）が、
スリーブ（７８、１０８）と、
前記スリーブ（７８、１０８）内に回転可能に配置されるシャフト（７６、２０２）であって、前記シャフト（７６、２０２）を通って伸びるボアを含み、前記シャフト（７６、２０２）が前記スリーブ（７８、１０８）と前記シャフト（７６、２０２）との間にギャップ（８６）を形成する、シャフト（７６、２０２）と、
前記シャフト（７６、２０２）上に配置されるスラストフランジ（８８）であって、前記スラストフランジ（８８）内に形成されるチャネルを含む、スラストフランジ（８８）と、
前記スリーブ（７８、１０８）に動作可能に接続されるアノードターゲット（４８）と、
を備える、Ｘ線管（１２、４０）。
【請求項１９】
前記チャネルが、前記ボアと流体連通する、請求項１８に記載のＸ線管（１２、４０）。
【請求項２０】
前記チャネルが、前記ギャップ（８６）と流体連通する、請求項１８に記載のＸ線管（１２、４０）。
【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、より詳細には、Ｘ線管に使用されるベアリングアセンブリ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、検出器、ならびにＸ線管および検出器のための支持構造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を、Ｘ線管と検出器との間に配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射する。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場合、対象物の内部構造は、検出器で受け取られる放射線に空間的な変動を引き起こす。次いで、検出器は受信したデータを放射し、システムは、放射線変化を画像に変換し、画像を用いて対象物の内部構造を評価することができる。対象物は、例えば、Ｘ線スキャナ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を含むことができるが、これらに限定されない。
【０００３】
Ｘ線管は、高真空環境内に配置され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た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使用され、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てアノードとの衝突時にＸ線を生成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発生する高温のために、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。他の利点には、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が含まれる。ガリウム、インジウム、またはスズ合金などは、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、焦点で発生した熱を分散するために回転する構成要素には、こ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線管内に生成され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。このように、モリブデンまたはタングステンなどの高融点金属は、典型的には、スリーブまたはシェルの構築のための基材ならびに他のベアリング部品として使用される。こ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。さらに、液体金属ベアリングは、ベアリング表面間の流体ギャップを１マイクロメータ程度に維持する幾何学的形状および／または公差を必要とするので、ベアリング部品を形成するためにモリブデンなどの高熱伝導性および低膨張性材料を使用すると、ターゲットの加熱に起因する高い温度勾配にもかかわらずこれらのギャップのサイズを維持することができる。
【０００７】
しかしながら、高融点材料は機械加工が困難であるため、これらの表面は、シールに漏れを生じさせる表面欠陥なしには製造が困難である。また、高融点材料の摩滅／摩耗特性が低いため、機械加工後に存在しなくても、これらの表面欠陥は、管の通常の使用中に流体漏れを生じ、それにより、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構成では、米国特許第６，４７７，２３６号に開示されているように、スリーブおよび支持シャフトの構造のための高融点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。これらの他の金属は熱伝導率が低いが、高融点金属に比べて低コスト、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。特に、鋼は、モリブデンに比べて耐摩耗性が優れているため、Ｘ線管内の潜在的なジャーナルベアリング材料である。したがって、これらの金属は、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、接合され得る。
【０００９】
しかし、鋼の欠点の１つは、モリブデンと比較して熱伝導性がはるかに低く、熱膨張係数が大きく、鋼が温度勾配を受けやすく、ベアリングのたわみが不均一となり、流体ギャップのサイズの維持が困難になることである。さらに、鋼製ベアリングのこれらの特性によって提示される別の課題は、使用中に鋼製部品がより大きく膨張することである。鋼ベアリング部品のこの熱変形の増加は、液体金属潤滑剤を漏れさせるギャップの拡張のようなベアリング故障の直接的な原因となる可能性がある。さらに、熱変形／膨張は、ベアリングのアノード部分、特に、シャフトのスラストフランジ内およびスラストフランジを通って移動し、結果的に、高融点金属ベアリング構造よりも焦点の移動が大きくなる。
【００１０】
したがって、改良された冷却構造を有するＸ線管のためのベアリング構造の形成および動作のための構造および方法を開発し、シャフトに低コストの材料を使用してベアリング構造からの熱伝達を大幅に改善して、温度勾配およびその結果生じる変形膨張およびベアリングアセンブリ構造における不均一なベアリングのたわみを最小限に抑えることができることが望ましい。
【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２０１１０２８０３７６号明細書
【発明の概要】
【００１２】
本開示では、Ｘ線管ならびにベアリング構造を製造するための関連プロセス用の液体金属またはスパイラル溝ベアリング構造は、ベアリングハウジングまたはスリーブ内に収容された半径方向に突出するスラスト・ベアリング・フランジを備えたジャーナルベアリングシャフトからなる。スリーブは、スリーブ内に形成されてシャフトの周りを回転する液体金属シールの同軸性を維持するようにスリーブと係合するスラストシールを含む。シャフトは、冷却流体をベアリングアセンブリに導入するための中央通路／ボアを含み、ベアリングアセンブリには冷却管が配置されている。冷却管は、シャフトから油への熱伝達を最大にするようにボア内の油を誘導し、鋼などの熱伝導率がより低い材料を使用してベアリングシャフトを形成することを可能にする。シャフト上のスラストフランジにはまた、冷却流体および／または液体金属がスラストフランジを通ってスリーブの構成要素に大きな熱伝達をもたらし、それによってベアリング部品の熱変形を減少させることができる、そこに伸びるチャネルまたは通路が形成されている。
【００１３】
本開示は、１）ベアリング内の液体金属、および／または２）シャフト内の外部流体、の一方または両方のスラストベアリングの冷却およびスラスト・ベアリング・フランジ使用を示す。両方の冷却流体のために、スラストフランジを形成する材料を鋼などのより高い熱伝導率の材料に置き換え、フランジ内で行われる内部強制対流冷却によりスラストフランジの冷却を向上させる。本開示は、すべての材料タイプから形成されたベアリングアセンブリに適用可能であり、低熱伝導率および高熱膨張係数を有するベアリング材料は、本開示の概念を使用してより有意に利益を受ける。
【００１４】
本開示の構造および方法は、熱伝導率係数がより低くおよび熱膨張係数がより高いＸ線管用のベアリングアセンブリの構築のためのより安価な材料を使用することを可能にする。これらの開示される構造および方法は、スラストベアリング／スラストフランジのための内部冷却を提供するために、容易に製造可能なマルチピースシャフトまたは追加製造プロセスによって製造することができるシャフトとして形成することができるより簡単な軸方向ジャーナルベアリング流の代わりに、ベアリング構造／アセンブリ内の冷却流体が半径方向に広がり流れることを実現する。
【００１５】
本発明の１つの例示的な実施形態では、Ｘ線管のベアリングアセンブリは、スリーブと、スリーブ内に回転可能に配置されてシャフトを貫通するボアを含むシャフトであって、シャフトがスリーブとシャフトとの間にギャップを形成する、シャフトと、シャフト上に配置されるスラストフランジであって、スラストフランジ内にチャネルが形成される、スラストフランジと、を含む。
【００１６】
本発明の別の例示的な実施形態では、Ｘ線管は、カソードアセンブリと、カソードアセンブリから間隔を置いて配置されたアノードアセンブリとを含み、アノードアセンブリは、スリーブと、スリーブ内に回転可能に配置されるシャフトであって、シャフトを通って伸びるボアを含み、スリーブとシャフトとの間にギャップを形成する、シャフトと、シャフト上に配置されるスラストフランジであって、スラストフランジ内に形成されたチャネルを含む、スラストフランジと、スリーブに動作可能に接続されたアノードターゲットとを含む。
【００１７】
本発明の方法のさらに別の例示的な実施形態では、動作中のＸ線管で使用中にベアリングアセンブリを冷却する方法は、スリーブと、スリーブ内に回転可能に配置されてシャフトを貫通するボアを含むシャフトであって、シャフトがスリーブとシャフトとの間にギャップを形成する、シャフトと、シャフト上に配置されるスラストフランジであって、スラストフランジ内に形成されるチャネルを含む、スラストフランジと、を有するベアリングアセンブリを提供するステップと、スラストフランジ内のチャネルを通る冷却剤の流れを導くステップと、を含む。
【００１８】
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】
【００１９】
【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に示されたシステムとともに使用可能である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】本発明の例示的な実施形態により形成された冷却チャネルを含む、図３のベアリング構造のスラストフランジの断面図である。
【図５】本発明の別の例示的な実施形態により形成された冷却チャネルを含む、図３のベアリング構造のスラストフランジの断面図である。
【図６】本発明の別の例示的な実施形態により形成された冷却チャネルを含む、図３のベアリング構造のシャフトおよびスラストフランジの構造の断面図である。
【図７】本発明の別の例示的な実施形態により形成された冷却チャネルを含む、図３のベアリング構造のシャフトおよびスラストフランジの構造の断面図である。
【図８】本発明の別の例示的な実施形態により形成された様々な冷却チャネルを含む、図３のベアリング構造のスラストフランジの断面図である。
【図９】本発明の別の例示的な実施形態により形成された冷却チャネルを含む、図３のベアリング構造のスラストフランジの断面図である。
【図１０】本発明の別の例示的な実施形態により形成された様々な冷却チャネルを含む、図３のベアリング構造のスラストフランジの断面図である。
【図１１】本発明の別の例示的な実施形態により形成された様々な冷却チャネルを含む、図３のベアリング構造のスラストフランジの正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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ーシステムなどのＸ線管を実装する多数の医用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。
【００２１】
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、人間の対象物、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を生成する従来の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、衝突する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を通過する際に生成する。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）も実装できることも想定される。
【００２２】
プロセッサ２０は、検出器１８から信号を受信し、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を用い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装置２８に格納することを可能にする。オペレータはコンソール２４を使用して、Ｘ線源１２に電力およびタイミング信号を供給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。
【００２３】
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、高圧絶縁を提供することが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の共通構成要素として上記で説明したが、代替のＸ線管実施形態では、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。
【００２４】
動作中、電子ビーム５４が、カソードアセンブリ４４によって生成される。特に、カソード５２は、一連の電気リード線５６を介して１つまたは複数の電気信号を受け取る。電気信号は、１つまたは複数のエネルギーで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が延在する。マスク６０は電気リード線５６を囲み、リード線５６はマスク６０の端部に取り付けられたカソードカップ６２まで延在する。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。
【００２５】
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上に形成される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。
【００２６】
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の周り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を受け入れるためのその中央の環状開口７４とを有する。
【００２７】
ターゲット４８は、タングステン、モリブデンなどのいくつかの金属もしくは複合材料、または電極と衝突したときに制動放射（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、比較的高い融点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にし、電位を最大にするために排気することができる。
【００２８】
電子が衝突した場合にターゲット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の周りを高速度（例えば、９０から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などの対象物の周りを、典型的には１Ｈｚ以上の速度で回転させる。
【００２９】
ベアリングアセンブリ５０は、複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、図示された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部品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。
【００３０】
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が取り付けられるスリーブ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、スリーブ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、スリーブ７８が静止部品である実施形態にも適用可能である。このような構成では、ターゲット４８は、中心シャフト７６が回転すると回転する。
【００３１】
中心シャフト７６は、キャビティ、ボアまたは冷却剤流路８０を含み、そこでは油などの冷却剤８２（図３から図４）がベアリングアセンブリ５０を冷却するために流れる。このように、冷却剤８２は、Ｘ線源４０（図２）のターゲット４８から発生し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。ストラドルに取り付けられた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。代替実施形態では、ボア８０は、撮像システムに配置される場合に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。
【００３２】
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たスリーブ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とスリーブ７８との間に形成されたギャップ８６内に配置される。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。
【００３３】
ベアリングアセンブリまたは構造５０の回転部品と静止部品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、非限定的な例として、潤滑剤８４はガリウムまたはガリウム合金とすることができる。
【００３４】
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は静止部品であり、スリーブ７８は中心シャフト７６の周りを回転するように構成された回転可能部品である。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、静止外側部品と、それに取り付けられたターゲットを備え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た「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部品を真空中に有する任意の構成に適用できることを認識するであろう。したがって、本明細書に開示された本発明の実施形態は、構成または用途にかかわらず、回転可能部品および静止部品、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。
【００３５】
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、スリーブ７８の半径方向キャビティ９２内に配置された半径方向突起９０を備えるスラスト・ベアリング・フランジ８８を含む。スラストベアリング部８８の半径方向突起９０は、スリーブ７８の半径方向キャビティ９２の内側ベアリング面９８、１００に面する外側ベアリング面９４、９６のペアを含む。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、構成要素の付加的な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。
【００３６】
中心シャフト７６はまた、スラスト・ベアリング・フランジ８８に隣接して配置され、スラスト・ベアリング・フランジ８８から軸方向外向きに延びるラジアルベアリングまたはジャーナルベアリング１０２も含む。中心シャフト７６のジャーナルベアリング１０２の外面１０４は、スリーブ７８の内面１０６に面する。ジャーナルベアリング１０２は、外側レース面９４に隣接するスラストベアリング部８８の第１の側に示されているが、当業者は、ベアリングアセンブリ５０が、外側レース面９６に隣接するスラストベアリング部８８の第２の側に配置された第２のジャーナルベアリング部を含むことができることを認識するであろう。ベアリングアセンブリ５０の接触／ベアリング面９４、９６、９８、１００、１０２、１０４に埋め込まれた溝を含む様々なコーティング、テクスチャ、およびパターンを適用して、シャフト７６およびスリーブ７８が互いに対して回転する場合のベアリング挙動を変更することができる。
【００３７】
ベアリングアセンブリまたは構造５０は、ベアリングアセンブリ５０の様々な表面９４、９６、９８、１００、１０２、１０４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。こ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、シャフトシールを他の用途で配置するベアリングの端部近傍に物理的障壁を設けることを含む。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可能性がある。液体金属より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配置することができる。
【００３８】
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、対向する２つの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、表面の濡れ防止特性（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、表面がより濡れ性のない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、３０から１２０ミクロンの範囲内とすることができる。
【００３９】
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。
【００４０】
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、これらに限定するものではないが、せん断、くさび、および圧搾を含む多数の方法で動かされ、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成する。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運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移動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。
【００４１】
図３に示す本発明の例示的な実施形態では、スリーブ７８は、スリーブ１０８とスラストシール１１０とを含む２ピース構造で形成される。図３に示すスリーブの例示的な構造では、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。さらに、これらの材料は熱を伝導するが、ベアリングアセンブリ５０を形成する材料の腐食限界以下にベアリングアセンブリ５０内の温度を維持するために、ベアリングアセンブリまたは構造５０とターゲット４８との間に任意選択的に熱障壁を含めることができる。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または工具炭素鋼を含む鉄合金などの非高融点金属である。スリーブ１０８は、選択された材料の単一片として形成され、一方の端に閉鎖された円筒形のキャップ部１１２を、反対側の端に開いたシート部１１４を有する。シート部１１４は、キャップ部１１２と一体的に形成され、スリーブ１０８のための一体構造を形成し、キャップ部１１２よりも径が大きく、シート部がキャップ部１１２から半径方向外側に延在する。ベアリングアセンブリ５０の別の例示的な実施形態では、スリーブ７８は、スリーブ１０８とスラストシール１１０との間に配置されたスペーサ（図示せず）で形成することができ、スペーサは、鋼を含む金属などの適切な材料から形成され、それは溝（図示せず）および／またはスリーブ１０８およびスラストシール１１０に直接隣接してそれらと接触して配置されたスペーサの表面に塗布される適切な濡れ防止コーティング（図示せず）を含み、それらの間にシールを形成する。
【００４２】
ここで図３を参照すると、図示の例示的な実施形態では、シャフト７６は、ボア８０内に配置された冷却管２００を含む。管２００は、ボア８０の内部に沿って延びるシャフト２０２と、ボア８０の開放端の周りでシャフト７６に固定された保持リング２０４とを含む。冷却管２００は、冷却剤８２がシャフト２０２を通ってシャフト７６のボアに導かれ、そこで冷却剤８２がボア８０の内径と接触するように機能する。シャフト７６からの熱は、冷却剤８２がシャフト７６に接触すると冷却流体／冷却剤８２に伝わり、加熱された冷却剤８２は管２００の周囲のボア８０から引き抜かれる。
【００４３】
ここで図４を参照すると、冷却剤８２とベアリングアセンブリ５０の構成部品との熱接触を最大限にするために、スラスト・ベアリング・フランジ８８は、ボア８０と流体連通する入口３０２および出口３０４を含むいくつかの内部チャネル３００を有して形成される。チャネル３００は、冷却剤８２がスラスト・ベアリング・フランジ８８に供給されることからもたらされる力の下で冷却剤８２が流れ、スラスト・ベアリング・フランジ８８ならびにスリーブ７８、特に、キャップ部１１２およびスラストフランジ８８に隣接して配置されるシート部１１４と熱的に接触することができる。スラスト・ベアリング・フランジ８８内にチャネル３００を含むことにより、スラスト・ベアリング・フランジ８８およびスリーブ７８の隣接するセクションの温度が大幅に低下し、結果的に、スリーブ７８内の温度勾配の影響の大きさが減少する。さらに、チャネル３００を介した冷却剤８２とスリーブ７８との熱接触は、シャフト７６よりもスリーブ７８を冷却し、管１２およびベアリングアセンブリ５０の動作中にスリーブ７８内に生じる温度勾配を減少させ、鋼部品から構成されるがスラスト・ベアリング・フランジ８８にチャネルがない従来のベアリングアセンブリ５０における勾配と比較して最低２５％まで温度を低下させる。さらに、ベアリングアセンブリ６０内に生成される熱勾配の減少は、ギャップ８６のサイズに対するあらゆる変化の大きさを低減し、内部冷却剤チャネル３００を有するスラストフランジ８８を有する作動ベアリングアセンブリ５０において、焦点移動を最小３０％減少させる。
【００４４】
ここで図４を参照すると、例示的な一実施形態では、フランジ８８は、フランジ８８の内部の周りのボア８０と連通する入口３０２からボア８０とやはり連通するが入口３０２から離間している出口３０４まで延びる単一の周方向チャネル３００を含むことができる。入口３０２および出口３０４はまた、管８０またはシャフト７６の内面のいずれかに配置されて入口３０２と出口３０４との間に配置されるバッフル３０６によって互いから分離することもできる。図４の例示的な実施形態では、冷却剤８２は、チャネル３００を出る前にフランジ８８の全周囲に流れる。この構成は、チャネル３００を含むフランジ８８の剛性を高める。
【００４５】
図５に示す別の例示的な実施形態では、フランジ８８は、チャネル３００のペアを含み、それぞれは入口３０２および出口３０４を含む。入口３０２および出口３０４は、入口３０２と出口３０４との間に配置されて管２００とシャフト７６の内面との間に延びるバッフル３０６によって互いから分離される。
【００４６】
図４および図５の各実施形態において、チャネル３００を有するフランジ８８を含むシャフト７６は、シャフト７６および／またはフランジ８８を形成するために利用される材料と適合する付加的な製造プロセスなどの任意の適切な方法で製造することができる。代替の例示的な実施形態では、図６を参照すると、シャフト７６は、カバー４０６によって接合されたセクション４０２、４０４のペアで形成することができる。セクション４０２、４０４は、それぞれ軸方向部４０８、４１０と、軸方向部４０８、４１０の一端に配置された半径方向部４１２、４１４とを含む。半径方向部４１２、４１４は、チャネル３００の両側の寸法を含むように成形、機械加工、または形成され、半径方向部４１２、４１４がカバー４０６を使用して互いに隣接して配置され、さらに互いに接合される場合、チャネル３００は、半径方向部４１２、４１４上に存在する構造によって画定される。半径方向部４１２、４１４と、半径方向部４１２、４１４に、およびその間に、溶接などの適切な方法で固定されたカバー４０６とが、セクション４０２、４０４によって形成されたシャフト７６のスラストフランジ８８を形成する。
【００４７】
ここで図７を見ると、シャフト７６には、軸方向部４０８、４１０に対向する端部キャップ４１６、４１８をそれぞれ含む半径方向部４１２、４１４が形成されている。一方の半径方向部４１２、４１４の長さは、他方の半径方向部４１２、４１４よりもわずかに長く形成されているので、端部キャップ４１６、４１８は、セクション４０２、４０４が互いに接合された場合に重なり合う構成に配置される。端部キャップ４１６、４１８は、端部キャップ４１６、４１８を互いに密封溶接、プレス、および／またはろう付けするなど、任意の適切な方法で互いに固定することができる。
【００４８】
ここで図７および図８を参照すると、別の例示的な実施形態において、チャネル３００は、チャネル３００を通る巻線流路内のチャネル３００を通る冷却剤８２の流れを導くように動作する内部バッフル３０８で形成され、フランジ８８内の冷却剤８２の熱接触／滞留時間を増加させることができる。チャネル３００は、互いに同一に、ならびに各チャネル３００内に配置された構成および／またはバッフル３０８の変形形態で形成することができる。さらに、これらのまたは他の任意の実施形態では、バッフル３０６を管８０の一部として形成することができ、冷却剤８２をフランジ８８内のチャネル３００に適切に出し入れするように交互の円周方向を含むことができる。さらに、バッフル３０６は、冷却剤８２のすべてまたは選択された部分をチャネル３００に通すように構成することができる。
【００４９】
図９の図示された例示的な実施形態を見ると、シャフト７６を構成する際に、スラストフランジ８８は、モリブデンまたは他の高融点材料などの鋼よりも高い熱伝導率を有する材料で形成され、その材料は、任意の適切な方法でシャフト７６の残りの部分に固定される。フランジ８８には、ボア８０と流体連通していないが、ギャップ８６と流体連通している内部チャネル５００が形成される。このように、ギャップ８６に含まれる液体金属８４は、フランジ８８内のチャネル５００を通って流れることができ、それによって、静止フランジ８８およびフランジ８８に隣接するスリーブ７８の構成要素にさらなる冷却をもたらす。液体金属８４は、強制対流の結果として静止スラストフランジ８８内のチャネル５００内およびチャネル５００を通って流れる。この強制対流は、スラストベアリング部８８の設計によって生成され、スラストベアリング部８８は、静止フランジ８８の周りのスリーブ７８および液体金属８４の回転面の遠心力によって形成される、図９に示すように半径方向に増加する圧力プロファイルＰを自然に生成する。この対流は、フランジ８８の外部エッジにある液体金属８４を、チャネル５００の中へおよびそれを通ってシャフト７６の方へ押し戻し、流体８４をシャフト７６との熱接触によって冷却することができる。図９の例示的な実施形態では、チャネル５００は、フランジ８８の最も外側のエッジ５０４にある入口５０２を含み、フランジ８８の基部５０８の対向する側に配置された１つまたは複数の出口５０６までフランジ８８を通って延びる。出口５０６の設計およびチャネル５００の方向は、ガントリ運動ならびにジャーナルベアリング９８、１００およびスラストベアリング９４、９６の低圧位置から生成された液体金属８４の力を利用して設計することができる。さらに、チャネル５００は、ベアリングアセンブリ５０からガスを排出し、フランジ８８内に形成されたチャネル５００を介してギャップ８６内の液体金属８４を補充するなどの追加機能を提供することができる。さらに、フランジ８８またはその一部は、ガリウムなどの液体金属との反応を避けるために、ベアリング材料によって完全に囲まれた銅または高導電性合金から作製することができる。
【００５０】
別の例示的な実施形態では、フランジ８８は、フランジ８８による冷却を強化するために、液体金属８４の複数の流れをシャフト７６と直接接触させるように、フランジ８８を横切って延びる多数のチャネル５００を含むことができる。
【００５１】
ここで図１１を参照すると、フランジ８８は、チャネル３００と内部チャネル５００との組み合わせで形成することができる。この実施形態では、フランジ８８は、熱変形および焦点移動を結果的に減少させるフランジ８８から冷却剤８２への熱伝達を向上させるように、冷却剤８２と直接接触することはないが熱接触するフランジ８８を通る液体金属８４の流れを作り出す力対流を可能にするチャネル５００と同時に冷却剤８２をフランジ８８に流す複数のチャネルを含む。
【００５２】
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、任意の装置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、当業者に想起される他の例を含み得るものである。このような他の実施例が特許請求の範囲の字義通りの文言と異ならない構造要素を有する場合、または、それらが特許請求の範囲の字義通りの文言と実質的な差異がない等価な構造要素を含む場合には、このような他の実施例は特許請求の範囲内であることを意図している。
【符号の説明】
【００５３】
１０  撮像システム、Ｘ線システム
１２  Ｘ線管またはＸ線源
１４  Ｘ線
１６  対象物
１８  検出器アセンブリ
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  記憶装置
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  エンベロープまたはフレーム、Ｘ線管容積
４８  ターゲットまたはアノード
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  電気リード線
５８  中央絶縁シェル
６０  ベアリングアセンブリ、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  環状開口
７６  中心シャフト
７８  スリーブ、シェル
８０  冷却剤流路、ボア、管
８２  冷却剤
８４  潤滑剤、液体金属
８６  ギャップ
８８  スラスト・ベアリング・フランジ、スラストベアリング部、静止フランジ
９０  半径方向突起
９２  半径方向キャビティ
９４  外側ベアリング面、外側レース面、スラストベアリング、表面
９６  外側ベアリング面、外側レース面、スラストベアリング、表面
９８  内側ベアリング面、ジャーナルベアリング、表面
１００  内側ベアリング面、ジャーナルベアリング、表面
１０２  ベアリング面、ジャーナルベアリング、表面
１０４  外面、表面
１０６  内面
１０８  スリーブ
１１０  スラストシール
１１２  キャップ部
１１４  シート部
２００  冷却管
２０２  シャフト
２０４  保持リング
３００  周方向チャネル、内部冷却剤チャネル
３０２  入口
３０４  出口
３０６  バッフル
３０８  内部バッフル
４０２  セクション
４０４  セクション
４０６  カバー
４０８  軸方向部
４１０  軸方向部
４１２  半径方向部
４１４  半径方向部
４１６  端部キャップ
４１８  端部キャップ
５００  内部チャネル
５０２  入口
５０４  エッジ
５０６  出口
５０８  基部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2019133913.tif 000012
【図１１】
2019133913.tif 000013
【外国語明細書】
2019133913000001.pdf