一种内部冷却滚珠轴承医用X射线管的制作方法

本发明属于医用探测及射线计量检测技术领域，特别涉及一种内部冷却滚珠轴承医用x射线管。

背景技术：

x射线管主要用于x射线机、ct机等医疗设备上，在施加外部高压作用下，产生x射线，供医生对患者进行诊断或治疗。

x射线管产生x射线的机理大致如下：x射线管的灯丝（阴极）在加热状态下，自由电子逸出灯丝表面，形成电子云。在x射线管阴极、阳极间施加高电压情况下（一般为40~150千伏），灯丝处的电子高速飞向靶盘（阳极），撞击阳极靶盘后产生x射线，并通过射线窗口输出有效x射线。如前述，在此能量转化过程中，只有1%的电子动能转化为x射线，剩余99%的动能转化为热能，通过热辐射或热传导，传至x射线管外，由x射线管管套和x射线管散热器带走。具体来说，包括：（1）靶盘的热量（占总热量的90%）一部分辐射到x射线管中部的金属壳上，另一部分透过两端玻壳或其他材料辐射到x射线管外，最后一部分通过转子铜套带走。其中辐射到金属壳的热量最大约占60%，透过玻璃辐射的热量约20%，通过转子铜套带走的热量约20%。（2）阴极的热量（占总热量10%）通过阴极玻璃和金属壳带走。

在使用过程中，x射线管只有1%的能量转化为x射线，其余99%转化为热能，必须进行快速散热。因此，x射线管的热量管理是影响其可靠性及寿命的关键因素之一。

如图5所示，在现有技术方案下，由于靶盘的在工作时温度可达到1000度以上，热量传导至滚珠轴承轴杆的温度有500度以上，而轴杆只能通过轴套传热至绝缘油中，导致散热效率很低。

现有技术中，x射线管的在散热过程中具有如下缺点：

1、阳极热容量受限；

2、对轴承材料要求高；

3、轴承寿命受限；

4、靶盘高速旋转过程中，发生固定位置偏移和脱落风险高。

导致以上结论的原因如下：

1、现有x射线管设计中，高压发生器阳极通过滚珠轴承上的螺纹和靶盘连接，该结构限制了滚珠轴承的散热效率；同时，靶盘工作时可达到1100度的高温，热量通过钼杆传导至铁座，再到轴杆，然后再由滚珠传导至轴承外圈，外圈传导至轴套，被绝缘油带走。由此可见，热传导散热的路径非常长。而以上约束条件，导致阳极热容量只能做到3.5mhu及以下，不适合5mhu及以上大热容量的x射线管；

2、现有x射线管设计中，靶盘的热量传导至轴杆，但轴杆允许的最高工作温度不高于550度，所以制造轴杆法兰盘一般采用热传导率极低的材料，故而轴承制造成本很高；

3、由于轴杆长期工作在500度左右，这就要求轴承外圈的工作温度不能低于350度（注：该种向心推力结构轴承内外温差不允许超过150度，否则轴承内外滚道易变形导致卡轴），而往往轴承外圈的温度只能满足最基本温度要求（维持在350°左右），导致轴承寿命下降；

4、现有x射线管设计中，靶盘固定方式为单螺纹固定方式具体结构见图1，由于阳极靶盘在工作中转速可到达10800rpm，这就导致了在高速工作状态下螺纹有可能松动，目前的解决方案是：（1）靶盘和转子铜套采用单螺纹固定，后续采用高温焊料1600℃焊接，该方案成本高昂，需投入电子束焊设备；（2）靶盘和转子铜套采用钼螺母固定，钼螺母和转子铜套采用机械铆接，该方案可靠性差，容易导致高速旋转时靶盘脱落，有安全风险；（3）靶盘和转子铜套采用钼螺母固定，钼螺母和转子铜套之间通过钽垫片连接，该方式增加成本而且高速旋转时会有松动，影响图像质量。

技术实现要素：

发明目的：为了克服以上不足，本发明的目的是提供一种内部冷却滚珠轴承医用x射线管，解决了x射线管散热的问题。

技术方案：一种内部冷却滚珠轴承医用x射线管，包括靶盘、支撑环、转子钼棒、转子铜套、转子铁座、阳极波纹陶瓷和空心轴承，所述靶盘与支撑环连接，所述支撑环与转子钼棒连接，所述转子钼棒与转子铁座连接，所述转子铜套套设在转子铁座的外壁上，所述阳极波纹陶瓷套设在转子铜套的外部，所述空心轴承设置在转子钼棒和转子铁座内。本发明给出了一种结合空心靶盘、空心轴承系统、阳极波纹陶瓷结构和新的靶盘固定方式的内部冷却滚珠轴承医用x射线管，以实现5mhu及以上大热容量x射线管的解决方案；其中，空心靶盘的结构设计，靶盘的热量通过空腔直接将热量传导至转子铜套上；空心轴套的设计，冷却油可直接冷却到轴套内部；阳极波纹陶瓷的设计，转子铜套的热量可辐射至阳极波纹陶瓷上，再通过阳极波纹陶瓷传导至冷却油中；新的阳极靶盘固定方式的设计，提高了高速旋转过程的可靠性。

进一步的，上述的内部冷却滚珠轴承医用x射线管，所述靶盘包括靶盘石墨和tzm和铼钨层，所述靶盘石墨和tzm和铼钨层内部均为中空结构，所述tzm和铼钨层设置于靶盘石墨的左端面上，所述支撑环的左端面与tzm和铼钨层的右端面贴合，并且支撑环的左端部置于靶盘石墨的内部空腔中。tzm、石墨和支撑环通过高温焊接方式连接，支撑环通过螺钉和转子连接，这样靶盘热量在不考虑辐射时只能通过支撑环将热量传导至转子，轴承不会直接承受靶盘的高温，可有效地提高轴承可靠性。

进一步的，上述的内部冷却滚珠轴承医用x射线管，所述空心轴承包括空心轴套、轴承外圈上、轴承中间环、轴承外圈下和轴杆，所述轴杆的一端设置在空心轴套内，所述轴承外圈上、轴承中间环和轴承外圈下设置在轴杆的外壁和空心轴套的内壁之间，所述轴承中间环设置在轴承外圈上和轴承外圈下之间，所述轴承中间环和轴承外圈下之间设有过渡环。，靶盘的热量较少地传导至轴杆，再传导至轴套，通过冷却油将热量带走，可提高轴承的可靠性。

进一步的，上述的内部冷却滚珠轴承医用x射线管，所述空心轴承内远离轴杆的一端设有空腔。设置的空腔内部可进入冷却液，提高了散热性。

进一步的，上述的内部冷却滚珠轴承医用x射线管，所述轴杆靠近靶盘的端部设有轴承法兰。设置轴承法兰将空心轴承与转子钼棒连接。

进一步的，上述的内部冷却滚珠轴承医用x射线管，所述阳极波纹陶瓷的外壁上设有一组陶瓷波纹。增大阳极陶瓷表面积，提高阳极陶瓷的散热能力，转子铜套辐射至阳极陶瓷的热量能够迅速通过阳极波纹陶瓷传导至冷却油中，这样靶盘的热量一部分通过金属壳传导至冷却油中，一部分通过阳极陶瓷传导至冷却油中，这样轴承在工作中只要解决本身的发热即可。

进一步的，上述的内部冷却滚珠轴承医用x射线管，所述阳极波纹陶瓷的靠近靶盘的端部设有阳极大可伐，所述阳极波纹陶瓷远离靶盘的端部设有阳极小可伐。阳极大可伐和阳极小可伐与阳极波纹陶瓷端封焊接，波纹陶瓷以及端封结构可以确保整管的同轴度，降低绝缘材料和金属之间的机械应力，增强机械强度。

进一步的，上述的内部冷却滚珠轴承医用x射线管，所述靶盘和支撑环与转子铜套之间通过3-6颗螺钉连接。

进一步的，上述的内部冷却滚珠轴承医用x射线管，所述转子铜套和空心轴承之间通过6-12颗螺钉固定。

进一步的，上述的内部冷却滚珠轴承医用x射线管，所述螺钉为不锈钢材料通过熔融点焊固定。采用新的阳极靶盘固定方式设计，通过多颗螺钉固定，能够改善现有技术中单一螺纹固定方式，其中靶盘和支撑环与转子铜套之间采用3-6颗螺钉固定，转子铜套和空心轴承之间采用6-12颗螺钉固定，采用氩弧焊熔融点焊，不需要任何其他工艺实现靶盘的高速旋转10800rpm，可靠性极高。

上述技术方案可以看出，本发明具有如下有益效果：本发明所述的内部冷却滚珠轴承医用x射线管，具有如下优点：

1、提高x射线管在高速旋转状态下工作的可靠性：由于采用支撑环和转子铜套6颗螺钉连接以及轴承和转子铜套6颗螺钉连接，避免了单一固定方式，降低靶盘在高速旋转时的松动风险；

2、提高轴承使用寿命及产品可靠性：本发明靶盘热量不会直接传导至轴承，使轴承能够在低温下工作，不会过热变形；

3、增加绝缘强度：采用波纹陶瓷结构，可以增加表面爬电距离，也就是增加绝缘强度；

4、增加整管机械强度：采用波纹陶瓷以及端封结构，可以保证整管的同轴度，降低绝缘材料和金属之间的机械应力，增加机械强度；

5、提高承受二次电子轰击的能力：陶瓷可以耐受1400度高温，承受二次电子轰击的能力远远高于玻璃，因而提高x射线管的寿命。

综上所述，该x射线管技术解决方案能够有效提高靶盘的散热能力，提高轴承可靠性，使阳极热容量实现5mhu及以上。

附图说明

图1为本发明所述的内部冷却滚珠轴承医用x射线管的结构示意图；

图2为本发明所述的空心靶盘的结构示意图；

图3为本发明所述的空心轴承的结构示意图；

图4为本发明所述的阳极波纹陶瓷的结构示意图；

图5为本发明所述的现有技术x射线管的结构示意图；

图6为本发明所述的靶盘和空心轴承散热的结构示意图；

图7为图6的局部放大图。

图中：靶盘1、支撑环2、转子钼棒3、转子铜套4、转子铁座5、阳极波纹陶瓷6、空心轴承7、靶盘石墨8、tzm和铼钨层9、空心轴套10、轴承外圈上11、轴承中间环12、轴承外圈下13、轴杆14、空腔15、轴承法兰16、陶瓷波纹17、阳极大可伐18、阳极小可伐19、螺钉20、过渡环21、靶盘一101、阳极玻壳一102、转子铜套一103、轴承套一104、轴杆一105、轴套螺纹一106。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

实施例

如图1所示的内部冷却滚珠轴承医用x射线管，包括靶盘1、支撑环2、转子钼棒3、转子铜套4、转子铁座5、阳极波纹陶瓷6和空心轴承7，所述靶盘1与支撑环2连接，所述支撑环2与转子钼棒3连接，所述转子钼棒3与转子铁座5连接，所述转子铜套4套设在转子铁座5的外壁上，所述阳极波纹陶瓷6套设在转子铜套4的外部，所述空心轴承7设置在转子钼棒3和转子铁座5内。

如图2所示的靶盘1包括靶盘石墨8和tzm和铼钨层9，所述靶盘石墨8和tzm和铼钨层9内部均为中空结构，所述tzm和铼钨层9设置于靶盘石墨8的左端面上，所述支撑环2的左端面与tzm和铼钨层9的右端面贴合，并且支撑环2的左端部置于靶盘石墨8的内部空腔中。空心靶盘结构设计：铼钨层的tzm和石墨以及支撑环通过高温焊接工艺成为整体，支撑环材料采用钼或tzm。

如图3所示的空心轴承7包括空心轴套10、轴承外圈上11、轴承中间环12、轴承外圈下13和轴杆14，所述轴杆14的一端设置在空心轴套10内，所述轴承外圈上11、轴承中间环12和轴承外圈下13设置在轴杆14的外壁和空心轴套10的内壁之间，所述轴承中间环12设置在轴承外圈上11和轴承外圈下13之间，所述轴承中间环12和轴承外圈下13之间设有过渡环21。空心轴承7内远离轴杆14的一端设有空腔15。轴杆14靠近靶盘1的端部设有轴承法兰16。空心轴承设计方案：主要是空心轴套10的设计，具体设计结构见图3，冷却油可直接冷却至轴套。

如图6和7所示的上述靶盘1和空心轴承7的设计，使得靶盘1产生的热量传递至空心轴承7和轴杆14的路径延长，能够有效降低空心轴承7和轴杆14处的温度，其具体的散热原理为：靶盘1产生热量，由于靶盘1为空心靶盘，靶盘1与转子钼棒3为不贴合结构，因此热量只能沿着靶盘1传递直至靶盘1与转子钼棒3连接处的螺钉将热量传递至转子钼棒3上，热量沿着转子钼棒3向靠近靶盘1的方向传递，到达转子钼棒3与空心轴承7的连接螺钉处，通过螺钉将热量传递至空心轴承7上，此结构热量传递路径大大延长，由于空心轴套10的外壁直接与冷却油接触，不断进行空心轴套10的降温，因此热量传递至空心轴承7时，温度大大降低，此结构起到了良好的降温效果，能够保证空心轴承7的正常使用，延长使用寿命。

如图4所示的阳极波纹陶瓷6的外壁上设有一组陶瓷波纹17。阳极波纹陶瓷6的靠近靶盘1的端部设有阳极大可伐18，所述阳极波纹陶瓷6远离靶盘1的端部设有阳极小可伐19。阳极波纹陶瓷设计：阳极采用波纹陶瓷，陶瓷采用95%、97%、99%的三氧化二铝工业陶瓷，任何形状的波纹或横向的槽开在陶瓷内外表面，波纹陶瓷和可伐的封接结构采用端封、平封、套封以及夹封，其中夹封可以是金属或陶瓷。

阳极靶盘多颗螺丝固定方式：靶盘1和支撑环2与转子铜套4之间通过3-6颗螺钉20连接。转子铜套4和空心轴承7之间通过6-12颗螺钉20固定。螺钉20为不锈钢材料通过熔融点焊固定。阳极靶盘若干螺丝固定方式：阳极靶盘通过6-12颗螺钉和转子铜套连接，转子铜套通过3-6颗螺钉和轴承连接，所有固定螺钉采用不锈钢材料，熔融点焊方式。

本发明与现有技术的实施方案如下：

本发明主要采用空心靶盘结构，具体实施方案为：空心靶盘高温焊接-转子铜套两次焊接-轴承一体化装配-空心靶盘和转子铜套装配-一体化轴承装配-动平衡-波纹陶瓷氩弧焊；需采用真空炉高温钎焊和氩弧焊工艺。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。