一种液态金属轴承医用x射线管
阅读说明：本技术 一种液态金属轴承医用x射线管 (Liquid metal bearing medical X-ray tube ) 是由 王颂东 于山 于 2020-12-28 设计创作，主要内容包括：本发明揭露了一种液态金属轴承医用X射线管,包括金属外壳、阳极壳体、阴极壳体、液态金属轴承及空心靶盘,所述液态金属轴承包括轴杆、轴套及轴套密封环,轴杆为空心轴杆,轴套密封环内部设有空腔,空腔设有冷却油注入口。本发明采用液态金属轴承,在旋转时几乎无磨损,热量能够迅速通过液态金属轴承传递至管外,有效提高空心靶盘的散热能力,提高轴承的可靠性,提高X射线管的可靠性,使该X射线管的阳极热容量能够实现5MHU及以上；轴杆为空心轴杆,当X射线管装配至管套时,管套的冷却油可以直接通入轴杆的最顶部,保证了轴杆的热量能够迅速被带走；阳极壳体和阴极壳体均采用波纹陶瓷结构,增加了陶瓷的表面积,能够及时散热。(The invention discloses a liquid metal bearing medical X-ray tube which comprises a metal shell, an anode shell, a cathode shell, a liquid metal bearing and a hollow target disc, wherein the liquid metal bearing comprises a shaft rod, a shaft sleeve and a shaft sleeve sealing ring, the shaft rod is a hollow shaft rod, a cavity is arranged in the shaft sleeve sealing ring, and a cooling oil injection port is arranged in the cavity. The invention adopts the liquid metal bearing, almost has no abrasion when rotating, and the heat can be quickly transferred to the outside of the tube through the liquid metal bearing, thereby effectively improving the heat dissipation capacity of the hollow target disc, improving the reliability of the bearing, improving the reliability of the X-ray tube and enabling the heat capacity of the anode of the X-ray tube to be 5MHU and above; the shaft lever is a hollow shaft lever, when the X-ray tube is assembled to the tube sleeve, the cooling oil of the tube sleeve can be directly introduced into the topmost part of the shaft lever, and the heat of the shaft lever can be rapidly taken away; the anode shell and the cathode shell are both of corrugated ceramic structures, so that the surface area of ceramic is increased, and heat can be dissipated timely.)
技术领域
本发明涉及医用探测及射线计量检测技术领域，尤其涉及一种液态金属轴承医用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射线管的灯丝电子云在阴极负高压，阳极正高压的作用下加速打到阳极靶盘上，产生X射线，由射线窗口输出有效的X射线，但是只有1％的有效X射线产生，剩余99％的能量全部转化为热量，通过不同的渠道传至X射线管外面，由X射线管套和X射线管散热器带走。传统的X射线管主要采用滚珠轴承结构，其散热渠道包括：
1、靶盘的热量(占总热量的90％)一部分辐射到金属壳上，一部分通过阳极处的玻壳辐射到X射线管外面，一部分通过转子铜套和滚珠轴承带走。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(占总热量的10％)通过阴极玻璃和金属壳带走。
该种采用滚珠轴承结构的X射线管，阳极高压通过滚珠轴承上的螺纹和靶盘连接，阳极热容量只能做到3.5MHU及以下，不适应用于5MHU及以上大热容量的X射线管，其存在以下缺点：
1、该种滚珠结构轴承不利于散热，即使增加靶盘热容量，工作中也会低于实际靶盘热容量；
2、该种结构轴承冷却效率极低，对轴承材料要求很高；
3、该种结构轴杆温度很高，导致轴承内外圈温差大，轴承的寿命低；
4、该种结构轴承滚珠会有磨损，使用寿命受到限制。
导致产生上述缺点的原因为：
1、靶盘工作时1100度的高温，会通过钼杆传热至铁座再直接传导至轴杆上，而轴杆只能通过热传导由滚珠传导至轴承外圈再由外圈传导至轴套上通过绝缘油带走，路径非常长；
2、由于该种结构靶盘的热量迅速传导至轴杆上，但轴杆的最高工作温度只有550度，所以轴杆法兰盘一般采用热传导率极低的材料，轴承成本很高；
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(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工作在350附近，导致轴承寿命下降。
因此有必要提供一种新的液态金属轴承医用X射线管来解决现有技术中存在的部分问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种适应用于5MHU及以上大热容量的液态金属轴承医用X射线管。
为实现上述目的，本发明采用的一个技术方案是：一种液态金属轴承医用X射线管，其包括金属外壳、分别连接在所述金属外壳两端的阳极壳体和阴极壳体、连接在所述阳极壳体内部的液态金属轴承以及连接在所述液态金属轴承外周的空心靶盘，所述空心靶盘的一部分收容在所述金属外壳内，另一部分收容在所述阳极壳体内，所述液态金属轴承的一端连接在所述空心靶盘内，所述液态金属轴承包括轴杆、包覆在所述轴杆外周的轴套、与所述轴套连接的轴承距离环、与所述轴承距离环连接的轴承下连接环、连接在所述轴承下连接环端部的转子铁座、与所述转子铁座连接的转子铜套以及连接在所述转子铜套内部的轴套密封环，所述轴杆与所述轴套之间有一缝隙，液态金属能够沿着所述缝隙移动，所述轴杆为空心轴杆，所述轴套密封环内部设有与所述轴杆内部相连通的空腔，所述空腔设有冷却油注入口。
所述轴杆的外壁上设有第一凹槽和第二凹槽，所述第一凹槽与所述第二凹槽之间以及所述第二凹槽与所述轴杆的端部之间均设置有均匀分布的导流槽，所述导流槽包括一对镜像对称地斜槽、连接在一对所述斜槽之间的若干圆形槽以及连接在相邻两个所述圆形槽之间的直槽，所述斜槽与所述第一凹槽或者所述第二凹槽连通。
所述轴承下连接环与所述轴杆之间设有第一节流器，所述转子铁座与所述轴杆之间设有第二节流器，所述轴杆的端部连接有吸收器，所述吸收器位于所述第二节流器的下方，所述吸收器的表面涂覆有涂层，所述涂层为银、钛、镍。
所述轴杆的外表面与所述轴套的内表面均涂覆有液态金属层。
所述轴套包括轴套第一段以及与所述轴套第一段连接的轴套第二段，所述轴套第一段的外径小于所述轴套第二段的外径，所述轴套第一段全部收容在所述空心靶盘的内部。
所述阳极壳体包括阳极陶瓷以及分别连接在所述阳极陶瓷两端面的阳极小可伐和阳极大可伐，所述阳极陶瓷的外壁为波纹结构，所述阳极大可伐与所述金属外壳连接。
所述阳极陶瓷、所述阳极小可伐与所述阳极大可伐通过钎焊一次成型，所述阳极陶瓷与所述阳极小可伐的连接处设有第一阳极端封，所述阳极陶瓷与所述阳极大可伐的连接处设有第二阳极端封。
所述阴极壳体包括阴极陶瓷，所述阴极陶瓷的外壁为波纹结构。
所述空心靶盘包括TZM和铼钨层以及与所述TZM和铼钨层连接的靶盘石墨，所述靶盘石墨和所述TZM和铼钨层为中空结构，其内部设有一支撑环，所述支撑环的端部与所述TZM和铼钨层的端部连接，所述支撑环与所述靶盘石墨之间设有第一空腔，所述支撑环与所述轴套之间设有第二空腔，所述支撑环通过螺钉与所述液态金属轴承连接。
所述靶盘石墨、所述TZM和铼钨层以及所述支撑环通过高温焊接方式连接成为整体，所述靶盘石墨、所述TZM和铼钨层以及所述支撑环的中心线处于同一轴线，所述支撑环采用钼或者TZM。
与现有技术相比，本发明液态金属轴承医用X射线管的有益效果在于：由于采用液态金属轴承，在旋转时几乎无磨损，热量能够迅速通过液态金属轴承传递至管外，有效提高空心靶盘的散热能力，提高轴承的可靠性，提高了X射线管的可靠性，使该液态金属轴承医用X射线管的阳极热容量能够实现5MHU及以上；轴杆为空心轴杆，当X射线管装配至管套时，管套的冷却油可以直接通入轴杆的最顶部，保证了轴杆的热量能够迅速被带走；阳极壳体和阴极壳体均采用波纹陶瓷结构，增加了陶瓷的表面积，能够及时高效地将X射线管内的热量导出X射线管外，提高了X射线管的可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1是本发明液态金属轴承医用X射线管的示意图；
图2是本发明液态金属轴承和靶盘的示意图；
图3是本发明轴杆的示意图；
图4是本发明液态金属轴承医用X射线管的局部放大示意图；
图5是本发明阳极壳体的示意图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参看图1至图5，本发明为一种液态金属轴承医用X射线管，其包括金属外壳1、分别连接在金属外壳1两端的阳极壳体2和阴极壳体3、连接在阳极壳体2内部的液态金属轴承4以及连接在液态金属轴承4外周的空心靶盘5，空心靶盘5的一部分收容在金属外壳1内，另一部分收容在阳极壳体2内，液态金属轴承4的一端连接在空心靶盘5内。
请参看图5，阳极壳体2包括阳极陶瓷21以及分别连接在阳极陶瓷21两端面的阳极小可伐22和阳极大可伐23，阳极大可伐23与金属外壳1连接。阳极陶瓷21采用95％、97％、99％的三氧化二铝工业陶瓷，由于陶瓷可以耐受1400度高温，承受二次电子轰击的能力远远高于玻璃，提高了X射线管的寿命。阳极陶瓷21为波纹陶瓷，任何形状的波纹或横向的槽开在阳极陶瓷21的内外表面。将阳极陶瓷21设计为波纹陶瓷，增大了阳极陶瓷21的表面积，大大提高了阳极陶瓷21的散热能力，液态金属轴承4辐射至阳极陶瓷21的热量能够迅速通过阳极陶瓷21传导至冷却油中，这样空心靶盘5的热量一部分通过金属外壳1传导至冷却油中，一部分通过阳极陶瓷21传导至冷却油中，如此，液态金属轴承4在工作中只要解决本身的发热即可；另外，由于采用了波纹陶瓷结构，增加了表面爬电距离，所以提升了绝缘强度，保证了高压可靠性。本实施例中，阳极陶瓷21的外壁为波纹结构。
阳极陶瓷21、阳极小可伐22与阳极大可伐23通过钎焊一次成型，阳极陶瓷21与阳极小可伐22的连接处设有第一阳极端封24，阳极陶瓷21与阳极大可伐23的连接处设有第二阳极端封25。阳极陶瓷和可伐采用端封的封接结构，增加了焊接强度，可使X射线管工作在CT整机机架旋转速度为0.2秒每圈的CT整机上，由于CT整机在工作中，机架是持续旋转的，当转速到达0.2秒每圈时，离心力可以达到50G，这对机架上的零部件是一个巨大的挑战，对X射线管本身来说，既有自身的旋转转速高达10800rpm，又有机架的公转，当离心力如此高时普通焊接的强度不能承受该离心力，所以采用端封结构，提高了X射线管的可靠性。具体地，阳极大可伐23的端部设有向外的翻折部26。
阳极陶瓷21包括阳极波纹陶瓷管211以及与阳极波纹陶瓷管211连接的阳极陶瓷部212，阳极波纹陶瓷管211的外壁为波纹结构，阳极波纹陶瓷管211的端部与阳极小可伐22连接，阳极陶瓷部212远离阳极波纹陶瓷管211的一端与阳极大可伐23连接。阳极陶瓷部212与阳极波纹陶瓷管211之间的夹角大于90度且小于145度，提高阳极壳体2的坚固性。
请参看图1，阴极壳体3包括阴极陶瓷31，阴极陶瓷31的外壁为波纹结构，增大了阴极陶瓷31的表面积，大大提高了阴极陶瓷31的散热能力。
请参看图2至图4，液态金属轴承4包括轴杆41、包覆在轴杆41外周的轴套42、与轴套42连接的轴承距离环43、与轴承距离环43连接的轴承下连接环44、连接在轴承下连接环44端部的转子铁座45、与转子铁座45连接的转子铜套46以及连接在转子铜套46内部的轴套密封环47，轴杆41与轴套42之间有一缝隙(未标示)，液态金属能够沿着缝隙移动。当轴承旋转时，液态金属通过该结构在轴杆41和轴套42之间形成一层液态金属膜，由于该种轴承为偏心旋转，这层保护膜让相对旋转的零部件之间无磨损，保证了轴承的长时间工作。轴杆41的外表面与轴套42的内表面均涂覆有液态金属层，提高对液态金属的浸润性。
轴杆41为空心轴杆，轴套密封环47内部设有与轴杆41内部相连通的空腔48，空腔48设有冷却油注入口481，当该X射线管装配至管套时，管套内的冷却油可以直接通过冷却油注入口481通入到轴杆41的最顶部，保证了轴杆41的热量能够迅速被带走，这样热量的传输为：靶盘-轴套-液态金属-轴杆-冷却油-散热至外部。该结构能够有效的保护液态金属轴承4，其金属零部件不会因温度过高而变形，保证X射线管旋转时的高效可靠性。
轴杆41的外壁上设有第一凹槽411和第二凹槽412，第一凹槽411与第二凹槽412之间以及第二凹槽412与轴杆41的端部之间均设置有均匀分布的导流槽413，导流槽413包括一对镜像对称地斜槽414、连接在一对斜槽414之间的若干圆形槽415以及连接在相邻两个圆形槽415之间的直槽416，斜槽414与第一凹槽411或者第二凹槽412连通。轴承旋转时，液态金属从第一凹槽411顺着斜槽414、圆形槽415流入第二凹槽412，然后再次顺着斜槽414、圆形槽415流动至轴杆41的端部，最后顺着轴杆41与轴套42之间的缝隙反向移动。具体地，圆形槽415设置为3个。在轴杆41外壁设置3个圆形槽415，3个圆形槽415之间用直槽连接，其两侧连接有成角度的斜槽414，增加液态金属沿着轴杆41移动的流畅性、有序性。
轴套42包括轴套第一段421以及与轴套第一段421连接的轴套第二段422，轴套第一段421的外径小于轴套第二段422的外径，轴套第一段421全部收容在空心靶盘5内部，使空心靶盘5的热量不会迅速传递到轴承位置，提高了X射线管的可靠性。
轴承下连接环44与轴杆41之间设有第一节流器49，防止液态金属溢出至X射线管的真空环境中。转子铁座45与轴杆41之间设有第二节流器40，进一步保证液态金属溢出至X射线管的真空环境中，保证该X射线管的寿命。轴杆41的端部连接有吸收器417，杜绝液态金属逃逸至X射线管的真空环境中，吸收器417的表面涂覆有涂层，涂层为银、钛、镍等材料，涂层可以与液态金属发生化学反应，从而吸收液态金属。
空心靶盘5包括TZM和铼钨层51以及与TZM和铼钨层51连接的靶盘石墨52，靶盘石墨52和TZM和铼钨层51为中空结构，其内部设有一支撑环53，支撑环53的端部与TZM和铼钨层51的端部连接。靶盘石墨52、TZM和铼钨层51以及支撑环53通过高温焊接方式连接成为整体，支撑环53采用钼或者TZM，提高空心靶盘5的稳定性。靶盘石墨52、TZM和铼钨层51以及支撑环53的中心线处于同一轴线，提高了旋转下整体结构的稳定性。支撑环53与靶盘石墨52之间设有第一空腔54，支撑环53与液态金属轴承4之间设有第二空腔55，具体的，支撑环53与轴套42之间设有第二空腔55，避免空心靶盘5与液态金属轴承4直接接触，提高液态金属轴承4的使用寿命。支撑环53通过螺钉6与液态金属轴承4连接，空心靶盘5的热量在不考虑辐射时只能通过支撑环53传递至螺钉6上，然后再传递到液态金属轴承4上，这样液态金属轴承4不会直接承受空心靶盘5的高温，有效的提高了液态金属轴承4的可靠性。
本发明液态金属轴承医用X射线管，其具体实施方案为：空心靶盘高温焊接-液态金属轴承一体化装配-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，其他同传统X射线管工艺。
本发明液态金属轴承医用X射线管，由于采用液态金属轴承，在旋转时几乎无磨损，热量能够迅速通过液态金属轴承传递至管外，有效提高空心靶盘的散热能力，提高轴承的可靠性，提高了X射线管的可靠性，使该液态金属轴承医用X射线管的阳极热容量能够实现5MHU及以上；轴杆为空心轴杆，当X射线管装配至管套时，管套的冷却油可以直接通入轴杆的最顶部，保证了轴杆的热量能够迅速被带走；阳极壳体和阴极壳体均采用波纹陶瓷结构，增加了陶瓷的表面积，能够及时高效地将X射线管内的热量导出X射线管外，提高了X射线管的可靠性。
当然，本技术领域内的一般技术人员应当认识到，上述实施例仅是用来说明本发明，而并非用作对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对上述实施例的变化、变型都将落在本发明权利要求的范围内。
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