DE102008002840A1

DE102008002840A1 - Käfig für Röntgenröhrenlager

Info

Publication number: DE102008002840A1
Application number: DE102008002840A
Authority: DE
Inventors: Liangheng Waukesha Qiu; Carey S. Brookfield Rogers; Myles Standish Peterson; Dalong Zhong
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2007-05-11
Filing date: 2008-05-05
Publication date: 2008-11-13
Also published as: JP2008281197A; JP5394002B2; US7620153B2; US20080279335A1

Abstract

Eine Lageranordnung (58), die in einer Röntgenröhre (14) montiert ist, enthält einen Lagerlaufring (72, 74, 80, 82) und eine Anzahl von Lagerkugeln (76, 78), die an den Lagerlaufring (72, 74, 80, 82) angrenzend angeordnet sind. Die mehreren Lagerkugeln (76, 78) sind innerhalb eines Lagerkäfigs (88) angeordnet. Der Lagerkäfig (88) ist dazu eingerichtet, die Lagerkugeln (76, 78) innerhalb des Lagerkäfigs (88) in einem gleichmäßigen Abstand zueinander zu halten und eine Berührung zwischen benachbarten Lagerkugeln (76, 78) zu verhindern, wodurch die Probleme mit Verschleiß durch Rutschen und dynamischen Stoßbeanspruchungen zwischen benachbarten Lagerkugeln (76, 78) in der Lageranordnung (58) beseitigt werden.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Röntgenröhren und im Einzelnen auf eine Röntgenröhrenlageranordnung mit einem Lagerkäfig darin.
Röntgensysteme enthalten typischerweise eine Röntgenröhre, einen Detektor und eine Lageranordnung, um die Röntgenröhre und den Detektor zu lagern. Im Betrieb ist zwischen der Röntgenröhre und dem Detektor ein Bildgebungstisch angeordnet, auf dem sich ein Objekt befindet. Die Röntgenröhre sendet typischerweise Strahlung, wie etwa Röntgenstrahlen, auf das Objekt aus. Die Strahlung tritt typischerweise durch das Objekt auf dem Bildgebungstisch hindurch und trifft auf den Detektor auf. Wenn die Strahlung durch das Objekt hindurch tritt, verursachen die inneren Strukturen des Objektes räumliche Unterschiede in der an dem Detektor empfangenen Strahlung. Der Detektor sendet dann die empfangenen Daten aus, und das System übersetzt die Strahlungsunterschiede in ein Bild, das zum Auswerten der inneren Strukturen des Objektes verwendet werden kann. Ein Fachmann erkennt, dass das Objekt ohne eine Beschränkung darauf einen Patienten bei einem medizinischen Bildgebungsvorgang wie auch ein lebloses Objekt, wie etwa ein Paket bzw. Gepäckstück in einem Computertomographie(CT)-Paketscanner enthalten kann.
Röntgenröhren enthalten zum Zweck der Verteilung der an einem Brennfleck erzeugten Wärme eine rotierende Anodenanordnung. Die Anode wird typischerweise durch einen Induktionsmotor mit einem zylindrischen Rotor gedreht, der in eine freitragende Achse eingebaut ist, die ein scheibenförmiges Anodentarget und eine Statoranordnung aus Eisen mit Kupferwicklungen trägt, die einen verlängerten Hals der Röntgenröhre umgibt. Der Rotor der rotierenden Anodenanordnung wird durch den Stator angetrieben. Eine Röntgenröhrenkathode liefert einen fokussierten Elektronenstrahl, der über einem Anode/Kathode-Vakuumspalt beschleunigt wird und beim Auftreffen auf die Anode Röntgenstrahlung erzeugt. Wegen der hohen Temperaturen, die beim Auftreffen des Elektronenstrahls auf das Target erzeugt werden, ist es notwendig, die Anodenanordnung mit einer hohen Drehzahl zu drehen. Dies stellt hohe Anforderungen an die Lageranordnung, die Werkzeugstahlkugellager und Werkzeugstahllaufbahnen enthält.
Die in Röntgenröhren verwendeten Lager müssen in einem Vakuum arbeiten, was eine Schmierung mit konventionellen feuchten Lagerschmiermitteln, wie etwa Fett oder Öl ausschließt. Die Wälzkörper des Röntgenröhrenlagers (d. h. die Lagerkugeln) sind typischerweise mit einer festen Schicht oder einem Tribosystem aus einem Metall mit Schmiereigenschaften, wie etwa Silber, Blei oder Bleizinn beschichtet. Das schmierende Metall, das die Lagerkugeln überzieht, trägt zur Verringerung der Reibung zwischen benachbarten Kugeln sowie zwischen den Kugeln und der Laufbahn bei. Trotz der Schmiermetallbeschichtung ist jedoch an den Kontaktpunkten zwischen den Kugeln und der Laufbahn ein großes Maß an Reibung und Wärmeerzeugung vorhanden. Die Betriebsbedingungen in der Röntgenröhrenumgebung, wo die Temperatu ren in der Vakuumumgebung von 300 bis 500 Grad Celsius reichen und die Spannungswerte an den Lagerkugeln 2,5 GPa überschreiten können, erzeugt noch zusätzliche Herausforderungen an die Lager.
Der Ausfall eines Lagers in einer Röntgenröhre erfolgt typischerweise durch Abnutzung der Silberbeschichtung und Verlust des Silbers in einem Kontaktbereich zwischen benachbarten Lagerkugeln und zwischen den Lagerkugeln und der Laufbahn. Der Verschleiß der Silberbeschichtung kann auftreten, weil die Kugeln in dem Lager um den Laufring herum nicht gleichmäßig beabstandet angeordnet sind und sich die Abstände von Kugel zu Kugel ändern, wenn das Lager läuft. Wenn eine Lagerkugel von einer Last tragenden in eine lastfreie Zone in dem Lager übertritt, bewegt sich die Kugel schnell aus der Last tragenden Zone heraus und stößt infolge des Wegfalls der Last gegen eine benachbarte Kugel. Dieser Wegfall der Last führt zu einer starken Stoßbelastung zwischen benachbarten Lagerkugeln. Die Stoßbelastung beschädigt eine Kugeloberfläche, indem sie Vertiefungen auf der Oberfläche an der Kontaktstelle von Kugel zu Kugel erzeugt. Weiterhin erfolgt die Drehung aneinander angrenzender Lagerkugeln entgegengesetzt zueinander. Die Rotationsgeschwindigkeit der Kugeloberflächen in entgegen gesetzten Richtungen verursacht ein hohes Reibmoment und eine starke Wärmeansammlung, wenn die benachbarten Kugeln einander berühren. Die hohen Reibgeschwindigkeiten und die durch die Berührung von Kugel zu Kugel hervorgerufene innere Wärme verursachen einen sehr starken Verschleiß und Schaden an der Schmierung, so dass sich die Lebensdauer des Lagers verringert. Folglich tragen Vertiefungen durch Stöße, Verschleiß durch Reibung und Wärmeentstehung alle dazu bei, die Leistungsfähigkeit und Dauerhaftigkeit des Lagers zu beeinträchtigen.
Daher wäre es wünschenswert, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Beseitigung der Probleme durch Reibverschleiß und dynamische Stoßbeanspruchung zwischen benachbarten Kugeln in einer Lageranordnung zu haben. Es wäre auch wünschenswert, das interne Drehmoment des Lagers zu verringern und die Wärmeerzeugung zu minimieren, um die Leistungsfähigkeit des Lagers zu steigern und seine Lebensdauer zu verlängern.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Anordnung von Lagerkugeln in einer Röntgenröhrenlageranordnung, die die zuvor genannten Nachteile überwinden. In der Lageranordnung ist ein Lagerkäfig enthalten, der die Lagerkugeln innerhalb des Lagerkäfigs auf Abstand hält, um eine Berührung zwischen benachbarten Kugeln zu verhindern, wodurch die reibende Abnutzung und die dynamische Stoßbeanspruchung zwischen benachbarten Kugeln verhindert und das interne Drehmoment des Lagers und die Wärmeerzeugung verringert werden.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält eine in einer Röntgenröhre montierte Lageranordnung einen Lagerlaufring, eine Anzahl von Lagerkugeln, die an den Laufring angrenzend angeordnet sind, und einen Lagerkäfig, der um die Anzahl von Lagerkugeln herum angeordnet ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält ein Bildgebungssystem einen Röntgendetektor, eine Röntgenröhre mit einer drehbaren Welle und eine Lageranordnung, die die drehbare Welle lagert. Die Lageranordnung enthält weiterhin einen Lagerlaufring, eine Anzahl von Wälzkörpern, die an den Laufring angrenzend angeordnet sind, und einen Lagerkäfig, der zum Aufnehmen der Anzahl von Wälzkörpern eingerichtet ist.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält ein Röntgenröhrenlager eine Laufbahn mit einem inneren Laufring und einem äußeren Laufring, einen Käfig, der an jedem von einem ersten Ende und einem zweiten Ende der Laufbahn zwischen dem inneren Laufring und dem äußeren Laufring angeordnet ist, und eine Anzahl von Lagerkugeln innerhalb des Käfigs.
Verschiedene weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende detaillierte Beschreibung und die Zeichnungen verdeutlicht.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Zeichnungen stellen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dar, das gegenwärtig zum Ausführen der Erfindung in Betracht gezogen wird.
1 ist eine bildhafte Ansicht eines CT-Bildgebungssystems, das von dem Einbau einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung profitieren kann.
2 ist ein schematisches Blockdiagramm des in 1 dargestellten Systems.
3 ist eine Querschnittsansicht einer Röntgenröhre, die in dem in 1 dargestellten System verwendbar ist.
4 ist eine Querschnittsansicht einer Lageranordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
5 ist eine Querschnittsansicht eines Lagerkäfigs gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
6 ist eine im Querschnitt gezeigte Teilansicht eines Lagerkäfigs mit einer Kombinationsbeschichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
7 ist eine im Querschnitt gezeigte Teilansicht eines Lagerkäfigs mit einer Gradientenbeschichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
8 ist eine im Querschnitt gezeigte Teilansicht eines Grundmaterials mit einer Kombinationsbeschichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
9 ist eine im Querschnitt gezeigte Teilansicht eines Grundmaterials mit einer Kombinationsbeschichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
10 ist eine bildhafte Ansicht eines CT-Systems zur Verwendung in einem nichtinvasiven Gepäcküberprüfungssystem.
Detaillierte Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
Die Betriebsumgebung der vorliegenden Erfindung wird bezogen auf die Verwendung einer Röntgenröhre beschrieben, wie sie in einem Computertomographie(CT)-System verwendet wird. Von Fachleuten wird jedoch erkannt, dass die vorliegende Erfindung gleichermaßen zur Verwendung in anderen Systemen anwendbar ist, die den Gebrauch einer Röntgenröhre erfordern. Solche Verwendungen enthalten Röntgenbildgebungssysteme (für medizinische und nichtmedizinische Zwecke), Mammographiebildgebungssysteme und RAD-Systeme, ohne eine Beschränkung auf die genannten.
Darüber hinaus wird die vorliegende Erfindung bezogen auf die Verwendung in einer Röntgenröhre beschrieben. Ein Fachmann wird jedoch weiterhin erkennen, dass die vorliegende Erfindung gleichermaßen auf andere Systeme anwendbar ist, die den Betrieb eines Lagers in einer Umgebung mit Hochvakuum, hoher Temperatur und hohen Kontaktbeanspruchungen erfordern, wobei ein festes Schmiermittel, wie etwa Silber, auf die in Rollkontakt stehenden Komponenten aufplattiert ist. Die vorliegende Erfindung wird unter Bezug auf einen medizinischen CT-Bildgebungsscanner der „dritten Generation" beschrieben, ist aber gleichermaßen auch auf andere CT-Systeme, wie etwa Gepäckscanner anwendbar.
Unter Bezug auf 1 und 2: Ein Computertomographie(CT)-Bildgebungssystem 10 ist gezeigt, das eine Gantry 12 enthält, die für einen CT-Scanner der „dritten Generation" kennzeichnend ist. Die Gantry 12 weist eine Röntgenröhre 14 auf, die ein Röntgenstrahlenbündel 16 auf ein Detektorarray 18 auf der gegenüberliegenden Seite der Gantry 12 proji ziert. Das Detektorarray 18 ist aus einer Anzahl von Detektoren 20 aufgebaut, die zusammen die projizierten Röntgenstrahlen wahrnehmen, die einen medizinischen Patienten 22 durchdringen. Jeder Detektor 20 erzeugt ein elektrisches Signal, das die Intensität eines auftreffenden Röntgenstrahls und damit den abgeschwächten Strahl wiedergibt, wie er durch den Patienten 22 hindurch tritt. Während einer Aufnahme zum Erfassen von Röntgenprojektionsdaten rotieren die Gantry 12 und die an ihr angebrachten Komponenten um ein Drehzentrum 24 herum.
Die Drehung der Gantry 12 und der Betrieb der Röntgenröhre 14 werden von einer Steuerungsvorrichtung 26 des CT-Systems 10 gesteuert. Die Steuerungsvorrichtung 26 enthält eine Röntgensteuerung 28, die Energie und Taktsignale an eine Röntgenröhre 14 und eine Gantrymotorsteuerung 30 liefert, die die Drehgeschwindigkeit und die Stellung der Gantry 12 steuert. Ein Datenakquisitionssystem (DAS) 32 in der Steuerungsvorrichtung 26 tastet analoge Daten von den Detektoren 20 ab und wandelt die Daten zur anschließenden Verarbeitung in digitale Signale um. Eine Bildwiederherstellungseinrichtung 34 empfängt die abgetasteten und digitalisierten Röntgendaten von dem DAS 32 und führt eine Hochgeschwindigkeitsrekonstruktion durch. Das wiederhergestellte Bild wird als Eingabedaten an einen Computer 36 angelegt, der das Bild in einer Massenspeichervorrichtung 38 speichert.
Der Computer 36 empfängt über eine Konsole 40, die eine Tastatur aufweist, auch Befehle und Aufnahmeparameter von einem Bediener. Eine zugehörige Kathodenstrahlröhrenanzeige 42 ermöglicht dem Bediener, das wiederhergestellte Bild und andere Daten von dem Computer 36 zu betrachten.
Die vom Bediener gegebenen Befehle und Parameter werden von dem Computer 36 verwendet, um Steuersignale und Informationen an das DAS 32, die Röntgensteuerung 28 und die Gantrymotorsteuerung 30 zu liefern. Zusätzlich betreibt der Computer 36 eine Tischmotorsteuerung 44, die einen motorisierten Tisch 46 zum Positionieren des Patienten 22 und der Gantry 12 steuert. Im Einzelnen bewegt der Tisch 46 Abschnitte des Patienten 22 durch eine Gantryöffnung 48 hindurch.
3 stellt eine Querschnittsansicht einer Röntgenröhre 14 dar, die aus einem Einbau einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung Nutzen ziehen kann. Die Röntgenröhre 14 enthält ein Gehäuse 50 mit einem darin ausgebildeten Strahlungsemissionsdurchgang 52. Das Gehäuse 50 schließt ein Vakuum 54 ein und nimmt eine Anode 56, eine Lageranordnung 58, eine Kathode 60 und einen Rotor 62 auf. Röntgenstrahlen 16 werden erzeugt, wenn Hochgeschwindigkeitselektronen plötzlich abgebremst werden, wenn sie von der Kathode 60 auf die Anode 56 über eine Potentialdifferenz zwischen diesen von z. B. 60 kV oder mehr im Falle von CT-Anwendungen gerichtet werden. Die Röntgenstrahlen 16 werden durch den Strahlungsemissionsdurchgang 52 auf ein Detektorarray, wie z. B. das Detektorarray 18 aus 2 ausgesandt. Um eine Überhitzung der Anode 56 durch die Elektronen zu verhindern, wird die Anode 56 mit einer hohen Drehzahl von z. B. 90–250 Hz um eine Zentrallinie 64 gedreht.
Die Lageranordnung 58 enthält eine zentrale Welle 66, die an einem ersten Ende 68 mit dem Rotor 62 und an einem zweiten Ende 70 an der Anode 56 befestigt ist. Ein vorderer innerer Laufring 72 und ein hinterer innerer Laufring 74 der Zentralwelle 66 erfassen rollend eine Anzahl von vorderen Kugeln 76 bzw. eine Anzahl von hinteren Kugeln 78 (d. h. Lagerkugeln), die als Wälzkörper wirken. Die Lageranordnung 58 enthält auch einen vorderen äußeren Laufring 80 und einen hinteren äußeren Laufring 82, die zum rollenden Erfassen und Positionieren der Anzahl von vorderen Kugeln 76 bzw. der Anzahl von hinteren Kugeln 78 eingerichtet sind. Die Lageranordnung 58 enthält einen Schaft 84, der an der Röntgenröhre 14 gehaltert ist. Ein Stator 86 treibt den Rotor 62 an, der die Anode 56 zur Drehung antreibt.
Zusätzlich zur Drehung der Anode 56 innerhalb der Röntgenröhre 14 wird die Röntgenröhre 14 als Ganzes zur Drehung um die Gantry 12 mit einer Drehzahl von typischerweise 1 Hz oder schneller veranlasst. Die rotatorischen Effekte sowohl von der Röntgenröhre 14 um die Gantry 12 als auch von der Anode 56 innerhalb der Röntgenröhre 14 bewirken, dass die Gewichtskraft der Anode 56 erheblich verstärkt wird, was im Betrieb zu Kontaktbeanspruchungen in den Laufringen 72, 74, 80, 82 (d. h. einer Laufbahn) und den Lagerkugeln 76, 78 von bis zu 2,5 GPa führt. Weiterhin bewirken die durch den Betrieb der Kathode 60 erzeugte Wärme, die sich ergebende Abbremsung der Elektronen in der Anode 56 und die durch reibungsbedingte Selbsterhitzung der Laufringe 72, 74, 80 und 82 und der Lagerkugeln 76, 78 erzeugte Wärme einen Betrieb typischerweise oberhalb von 400 Grad Celsius.
Um die Wärme und die durch Reibung zwischen benachbarten Lagerkugeln 76, 78 erzeugte Abnutzung zu verringern, ist in der Lageranordnung 58 ein Lagerkäfig oder -haltering enthalten. Wie in 4 gezeigt enthält die Lageranordnung 58 Lagerkäfige 88 zum Aufnehmen der Anzahl von vorderen La gerkugeln 76 und hinteren Lagerkugeln 78, wobei auch in Betracht gezogen wird, dass nur ein einziger Lagerkäfig 88 in der Lageranordnung 58 enthalten ist, um entweder die vorderen Lagerkugeln 76 oder die hinteren Lagerkugeln 78 aufzunehmen. Die Lagerkäfige 88 sind sowohl an dem ersten Ende 68 als auch an dem zweiten Ende 70 der Lageranordnung 58 eingefügt und zwischen dem vorderen inneren und äußeren Laufring 72, 80 bzw. zwischen dem hinteren inneren und äußeren Laufring 74, 82 eingefügt. Die Lagerkäfige 88 sind um die Lagerkugeln 76, 78 herum angeordnet und dazu eingerichtet, eine Berührung zwischen benachbarten Kugeln zu verhindern. Wie in der detaillierten Ansicht des Lagerkäfigs 88 in 5 gezeigt ist, ist der Lagerkäfig 88 dazu eingerichtet, die einzelnen Lagerkugeln 90 innerhalb von in dem Lagerkäfig 88 ausgebildeten Öffnungen mit gleichmäßigem Abstand anzuordnen. Auf diese Weise verhindert der Lagerkäfig Schäden durch Stoßbelastung, Abnutzung durch Rutschen, und Wärmeansammlungen, die auftreten würden, wenn es den Lagerkugeln 90 ermöglicht würde, miteinander in Kontakt zu geraten. Die von dem Lagerkäfig 88 bewirkte Ausrichtung der Lagerkugeln 90 verteilt die Lasten in Verbindung mit der Lagerdrehung auch gleichmäßig zwischen den Kugeln 90. Wieder unter Bezug auf 4: Der Lagerkäfig 88 führt die Kugeln in den Laufringen 72, 74, 80, 82 auch während der Drehung der Lageranordnung 58 genau.
Die Lagerkäfige 88 sind aus einem Material aufgebaut, das eine hohe spezifische Festigkeit aufweist und zum Betrieb in einer extremen Hochtemperaturumgebung geeignet ist, wie etwa der während des Betriebs einer Röntgenröhre vorhandenen Umgebung. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Lagerkäfige 88 aus einem Carbon-Carbon-Verbundwerkstoffmaterial aufgebaut, das dem Betrieb in einer Rönt genröhrenumgebung widerstehen kann. Es wird jedoch in Betracht gezogen, dass die Lagerkäfige 88 auch aus anderen geeigneten Materialien, wie etwa AISI 4340-Stahl hergestellt sein können, die die gewünschte Festigkeit und die gewünschten Temperatureigenschaften aufweisen. Carbon-Carbon-Verbundwerkstoffe zeigen insbesondere eine Anzahl von physikalischen Eigenschaften, die sie zu einem geeigneten Material für die Herstellung von Lagerkäfigen 88 zur Verwendung in einer Röntgenröhre machen. Als erstes weisen Carbon-Carbon-Verbundwerkstoffe eine hohe spezifische Festigkeit bei einer hohen Temperatur (bis zu 1000 Grad Celsius im Vakuum) auf, was für die Hochtemperaturumgebung der Röntgenröhrenlageranordnung geeignet ist. Auch weisen Carbon-Carbon-Verbundwerkstoffe einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, was wünschenswert ist, um die Beanspruchung im Zusammenhang mit großen Temperaturdifferenzen zu verringern, die im Röntgenröhrenbetrieb auftreten. Weiterhin haben Carbon-Carbon-Verbundmaterialien eine geringe Dichte, was zum Verringern der Zentrifugalkraft dient, die von den Lagerkäfigen 88 hervorgerufen wird, und verringern den Verschleiß zwischen dem Lagerkäfig 88 und den Laufbahnen 72, 74, 80, 82, die in 4 gezeigt sind, verglichen mit dichteren Materialien. Schließlich weisen Carbon-Carbon-Verbundwerkstoffe ausgezeichnete Wärmeübertragungseigenschaften auf, die zum Verringern von Wärmeansammlungen in den Lagerkäfigen 88 beitragen.
Wegen der hohen Temperaturen und der hohen Drehzahlen, die bei dem Betrieb der Röntgenröhre auf die Lageranordnung einwirken, kann gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine Beschichtung auf den Lagerkäfig 88 aus einem Carbon-Carbon-Verbundwerkstoff aufgetragen sein, um diesem einen effizienteren Betrieb zu ermöglichen, in dem die Abnutzung der Teile verringert und die Schmiereigenschaften verstärkt werden. Das heißt, eine Trocken- oder Selbstschmierbeschichtung kann zu Zwecken der Schmierung auf den Lagerkäfig 88 aufgetragen sein. Unter Bezug auf 6: eine im Querschnitt gezeigte Teilansicht eines Lagerkäfigs 88 ist gezeigt. Wie darin gezeigt ist, ist eine Mehrfach- oder Kombinationsbeschichtung 96 auf das Grundmaterial (d. h. den Carbon-Carbon-Verbundwerkstoff) aufgetragen, das den Lagerkäfig 88 bildet. Die Kombinationsbeschichtung 96 enthält eine Bindeschicht 98 (d. h. eine Zwischenschicht) und eine Schmierschicht 100. Die Bindeschicht 98 ist aus einem Bindematerial (d. h. einem Haftmittel), wie etwa Platin, Wolfram, Molybdän, Chrom, Nickel, Silizium, Kupfer oder Titan aufgebaut, wobei es auch in Betracht gezogen wird, dass andere geeignete Materialien ebenso verwendet werden könnten. Die Bindeschicht 98 fördert die Haftung zwischen der Schmierschicht 100 und dem Lagerkäfig 88 durch eine begrenzte gegenseitige Löslichkeit mit dem Material der Schmierschicht und mit dem Grundmaterial des Lagerkäfigs 88. Ti- und W-Metalle bieten z. B. sowohl eine mechanische Haftung, die durch einen Abscheidevorgang hervorgerufen wird, als auch eine chemische Haftung zwischen dem Lagerkäfig 88 und der Schmierschicht 100. In einer Ausführungsform ist die Bindeschicht 98 mit einer Dicke von 10 bis 100 Nanometer auf den Lagerkäfig 88 aufgebracht, um den Lagerkäfig 88 zu beschichten. Es wird auch in Betracht gezogen, dass die Bindeschicht eine größere Dicke, wie etwa 5 bis 20 Mikrometer aufweisen kann oder dass alternativ eine Zwischenschicht von 5 bis 20 Mikrometer auf die dünne Grundbindeschicht von 10 bis 100 Nanometer aufgebracht sein kann. Wenn der Lagerkäfig 88 aus einem Carbon-Carbon-Verbundwerkstoff aufgebaut ist, kann eine Dicke in dem Bereich von 5 bis 20 Mikrometer für entweder die Bindeschicht 98 oder eine Zwischenschicht dazu dienen, wenigstens teilweise Unregelmäßigkeiten auszufüllen, die in der Oberfläche des Carbon-Carbon-Verbundwerkstoffs vorhanden sein können und eine glatte Oberfläche zu bieten, auf die die Schmierschicht 100 aufgebracht werden kann. Dadurch wird eine glattere Schmierschicht 100 gebildet, was die Abnutzung in dem Lagerkäfig verringern, die Lebensdauer der Lageranordnung verlängern und die anschließenden Bearbeitungskosten verringern kann. Während oben bestimmte Dickenbereiche für die Bindeschicht 98 (und eventuell eine Zwischenschicht) angegeben worden sind, kann auch eine Dicke auf den Lagerkäfig 88 aufgebracht werden, die größer oder kleiner als diese Bereiche ist.
Die Schmierschicht 100 ist oben auf die Bindeschicht 98 aufgebracht, um die Reibung zwischen dem Lagerkäfig 88 und den in 5 gezeigten Lagerkugeln 90 zu verringern. Die Schmierschicht 100 kann aus einem beliebigen bekannten Trockenschmiermittel aufgebaut sein, das zur Verwendung mit Lagern in einer Röntgenröhrenumgebung geeignet ist. Typischerweise wird Silber als Schmiermittel verwendet, wenn die Betriebstemperaturen in der Röntgenröhrenumgebung 400 Grad Celsius überschreiten, und das Silber dient zur Minimierung der Bildung von Haftverbindungen zwischen dem Lagerkäfig 88, den Lagerkugeln 76, 78 und den Laufringen 72, 74, 80 und 82 (die in 4 gezeigt sind). Als eine relativ weiche Beschichtung ist Silber in der Lage, vom Lagerkäfig 88 auf entweder die Lagerkugeln oder die Laufringe überzugehen und die Reibung zwischen diesen gering zu halten. Während Silber als eine bevorzugte Schmierschicht 100 beschrieben worden ist, wird auch in Betracht gezogen, dass andere metallische Schmiermittel, wie etwa Gold, Blei oder Bleizinn, ebenso verwendet werden können. Weiterhin können andere feste Schmiermittel hinzugefügt werden, um ein "Kombinationsmaterial" zu bilden, das z. B. aus Silber und einem anderen Schmiermittel, wie etwa Wolframdisulfid (WS₂), Molybdändisulfid (MoS₂), Kalziumfluorid (CaF₂), CAF₂BaF₂-Eutektika und dergleichen zusammengesetzt ist. Es können auch andere hochentwickelte selbstschmierende Hochtemperaturbeschichtungen für die Lager verwendet werden, wie etwa eine nanolegierte Kohlenstoffbeschichtung.
Während die Schmierschicht 100 in 6 oben auf die Bindeschicht 98 aufgetragen gezeigt ist, wird auch in Betracht gezogen, dass die Schmierschicht 100 ohne irgendeine dazwischen liegende Bindeschicht 98 direkt auf den Carbon-Carbon-Verbundwerkstoff des Lagerkäfigs 88 aufgebracht sein könnte.
Es wird auch in Betracht gezogen, dass statt der Bindeschicht 98 und der Schmierschicht 100, die zwei getrennte Schichten sind, eine Beschichtung vom Gradiententyp auf den Lagerkäfig 88 aufgebracht sein kann. Nun unter Bezug auf 7: Eine Gradientenbeschichtung 102 ist auf den Carbon-Carbon-Verbundwerkstoff des Lagerkäfigs 88 aufgetragen gezeigt, die aus einer Bindeschicht 98, einer Übergangsschicht 104 und einer Schmierschicht 100 besteht. Die Gradientenbeschichtung 102 weist eine allmähliche oder schrittweise Änderung des Materials, wie etwa von Nickel zu Silber auf, die chemische Bindungen zwischen benachbarten Schichten herstellt und den Unterschied des Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen benachbarten Schichten minimiert, wodurch die Haftung insgesamt verstärkt wird. Die Bindeschicht 98 kann z. B. zu 100% aus Nickel gebildet sein, um an dem Lagerkäfig 88 zu haften. Die Übergangsschicht 104 ist auf der Bindeschicht 98 angeordnet und enthält einen prozentualen Anteil von Bindematerial (z. B. 50% Nickel) und einen prozentualen Anteil von einem Schmiermaterial, das zur Bildung der Schmierschicht 100 verwendet wird (z. B. 50% Silber). Die Übergangsschicht 104 ist in 7 als eine einzige Schicht gezeigt, wobei jedoch in Betracht gezogen wird, das die Übergangsschicht 104 auch aus mehreren Schichten bestehen könnte, wobei die einzelnen Schichten unterschiedliche prozentuale Anteile von Bindematerial und Schmiermaterial enthalten, um einen langsamen Übergang von der Bindeschicht 98 zu der Schmierschicht 100 herzustellen.
Die Kombinationsbeschichtung 96 aus 6 und die Gradientenbeschichtung 102 aus 7, die oben beschrieben sind, können durch eine Vielzahl von Verfahren auf den Lagerkäfig 88 aufgebracht werden. Das heißt, die Bindeschicht 98, die Schmierschicht 100 und die Übergangsschicht 104 können durch eine Anzahl geeigneter Techniken aufgebracht werden. In einem Ausführungsbeispiel wird eine chemische Gasphasenabscheidung (Chemical Vapor Deposition bzw. CVD), die die thermische CVD, die metallorganische CVD und die plasmaunterstützte CVD enthält, zum Abscheiden einer Schicht 98, 100, 104 auf dem Carbon-Carbon-Verbundmaterial des Lagerkäfigs 88 verwendet. Die CVD verwendet ein Gasphasen-Ausgangsmaterial (z. B. Silberhalogenid oder -hydrid), das erhitzt und in einem erhitzten Zustand über den Lagerkäfig 88 geleitet wird, um Bindematerial und/oder Schmiermaterial auf dem Lagerkäfig abzuscheiden.
Bei einem anderen Auftrageverfahren wird eine physikalische Gasphasenabscheidungs(Physical Vapor Deposition bzw. PVD)-Technik angewandt, um eine Beschichtung 98, 100, 104 auf das Carbon-Carbon-Verbundmaterial des Lagerkäfigs 88 aufzubringen. Bei der PVD wird das Binde- und/oder das Schmiermaterial, das auf den Lagerkäfig 88 aufzutragen ist, in einer energiereichen, entropischen Umgebung angeordnet, so dass Teilchen des Materials aus seiner Oberfläche austreten. Bei einem Ionenplattierungsvorgang wird der Lagerkäfig 88 zum Beispiel in einem Inertgas (z. B. Argon) zusammen mit dem Binde-/Schmiermaterial angeordnet. Man lässt eine Heiztemperatur und einen Niederspannungslichtbogen einwirken, um die metallische Komponente des Beschichtungsmaterials (z. B. Silber) zu verdampfen, und die ionisierten Teilchen werden danach auf eine hohe Energie beschleunigt, um den Lagerkäfig 88 durch einen Beschuss mit diesen beschleunigten Teilchen zu beschichten.
Bei einer anderen Technik kann die Galvanisierung zum Aufbringen von einer Schicht, Schichten oder Gradienten von Schichten auf das Carbon-Carbon-Material des Lagerkäfigs 88 verwendet werden. Der Lagerkäfig 88 und das Binde-/Schmiermaterial werden in eine Lösung eingetaucht, die ein oder mehrere Metallsalze sowie weitere Ionen enthält, die einen elektrischen Stromschluss zulassen. Ein Gleichrichter führt dem Lagerkäfig einen Gleichstrom zu, der die Metallionen in der Lösung ihre Ladung verlieren und den Lagerkäfig 88 metallisieren lässt. Wenn der elektrische Strom fließt, löst sich das Binde-/Schmiermaterial langsam auf und füllt die Ionen in der Lösung wieder auf.
In noch einer weiteren PVD-Auftragetechnik wird eine Zerstäubungs- bzw. Sputtering-Technik angewandt, um eine Schicht 98, 100, 104 auf das Carbon-Carbon-Verbundmaterial des Lagerkäfigs 88 aufzubringen. Bei einer Zerstäubungsbeschichtungstechnik wird ein dünner Film des Binde-/Schmiermaterials durch den Ausstoß von Atomen in eine Gasphase aus einem als Target bezeichneten Block eines Binde-/Schmier materials aufgetragen. Die Binde-/Schmiermaterialatome werden infolge des Beschusses des Targetmaterials durch energiereiche Ionen (z. B. Argonplasma) in die Gasphase ausgestoßen und lagern sich auf dem Lagerkäfig 88 ab, wenn er in einer Vakuumkammer angeordnet ist.
Es wird auch in Betracht gezogen, dass verschiedene metallische Pasten auf organischer oder anorganischer Basis verwendet werden könnten, um eine Schicht, Schichten oder Gradienten von Schichten auf das Carbon-Carbon-Material des Lagerkäfigs 88 aufzutragen. Eine Platinpaste mit Ethylzellulose und Alpha-Termineol könnte z. B. auf den Lagerkäfig 88 aufgebracht werden. Die Paste könnte auch Oxide, wie etwa Nickeloxid oder Titanoxid enthalten, die anschließend zu dem Basismetall reduziert werden könnten, um die Bindeschicht 98 und/oder die Schmierschicht 100 zu bilden. Ein thermisches Spritz- oder ein Kaltgasspritzverfahren könnte auch angewandt werden, um eine Schicht auf dem Carbon-Carbon-Lagerkäfig 88 anzuordnen. Dieses Material kann ein Metall oder ein Material auf Oxidbasis, wie z. B. NiO oder TiO sein, das anschließend reduziert würde.
Zusätzlich zu den oben genannten Techniken können auch andere geeignete Beschichtungstechniken in die Praxis umgesetzt werden, um eine Bindeschicht 98 und eine Schmierschicht 100 auf den Lagerkäfig 88 aus Carbon-Carbon-Verbundwerkstoff aufzubringen.
Alternativ oder zusätzlich zu den auf den Lagerkäfig 88 aufgebrachten Kombinationsbeschichtungen 96, 102, wie sie in den 6 und 7 gezeigt sind, wird auch in Betracht gezogen, dass ein Schmiermittel auch auf die Laufringe 72, 74, 80, 82 und auf die Lagerkugeln 76, 78, die in der Lageranordnung 58 aus 4 gezeigt sind, aufgebracht werden könnte, um die Reibung zwischen diesen zu verringern. Die Laufringe 72, 74, 80 und 82 und die Lagerkugeln 76, 78 können aus Werkzeugstählen bestehen, die typischerweise für Lagermaterialien verwendet werden, wie etwa Rex^® 20-, T5-, T15-Werkzeugstähle und dergleichen. Rex ist eine eingetragene Marke der Crucible Materials Corporation, Solvay, New York. Die Lagerkugeln 76, 78 können auch aus einem Keramikmaterial gebildet sein. Unter Bezug auf 8: Eine im Querschnitt dargestellte Teilansicht eines Grundmaterials 120 ist gezeigt, aus dem der Laufring und die Lagerkugeln aufgebaut sind. Eine Haftschicht 122 ist auf das Grundmaterial 120 aufgebracht, und eine Schmierschicht 124 ist auf die Haftschicht 122 aufgebracht. Die Schmierschicht 122 kann aus z. B. Silber aufgebaut sein oder kann weiterhin ein anderes Schmiermaterial als Silber enthalten, wie z. B. WS₂, MoS₂, CaF₂, CaF₂BaF₂-Eutektika, nanolegierten Kohlenstoff und dergleichen. Auf diese Weise verbessert die Schmierschicht 124 zusammen mit der Haftschicht 122 die Schmiereigenschaften und die Lebensdauer des Grundmaterials 120, das den Laufring und/oder die Lagerkugeln bildet.
Wie in 9 gezeigt kann zwischen der Haftschicht 122 und der Schmierschicht 124 auch eine Hartschicht 126 eingeschlossen sein. Die Hartschicht 126 ist aus einem Material mit einer Härte gebildet, die größer als diejenige eines Grundmaterials 120 des Lagerlaufrings und der Lagerkugeln ist. Das Hartmaterial 126 kann aus Hartpartikeln gebildet sein, die TiC, TiN, TiAlN, Diamant, Siliziumnitrid oder Siliziumkarbid enthalten. Alternativ kann das Hartmaterial 126 aus einer harten Beschichtung gebildet sein, die ein monolitisches Nitrid, ein Nano-Mehrschicht-Nitrid, eine Nickel-Diamant-Beschichtung, eine Keramik, oder eine Koh lenstoff- und Oxidbeschichtung mit Schmierphasen enthalten. Eine Nanoverbund-TiC-C-Beschichtung besteht z. B. aus nanokristalinen TiC-Körnern, die in eine amorphe Kohlenstoffmatrix (nc-TiC/a-C) eingebettet sind, und bietet eine geringe Reibung, hohe Belastbarkeit und dadurch ausgezeichnete Schmiereigenschaften. Eine verbesserte Widerstandsfähigkeit des Grundmaterials 120 gegen Verschleiß wird durch Aufbringen einer Schicht aus einem Hartmaterial 126 auf das Grundmaterial 120 und durch Aufbringen des Schmiermittels 124 darauf erreicht.
10 ist eine bildhafte Ansicht eines CT-Systems zur Verwendung in einem nichtinvasiven Gepäcküberprüfungssystem, das die Röntgenröhre 14 und die Lageranordnung 58, die in 3 gezeigt sind, enthalten kann. Das Paket- bzw. Gepäcküberprüfungssystem 130 enthält eine drehbare Gantry 132 mit einer Öffnung 134, durch die sich Pakete oder Gepäckstücke hindurchbewegen können. Die drehbare Gantry 132 nimmt eine Quelle 136 für hochfrequente elektromagnetische Energie sowie eine Detektoranordnung 138 mit Szintillatorarrays auf, die aus Szintillatorzellen bestehen. Ein Förderbandsystem 140 ist auch vorhanden und enthält ein Förderband 142, das von einer Anordnung 144 getragen wird, um zu untersuchende Pakete oder Gepäckstücke 146 automatisch und kontinuierlich durch die Öffnung 134 hindurch zu transportieren. Die Objekte 146 werden von dem Förderband 142 durch die Öffnung 134 hindurch geführt, danach werden Bilddaten erfasst, und das Förderband 142 entfernt die Pakete 146 auf eine kontrollierte und kontinuierliche Weise aus der Öffnung 134. Im Ergebnis kann Postüberprüfungs-, Gepäckdienst- und anderes Sicherheitspersonal auf nichtinvasive Art den Inhalt von Paketen 146 auf Sprengstoffe, Messer, Schusswaffen, Schmuggelware etc. überprüfen.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält eine Lageranordnung, die in einer Röntgenröhre montiert ist, einen Lagerlaufring, eine Anzahl von Lagerkugeln, die an den Laufring angrenzend angeordnet sind, und einen Lagerkäfig, der um die Anzahl von Lagerkugeln herum angeordnet ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält ein Bildgebungssystem einen Röntgendetektor, eine Röntgenröhre mit einer drehbaren Welle und eine die drehbare Welle lagernde Lageranordnung. Die Lageranordnung enthält weiterhin einen Lagerlaufring, eine Anzahl von Wälzkörpern, die an den Lagerlaufring angrenzend angeordnet sind, und einen Lagerkäfig, der zur Aufnahme der mehreren Wälzkörper eingerichtet ist.
Gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung enthält ein Röntgenröhrenlager eine Laufbahn mit einem inneren Laufring und einem äußeren Laufring, einen zwischen dem inneren Laufring und dem äußeren Laufring angeordneten Käfig, der jeweils an einem ersten Ende und an einem zweiten Ende der Laufbahn angeordnet ist, und eine Anzahl von Lagerkugeln innerhalb des Käfigs.
Eine Lageranordnung 58, die in einer Röntgenröhre 14 montiert ist, enthält einen Lagerlaufring 72, 74, 80, 82 und eine Anzahl von Lagerkugeln 76, 78, die an den Lagerlaufring 72, 74, 80, 82 angrenzend angeordnet sind. Die mehreren Lagerkugeln 76, 78 sind innerhalb eines Lagerkäfigs 88 angeordnet. Der Lagerkäfig 88 ist dazu eingerichtet, die Lagerkugeln 76, 78 innerhalb des Lagerkäfigs 88 in einem gleichmäßigen Abstand zueinander zu halten und eine Berührung zwischen benachbarten Lagerkugeln 76, 78 zu verhindern, wodurch die Probleme mit Verschleiß durch Rutschen und dynamischen Stoßbeanspruchungen zwischen benachbarten Lagerkugeln 76, 78 in der Lageranordnung 58 beseitigt werden.
Die vorliegende Erfindung ist mit den Begriffen des bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben worden, wobei erkannt wird, dass Äquivalente, Alternativen und Abwandlungen zusätzlich zu den ausdrücklich genannten möglich sind und innerhalb des Bereiches der beigefügten Ansprüche liegen.

Claims

Lageranordnung (58), die in einer Röntgenröhre (14) angebracht ist, wobei die Lageranordnung (58) enthält: einen Lagerlaufring (72, 74, 80, 82); eine Anzahl von Lagerkugeln (76, 78), die an den Lagerlaufring (72, 74, 80, 82) angrenzend angeordnet sind; und einen Lagerkäfig (88), der um die Anzahl von Lagerkugeln (76, 78) herum angeordnet ist.
Lageranordnung (58) nach Anspruch 1, bei der der Lagerkäfig (88) ein Carbon-Carbon-Verbundmaterial enthält.
Lageranordnung (58) nach Anspruch 1, die weiterhin ein Trockenschmiermittel (100) enthält, das auf den Lagerkäfig (88) aufgebracht ist.
Lageranordnung (58) nach Anspruch 3, bei der das Trockenschmiermittel (100) Silber, Gold, Blei, WS₂, MoS₂, CaF₂, CaF₂BaF₂-Eutektika und/oder amorphen Kohlenstoff enthält.
Lageranordnung (58) nach Anspruch 3, die weiterhin ein Bindematerial (98) enthält, das zwischen dem Lagerkäfig (88) und dem Trockenschmiermittel (100) aufgebracht ist, um die Haftung zwischen diesen zu fördern.
Lageranordnung (58) nach Anspruch 3, bei der das Bindematerial (98) Platin, Wolfram, Molybdän, Chrom, Nickel, Silizium, Kupfer und/oder Titan enthält.
Lageranordnung (58) nach Anspruch 1, bei der jede von der Anzahl von Lagerkugeln (76, 78) weiterhin eine Haftschicht (122) und eine auf diese aufgebrachte Schmierschicht (124) aufweist.
Lageranordnung (58) nach Anspruch 1, bei der der Lagerlaufring (72, 74, 80, 82) weiterhin eine auf diesen aufgebrachte Schmierbeschichtung (124) aufweist.
Lageranordnung (58) nach Anspruch 1, bei der die Anzahl von Lagerkugeln (76, 78) oder der Lagerlaufring (72, 74, 80, 82) weiterhin ein auf diese aufgebrachtes Hartmaterial (126) aufweisen, das eine Härte aufweist, die größer als diejenige eines Grundmaterials des Lagerlaufrings und eines Grundmaterials der Lagerkugeln (76, 78) ist.
Lageranordnung (58) nach Anspruch 1, bei der der Lagerkäfig (88) weiterhin eine Anzahl von darin ausgebildeten Öffnungen aufweist, um die Lagerkugeln (76, 78) innerhalb des Lagerkäfigs (88) mit gleichmäßigem Abstand anzuordnen und eine Berührung zwischen benachbarten Lagerkugeln (76, 78) zu verhindern.