CN106438678A - 液体金属滑动轴承 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种液体金属滑动轴承，该液体金属滑动轴承包括至少一个具有外直径的第一轴承件(1)和至少一个具有内直径的第二轴承件(2)，其中在轴承件(1、2)之间形成至少一个填充液体金属(7)的轴承间隙(5；6)。按照本发明，在至少一个轴承件(1、2)中安置至少一个空隙(11、12；21、22)。这样的液体金属滑动轴承在长时间中出现高的热和机械负荷的情况下也具有高的运行安全性以及长的寿命。

Description

液体金属滑动轴承
技术领域
本发明涉及一种液体金属滑动轴承。
背景技术
这样的液体金属滑动轴承例如由文献DE 103 18 194 A1已知。在已知情况下，液体金属滑动轴承被安置在伦琴射线管中并且用于支承旋转阳极。
液体金属滑动轴承几乎无磨损地运行，在同时产生小的噪声的情况下具有大的运行安静性并且此外确保支承的构件(旋转阳极)的良好散热。
液体金属滑动轴承包括至少一个具有外直径的第一轴承件和至少一个具有内直径的第二轴承件。第一轴承件例如是静止的轴承件，相比之下第二轴承件形成转动的轴承件。为了满足高要求如例如高热拉强度和良好的导热能力以及对于液体金属的良好的湿润性，对于支承件通常应用基于钼的材料，备选地也应用特种钢或陶瓷材料。
在液体金属滑动轴承的轴承件之间设有至少一个轴承间隙，该轴承间隙由第一轴承件的外直径和第二轴承件的内直径形成并且填充液体金属。在轴承间隙中流动的液体金属用于润滑并且必须是适合真空的以及也能够在高的出现的运行温度下具有必要的粘性。为此适合的液体金属是由镓(Ga)、铟(In)和锡(Sn)组成的低共熔的合金。这样的GaInSn合金例如以商标名称已知并且由按照重量68.5％的镓、以及21.5％的铟以及10％的锡组成。
由于要求的计算机图形拍摄的高图像质量同时降低伦琴射线计量，在涉及的伦琴射线管中的要求是非常高的。
在同时改善图像质量(较小的Foken)的情况下，不仅吊架(Gantry)的旋转速度而且每个吊架扫描台的移动速度不断提高(例如在病人整个身体扫描的情况下)。为了实现在焦斑短功率(Brennfleck-Kurzleistung)的最大化的情况下的改善，在计算机成像中产生直至200赫兹的阳极转动速度。因为在计算机成像系统中吊架(转动组件，其中安置有伦琴射线管)以直至4赫兹旋转，所以该吊架被加载大约40克(大约400米/秒2)以及更多。液压液体金属滑动轴承必须能够吸收该极大的高的机械负荷。为此必须如此设置液体金属滑动轴承，在所有运行状态下转动的轴承件与静态轴承件通过润滑介质分离。
为了能够形成在轴承间隙中的对应压力，液体金属滑动轴承由多个构件组成，所述构件必须非常精确地相互协调。在伦琴射线管技术中，这例如是内轴承(作为轴)、套筒、间隔环以及一个或多个盖板。轴承间隙在此为仅仅几个微米。通常是小于20μm的在整个轴承长度上对于最大允许公差的极端高的要求。
在真实情况下，液体金属滑动轴承中的轴承间隙然而例如还由于以下而减小：
·基于在吊架转动期间的弯曲的内轴承的变形；
·由于旋转阳极的转动的轴承套筒的变形；
·轴承套筒和内轴承的变形，该变形基于不均匀的热前缘通过热传播而出现；
·由于其他构件的力作用的轴承套的变形。
上述变形能够导致：液体金属滑动轴承中的轴承间隙在运行期间变小。这在此导致：人们在摩擦技术上由液体摩擦变为不期望的混合摩擦或固体摩擦的范围，亦即相邻轴承件的表面接触。这或者导致液体金属滑动轴承的立刻失灵或者导致由于磨损轴承件的逐渐损坏。
轴承间隙中的太紧窄的位置通常在位置上是集中的。基于在计算机成像发射器中内轴承的弯曲，这例如是内轴承末端。但是也能够仅仅涉及局部区域，因为在此通过在阳极连接的区域中不对称的热导入局部扩展轴承间隙并且因此在该位置上的承载能力减小。
为了一般地提高液体金属滑动轴承的承载能力并且抑制失灵问题，以下措施是已知的，这些措施单独或者组合地应用：
·提高液体金属滑动轴承的长度；
·增大液体金属滑动轴承的直径；
·减小液体金属滑动轴承的轴承间隙；
·提高液体金属滑动轴承的转动速度。
根据单个情况，上述措施的实现能够导致确定的缺点。
虽然随着液体金属滑动轴承长度的提高其承载能力线性提高。当然，人们基于伦琴射线管的结构空间被大幅受限。此外，在较长的液体金属滑动轴承的情况下，内轴承在给定负荷下更大地弯曲，由此该措施能够不利地起作用。
因为液体金属滑动轴承的直径三次方地影响其承载能力，所以液体金属滑动轴承的直径的增大自身是有效的措施。不仅由于伦琴射线管可用的结构空间而且由于较高的需要的驱动功率，所以该措施受限。
液体金属滑动轴承的轴承间隙的减小间接以二次方地成比例地起作用。当然，当今已经应用的轴承间隙在关于可工艺性(可制造性、可用性、可填充性)方面是极限的。对于轴承间隙，因此在整个轴承长度上显著更小的值几乎是不可实现的。
液体金属滑动轴承的转动速度的提高线性地作用于其承载能力。相比于迄今最大的通常200赫兹的更高的转动速度带来对旋转阳极以及伦琴射线管在坚固性和破裂保护自身方面的设计大幅提高的要求。此外，随着较高的转动速度液体金属滑动轴承的不稳定性的危险以及振动产生的危险增加，该振动产生能够导致不平衡并且因此导致旋转阳极的断裂。此外需要显著提高的驱动功率。
另外的原理上可能的措施，如例如完全将热量从液体金属滑动轴承排出或者通过减小吊架的转动速度来减小液体金属滑动轴承的负荷，将导致医学成像系统的效率的减小。
发明内容
本发明的任务在于，实现一种液体金属滑动轴承，该液体金属滑动轴承在长时间中出现高的热和机械负荷的情况下也具有高的运行安全性以及长的寿命。
该任务通过按照本发明的液体金属滑动轴承解决。按照本发明的液体金属滑动轴承的有利的设计方案分别是优选的实施例的对象。
按照本发明的液体金属滑动轴承包括至少一个具有外直径的第一轴承件和至少一个具有内直径的第二轴承件，其中在所述轴承件之间形成至少一个填充液体金属的轴承间隙。按照本发明，在至少一个轴承件中安置至少一个空隙。第一轴承件例如是静止的轴承件；第二轴承件那么被构成为转动的轴承件。然而，在本发明的范围中，第一轴承件也能够是转动的轴承件，而第二轴承件是静止的轴承件。
按照本发明的解决方案不仅在单侧悬挂的液体金属滑动轴承的情况下而且在双侧悬挂的液体金属滑动轴承的情况下是可实现的。
通过在至少一个轴承件中亦即在第一轴承件和/或在第二轴承件中安置至少一个空隙，实现用于变形的空间，该变形能够在液体金属滑动轴承运行期间出现。出现的变形导致轴承间隙的变化(扩大或变窄)。因为液体金属滑动轴承的承载能力是轴承间隙的函数，所以轴承间隙的上述变化相应地对由此涉及的液体金属滑动轴承的承载能力具有不利影响。然而，在根据本发明的液体金属滑动轴承中，通过在至少一个轴承件中的至少一个空隙，为在运行期间出现的变形实现局部空间，从而能够可靠地抑制轴承间隙的可能的变化(扩大或变窄)的影响。
除此之外，通过在至少一个轴承件中安置空隙实现了用于液体金属的附加的容器，该液体金属用作润滑剂。由此改善在自润滑的液体金属滑动轴承中的润滑剂供应。
通过按照本发明的解决方案，不再必须尝试完全优化液体金属滑动轴承，这无论如何以可行的成本几乎是不可能的，因为一个参数的优化通常导致另一参数的变差。而是，通过本发明可能的是，通过至少一个间隙缓和至少一个局部问题位置，从而第一轴承件和/或第二轴承件的变形不导致轴承间隙的如此大幅的变窄，其使得人们在摩擦技术上由液体摩擦变为不期望的混合摩擦或固体摩擦的范围。因为在此避免混合摩擦或固体摩擦，亦即不发生相邻轴承件的接触，那么可靠地避免轴承件的逐渐损坏或液体金属滑动轴承的立刻失灵。按照本发明的液体金属滑动轴承因此也在高机械和/或热负荷下具有高的运行安全性以及长的寿命。
通过按照本发明的措施，即在至少一个轴承件中在轴承间隙的区域中安置至少一个空隙，液体金属滑动轴承的外尺寸保持不变，从而根据本发明的或者根据本发明的有利设计方案的液体金属滑动轴承能够毫无问题地代替常规的液体金属滑动轴承。
按照液体金属滑动轴承的一个特别优选的设计方案，第二轴承件包括第一套筒和第二套筒，所述套筒抗扭地相互连接。这样的液体金属滑动轴承基于第二轴承件的两件式性是可简单装配的和可简单拆卸的。
根据结构的范围条件和/或由应用范围确定的要求概要，能够有针对性地选择以下的有利设计方案中之一。
按照有利实施形式，至少一个空隙被安置在所述第一轴承件的外直径中。按照同样有利的备选实施形式，至少一个空隙被安置在所述第二轴承件的内直径中。
按照一个优选实施例的特征在于，不仅在第一轴承件的外直径中而且在第二轴承件的内直径中分别安置至少一个空隙。这样的设计方案对于热机械极度高要求的液体金属滑动轴承是特别适合的。
如果液体金属滑动轴承如上构成，那么第二轴承件包括第一套筒和第二套筒，它们抗扭地相互连接，随后有利地至少一个空隙安置在第一套筒中。
按照液体金属滑动轴承的一个特别有利的设计方案，至少一个空隙完全沿两个轴承件中的至少一个的圆周方向延伸。由此人们通过结构上特别简单的方式获得了用于液体金属的容器的增大。
在本发明的范围中——根据液体金属滑动轴承的大小及其应用范围——能够分别实现空隙的不同的有利的变形。
按照有利的实施形式，至少一个空隙被构造为在所述两个轴承件中的至少一个中离散变化。按照同样有利的变型，至少一个空隙被构造为在所述两个轴承件中的至少一个中连续变化。而且上述所示的措施的组合可以在一些情况下同样是按照本发明的液体金属滑动轴承的有利的设计方案。
在一个有利设计方案中，至少一个设计为离散变化的空隙被构造为阶梯。按照另一优选实施形式该离散变化被构造为凹槽。
在同样有利的设计方案中，至少一个设计为连续变化的空隙被构造为斜面。按照另一变型，空隙被构造为凸面。根据备选实施形式具有凹面。
根据有利的设计方案，至少一个空隙被构造为沿所述外直径逐段地越来越细和/或被构造为沿内直径逐段地增大。
按照本发明的解决方案以及其有利的设计方案基于高度可靠性适用于多种应用情况。特别是对于在高真空范围中的高压应用例如伦琴射线管，本发明是有利地可用的。按照本发明实施的伦琴射线管包括真空壳体，其中安置有旋转阳极，所述旋转阳极可旋转地被支承在至少一个根据本发明所述的液体金属滑动轴承上。
医疗系统配备有根据本发明的伦琴射线管，因此具有相应高的可靠性。
附图说明
以下根据附图进一步阐明本发明的两个示意示出的实施例，然而不应是对本发明的限制。其中：
图1示出液体金属滑动轴承的第一实施形式的纵截面；
图2示出液体金属滑动轴承的第二实施形式的纵截面；
图3至7示出在液体金属滑动轴承的轴承件中不同的备选空隙。
具体实施方式
在图1中和图2中分别示出的液体金属滑动轴承包括第一轴承件1和第二轴承件2。
第一轴承件1和第二轴承件2例如由钼制造。
第一轴承件1被构造为静止的轴承件并且形成内轴承，相比之下第二轴承件2被构造为转动的轴承件并且包括第一套筒3以及第二套筒4，它们抗扭地相互连接。第一套筒3以及第二套筒4因此形成转动的轴承套筒。
在液体金属滑动轴承的装配中，内轴承1(静止的轴承件)插入到第一套筒3中(转动的轴承件2的部分)并且紧接着第二套筒4(转动的轴承件2的部分)与第一套筒3抗扭地连接。
在装配液体金属滑动轴承之后在第一轴承件1(内轴承；静止的轴承件)与第二轴承件2(轴承套筒；转动的轴承件)之间形成垂直延伸的轴承间隙5以及水平延伸的轴承间隙6。
液体金属滑动轴承在装配之后包括由水平轴承间隙6包围的径向轴承以及由垂直轴承间隙5包围的轴向轴承。
轴承间隙5和6被充以液体金属7，例如低共熔的GaInSn合金。
为了实现在液体金属滑动轴承中在至少一个局部问题位置上的用于在运行期间可能出现的变形的自由空间，按照本发明设定，在第一轴承件1和/或在第二轴承件2中分别安置至少一个空隙。
在图1中示出的液体金属滑动轴承中，第一轴承件1具有空隙11和12，它们两者安置在第一轴承件2的外直径中。
在图2中示出的液体金属滑动轴承中，第二轴承件2具有空隙21和22，它们两者安置在第二轴承件的内直径中，亦即安置在第一套筒3中。
在本发明的范围中——根据液体金属滑动轴承的大小及其应用范围——能够分别实现空隙的不同的有利的变型。
在图3至7中示例性地示出在第一轴承件1中的空隙12的不同有利的变型。阐明的变型同样也对于在第一轴承件1中的空隙11以及对于在第二轴承件2中的空隙21和22是可实现的。
原则上空隙能够被构造为在两个轴承件1或2(第一轴承件1的外直径或者第二轴承件2的内直径)中的至少一个中的离散的变化(图3和4)或连续的变化(图5至7)。
在图3中示出的设计方案中，设计为离散的变化的空隙12被构造为阶梯。按照在图4中示出的实施形式，设计为离散的变化的空隙12被构造为凹槽。
在根据图5的同样有利的设计方案中，设计为连续变化的空隙12被构造为斜面。按照根据图6的另一变型，空隙12被构造为凸面。在图7中示出的空隙12的备选变型具有凹面。
通过在至少一个轴承件中亦即在第一轴承件1和/或在第二轴承件2中安置至少一个空隙11，实现了用于变形的空间，该变形在液体金属滑动轴承运行期间可能出现。出现的变形导致轴承间隙5和6的变化(扩大或变窄)。然而，因为液体金属滑动轴承的承载能力是轴承间隙的函数，所以轴承间隙的上述变化相应地对由此涉及的液体金属滑动轴承的承载能力具有不利影响。然而，在按照本发明的解决方案中，通过在至少一个轴承件1或2中的至少一个空隙11或12或21或22为在运行期间出现的变形实现了局部空间，从而能够可靠地抑制轴承间隙5和6的可能变化(扩大或变窄)的影响。
除此之外，通过在第一轴承件1的外直径中安置空隙11或12和/或在第二轴承件2的内直径中安置空隙21或22实现了用于液体金属7的附加的容器，该液体金属用作润滑剂。由此改善在自润滑的液体金属滑动轴承中的润滑剂供应。
通过按照本发明的解决方案，不再必须尝试完全优化液体金属滑动轴承，这无论如何以可行的成本几乎是不可能的，因为一个参数的优化通常导致另一参数的变差。而是，通过本发明可能的是，通过至少一个间隙11或12或21或22缓和至少一个局部问题位置，从而第一轴承件1和/或第二轴承件2的变形不导致轴承间隙5或6的如此大幅的变窄，其人们在摩擦技术上由液体摩擦变为不期望的混合摩擦或固体摩擦的范围。因为在此避免混合摩擦或固体摩擦，亦即不发生相邻轴承件1和2的接触，那么可靠地避免轴承件1和2的逐渐损坏或液体金属滑动轴承的立刻失灵。按照本发明的液体金属滑动轴承因此也在高机械和/或热负荷下具有高的运行安全性以及长的寿命。
通过按照本发明的措施，即在至少一个轴承件1或2中在轴承间隙6的区域中安置至少一个空隙11或12或21或22，液体金属滑动轴承的外尺寸保持不变，从而按照本发明或者按照有利设计方案的液体金属滑动轴承能够毫无问题地代替常规液体金属滑动轴承。
基于上述特征按照本发明的液体金属滑动轴承特别好地适用于在超高真空中的应用，例如用于在伦琴射线管的真空壳体中支承旋转阳极。第一套筒3是所谓的“接近盘”的套筒，亦即这样的套筒，在其上安置旋转阳极的阳极盘。第二套筒4——其形成液体金属滑动轴承的打开的端部——那么是“远离盘”的套筒。
虽然详细地通过优选实施例进一步阐明和描述本发明，然而本发明不被液体金属滑动轴承在图1和2中所述的实施例以及空隙11、12、21和22的在图2至7中所示的变型限制。而是还能够由本领域的技术人员毫无问题地导出按照本发明的解决方案的其他变型，而在此不会脱离基本的发明构思。

Claims (18)

1.一种液体金属滑动轴承，所述液体金属滑动轴承包括至少一个具有外直径的第一轴承件(1)和至少一个具有内直径的第二轴承件(2)，其中在所述轴承件(1、2)之间形成至少一个填充液体金属(7)的轴承间隙(5；6)，其特征在于，在至少一个轴承件(1、2)中安置至少一个空隙(11、12；21、22)。
2.根据权利要求1所述的液体金属滑动轴承，其特征在于，所述第二轴承件(2)包括第一套筒(3)和第二套筒(4)，所述套筒抗扭地相互连接。
3.根据权利要求1所述的液体金属滑动轴承，其特征在于，至少一个空隙(11、12)被安置在所述第一轴承件(1)的所述外直径中。
4.根据权利要求1所述的液体金属滑动轴承，其特征在于，至少一个空隙(21、22)被安置在所述第二轴承件(2)的所述内直径中。
5.根据权利要求1所述的液体金属滑动轴承，其特征在于，至少一个空隙(11、12)被安置在所述第一轴承件(1)的所述外直径中并且至少一个空隙(21、22)被安置在所述第二轴承件(2)的所述内直径中。
6.根据权利要求2所述的液体金属滑动轴承，其特征在于，至少一个空隙(21、22)被安置在所述第一套筒(3)中。
7.根据权利要求1所述的液体金属滑动轴承，其特征在于，至少一个空隙(11、12；21、22)完全沿所述两个轴承件(1、2)中的至少一个的圆周方向延伸。
8.根据权利要求1所述的液体金属滑动轴承，其特征在于，至少一个空隙(11、12；21、22)被构造为在所述两个轴承件(1、2)中的至少一个中离散变化。
9.根据权利要求1所述的液体金属滑动轴承，其特征在于，至少一个空隙(11、12；21、22)被构造为在所述两个轴承件(1、2)中的至少一个中连续变化。
10.根据权利要求1或8所述的液体金属滑动轴承，其特征在于，至少一个空隙(11、12；21、22)被构造为阶梯。
11.根据权利要求1或8所述的液体金属滑动轴承，其特征在于，至少一个空隙(11、12；21、22)被构造为凹槽。
12.根据权利要求1或9所述的液体金属滑动轴承，其特征在于，至少一个空隙(11、12；21、22)被构造为斜面。
13.根据权利要求1或9所述的液体金属滑动轴承，其特征在于，至少一个空隙(11、12；21、22)具有凸面。
14.根据权利要求1或9所述的液体金属滑动轴承，其特征在于，至少一个空隙(11、12；21、22)具有凹面。
15.根据权利要求1所述的液体金属滑动轴承，其特征在于，所述空隙(11、12)被构造为沿所述外直径逐段地越来越细。
16.根据权利要求1所述的液体金属滑动轴承，其特征在于，所述空隙(21、22)被构造为沿所述内直径逐段地增大。
17.一种伦琴射线管，所述伦琴射线管包括真空壳体，其中安置有旋转阳极，所述旋转阳极可旋转地被支承在至少一个根据权利要求1至16中的至少一项所述的液体金属滑动轴承上。
18.一种医疗系统，具有根据权利要求17所述的伦琴射线管。
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