DE102005034687B3

DE102005034687B3 - Drehkolbenstrahler

Info

Publication number: DE102005034687B3
Application number: DE102005034687A
Authority: DE
Inventors: Eberhard Dr. Lenz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-07-25
Filing date: 2005-07-25
Publication date: 2007-01-04
Anticipated expiration: 2025-07-26
Also published as: US7489763B2; JP2007035634A; US20070064874A1; CN1905122A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Drehkolbenstrahler, bei dem ein Boden (1) eines Drehkolbens an seiner Innenseite (2) eine aus einem ersten Werkstoff hergestellte Anode umfasst, wobei an einer der Anode abgewandten Außenseite (3) des Bodens (1) zumindest in einem der Anode gegenüberliegenden ringförmigen Abschnitt eine Struktur (S1, S2, S3) zur Aufnahme zumindest eines aus einem zweiten Werkstoff hergestellten Wärmeleitelements (9) vorgesehen ist und wobei der zweite Werkstoff eine höhere Wärmeleitfähigkeit als der ersten Werkstoff aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Drehkolbenstrahler zur Erzeugung von Röntgenstrahlen.

Derartige Drehkolbenstrahler bzw. Drehkolbenröhren sind nach dem Stand der Technik beispielsweise aus der DE 197 41 750 A1 oder der DE 199 56 491 A1 allgemein bekannt. Dabei weist ein rotierbar gelagerter Drehkolben eine aus einem ersten Werkstoff hergestellte Anode auf. Gegenüberliegend der Anode ist eine Kathode vorgesehen. Ein davon ausgehender Elektronenstrahl wird mittels einer Magneteinrichtung so abgelenkt, dass er bei einer Drehung des Drehkolbens auf der Anode eine ringförmige Brennbahn bildet. Zum Abführen der Wärme wird die Anode an ihrer Außenseite von einem flüssigen Kühlmittel umspült.

Die nachveröffentlichten Dokumente DE 10 2004 003 370 A1 sowie DE 10 2004 003 368 A1 beschreiben Drehkolbenstrahler, bei denen ein Boden des Drehkolbens an seiner Innenseite eine aus einem ersten Werkstoff hergestellte Anode umfasst. An einer der Anode abgewandten Außenseite des Bodens ist in einem der Anode gegenüberliegenden ringförmigen Abschnitt eine Struktur zur Aufnahme zumindest eines aus einem zweiten Werkstoff hergestellten Wärmleitelements vorgesehen. Der zweite Werkstoff weist eine höhere Wärmeleitfähigkeit als der erste Werkstoff auf.

Die DE 1 937 351 A1 sowie die US 4,531,227 betreffen Drehanoden-Röntgenröhren, bei denen ein Anodenteller einen Anodengrundkörper umfasst. In dem Anodengrundkörper sind zur Verminderung von thermisch bedingten Spannungen Ausnehmungen oder Schlitze vorgesehen.

Zur Erzielung einer möglichst schnellen und effektiven Wärmeabfuhr wird der Drehkolben mit einer relativ hohen Drehzahl von bis zu 180 Umdrehungen pro Sekunde gedreht. Zur weiteren Erhöhung der Leistung eines solchen Drehkolbenstrahlers ist es in der Praxis versucht worden, den Drehkolben mit einer noch höheren Geschwindigkeit zu rotieren. Dabei ist allerdings festgestellt worden, dass mit einer weiteren Erhöhung der Drehzahl die auf die Anode eingeleitete Wärme nicht in ausreichendem Maße abgeführt werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen. Es soll insbesondere ein Drehkolbenstrahler mit verbesserter Leistung angegeben werden.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 17.

Nach Maßgabe der Erfindung wird ein Drehkolbenstrahler vorgeschlagen, bei dem ein Boden eines Drehkolbens an seiner Innenseite eine aus einem ersten Werkstoff hergestellte Anode umfasst,
wobei an einer der Anode abgewandten Außenseite des Bodens zumindest in einem der Anode gegenüberliegenden ringförmigen Abschnitt eine Struktur zur Aufnahme eines zweiten Werkstoffs vorgesehen ist, wobei der zweite Werkstoff eine höhere Wärmeleitfähigkeit als der erste Werkstoff aufweist und
wobei die Wärmeleitelemente unter Ausbildung von Dehnungsfugen in der Struktur aufgenommen sind.

Durch das erfindungsgemäße Vorsehen einer Struktur zur Aufnahme kann die Ausbildung einer durch ein Kriechen des zweiten Werkstoffs bedingten Unwucht vermieden werden. Es ist damit möglich, eine Drehzahl des Drehkolbens weiter zu steigern und damit die Leistung des Drehkolbenstrahlers zu erhöhen.

Die Dehnungsfugen sind zweckmäßigerweise derart dimensioniert, dass eine Verformung der Struktur durch eine thermisch bedingte Ausdehnung der Wärmeleitelemente vermieden wird. Die Dehnungsfugen können sich in axialer und/oder radialer Richtung erstrecken. Sie können insbesondere innerhalb von aus dem zweiten Werkstoff hergestellten Wärmeleitelementen verlaufen. Die Wärmeleitelemente können aber auch zumindest abschnittsweise von Dehnungsfugen umgeben sein.

Die Struktur kann zumindest eine umlaufende Trennwand umfassen. Die Struktur kann ferner mehrere radial verlaufende Trennwände umfassen. Insbesondere kann die Struktur gitterartig ausgebildete Trennwände umfassen. Es kann auch sein, dass die Trennwände wabenförmig ausgebildet sind. Eine Struktur mit den vorgeschlagenen Trennwänden bildet also an einer Außenseite des Bodens Ausnehmungen, welche eine Aufnahme des zweiten Werkstoffs ermöglichen.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung ist/sind die Außenwand und/oder die Struktur aus dem ersten Werkstoff hergestellt. Es kann insbesondere sein, dass die Außenwand und/oder die Struktur zumindest teilweise in einstückiger Ausbildung mit dem Boden hergestellt ist/sind. Die Struktur kann also durch eine besondere Ausbildung der Außenseite des Bodens hergestellt sein.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Werkstoff eine geringere stationäre Kriechgeschwindigkeit aufweist als der zweite Werkstoff. Zur Definition der "stationären Kriechgeschwindigkeit" wird verwiesen auf Ilschner: Werkstoffwissenschaften, Springer Verlag 1982, Seiten 119 bis 121. Damit wird eine unerwünschte Deformation der Struktur bei hohen Temperaturen und Drehzahlen des Drehkolbens vermieden. Damit wird besonders zuverlässig der Ausbildung einer Unwucht entgegengewirkt.

Der erste Werkstoff ist zweckmäßigerweise aus der folgenden Gruppe ausgewählt oder kombiniert: Molybdän, Molybdänlegierung, Wolfram, Wolframlegierung, Stahl, warmfeste Kupferlegierung. Die vorgenannten Werkstoffe Stahl und warmfeste Kupferlegierung finden insbesondere in Kombination mit den übrigen genannten Werkstoffen Anwendung.

Der zweite Werkstoff ist zweckmäßigerweise aus der folgenden Gruppe ausgewählt oder kombiniert: Kupfer, Kupferlegierung, Kupferverbundwerkstoff, Grafit. Der vorgenannte zweite Werk stoff Grafit wird üblicherweise in Kombination mit den übrigen genannten zweiten Werkstoffen verwendet.

Der zweite Werkstoff kann an der Struktur mit gängigen Befestigungsmethoden befestigt werden. Insbesondere hat es sich als zweckmäßig erwiesen, dass der zweite Werkstoff mit einer Lötverbindung in der Struktur befestigt ist. Es ist aber auch möglich, den zweiten Werkstoff in die aus den Trennwänden gebildeten Ausnehmungen zu gießen und nach der Erstarrung Dehnungsfugen, beispielsweise mittels Funkenerosion einzuarbeiten.

Nach einer weiteren Ausgestaltung kann die Struktur, insbesondere zur Stabilisierung der Trennwände, ein Lochblech oder auch daraus hergestellte Lochblechringe umfassen. Das Lochblech oder die Lochblechringe können insbesondere aus dem folgenden Werkstoff hergestellt sein: Molybdän, Molybdänlegierung, Wolfram, Wolframlegierung, Stahl, warmfeste Kupferlegierung, warmfeste Ni-Basislegierung. Auch die Außenwand kann aus einer warmfesten Ni-Basislegierung hergestellt sein.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Teilquerschnittsansicht eines Bodens eines Drehkolbenstrahlers,
2 eine perspektivische Unteransicht der in 1 gezeigten ersten Struktur,
3 eine perspektivische Unteransicht einer zweiten Struktur,
4 eine perspektivische Unteransicht einer dritten Struktur,
5 eine schematische Teilquerschnittsansicht des Bodens nach 1 mit daran vorgesehenen Dichtungen und
6 eine schematische Teilquerschnittsansicht eines weiteren Bodens.
1 zeigt eine schematische Teilquerschnittsansicht eines Bodens 1 eines (hier nicht näher gezeigten) Drehkolbens eines Drehkolbenstrahlers. Eine zum Inneren des Drehkolbens hinweisende Innenseite ist mit dem Bezugszeichen 2 und eine von einer Kühlflüssigkeit (hier nicht gezeigt) umspülte Außenseite ist mit dem Bezugszeichen 3 bezeichnet. An der Innenseite 2 befindet sich eine ringförmige Brennbahn 4. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel bildet die Innenseite 2 des Bodens 1 eine Anode. An der Innenseite 2 des Bodens 1 kann insbesondere im Bereich der Brennbahn 4 aber auch eine aus einem gesonderten Werkstoff hergestellte Anode vorgesehen sein. Die Außenseite 3 weist gegenüberliegend der Brennbahn 4 eine Ausnehmung 5 mit einer konvex gewölbten Bodenfläche 6 auf. Die Ausnehmung 5 ist radial außen durch eine umlaufende Außenwand 7 begrenzt.
Der Boden 1 ist aus einem ersten Werkstoff hergestellt, der eine hohe Temperaturbeständigkeit aufweist. Es kann sich dabei beispielsweise um Molybdän, mikrolegiertes Molybdän (TZM der Firma Plansee AG), Wolfram oder eine Wolframlegierung handeln. Der erste Werkstoff weist eine geringe stationäre Kriechgeschwindigkeit auf, d. h. er verformt sich auch bei hohen Temperaturen nur in engen Grenzen.
Die Außenwand 7 kann einstückig mit dem Boden 1 hergestellt sein. In diesem Fall ist die Außenwand 7 ebenfalls aus dem ersten Werkstoff hergestellt. Bei der Außenwand 7 kann es sich aber auch um ein mit dem Boden 1 verbundenes Bauteil handeln. In diesem Fall kann die Außenwand 7 auch aus einem anderen Werkstoff, beispielsweise Stahl, einer warmfesten Kupferlegierung, einer warmfesten Ni-Basislegierung oder dgl. hergestellt sein.
Innerhalb der Ausnehmung 5 sind umlaufende Zwischenwände 8 angebracht. Die Zwischenwände 8 können ebenfalls in einstückiger Ausbildung mit dem Boden 1 hergestellt sein. Es ist aber auch möglich, die Zwischenwände 8 zunächst als separates Bauteil herzustellen und dann mit dem Boden 1 zu verbinden. Zwischenwände 8 können aus dem ersten Werkstoff oder auch dem für die Außenwand 7 verwendeten weiteren Werkstoff hergestellt sein.
Die Ausnehmung 5 bildet zusammen mit den Zwischenwänden 8 eine erste Struktur S1. An den Zwischenwänden 8 sind aus einem zweiten Werkstoff hergestellte Wärmeleitelemente 9 angebracht. Bei dem zweiten Werkstoff handelt es sich um einen Werkstoff, der eine höhere Wärmeleitfähigkeit als der erste Werkstoff aufweist. Der zweite Werkstoff kann beispielsweise aus Kupfer, einem Kupfer-Basis-Werkstoff und dgl. hergestellt sein. Um eine möglichst gute Wärmeableitung von einem den Boden 1 aufweisenden Bodenkörper zu gewährleisten, sind die Wärmeleitelemente 9 mit zumindest einer Fläche vollflächig am Bodenkörper angebracht. Zur Vermeidung des Vorsehens einer gesonderten mechanischen Halterung können die Wärmeleitelemente 9 zweckmäßigerweise zusätzlich an eine oder mehrere der Zwischenwände 8 angelehnt oder damit z. B. mittels Löten verbunden sein.
Wie aus den 1 und 2 ersichtlich ist, werden die Wärmeleitelemente 9 sowohl durch umlaufende Dehnungsfugen 10a als auch durch radiale Dehnungsfugen 10b begrenzt. Die Dehnungsfugen 10a, 10b sind so dimensioniert, dass durch thermische Ausdehnungen der Wärmeleitelemente 9 bedingte Spannungen vermieden werden. Wie insbesondere aus den 1 und 2 ersichtlich ist, bildet die Ausnehmung 5, ggf. in Kombination mit der Außenwand 7 und den Zwischenwänden 8, eine Struktur S1, welche zur Aufnahme von Wärmeleitelementen geeignet ist.
Die 3 zeigt eine zweite Struktur S2. Die zweite Struktur S2 wird hier durch innerhalb der Ausnehmung 5 vorgesehene umlaufende Zwischenwände 8 und die umlaufenden Zwischenwände 8 radial durchkreuzende radiale Zwischenwände 11 gebildet. In den durch die sich kreuzenden Zwischenwände 8, 11 gebildeten Taschen sind jeweils Wärmeleitelemente 9 aufgenommen. Die Wärmeleitelemente 9 sind wiederum durch abschnittsweise umlaufende Dehnfugen 10a und durch radiale Dehnfugen 10b begrenzt. Die Wärmeleitelemente sind wiederum mit zumindest zwei Flächen vollflächig mit dem Boden 1 sowie einer der Zwischenwände 8, 11 verbunden.
4 zeigt eine dritte Struktur S3. Dabei sind in der Ausnehmung 5 wabenförmige Zwischenwände 12 vorgesehen, in denen die Wärmeleitelemente 9 aufgenommen sind. Auch dabei sind die Wärmeleitelemente 9 wiederum durch weitere Dehnfugen 13 von zumindest einem Teil der weiteren Zwischenwände 12 getrennt.
5 zeigt eine schematische Teilquerschnittsansicht des in 1 gezeigten Bodens 1. Dabei sind an der Außenseite 3 die Dehnfugen 10a, 10b überdeckende erste 14 und zweite Dichtungen 15 vorgesehen. Die Dichtungen 14, 15 verhindern einen Eintritt von Kühlfluid in die Dehnungsfugen 10a, 10b. Die Dichtungen 14, 15 können beispielsweise aus einem weichen Metall hergestellt sein, welches durch eine Lötverbindung mit den Wärmeleitelementen 9 und den Zwischenwänden 8, 11 oder 12 verbunden ist. Bei dem weichen Metall kann es sich beispielsweise um Kupfer, Aluminium, Gold, Silber, Tantal, Titan, Zinn oder eine Weichlotlegierung der vorgenannten Metalle handeln. Wie aus 5 ersichtlich ist, kann die erste Dichtung 14 beispielsweise aus einem Blech und die zweite Dichtung 15 aus einem Ring mit einem runden Querschnitt gebildet sein. Die Dichtungen 14, 15 können aber auch anders gestaltet sein. Es können auch lediglich nur erste Dichtungen 14 oder nur zweite Dichtungen 15 verwendet werden.
6 zeigt eine schematische Teilquerschnittsansicht eines weiteren Bodens 1. Dabei sind in der Ausnehmung 5 auf dem dort vorgesehenen konvex gewölbten Bodenabschnitt 6 radial umlaufende erste Zwischenwände 8 vorgesehen. Die radial umlaufenden Zwischenwände 8 können zur Außenseite 3 hin zunächst aus dem ersten Werkstoff und im Weiteren aus einem dritten Werkstoff hergestellt sein, der eine höhere Wärmeleitfähigkeit als der erste Werkstoff aufweist. Zwischen den aus dem ersten Werkstoff hergestellten Zwischenwänden 8 und den aus dem dritten Werkstoff hergestellten Zwischenwänden 8 kann ein Lochblech 16 vorgesehen sein. Anstelle des Lochblechs 16 können auch Lochblechringe verwendet werden.
Die Wärmeleitelemente 9 können in einem an der Bodenfläche 6 benachbarten Abschnitt aus einem weiteren Werkstoff, beispielsweise Grafit, Grafit mit C-meso- oder C-nano-Fasern oder C-nano-tubes oder Sondergrafit mit sehr hoher Wärmeleitfähigkeit bestehen. In einem der Außenseite 3 zugewandten Abschnitt können die Wärmeleitelemente 9 aus dem zweiten Werkstoff hergestellt sein.
Die Funktion der vorgeschlagenen Strukturen S1, S2, S3 ist Folgende:
Eine durch das Abbremsen von Elektronen auf die Brennbahn 4 eingetragene Wärme wird auf die thermisch angekoppelten Wärmeleitelemente 9 übertragen. Eine durch thermische Dehnungen bedingte Verformung des Bodens 1 wird durch eine größere Dicke des Bodenkörpers, vorteilhafterweise mit konvexer Wölbung, im Bereich der Bodenfläche 6 verhindert. Die Wärmeleitelemente 9 weisen im Vergleich zu den Zwischenwänden 8, 11, 12 sowie der Außenwand 7 eine geringere Formbeständigkeit auf, d. h. deren statische Kriechgeschwindigkeit ist höher.
Ein möglicherweise durch eine hohe Umdrehungsgeschwindigkeit des Bodens 1 bedingtes Kriechen der zweiten Werkstoffe wird bei den vorgeschlagenen Strukturen S1, S2, S3 durch die Zwischenwände 8, 11, 12 und die Außenwand 7 unterbunden. Bei der Struktur S3 erfolgt eine zusätzliche mechanische Stabilisierung der Zwischenwände 8 durch ein Lochblech 16. In diesem Fall können die Zwischenwände 8 dünner ausgebildet und damit der Abtransport von Wärme verbessert werden. Die Ausbildung thermischer Spannungen bedingt durch eine thermische Ausdehnung der Wärmeleitelemente 9 wird durch das Vorsehen der Dehnungsfugen 10a, 10b und 13 vermieden.
Durch die vorgeschlagenen Strukturen S1, S2, S3 in Kombination mit den darin vorgeschlagenen Wärmeleitelementen 9 kann auch bei hohen Rotationsgeschwindigkeiten eine extrem schnelle und effiziente Wärmeabfuhr von der Brennbahn 4 gewährleistet werden. Ein Drehkolbenstrahler mit einem Boden 1, welcher die vorgeschlagenen Strukturen S1, S2, S3 in Kombination mit den Wärmeleitelementen 9 umfasst, kann mit höheren Leistungen betrieben werden.

Claims

Drehkolbenstrahler, bei dem ein Boden (1) eines Drehkolbens an seiner Innenseite (2) eine aus einem ersten Werkstoff hergestellte Anode umfasst, wobei an einer der Anode abgewandten Außenseite (3) des Bodens (1) zumindest in einem der Anode gegenüberliegenden ringförmigen Abschnitt (4) eine Struktur (S1, S2, S3) zur Aufnahme zumindest eines aus einem zweiten Werkstoff hergestellten Wärmeleitelements (9) vorgesehen ist, wobei der zweite Werkstoff eine höhere Wärmeleitfähigkeit als der erste Werkstoff aufweist, und wobei die Wärmeleitelemente (9) unter Ausbildung von Dehnungsfugen (10a, 10b) in der Struktur (S1, S2, S3) aufgenommen sind.
Drehkolbenstrahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dehnungsfugen (10a, 10b) derart dimensioniert sind, dass eine Verformung der Struktur (S1, S2, S3) durch eine thermisch bedingte Ausdehnung der Wärmeleitelemente (9) vermieden wird.
Drehkolbenstrahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dehnungsfugen (10a, 10b) sich in axialer und/oder radialer Richtung erstrecken.
Drehkolbenstrahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Struktur (S1, S2, S3) von einer am Boden (1) vorgesehenen umlaufenden Außenwand (7) umgeben ist.
Drehkolbenstrahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Struktur (S1, S2, S3) zumindest eine umlaufende Trennwand (8) umfasst.
Drehkolbenstrahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Struktur (S1, S2, S3) mehrere radial verlaufende Trennwände (11) umfasst.
Drehkolbenstrahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Struktur (S1, S2, S3) gitterartig ausgebildete Trennwände (8, 11) umfasst.
Drehkolbenstrahler nach einem der Ansprüche 5 bis 7 wobei die Trennwände (13) wabenförmig ausgebildet sind.
Drehkolbenstrahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Außenwand (7) und/oder die Struktur (S1, S2, S3) aus dem ersten Werkstoff hergestellt ist/sind.
Drehkolbenstrahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Außenwand (7) und/oder die Struktur (S1, S2, S3) zumindest teilweise in einstückiger Ausbildung mit dem Boden (1) hergestellt ist/sind.
Drehkolbenstrahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Werkstoff eine geringere stationäre Kriechgeschwindigkeit aufweist als der zweite Werkstoff.
Drehkolbenstrahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Werkstoff aus der folgenden Gruppe ausgewählt oder kombiniert ist: Molybdän, Molybdänlegierung, Wolfram, Wolframlegierung, Stahl, warmfeste Kupferlegierung, warmfeste Ni-Basislegierung.
Drehkolbenstrahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Werkstoff aus der folgenden Gruppe ausgewählt oder kombiniert ist: Kupfer, Kupferlegierung, Kupferverbundwerkstoff, Grafit.
Drehkolbenstrahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Wärmeleitelement (9) mit einer Lötverbindung in der Struktur (S1, S2, S3) befestigt ist.
Drehkolbenstrahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Struktur (S1, S2, S3) ein Lochblech (16) oder daraus hergestellte Lochblechringe enthält.
Drehkolbenstrahler nach Anspruch 15, wobei das Lochblech oder die Lochblechringe aus dem folgenden Werkstoff hergestellt ist/sind: Molybdän, Molybdänlegierung, Wolfram, Wolframlegierung, Stahl, warmfeste Kupferlegierung, warmfeste Ni-Basislegierung.
Drehkolbenstrahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Außenwand (7) aus einer warmfesten Ni-Basislegierung hergestellt ist.