DE102006002549A1

DE102006002549A1 - Flüssigkeitsgekühltes Lagergehäuse mit fettgeschmierten umlaufenden Anodenlagern für eine Röntgenröhre

Info

Publication number: DE102006002549A1
Application number: DE102006002549A
Authority: DE
Inventors: Harith Vadari; Mandyam Rangayan Sridhar; Mayank Tiwari
Original assignee: GE Medical Systems Global Technology Co LLC
Current assignee: GE Medical Systems Global Technology Co LLC
Priority date: 2005-01-18
Filing date: 2006-01-18
Publication date: 2006-10-05
Also published as: JP2006210339A; US7113568B2; US20060159228A1

Abstract

Ein Drehanodenlagergehäuse weist ein Röntgenröhrengehäuse (106) auf, das eine Vakuumkammer (108) enthält. Eine Anode (110) befindet sich in der Vakuumkammer (108) und läuft auf einer Welle (114) über ein Lager (117) um. Das Lager (117) ist an eine innere Oberfläche (126) des Röntgenröhrengehäuses (106) angefügt. Das Lager (117) überträgt Wärmeenergie von der Welle (114) auf das Röntgenröhrengehäuse (106).

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Röntgenbildgebungssysteme und deren Kühlungstechnik. Mehr im Einzelnen bezieht sich die Erfindung auf ein System zum Kühlen der Lager einer rotierenden Anode in einer Röntgenröhre
Hintergrund der Erfindung
Ein Röntgenbildgebungssystem, das eine Röntgenröhre enthält, etwa ein CT-Bildgebungssystem, beinhaltet typischerweise eine Gantry, die mit verschiedenen Geschwindigkeiten umläuft um ein 360°-Bild zu erzeugen. Die Gantry enthält eine Röntgenstrahlungsquelle, wie etwa eine Röntgenröhre, die durch Elektronenbeschuss einer Anode mit einem hochenergetischen Elektronenstrahl Röntgenstrahlung erzeugt. Der Elektronenstrahl stammt von einer Kathode, die physikalisch von der Anode durch einen Vakuumabstand getrennt ist. Die Anode weist ein Target auf, dass mit einer Welle gekuppelt ist, die angetrieben von einem Motor, in einem oder mehreren Anodenlagerpaaren umläuft. Von dem Target werden Röntgenstrahlen emittiert, die in Gestalt eines fächerförmigen Strahls projiziert werden. Der Röntgenstrahl geht durch das abzubildende Objekt, etwa einem Patienten, durch. Nach der Abschwächung durch das Objekt trifft der Strahl auf ein Array von Strahlungsdetektoren auf. Jedes Detektorelement des Arrays erzeugt ein eigenes getrenntes elektrisches Signal, das ein Maß für die Strahlabschwächung an dem Ort des Detektors darstellt. Die Abschwächungsmesswerte aller Detektoren werden jeweils getrennt für sich akquiriert, um ein Durchlassprofil für die Erzeugung eines Bild herzustellen.
Das Bestreben geht dahin, die Gantryumlaufgeschwindigkeiten und die Spitzen- und Durchschnittsbetriebsleistung der Röntgenröhre zu erhöhen, so dass kürzere Bildgebungszeiten und eine bessere Bildqualität erreicht werden können. Mit zunehmender Umlaufgeschwindigkeit der Gantry erhöht sich die mechanische Belastung der Röntgenröhrenlager und mit zunehmender Spitzen- und Durchschnittsbetriebsleistung werden die Röntgenröhrenlager mit einer zunehmenden thermischen Belastung beaufschlagt.

Gebräuchliche Röntgenröhren haben oft ein Gehäuse oder Gefäß, das in einem Einsatz oder Schutzgehäuse eingeschlossen ist. Das Innere des Gehäuses steht unter hohem Vakuum. Zwischen dem Gehäuse und dem Einsatz ist ein Ölbad vorhanden. Das Ölbad wird zur Kühlung des Gehäuses verwendet. Wärmeenergie strahlt von den Lagern der umlaufenden Drehanode durch die Vakuumkammer auf das Gehäuse ab. Die Wärmeenergie wird dann von dem Gehäuse in das Ölbad abgeleitet. Das erhitzte Öl wird durch Zirkulation durch einen Wärmetauscher gekühlt. Die Wärmeenergie in dem Öl wird in dem Wärmetauscher in die Umgebungsluft oder alternativ in ein Kühlmittel übergeleitet, das zu einem externen Kühler und von diesem zurück zirkuliert.

Üblicherweise weisen die Anodenlager Kugellager und Laufringe auf, die in einem stationären Lagergehäuse angeordnet sind. Ein äußerer Lagerlaufring ist auf dem feststehenden Gehäuse montiert, während ein innerer Lagerlaufring auf der umlaufenden Welle angeordnet ist. Die Lager werden mit Silber oder Blei geschmiert. Silber oder Blei werden wegen ihrer Haftungseigenschaften verwendet, um zu vermeiden, dass Schmiermittel in der Vakuumkammer freigesetzt wird und das Betriebsverhalten der Röntgenröhre verschlechtert. Silber- und Bleischmiermittel verbleiben auf den Lagern und verringern die Reibung zwischen den Lagerkugeln und den Lagerlaufringen. Die Lagerlaufringe sind typischerweise an die Innenwände des Lagergehäuses angekoppelt, so dass Wärmeenergie in den Lagern durch das Lagergehäuse, den auf dem Lagergehäuse sitzenden Elektromotor, verschiedene Bereiche der Vakuumkammer und sodann in das Gehäuse eingestrahlt wird, von wo sie in das Ölbad abgeleitet wird. Dieses Verfahren zum Kühlen und Schmieren der Drehanodenlager zur Herabsetzung der Betriebstemperaturen und der Reibung zwischen den Lagerkugeln und in den Laufringen ist aber bei hohen Spitzen- und Durchschnittsbetriebsleistungen und bei hohen Gantryumlaufgeschwindigkeiten nicht mehr ausreichend.

Zusätzlich zu der angestrebten erhöhten Gantrybetriebsbeanspruchung und den höheren Spitzen- und Durchschnittsbetriebsleistungen wird auch eine Verlängerung der Lebensdauer der Röntgenröhren und Lager angestrebt. Es besteht deshalb ein Bedürfnis nach einer verbesserten Technik zur Verringerung der Betriebstemperaturen der Drehanodenlager und zu einer Schmierung der Anodenlager in der weise, das sich erhöhte Gantrybelastungen, erhöhte Spitzen- und Durchschnittsbetriebsleistungen und eine insgesamt verbesserte Lagerfunktion erzielen lassen.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung schafft ein Lagergehäuse für eine Drehanode, das ein Röntgenröhrengehäuse (frame) beinhaltet, welches eine Vakuumkammer aufweist. In der Vakuumkammer ist eine Anode angeordnet, die über ein Lager auf einer Welle umläuft. Das Lager ist an einer Innenfläche des Röntgenröhrengehäuses befestigt. Das Lager überträgt Wärmeenergie von der Welle auf das Röntgenröhrengehäuse.

Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ergeben mehrere Vorteile. Ein solcher Vorteil liegt in der Schaffung eines durchgehenden und kurzen Übertragungsweges für die Wärmeenergie zwischen einer umlaufenden Anode und einem Röntgenröhrengehäuse durch die Lager der umlaufenden Anode. Dieser Übertragungs- oder Leitungsweg erhöht die Wirksamkeit der Übertragung der Wärmeenergie zischen der Anode und dem Röntgenröhrengehäuse und verringert die Betriebstemperaturen der Anode und der Lager.

Ein anderer von einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erzielter Vorteil liegt in der Lehre Lager der Drehanode an einem Röntgenröhrengehäuse zu dessen unmittelbarer Kühlung zu befestigen. Dadurch wird ebenfalls die Wirksamkeit der Wärmenergieübertragung erhöht, während die Betriebstemperaturen der Lager abgesenkt werden.

Darüberhinaus liegt ein weiterer Vorteil einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in der Lehre, dass ein flüssiges Metall, wie Gallium oder eine Galliumlegierung in dem Lagergehäuse verwendet wird, das als thermischer Nebenschluss (shunt) wirkt und die Wirksamkeit der Wärmeenergieübertragung weiter verbessert und außerdem die Betriebstemperaturen der Lager verringert. Die direkte Ankopplung der Drehanodenlager an das Röntgenröhrengehäuse und die Inkorporierung eines Flüssigmetallkühlmittels in dem Lagergehäuse ermöglicht die Schmierung der Drehanodenlager mit einem Vakuumfett. Die Verwendung eines Fettschmiermittels verlängert die Lebensdauer der Lager und erlaubt höhere Gantryumlaufgeschwindigkeiten und gestattet, dass die Lager einer erhöhten Wärmebeanspruchung ausgesetzt werden.

Ein anderer von einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erzielter Vorteil liegt in der Verwendung eines Motorrotors und anderer Motorkomponenten, die am hinteren Ende einer umlaufenden Anodenwelle befestigt oder angekoppelt sind. Dadurch, dass die Motorkomponenten an das Ende der Welle angekuppelt sind, wird der Abstand zwischen der Anode und dem Motor vergrößert. Diese Vergrößerung des trennenden Abstands zwischen den Motorkomponenten und der Anode verringerten die Betriebstemperaturen der Motorkomponenten und erhöht damit die Lebensdauer des Motors.

Schließlich ergeben die im Vorstehenden beschriebenen Vorteile, jeweils für sich gesehen und in Kombination, eine verbesserte Leistung, Zuverlässigkeit und Robustheit der Röntgenröhre.

Das Verständnis der vorliegenden Erfindung zusammen mit deren Vorteilen wird durch die nachfolgende detaillierte Beschreibung im Zusammenhang mit den begleitenden Figuren erleichtert.

Kurze Beschreibung der Zeichnung
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird auf die Ausführungsformen verwiesen, die im größeren Detail in den beigefügten Figuren veranschaulicht und die im Nachfolgenden als Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben sind, wobei:
1 eine blockdiagrammartige, schematische Schnittansicht einer gebräuchlichen Röntgenröhrenanordnung ist,
2 eine perspektivische Darstellung eines CT-Bildgebungssystems mit einer Röntgenröhrenanordnung, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist,
3 ein schematisches Blockdiagramm des CT-Bildgebungssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist,
4 eine blockdiagrammartige, schematische Schnittdarstellung einer Röntgenröhrenanordnung, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist,
5 eine blockdiagrammartige, schematische Schnittdarstellung einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist und
6 ein Verfahren zum Betrieb einer Röntgenröhrenanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
Detaillierte Beschreibung
Bezugnehmend auf 1 ist dort eine blockdiagrammartige schematische Schnittdarstellung einer gebräuchlichen bekann ten Röntgenröhrenanordnung 10 veranschaulicht. Die Röntgenröhrenanordnung 10 weist einen Einsatz (Schutzgehäuse) 12 auf, der in Gestalt eines Vorratsbehälters ausgebildet ist und Öl 14 enthält. Das Öl 14 wird durch den Einsatz 12 zirkulieren lassen, um ein darin angeordnetes Röntgenröhrengehäuse 16 zu kühlen. Das Gehäuse 16 ist mit einer Vakuumkammer 17 mit einer umlaufenden Anode 18 (Drehanode) und einer stationären Kathode 20 ausgerüstet, die in ihm angeordnet sind. Die Anode 18 ist mit einer Welle 24 gekuppelt, die auf einem Satz Lager 25 umläuft. Die Lager 25 weisen Lagerkugeln 26 und jeweils einen äußeren Lagerlaufring 28 sowie einen (nicht dargestellten) einstückig an der Welle 24 ausgebildeten inneren Laufring auf. Die Lagerkugeln 26 sind innerhalb der Laufringe gehaltert und abgestützt.
Wärmeenergie wird auf konduktivem Wege von der Anode 18, durch die Welle 24, durch die Lagerkugeln 26 und die Lagerlaufringe 28 und schließlich in das stationäre Lagergehäuse 30 geleitet. von dem Lagergehäuse 30 strahlt die Wärmeenergie durch einen ersten Abschnitt 32 der Vakuumkammer 17, der innerhalb eines Motorrotors 34 liegt in den Motorrotor 34 ab. Der Kasten 46 veranschaulicht den Stator des Motors, der die Drehbewegung des Rotors 34 erzeugt. Von dem Motorrotor 34 strahlt die Wärmeenergie durch einen zweiten Abschnitt der Vakuumkammer 17, der außerhalb des Motorrotors 34 liegt, in das Gehäuse 16 ab.
Zusätzliche Wärmeenergie strahlt auch von der Welle 24 durch einen dritten Abschnitt 38 der Vakuumkammer 17 ab, der zwischen der Welle 24 und dem Lagergehäuse 30 oder einem an diesem befestigten Element 40 ausgebildet ist. In ähnlicher Weise und so wie oben erläutert, gelangt die Wärmeenergie von dem Lagergehäuse 30 durch den ersten Abschnitt 32, den Motorrotor 34, den zweiten Abschnitt 36 schließlich in das Gehäuse 16. Ein wesentlicher Anteil der im vorstehenden erwähnten Wärmeenergie, die in dem Gehäuse enthalten ist, wird in das Öl 14 abgegeben. Das Öl 14 wird zirkulieren lassen und über einen Wärmetauscher und einen äußeren Kühler (die beide nicht dargestellt sind) gekühlt.
Eine gewisse Wärmeenergie gelangt auch durch die Welle 24 in das Lagergehäuse 30, das von dem Öl 14 gekühlt wird. Die Wärmeleitwege für die vorgenannten Wärmeenergien sind durch Pfeile 42 angedeutet. Die im Vorstehenden beschriebene Wärmestrahlung ist durch Pfeile 44 veranschaulicht.
Die Lagerkugeln 26 weisen üblicherweise eine Feststoffschmierung mit Silber oder Blei auf. Diese Art der Schmierung und Kühlung der Lager ist aber für erhöhte Gantryumlaufgeschwindigkeiten und erhöhte Spitzen- und Durchschnittsbetriebsleistungen nicht mehr ausreichend. Die vorliegende Erfindung hilft hier und anderen Beschränkungen bei heute gebräuchlichen Lagerkonstruktionen der Drehanode einer Röntgenröhre ab und ist im Nachfolgenden in ihren Einzelheiten beschrieben.
In den nachfolgenden Figuren werden die gleichen Bezugszeichen zur Bezugnahme auf die jeweils gleichen Komponenten benutzt. Wenngleich die vorliegende Erfindung vorzugsweise im Hinblick auf ein System zum Kühlen der Lager einer Drehanode in einer Röntgenröhre eines Computertomographie(CT)-Systems beschrieben ist, kann die vorliegende Erfindung doch auch an verschiedene Systeme angepasst und für diese verwendet werden, einschließlich Röntgensysteme, Mammographiesysteme, Vaskularsysteme, chirurgische C-Systeme, Radiographie(RAD)-Systeme, RAD- und Fluoroskopie-Systeme und andere bekannte Einrichtungen, einschließlich gemischter Modalitäten, wie CT-Positron-Emissionstomographie (PET) oder Nuklear-CT.
In der nachfolgenden Beschreibung werden verschiedene Betriebsparameter und Komponenten für eine ausgeführte Ausführungsform beschrieben. Diese speziellen Parameter und Komponenten dienen aber lediglich als Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
Bezugnehmend nun auf die 2, 3 sind dort in perspektivische und schematische blockdiagrammähnliche Ansichten eines CT-Bildgebungssystems 50 mit einer Röntgenstrahlungsquelle oder einer Röntgenröhrenanordnung 51 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Das Bildgebungssystem 50 beinhaltet eine Gantry 52, die mit einer Röntgenröhrenanordnung 51 und einem Detektorarray 56 ausgerüstet ist. Die Röntgenröhrenanordnung 51 projiziert einen Röntgenstrahl 58 auf die Detektorarray 56. Die Röntgenröhrenanordnung 51 und das Detektorarray 56 laufen um einen im Betrieb verschiebbaren Tisch 60 um. Der Tisch 60 wird zur Durchführung eines Spiralscans längs einer Z-Achse zwischen der Röntgenröhrenanordnung 51 und dem Detektorarray 56 durchgeschoben. Der Strahl 58 wird nach dem Durchgang durch einen in der Patientenöffnung 64 angeordneten medizinischen Patienten 62 an dem Detektorarray 56 erfasst. Bei Empfang des Strahls 58 erzeugt das Detektorarray 56 Projektionsdaten, die zur Erzeugung eines CT-Bildes benutzt werden.
Die Röntgenröhrenanordnung 51 und das Detektorarray 56 laufen um eine Mittelachse 66 um. Der Strahl 58 wird von mehreren Detektorelementen 68 empfangen. Jedes Detektorelement 68 erzeugt ein elektrisches Signal, Das der Intensität des auftreffenden Röntgenstrahls 58 entspricht. Beim Durchgang durch den Patienten 62 wird der Strahl 58 abgeschwächt. Die Umlaufbewegung der Gantry 52 und der Betrieb der Röntgenröhrenanordnung 51 werden durch einen Steuermechanismus 79 gesteuert. Der Steuermechanismus 70 beinhaltet ein Röntgenstrahlungssteuergerät 72, das der Röntgenröhrenanordnung 51 Leistung und Taktsignale zuleitet und ein Gantrysteuergerät 74, das die Umlaufgeschwindigkeit und die jeweilige Position der Gantry 52 steuert. Ein Datenakquisitionssystem (DAS) 76 sampelt die von den Detektorelementen 68 erzeugten Analogdaten und setzt die Analogdaten für deren nachfolgenden Verarbeitung in Digitalsignale um. Eine Bildrekonstruktionseinrichtung 78 empfängt die gesampelten und digitalisierten Röntgenstrahlungsdaten von dem DAS 76 und führt eine Hochgeschwindigkeitsbildrekonstruktion durch, um das CT-Bild zu erzeugen. Ein Hauptcontroller oder Computer 80 speichert das CT-Bild in einer Großspeichervorrichtung 82 ab.
Der Computer 80 empfängt außerdem Befehle und Scanparameter von einem Bediener über eine Bedienerkonsole 84. Ein Display 86 ermöglicht es dem Bediener das rekonstruierte Bild und andere Daten von dem Computer 80 zu beobachten. Die von dem Bediener eingegebenen Befehle und Parameter werden von dem Computer 80 zur Ansteuerung des Steuermechanismus 70 benutzt. Außerdem steuert der Computer 80 eine Steuereinrichtung 88 für den Tischmotor an, der den Tisch 60 verschiebt, um den Patienten 62 in der Gantry 52 zweckentsprechend zu positionieren.
Bezugnehmend nun 4 ist dort eine blockdiagrammartige, schematische Schnittdarstellung einer Röntgenröhrenanordnung 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Röntgenröhrenanordnung 100 weist einen Einsatz 102 auf, der in Gestalt eines Kühlmittelvorratbehälters mit darin enthaltenem Kühlmittel 104 ausgebildet ist oder ein solches beinhaltet. Das Kühlmittel kann in Form von Öl oder einem anderen bekannten Kühlmittel vorliegen. Ein Lagergehäuse oder Gehäuse 106 liegt in dem Kühlmittel 104 und wird unter Verwendung an sich in bekannter Techniken von diesem thermisch gekühlt. Das Gehäuse 106 umschließt eine Vakuumkammer 108, in der eine Drehanode 110 und ein stationäre Kathode 112 angeordnet sind. Die Anode 110 ist über eine Nabe 116 an einer Welle 114 befestigt. Die Welle 114 liegt in der Vakuumkammer 108 und läuft auf einem ersten Lagersatz 117 mit Lagerkugeln 118 und auf einem zweiten Lagersatz 119 mit Lagerkugeln 120 um. Die Lagerkugeln 118, 120 sind durch einen ersten äußeren Lagerlaufring 122 bzw. einen zweiten äußeren Lagerlaufring 124 gehalten und abgestützt. Außerdem sind die Lagerkugeln 118, 120 durch jeweils einen (nicht dargestellten) inneren Lagerlaufring, der ein einstückiges Teil der Welle 24 sein kann, gehalten und abgestützt. Die Lagerlaufringe 122, 124 sind an einer inneren Oberfläche 126 des Gehäuses 106 befestigt. Eine oder mehrere durch einen Kasten 128 veranschaulichte Rotorkomponenten sind an einem hinteren Ende 130 der Welle 114 befestigt und dazu verwendet, dieses Wellenende in Umdrehung zu versetzen (wobei lediglich der Stator und der Rotor des Motors veranschaulicht sind). Die Motorkomponenten 128 liegen ebenfalls in der Vakuumkammer 108.
In der Anode 110 vorhandene Wärmeenergie wird konduktiv unmittelbar durch die Nabe 116, die Welle 114, die Lagerkugeln 118, 120 und die Lagerlaufringe 122, 124 zu dem Gehäuse 106 geleitet. Diese Wärmeenergieübertragung geschieht auf einem einzigen kontinuierlichen konduktiven Wärmeenergie übertragungsweg, der durch Pfeile 132 angedeutet ist.
Der erste Satz Lagerkugeln 118 ist auf dem vorderen Ende 134 der Welle 114 in der Nähe der Nabe 116 montiert. Der zweite Satz Lagerkugeln 120 ist auf dem hinteren Ende 130 der Welle 114 nahe der bzw. den Motorkomponent(en) 128 montiert. Die Lagerkugeln 118, 120 und die Lagerlaufringe 122, 124 können unter Verwendung von Silber oder Blei in an sich bekannten Weise feststoffgeschmiert sein. Wegen der direkten Ankopplung der Lager 117, 119 an das Gehäuse 106, werden die Lager 117, 119 von dem Kühlmittel 104 wirkungsvoll gekühlt. Dies ermöglicht erhöhte Spitzen- und Durchschnittsleistungen im Vergleich zu der Röntgenröhrenanordnung 10 der 1 und eine verlängerte Lebensdauer der Lager 117, 119. Die äußeren Lagerlaufringe 122, 124 können einstückig mit dem Gehäuse 106 ausgebildet oder an diesem angekoppelt oder befestigt sein.
Zu bemerken ist außerdem, dass da das Gehäuse 106 im Wesentlichen das Gehäuse der Lager 117, 119 bildet, ein großer Oberflächenbereich des Lagergehäuses in Kontakt mit dem Kühlmittel 104 steht, wodurch die konvektive Wärmeübertragung zwischen dem Gehäuse 106 und dem Kühlmittel 104 erhöht wird. Wärmeenergie wird außerdem von der Welle 114 in einen Vakuumbereich 136 zwischen dem ersten Lagersatz 118 und dem zweiten Lagersatz 120 und von da zu dem Gehäuse 106 abgestrahlt, wie dies durch Pfeile 138 angedeutet ist. Die abgestrahlte Wärmeenergie 138 durchquert lediglich einen einzigen Vakuumbereich, was im Gegensatz zu der in der Röntgenröhrenanordnung 10 abgestrahlten Wärmeenergie 44 steht.
Wenngleich eine spezielle Art von Lagern und Lagerlaufringen dargestellt sind, so können doch verschiedene Lager- und Lagerlaufringe verwendet werden. So können Kugellager, bei denen, wie dargestellt, die Kugeln in einem Kanal eines Lagerlaufrings gehalten sind, Kugellager oder andere Wellenlager mit Wälzkörpern und/oder Kugellagerringe bekannter Art Verwendung finden.
Der Motor kann (was nicht dargestellt ist) ein Motor mit radialer oder axialer Magnetflussrichtung mit einem Motorrotor, einem Motorstator oder anderen an sich bekannten Motorkomponenten sein. Wenn ein Elektromotor mit radialer Flussrichtung gebräuchlicher Bauart verwendet wird, bei der der Rotor in einem Stator umläuft, veranschaulicht der Kasten 128 einen Rotor und der gestrichelte Kasten 140 gibt einen Stator wieder. Wird ein Motor mit axialer Flussrichtung verwendet, so können sowohl der Motorrotor als auch der Motorstator in dem Vakuum 108 sich befinden, so dass der Kasten 128 dann die Kombination von beidem, d.h. von Stator und Rotor veranschaulicht. Bei der Ausführungsform mit axialer Flussrichtung laufen der Stator und der Rotor parallel zueinander um eine Mittelachse 142 um. Gestrichelte Linien 144 veranschaulichen den Luftspalt G zwischen dem Stator und dem Rotor eines Motors mit axialer Flussrichtung. Bei Verwendung eines Motors mit axialer Flussrichtung wird der Stator 140 nicht verwendet. Es können auch ein Motor mit axialer Flussrichtung mit einem Stator anschließend an und außerhalb der Vakuumkammer und mit einem Motorrotor innerhalb der Vakuumkammer verwendet werden. Bei diesem letzten Ausführungsbeispiel veranschaulicht der Kasten 128 lediglich den Rotor des Motors mit axialer Flussrichtung.
Dadurch dass die Motorkomponenten 128 im Gegensatz zu irgendeinem Ort längs der Welle 114 an dem hinteren Ende 130 angekuppelt sind, liegen die Motorkomponenten 128 weiter weg von der Anode 110, wodurch die Betriebstemperatur der Motorkomponenten 128 abgesenkt wird. Diese Absenkung der Betriebstemperatur erlaubt ebenfalls erhöhte Drehzahlen der Anode 110 und verlängert die Betriebslebensdauer des Motors.
Bezugnehmend nun auf 5 ist dort eine blockdiagrammartige schematische Darstellung einer Röntgenröhrenanordnung 150 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Schnitt dargestellt. Die Röntgenröhrenanordnung 150 weist ähnlich wie die Röntgenröhrenanordnung 100 einen Einsatz 152 auf, der in Gestalt eines ein Kühlmittel 154 enthaltenden Kühlmittelvorratbehälters ausgebildet ist oder einen solchen enthält. Ein Lagergehäuse oder Gehäuse 156 liegt in dem Kühlmittel 154 und wird von diesem unter Verwendung an sich bekannter Kühltechniken thermisch gekühlt. Das Gehäuse 156 umschließt eine erste Vakuumkammer 158, in der eine Drehanode 160 und eine stationäre Kathode 162 angeordnet sind. Die Anode 160 ist an einer Welle 164 über eine Nabe 166 befestigt. Die Welle 164 läuft auf einem ersten Satz Lager 167 und einem zweiten Satz Lager 169 um. Die Lager 167, 169 weisen Lagerkugeln 168 bzw. 170 und jeweils einen äußeren Lagerlaufring 172 bzw. 174 auf. Die Lagerkugeln 168, 170 sind von dem ersten äußeren Lagerlaufring 172 bzw. von dem zweiten äußeren Lagerlaufring 174 lagerichtig gehalten und abgestützt. Die Lagerlaufringe 172, 174 sind an einer inneren Oberfläche 176 des Gehäuses 156 befestigt. Eine oder mehrere Motorkomponenten 168 sind an dem hinteren Ende 180 der Welle 164 angeschlossen und liegen auch in der ersten Vakuumkammer 108 oder in einer getrennten oder zweiten Vakuumkammer 182, wie dies dargestellt ist. Bei Verwendung eines Elektromotors üblicher Bauart veranschaulicht der Kasten 179 einen Stator.
Im Gegensatz zu der Röntgenröhrenanordnung 100 liegt aber die Welle 164 der Röntgenröhrenanordnung 150 teilweise in den Vakuumkammern 158, 182 und in einem fettgeschmierten und flüssigmetallgekühlten Lagerbereich 184, der im Wesentlichen Vakuumfett rings um die Lagerkugeln 168, 170 zu deren Schmierung und Flüssigmetall zwischen den Lagersätzen 168, 170 und rings um einen Mittelabschnitt 186 der Welle 164 zum Kühlen enthält. Das Vakuumfett ist durch dick ausgezogene, dunkle Kreise 171 angedeutet. Der Bereich 184 umschließt einen mittleren Abschnitt 186 der Welle 164. Die Lagerkugeln 168, 170 und die Lagerlaufringe 172, 174 sind ähnlich den Lagerkugeln 118, 120 bzw. den Lagerlaufringen 122, 124. Die Lagerkugeln 168, 170 und die Lagerlaufringe 172, 174 liegen in dem Bereich 184 und werden von den darin enthaltenen Materialsubstanzen geschmiert und gekühlt.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhalten die Materialsubstanzen in dem Bereich 184 Vakuumfett und Gallium und/oder eine Galliumlegierung. Die Konzentration von Gallium/Galliumlegierung kann anwendungsabhängig variieren. Das Gallium bzw. die Galliumlegierung liegt in Form eines flüssigen Metalls vor und weist entsprechende Kühleigenschaften wie auch Schmiereigenschaften auf. Die Verwendung eines Vakuumfetts ergibt ein Lagerschmiermittel, das in dem elastohydrodynamischen Bereich arbeiten kann, was es wiederum ermöglicht, dass die Lager 167, 169 auf niedrigem Reibungsniveau arbeiten. Dadurch werden die zulässigen Gantryumlaufgeschwindigkeiten, die zulässigen Drehzahlen der Anode 160 und die Betriebslebensdauer der Lager 167, 169 vergrößert.
Ein kontinuierliches Wärmeenergie leitendes Medium, bestehend aus der Nabe 166, der Welle 164, den Lagerkugeln 168, 170 und den Lagerlaufringen 172, 174, liegt zwischen der Anode 160 und dem Gehäuse 156. Außerdem wird zusätzlich zu dem Bereich 184 Wärmeenergie konduktiv auch von der Welle 164 durch die in dem Bereich 184 enthaltene Materialsubstanzen zu dem Gehäuse 156 geleitet. Der Bereich 184 vergrößert den wärmeleitenden Oberflächenbereich zwischen der Welle 164 und dem Gehäuse 156, so dass eine erhöhte Wirksamkeit der thermischen Energieübertragung erzielt wird.
Abstandsdichtungen 190 liegen zwischen den Vakuumkammern 158, 182 und dem Bereich 184 und trennen sie von diesem ab. Die Dichtungen 190 sitzen auf der inneren Oberfläche 176 des Gehäuses mit einem verhältnismäßig kleinen oder engen Spiel zwischen den Dichtungen 190 und der Welle 164. Dieses Spiel liegt in der Größenordnung von wenigen Mikron (Mikrometer); bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt das Spiel bspw. etwa 30 μ. Das kleine Spiel und die hohe Oberflächenspannung des Flüssigmetalls verhindern, dass das Vakuumfett-Schmiermittel und das Flüssigmetall-Kühlmittel in dem Bereich 184 in die Vakuumkammern 158, 182 eindringen. Das Flüssigmetallkühlmittel kann eine so hohe Dichte aufweisen, dass es ggfs. erzeugte Vakuumfettdämpfe an einer Diffusion in die Vakuumkammern 158, 182 hindert. Eine erste Dichtung 189 liegt auf einem vorderen Ende 191 der Welle 164. Eine zweite Dichtung 193 liegt auf dem hinteren Ende 180. Die Dichtungen 190 können den Umgebungsbedingungen in dem Gehäuse 156 widerstehen und können an sich bekannter verschiedener Art und Konstruktion sein.
Um darüberhinaus ein Eintreten des Flüssigmetallkühlmittels oder des Fettschmiermittels in dem Bereich 184 in die Vakuumkammern 158, 182 zu verhüten, kann die Welle 164 Rillen 192 aufweisen, die das Kühlmittel und/oder Schmiermittel in dem Spalt zwischen den Dichtungen 190 und der Welle 164 von den Vakuumkammern 158, 182 wegleiten oder wegdrücken. Die Gestaltung der Rillen 192 und die Umlaufbewegung der Welle 164 drücken das Flüssigmetall und das Fett in den Bereich 184. Bei der dargestellten Ausführungsform ist auf dem vorderen Ende 194 ein erster Satz Spiralnuten oder -rillen 194 angeordnet, der mit der ersten Dichtung 191 fluchtet, während ein zweiter Satz Spiralnuten oder -rillen 196 auf dem hinteren Ende 180 vorgesehen ist, der mit der zweiten Dichtung 193 fluchtet. Der erste Rillensatz 194 ist zu dem zweiten Rillensatz 196 entgegen gesetzt orientiert, um ein Einströmen von Flüssigmetall und Fett in die erste Kammer 158 und in die zweite Kammer 182 zu verhüten.
Der (nicht vollständig dargestellte) Motor der Röntgenröhrenanordnung 150 kann ein Motor mit radialer oder axialer Flussrichtung sein und zu seinen Komponenten 178 können, wie bei den Motorkomponenten 128, ein Motorrotor, ein Motorstator oder andere an sich bekannte Motorkomponenten zählen. Da die Motorkomponenten 178 mit dem hinteren Ende 180 gekuppelt sind, arbeiten die Motorkomponenten 168 bei verringerten Betriebstemperaturen. Diese Verringerung der Betriebstemperaturen erlaubt ebenfalls erhöhte Drehzahlen der Anode 160 und eine verlängerte Betriebslebensdauer des Motors (wobei nicht alle Motorkomponenten veranschaulicht sind).
Die Verwendung von Gallium bzw. einer Galliumlegierung in dem Bereich 184 ergibt einen thermischen Nebenschluss und verringert die thermischen Gradienten zwischen der Welle 164 und den Lagerlaufringen 172, 174, wodurch die Notwendigkeit einer thermischen Kompensation entfällt. Die thermische Kompensation betrifft die von der jeweiligen Wärmeausdehnung herrührende Einwirkung auf das Axial- und das Radialspiel in den Lagern, die wegen der kleineren thermischen Gradienten zwischen der Welle 164 und den Lagerlaufringen 172, 174 minimiert ist. Die Verwendung von Gallium bzw. einer Galliumlegierung als thermischer Nebenschluss und die herabgesetzten Betriebstemperaturen der Anode 160, der Welle 164, der Motorkomponenten 178 und speziell der Lager 168, 170 gestattet die Verwendung von Vakuumfett als Lagerschmiermittel in dem Gehäuse 156. Die verringerten Betriebstemperaturen verhüten das Verdampfen von Vakuumfett und gestatten dessen Verwendung in dem Bereich 184 zum Schmieren der Lager 168, 170.
Bezugnehmend nun auf 6 ist dort ein Verfahren zum Betrieb eine Röntgenröhrenanordnung, etwa einer der Anordnungen 100 bzw. 150, gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
Bei einem Schritt 200 wird eine Anode, wie etwa eine der Anoden 110, 160, in einem stationären Gehäuse, etwa einem der Gehäuse 106 bzw. 156, in Umdrehung versetzt. Die Anode wird über eine Welle, etwa einer der Wellen 114 bzw. 164, auf einem oder mehreren Lagern, etwa den Lagersätzen 117, 119 bzw. 167, 169 angetrieben.
Bei einem Schritt 202 werden die Lagerkugeln auf der Welle 164 über ein oder mehrere äußere Lagerlaufringe, wie etwa die Lagerlaufringe 122, 124 bzw. 172, 174, abgestützt und umlaufen lassen. Der jeweilige äußere Lagerlaufring wird an einer inneren Oberfläche des Röntgenröhrengehäuses etwa an der inneren Oberfläche 126 bzw. 176 angebracht. Bei einem Schritt 204 können die Lagerkugeln und die Lagerlaufringe mit Fett geschmiert werden, wobei sie in einem fettgeschmierten und flüssigmetallgekühlten Bereich, wie etwa dem Bereich 184, liegen. Die Lagerkugeln und die Lagerlaufringe können, wie im Vorstehenden erwähnt, in einem Vakuumfett liegen, das ein Flüssigmetall wie Gallium, eine Galliumlegierung oder dergleichen enthält.
Bei einem Schritt 206 wird Wärmeenergie über ein durchgehendes, Wärmeenergie leitendes Medium von der Anode zu dem Gehäuse abgeleitet. Die Wärmeenergie wird konduktiv über eine Nabe, wie eine der Naben 116, 166, die Welle, die Lagerkugeln und die Lagerlaufringe auf das Röntgenröhrengehäuse übertragen. Beim Schritt 208 kann Wärmeenergie auch von der Welle durch lediglich eine einzige Vakuumstufe oder einen einzigen Teil einer Vakuumkammer, wie etwa den Vakuumbereich 136, direkt zu dem Gehäuse durch Strahlung übertragen werden. Bei einem Schritt 210 kann Wärmeenergie auch über den fettgeschmiertem flüssigmetallgekühlten Bereich von der Welle konduktiv direkt auf das Röntgenröhrengehäuse übertragen werden. Bei den Schritten 206, 208 und 210 wird Wärmenergie von der Anode über ein keine Motorkomponenten enthaltendes Übertragungsmedium auf die Außenseite des Gehäuses übertragen. Bei dem Schritt 206 und 210 wird Wärmeenergie auf nicht strahlende Weise von der Anode auf ein Kühlmittel, etwa das Kühlmittel 104 oder 154, außerhalb des Gehäuses übertragen.
Bei einem Schritt 212 wird die Welle von einem am hinteren Wellenende angebrachten Motor, wie er etwa durch Motorkomponenten 128, 178 und Statoren 140, 179 veranschaulicht ist, in Umdrehung versetzt. Die Welle kann durch einen Elektromotor gebräuchlicher Bauart oder einem Motor mit axialer Flussrichtung angetrieben sein.
Die im Vorstehenden beschriebenen Schritte sind lediglich zur Veranschaulichung dienende Beispiel. Die Schritte können, abhängig von dem jeweiligen Anwendungsfall, aufeinanderfolgend, synchron, gleichzeitig oder in einer verschiedenen Reihenfolge ausgeführt werden.
Die vorliegende Erfindung schafft Röntgenröhrenanordnungen mit erhöhter Kühlwirksamkeit und verlängerter Betriebslebensdauer der Röntgenröhrenkomponenten. Die Röntgenröhrenanordnungen gestatten erhöhte Gantryumlaufgeschwindigkeiten und tragen erhöhten Anforderungen an Röntgenröhrenspitzen- und Durchschnittsleistungsrechnung. Die Erhöhung der Gantryumlaufgeschwindigkeiten und der Spitzenbetriebsleistung der Röntgenröhren ergeben schnellere Bildzeiten und eine verbesserte Bildqualität.
Wenngleich die Erfindung im Zusammenhang mit einer oder mehreren Ausführungsformen beschrieben wurde, so ist doch darauf hinzuweisen, dass die beschriebenen speziellen Mechanismen und Techniken lediglich zur Veranschaulichung der Prinzipien der Erfindung dienen und dass die beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen zahlreicher Abwandlungen fähig sind, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen, wie er in den beigefügten Patentansprüchen definiert ist.

10: Röntgenröhrenanordnung
12: Einsatz
14: Öl
16: Röntgenröhrengehäuse
17: Vakuumkammer
18: Drehanode
20: stationäre Kathode
24: Welle
25: Lager
26: Lagerkugeln
28: äußerer Lagerlaufring
30: stationäres Lagergehäuse
32: erster Abschnitt
34: Motorrotor
36: zweiter Abschnitt
38: dritter Abschnitt
40: Element
42: Pfeile
44: Pfeile
50: CT-Bildgebungssystem
51: Röntgenröhrenanordnung
52: Gantry
56: Detektorarray
58: Röntgenstrahl
60: Tisch
62: medizinischer Patient
64: Patientenöffnung
66: Mittelachse
68: Detektorelemente
70: Steuermechanismus
72: Röntgenstrahlungsteuergerät
74: Steuergerät für den Gantrymotor
76: Datenakquisitionssystem (DAS)
78: Bildrekonstruktionseinrichtung
80: Computer
82: Großspeichervorrichtung
84: Bedienerkonsole
88: Steuereinrichtung für den Tischmotor
100: Röntgenröhrenanordnung
102: Einsatz
104: Kühlmittel
106: Gehäuse
108: Vakuumkammer
110: Anode
112: stationäre Kathode
114: Welle
116: Nabe
117: erster Satz Lager
118: Lagerkugeln
119: Lager
120: Lagerkugeln
122: erster äußerer Lagerlaufring
124: äußerer Laufring
126: innere Oberfläche
128: Motorkomponenten
130: hinteres Ende
132: Pfeile
134: vorderes Ende
138: Pfeile
140: Statoren
142: Mittelachse
144: gestrichelte Linien
150: Röntgenröhrenanordnung
152: Einsatz
154: Kühlmittel
156: Gehäuse
158: erste Vakuumkammer
160: Drehanode
162: stationäre Kathode
164: Welle
166: Nabe
167: erster Satz Lager
168: Lagerkugeln
169: zweiter Satz Lagerkugeln
170: Lagerkugeln
171: Vakuumfett
172: erster äußerer Lagerlaufring
174: zweiter äußerer Lagerlaufring
176: innere Oberfläche
178: Motorkomponenten
179: Statoren
180: hinteres Ende
182: zweite Vakuumkammer
184: fettgeschmierter flüssigmetallgekühlter Bereich
186: Mittelabschnitt
189: erster Dichtung
190: Abstandsdichtungen
191: vorderes Ende
192: Rillen oder Nuten
193: zweite Dichtung
194: erster Satz Spiralrillen oder -nuten
196: zweiter Satz Spiralrillen oder -nuten

Claims

Drehanoden-Lagergehäuse, das aufweist: – ein Röntgenröhrengehäuse (106) mit einer Vakuumkammer (108); und – eine in der Vakuumkammer (108) angeordnete und mit einer Welle (114) über wenigstens ein Lager (117) umlaufende Anode (110); – wobei das wenigstens eine Lager (117) an eine innere Oberfläche (126) des Röntgenröhrengehäuses (106) angefügt ist und Wärmeenergie von der Welle (114) auf das Röntgenröhrengehäuse (106) überträgt.
Gehäuse nach Anspruch 1, bei dem die Welle (114), das wenigstens eine Lager (117) und das Gehäuse (106) ein durchgehendes, nicht auf Fluidbasis beruhendes Wärmeenergieübertragungsmedium zwischen der Anode (110) und einer Außenseite des Gehäuses (106) bilden.
Gehäuse nach Anspruch 1, das außerdem einen Motorrotor (128) aufweist, der an ein hinteres Ende (130) der Welle (114) angekuppelt ist.
Gehäuse nach Anspruch 1, das außerdem wenigstens eine Dichtung (190) aufweist, die zwischen dem wenigstens einen Lager (117) und der Vakuumkammer (108) eingefügt ist.
Gehäuse nach Anspruch 1, das außerdem einen fettge schmierten flüssigkeitsmetallgekühlten Bereich (184) aufweist, der das wenigstens eine Lager (117) umgibt und von der Vakuumkammer (108) getrennt ist.
Gehäuse nach Anspruch 5, bei dem der fettgeschmierte flüssigmetallgekühlte Bereich (184) ein Vakuumfett (171) enthält.
Gehäuse nach Anspruch 1, bei dem das wenigstens eine Lager (117) mit einem Vakuumfett (171) geschmiert und mit einem Flüssigmetall gekühlt ist.
Gehäuse nach Anspruch 1, bei dem die Welle (114) mit einem Flüssigmetall gekühlt ist.
Gehäuse nach Anspruch 1, bei dem die Welle (114) wenigstens einen Satz Rillen (142) aufweist, die einen Eintritt von Kühlmittel und Schmiermittel in die Vakuumkammer (108) verhindern.
Bildröhrenanordnung, die aufweist: – einen Einsatz (102), der zumindest teilweise mit einem Kühlmittel (104) gekühlt ist; – einen Röntgenröhrengehäuse (106), das in dem Einsatz (102) liegt und eine Vakuumkammer (108) enthält; und – eine Anode (110), die in der Vakuumkammer (108) angeordnet ist und auf einer Welle (114) über wenigstens ein Lager (117) umläuft; – wobei das wenigstens eine Lager an eine innere Oberfläche (126) des Röntgenröhrengehäuses (106) angefügt ist und Wärmeenergie von der Welle (114) auf das Röntgenröhrengehäuse (106) überträgt.