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Die Erfindung betrifft einen Anodendrehteller für Drehanodenröntgenröhren mit einem Brennbahnring, der vom Tellerzentrum elastisch-plastisch entkoppelt ist.
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Ein derartiger Anodendrehteller ist beispielsweise aus der
US 3 753 021 A bekannt. Im bekannten Fall ist der Brennbahnring über Dehnungselemente vom Tellerzentrum elastisch-plastisch entkoppelt.
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Weiterhin ist in der
DE 30 48 476 A1 ein Anodendrehteller beschrieben, der aus einem Graphitkörper besteht. Der Graphitkörper ist in zwölf Sektoren unterteilt und weist an seinem Außenumfang einen Metallring auf. Dadurch ist wiederum der Brennbahnring vom Tellerzentrum entkoppelt.
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In der Computertomographie braucht man für die zukünftigen Geräte zur besseren Bildqualität besondere Brennfleckqualitäten bei den Röntgenröhren. Diese Brennfleckqualitäten zeichnen sich dadurch aus, dass die Brennflecke auf dem Anodenteller kleiner werden sollen; gleichzeitig braucht man eine höhere Belastbarkeit als es derzeit üblich und mit den bekannten Anordnungen möglich ist. Dies bedeutet, dass die Leistungsdichte deutlich steigen soll – also die kurzzeitige Wärmebelastung und der kurzzeitige Temperaturhub.
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Die bekannten, zur Verfügung stehenden Materialien lassen diese Belastungssteigerung nicht zu.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Anodendrehteller anzugeben, mit dem diese Ziele erreichbar sind.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Anodendrehteller nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen dieser Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Der für Drehanodenröntgenröhren geeignete Anodendrehteller nach Anspruch 1 umfasst einen Brennbahnring, der vom Tellerzentrum elastisch-plastisch entkoppelt ist, wobei der Rand des Anodendrehtellers von einer kriechbeständigen Rohrwand umgeben ist und die Rohrwand aus einem Material mit praktisch temperaturunabhängiger Festigkeit besteht. Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird erreicht, dass keine starre Verbindung zwischen dem Brennbahnring und dem Tellerzentrum mehr vorhanden ist und Unwuchtbildungen auch bei hohen Temperaturen vermieden werden.
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Gemäß einer solchen vorteilhaften Weiterbildung sieht die vorliegende Erfindung einen Anodendrehteller vor, dessen Brennbahnring mit dem Tellerzentrum über elastisch-plastische Dehnungselemente verbunden ist. Hierdurch wird eine besonders leichte Bausweise des Anodendrehtellers ermöglicht.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sieht die vorliegende Erfindung einen Anodendrehteller vor, der mit einer Mehrzahl von radialen Schlitzen ausgestattet ist. Hierdurch werden mechanische Spannungen weitgehend vermieden oder reduziert.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sieht die vorliegende Erfindung einen Anodendrehteller mit einer Rohrwand aus einem Material mit praktisch verschwindender thermischer Ausdehnung vor.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sieht die vorliegende Erfindung einen Anodendrehteller mit einer Rohrwand aus kohlefaserverstärktem Graphit vor.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sieht die vorliegende Erfindung einen Anodendrehteller mit einer Rohrwand aus kohlefaserverstärktem Graphit vor, dessen Kohlefasern in Form eines Kreuzgewebes angeordnet sind.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sieht die vorliegende Erfindung einen Anodendrehteller mit einer Mehrzahl von Stegen vor, welche die Rohrwand mit dem Tellerzentrum verbinden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sieht die vorliegende Erfindung einen Anodendrehteller mit Stegen aus unidirektionalem kohlefaserverstärktem Graphit vor.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sieht die vorliegende Erfindung einen Anodendrehteller mit einer Mehrzahl von Stegen vor, deren äußere Enden formschlüssig mit der Rohrwand verbunden sind.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sieht die vorliegende Erfindung einen Anodendrehteller mit einer Mehrzahl von Stegen vor, deren Verbindungen mit der Rohrwand sich infolge einer Druckspannung bei Beanspruchung nicht lösen oder kriechen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sieht die vorliegende Erfindung einen Anodendrehteller mit einer Mehrzahl von Stegen vor, die einteilig nach dem Prinzip eines Federbalgs ausgestaltet sind.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sieht die vorliegende Erfindung einen Anodendrehteller mit einer Mehrzahl von Stegen vor, die aus mindestens zwei verlöteten Teilen aufgebaut sind.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sieht die vorliegende Erfindung einen Anodendrehteller mit einer Mehrzahl von Stegen vor, die nach dem Prinzip eines radial geschlitzten Konus ausgestaltet sind.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sieht die vorliegende Erfindung einen Anodendrehteller mit einer Mehrzahl von Stegen vor, die aus gebogenen oder geknickten Faltelementen aufgebaut sind.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele und mithilfe von Figuren näher erläutert. Dabei zeigt
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1 in schematischer Weise eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Schnittbild mit Detailansichten;
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2a in schematischer Weise eine weitere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2b in schematischer Weise eine weitere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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3a in schematischer Weise eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Draufsicht;
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3b in schematischer Weise eine weitere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Draufsicht.
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Ein Anodendrehteller für Röntgengeräte umfasst stets einen Brennfleckring (A), der sich mit hoher Drehzahl um ein Tellerzentrum (C) dreht. Im Betrieb erhitzt sich der Brennfleck und damit der Brennfleckring sehr stark, wodurch erhebliche Materialbelastungen entstehen. Da die bekannten, zur Verfügung stehenden Materialien für Anodendrehteller die gewünschte Steigerung der Belastbarkeit nicht zulassen, geht die vorliegende Erfindung davon aus, die mechanisch-konstruktiven Baumerkmale des Anodendrehtellers zu ändern. Dabei sollte die Geschwindigkeit des rotierenden Brennfleckmaterials erhöht werden.
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Wenn man jedoch bei den bekannten Anodendrehtellern ohne Änderung der mechanisch-konstruktiven Baumerkmale die Umdrehungsgeschwindigkeit einfach erhöht, dann käme man in einen Materialbelastungsbereich, in dem aufgrund der erhöhten Fliehkraft das Material des Anodendrehtellers wegkriecht und damit nicht tolerierbare Unwuchten entstehen.
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Man könnte diesen unerwünschten Effekt zwar vermeiden, indem man den Durchmesser der Anodendrehteller beispielsweise um 20% erhöht. Dann käme es bei Beibehaltung der bisherigen Drehfrequenz zu einer entsprechenden Erhöhung der Brennfleckgeschwindigkeit.
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Eine Durchmessererhöhung des Anodendrehtellers führt aber zu einer überproportionalen Vergrößerung des Röhrenstrahlers. Die Röntgengeräte würden hierdurch groß und klobig, was in klinischen Umgebungen als störend empfunden wird. Eine Gewichtszunahme des Anodendrehtellers und die damit überproportionale Erhöhung des Gewichtes des Strahlers (Antriebkomponenten usw.) würden es zudem kaum erlauben, die Rotationsgeschwindigkeit in der Gantry – wie es der allgemeine Entwicklungstrend voraussagt – zu erhöhen. Denn die somit erhöhten Lagerbelastungen würden raumfordernde Konstruktionsmerkmale erfordern.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht folglich darin, den Anodendrehteller nach Möglichkeit nicht schwerer zu machen und trotzdem seine Drehfrequenz nach Möglichkeit zu erhöhen.
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Wie erwähnt, erreicht man eine höhere Brennfleckleistung auf der Brennbahn nur durch eine Erhöhung der Rotationsgeschwindigkeit, wenn man den Tellerdurchmesser nicht vergrößern will. Um die auftretenden Kriechprozesse zu vermeiden oder zu begrenzen, sieht die vorliegende Erfindung vor, den Anodendrehteller leichter zu gestalten, und insbesondere so zu gestalten, dass die mechanischen Spannungen minimiert werden, und möglicherweise auftretende Kriechvorgänge zum Stillstand kommen.
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Die 1 zeigt eine Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Anodendrehtellers, der die oben genannten Anforderungen erfüllt und der bei der Betriebstemperatur unwuchtarm bleibt. Bei dieser erfindungsgemäßen Lösung wird der Brennbahnring (A) vom Tellerzentrum (C) elastisch-plastisch entkoppelt, so dass keine starre Verbindung mehr vorhanden ist.
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Der Brennbahnring selber besteht vorzugsweise nur noch aus einer gerade ausreichenden Menge an notwendigem Material. Dies kann sogar bedeuten, dass er ohne Graphitanteile auskommen muss. Die Verbindung zur Antriebsachse wird durch elastisch-plastische Weg-Elemente (B) vom Antriebszentrum (Tellerzentrum) (C) getrennt. Das Antriebszentrum ist hierbei gewöhnlich ein Anodenstängel oder ein Rohrelement.
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Wenn also der erfindungsgemäße Brennbahnring (A) im Betrieb sehr heiß wird und das Zentrum des Anodendrehtellers – wie gewöhnlich – kälter bleibt, kann er sich im ersten Schritt ohne große Zwängung thermisch ausdehnen, also in diesem Fall nach außen verschieben. Die elastisch-plastischen Dehnungs-Elemente (Weg-Elemente) geben einfach im Weg etwas nach. Dadurch entstehen nicht mehr so hohe Spannungen und trotzdem halten sie den (Antriebs-)Kraftschluss zum Anodenstängel aufrecht.
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Unter einer elastisch-plastischen Entkopplung des Brennfleckrings vom Tellerzentrum soll hier eine mechanische Verbindung des Brennfleckrings (A) mit dem Tellerzentrum (C) verstanden werden, welche sowohl elastische als auch plastische Komponenten umfasst.
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Die elastischen Komponenten dehnen sich bei Beanspruchung elastisch. Diese Bauteil-Anteile sind in den 2a, 2b, 3a und 3b mit dem Bezugszeichen „I” gekennzeichnet. Es handelt sich vorzugsweise um ebene Anteile oder gestreckte Komponenten in den Verbindungen, also in den elastisch-plastischen Weg-Elementen.
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Die vorzugsweise gebogenen Anteile oder Bögen weisen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zusätzlich plastisches Dehnungsverhalten auf und stellen einen Ort der Spannungskonzentration dar. Hier wird also die plastische Dehnung stattfinden. Die Orte mit plastischer Dehnung sind in den 2a, 2b, 3a und 3b mit dem Bezugszeichen „H” gekennzeichnet.
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Eine wesentliche zusätzliche Reduzierung der durch thermische Ausdehnung induzierten Spannungen erhält man, wenn man gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung radiale Schlitze in die Konstruktion einführt. Hierdurch wird der Teller in „Segmente” (d. h. in geometrischer Terminologie eigentlich in „Kreissektoren” oder „Kreisausschnitte”) unterteilt, die durch die radialen Schlitze voneinander getrennt werden. Aus Sicht der technischen Mechanik oder Konstruktionslehre ist dadurch das Bauteil von Zwangungsspannungen befreit. Dadurch entfällt also eine thermische Zwängung oder wird wenigstens vermindert. Die einzige Belastung, die auf die elastisch-plastischen Weg-Elemente wirkt, ist im Idealfall nur noch die Fliehkraft des einzelnen „Segmentes”.
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Eine Beispielrechnung mag dies erläutern: Ein konventioneller Anodendrehteller mit 200 mm Durchmesser und einer Drehfrequenz von 200 Hz erleidet an der Innenbohrung (Durchmesser 30 mm) zur Anodenachse eine Umfangsspannung von ca. 140 MPa. Dieser Wert verursacht bei 1095°C nach 3 h eine plastische Dehnung von 0,3%.
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Falls diese Ausdehnung symmetrisch erfolgen würde, wäre dies noch nicht sehr bedeutsam, weil dann der Tellerradius um max. 0,1 mm wachsen würde. Bei pulvermetallurgisch hergestellten Werkstoffen, die typischerweise als Tellerwerkstoffe Verwendung finden, sind die elastische und auch die plastische Ausdehnung sehr inhomogen. Daher ist mit der Entstehung von deutlichen Unwuchten zu rechnen.
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Bei einem geschlitzten Andodendrehteller dagegen tritt nur die Zentrifugalkraft eines Segmentes auf. Nimmt man diese Zentrifugalkraft über einen betrachteten Materialquerschnitt (Ebene D in der 1), der in der Höhe vom Radius 80 mm sitzt, dann erhält man eine Spannung im Material in radialer Richtung von nur 33 MPa. Diese Radialspannung wird natürlich umso höher, je näher man den Querschnitt zu Achse hin verlegt.
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Bei einem konventionellen Anodendrehteller erniedrigt das Schlitzen die mechanisch wirkenden Spannungen derart, dass man ihn noch mit 200 Hz betreiben kann. Eine Gewichtsreduzierung des Anodendrehtellers erreicht man aber erst durch die dünnen materialsparenden elastisch-plastischen Weg-Elemente (Dehnungselemente).
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Nach dem allgemeinen Fachwissen kann man davon ausgehen, dass nach mehreren Hochfahrvorgängen durch Hysterese-Effekte der plastische Anteil in den elastisch-plastischen Weg-Elementen zu weiterer Ausdehnung nach außen führt. Außerdem ist diese Dehnung bei den Tellerwerkstoffen nicht gleichförmig, was zur Unwuchtbildung führt.
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Zur Lösung dieses Problems wird erfindungsgemäß in geeignet dimensioniertem Abstand eine kriechbeständige Rohrwand (E) angebracht. Diese Rohrwand besteht gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aus kohlefaserverstärktem Graphit (sogenannter „C/C”-Werkstoff). Solche „C/C”-Bauteile sind vom Charakter her wie Keramiken zu sehen. Sie sind normalerweise mindestens bis 1800°C kriechbeständig, haben eine quasi-temperaturunabhängige Festigkeit, die normalerweise immer über 200 MPa liegt.
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Das besondere von C/C-Bauteilen ist, dass die thermische Ausdehnung längs zur Faser praktisch Null ist. Dies bedeutet für einen damit ausgestatteten Anodendrehteller, dass der geometrische Ort des C/C-Ringes immer gleich bleibt – unabhängig von der Bauteiltemperatur.
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Um diese Rohrwand ausreichend verwindungssteif zu machen, soll der C/C-Werkstoff gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine 45°-Orientierung haben, d. h. es liegt ein Kreuzgewebe vor, wie es in der Detailansicht X in der 1 angedeutet ist.
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Bei Erreichen der Betriebsdrehzahl und bei betriebsgemäßer Erwärmung legen sich die TZM-Segmente an die C/C-Rohrwand an, und die Gewichtsverteilung ist nun symmetrisch.
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Damit die Rohrwand zentrisch zur Achse bleibt, wird sie gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung über Stege (F) in Verbindung zum Antriebszentrum (C) gehalten. Diese Stege sind gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aus uni-direktionalem C/C-Werkstoff. Damit die Verbindung zur Rohrwand auch bei beispielsweise 1300°C hält, ist ein Formschluss vorteilhaft – wie er in der Detailansicht Y der 1 dargestellt ist.
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Die Enden der Stege werden dabei beispielsweise
- – dicker gewebt oder
- – es wird ein C/C-Stückchen (G) oder Molybdän- oder Wolfram-Stückchen oder ein Keramikstückchen eingelötet. Diese Lötung steht bei Beanspruchung vorzugsweise unter Druckspannung und kann dann nicht aufgehen oder kriechen.
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Zur Ausgestaltung der elastisch-plastischen Weg-Elemente können insbesondere folgende Prinzipien angewendet werden:
- a) das Prinzip des Federbalgs: beispielsweise
- a1) in einer einteiligen Ausführung (siehe 1), wobei die Anzahl der Bögen bevorzugt zwischen 1 und 8 liegen wird;
oder
- a2) in einer zweiteiligen, gelöteten Version, je nachdem, welche Version wirtschaftlicher herstellbar ist (siehe 2).
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Insbesondere dort, wo der Steg (F) im Wege sein könnte, werden die elastisch-plastischen Weg-Elemente bevorzugt geschlitzt.
- b) gebogene oder „geknickte” Faltelemente (siehe 3); wenn der Brennbahnring A geschlitzt sein sollte, ist es für die geometrische Stabilität im Betrieb vorteilhaft, zwei elastisch-plastische Weg-Elemente pro Segment anzuwenden; im Fall der „geknickten” Faltelemente ist mehr an die wirtschaftliche Herstellung gedacht, wobei die Verbindung über eine Lötung erfolgen kann.
- c) das Prinzip des geschlitzten Konus.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht demnach eine bedeutende Gewichtsreduktion durch die Verwendung elastisch-plastischer Weg-Elemente. Eine Leistungserhöhung lässt sich damit erzielen, ohne die Drehanodenröntgenröhre größer oder schwerer zu machen. Insbesondere ist es daher nicht notwendig, den Antriebsstator zu vergrößern. Insbesondere bei Computer-Tomographen ist daher die Neuentwicklung einer Gantry nicht erforderlich. Die für die Realisierung der Erfindung erforderlichen Komponenten sind handelsüblich und leicht erhältlich.
