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Die Erfindung betrifft eine Drehanodenanordnung mit einem Anodenteller, der verdrehfest mit einer Rotorwelle verbunden ist.
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Derartige Drehanodenanordnungen sind Bestandteil von Drehanoden-Röntgenröhren und Drehkolben-Röntgenröhren.
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In der internationalen Anmeldung
WO 2012/097393 A1 ist ein Anodenteller für eine Drehanoden-Röntgenröhre beschrieben, bei dem eine auf dem Anodenteller aufgebrachte Brennbahn pulvermetallurgisch im Verbund hergestellt ist. Der Anodenteller besteht aus Molybdän oder einer Molybdän-basierten Legierung, wohingegen die Brennbahn aus Wolfram oder einer Wolframbasierten Legierung gefertigt ist.
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Aus dem Patent
US 8,126,116 B2 ist ein Anodenteller für eine Drehanoden-Röntgenröhre bekannt. Der Anodenteller weist eine Vielzahl von Schlitzen auf, die sich vom Außenrand zur Mitte hin erstrecken. Um die Spannungs- oder Kompressionsbeanspruchungen zu verringern, ist in den Schlitzenden Schlitzabschlussmaterial angeordnet.
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In dem Patent
US 7,197,119 B2 ist ein Anodenteller für eine Drehkolben-Röntgenröhre beschrieben. Da bei einer Drehkolben-Röntgenröhre der Anodenteller einen Teil des Vakuumgehäuses (Drehkolben) bildet, weist dieser eine zentrale Durchgangsbohrung auf, durch die die Röntgenröhre nach dem Zusammenbau evakuiert wird. Die Anbindung des Anodentellers erfolgt außerhalb des Vakuumgehäuses.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Drehanodenanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die höher belastbar ist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Drehanodenanordnung gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand von weiteren Ansprüchen.
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Die Drehanodenanordnung nach Anspruch 1 umfasst einen Anodenteller der verdrehfest mit einer Rotorwelle verbunden ist. Erfindungsgemäß weist der Anodenteller einen geschlossenen Zentralbereich auf und ist mittels einer kraftschlüssigen Verbindung mit einer Stirnseite der Rotorwelle verbunden.
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Unter einem "geschlossenen Zentralbereich" ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Bereich des Anodentellers zu verstehen, der keine zentrale Durchgangsbohrung aufweist, durch die der Anodenteller auf die Rotorwelle aufsteckbar ist. Damit ist der Zentralbereich des Anodentellers bohrungsfrei. Dieser Zentralbereich erstreckt sich vorzugsweise rotationssymmetrisch um den Mittelpunkt des Anodentellers und besitzt beispielsweise den ca. zwei- bis fünffachen Durchmesser der Rotorwelle.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann die Rotorwelle auch ein Gleitlager umfassen, das im Bereich des Anodentellers zur Lagerung der Rotorwelle dient. Der Anodenteller kann dann auch auf dem Gleitlager montiert sein. Der Anodenteller ist in diesem Fall beispielsweise verdrehfest auf einer Lagerhülse befestigt, die sich um ein stehendes Innenlager dreht, das im Inneren gekühlt wird. Der Begriff "Rotorwelle" umfasst somit sowohl die eigentliche Rotorwelle als auch die Rotorwellen-Lagerung.
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Bei der erfindungsgemäßen Drehanodenanordnung wird dadurch, dass der Anodenteller einen bohrungsfreien und damit geschlossenen Zentralbereich aufweist und stirnseitig kraftschlüssig mit der Rotorwelle bzw. der Rotorwellen-Lagerung verbunden ist, eine deutliche Reduzierung der tangentialen Spannungen im Anodenteller erzielt. Die maximalen Spannungen während des Betriebes werden in etwa halbiert. Dies ermöglicht die Verwendung kleinerer Anodenteller bzw. erhöht die Zuverlässigkeit der Drehanodenanordnung, da ein Bruch des Anodentellers wesentlich unwahrscheinlicher wird. Zusätzlich können Materialien eingesetzt werden, die bisher aufgrund zu geringer Zugfestigkeiten nicht verwendet werden konnten. Zu derartigen Materialien zählen z.B. keramische Werkstoffe.
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Bei der Drehanodenanordnung gemäß Anspruch 2 ist die kraftschlüssige Verbindung durch eine stoffschlüssige Verbindung realisiert. Bei einer stoffschlüssigen Verbindung werden die Verbindungspartner (Anodenteller und Rotorwelle) durch die auftretenden Kohäsions- und Adhäsionskräfte zusammengehalten. Als stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Anodenteller und der Rotorwelle kommen alle Löt- und Schweißverbindungen infrage, die eine entsprechende Temperaturstabilität aufweisen. Klebeverbindungen sind aufgrund der Betriebstemperaturen in einer Drehanoden-Röntgenröhre nicht geeignet.
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Da sich eine stoffschlüssige Verbindung nur durch Beschädigung bzw. Zerstörung der Verbindungspartner trennen lässt, ist eine Ausgestaltung der Drehanodenanordnung nach Anspruch 4 besonders vorteilhaft. Da bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Anspruch 4 die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Anodenteller und der Rotorwelle durch eine Zwischenschicht aus wenigstens einem duktilen Material hergestellt ist, werden bei einer Trennung der stoffschlüssigen Verbindung weder der Anodenteller noch die Rotorwelle zerstört. Darüber hinaus kann durch die Verwendung einer Zwischenschicht aus wenigstens einem duktilen Material auf sehr genau gefertigte Oberflächen im Bereich der stoffschlüssigen Verbindung verzichtet werden. Damit können die beteiligten Bauteile (Anodenteller und Rotorwelle bzw. Gleitlager) auf einfache Weise unabhängig voneinander hergestellt und bei Bedarf für ein Recycling bzw. eine Wiederverwendung getrennt werden.
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Dadurch, dass bei der Ausgestaltung gemäß Anspruch 4 die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Anodenteller und der Rotorwelle durch eine Zwischenschicht aus wenigstens einem duktilen Material hergestellt ist, werden während des Betriebes thermo-plastische Verformungen des Anodentellers durch hohe Temperaturen bzw. steile Temperaturgradienten derart kompensiert, dass die Zentrierung des Anodentellers und damit die Wuchtung der Drehanodenanordnung erhalten bleibt.
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Weiterhin wird durch die Zwischenschicht eine effektive Abführung der Wärme im Anodenteller sowie eine sichere Kraft- und Drehmomentübertragung von der Rotorwelle, die von einem elektromotorischen Antrieb in Rotation versetzt wird, auf den Anodenteller erreicht.
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Die Verwendung einer Zwischenschicht aus wenigstens einem duktilen Material erlaubt die Herstellung bei niedrigen Prozesstemperaturen und kurzen Prozesszeiten durchzuführen.
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Das für die Zwischenschicht verwendbare duktile Material ist abhängig von den zu erwartenden Betriebsbedingungen (Drehzahl, Temperatur). Aus der Vielzahl von möglichen duktilen Materialien ist Kupfer, Silber, eine Legierung aus Kupfer und Gold oder eine Legierung aus Silber und Gold vorteilhaft.
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Die Legierung aus Kupfer und Gold bzw. aus Silber und Gold entsteht hierbei erst bei der Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung aus wenigstens einer Kupferschicht bzw. Silberschicht und wenigstens einer Goldschicht.
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Für ein Kupfer/Gold- bzw. Silber/Gold-Diffusionsglühen sind alle verkupferbaren Materialien geeignet.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Drehanodenanordnung gemäß Anspruch 5 ist die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Anodenteller und der Rotorwelle in vorteilhafter Weise durch Diffusionslöten (Diffusion Bonding) hergestellt.
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Gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Alternative nach Anspruch 6 ist die stoffschlüssige Verbindung durch Heißpressen (Spark Plasma Sintering, SPS) hergestellt.
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In vorteilhafter Weise kann das duktile Material der Zwischenschicht auch aus einer eutektischen Legierung bestehen. Aufgrund des Schmelzpunktes bevorzugte Eutektika bestehen beispielsweise aus Silber und Kupfer, aus Silber und Indium oder aus Gold und Indium. Hierbei können die Legierungspartner z.B. als gemeinsame Folie oder als einzelne Folien zwischen dem Anodenteller und der Rotorwelle eingebracht werden. Auch eine Beschichtung des Anodentellers mit einem Material, z.B. Silber, und der Rotorwelle mit dem anderen Material, z.B. Indium, ist möglich.
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Die Zwischenschicht bei der Drehanodenanordnung gemäß Anspruch 4 weist z.B. eine Schichtdicke zwischen ca. 1 µm und ca. 20 µm auf. Abhängig von dem duktilen Material, das für die Zwischenschicht verwendet wird, können auch andere Schichtdicken vorteilhaft sein.
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Im Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, dass der Anodenteller auf der Rückseite eine ringförmige Nut aufweist und die Rotorwelle im Bereich der Stirnseite eine ringförmige Wulst (axialer Vorsprung) besitzt. Nach der kraftschlüssigen Verbindung des Anodentellers mit der Stirnseite der Rotorwelle liegt die Wulst vollständig in der Nut (Formschluss). Dadurch werden die radialen und tangentialen Spannungen im Anodenteller zumindest teilweise von der Rotorwelle aufgenommen.
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Bei einer Drehanodenanordnung, bei der die kraftschlüssige Verbindung als Schraubverbindung ausgebildet ist, stellt eine Ausgestaltung gemäß Anspruch 7 eine bevorzugte Möglichkeit dar. Die Drehanodenanordnung nach Anspruch 7 ist dadurch gekennzeichnet, dass der Anodenteller außerhalb des geschlossenen Zentralbereiches eine Vielzahl von Durchgangsbohrungen aufweist, durch die jeweils wenigstens ein Verschraubungselement für die Verschraubung des Anodentellers durchführbar ist. Die Verschraubungselemente umfassen beispielsweise Bolzen und erforderlichenfalls entsprechende Muttern.
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Dadurch, dass die Durchgangsbohrungen im Anodenteller außerhalb des geschlossenen Zentralbereiches angeordnet sind, benötigt die kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Anodenteller und der Stirnseite der Rotorwelle – ebenso wie die stoffschlüssige Verbindung gemäß Anspruch 2 – keine zentrale Durchgangsbohrung, so dass auch bei der Ausgestaltung gemäß Anspruch 7 eine deutliche Reduzierung der tangentialen Spannungen im Anodenteller erzielt werden.
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Bei einer Drehanodenanordnung nach Anspruch 7 ist es gemäß einer Ausgestaltung nach Anspruch 8 vorteilhaft, die Durchgangsbohrungen außerhalb des geschlossenen Zentralbereiches mit radialen Schlitzen zu versehen. Durch diese Maßnahme werden die Spannungen im Anodenteller etwa auf einen Wert eines bohrungsfreien Anodentellers reduziert.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Drehanodenanordnung nach Anspruch 9 ist der Anodenteller mit einem Anodenträger verschraubt, der an der Stirnseite der Rotorwelle angeordnet ist.
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Sowohl bei einer stoffschlüssigen Verbindung als auch bei einer kraftschlüssigen Verbindung kann es für bestimmte Anwendungsfälle vorteilhaft sein, gemäß Anspruch 10 in den Anodenteller oder gemäß Anspruch 11 in den Anodenträger oder gemäß Anspruch 12 in zumindest einem Lagerkopf wenigstens eines Flüssigmetall-Gleitlagers eine oder mehrere radial verlaufende Rillen zur Entgasung vorzusehen. Insbesondere bei Flüssigmetall-Gleitlagern gibt es Varianten, bei denen das Flüssigmetall vom Lagerkopf her eingefüllt wird. Man benötigt dann eine Dichtung für das Flüssigmetall-Gleitlager. Durch die radial verlaufenden Rillen wird bei der Befüllung des Flüssigmetall-Gleitlagers ein Einschluss von Gas zwischen dem Anodenteller und der Rotorwelle bzw. zwischen dem Anodenteller und dem Lagerkopf des Flüssigmetall-Gleitlagers zuverlässig vermieden.
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Mit der Drehanodenanordnung nach Anspruch 1 sowie den vorteilhaften Ausgestaltungen nach einem der Ansprüche 2 bis 12 ist eine Drehanode-Röntgenröhre nach Anspruch 13 realisierbar, bei der unter allen Betriebsbedingungen die Wuchtung der Drehanodenanordnung erhalten bleibt.
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Nachfolgend werden zwei schematisch dargestellte Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Drehanodenanordnung anhand der Zeichnung näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Es zeigen:
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1 eine erste Ausführungsform einer Drehanodenanordnung, in einem Längsschnitt
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2 eine zweite Ausführungsform einer Drehanodenanordnung in einem Teil-Längsschnitt.
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Die in 1 dargestellte Drehanodenanordnung umfasst einen Anodenteller 1 mit einem geschlossenen Zentralbereich 2. Der Anodenteller 1 weist somit keine zentrale Durchgangsbohrung auf, durch die der Anodenteller 1 auf eine Rotorwelle 3 aufsteckbar ist. Damit ist der Zentralbereich 2 des Anodentellers 1 bohrungsfrei.
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Der Anodenteller 1 ist mittels einer kraftschlüssigen Verbindung mit einer Stirnseite 4 der Rotorwelle 3 verdrehfest verbunden.
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Die Rotorwelle 3 ist um eine Achse A drehbar gelagert. Die entsprechende vollständige Lagerung (z.B. Flüssigmetall-Gleitlager) ist aus Gründen der Übersichtlichkeit in 1 nicht dargestellt.
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Die kraftschlüssige Verbindung ist bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel als stoffschlüssige Verbindung ausgeführt.
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In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Rotorwelle 3 ein Flüssigmetall-Gleitlager 5, das im Bereich des Anodentellers 1 zur Lagerung der Rotorwelle 3 dient. Der Anodenteller 1 ist somit verdrehfest mit dem Flüssigmetall-Gleitlager 5 und damit auch verdrehfest mit der Rotorwelle 3 verbunden.
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Das Flüssigmetall-Gleitlager 5 umfasst eine Lagerbuchse 6, die sich um ein stehendes Innenlager dreht, das im Inneren gekühlt wird. Das stehende Innenlager ist in 1 nicht dargestellt. Weiterhin umfasst das Flüssigmetall-Gleitlager 5 einen Dichtungsverschluss 7 mit einer Dichtung 8 sowie mehrere radial verlaufende Rillen 9 zur Entgasung. Durch die radial verlaufenden Rillen 9, von denen in 1 nur eine Rille sichtbar ist, wird bei der Befüllung des Flüssigmetall-Gleitlagers 5 ein Einschluss von Gas zwischen dem Anodenteller 1 und der Rotorwelle 3 bzw. zwischen dem Anodenteller 1 und dem Lagerkopf des Flüssigmetall-Gleitlagers 5 zuverlässig verhindert.
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Die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Anodenteller 1 und der Rotorwelle 3 bzw. zwischen dem Anodenteller 1 und dem Flüssigmetalls-Gleitlager 5 ist bei der in 1 gezeigten Ausführungsform als Zwischenschicht 10 aus wenigstens einem duktilen Material realisiert. Die Zwischenschicht 10 weist vorzugsweise z.B. eine Schichtdicke zwischen ca. 1 µm und ca. 20 µm auf.
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Die in 2 dargestellte Drehanodenanordnung umfasst wiederum einen Anodenteller 1, der einen geschlossenen Zentralbereich 2 aufweist. Der Anodenteller 1 besitzt somit ebenfalls keine zentrale Durchgangsbohrung, durch die der Anodenteller 1 auf eine Rotorwelle aufsteckbar ist. Damit ist der Zentralbereich 2 des Anodentellers 1 wiederum bohrungsfrei.
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Der Anodenteller 1 ist im Ausführungsbeispiel gemäß 2 mit einem Anodenträger 11 flächig verschraubt. Der Anodenteller 1 ist an der Stirnseite der in 2 nicht dargestellten Rotorwelle angeordnet. Die kraftschlüssige Verbindung mit einer Stirnseite der Rotorwelle ist damit durch eine Schraubverbindung zwischen dem Anodenteller 1 und dem Anodenträger 11 realisiert.
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Damit der geschlossene Zentralbereich 2 des Anodentellers 1 erhalten bleibt, ist eine Vielzahl von Durchgangsbohrungen 12 (z.B. fünf) ausschließlich außerhalb des geschlossenen Zentralbereiches 2 angeordnet. In die Durchgangsbohrungen 12 ist jeweils eine Zylinderschraube 13 eingeschraubt und auf der Rückseite des Anodenträgers 11 durch eine Kontermutter 14 gesichert.
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Die kraftschlüssige und verdrehfeste Halterung des Anodenträgers 11 an der Rotorwelle 3 bzw. an dem Flüssigmetall-Gleitlager 5 ist durch Bolzen 15 realisiert, die durch eine Mutter 16 mit der Rotorwelle 3 bzw. dem Flüssigmetall-Gleitlager 5 verschraubt sind.
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Um eine Beschädigung des Anodentellers 1 zu vermeiden, sind die Zylinderschrauben 13 nicht unmittelbar auf den Anodenteller 1 geschraubt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist zwischen den Schraubenköpfen der Zylinderschrauben 13 ein Klemmblech 17 vorsehen.
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Bei der in 2 dargestellten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Drehanodenanordnung weisen die Durchgangsbohrungen 12 radiale Schlitze auf. Durch diese Maßnahme werden die tangentialen Spannungen im Anodenteller 1 etwa auf den Wert des bohrungsfreien Anodentellers 1 der in 1 gezeigten Drehanodenanordnung reduziert. Die radialen Schlitze sind aufgrund der gewählten Darstellung (Teil-Längsschnitt entlang einer der radialen Schlitze) in 2 nicht sichtbar.
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Wie aus der Beschreibung der dargestellten Ausführungsbeispiele ersichtlich ist, wird bei der erfindungsgemäßen Drehanodenanordnung, dadurch, dass der Anodenteller 1 einen geschlossenen Zentralbereich 2 aufweist und mittels einer kraftschlüssigen Verbindung mit einer Stirnseite 4 der Rotorwelle 3 verbunden ist, auf einfache Weise eine höher belastbare Drehanodenanordnung geschaffen.
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Die Erfindung ist nicht auf die erläuterten Maßnahmen beschränkt. Vielmehr ist es für den Fachmann anhand der beschriebenen Ausführungsbeispiele ohne weiteres möglich, weitere Varianten der erfindungsgemäßen Lösung abzuleiten, die innerhalb des Schutzbereiches der Erfindung liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2012/097393 A1 [0003]
- US 8126116 B2 [0004]
- US 7197119 B2 [0005]
