DE102015204488A1 - Flüssigmetall-Gleitlager - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Flüssigmetall-Gleitlager, das wenigstens ein erstes Lagerteil (1) und wenigstens ein zweites Lagerteil (2) umfasst, wobei zwischen den Lagerteilen (1, 2) wenigstens ein mit einem Flüssigmetall (7) gefüllter Lagerspalt (5; 6) gebildet ist. Erfindungsgemäß ist in wenigstens einem Lagerteil (1; 2) wenigstens ein Dichtungsring (31; 32) aus einem Material angeordnet, das mit dem im Lagerspalt (5; 6) vorhandenen Flüssigmetall (7) in Wechselwirkung tritt. Das erfindungsgemäße Flüssigmetall-Gleitlager weist auch bei einer über einen langen Zeitraum auftretenden hohen thermischen und mechanischen Belastung eine hohe Betriebssicherheit sowie eine lange Lebensdauer auf.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Flüssigmetall-Gleitlager.
- Ein derartiges Flüssigmetall-Gleitlager umfasst wenigstens ein erstes Lagerteil und wenigstens ein zweites Lagerteil. Zwischen den Lagerteilen ist wenigstens ein Lagerspalt vorhanden, der mit einem Flüssigmetall gefüllt ist. Bei dem ersten Lagerteil handelt es sich beispielsweise um ein stehendes Lagerteil, wohingegen das zweite Lagerteil ein rotierendes Lagerteil bildet. Das im Lagerspalt fließende Flüssigmetall dient zur Schmierung. Ein hierfür geeignetes Flüssigmetall ist eine eutektische Legierung aus Gallium (Ga), Indium (In) und Zinn (Sn). Eine derartige GaInSn-Legierung ist z.B. unter dem Markenamen Galinstan® bekannt und besteht aus 68,5 Gew.-% Gallium sowie 21,5 Gew.-% Indium und 10 Gew.-% Zinn.
- Bei einem Einsatz von Flüssigmetall-Gleitlagern in Drehanoden-Röntgenröhren kann austretendes Flüssigmetall in kritische Bereiche des Vakuumraums geschleudert werden und dort die Spannungsfestigkeit stark reduzieren. Dies kann zu einem Ausfall der Röntgenröhre führen.
- Eine Drehanoden-Röntgenröhre, bei der zur Lagerung der Drehanode ein Flüssigmetall-Gleitlager dient, ist beispielsweise aus der
DE 195 23 162 A1 bekannt. Bei dieser Röntgenröhre wird ein unerwünschtes Austreten von Flüssigmetall aus dem Lagerspalt durch eine antibenetzende Beschichtung aus Metalloxid, vorzugsweise aus Aluminiumoxid (Al2O3) oder aus Titanoxid (TiO2), verhindert. - In der
JP 2012084400 A - Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Flüssigmetall-Gleitlager zu schaffen, das auch bei einer über einen langen Zeitraum auftretenden hohen thermischen und mechanischen Belastung eine hohe Betriebssicherheit sowie eine lange Lebensdauer aufweist.
- Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Flüssigmetall-Gleitlager gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Flüssigmetall-Gleitlagers sind jeweils Gegenstand von weiteren Ansprüchen.
- Das erfindungsgemäße Flüssigmetall-Gleitlager nach Anspruch 1 umfasst wenigstens ein erstes Lagerteil und wenigstens ein zweites Lagerteil, wobei zwischen den Lagerteilen wenigstens ein mit einem Flüssigmetall gefüllter Lagerspalt gebildet ist. Erfindungsgemäß ist in wenigstens einem Lagerteil wenigstens ein Dichtungsring aus einem Material angeordnet, das mit dem im Lagerspalt vorhandenen Flüssigmetall in Wechselwirkung tritt. Bei dem ersten Lagerteil handelt es sich z.B. um ein stehendes Lagerteil; das zweite Lagerteil ist dann als rotierendes Lagerteil ausgebildet. Im Rahmen der Erfindung kann jedoch auch das erste Lagerteil das rotierende Lagerteil sein, das zweite Lagerteil ist dann als stehendes Lagerteil ausgeführt.
- Durch die Anordnung wenigstens eines Dichtungsrings aus einem Material, das mit dem im Lagerspalt vorhandenen Flüssigmetall wechselwirkt, wird auch bei hohen thermischen und mechanischen Belastungen – selbst wenn diese über einen langen Zeitraum auftreten – ein Austritt von Flüssigmetall aus dem Flüssigmetall-Gleitlager zuverlässig verhindert. Damit weist das Flüssigmetall-Gleitlager gemäß Anspruch 1 über einen langen Zeitraum eine hohe Betriebssicherheit sowie eine lange Lebensdauer auf.
- Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Flüssigmetall-Gleitlagers nach Anspruch 2 umfasst das zweite Lagerteil eine erste Buchse und eine zweite Buchse, die verdrehfest miteinander verbunden sind. Ein derartiges Flüssigmetall-Gleitlager ist aufgrund der Zweiteiligkeit des zweiten Lagerteils einfach montierbar.
- Abhängig von den konstruktiven Gegebenheiten bzw. von den Erfordernissen sind für die Anordnung des Dichtungsrings bzw. der Dichtungsringe die in den Ansprüchen 3 bis 6 vorgeschlagenen Maßnahmen realisierbar.
- So ist gemäß einer Ausgestaltung nach Anspruch 3 wenigstens ein Dichtungsring im ersten Lagerteil angeordnet. Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel nach Anspruch 4 ist wenigstens ein Dichtungsring im zweiten Lagerteil angeordnet.
- Eine besonders bevorzugte Ausführungsform nach Anspruch 5 ist dadurch gekennzeichnet, dass sowohl im ersten Lagerteil als auch im zweiten Lagerteil jeweils wenigstens ein Dichtungsring angeordnet ist.
- Ist das Flüssigmetall-Gleitlager gemäß Anspruch 2 ausgebildet, umfasst das zweite Lagerteil also eine erste Buchse und eine zweite Buchse, die verdrehfest miteinander verbunden sind, dann ist gemäß Anspruch 6 in vorteilhafter Weise wenigstens ein Dichtungsring in der zweiten Buchse angeordnet.
- Im Rahmen der Erfindung kann es sich bei der Wechselwirkung zwischen dem Material des betreffenden Dichtungsrings und dem Flüssigmetall im Lagerspalt – wie in Anspruch 7 definiert – um eine chemische Wechselwirkung oder – wie in Anspruch 8 definiert – um eine chemisch-physikalische Wechselwirkung handeln. Unter chemischer Wechselwirkung ist hierbei eine chemische Reaktion zu verstehen, die zu einer Benetzung der Oberfläche des Dichtungsrings mit dem im Lagerspalt vorhandenen Flüssigmetall führt. Im Flüssigmetall-Gleitlager auftretende Kapillareffekte sind physikalische Wechselwirkungen, die im vorliegenden Fall zusammen mit der beschriebenen chemischen Wechselwirkung auftreten. Durch die auftretenden Wechselwirkungen wird sichergestellt, dass man für den jeweiligen Anwendungsfall eine optimale Betriebssicherheit für das Flüssigmetall-Gleitlager erhält.
- Für den Dichtungsring jeweils geeignete Materialien sind in den Ansprüchen 9 bis 14 beispielhaft genannt. Neben Metallen und Metall-Legierungen sind auch Nicht-Metalle sowie Schäume aus diesen Materialien geeignet.
- Unter Legierungen sind hierbei metallische Werkstoffe zu verstehen, die aus mindestens zwei Elementen bestehen und das metalltypische Merkmal eines kristallinen Aufbaus mit Metallbindung aufweisen. In der Kennzeichnung einer Mehrstofflegierung sind zuerst die chemische Bezeichnung des Basismetalls und dahinter wenigstens ein weiterer wesentlicher Bestandteil genannt, wobei nur die Komponenten berücksichtigt sind, die die charakteristischen Eigenschaften definieren.
- Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Flüssigmetall-Gleitlagers gemäß Anspruch 14 besteht wenigstens ein Dichtungsring aus einer Metall-Legierung, die Eisen, Nickel und Kobalt enthält. Bei der Metall-Legierung handelt es sich in vorteilhafter Weise um den Werkstoff Nr. 1.3981, der ca. 53 Gew.-% Eisen (Fe) und ca. 29 Gew.-% Nickel (Ni) sowie ca. 17 Gew.-% Kobalt (Co) enthält und z. B. unter den Markennamen Vacon® oder Kovar® bekannt ist. Diese Metall-Legierung ist in der Lage, das Flüssigmetall (GaInSn-Legierung, Galinstan®) aufzusaugen ("Schwammeffekt"). Um eine chemische Wechselwirkung des Flüssigmetalls mit der vorgenannten Metall-Legierung (chemische Benetzung) zu erreichen, ist somit keine zusätzliche Beschichtung des Dichtungsrings erforderlich.
- Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Flüssigmetall-Gleitlagers nach Anspruch 15 weist wenigstens ein Dichtungsring eine Beschichtung auf, die eine chemische Benetzung durch das Flüssigmetall sicherstellt. Durch die Beschichtung des Flüssigmetall-Gleitlagers kann gemäß einer Ausführungsform nach Anspruch 16 zusätzlich eine physikalische Bindung des Flüssigkeitsmetalls erreicht werden. Für die Materialauswahl des Dichtungsrings steht damit eine Vielzahl von Materialien zu Verfügung. Das beispielsweise unter konstruktiven Gesichtspunkten gewählte Material muss dann nur noch mit einer entsprechenden Beschichtung versehen werden.
- Beschichtungen, die eine zuverlässige chemische Benetzung sicherstellen, bestehen gemäß Anspruch 17 aus einem Edelmetall, beispielsweise Gold (Au) oder Silber (Ag), und gemäß Anspruch 18 aus einem Halbedelmetall, z.B. Kupfer (Cu).
- Derartige Beschichtungen können mit den bekannten Beschichtungsverfahren erzielt werden. Hierzu zählen z.B. chemische Gasphasenabscheidung (CVD), physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) und Galvanisierung.
- Bevorzugte nicht-metallische Materialien, aus denen ein Dichtungsring gefertigt ist bzw. mit denen ein Dichtungsring beschichtet ist, sind beispielsweise technische Keramiken, die einen gleichen bzw. zumindest ähnlichen Längenausdehnungskoeffizienten wie Molybdän (Mo) besitzen. Eine aufgrund der physikalischen Eigenschaften hierfür besonders geeignete technische Keramik ist z.B. Aluminiumoxid (Al2O3).
- Gemäß einer Ausgestaltung nach Anspruch 19 beträgt die maximale Schichtdicke der Beschichtung vorzugsweise etwa 50 nm.
- Die erfindungsgemäße Lösung sowie deren vorteilhafte Ausgestaltungen sind aufgrund der hohen Zuverlässigkeit für eine Vielzahl von Anwendungsfällen geeignet. Insbesondere für Hochspannungsanwendungen im Hochvakuumbereich, beispielsweise Röntgenröhren, ist die Erfindung vorteilhaft einsetzbar. Eine gemäß Anspruch 20 ausgeführte Röntgenröhre umfasst ein Vakuumgehäuse, in der eine Drehanode angeordnet ist, die drehbar auf wenigstens einem Flüssigmetall-Gleitlager nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 19 gelagert ist.
- Ein medizinisches System gemäß Anspruch 21, das mit einer Röntgenröhre gemäß Anspruch 20 ausgestattet ist, weist damit eine entsprechend hohe Zuverlässigkeit auf.
- Nachfolgend wird ein schematisch dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Die einzige Figur zeigt eine Ausführungsform eines Flüssigmetall-Gleitlagers in einem Längsschnitt.
- Das in der Zeichnung dargestellte Flüssigmetall-Gleitlager umfasst ein erstes Lagerteil
1 und ein zweites Lagerteil2 . - Das erste Lagerteil
1 und das zweite Lagerteil2 sind beispielsweise aus Molybdän gefertigt. - Da das Flüssigmetall-Gleitlager im dargestellten Ausführungsbeispiel vertikal ausgerichtet ist, wird die tragende Funktion vom Axiallager gebildet.
- Das erste Lagerteil
1 ist als stehendes Lagerteil ausgeführt und bildet das Innenlager, wohingegen das zweite Lagerteil2 als rotierendes Lagerteil ausgeführt ist und eine erste Buchse21 sowie eine zweite Buchse22 umfasst, die verdrehfest miteinander verbunden sind. Die erste Buchse21 sowie die zweite Buchse22 bilden damit eine rotierende Lagerbuchse. - Beim Zusammenbau des Flüssigmetall-Gleitlagers wird in die erste Buchse
21 (Teil des rotierenden Lagerteils2 ) das Innenlager1 (stehendes Lagerteil) eingesetzt und anschließend die zweite Buchse22 (Teil des rotierenden Lagerteils2 ) mit der ersten Buchse21 verdrehfest verbunden. - Nach dem Zusammenbau des Flüssigmetall-Gleitlagers sind zwischen dem ersten Lagerteil
1 (Innenlager; stehendes Lagerteil) und dem zweiten Lagerteil2 (Lagerbuchse; rotierendes Lagerteil) ein vertikal verlaufender Lagerspalt5 sowie ein horizontal verlaufender Lagerspalt6 gebildet. - Das Flüssigmetall-Gleitlager umfasst nach dem Zusammenbau ein Radiallager, umschlossen vom senkrechten Lagerspalt
5 und ein Axiallager, umschlossen vom waagrechten Lagerspalt6 . - Die Lagerspalte
5 und6 sind mit einem Flüssigmetall7 gefüllt, z.B. mit einer eutektischen GaInSn-Legierung. - Um einen Austritt aus dem offenen Ende des Flüssigmetall-Gleitlagers zu verhindern, ist erfindungsgemäß vorgesehen, wenigstens einen Dichtungsring anzuordnen.
- Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein erster Dichtungsring
31 im ersten Lagerteil1 angeordnet. Ein zweiter Dichtungsring32 ist in der zweiten Buchse22 angeordnet, die zusammen mit der ersten Buchse21 das zweite Lagerteil2 bildet. - Die Dichtungsringe
31 und32 sind aus einem Material, das mit dem im Flüssigmetall-Gleitlager vorhandenen Flüssigmetall7 in Wechselwirkung tritt. Bei der Wechselwirkung zwischen dem Material der Dichtungsringe31 und32 kann es sich um eine chemische Wechselwirkung oder um eine chemisch-physikalische Wechselwirkung handeln. - Wie aus der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels ersichtlich ist, betrifft die Erfindung ein Flüssigmetall-Gleitlager, das wenigstens ein erstes Lagerteil
1 und wenigstens ein zweites Lagerteil2 umfasst, wobei zwischen den Lagerteilen1 und2 wenigstens ein mit einem Flüssigmetall7 gefüllter Lagerspalt5 bzw.6 gebildet ist. Erfindungsgemäß ist in wenigstens einem Lagerteil1 bzw.2 wenigstens ein Dichtungsring31 bzw.32 aus einem Material angeordnet, das mit dem im Lagerspalt5 bzw.6 vorhandenen Flüssigmetall7 in Wechselwirkung tritt. - Da bei dem erfindungsgemäßen Flüssigmetall-Gleitlager auch bei hohe thermischen und mechanischen Belastungen kein Flüssigmetall austritt, ist dieses Flüssigmetall-Gleitlager besonders gut für Anmeldungen im Ultra-Hochvakuum, z.B. zur Lagerung einer Drehanode in einem Vakuumgehäuse einer Röntgenröhre, geeignet. Die erste Buchse
21 stellt die sogenannte "tellernahe" Buchse dar, also die Buchse auf der der Anodenteller der Drehanode angeordnet ist. Die zweite Buchse22 , die das offene Ende des Flüssigmetall-Gleitlagers bildet, stellt dann die "tellerferne" Buchse dar. - Obwohl die Erfindung im Detail durch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel näher erläutert ist, ist die Erfindung nicht durch dieses Ausführungsbeispiel eingeschränkt. Vielmehr können vom Fachmann hieraus auch problemlos andere Varianten der erfindungsgemäßen Lösung abgeleitet werden, ohne hierbei den zugrunde liegenden Erfindungsgedanken zu verlassen.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
-
- DE 19523162 A1 [0004]
- JP 2012084400 A [0005]
Claims (21)
- Flüssigmetall-Gleitlager, das wenigstens ein erstes Lagerteil (
1 ) und wenigstens ein zweites Lagerteil (2 ) umfasst, wobei zwischen den Lagerteilen (1 ,2 ) wenigstens ein mit einem Flüssigmetall (7 ) gefüllter Lagerspalt (5 ;6 ) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einem Lagerteil (1 ;2 ) wenigstens ein Dichtungsring (31 ;32 ) aus einem Material angeordnet ist, das mit dem im Lagerspalt (5 ;6 ) vorhandenen Flüssigmetall (7 ) in Wechselwirkung tritt. - Flüssigmetall-Gleitlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Lagerteil (
2 ) eine erste Buchse (21 ) und eine zweite Buchse (22 ) umfasst, die verdrehfest miteinander verbunden sind. - Flüssigmetall-Gleitlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Dichtungsring (
31 ) im ersten Lagerteil (1 ) angeordnet ist. - Flüssigmetall-Gleitlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Dichtungsring (
32 ) im zweiten Lagerteil (2 ) angeordnet ist. - Flüssigmetall-Gleitlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Dichtungsring (
31 ) im ersten Lagerteil (1 ) und wenigstens ein Dichtungsring (32 ) im zweiten Lagerteil (2 ) angeordnet ist. - Flüssigmetall-Gleitlager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Dichtungsring (
32 ) in der zweiten Buchse (22 ) angeordnet ist. - Flüssigmetall-Gleitlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material wenigstens eines Dichtungsrings (
31 ,32 ) mit dem Flüssigmetall (7 ) in eine chemische Wechselwirkung tritt. - Flüssigmetall-Gleitlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material wenigstens eines Dichtungsrings (
31 ,32 ) mit dem Flüssigmetall (7 ) in eine chemische Wechselwirkung und in eine physikalische Wechselwirkung tritt. - Flüssigmetall-Gleitlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Dichtungsrings (
31 ,32 ) ein Metall ist. - Flüssigmetall-Gleitlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material wenigstens eines Dichtungsrings (
31 ,32 ) eine Metall-Legierung ist. - Flüssigmetall-Gleitlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material wenigstens eines Dichtungsrings (
31 ,32 ) ein Metall-Schaum ist. - Flüssigmetall-Gleitlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material wenigstens eines Dichtungsrings (
31 ,32 ) ein nicht-metallisches Material ist. - Flüssigmetall-Gleitlager nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das nicht-metallisches Material ein Schaum aus einer technischen Keramik ist.
- Flüssigmetall-Gleitlager nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Metall-Legierung Eisen, Nickel und Kobalt enthält.
- Flüssigmetall-Gleitlager nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Dichtungsring eine Beschichtung aufweist, die eine chemische Benetzung durch das Flüssigmetall sicherstellt.
- Flüssigmetall-Gleitlager nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Beschichtung zusätzlich eine physikalische Bindung des Flüssigkeitsmetalls erfolgt.
- Flüssigmetall-Gleitlager nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus einem Edelmetall besteht.
- Flüssigmetall-Gleitlager nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus einem Halbedelmetall besteht.
- Flüssigmetall-Gleitlager nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine Schichtdicke von maximal ca. 50 nm aufweist.
- Röntgenröhre, die ein Vakuumgehäuse umfasst, in der eine Drehanode angeordnet ist, die drehbar auf wenigstens einem Flüssigmetall-Gleitlager nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 19 gelagert ist.
- Medizinisches System mit einer Röntgenröhre gemäß Anspruch 20.
Priority Applications (1)
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| CN115483081B (zh) * | 2022-09-02 | 2024-05-07 | 北京智束科技有限公司 | 医疗检测系统、x射线管、液态金属轴承及制造方法 |
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