DE10304936B3

DE10304936B3 - Drehanode für eine Röntgenröhre mit einem Anodenkörper aus Faserwerkstoff sowie Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE10304936B3
Application number: DE10304936A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Kutschera
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2003-02-06
Filing date: 2003-02-06
Publication date: 2004-10-28
Anticipated expiration: 2023-02-07
Also published as: US6940946B2; US20040218722A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Drehanode (1, 22) für eine Röntgenröhre mit einem mittels eines Lagersystems (5) gehaltenen Anodenkörper (1, 22) aus Faserwerkstoff, der eine Targetoberfläche mit einem Brennring (2) und Fasern (3) mit besonders hoher Wärmeleitfähigkeit aufweist, wobei dem Anodenkörper (1, 22) ein achsnahes Kühlsystem (23) zugeordnet ist. Der überwiegende Teil aller Fasern (3) mit ihrer in longitudinaler Richtung besonders hohen Wärmeleitfähigkeit endet sowohl an dem Brennring (2) als auch am Kühlsystem (5, 23) derart stumpf, so dass ihre Stirnflächen in direktem wärmeleitenden Kontakt sowohl mit dem Brennring (2) als auch dem Kühlsystem (5, 23) stehen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Drehanode für eine Röntgenröhre mit einem mittels eines Lagersystems gehaltenen Anodenkörper aus Faserwerkstoff, der eine Targetoberfläche mit einem Brennring und Fasern mit besonders hoher Wärmeleitfähigkeit aufweist, wobei dem Anodenkörper ein achsnahes Kühlsystem zugeordnet ist, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Drehanode.
Aus Krestel, "Bildgebende Systeme für die medizinische Diagnostik", Seiten 157f sind Röntgenröhren mit Drehanode bekannt, bei denen der Anodenteller aus einer Molybdänlegierung besteht. Auf dem Basiskörper ist eine röntgenaktive Deckschicht aus einer Wolfram-Rhenium-Legierung aufgebracht. Unter dem Anodenteller ist zur Wärmespeicherung, -ableitung und -abstrahlung ein Graphitkörper angebracht, so dass der Anodenteller aus einem löttechnisch hergestellten Verbund aus Mo- und C-Substrat besteht, in dem sich die Wärme entsprechend den Wärmeleitfähigkeiten und dem Wärmespeichervermögen ausbreitet. Die WRe-Legierung der Deckschicht kann eine Dicke von 0,6 bis 1,6 mm besitzen.
Bei Röntgenröhren ist eine der wesentlichen technischen Herausforderungen die Wärmeabfuhr aus dem Brennfleck und die Verteilung der Wärme des Brennflecks auf größere Flächen durch Rotation der Anode, die durch die Rotation und durch thermomechanische Beanspruchungen hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt ist. Ferner ist, insbesondere bei Anwendungen in der Computertomographie (CT), das übliche hohe Anodengewicht ein Nachteil, da bei den in der CT aus der Geräterotation resultierenden üblichen Fliehkräften bei hohen Anodengewichten große Beanspruchungen der Drehanodenlager resultieren.

Deshalb ist in der Patentanmeldung 102 29 069.5 eine Drehanode mit einem Grundkörper aus Kohlfaserwerkstoffen (CFC) vorgeschlagen worden, bei der Fasern mit besonders hoher Wärmeleitfähigkeit eine günstige Wärmeabfuhr aus der Brennfleckbahn von Röntgen-Drehanodenröhren an ein innen gekühltes Lagersystem bewirken.

Aus der US 5,943,389 A ist eine Drehanode für eine Röntgenröhre mit einem mittels einem Lagersystem gehaltenen Anodenkörper aus Faserwerkstoff bekannt, der eine Targetoberfläche mit einem Brennring und Fasern mit besonders hoher Wärmeleitfähigkeit aufweist. Auf dem Anodenkörper ist eine Zwischenschicht aufgebracht, auf welche eine Vielzahl von ausgerichteten Kohlenstoff-Fasern aufgebracht sind, auf die wiederum der Brennring aufgebracht ist. Die ausgerichteten Kohlenstoff-Fasern dienen zur Verbesserung der Wärmeabfuhr vom Brennring in den Anodenkörper.

Die DE 199 26 741 C2 zeigt ein Flüssigmetall-Gleitlager mit einer Kühllanze für eine Drehanode, wobei das das Gleitlager durchströmende Kühlmedium die im Betrieb der Röntgenröhre anfallende Wärme, die von der Anode in das Gleitlager gelangt, aufnimmt und abtransportiert.

In dem Abstract zu JP 6 1022 546 AA ist ein Verfahren zur Herstellung einer Drehanode genannt, die aus mehreren, aus Fasewerkstoff bestehenden Formteilen, sogenannten "prepregs", aufgebaut ist.

Bei derartigen Röntgen-Drehanoden tritt jedoch das Problem auf, dass man schon bei der Herstellung darauf achten muss, dass eine gute Wärmeleitfähigkeit erreicht wird.

Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, die Drehanode einer Röntgenröhre der eingangs genannten Art derart auszubilden sowie ein Herstellungsverfahren für eine derartige Drehanode anzugeben, dass die in der als Drehanode ausgebildeten Targetoberfläche entstehenden hohen Temperaturen rascher als bisher üblich vom Brennring weggeleitet werden und dieser somit der thermomechanischen Beanspruchung längere Zeit standhält oder alternativ bei nicht verlängerten Standzeiten höhere Leistungsdichten erträgt.

Die Aufgabe wird für eine Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der überwiegende Teil aller Fasern mit ihrer in longitudinaler Richtung besonders hohen Wärmeleitfähigkeit sowohl an dem Brennring als auch am Kühlsystem derart stumpf enden, dass ihre Stirnflächen in direktem wärmeleitenden Kontakt sowohl mit dem Brennring als auch dem Kühlsystem stehen, so dass die wünschenswerte bessere Ableitung gewährleistet ist. Dadurch lässt sich ein entsprechender CFC-Grundkörper so herstellen, dass die in ihm enthaltenen Fasern die Wärme optimal an eine achsnahe Kühlfläche heranführen, ohne geometrisch die bei Röntgenröhren heute üblichen Abmessungen zu sprengen.

Dabei können erfindungsgemäß mehr als 80% der Fasern, besonders vorteilhaft gar alle Fasern mit besonders hoher Wärme leitfähigkeit sowohl an dem Brennring und als auch am Kühlsystem enden.

Es hat sich als vorteilhaft im Hinblick auf die Nutzung der hohen Längs-Wärmeleitfähigkeit erwiesen, wenn der Anodenkörper mehrteilig, d.h. aus zwei oder mehr Teilen, ausgebildet ist, wobei die einzelnen Teile derart passgenau aneinander befestigt sein können, dass die Innenfläche eines äußeren Teiles die Außenfläche eines innenliegenden Teiles vollständig berührt. Dabei kann der Anodenkörper erfindungsgemäß aus drei Teilen gebildet sein.

Ein einfacher Zusammenbau ergibt sich, wenn alle Teile des Anodenkörpers eine gleich große Ausbohrung aufweisen, durch die das Kühlsystem gesteckt ist.

Die Aufgabe wird für ein Herstellungsverfahren erfindungsgemäß durch folgende Schritte gelöst:

a) Erstellung von wenigstens zwei kelchförmigen Formteilen, von denen der Außendurchmesser (D₂ etc.) eines kleineren Formteils dem Innendurchmesser eines größeren Formteils entspricht,
b) Anbringung von zentrischen Ausbohrungen des Durchmessers d in den Formteilen,
c) Verbindung der Formteile untereinander und
d) Anbindung des fertigen Körpers an das Kühlsystem.

Erfindungsgemäß können die Verbindung der Formteile untereinander und/oder die Anbindung des fertigen Körpers an das Kühlsystem im Rahmen eines Verfestigungsverfahrens, beispielsweise durch Karbonisieren oder durch Lötung erfolgen.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 Rohling eines Anodenkörpers,
2 bearbeitete Drehanode mit Kühlkörper,
3 erster Rohling,
4 erstes bearbeitetes Formteil,
5 zweiter Rohling,
6 zweites bearbeitetes Formteil,
7 dritter Rohling,
8 drittes bearbeitetes Formteil und
9 Drehanode mit zusammengefügten bearbeiteten Formteilen und Kühlkörper.
Ein naheliegender Ansatz zur Gestaltung eines entsprechenden CFC-Körpers ist der, dass die Fasern einerseits an der Brennbahn und andererseits am achsnahen Kühlkörper enden, wie es anhand der 1 und 2 beschrieben ist.
In der 1 ist ein Rohling eines Anodenkörpers 1 mit einer Brennfleckbahn 2 dargestellt, der aus einem Faserwerkstoff besteht, beispielsweise einem Kohlefaserwerkstoff (CFC), der wärmeleitende Fasern 3 mit besonders hoher Wärmeleitfähigkeit in longitudinaler Richtung aufweist. Der kelchartige Anodenkörper 1 verjüngt sich und läuft in einem Stiel 4 aus. Der Anodenkörper 1 weist einen Außendurchmesser D, die Brennfleckbahn 2 eine Breite b und der Stiel 4 eine Dicke d auf.
In der 2 ist ein bearbeitetes Formteil einer Drehanode mit Kühlung dargestellt, das aus dem Rohling erstellt wurde. Hierzu wurde in der Mitte des Anodenkörpers 1 eine Ausbohrung angebracht, durch die ein gekühltes Lagersystem 5 gesteckt und befestigt wurde. In dem Anodenkörper 1 sind die Fasern 3 derart ausgerichtet, dass sie die Wärme von der im Außenbereich der Drehanode oben unter einem Winkel angebrachten Brennfleckbahn 2 auf das gekühlte Lagersystem 5 ableiten. Damit alle, auch die parallel zur Rotationsachse auslaufenden Fasern 3 mit dem gekühlten Lagersystem 5 in Kontakt stehen, muss das Lagersystem 5 mit einem Flansch 6 versehen sein, der die Breite d aufweist.
Will man erreichen, dass alle Fasern, die unter der Brennbahn beginnen, an der Kühlfläche enden und somit die exzellente Wärmeleitfähigkeit der Fasern in Längsrichtung optimal nutzen, dann bestimmt sich der Durchmesser d des Flansches 6 aus dem Brennbahnaußendurchmesser D und Brennbahnbreite b wegen der Querschnittskonstanz der Gesamtmenge der Fasern wie folgt:
Für gängige Brennbahngeometrien im Hochleistungsröhrenbereich mit einem Durchmesser von D = 200 mm und einer Brennbahnbreite von b = 15 mm ergeben sich für den Flansch-Durchmesser d teilweise recht hohe Werte, die in herkömmlichem Röhrendesign schwer zu realisieren sind. So ergibt obengenanntes Beispiel einen Flansch-Durchmesser von d = 105 mm.
Aus diesem Grund wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, den Anodenkörper 3 mehrteilig auszuführen, wie dies anhand der folgenden Figuren für drei Teile beschrieben ist.
In der 3 ist ein erster Rohling 7 dargestellt, der einen Außendurchmesser D und dessen Brennfleckbahn eine Breite b₁ aufweist. Der Rohling 7 besteht aus einem ersten schalenförmigen Teil 8 und einem ersten stielförmigen Teil 9 mit einem Durchmesser d₁. Die Innenwand des schalenförmigen Teils 8 weist eine Form auf, die der Kurve r_i1(x) entspricht, wobei x der Abstand der Kurve von der Oberkante des Rohlings 7 ist. Die Außenwand folgt der frei festlegbaren Funktion r_a1(x), die die Außenkontur des Anodenkörpers bestimmt.
Um von dem Rohling 7 zu dem in 4 dargestellten ersten bearbeiteten Formteil 10 zu gelangen wird der stielförmige Teil 9 durch eine Ausbohrung 11 mit einem Durchmesser d entfernt.
In der 5 ist ein zweiter Rohling 12 mit einem Außendurchmesser D – b₁ und einer Brennfleckbahn mit einer Breite b₂ dargestellt. Auch der zweite Rohling 12 besteht aus einem schalenförmigen Bereich 13 und einem stielförmigen Teil 14 mit einem Durchmesser d₂. Die Form der Außenwand des schalenförmigen Bereiches 13 entspricht zweckmäßigerweise der Form der Innenwand des Teils 10.
Durch eine Ausbohrung 15 mit dem Durchmesser d gelangt man von dem zweiten Rohling 12 zu dem in 6 dargestellten zweiten bearbeiteten Formteil 16, wobei der Teil 14 entfernt wird.
In der 7 ist ein dritter Rohling 17 mit einem Außendurchmesser D – b₁ – b₂ und einer Brennfleckbahn mit einer Breite b₃ dargestellt. Auch der dritte Rohling 17 ist im oberen Bereich 18 schalenförmig ausgebildet und weist ein stielförmiges Teil 19 mit einem Durchmesser d₃ auf.
Durch Einbringung einer Ausbohrung 20 mit dem Durchmesser d gelangt man von dem dritten Rohling 17 zu dem in 8 dargestellten bearbeiteten dritten Formteil 21, wodurch der Teil 19 entfernt wird. Die Form der Außenwand dieses dritten Formteils 21 entspricht auch hier wieder der Form der Innenwand des zweiten Formteils 16.
Die drei Formteile 10, 16 und 21 werden nun ineinander gefügt und miteinander verbunden, so dass sich ein zusammenhängender CFC-Grundkörper 22 ergibt, der in 9 dargestellt ist.
Die Verbindung der drei mechanisch bearbeiteten Formteile untereinander kann im Rahmen eines Verfestigungsverfahrens, beispielsweise durch Karbonisieren oder durch Löten, erfolgen. Ebenso kann die Anbindung des fertigen Körpers an die Kühlfläche durchgeführt werden.
Durch die einzige sich ergebende Ausbohrung im CFC-Grundkörper 22 wird jetzt ein im Einbauzustand mit einem Kühlmittel durchströmten Kühlkörper 23 geschoben, an dessen Fläche alle wärmeleitenden Fasern enden, so dass die Wärme von der Brennfleckbahn 2 direkt an den metallischen Kühlkörper 23 abgeleitet wird.
Wie bereits beschrieben wird der CFC-Grundkörper 22 wird aus n – in unserem Beispiel beträgt n = 3 – unterschiedlichen Formteilen zusammengesetzt, um derartige Drehanoden in Röhren herkömmlichen Designs einsetzen zu können. Dabei ist die Formgebung der Rohlinge 7, 12 und 17 so vorzunehmen, dass diese nach der skizzierten axialen, zentrischen Ausbohrung 11, 15 und 20 mit dem Durchmesser d weitgehend ineinander passen, ohne dass die gegenseitigen Passflächen selbst nennenswert bearbeitet werden müssen. Durch Bearbeitung der Passflächen würden Fasern getrennt und so der optimale Wärmefluss behindert. Eine solche günstige Formgebung der Rohlinge 7, 12 und 17 ist durch geeignete Auslegung der Formkörper, über denen die Rohlinge geformt (gelegt, gestrickt, gewebt, gewirkt etc.) werden, möglich. Ist beispielsweise die gewünschte Außenkontur des Anodengrundkörpers durch r_a1(x) gege ben, wobei r_a1(x) ≥ d ist, dann wird die Außenkontur des Formkörpers für das äußerste der n Formteile 10 beschrieben durch (ri(x))2 ≈ (ra(x))2 – (Db – b2)√1 + (ra'(x))2 wobei durch den Term unter der Wurzel die Schrägstellung der Fasern im schalenförmigen Bereich zwischen Brennbahn und Stiel berücksichtigt wird.
Diese durch r_i1(x) beschriebene Innenkontur des äußersten Formteils 10, die identisch ist mit der Außenkontur desjenigen Formkörpers, auf den das äußerste Formteil aufgeformt wurde, ist für r_i1(x) > d zugleich neue Außenkontur r_a2(x) für das zweite Formteil 16, dessen Formkörper in diesem Bereich dann analog zum ersten Formkörper berechnet werden kann.
Im Bereich r_a2(x) < d ist die Außenkontur des zweiten Formteils 16 weitgehend frei festlegbar. Es ist lediglich zu beachten, dass der Gesamtfaserquerschnitt des zweiten Formteils 16 innerhalb r_a2 unterbringbar sein muss.
Die Berechnungen für die weiteren Formteile erfolgen analog.
Damit reelle Lösungen der Gleichungen erhalten werden, ist es, wie schon gesagt, erforderlich, dass die Außenkonturwerte stets so gewählt werden, dass der Gesamtfaserquerschnitt des jeweiligen Formteils immer innerhalb r_a unterbringbar ist. Dies kann durch geeignete Wahl der Werte für b sichergestellt werden. In anderen Worten: Der Durchmesser der Außenkontur darf nie so klein werden, dass die ihm entsprechende Kreisfläche kleiner als der Gesamtquerschnitt der Fasern des jeweiligen Formteils wird.
Die Soll-Geometrie der Formkörper ist also nach dem Prinzip der Querschnittskonstanz der Gesamtheit der Fasern und durch geeignete Wahl der Werte b₁ bis b_n unschwer berechenbar und auf gewünschte Werte für d abstimmbar, wenn entweder die äußere oder die innere Kontur des Anodengrundkörpers festgelegt ist.
Dieses Vorgehen ist sowohl

a) bei Verwendung von Rohlingen, die nur aus einem lockeren Faserverbund bestehen, wobei in diesem Fall geeignete Aufspannungen zum mechanischen Bearbeiten der Rohlinge zu wählen sind, als auch
b) bei Rohlingen möglich, die bereits teilweise oder endgültig getränkt, verfestigt, infiltriert, reaktionsinfiltriert, pyrolysiert, karbonisiert oder graphitiert sind.

Der Raumbedarf am Kühlkörper kann durch die erfindungsgemäße Vorrichtung und das Verfahren deutlich reduziert werden. Unter optimaler Ausnutzung der hohen axialen Wärmeleitfähigkeiten aller in der Brennbahn beginnenden Kohlefasern sind Geometrien möglich, die den heute üblichen Röhrenauslegungen entsprechen, so ergibt sich beispielsweise bei einem Durchmesser von D = 200 mm und einer Breite der einzelnen Brennfleckbahnen von b₁ = b₂ = b₃ = 5 mm ein Durchmesser von d min zu 62 mm. Auch eine rückwärtskompatible Verwendung von Anoden mit CFC-Grundkörpern in herkömmlichen Röhren ist somit unter optimaler Ausnutzung der hohen axialen Wärmeleitfähigkeit der C-Fasern möglich.
In den Figuren sind zur besseren Übersicht nur die temperaturleitenden Fasern 3 dargestellt. In andere Richtungen laufende Fasern, wie in der Patentanmeldung 102 29 069.5 beschrieben, können selbstverständlich vorgesehen sein, sind aber nicht von grundsätzlicher Bedeutung für den vorliegenden Gegenstand.

Claims

Drehanode (1, 22) für eine Röntgenröhre mit einem mittels eines Lagersystems (5) gehaltenen Anodenkörper (1) aus Faserwerkstoff, der eine Targetoberfläche mit einem Brennring (2) und Fasern (3) mit besonders hoher Wärmeleitfähigkeit aufweist, wobei dem Anodenkörper (1) ein achsnahes Kühlsystem (23) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet , dass der überwiegende Teil aller Fasern (3) mit ihrer in longitudinaler Richtung besonders hohen Wärmeleitfähigkeit sowohl an dem Brennring (2) und als auch am Kühlsystem (5, 23) derart stumpf endet, dass ihre Stirnflächen in direktem wärmeleitenden Kontakt sowohl mit dem Brennring (2) als auch dem Kühlsystem (5, 23) stehen.
Drehanode (1, 22) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehr als 80% der Fasern (3) mit besonders hoher Wärmeleitfähigkeit sowohl an dem Brennring (2) und als auch am Kühlsystem (5, 23) enden.
Drehanode (1, 22) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass alle Fasern (3) mit besonders hoher Wärmeleitfähigkeit sowohl an dem Brennring (2) und als auch am Kühlsystem (5, 23) enden.
Drehanode (1, 22) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodenkörper (22) mehrteilig ausgebildet ist, wobei die einzelnen Formteile (10, 16, 21) derart passgenau aneinander befestigt sind, dass die Innenfläche eines äußeren Formteiles (10, 16) die Außenfläche eines innenliegenden Formteiles (16, 21) vollständig berührt.
Drehanode (1, 22) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodenkörper (1) aus drei Formteilen (10, 16, 21) gebildet ist.
Drehanode (1, 22) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Formteile (10, 16, 21) des Anodenkörpers (1) eine gleich große Ausbohrung (11, 15, 20) aufweisen, durch die das Kühlsystem (23) gesteckt ist.
Drehanode (1, 22) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Breiten (b₁ , b₂ , b₃) der Brennringe (2) der einzelnen Formteile (10, 16, 21) gleich sind.
Verfahren zur Herstellung einer Drehanode (1, 22) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Erstellung von wenigstens zwei kelchförmigen Formteilen (10, 16, 21) , von denen der Außendurchmesser (D₁, D₂, D₃) eines kleineren Formteils (16, 21) dem Innendurchmesser eines größeren Formteils (10, 16) entspricht, b) Anbringung von zentrischen Ausbohrungen (11, 15, 20) gleichen Durchmessers (d) in den Formteilen (10, 16, 21), c) Verbindung der Formteile (10, 16, 21) untereinander und d) Anbindung des fertigen Körpers (22) an das Kühlsystem (23).
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung der Formteile (10, 16, 21) untereinander und/oder die Anbindung des fertigen Körpers (22) an das Kühlsystem (23) im Rahmen eines Verfestigungsverfahrens erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verfestigung und/oder die Anbindung des fertigen Körpers (22) an das Kühlsystem durch Karbonisieren erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung der Formtei le (10, 16, 21) untereinander und/oder die Anbindung des fertigen Körpers (22) an das Kühlsystem (23) durch Lötung erfolgt.