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Die Erfindung betrifft eine Drehanoden-Röntgenröhre nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Eine solche Drehanoden-Röntgenröhre ist aus der
DE 36 35 901 A1 bekannt, bei der in einem Gehäuse eine Drehanode und eine der Drehanode zugeordnete Kondensationskühleinrichtung vorgesehen sind, wobei die Kondensationskühleinrichtung mindestens ein mit einer vakuumdichten Umhüllung versehenes, hohl ausgebildetes Kühlelement aufweist, das im Inneren ein Kapillarelement zur Herstellung einer Flüssigkeitsverbindung mit einem Kondensatbehälter aufweist.
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Weiterhin ist aus der
DE 34 29 799 A1 bekannt, zur Kühlung der Lager einer Drehanoden-Röntgenröhre in der Achse der Drehanode eine axiale Ausnehmung vorgesehen, in welche eine fingerförmige Kondensationskühleinrichtung bzw. eine heatpipe ragt. Mit der bekannten Anordnung wird eine effektive Kühlung der Drehanode im Bereich der Lager gewährleistet und deren Haltbarkeit verbessert. Eine ähnliche Anordnung ist aus der
US 6,307,916 B1 bekannt.
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Infolge ständig steigender Leistungsanforderungen wird die Drehanode immer höheren Belastungen ausgesetzt. Es kommt zu einem immer rascheren Verschleiß. Zur Erhöhung der Lebensdauer ist es aus der
EP 0 353 966 B1 bekannt, an einer Unterseite des Anodentellers einen aus Metall hergestellten Kühlblock anzuordnen, der durch eine außerhalb eines Gehäuses der Drehanoden-Röntgenröhre vorgesehene Flüssigkeitskühlung gekühlt wird. Die vorgeschlagene Kühlung erhöht zwar die Lebensdauer der Drehanode, gleichwohl wäre eine weitere Steigerung wünschenswert.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Drehanoden-Röntgenröhre mit verbesserter Kühlung anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 7.
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Nach Maßgabe der Erfindung ist vorgesehen, dass das Kühlelement gegenüberliegend einer Unterseite der Drehanode anordnet ist. Damit wird eine besonders effektive Kühlung des Anodentellers erreicht. Die Belastbarkeit der vorgeschlagenen Drehanoden-Röntgenröhre ist verbessert.
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Bei dem erfindungsgemäßen Kühlelement handelt es sich um ein Kühlelement, welches nach Art einer ”heat-pipe” ausgebildet ist. Das Prinzip von derartigen ”heat-pipes” ist beispielsweise aus der Veröffentlichung von G. Yate Eastman ”The heatpipe” in Scientific American (Mai 1968), Seiten 38 bis 46 bekannt. zur Herstellung der Flüssigkeitsverbindung ist ein das Kühlelement mit dem Kondensatbehälter verbindender Kapillarkörper vorgesehen. Es kann sich dabei um ein poröses Metall, eine poröse Keramik, ein Metallgeflecht oder dgl. handeln.
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Nach einer Ausgestaltung ist das Kühlelement mit einem Abstand gegenüberliegend einer Oberseite und/oder Umfangsfläche des Anodentellers angeordnet. Der Abstand wird dabei möglichst klein gewählt, so dass eine besonders effektive Kühlung des Anodentellers erreicht wird. Er beträgt in der Regel 1 bis 6 mm.
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Zweckmäßigerweise ist der Kondensatbehälter außerhalb eines die Drehanode umgebenden vakuumdichten Gehäuses angeordnet. Der Kondensatbehälter kann in dieser Anordnung durch ein das Gehäuse umfließendes Kühlmittel ohne weiteres gekühlt werden. Der Kondensatbehälter kann aber auch Bestandteil des Gehäuses sein.
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Eine besonders effektive Kühlung des Anodentellers wird erreicht, indem das Kühlelement in eine in der Unterseite des Anodentellers vorgesehene radial umlaufende Ausnehmung ragt. Das Kühlelement bildet in diesem Fall beispielsweise einen radial umlaufenden Steg, der in eine korrespondierende Ringnut im Anodenteller ragt. Zur weiteren Erhöhung der Kühlwirkung können in konzentrischer Anordnung mehrere derartige radial umlaufende Kühlstege vorgesehen sein, welche in korrespondierende Ringnuten an der Unterseite des Anodentellers ragen.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung kann das Kühlelement auch flächenartig ausgebildet sein. Es kann als parallel zum Anodenteller verlaufende Wand ausgebildet sein. In dieser Ausgestaltung kann der Anodenteller nahezu allseitig vom Kühlelement umgeben werden. Damit wird ein besonders effektiver Abtransport insbesondere der abgestrahlten Wärme erreicht.
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Nach einer weiteren alternativen Ausgestaltung kann die Kondensationskühleinrichtung auch an einer Unterseite der Drehanode angebracht sein. In diesem Fall taucht zweckmäßigerweise ein radial umlaufender Kondensatbehälter in eine ein Kühlmittel enthaltende umlaufende zweite Ausnehmung ein, die gegenüberliegend zur Unterseite des Anodentellers im Gehäuse vorgesehen ist. Dabei kann zwischen dem radialsymmetrischen Kondensatbehälter und der dazu korrespondierenden zweiten Ausnehmung eine herkömmliche Dichtung bzw. Auslaufsperre vorgesehen sein, welche einen Austritt des Kühlmittels verhindert. Als Kühlmittel kann hier zweckmäßigerweise flüssiges Gallium oder eine Galliumlegierung verwendet werden. In diesem Fall kann als Dichtung eine herkömmliche aus antibenetzenden Schichten gebildete Dichtung verwendet werden.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Querschnittsansicht einer ersten Drehanoden-Röntgenröhre,
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2 eine schematische Teilquerschnittsansicht einer zweiten Drehanoden-Röntgenröhre,
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3 eine schematische Teilquerschnittsansicht einer dritten Drehanoden-Röntgenröhre und
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4 eine schematische Teilquerschnittsansicht einer vierten Drehanoden-Röntgenröhre.
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Bei der in 1 gezeigten Drehanoden-Röntgenröhre ist in einem vakuumdichten Gehäuse 1 eine allgemein mit dem Bezugszeichen 2 bezeichnete Drehanode aufgenommen. Eine Welle 3 der Drehanode 2 ist drehbar mittels der Lager 4 gelagert. Ein Anodenteller 5 ist fest mit der Welle 3 verbunden. Der Anodenteller 5 besteht aus einer Metallscheibe 6a, die aus einem hochschmelzenden Metall, z. B. einer im Wesentlichen Molybdän enthaltenden Legierung, hergestellt ist. Die Metallscheibe 6a ist gegenüberliegend einer Kathode 7 angeordnet und bildet eine Oberseite O des Anodentellers 5. An einer der Oberseite O gegenüberliegenden Unterseite der Metallscheibe 6a ist eine aus Grafit hergestellte Ringscheibe 6b angebracht. Die Ringscheibe 6b weist umlaufende erste Ausnehmungen 8 auf, die sich zu einer Unterseite U des Anodentellers 5 hin öffnen. In die ringförmig ausgebildeten ersten Ausnehmungen 8, von denen mehrere in konzentrischer Anordnung vorgesehen sein können, erstrecken sich erste Kühlelemente K1. Es handelt sich dabei um korrespondierend zu den ersten Ausnehmungen 8 ausgebildete ringförmig umlaufende Stege 9. Die Stege 9 weisen eine vakuumdicht ausgebildete Umhüllung auf, die mit dem Gehäuse 1 verbunden ist. Sie sind im Inneren hohl ausgebildet. Eine Innenwand der Stege 9 ist mit einem Kapillarelement 10 versehen, welches bis zu einem Boden eines Kondensatbehälters 11 reicht. Auch der Boden des Kondensatbehälters 11 ist mit dem, zweckmäßigerweise flächenartig ausgebildeten, Kapillarelement 10 versehen. Der Kondensatbehälter 11 ist außerhalb des Gehäuses 1 angebracht. Im Kondensatbehälter 11 ist eine Kühlflüssigkeit 12 aufgenommen. Abgesehen von den in die ersten Ausnehmungen 8 ragenden ringförmigen Stegen 9 ist ein weiterer ringförmiger Steg 13 vorgesehen, welcher einer Umfangsfläche 14 des Anodentellers 5 zumindest abschnittsweise gegenüberliegt und parallel dazu verläuft.
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Bei der in 2 gezeigten zweiten Ausführungsform einer Drehanoden-Röntgenröhre ist ein flächenartig ausgebildetes allgemein mit dem Bezugszeichen K2 bezeichnetes zweites Kühlelement vorgesehen. Das zweite Kühlelement K2 weist eine parallel zur Unterseite U des Anodentellers 5 verlaufende Kühlfläche sowie eine parallel zur Umfangsfläche 14 verlaufende Kühlfläche auf. Die Innenseiten der Kühlflächen sind mit dem Kapillarelement 10 ausgekleidet. Die Auskleidung erstreckt sich weiter bis zum Boden des Kondensatbehälters 11.
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Bei der in 3 gezeigten dritten Ausführungsform einer Drehanoden-Röntgenröhre ist an der Innenseite des Gehäuses 1 an deren die Unterseite U, die Oberseite O und die Umfangsfläche 14 des Anodentellers 5 umgebenden Wänden ein flächenartig ausgebildetes drittes Kühlelement K3 vorgesehen. Dazu sind die entsprechenden Wände des Gehäuses 1 doppelwandig ausgebildet. Die in der Nähe des Anodentellers 5 befindlichen Wände sind an ihrer dem Gehäuse 1 zugewandten Innenseite mit flächenartig ausgebildeten Kapillarelementen 10 versehen. Die flächenartig ausgebildeten Kapillarelemente 10 stehen in Flüssigkeitsverbindung mit dem Kondensatbehälter 11. Optional können die Kapillarelemente 10 auch noch mit einem Wärmetauscher 15 in Verbindung stehen. Das Kühlelement K3 ist hier Bestandteil des Gehäuses 1.
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In 4 ist in einer schematischen Teilquerschnittsansicht eine vierte Ausführungsform einer Drehanoden-Röntgenröhre gezeigt. Dabei ist ein viertes Kühlelement K4 fest an einer Unterseite U der Ringscheibe 6b angebracht. Das Kapillarelement 10 steht hier wiederum in Flüssigkeitsverbindung mit dem Kondensatbehälter 11. Der Kondensatbehälter 11 taucht in eine gegenüberliegend zur Unterseite U des Anodentellers 5 vorgesehenen ringförmigen zweite Ausnehmung 16 ein, in der als Kühlmittel 17 flüssiges Gallium aufgenommen ist. Flüssiges Gallium oder eine Galliumlegierung wird durch die zweite Ausnehmung 16 im Kreislauf durch (hier nicht gezeigten) Wärmetauscher geführt. Eine Dichtung 18 dient dazu, einen Austritt des flüssigen Galliums aus der zweiten Ausnehmung 16 zu verhindern.
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Die Funktion der beschriebenen Drehanoden-Röntgenröhren ist folgende:
Die gezeigten Kondensationskühleinrichtungen führen besonders effektiv die von der Oberseite O, der umlaufenden Seitenwand 14 und der Unterseite U abgestrahlten Wärme ab. Die Wärme wird jeweils übertragen auf die Kühlelemente K1–K4. Durch die übertragene Wärme kommt es zu einer Verdampfung der im Kapillarelement 10 aufgenommenen Kühlflüssigkeit 12. Der Kühlflüssigkeitsdampf wandert an kühlere Stellen der Kondensationskühleinrichtung, insbesondere in den Bereich des Kondensatbehälters 11 und kondensiert dort. Von dort aus wird die Kühlflüssigkeit 12 über das Kapillarelement 10 erneut an die besonders heißen Stellen transportiert. Durch die Verdampfung der Kühlflüssigkeit 12 wird eine effektive Kühlung des Anodentellers 5 erreicht. Die Kühlung kann weiter verbessert werden, indem die Kühlflüssigkeit 12 durch einen hier nicht näher gezeigten Wärmetauscher gekühlt wird. Die Wärme der Kühlflüssigkeit 12 kann auch durch ein das Gehäuse 1 umspülendes Kühlöl abgeführt werden. Bei der in 4 gezeigten vierten Drehanoden-Röntgenröhre erfolgt die Kühlung der Kühlflüssigkeit 12, indem der Kondensatbehälter 11 in ein aus flüssigem Gallium gebildetes Kühlmittel 17 eintaucht. Bei dieser Ausgestaltung wird nicht nur die Wärmestrahlung und Konvektion übertragene Warme vom vierten Kühlelement K4 abgeführt, sondern auch die durch Wärmeleitung vom Anodenteller 5 übertragene Wärme. Es wird damit eine besonders effektive Kühlung des Anodentellers 5 erreicht.
