DE19606871C2 - Gleitlager mit einem mit Flüssigmetall gefüllten Lagerspalt - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gleitlager mit einem mit Flüssig­ metall gefüllten Lagerspalt, welches zwei oder mehr Gleitla­ gerteile mit an das Flüssigmetall angrenzenden Dichtflächen aufweist, welche Dichtflächen zur Bildung einer sich von dem Lagerspalt zu dem umgebenden Raum erstreckenden Dichtfuge aneinander anliegen.

Gleitlager mit einem mit Flüssigmetall gefüllten Lagerspalt, kurz Flüssigmetall-Gleitlager, finden beispielsweise in Form von Spiralrillen-Gleitlagern bei Röntgenröhren zur Lagerung von Drehanoden Verwendung und sind in der Regel im Inneren des Vakuumgehäuses der Röntgenröhre aufgenommen. Diese Gleit­ lager werden normalerweise mit Flüssigmetall-Legierungen auf Galliumbasis gefüllt, die bei Raumtemperatur bereits flüssig sind. Bei derartigen Legierungen handelt es sich um hochreak­ tive Substanzen. Folglich ist es unerwünscht, wenn Flüssig­ metall-Gleitlager beispielsweise bei Transportvorgängen oder im Betrieb selbst Flüssigmetall verlieren. Dies gilt insbe­ sondere bei der Anwendung in Röntgenröhren, in denen Flüssig­ metalltröpfchen außerhalb des Gleitlagers die Hochspannungs­ festigkeit der Röntgenröhre zerstören.

Aus der DE 195 23 163 A1 ist beispielsweise ein Flüssigme­ tall-Gleitlager bekannt, dessen Gleitlagerteile im Betrieb mit einem Flüssigmetall in Kontakt stehende Lagerflächen auf­ weisen. Diese Lagerflächen sind mit einer Schicht eines als Diffusionssperre für das hochreaktive Flüssigmetall wirksa­ men, gut mit dem Flüssigmetall benetzbaren Metalls versehen.

Um das Austreten von Flüssigmetall durch einen zwischen zwei stationären Gleitlagerteilen befindlichen Spalt zu verhin­ dern, ist es bekannt, keramische Beschichtungen der in Rede stehenden Flächen aus Aluminiumoxid, Ti­ tanoxid (DE 195 23 162 A1) oder reduzierten Titanacethylace­ tonat (EP 0 141 476 A1) zu verwenden, die als Antibenetzungs­ mittel für das Flüssigmetall wirksam sind, wobei sie einen Randwinkel mit dem Flüssigmetall größer als 90° bilden und aufgrund der Kapillarität dichten. Auf diese Weise ist zwar wirksam das Austreten von Flüssigmetall aus dem Lagerspalt verhindert, jedoch sind neben einem aufwendigen Beschich­ tungsequipment auch sehr ebene Dichtflächen erforderlich. Es ist also sowohl im Zusammenhang mit dem Beschichtungsequip­ ment als auch der Herstellung der Dichtflächen ein erhebli­ cher technischer und finanzieller Aufwand zu treiben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gleitlager der eingangs gerannten Art so auszubilden, daß der Austritt von Flüssigmetall aus dem Gleitlager auf einfache und kostengün­ stige Weise verhindert wird.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch ein Gleit­ lager mit einem mit Flüssigmetall gefüllten Lagerspalt, wel­ ches zwei oder mehr relativ zueinander stationäre Gleitlager­ teile mit an das Flüssigmetall angrenzenden Dichtflächen auf weist, welche Dichtflächen zur Bildung einer sich von dem La­ gerspalt zu dem umgebenden Raum erstreckenden Dichtfuge an­ einander anliegen, wobei zwischen den Dichtflächen ein Dichtring aus einem Material vorgesehen ist, das mit dem Flüssigmetall eine die Dichtfuge verschließende feste Misch­ phase bildet. Im Falle des erfindungsgemäßen Gleitlagers dabei absichtlich die Befüllung eines Teils der Dichtfuge mit Flüssigmetall herbeigeführt, worauf das Material des Dichtringes mit dem zu dem Dichtring gelangenden Flüssigme­ tall unter Bildung einer festen Mischphase reagiert. Die ge­ bildete feste Mischphase führt zu einer vollständigen Abdich­ tung der Dichtfuge des Gleitlagers zum Vakuumraum der Rönt­ genröhre und verhindert somit wirksam eine weitere Reaktion und den Austritt von Flüssigmetall aus dem Gleitlager in den Vakuumbereich der Röntgenröhre.

In der EP 0 373 705 A2 ist ein Flüssigmetall-Gleitlager be­ schrieben, das Oberflächen in einem Öffnungsbereich des Flüs­ sigmetall-Gleitlagers aufweist, wobei die unmittelbar an das Flüssigmetall angrenzenden Bereiche der Oberflächen mit einen als Antibenetzungsmittel für das Flüssigmetall wirksamen Ma­ terial und die daran anschließenden Bereiche der Oberflächen mit einem Material versehen sind, das von dem Flüssigmetall benetzbar ist und damit Mischphasen bildet.

Des weiteren ist aus der nicht vorveröffentlichten DE 195 10 067 A1 ein Gleitlager mit einem mit Flüssigmetall gefüllten Lagerspalt bekannt, welches zwei Gleitlagerteile mit an das Flüssigmetall angrenzenden Flächen aufweist. Die Flächen be­ grenzen einen den Lagerspalt mit dem umgebenden Raum verbin­ denden Spalt. Dabei ist wenigstens eine der Flächen mit einer Schicht eines als Benetzungsmittel für das Flüssigmetall wirksamen Materials versehen, um den Austritt von Flüssigme­ tall aus dem Gleitlager über den Spalt zu verhindern.

Eine verbesserte Dichtigkeit des erfindungsgemäßer Gleitla­ gers läßt sich erreichen, wenn gemäß einer Variante der Er­ findung das Material des Dichtringes plastisch verformbar, also als relativ weich einzustufen ist. Die Fließgrenze eines solchen Materials sollte dabei unter der Fließgrenze des Ma­ terials liegen, aus dem die Gleitlagerteile gefertigt sind. Ein Dichtring aus einem Material, das plastisch verformbar ist und zusätzlich mit Flüssigmetall zu einer festen Misch­ phase reagiert, besitzt den Vorteil, daß durch die plastische Verformung des Dichtringes bei Anlage an den gegenüberliegen­ den Dichtfläche bereits ein verbesserter Grad an Dichtigkeit erreicht wird. Die vollständige Abdichtung erfolgt schließ­ lich durch die Bildung der festen Mischphase zwischen dem Flüssigmetall und dem Material des Dichtringes. Ein zusätzli­ cher Vorteil ergibt sich aus der Tatsache, daß sich ein wei­ ches Material gut an eventuelle Welligkeiten der gegenüber­ liegenden Dichtfläche anpaßt, wodurch Anforderungen an die Oberflächengüte der Dichtflächen reduziert werden. Die ge­ nannten Voraussetzungen erfüllt beispielsweise ein nickel­ haltiger Werkstoff, beispielsweise H-Ni 99.5, H-Ni 99, NiMn 2, NiMo 28, NiCu 30 Fe, NiCr 6015 oder Monell, wenn als Flüs­ sigmetall eine Galliumlegierung verwendet wird.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß wenigstens eine von zwei Dichtflächen mit einem Ab­ satz oder einer Nut versehen ist, welche den zwischen den Dichtflächen liegenden an das Flüssigmetall angrenzenden Dichtring aufnehmen. Somit ist auf einfache Weise eine Lage­ sicherung des Dichtringes gewährleistet. Der Dichtring und der Absatz oder die Nut weisen dabei gemäß einer Variante der Erfindung solche Abmessungen auf, daß bei aufeinanderliegen­ den Dichtflächen bereits eine plastische Verformung des Dichtringes vorliegt.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht eine Öffnung zum Füllen des Gleitlagers mit Flüssigmetall vor, welche mit einer in ein Gleitlagerteil eingesetzten Dichtschraube ver­ schlossen ist. Zwischen dem Gleitlagerteil und der Dicht­ schraube ist eine Unterlegscheibe aus dem Material vorgese­ hen, welche gegebenenfalls durch plastische Verformung beim Anziehen der Dichtschraube und unter Bildung der festen Mischphase zu einer Abdichtung der Füllöffnung nach der Be­ füllung des Gleitlagers mit Flüssigmetall führt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den beigefügten Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Drehanoden-Röntgenröhre mit einem erfindungsgemäßen Flüssigmetall-Gleitlager für die Drehanode in teilweise geschnittener Darstel­ lung,

Fig. 2 in vergrößerter Darstellung die Einzelheiten II gemäß Fig. 1 und

Fig. 3 in vergrößerter Darstellung die Einzelheit III gemäß Fig. 1.

In der Fig. 1 ist eine Drehanoden-Röntgenröhre dargestellt, die eine Drehanode 1 aufweist, die in einem Vakuumkolben untergebracht ist. Der Vakuumkolben 2 enthält außerdem noch in an sich bekannter Weise eine Kathode 3, die in einem Ka­ thodenkopf 4 eine in Fig. 1 nicht sichtbare Glühwendel ent­ hält.

Die Drehanode 1 weist einen Anodenteller 5 auf, der an dem einen Ende einer mit dem Anodenteller 5 rotierenden Lage­ rungswelle 6 fest angebracht ist. Um die drehbare Lagerung der Drehanode 1 zu gewährleisten, ist ein insgesamt mit 7 be­ zeichnetes Flüssigmetall-Gleitlager vorgesehen, das aus meh­ reren Gleitlagerteilen zusammengesetzt ist, von denen eines die Lagerungswelle 6 ist. Als weitere Gleitlagerteile sind ein Rohrteil 8, ein Boden 9 und ein Deckel 10 vorgesehen.

Das Rohrteil 8, der Boden 9 und der mit einer Bohrung ver­ sehene Deckel 10 sind derart miteinander verschraubt (es sind nur die Mittellinien einiger Schrauben dargestellt), daß das verdickte Ende der sich durch die Bohrung des Deckels 10 er­ streckenden Lagerungswelle 6 in der Bohrung des Rohrteils 8 aufgenommen ist. Dabei bilden die plane Innenseite des Bodens 9 die hohlzylindrische Bohrungswand des Rohrteils 8 und die kreisringförmige plane Innenseite des Deckels 10 erste Lage­ rungsflächen 11, 12 und 13. Die am anderen Ende der Lage­ rungswelle 6 vorgesehene plane, kreisförmige Stirnfläche, die zylindrische Mantelfläche des verdickten Ansatzes der Lage­ rungswelle 6 und die kreisringförmige ebene Stirnfläche des zu dem verdickten Ansatz überleitenden Absatzes der Lage­ rungswelle 6 bilden zweite Lagerungsflächen 14, 13 und 16.

Das Rohrteil 8, der Boden 9 und der Deckel 10 bilden den be­ züglich des Vakuumkolbens 2 feststehenden Teil des Flüssig­ metall-Gleitlagers; das Rohrteil 8 ist über eine Metallhülse 19 fest mit dem Vakuumkolben 2 verbunden.

Zwischen den Lagerflächen 11 bis 13 einerseits und den Lager­ flächen 14 bis 16 andererseits befindet sich ein in Fig. 1 nicht sichtbarer, mit Flüssigmetall gefüllter Lagerspalt.

Um die Drehanode 1 in Rotation versetzen zu können, ist ein Elektromotor vorgesehen, der als Rotor 17 ein aus einem elek­ trisch leitenden Werkstoff gebildetes topfförmiges Bauteil aufweist, das auf das mit dem Deckel 10 versehene Ende des Rohrteils 8 übergreift. Der schematisch angedeutete Stator 18 ist im Bereich des Rotors 17 auf die Außenwand des Vakuumkol­ bens aufgesetzt und bildet mit dem Rotor 17 einen elektri­ schen Kurzschlußläufermotor, der bei Versorgung mit dem ent­ sprechenden Strom die Drehanode 1 rotieren läßt.

Die Gleitlagerteile, also die Lagerungswelle 6, das Rohrteil 8, der Boden 9 und der Deckel 10 sind aus einem Material der Gruppe Molybdän, Wolfram, Tantal, Rhenium oder einer wenig­ stens eines dieser Metalle enthaltenden Legierung, Edelstahl oder Keramik gebildet. Vorzugsweise sind die Gleitlagerteile aus Molybdän oder einer molybdänartigen Legierung gebildet, und zwar im Hinblick auf die Vakuumtauglichkeit dieser Mate­ rialien.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht und durch die Fig. 2 noch hervorge­ hoben wird, handelt es sich bei der sich von dem Lagerspalt zu dem umgebenden Raum erstreckenden Dichtfuge 20, welche zwei aneinander anliegende Dichtflächen 23 und 24 miteinander bilden, um einen sehr engen Spalt.

In der aus Fig. 2 ersichtlichen Weise sind die Dichtflächen 23 und 24 um eine Zentrierung der Gleitlagerteile 8 und 9 bzw. 8 und 10 relativ zueinander zu gewährleisten, jeweils aus einem zylindrischen Dichtflächenteil 23a und 24a und ei­ nem ringförmigen Dichtflächenteil 23b und 24b zusammenge­ setzt.

Wie der Fig. 2 entnommen werden kann, ist eine der beiden Dichtflächen 23 und 24, im vorliegenden Fall die Dichtfläche 23, mit einer Nut 27 versehen, welche einen zwischen den Dichtflächen liegenden Dichtring 28 aufnimmt, an den das Flüssigmetall 21 aus dem Lagerspalt angrenzt. Der Dichtring 28, der aus einem plastisch verformbaren und mit dem Flüssig­ metall 21 eine feste Mischphase 22 bildenden Material gebil­ det ist, weist in Kombination mit der Nut 27 solche Abmessun­ gen auf, daß bei Aufeinanderliegen der Dichtflächen 23 und 24 der Gleitlagerteile 8 und 10 in jedem Fall bereits eine pla­ stische Verformung des Dichtrings 28 eintritt daß sich der Dichtring 28 an die Welligkeit der Dichtflächen 23 und 24 der Gleitlagerteile 8 und 10 anpaßt und ein vollständiges An­ liegen des Dichtringes 28 an den Dichtflächen 23 und 24 ge­ währleistet ist. Auf diese Weise wird bereits eine Dichtwir­ kung erreicht. In Fig. 2 ist der Dichtring 28 vor seiner pla­ stischen Verformung hervorgerufen durch das Verschrauben der Dichtflächen 23 und 24 der Gleitlagerteile 8 und 10 in ge­ strichelten Linien eingetragen.

Gelangt Flüssigmetall 21 durch die Dichtfuge 20 zu dem an­ grenzenden Dichtring 28, so bildet es mit dessen Material eine Barriere in Form einer festen Mischphase 22, die zur vollständigen Dichtigkeit führt und jenseits deren demnach keine weitere Reaktion stattfindet.

Wenn als Flüssigmetall, wie im Falle des beschriebenen Aus­ führungsbeispiels, eine Galliumlegierung, insbesondere eine Gallium-Indium-Zinn-Legierung, vorgesehen ist, ist als Mate­ rial für den Dichtring 23 ein nickelhaltiger Werkstoff, bei­ spielsweise H-Ni 99.5, H-Ni 99, NiMn 2, NiMo 28, NiCu 30 Fe, NiCr 6015 oder Monell, vorgesehen.

Für den Dichtring 28 sind neben dem vor der plastischen Ver­ formung dargestellten rechteckigen Querschnitt auch kreisför­ mige, elliptische, quadratischen oder trapezförmige Quer­ schnitte möglich.

Wie in der Fig. 2 dargestellt, muß wenigstens eine der Dicht­ flächen 23 oder 74 der Gleitlagerteile 8 und 10 mit einer dem Dichtring 28 aufnehmenden Nut 27 versehen sein. Es ist aber durchaus in nicht dargestellter Weise möglich, daß beide Dichtflächen 23 und 24 jeweils eine Nut aufweisen, wobei die Nuten den Dichtring 28 gemeinsam aufnehmen.

Des weiteren muß die Nut 27 nicht notwendigerweise in einer der ringförmigen Dichtflächenteile 23b und/oder 24b einge­ arbeitet sein. Bei ausreichender Breite der zylindrischen Dichtflächenteile 23a und 24a kann auch eine dieser oder beide Dichtflächenteile 23a und 24a mit einer den Dichtring 28 aufnehmenden Nut 27 versehen sein.

Wesentlich ist, daß sich der Dichtring 28 und die ihn aufneh­ mende Nut 27 ununterbrochen über die gesamte Länge, d. h. den gesamten Umfang der jeweiligen Dichtfläche 23 und 24 erstrec­ ken, so daß in die Dichtfuge 20 eintretendes Flüssigmetall 21 unter Bildung einer festen Mischphase 22 eine unterbrechungs­ freie Dichtung bilden kann.

Der Dichtring 28 muß übrigens nicht notwendigerweise in einer Nut aufgenommen sein. Vielmehr kann ein zur Aufnahme eines Dichtringes geeigneter Raum auch dadurch geschaffen werden, daß wenigstens eine der beiden die Dichtfuge 20 begrenzenden Dichtflächen 23 und 24 einen Absatz oder eine Anfasung auf­ weist.

Außerdem kann der Dichtring auch als Flachdichtung ausgeführt sein, die zwischen die ohne Vertiefung oder dergleichen aus­ geführten Dichtflächen eingelegt ist.

Wie aus den Fig. 1 und 3 ersichtlich ist, weist das Gleit­ lagerteil 9 eine Öffnung 32 auf, durch welche das Flüssig­ metall-Gleitlager mit Flüssigmetall gefüllt wird. Nach dem Füllen des Gleitlagers verschließt eine Dichtschraube 29 mit einer Unterlegscheibe 30 die Öffnung 32. Die Unterlegscheibe 30 ist aus einem nickelhaltigen Werkstoff, beispielsweise H- Ni 99.5, H-Ni 99, NiMn 2, NiMo 28, NiCu 30 Fe, NiCr 6015 oder Monell, gebildet, der plastisch infolge des Anzugsmomentes der Dichtschraube 29 verformt, zusätzlich mit über das Ge­ winde 31 aufgrund der Kapillarwirkung aufsteigenden Flüssig­ metall eine feste Mischphase 22 bildet und somit die Öffnung 32 gegen Austritt von Flüssigmetall dicht verschließt.

Bei der in den Fig. 1 und 3 dargestellten Dichtschraube 29 sind unterschiedliche Ausführungsformen denkbar. Beispiels­ weise kann der Schraubenkopf der Dichtschraube 29 in dem Gleitlagerteil 9 versenkt werden. Wesentlich ist, daß das Schraubenende nicht aus der Fläche 11 herausragt und somit die Funktionsfähigkeit des Gleitlagers außer Kraft setzt. Die Öffnung 32 zum Füllen des Gleitlagers mit Flüssigmetall 21 kann sich in den Fig. 1 und 3 nicht dargestellter Weise auch in einem der anderen Gleitlagerteile 8 oder 10 befinden, wenn dies zweckmäßig ist.

Die Lagerflächen und Lagerungsflächen 11 bis 16 können übri­ gens in an sich bekannter und in den Figuren nicht darge­ stellter Weise mit insbesondere spiralförmigen Nuten versehen sein, die dazu dienen, das Flüssigmetall 21 am Austreten aus dem Lagerspalt zu hindern.

In der gleichen Weise wie im Falle der Gleitlagerteile 8 und 10 läßt sich die Abdichtung der Gleitlagerteile 8 und 9 er­ reichen.

Des weiteren lassen sich auch geometrisch anders geartete Dichtflächen, beispielsweise rein ringförmige Dichtflächen, die nicht notwendigerweise aus zylindrischen oder ringförmi­ gen Dichtflächenteilen zusammengesetzt sind, in geschilderter Form gegen das Austreten von Flüssigmetall aus dem Gleitlager 7 abdichten.

Claims (8)

1. Gleitlager mit einem mit Flüssigmetall (21) gefüllten La­ gerspalt, welches zwei oder mehr Gleitlagerteile (8, 9, 10) mit an das Flüssigmetall (21) angrenzenden Dichtflächen (23, 24) aufweist, welche Dichtflächen (23, 24) zur Bildung einer sich von dem Lagerspalt zu dem umgebenden Raum erstreckenden Dichtfuge (20) aneinander anliegen, wobei zwischen den Dicht­ flächen (23, 24) ein Dichtring (28) aus einem Material vorge­ sehen ist, das mit dem Flüssigmetall (21) eine die Dichtfuge (20) verschließende feste Mischphase (22) bildet.

2. Gleitlager nach Anspruch 1, bei dem das Material des Dichtringes (28) plastisch verformbar ist.

3. Gleitlager nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dessen La­ gerspalt als Flüssigmetall eine Galliumlegierung enthält und bei dem als Material des Dichtringes (28) ein nickelhaltiger Werkstoff, beispielsweise H-Ni 99.5, H-Ni 99, NiMn 2, NiMo 28, NiCu 30 Fe, NiCr 6015 oder Monell, vorgesehen ist.

4. Gleitlager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei wenig­ stens eine von zwei Dichtflächen (23, 24) mit einem Absatz oder einer Nut (27) versehen ist, welche den zwischen den Dichtflächen (23, 24) liegenden an das Flüssigmetall (21) an­ grenzenden Dichtring (28) aufnehmen.

5. Gleitlager nach Anspruch 4, bei dem der Dichtring (28) und der Absatz oder die Nut (27) solche Abmessungen aufwei­ sen, daß bei aufeinanderliegenden Dichtflächen (23, 24) eine plastische Verformung des Dichtringes (28) vorliegt.

5. Gleitlager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, welches eine zum Füllen des Gleitlagers mit Flüssigmetall (21) vorgesehene Öffnung (32) aufweist, welche mit einer in ein Gleitlagerteil eingesetzten Dichtschraube (29) verschlossen ist, wobei zwi­ schen der Dichtschraube (29) und dem anderen Gleitlagerteil eine Unterlegscheibe (30) aus dem Material vorgesehen ist, welche bereits beim Anziehen der Dichtschraube (29) plastisch Verformt wird.

7. Drehanoden-Röntgenröhre mit einem zur Lagerung der Dreh­ anode (1) vorgesehenen Flüssigmetall-Gleitlager (7) nach ei­ nem der Ansprüche 1 bis 6.

8. Verwendung eines Gleitlagers nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Lagerung der Drehanode (1) einer Drehanoden-Rönt­ genröhre.