DE19733337C2 - Wälzlagerung für die Drehanode einer Röntgenröhre - Google Patents

Wälzlagerung für die Drehanode einer Röntgenröhre

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Description

Die Erfindung betrifft eine Wälzlagerung für die Drehanode einer Röntgenröhre, aufweisend ein mit der Drehanode verbun­ denes rotierendes Lagerteil mit zwei im Abstand voneinander vorgesehenen ersten Laufflächen für Wälzkörper und ein mit dem Vakuumgehäuse der Röntgenröhre verbundenes Lagerteil mit zwei den ersten Laufflächen gegenüberliegend angeordneten zweiten Laufflächen für Wälzkörper, wobei zwischen den ersten und zweiten Laufflächen kugelförmige Wälzkörper angeordnet sind und die zweiten Laufflächen entsprechend dem Durchmesser der Wälzkörper rillenförmig oder schulterförmig ausgeführt sind.
Bei derartigen Wälzlagerungen tritt das Problem auf, daß im Betrieb der Röntgenröhre das mit der Drehanode verbundene ro­ tierende Lagerteil infolge der im Betrieb der Röntgenröhre auftretenden hohen thermischen Belastung der Drehanode, ca. 99% der einer Röntgenröhre zugeführten elektrischen Energie werden in Wärme umgewandelt, deutlich stärker als das mit dem Vakuumgehäuse verbundene Lagerteil erwärmt wird. Infolge der unterschiedlichen Erwärmung der beiden Lagerteile ändert sich im Betrieb der Röntgenröhre das Lagerspiel der Wälzkörper zwischen den Laufflächen u. U. erheblich. Dies wirkt sich im Falle einer Vergrößerung des Lagerspieles dahingehend aus, daß die Drehanode in unerwünschter Weise unruhig läuft. Im Falle einer Verringerung des Lagerspieles besteht Klemmge­ fahr.
Aus der US 2 648 025 und der DE 87 05 478 U1 ist es bekannt, Schwankungen des Lagerspiels durch Beaufschlagung der Lagerung mit einer Vorspannung zu kompensieren, wobei diese Vorspannung durch Federwirkung oder durch Gewinde erzeugt werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wälzlagerung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die im Betrieb der Röntgenröhre auftretenden Änderungen des Lagerspieles vermindert sind.
Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch eine Wälz­ lagerung für die Drehanode einer Röntgenröhre, aufweisend ein mit der Drehanode verbundenes, rotierendes Lagerteil mit zwei im Abstand voneinander vorgesehenen, ein Laufflächenpaar bil­ denden ersten Laufflächen für Wälzkörper und ein mit dem Va­ kuumgehäuse der Röntgenröhre verbundenes, relativ zu dem Va­ kuumgehäuse feststehendes Lagerteil mit zwei den ersten Lauf­ flächen gegenüberliegend angeordneten, ebenfalls ein Laufflä­ chenpaar bildenden zweiten Laufflächen für Wälzkörper, wobei zwischen den ersten und zweiten Laufflächen kugelförmige Wälzkörper angeordnet sind, wobei wenigstens eine der Lauf­ flächen eines Laufflächenpaares als ringförmiger Abschnitt einer Kegelmantelfläche ausgeführt ist, und wobei die Kegel­ mantelfläche derart angeordnet und der Öffnungswinkel derart gewählt ist, daß sich zumindest die durch die im Betrieb der Röntgenröhre auftretende temperaturbedingte Längenänderung des rotierenden Lagerteils bedingte Änderung des Lagerspiels im Bereich der Wälzkörper der kegelmantelförmigen Lauffläche und die durch die im Betrieb der Röntgenröhre auftretenden temperaturbedingten Durchmesseränderung des rotierenden La­ gerteils bedingte Änderung des Lagerspiels im Bereich der Wälzkörper der kegelmantelförmigen Lauffläche wenigstens an­ nähernd kompensieren, und wobei die Laufflächen des anderen Laufflächenpaares mit einer dem Durchmesser der Wälzkörper entsprechend gekrümmten Querschnittskontur ausgeführt sind.
Für den Fall, daß im Betrieb der Röntgenröhre die Temperatur­ verteilung in dem zwischen den ersten Laufflächen befindli­ chen und die ersten Laufflächen umgebenden Bereich des rotie­ renden Lagerteiles bzw. in dem zwischen den zweiten Laufflä­ chen befindlichen und die zweiten Laufflächen umgebenden Be­ reich des feststehenden Lagerteiles zumindest annähernd homo­ gen ist, gilt für den obengenannten Öffnungswinkel unter der Voraussetzung, daß beide Laufflächen des maßgeblichen Lauf­ flächenpaares kegelmantelförmig ausgebildet sind
wobei D der Durchmesser der Laufflächen des jeweiligen Lauf­ flächenpaares, L der Abstand zwischen den beiden Laufflächen des jeweiligen Laufflächenpaares, k der Temperaturausdeh­ nungskoeffizient des Materials des rotierenden bzw. festste­ henden Lagerteiles und ΔT die auftretende Temperaturänderung sind.
Der Quotient Q ist also sowohl von dem Temperaturausdehnungs­ koeffizienten k als auch von der Temperaturänderung ΔT unab­ hängig. Er hängt vielmehr nur von dem Durchmesser D der Lauf­ flächen des jeweiligen Laufflächenpaares und dem Abstand L zwischen den beiden Laufflächen des jeweiligen Laufflächen­ paares ab.
Nachdem sich das feststehende und das rotierende Lagerteil zwar nicht im Abstand L zwischen den beiden Laufflächen des jeweiligen Laufflächenpaares, wohl aber im Durchmesser D der Laufflächen unterscheiden, können mit dem im Falle der Erfin­ dung auf das rotierende Lagerteil abgestimmten Öffnungswinkel α die Auswirkungen von Temperaturänderungen nur des rotieren­ den Lagerteiles auf das Lagerspiel völlig kompensiert werden. Die Auswirkungen von Temperaturänderungen des feststehenden Lagerteiles auf das Lagerspiel können dagegen nur teilweise kompensiert werden. Es genügt unter Umständen, den Öffnungs­ winkel α auf das rotierende Lagerteil abzustimmen, da im Be­ trieb der Röntgenröhre das mit der Drehanode verbundene ro­ tierende Lagerteil in der Regel größeren Temperaturänderungen ausgesetzt ist. Es ist aber im Sinne der Erfindung auch mög­ lich, bei der Festlegung des Öffnungswinkels α die tempera­ turbedingten Maßveränderungen der Wälzkörper und die tempera­ turbedingten Durchmesserveränderungen der zweiten Laufflächen zu berücksichtigen. Die Gleichung zur Festlegung des Öff­ nungswinkels lautet dann unter der Voraussetzung, daß beide Laufflächen des maßgeblichen Laufflächenpaares kegelmantel­ förmig ausgebildet sind:
Dabei sind
ΔLS0 = ΔD1,0 - 2 Δwk,0 - ΔD2,0 die durch Temperaturänderung hervorgerufene Lagerspielän­ derung am äußeren Laufflä­ chenpaar,
ΔLSu = ΔD1,u - 2 Δwk,u - ΔD2,u die durch Temperaturänderung hervorgerufene Lagerspielän­ derung am inneren Laufflä­ chenpaar, und
ΔLeff = ΔL1 - ΔL2 die effektive Änderung des Abstands zwischen unterem und oberen Laufflächenpaar, mit
ΔD1/10 bzw. ΔD1/u als temperaturänderungsbe­ dingter Durchmesseränderung an der äußeren bzw. inneren ersten Lauffläche (rotierend­ es Lagerteil),
ΔD2/0 bzw. ΔD2/u als temperaturänderungsbe­ dingter Durchmesseränderung an der äußeren bzw. inneren zweiten Lauffläche (feststehendes Lagerteil),
ΔDwk als temperaturänderungsbe­ dingter Durchmesseränderung der Wälzkörper,
ΔL1 als temperaturänderungsbe­ dingter Veränderung des Ab­ standes zwischen den beiden ersten Laufflächen, und
ΔL2 als temperaturänderungsbe­ dingter Veränderung des Ab­ standes zwischen den beiden zweiten Laufflächen.
Es wird also deutlich, daß im Falle der erfindungsgemäßen Wälzlagerung die im Betrieb der Röntgenröhre auftretenden Än­ derungen des Lagerspieles deutlich vermindert sind.
Eine bevorzugte Variante der Erfindung sieht vor, daß im Falle wenigstens eines der Lagerteile der Abstand zwischen den Laufflächen einstellbar ist. Auf diese Weise kann sicher­ gestellt werden, daß das Lagerspiel, das in der Größenordnung von 1 bis 10 µm liegen sollte, so eingestellt werden kann, daß es tatsächlich in dem genannten Bereich liegt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den beigefügten Zeichnungen schematisch dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Wälz­ lagerung,
Fig. 2 das Detail II in vergrößerter Darstellung, und
Fig. 3 bis 5 Abwandlungen der Wälzlagerung gemäß den Fig. 1 und 2.
Die Drehanode 1 weist einen Anodenteller auf, der mit dem einen Ende einer das rotierende Lagerteil der Wälzlagerung bildenden Lagerungswelle 6 fest verbunden ist. Die Lagerungs­ welle 6 weist zwei im Abstand voneinander angebrachte erste Laufflächen 7, 8 für kugelförmige Wälzkörper 9 auf.
Die Wälzlagerung weist außerdem ein mit dem Vakuumkolben 2 der Röntgenröhre fest verbundenes Lagerteil auf, das als Rohrabschnitt 10' ausgeführt ist. Dieser ist mittels eines manschettenartigen Bauteiles 11 mit dem Vakuumkolben 2 vaku­ umdicht verbunden und an seinem von der Drehanode 1 entfern­ ten Ende durch einen Boden 12 vakuumdicht verschlossen.
Der Rohrabschnitt 10' weist zweite Laufflächen 13, 14 auf, die den ersten Laufflächen 7, 8 derart gegenüberliegend angeord­ net sind, daß die Wälzkörper 9 bei Rotation der Drehanode zwischen den Laufflächen 7 und 13 sowie 8 und 14 abrollen. Die zweiten Laufflächen 13, 14 sind mit entsprechend dem Durchmesser der Wälzkörper 9 gekrümmter Querschnittskontur, nämlich rillenförmig, ausgebildet (siehe auch Fig. 2).
Die ersten Laufflächen 7, 8 sind als ringförmige Abschnitte von Kegelmantelflächen mit dem gleichen Öffnungswinkel α ausgeführt. Im einfachsten Falle der erfindungsgemäßen Wälz­ lagerung ist der Öffnungswinkel α derart gewählt, daß gilt:
Der Tangens des halben Öffnungswinkels α/2 ist also gleich dem Quotienten aus der im Betrieb der Röntgenröhre auftreten­ den temperaturbedingten Durchmesseränderung ΔD der Lagerungs­ welle 6 im Bereich der Wälzkörper 9, die hier den Durchmesser D aufweist, und aus der im Betrieb der Röntgenröhre auftre­ tenden temperaturbedingten Längenänderung ΔL des zwischen dem Wälzkörper 9 befindlichen Bereichs der Länge L der Lagerungs­ welle 6.
Da die die ersten Laufflächen 7, 8 bildenden ringförmigen Ab­ schnitte von Kegelmantelflächen derart angeordnet sind, daß ihre gedachten Spitzen aufeinander zu gerichtet sind, wirken sich die temperaturbedingte Längenänderung ΔL der Lagerungs­ welle 6 und die temperaturbedingte Durchmesseränderung ΔD der Lagerungswelle 6 gegensinnig auf das Lagerspiel der zwischen den Laufflächen 7 und 13 sowie 8 und 14 befindlichen Wälzkör­ per 9 aus, d. h. die Längenänderung ΔL wirkt sich im Sinne einer Vergrößerung und die Durchmesseränderung ΔD im Sinne einer Verkleinerung des Lagerspiels aus. Da außerdem der Öff­ nungswinkel α der die ersten Laufflächen 7 und 8 bildenden Abschnitte von Kegelmantelflächen in der angegebenen Weise dimensioniert ist, hebt die durch die Längenänderung ΔL der Lagerungswelle 6 bedingte Änderung des Lagerspiels die durch die Durchmesseränderung ΔD der Lagerungswelle 6 bedingte Än­ derung des Lagerspiels auf.
Es wird also deutlich, daß im Falle der erfindungsgemäßen Wälzlagerung die Erwärmung der mit der Drehanode 1 verbunde­ nen Lagerungswelle 6 ohne Einfluß auf das Lagerspiel der Wälzlagerung bleibt.
Im Falle der erfindungsgemäßen Wälzlagerung ändert sich das Lagerspiel im Vergleich zu herkömmlichen Wälzlagerungen im Betrieb der Röntgenröhre also nur geringfügig, so daß nach­ teilige Einflüsse von Änderungen des Lagerspieles auf das Be­ triebsverhalten der Wälzlagerung praktisch ausgeschlossen sind.
Um das Spiel der Wälzlagerung im kalten Zustand und vor Ein­ bau in die Röntgenröhre auf einen vorgegebenen Wert einstel­ len zu können, ist der Rohrabschnitt 10' zwei durch Feinge­ winde 15 miteinander verbundene Teilabschnitte 10a und 10b unterteilt. Da sich die Teilstelle wie dargestellt zwischen den zweiten Laufflächen 13 und 14 befindet, kann durch Ändern des Abstandes der zweiten Laufflächen voneinander das Lager­ spiel für die Wälzkörper 9 eingestellt werden. Um sicherzu­ stellen, daß sich das eingestellte Lagerspiel im Betrieb der Röntgenröhre nicht verändert, sind nicht dargestellte Siche­ rungsmittel vorgesehen, die verhindern, daß sich der Ab­ schnitt 10a relativ zu dem Abschnitt 10b des Rohrabschnittes 10' verdreht.
Um die Drehanode 1 in Rotation versetzen zu können, ist ein Elektromotor vorgesehen, der als Rotor 16 ein aus einem elek­ trisch leitenden Werkstoff gebildetes topfförmiges Bauteil aufweist, das das dem Anodenteller 5 zugewandte Ende des Rohrabschnittes 10' übergreift. Der schematisch angedeutete Stator 17 ist im Bereich des Rotors 16 auf die Außenwand des Vakuumkolbens 2 aufgesetzt und bildet mit dem Rotor 16 einen elektrischen Kurzschlußläufermotor, der bei Versorgung mit dem entsprechenden Strom die Drehanode 1 rotieren läßt.
Wird in üblicher, nicht dargestellter Weise die Heizspannung für die Glühwendel der Kathode 3 und die Röntgenröhrenspan­ nung, die zwischen Kathode 3 und Drehanode 1 liegt, an die Röntgenröhre angelegt, geht von der Kathode 3 ein Elektronen­ strahl aus, der im Brennfleck auf den Anodenteller 5 auf­ trifft und dort Röntgenstrahlen auslöst, die durch den Vaku­ umkolben 2 aus der Röntgenröhre austreten. Infolge der Rota­ tion der Drehanode 1 bildet sich eine sogenannte Brennfleck­ bahn aus, da ständig eine andere Stelle des Anodentellers 5 mit dem Elektronenstrahl beaufschlagt wird.
In den in den Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispie­ len sind gleiche oder ähnliche Elemente mit den gleichen Be­ zugszeichen wie in den Fig. 1 und 2 versehen.
Die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von der zuvor beschriebenen dadurch, daß als rotierendes La­ gerteil ein mit dem Anodenteller 5 der Drehanode 1 verbun­ dener Rohrabschnitt 10 vorgesehen ist, der die ersten als Ke­ gelmantelflächen ausgeführten Laufflächen 7 und 8 aufweist. Als mit dem Vakuumkolben 2 verbundenes Lagerteil ist eine La­ gerungsachse 19 vorgesehen, die die zweiten Laufflächen 13 und 14 trägt. Bezüglich der Ausbildung der ersten und zweiten Laufflächen 7, 8 und 13, 14 gilt das zuvor Gesagte.
Die in Fig. 4 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß den Fig. 1 und 2 dadurch, daß nicht die ersten Laufflächen 7, 8 des rotierenden Lagerteiles 6, sondern die zweiten Laufflächen 13, 14 des feststehenden Lagerteiles 10' als Kegelmantelflächen ausgeführt sind. Außer­ dem ist in Fig. 4 veranschaulicht, daß die ersten und zweiten Laufflächen 7, 8 bzw. 13, 14 nicht wie im Falle der zuvor be­ schriebenen Ausführungsbeispiele direkt an dem rotierenden bzw. feststehenden Lagerteil vorgesehen sein müssen, sondern daß statt dessen auch Laufringe 20 bis 23 vorgesehen sein können, die die ersten und zweiten Laufflächen 7, 8 und 13, 14 tragen und an dem rotierenden Lagerteil bzw. dem mit dem Vakuumkolben 2 verbundenen Lagerteil angebracht sind. Die Laufringe 20 bis 23 sind in den Rohrabschnitt 10' ein- bzw. auf die Lagerungswelle 6 aufgesetzt.
Dabei müssen nicht notwendigerweise wie im Falle der Fig. 4 sämtliche Laufflächen 7, 8 und 13, 14 auf Laufringen 20 bis 23 vorgesehen sein. Es besteht vielmehr auch die Möglichkeit, so wie dies im jeweiligen Anwendungsfall zweckmäßig ist, nur einen Teil der Laufflächen auf Laufringen vorzusehen.
Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 entspricht weitgehend dem gemäß Fig. 3, unterscheidet sich von diesem jedoch da­ durch, daß wie im Falle des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 4 die zweiten Laufflächen 13, 14 des feststehenden Lagerteiles 10' und nicht die ersten Laufflächen 7, 8 des rotierenden La­ gerteiles 6 als Kegelmantelflächen ausgeführt sind.
Außerdem ist in Fig. 5 veranschaulicht, daß die Laufflächen mit gekrümmter Querschnittskontur nicht notwendigerweise ril­ lenförmig ausgeführt sein müssen, sondern in von handelsübli­ chen Schulterkugellagern an sich bekannter Weise auch schul­ terartig geformt sein können.
Während im Falle der Ausführungsformen gemäß den Fig. 1 und 2 sowie 4 mit zunehmender Betriebstemperatur der Wälzlagerung ohne deren erfindungsgemäße Ausbildung eine Verringerung des Lagerspieles und somit Klemmgefahr auftreten würde, würde im Falle der Ausführungsformen gemäß den Fig. 3 und 5 eine Ver­ größerung des Lagerspieles und somit unruhiger Lauf auftre­ ten.
Im Falle der Ausführungsformen gemäß den Fig. 3 und 4 ist im Unterschied zu den Ausführungsformen gemäß den Fig. 1 und 2 sowie 5 zur Einstellung des Lagerspieles nicht der Abstand zwischen den zweiten Laufflächen 13 und 14, sondern zwischen den ersten Laufflächen 7 und 8 verstellbar.
Im Falle der beschriebenen Ausführungsbeispiele ist jeweils das äußere als Rohrabschnitt 10 bzw. 18 ausgeführte Lagerteil derart ausgeführt, daß der Abstand zwischen den entsprechen­ den Laufflächen verstellbar ist. Es besteht statt dessen auch die Möglichkeit, diese Verstellbarkeit am inneren Lagerteil, d. h. der Lagerungswelle 6 oder der Lagerungsachse 19, vorzu­ sehen.
Der Rotor 16 ist bei den Ausführungsformen gemäß den Fig. 3 und 5 mit dem Rohrabschnitt 18 verbunden.
Abweichen von den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen besteht auch die Möglichkeit, nur eine Lauffläche kegelman­ telförmig auszuführen. In diesem Falle ist der Tangens des halben Öffnungswinkels halb so groß wie im Falle der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele.

Claims (2)

1. Wälzlagerung für die Drehanode (1) einer Röntgenröhre, aufweisend ein mit der Drehanode (1) verbundenes, rotierendes Lagerteil (6, 10) mit zwei im Abstand voneinander vorgesehe­ nen, ein Laufflächenpaar bildenden ersten Laufflächen (7, 8) für Wälzkörper (9) und ein mit dem Vakuumgehäuse (2) der Röntgenröhre verbundenes, relativ zu dem Vakuumgehäuse (2) feststehendes Lagerteil (10', 19) mit zwei den ersten Laufflä­ chen (7, 8) gegenüberliegend angeordneten, ebenfalls ein Laufflächenpaar bildenden zweiten Laufflächen (13, 14) für Wälzkörper (9), wobei zwischen den ersten und zweiten Lauf­ flächen (7, 8; 13, 14) kugelförmige Wälzkörper (9) ange­ ordnet sind, wobei wenigstens eine der ersten Laufflächen (7, 8) ei­ nes Laufflächenpaares als ringförmiger Abschnitt einer Kegel­ mantelfläche ausgeführt ist, und wobei die Kegelmantelfläche derart angeordnet und der Öffnungswinkel (α) derart gewählt ist, daß sich zumindest die durch die im Betrieb der Röntgen­ röhre auftretende temperaturbedingte Längenänderung (ΔL) des rotierenden Lagerteils (6, 10) bedingte Änderung des Lager­ spiels im Bereich der Wälzkörper (9) der kegelmantelförmigen Lauffläche und die durch die im Betrieb der Röntgenröhre auf­ tretenden temperaturbedingten Durchmesseränderung (ΔD) des rotierenden Lagerteils (6, 10) bedingte Änderung des Lager­ spiels im Bereich der Wälzkörper (9) der kegelmantelförmigen Lauffläche wenigstens annähernd kompensieren, und wobei die zweiten Laufflächen (13, 14) des anderen Laufflächenpaares mit einer dem Durchmesser der Wälzkörper (9) entsprechend gekrümmten Querschnittskontur ausgeführt sind.
2. Wälzlagerung nach Anspruch 1, wobei bei wenigstens einem Lagerteil (10; 10') der Abstand zwischen den Laufflächen einstell­ bar ist.
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