DE202019103698U1

DE202019103698U1 - Flüssigmetall-Gleitlager

Info

Publication number: DE202019103698U1
Application number: DE202019103698.2U
Authority: DE
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2019-07-05
Filing date: 2019-07-05
Publication date: 2019-07-19
Anticipated expiration: 2029-07-06
Also published as: CN214118724U

Abstract

Flüssigmetall-Gleitlager, das wenigstens ein erstes Lagerteil (1) mit einem Außendurchmesser und wenigstens ein zweites Lagerteil (2) mit einem Innendurchmesser 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 Reservoir (11, 12; 21, 22) mit einer Öffnung zum Lagerspalt (5;6) angeordnet ist, in dem Flüssigmetall (7) bereitgestellt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Flüssigmetall-Gleitlager.
Ein derartiges Flüssigmetall-Gleitlager ist beispielsweise aus der DE 10 2015 215 306 A1 bekannt. Im bekannten Fall ist das Flüssigmetall-Gleitlager in einer Röntgenröhre angeordnet und dient zur Lagerung einer Drehanode.
Flüssigmetall-Gleitlager funktionieren nahezu verschleißfrei, besitzen eine große Laufruhe bei gleichzeitig geringer Geräuschentwicklung und stellen darüber hinaus eine gute Entwärmung des gelagerten Bauteils (Drehanode) sicher.
Ein Flüssigmetall-Gleitlager umfasst wenigstens ein erstes Lagerteil mit einem Außendurchmesser und wenigstens ein zweites Lagerteil mit einem Innendurchmesser. Bei dem ersten Lagerteil handelt es sich beispielsweise um ein stehendes Lagerteil, wohingegen das zweite Lagerteil ein rotierendes Lagerteil bildet. Um die hohen Anforderungen wie beispielsweise hohe Warmfestigkeit und gute Wärmeleitfähigkeit sowie gute Benetzbarkeit für das Flüssigmetall zu erfüllen, werden für die Lagerteile üblicherweise Werkstoffe auf Molybdänbasis verwendet, alternativ auch besondere Stähle oder Keramikwerkstoffe.
Zwischen den Lagerteilen des Flüssigmetall-Gleitlagers ist wenigstens ein Lagerspalt vorhanden, der von dem Außendurchmesser des ersten Lagerteils und dem Innendurchmesser des zweiten Lagerteils gebildet wird und der mit einem Flüssigmetall gefüllt ist. Das im Lagerspalt fließende Flüssigmetall dient zur Schmierung und muss vakuumtauglich sein sowie auch bei hohen auftretenden Betriebstemperaturen die notwendige Viskosität besitzen. 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.
Wegen der geforderten hohen Bildqualität einer Computertomografie-Aufnahme bei gleichzeitiger Reduzierung der Röntgenstrahlungsdosis sind die Anforderungen bei den betreffenden Röntgenröhren sehr hoch. Hierzu muss das Flüssigmetall-Gleitlager so ausgelegt sein, dass bei allen Betriebszuständen das rotierende Lagerteil von dem statischen Lagerteil durch das Schmiermedium getrennt ist.
Damit dieser Gegendruck im Lagerspalt aufgebaut werden kann, bestehen Flüssigmetall-Gleitlager aus mehreren Bauteilen, welche sehr präzise aufeinander abgestimmt sein müssen. In der Röntgenröhrentechnik sind dies z.B. ein Innenlager (als Achse), eine Buchse und eine oder mehrere Abdeckungen. Der Lagerspalt beträgt dabei nur wenige Mikrometer. Üblich sind weniger als 20 µm mit sehr hohen Anforderungen an die maximal zulässigen Toleranzen über die gesamte Lagerlänge.
Unter bestimmten Betriebsbedingungen auftretende Deformationen können dazu führen, dass sich der Lagerspalt im Flüssigkeitsmetall-Gleitlager während des Betriebs verkleinert oder vergrößert. Hinsichtlich der Anforderungen an ein derartiges Flüssigmetall-Gleitlager wird auf die detaillierten Erläuterungen in der DE 10 2015 215 306 A1 verwiesen, in der dieser Sachverhalt ausführlich beschrieben ist.
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 Flüssigmetall-Gleitlager nach Anspruch 1 umfasst wenigstens ein erstes Lagerteil mit einem Außendurchmesser und wenigstens ein zweites Lagerteil mit einem Innendurchmesser, wobei zwischen den Lagerteilen wenigstens ein mit einem Flüssigmetall gefüllter Lagerspalt gebildet ist. Erfindungsgemäß ist in wenigstens einem Lagerteil wenigstens ein Reservoir mit einer Öffnung zum Lagerspalt angeordnet, in dem Flüssigmetall bereitgestellt ist.
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 und das zweite Lagerteil das stehende Lagerteil sein.
Die erfindungsgemäße Lösung ist sowohl bei einseitig aufgehängten Flüssigmetall-Gleitlagern als auch bei zweiseitig aufgehängten Flüssigmetall-Gleitlagern realisierbar.
Dadurch, dass in wenigstens einem Lagerteil ein Reservoir angeordnet ist, wird die Schmiermittelversorgung in selbstschmierenden Flüssigmetall-Gleitlagern verbessert, wodurch an diesen Stellen eine Mischreibung bzw. eine Festkörperreibung vermieden wird, also keine Berührung der benachbarten Lagerteile stattfindet und eine sukzessive Schädigung der Lagerteile bzw. ein sofortiges Versagen des Flüssigmetall-Gleitlagers zuverlässig vermieden wird.
Das erfindungsgemäße Flüssigmetall-Gleitlager weist damit auch bei hohen mechanischen und/oder thermischen Belastungen eine hohe Betriebssicherheit sowie eine lange Lebensdauer auf. Die Funktion der Rotation ist bei der erfindungsgemäßen Lösung zuverlässig sichergestellt, da die Reservoire in die Tragfläche des erfindungsgemäßen Gleitlagers integriert sind. Mit der erfindungsgemäßen Lösung kann an den Stellen im Flüssigmetall-Gleitlager, an denen mehr Flüssigmetall benötigt wird, durch ein größeres Reservoir auch gezielt mehr Flüssigmetall bereitgestellt werden. Das in den wabenförmigen Reservoiren vorhandenen Flüssigmetall wird durch die Fliehkraft in den entsprechenden Spalt des Flüssigmetall-Gleitlagers gedrückt.
Durch die erfindungsgemäße Maßnahme, in wenigstens einem Lagerteil im Bereich des Lagerspalts wenigstens ein Reservoir anzuordnen, bleiben die Außenabmessungen des Flüssigmetall-Gleitlagers unverändert, so dass ein herkömmliches Flüssigmetall-Gleitlager durch ein Flüssigmetall-Gleitlager gemäß Anspruch 1 bzw. gemäß vorteilhafter Ausgestaltungen nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 10 problemlos ersetzt werden kann.
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 und einfach demontierbar.
Abhängig von den konstruktiven Rahmenbedingungen und/oder dem vom Einsatzbereich bestimmten Anforderungsprofil kann eine der vorteilhaften Ausgestaltungen gemäß den Ansprüchen 3, 4 oder 5 gezielt ausgewählt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform nach Anspruch 3 ist wenigstens ein Reservoir im Außendurchmesser des ersten Lagerteils angeordnet. Gemäß einer ebenfalls vorteilhaften, alternativen Ausgestaltung nach Anspruch 4 ist wenigstens ein Reservoir im Innendurchmesser des zweiten Lagerteils angeordnet.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel gemäß Anspruch 5 ist dadurch gekennzeichnet, dass sowohl im Außendurchmesser des ersten Lagerteils als auch im Innendurchmesser des zweiten Lagerteils jeweils wenigstens ein Reservoir angeordnet ist. Eine derartige Ausgestaltung ist für thermo-mechanische hoch beanspruchte Flüssigmetall-Gleitlager besonders geeignet.
Ist das Flüssigmetall-Gleitlager gemäß Anspruch 5 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 Reservoir in der ersten Buchse angeordnet.
Bei einer Ausgestaltung des Flüssigmetall-Gleitlagers nach Anspruch 7 ist eine vorgebbare Anzahl von Reservoiren in Umfangsrichtung wenigstens einer der beiden Lagerteile angeordnet. Durch die im Rahmen der Anforderungen in einem breiten Rahmen wählbare Anzahl von Reservoiren erhält man auf konstruktiv einfache Weise ein eine Vergrößerung des Reservoirs für das Flüssigmetall.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist bei dem Flüssigmetall-Gleitlager gemäß Anspruch 8 wenigstens ein Bauteil zumindest teilweises mittels eines additiven Herstellungsverfahrens gefertigt.
Bei einem bevorzugten Flüssigmetall-Gleitlager nach Anspruch 9 handelt es sich bei dem additiven Herstellungsverfahren um einen metallischen 3D-Druck. Dieser 3D-Druck wird auch als „Laser Metal Fusion“ (LMF) bzw. „Powder Bed Fusion“ (pulverbettbasiertes Laserschmelzen) bezeichnet.
Für den metallischen 3D-Druck sind beispielsweise eine große Zahl metallischer Materialien in Pulverform, wie z.B. Stahl, Aluminium, Titan oder Molybdän, geeignet.
Ein Flüssigmetall-Gleitlager nach Anspruch 10 weist aufgrund der wabenförmigen Struktur der Reservoire eine sehr hohe Stabilität auf.
Eine Röntgenröhre gemäß Anspruch 11 umfasst ein Vakuumgehäuse, in der eine Drehanode angeordnet ist, die drehbar auf einem Flüssigmetall-Gleitlager nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 10 gelagert ist.
Ein Röntgensystem gemäß Anspruch 12, das mit einer Röntgenröhre gemäß Anspruch 11 ausgestattet ist, weist damit eine entsprechend hohe Zuverlässigkeit auf und ist deshalb sowohl für medizinische Anwendungen als auch für Anwendungen im Industrie- oder Sicherheitsbereich geeignet. Für eine medizinische Anwendung ist eine medizintechnische Anlage gemäß Anspruch 13 geeignet.
Nachfolgend wird ein schematisch dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Es zeigen:

1 eine Ausführungsform eines Flüssigmetall-Gleitlagers in einem Längsschnitt,
2 eine Anordnung mehrerer Reservoire in einem Lagerteil des Flüssigmetall-Gleitlagers in einem Teil-Längsschnitt,
3 eine Draufsicht auf die Anordnung der Reservoire gemäß 2.

Das in 1 jeweils dargestellte Flüssigmetall-Gleitlager umfasst ein erstes Lagerteil 1 und ein zweites Lagerteil 2, die beide beispielsweise aus Molybdän gefertigt sind.
Das erste Lagerteil 1 ist als stehendes Lagerteil ausgeführt und bildet das Innenlager, wohingegen das zweite Lagerteil 2 als rotierendes Lagerteil ausgeführt ist und eine erste Buchse 3 sowie eine zweite Buchse 4 umfasst, die verdrehfest miteinander verbunden sind. Die erste Buchse 3 sowie die zweite Buchse 4 bilden damit eine rotierende Lagerbuchse.
Beim Zusammenbau des Flüssigmetall-Gleitlagers wird in die erste Buchse 3 (Teil des rotierenden Lagerteils 2) das Innenlager 1 (stehendes Lagerteil) eingesetzt und anschließend die zweite Buchse 4 (Teil des rotierenden Lagerteils 2) mit der ersten Buchse 3 verdrehfest verbunden.
Nach dem Zusammenbau des Flüssigmetall-Gleitlagers sind zwischen dem ersten Lagerteil 1 (Innenlager; stehendes Lagerteil) und dem zweiten Lagerteil 2 (Lagerbuchse; rotierendes Lagerteil) ein vertikal verlaufender Lagerspalt 5 sowie ein horizontal verlaufender Lagerspalt 6 gebildet.
Das Flüssigmetall-Gleitlager umfasst nach dem Zusammenbau ein Radiallager, umschlossen vom waagrechten Lagerspalt 6 und ein Axiallager, umschlossen vom senkrechten Lagerspalt 5.
Die Lagerspalte 5 und 6 sind mit einem Flüssigmetall 7 gefüllt, z.B. mit einer eutektischen GaInSn-Legierung.
Bei dem in 1 dargestellten Flüssigmetall-Gleitlager weist das erste Lagerteil 1 eine vorgebbare Anzahl wabenförmiger Reservoire 11 und 12 auf, die im Außendurchmesser des ersten Lagerteils 1 angeordnet sind. Weiterhin weist das zweite Lagerteil 2 ebenfalls eine vorgebbare Anzahl wabenförmiger Reservoire 21 und 22 auf, die im Innendurchmesser des zweiten Lagerteils 2, und zwar in der in der ersten Buchse 3 angeordnet sind. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in 1 lediglich vier Reservoire 11 und 12 sowie 21 und 22 dargestellt.
Im Rahmen der Erfindung sind - abhängig von der Größe des Flüssigmetall-Gleitlagers und dessen Einsatzbereich - jeweils verschiedene vorteilhafte Varianten der Reservoire realisierbar.
In 2 und in 3 sind eine Anordnung der Reservoire gezeigt. Die Reservoire 81 bis 84 sowie 91 bis 94 weisen jeweils eine wabenförmige Struktur auf und sind im ersten Lagerteil 1 angeordnet. Alle Reservoire 81 bis 84 sowie 91 bis 94 weisen jeweils eine Öffnung zum Lagerspalt 6 auf. In jedem der Reservoire 81 bis 84 und 91 bis 94 ist jeweils Flüssigmetall 7 bereitgestellt.
Obwohl die Erfindung im Detail durch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Varianten können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102015215306 A1 [0002, 0008]

Claims

Flüssigmetall-Gleitlager, das wenigstens ein erstes Lagerteil (1) mit einem Außendurchmesser und wenigstens ein zweites Lagerteil (2) mit einem Innendurchmesser 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 Reservoir (11, 12; 21, 22) mit einer Öffnung zum Lagerspalt (5;6) angeordnet ist, in dem Flüssigmetall (7) bereitgestellt ist.
Flüssigmetall-Gleitlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Lagerteil (2) eine erste Buchse (3) und eine zweite Buchse (4) umfasst, die verdrehfest miteinander verbunden sind.
Flüssigmetall-Gleitlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Reservoir (11, 12) im Außendurchmesser des ersten Lagerteils (1) angeordnet ist.
Flüssigmetall-Gleitlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Reservoir (21, 22) im Innendurchmesser des zweiten Lagerteils (2) angeordnet ist.
Flüssigmetall-Gleitlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Reservoir (11, 12) im Außendurchmesser des ersten Lagerteils (1) und wenigstens ein Reservoir (21, 22) im Innendurchmesser des zweiten Lagerteils (2) angeordnet ist.
Flüssigmetall-Gleitlager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Reservoir (21, 22) in der ersten Buchse (3) angeordnet ist.
Flüssigmetall-Gleitlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine vorgebbare Anzahl von Reservoiren (11, 12, 21, 22) in Umfangsrichtung wenigstens einer der beiden Lagerteile (1, 2) angeordnet ist.
Flüssigmetall-Gleitlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Reservoir mittels eines additiven Herstellungsverfahrens gefertigt ist.
Flüssigmetall-Gleitlager nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem additiven Herstellungsverfahren um einen metallischen 3D-Druck handelt.
Flüssigmetall-Gleitlager einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Reservoir eine wabenförmige Struktur aufweist.
Röntgenröhre, die ein Vakuumgehäuse umfasst, in der eine Drehanode angeordnet ist, die drehbar auf einem Flüssigmetall-Gleitlager nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 10 gelagert ist.
Röntgensystem mit einer Röntgenröhre gemäß Anspruch 11.
Medizintechnische Anlage mit einem Röntgensystem gemäß Anspruch 12.