DE29823735U1

DE29823735U1 - Drehkolbenstrahler mit Gaskühlung

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Publication number: DE29823735U1
Application number: DE29823735U
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1998-05-07
Filing date: 1998-05-07
Publication date: 1999-11-18
Anticipated expiration: 2008-05-08

Description

GR 98 G 3322

Beschreibung

Drehkolbenstrahler mit Gaskühlung

Die Erfindung bezieht sich auf einen Drehkolbenstrahler mit einem einen externen Wärmetauscher umfassenden primären Kühlmittelkreislauf .

Röntgenröhren werden in der Regel mit sehr hohen Spannungen betrieben, da sowohl der Wirkungsgrad &eegr; = Z-U proportional und die ungefilterte Röntgenflußdichte &PSgr; ~ Z-I-U² quadratisch mit der Beschleunigungsspannung ansteigt. Darüber hinaus muß die Energie der Röntgenstrahlung dem Absorptionsvermögen des zu untersuchenden Objekts angepaßt sein (e~^ux) . Die Beschleunigungsspannungen liegen je nach Anwendung zwischen 40 kV und 150 kV. Um diese hohen Spannungen elektrisch isolieren zu können, wird in der Regel die Röhre von Isolieröl umgeben. Darüber hinaus muß die in der Röntgenröhre erzeugte Verlustwärme P ~ (&Igr;-&eegr;)-&Igr;-&ugr; von der Oberfläche der Röntgenröhre mit Hilfe eines Kühlmediums abgeführt werden, damit diese nicht zerstört wird. Wird nun als Kühlmedium das bisher bevorzugte Isolieröl verwendet, dann muß bei einem Röhrendefekt immer der gesamte Strahler vor Ort ausgetauscht und komplett an den Hersteller versandt werden.

Für einige Anwendungen ist eine möglichst hohe Pulsleistung bei geringer Dauerleistung gefordert. Dies ist im Hinblick auf die notwendige Wärmeabfuhr sowohl bei Drehanodenstrahlern als auch bei ölgekühlten Drehkolbenstrahlern durch den 0 Anodendurchmesser sowie die erzielbare Drehfrequenz begrenzt. Der Anodendurchmesser läßt sich selbstverständlich nur beschränkt vergrößern und die Drehfrequenz kann - nicht zuletzt

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durch die hohe Reibung und die Turbulenzen im Isolieröl ebenfalls nur begrenzt erhöht werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Drehkolbenstrahier der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß er bei vereinfachtem kleinräumigem Aufbau besonders auch für hohen Pulsleistungsbetrieb geeignet ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß das Kühlmittel ein als Hochspannungsisolierung taugliches Gas ist, das dem im stehenden Außengehäuse rotierenden Drehkolben achsnah zugeleitet und im Bereich der Anodenerweiterung des Drehkolbens aus dem Außengehäuse abgezogen wird.

Die Verwendung von Gas als Kühlmittel anstelle eines Öls ist - man vergleiche beispielsweise die US 4 884 292 - zwar im Zusammenhang mit Röntgenstrahlen! grundsätzlich bereits bekannt. Dort handelt es sich allerdings um eine Drehanode, bei der also lediglich die Anode und nicht das ganze die Anode, 0 die Kathode und ein sie verbindendes Gehäuse umfassende Bauteil rotiert. Darüber hinaus erfolgt die Kühlung der Anode primär durch Strahlungskühlung über eine die Anode umgebende Kühlhülse, die ihrerseits dann wiederum über ein Gebläse mittels eines Luftstroms gekühlt wird. Diese Anordnung ist 5 außerordentlich aufwendig und großbauend und nur für stationäre Drehanodenröhren einsetzbar.

Eine Luftkühlung sieht auch bereits die US 4 3 55 410 vor. Dort allerdings handelt es sich nur um die Außenkühlung einer feststehend in einem Gehäuse angeordneten Röntgenröhre. Wie diese Röntgenröhre selbst aufgebaut ist, d.h. ob es sich um eine Drehanodenröhre handelt - eine Drehkolbenröhre kann es auf jeden Fall nicht sein - ist in dieser Patentschrift über-

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haupt nicht angesprochen. Letztendlich geht es wiederum nur

um die reine externe Wärmeabfuhr vom Außengehäuse.

Erfindungsgemäß soll das als Kühlmittel eingesetzte Gas gleichzeitig die Hochspannungsisolierung des Drehkolbenstrahlers im stehenden Außengehäuse übernehmen, weshalb natürlich nicht beliebige Gase eingesetzt werden können. Als bevorzugtes Kühlmittel hat sich dabei SF₆ erwiesen.

Die Verwendung eines gasförmigen Kühlmittels hat trotz der scheinbaren Nachteile der geringeren Wärmekapazität gegenüber einem Isolieröl überraschende zusätzliche Vorteile.

Durch den Betrieb des Drehkolbenstrahlers mit Gas als primäres Kühlmittel wird die Reibleistung des Drehkolbens gegenüber dem Betrieb in Flüssigkeiten stark reduziert, so daß entweder höhere Drehzahlen, größere Kolbendurchmesser und/oder geringere Antriebsleistungen realisiert werden können. Ein Drehkolbenstrahler mit großem Kolbendurchmesser und hoher Drehzahl (n > 150 Hz) kann extrem hohe Pulsleistungen, beispielsweise P > 200 kW erzeugen.

Während bei einem in Isolieröl betriebenen Drehkolbenstrahler die Anodenkühlbodentemperatur durch die Temperatureigenschaften des Öls begrenzt wird, beispielsweise läßt sich mit dem häufig eingesetzten Isolieröl Shell 4655 nur eine Temperatur T < 27 0⁰C erreichen, kann bei Betrieb des Drehkolbenstrahlers in einem Gas als Kühlmittel die Kühlbodentemperatur wesentlich höher liegen. Zum Beispiel kann bei Verwendung von SF₆ eine Kühlbodentemperatur von bis zu 700⁰C zugelassen werden.

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Bei Temperaturen oberhalb 700⁰C auf der Brennfleckbahn wird das Anodenmaterial nur geringen Temperaturgradienten ausgesetzt, was sich positiv auf die Anodenhaltbarkeit auswirkt.

Die erfindungsgemäße Verwendung eines gasförmigen Kühlmittels im primären Kühlmittelkreislauf, wobei das gasförmige Kühlmittel gleichzeitig die Hochspannungsisolierung mit übernimmt, ermöglicht neben den bereits angesprochenen Vorteilen einen geräuschärmeren Lauf und hat vor allem auch den Vorteil, daß bei einem Röhrendefekt nicht der gesamte Strahler, also einschließlich des Außengehäuses, ausgetauscht und an den Hersteller versandt werden muß, sondern daß zunächst einfach das Gas entnommen und das Außengehäuse geöffnet werden kann, um etwaige Defekte selbst zu beheben oder allenfalls den sehr viel kleinräumigeren eigentlichen Drehkolben zur Reparatur oder zum Austausch an den Hersteller zu schicken.

Eine besonders hohe Kühlleistung läßt sich in Weiterbildung der Erfindung dadurch erreichen, daß das Kühlmittel durch Stichleitungen unmittelbar sowohl im Bereich des anodenseitigen Lagers als auch am kathodenseitigen Kolbenhals an das Drehkolbengehäuse herangeführt wird, wobei es sich darüber hinaus noch als zweckmäßig erwiesen hat, wenn der Drehkolbenstrahler in Metall-Keramik-Ausführung ausgebildet ist, da in diesem Fall das gasförmige Kühlmedium bei Überdruck betrieben werden kann.

Schließlich liegt es auch noch im Rahmen der Erfindung, daß die den Boden des rotierenden Drehkolbens bildende Anode mit 0 einer die Kühlfläche vergrößernden Profilierung versehen ist.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausfüh-

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rungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung, die eine schematische Darstellung eines Drehkoblenstrahlers mit einer erfindungsgemäßen Gaskühlung zeigt.

In dem stehenden Außengehäuse 1 mit einem Röntgenstrahlaustrittsfenster 2 ist der die Anode 3 und die Kathode 4 umfassende Drehkolben 5 gelagert, der durch einen Motor 6 rotierend angetrieben wird. Üblicherweise ist der Drehkolben beidseits gelagert, wobei in Sonderfällen das anodenseitige Drehlager 7 aber auch entfallen könnte. Bei 8 erkennt man eine bevorzugt als Spulenübertrager ausgebildete Spannungszuführung für die notwendigen Versorgungsspannungen, d.h. die Heizspannung der Kathode, die Hochspannung zwischen Kathode und Anode und die Stromversorgung für das Magnetsystem 9, das zur zweckentsprechenden Verformung des Elektronenstrahlquerschnitts sowie zu dessen Ablenkung auf den Anodenrand dient. Der Raum zwischen dem Drehkolben 5 und dem stehenden Außengehäuse 1 ist erfindungsgemäß mit einem als Hochspannungsisolierung tauglichen Gas, vorzugsweise SF₆, gefüllt. Dieses im 0 primären Kühlmittelkreislauf 10 strömende gasförmige Kühlmittel, das von einem externen Wärmetauscher 11 gekühlt wird, wird über zwei Stichleitungen 12 und 13 einmal direkt dem Anodenboden 14 im Bereich des Drehlagers 7 und zum anderen im Bereich des kathodenseitigen Kolbenhalses 15 an das Drehkolbengehäuse herangeführt und strömt dann in Richtung der Pfeile 16 und 17 am Anodenboden bzw. dem Drehkolbengehäuse entlang und wird im Bereich der Anodenerweiterung über die Auslaßleitung 18 wieder abgezogen. Gegebenenfalls kann im primären Kühlmittelkreislauf auch eine Umwälzpumpe vorgesehen 0 sein. In vielen Fällen genügt aber die durch den rotierenden Drehkolben entstehende Pumpwirkung zum Umwälzen des gasförmigen Kühlmittels im primären Kühlkreislauf 10.

Claims

1. Drehkolbenstrahler mit einem einen externen Wärmetauscher umfassenden primären Kühlmittelkreislauf, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel ein als Hochspannungsisolierung taugliches Gas ist, das dem im stehenden Außengehäuse (1) rotierenden Drehkolben (5) achsnah zugeleitet und im Bereich der Anodenerweiterung des Drehkolbens (5) aus dem Außengehäuse (1) abgezogen wird.

2. Drehkolbenstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel SF₆ ist.

3. Drehkolbenstrahler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel durch Stichleitungen (12, 13) unmittelbar sowohl im Bereich des anodenseitigen Lagers (7) als auch am kathodenseitigen Kolbenhals (15) an das Drehkolbengehäuse herangeführt wird.

4. Drehkolbenstrahler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß er in Metall-Keramik-Ausführung ausgebildet ist und das Gas im primären Kühlmittelkreislauf (10) unter Überdruck steht.

5. Drehkolbenstrahler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die den Boden des rotierenden Drehkolbens (5) bildende Anode (3) mit einer die Kühlfläche vergrößernden Profilierung versehen ist.