DE4228964C1 - Lagerung für die Drehanode einer Röntgenröhre - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Lagerung für die Drehanode einer Röntgenröhre gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei der Lagerung einer Drehanode mit Hilfe eines oder meh­ rerer Wälzlager treten im Zusammenhang mit der starken und zum Teil ungleichmäßigen Erwärmung der Lagerung Schwierig­ keiten im Langzeitbetrieb der Röntgenröhre auf. Infolge der Erwärmung ändert sich nämlich die Radialluft des Wälzlagers erheblich, so daß im Extremfall ein Klemmen der Lagerung und damit ein Ausfall der Röntgenröhre zu befürchten ist. Um dies zu vermeiden, wird in der Praxis für das Wälzlager ein so großes Lagerspiel gewählt, daß ein Klemmen der Lagerung mit Sicherheit ausgeschlossen ist. Dies führt in bestimmten Betriebszuständen der Röntgenröhre jedoch zu erhöhtem Verschleiß und damit geringerer Lebensdauer, zu stärkerer Geräuschentwicklung und zu relativ starken Verlagerungen des Fokus der Röntgenröhre im Betrieb. Es wurde daher bereits vorgeschlagen, das zur Aufnahme von axialen Kräften geeig­ nete Wälzlager zusätzlich zu den durch die Lagerung der Drehanode ohnehin auftretenden Lagerkräften mit einer axial gerichteten Kraft zur Ausschaltung des Lagerspieles zu belasten. Sofern zur Erzeugung dieser Kraft nicht lediglich die Schwerkraftwirkung ausgenutzt wird (siehe DE-OS 15 89 893 und DE-PS 7 26 051), was nur dann praktikabel ist, wenn die Drehanodenwelle senkrecht eingebaut ist, ist mit derartigen Lösungen in der Regel ein erheblicher konstruktiver Aufwand verbunden, der entsprechende Kosten nach sich zieht. So sind im Falle einer aus der DE-AS 10 21 511 bekannten Röntgen­ röhre beispielsweise spezielle Scheibenfedern zur Erzeugung der axialen Kraft erforderlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lagerung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß sie konstruktiv einfach und kostengünstig aufgebaut ist.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe durch die kennzeich­ nenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Im Falle der Erfindung sind also lediglich ein Magnet und ein ferro­ magnetisches Bauteil, bei dem es sich unter Umständen um ein ohnehin vorhandenes Bauteil der Lagerung handeln kann, bzw. zwei Magnete erforderlich, um die zur Ausschaltung des Lagerspieles erforderliche axial gerichtete Kraft zu erzeugen. Bei dem bzw. den Magneten handelt es sich vorzugs­ weise um Permanentmagnete, die kostengünstig erhältlich sind. Magnetmittel sind übrigens auch in den Röntgenröhren gemäß DE-OS 15 89 893 und DE-PS 7 26 051 enthalten, jedoch dienen sie dort nicht der Erzeugung einer axial gerichteten Kraft.

Die Erfindung bringt den zusätzlichen Vorteil, daß die axiale Kraft berührungslos aufgebracht werden kann. Da die Magnetmittel zwei im Abstand voneinander angeordnete Magnet­ mittelelemente aufweisen, von denen eines mit der Lagerwelle der Drehanode und das andere mit dem Vakuumgehäuse der Röntgenröhre verbunden ist, ist eine axiale Verschiebung eines der Laufringe des Wälzlagers relativ zu dem entspre­ chenden Lagersitz also im Gegensatz zu einer aus der DE 87 05 478 U bekannten Lösung nicht erforderlich. Hier­ durch wird erreicht, daß die ordnungsgemäße Funktion der Lagerung auch nach längerer Zeit gewährleistet ist, was bei Lösungen, die die Verschiebung eines Laufringes relativ zum entsprechenden Lagersitz erfordern, nicht gewährleistet ist, da hier die Gefahr besteht, daß der Laufring, der an sich verschieblich sein müßte, nach einiger Zeit durch zwischen Laufring und Lagersitz auftretenden Korrosionserscheinungen seine Verschieblichkeit verliert. Mit besonderem Vorteil kann die beschriebene Anordnung auch dann eingesetzt werden, wenn die Lagerung ein als Wälzlager ausgebildetes Festlager und ein als Magnetlager, insbesondere statisches Magnet­ lager, ausgebildetes Loslager aufweist. In diesem Fall läßt sich durch eine axiale Kraft das Lagerspiel des als Fest­ lager vorgesehenen Wälzlagers nämlich nur dann ausschalten, wenn die axiale Kraft auf die Lagerwelle wirkt. Eine Ausübung der axialen Kraft auf einen der Laufringe des Wälzlagers scheidet nämlich aus, da dieser zur Gewähr­ leistung der Festlagerfunktion relativ zum Lagersitz axial unverschieblich sein muß.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den beigefügten Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise aufgebrochene, mit einer erfindungs­ gemäß gelagerten Drehanode versehene Röntgenröhre, und

Fig. 2 und 3 weitere erfindungsgemäße Ausführungen der Lagerung der Drehanode.

In der Fig. 1 ist eine Röntgenröhre dargestellt, die eine Drehanode 1 aufweist, die in einem Vakuumkolben 2 unterge­ bracht ist. Der Vakuumkolben 2 enthält außerdem noch in an sich bekannter Weise eine Kathode 3, die in einem Katho­ denbecher 4 eine in Fig. 1 nicht sichtbare Glühwendel ent­ hält.

Die Drehanode 1 weist einen Anodenteller 5 auf, der an dem einen Ende einer Lagerungswelle 6 fest angebracht ist. Um die drehbare Lagerung der Drehanode 1 zu gewährleisten, sind zwei Wälzlager 7, 8 vorgesehen, deren innere Lauf­ ringe auf die Lagerungswelle 6 aufgesetzt sind. Die Außen­ ringe der Wälzlager 7, 8 sind in der Bohrung eines Rohrab­ schnittes 9 aufgenommen. Dieser ist mittels eines ringför­ migen, manschettenartigen Bauteiles 10 mit dem Vakuumkol­ ben 2 vakuumdicht verbunden und an seinem von der Dreh­ anode 1 entfernten Ende durch einen axial unverschieblich befestigten Boden 11 vakuumdicht verschlossen. Das dem Anodenteller 5 benachbarte Wälzlager 7 ist als Festlager ausgeführt, d. h., daß sowohl in dem äußeren als auch in dem inneren Laufring eine rillenförmige Laufbahn für die kugelförmigen Wälzkörper vorgesehen ist. Außerdem sind sowohl der innere Laufring auf der Lagerungswelle 6 als auch der äußere Laufring in der Bohrung des Rohrabschnit­ tes 9 axial unverschieblich festgelegt. Infolge seiner Ausbildung als Festlager kann das Wälzlager 7 Kräfte so­ wohl in axialer Richtung, d. h. in Richtung der Längsachse der Lagerungswelle 6 als auch radiale Kräfte, d. h. Kräfte quer zur Längsachse der Lagerungswelle 6 aufnehmen.

Das andere Wälzlager 8 ist als Loslager ausgeführt, was im vorliegenden Ausführungsbeispiel dadurch erreicht wird, daß nur sein innerer Laufring eine rillenförmige Laufbahn für die kugelförmigen Wälzkörper aufweist, während der äußere Laufring eine zylindrische Laufbahn aufweist. In­ folge seiner Ausbildung als Loslager kann das Wälzlager 8 nur radiale Kräfte aufnehmen.

Um die Drehanode 1 in Rotation versetzen zu können, ist ein Elektromotor vorgesehen, der als Rotor 12 ein aus einem elektrisch leitenden Werkstoff gebildetes topfför­ miges Bauteil aufweist, das das dem Anodenteller 5 zuge­ wandte Ende des Rohrabschnittes 9 übergreift. Der schema­ tisch angedeutete Stator 13 ist im Bereich des Rotors 12 auf die Außenwand des Vakuumkolbens 2 aufgesetzt und bil­ det mit dem Rotor 12 einen elektrischen Kurzschlußläufer­ motor, der bei Versorgung mit der entsprechenden Spannung die Drehanode 1 rotieren läßt.

Wird in üblicher, nicht dargestellter Weise die Heizspan­ nung für die Glühwendel der Kathode 3 und die Röntgenröh­ renspannung, die zwischen Kathode 3 und Drehanode 1 liegt, an die Röntgenröhre angelegt, geht von der Kathode 3 ein Elektronenstrahl aus, der im Brennfleck auf den Anoden­ teller 5 auftrifft und dort Röntgenstrahlen auslöst, die durch den Vakuumkolben 2 aus der Röntgenröhre austreten. Infolge der Rotation der Drehanode 1 bildet sich eine sogenannte Brennfleckbahn aus, da ständig eine andere Stelle des Anodentellers 5 mit dem Elektronenstrahl be­ aufschlagt wird.

Da lediglich ca. 1% der der Röntgenröhre zugeführten elek­ trischen Energie in Röntgenstrahlung umgesetzt wird und die restliche Energie in Form von Verlustwärme anfällt, heizt sich der Anodenteller 5 im Betrieb sehr stark auf, mit der Folge, daß auch die Lagerungswelle 6 und die Wälz­ lager 7, 8, insbesondere das dicht beim Anodenteller 5 befindliche Wälzlager 7, stark erwärmt werden. Um unter diesen Bedingungen einen ordnungsgemäßen Betrieb der Lage­ rung der Drehanode 1 zu gewährleisten, muß das Lagerspiel der Wälzlager 7, 8 in kaltem Zustand so gewählt werden, daß auch bei härtestem Betrieb der Röntgenröhre ein Klem­ men der Wälzlager 7, 8 infolge von zu kleinem Lagerspiel ausgeschlossen ist. Ein derart großes Lagerspiel führt jedoch im kalten Zustand der Röntgenröhre bzw. bei Teil­ lastbetrieb zu einem recht lauten Lagerlaufgeräusch. Außerdem wirkt sich das große Spiel nachteilig auf die Lebensdauer des Wälzlagers aus. Hinzu kommt, daß die Drehanode relativ große Bewegungen ausführen kann, so daß der Fokus der Röntgenstrahlung keine stationäre Lage ein­ nimmt. Schließlich wirkt sich für den Fall, daß der Ano­ denstrom durch eines der oder die Wälzlager fließt, ein großes Lagerspiel nachteilig auf die elektrischen Kontakt­ verhältnisse aus.

Um diese bei kalter Röntgenröhre oder bei Teillastbetrieb auftretenden Nachteile vermeiden zu können, sind im Falle der erfindungsgemäßen Röntgenröhre Magnetmittel vorge­ sehen, welche die Lagerungswelle 6 mit einer axial gerich­ teten Kraft, die in Fig. 1 als mit F bezeichneter Pfeil veranschaulicht ist, zur Ausschaltung des Lagerspieles des als Festlager fungierenden Wälzlagers 7 belastet. Die Magnetmittel weisen im Falle der Ausführungsform gemäß Fig. 1 zwei Magnetmittelelemente auf, bei denen es sich um zwei Permanentmagnete 14, 15, vorzugsweise der gleichen Größe, handelt. Der Permanentmagnet 14 ist an der Lage­ rungswelle 6 und der Permanentmagnet 15 an dem Boden 11 befestigt, und zwar derart, daß die einander zugewandten Polflächen der vorzugsweise zylindrischen Permanentmagnete 14, 15 in geringem Abstand voneinander und parallel zuein­ ander verlaufend angeordnet sind. Die Kraft F mit der in Fig. 1 eingezeichneten Richtung kommt dann zustande, wenn die beiden Süd- oder Nordpole einander zugewandt sind. Eine Kraft F entgegengesetzter Richtung ergibt sich, wenn die Permanentmagnete 14, 15 derart an der Lagerungswelle 6 bzw. dem Boden 11 angebracht sind, daß ein Nord- und ein Südpol einander zugewandt sind.

Die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von der zuvor beschriebenen dadurch, daß nur eines der Magnetmittelelemente ein Permanentmagnet ist, nämlich der mit der Lagerungswelle verbundene Permanentmagnet 14. Der Permanentmagnet 15 wurde fortgelassen, da im Falle der Fig. 2 der aus einem ferromagnetischem Material gebildete Boden 11 als zweites Magnetmittelelement vorgesehen ist. Infolge der zwischen dem Permanentmagnet 14 und dem Boden 11 auftretenden Magnetkräfte kommt eine axiale Kraft F der in Fig. 2 eingezeichneten Richtung zustande.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 3, auch hier ist nur eines der Magnetmittelelemente ein Permanentmagnet, unterschei­ det sich von der gemäß Fig. 2 dadurch, daß anstelle des Permanentmagneten 15 der Permanentmagnet 14 fortgelassen wurde. Der an dem Boden 11 befestigte Permanentmagnet 15 wirkt mit der aus einem ferromagnetischen Material gebil­ deten Lagerungswelle 6 zur Erzeugung der axial gerichteten Kraft F zusammen, die die gleiche Richtung wie im Falle der Fig. 2 aufweist. Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 unterscheidet sich von dem gemäß Fig. 2 außerdem dadurch, daß als Loslager anstelle des Wälzlagers 8 ein schematisch angedeutetes statisches Magnetlager 16 vorgesehen ist, dessen mit der Lagerungswelle 6 verbundener Rotor mit 17 und dessen auf den Rohrabschnitt 9 aufgesetzter Stator mit 18 bezeichnet ist.

Im Falle der beschriebenen Ausführungsbeispiele ist sowohl der mit der Lagerungswelle 6 als auch der mit dem Boden 11 verbundene Magnet als Permanentmagnet 14 bzw. 15 ausge­ führt. Zumindest bezüglich des mit dem Boden 11 verbunde­ nen Magneten besteht ohne weiteres die Möglichkeit, diesen in nicht dargestellter Weise als Elektromagneten auszubil­ den.

Anders als im Falle der beschriebenen Ausführungsbeispiele besteht auch die Möglichkeit, die Drehanode 1 derart zu lagern, daß die äußeren Laufringe der Wälzlager 7, 8 um­ laufen und die inneren Laufringe feststehen, bzw. das statische Magnetlager einen den Stator umgebenden Rotor aufweist. In diesem Falle wäre die Lagerungswelle als rohrförmiges Bauteil auszuführen, das die äußeren Lauf­ ringe Laufringe der Wälzlager 7, 8 bzw. den Rotor des statischen Magnetlagers 16 aufnimmt. Die Funktion des Rohrabschnittes 9 würde von einer feststehenden Achse übernommen. Es versteht sich, daß im Falle einer derart gestalteten Lagerung das eine Magnetmittelelement der Magnetmittel an dem Ende des die Funktion der Lagerungs­ welle erfüllenden rohrförmigen Bauteiles angebracht oder durch dieses gebildet sein müßte. Das andere Magnetmittel­ element müßte an geeigneter Stelle an einem feststehenden Bauteil angebracht oder durch ein geeignetes feststehendes Bauteil gebildet sein.

Übrigens muß ein Magnetmittelelement nicht notwendiger­ weise nur einen einzigen Magneten enthalten. Vielmehr kann ein Magnetmittelelement mehrere Magnete enthalten, so wie dies für das Magnetmittelelement des Ausführungsbeispieles gemäß Fig. 2 strichliert angedeutet ist. Wie aus der Fig. 2 ersichtlich ist, muß es sich bei dem Magneten 14 nicht um einen einzigen Magneten handeln. Vielmehr kann dieser wie in Fig. 2 angedeutet, aus einer Vielzahl von kleinen Magneten 14a zusammengesetzt sein. Diese sind dann vor­ zugsweise derart angeordnet, daß ausschließlich Magnetpole der gleichen Polarität dem anderen Magnetmittelelement, in Fig. 2 dem Boden 11, zugewandt sind, so daß die Kraft F maximal ist.

Es versteht sich, daß im Falle sämtlicher Ausführungsbei­ spiele der Abstand zwischen den Magnetmittelelementen derart gewählt ist, daß auch unter ungünstigen Umständen ausgeschlossen ist, daß sich die Magnetmittelelemente berühren.

Claims (4)

1. Lagerung für die Drehanode (1) einer Röntgenröhre mit wenigstens einem zur Aufnahme von axialen Kräften geeigne­ ten Wälzlager (7), welches zur Ausschaltung des Lagerspie­ les mit einer axial gerichteten Kraft (F) belastet ist, dadurch gekennzeichnet,

• a) daß Magnetmittel (14, 15; 14, 11; 15, 6) vorgesehen sind, welche die axial gerichtete Kraft (F) erzeugen, und
• b) zwei Magnetmittelelemente (14, 15; 14, 11; 6, 15) aufweisen, die
  b₁) entweder durch jeweils wenigstens einen Magnet (14, 15) oder
  b₂) durch wenigstens einen Magnet (15; 14) und durch wenigstens ein ferromagnetisches Bauelement (6; 11) gebildet sind,
• c) wobei die beiden Magnetmittelelemente (14, 15; 14, 11; 6, 15) im Abstand voneinander angeordnet sind, und
• d) wobei ein Magnetmittelelement (14; 6) mit der Drehachse (1) und ein Magnetmittelelement (15; 11) mit dem Vakuum­ gehäuse (2) der Röntgenrohre verbunden ist.

2. Lagerung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Lagerungswelle (6) oder ein Abschnitt des Vakuumgehäuses (2) das ferromagne­ tische Bauteil (6; 11) bildet.

3. Lagerung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß wenigstens ein Magnetmittelelement (14) aus mehreren Magneten (14a) zusammengesetzt ist und daß die Magnete (14a) des wenigstens eines Magnetmittel­ elementes (14) derart angeordnet sind, daß ausschließlich Magnetpole der gleichen Polarität dem anderen Magnetmit­ telelement (15) zugewandt sind.

4. Lagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Lage­ rung ein als Wälzlager (7) ausgebildetes Festlager und ein als Magnetlager (16), insbesondere statisches Magnetlager, ausgebildetes Loslager aufweist.