DE60101640T2

DE60101640T2 - Lager für Röntgenröhre

Info

Publication number: DE60101640T2
Application number: DE2001601640
Authority: DE
Inventors: Norman E. Naperville Wandke; Mark S. Palatine Maska; Donald C. Aurora Mueller
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2000-02-10
Filing date: 2001-02-09
Publication date: 2004-11-18
Anticipated expiration: 2021-02-10
Also published as: JP2002134047A; EP1124250A1; US6385293B1; EP1124250B1; DE60101640D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Röntgenröhren, speziell für das Gebiet der medizinischen Diagnose. Sie findet insbesondere Anwendung in Verbindung mit einer Verringerung der Temperatur am vorderen Laufring der Lagerwelle eines Röntgenröhrenrotors und wird unter besonderem Verweis darauf beschrieben. Es sollte jedoch hervorgehoben werden, dass sich die Erfindung auch für die Wärmeableitung in anderen Vakuumsystemen eignet.
Eine Hochleistungsröntgenröhre enthält üblicherweise eine Glühkathode und eine Anode, die sich in einer Vakuumhülle befinden. Durch den Glühfaden wird ein Heizstrom, im Allgemeinen in der Größenordnung von 2–5 Ampere, geleitet, um eine umgebende Elektronenwolke zu erzeugen. Zwischen der Glühkathode und der Anode wird eine hohe Spannung in der Größenordnung von 100–200 kV angelegt, um die Elektronen von der Wolke in Richtung eines Anodenzielbereichs zu beschleunigen. Der Elektronenstrahl trifft mit genügend Energie auf einen kleinen Bereich der Anode, oder Zielbereich, auf, um Röntgenstrahlen zu erzeugen. Die Beschleunigung der Elektronen verursacht einen Röhren- oder Anodenstrom in der Größenordnung von 5–600 mA. Nur ein geringer Teil der Energie des Elektronenstrahls wird in Röntgenstrahlen umgewandelt; der überwiegende Teil der Energie wird in Wärme umgewandelt, die die Anode weiß glühend aufheizt.
In Hochleistungsröntgenröhren dreht sich die Anode während der Erzeugung von Röntgenstrahlen mit hohen Geschwindigkeiten, um die Wärmeenergie über einen großen Bereich zu streuen und eine Überhitzung des Zielbereichs zu vermeiden. Die Kathode in der Hülle bleibt stationär. Infolge der Anodendrehung verweilt der Elektronenstrahl nicht lange genug auf der kleinen Auftrefffläche der Anode, um eine thermische Deformation zu verursachen. Der Durchmesser der Anode ist groß genug, so dass sich bei einer Umdrehung der Anode jeder vom Elektronenstrahl erhitzte Fleck auf der Anode weitgehend abgekühlt hat, bevor er vom Elektronenstrahl erneut erhitzt wird.
Die Anode wird normalerweise durch einen Induktionsmotor gedreht. Der Induktionsmotor umfasst Antriebsspulen, die außerhalb der Glashülle platziert sind, und einen Rotor mit einem Anker sowie eine innerhalb der Hülle liegende Lagerwelle, die mit der Anode verbunden ist. Wenn der Motor Strom führt, induzieren die Antriebsspulen elektrische Ströme und Magnetfelder in den Anker, die dazu führen, dass sich der Anker und andere Teile des Rotors drehen.
Die Temperatur der Anode kann bis zu 1.400°C betragen. Ein Teil der Wärme wird auf den Rotor, einschließlich des Ankers und der Lagerwelle, übertragen. Die Wärme wandert durch die Lagerwelle zu den Laufringen und wird auf die geschmierten Kugellagerkugeln in den Laufringen übertragen. Die Schmiermittel auf den Kugellagerkugeln werden heiß und neigen dazu zu verdampfen.
Da Röntgenröhren in einem Vakuum arbeiten, das Materialien mit geringem Dampfdruck erfordert, können standardmäßige Schmierverbindungen auf Erdölbasis nicht verwendet werden. Daher werden in der Industrie üblicherweise Festmetallgleitmittel wie Blei auf den Laufringen verwendet. Das Verdampfen des Blei-Gleitmittels auf den Laufringen beschleunigt sich über 350°C rapide. Diese Temperaturen können im Lager hauptsächlich während der Bearbeitung, aber auch während der Nutzungsdauer erreicht werden. Das Verdampfen des Gleitmittels führt zu einem raschen Qualitätsverlust der Lageroberflächen und zu einem vorzeitigen Röhrenausfall. In einer Röntgenröhre liegt der vordere Laufring physikalisch näher am heißen Zielbereich als das hintere Lager. Aus diesem Grund läuft das vordere Lager ca. 100°C heißer als das hintere Lager und hat eine sehr viel höhere Ausfallrate als das hintere Lager.
Um die Gleitmittelverdampfung zu reduzieren, verwendet man auf den Kugellagern manchmal Silber-Gleitmittel an Stelle von Blei. Silber hat einen niedrigeren Dampfdruck als Blei und kann mindestens 100°C heißer als Blei laufen. Allerdings hat das Silber-Gleitmittel eine Reihe von Nachteilen. Es neigt dazu, mit dem Lagerstahl zu reagieren, wenn es zu heiß wird, und verursacht Korngrenzbruch und einen vorzeitigen Ausfall des Lagers. Zusätzlich erfordert Silber aufgrund seiner geringeren Schmierung ein größeres Start- und Laufdrehmoment als Blei. Durch Reibungs- und Wirbelstromerwärmung des Lagers und der umgebenden Rotorkörperkomponenten überträgt das Drehmoment mehr Restwärme auf das Lager. Außerdem erzeugt Silber als Gleitmittelmaterial mehr Lärm während des Betriebs als Blei.
Die Patentschrift US-A-5.150.398 von Takeshi Nishioka et. al. bezieht sich auf ein Lager und eine Drehanoden-Röntgenröhre unter Verwendung des Lagers, sowie insbesondere auf ein Lager, das bei hohen Temperaturen und Vakuum einen stabilen Schmierzustand aufrechterhalten kann. Takeshi schlägt die Schaffung eines Lagers mit ei ner Reibungsoberfläche vor, wobei das genannte Lager in der Nähe der Anode angeordnet wird. Das Lager ist mit einem Gleitmittel überzogen, das bei hohen Temperaturen einen niedrigen Dampfdruck erreicht und mit einem Gleitmittel überzogen sein kann, dessen Hauptbestandteile Zinn oder Aluminium und Indium sind. Hauptmaterial mindestens eines der Lager kann Keramik sein.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Hochleistungs-Röntgenröhre zur Lieferung von Röntgenstrahlen geschaffen. Die Röhre hat eine Hülle, die eine evakuierte Kammer definiert. Innerhalb der Kammer ist eine Kathode angeordnet, um eine Elektronenquelle zu schaffen. Die Elektronen treffen auf eine innerhalb der Kammer angeordnete Anode, um Röntgenstrahlen zu erzeugen. Ein Rotor ist vorgesehen, um die Anode relativ zur Kathode zu drehen. Der Rotor beinhaltet einen Rotorkern mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit, so dass Wärme durch den Kern von der Anode weg und zu einem vorderen Laufring mit einer geringeren Leitfähigkeit als der Kern geleitet wird, wodurch der Kern Wärme hinter den vorderen Laufring ableitet. Der vordere Laufring nimmt geschmierte Lager auf.
Gemäß einem anderem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Rotor für eine Röntgenröhre geschaffen. Der Rotor hat ein Lagerelement mit einer zylindrischen Hohlwelle, die aus einem Material mit einer ersten Wärmeleitfähigkeit besteht und vordere und hintere Laufringe auf einer Außenfläche davon definiert, um geschmierte Lager darin aufzunehmen. Angrenzend an die vorderen Laufringe ist ein Schaft mit dem Lagerelement verbunden, der den Rotor mit einer Anode der Röntgenröhre verbindet. Ein Einschub, der von der Hohlwelle aufgenommen wird und aus einem Material mit einer zweiten Wärmeleitfähigkeit besteht, die höher als die erste Wärmeleitfähigkeit ist, transportiert die Wärme vom vorderen Laufring weg und verringert während des Betriebs der Röntgenröhre die Temperatur des vorderen Lagers.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Reduzierung der Verdampfung eines Lagergleitmittels in einer Röntgenröhre mit einer Anode und einer damit verbundenen Rotorbaugruppe geschaffen. Die Rotorbaugruppe hat einen vorderen und einen hinteren Laufring, wobei sich der vordere Laufring näher an der Anode befindet als der hintere Laufring. Das Verfahren beinhaltet das Ableiten von um den vorderen Laufring herum und dahinter vorhandener Wärme zum hinteren Laufring.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt in einer Reduzierung der Betriebstemperatur des vorderen Lagers einer Röntgenröhrenlagerwelle.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass die Verdampfungsrate des Gleitmittels für die Kugellagerkugeln verringert wird.
Noch ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt in einer erhöhten Lebensdauer der Lager und der Röntgenröhre.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass sie die Verwendung von Blei als Kugellagergleitmittel ermöglicht.
Nachfolgend werden nun anhand von Beispielen Wege zur Ausführung der Erfindung ausführlich beschrieben, wobei auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen wird. Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Drehanoden-Röntgenröhre;
2 eine vergrößerte perspektivische Schnittansicht eines Lagerelements und eines Schafts der Röntgenröhre aus 1;
3 eine vergrößerte Schnittansicht der Lagerwelle und des Kerns aus 2;
4 eine vergrößerte Seitenschnittansicht einer alternativen Ausführungsform einer Lagerwelle, eines Kerns und eines Schafts gemäß vorliegender Erfindung;
5 eine zweite alternative Ausführungsform einer Lagerwelle, eines Kerns und eines Schafts gemäß vorliegender Erfindung;
6 eine grafische Darstellung der Stunden für das vollständige Verdampfen des Lagergleitmittels einer Kugellagerkugel gegenüber der Temperatur des Gleitmittels, berechnet für Blei- und Silber-Gleitmittel;
7 eine grafische Darstellung der Verdampfungsrate des Gleitmittels gegenüber der Temperatur, berechnet für Blei- und Silber-Gleitmittel;
8A ein thermisches Profil des Schafts und des Lagerelements einer konventionellen Röntgenröhre bei Erhitzung des Anodenendes des Schafts auf 1200°C;
8B ist ein thermisches Profil des Schafts und des Lagerelements einer Röntgenröhre mit thermisch leitendem Kern gemäß vorliegender Erfindung bei Erhitzung des Anodenendes des Schafts auf 1200°C;
9 ist eine Seitenschnittansicht einer weiteren alternativen Ausführungsform einer Lagerwelle und eines Schafts für eine erfindungsgemäße Röntgenröhre.
Bezug nehmend auf 1 wird eine Drehanoden-Röntgenröhre des Typs gezeigt, der in medizinischen Diagnosesystemen zur Schaffung eines fokussierten Röntgenstrahlenbündels benutzt wird. Die Röhre beinhaltet eine Drehanode 10, die in einer üblicherweise durch eine Glashülle 14 definierten Vakuumkammer 12 arbeitet. Die Anode ist scheibenförmig und an ihrer ringförmigen Außenkante abgeschrägt, um eine Anodenoberfläche oder einen Zielbereich 16 zu definieren. Eine Kathodenanordnung 18 liefert und fokussiert einen Elektronenstrahl A, der auf die Anodenoberfläche 16 trifft. Glühfäden 20 führen in die Glashülle zur Anodenanordnung, um sie mit elektrischem Strom zu versorgen. Wenn der Elektronenstrahl auf die Drehanode trifft, wird ein Teil des Strahlenbündels in Röntgenstrahlen B umgewandelt, die von der Anodenoberfläche emittiert werden, und ein Röntgenstrahl tritt durch die Hülle 14 und durch ein Fenster einer umgebenden Kühlölkapselung oder eines Kühlölgehäuses 22 aus der Röhre heraus.
Ein Induktionsmotor 30 dreht die Anode 10. Der Induktionsmotor umfasst einen Stator mit Ansteuerungsspulen 32, der außerhalb der Glashülle positioniert ist, und einen Rotor 34 innerhalb der Hülle, der mit der Anode 10 verbunden ist. Der Rotor hat einen äußeren zylindrischen Anker- oder Hülsenteil 36 und ein inneres Lagerelement 38, das mittig mit dem Anker ausgerichtet ist. Der Anker 36 und ein Lagerelement 38 sind über einen Schaft 40 aus Molybdän oder einem anderen geeigneten Material mit der Anode verbunden. Der Anker 36 besteht aus einem thermisch und elektrisch leitenden Material, wie beispielsweise Kupfer. Wenn der Motor mit Strom versorgt wird, induzieren die Ansteuerungsspulen 32 Magnetfelder in den Anker, die dazu führen, dass sich der Anker und das Lagerelement relativ zu einem zwischen ihnen positionierten und axial zu ihnen ausgerichteten stationären zylindrischen Rotorträger 42 drehen. Der Rotorträger ist an seinem rückwärtigen Ende durch eine Befestigungsvorrichtung 43 mit dem Gehäuse 22 verbunden, das aus der Hülle 14 herausragt, um das Rotorlager starr abzustützen.
Bezug nehmend auf 2 sind die Lager 44, wie beispielsweise Kugel- oder Rollenlager, zwischen dem Lagerelement 38 und dem Rotorträger 42 positioniert, so dass sich das Lagerelement, der Anker 36 und die Anode 10 gleichmäßig relativ zum Rotorträger 42 drehen können. Die Kugellagerkugeln sind mit einem Gleitmittel 46 (nicht maßstabsgerecht) beschichtet, beispielsweise mit Blei oder Silber mit einer Dicke von etwa 1000–3000 Å. Vorzugsweise hat die Röntgenröhre sowohl vordere als auch hintere Kugellagerkugeln 44F bzw. 44R.
Die hier verwendeten Bezeichnungen "vorne" und "hinten" und dergleichen dienen dazu, relative Positionen von Komponenten entlang einer Achse Z zu definieren, die durch das Lagerelement 38 und die Anode 10 verläuft. In dieser Hinsicht befinden sich so genannte vordere Komponenten näher an der Anode, während so genannte hintere Komponenten weiter von der Anode entfernt sind.
Der Schaft 40 beinhaltet einen Stutzenteil 50 und einen Flansch 52, der radial aus einem rückwärtigen Ende des Stutzenteils herausragt, um den Schaft mit dem Lagerelement und dem Anker zu verbinden. Das Lagerelement 38 hat eine im Wesentlichen zylindrische Welle 54 und eine ringförmige Nabe 56, die am Schaftende des Lagerelements radial aus der Welle herausragt und zweckmäßig positionierte Öffnungen 58 enthält. Befestigungselemente (nicht gezeigt), wie beispielsweise Schrauben oder Bolzen, verbinden die Lagerelementnabe 56 und den Anker 36 über die Öffnungen mit dem Schaftflansch 52.
Der Stutzenteil 50 des Schafts definiert einen inneren Hohlraum 59 mit einer an den Flansch angrenzenden Öffnung, so dass von der Anode durch den Schaft sich ausbreitende Wärme hauptsächlich über den Schaftflansch 52 und die Lagernabe 56 in das Lager eintritt, wie durch die Wärmeflusspfeile H in 2 gezeigt. Auch in den Anker 36 fließt Wärme (in 2 nicht gezeigt). Der Stutzenhohlraum 59 verringert im Vergleich zu einem massiven Stutzen die Querschnittsfläche, durch die Wärme fließt. Da die Wärmeflussrate von der Querschnittsfläche abhängig ist, wird durch eine Verringerung der Querschnittsfläche die Wärmeflussrate in der Lagerwelle verringert.
Die Röntgenröhrenlagerwelle 54 definiert einen inneren, zylindrischen Hohlraum oder eine Bohrung 60, die sich vom Nabenende aus axial in die Welle, zumindest teilweise entlang der Welle, erstreckt und eine Öffnung 62 hat, die an den Stutzen oder das vordere Ende der Welle angrenzt. Der Lagerwellenhohlraum 60 wird vorzugsweise gebildet, indem man ca. 70% des Welleninnendurchmessers ausbohrt. Sollte jedoch zu viel Material entfernt werden, wird die Lagerwelle nicht starr genug sein, um den Lasten standzuhalten, denen das Lagerelement ausgesetzt wird. Dies könnte zu einem vorzeitigen Ausfall des Lagerelements führen. Zur Bildung des Hohlraums können auch andere Verfahren in Erwägung gezogen werden, einschließlich Formgießen der Welle mit einem Hohlraum.
In einer äußeren zylindrischen Oberfläche 68 der Welle 54 werden vordere und hintere Laufringe 64 bzw. 66 definiert. Der vordere Laufring liegt der Anode 10 am nächsten. Die Laufringe haben ringförmige Aussparungen oder Rillen in der Lagerwelle mit einem halbkreisförmigen Querschnitt, um die vorderen und hinteren Kugellagerkugeln 44F bzw. 44R aufzunehmen.
Das Innere des Lagerhohlraums 60 nimmt einen im Wesentlichen zylindrischen Kern oder Einsatz 70 auf und stellt einen thermischen Kontakt zu zumindest einem Teil einer inneren zylindrischen Oberfläche 72 der Lagerwelle 54 her. Der Kern 70 besteht aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit (d. h. eine Leitfähigkeit, die höher als die des Lagerwellenmaterials ist). Die Lagerwelle besteht aus einem Material, das eine relativ geringe Wärmeleitfähigkeit hat, wie beispielsweise Werkzeugstahl. Als Werkzeugstahl für Lagerwellen wird im Allgemeinen Rex20^TM verwendet, das auch für die hohle Lagerwelle 54 verwendet werden kann.
Wärme fließt daher vorzugsweise durch den hoch leitfähigen Kern 70. Wie in 2 dargestellt, tritt die Wärme neben der Lagernabe 56 in den Kern ein und fließt entlang des Kerns zum hinteren Ende der Welle 54, das an den rückwärtigen Laufring 66 angrenzt. Dies hat den Effekt, dass Wärme vom vorderen Laufring 64 zum hinteren Laufring transportiert wird, wodurch sich die Temperatur am vorderen Laufring verringert, während sie am hinteren Laufring etwas ansteigt. Da die Temperatur des hinteren Laufrings weiterhin niedriger als die des vorderen Laufrings ist, wird die Lebensdauer der Röntgenröhre (der Zeitraum bis zu einem Röntgenröhrenausfall infolge einer vollständigen Verdampfung des Gleitmittels an den vorderen Kugellagerkugeln) von der Temperatur des vorderen Laufrings bestimmt. Dementsprechend hat ein Anstieg der Temperatur im hinteren Laufring keine wesentliche Auswirkung auf die Lebensdauer der Röntgenröhre.
Ein geeigneter Kern 70 besteht aus Kupfer, obwohl auch andere Wärme leitende Materialien in Betracht kommen. Gegenüber vielen anderen Wärme leitenden Materialien bietet Kupfer verschiedene Vorteile. Zunächst hat es relativ zu dem bei der Herstellung von Lagerwellen üblicherweise verwendeten Werkzeugstahl einen hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Aufgrund dieser Differenz des Ausdehnungskoeffizienten dehnt sich Kupfer innerhalb des Lagerhohlraums 60 aus, wenn es während des Betriebs der Röntgenröhre erwärmt wird, wodurch ein guter Kontakt, und damit ein geringer thermischer Kontaktwiderstand, zwischen der Lagerwelle 54 und dem Kern 70 sichergestellt ist. Dies verbessert die Wärmeübertragung zwischen dem Lager und dem Kern. Darüber hinaus hat Kupfer einen niedrigen Dampfdruck, wodurch es sich für die Verwendung unter den Bedingungen des hohen Vakuums in der Röntgenröhre eignet. Weitere für die Bildung des Kerns geeignete Materialien sind unter anderem Silber und Beryllium. Der Kern 70 hat vorzugsweise eine sehr sorgfältig geglättete Außenfläche, um den Kontaktwiderstand zwischen dem Kern und die Lagerwelleninnenfläche 72 zu verringern.
Bezug nehmend auf 3 hat der Kern 70 in einer bevorzugten Ausführungsform eine oder mehrere Aussparungen oder Rillen 74, 76. Die Rillen 74, 76 können durch spanabhebende Bearbeitung von Teilen der Außenfläche des Kerns gebildet werden, um einen zylindrischen Einschnitt zu erzeugen. Die Rillen 74, 76 definieren zwischen dem Kern und der Innenfläche 72 der Welle jeweils einen ringförmigen Raum 78 bzw. 80. Der Raum wird während der anfänglichen Evakuierung der Röntgenröhrenhülle luftleer gemacht, wodurch ein Isolierraum mit geringer Wärmeleitfähigkeit erzeugt wird, der einer Übertragung von Wärme zwischen dem Kern und der Lagerwelle widersteht. Die Länge und die Lage der Rillen 74, 76 definieren die Anordnung und die Abmessungen der ringförmigen Wärmekontaktbereiche oder -flächen 84, 86, wo der Kern und die Lagerwelle thermischen Kontakt haben. Die leitende Wärmeübertragung zwischen der Lagerwelle und dem Kern erfolgt hauptsächlich an diesen Kontaktbereichen. Durch Auswahl von Position und Länge der Rillen lässt sich die Wärme über eine ausgewählte Distanz entlang des Kerns übertragen, bevor sie zur Lagerwelle zurückkehren kann. Auf diese Weise wird der Temperaturunterschied zwischen den vorderen und den hinteren Laufringen verringert und vorzugsweise ausgeglichen.
Wie aus 3 ersichtlich ist, verlängert der Kern 70 die Weglänge, die ein Teil der Wärme durch die Welle 54 zurücklegen muss, um den vorderen Laufring 64 zu erreichen, und verringert gleichzeitig die Weglänge, die die Wärme durch die Welle bis zum hinteren Laufring zurücklegen muss. Dadurch wird die Wärme gleichmäßiger zwischen den beiden Laufringen verteilt. In einer herkömmlichen Lagerwelle muss die in die Lagerwelle eintretende Wärme eine relativ geringe Entfernung x zurücklegen, um den vorderen Laufring zu erreichen. In dem Lagerelement aus 3 wandert zumindest ein Teil der in die Welle eintretenden Wärme entlang des Kerns und tritt in einem Abstand y zum vorderen Laufring, der kürzer als die Entfernung x ist, wieder in die Lagerwelle ein. Da die Temperatur eines Punktes entlang der Lagerwelle von der Querschnittsfläche und der von der Wärme zurückgelegten Entfernung ist, führt die zusätzliche Distanz 2y – x zu einem Temperaturrückgang am vorderen Laufring. Bei einem herkömmlichen massiven Kern aus Werkzeugstahl, im Gegensatz zum wärmeleitfähigen Kern der vorliegenden Erfindung, wandert die Wärme dagegen zunehmend durch die Welle, wobei der vordere Lauf ring aufgrund der größeren Nähe und der kürzeren Weglänge von der Anode 10 zum vorderen Laufring 64 auf eine sehr viel höhere Temperatur als der hintere Laufring erwärmt wird.
In einer alternativen Ausführungsform sind die Rillen mit einem Material gefüllt, das eine geringe Wärmeleitfähigkeit hat (d. h. geringer als die der Lagerwelle), wie beispielsweise Keramik.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform werden die Kontaktflächen 84, 86 gebildet, indem man den Kern mit Distanzscheiben oder anderen geeigneten Abstandshaltern umgibt, anstatt Rillen in den Kern hinein zu schneiden. Die Distanzscheiben sind vorzugsweise mit dem Kern verschweißt, um eine guten Wärmekontakt mit ihm aufrechtzuerhalten. Ferner sind die Distanzscheiben vorzugsweise wärmeleitfähig, obwohl auch Materialien mit geringer Leitfähigkeit wie Werkzeugstahl verwendet werden können, die dennoch leitfähiger als das Vakuum sind, das sich in den angrenzenden Rillenräumen 78, 80 bildet. Alternativ können die Kontaktflächen und Rillen durch spanabhebende Bearbeitung der Lagerwelleninnenfläche 72 gebildet werden, oder indem man die Distanzscheiben oder Abstandshalter mit der Welleninnenfläche verschweißt.
Die zweite, hintere Rille 76 ist optional neben dem hinteren Laufring 66 angeordnet. Die hintere Rille führt dazu, dass ein Teil der durch den Kern 70 fließenden Wärme von der hinteren Rille aus nach rückwärts abströmt und durch einen dritten, hinter dem rückwärtigen Laufring definierten Kontaktbereich 90 in die Lagerwelle 54 eintritt. Dies hat zur Folge, dass ein Teil der durch den Kern fließenden Wärme einen rückwärtigen, hinter dem hinteren Laufring befindlichen Teil 92 der Lagerwelle 54 erwärmt und dadurch die Wärmemenge verringert, die den hinteren Laufring erreicht.
Die Breite und Länge der Rillen 74, 76 sowie die Länge der Kontaktbereiche 84, 86, 90 kann angepasst werden, um die Wärmeübertragung vom vorderen Laufring zum hinteren Laufring zu optimieren und die Temperaturdifferenz zwischen dem vorderen und hinteren Laufring zu verringern. Es können weniger oder mehr Rillen vorhanden sein, um die Wärmeverteilung entlang der Lagerwelle 54 zu optimieren. Auf diese Weise lässt sich die Lagertemperatur an die individuellen Leistungsmerkmale der Röntgenröhre anpassen.
Um den Kern 70 fest in seiner Position innerhalb des Lagerwellenhohlraums zu halten, ist der Kern vorzugsweise mit der Welle 54 verschweißt. Wie in 3 gezeigt hat der Kern einen ringförmigen, nach hinten herausragenden Schweißwulst 93 an seinem rückwärtigen Ende. Die Lagerwelle hat einen entsprechenden Schweißwulst 94. Wenn der Kern im Lagerwellenhohlraum positioniert ist, werden die beiden Wülste 93, 94 miteinander verschweißt, um eine Schweißverbindung herzustellen. Obwohl dies ein praktisches Verfahren ist, um den Kern mit der Lagerwelle zu verschweißen, kommen auch andere Verfahren in Betracht.
In einer alternativen Ausführungsform ist der Kern 70 direkt in den Lagerwellenhohlraum 60 gegossen. In dieser Ausführungsform wird die Lagerwelle 54 herausgebohrt und zur Bildung des Kerns mit geschmolzenem Metall, wie beispielsweise geschmolzenes Kupfer, ausgegossen. Das geschmolzene Kupfer lässt man unter Druck abkühlen, wodurch sich der Kern bildet. Dieses Verfahren führt zwar zu einem guten thermischen Kontakt zwischen dem Kern und der Lagerwelle, macht die Gestaltung der Rillen jedoch nicht ohne weiteres einfacher.
Bezug nehmend auf 2 hat die Lagernabe 56 optional verschiedene Bohrungen 96, um einen Speichennabe zu schaffen. Die Bohrungen führen vorzugsweise dazu, dass ca. 10–30% der Nabenmasse entfernt werden. Die Verringerung des Querschnittsbereichs der Nabe infolge der Materialentfernung erhöht den Widerstand durch die Nabe sowie eines angrenzenden vorderen Teils 85 der Lagerwelle, ohne dabei die Festigkeit der Nabe nennenswert zu reduzieren. In Verbindung mit dem Kupferkern führt die Speichennabe zu einer Verringerung der Temperatur des vorderen Laufrings um ca. 40°C. Dies kann die Verdampfung des Lagergleitmittels während der Bearbeitung um den Faktor 4 verringern.
Weiterhin Bezug nehmend auf 4 besteht der Kern 70 in einer alternativen Ausführungsform aus einem Material, das bei den Betriebstemperaturen der Röntgenröhre oder bei Umgebungstemperatur flüssig ist. Geeignete flüssige Kerne sind unter anderem Quecksilber, Gallium sowie Gallium-Indium-Zinn-Legierungen. Das flüssige Material für den Kern wird in den Lagerhohlraum 60 gegossen oder anderweitig eingebracht. Das vordere Ende des Hohlraums wird anschließend mit einer Endkappe oder eine Endverschluss 100 abgedichtet, um ein Austreten des flüssigen Metallkerns zu verhindern. Jedes Austreten des Metalls während des Betriebs der Röntgenröhre könnte dazu führen, dass das Metall in das Röntgenröhrenvakuum verdampft und die Lebensdauer verkürzt wird. Daher wird der Verschluss vorzugsweise mittels Schweißen abgedichtet. Ein rückwärtiges Ende des Lagerhohlraums wird mit einer ähnlichen Endkappe oder einem ähnlichen Endverschluss 102 abgedichtet, bevor das flüssige Metall eingebracht wird. Alternativ wird die Lagerwelle nicht in ihrer gesamten Länge ausgebohrt, indem man am hinteren Ende einen Teil belässt, der als Verschluss fungiert.
Während flüssige Metalle wie Quecksilber dazu neigen, eine geringere Wärmeleitfähigkeit als Kupfer, Silber und einige andere feste Metalle zu haben, können sie einen sehr guten Kontakt zwischen den Oberflächen sicherstellen. Ein guter thermischer Kontakt zwischen der Lagerwelle 54 und dem flüssigen Kern 70 gleicht daher bis zu einem gewissen Grad die Verringerung der Wärmeleitfähigkeit des Kerns aus.
Optional wird eine Oberflächenbehandlung der Innenfläche 72 der Welle, wie beispielsweise die Galvanisierung mit einem korrosionsbeständigen Material, verwendet, um eine Korrosion durch korrodierende, flüssige Metalle zu verhindern. 4 zeigt die Innenfläche der Lagerwelle, überzogen mit einer dünnen Schicht eines korrosionsbeständigen Materials 104 (nicht maßstabsgerecht). Das Material 104 sollte ebenfalls wärmeleitfähig sein. Ein geeignetes korrosionsbeständiges Material ist Nickel.
In einer alternativen Ausführungsform, die in 5 dargestellt ist, ist der Kern 70' in die Röntgenröhrenhalterung 43' integriert. Speziell der Kern ragt nach vorn aus der Halterung heraus und wird von einer hohlen Lagerwelle 54' aufgenommen. Der Kern kann an seinem rückwärtigen Ende an die Halterung angeschweißt oder anderweitig angebracht sein. Bei dieser Ausführungsform bleibt der Kern 70', mit dem Rotorträger 42' und der Halterung, stationär, während sich die Lagerwelle 54' relativ zum Kern dreht.
Der Durchmesser des Kerns ist etwas kleiner als der Innendurchmesser des Lagerwellenhohlraums 60', so dass während des Betriebs zwischen dem Kern und der Lagerwelle ein schmaler Vakuumspalt 110 (nicht maßstabsgerecht gezeigt) definiert wird. Der Kern 70' kann, wie der Kern 70 in den 1–4, Rillen aufweisen, wobei diese Rillen breiter als der Vakuumspalt 110 sind. Während des Betriebs der Röntgenröhre wird Wärme von der hohlen Lagerwelle 54' durch den schmalen Vakuumspalt 110 zum Kern 70' übertragen. Die Wärme wird vom Kern auf die Halterung 43' und das Gehäuse übertragen und dadurch aus der Hülle heraus zu einem Kühlöl geleitet, mit dem das Gehäuse gefüllt ist. Durch das Kühlen des Öls wird auch der Kern gekühlt. Optional ist am rückwärtigen Ende des Stutzenhohlraums 59' oder am vorderen Ende des Lagerwellenhohlraums eine Endkappe 112 angeschweißt, die verhindert, dass sich das vordere Ende des Kerns aus dem Lagerwellenhohlraum heraus und in den Stutzenhohkaum hinein bewegt. Dadurch wird der Kern so positioniert, dass ein ringförmiger Spalt 114 zwischen dem rückwärtigen Ende der Lagerwelle 54' und der Halterung 43' aufrechterhalten wird.
Bezug nehmend auf 6 zeigt eine grafische Darstellung die Haltbarkeit eines Lagergleitmittels bei Betriebstemperatur für zwei Lagergleitmittel, Blei und Sil ber. Wie in 6 gezeigt kommt es mit steigender Temperatur zu einer exponentiellen Abnahme der Gleitmittelhaltbarkeit (ausgedrückt in Stunden bis zur vollständigen Verdampfung des Gleitmittels). Auf diese Weise kann man sehen, dass sich durch eine Verringerung der Temperatur am vorderen Laufring um nur wenige Grade eine deutliche Verbesserung hinsichtlich der Gleitmittelhaltbarkeit erzielen lässt, selbst wenn die Temperatur des hinteren Lagers um einen entsprechenden Betrag erhöht wird. Bei einem Bleilager beispielsweise wird durch eine Temperaturverringerung von 350°C auf 320°C (d. h. ein Temperaturabfall von 30°C) die Gleitmittelhaltbarkeit von weniger als 150 Stunden auf 750 Stunden erhöht und durch einen Temperaturabfall von 40°C auf 310°C wird die Haltbarkeit auf 1000 Stunden erhöht.
6 wurde von Berechnungen der Verdampfungsrate (in g/cm²/s), dargestellt in 7, abgeleitet. Die Stunden H, um das Gleitmittel (Silber oder Blei) bei einer Temperatur T_i (Grad Kelvin) zu verdampfen, wurden berechnet, indem die vom verfügbaren Gleitmittel gemessene Verdampfungsrate wie folgt multipliziert wurde:
wobei gilt: F ist der Bereich der Gleitmitteloberfläche ausgedrückt in cm²
E_i ist die Verdampfungsrate des Gleitmittels bei einer Temperatur
T_i in g/cm²/s
M ist die Masse des Gleitmittels in g
Die Verdampfungsraten wurden wie folgt berechnet:
Oberflächenbereich F einer Kugellagerkugel mit einem Radius r = 4πr²
Bei einer Kugel mit einem Radius von 0,3175 cm (0,125 Zoll) beträgt die Oberfläche F 1,267 cm².
Das Anfangsgewicht M₀ des auf die Kugel aufgetragenen Gleitmittels beträgt ungefähr: M0 = F × t × ρ (2)
Wobei gilt: t ist die Dicke des aufgetragenen Gleitmittels ausgedrückt in cm
ρ ist die Dichte des Gleitmittels in g/cm³
Wenn die Dicke des aufgetragenen Gleitmittels 1500 Å (Blei) oder 1000 Å beträgt und die Dichte ρ von Blei und Silber 11,34 g/cm³ bzw. 10,500 g/cm³ beträgt,
gilt für Blei: M₀ = 2,155 × 10^–4 g und
für Silber: M₀ = 1,33 × 10^–4 g.
Die Verdampfungsraten E_i für Blei und Silber in g/cm²/s wurden unter Verwendung folgender Gleichung berechnet: Ei = 10 exp [(H – (0,5 log Ti)) – (G/Ti)] (3)
Die Werte für G und H wurden aus Duschmann, Scientific Foundations of Vacuum Technique, Tabelle 10.2, S. 700, wie folgt erhalten:
Für Blei, G = 9710, H = 7,69
Für Silber, G = 14270, H = 8,63
Unter Verwendung der in Gleichung 3 für E_i berechneten Werte wurden die Stunden bis zur Verdampfung anhand von Gleichung 1 geschätzt.
Die mit dem Kern 70, 70' der vorliegenden Erfindung erreichbaren Temperaturverringerungen begünstigen die Verwendung von Blei an Stelle von Silber als Lagergleitmittel, da es im Vergleich zu einem Silber-Gleitmittel verschiedene Vorteile beim Betrieb der Röntgenröhre bietet, wie beispielsweise geringere Drehmomentanforderungen und geringere Betriebsgeräusche. Vorzugsweise verringert der Kern 70, 70' die Temperatur des vorderen Laufrings 64 einer konventionellen Röntgenröhre um mindestens 20°C, noch besser um eine Temperatur von bis zu 40°C oder mehr. Röntgenröhren mit einem Kern gemäß vorliegender Erfindung haben aufgrund der gestiegenen Zeitdauer bis zu einem Ausfall der vorderen Lager eine längere Lebensdauer.
Zur Bildung der Röntgenröhren in den 1 bis 4 wird der Kern 70 in den Lagerwellenhohlraum 60 eingesetzt und die Schweißwülste 93, 94 miteinander verschweißt, oder es werden andere Mittel wie eine Endkappe verwendet, um die Welle im Lagerhohlraum zurückzuhalten. Die Nabe 56 der Welle ist durch Schrauben oder andere geeignete Befestigungselemente mit dem Schaftflansch verbunden, und die Anode 10 ist mit dem Schaft verbunden. Die Kugellagerkugeln 44 befinden sich zwischen dem vorderen und dem hinteren Laufring 64 und 66 und entsprechenden Laufringen am Rotorträger 42. Nachdem die Röntgenröhre zusammengesetzt ist, wird sie auf einen niedrigen Druck luftleer gemacht, und die inneren Teile, einschließlich der Anode, und damit auch die Lagerwelle, werden erwärmt. Infolge der Temperatur- und Druckbedingungen aus den Bauteilen verdampfende Materialien werden von der Röntgenröhre abgezogen. Wegen der verringerten Temperatur am vorderen Laufring 64 verdampft während dieses Verarbeitungsschritts viel weniger Gleitmittel 46 von den Kugellagerkugeln 44.
Nun Bezug nehmend auf 9 ist in einer alternativen Ausführungsform ein erster im Wesentlichen zylindrischer Lagerwellenteil 120 am vorderen Ende 124 eines thermisch leitfähigen Kerns 122 mit einer äußeren zylindrischen Oberfläche 121 verschweißt oder anderweitig fest damit verbunden. Ein Schaft 126 verbindet den Kern über das vordere Ende 124 mit der Anode einer Röntgenröhre (nicht gezeigt). Ein zweiter im Wesentlichen zylindrischer Lagerwellenteil 128 ist mit dem leitfähigen Kern 122 an dessen rückwärtigen Ende 130 verschweißt oder anderweitig fest damit verbunden. Der erste und der zweite Lagerwellenteil 120, 128 bestehen aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit, wie beispielsweise Werkzeugstahl. Die Lagerwellenteile 120, 128 definieren Laufringe 134 bzw. 136 für die Aufnahme geschmierter Kugellagerkugeln (nicht gezeigt). Optional haben die Lagerwellenteile jeweils eine Rille 138 bzw. 140, die den Bereich des Lagerwellenteils, der den Laufring trägt, vom angrenzenden Bereich des Kerns trennt. Vorzugsweise ist die Rille von der Röntgenröhrenkammer 12 aus zugänglich, so dass sie während der Evakuierung der Kammer luftleer gemacht werden kann. Zu diesem Zweck befindet sich in jedem der Lagerwellenteile ein Durchgang 144.
Optional erstreckt sich ein Stützelement 150, wie beispielsweise eine Welle, axial entlang des Kerns 122, um den Kern starr zu machen. Die Welle 150 besteht vorzugsweise aus Werkzeugstahl oder einem anderen starren Material. Die Welle ist direkt mit der Anode oder dem Schaft 126 verbunden.
Ohne den Umfang der Erfindung eingrenzen zu wollen, zeigen die folgenden Beispiele die Verbesserungen, die bei Verwendung der erfindungsgemäßen Kerne hinsichtlich der Wärmeverteilung im Laufring erzielt werden können.
BEISPIELE
Beispiel 1 – Vergleich zwischen Kupferkern und konventioneller Massivwelle
Die Auswirkung eines Kupferkerns auf die Laufringtemperatur wurde bestimmt, indem das Temperaturprofil einer herkömmlichen Welle aus massivem Werkzeugstahl mit dem Temperaturprofil einer gemäß vorliegender Erfindung geformten, hohlen Welle aus Werkzeugstahl 54 und einem Kupferkern 70 verglichen wurde. Jede der Wellen wurde mit dem Schaft verbunden, wie in 8B gezeigt. Die Temperaturen der beiden Wellen wurden durch Computermodellverfahren mit Hilfe der finiten Element-Methode (FEM) bestimmt. Dabei wurde jeweils das vordere und das hintere Ende auf 1200°C erwärmt und das Temperaturprofil des Stutzens und der Welle entwickelt.
Bezug nehmend auf die 8A und 8B zeigen die unter diesen Bedingungen arbeitenden Temperaturprofile der Lagerwellen, dass der vordere Laufring der herkömmlichen Welle (8A) eine Temperatur von 195°C erreicht, während die Temperatur des hinteren Laufrings 101°C erreicht. Im Vergleich dazu erreicht der vordere Laufring der erfindungsgemäßen Welle (8B) 155°C, also 40°C weniger als die Temperatur bei der herkömmlichen Welle. Die Temperatur des hinteren Laufrings erreicht 135°C und ist damit zwar höher als die des herkömmlichen Laufrings, aber niedriger als die Temperatur des vorderen Laufrings. Entsprechend kann man erwarten, dass die erfindungsgemäße Röntgenröhre länger als eine herkömmliche Röntgenröhre betrieben werden kann, bevor das Gleitmittel aus den Laufringen verdampft.
Text in der Zeichnung
6

Hours to entirely evaporate lubricant: Stunden bis zum vollständigen Verdampfen des Gleitmittels
Temperature in °C: Temperatur in °C

7

Evaporation rate: Verdampfungsrate
Evaporation: Verdampfung

Claims

Röntgenröhre zur Schaffung eines Röntgenstrahlenbündels, wobei die Röhre Folgendes umfasst: eine Hülle (14), die eine evakuierte Kammer definiert (12); eine innerhalb der Kammer angeordnete Kathode (18), um eine Elektronenquelle zu schaffen; eine innerhalb der Kammer angeordnete Anode (10), auf die die Elektronen auftreffen müssen, um Röntgenstrahlen zu erzeugen; einen Rotor (34), um die Anode relativ zur Kathode zu drehen, wobei der Rotor einen vorderen Laufring (64, 134) beinhaltet und der vordere Laufring geschmierte Lager (44) aufnimmt, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (34) einen Rotorkern (70, 70') mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit hat, so dass Wärme durch den Kern von der Anode (10) weg geleitet wird, wobei der vordere Laufring (64, 134) eine geringere Leitfähigkeit als der Kern hat, so dass der Kern Wärme hinter den vorderen Laufring ableitet.
Röntgenröhre nach Anspruch 1, wobei der Kern (70, 70', 122) aus einem massiven Material gestaltet ist, das aus der Gruppe bestehend aus Kupfer, Silber und Beryllium ausgewählt wurde.
Röntgenröhre nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Kern (70) mit einer umgebenden Lagerwelle (54) verschweißt ist, die mindestens den vorderen Laufring definiert.
Röntgenröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiterhin umfassend einen hinteren Laufring (66, 136), wobei der vordere Laufring näher an der Anode liegt als der hintere Laufring und der hintere Laufring geschmierte Lager (44) aufnimmt.
Röntgenröhre nach Anspruch 4, wobei die vorderen und hinteren Laufringe auf einer gemeinsamen Welle (54, 54') ausgebildet sind, der Kern (70, 70') von einem innen liegenden Hohlraum (60) der Welle aufgenommen wird und ein ringförmiger Spalt (78, 80) zwischen dem Kern und der Lagerwelle definiert wird, um zwischen Kern und Lagerwelle einen Bereich geringer Wärmeübertragung zu schaffen, so dass in einem an den ringförmi gen Spalt angrenzenden Wärmekontaktbereich (84, 86) zwischen dem Kern und der Lagerwelle Wärme fließt, wobei der ringförmige Spalt positioniert ist, um die Weglänge zu vergrößern, die die Wärme bis zum Erreichen des vorderen Laufrings zurücklegen muss.
Röntgenröhre nach Anspruch 5, wobei der ringförmige Spalt durch eine an den vorderen Laufring angrenzende Rille (74) im Kern (70) definiert wird.
Röntgenröhre nach Anspruch 4, wobei die vorderen und hinteren Laufringe auf einer gemeinsamen Welle (54') ausgebildet sind, die mit der Anode verbunden ist und einen axialen Hohlraum (60') hat, wobei der Kern (70') mit einem stationären Gehäuse (22) verbunden und von der Lagerwelle abgesetzt ist, so dass sich die Lagerwelle relativ zum Kern dreht.
Röntgenröhre nach Anspruch 4, wobei die vorderen und hinteren Laufringe auf einer gemeinsamen Welle (54) mit einem inneren Hohlraum (60) ausgebildet sind und der Kern (70) aus einem flüssigen Material gestaltet ist, das aus einer Gruppe bestehend aus Quecksilber, Gallium sowie einer Legierung aus Zinn und entweder Gallium oder Indium ausgewählt wurde.
Verfahren zur Reduzierung der Verdampfung eines Lagergleitmittels in einer Röntgenröhre mit einer Anode (10) und einer damit verbundenen Rotorbaugruppe (34), wobei die Rotorbaugruppe einen vorderen Laufring (64, 134) und einen hinteren Laufring (66, 136) hat, der vordere Laufring näher an der Anode liegt als der hintere Laufring, und das Verfahren Folgendes beinhaltet: das Ableiten von um den vorderen Laufring herum und dahinter vorhandener Wärme zum hinteren Laufring durch einen hoch wärmeleitfähigen Teil (70, 70', 122), der der sich durch einen mindestens an den vorderen Laufring angrenzenden Innenbereich der Rotorbaugruppe erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 9, das weiterhin Folgendes umfasst: das Blockieren einer direkten Wärmeübertragung zwischen dem hoch wärmeleitfähigen Teil und dem vorderen Laufring, indem zwischen dem hoch wärmeleitfähigen Teil und dem vorderen Laufring ein isolierender Bereich (78) angeordnet wird.