EP0462657A1 - Drehanodenröntgenröhre - Google Patents

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EP0462657A1
EP0462657A1 EP91201472A EP91201472A EP0462657A1 EP 0462657 A1 EP0462657 A1 EP 0462657A1 EP 91201472 A EP91201472 A EP 91201472A EP 91201472 A EP91201472 A EP 91201472A EP 0462657 A1 EP0462657 A1 EP 0462657A1
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rotating anode
ray tube
thermal resistance
change
tube according
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Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Koninklijke Philips NV
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Philips Patentverwaltung GmbH
Philips Gloeilampenfabrieken NV
Koninklijke Philips Electronics NV
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J35/00—X-ray tubes
    • H01J35/02—Details
    • H01J35/04—Electrodes ; Mutual position thereof; Constructional adaptations therefor
    • H01J35/08—Anodes; Anti cathodes
    • H01J35/10—Rotary anodes; Arrangements for rotating anodes; Cooling rotary anodes
    • H01J35/105—Cooling of rotating anodes, e.g. heat emitting layers or structures
    • H01J35/107—Cooling of the bearing assemblies

Definitions

  • the invention relates to a rotating anode x-ray tube with means for changing the thermal resistance caused by the operating state of the heat dissipation path which dissipates the heat from a rotating anode plate via a bearing.
  • an anode part is brought into good heat-conducting contact with a heat-dissipating body when it is at a standstill.
  • the electron beam impinging in the rotating anode plate produces a high power loss, which can lead to a temperature of, for example, 1500 ° C. Before switching on again, it must be cooled down to, for example, 150 o C, so that excessive temperatures cannot arise when switching on again.
  • the aim is to keep the required cooling time (depending on the application, for example, about 20 minutes) as short as possible.
  • the heat loss from the anode plate is mainly dissipated by radiation.
  • the heat transport remains through the material of the rotating anode and via the bearing to a bearing carrier that dissipates heat to the environment. This way can contribute significantly to shortening the required cooling time of the rotating anode plate, especially when using plain bearings.
  • the invention has for its object to design a rotating anode X-ray tube of the type mentioned in such a way that the cooling time of the rotating anode plate is reduced without the storage temperature being able to assume impermissibly high values.
  • the solution is achieved in that a device is provided by which the change in the thermal resistance is effected as a function of the temperature change of a rotating component which occurs after the electron beam is switched off.
  • the thermal resistance is only reduced after a certain time delay.
  • the temperature of the rotating anode plate has then already decayed considerably as a result of heat radiation to a value which, despite the reduced thermal resistance thereafter, can no longer lead to high storage temperatures.
  • the change in the thermal resistance is brought about by the change in temperature in a component which is connected to the rotating anode plate with good thermal conductivity and which causes the change in the thermal resistance.
  • the control criterion used is a temperature that changes monotonically with the temperature of the rotating anode plate and is the primary cause for the heating of the bearing.
  • a control device provided according to the invention generally consists of a temperature sensor and a drive for moving at least one component having a contact surface.
  • the control device can preferably contain a temperature-dependent stretched element.
  • a particularly simple solution which can be implemented in this way is characterized in that the variable thermal resistance consists of two components which have corresponding adjacent contact surfaces which can be moved together by thermal expansion of at least one of the components.
  • a simply constructed single component then simultaneously fulfills the functions of the sensor and the drive.
  • variable resistance is arranged in the interior of a tubular stem connecting the rotating anode plate to a rotor body, that the stem has at least one contact surface, and that at least one opposite contact surface extends on and within the stem the rotor body is arranged thermally well connected approach.
  • the handle has such an axial length and such a small wall thickness that its thermal resistance from the rotating anode plate to the rotor body is greater than 30% of the thermal resistance resulting from the bearing.
  • the heat resistance of the stick and the variable heat resistance are connected in parallel to the heat resistance of the bearing. Relatively large changes in the resulting thermal resistance result when the ratio of the thermal resistance of the stem and the bearing is as large as possible.
  • the contact surfaces are surface-coated.
  • the heat transfer resistance across the contact surfaces is inversely proportional to the size of the contact surface and the contact pressure.
  • An increase in the effective contact area can be achieved in that the contact areas have mutually associated depressions or elevations.
  • the figure shows schematically the essential components of a rotating anode designed according to the invention.
  • the rotating anode plate 2 is rotatably soldered to the rotor body 4 via the handle 3.
  • the rotor body 4 is mounted on the fixed and preferably cooled bearing bracket 6 via an indicated sliding bearing 5 (as described in principle in EP-A 14 14 76).
  • the rotor body 4 acts as a short-circuit rotor, on which by means of a motor stand, not shown formed rotating field is exerted asynchronous torque.
  • the motor stand is suitably arranged outside of a predominantly metallic and gas-tight and also not shown housing surrounding the components shown in the figure, as is generally known.
  • the volume ranges average temperatures, which occur when the thermal parallel path is interrupted via the shoulder 7 of the rotor body 4.
  • the projection 7 is arranged within the hollow cylindrical stem 3 and has contact surfaces 8 and 9, which contact surfaces 10 and 11 of the stem 3 correspond.
  • the contact surfaces 8 and 10 are flat circular ring surfaces.
  • the contact surfaces 9 and 11, on the other hand, are uneven and have ring-shaped elevations or indentations which are approximately triangular in cross section. This increases the effective heat transfer area.
  • the contact surfaces 8 and 10 or 9 and 11 lie opposite one another with small distances. These distances are exaggerated in the drawing. Apart from heat radiation, no heat is conducted through the gap and the vacuum. Since the stem 3 is built up over a long axial path with a very thin wall thickness 12, its thermal resistance to the rotor body 4 is great. As a result, only a small part of the temperature of the rotating anode plate 2 can act on the bearing body 5.
  • the distances between the contact surfaces 8 and 10 on the one hand and 9 and 11 on the other hand can be dimensioned differently in such a way that contact occurs at different times or at different temperatures of the rotating anode plate 2. A further reduction in the total cooling time of the rotating anode plate 2 can thereby be achieved.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Drehanodenröntgenröhre mit Mitteln zur vom Betriebszustand bewirkten Veränderung des Wärmewiderstandes des die Wärme von einem Drehanodenteller (2) über eine Lagerung (5) ableitenden Wärmeableitungswegs. Die Abkühlzeit des Drehanodentellers wird dadurch ohne unzulässige Erhöhung der Lagertemperatur verringert, daß eine Einrichtung (7,11) vorgesehen ist, durch welche die Änderung des Wärmewiderstandes in Abhängigkeit der nach dem Abschalten des Elektronenstrahls entstehenden Temperaturänderung eines mitdrehenden Bauteils (3,7) bewirkt ist. <IMAGE>

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Drehanodenröntgenröhre mit Mitteln zur vom Betriebszustand bewirkten Veränderung des Wärmewiderstandes des die Wärme von einem Drehanodenteller über eine Lagerung ableitenden Wärmeableitungswegs.
  • Bei einer durch die DE-PS 591 625 bekannten derartigen Anordnung wird beim Stillstand ein Anodenteil mit einem wärmeabführenden Körper in gute wärmeleitende Berührung gebracht.
  • Bei Einschaltung der Röntgenröhre entsteht durch den auftreffenden Elektronenstrahl im Drehanodenteller eine hohe Verlustleistung, die dort zu einer Temperatur von beispielsweise 1500 o C führen kann. Vor einer erneuten Einschaltung muß eine Abkühlung bis auf z.B. 150o C erfolgen, damit beim nachfolgenden Wiedereinschalten nicht zu hohe Temperaturen entstehen können.
  • Man strebt an, die erforderliche Abkühlzeit (je nach Anwendung z.B. ca. 20 Minuten) möglichst klein zu halten. Bei hohen Temperaturen wird die Verlustwärme vom Anodenteller vorwiegend durch Strahlung abgeführt. Bei niedrigen Temperaturen dagegen bleibt im wesentlichen nur der Wärmetransport durch das Material der Drehanode und über die Lagerung zu einem an die Umgebung wärmeabführenden Lagerträger. Dieser Weg kann insbesondere bei Verwendung von Gleitlagern wesentlich zur Verkürzung der erforderlichen Abkühlzeit des Drehanodentellers beitragen.
  • Eine erhebliche Verringerung des Wärmewiderstandes des wärmeableitenden Weges, sei es permanent oder wie im eingangs beschriebenen bekannten Fall nur während des Stillstands, kann jedoch unzulässig hohe Lagertemperaturen zur Folge haben.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Drehanodenröntgenröhre der eingangs genannten Art derart zu gestalten, daß die Abkühlzeit des Drehanodentellers verringert wird, ohne daß die Lagertemperatur unzulässig hohe Werte annehmen kann.
  • Die Lösung gelingt dadurch, daß eine Einrichtung vorgesehen ist, durch welche die Änderung des Wärmewiderstandes in Abhängigkeit der nach dem Abschalten des Elektronenstrahls entstehenden Temperaturänderung eines mitdrehenden Bauteils bewirkt ist.
  • Der Wärmewiderstand wird erst mit einer gewissen Zeitverzögerung erniedrigt. Die Temperatur des Drehanodentellers ist dann infolge Wärmeabstrahlung bereits erheblich abgeklungen bis auf einen Wert, der trotz danach erniedrigten Wärmewiderstandes nicht mehr zu hohen Lagertemperaturen führen kann.
  • Gemäß einer bevorzugten besonders zuverlässigen Ausführung ist vorgesehen, daß die Änderung des Wärmewiderstandes durch die Temperaturänderung in einem mit dem Drehanodenteller gut wärmeleitend verbundenen Bauteil die Änderung des Wärmewiderstandes bewirkt ist. Dabei wird als Steuerkriterium eine sich monoton mit der Temperatur des Drehanodentellers ändernde und für die Erwärmung der Lagerung primär ursächliche Temperatur genutzt. Es ist aber auch möglich, die Temperatur eines mit der Lagerung wärmeleitend verbundenen Bauteils als Kriterium für die Änderung des Wärmewiderstandes zu nutzen.
  • Eine erfindungsgemäß vorgesehene Steuereinrichtung besteht in allgemeiner Form aus einem die Temperatur erfassenden Sensor und einem Antrieb zur Bewegung mindestens eines eine Kontaktfläche aufweisenden Bauteils.
  • Vorzugsweise kann die Steuereinrichtung ein temperaturabhängig gedehntes Element enthalten. Eine damit realisierbare besonders einfache Lösung ist dadurch gekennzeichnet, daß der veränderliche Wärmewiderstand aus zwei Bauteilen besteht, die korrespondierende benachbarte Kontaktflächen aufweisen, welche durch thermische Dehnung mindestens eines der Bauteile aneinander bewegbar sind. Ein einfach aufgebautes einziges Bauteil erfüllt dann gleichzeitig die Funktionen des Sensors und des Antriebs.
  • Eine vorteilhafte konstruktive Lösung ist dadurch gekennzeichnet, daß der veränderliche Widerstand im Inneren eines den Drehanodenteller mit einem Rotorkörper verbindenden rohrförmig ausgebildeten Stiels angeordnet ist, daß der Stiel mindestens eine Kontaktfläche aufweist, und daß mindestens eine gegenüberliegende Kontaktfläche an einem sich innerhalb des Stiels erstreckenden und mit dem Rotorkörper thermisch gut leitend verbundenen Ansatz angeordnet ist.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Stiel eine derartige axiale Länge und eine derart geringe Wandstärke aufweist, daß sein Wärmewiderstand vom Drehanodenteller zum Rotorkörper größer als 30% des durch die Lagerung sich ergebenen Wärmewiderstandes ist. Die Wärmewiderstände des Stiels und der veränderliche Wärmewiderstand sind in Parallelschaltung dem Wärmewiderstand der Lagerung vorgeschaltet. Relativ große Änderungen des resultierenden Wärmewiderstandes ergeben sich dann, wenn das Verhältnis der Wärmewiderstände des Stiels und der Lagerung möglichst groß ist.
  • Damit der Wärmeübergang über die Kontaktflächen nicht durch Bildung wärmeisolierender Fremdschichten behindert wird, ist vorgesehen, daß die Kontaktflächen oberflächenvergütet sind.
  • Der Wärmeübergangswiderstand über die Kontaktflächen ist umgekehrt proportional der Größe der Kontaktfläche und dem Anpreßdruck. Eine Vergrößerung der wirksamen Kontaktfläche kann dadurch erreicht werden, daß die Kontaktflächen einander zugeordnete Vertiefungen bzw. Erhöhungen aufweisen.
  • Die Erfindung wird anhand der Beschreibung eines in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
  • Die Figur zeigt schematisch die wesentlichen Bauteile einer erfindungsgemäß gestalteten Drehanode.
  • Auf einen beispielsweise mit Wolfram beschichteten radial äußeren Bereich eines Drehanodentellers 2 wird ein von einer nicht dargestellten Kathode ausgehender gebündelter Elektronenstrahl 1 gerichtet, welcher eine Röntgenstrahlung bewirkt. Dabei entsteht im Drehanodenteller 2 eine hohe Verlustleistung, welche Temperaturen von bis zu 1500o C verursacht.
  • Der Drehanodenteller 2 ist über den Stiel 3 mit dem Rotorkörper 4 drehfest verlötet. Der Rotorkörper 4 ist über eine angedeutete Gleitlagerung 5 (wie sie prinzipiell in der EP-A 14 14 76 beschrieben ist) auf dem feststehenden und vorzugsweise gekühlten Lagerträger 6 gelagert.
  • Der Rotorkörper 4 wirkt als Kurzschlußläufer, auf welchen mittels eines von einem nicht dargestellten Motorständer gebildeten Drehfeldes ein asynchrones Drehmoment ausgeübt wird. Der Motorständer ist außerhalb eines die in der Figur gezeichneten Bauelemente umgebenden, vorwiegend metallischen und gasdichten und ebenfalls nicht dargestellten Gehäuses in geeigneter Weise angeordnet, wie es allgemein bekannt ist.
  • Infolge der hohen Temperaturen des Drehanodentellers 2 von etwa 1500o C erwärmt sich der Stiel 3 auf etwa 800o C, der Rotorkörper auf etwa 400o C und der Lagerträger 6 auf etwa 200o C, wobei jeweils über die Volumenbereiche gemittelte Temperaturen genannt sind, welche sich bei unterbrochenem thermischen Parallelweg über den Ansatz 7 des Rotorkörpers 4 einstellen.
  • Der Ansatz 7 ist innerhalb des hohlzylindrischen Stiels 3 angeordnet und weist Kontaktflächen 8 und 9 auf, welchen Kontaktflächen 10 bzw. 11 des Stiels 3 entsprechen. Die Kontaktflächen 8 und 10 sind ebene Kreisringflächen. Die Kontaktflächen 9 und 11 sind dagegen uneben und mit im Querschnitt etwa dreieckförmigen ringförmigen Erhebungen bzw. Einbuchtungen ausgebildet. Dadurch wird die wirksame Wärmeübergangsfläche vergrößert.
  • Im in der Figur dargestellten Zustand, welcher sich bei hohen Temperaturwerten des Drehanodentellers 2 ergibt, liegen die Kontaktflächen 8 und 10 bzw. 9 und 11 mit geringen Abständen einander gegenüber. Diese Abstände sind in der Zeichnung übertrieben groß gezeichnet. Über die Abstandsspalte und das Vakuum wird (abgesehen von Wärmestrahlung) keine Wärme geleitet. Da der Stiel 3 über einen langen axialen Weg mit sehr dünner Wandstärke 12 aufgebaut ist, ist dessen Wärmewiderstand zum Rotorkörper 4 groß. Infolgedessen kann nur ein geringer Teil der Temperatur des Drehanodentellers 2 auf die Lagerkörper 5 einwirken.
  • Bei insbesondere durch Wärmeabstrahlung sich erniedrigender Temperatur des Drehanodentellers 2 sinkt auch die Temperatur des Stiels 3, welcher dann axial schrumpft. Bei einer Temperatur des Drehanodentellers 2 von etwa 20% seiner Maximaltemperatur liegen die Kontaktflächen 8 und 10 bzw. 9 und 11 schließlich aneinander an. Dann wird über die Kontaktflächen Wärme übertragen. Dabei beschleunigt sich die Abkühlung des Stiels 3 und andererseits wird der Ansatz 7 erwärmt. Infolgedessen entsteht schnell eine hohe elastische Anpreßkraft zwischen den Kontaktflächen, welche einen sehr niedrigen Wärmewiderstand vom Stiel 3 über die Kontaktflächen 8 und 10 bzw. 9 und 11 zum Rotorkörper 4 bewirkt. Die weitere Abkühlung des Drehanodentellers 12 bis auf etwa 10% seiner Maximaltemperatur wird erheblich beschleunigt. Beim nunmehr nierdrigen Temperaturniveau besteht keine Gefahr, daß die Temperatur der Lagerung 5 unzulässige Werte annehmen kann.
  • Man kann die Abstände zwischen den Kontaktflächen 8 und 10 einerseits sowie 9 und 11 andererseits derart unterschiedlich dimensionieren, daß sich Berührungen zu verschiedenen Zeiten bzw. bei verschiedenen Temperaturen des Drehanodentellers 2 ergeben. Dadurch kann eine weitere Reduzierung der Gesamtabkühlzeit des Drehanodentellers 2 erreicht werden.
  • Es wäre weiterhin möglich, radiale Temperaturdehnungen zur Überbrückung zylindrischer Spalte zwischen Stiel 3 und Ansatz 7 auszunutzen.

Claims (9)

  1. Drehanodenröntgenröhre mit Mitteln zur vom Betriebszustand bewirkten Veränderung des Wärmewiderstandes des die Wärme von einem Drehanodenteller (2) über eine Lagerung (5) ableitenden Wärmeableitungswegs,
    dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (7, 11) vorgesehen ist, durch welche die Änderung des Wärmewiderstandes in Abhängigkeit der nach dem Abschalten des Elektronenstrahls entstehenden Temperaturänderung eines mitdrehenden Bauteils (3,7) bewirkt ist.
  2. Drehanodenröntgenröhre nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung des Wärmewiderstandes durch die Temperaturänderung in einem mit dem Drehanodenteller (2) wärmeleitend verbundenen Bauteil (3) bewirkt ist.
  3. Drehanodenröntgenröhre nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung des Wärmewiderstandes durch die Temperaturänderung eines mit der Lagerung (5) wärmeleitend verbundenen Bauteils (4) bewirkt ist.
  4. Drehanodenröntgenröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung ein Element (3,7) enthält, dessen Abmessungen sich infolge der Temperaturänderung verändern.
  5. Drehanodenröntgenröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, daß der veränderliche Wärmewiderstand aus zwei Bauteilen (3,7) besteht, die korrespondierende benachbarte Kontaktflächen (8,10 und 9,11) aufweisen, welche durch thermische Dehnung mindestens eines der Bauteile (3,7) aneinander bewegbar sind.
  6. Drehanodenröntgenröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, daß der veränderliche Widerstand im Inneren eines den Drehanodenteller (2) mit einem Rotorkörper (4) verbindenden rohrförmig ausgebildeten Stiels (3) angeordnet ist, daß der Stiel (3) mindestens eine Kontaktfläche (8,9) aufweist, und daß mindestens eine gegenüberliegende Kontaktfläche (10,11) an einem sich innerhalb des Stiels (3) erstreckenden und mit dem Rotorkörper (4) thermisch gut leitend verbundenen Ansatz (7) angeordnet ist.
  7. Drehanodenröntgenröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Stiel (3) eine derartige axiale Länge und eine derart geringe Wandstärke (12) aufweist, daß sein Wärmewiderstand vom Drehanodenteller (2) zum Rotorkörper (4) größer als 30% des durch die Lagerung (5) sich ergebenen Wärmewiderstandes ist.
  8. Drehanodenröntgenröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflächen (8 bis 11) oberflächenvergütet sind.
  9. Drehanodenantriebsröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflächen (9,11) einander zugeordnete Vertiefungen bzw. Erhöhungen aufweisen.
EP91201472A 1990-06-20 1991-06-13 Drehanodenröntgenröhre Expired - Lifetime EP0462657B1 (de)

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