EP0462657B1 - X-ray tube with rotary anode - Google Patents

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EP0462657B1
EP0462657B1 EP91201472A EP91201472A EP0462657B1 EP 0462657 B1 EP0462657 B1 EP 0462657B1 EP 91201472 A EP91201472 A EP 91201472A EP 91201472 A EP91201472 A EP 91201472A EP 0462657 B1 EP0462657 B1 EP 0462657B1
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Philips Intellectual Property and Standards GmbH
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Philips Patentverwaltung GmbH
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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 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 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 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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  • X-Ray Techniques (AREA)

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.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.

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.In such an arrangement known from DE-PS 591 625, an anode part is brought into good heat-conducting contact with a heat-dissipating body when it is at a standstill.

Bei Einschaltung der Röntgenröhre entsteht durch den auftreffenden Elektronenstrahl im Drehanodenteller eine hohe Verlustleistung, die dort zu einer Temperatur von beispielsweise 1500 ° C führen kann. Vor einer erneuten Einschaltung muß eine Abkühlung bis auf z.B. 150° C erfolgen, damit beim nachfolgenden Wiedereinschalten nicht zu hohe Temperaturen entstehen können.When the X-ray tube is switched on, the electron beam impinging in the rotating anode plate produces a high power loss, which can lead to a temperature of 1500 ° C, for example. Before switching on again, cooling down to e.g. 150 ° C so that the temperature cannot rise too high when you switch it on again.

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.The aim is to keep the required cooling time (depending on the application, for example, about 20 minutes) as short as possible. At high temperatures, the heat loss from the anode plate is mainly dissipated by radiation. At low temperatures, on the other hand, essentially only 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.

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.A considerable reduction in the thermal resistance of the heat-dissipating path, either permanently or, as in the known case described at the outset, only during standstill, can result in impermissibly high storage temperatures.

Der Erfindung, wie sie in Anspruch 1 definiert ist, 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.The invention, as defined in claim 1, is based on the object of designing a rotating anode x-ray tube of the type mentioned at the outset 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.

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.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.

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.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.

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.According to a preferred, particularly reliable embodiment, it is provided that 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 the change in the thermal resistance is effected. 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. However, it is also possible to use the temperature of a component that is thermally conductively connected to the bearing as a criterion for changing the thermal resistance.

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.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.

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.The control device can preferably contain a temperature-dependent stretched element. A particularly simple solution that 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 fulfills the functions of the sensor and the drive at the same time.

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.An advantageous constructive solution is characterized in that the 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.

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.According to an advantageous development of the invention, it is provided that 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.

Damit der Wärmeübergang über die Kontaktflächen nicht durch Bildung wärmeisolierender Fremdschichten behindert wird, ist vorgesehen, daß die Kontaktflächen oberflächenvergütet sind.So that the heat transfer over the contact surfaces is not hindered by the formation of heat-insulating foreign layers, it is provided that the contact surfaces are surface-coated.

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.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.

Die Erfindung wird anhand der Beschreibung eines in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert.The invention is explained in more detail with reference to the description of a preferred exemplary embodiment shown in the drawing.

Die Figur zeigt schematisch die wesentlichen Bauteile einer erfindungsgemäß gestalteten Drehanode.The figure shows schematically the essential components of a rotating anode designed according to the invention.

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 1500° C verursacht.A focused electron beam 1, which originates from a cathode (not shown) and which causes X-ray radiation, is directed onto a radially outer region of a rotating anode plate 2, for example coated with tungsten. This creates a high power loss in the rotating anode plate 2, which causes temperatures of up to 1500 ° C.

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.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 is described in principle in EP-A 14 14 76).

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.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.

Infolge der hohen Temperaturen des Drehanodentellers 2 von etwa 1500° C erwärmt sich der Stiel 3 auf etwa 800° C, der Rotorkörper auf etwa 400° C und der Lagerträger 6 auf etwa 200° C, wobei jeweils über die Volumenbereiche gemittelte Temperaturen genannt sind, welche sich bei unterbrochenem thermischen Parallelweg über den Ansatz 7 des Rotorkörpers 4 einstellen.As a result of the high temperatures of the rotating anode plate 2 of approximately 1500 ° C., the handle 3 heats up to approximately 800 ° C., the rotor body to approximately 400 ° C. and the bearing bracket 6 to approximately 200 ° C., temperatures averaged over the volume ranges being mentioned, which occur when the thermal parallel path is interrupted via the shoulder 7 of the rotor body 4.

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.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.

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.In the state shown in the figure, which results at high temperature values of the rotating anode plate 2, 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.

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.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.

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 2 bis auf etwa 10% seiner Maximaltemperatur wird erheblich beschleunigt. Beim nunmehr niedrigen Temperaturniveau besteht keine Gefahr, daß die Temperatur der Lagerung 5 unzulässige Werte annehmen kann.When the temperature of the rotating anode plate 2 decreases, in particular due to heat radiation, the temperature of the stem 3 also decreases, which then shrinks axially. At a temperature of the rotating anode plate 2 of approximately 20% of its maximum temperature, the contact surfaces 8 and 10 or 9 and 11 finally abut one another. Then heat is transferred through the contact surfaces. This accelerates the cooling of the stem 3 and on the other hand, the approach 7 is heated. As a result, a high elastic contact force quickly arises between the contact surfaces, which brings about a very low thermal resistance from the stem 3 via the contact surfaces 8 and 10 or 9 and 11 to the rotor body 4. The further cooling of the rotating anode plate 2 to approximately 10% of its maximum temperature is considerably accelerated. At the now low temperature level, there is no danger that the temperature of the bearing 5 can assume impermissible values.

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.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.

Es wäre weiterhin möglich, radiale Temperaturdehnungen zur Überbrückung zylindrischer Spalte zwischen Stiel 3 und Ansatz 7 auszunutzen.It would also be possible to use radial temperature expansions to bridge cylindrical gaps between stem 3 and shoulder 7.

Claims (9)

  1. A rotary anode X-ray tube, comprising means for varying the heat resistance of the heat-dissipation path dissipating the heat from a rotary anode disk (2), exposed to an electron beam, via a bearing (5), characterized in that there are provided a sensor which senses the temperature of a co-rotating component (3, 7) and a drive for moving, after switching off of the electron beam, at least the co-rotating component (3, 7) in order to bridge a clearance which exists, in the presence of an electron beam, between two contact surfaces (8 to 11) of this and a further co-rotating component (3, 7).
  2. A rotary anode X-ray tube as claimed in Claim 1, characterized in that the sensor is a component (3) which is thermally conductively connected to the rotary anode disk (2).
  3. A rotary anode X-ray tube as claimed in Claim 1, characterized in that the sensor is a component (4) which is thermally conductively connected to the bearing (5).
  4. A rotary anode X-ray tube as claimed in any one of Claims 1 to 3, characterized in that the sensor and the drive are formed by an element (3, 7) whose dimensions vary due to the temperature variation.
  5. A rotary anode X-ray tube as claimed in any one of Claims 1 to 4, characterized in that the contact surfaces (8 to 11) of the co-rotating components (3, 7) can be moved relative to one another by thermal expansion of at least one of the components (3, 7).
  6. A rotary anode X-ray tube as claimed in any one of Claims 1 to 5, characterized in that the sensor and the drive are arranged inside a tubular stem (3) connecting the rotary anode disk (2) to a rotor body (4), that the stem (3) has at least one contact surface (10, 11), and that at least one oppositely situated contact surface (8, 9) is provided on a projection (7) which extends within the stem (3) and is suitably thermally conductively connected to the rotor body (4).
  7. A rotary anode X-ray tube as claimed in any one of Claims 1 to 6, characterized in that the stem (3) has such an axial length and such a small wall thickness (12) that its heat resistance from the rotary anode disk (2) to the rotor body (4) is higher than 30% of the heat resistance resulting from the bearing (5).
  8. A rotary anode X-ray tube as claimed in any one of Claims 1 to 7, characterized in that the surface quality of the contact surfaces (8 to 11) is enhanced.
  9. A rotary anode X-ray tube as claimed in any one of Claims 1 to 8, characterized in that the contact surfaces (9,11) have associated depressed portions and embossed portions, respectively.
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