EP0710976A1 - Rotating anode X-ray tube with slide bearing - Google Patents

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EP0710976A1 EP95202896A EP95202896A EP0710976A1 EP 0710976 A1 EP0710976 A1 EP 0710976A1 EP 95202896 A EP95202896 A EP 95202896A EP 95202896 A EP95202896 A EP 95202896A EP 0710976 A1 EP0710976 A1 EP 0710976A1
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Abstract

The rotating anode X-ray tube has a plain bearing which comprises a fixed and a rotatable bearing part (8,9) with another facing bearing surface, at least one of which is grooved (11) so that when operating a liq. lubricant is between the bearing surfaces. A solid with a low sliding friction is added to the lubricant.

Description

Die Erfindung betrifft Drehanoden-Röntgenröhre mit einem Gleitlager, das einen festen und einen drehbaren Lagerteil mit einander zugewandten Lagerflächen umfaßt, von denen wenigstens eine mit einem Rillenmuster versehen ist, wobei sich zwischen den Lagerflächen ein zumindest im Betriebszustand flüssiges Schmiermittel befindet. Eine solche Drehanoden-Röntgenröhre ist aus der EP-OS 578 314 (US-Ap 88466) bzw. aus der EP-OS 378 274 (US-PS 5,077,775) bekannt. Bei rotierender Drehanode verteilt sich das Schmiermittel im Rillenmuster so, daß sich ein hydrodynamischer Schmierfilm ausbildet und die beiden Lagerteile aufeinander "schwimmen". Das Lager arbeitet dann praktisch verschleißfrei.The invention relates to a rotating anode x-ray tube with a plain bearing, which comprises a fixed and a rotatable bearing part with mutually facing bearing surfaces, at least one of which is provided with a groove pattern, with a lubricant which is at least in the operating state liquid between the bearing surfaces. Such a rotating anode X-ray tube is known from EP-OS 578 314 (US-Ap 88466) and from EP-OS 378 274 (US-PS 5,077,775). When the rotating anode is rotating, the lubricant is distributed in the groove pattern in such a way that a hydrodynamic lubricating film forms and the two bearing parts "float" on one another. The bearing then works practically without wear.

Obwohl Galliumlegierungen, die bei derartigen Drehanoden-Röntgenröhren im allgemeinen als Schmiermittel verwendet werden, sehr gute Schmiereigenschaften haben, kann es dabei gleichwohl zum Verschleiß der Lagerflächen kommen, nämlich dann, wenn das Schmiermittel nach längerem Stillstand der Drehanode oder nach einem Abbremsvorgang des Lagers bei hohen Temperaturen (bzw. niedriger Schmiermittelviskosität) weitgehend aus dem Bereich des Rillenmusters herausgedrängt wird.Although gallium alloys, which are generally used as lubricants in such rotating anode X-ray tubes, have very good lubricating properties, wear on the bearing surfaces can nevertheless occur, namely if the lubricant after a long period of inactivity of the rotating anode or after a braking operation of the bearing at high Temperatures (or low lubricant viscosity) is largely pushed out of the area of the groove pattern.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diesen Verschleiß zu verringern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß dem Schmiermittel ein Feststoff mit niedriger Gleitreibung zugesetzt ist.The object of the present invention is to reduce this wear. This object is achieved in that a solid with low sliding friction is added to the lubricant.

Im Normalbetrieb, d.h. bei rotierendem Gleitlager, ist der Feststoffzusatz praktisch unwirksam. Bei den Start- und Stoppvorgängen des Gleitlagers jedoch trennt der Feststoff die Lagerflächen voneinander und vermindert dadurch den Lagerverschleiß.In normal operation, ie with a rotating plain bearing, the addition of solids is practically ineffective. At the start and Stops the slide bearing, however, the solid separates the bearing surfaces from each other and thereby reduces bearing wear.

Als Feststoff ist im Prinzip jeder Trockenschmierstoff geeignet, der weder mit den Lagerflächen noch mit dem Schmiermittel reagiert, der den Gleitreibungskoeffizienten zwischen den Lagerflächen herabsetzt und der das Vakuum in der Röntgenröhre nicht beeinträchtigt.In principle, any dry lubricant is suitable as a solid that neither reacts with the bearing surfaces nor with the lubricant, which reduces the coefficient of sliding friction between the bearing surfaces and which does not impair the vacuum in the X-ray tube.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß der Feststoffgehalt zwischen 0,05 und 5 Gew.%, vorzugsweise zwischen 0,1 und 2 Gew.%, insbesondere bei 0,3 und 1 Gew.% liegt. Es empfiehlt sich, den Feststoffgehalt innerhalb der angegebenen Grenzen zu wählen; bei einem niedrigeren Gehalt läßt die Wirksamkeit nach und bei einem höheren Gehalt besteht die Gefahr, daß der Feststoff das Rillenmuster zusetzt.A further development of the invention provides that the solids content is between 0.05 and 5% by weight, preferably between 0.1 and 2% by weight, in particular 0.3 and 1% by weight. It is advisable to choose the solids content within the specified limits; at a lower content the effectiveness decreases and at a higher content there is a risk that the solid will clog the groove pattern.

Die Erfindung wird nachstehend anhand einer Zeichnung näher erläutert. Die in der Zeichnung dargestellte Drehanoden-Röntgenröhre besitzt einen Metallkolben 1, an dem über einen Isolator 2 die Kathode 3 und über einen zweiten Isolator 4 die Drehanode befestigt ist. Die Drehanode umfaßt eine Anodenscheibe 5, auf deren der Kathode 3 gegenüberliegenden Fläche beim Einschalten einer Hochspannung Röntgenstrahlung erzeugt wird. Die Röntgenstrahlung kann durch ein Strahlenaustrittsfenster 6 im Kolben austreten, das vorzugsweise aus Beryllium besteht. Die Anodenscheibe 5 ist über ein Gleitlager mit einem Trägerkörper 7 verbunden, der an dem zweiten Isolator 4 befestigt ist. Das Gleitlager umfaßt eine fest mit dem Trägerkörper 7 verbundene Lagerachse 8 und eine die Lagerachse 8 konzentrisch umschließende Lagerschale 9, die an ihrem unteren Ende einen Rotor 10 zum Antrieb der am oberen Ende befestigten Anodenscheibe 5 aufweist.The invention is explained below with reference to a drawing. The rotating anode X-ray tube shown in the drawing has a metal piston 1 to which the cathode 3 is attached via an insulator 2 and the rotating anode is attached via a second insulator 4. The rotating anode comprises an anode disc 5, on the surface of which is opposite the cathode 3, when X-rays are generated when high voltage is switched on. The X-rays can exit through a radiation exit window 6 in the bulb, which preferably consists of beryllium. The anode disk 5 is connected via a slide bearing to a carrier body 7 which is fastened to the second insulator 4. The slide bearing comprises a bearing shaft 8 which is fixedly connected to the carrier body 7 and a bearing shell 9 which concentrically surrounds the bearing shaft 8 and which has a rotor 10 at its lower end for driving the shaft at the upper end attached anode disc 5.

Die Lagerachse 8 und die Lagerschale 9 bestehen aus einer Molybdän-Legierung (TZM). Stattdessen kann aber auch Molybdän oder eine Wolfram-Molybdän-Legierung verwendet werden. Bei der dargestellten Konfiguration ist die Lagerachse 8 der feststehende und die Lagerschale 9 der rotierende Lagerteil; es versteht sich aber von selbst, daß die Erfindung auch bei solchen Gestaltungen des Gleitlagers anwendbar ist, bei denen die Lagerachse rotiert und die Lagerschale feststeht.The bearing axis 8 and the bearing shell 9 consist of a molybdenum alloy (TZM). Instead, molybdenum or a tungsten-molybdenum alloy can also be used. In the configuration shown, the bearing axis 8 is the fixed and the bearing shell 9 the rotating bearing part; however, it goes without saying that the invention can also be used in such designs of the slide bearing in which the bearing axis rotates and the bearing shell is fixed.

An ihrem oberen Ende ist die Lagerachse 8 mit zwei in axialer Richtung gegeneinander versetzten Rillenmustern 11 zur Aufnahme radialer Kräfte versehen. Im Anschluß an die Rillenmuster hat die Lagerachse 8 einen mehrere Millimeter dicken Abschnitt 14, dessen Durchmesser wesentlich größer ist als der Durchmesser des übrigen Teils der Lagerachse 8. Darunter folgt wiederum ein Abschnitt, dessen Durchmesser zumindest annähernd dem Durchmesser der Lagerachse 8 im oberen Bereich entspricht und der mit dem Trägerkörper 7 verbunden ist. Die Innenkontur der Lagerschale ist dem Abschnitt 14 angepaßt.At its upper end, the bearing axis 8 is provided with two groove patterns 11, which are offset with respect to one another in the axial direction, for absorbing radial forces. Following the groove pattern, the bearing axis 8 has a section 14 several millimeters thick, the diameter of which is considerably larger than the diameter of the remaining part of the bearing axis 8. Below this, in turn, is a section whose diameter corresponds at least approximately to the diameter of the bearing axis 8 in the upper region and which is connected to the carrier body 7. The inner contour of the bearing shell is adapted to section 14.

Die freien Stirnflächen auf der Ober- und auf der Unterseite des Abschnitts 14 sind mit einem Rillenmuster versehen, das sich aus Paaren von aufeinander zulaufenden Rillen zusammensetzt. Vorzugsweise verlaufen die Rillen dabei entsprechend den Bogenstücken von zwei logarithmischen Spiralen mit entgegengesetztem Umlaufsinn. Hierdurch können in axialer Richtung wirkende Kräfte aufgenommen werden.The free end faces on the top and on the underside of the section 14 are provided with a groove pattern which is composed of pairs of grooves which converge towards one another. The grooves preferably run in accordance with the arcs of two logarithmic spirals with opposite directions of rotation. In this way, forces acting in the axial direction can be absorbed.

Der Spalt zwischen der Lagerachse 8 und der Lagerschale 9 ist zumindest im Bereich des Rillenmusters mit einem flüssigen Schmiermittel gefüllt, vorzugsweise einer Galliumlegierung. Die Breite des Spaltes kann der Tiefe der Rillen entsprechen und in der Praxis beispielsweise zwischen 10 µm und 30 µm liegen. Wenn die Drehanode in der vorgeschriebenen Drehrichtung rotiert, wird das Schmiermittel in den Bereich der Rillenmuster transportiert, in dem die Rillenmuster paarweise zusammenlaufen. Hier baut sich in dem Schmiermittel ein Druck auf, der radial bzw. axial auf das Lager wirkende Kräfte aufnehmen kann, und die Lagerschale 9 "schwimmt" in diesem Zustand auf der Lagerachse 8.The gap between the bearing axis 8 and the bearing shell 9 is at least in the region of the groove pattern with a liquid Lubricant filled, preferably a gallium alloy. The width of the gap can correspond to the depth of the grooves and in practice can be, for example, between 10 µm and 30 µm. When the rotating anode rotates in the prescribed direction of rotation, the lubricant is transported into the area of the groove pattern in which the groove patterns converge in pairs. Here, a pressure builds up in the lubricant, which can absorb forces acting radially or axially on the bearing, and the bearing shell 9 "floats" in this state on the bearing axis 8.

Erfindungsgemäß ist dem Schmiermittel ein Feststoff zugesetzt, der bei den Start- und Stoppvorgängen die Reibung zwischen der Lagerschale 9 und der Lagerachse verringert. Im folgenden werden einige dafür geeignete Schmiermittelzusätze genannt:

  • a) Wolframdiselenid (WSe₂) oder Tantaldiselenid (TaSe₂). Diese Feststoffe verhindern den Verschleiß dadurch, daß sie mit ihrer lammelaren Kristallstruktur zwischen den Lagerteilen und dem Einfluß der tangential wirkenden Scherkräfte in sich selbst abscheren.
  • b) Molybdändisulfid. Der Wirkungsmechanismus entspricht demjenigen der unter a) erwähnten Selenide. Der Gleitreibungskoeffizient zwischen nicht geschmierten TZM- bzw Molybdän-Lagerflächen wird durch den Zusatz von Molybdänsulfid auf weniger als ein Zehntel seines Wertes ohne diesen Fesstoff herabgesetzt.
    Die guten Schmiereigenschaften der unter a) und b) angeführten Zusatzstoffe sind bekannt. So ist in der US-PS 3,427,244 ein sich selbst schmierender Körper beschrieben, der aus einem unter Druck und Temperatur verfestigten Sintergemisch aus drei Komponenten hergestellt ist: 10 bis 30 Gew.% einer Galliumlegierung, 90 bis 70 Gew.% eines festen Schmiermittels, das durch ein Sulfid oder ein Selenid von Wolfram oder Molybdän gebildet wird, und ein Füllmittel aus einem Metallpulver.
  • c) Monodisperse Oxidpartikel. Dabei handelt es sich um Partikel beispielsweise aus Siliziumdioxid (SiO₂). die Herstellung dieser von der Firma Ernst Merck vertriebenen Partikel ist in der EP-PS 216 278 beschrieben. Diese Partikel haben die Form von Kugeln, deren mittlerer Durchmesser je nach Wahl der Parameter des Herstellungsprozesses zwischen 10 und 2000 nm betragen kann. Bei einem Start- oder Stoppvorgang befinden sich diese Mikro-Kugeln zwischen den Lagerflächen der sich relativ zueinander verschiebenden Lagerteile 8,9, so daß diese aufeinander abrollen.
  • d) Fullerene. Die aus der Zeitschrift "Scientific American", Okt. 1991, Seiten 32 bis 41 bekannten Fullerene haben Kugelform, wenn sie aus C₆₀ Molekülen bestehen. Es ergibt sich im Hinblick auf die Reibung zwischen den Lagerteilen daher ein ähnlicher Mechanismus wie bei den monodispersen Partikeln.
According to the invention, a solid is added to the lubricant, which reduces the friction between the bearing shell 9 and the bearing axis during the starting and stopping processes. Some suitable lubricant additives are listed below:
  • a) tungsten diselenide (WSe₂) or tantalum diselenide (TaSe₂). These solids prevent wear by shearing themselves off with their lamellar crystal structure between the bearing parts and the influence of the tangentially acting shear forces.
  • b) molybdenum disulfide. The mechanism of action corresponds to that of the selenides mentioned under a). The addition of molybdenum sulfide reduces the coefficient of sliding friction between non-lubricated TZM or molybdenum bearing surfaces to less than a tenth of its value without this solid.
    The good lubricating properties of the additives listed under a) and b) are known. For example, a self-lubricating body is described in US Pat. No. 3,427,244, which consists of a body under pressure and temperature solidified sintered mixture is made up of three components: 10 to 30% by weight of a gallium alloy, 90 to 70% by weight of a solid lubricant which is formed by a sulfide or a selenide of tungsten or molybdenum, and a filler made of a metal powder.
  • c) Monodisperse oxide particles. These are particles made of silicon dioxide (SiO₂), for example. the production of these particles sold by the Ernst Merck company is described in EP-PS 216 278. These particles have the shape of spheres, the average diameter of which can be between 10 and 2000 nm, depending on the parameters of the manufacturing process. During a start or stop operation, these microbeads are located between the bearing surfaces of the bearing parts 8, 9 which move relative to one another, so that they roll on one another.
  • d) fullerenes. The fullerenes known from the journal "Scientific American", Oct. 1991, pages 32 to 41 have a spherical shape if they consist of C₆₀ molecules. With regard to the friction between the bearing parts, there is therefore a mechanism similar to that of the monodisperse particles.

Wenn der Anteil des Feststoffs in dem Schmiermittel-Feststoffgemisch zwischen 0,05 und 5 Gew.% liegt, ergeben sich brauchbare Ergebnisse; gute Ergebnisse ergeben sich bei einem Feststoffgehalt zwischen 0,1 und 2 Gew.% und optimale Ergebnisse bei einem Gehalt zwischen 0,3 und 1 Gew.%. Bei niedrigeren Anteilen ergibt sich nur noch eine eingeschränkte Wirksamkeit und bei höheren Anteilen besteht die Gefahr, daß die Rillen des Rillenmusters von dem Feststoff zugesetzt werden, was die Funktionsfähigkeit des Lagers im Normalbetrieb (rotierende Drehanode) beeinträchtigen kann.If the proportion of solid in the lubricant-solid mixture is between 0.05 and 5% by weight, useful results are obtained; good results are obtained with a solids content between 0.1 and 2% by weight and optimal results with a content between 0.3 and 1% by weight. With lower proportions there is only a limited effectiveness and with higher proportions there is a risk that the grooves of the groove pattern will be clogged by the solid, which will affect the functionality of the Bearing in normal operation (rotating anode).

Claims (7)

Drehanoden-Röntgenröhre mit einem Gleitlager, das einen festen und einen drehbaren Lagerteil (8,9) mit einander zugewandten Lagerflächen umfaßt, von denen wenigstens eine mit einem Rillenmuster (11) versehen ist, wobei sich zwischen den Lagerflächen ein zumindest im Betriebszustand flüssiges Schmiermittel befindet,
dadurch gekennzeichnet, daß dem Schmiermittel ein Feststoff mit niedriger Gleitreibung zugesetzt ist.Rotary anode X-ray tube with a plain bearing, which comprises a fixed and a rotatable bearing part (8, 9) with mutually facing bearing surfaces, at least one of which is provided with a groove pattern (11), a lubricant, at least in the operating state, being located between the bearing surfaces ,
characterized in that a solid with low sliding friction is added to the lubricant. Drehanoden-Röntgenröhre nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß als Schmiermittel eine Galliumlegierung vorgesehen ist.Rotary anode X-ray tube according to claim 1,
characterized in that a gallium alloy is provided as the lubricant. Drehanoden-Röntgenröhre nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der Feststoff aus Wolfram- oder Tantaldiselenid besteht.Rotary anode X-ray tube according to claim 1 or 2,
characterized in that the solid consists of tungsten or tantalum diselenide. Drehanoden-Röntgenröhre nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der Feststoff aus Molybdändisulfid besteht.Rotary anode X-ray tube according to claim 1 or 2,
characterized in that the solid consists of molybdenum disulfide. Drehanoden-Röntgenröhre nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der Feststoff aus monodispersen Oxidpartikeln besteht.Rotary anode X-ray tube according to claim 1 or 2,
characterized in that the solid consists of monodisperse oxide particles. Drehanoden-Röntgenröhre nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der Feststoff aus Fullerenen besteht.Rotary anode X-ray tube according to claim 1 or 2,
characterized in that the solid consists of fullerenes. Drehanoden-Röntgenröhre nach Anspruch 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß der Feststoffgehalt zwischen 0,05 und 5 Gew.%, vorzugsweise zwischen 0,1 und 2 Gew.%, insbesondere bei 0,3 und 1 Gew.% liegt.Rotary anode X-ray tube according to claim 1 to 6,
characterized in that the solids content is between 0.05 and 5% by weight, preferably between 0.1 and 2% by weight, in particular 0.3 and 1% by weight.
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