DE19614841C2 - Flüssigmetall-Gleitlager mit Kühllanze - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Flüssigmetall-Gleitlager mit einem rotierenden und mit einem feststehenden Lagerteil, welches eine Bohrung aufweist, welche eine rohrartig ausgebildete, feststehende Kühllanze aufnimmt, zwischen welchen sich ein mit einem Kühlmedium gefüllter konzentrischer Ringspalt be­ findet, welches Kühlmedium durch die Kühllanze strömt und aus dem in der Bohrung aufgenommenen Ende der Kühllanze in den Ringspalt eintritt.

Flüssigmetall-Gleitlager finden beispielsweise in Form von Spiralrillengleitlagern bei Röntgenröhren zur Lagerung von Drehanoden Verwendung und sind meist im Inneren des Vakuumge­ häuses der Röntgenröhre aufgenommen. Da sich Flüssigmetall- Gleitlager während des Betriebes der Röntgenröhre in der Re­ gel reibungsbedingt erwärmen, ist es von Vorteil, diese zu kühlen, um zum einen deren Funktionsfähigkeit sicherzustellen und zum anderen einen Teil der zusätzlich während des Betrie­ bes in der Röntgenröhre entstehenden Wärmemenge abzuführen, wodurch die Funktionsfähigkeit der Röntgenröhre insgesamt vorteilhaft beeinflußt wird.

Aus der DD 241 676 A1 ist bei­ spielsweise eine Festanodenröntgenröhre bekannt, welche über Kühleinrichtungen zur Kühlung der Festanode verfügt. Ein Kühlmittel durchströmt dabei eine Kühlmittelzuleitung, tritt in eine auf der Rückseite der Festanode vorhandene Bohrung ein und strömt anschließend unter Aufnahme von im Betrieb der Festanode erzeugten Wärme über Kühlmittelkanäle nach außen.

Zur Kühlung eines Flüssigmetall-Gleitlagers ist es bekannt, eine sogenannte Kühllanze einzusetzen, welche meist rohrartig ausgebildet und in einer Bohrung eines feststehenden Lager­ teils des Flüssigmetall-Gleitlagers angeordnet ist. Über die Kühllanze gelangt ein Kühlmedium mit Hilfe einer Pumpe in die Bohrung des Flüssigmetall-Gleitlagers und durchströmt in der Regel anschließend einen zwischen der Bohrung und der Kühl­ lanze befindlichen konzentrischen Ringspalt, wodurch ein Ab­ transport der im Betrieb des Flüssigmetall-Gleitlagers ent­ stehenden und von dem Kühlmedium an der Wandung der Bohrung aufgenommenen Wärmemenge erfolgt.

Aus der EP 0 477 868 A1 und der EP 0 479 197 A1 sind Dreh­ anodenröntgenröhren mit Flüssigmetall-Gleitlagern und aus der WO 95/19039 ist eine Drehanodenröntgenröhre mit einem Kugel­ lager bekannt, welche alle eine derartige in einer Bohrung eines stationären Gleitlagerteils aufgenommene Kühllanze auf­ weisen. Des weiteren ist aus der DE 39 10 224 A1 eine Dreh­ anodenröntgenröhre mit einem Kugellager bekannt, welche zur Kühlung einer hohlen Drehanode eine innerhalb der hohlen Drehanode angeordnete, mit Kühlmittelkanälen versehene, sta­ tionäre Scheibe einer stationären Kühleinheit aufweist, wobei die Wärme zwischen der Drehanode und der stationären Scheibe über Wärmestrahlung übertragen wird. Im Betrieb der Dreh­ anodenröntgenröhre wird die stationäre Scheibe dabei von ei­ nem Kühlmittel durchströmt, wobei die Kühlmittelzu- und -ab­ fuhr über zwei Rohre der stationären Kühleinheit erfolgt, von denen das eine innerhalb des anderen angeordnet ist, so daß zwischen den Rohren ein Ringspalt vorhanden ist, der den Rückflußkanal des Kühlmittels bildet. Weiterhin ist aus der DE 34 37 870 A1 eine Drehanodenröntgenröhre mit einem Luft- bzw. Kugellager bekannt, welches ein zum Transport von Kühl­ mittel zur Drehanode vorgesehenes in einer mit der Drehanode fest verbundenen rotierenden Hohlwelle aufgenommenes Rohr aufweist. Das Kühlmittel gelangt dabei über einen Einlaß durch das Innere des Rohres zu in der Drehanode vorhandenen Kühlmittelkanälen und strömt anschließend durch einen zwi­ schen dem Rohr und der Hohlwelle vorhandenen Ringspalt zu ei­ nem Anodenkühlmittelauslaß zurück.

Zur Sicherstellung der Kühlung von Flüssigmetall-Gleitlagern mit Hilfe von Kühllanzen sind diese gegenwärtig derart ausge­ führt, daß die Querschnittsfläche des konzentrischen Ring­ spaltes gleich der von dem Kühlmedium durchströmten Quer­ schnittsfläche der Kühllanze ist, wobei unter Umständen zur Verbesserung der Kühlwirkung zusätzlich Strömungsleiteinrich­ tungen in den konzentrischen Ringspalt eingebaut sind. Derar­ tig ausgeführte Kühllanzen besitzen jedoch den Nachteil, daß beim Durchströmen des Kühlmediums durch den konzentrischen Ringspalt derart große Strömungsdruckverluste auftreten, daß häufig Umwälzpumpen mit höherer Leistung bei gleichzeitig hö­ herer Energieaufnahme zur Abführung der im Betrieb des Flüs­ sigmetall-Gleitlagers entstehenden Wärme eingesetzt werden müssen. Durch den Einsatz zusätzlicher Strömungsleiteinrich­ tungen wird zwar einerseits der Wärmeübergang von der Wandung der Bohrung des Flüssigmetall-Gleitlagers auf das Kühlmedium durch eine Vergrößerung der Oberfläche verbessert, anderer­ seits erhöhen sich jedoch die Strömungsdruckverluste (Reibungsverluste, Sekundärströmungen) durch die Versperrun­ gen im Strömungspfad des Ringspaltes weiter, so daß die Wärme nur durch eine Pumpe höherer Leistung abgeführt werden kann. Wirkt man den Strömungsdruckverlusten also zur Aufrechterhal­ tung der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums im Ring­ spalt durch eine Erhöhung der Leistung der Pumpe oder, falls diese nicht ausreichend ist, durch eine größere Pumpe, welche das Kühlmedium in die Kühllanze pumpt, entgegen, führt dies zu einem starken Anstieg der Betriebskosten einer derart be­ triebenen Röntgenröhre, die einem wirtschaftlichen Einsatz einer solchen Röntgenröhre entgegenstehen.

Aus der EP 0 584 868 A1 ist außerdem eine Drehanodenröntgen­ röhre mit einem Flüssigmetallgleitlager bekannt, das ein mit einem zylinderförmigen Hohlraum versehenes stationäre Gleit­ lagerteil aufweist. In dem Hohlraum ist ein eine Kühllanze umgebender Kühlkörper angeordnet. Dabei wird die Lehre ver­ mittelt, daß zur effektivsten Kühlung des Flüssigmetallgleit­ lagers der Innendurchmesser des Kühlkörpers und somit der Au­ ßendurchmesser der Kühllanze etwa halb so groß wie der Außen­ durchmesser des Kühlkörpers und somit der Durchmesser des Hohlraums sein sollte, wobei bei dieser Wahl der Durchmesser des Hohlraums und der Kühllanze die Querschnittsfläche des konzentrischen Ringspaltes stets größer als die Querschnitts­ fläche der Kühllanze ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Flüssig­ metall-Gleitlager der eingangs genannten Art so auszubilden, daß auf einfache und kostengünstige Weise eine gute Kühlung des Flüssigmetall-Gleitlagers erreicht wird.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch ein Flüs­ sigmetall-Gleitlager mit einem rotierenden und mit einem feststehenden Lagerteil, welches eine zur Erzeugung einer la­ minaren Kühlmittelströmung mit Rillen versehene Bohrung auf­ weist, welche eine rohrartig ausgebildete, feststehende Kühl­ lanze aufnimmt, zwischen welchen sich ein mit einem Kühlme­ dium gefüllter konzentrischer Ringspalt befindet, welches Kühlmedium durch die Kühllanze strömt und aus dem in der Boh­ rung aufgenommenen Ende der Kühllanze in den Ringspalt ein­ tritt, wobei die Querschnittsfläche des konzentrischen Ringspaltes im Bereich der mit Rillen versehenen Bohrung kleiner ist als die von dem Kühlmedium durchströmte Quer­ schnittsfläche der Kühllanze. Im Falle des erfindungsgemäßem Flüssigmetall-Gleitlagers erhöht sich somit infolge der Ver­ ringerung der Querschnittsfläche des Ringspaltes gegenüber der vom Kühlmedium durchströmten Querschnittsfläche der Kühl­ lanze gemäß dem Strömungsgesetz die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums beim Durchströmen des konzentrischen Ringspaltes, wodurch die Wärmeabfuhr aus dem Flüssigmetall- Gleitlager deutlich verbessert ist und eine gute Kühlung des Flüssigmetall-Gleitlagers erreicht ist. Die Strömungsge­ schwindigkeit des Kühlmediums im Ringspalt kann im Falle der Erfindung auch ohne Erhöhung der Leistung einer Pumpe bzw. ohne Einsatz einer größeren Pumpe, welche das Kühlmedium in die Kühllanze pumpt, aufrecht erhalten bzw. vergrößert wer­ den.

Gemäß einer Variante der Erfindung weist die Bohrung des feststehenden Lagerteils des Flüssigmetall-Gleitlagers eine kreisförmige Bodenfläche mit einer ringartig kegelförmig zu­ laufenden Vertiefung auf, wodurch die Strömungsverhältnisse des aus der Kühllanze in die Bohrung und anschließend in den Ringspalt eintretenden Kühlmediums verbessert sind. Die Spitze des ungefähr in der Mitte der Vertiefung liegenden Ke­ gels liegt dabei zumindest annähernd auf der Mittelachse der Kühllanze, wobei der Kegel und die Vertiefung das aus der Kühllanze austretende Kühlmedium in Richtung auf den Ringspalt umlenken.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfin­ dung zirkuliert das Kühlmedium in einem Kühlkreislauf, wobei das Kühlmedium vorteilhafterweise in einem das Vakuumgehäuse der Röntgenröhre umgebenden Schutzgehäuse aufgenommen ist. Auf diese Weise sorgt das Kühlmedium einerseits für die Küh­ lung des Vakuumgehäuses der Röntgenröhre und kann anderer­ seits zur Kühlung des Flüssigmetall-Gleitlagers mit Hilfe ei­ ner Pumpe in die Kühllanze gepumpt werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den beigefügten Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Drehanoden-Röntgenröhre mit einem erfindungsgemäßen Flüssigmetall-Gleitlager mit Kühllanze für eine Drehanode in teilweise geschnittener Darstellung,

Fig. 2 in vergrößerter Darstellung einen Schnitt durch das Flüssigmetall-Gleitlager mit Kühllanze, und

Fig. 3 in grob schematischer Darstellung einen Längsschnitt durch einen Röntgenstrahler mit einem erfindungsgemäßen Flüssigmetall-Gleitlager.

In der Fig. 1 ist eine Drehanoden-Röntgenröhre dargestellt, die eine Drehanode 1 aufweist, die in einem Vakuumgehäuse 2 untergebracht ist. Das Vakuumgehäuse 2 enthält außerdem noch in an sich bekannter Weise eine Kathode 3, die in einem Ka­ thodenbecher 4 eine in Fig. 1 nicht sichtbare Glühwendel ent­ hält.

Um die drehbare Lagerung der Drehanode 1 zu gewährleisten, ist ein insgesamt mit 7 bezeichnetes Flüssigmetall-Gleitlager vorgesehen, das als inneres Gleitlagerteil eine fest mit dem Vakuumgehäuse 2 verbundene Lagerungsachse 6 aufweist. An dem äußeren rotierenden Gleitlagerteil 8 ist der Anodenteller 5 der Drehanode 1 fest angebracht.

Wie aus den Fig. 1 und 2 ersichtlich ist, ist die Lage­ rungsachse 6 mit einem Bund ausgeführt, so daß zwischen dem aus zwei Teilen 8a und 8b zusammengesetzten äußeren Gleitla­ gerteil 8 und der Lagerungsachse 6 ein zylindrisches Lager­ flächenpaar 9 mit Übertragung von in bezug auf die Mittel­ achse M der Drehanode 1 radialen Kräfte und zwei kreisring­ förmige Lagerflächenpaare 11 und 12 zur Übertragung von be­ züglich der Mittelachse M axial gerichteten Kräfte vorgesehen sind.

Der zwischen der Lagerungsachse 6 und dem äußeren Gleitlager­ teil 8 befindliche Lagerspalt ist in aus der Fig. 2 nicht er­ sichtlicher Weise mit einem Flüssigmetall, beispielsweise ei­ ner Gallium und/oder Indium und/oder Zinn enthaltenden Legie­ rung gefüllt.

Das äußere Gleitlagerteil 8a, das in einer zylindrischen Bohrung die Lagerungsachse 6 aufnimmt, und das ringförmige Gleitlagerteil 8b, durch dessen zylindrische Öffnung sich die Lagerungsachse 6 erstreckt, sind mit Hilfe von Schrauben, es sind in Fig. 1 und 2 nur die mit 21 bezeichneten Mittellinien einiger Schrauben dargestellt, miteinander verbunden. Das der Drehanode 1 abgewandte Ende der zylindrischen Öffnung des ringförmigen Gleitlagerteils 8b stellt das in Fig. 2 mit 14 bezeichnete Ende des Lagerspaltes dar, das in an sich bekann­ ter Weise mit in den Fig. 1 bis 3 nicht dargestellten Dichtmitteln versehen ist, um den Austritt von Flüssigmetall aus dem Flüssigmetall-Gleitlager zu verhindern.

Mit Hilfe der gleichen Schrauben, die zur Befestigung des Gleitlagerteils 8b an dem Gleitlagerteil 8a dienen, ist auch ein Rotor 17 eines zum Antrieb der Drehanode 1 vorgesehenen Elektromotors mit dem äußeren Gleitlagerteil 8 verbunden.

Der Rotor 17 wirkt mit einem schematisch angedeuteten Stator 18 zusammen, der im Bereich des Rotors 17 auf die Außenwand des Vakuumgehäuses 2 aufgesetzt ist, und bildet mit diesem einen elektrischen Kurzschlußläufermotor, der bei Versorgung mit einem entsprechenden Strom die Drehanode 1 rotieren läßt.

Der Rotor 17 weist übrigens ein aus einem ferromagnetischen Werkstoff gebildetes ringförmiges Innenteil 17a und ein fest auf dieses aufgesetztes, zylinderrohrförmiges Außenteil 17b aus einem nichtmagnetischen, elektrisch gut leitenden Werk­ stoff auf.

Wie der Fig. 2 entnommen werden kann, ist die Lagerungsachse 6 mit einer Bohrung 19 versehen, deren kreisförmige Bodenflä­ che eine ringartig kegelförmig zulaufende Vertiefung 20 auf­ weist. Die Bohrung 19 nimmt eine rohrartig ausgeführte Kühl­ lanze 15 auf, welche gemäß Fig. 3 mit einem das Vakuumgehäuse 2 der Röntgenröhre 23 umgebenden, mit einem Kühlmedium 26, beispielsweise einem Isolieröl, gefüllten Schutzgehäuse 22 fest verbunden ist.

Die Kühllanze 15 ist dabei an eine Umwälzpumpe 24, welche über eine Ansaugleitung 25 verfügt, angeschlossen. Die Um­ wälzpumpe 24 saugt über die Ansaugleitung 25 Kühlmedium 26 aus dem Schutzgehäuse 22 an und pumpt es in die Kühllanze 15. Das Kühlmedium 26 durchströmt die Kühllanze 15 und tritt aus dem in der Bohrung 19 aufgenommenen Ende der Kühllanze 15 aus, wobei der Strahl des Kühlmediums 26 durch den aus der Bodenfläche der Bohrung 19 herausragenden Kegel und die ring­ förmige Vertiefung 20 in Richtung auf einen konzentrischen Ringspalt 16, der sich zwischen der Kühllanze 15 und der zy­ lindrischen Wandung der Bohrung 19 befindet, umgelenkt wird. Die Spitze des Kegels liegt dabei zumindest annähernd auf der Mittelachse M des Flüssigmetall-Gleitlagers 7. Auf diese Weise wird das Strömungsverhalten des Kühlmediums 26 nach dem Austritt aus der Kühllanze 15 hinsichtlich des Eintritts in den Ringspalt 16 vorteilhaft beeinflußt.

Hierbei ist wesentlich, daß die Querschnittsfläche des kon­ zentrischen Ringspaltes 16 kleiner ist als die vom Kühlmedium 26 durchströmte Querschnittsfläche der Kühllanze 15. Dadurch wird der gegenüber Flüssigmetall-Gleitlagern mit Kühllanzen konventioneller Bauart auftretenden schlechten Wärmeabfuhr im einbautenfreien konzentrischen Ringspalt bzw. den auftreten­ den Strömungsdruckverlusten bei zusätzlich im konzentrischen Ringspalt vorhandenen Strömungsleiteinrichtungen entgegenge­ wirkt. Durch die kleinere Querschnittsfläche des konzentri­ schen Ringspaltes 16 erhöht sich gemäß dem Strömungsgesetz die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums 26 im Ringspalt 16 und sorgt somit ohne Erhöhung der Leistung der Umwälzpumpe für eine gute Abfuhr der im Betrieb der Röntgenröhre 23 bzw. des Flüssigmetall-Gleitlagers 7 entstehenden von dem Kühlme­ dium 26 an der zylindrischen Wandung der Bohrung 19 der Lage­ rungsachse 6 aufgenommenen Wärmemenge, wodurch die Kühlung des Flüssigmetall-Gleitlagers 7 deutlich verbessert ist.

Das erwärmte Kühlmedium 26 tritt anschließend aus dem Ring­ spalt 16 in das mit dem Kühlmedium 26 gefüllte Schutzgehäuse 22 der Röntgenröhre 23 ein.

Eine nochmalige Verbesserung der Kühlwirkung kann dann er­ reicht werden, wenn wie in den Figuren nicht dargestellter Weise der konzentrische Ringspalt mit Strömungsleiteinrich­ tungen, beispielsweise mit Rillen an der Wandung der Bohrung, versehen ist. Durch die Vergrößerung der Oberfläche kann das durch den Ringspalt 16 strömende Kühlmedium 26 eine größere Wärmemenge aufnehmen, wodurch die Kühlung der Wandung der Bohrung 19 der Lagerungsachse 6 noch effektiver wird. Hierbei ist jedoch darauf zu achten, daß die Querschnittsfläche des Ringspaltes 16 mit Strömungsleiteinrichtungen kleiner als die vom Kühlmedium 26 durchströmte Querschnittsfläche der Kühl­ lanze 15 ist, damit der positive Effekt der größeren Oberflä­ che für den Wärmeübergang nicht durch eine Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums 26 im Ringspalt 16 kompensiert wird.

Im übrigen muß die Bodenfläche der Bohrung 19 der Lagerungs­ achse 6 nicht notwendigerweise mit einer ringartig kegelför­ mig zulaufenden Vertiefung 20 versehen sein, sondern kann zur Verbesserung der Strömungsverhältnisse auch andersartig aus­ geführt sein. Es kann auch eine Bodenfläche von kreisförmiger Gestalt vorgesehen sein.

Im Falle des beschriebenen Ausführungsbeispiels handelt es sich bei der Bohrung 19 um eine zylindrische Bohrung und bei der Kühllanze um eine zylindrische Kühllanze 15. Es kann im Rahmen der Erfindung aber auch eine anders geformte Bohrung und eine anders geformte Kühllanze vorgesehen sein, sofern die Querschnittsfläche des Ringspaltes kleiner ist als die vom Kühlmedium durchströmte Querschnittsfläche der Kühllanze.

Die Erfindung wurde vorstehend am Beispiel von Röntgenröhren erläutert. Die Verwendung erfindungsgemäßer Flüssigmetall- Gleitlager ist jedoch nicht auf den Einsatz von Röntgenröhren beschränkt.

Wenn vorstehend von Bohrungen beispielsweise einer Bohrung im äußeren Gleitlagerteil 8a die Rede ist, so bedeutet dies nicht, daß diese notwendigerweise durch Bohren hergestellt sind. Vielmehr kommt außer Bohren auch jedes andere geeignete Herstellungsverfahren zur Herstellung einer Bohrung in Frage.

Claims (5)

1. Flüssigmetall-Gleitlager mit einem rotierenden (8) und mit einem feststehenden (6) Lagerteil, welches eine zur Erzeugung einer laminaren Kühlmittelströmung mit Rillen versehene Boh­ rung (19) aufweist, welche eine rohrartig ausgebildete, fest­ stehende Kühllanze (15) aufnimmt, zwischen welchen sich ein mit einem Kühlmedium (26) gefüllter konzentrischer Ringspalt (16) befindet, welches Kühlmedium (26) durch die Kühllanze (15) strömt und aus dem in der Bohrung (19) aufgenommenen Ende der Kühllanze (15) in den Ringspalt (16) eintritt, wobei die Querschnittsfläche des konzentrischen Ringspaltes (16) im Bereich der mit Rillen versehenen Bohrung (19) kleiner ist als die von dem Kühlmedium (26) durchströmte Querschnittsflä­ che der Kühllanze (15).

2. Flüssigmetall-Gleitlager nach Anspruch 1, dessen Bohrung (19) eine kreisförmige Bodenfläche mit einer ringartig, ke­ gelförmig zulaufenden Vertiefung (20) aufweist.

3. Flüssigmetall-Gleitlager nach Anspruch 1 oder 2, dessen Kühlmedium (26) in einem Kühlkreislauf zirkuliert.

4. Drehanoden-Röntgenröhre mit einem zur Lagerung der Dreh­ anode (1) vorgesehenen, im Vakuumgehäuse (2) der Röntgen­ röhre (23) aufgenommenen Flüssigmetall-Gleitlager (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die feststehende Kühllanze (15) von einem das Vakuumgehäuse (2) umgebenden, in einem Schutzgehäuse (22) aufgenommenen Kühlmedium (26) durchströmt wird.

5. Verwendung eines Flüssigmetall-Gleitlagers (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zur Lagerung der Drehanode (1) einer Drehanoden-Röntgenröhre (23).