AT412688B - Verfahren zum herstellen einer verbindung von röntgenröhrenkomponenten - Google Patents

Description

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   Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer Verbindung von Röntgenröhrenkomponenten, die unterschiedliches Wärmeausdehnungsvermögen haben. 



   Röntgenröhren sind zu einem wesentlichen Bestandteil medizinisch-diagnostischer Bildgebungsverfahren, medizinischer Therapien, verschiedenster medizinischer Testindustrien sowie zahlreicher Materialanalyseindustrien geworden. Typische Röntgenröhren sind mit einer Drehanodenstruktur aufgebaut, um die im Brennfleck erzeugte Wärme zu verteilen. Die Anode wird von einem Induktionsmotor in Drehung versetzt, der aus einem zylindrischen Rotor, welcher in eine Achse eingebaut ist, die das scheibenförmige Anodentarget trägt, und aus einer Eisenstatorstruktur mit Kupferwicklungen besteht, welche den langgestreckten Hals der Röntgenröhre umgibt, der den Rotor enthält. Der Rotor der Drehanodenanordnung, der von dem ihn umgebenden Stator angetrieben wird, liegt auf anodischem Potential, wogegen der Stator manchmal elektrisch geerdet wird. 



  Die Röntgenröhrenkathode erzeugt einen fokussierten Elektronenstrahl, der über den Vakuumspalt zwischen Anode und Kathode beschleunigt wird und beim Aufprall auf die Anode Röntgenstrahlen erzeugt. 



   Bei einer Röntgenröhrenvorrichtung mit einer Drehanode besteht das Target aus einer Scheibe aus einem hitzebeständigen Metall wie Wolfram, und Röntgenstrahlen werden erzeugt, indem der Elektronenstrahl auf dieses Target auftreffen gelassen wird, während das Target mit hoher Geschwindigkeit gedreht wird. Die Drehung des Targets wird durch Antreiben des Rotors erreicht, der auf einem Trägerschaft angeordnet ist, welcher sich vom Target wegerstreckt. Diese Anordnung ist für rotierende Röntgenröhren typisch und seit ihrer Einführung in der Betriebsweise relativ unver- ändert geblieben. Die Betriebsbedingungen für Röntgenröhren haben sich jedoch in den letzten zwei Jahrzehnten beträchtlich verändert. 



   Moderne Röntgenröhren verwenden grosse (200 mm Durchmesser, 4,5 kg), frei auskragend montierte Targets, die sich mit Geschwindigkeiten von bis zu 10. 000 U/min drehen. Extrem hohe Temperaturänderungen treten während des Betriebes der Röhre auf, u.zw. im Bereich von Raumtemperatur bis zu 1600 C, hervorgerufen durch die Abbremsung schneller Elektronen in der Wolfram-Rheniumschicht der Targetbrennspur. In einer typischen Röntgenröhre werden das Target, die Rotoranordnung und die Lageranordnung beispielsweise über verschraubte, verlötete und/oder verschweisste Verbindungsstellen bzw. Schnittstellen zusammengebaut. 



   Für die Zwecke des Wärmemanagements und des Komponentenschutzes, z. B. der Lager, werden Materialien mit geringer Wärmeleitfähigkeit in den Wärmepfad eingebaut. Im allgemeinen haben solche Materialien einen wesentlich höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten als andere in der Röntgenröhre verwendete Materialien. Diese Komponenten müssen jedoch mit den anderen auf irgendeine Art und Weise verbunden werden (d. h. durch Schweissen, Löten, Verschrauben usw. ). An diesen Schnittstellen kann das grössere Mass an Wachstum daher ein Nachgeben jener Komponenten bewirken, die mit einer kleineren Rate wachsen. 



   Die Aufrechterhaltung des Gleichgewichtes bei hohen Rotationsgeschwindigkeiten und hohen Temperaturen ist extrem kritisch. Eine typische Unwuchttoleranz grösserer Röhren zum Vertriebszeitpunkt ist 5 g-cm in der Target- oder der Rotorebene. Annähernd 5% aller hergestellten Röhren mit grossen Targets (165 mm Durchmesser, 2,7 kg) sind auf Grund starker Unwucht unbrauchbar. 



  Eine Verschiebung des Targetschwerpunktes um 19 um erzeugt bereits dieses Mass an Unwucht. 



  In dem Masse, wie die Anoden grösser und schwerer werden, wird das Mass an Verschiebung, das die zulässige Unwuchttoleranz überschreitet, kleiner. Bei den neuesten Targetgrössen (Durchmesser etwa 200 mm und Masse etwa 4,5 kg) übersteigt bereits eine Verschiebung von 11 um die zulässige Unwuchttoleranz. Solche kleinen Verschiebungen können jedoch wegen der grossen Temperaturunterschiede in Verbindung mit der Verwendung von Materialien, die unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, bereits leicht auftreten. Darüber hinaus ist die Auswahl von kompatiblen Materialien für die Schnittstellen oft durch die Betriebstemperatur, die Materialfestigkeit und die Materialausdehnungseigenschaften begrenzt. Zusätzlich sind verschraubte, gelötete oder geschweisste Schnittstellen eine Hauptursache für Unwucht. 



   Es sei erwähnt, dass die DE 39 24 277 eine keramische Transportwelle offenbart, die an wenigstens einem Ende mit einer metallischen Endkappe versehen ist, über die die Ankoppelung der Transportwelle an einen Drehantrieb erfolgt. Die Endkappe hat einen Innendurchmesser, der grösser ist als der Aussendurchmesser der Transportwelle an dieser Stelle. In dem Zwischenraum ist eine metallische Hülse angeordnet. Die Hülse weist axiale Schlitze auf und besteht aus einem 

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 Metall, das einen grösseren linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist als das Metall, aus dem die Endkappe besteht. Durch die Wärmeausdehnung der Wand der Hülse in radialer Richtung wird die durch die Wärmeausdehnung der Endkappe bedingte Durchmesservergrösserung der Endkappe kompensiert. 



   Die Erfindung zielt darauf ab, ein verbessertes Verfahren zum Verbinden zweier oder mehrerer Teile einer Röntgenröhre zu schaffen, die unterschiedliches Wärmeausdehnungsvermögen haben, insbesondere für Hochtemperaturanwendungen. 



   Das erfindungsgemässe Verfahren zum Herstellen einer Verbindung von Röntgenröhrenkomponenten der einleitend angegebenen Art zeichnet sich dadurch aus, dass eine erste und eine zweite Drehkörperkomponente mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten ineinander gesteckt werden, wobei mehrere Schlitze vorzugsweise über annähernd die axiale Länge einer der beiden Drehkörperkomponenten erzeugt werden, die über den Umfang der Drehkörperkomponente symmetrisch beabstandet werden und jeder Schlitz an den Schlitzenden mit einer vorzugsweise kreisförmigen Enderweiterung versehen wird, um die Unterschiede in den Wärmeausdehnungskoeffizienten auszugleichen und bei Betriebstemperatur einen Presssitz der Komponenten aufrechtzuerhalten. 



   Nach einem anderen Verfahrensmerkmal werden in der mit Schlitzen versehenen Drehkörperkomponente durch die gleich beabstandeten Schlitze radial nachgiebige Abschnitte geformt. 



   Nach einem weiteren Verfahrensmerkmal werden eine erste und eine zweite Drehkörperkomponente mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten in ein Kupplungselement gesteckt, wobei mehrere über den Umfang des Kupplungsstückes symmetrisch beabstandete Schlitze vorzugsweise über annähernd die axiale Länge des Kupplungselementes erzeugt werden und jeder Schlitz an den Schlitzenden mit einer vorzugsweise kreisförmigen Enderweiterung versehen wird, um die Unterschiede in den Wärmeausdehnungskoeffizienten auszugleichen und bei Betriebstemperatur einen Presssitz der Komponenten aufrechtzuerhalten. 



   Vorzugsweise wird ein Kupplungselement mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten verwendet, der grösser als jener der ersten Komponente, aber kleiner als jener der zweiten Komponente ist. 



   Alternativ wird die körperliche Ausdehnung innerhalb des Kupplungselementes an der Schnittstelle mit der Komponente mit dem grösseren Wärmeausdehnungskoeffizienten reduziert. 



   Die vorliegende Erfindung erreicht eine beträchtliche Verbesserung des Sitzes zwischen den verbundenen Teilen der Röntgenröhre, die unterschiedliches Wärmeausdehnungsvermögen haben. Insbesondere ermöglicht die Erfindung, bei Betriebstemperatur der Röntgenröhre eine Presspassung zwischen den Röhrenkomponenten aufrechtzuerhalten, um Umwuchtprobleme zu vermeiden bzw. die für Röntgenröhren typische Umwuchttoleranzen einzuhalten. 



   Weitere Merkmale der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen hervor, in denen die Fig. 1-6 erfindungsgemässe Verbindungsverfahren zum Verbinden der Komponenten einer Röntgenröhre zeigen. 



   Unter Bezugnahme auf die Fig. 1-6 schlägt die vorliegende Erfindung die Verwendung einer Presssitzanordnung in der Röntgenröhrenkonstruktion vor, um den Halt der Verbindung und die Integrität des Gleichgewichtes der Verbindungskomponenten zu verbessern. Die Nachgiebigkeit der Verbindung wird erhöht, indem geometrische Modifikationen vorgenommen werden, bevorzugt Modifikationen, welche die Ring- und Radialsteifigkeit und die Ring- und Radialspannungen der Verbindung reduzieren, die auf Grund der unterschiedlichen Wärmedehnung der Verbindungsmaterialien auftreten. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung erreicht dies, wobei gleichzeitig der Presssitz im gesamten Betriebstemperaturbereich der Verbindung erhalten wird. 



   Unter Bezugnahme auf Fig. 1 schafft die vorliegende Erfindung eine beträchtliche Verbesserung der Schnittstelle zwischen Komponenten mit unterschiedlichem Wärmeausdehnungsvermögen. In Fig. 1 soll die Drehkörperkomponente 10 mit der Drehkörperkomponente 12 verschraubt werden. Bei diesem Beispiel ist die Drehkörperkomponente 10 die Komponente mit dem höheren Ausdehnungskoeffizienten und wird in die Drehkörperkomponente 12 eingeführt. Die Nachgiebigkeit der Verbindung wird gemäss der vorliegenden Erfindung erreicht, indem geometrische Modifikationen in die Röntgenröhrenstruktur eingebracht werden. Im speziellen werden Schlitze 14 vorgesehen, die bevorzugt an jedem Ende in einer kreisförmigen Enderweiterung 24 münden, um die Beanspruchungskonzentrationen an den Enden jedes Schlitzes 14 zu reduzieren.

   Dieses 

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 Schlitzen erzeugt nachgiebige Abschnitte 16, die dazu verwendet werden, diesen Teil mit anderen Teilen der Schnittstelle mechanisch zu verbinden. 



   Der Einschluss von Schlitzen 14 im Teil 10 hat den Vorteil, die physikalische Ausdehnung dieser Drehkörperkomponente 10 in der Verbindung zu reduzieren. Ohne das Verbindungsverfahren der vorliegenden Erfindung expandiert die Drehkörperkomponente 10 mit dem höheren Koeffizienten rascher als die Drehkörperkomponente 12 mit dem geringeren Koeffizienten, was die Beibehaltung des Gleichgewichtes der Endstruktur ungünstig beeinträchtigt. Mit dem Verbindungsverfahren der vorliegenden Erfindung wird die geschlitzte Drehkörperkomponente 10, anstatt dass sie ein einziger, weniger nachgiebiger Teil ist, zu mehreren, nachgiebigeren Teilen. Im speziellen umfasst in den Fig. 1 und 2 bei sechs Schlitzen 14 die Drehkörperkomponente 10 nun sechs nachgiebige Abschnitte 16, anstatt dass sie eine einzige (nicht-geschlitzte) starre Komponente ist. 



   Gemäss der vorliegenden Erfindung kann die geschlitzte Komponente die Drehkörperkomponente mit dem höheren Ausdehnungskoeffizienten sein, so dass die Schlitze den Effekt einer Reduzierung des physikalischen Wachstums dieser Komponente im Inneren der Schnittstelle haben, um geringere Beanspruchungen hervorzurufen, insbesondere wenn diese Drehkörperkomponente in eine Drehkörperkomponente mit einem geringeren Ausdehnungskoeffizienten und daher geringerem Wachstum eingesetzt werden soll. Natürlich könnte, wenn es eine Analyse der Beanspruchungen und die Konfiguration der Verbindung diktieren, es auch die Drehkörperkomponente mit dem geringeren Ausdehnungskoeffizienten sein, welche geschlitzt ist. 



   In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung wird ein gesonderter geschlitzter Teil oder ein Kupplungselement 18, wie in den Fig. 3-6 gezeigt, zwischen die beiden Drehkörperkomponenten 20 und 22 mit unterschiedlichem Wärmeausdehnungsvermögen eingesetzt, um sie zu verbinden. In diesem Fall hat das Kupplungselement 18 typischerweise einen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der kleiner ist als jener des einen Teiles 20 oder 22 und grösser als jener des anderen Teiles 22 bzw. 20. 



   In den Zeichnungen verlaufen die Schlitze 14 bevorzugt entlang der Axiallänge der geschlitzten Komponente 10 oder 18, um die Umfangsintegrität der Struktur zu erhalten. Ferner sind die Schlitze typischerweise symmetrisch voneinander beabstandet, um die Beanspruchungen gleichmässig zu halten, obwohl auch ein unsymmetrisches Schlitzen vorgenommen werden könnte, um bestimmte Beanspruchungssituationen zu erzeugen, falls gewünscht. Die Länge und Anzahl der Schlitze sind die steuernden Faktoren für die Nachgiebigkeit. Beispielsweise ergeben längere Schlitze notwendigerweise grössere Nachgiebigkeit, wogegen kürzere Schlitze das Mass an erzielter Nachgiebigkeit verringern.

   In gleicher Weise bewirkt ein Erhöhen der Anzahl der Schlitze eine geringere Expansion bzw. geringeres Wachstum, wogegen ein Verringern der Anzahl der Schlitze eine stärkere Expansion zulässt als eine grössere Anzahl von Schlitzen, aber immer noch weniger Expansion als eine nicht-geschlitzte Komponente. Folglich können die Anzahl der Schlitze, die Länge und ihre Verteilung variiert werden, um verschiedene Realisierungen zu erreichen. 



   Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf spezielle Ausführungsformen im Detail beschrieben, aber es versteht sich, dass alle Modifikationen und Variationen vorgenommen werden können, die im Rahmen der Erfindung liegen. 



   PATENTANSPRÜCHE : 
1. Verfahren zum Herstellen einer Verbindung von Röntgenröhrenkomponenten, die unter- schiedliches Wärmeausdehnungsvermögen haben, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste und eine zweite Drehkörperkomponente (10,12) mit unterschiedlichen Wärmeaus- dehnungskoeffizienten ineinander gesteckt werden, wobei mehrere Schlitze (14) vorzugs- weise über annähernd die axiale Länge einer der beiden Drehkörperkomponenten (10 bzw. 12) erzeugt werden, die über den Umfang der Drehkörperkomponente (10 bzw.
12) symmetrisch beabstandet werden und jeder Schlitz (14) an den Schlitzenden mit einer vorzugsweise kreisförmigen Enderweiterung (24) versehen wird, um die Unterschiede in den Wärmeausdehnungskoeffizienten auszugleichen und bei Betriebstemperatur einen
Presssitz der Komponenten (10, 12) aufrecht zu erhalten.

Claims (1)

1. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der mit Schlitzen (14) <Desc/Clms Page number 4> versehenen Drehkörperkomponente (10 bzw. 12) durch die gleich beabstandeten Schlitze (14) radial nachgiebige Abschnitte (16) geformt werden.

   3. Verfahren zum Herstellen einer Verbindung von Röntgenröhrenkomponenten, die unter- schiedliches Wärmeausdehnungsvermögen haben, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste und eine zweite Drehkörperkomponente (20,22) mit unterschiedlichen Wärmeaus- dehnungskoeffizienten in ein Kupplungselement (18) gesteckt werden, wobei mehrere über den Umfang des Kupplungsstückes (18) symmetrisch beabstandete Schlitze (14) vor- zugsweise über annähernd die axiale Länge des Kupplungselementes (18) erzeugt wer- den und jeder Schlitz (14) an den Schlitzenden mit einer vorzugsweise kreisförmigen End- erweiterung (24) versehen wird, um die Unterschiede in den Wärmeausdehnungskoeffi- zienten auszugleichen und bei Betriebstemperatur einen Presssitz der Komponenten (20,22) aufrecht zu erhalten.

   4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kupplungselement (18) mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten verwendet wird, der grösser als jener der ers- ten Komponente (20 bzw. 22), aber kleiner als jener der zweiten Komponente (22 bzw. 20) ist.

   5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die infolge der unter- schiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der ersten und der zweiten Drehkörper- komponente (20,22) auftretenden Spannungen entlang des Kupplungselementes (18) re- duziert werden.

   6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die körperli- che Ausdehnung innerhalb des Kupplungselementes (18) an der Schnittstelle mit der Kom- ponente (20 bzw. 22) mit dem grösseren Wärmeausdehnungskoeffizienten reduziert wird.

   7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in dem mit Schlitzen (14) versehenen Kupplungselement (18) durch die gleich beabstandeten Schlitze (14) radial nachgiebige Abschnitte (16) geformt werden.