DE1614368B2 - Fluessigkeits kuehlvorrichtung fuer eine hohlzylindrische roentgenroehren drehanode - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für eine hohlzylindrische, eine auf ihrer äußeren zylindrischen Mantelfläche liegende Brennfleckbahn aufweisende Röntgenröhren-Drehanode, die über eine hohle Antriebswelle von außerhalb der Röntgenröhre angetrieben ist, wobei eine Kühlflüssigkeit durch die Antriebswelle ins Innere der Drehanode ein- und von dort wieder abgeführt wird, mit einem innerhalb der Drehanode zu dieser koaxial angeordneten, eine axialsymmetrische Außenfläche aufweisenden hohlen Flüssigkeitsleitkörper, in den die zufließende Kühlflüssigkeit eintritt und der eine Vielzahl von über seinen Umfang gleichmäßig verteilten radialen Spritzöffnungen aufweist, durch welche die Kühlflüssigkeit auf eine innere zylindrische Mantelfläche der Drehanode geleitet wird und diese unmittelbar kühlt, während sie den Zwischenraum zwischen dieser Mantelfläche und der Außenfläche des Flüssigkeitsleitkörpers durchströmt. «

Es ist bereits eine Vorrichtung dieser Art bekannt aus »The Review of Scientific Instruments«, Bd. 30, 1959, Nr. 6, S. 488 bis 491, bei der der Flüssigkeitsleitkörper sich zusammen mit der Röntgenröhren-Drehanode dreht, gegenüber deren innerer zylindrischer Mantelfläche also keine relative Umfangsgeschwindigkeit aufweist, wobei die Außenfläche des Flüssigkeitsleitkörpers zylindrisch mit glatter Oberfläche ausgebildet ist. Diese zylindrische Außenfläche des Flüssigkeitsleitkörpers steht der inneren Mantelfläche der Drehanode in einem sehr geringen Abstand gegenüber. Wegen dieses sehr dünnen axialen Ringraumes besteht beim Durchtritt der Kühlflüssigkeit eine wesentliche Verdampfungsgefahr und damit die Gefahr einer örtlichen Überhitzung der äußeren zylindrischen Mantelfläche der Drehanode nebst Beschädigungen infolge des Einbrennens von Löchern. Eine Durchsatzsteigerung der Kühlflüssigkeit durch diesen axialen Ringraum wird durch die Zentrifugalkraft auf die Flüssigkeit infolge der Drehung der Drehanode behindert. Außerdem besteht die Gefahr, daß sich der Ringraum nach verhältnismäßig kurzer Betriebszeit infolge unter Hitze erfolgender Ausfällung von Feststoffen aus der Kühlflüssigkeit zusetzt und einer Reinigung bedarf.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer verbesserten Kühlvorrichtung, weiche die Aufrechterhaltung eines verhältnismäßig hohen Kühlflüssigkeitsdurchsatzes zwischen der inneren zylindrischen Mantelfläche der Drehanode sowie der Außenfläche des Flüssigkeitsleitkörpers ohne Verstopfungsgefahr ermöglicht, und zwar unter besonderer Einbeziehung einer der inneren zylindrischen Mantelfläche der Drehanode unmittelbar benachbarten Kühlflüssigkeitsschicht. Erreicht wird dies bei einer Kühlvorrichtung der eingangs genannten Art dadurch, daß der Flüssigkeitsleitkörper unbeweglich angeordnet ist, daß seine der inneren Mantelfläche der Drehanode gegenüberliegende Außenfläche nach Art eines Kreissägeblattes mit sägezahnförmigen, sich üb^r die axiale Breite der Außenfläche erstreckenden Vorsprüngen versehen ist, deren Zahnscheitel der inneren Mantelfläche der Drehanode in geringem Abstand gegenüberstehen, und daß die Spritzöffnungen über die Schrägflächen der Sägezahn-Vorsprünge in Umfangsrichtung und axialer Richtung gleichmäßig verteilt sind.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Kühlvorrichtung wird die durch die Zentrifugalkraft seförderte Anhaftung laminarer Kühlflüssigkeitsschichten an der inneren zylindrischen Mantelfläche der Drehanode verhindert, indem die sägezahnförmigen Vorsprünge an der Außenfläche des Flüssigkeitsleitkörpers eine zuverlässige Zerstörung derartiger unerwünschter haftender laminarer Kühlflüssigkeitsschichten bewirken. Die radialen Spritzöflnungen, welche über die Schrägflächen der Sägezahn-Vorsprünge verteilt sind, unterstützen diese Wirkung.

ίο Hierbei wird die Kühlflüssigkeit nicht schlechthin verwirbelt, sondern es wird vielmehr eine Vielzahl achsparallel verlaufender Strömungskanäle gebildet, welche jeweils durch die innere zylindrische Mantelfläche der Drehanode sowie je eine Schrägfläche eines Sägezahn-Vorsprunges begrenzt sind. Die besondere Gestaltung der Außenfläche des Flüssigkeitsleitkörpers bewirkt kein einfaches Abkratzen unerwünschter laminarer Schichten an der inneren zylindrischen Mantelfläche der Drehanode, weil dies die Kühlung erheblich verschlechtern würde, sondern es wird durch die besondere Oberflächengestaltung der Außenfläche des Flüssigkeitsleitkörpers ohne Berührung der inneren Mantelfläche der Drehanode durch die Kanten der Sägezahn-Vorsprünge neue Kühlflüssigkeit zugeführt, insbesondere bei hohen Drehzahlen der Drehanode.

Nach der deutschen Patentschrift 619 561 ist schon eine Kühlvorrichtung für eine konisch verjüngte Röntgenröhren-Drehanode mit auf einer äußeren konischen Mantelfläche derselben liegender Brennfleckbahn bekannt, die über eine hohle Antriebswelle von außerhalb der Röntgenröhre angetrieben ist, wobei eine Kühlflüssigkeit durch die Antriebswelle ins Innere der Drehanode ein- und von dort wieder abgeführt wird, mit einem innerhalb der Drehanode zu dieser koaxial angeordneten, eine zylindrische Außenfläche aufweisenden, hohlen, unbeweglich angeordneten Flüssigkeitsleitkörper in Form eines zylindrischen Rohres, dessen Austrittsmündung gegen eine innere Stirnfläche der Röntgenröhren-Drehanode gerichtet ist und keine gegen die innere konische Mantelfläche der Drehanode angerichtete Spritzöffnungen aufweist.

Abgesehen davon, daß diese bekannte Vorrichtung wegen des verhältnismäßig geringen Außendurchmessers der Drehanode höheren Wärmebelastungen nicht gewachsen ist, könnte man auch bei Steigerung des Außendurchmessers der Drehanode sowie Verringerung der Wandstärke des konischen Mantels den Aufbau schädlicher festhaftender laminarer Kühlflüssigkeitsschichten an der inneren konischen Mantelfläche und damit Verdampfungserscheinungen der Kühlflüssigkeit in diesen Schichten nicht zuverlässig verhindern, zumal der Außendurchmesser des j

Flüssigkeitsleitkörpers durch den geringsten Innen- | durchmesser des konischen Mantels der Drehanode j bestimmt ist und damit in dem sich konisch erwei- j terten Teil der Drehanode noch einen zunehmenden j Abstand von deren konischer innerer Mantelfläche aufweist.

Aus »Philips' Technische Rundschau«, Bd. 19, 1958, Nr. 11, S. 362 bis 365, und »Physikalische Zeitschrift«, 1939, Heft 14, S. 475, sind auch Vorrichtungen ähnlich der bereits abgehandelten Vorrichtung nach »The Review of Scientific Instruments« bekannt, bei denen ebenfalls der Flüssigkeitsleitkörper mit der Drehanode rotiert. Bei der Vorrichtung nach »Philips' Technische Rundschau« findet

im wesentlichen keine Axialströmung der Kühlflüssigkeit sondern lediglich eine Tangentialströmung statt. Dies mag bei einer geringen axialen Baulänge der Drehanode unter gewissen Betriebsbedingungen angängig sein, bringt jedoch Probleme mit sich, wenn die Strömungsgeschwindigkeit nicht auf die Umfangsgeschwindigkeit der Anode abgestimmt ist und somit die Gefahr besteht, daß ein Teilchen der Kühlflüssigkeit während eines Umlaufs in der Drehanode öfter als einmal beim Vorbeilaufen an dem Kathodenstrahl erwärmt wird. Bei der Vorrichtung nach »Physikalische Zeitschrift« besteht eine erhebliche Verdampfungsgefahr infolge der Zentrifugalkraft, welche noch dadurch gesteigert wird, daß die Kühlflüssigkeit, welche sich in vom Mantel und den beiden Stirnflächen der Drehanode gebildeten Ecken befindet, in die Strömung um einen in der Drehanode angeordneten, abgerundeten scheibenförmigen, als Vollkörper ausgebildeten Flüssigkeitsleitkörper nicht einbezogen wird.

Nach der deutschen Patentschrift 1015 547 ist eine Vorrichtung bekannt, bei welcher im Gegensatz zu solchen Vorrichtungen, von denen die vorliegende Erfindung ausgeht, eine innere zylindrische Mantelfläche der Drehanode von innen her mit Kathodenstrahlen beaufschlagt ist, wobei die Röntgenstrahlung sowohl die Drehanode als auch eine diese umgebende Kühlflüssigkeitsschicht durchsetzen muß. Wegen der damit verbundenen Absorption sind derartige Drehanoden hinsichtlich ihres Anwendungsbereiches beschränkt. Mit der Drehanode ist an einem Ende ein zylindrischer Ansatz starr verbunden, welcher turbinenartige Schaufeln aufweist, die als Flüssigkeitspumpe zur laufenden Förderung von Kühlflüssigkeit zwischen der äußeren zylindrischen Mantelfläche der Drehanode sowie einem diese umgebenden Kühlmantel wirken. Die Kühlung der Drehanode in dieser Vorrichtung ist bereits deshalb sehr schwierig, weil infolge der Zentrifugalkraft, welche auf die außen an der Drehanode vorbeiströmende Kühlflüssigkeit einwirkt, eine Ablösung der Kühlflüssigkeit von der Kühlfläche der Drehanode gefördert wird.

Es sind auch Kühlvorrichtungen für Röntgenröhren-Drehanoden nach der USA.-Patentschrift , 2 075 146, der österreichischen Patentschrift 140 913 sowie der britischen Patentschrift 624 030 bekannt, bei denen im Gegensatz zu der erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung die Stirnfläche der Drehanode mit Kathodenstrahlung beaufschlagt wird. Sie weisen ebenfalls unbewegliche Flüssigkeitsleitkörper auf. Bei einer derartigen Stirnflächen-Drehanode kann unter sonst gleichen Voraussetzungen wie bei einer erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung kein breit gefächerter Kathodenstrahl auf die Anode gerichtet werden, weil wegen der unterschiedlichen Umfangsgeschwindigkeit der radial inneren und äußeren Bereiche der Stirnflächen-Drehanode eine gleichmäßige Kühlung nicht erzielt werden kann. Bei den Vorrichtungen nach den beiden erstgenannten Druckschriften sind die Anoden verhältnismäßig dickwandig und aus massivem Material herausgearbeitet, während unter extremen Wärmebelastungsverhältnissen eine möglichst dünnwandige Ausführung anzustreben wäre. Bei der an dritter Stelle genannten Druckschrift wird eine Stirnflächen-Drehanode durch eine einzige Spritzdüse gekühlt und von einem geringen Querschnitt aufweisenden Kathodenstrahl an ihrem äußeren Umfangsbereich beaufschlagt. Bei der letztgenannten Vorrichtung rotiert indessen nicht die Anode sondern die Kathode und damit der Brennfleck auf der Anode. Daher können bei einer solchen Vorrichtung nicht die Probleme auftreten, die durch die erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung bei rotierenden Drehanoden gelöst werden sollen.

Nach der deutschen Patentschrift 1 053 105 sowie der USA.-Patentschrift 2 030 561 sind auch Vorrichtungen mit rotierender Stirnflächen-Drehanode bekannt, welche anstatt mit Kühlflüssigkeit durch Abstrahlungsflächen gekühlt sind. Derartige Vorrichtungen sind zwar wegen des Fortfalls eines Kühlflüssigkeitskreislaufes einfacher aufzubauen und zu betreiben, jedoch auch nicht so hoch belastbar wie die mit Kühlflüssigkeit gekühlten Vorrichtungen, von denen die vorliegende Erfindung ausgeht.

Weitere bekannte Vorrichtungen nach der deutschen Patentanmeldung N 10412 VIIIc/21g sowie nach der schweizerischen Patentschrift 307 466 verwenden flüssigkeitsgekühlte feststehende Stirnflächenanoden. Andere Vorrichtungen nach den deutschen Patentschriften 559 089 und 594 434 weisen ungekühlte rotierende Stirnflächenanoden auf. Alle derartigen Vorrichtungen sind hinsichtlich der erzielbaren Belastbarkeit mit der eingangs abgehandelten flüssigkeitsgekühlten Vorrichtung nicht vergleichbar, bei der die Brennfleckbahn auf einer äußeren zylindrischen Mantelfläche der Drehanode liegt.

Die Erfindung ist nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung im Axialschnitt,

F i g. 2 einen Schnitt längs der Linie II-II von Fig. 1,

F i g. 3 einen Ausschnitt aus F i g. 2 in demgegenüber vergrößerter Darstellung,

F i g. 4 einen Ausschnitt der abgewickelten Mantelfläche eines in F i g. 3 veranschaulichten, einen Bestandteil der erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung bildenden Flüssigkeitskörpers in Draufsicht.

Die in der Zeichnung veranschaulichte Kühlvorrichtung umfaßt eine hohlzylindrische Drehanode 5, deren äußere zylindrische Mantelfläche durch die Elektronenstrahlen einer Kathode 17 beaufschlagt ist, wodurch bei dieser äußeren zylindrischen Mantelfläche der Drehanode eine Brennfleckbahn entsteht. Eine hohle Antriebswelle 3 ist von außerhalb eines Röntgenröhrengehäuses 1 mittels eines Riemenrades 6 angetrieben. Durch die Antriebswelle 3 verläuft koaxial ein einen kleineren Querschnitt aufweisendes Zuleitungsrohr 8 für Kühlflüssigkeit, welches an seinem in die Drehanode 5 ragenden Ende einen zu der inneren zylindrischen Mantelfläche der Drehanode 5 koaxial angeordneten, eine zylindersymmetrische Außenfläche aufweisenden hohlen Flüssigkeitsleitkörper 7 trägt. Ein zwischen der Innenfläche der hohlen Antriebsfläche 3 sowie der Außenfläche des Zuleitungsrohres 8 gebildeter Ringraum dient zur Ableitung erwärmter Kühlflüssigkeit. Das Zuleitungsrohr ist mit einem hierzu rechtwinklig verlaufenden Einlaßstutzen 15 verbunden, der Ringraum zwischen dem Zuleitungsrohr 8 sowie der hohlen Antriebswelle 3 mit einem Ableitungsstutzen 16.

Die Antriebswelle 3 ist in dem Röntgenröhrengehäuse 1 mittels Lagern 2 drehbar gelagert sowie mittels einer Dichtung 4 hochvakuumdicht abgedich-

tet. Zwischen einer hohlen Innennnabe des Riemenrades 6 sowie einem Endabschnitt des zwischen der Antriebswelle 3 sowie dem Zuleitungsrohr 8 gebildeten Ringraumes ist eine Flüssigkeitsdichtung 13 vorgesehen. Ein für Röntgenstrahlen durchlässiges Fen- S ster 18 ist in dem Röntgenröhrengehäuse 1 im Bereich der Drehanode 5 angebracht.

Der Flüssigkeitsleitkörper 1, welcher innerhalb der Drehanode beweglich angeordnet ist, weist an seiner der inneren Mantelfläche der Drehanode 5 gegenüberliegenden Außenfläche eine Oberflächengestaltung nach Art eines Kreissägeblattes mit sägezahnförmigen, sich über die Breite der Außenfläche erstreckenden Vorsprüngen auf, deren Zahnscheitel der inneren Mantelfläche der Drehanode in geringem Abstand gegenüberstehen. Radiale Spritzöffnungen 11 sind über die Schrägflächen 10 der Sägezahnvorsprünge in Umfangsrichtung und in axialer Richtung gleichmäßig verteilt. ·

Der Flüssigkeitsleitkörpei" 7 ist mit mehreren durch seine Endwandungen verlaufenden Ausgleichskanälen 9 für die von der inneren zylindrischen Mantelfläche der Drehanode 5 abströmende Kühlflüssigkeit versehen.

Im Betrieb tritt Kühlflüssigkeit durch den Einlaßstutzen 15 sowie das Zuleitungsrohr 8 in den Flüssigkeitsleitkörper 7 ein, wie dies durch Pfeile q angedeutet ist. Die Kühlflüssigkeit strömt durch die Spritzöffnungen 11 radial nach außen, wie durch Pfeile r in Fig. 1 und 3 angedeutet, breitet sich längs der inneren zylindrischen Mantelfläche der Drehanode 5 aus, wie durch Pfeile 5 bzw. t in F i g. 1 veranschaulicht, und strömt danach entweder an der mit der Antriebswelle 3 unmittelbar verbundenen Stirnfläche der Drehanode 5 in den zwischen der Hohlwelle 3 sowie dem Zuleitungsrohr 8 gebildeten Ringraum unmittelbar oder über die in dem Flüssigkeitsleitkörper 7 vorgesehenen Ausgleichskanäle 9 ab. Die erwärmte Kühlflüssigkeit wird in den Ableitungsstutzen 16 abgeführt, wie durch den Pfeil u in F i g. 1 veranschaulicht ist.

Infolge der besonderen Oberflächengestaltung des Flüssigkeitsleitkörpers werden durch die Schrägflächen 10 der Sägezahnvorsprünge bzw. deren Zahnscheitel χ axiale Kanäle gebildet, in denen Kühlflüssigkeit einer entsprechend dem Verlauf der Schrägflächen 10 unterschiedlichen Schichtdichte y gemäß F i g. 3 strömt.

Bei einer Drehung der Drehanode 5 gegenüber dem Flüssigkeitsleitkörper 7 gemäß dem Pfeil ρ in Fig. 2 und 3 läßt sich auch bei hoher Wärmebelastung der Drehanode 5 trotz einer durch die Zentrifugalkraft bedingten Anhaftung laminarer Kühlflüssigkeitsschichten an der inneren zylindrischen Mantelfläche der Drehanode 5 eine zuverlässige Zerstörung derartiger unerwünschter Kühlflüssigkeitsschichten, jedoch ohne vollständige Entfernung jeglicher Kühlflüssigkeit von der Innenfläche der Drehanode 5 erzielen, was zu einer gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Kühlung führt.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Kühlvorrichtung für eine hohlzylindrische, eine auf ihrer äußeren zylindrischen Mantelfläche liegende Brennfleckbahn aufweisende Röntgenröhren-Drehanode, die über eine hohle Antriebswelle von außerhalb der Röntgenröhre angetrieben ist, wobei eine Kühlflüssigkeit durch die Antriebswelle ins Innere der Drehanode ein- und von dort wieder abgeführt wird, mit einem innerhalb der Drehanode zu dieser koxial angeordneten, eine axialsymmetrische Außenfläche aufweisenden hohlen Flüssigkeitskörper, in den die zufließende Kühlflüssigkeit eintritt und der eine Vielzahl von über seinen Umfang gleichmäßig verteilten radialen Spritzöffnungen aufweist, durch welche die Kühlflüssigkeit auf eine innere zylindrische Mantelfläche der Drehanode geleitet wird und diese unmittelbar kühlt, während sie den Zwischenraum zwischen dieser Mantelfläche und der Außenfläche des Flüssigkeitsleitkörpers durchströmt, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsleitkörper (7) unbeweglich angeordnet ist, daß seine der inneren Mantelfläche der Drehanode (5) gegenüberliegende Außenfläche nach Art eines Kreissägeblattes mit sägezahnförmigen, sich über die axiale Breite der Außenfläche erstreckenden Vorsprüngen versehen ist, deren Zahnscheitel der inneren Mantelfläche der Drehanode (5) in geringem Abstand gegenüberstehen, und daß die Spritzöffnungen (11) über die Schrägflächen (10) der Sägezahn-Vorsprünge in Umfangsrichtung und axialer Richtung gleichmäßig verteilt sind.

2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsleitkörper (7) von mehreren von einer seiner ihn in axialer Richtung begrenzenden Endflächen zur anderen verlaufenden Ausgleichskanälen (9) für die von der inneren zylindrischen Mantelfläche der Drehanode (5) nach einer axialen Richtung abströmende Kühlflüssigkeit (Pfeile/ in Fig. 1) durchsetzt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen