DE2805841C3 - Kühlsystem für den Kollektor einer Wanderfeldröhre - Google Patents
Kühlsystem für den Kollektor einer WanderfeldröhreInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem für den Kollektor einer Wanderfeldröhre unter Ausnutzung
einer Verdampfungskühlung innerhalb eines vakuumdicht geschlossenen Behälters, in welchem Kapillaren
derart angeordnet sind, daß der Wärmetransport mittels eines Verdampfungs-Kondensationszyklusses eines
Wärmeträgers und der Rücktransport der flüssigen Phase des Wärmeträgers erfolgt.
Bekanntlich entsteht bei Wanderfeldröhren eine große Menge an Wärme, deren Hauptteil als Verlustleistung
am Kollektor anfällt. In der Praxis wird diese hohe Verlustleistung bei großen Wanderfeldröhren (über 100
Watt) über einen eigenen Radiator direkt abgestrahlt. Dieser Radiator hat dazu relativ große Dimensionen, so
daß ein Einstufenauffänger mit elektrostatischer Fokussierung verwendet werden muß.
Ist die Verlustleistung gering (z. B. bei 20-Watt-Wanderfeldröhren),
so kann die Wärme bzw. Verlustleistung direkt über einen metallischen Kontakt abgeführt
werden. Dadurch wird für den Kollektor ein Auffänger mit (mehrstufiger) magnetischer Fokusierung möglich,
wodurch die Wanderfeldröhre einen merkbar höheren V/irkungsgrad erhält.
Mittels Wärmerohre gekühlte Wanderfeldröhren sind auch bekannt, z. B. aus einer von der American
Society of Mechanical Engineers im November 1972 unter dem Titel »The Application of Heat Pipe
Techniques to Electronic Component Cooling« herausgegebenen Veröffentlichung, in welcher auf Seite 6 das
Kühlsystem für eine Wanderfeldröhre dargestellt und beschrieben ist Dieses bekannte Kühlsystem hat aber
insofern Nachteile, als es nur eine radiale Ableitung der Wärme vom Kollektor aufweist und durch die
dadurch bedingte große Bauhöhe eine Anordnung von Ringmagneten nicht möglich ist Unterliegt die Wanderfeld-
bzw. Laufzeitröhre einer Schwerkraft, so beeinträchtigt diese die Kapillarwirkung derart, daß die
erforderliche Saughöhe für den Wärmeträger so groß wird, daß die Kapillarkraft gegen die Schwerkraft nicht
mehr ankommt. Ferner muß das Kühlsystem elektrisch isoliert sein, weil eine dielektrische Flüssigkeit, wie sie
bei der bekannten Kühlanordnung verwendet wird, für das Kühlsystem (Wärmerohr) schlechte Kühleigenschaften
aufweist und das elektrisch isolierende Wandmaterial ebenfalls schlecht wärmeleitend ist
Hinzu kommt, daß die gesamte Wanderfeldröhre vom Kühlsystem umschlossen ist, was heißt daß der
Kollektor die gleiche Temperatur haben muß, wie die restliche Wanderfeldröhre. Die Kollektortemperatur ist
hierbei nicht frei wählbar, wodurch eine effektivere Wärmesenke nicht verwendbar ist.
Bei einem aus der US-PS 3414 757 bekannten
Kühlsystem ist die Wandung des zu kühlenden projektilförmigen Kollektors von zu seiner Längsachse
längs- bzw. parallelverlaufend angeordneten Kanälen bzw. Röhren durchsetzt. Diese Kanäle sind ganz oder
teilweise mit einer Kühlflüssigkeit (z. B. Wasser) gefüllt, welche jm einen Ende der Kanäle von außen her zugeführ'
wird und nach Wärmeaufnahme am anderen Ende der Kanäle wieder nach außen abströmt Es handelt sich
also dabei um einen teilweise extern angeordneten und durch Pumpen in Gang gehaltenen Kreislauf, bei
welchem das Kühlmittel fortwährend von außen zu- und abgeführt wird.
Bei Wanderfeldröhren hoher Leistung ist die abzuführende Wärmemenge bzw. Verlustleistung so
groß, daß bei einer Bauweise, die eine magnetische Fokusierung noch zuläßt, die Wärmestromdichte so
groß wird, daß sie nicht mehr ausreichend abgestrahlt
ίο oder über metallische Leiter abgeführt werden kann. Ab
einer gewissen Baugröße (ca. 100 Watt Leistung) der Wanderfeldröhren muß daher auf die einstufige
elektrostatische Fokusierung zurückgegriffen werden, was aber den Nachteil eines zu geringen Wirkungsgrads
des hat.
Eine Verwendung von magnetisch fokusierten Mehrstufenkollektoren mit höherem Wirkungsgrad war bei
derartigen Wanderfeldröhren hoher Ausgangsleistung bisher nicht möglich. Ferner ist bei solch großen
Wanderfeldröhren von Nachteil, daß, bedingt durch den eigenen Radiator, der Einbau problematisch ist; z. B. die
Einbaulage auf einem Außenpaneel eines Satelliten, die lange Wege für die Verkabelung der Hohlleiter
erfordert, was wiederum einen weiteren Wirkungsgradverlust bedeutet. Außerdem ist eine solche selbstabstrahlende
Wanderfeldröhre in der Erdatmosphäre nicht einsetzbar.
Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, das bekannte Kühlsystem derart abzuwandeln, daß die
Abführung der Wärme vom Kollektor in axialer Richtung erfolgt, so daß Fokussierungsmagneten um
den Kollektor angeordnet werden können, und daß auch dann eine wirksame Kühlung beibehalten bleibt,
wenn auf die Wanderfeldröhre eine Schwerkraft einwirkt.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe sind erfindungsgemäß die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1
vorgesehen.
Der Vorteil der Erfindung besteht insbesondere darin, daß durch die gruppenweise Anordnung von Wärmeleitrohren
geringer radialer Bauhöhe um den Kollektor der Wanderfeldröhre eine magnetische mehrstufige
Fokussierung im Kollektor möglich ist Das heißt, daß sich dadurch der äußere Durchmesser des Kollektors so
verringert, daß über dem Kollektor z\r Strahlablenkung
Justiermagnete verschiebbar anordenbar sind, wodurch, bei gleicher Stufenzahl, ein hoher Wirkungsgrad erzielt
wird. Ferner sind von Vorteil, kürzere Verkabelungswege, kommerzielle Nutzung auf dem Boden, weil die
Wanderfeldröhre dadurch beliebig aufstellbar und einbaubar ist, die Kollektortemperatur je nach Ausbildung
des Wärmetauschers bzw. der Einrichtung zur Wärmeabgabe beliebig abstimmbar ist, sowie eine damit
verbundene höhere Lebensdauer durch niedrige Temperatur. Schließlich ist damit eine mechanische und
elektrische Entkopplung möglich.
Die gruppenweise um den Kollektor angeordneten und als Kopplungsteil zu wenigstens einem zusätzlichen
parallel zur Achse der Wanderfeldröhre ausgerichteten Wärmeleitrohr gestalteten Wärmeleitrohre nehmen die
vom Kollektor radial anfallende Wärme bzw. Verlustleistung bei örtlichen Leistungsdichten bis zu 20 W/cm2 auf
und führen diese an das bzw. die nachgeschalteten Wärmeleitrohre ab. Durch diese zusätzliche Anordnung
von wenigstens einem Wärmeleitrohr parallel zur Achse der Wanderfeldröhre wird die an ihrer
Elektronenkanone anfallende Verlustwärme ebenfalls abgeführt.
Mit der Vorrichtung zur Kühlung einer Wanderfeldröhre sind die Funktionen der Wärmeabfuhr und der
mechanischen Montage auf vorteilhafte Weise trennbar, so daß eine Anordnung der Wanderfeldröhre beliebig
wählbar ist (z.B. in einem Satelliten). Da für ein Wärmeleitrohr nur eine metallische Ausführung möglich
ist, muß die Halterung bzw. Lagerung der Wanderfeldröhre innen hochspannungsisoliert sein und
außen Massepotential haben.
Durch Einhalten eines relativ kleinen Kollektor-Außendurchmessers (ca. 4 cm), der zum Aufschieben
von Ringmagneten für die magnetische Fokusierung erforderlich ist, entstehen am Kollektor hohe Wärmestromdichten. Die dadurch vorherrschende Wärme wird
mittels einer um den Kollektor angeordneten Gruppe von durch einen Dampfraum miteinander verbundenen
Wärmeleitrohren an wenigstens einem beliebig langen Ableit-Wärme!eitrohr übertragen und von dort an eine
Wärmesenke (z. B. Radiator, Kühlkreislauf, Wärmetauscher u. ä.) abgeführt. Dabei ist der Kollektor entweder
von einzelnen oder in Schalen zusammengefaßten Wärmeleitrohren umgeben. Die Wärmeleitrohre sind
zusammen mit ihren Halterungen mit dem Kollektor und dem Ableit-Wärmeleitrohr gut wärmeleitend
verbunden.
Ausführungsbeispiele sind folgend beschrieben und durch Skizzen erläutert. Es zeigt
F i g. 1 in seitlicher Ansicht einen Kollektor mit einer darauf angeordneten piiraxial ausgerichteten Gruppe
von Wärmeleitrohren, deren Kondensationsenden sich um zwei Ableit-Wärmeleitrohre legen,
F i g. 2 einen Schnitt durch den Kollektor und der darum angeordneten Gruppe von Wärmeleitrohren
gemäß F ig. 1,
F i g. 3 einen Schnitt durch die Ableit-Wärmeleitrohre
mit den darum angeordneten Kondensationsenden der Wärmeleitrohre gemäß F i g. 1,
Fig.4 einen Schnitt durch einen Kollektor mit schalenförmiger Anordnung von Warmeleitrohren und
unterschiedlichen Querschnitten,
Fig.5a, 5b und 6a, 6b im Schnitt und in seitlicher
Ansicht die Anordnung der Wärmeleitrohre um den Kollektor und deren durch einen Dampfbaum zusammengefaßten
Kondensationsenden um ein bzw. zwei Ableit-Wärmeleitrohre,
F i g. 7a, 7b, 7c einen Schnitt durch eine schalen- und
eine plattenförmige Anordnung von Wärmeleitrohren um einen Kollektor und einem Ableit-Wärmeleitrohr.
In F i g. 1 ist in seitlicher Ansicht ein Kollektor 1 einer Wanderfeldröhre dargestellt, auf dessen Umfang eine
Gruppe zu seiner Achse 2 paraxial ausgerichteter Wärmeleitrohre 3 angeordnet ist, deren Kondensationsenden
4 sich um zwei dem Kollektor 1 nachgeordnete Ableit-Wärmeleitrohre 5, 6 legen. Zur Lagerung
bzw. Befestigung der Wärmeleitrohre 3 und deren Kondensationsenden 4 ist bzw. sind der Kollektor 1 und
die Ableit-Wärmeleitrohre 5, 6 von einer ringförmigen
Halterung 7,8,9 (siehe auch F i g. 2 und 3) umgeben, die
zur Aufnahme der Wärmeieitrohre 3 und deren Kondensationsenden 4 entsprechend deren Durchmesser
halbkreisförm'g ausgestaltet sind. Diese Halterungen 7, 8, 9 sind selbst gut wärmeleitend und gleichfalls
gut wärmeleitend mit dem Kollektor 1 bzw. den Ableit-Wärmeleitrohren 5, 6 einerseits und den
Wärmeleitrohren 3 bzw. deren Kondensationsenden 4 andererseits verbunden.
F i g. 2 und 3 sind gemäß F i g. 1 Schnitte durch den Kollektor 1, der darum angeordneten Halterung 7, den
in den halbkreisförmigen Ausnehmungen 10 angeordneten Warmeleitrohren 3 und den Ableit-Wärmeleitrohren
5, 6 den darum angeordneten Halterungen 8, 9 mit den darin lagernden Kondensationsenden 4. Die
Aufteilung der um den Kollektor 1 angeordneten Wärmeleitrohre 3 bzw. deren Kondensationsenden 4
um die Ableit-Wärmeleitrohre 5, 6 ist so getroffen, daß
um jedes Ableit-Wärmeleitrohr 5, 6 die Hälfte der Anzahl der vom Kollektor 1 kommenden Kondensationsenden
4 liegen.
In Fig.4 ist ein Schnitt durch einen Kollektor 1
gemäß F i g. 1 dargestellt, um den Wärmeleitrohre 3 in verschiedenen Ausführungsbeispielen jeweils um Sektoren
von 120° versetzt schalenförmig angeordnet sind. Dabei zeigi der obere Sektor Si eine schon in F i g. 1 bis
3 beschriebene Anordnung der Wärmeleitrohre 3. Der rechte Sektor 52 zeigt eine Anordnung, bei der die
Wärmeleitrohre 3 innerhalb einer Halterung 11 angeordnet sind. Diese Wärmeleitrohre 3 können in der
Halterung 11 integriert sein, also mit ihr ein Ganzes bilden oder darin als selbstständige Röhren eingeschoben
sein. Der linke Sektor S3 dagegen zeigt eine Anordnung, bei der die Wärmeleitrohre 3 entsprechend
der gekrümmten Oberfläche des Kollektors 1 als unterbrochene prismatisch gestaltete Hohlkörper 12 um
den Kollektor 1 angeordnet sind. Dabei bilden diese derartig ausgestalteten Wärmeleitrohre 12 mit der
Halterung ein integriertes Ganzes 13.
In den F i g. 5a, 5b und 6a, 6b sind Ausführungsbeispiele einer Anordnung um einen Kollektor 1 (gemäß
Fig. 1) von Wärmeleitrohren 3 und deren in eine (F i g. 5a, 5b) bzw. zwei (F i g. 6a, 6b) Dampfkammern 14
über eine Netzfahne 15 mündenden Kondensationsenden 4 im Schnitt und in seitlicher Ansicht dargestellt. Die
Dampfkammer^) 14, in die die Kondensationsenden 4 münden, ist diesen gegenüber in Form von um ein
(F i g. 5a, 5b) bzw. zwei (F i g. 6a, 6b) Ableit-Wärmeleitrohre
(gemäß Fig. 1) verteilt angeordnete Röhren 16
verlängert. Dabei ist in F i g. 6a, 6b die Anordnung der
Wärmeleitrohre 3 um den Kollektor 1 schalenförmig (siehe insbesondere F i g. 6a).
Bei den in Fig.7a, 7b, 7c dargestellten Ansichten
handelt es sich um eine schalen- (Fig.7a, 7b Schnitt
A-A) und eine plattenförmige (F i g. 7b, 7c Schnitt B-B) Anordnung von Wärmeleitrohren 3 um einen Kollektor
1 (gemäß Fig. 1) und ein Ableit-Wärmeleitrohr 5. Hier münden die um den Kollektor 1 in Schalenform
angeordneten Wärmeleitrohre 3 (siehe F i g. 7a Schnitt
A-A) an der Schweißnaht S (Fig.7b Schnitt A-A) in
einem zum Ableit-Wärmeleitrohr 5 hin sich verjüngenden Zwischenstück 17, das an der zwischen Schnitt A-A
und B-B gelegenen Schweißnaht 5 in ein oberes und in ein unteres plattenförmig ausgestaltetes Kondensationsende
18, 19 übergeht. Diese Kondensationsenden 18, 19 sind mit dem Ableit-Wärmeleitrohr 5 gut
wärmeleitend verbunden. Die Rohre können dabei in einen eckigen Kapillar-Querschnitt übergehen (siehe
F i g. 7c Schnitt B-B).
Hierzu 5 Blatt Zeichnungen
Claims (5)
1. Kühlsystem für den Kollektor einer Wanderfeldröhre unter Ausnutzung einer Verdampfungskühlung
innerhalb eines vakuumdicht geschlossenen Behälters, in welchem Kapillaren derart angeordnet
sind, daß der Wärmetransport mittels eines Ver dampfungs-Kondensationszyklusses eines Wärmeträgers
und der Rücktransport der flüssigen Phase des Wärmeträgers erfolgt, dadurch gekennzeichnet,
daß als geschlossener Behälter eine Vielzahl jeweils in sich abgeschlossener, axial zum
Kollektor (1) gerichteter und diesen umgebender Rohre (Wärmeleitrohre) (3) vorgesehen ist, die an
ihrem vom Kollektor (1) abgewandten Ende (4) mit einer Wärmesenke (5,6) verbunden sind.
2. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die WärmeHitrohre (3) auf dem
Kollektor (1) durch eine einen guten Wärmeübergang aufweisende Halterung (7,8,9) fixiert sind.
3. Kühlsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (7, 8, 9) in Form von
zwei den Kollektor (1) umgebenden Halbschalen (11, 13) ausgebildet ist, die die Wärmeleitrohre (3)
enthalten.
4. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmesenke (5, 6) in Form einer
Dampfkammer (14) ausgebildet ist, in welche sämtliche Wärmeleitrohre (3) münden.
5. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmesenke (5, 6) in Form eines
weiteren rohrförmigen, mit Kapillaren und einen Wärmeträger enthaltenden Behälters (17, 18, 19)
ausgebildet ist.
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