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Hochleistungskühlvorrichtung, insbesondere für Anoden von Elektronenröhren
Die vorliegende Erfindung bezieht sichauf eine Hochleistungskühlvorrichtung, fürdie Kühlung solcher Körper, in denen eine grosse Wärmemenge entwickelt wird, die rasch genug abgeleitet werden muss, um sicherzustellen, dass die Temperatur dieses Körpers nicht die zulässige Maximaltemperatur, welche dieser Körper ohne Schädigung ertragen kann, übersteigt.
Die Anode einer Senderöhre stellt beispielsweise ein besonders wichtiges Beispiel eines solchen Körpers dar, bei dem ein derartiges Problem auftritt und die Beschreibung der erfindungsgemässen Hochleistungskühlvorrichtung bezieht sich daher im folgenden auf die Anwendung der Erfindung zur Kühlung der Anode einer Senderöhre bzw. Hochleistungsröhre als nicht einschränkendes Beispiel.
Die vorliegende Erfindung ist insbesondere für jene Fälle besonders gut anwendbar, bei denen die Kühlung im wesentlichen durch Verdampfung einer Flüssigkeit erfolgt, in welche der zu kühlende Körper zum Teil oder zur Gänze eintaucht.
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Überhitzung bewirkt, sobald die Temperaturfrüheren Versuche, Elektronenröhren mittels Wasserverdampfung zu kühlen, aufgegeben wurden.
Vertieftes Studium der Wirkungsweise der von der Patentinhaberin unter dem Namen"Vapotron"er- zeugten Elektronenröhren in der angegebenen Richtung zeigte, dass die überraschende Wirksamkeit der
Vorrichtung dem stetigen Temperaturgefälle zuzuschreiben ist, welches sich zwischen der warmen Basis und dem durch die Kühlflüssigkeit relativ kaltgehaltenen Ende der einzelnen massiven Fortsätze jenseits jenes Bereiches ausbildet, in dem durch Wärmeaustausch die Kühlflüssigkeit zum Sieden gebracht wird.
Fig. l zeigt im Querschnitt ein zu kühlendes Element einer Elektronenröhre, das in an sich bekannter
Weise ausgebildet ist. Die Anode 1 ist verdickt ausgebildet und mit einzelnen massiven Fortsätzen 2 ver- sehen, deren Abmessungen gross sind gegenüber den Dampfblasen 7 und welche durch Zwischenräume 3 getrennt sind, welche vorzugsweise vertikal verlaufende Kamine bilden, in welchen die Mischung von Dampf und Wasser rasch hochsteigen kann. Die Kühlflüssigkeit siedet an der seitlichen Oberfläche der Fortsätze in Nähe der Basis 4 derselben und die Fläche, an welcher das Sieden zu beobachten ist, vergrö- ssert sich in dem Mass über die Flanken 5 der Fortsätze, als die abzuführende Verlustleistung sich erhöht.
Soferne die Fortsätze massiv ausgebildet sind, erfolgt die Wanderung des Wärmeaustauschbereiches an dem die Kühlflüssigkeit zum Sieden erhitzt wird, in stabiler und reversibler Weise in Abhängigkeit von der abzuführenden Verlustleistung. Die Anode 1 wird somit auf Grund ihrer guten Wärmeleitfähigkeit und der Fortsätze, welche durch die kochende Kühlflüssigkeit auf niedriger Temperatur gehalten werden, vor Überhitzung bewahrt.
Wie die Erfahrung gezeigt hat, ist die stabile Arbeitsweise wesentlich an das Vorhandensein "kalter" Metallmassen am Ende 6 der Vorsprünge gebunden und wie sich auf Grund dieser Erfahrung weiter zeigte, ist die obere Grenze der abführbaren Verlustleistung dann erreicht, wenn der Wärmeaustausch auch an den Enden der Fortsätze dazu führt, dass die Kühlflüssigkeit an diesen Stellen siedet. Zum Verständnis der nachfolgend beschriebenen Erfindung muss ausserdem noch bemerkt werden, dass die Überlegenheit des Vapotrons gegenüber andern Siedekühlvorrichtungen zum Teil darauf beruht, dass seine durch den Siedevorgang gekühlten Flächen nicht in ringsum geschlossenen Kanälen liegen. In solchen können nämlich Dampfblasen periodisch nach unten entweichen.
Die dadurch bedingte zeitweilige Unterbrechung der Flüs- sigkeitszufuhr setzt dabei die Stabilität des Betriebes herab und vermindert die abführbar Leistung.
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Die vorliegende Erfindung besteht nun in einer Verbesserung der oben beschriebenen Kühlvorrichtungen bekannter Art. Sie betrifft also eine Hochleistungskühlvorrichtung, insbesondere für Anoden von Elektro- nenröhren, bei welcher der zu kühlende Körper mit einem Radiator in Verbindung steht, der massive Rippen oder dicke Vorsprünge aufweist, die durch teilweise Verdampfung der den Radiator umgebenden Kühlflüs- sigkeit gekühlt werden, wobei die zwischen den benachbarten Rippen des Radiators vorhandenen Kanäle mindestens an einzelnen Punkten ihres Verlaufes untereinander und/oder mit dem ausserhalb der Rippen des Radiators liegenden Raum in Verbindung stehen.
Erfindungsgemäss endigen, nun die massiven Rippen oder die dicken Vorsprünge in einzelnen oder in einem gemeinsamen Wärmeaustauschgebilde, welches, bezogen auf gleiche in radialer Richtung des Ra- diators gemessene Länge, einen besseren thermischen Kontakt mit der Kühlflüssigkeit besitzt als ihn die
Rippen oder Vorsprünge in dem zwischen ihrer Basis und dem genannten Wärmeaustauschgebilde gelegenen
Abschnitt aufweisen.
Die erfindungsgemässe Kühlvorrichtung gewährleistet eine verstärkte örtliche Kühlung der Enden der
Vorsprünge und erhöht damit die Stabilität des Temperaturgefälles in radialer Richtung längs dieser Vor- sprünge. In Anbetracht des thermischen Widerstandes der Rippen oder Vorsprünge bedarf es dazu nur einer geringen zusätzlichen Wärmeabfuhr an deren Enden, die in keinem Verhältnis steht zu der dadurch erzielten Zunahme der abführbaren Leistung durch den Siedevorgang an der Basis derFortsätze. Die Temperatur dieser Basiszonen kann dabei ohne Gefahr einer Instabilität infolge Auftretens desLeidenfrost'schen Phä- nomens den kritischen Wert von 1250c übersteigen.
Die eine genügende örtliche Kühlung der Fortsätze sichernden Wärmeaustauschgebilde gemäss der Erfindung lassen sich unschwer verwirklichen, z. B. in Form besonders ausgestalteter Verlängerungen dieser Fortsätze, In Fig. 1 ist die Lage derartiger Verlängerungen 8 in bezug auf die Fortsätze 2 bekannter Anordnungen gestrichelt angedeutet.
In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele gemäss der Erfindung dargestellt.
In den Fig. 2-9 sind Ausführungsbeispiele gezeigt, bei welchen die Wärmeaustauschgebilde an den Enden der Fortsätze 2 die Gestalt von Verlängerungen 8 haben, deren intensive Kühlung dadurch gewährleistet ist, dass sie vergrösserte Berührungsflächen mit der Kühlflüssigkeit jenseits des vom Dampf eingenommenen Bereiches aufweisen. Gemäss dem inFig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel kann die Vergrösserung der Wärmeaustauschflächen der Verlängerungen 8 durch eine Art örtlicher Granulation bzw. Aufrauhung 9, auf das zwei bis dreifache erhöht werden. Die Vergrösserung der Oberfläche kann auf beliebige andere gleichwertige Weise erzielt werden.
Gemäss Fig. 3 können die Verlängerungen 8 nach Art eines Hahnenkammes eingeschnitten sein und die entstehenden Lappen 8a und 8b können beispielsweise abwechselnd nach verschiedenen Seiten abgebogen sein. Man erreicht dadurch eine äusserst wirksame Wirbelbildung in der Kühlflüssigkeit, welche sich in diesem Bereich, beschleunigt durch äussere Ursachen, in einer Thermosiphonbewegung befindet.
Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem die beiden vorhergenannten Massnahmen kombiniert sind. Die Flanken 8a, 8b dei Verlängerungensind, wie in der Fig. 4 bei 9 gezeigt ist, gerändelt. Die in den Fig. 2,3 und 4 gezeigten Ausführungsbeispiele sind ohne weiteres auf massive Elemente 2 irgendwelcher Form und an sich bekannter Art anwendbar.
Eine sehr interessante, den Fig. 3 und 4 entsprechende Ausführungsform zeigt geradlinige und vertikal verlaufende Elemente, welche massive Rippen darstellen, und diese können durch Giessen in Vakuum mit dem Körper 1 einen einzigen Teil bildend hergestellt werden und die Verlängerungen der Rippen sind gemäss dieser Ausführungsform quer zur Längsrichtung derselben mehrfach eingeschnitten und die entstandenen Zacken abwechselnd in verschiedenen Richtungen abgebogen, wodurch die Einheit das Aussehen eines an der Aussenseite mit schräg verlaufenden Zahnreihen versehenen Zylinders bekommt, während die Form der Kamine 3 in jenem Bereich, in welchem der Wärmeaustausch durch Verdampfung stattfindet, geradlinig bleibt.
Durch diese Ausführungsform wird der Vorteil erreicht, dass im Bereich 4, in welchem der wirksamste Wärmeaustausch durch Verdampfung erfolgt, der Ablauf des Wärmeaustausches durch die Ausbildung störender Turbulenzerscheinungen nicht gestört wird, während durch die Anordnung der Verlängerungen 8 in sich kreuzenden, schräg verlaufenden Zahnreihen dort eine sehr starke Turbulenz erzeugt wird, wodurch auch in diesem Bereich, in welchem die Flüssigkeitraschströmt, einmaximalwirksamer Wärmeaustausch erreicht werden kann.
Alle Ausführungsformen der massiven Verlängerungen 8, welche derart ausgebildet sind, dass ohne Sieden der Kühlflüssigkeit ein besserer Wärmeübergang stattfindet, können in ihrer Wirksamkeit noch dadurch verbessert werden, dass um die Verlängerungen 8 herum ein koaxialer, als Reflektor 10 dienender Zylinder angeordnet wird, welcher dazu dient, die Thermosyphonbewegung in einen aufsteigenden und
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einen absteigenden Ast zu trennen.
Dieser Reflektor 10 kann von den Verlängerungen 8 getragen sein und beispielsweise mit ihren Enden einen Teil bilden ; der Reflektor 10 kann aber auch, wie in der Fig. 4 gezeigt ist, mit den Verlängerungen in inniger Berührung stehen.
Der Reflektor 10 kann auch in einem als Optimum erkannten, im allgemeinen einige Millimeter betragenden Abstand von den Verlängerungen 8 angeordnet sein, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist, und in diesem Falle kann er einen Teil des zu der Anordnung gehörenden und nicht dargestellten Siedegefässes bilden.
Fig. 5 zeigt ein abgeändertes Ausführungsbeispiel gemäss der Erfindung, bei welchem die Verlänge- rungen 8 der vertikal verlaufenden massiven Rippen 2 der Länge nach gespalten und, wie bei 8a und 8b gezeigt ist, nach beiden Seiten abgebogen sind.
Gemäss Fig. 6 sind die Verlängerungen von an die äusseren Enden der massiven Vorsprünge 2 angelöteten Elementen 8c gebildet, deren Stirnflächen gegebenenfalls durch eine Rändelung 9 vergrössert sind.
Insbesondere bei den letzten beiden Ausführungsformen gemäss der Erfindung wird zwischen den Verlängerungen 8 ein Zwischenraum 11 freigelassen, so dass die vertikal verlaufenden Kanäle 3 seitlich nicht geschlossen sind. Diese nicht ringsum geschlossenen Kanäle gewährleisten einen auch bei höheren Belastungen ungestörten Siedevorgang, ganz wie es bei den Kühlvorrichtungen des bekannten Typs"Vapotron" der Fall ist.
Fig. 7 zeigt beispielsweise eineAusführungsform, bei derdieGesamiheitder Wärmeaustauschgebilde 8 von einem zylindrischen Metallmantel gebildet ist, der an die Enden 6 der von massiven, parallel verlaufenden Rippen gebildeten radialen Fortsätze 2 angelötet ist.
Da die vollkommene seitliche Schliessung der vertikalen Kanäle 3, wie oben erwähnt, auf die Wirkungsweise der Anordnung von nachteiliger Wirkung ist, ist der seitliche Abschluss dieser vertikalen Kanäle 3 durch kreisförmige Löcher 12 unterbrochen.
Fig. 8 zeigt ein abgeändertes Ausführungsbeispiel der Ausführungsform gemäss Fig. 7, gemäss welchem eine starkwandige Anode in an sich bekannter Weise mit parallelen Kanälen 3 versehen ist, in welche beim Giessen des Anodenkörpers ein Kern eingelegt war. Die seitlichen Öffnungen 13 sind als zylindrische Löcher dargestellt, doch können in durchaus gleichwertiger Weise, wie in Fig. 7 gezeigt ist, parallel verlaufende Schlitze 12 oder ein mit einer, dem Abstand der Schlitze 12 entsprechenden Steigerung verlaufender schraubenlinienförmiger Spalt vorgesehen sein. Wie Fig. 8 zeigt, kann gegebenenfalls die äussere Oberfläche 8 mit einer Rändelung bzw. Riefelung 9 versehen sein.
Schliesslich kann auch, wie Fig. 9 zeigt, über einen in an sich bekannter Weise ausgebildeten zu küh- lenden Körper, ein aus einem Metall guter Wärmeleitfähigkeit bestehendes perforiertes Blech geschoben sein, das die Gesamtheit der Wärmeaustauschgebilde 8 bildet und an die Enden 6 der radialen Vorsprünge 2 angelötet ist. Gemäss dieser Ausführungsformen ist eine grosse Zahl von Löchern 13 vorgesehen und diese Ausführungsform ist auf alle bekannten Arten von Vorsprüngen, insbesondere von pyramidenstumpfförmigen, in sich kreuzenden Schraubenlinien angeordneten Vorsprüngen anwendbar.
Alle in den Fig. 5-9 gezeigten und diesen entsprechenden Ausführungsformen können noch dadurch verbessert werden, dass ein koaxialer Reflektor 10, wie er beispielsweise in der Fig. 3 gezeigt ist, vorgesehen wird. Der optimale Abstand des Reflektors von den äussersten Enden der radialen Verlängerungen 8 beträgt etwa 5-10 mm und es ist am vorteilhaftesten, diesen Reflektor am Siedegefäss selbst statt an der Anode anzuordnen.
Hochleistungskühlvorrichtungen gemäss der oben beschriebenen Ausführungsformen sind äusserst wirksam und entsprechen einem Grossteil jener Erfordernisse, welchen auch von den am weitesten entwickelten Kühlvorrichtungen bekannter Art nicht entsprochen werden konnte.
Es treten jedoch stets extreme Belastungsfälle auf, und in vielen dieser Fälle ist oft aus Platzmangel nicht die Möglichkeit gegeben, die Verlängerungen 8 mit für die Ableitung ausreichender Wärmemengen ausreichenden Abmessungen herzustellen. Bei solchen extremen Belastungsfällen kann festgestellt werden, dass die in den Kanälen 3 gebildete grosse Dampfmenge 7 den Kontakt der Flüssigkeit mit den Verlängerungen 8 beeinträchtigt.
In diesen extremen Belastungsfällen ist es von Vorteil, gemäss der Erfindung andere demselben Zweck, nämlich der Sicherung stabiler Temperaturen an den Enden 4 der massiven Vorsprünge 2 dienende Wärmeaustauschgebilde vorzusehen. In den folgenden Figuren sind Ausführungsbeispiele gezeigt, bei welchen eine gegenseitige Beeinflussung der für das überraschende Betriebsverhalten der Vapotronröhren massgebenden beiden, gleichzeitig ablaufenden Wärmeaustauschvorgängen verhindert wird, nämlich der Verdampfung der Kühlflüssigkeit an der Basis 4 der Vorsprünge und der ohne nennenswerte Verdampfung ablaufenden Konvektion an den"kalten"Enden 6.
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Die Verbesserung besteht hiebei darin, dass zwecks Stabilisierung der"kalten Stellen"andenEnden 6 der Vorsprünge, innerhalb der Vorsprünge oder in Berührung mit diesen längs des Umfanges geschlossene Kühlkanäle 14 vorgesehen werden, in welchen sich eine Thermosyphonbewegung ausbildet, die unabhängig von der durch den aus den Kaminen 3 entweichenden Dampf erzeugten Strömung ist.
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unmittelbarer Nähe der Enden 6 derselben, beispielsweise durch Bohren, ein Kanal 14 mit kreisförmigem Querschnitt hergestellt wurde.
Man sieht unmittelbar, dass, wenn eine derartige Anordnung in die Kühlflüssigkeit eingetaucht wird, zwei voneinander unabhängige Thermosyphonbewegungen entstehen, u. zw. eine in den vertikal verlaufenden Kanälen 3, wobei gleichzeitig an der Basis 4 und an den Seiten 5 der Fortsätze 2 eine intensive Verdampfung stattfindet, und eine in den Kanälen 14, wobei in diesem Falle, da die in diesem Kanal abzuführende Wärmemenge bedeutend geringer ist als die in den Kanälen 3, wesentlich weniger Dampf entwickelt wird.
Wie die Erfahrung gezeigt hat, findet ein nennenswerter Wärmeaustausch in den Kanälen 14 nur an der der Anode zugewandten Innenfläche des Kanales statt, wobei die andere Hälfte der Innenwand des Kanales lediglich die Rolle einer Begrenzungswand spielt, die dünn sein und sogar aus nichtleitendem Material bestehen kann.
In Fig. 11 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der der Kanal 14 von einem Metallrohr 17 gebildet ist, das in einer in das Ende 6 der Rippen 2 eingefrästen Nut 15 eingelötet ist. Eine solche Anordnung kann ohne weiteres an Vorsprüngen angebracht werden, welche entsprechend den Fig. 3a und 3b der belgischen Patentschrift Nr. 594253 als ausgefluchtet Zähne od. dgl. ausgebildet sind.
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eingefrästen Nuten 15 einfach durch ein Metallband 18 abgeschlossen sind.
Alle diese Ausführungsformen können in Kombination mit einem koaxialen Zylinder 10 verwendet werden, der die Thermosyphonbewegung innerhalb der Kamine 3 führt.
Es ist nicht unbedingt erforderlich, die Kanäle 14 seitlich zu schliessen und es ist dementsprechend durchaus möglich, die in der Fig. 14 gezeigten Hilfsnuten 15 durch den fast anliegenden koaxialen Zylinder 10 zu schliessen, wenn die Abmessungen der Hauptkanäle 3 derart sind, dass die Anordnung des Zylinders 10 in einer solchen Lage deren Wirksamkeit nicht beeinträchtigt.
In den Fig. 15 und 16 ist die Anwendung der Erfindung auf den Spezialfall einer zentral angeordneten Anode dargestellt, wobei die Enden 6 der vertikal verlaufenden und durch Kanäle 3 voneinander getrennten Rippen 2, mit Kanälen 14 in Berührung stehen, die entweder wie in der Fig. 15 gezeigt ist, untereinander getrennt sind, oder wie in Fig. 16 beispielsweise gezeigt ist, zu einem einzigen Kanal zusammengefasst sind. In dem letztgenannten Falle ist es von Vorteil, einen koaxialen Kanal 19 vorzusehen, über welchen der zweite Ast der Thermosyphonbewegung geführt ist.
Die in den Fig. 10-16 gezeigten Ausführungsbeispiele gemäss der Erfindung können ohne weiteres in Kombination mit den vorhergehenden Ausführungsbeispielen, insbesondere jenen, bei welchen die Berührungsfläche mit der Flüssigkeit, beispielsweise durch Riefelungen 9 der Enden 6 oder der Verlängerungen 8 vergrössert ist, Anwendung finden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Hochleistungskühlvorrichtung, insbesondere für Anoden von Elektronenröhren, bei welcher der zu kühlende Körper mit einem Radiator in Verbindung steht, der massive Rippen oder dicke Vorsprünge aufweist, die durch teilweise Verdampfung der den Radiator umgebenden Kühlflüssigkeit gekühlt werden, wobei die zwischen den benachbarten Rippen des Radiators vorhandenen Kanäle mindestens an einzelnen Punkten ihres Verlaufes untereinander und/oder mit dem ausserhalb der Rippen des Radiators liegenden Raum in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, dass die massiven Rippen oder die dicken Vorsprün- ge (2) in einzelnen oder in einem gemeinsamen Wärmeaustauschgebilde (8) endigen, welches, bezogen auf gleiche in radialer Richtung des Radiators gemessene Länge,
einen besseren thermischen Kontakt mit der Kühlflüssigkeit besitzt als ihn die Rippen oder Vorsprünge in dem zwischen ihrer Basis und dem ge- nannten Wärmeaustauschgebilde gelegenen Abschnitt aufweisen.