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Die
Erfindung betrifft einen Drehkolbenstrahler nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Ein
derartiger Drehkolbenstrahler ist beispielsweise aus der
DE 196 12 698 C1 bekannt.
Dabei sind eine Kathode und eine Anode fest im Inneren eines vakuumdichten
Strahlergehäuses
angebracht. Die so ausgebildete Röhre ist drehbar gelagert. Ein von
der Kathode zur Anode gerichteter Elektronenstrahl wird mittels
einer bezüglich
der Röhre
feststehenden magnetischen Ablenkeinrichtung abgelenkt und in der
abgelenkten Position ortsfest gehalten. Zum Abführen der beim Abbremsen des
Elektronenstrahls in der Anode gebildeten Wärme ist das Strahlergehäuse mit
einer Kühleinrichtung
versehen. Die Kühleinrichtung
umfasst beispielsweise ein das Strahlergehäuse umgebendes äußeres Gehäuse. In einem
zwischen dem äußeren Gehäuse und
dem Strahlergehäuse
gebildeten Zwischenraum wird zum Abführen der Wärme ein Kühlmittel, beispielsweise ein
Isolieröl,
mittels einer Pumpe zirkuliert.
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In
der Praxis hat es sich insbesondere bei einer Verwendung hoher Rotationsfrequenzen
der Röhre
von mehr als 200 Umdrehungen/Minute gezeigt, dass zur Aufrechterhaltung
einer ausreichenden Kühlung
eine erhebliche Steigerung der Leistung der Pumpe zur Zirkulation
des Kühlmittels
erforderlich ist. Auch bei einer Steigerung der Leistung der Pumpe
wird beobachtet, dass mitunter der Transport des Kühlmittels
insbesondere im thermisch hoch belasteten Bereich der Anode sich
stark verlangsamt oder sogar vollständig zum Stillstand kommt.
Es kann infolgedessen zu einer unerwünscht starken Erhitzung der
Anode kommen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu
beseitigen. Es soll insbesondere bei einem Drehkolbenstrahler eine Kühleinrichtung
angegeben werden, welche auch bei einer hohen Drehfrequenz eine
sichere und zuverlässige
Kühlung
gewährleistet.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen ergeben
sich aus den Merkmalen der Ansprüche
2 bis 16.
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Nach
Maßgabe
der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kühleinrichtung zumindest im
Bereich des Bodens eine der Ausbildung tangentialer Strömungskomponenten
im Kühlmittel
entgegenwirkende Strömungsleitstruktur
aufweist. – Es
hat sich gezeigt, dass durch diese relativ einfach realisierbare Maßnahme auch
bei hohen Drehfrequenzen der Röhre
eine hervorragende Kühlung
gewährleistet werden
kann. Das wird nach derzeitigem Kenntnisstand darauf zurückgeführt, dass
durch das Vorsehen der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Strömungsleitstruktur
eine durch die Corioliskraft bedingte tangentiale Ablenkung der
Strömung
im Kühlmittel wesentlich
vermindert oder unterbunden wird. Es kommt nicht zur Ausbildung
unerwünschter
Sperrströmungen
im Kühlmittel,
zu deren Überwindung eine
erhebliche Leistungssteigerung der Pumpe erforderlich ist. Auch
kann damit einer unerwünschten Verlangsamung
oder einem Stillstand des Transports des Kühlmittels entgegengewirkt werden.
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Nach
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Strömungsleitstruktur in im Wesentlichen
radial sich erstreckenden Radialabschnitten der Kühleinrichtung
vorgesehen. Unter "Radialabschnitten" werden Flächen der
Kühleinrichtung
verstanden, welche die Achse schneiden. Gerade in diesen Abschnitten kommt
es zur Ausbildung der durch die Corioliskraft bedingten unerwünschten
Sperrströmungen.
Die erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Strömungsleitstrukturen
werden also insbesondere einer Außenseite des Strahlergehäuses im
Bereich des Bodens sowie ggf. in einem mittleren Abschnitt des Strahlergehäuses in
einem Bereich mit einem kleinen Durchmesser vorgesehen.
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Nach
einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Strömungsleitstruktur
sich über
einen wesentlichen Abschnitt der Fläche der Radialabschnitte erstreckt.
D. h. die Strömungsleitstrukturen erstrecken
sich über
einen wesentlichen Abschnitt eines Radius der meist ringartig ausgebildeten
Fläche/n
des/der Radialabschnitts/e.
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Nach
einer besonders einfachen Ausgestaltung umfasst die Strömungsleitstruktur
radial verlaufende Stege. Die Stege können unterbrochen sein. Sie
können
sich lediglich über
einen Abschnitt der Fläche
erstrecken. Sie können
auch Bestandteil von labyrinthartigen Strukturen sein, welche sich
in radialer Richtung erstrecken. Die Strömungsleitstruktur kann beispielsweise
auch aus die Außenseite
des Strahlergehäuses
umgebenden, geeignet geführten Rohrleitungen
gebildet sein.
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Nach
einer besonders einfachen konstruktiven Ausgestaltung weist die
Kühleinrichtung
ein das Strahlergehäuse
zumindest abschnittsweise umgebendes äußeres Gehäuse auf, so dass zwischen dem
Strahlergehäuse
und dem äußeren Gehäuse ein
mit Kühlmittel
durchströmbarer
Zwischenraum gebildet ist. In diesem Fall ist die Strömungsleitstruktur
zweckmäßigerweise
an einer dem Strahlergehäuse
zugewandten Innenseite des äußeren Gehäuses vorgesehen.
Zur weiteren Verbesserung der Ableitung von Wärme von der Anode kann eine
dem äußeren Gehäuse
zugewandte Außenseite
des Strahlergehäuses
zumindest im Bereich des Bodens, vorzugsweise radial verlaufende,
Rillen und/oder Stege aufweisen. Es wird damit die zu kühlende Oberfläche an der
Außenseite
des Strahlergehäuses
vergrößert und
die Wärmeabfuhr
beschleunigt. Daneben ist es auch möglich, dass die Strömungsleitstruktur
eine Vielzahl in der Fläche
im Wesentlichen regelmäßig angeordneter,
axial verlaufender Elemente, beispielsweise zylindrische Stifte
oder dgl., umfasst.
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Nach
einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Strömungsleitstruktur ein im Zwischenraum
vorgesehenes, mit Kühlmittel
durchströmbares
poröses oder
schaumartiges Material. Das Ma terial kann insbesondere aus der folgenden
Gruppe ausgewählt sein:
poröses
Sintermetall, Metallschaum, poröse Keramik,
keramischer Schaum. Das Vorsehen des vorgeschlagenen Materials ermöglicht eine
besonders einfache Realisierung der Strömungsleitstruktur.
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Das äußere Gehäuse kann
nach einer weiteren Ausgestaltung zumindest aus zwei Teilen hergestellt
sein, wobei eines der beiden Teile ein im Bereich des Bodens angebrachter
erster Deckel ist. Des Weiteren kann das äußere Gehäuse zwei Gehäusehalbschalen
umfassen, welche in einem mittleren Abschnitt des Strahlergehäuses vorgesehen
sein. Das Vorsehen der vorgeschlagenen Gehäusehalbschalen findet insbesondere
bei Strahlergehäusen
Verwendung, welche in ihrem mittleren Abschnitt einen geringeren
Durchmesser als die einander gegenüberliegenden Böden aufweisen.
Ferner kann das äußere Gehäuse in diesem
Fall einen zweiten Deckel umfassen, welcher an einem dem Boden gegenüberliegenden
weiteren Boden des Strahlergehäuses
angebracht ist. Nach der vorgeschlagenen Ausgestaltung kann das äußere Gehäuse also
im Wesentlichen aus vier Teilen bestehen, an deren dem Strahlergehäuse zugewandten
Innenseiten zumindest in den Radialabschnitten geeignete Strömungsleitstrukturen
vorgesehen sind. Durch eine einfache Montage und feste Verbindung
des äußeren Gehäuses mit dem
Strahlergehäuse
kann auf einfache und kostengünstige
Weise die erfindungsgemäße Kühleinrichtung
realisiert werden.
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Nach
einer weiteren Ausgestaltung ist das äußere Gehäuse aus einem Kunststoff, vorzugsweise
aus einem mit Glasfasern, Kohlefasern oder Kunststofffasern verstärkten Kunststoff
oder PEEK hergestellt. Das äußere Gehäuse kann
ferner zum Versetzen des Strahlergehäuses in eine Drehbewegung antriebsmäßig mit
einer Antriebseinrichtung verbunden sein. Dazu kann am äußeren Gehäuse eine
geeignete Struktur zur antriebsmäßigen Kopplung
mit der Antriebseinrichtung vorgesehen sein. Es kann sich dabei
beispielsweise um eine umlaufende Zahnung zum Eingriff eines Zahnriemens,
um Ausnehmungen oder Vorsprünge
zum Eingriff in eine an der Antriebseinrichtung vorgesehene Kupplung
oder dgl. handeln.
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Nachfolgend
werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
schematische Schnittansicht eines ersten Drehkolbenstrahlers,
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2 eine
schematische Schnittansicht gemäß der Schnittlinie
X-X' in 1,
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3 eine
schematische Teilschnittansicht gemäß der Schnittlinie A-A' in 2,
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4 eine
schematische Teilschnittansicht gemäß der Schnittlinie B-B' in 2,
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5a – f Ausgestaltungen
von Strömungsleitstrukturen,
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6a – f schematische
Teilschnittansichten senkrecht zu Ausgestaltungen der Strömungsleitstrukturen,
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7 eine
schematische Schnittansicht eines zweiten Drehkolbenstrahlers,
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8 eine
schematische Schnittansicht eines dritten Drehkolbenstrahlers,
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9 eine
schematische Schnittansicht einer Ausgestaltung des äußeren Gehäuses,
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10 eine
schematische Schnittansicht quer zu den Gehäuseschalen.
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1 zeigt
eine schematische Schnittansicht durch einen ersten Drehkolbenstrahler.
Der Drehkolbenstrahler weist ein um eine Achse A drehbares Strahlergehäuse 1 auf,
welches unter Ausbildung eines Zwischenraums 2 fest mit
einem äußeren Gehäuse 3 verbunden
ist. Der Zwischenraum 2 weist im Wesentlichen radial sich
erstreckende Radialabschnitte 4 auf, welche in 1 schraffiert
dargestellt sind. Des Weiteren weist der Zwischenraum 2 Mantelabschnitte 5,
welche in 1 weiß dargestellt sind. Der Zwischenraum 2 ist
mit einem Kühlmitteleinlass 6 zur
Zufuhr von Kühlmittel
und einem Kühlmittelauslass 7 zur
Abführung
von Kühlmittel,
beispielsweise Isolieröl
oder Wasser, versehen.
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Das
aus Metall oder einem anderen geeigneten Material hergestellte und
vakuumdichte Strahlergehäuse 1 ist
kolbenartig ausgestaltet und weist im Bereich eines Bodens 8 eine
(hier nicht gezeigte) fest mit dem Strahlergehäuse 1 verbundene Anode
auf. Im Bereich eines gegenüberliegenden
weiteren Bodens 9 ist eine (hier nicht gezeigte) Kathode
vorgesehen.
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2 zeigt
eine schematische Schnittansicht gemäß der Schnittlinie X-X' in 1.
Im Zwischenraum 2 ist eine aus radial verlaufenden Stegen 10 und
dazwischen befindlichen Kühlkanälen 11 gebildete
Strömungsleitstruktur
vorgesehen.
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Wie
aus 3 ersichtlich ist, können die Kühlkanäle 11 sich radial
nach außen
in einem Bereich einer Einmündung
in den Mantelabschnitt 5 erweitern. Wie in 4 gezeigt
ist, können
die Kühlkanäle 11 an
ihrer dem Strahlergehäuse 1 zugewandten
Seite mit Rippen 12 versehen sein, die vorzugsweise radial
verlaufen. Durch das Vorsehen der Rippen 12 wird die zu
kühlende
Oberfläche
vergrößert und
damit die Effektivität
des Wärmeübergangs
auf das Kühlmittel
erhöht.
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Die 5a bis
f zeigen verschiedene Varianten von Strömungsleitstrukturen im Bereich
des Bodens 8. In 5a sind
erste Stege 10a vorgesehen, welche sich radial über einen
wesentlichen Abschnitt des Bodens 8 erstrecken. Zweite
Stege 10b erstrecken sich dagegen jeweils nur über einen
radial äußeren Abschnitt
des Bodens 8.
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Bei
der in 5b gezeigten Variante sind die ersten 10a und
die zweiten Stege 10b unterbrochen.
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Wie
aus 5d ersichtlich ist, können die Stege 10 auch
labyrithartig verlaufen. Auch damit kann der Ausbildung tangentialer
Strömungsvektoren
im Zwischenraum 2 entgegengewirkt werden und darüber hinaus
eine besonders effektive Übertragung
von Wärme
auf das Kühlmittel
erzielt werden.
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Geeignete
Strömungsleitstrukturen
können auch
durch das Vorsehen axial verlaufender, vorzugsweise in einer hexagonalen
Symmetrie angeordneter, zylindrischer Stifte 12a (5c),
durch hexogonale 13 (5e) oder
auch trigonale Sägestrukturen 14 (5f)
erzeugt werden.
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6a bis
f zeigen Teilquerschnittsansichten senkrecht zu radial verlaufenden
Strömungsleitstrukturen.
Eine dem äußeren Gehäuse 3 zugewandte
Außenseite 15 des
Strahlergehäuses 1 ist rau
ausgebildet. Eine solche Rauhigkeit kann z. B. mittels Sandstrahlen
oder anderer geeigneter Techniken erzeugt werden. Die Rauhigkeit
kann auch in Form radialer Rillen – wie sie in 4 mit
dem Bezugszeichen 12 bezeichnet sind – ausgeführt sein.
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Wie
aus den 6a bis c ersichtlich ist, können die
Stege 10 am äußeren Gehäuse 3,
am Strahlergehäuse 1 oder
sowohl am äußeren Gehäuse 3 als
auch am Strahlergehäuse 1 angebracht
sein. Daneben ist es auch möglich,
dass die Stege 10 freitragend ausgebildet sind, d. h. nach
Art von Speichen sich durch den Zwischenraum 2 erstrecken
(siehe 6d).
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Anstelle
der Stege 10 können
auch freitragende Stäbe 16 sich
in radialer Richtung durch den Zwischenraum 2 erstrecken (siehe 6e).
Bei der in 6f gezeigten Variante ist die
Strömungsleitstruktur
Bestandteil des Strahlergehäuses 1.
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7 zeigt
eine schematische Querschnittsansicht eines zweiten Drehkolbenstrahlers.
Dabei ist im Zwischenraum 2, welcher zwischen dem Boden 8 und
dem gegenüberliegenden
Abschnitt des äußeren Gehäuses 3 ausgebildet
ist, eine Scheibe 17 vorgesehen, welche relativ zu dem
Strahlergehäuse 1 und dem
damit fest verbundenen äußeren Gehäuse 3 drehbar
ist. Die Scheibe 17 kann bei einer Drehung des Strahlergehäuses 1 bzw.
des äußeren Gehäuses 3 beispielsweise
festgehalten sein. Sie kann jedoch auch mit einer geringeren Drehzahl
als das Strahlergehäuse 1 in
dieselbe oder auch in die entgegengesetzte Richtung gedreht werden.
Infolge des Vorsehens der Scheibe 17 kommt es zu einer
Strömungsausbildung,
welche das Kühlmittel
in Richtung des Kühlmittelauslasses 7 zwingt.
Bei geeigneter Ausbildung der Scheibe 17 bzw. geeigneter
Relativbewegungen der Scheibe 17 relativ zum Strahlergehäuse 1 kann
auf das Vorsehen einer Pumpe zum Transport des Kühlmittels verzichtet werden.
Das Kühlmittel wird
vom Kühlmittelauslass 7 über einen
Wärmetauscher 18 wieder
dem Kühlmitteleinlass 6 zugeführt.
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Bei
dem in 8 gezeigten dritten Drehkolbenstrahler ist die
Scheibe 17 in Form einer Doppelplatte ausgeführt. Damit
kann eine besonders starke Strömung
des Kühlmittel
in Richtung des Kühlmittelauslasses 7 erreicht
werden. Ferner ist bei dem in 8 gezeigten
dritten Drehkolbenstrahler ein weiterer Kühlmitteleinlass 6 im
Bereich des Kühlmittelauslasses 7 vorgesehen.
Damit wird erreicht, dass Kühlmittel,
welches unmittelbar vom Wärmetauscher 18 kommt,
ohne vorherige Erwärmung
dem bei Betrieb besonders stark erwärmten Bereich des Bodens 8 des
Drehkolbenstrahlers zugeführt
wird.
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9 zeigt
eine Ausführungsform
zur Herstellung des äußeren Gehäuses 3.
Das äußere Gehäuse 3 kann
danach aus einem ersten Deckel 19, zwei mittleren Gehäusehalbschalen 20 sowie
einem zweiten Deckel 21 hergestellt sein. Die vorgenannten Gehäusebestandteile
können
beispielsweise aus einem Kunststoff, wie PEEK oder dgl., hergestellt
sein. Sie können
mittels geeigneter Montagemittel oder durch Kleben miteinander verbunden
werden.
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Wie
aus 10 ersichtlich ist, können auch mehrere der in 9 gezeigten
mittleren Gehäusehalbschalen 20 mit
einem Versatz von 90° übereinander
angebracht und durch Verkleben fixiert sein. Damit kann eine besonders
druckfeste Ausbildung des äußeren Gehäuses 3 erreicht
werden.