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Die Erfindung betrifft einen Drehkolbenstrahler nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein derartiger Drehkolbenstrahler ist aus der
DE 103 35 664 B3 bekannt. Dieser Drehkolbenstrahler weist innerhalb einer kolbenförmigen Kühleinrichtung eine drehangetriebene Scheibe zum Aufwirbeln eines als Kühlmittel eingesetzten Fluids auf. Dabei kann es zu Turbulenzen im Fluid kommen.
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Ein weiterer 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 15.
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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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Die Strömungsleitstruktur ist 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 Material 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 sind. 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.
