DE1052581B - Anordnung zur Ableitkuehlung einer waermemaessig stark belasteten Elektrode einer Elektronenroehre - Google Patents
Anordnung zur Ableitkuehlung einer waermemaessig stark belasteten Elektrode einer ElektronenroehreInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Ableitkühlung einer wärmemäßig stark belasteten
Elektrode von einer Außenwand, vorzugsweise der Vorderwand eines Hochfrequenzgerätes benachbart
angeordneten Elektronenröhren, mittels lösbar aufgepreßter Kühlungsorgane, die mit der wärmeabstrahlenden
Außenwand wärmemäßig gut leitend verbunden sind.
Bei Anordnungen dieser Art wird erfahrungsgemäß die Anode wärmemäßig stark belastet. Wesentlich ist
nur, daß dieses wärmemäßig stark belastete Teil eine Wärmedurchführung durch das Vakuumgefäß der
Elektronenröhre hindurch nach dem Außenraum hin besitzt, welche die an der betreffenden Elektrode erzeugte
Wärme abzuführen erlaubt. Die Elektronenröhre kann in an sich beliebiger Schaltung, z. B. als
Verstärker, Schwingungserzeuger, Leistungsmischstufe usw., betrieben sein.
Für die Kühlung von Elektronenröhren ist eine Reihe an sich sehr unterschiedlicher Methoden bekannt.
Bei geringer Verlustleistung des zu kühlenden Teiles wird die sogenannte Strahlungskühlung angewendet,
während für etwas größere Verlustleistungen die Kühlung durch einen am zu kühlenden Teil unter
Überdruck vorbeistreichenden Luftstrom (vgl. z. B. das deutsche Gebrauchsmuster 1 701 258) angewendet
wird. Bei sehr hohen Verlustleistungen wird schließlich zur Wasserkühlung und zur Verdampfungskühlung
gegriffen. Den einzelnen Kühlungsmethoden sind also relativ eng begrenzte Arbeitsbereiche zugewiesen.
Als Zwischenlösung für geringe Leistungen hat sich außerdem noch die sogenannte Ableitkühlung eingeführt,
die beispielsweise aus den deutschen Patentanmeldungen S 39891 VIIIc/21 g und B 31702 VIIIc/
21g bekannt ist. Hierbei wird der Glaskolben einer Miniaturröhre von einem Metallzylinder eng umschlossen,
und die vom Metallzylinder durch Strahlung von der Röhrenanode her aufgenommene Verlustwärme
wird zur Chassisplatte oder unmittelbar zu einer Außenwand des zugehörigen Hochfrequenzgerätes
durch metallische Wärmeleitung abgeleitet, von wo aus die Verlustwärme durch Konvektion an die Außenluft
und in gewissem Maße auch durch Strahlung weggeführt wird. Diese Art der Kühlung findet ihre
Grenze indes bei Verlustleistungen von einigen Watt. Außerdem ist diese Kühlungsmethode auf Röhren der
angegebenen Art beschränkt.
Die Kühlung wärmemäßig stark belasteter Teile von Elektronenröhren für sehr kurze elektromagnetische
Wellen erfolgt deshalb meist — wie z. B. in der Zeitschrift »Electronics«, Februar 1945, auf den S. 98
bis 102 dargestellt und beschrieben ■— in der Weise, daß an dem wärmemäßig stark belasteten Teil eine
durch das Vakuumgefäß der Röhre hindurchführende Anordnung zur Ableitkühlung
einer wärmemäßig stark belasteten
Elektrode einer Elektronenröhre
einer wärmemäßig stark belasteten
Elektrode einer Elektronenröhre
Anmelder:
Siemens & Halske Aktiengesellschaft,
Berlin und München,
München 2, Wittelsbacherplatz 2
Berlin und München,
München 2, Wittelsbacherplatz 2
Dipl.-Ing. Peter Deserno und Martin Schnadelbachc
München,
sind als Erfinder genannt worden
Wärmeableitung in Form eines kurzen Bolzens vorgesehen wird, der seinerseits mit einem Kühlkopf versehen
ist. Dieser Kühlkopf kann auf dem Bolzen aufgeschraubt oder aufgelötet sein und besitzt eine Anzahl
von Kühlrippen, an denen der Kühlung dienende Luft, vorzugsweise unter Überdruck, vorbeigeführt
wird. Diese Ausbildung ist deshalb getroffen, um das-Abfließen der Wärme auf andere Metallteile, die in
der Nähe des wärmemäßig stark belasteten Teiles der Röhre liegen, weitgehend zu unterbinden. Nachteilig
an dieser bekannten Anordnung ist indes der für die Erzeugung des an den Kühlrippen vorbeistreichenden
Luftstromes erforderliche Lüfter, der meist aus einem kleinen Elektromotor mit Windrad und zugehörigen
Kühlkanälen für die Kühlluft besteht. Dieser Lüfter verursacht nämlich unter Umständen mechanische
Erschütterungen, die sich auf die Röhre oder sonstige empfindliche Geräteteile übertragen können und dort
Störungen, wie unerwünschte Modulation usw., hervorrufen. Außerdem ist die Gefahr einer Beschädigung
der Elektronenröhre durch zu starke Aufheizung bei Ausfall des Lüfters relativ groß, weshalb man gezwungen
ist, besondere, aufwendige Schutzschaltungen vorzusehen, die ihrerseits aber auch nicht ganz frei
von möglichen Ausfällen sind. Um diese Schwierigst» 769/4601
keiten zu vermeiden, wäre es an sich möglich, den Kühlkopf des wärmemäßig stark belasteten Teiles der
Elektronenröhre sehr groß auszubilden, weil dann allein schon durch die Wärmeabgabe an die umgebende
Luft eine hinreichend wirksame Kühlung erreicht würde, die die Anwendung eines besonderen
Lüfters entbehrlich macht. Dieser an sich gangbare Weg ist indes wenig befriedigend, weil die dafür erforderlichen
Kühlköpfe unhandlich große Abmessungen haben müßten, die den Einbau derartiger Elektronenröhren in Hochfrequenzgeräte unerwünscht
erschweren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg zu weisen, der es unter anderem ermöglicht, die
vorerwähnten Schwierigkeiten bei der Kühlung wärmemäßig stark belasteter Teile von Elektronenröhren
zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird, ausgehend von einer Anordnung zur Ableitkühlung einer wärmemäßig stark belasteten
Elektrode von einer Außenwand, Vorzugsweise der Vorderwand eines Hochfrequenzgerätes
benachbart angeordneten Elektronenröhren, mittels lösbar aufgepreßter Kühlungsorgane, die mit der
wärmeabstrahlenden Außenwand wärmemäßig gut leitend verbunden sind, gemäß der Erfindung in der
Weise gelöst, daß das Kühlungsorgan federnd aufgepreßt ist. Liegt die zusätzliche Forderung nach elektrischer
Isolierung des wärmemäßig stark belasteten Teiles der Elektronenröhre gegenüber dem wärmeabführenden
Teil und/oder der wärmeabstrahlenden Wand vor, so genügt es, zwischen dem wärmemäßig
stark belasteten Teil der Elektronenröhre und dem der Ableitung dienenden aufgepreßten Teil und/oder
der wärmeabstrahlenden Wand eine elektrische Isolierschicht, beispielsweise eine dünne Glimmerschicht,
vorzusehen. Man kann auf diese Weise Verlustleistungen bewältigen, die für die einleitend geschilderte
bekannte Ableitkühlung bisher auf Grund" der Erfahrungen unerreichbar waren.
Es ist an sich für Reflexklystrons, und zwar aus dem »Varian associates tube division Catalog microwave
tubes: Klystrons, BWOs, TWTs, Related Components«, für die Reflexklystrons VA 222 R und
VA 222 B-F bekannt, die an dem mit einem metallischen Resonator metallisch leitend verbundenen
Elektronenauf fänger auftretende Verlustwärme in der Weise abzuführen, daß an der elektrisch neutralen
Außenwand ein zur Befestigung an Metallteilen dienender Ableitflansch vorgesehen wird. Diese Art der
Kühlung ist jedoch auf Elektronenröhren, wie sie für den Erfindungsgegenstand der Betrachtung zugrunde
liegen, nicht übertragbar. Einerseits ist bei den Elektronenröhren, von denen die Erfindung ausgeht,
nicht die Voraussetzung gegeben, daß ein mit der stark belasteten Elektrode starr verbundener Hohlraumresonator
vorliegt, der zugleich als Träger der Röhre dient. Darüber hinaus ist es für solche Röhren
wesentlich, daß sie unabhängig von äußeren Schaltelementen sind.
Nachstehend wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Die Fig. 1 zeigt den röhrenseitigen Abschnitt einer an einer Frontplatte 1 eines Hochfrequenzgerätes
montierten Röhrenstufe, z. B. eines Schwingungs- E erzeugers für sehr kurze elektromagnetische Wellen.
Der Schwingungserzeuger besteht aus einer Scheibentriode mit der Anode A, der Gitterzuführung B und
der Kathodenzuführung C, dem Kathodenkreis mit dem Innenleiter 1 und dem Außenleiter 2 sowie dem
Anodenkreis mit dem Innenleiter 2 und dem Außenleiter 3. Der Außenleiter 3 dient zugleich zur Befestigung
des Schwingungserzeugers an der Frontplatte Ij die über einen ringflanschartigen Ansatz 4 und eine
entsprechende Schraubverbindung 5 geschieht. Zur gleichstrommäßigen Isolierung der Anodenzuführung
von dem Außenmantel 3 des Anodenkreises dient eine kapazitive Verblockung 6 in Form eines Ringflansches,
der in einem rohrförmigen Fortsatz 7 einen Kontaktfedernkranz 8 enthält, der die Verbindung
zum Anodenanschluß A der Röhre herstellt. Mit 6' ist die Anodenspannungszuführung bezeichnet.
Die Scheibentriode ist von an sich bekannter Bauweise und hat einen Kühlkopf K1 der über einen
Bolzen Bo unmittelbar mit der inerhalb des Vakuumgefäßes liegenden Röhrenanode in gut wärmeleitender
Verbindung steht. Die am stärksten wärmemäßig belastete Anode^ der Röhre wird in der Weise gekühlt,
daß auf die ebene, der Anode abgewandte Endfläche K' des Kühlkopfes K ein wärmeabführendes
Teil 9 aufgepreßt wird, das seinerseits mit einer wärmeabstrahlenden Fläche — in diesem Fall der
Frontplatte 1 des Hochfrequenzgerätes — gut wärmeleitend verbunden ist, und zwar durch die lösbare
Klemmverbindung der Flansche 10, die mittels der Befestigungsschrauben 5 des Schwingungserzeugers
an die Frontplatte 1 angeschraubt sind. Zusätzlich ist angenommen, daß der auf Anodenpotential liegende
Kühlkopf K der Elektronenröhre gleichstrommäßig von der Frontplatte getrennt werden muß, weshalb
zwischen die Paßfläche K' am Kühlkopf K und die benachbarte Auflagefläche des wärmeabführenden
Teiles 9 eine vorzugsweise an letzterem befestigte Isolierschicht 11 eingefügt ist, die beispielsweise aus
einer Glimmerschicht besteht. Die Glimmerschicht kann eine Stärke von einigen Zehnteln eines Millimeters
besitzen. Überraschenderweise wirkt sich hierbei die an sich gute Wärmeisolierung des Glimmers
nicht aus, was offenbar darauf beruht, daß die Querschnittsfläche über die die Wärme vom Kühlkopf K
zu dem Teil 9 abströmen kann, sehr groß ist.
Die Wirkungsweise der vorbeschriebenen Anordnung ist im wesentlichen derart, daß bei Betrieb der
Elektronenröhre, deren Anode relativ hoch belastet wird, beispielsweise mit 20 bis 30 Watt Anodenverlustleistung,
und daß dann die an der Anode entstehende Wärme über den Anodenbolzen zu dem Kühlbolzen Bo
abfließt. Normalerweise würde sie von dort aus auf die einzelnen scheibenförmigen Rippen des Kühlkopfes
K weiterfließen, wo sie durch Kühlluft mittels Konvektion fortgenommen wird. Beim Erfindungsgegenstand wird aber diese Art der Kühlung nicht
angewendet, sondern die über den Bolzen Bo von der Anode her abfließende Wärme läßt man im wesentlichen
bis zur letzten Platte K' des Kühlkopfes hin abfließen und nimmt sie dort mittels der durch das
Teil 9 geschaffenen Wärmeleitung unmittelbar ab. Vom Teil 9 aus fließt die Wärme über die Flansche 10
zu der Frontplatte 1, wo der dort ankommende Rest im wesentlichen durch Abstrahlung, zum Teil auch
durch Konvektion mit der umgebenden Luft abgeführt wird. Umfangreiche Untersuchungen haben
gezeigt, daß die auf diese Weise erzielte Kühlung außerordentlich wirksam ist bei kaum merkbarer Auf,
heizung der Frontplatte 1 des Hochfrequenzgerätes, was offenbar darauf beruht, daß die über die letzte
Kühlrippe K' durch Wärmeleitung abfließende Wärme auf eine große Fläche verteilt und somit rasch an den
Außenraum abgegeben wird.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 kann das Teil 9 entweder nach Art einer allseitig dicht
schließenden Kappe ausgebildet sein, die auf dem rohrzylindrischen Flansch 10 mittels Klemmung durch
Reibung festsitzt und durch einfaches Abheben gelöst werden kann. Es ist aber auch möglich, dem Teil 9
die Form einer U-förmigen Schiene zu geben, die dann auf den entsprechend ausgebildeten Flanschen
10 befestigt wird, beispielsweise ebenfalls mittels Klemmung. Gegebenenfalls empfiehlt es sich, bei
beiden Ausführungsformen lösbare Schraubverbindungen vorzusehen, um ein möglichst sicheres Auf- _io
liegen, gegebenenfalls auch Aufpressen, zwischen den Teilen K' und 11 bzw. 9 sowie 9 und 10 gewährleisten.
Bei der letztgenannten Ausführungsform mit U-förmigem Teil 9 ergibt sich der zusätzliche Vorteil,
daß die zwischen dem Kühlkopf und den Teilen 9 und 10 gespeicherte Luft nicht mehr als Wärmespeicher
dient, sondern bei Erwärmung, vorzugsweise bei senkrechter Anordnung des durch die U-Schiene gebildeten
Kamins, nach oben abstreicht und so Kühlluft nachführt.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ist es für die gemäß der Erfindung vorgeschlagene Lösung der einleitend geschilderten
Aufgabe nicht mehr zwingend erforderlich, die Elektronenröhre mit einem Kühlkopf üblicher
Art, der Kühlrippen besitzt, zu versehen. Für die Zwecke der Erfindung ist es durchaus ausreichend,
wenn der Kühlkopf der Elektronenröhre eine bolzenförmige Wärmeabführung Bo besitzt, die gegebenenfalls,
wie in der Fig. 2 gezeigt, in einen tellerartigen Ansatz T ausläuft, der an seiner der Anode abgewandten
Endfläche 12 vorzugsweise mit einer ebenen Paßfläche oder einer sonstwie geeigneten Endfläche
zum Zwecke einer guten Wärmeabführung auf das wärmeableitende Teil versehen ist.
In der Praxis tritt häufig noch die zusätzliche Forderung auf, gewisse mechanische Ungenauigkeiten in
der Halterung der Elektronenröhre auszugleichen, die beispielsweise darin bestehen können, daß die
Röhre mit ihrer Achse nicht genau senkrecht zur wärmeabführenden Fläche liegt bzw. daß die zur Aufpressung
des wärmeabführenden Teiles 9 dienende Fläche der Elektronenröhre nicht genau parallelflächig
mit der entsprechenden Fläche des Teiles 9 ist, sondern hierzu verkantet liegt. In diesem Fall konnte
es bei scharfem Aufpressen des Teiles 9 unter Umständen passieren, daß die Röhre in der Fassung
unerwünscht bewegt oder in ihren Anglasungen beschädigt wird, während bei zu geringem Aufpressen
nur über einen kleinen Teil der zwischen 9, 11 und K' zur Verfügung stehenden Querschnittsebene eine gut
wärmeleitende Verbindung besteht. Diese Schwierigkeiten lassen sich dadurch vermeiden, daß, wie in
Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen wird, das aufgepreßte Teil nach Art einer federnden Wippe ausgebildet
ist, die über flexible Wärmeleiter mit der wärmeabstrahlenden Fläche verbunden ist.
Ein Ausführungsbeispiel hierfür zeigt die Fig. 3, bei der lediglich die federnde Wippe in Verbindung
mit weiteren Mitteln zur Wärmeabführung dargestellt ist, wobei man sich das ganze Teil bei der in
Fig. 1 dargestellten Anordnung an die Stelle der Teile 9, 10 und 11 gesetzt zu denken hat. Die Wippe
besteht aus einer beispielsweise quadratischen oder auch runden Metallplatte 13, die z.B. an zwei gegenüberliegenden
Stellen 14 und 15 mittels zweier Federn 16, von denen wegen des in der Zeichnung dargestellten
Schnittes in Fig. 3 nur eine sichtbar ist, in einem beispielsweise rechteckigen Gehäuse hinreichend
großer Wandstärke aufgehängt ist. Die Metallplatte 13 ist gegebenenfalls analog zum Ausführungsbeispiel
nach Fig. 1 mit einer dünnen Isolierschicht 11, z. B. einer Glimmerschicht, an der Auflagefläche für den
Kühlkopfteil K' des Kühlkopfes K der Elektronenröhre versehen. Die Ableitung der vom Kühlkopf K
über K' auf die Platte 13 abfließenden Wärme geschieht über flexible Wärmeleiter, die beim Ausführungsbeispiel
aus dünnen Küpferbändern 18 relativ großer Breite bestellen. Beispielsweise können dies
vier und fünf Kupferbänder sein, von denen jedes eine Stärke in der Größenordnung von einem Zehntel eines
Millimeters und weniger besitzt. Diese Bänder 16 sind an der Platte 18 gut wärmeleitend befestigt, beispielsweise
mittels einer Verschraubung, Nietung, Hartlötung od.. dgl. Andererseits sind die Bänder 18
zu den Seitenwänden des Gehäuses 17 geführt, wo sie mittels verschraubter Klemmbacken 19 gegen dieselben
angepreßt werden, und zwar ebenfalls zwecks guter Wärmeleitung. Auch hier können andere bekannte
. Mittel zur Befestigung vorgesehen werden, wenn sie nur sicherstellen, daß die Wärmeleitung
gewährleistet ist. Zur Befestigung des Gehäuses 17 an der Frontplatte 1 dienen Laschen 20, die mit Schraubschlitzen
oder Schrauböffnungen versehen sind. Diese Vorrichtungen 20 dienen dazu, einen guten Wärmeabfluß
vom Gehäuse 17 auf die wärmeabstrahlende Wand 1 sicherzustellen, wozu es erforderlich ist, das
Gehäuse.17 auf die wärmeabstrahlende Wand 1, die. beispielsweise die Vorderplatte eines Hochfrequenz- gerätes
sein kann, möglichst im Paßsitz aufzupressen. Zusätzlich, insbesondere zur Vermeidung eines Überdrucks,
ist das Gehäuse 17 an zwei gegenüberliegenden Wandungsteilen mit Öffnungen 21 versehen, deren
Durchmesser d derart gering gewählt ist, daß sich gegebenenfalls von der Elektronenröhre her in das
Gehäuse 17 hin ausbreitende elektromagnetische Wellen durch die Öffnungen bzw. Kanäle 21 hindurch
nicht in Form von Hohlrohrwellen ausbreiten können, sondern daß diese Wellen aperiodisch gedämpft werden.
Der Durchmesser d ist also kleiner zu wählen als eine halbe Betriebswellenlänge.
Die Wirkungsweise der in der Fig. 3 gezeigten Anordnung kann man sich so vorstellen, daß bei Aufsetzen
des Gehäuses 17 auf die wärmeabstrahlende Wand 1 in Fig. 1 die Wippe 13 mit ihrer Fläche 11
auf die Fläche K' des Kühlkopfes K der Elektronenröhre zu liegen kommt und wegen der wippenartigen
Ausbildung auf dieser Fläche K' gut anliegt. Es ist auch hier zweckmäßig, auf Paßflächen zu achten. Die
Wärme fließt dann von der Anode der Elektronenröhren über den Bolzen i?o zu dem wärmeabführenden
Teil 13 ab und von dort über die flexiblen Wärmeleiter 18 zu der Wandung des Gehäuses 17. Es steht
auf diese Weise eine relativ große Fläche zur Abstrahlung der an der Anode der Elektronenröhre entstehenden
Wärme zur Verfügung, die durch das zugleich der Abdeckung der Röhre an der Frontplatte
des Hochfrequenzgerätes dienende Gehäuse 17 gebildet wird. Die restliche Wärme fließt auf die wärmeabstrahlende
Fläche 1 ab und wird von dort aus an den umgebenden Raum abgegeben.
Kommt es im Einzelfalle darauf an, die an der stark wärmebelasteten Elektrode der Elektronenröhre
entstehende Wärme von der bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen zur Wärmeabstrahlung dienenden
Wand 1, beispielsweise der Frontplatte eines Hochfrequenzgerätes, fernzuhalten, so kann man dies
in der Weise realisieren, daß man die Ableitkühlung an eine Stelle des Hochfrequenzgerätes legt, die eine
gute Wärnieverbindung mit dem Außenraum hat, vorzugsweise also derart, daß das wärmeabführende
Claims (6)
1. Anordnung zur Ableitkühlung einer wärmemäßig stark belasteten Elektrode von einer Außenwand,
vorzugsweise der Vorderwand eines Hochfrequenzgerätes benachbart angeordneten Elektronenröhren, mittels lösbar aufgepreßter
Kühlungsorgane, die mit der wärmeabstrahlenden Außenwand wärmemäßig gut leitend verbunden
sind, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Elektronenröhre mit vorzugsweise scheibenförmigen
Elektrodendurchführungen das Kühlungsorgan federnd aufgepreßt ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlungsorgan nach Art
einer federnden Wippe ausgebildet ist, die über flexible Wärmeleiter, beispielsweise eine Vielzahl
dünner Kupferbänder, mit der wärmeabstrahlenden Fläche verbunden ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der stark wärmemäßig
belasteten Elektrode gut wärmeleitend verbundene, wärmeabstrahlende Außenwand mit
Mitteln zur Vergrößerung der Abstrahlungsfläche, beispielsweise Kühlrippen und/oder Kühlluftkanälen,
versehen ist.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der stark
wärmemäßig belasteten Elektrode gut wärmeleitend verbundene, wärmeabstrahlende Außenwand
nach weiteren anschließenden Flächen hin durch Wärmedrosseln und/oder zusätzliche Kühlungsmittel,
wie Kühlrippen und/oder Kühlluftkanäle, wärmemäßig abgegrenzt ist.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der wärmemäßig
stark belasteten Elektrode und dem der Ableitung dienenden Kühlungsorgan eine elektrische
Isolierschicht, beispielsweise eine dünne Glimmerschicht, vorgesehen ist.
6. Elektrische Entladungsröhre im Aufbau nach Art einer Scheibentriode zur Verwendung in einer
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmemäßig am
stärksten belastete Elektrode mit einem bolzenartigen Wärmeabführungsorgan verbunden ist, das
an seiner zur Anlage des aufzupressenden Teiles bestimmten Oberfläche, vorzugsweise in einen'.
Teller auslaufend, ebenflächig ausgebildet ist..
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