DE1751890A1 - Vorrichtung zur Verdampfungskuehlung von metallischen Koerpern - Google Patents

Description

Beschreibung

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dar Firma Varian Associates, Palo Alto, California, USa

betreffend:

"Vorrichtung zur Verdampfungskühlung von metallischen Körnerη".

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verdampfungskühlung von metallischen, in die zu verdampfende Flüssigkeit mindestens teilvjeise eingetauchten Körpern.

Die Erfindung ist insbesondere anwendbar auf die Kühlung von Vakuumröhrenanoden oder Kernbrennstoffelementen. Der Anwendungsbereich des Erfindungsgegenstandes ist jedoch nicht auf diese Fälle beschränkt.

Die Verdampfungskühlung ist seit längerer Zeit für die Kühlung von metallischen Körpern, wie z.B. die obengenannten Anv/endungsfälle, verbreitet. Bei dieser Art der Kühlung wird die latente Verdampfungswärme benutzt, um Wärme von einer zu kühlenden Oberfläche abzuführen, auf der die Verdampfung der Flüssigkeit stattfindet. Diese durch die Verdampfung abgeführte ^T7ärme wird zusätzlich zu der Wärme abgeführt, die von unverdampfter Flüssigkeit von der Oberfläche abgeführt wird.

Die Wärmeabfuhr von der Oberfläche eines beheizten Körpers, der in eine Flüssigkeit- wie z.B. Wasser - eingetaucht ist_#er-

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foist durch Verdampfung derjenigen Flüssigkeit, die in Berührung mit der eingetauchten Oberfläche steht. Wenn sich eine Dampfblase gebildet hat, so muß sie von der beheiaten Oberfläche abgeführt werden und durch v/eitere Flüssigkeit ersetzt werden. Wenn die Dampfblase in Kontakt mit der Oberfläche bliebe, könnte weitere Wärme nur durch konventionelle Leitung abgeführt werden, welche natürlich ungenügend in einem System ist, das für verdampfungskühlung ausgelegt"ist. Ein Versagen der Dampfblasenabführung und des Ilachfließens von unverdampfter Flüssigkeit führt zu einem "heißen Fleck", was schließlich zur Zerstörung des zu kühlenden Körpers infolge überhitzung führen könnte.

Dieses auf der Fluid-Dynamik beruhende Problem wird noch verschärft durch die Tatsache, daß das verdampfte Fluid kontinuierlich durch Flüssigkeit ersetzt werden muß, jedoch nur mit geringster Störung der Dampfabführung. Wenn die 3ehinderung für die Dampf ab führung zunimmt, so niinnt die Dampfflußrate ab und damit auch die Rate der Wärmeabfuhr. Solche Kräfte führen außerdeia zur Ausbildung größerer Blasen, ehe sie sich von der beheizten Oberfläche ablösen. Während der Bildung einer großen Blase bleibt diese in Kontakt mit der beheizten Fläche und wirkt dort im wesentlichen als eine Wärmedämmung. Dadurch wird die Wahrscheinlichkeit für die Ausbildung eines "heißen Fleckes" vergrößert, so daß man mit einer überhitzung des zu kühlenden Körpers rechnen muß. Darüberhinaus kann sogar ein Dampffilm sich auf einer relativ großen Fläche des Körpers ausbilden und damit die Verdang fungskühlung in eine Leitungskühlung in diesem Bereich umkehren. Dies führt selbstverständlich zu einer irreparablen überhitzung.

Offensichtlich sähe die ideale Dampfblasenbildung so aus, daß eine große An-aahl sehr kleiner Dampfblasen gleichmäßig an der Oberfläche des erhitzten Körpers gebildet werden, wobei die Flüssigkeit eine große latente Verdampfungswärme aufweisen müßte. Im Idealfall würde ein rapides Abführen der Dampfblasen von der Oberfläche stattfinden und das sofortige Machfließen weiterer Flüssigkeit in den freigewordenen Raum, wobei 109821/0*01

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eine minimale Störung des Dampfblasenabflusses stattfinden müßte. Gegenwärtig bekannte Vorrichtungen zur Verdampfungskühlung haben diesen idealen Zustand noch nicht verwirklichen können, obwohl zahlreiche Anstrengungen unternommen wurden.

So ist das Prinzip der Verdampfungskühlung kombiniert worden mit dem Phänomen der Kapillarität bei der Kühlung eines Körpers in Form einer Vorrichtung, die als "V/ar.nepfeife" bekannt geworden ist. Diese Vorrichtung hat allerdings wenig Verbreitung gefunden, doch wo sie angewandt werden kann, läßt sich eine erhebliche Wärmemenge isothermisch abführen .

Die "Wäriaepfeife" besteht aus einem evakuierten rohrförmigen Gehäuse mit einer Kapillarauskleidung der Innenfläche. Das Gehäuse enthält eine kleine Flüssigkeitsmenge, Vielehe die Kapillarauskleidung sättigt und einen erheblichen Dampfdruck bei den gewünschten Betriebstemperaturen besitzt. Die Flüssigkeit wird an /ärmeeingangsende des Gehäuses verdampft und kondensiert an IJärmeausgangsende, wonach sie wieder zum Wärmeeingangsende entweder durch die Schwerkraft, durch Kapillarwirkung oder durch beide Wirkungen zurückgeführt wird. Die Kapillarauskleidung kann demgenäß als ein gewöhnlicher Docht angesehen werden, obwohl in praktisch verwirklichten Ausführungen die Auskleilung aus anorganischem Material zwecks erhöhter Lebensdauer λ besteht.

Wo die Wärmepfeife anwendbar ist, bietet sie verschiedene Vorteile gegenüber den üblichen Verdampfungskühleinrichtungen. Zunächst kann die wirksame thermische Leitfähigkeit mehrere hundertmal grüßer als die der besten festen Wärmeleiter. %ie arbeitet als isothermisches Gerät und verhindert damit merkbare Wärmeübergangsverluste, was zu einer Hinderung der inneren thermischen Spannungen führt. Das Vorliegen oder die Orientierung der Schwerkraft hat an sich keinen Einfluß auf die Betriebscharakteristik. Der Verdampfungs-Kondensations-Verdampfungs-Zyklus erfolgt in einem geschlossenen einstückigen Gerät anstatt in einer Mehrzahl von Systemkomponenten.

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Trotz all dieser Vorteile und trotz der erheblichen Wärmemengen, die theoretisch in einer gegebenen Zeit abgeführt werden können, weist die Wärmepfeife doch Beschränkungen auf. Sie muß vakuumdicht sein und vakuumdicht bleiben. Noch schwerwiegender ist die Tatsache, daß die gesamte Leistungsabfuhr eine Punktion der Temperatur des zu kühlenden Körpers ist. Die besten bekannten Wärmepfeifen können nicht mehr als 10.000 Watt abführen, wenn nicht die zu kühlende Oberfläche eine höhere Temperatur als etwa 1000 ⁰K (727 ° C) besitzt. Damit wird die Anwendbarkeit der Wärmepfeife in vielen Fällen ausgeschlossen. Bei Elektronenröhren führt z.B. eine Temperatur oberhalb von etwa 400 C zur Gasabgabe und damit zu einer allgemeinen Vergiftung des Röhreninnenraumes.

Die Kapillarwirkung ist auch schon mit der Verdampfungskühlung kombiniert worden, um dichtgepackte elektronische Geräte zu kühlen. Die US-Patentschrift 2 643 282 offenbart z.B. ein Gehäuse für elektronische Bauelemente' in einem Behälter, der mit Dochtmaterial vollgepackt und teilweise mit einem flüssigen Kühlmittel gefüllt ist. Die Flüssigkeit wird durch Kapillarwirkung in dem Docht zu den Oberflächen der elektronischen Komponenten zwecks Verdampfungskühlung geführt. Die Wärme wird von dem Behälter mittels Kühlspulen abgeführt. Die US-Patentschrift 3 066 499 wendet die gleiche Technik auf ein einziges Bauelement an, das durch Verdampfung gekühlt wird. Um das Gerät in jeder Lage betriebsbereit und verdampfungsgekühlt zu halten, wird massives Dochtmaterial in beiden Fällen verwendet, um die Notwendigkeit für Vorlagen als Flüssigkeitsreserve ausschließen zu können. Die US-Patentschrift 2 960 847 offenbart solche massiven Dochtmaterialien in Wärmetauschern, ebenfalls für die Lagesteuerung. Diese letztgenannte Druckschrift berücksichtigt die Vorteile, die Olasfasern als Dochtmaterial bieten, und die Tatsache, daß das Dochtmaterial in Kontakt mit einer warmen Oberfläche die gleichmäßige Benetzung desselben bewirkt, Jedoch den Dampffilm unterbricht, welcher sich gewöhnlich auf einer solchen Oberfläche ausbildet.

Zwei andere Verdampfungskühlvorrichtungen bekannter Art seien kurz erwähnt. Eine ist als Thermosyphon bekannt und

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wird zur Kühlung von Gasturbinenschaufel¹¹ verwendet. In einer solchen Vorrichtung wird ein Docht verwendet, um das Kondensat zurückzuführen, falls konventionelle und an sich v/irksaniere Mittel nicht zur Verfügung stehen. Die andere Vorrichtung umfaßt einen Satz kontinuierlich gebogener Oberflächen zur Ausbildung von Kapillarkanälen, die senkrecht zu einen Flüssigkeitsspiegel und oberhalb desselben angeordnet sind, wobei jede Oberfläche aus einem wärmeleitenden Material besteht und Einrichtungen für die Zuführung der ^T.-Jürme zu diesem umfaßt. Diese Vorrichtung wird in Diffusionspumpen verwendet, um Flüssigkeiten beinah sofort ohne wallendes Kochen zu verdampfen, und dient zugleich als Mittel für das Kollimieren und überhitzen des Dampfes.

Alle genannten Vorrichtungen verwenden eine Flüssigkeit mit einer Temperatur nahe dem Siedepunkt, um sie gegen eine wärmeleitende, erhitzte Oberfläche zu drücken. Unter diesen Bedingungen hat es sich gezeigt, daß die Menge der abgeführten V/ärme proportional der Temperatur der Oberfläche ist, von der sie abgeführt wird. Dieses Verhältnis wird ausgedrückt als Leistung pro Flächeneinheit über der Temperatur der Oberfläche, Kin solches Diagramm, bekannt als Mukiyama-Kurve, zeigt, daß» die Temperatur der Oberfläche eine direkte Funktion der abgeführten Leistung pro Flächeneinheit ist, bis die Oberfläche eine Temperatur in der Größenordnung von 125 G bei Atmosphärendruck erreicht. An diesem Punkt kehrt sich die Funktion um; erst bei einer Oberflächentemperatur von einigen 1.100° C kehrt die Leistungsabfuhr zu direkter Proportionalität zurück und überwiegt den ersten Inversionspunkt. Da die Temperatur der Oberfläche gewöhnlich relativ niedrig gehalten v/erden muß, führt das Erreichen der kritischen Temperatur, bei der Inversion stattfindet, gewöhnlich zum überhitzen und zur Zerstörung des zu kühlenden Geräts.

Ein prinzipieller Weg, um mehr Wärme abzuführen und überhitzung zu vermeiden, besteht in der Erhöhung des Druckes und der 2irkulations-rate der Kühlflüssigkeit, wobei die Dampfblasen geschwinder abgeführt werden. Dies hat die Wirkung, daß der Temperaturpunkt längs der Hukiyama-Kurve für die betreff er/:¹ ^ Oberfläche, bei der Inversion und überhitzung stattfindet, vorschowird.

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Ein anderer prinzipieller Weg, um überhitzung zu vermeiden, wenn irgendein Abschnitt der Oberfläche über den Inversionspunkt hinaus erhitzt wird, besteht in einer besonderen geometrischen Ausbildung der Oberfläche in Form von Kühlrippen öder Radiatoren. US-Patentschrift 3.235.004 beschreibt bestimmte Kühlrippen, bei denen sich eine kontinuierliche Verschiebung der Nukiyaraa-Kurve für die heißeren Oberflächenelemente ergibt anstatt eine abrupte quantitative Stei^rung der Oberflächentemperatur, wenn einmal der erste Inversionspunkt überschritten worden ist. Obwohl diese bestimmten Oberflächenabschnitte weniger Leistung pro Flächeneinheit abführen, zeigen die benachbarten Oberflächenelemente in solchen nicht-isothermen Strukturen einen Temperaturanstieg längs d?s direkt proportionalen Abschnitts der Kurve, womit der V/ärmeabfuhrverlust pro Flächeneinheit ausgeglichen wird. Insgesamt führt dies zu einer Erhöhung der gesamten von der Oberfläche abgeführten Wärme ohne die Gefahr der überhitzung. Es versteht sich jedoch, daß Abwandlungen der Oberflächenausbildung nicht die Mukiyama-Kurve selbst geändert haben. Offensichtlich wäre eine Vorrichtung; bei der dies möglich ist, für viele Anwendungszwecke sehr erwünscht.

Für die Kühlung von Elektronenröhren sind alle drei Möglichkeiten für den Wärmeübergang, nämlich Strahlung, Konvektion und Leitung, in verschiedenster Form angewandt worden. Röhren mit Innenanoden und einer äußeren niashülle v/erden gewöhnlich durch Strahlung gekühlt. Kühlung mittels Leitung wurde durch die Anwendung von Kühlblechen ermöglicht. Konvektionskühlung ist in zwei Formen angewandt worden, nämlich konventionelle Luft- oder Wasserkühlung und in letzter Zeit auch Verdampfungskühlung. Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit der letztgenannten Kategorie.

Bei einer konventionellen Vorrichtung zur Verdampfungskühlung einer Außenanode wird diese durch eine öffnung entweder im Deckel oder im Boden eines Verdampfergefäßes eingesetzt, wobei der Röhr§neockel außerhalb des Gefäßes bleibt, um

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die elektrischen Anschlüsse vornehmen zu können. Das Verdampf ungs gefäß wird zum großen Teil mit einer Flüssigkeit 5-eiüllt, Vielehe eine 3iohe latente Verdampfungsuärme besitzt, s.3. mit "fässer. Das Verdampfungsgefäß hat eine Dampfabfuhrleitung nahe der Oberseite, welche zu einem Kondensator führt. Eine xlücklaufleitung verbindet den Kondensator und den Boden des Verdampfungsgefäßes. Dieses System, das normalerweise auf Atmosphärendruck gehalten wird, enthält auch eine Steuerung für die Aufrechterhaltung des richtigen Wasserpegels in dem Verdampfungsgefäß, ein Wasservorratsgefäß und verschiedene Einrichtungen für die Trennung von V/asser und Dampf in der Dampfaustrittsleitung.

Während des Betriebes einer Elektronenröhre wird die Innenfläche der Anoden mit Elektronen beschossen, wodurch Hitse erzeugt wird und an die Außenfläche der Anode geleitet rird. Wasser steht in Berührung mit der Außenfläche und wird verdampft, wobei 5^0 Kalorien pro Gramm Wasser von der Anode abgeführt werden. Die Dampfblasen steigen hoch und entweichen durch die Wasseroberfläche, verlassen das Verdampfungsgefäß und fließen durch die Dampfauslaßleitun^ in den Kondensator. Dort wird die Wärme abgeführt, so daß der Wasserdampf kondensiert. Das Kondensat kehrt dann in das Verdampfungsgefäß zurück, so daß der Flüssigkeit-Dampf-Flüssigkeit-Zyklus geschlossen ist.

Die Hauptprobleme bei einer derartigen Vorrichtung bestehen darin, die Ausbildung von zu großen Blasen zu verhindern, das Hängenbleiben der gebildeten Dampfblasen an der Anodenoberfläche zu verhindern, und für das schnelle Ersetzen aller Dampfblasen durch nachfließendes Wasser zu sorgen, gleichgültig wo sie sich an der Anodenoberfläche gebildet haben. Überlaufeinrichtungen, die seitlich um die Anode herum angeordnet wurden, sind mit einigem Erfolg eingesetzt worden; sie wirken infolge der Geschwindigkeitserhöhung des kochenenden Fluids. Öffnungen und Ablenkflügel sind in Längsrichtung in diese überlaufeinriehtungen eingesetzt worden, um den Wassernachlauf zu allen Oberflächenteilen von einem in Umfangsrichtung angeordneten Reservoir oberhalb der Überlaufeinrichtung zu bewirken. In vielen Fällen,

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in denen eine mit Rippen versehene Anode zu kühlen ist, berührt die Überlaufeinrichtung die Enden der Rippen. In einigen Ausführungsformen fließt auch das Kühlmittel durch Leitungen in der Anode selbst. In allen diesen Ausführungsformen sind jedoch die grundsätzlichen Probleme betreffend die Blasengröße, Oberflächenhaftung, schnellen UachfHeßens und Aufrechterhaltung eines vorgegebenen Flüssigkeitspegels während des Verdampfens mehr oder weniger ungelöst geblieben.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Probleme durch eine neuartige Ausbildung einer Vorrichtung zur Verdampfungskühlung von metallischen, in die zu verdampfende Flüssigkeit > mindestens teilweise eingetauchten Körpern zu lösen. Dabei soll insbesondere die Beschränkung, die aus der Ilukiyama-Kurve folgt, beseitigt werden, wobei eine größere Kühlung bei bestimmten Oberflächentemperaturen erzielt werden soll. Die Größe der entstehenden Dampfblasen soll beschränkt werden, und es soll Sorge getragen werden für eine schnelle Abführung der gebildeten Blasen von der Oberfläche, ohne daß die nachströmende Flüssigkeit diese Abfuhrbewegung stört.

Die Lösung gemäß der Erfindung beruht auf einer Kombination der Prinzipien von Verdampfungskühlung und Kapillarwirkungen in einer Vorrichtung für die Kühlung von Oberflächen im Temperaturbereich zwischen 100 C und etwa 400 ° C bei normalem Atmosphärendruck. Die Vorrichtung gemäß der Erfindung ist gekennzeichnet durch eine den zu kühlenden Körper dicht umschließende Faserstoffschicht mit KapillaiTfaden zum Heranführen der Flüssigkeit an den Körper und Konvektionspfaden zum Abführen des Dampfes von dem Körper.

«o Durch diese Ausbildung der Vorrichtung wird nicht

°° nur die oben^ngegebene Aufgabe gelöst, sondern noch der zusätz-

-* liehe Vorteil erzielt, daß die Notwendigkeit für eine relativ

ο genaue Kontrolle des Flüssigkeitspegels im Verdampfungsgefäß

ο entfällt.

Obwohl das Faserschichtmaterial aus Glasfasern oder organischem Material bestellten kann, werden doch anorganische,

vorzugsweise metallische Fasern bevorzugt, wenn sie eine geringere thermische Leitfähigkeit als die Oberfläche des zu kühlenden Körpers besitzen. Je nach der verwendeten Flüssigkeit ist auch darauf zu achten, daß das elektrochemische Potentional des Faserstoffes etwas positiver ist als das des zu kühlenden Körpers. Bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung können die Faserschichtelemente in zufälliger Verteilung vorliegen oder auch in einer bestimmten vorgeschriebenen Anordnung; als beste Lösung empfielt sich eine einzige Lage eines Gewebes, wobei die Fasern in Fäden gesponnen sind, welche zu dem Gewebe verwebt oder gewirkt sind.

Die Erfindung soll nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt halbschematisch in Seitenansicht ein typisches Verdampfungskühlsystem, dessen Komponenten teilweise weggebrochen dargestellt sind, um den Innenaufbau zu verdeutlichen;

Fig. 2 zeigt in vergrößerter Darstellung eine Elektronenröhre mit Außenanode, welche mit der Faserstoffschicht gemäß der Erfindung versehen ist;

Fig. 2 a zeigt vergrößert einen Ausschnitt aus der

Faserstoffschicht gemäß einer ersten Ausbildung;

Fig. 2 b zeigt in gleicher Darstellung eine zweite Ausführungsform der Faserstoffschicht;

Fig. 2 c zeigt in ähnlicher Darstellung eine weitere Ausführungsform der Faserstoffschicht;

Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt durch einen beheizten,

verdampfungsgekühlten Körper unter Verwendung

109821/0401 der Faserstoff3chicht gemäß der Erfindung, wobei

Teile der Darstellung schematisch gezeigteind; - 10 -

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und

Flg. 4 zeigt als Diagramm die Nukiyama-Kurve im Vergleich mit einer Charakteristik, wie man sie bei einer Vorrichtung gemäß der Erfindung erzielt.

In Fig. 1 ist ein typisches Verdampfungskühlsystem für eine Elektronenröhre lO mit Außenanode 12 gezeigt. Die zylindrische Anode 12 mit der Faserstoffschicht gemäß der Erfindung ist dicht in ein Verdampfungsgefäß 1*1 mittels einer O-Ring-Dichtung eingesetzt. Das Verdampfungsgefäß ist bis zu einem Pegel 16, nahe dem oberen Ende der Anode, mit einer Flüssigkeit gefüllt, die eine große latente Verdampfung wärme besitzt, beispielsweise mit destilliertem Wasser. Die Anode 12 ist demgemäß zum großen Teil innerhalb des Verdampfungsgefäßes 14 in Wasser eingetaucht, das Sockelende 18 der Röhre befindet sich jedoch außerhalb des Verdampfungsgefäßes, so daß die elektrischen Anschlüsse vorgesehen sein können.

Eine Dampfabführleitung 20 verbindet" den oberen Abschnitt des Verdampfung^ gefäßes 14 an der Mündung 22 mit dem Kondensator 24. Ein dielektrisches Zwischenstück 26 isoliert den Kondensator von dem Verdampfungsgefäß, welches während des Betriebes der Röhre das Potential der Anode 12 annimmt. Eine Wasserrücklaufleitung 28, versehen mit einem elektrischen Isolierstück 30 und einer Entlüftung 32, verbindet den Kondensator 24 mit dem unteren Abschnitt des Verdampfungsgefäßes 14 und vervollständigt damit den Verdampfungsgefäß-Kondensator-VerdampfungsgefäiJ-Kreis.

Das Verdampfungskühlsystem enthält außerdem eine relativ komplizierte Einrichtung, um den Wasserpegel 16 in dem Verdampfungsgefaß 14 während des Betriebes relativ konstant zu halten. Diese Einrichtung umfaßt ein Steuergefäß 34 mit einer Leitung 36, welche den unteren Abschnitt des Steuertefäßes mit dem des Verdeunpfungs ge fäßes 14 verbindet. Eine Druckausgleichsleitung 38 kleinen Durchmessers verbindet den oberen Abschnitt des Steuergefäßes 34 mit der Dampfau3laßleitung 20. Das Steuergefäß ist ferner mit einer Überflußleitung 40 versehen sowie 109821/0401

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mit einen Hilfswasserreservoir 42. Das Reservoir, das mit dem Steuergefäß über eine Leitung 44 über ein Ventil V verbunden ist, dient dem Ersatz von Wasser, das langsam aus dem System durch die Entlüftung 32 entweicht.

Wenn die Rühre 10 in Betrieb ist, beginnt die Anode 12 sehr schnell sich zu erwärmen. Wasser in der Nähe der Anode wird verdampft und führt etwa 540 Kalorien pro Gramm Wasser von der Anode ab. Dampfblasen steigen zur Oberfläche Iß, wo sie frei in die Luft entweichen, und erzeugen dabei eine erhebliche Wasserturbulenz. Der Viasserdampf tritt dann aus dem Verdampfungsgefäß 14 durch den Auslaß 22 aus und steigt durch die Dampfauslaßleitung 20 zum Kondensator 24, wo die Wärme abgegeben wird und der Dampf wieder zu Wasser kondensiert. Von dort kehrt das kondensierte Wasser durch die Schwerkraft wieder in das Verdampfungsgefäß 14 über die Rücklaufleitung 28 zurück.

Innerhalb der Dampfablaßleitung fällt das von dem Dampf mitgerissene und nach oben getragene Wasser wieder in den Auslaß 22 des Verdampfungsgefäßes zurück. Die Anwesenheit dieses herabregnenden V/assers beeinträchtigt jedoch die Strömung des entweichenden Dampfes. Dadurch und durch die normale Wasseroberflächenturbulenz ist eine Fluktuation des Wasserpegels im Verdampfungsgefäß 14 gegeben. Das Steuergefäß 34 mit seinen angeschlossenen Teilen und Verbindungsleitungen dient dazu, diese Veränderungen zu dämpfen. Dadurch wird eine merkbare Herabsetzung des Pegels vermieden, wodurch ein Teil der Anodenoberfläche exponiert würde und größere Wärmeabfuhr erfordern würde, als durch einfache Luftkonvektion möglich wäre.

Fig. 2 zeigt eine Elektronenröhre, deren zylindrische Außenanode von einer Faserstoffschicht 50 dicht unschlossen ist. Teile der Faserstoffschicht sind ohne genauere Einzelheiten durch die zahlreichen runden öffnungen erkennbar, die sich in einem dünnen Metallgürtel 52 befinden, welcher dicht um die Faserstoffschicht gezogen ist. Der Gürtel 52 dient mithin dazu, die Faserst off schicht in innigem Kontakt mit der Anodenfläche während des Röhrenbetriebes zu halten; die öffnungen in dem Gürtel dienen dem 109821/0401

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freien Durchlass von Flüssigkeit und Dampf.

Flg. 2 a zeigt einen Ausschnitt aus einer Faserstoffschicht 50; in dieser Ausführungsform besteht die Faserstoff schicht aus hohlen Fasern. Glasfasern, Stahlwolle und Kupferwolle sind alle mit Erfolg verwendet worden. Bisher haben sich alle Materialien für die Faserstoffschicht bewährt, um eine Verbesserung der Verdampfungskühlung zu bewirken. Selbst organisches Material, wie Baumwolltuch, erbringt eine verbesserte Wärmeabfuhr. Aus Gründen der Lebensdauer und der Kontamination wird jedoch die Verwendung einer anorganischen Faserstoffschicht empfohlen. Darüberhinaus hat sich gezeigt, daß die Verwendung von Faserstoffmaterial mit geringerer thermischer Leitfähigkeit als der zu kühlende Körper, in diesem Fall die typischerweise aus Kupfer gefertigte Anode, zu der Verbesserung der Wärmeabfuhrrate beiträgt. Es wird angenommen, daß dadurch die Dampfbildung längs der Außenoberfläche der Faserstoffschicht oder innerhalb der Faserstoffschicht herabgesetzt wird. Die Dampfbildung erfolgt demgemäß an der Anodenoberfläche selbst, wordurch natürlich die Wärmeabfuhr von der Anode erhöht wird.

Das in Fig. 2 a gezeigte Hohlfasermaterial bildet

eine Vielzahl von Pfaden in Kapillargröße aus, durch die das './asser rings um die Anodenoberfläche gesogen wird, wenn diese einmal eingetaucht worden ist. Die Hohlräume der Fasern bilden stark vergrößerte Pfade, durch die Dampfblasen entweichen können, ohne daß der llachfluß von Kühlwasser zur Anode dieses Entweichen beeinträchtigen würde. Diese Hohlfasern sind jedoch in keiner Weise zwingend vorgeschrieben: Wenn die Faserstoffschicht keine solchen Hohlfasern enthält, so findet der Dampf seinen Konvektionspfad durch die größeren Öffnungen innerhalb der Schicht.

Fig. 2 b zeigt eine abgewandelte Form einer Faserstoffschicht. Hier sind die Fasern in eine flexible coene Struktur dicht gewoben, der man leicht eine zylindrische Form geben kann. Diese Ausbildung besitzt nicht die Hohlfasern wie in

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Pig. 2aj doch werden die Pfade für Flüssigkeit und Dampf

hier durch die Hohlräume zwischen den Pasern selbst gebildet.

Pig, 2 c zeigt die bevorzugte Ausfuhrungsform der Paserstoffschicht, nämlich ein gewirktes Gewebe. Das Gewebe besteht aus rostfreien Stahlfasern, die zu Pasern mit Durchmessern zwischen 0,04 und 0,45 mm gesponnen sind. Die Fäden sind ihrerseits zu dem Gewebe gewirkt, wobei die Maschen eine Querabmessung von 0,06 bis 0,65 mm aufweisen. Die sehr kleinen Abstände zwischen den Stahlfasern selbst bilden die Kapillaren, während die Maschen als Dampfpfade dienen. Da das Gewebe flexibel ist, kann es gedehnt werden und dicht über die zylindrische Anode - oder, in einem anderen Anwendungsfall, über einen Kernbrennstoffstab - geschoben werden. Das Gewebe kann auch bei einer mit Kühlblechen versehenen Anode angebracht werden, in welchem Falle ein Käfig darüber geschoben werden muß, der in die Lücken zwischen den einzelnen Kühlblechen ragende Drähte aufweist, um das Gewebe dicht gegen die gesamte Oberfläche zu halten, die durch die Verdampfung zu kühlen ist.

Auch Gewebe aus anderen Fasermetallen kann verwenddet werden. Das ausgewählte Metall sollte jedoch eine geringere thermische Leitfähigkeit haben als die zu kühlende Oberfläche. Darüberhinaus sollte das Paserstoffmetall in der elektro-chenischen Spannungsreihe positiv bezüglich des zu kühlenden Metallkörpers sein, um zu verhindern, daß die gekühlte Oberfläche sich langsam infolge Elektrolyse zersetzt. Das Spannungsdifferential zwischen dem ^aserstoffmetall und der zu kühlenden Oberfläche sollte nicht größer als 2,2 Volt in eingetauchtem Zustand sein, damit die

Lebensdauer des Gewebes nicht zu gering ist. Die einzelnen gesponnenen Fäden können entweder gewirkt oder gewebt werden, um das Gewebe herzustellen. Zwar können verschiedene Lagen von Gewebe mit Vorteil verwendet werden, doch wird eine einzige Lage von Gewebe bevorzugt, um sowohl lange stark gewundene Kapillarpfade ζu vermeiden als auch die Dampfaustrittswege so kurz wie möglich zu haiton.

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WIe gesagt,können wohl die meisten Faserstοffmaterialien verwendet v/erden,um die Wärmeabfuhr zu verbessern. Das verwendete Material sollte sich jedoch bei den Betriebstemperaturen in dem betreffenden Kühlmedium nicht zersetzen, sollte enge Maschen aufweisen, um Kapillarpfade auszubilden, und sollte eine geringere thermische Leitfähigkeit besitzen als das Metall des zu kühlenden Körpers. Um die besten Ergebnisse zu erhalten, hat sich eine einzige Lage aus Gewebe, bestehend aus zu Fäden gesponnenen Metallfasern, die verwebt oder zusammengewirkt sind, bewährt. Die Metallfasern müssen, wie oben erwähnt, auch bezüglich ihres elektrochemischen Potentials ausgewählt werden. Der Einbau einer solchen Faserstoffschicht in ein System für die Verdampfungskühlung hat zu einer verbleibenden Erhöhung der mittleren Wärmeabfuhr pro Oberflächeneinheit in der Größenordnung von mehr als 400 % geführt. Bisher wurden stabile Le ist ungsab f uhrvrer te von 200

Watt pro cm Anodenfläche erreicht mit einem Gewebe aus Glasfasern auf einer Kupferanode. Noch bessere Ergebnisse wurden durch Verwendung von Gewebe aus rostfreiem Stahl erzielt.

Die Faserstoffschicht muß mit innigem Kontakt mit der zu kühlenden Oberfläche gehalten werden. Dies kann in verschiedenster Weise bewirkt werden, z.B. durch Drähte oder durch eine formangepaßte Ausbildung der Faserstoffschicht. In Fig. ist ein Gürtel 52 gezeigt, der fest um die Faserstoffschicht geklammert ist. _Der Gürtel weist zahlreiche Öffnungen auf für den Durchtritt von V/asser bzw. Dampf.

Als sehr wesentlicher Vorteil der Erfindung ist zu erwähnen, daß sie die Möglichkeit gibt, die Größe, das Gewicht und die Kosten für Elektronenröhren mit Außenanoden herabzusetzen, indem die Dicke der Anode verringert wird und in einigen Fällen die Notwendigkeit für Anodenkühlrippen entfällt.

Bei der Beschreibung der Fig. 1 wurde die Bedeutung der Aufrechterhaltung des Pegel3 16 auf einem relativ konstanten Wert und die dafür erforderliche Einrichtung erwähnt,

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Die Verwendung einer Faserstoffschicht gemäß vorliegender Erfindung hat als Nebenprodukt den Vorteil, dieses Problem weitgehend seiner Bedeutung zu berauben. Die Fig. 3 zeigt im Schnitt einen Abschnitt eines beheizten Körpers 60 mit einer Oberfläche 62, der eine Faserstoffschicht 6k mit Löchern 66 anliegt zur Ausbildung eines Dampfpfades zwischen der Oberfläche 62 und einem flüssigen Kühlmittel 68. Die Darstellung zeigt in dynamischer Form die aktive Verdampfungskühlung. Die Oberfläche 70 des Kühlmediums ist demgemäß im Zustand der Turbulenz.gezeigt. Dampfblasen 72 treten aus den Löchern 66 aus und steigen zur Oberfläche 70. Die Pfeile 7k deuten den !Jachfluß von flüssigem Kühlmedium innerhalb der Faserstoffschicht 6k an. Es ist zu bemerken, daß diese Pfeile im wesentlichen unterhalb der Oberfläche 70 in Richtung senkrecht zur Oberfläche 62 angeordnet sind. Die Pfeile gerade unterhalb des Kühlmediumspiegels 70 besitzen dagegen auch vertikale Komponenten. Dies folgt aus der normalen Kapillaranziehung wie in einem gewöhnlichen Docht. Auf diese Weise wird erreicht, daß das Kühlmedium sowohl zu den Abschnitten der Oberfläche 62 oberhalb als auch unterhalb des Kühlmediurnspiegels 70 fließt. Im Ergebnis führt das Fluktuieren des Spiegels 70 nicht dazu, daß Teile der Oberfläche 62 nahe dem Kühlmediumspiegel außer Kühlung geraten können. Damit wird wesentlich die Gefahr der Ausbildung eines "heißen Fleckes" in diesem Bereich des schwankenden Kühlmediumspiegels herabgesetzt.

Nachfolgend werden wichtige Unterschiede -zwischen der Vorrichtung gemäß der Erfindung und den bisher üblichen Vorrichtungen diskutiert. Die Wärmepfeife, um diese bekannte Vorrichtung als erste zu nennen, besteht aus einer geschlossenen einheitlichen Struktur mit einem in sich geschlossenen Verdampfungs-Kond ensat ions zyklus, vrährend dies für das Verdampfungskühlsystem gemäia Fig. 1, 2 und 3 nicht zutrifft. Die Wärmepfeife arbeitet im Vakuum, während die Vorrichtung gemäß der Erfindung unter normalem Atmosphärendruck arbeitet und mit einem Verdampfungsgefäß, das ziemlich vollständig mit flüssigkeit gefüllt ist. Der Wasserfluß erfolgt in Längsrichtung durch die Kapillarauskleidung bei

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der Wärmepfeife und parallel zu der zu kühlenden Oberfläche. Bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung dagegen fließt das Wasser durch die Breite der Paserstoffschicht und damit im wesentlichen senkrecht zu der zu kühlenden Oberfläche. Nur in dem aus dem Kühlmedium herausragenden Abschnitt der Paserstoff schicht fließt das Kühlmedium in Längsrichtung. Diese Unterschiede rühren natürlich von der unterschiedlichen Punktion der beiden Einrichtungen her: Während die Wärmepfeife im wesentlichen die Wärme zwischen zwei voneinander entfernten Punkten überträgt, verbessert die Vorrichtung gemäß der Erfindung die Kühlung einer Gesamtfläche.

Im Falle der Anwendung von mit Leitflächen versehenen Überlaufeinrichtungen ist die "Masse" von der Anodenfläche getrennt; darüberhinaus sind die Dampfblasen auf Pfade angewiesen, die im wesentlichen parallel zu der Oberfläche verlaufen. Weder oberhalb noch unterhalb des Kühlmediumspiegels existiert eine Kapillarwirkung. Im Fall der bekannten und oben erwähnten Kühlung von elektronischen Bauelementen oder Wärmetauschern, bei denen massives Dochtmaterial für die Verwendbarkeit der Drähte in jeder Lage Verwendung findet, wird das Kühlmedium durch Kapillarwirkung aus einem Reservoir entnommen und der Oberfläche der elektronischen Bauelemente zugeführt, wo es verdampft, wonach der Dampf in die Atmosphäre entweicht. Bei der Kühlung solcher Komponenten mit relativ geringem Leistungsumsatz durch Verdampfungskühlung treten die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegenden Probleme nicht auf, nämlich die Verdampfungskühlung von Elektronenröhren mit hohem LeistungsUmsatz oder Kernbrennstoffelementen. Demgemäß stellt sich dort nicht das Problem, die Rate der Wärmeabfuhr zu vergrößern, ohne über die Überhit zungs temperatur der Oberfläche hinausgehen r.u dürfen, und dieses Problem wird deshalb dort weder angesprochen noch gelöst. Darüberhinaus würde die Verwendung solcher massiver Materialien in einem Verdampfungskühlsystemgefäß, das eine Elektronenröhre mit hoher Leistung enthält, das Austreten von Dampf von Anodenoberfläche beeinträchtigen und damit ein Rückdruck auf das System erzeugt werden. Massives Material würde außerdem solange Kapillarpfade mit sich bringen und .^leichscitlp; (lon direkten *Iachfluß 109821/OAO 1

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unter Schwerkrafteinfluß beeinträchtigen, daß das Nachfliegen als Ersatz für verdampftes Kühlmedium zu den beheizten Oberflächen erheblich beeinträchtigt würde.

In Fig. ¹I ist graphisch die Lei stunts ab fuhr pro Flächeneinheit einer Oberfläche, die auf einer Seite einer Wärmequelle und auf der anderen Seite einer Flüssigkeit bei deren Verdampfung ρ unkt ausgesetzt ist, über der Temperatur dieser Oberfläche aufgetragen. Die sich ergebende und mit "A" bezeichnete Kurve ist als Hukiyama-Kurve bekannt. Sie zeigt, daß eine Oberflächentemperatur von etwa 125° C bei normalem Atmosphärendruck eine Leistungsabfuhr von etwa 135 Watt pro

cm erlaubt, "lach diesem Punkt ergibt sich jedoch kein weiterer Anstieg der Leistungsabfuhr, bis die Oberflächentemperatur etwa 1.100° C erreicht. Im Gegenteil ist in diesem Bereich sogar ein scharfer Abfall der Wärmeabfuhr zu beobachten. Bei 1.100° G sind aber die meisten Geräte, die verdampfungsgekühlt v/erden, bereits veitgehend überheizt und zerstört. Infolgedessen

nahm man bisher an, daß 135 Watt pro cm eine endgültige Grerze für die Verdampfungskühlung von Oberflächenabschnitten darstellt, die in statische Flüssigkeiten bei normalem Atmosphärendruck ohne überhitzung eingetaucht werden konnten. Die Erfindung ist jedoch durch die mit "B" gekennzeichnete Kurve charakterisiert. Aus dieser Kurve kann man entnehmen, daß ein Wert von 200 Watt pro cm bei einer Oberflächentemperatur von nur 108 C vorliegt. Die 3ich ergebende Verbesserung der Leistungsabfuhr bei Betriebstemperaturen bringt damit einen erheblichen Fortschritt für die Technik der Verdampfungskühlung mit sich. Ddr Spitzenleistungswert und die zugehörige Oberflächentemperatur, bei der die Funktion sich umkehrt, ist bis jetzt durch Messung noch nicht gefunden worden.

- Patentansprüche -

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Claims (17)

1. Patentansprüche

   Vorrichtung zur Verdampfungskühlung von metallischen, in die zu verdampfende Flüssigkeit mindestens teilweise eingetauchten Körpern, insbesondere Anoden von Vakuumröhren oder Kernbrennstoffelementen, gekennzeichnet durch eine den Körper (12) dicht umschließende Faserstoffschicht (50) mit Kapillarpfaden zum Heranführen der Flüssigkeit an den Körper und Konvektionspfaden zum Abführen des Dampfes von dem Körper.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Faserstoff Materialanteile umfaßt, die eine geringere thermische Leitfähigkeit besitzen als der zu kühlende Körper (12).
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Faserstoffschicht (50) aus einem Material geringerer thermischer Leitfähigkeit besteht als der zu kühlende Körper (12).
4. k, Vorrichtung nach den Ansprüchen 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Paserstoffschicht aus Glasfasern besteht.
5. 5. Vorrichtung nach Ansprüchen 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserstoffschicht aus Metall besteht.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall der Faseratoffschicht in der elektrochemischen Spannungsreihe positiv bezüglich des zu kühlenden Körpers ist.

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   -IQ-
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrochemische Potential zwischen dem Faserstoffmaterial und dem zu kühlenden Körner höchstens 2,2 V beträgt.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall Stahlwolle ist.
9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall Kupferwolle ist.
10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stahlwolle aus rostfreiem Stahl besteht.
11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillarpfade und die Konvektionspfade sich im wesentlichen senkrecht zu der zu kühlenden Oberfläche des Körpers erstrecken.
12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Halterung (52) für die Faserstoffschicht vorgesehen ist.
13. 13. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dad urch gekennzeichnet, daß die Fasern der Faserst off schicht zu Fäden verarbeitet sind.
14. l'i. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden zu einem Gewebe verarbeitet sind, dessen Maschen die Konvektionspfade bilden, während die Fäden selbst die Kapillarpfade ausbilden.
15. 1.5. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserstoffschicht aus einer Lage gewebten Gewebes besteht.
16. 16, Vorrichtung nach Anspruch l'l, dadurch gekennzeichnet, daß die ^aserstoffschicht aus einer Lage gewirkten 0982 1 /0A01 _ _?0 _

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    - 20 Gewebes besteht.
17. 17. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zu kühlende Körper bis zu einem vorgegebenen Pegel in die Flüssigkeit eingetaucht ist und die Paserstoffschicht sowohl die eingetauchten als auch die nicht eingetauchten Abschnitte des Körpers dicht umschließt.

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