DE1800984A1 - Waermerohr - Google Patents

Description

US 3er.No. 697,l3l

Piled: January 11, 1968

Radio Corporation of America, New Ycrk, N.Y. (V.St.A.)

Wärmerohr

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wärmerohr mit einem einen flüssigen Wärmeträger enthaltenden geschlossenen Gefäß, das am unteren Ende einen zur Aufnanme einer wärmeabgebenden Einrichtung, insbesondere eines Teiles einer Elektronenröhre, ausgebildeten, nach oben einspringenden Teil, dessen Innenwand eine Verdampfungsfläche bildet, aufweist und das an seiner Innenwand eine Kondensations fläche hat, und mit einer zusammenhängenden Dochtschicht auf der Verdampfungs- und Kondensationsfläche.

Wärmerohre sind bekannte Anordnungen mit sehr hoher Wärmeleitfähigkeit (Umschau 1967, Heft IQ, Seite 6_?4). Es ict ferner bekannt, Wärmerohre zur Kühlung von Elektronenröhren, z.B. der Anode eines Klystrons zu verwenden.

Die Innenwände eines Wärmerohres sind mi; einem Docht kapillarer Struktur bedeckt, durch den der flüssige Wärmeträger von der Kondensationsfläche zurück zur Verdampfungsfläche transportiert wird.

Auch wenn der flüssige Wärmeträger einen gewissen Vorrat am Boden des Gefäßes bildet, reichen die Höhe des Flüssigkeitsstandes und die Kapillarkräfte im Docht oft nicht aus, um die oberen Teile der Verdampfungsfläche ausreichend mit flüssigem

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Wärmeträger zu -/ersorgen. Hierdurch wird der Wirkungsgrad des Wärmerohres herabgesetzt und es muß Wärme vom oberen Teil eier Verdampfunrsfläche durch Wärmeleitung über die Gefäßwand zu dem feuchteren unteren Teil der Verdampiungsfläche geleitet werden. Bei einem bekannten Wärmerohr, das mit tuecksilber als Wärmeträger arbeitet, betrug die Tiefe des Qjuecksilbervorrates arn Boden des Gefäßes 4,4 cm und das quecksilber wurde durch die Kapillarkräfte im Docht um j5,1 cm gehoben. Dies ergab eine Gesamt.uöhe von 7,5 cm für die benetzte Oberfläche. Die wirksame Größe der Verdampfung fläche ist daher relativ beschränkt und der V/irkungs-™ grad ist verhältnismäßig gering. Der Docht ist außerdem Läufig nicht in der Lage, den flüsrigen Wärmeträger rasen genug von der !Condensationsfläche zurück zur Verdampfungsfläcne zu transportieren.

Die oben geschilderten Probleme werden gemäß der Erfindung bei einem Wärmerohr der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Kondensationsfläche über eine Anzahl von Rückleitungs- ' kanälen mit der Verdampfungsfläcne verbunden ist.

Bei Verwendung des Wärmerohres zur Kühlung einer Elektronenröhre wird die zu kühlende Elektrode der Röhre in den einspringenden, sockelartigen Teil des V/ärmerohres eingepaßt. Um eine gute Wärmeleitfähigkeit zwischen der Röhrenwand und dem Wärmerohr zu gewährleisten, wird die Röhrenwand normalerweise hart verlötet und die zu kühlende Elektrode bildet einen Teil des Wärmerohres, nämlich den Verdampferteil. Beides bedingt eine dauernde Verbindung zwischen der Röhre und dem Wärmerohr, so daß letzteres ebenfalls weggeworfen werden muß, wenn die Röhre unbrauchbar geworden ist. Das Wärmerohr hat jedoch gewöhnlich eine wesentlich größere Lebensdauer als eine Röhre und es ist daher aus wirtschaftlichen Gründen erwünscht, das Wärmerohr abnehmen und erneut verwenden zu können.

Dieses Problem wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Oberfläche des zur Aufnahme der wärmeabgebenden Einrichtung bestimmten, einspringenden, sockelartigen Teiles des Wärmerohres

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sich verjüngt und so bemessen ist, daß es auf die zu kühlende Außenwand der Entladungsröhre paßt und daß auf die Oberfläche des einspringenden Teiles eine '/erformbare Metallschicht aufgebracht ist. Vom Wärmerohr reicht ein Gewindebolzen in den einspringenden Teil, um die wärmeabgebende Einrichtung, insbesondere die Elektronenröhre, vom Wärmerohr leicht lösen zu können.

Die Erfindung wird an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert, es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt eines Wärmerohres gemäiS einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, und

Pig. 2 eine ^uerschnittsansicht in einer Ebene 2-2 der Pig. I

Das in Fig. 1 dargestellte Wärmerohr weist ein Gefäß 10 mit einem einspringenden Wandteil 12 am unteren Ende auf, der eine sich nach oben erstreckende Außenfassung bildet. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel dient die Außenfassung· 20 zur Aufnahme der Außenwand einer Entladungsröhre, z.B. der --mode eines Klystrons oder einer anderen Leistungsröhre. Die Innenseite des einspringenden Wandteiles 12 bildet die Verdampfungsfläche des Wärmerohres. Die Innenseite der AuSenwand 14 des Gefäßes 10 bildet eine Kondensationsfläche. Zum Wärmetransport von der Verdampfungsfläche zur Kondensationsfläche dient ein flüssiger Wärmeträger, z.B. Quecksilber. Die Oberfläche der Außenfassung 20 ist mit einer dünnen Auskleidung 26 aus einem leicht /erformbaren, gut wärmeleitenden Material versehen, z.B. Gold- oder Aluminiumfolie, um einen guten Wärmeübergang zwischen der durch die Innenseite des Wandteiles 12 gebildeten Verdampfungsfläche und der nicht dargestellten Elektrodenwand der Entladungsröhre herzustellen.

Das Gefäß 10 wird in seiner Mitte von einem mit einem Innengewinde versehenen Rohr 28 durchsetzt, dessen eine Ende durch eine Mittelöffnung j51 des Gefäßes reicht während das andere Ende durch eine Mittelöffnung 25 in der Stirnseite 24 des einspringenden Wandteiles 12 geführt ist. In das Rohr 28 ist ein Gewinde-

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bolzen 32 eingeschraubt. Durch das Einschrauben des Gewindebolzens kann eine in die Au3enfassung 20 eingepaßte, unbrauchbar gewordene Elektronenröhre herausgedrückt werden, so daß eine erneute Verwendung des" Wärmerohres möglich ist.

Alle Innenflächen des Gefäßes 10 sind mit einem Dochtmaterial j?6 kapillarer Struktur bedeckt, das zur Speicherung des Wärmeträgers und zu dessen Transport /on der Kondensationsfläche zur Verdampfungfläche durch Kapillarwirkung dient. Das Dochtmaterial Jj6 kann beispielsweise aus Drahtnetz oder aus einer P porösen Matrix bestehen und soll vom Wärmeträger benetzt und gesättigt werden.

An der Außenseite der Außenwand 14 des Gefäßes 10 sind eine Anzahl von Kühlrippen JT( befestigt, urn die Wärme /on der Kondensationsfläche abzuführen, was gegebenenfalls durch ein Gebläse unterstützt werden kann. . . ....

Die Auskleidung aus Dochtmaterial 36, die sich auf der durch die Innenseite der Außenwand 14 gebildeten Kondensationsfläche befindet, ist durch eine Anzahl von Rückleitungskanälen 38 mit der durch das Wandteil 12 gebildeten Verdampfungsfläche verbunden, um die Rückführung des Wärmeträgers von der Kondensationsfläche zur Verdampfungsfläche zu fördern. Die Rückleitungskanäle ' 33 enthalten Metallstreifen 40 mit senkrechten Seitenwänden In die Rückleitungskanäle sind Streifen aus Material mit kapillarer Struktur- eingepaßt. Ein Ende jedes Rückleitungskanales ist an einem von mehreren Ringflanschen 44 befestigt, die von der Innenseite der Außenwand 14 in das Innere des Gefäßes 10 vorspringen. Das andere Ende der Rückleitungskanäle ist jeweils an einem von mehreren Ringflanschen 46 befestigt, die von der Innenseite des Wandteiles 12 radial nach außen vorspringen. Das kapillare Dochtmaterial 42 in den Kanälen 38 hängt mit den ringförmigen Planschen 44 und 46 zusammen.

Wie aus Fig. 1 und 2 ersichtlich ist, sind bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel l6 radiale Rückführungskanäle 33

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vorgesehen, die in vier Niveaus 4ü, hO, -j2 und 54 angeordnet sind. Jedes Niveau enthält also vier Kanäle. Die Kanäle jedes Niveaus haben in Ümfangsrichtung gleiche Abstände voneinander und von den Kanälen in den benachbarten Niveaus. Auf diese Weise sind alle vier Kanäle in jedem Quadranten des Raumes zwischen den Wänden 12 und 14 in verschiedenen Niveaus und die Kanäle selbst sind so schmal, daß zwischen ihnen Zwischenräume 5^ verbleiben. Diese Anordnung gewährleistet, daß die Rückleitunfjskanäle >ΰ einen .~leichmä>3igen Pluß des Wärmeträgers von uer Kondensat ions fläche der Wand 14 zur Verdampfungsfläche des Wandteiles 12 bewirken, während gleichzeitig keine Behinderung der Zirkulation des dampfi'b'rmigen Wärmeträgers im Gefäß eintritt.

Wie Fig. 1 zeigt, verlaufen die RUckleitungskanale ji3 von der Kondensationsfläche der Wand 14 nach unten zur Verdampfungsnäehe am Wandteil 12, so daß der Fluß des Wärmeträgers durch die Schwerkraft unterstützt wird. Winkel zwischen etwa 10 und etwa 30° bezüglich der Vertikalen gewährleisten den gewünschten Rückfluß. Der optimale Neigungswinkel hängt von der Art des Dochtmaterials in den Kanälen, der Viskosität des flüssigen Wärmeträcers und der Länge der Kanäle jjo ab.

Das beschriebene Wärmerohr kann zur Kühlung des Kollektors oder der Anode eines Klystrons verwendet werden. Der Kollektor des Klystrons kann fest in die Au3enfassung 20 eingepaßt werden, so daiS sich ein guter Wärmekontakt zwischen dem Kollektor und den Wänden der Außenfassung ergibt. Die Wärme vom Kollektor wird durch das aus Metall bestehende Wandteil 12 nach innen geleitet und läßt den Wärmeträger im Dochtmaterial 36 au? der Verdampfungsfläche verdampfen. Durch die Verdampfung- wird Wärme abgeführt und der Kollektor gekühlt. Das verdampfte Kühlmittel kondensiert auf der durch die Innenseite der Außenwand 14 gebildeten Kondensationsfläche, wo die latente Wärme wieder abgegeben wird. Diese Wärme wird dann durch die an der Außenwand angebrachten Kühlrippen yj abgeführt.

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Um eine ununterbrochene Kühlung des Kollektors zu gewährleisten muß der Wärmeträger in dem kapillaren Dochtmaterial auf der Verdampferfläche des Wandteils 12 laufend ergänzt werden. Nachdem der Wärmeträser auf der Kondensationsfläche der Wand 14 kondensiert ist, fließt er durch die Doehtauskleidung 36 nach unten bis er eine der Ringflansche 44 erreicht.» D^s Kühlmittel fließt dann längs des Flansches bis zu einem Rückleitungskanal j>8 und durch diesen zurück zu der durch das Wandteil 12 gebildeten Verdampfungsfläche. Die Rückleitungskanäle 38 stellen also eine direkte Verbindung zwischen der Dochtauskleidung 56 auf der Kondensationsfläche der Wand 14 und der Dochtauskleidung auf der Verdampfungsfläche der Wand her und verringern die Strecke, die der Wärmeträger fließen muß um zurück zur Verdampfungsfläche zu gelangen.

Wie Fig. 1 zeigt, ist die Innenwand der Außenfassung 20 mit einer dünnen Auskleidung 26 aus Metall versehen, um einen guten Wärmekontakt zwischen der Röhrenelektrode und dem Wandteil 12 zu gewährleisten. Die Auskleidung 26 kann eine durch Hartlöten am Wandteil 12 befestigte Packung oder eine dünne Folie aus einem duktilen Metall wie Gold cder Aluminium sein. Man kann auch eine dünne Schicht aus einem duktilen Metall auf die Oberfläche der Außenfassung 20 aufplattieren. Die dünne Metallschicht ist auf jeden Fall leicht deformierbar und paßt sich der Form der zu kühlenden Elektrode an. Um den Wärmekontakt zwischen der Röhrenelektrode und dem Wandteil 12 noch weiter zu verbessern, kann sich die Außenfassung von der öffnung 22 nach innen geringfügig /erjungen, z.B.-mit einem Kegelwinkel von etwa 1°. Die die Außenfassung 20 bildende Oberfläche des Wandteils 12 und die Außenseite der zu kühlenden Elektrode können in ein und derselben- Vertikaldrehbank mit demselben Schnittwinkel bearbeitet sein um eine genaue Passung zu gewährleisten.

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Der Gewindebolzen 23 erleichtert die Trennung des Wärrnerohres von der Röhrenelektrode. Durch einen längeren Betrieb bei höheren Temperaturen verbinden sich die Röhrenelektrode und die Außenfassung 20 leicht durch Oberflächendiffusion. Durch Eindrehen des Gewindebolzens j>2 läßt sich jedoch auch dann das Wärmerohr leicht wieder von der Röhre abziehen.

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Claims (4)

Pate η t a η s r; r ':i ^- h e

1.) Wärmerohr mit einem einen i'lüssi^en V.'ärmetrLU'er "en ".hall*en'. on reonhlosscnen Gei'äB, das am unteren Ende einen zur Aufnahme einer v.'ärmeabre¹..-enden Einrichtung, :■ naoesondere eines Teiles einer Elektronenröhre, nuacebildeten, noch oben einspringender: Teil, dessen Inn^nWand ο Ine Verdampfung τ'!'* one bildet, aufweist und. an seiner Innenwand eine Kondcnsο *: ions "lache hat, und mit einer zusammen i'^:'a_;;enoen ".'oontsuhicht au/ der Verdampfung- und Konäencations 'lache, - d α d u r c h r e !c e η η ζ e i ohne t , daß die Kondensat:' onofläcLe (14) über e:^;ne Anzahl /on RiicVrieitun^ekanälen (J-.) nit der Verdampfungsfläche (12) verbunden ist.

2.) Wärmerohr naen Anspruch 1, d a d u r c h g e k e η η ζ e 1 c 1: η e ·; j da:3 mindestens ein Rückleitu.ngskanal (y ) zur¹ Oberseite aer Verdampi'nn^sfläcr.r- (12) führt.

j. ) V/'Jrmero.r.i· nach Anspruch 1 oder 2, Λ a d u r c Ii -_t- e ic e η η ζ e i c h η e ': , d^fi mindestens ein Rückleitungskanal \"on der Kondensation^:fläche (l4) abwärts cenelijt zur Verdampfunas/'lache (12) verläu-'t.

4. ) VJermerohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, 6h.il die Rückleitungskanäle (y^) ein kapillares Dochtmaterial (42) enthalten.

5·) VJärmeroiir nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a durch gekennzeichnet, da2 die Oberfläche des einspringenden Teiles (12) sich verjüngt und mit einer verformbaren Metallschicht (26) versehen ist. .

6.) Wärmerohr nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gevjindebolzen (Ji2) in den einspringenden Teil (12) reicht.

7.) Wärmerohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensationsfläche (l4) radial außerhalb der Verdampfungsfläche.(12) angeordnet ist..

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