DE1917266A1 - Verdampfungskuehlsystem - Google Patents

Description

Beschreibung zum Patengesuch

der Varian Associates, 6ll Hansen Way, Palo Alto, Calif./USA

betreffend:
"Verdampfungskühlsyste m"

Die Erfindung betrifft ein Verdampfungskühlsystem. Verdampfungskühlsysteme umfassen typischerweise ein Verdampfungsg^fäß, einen Kondensator oder Wärmetauscher, eine Anordnung für die Steuerung des Wasserpegels, eine Zusatzwasserquelle sowie einen Wasser-Wasserdampf-Separator. Bei bisher bekannten VerdampfungskühlSystemen waren diese Komponenten gewöhnlich als einzelne Bauelemente ausgebildet und voneinander unabhängig. Sie wurden durch verschiedene Verbindungsleitungen, Dichtungen, Spannungsisolatoren und Druckausgleichsleitungen miteinander verbunden, damit sich ein arbeitsfähiges Verdampf ungskühl system ergab. Infolgedessen sind diese bekannten Systeme schwerer, nehmen einen erheblichen Platz ein und sind empfindlich gegenüber mechanischen Beanspruchungen.

Die genannten Nachteile führen dazu, daß ein Bedürfnis für ein Verdampfungskühlsystem besteht, bei dem alle Komponenten gemeinsam in einem Teil zusammengebaut sind, weil damit ein geringerer Platzbedarf verbunden ist und sie nicht so schwer und sohwingungsempfindlich sind wie die oben genannten Systeme. Ein solches verbessertes System ist in der US-Patentschrift 2886746 beschrieben und umfaßt ein Rohr mit offenen Enden, das von einer Röhre mit geschlossenem Ende umgeben ist,

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die zum gro3en Teil mit einem flüssigen Kühlmittel gefüllt ist. Das Rohr mit geschlossenem Ende befindet sich in einer relativ kalten Umgebung, so daß der Abschnitt des Rohres oberhalb der Flüssigkeit als Kondensator selbst dient, w^nn sich in dem Rohr mit offenem Inde ein heißer Gegenstand befi idet und jiriea Teil des Kuhlmittels verdampft. Dieser Kondensatoraufbau beschränkt. verständlichervvjise die thermische Abführkapazität des Systems. Seine Anwendung ist demgemäß beschränkt auf die Verdampfungskühlung von Geräten mit niedrigen. Leistungsunituöz, beiu Transistoren.

Die US-Patentscnrift 2882Vi" beschreibt eine andere Auefuhrungsform eines integralen Verda.npfungskühlsys-t:«s, bei dem die Verdampfer-Kondensator-Baugruppe eine geschlossene Einheit bildet. Hier ist, die Kcndensatorleitung :*η Wasser eingetaucht, das sich innerhalb des Verdampfüngsgdiißes befindet, damit das Wasser selbst sich auf einer Temperatur stark unterhalb seines Verdampfungspunktes befindet. Das Wasser dient dazu, den Dampf zu kondensieren, der an der Oberfläche eines zu kühlenden Körpers innerhalb des Wassers entsteht. Sehr ähnlich wie im Falle der eingangs geschilderten Anordnung nach der US-Patentschrift 28867^6 hat sich der Kondensator bei dieser Anordnung als ungeeignet erwiesen, Wärmemengen abzuführen,wie sie /on den heutigen Hochleistungselektronenröhren erzeugt v/erden. Solche Kondensatoren be litzen außerdem einen geringeren Wirkungsgrad als solche, bei denen sich die Kondensatorleitüngen in einem gasförmigen Medium befinden.

Figur 19 der britischen Patentschrift 706209 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel für ein integrales Verdampfungskühlsystem, und in diesem Fall wircj ein konventioneller Kondensator verwendet, bestehend aus gewundenen Kondensatorleitungen in einem gasförmigen Medium über dem Systemvex dämpfer, Eine rohrförmige Leitung verbindet die Oberseite des Verdampfers mit dem Boden des

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Kondensatorgehäuse?. Es mu3 jedoch sowohl der vom Verdampfer aufsteigende Dampf als auch las vom Kondensator herabgelangende Kondensat durch di·. s-3 Verbindungsleitung gel&ngen. Infolgedessen behindert daf- herabgelangende Kondensat den Aufstieg des Dampfes. Dieses^ System ist demgemäß beschränkt auf Verdamofungskühlsysteme von Geräten mittlerer Leistung. Darüber hinaus enthält weder das zuletzc beschriebene bekannte System noch die beiden vorher beschriebenen Systeme eine Einrichtung für die Aufrechterhaltung des Kühlmittelpegels innerhalb des Verdampfungsgefäßes, für den Ersatz von verlorengegangenem Kühlmittel aus dem System oder für die Unterbrechung der vom Kondensator zun VerdampfungsgefäiB herabströmenden Kondensatsäule zum Zwecke der Spannungsisolation.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein integrales Verdampf ungskuhl syst ein zu schaffen, das die gleiche Wärmeabfuhr! :apazität besitzt wie bekannte Verdampfungskühlsysteme mit wesentlich größerem Platzbedarf, wesentlich höherem Gewicht und wesentlich größerer Anfälligkeit gegen Schwinungen und andere mechanische Beanspruchungen. Die Außenform des Kühlsystems soll sich dabei leicht der Form des zu kühlenden Gegenstandes anpassen lassen, beispielsweise koaxial über die rohrförmige Anode einer Elektronenröhre passen. Es soll dabei eine gleichmäßige Flüssigkeitsströmung des Kühlmittels über die zu kühlende Oberfläche erfolgen, beispielsweise die Außenanode einer Elektronenröhre.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein rohrförmiges Gehäuse, in dem in räumlichem Abstand ein Überlauf zur Begrenzung einer überlaufzone angeordnet ist und das einseitig gegen einen zu kühlenden Gegenstand abgedichtet ist, der sich innerhalb der Überlaufzone befindet und bis zu einem vorgegebenen Pegel mit einer Kühlflüssigkeit gefüllt ist durch einen oberhalb dieses Pegels und rings außerhalb der Überlaufzone angeordneten Kondensator, durch Ablenkeinrichtungen für den über den Pegel und

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innerhalb der Übtrlauf£one aufsteigenden Dampf zu dem Kondensator und durch eine Flüssigkeits&tromungsvm^bindung unterhalD des Pe^eI quer zur Begrenzung der iJbyrlaufzcne für den Rücklauf des aus dem innerhalb der Überlaufzone aufgestiegenen, abgelenkten und am Kondensator kondensierten Dampf gebildeten und außerhalb der Überlauf zone herabgefallenen Kondensats.

Bei dic-ser Anordnung ergibt sich, daß der innerhalb der laufzone aufsteigende Dampf an dem Kondensator kondensiert, jedoch nicht in die überlaufzone selbst zurückfällt, sondern außerhalb derselben, und daß der Rücklauf unter der Begrenzung der Überlauf- ^sorie hindurch erfolgen kann. Bei dieser Anordnung ist es möglich, dal? das Verdampfungskühl system in seiner Außeriform sich dicht an die Außenform des zu kühlenden Gegenstandes, beispielswe:' se die Anode einer Elektronenröhie, anpassen laßt, so daß ein geringer Platzbedarf vorliegt. Trotzdem erfolgt eine sehr gleichmäßige Strömung und damit eine gleichmäßige Kühlung des Objektes..

Die Erfindung soll nachstend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen:

Figur 1 im Längsschnitt ein Verdampfungskühlsystem gemäß der Erfindung für die Anode einer Elektronenröhre, die sich in dem System befindet und zum größten Teil in das flüssige Kühlmittel eingetaucht ist und

Figur 2 einen Längsschnitt durch eine andere Ausführungsform des Verdampfungskühlsystems gemäß der Erfindung.

In Figur 1 ist ein Verdampfungskühlsystem dargestellt mit einem rohrförmigen Ganäuse 10, das vorzugsweise aus einem dielektrischen Material, beispielsweise Kunststoff, besteht und das die Radialgrenzen eines rohrförmigen Verdampfers definiert. Das obere Endo des Gehäuses 10 ist gegen die Außenoberfläche eines^üelektriseh-n Rings 12 abgedichtet. Ein dielektrischer vohrförmiger Einsatz 14 ist koaxial innerhalb den Gehäuses 10 angeordnet und mit seinem oberen Ende gegen d^n Ring 12 abgedichtet. Das Gehäuse 10, der

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Ring 12 und der Einsatz 1'¹I- dienen dazu, einen Hohlraum 16 zu definii-ren. Der Ring 12 besitzt ein-i kleine Öffnung, in der ein Stopfen l8 eingepaßt ist, dessen Aufgabe später eri-Uuterü wird.

Ein dielektrischer, rohrförmigen Überlauf 20, der ebenfalls vorzugsweise aus Kunststoff besteht, ist koaxial in dem Einsatz lK mittels eines dielektrischen Ringes 22 angeordnet,, der sov/ohl geg^n den überlauf als auch gegen din Einsatz cbgedichtt-t ist. Der rohrformige Überlauf 20 defini-i■:. zim Teil eine ftberlaufzone, die für den vorliegenden Fall i.1f diejenige zylinderische Raumsäule bezeichnet wird inierhalb des VerdampfungskühlsystemE, die durch den (5berlar.f hindurchführt und teilweise von ihm begrenzt ist, D;;r Ring 22 f befitzt eine Reine von Löchern 2-1·. Eine Reihe von parallelen Dornen 26 erstrecken sich von dem Ring 22 nach unten, ziel ehe Dorne versetzt zu den Lüchern 24 angeordnet sind. Der Ring 22, die Löcher 2'I- und die Dornen 26 dienen dazu, den Plüssigkeitsfluß zn unterbrechen und um diesen Plüssigkeitsflu,? elektrisch nicht leitend zu machea, \]ie unten bei Beschreibung der Wirkungsweise· noch zu erläutern.

Sin abnehmbarer Kondensator besitzt eine rohrformige Hülle ~Jjö. in der eine gewundene roridensatorscnlange j2 koaxial über dem Verdampfer r'ohr 20 angeordn-;t ist. Der Kondensator ruiit auf drei oder mehr Abstandshaltern jWl·, die vorzugsweise: aus Kunststoff bestehen. Mit der Rohrschlange kommunizierende Einlaß- and Auslaßstutzen erstrecken sich durch die Oberseite der Hülle pO -vie in der Zeichnung dargestellt. Der Raum zwischen benachbarten Abstandshaltern schafft große Belüftungsöffnungen für das System«

Das untere Ende des rohrförmigen Gehäuses 10 ist wasserdicht mit einem U-förmigen Plansch 36 verbunden, der vorzugsweise aus Kupfer besteht. Ein Plansch 40 einer Elektronenröhre 42 ist durch (nicht dargestellte) Klammern mit dem U-förmigen Plansch verbunden. Eine Unterlegscheibe 38 ist zwischen eiern U-förmigen Plansch und dem

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Plansch 4θ angeordnet, um zwischen ihnen eine Wasserabdichtung zu fcchaffen. Die Anode 44 der Elektronenröhre ist koaxial innerhalb des Verdampferrohres 20 angeordnet.

Wenn die Anode der Elektronenröhre 42 innerhalb den Verdampf ungskühlsystems eingebracht ist und dessen flansch-40 mit dem U-formigen Flansch .36 verbunden 1st, wird der Stopfen. l8 entfernt, und das System wird mit einer Flüssigkeit gefüllt., die eine hohe latente Verdampfungswärme besitzt;, beispielsweise mit destilliertem Wasser. Danach wird der Stopfen- l3 v/ieder in den Ring 12 eingesetzt, und der Ablauf V) wird nach unten umgelegt. Dies hat ^ur Folge, daß der Wasserspiegel innerhalb des "Überlauf 20 auf den Pegel 46 abfällt, wahrend der Pogel innerhalb d?s Hohlraum l6 stationär bleibt. Der Kondensator wird dann oberhalb der Abstandshalter p'^; angeordnet; das Gestern ist betriebsbereit.

Wenn der Elektronenröhre 42 Leistung zugeführt wird, orwärmt sich die Anode 44 auf eins Temperatur ob^-iiialb des·: Verdampfung spunkt es des umgebenden Wassers. Infolgedessen verdampft das Wasser nahe der Anode, v.obei ρ4θ Kalorien pro Gremir. verdampften Wassers von der /mode freigebet;;t wei'd-.-n. D^mr-f blasen bilden sich auf der Anodenoberfläche, steigen zur V/asserober-. fläche auf und steigen dann v;ei*;er nach oben /.um Kondensator. Diese Wirkung der Dampfblasen erzeugt eine Turbulent auf.-der Wasseroberflache, so daß die Wasserfläche und selbst Wspsertropfen hochgeschleudert .-erden in Mischung nit dem Dsrnpf.-Sin nohr großer Teil des so abgeführten Wassers wird beim Aufsteigen durch den Überlauf 20 über den Pegel 46 in Richtung auf den T'onäensator verzögert und fällt infolge der Schwerkraft zurück auf die Jctsseroberfläche« Demgemäß di'snt der obere Abschnitt des Überlauf "20 als ein Wasser/Wasserdampf-Separator. Da der ÜberlauT ziemlich breit ist, ist der Pfad, durch den der Wasserdampf und das vernebelte Wasser strömt, unbehindert, so dal3 praktiscn kein Problem

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infolge Eristehens eines R-'ckdruckts auf t.rd'rt,-

Wonn uer auf steigende Wasserdampf in den'Kondensator eintritt,, wird er seitlich durch d-'e Hülle 30 abgelenkt und tritt in Kontakt mit der KvIiIschlang?? J;2, die von -Anom Kühlmittel durchströmt wird» Der W-rcn-dampf kondensiert ^r uf der Oberfläche, der Kühlschlange. Das Kcnd.iiG'it fallt herunter ouf die obere Oberfläche des d-islektrischon ringe.·? £? und wird zeitlich über dieiie Oberflächu ausgebreitet. Das Wasser auf dor Oberseite fließt durch die Löcher 24 und zxii- unteren Oberfläche <5es Ringes« an der es durch Adhäsion haftet. Danach fließt da.; Wärmer langt dv.-r Dornen 26 herunter und ; bildet herabhäng;iide Tropfen an deren Enden aus, di'i einzeln zur 'Wasseroberfläche ^;t5 fallen. Die Funktion dos Ringes r.2 mit seinen Löchern unu Dornen besteht darin, den Semmelrückfluß des kondensierten Wassers vom Kondensator zum Wasserkörper,' der die Anode '14 im Verdampfungrgefafi umgibt, zu unterbrechen, um zu. verhindern, dai? eine solche Strör.rung einen hochomigen elektrisch leitenden Pfrd i.vvincii-in der'Anoue unu dem Kondensator ausbildet, welch letzterer ε-ich auf Map£?epoten~iai befindet. Die dielektrisclie Eigenschaft de ρ Katerii'.le. aus der der Aufbau besteht, welcher den Wasseiköiper und den Kondensator verbindet, verhindert eine elektrische Gti'ö ung durch den Aufbru selbst. Mit dem Zurückfall des Konde.-sats aiaf die Kasse robe rf lache ist der Verdampfungs/Kondensationszyklup vollständig, "war wird das rücklaufende Kondensat zunächst i demjenigen Abschnitt des Wasserkörpcrs zugeführt, der sich zwischen dem überlauf 20 χχηά dem Gehäuse 10 befindet., doch kann es frei .weiter absinken und unter dem unteren Ende des Überlaufs 20 hindurchströmen und wieder zur Oberfläche der Anode 44 gelangen, und 2v;ar von jeder Radialrichtung. Auf diese Weise wird natürlich eine optimale Strömungsmechanik erzielt.

Das Verdampfungskühlsystem nach Figur 1 weist zusätzlich eine eingebaute Einrichtung für den Ersatz von Wasserverlusten des Systrt.ifc· infolge einer geringfügigen Belüftung von Wasserdampf auf. Diese Funktion wird erfüllt durch den Hohlraum ΐβ, der als Hllfsreservcir diir-xt, wenn er η it ¹Jascer gefüllt ist. Sobald der Wasser-

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pegel 46 einmal unter die Unterkance des Einsatzes 14 herabsinkt, wird sogleich eine Luftblase darunter gelangen und zum Oberteil des·Hohlraums 16 aufsteigen. Infolgedessen kann die Wassersäule innerhalb des Hohlraums absinken, da sich nun Luft anstatt eines latenten Va^Ifuumf; über ihr befindet. Dieses Herabsinken von V/asser hebt seinerseits den Pegel 46 wieder bis zum unteren Ende des Einsatzes 14 an, welcher der für den Betrieb des Systems vorgesehene Pegel ist.

Figur 2 zeigt eine andere AusführungFform nach der Erfindung ohne den/zu kühlenden Gegenstand und ohne das Kühlmedium, Vl ie in Figur 1 ist das System fUr die Kühlung einer Elektronenröhre vorgesehen mit einer Außenanode, die in der Stellung mit der Anode nach oben angebracht wird. Doch kann natürlich das System leicht für einen Betrieb mit nach unten gekehrter Anode ausgebildet werden, falls dies erwünscht ist.

In der Ausführungsform nach Figur 2 ist in dem Gehäuse 50 der gleiche Teil des V.-rdampfungskühlsystems wie in dem Gehäuse 3 0 nach Figur 1 untergebracht, nämlich der Verdampfer. Des Gehäuse weist außerdem die Se: t-!!wandungen für den Verdampfer auf. Eine Druckausgleicholeitung 32 und ein Ventil 53 sind anstelle der offenen Belüftung zwischen dem Verdampfungsgefäß und dem Kondensator wie in Figur 1 vorgesehen. Demgemäß kann ein geringerer 7/asserverlust während des Betriebes erwartet werden infolge der niedrigeren Belüftung von wasserdampf.

Eine ringförmig angeordnete Serpentinenleitung ^k ist koaxial über dem Ring 56 im Gehäuse 50 angeordnet. Einlaß- und Auslaßstutzen stehen mit der Leitung 54 in Verbindung und erstrecken sich durch einen abnehmbaren Deckel 57, der dicht am Gehäuseflansch 58 angeklammert wird. Eine Scheibe 59 wird zwischen den Deckel und den Gehäuseflansch eingelegt, dan.it sich eine wasserdichte Verbindung ergibt. Wie im System nach Figur 1 hat die Kondensatorleitung einen größeren Durchmesser als der Überlauf 20, damit das Kondensat außerhalb des Überlaufs 20 herabfällt und die Strömung des aufsteigenden Dampfes innerhalb desselben nicht behindert.

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Claims (11)

1. Patentansprüche

   Verdampfungskühlsystem in integraler Bauweise, gekennzelchdurch ein rohrförmiges Gehäuse, in dem in räumlichem Abstand ein Überlauf zur Begrenzung einer Überlaufzone angeordnet ist und das einseitig gegen einen zu kühlenden Gegenstand abgedichtet ist, der sich innerhalb der Überlaufzone befindet und bis zu einem vorgegebenen Pegel mit einer Kühlflüssigkeit gefüllt ist, durch einen oberhalb dieses Pegels und rings außerhalb der Überlaufzone angeordneten Kondensator,

   durch Ablenkeinrichtungen für den über den Pegel und innerhalb der Überlaufzone aufsteigenden Dampf zu dem Kondensator und i

   durch eine Plüssigkeitsströmungsverbiudung unterhalb des Pegels quer zur Begrenzung der Überlaufzone für den Rücklauf des aus dem innerhalb der Überlaufzone aufgestiegenen, abgelenkten und am Kondensator kondensierten Dampf gebildeten und außerhalb der Überlaufzone herabgefallenen Kondensats.
2. 2) Verdampfungskühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dai3 der Kondensator eine Kühlschlange in Wendelform mit einem größeren Durchmesser als dem des Überlaufs umfaßt.
3. 3) Verdampfungskühlsystem nach Anspruch 1 für die Kühlung der Anode einer Elektronenröhre, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Gehäuseende flüssigkeitsdicht mit e^nem Plansch der Röhre verbun- " den ist, deren Anode sich innerhalb der Überlaufzone befindet,
4. 4) Verdampfungskühlsystem naoh Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Überlauf aus dielektrischem Material besteht.

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5. 5) Verdampfungskühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse mindestens teilweise aus dielektrischem Material besteht.
6. 6) Verdampfungskühlsystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch rings außerhalb des rohrförmigen Überlaufs angeordnete und elektrisch von dem zu kühlenden Gegenstand isolierte Abtrojfeinrichtungen zur Unterbrechung des Kondensatrücklaufs über dem Überlauf, so daß die Kondensatrücklaufstrecke elektrisch nichtleitend wird.
7. 7) Verdampfungskühlsystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Belüftungsöffnung für das System.
8. 8) Yerdampfungskühlsystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Flüssigkeitspegelsteuereinrichtung innerhalb des Gehäuses.
9. 9) Verdampfungskühlsystem nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch ein zweites, innerhalb des Gehäuses angeordnetes Rohr, das unten an dem Pegel endet und dessen oberes Ende gegen das Gehäuse abgedichtet ist.
10. 10) Verdampfungskühl system nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator lösbar mit dem Gehäuse verbunden ist.
11. 11) Verdampfungskühlsystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Überlauf, das zweite Rohr und das.Gehäuse koaxial zueinander um den zu kühlenden Gegenstand angeordnet sind.

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