DE19835305A1

DE19835305A1 - Selbstauslösender Kryo-Wärmestromschalter

Info

Publication number: DE19835305A1
Application number: DE19835305A
Authority: DE
Inventors: Armin Binneberg; Gunter Kaiser
Original assignee: Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Current assignee: Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Priority date: 1998-08-05
Filing date: 1998-08-05
Publication date: 2000-02-10
Also published as: US6305174B1; EP1029260A1; WO2000008536A1

Abstract

Die Erfindung betrifft selbstauslösende Kryo-Wärmestromschalter, die insbesondere bei Kühlsystemen eingesetzt werden, bei denen ein Redundanz-Betrieb erforderlich ist. DOLLAR A Aufgabe der Erfindung ist es, einen selbstauslösenden Kryo-Wärmestromschalter zu schaffen, der bei möglichst einfachen Aufbau eine zuverlässige, wartungsfreie Funktionsweise ermöglicht und damit eine selbstschaltende Verbindung zwischen Wärmesenke und zu kühlender Anwendung gewährleistet. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird ein äußerer Hohlzylinder 1, der mit der Wärmesenke 9 verbunden ist, und ein koaxial dazu angeordneter innerer Körper 2, der mit der zu kühlenden Anwendung 7 verbunden ist, angeordnet. Bei abgeschalteter Wärmesenke 9 befindet sich zwischen dem Hohlzylinder 1 und dem inneren Körper 2 ein konzentrischer Ringspalt 4, der durch Abstandshalter fixiert wird. DOLLAR A Der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient des äußeren Zylinders 1 ist größer als der des inneren Körpers 2.

Description

Die Erfindung betrifft selbstauslösende Kryo-Wärmestromschalter, die insbesondere bei Kühlsystemen eingesetzt werden, bei denen ein Redundanz-Betrieb erforderlich ist.

In der Satellitenkommunikationstechnik werden bereits jetzt und in Zukunft verstärkt war tungsfreie Refrigerator gekühlte elektronische Systeme (Antennen, HTSL-Filter, Verstärker) eingesetzt, die für eine Lebensdauer von mehreren Jahren ausgelegt werden müssen. Da die Refrigeratoren im Betrieb einem Verschleiß unterliegen, muß, um einen Ausfall des Sy stems zu vermeiden, mindestens ein weiterer Refrigerator als Redundanz vorhanden sein. Dieser muß während des Betriebs thermisch von der Anwendung entkoppelt sein, da er sonst als parasitäre Wärmebrücke wirkt. Beim Ausfall des kühlenden Refrigerators muß der redundante Refrigerator thermisch mit der Anwendung verbunden werden. Gleichzeitig muß der defekte Refrigerator thermisch von der Anwendung getrennt werden. Das Umschalten auf den redundanten Refrigerator muß möglichst schnell erfolgen, damit sich die Anwen dung inzwischen nicht zu stark erwärmt und evtl. sogar zeitweise außer Betrieb gesetzt werden muß. Deshalb ist es günstig den redundanten Kühler unbelastet abzukühlen und erst dann mit der Anwendung zu verbinden, sobald dessen Kaltkopftemperatur die Tempe ratur der Anwendung unterschreitet.

Um dieses Problem zu lösen, werden bisher verschiedene aktiv elektromechanisch oder pneumatisch betätigte Wärmeschalter, die Stand der Technik sind, sowie selbstauslösende unidirektionale Kryo-Wärmerohre (US-PS 4,673,030) oder durch Kryosorption gepumpte Gasspalt-Wärmestromschalter (US-PS 4,771,823) eingesetzt.

Die aktiven mechanischen Systeme stellen bisher die funktional beste Lösung dar. Sie sind jedoch herstellungstechnisch aufwendig, erfordern eine zusätzliche Steuerungselektronik und haben selbst ein signifikantes Ausfallrisiko.

Unidirektionale Kryo-Wärmerohre sind noch Gegenstand intensiver Entwicklungsarbeit. Die Herstellung ist sehr aufwendig, da zum Befüllen mit dem Arbeitsstoff entweder Hochdruck- oder Kryotechnik erforderlich sind. Bei Umgebungstemperatur stehen sie unter einem ho hen Innendruck, was große Rohrwandstärken erforderlich macht. Dadurch haben diese Wärmerohre ein schlechtes Schaltverhältnis und sind auch nach der Trennung des Wärme kontakts noch als parasitäre Wärmebrücken spürbar.

Die Herstellung der durch Kryosorption gepumpten Gasspalt-Wärmestromschalter ist dage gen wesentlich weniger aufwendig. Diese arbeiten ebenfalls selbsttätig ohne eine zusätzli che Steuerung. Zur Umschaltung auf den redundanten Refrigerator müssen jedoch die An wendung und der ausgefallene Refrigerator so weit erwärmt werden, daß die Kryo- Sorptionspumpe ausreichend viel Gas desorbiert um den Wärmestromschalter des redun danten Refrigerators zu schließen. Dazu müßte eine HTSL-Anwendung außer Betrieb ge nommen werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen selbstauslösenden Kryo-Wärmestromschalter zu schaffen, der bei möglichst einfachen Aufbau eine zuverlässige, wartungsfreie Funktions weise ermöglicht und damit eine selbstschaltende Verbindung zwischen Wärmesenke und zu kühlender Anwendung gewährleistet.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Hauptanspruches gelöst. Die Unteransprüche enthalten besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Der endungsgemäße Wärmestromschalter funktioniert nach dem thermischen Ausdeh nungsprinzip. Bezogen auf die Ausgangstemperatur To und die Lineardimensionen bei die ser Ausgangstemperatur, hat dieser einen Einschaltpunkt Te und einen Ausschaltpunkt Ta, welche durch die folgenden beiden Beziehungen definiert sind:

Die Wärmesenke ist mit dem äußeren Hohlzylinder des Wärmestromschalters verbunden. Die zu kühlende Anwendung ist mit dem inneren Voll- oder Hohlzylinder verbunden. Bei Abkühlung zieht sich der äußere Hohlzylinder zusammen, bis dessen Innendurchmesser am Einschaltpunkt den Außendurchmesser des noch warmen inneren Voll- oder Hohlzylin ders erreicht. Ein Wärmeübergang wird hergestellt, wodurch sich der innere Voll- oder Hohlzylinder gemeinsam mit dem äußeren Hohlzylinder weiter bis unter den Ausschaltpunkt abkühlt und durch die Druckspannung zwischen beiden Teilen ein sicherer Wärmekontakt mit geringem Wärmeübergangswiderstand erreicht wird.

Bei der Erwärmung des äußeren Hohlzylinders über den Auschaltpunkt wird der Wärme kontakt geöffnet. Bei der weiteren Erwärmung der Wärmesenke ist die Anwendung von dieser thermisch entkoppelt.

Nach der dilatometrischen Bestimmung der Temperaturabhängigkeit der linearen thermi schen Ausdehnungskoeffizienten der zum Einsatz vorgesehenen Werkstoffe können diese Wärmestromschalter sehr präzise mit Hilfe der o. g. Beziehungen ausgelegt werden. Wenn die Durchmesser D und d frei wählbar sind, können Einschalt- und Ausschaltpunkt des Wärmestromschalters in weiten Bereichen frei gewählt werden. Liegt einer der Durchmes ser fest, kann entweder der Einschalt- oder der Ausschaltpunkt frei gewählt werden.

Die Erfindung wird an nachfolgenden Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäß gestalteten Wärmestromschalter

Fig. 2 zeigt eine Einzelheit gemäß Fig. 1 in vergrößerter Darstellung

Fig. 3 zeigt eine Anwendung der Wärmestromschalter mit zwei Refrigeratoren.

Der erfindungsgemäße Wärmestromschalter besteht aus dem äußeren Hohlzylinder 1 und dem inneren Körper 2. Mit dünnen, unterbrochenen Linien ist angedeutet, daß der Körper 2 auch als Hohlzylinder ausgebildet sein kann. Durch die Abstandshalter 3 wird ein gleich mäßiger Ringspalt 4 gewährleistet. Zweckmäßigerweise sind mindestens drei Abstandshal ter 3 in Längsnuten 5 in gleichen Abständen am Umfang verteilt. Die Abstandshalter 3 be stehen aus einem elastischen Material, wie z. B. Nylon oder Teflon.

Der Hohlzylinder 1 ist vorteilhaft aus Kupfer hergestellt und besitzt damit einem linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_D = 17 ppm/K und eine Wärmeleitfähigkeit λ = 401 W/(m*K). Der innere Körper 2 besteht aus Molybdän mit einem Ausdehnungskoeffizienten α_d = 5,1 ppm/K und einer Wärmeleitfähigkeit λ = 138 W/(m*K). Vorstehende Werte bezie hen sich auf Umgebungstemperatur.

In Fig. 3 sind zwei Refrigeratoren 9 mit ihren Antrieben 8 dargestellt. Wobei ein Refrigerator 9 als Redundanz geschaltet ist. Die inneren Körper 2 der Wärmestromschalter sind jeweils über die flexiblen Interfaces 6 mit der zu kühlenden Anwendung 7 verbunden. Die Hohlzy linder 1 sind wärmeleitend an den Refrigeratoren 9 angeschlossen.

Die wesentlichen Funktionsteile des Wärmestromschalters können von jedem Präzisions mechanikhersteller mit sehr guter Reproduzierbarkeit ihrer Eigenschaften gefertigt werden.

Claims

1. Selbstauslösender Kryo-Wärmestromschalter, dadurch gekennzeichnet, daß ein äußerer Hohlzylinder (1), der mit der Wärmesenke (9) verbunden ist, und ein koaxial dazu angeord neter innerer Körper (2), der mit der zu kühlenden Anwendung (7) verbunden ist, angeord net sind und daß bei abgeschalteter Wärmesenke (9) zwischen dem Hohlzylinder (1) und dem inneren Körper (2) ein durch Abstandshalter (3) fixierter konzentrischer Ringspalt (4) vorhanden ist, und daß der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient (α_D) des äußeren Hohlzylinders (1) größer ist, als der lineare thermische Ausdehnungskoeffizent (α_d) des in neren Körpers (2).

2. Selbstauslösender Kryo-Wärmestromschalter nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn zeichnet, daß bezogen auf die Ausgangstemperatur (To) der Einschaltpunkt (Te) und der Ausschaltpunkt (Ta) sowie dem Innendurchmesser (D) des äußeren Hohlzylinders (1) und dem Außendurchmesser (d) des inneren Körpers (2) nach den Beziehungen
definiert sind.

3. Selbstauslösender Kryo-Wärmestromschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß als Abstandshalter (3) Nylon- oder Teflonfilamente eingesetzt werden, die in gleichmäßig am Umfang verteilten Längsnuten (5) fixiert sind.

4. Selbstauslösender Kryo-Wärmestromübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der äußere Hohlzylinder (1) aus Kupfer und der innere Körper (2) aus Mo lybdän besteht.

5. Selbstauslösender Kryo-Wärmestromschalter nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekenn zeichnet, daß der innere Körper (2) als Hohlzylinder ausgebildet ist.