DE2453016A1 - Waermetauscher - Google Patents

Description

PATENTAWWÄi-TE
DR. CLAUS REINLÄNDER DiPL.-ING. KLAUS BERNHARDT

D-8 München 60 · Orthstraße 12 · Telefon 832024/5 *\ /C Q Q 1 g: Telex 5212744 · Telegramme Interpatent

* λ Nov* 1974

V1 P387 D VARIAN Associates, PaIo Alto, CaI., USA

Wärmetauscher

Prioritäti 12. November 1973 - USA - Ser. No. 415 068 Zusammenfassung

Der beschriebene Wärmetauscher weist ein Teil auf, das in Wärmeaustauschbeziehung mit einem Strömungsmittelstrom über eine gebogene Anordnung von radial gerichteten, in Umfangsrichtung voneinander entfernten, thermisch leitenden Fahnen gekoppelt ist, wobei die mittlere Ebene der Fahnen allgemein parallel zur Umdrehungsachse der gebogenen Anordnung liegt. Die Fahnen sind zu.einer wellenartigen Geometrie gewellt, wobei die Wellenamplitude mit radialem Abstand von der Umdrehungsachse wächst, und die Wellenfronten im allgemeinen lateral zur Umdrehungsachse der Anordnung verlaufen. Der Strömungsmittelstrom strömt zwischen benachbarten Fahnen in axialer Richtung längs eines Serpentinenweges durch die Anordnung.

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft allgemein Wärmeaustauscher und insbesondere einen verbesserten Wärmeaustauscher zur Kühlung der

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Anodenstrukturen von Elektronenstrahlröhren, wobei ein Kühlmittelstrom, beispielsweise Luft, durch eine kreisförmige Anordnung von Kühlfahnen gerichtet wird, um Wärme von der Anode der Röhre abzuführen.

Es sind bereits Wärmetauscher zur Kühlung der Anoden von Elektronenstrahlröhren bekannt. Bei einem bekannten Wärmetauscher war eine kreisförmige Anordnung von radial gerichteten Kühlfahnen mit der Anode gekoppelt und stand nach außen von dieser ab, wobei die Kühlfahnen in Umfangsrichtung voneinander entfernt waren, um einen axialen Strömungsmittelstrom durch die Anordnung zuzulassen, um die Fahnen und die Anode zu kühlen. Zusätzlich waren die Fahnen zu einer wellenartigen Geometrie gewellt, wobei die Wellenfronten allgemein parallel zur Umdrehungsachse der kreisförmigen Fähnenanordnung verliefen (US-PS 3,293,480). Durch diese bekannte Fahnengeometrie ergibt sich ein besserer Wärmeübergang als mit nicht gewellten Kühlfahnen, es ist jedoch erwünscht, den Wirkungsgrad des Wärmeübergangs weiter zu verbessern.

Es ist auch vorgeschlagen worden, aus den wellenartigen Fahnen brückenartige Zungen herauszustanzen, die von der Ebene der einzelnen Fahne in den Bereich zwischen benachbarten Fahnen vorstehen, um den Wärmeübergang von den Fahnen zum kühlenden Luftstrom zu verbessern, insbesondere in der Nähe des Außenumfangs der radial divergierenden Fahnen, wo ein relativ großer Prozentsatz des Luftstroms sich nicht in innigem Kontakt mit den Kühlfahnen befindet. Diese Geometrie mit ausgestanzten, brückenförmigen Zungen, die auch als Jalousie bezeichnet werden, hat einen besseren Wärmeübergangs-Wirkungsgrad ergeben, im Kontrast zu dem Wärmeübergangsverhalten gewellter Fahnen, wobei die Wellenfronten parallel zur Längsachse der Anordnung und zum

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Strömungsmittelweg verlaufen.

Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, dafür zu sorgen, daß die Fahnen in Uhrzeigerrichtung oder gegen die Uhrzeigerrichtung um die Umdrehungsachse der Anordnung gekrümmt sind, um Kreisvolventen-Kurven zu beschreiben, so daß der Umfangsabstand zwischen benachbarten Fahnen über die radiale Ausdehnung der Fahnen beibehalten wird. Dadurch wird der Luftstrom zwischen benachbarten Fahnen wirksamer ausgenutzt, insbesondere am Außenumfang der Anordnung. Die Leistungsfähigkeit der Kreisvolventen-Anordnung ist jedoch etwa die gleiche wie die der Jalousie-Anordnung.

Die Jalousie-Fahnen haben ganz bestimmte Probleme. Eines der Probleme liegt darin, daß der Luftstrom oder andere Strömungsmittelstrom an den brückenartigen Zungen vorbei eine Störgeräuschquelle bildet, die im Tonbereich von 600 - 1200 Hz besonders schrill ist. Zusätzlich sammeln die Jalousien Fusseln auf, die den Kühlmittelstrom durch die Anordnung behindern und den Wärmeübergangs-Wirkungsgrad herabsetzen.

Zusammenfassung der Erfindung

Durch die Erfindung soll ein verbesserter Wärmetauscher verfügbar gemacht werden, der mit Fahnen in einem Strömungsmittelstrom arbeitet.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung weist der Wärmetauscher eine kreisförmige Anordnung von Wärmetauscherfahnen auf, die gewellt sind, so daß sich eine wellenartige Geometrie ergibt, wobei die Wellenfronten unter einem erheblichen Winkel zur Richtung des

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Luftstroms durch die Fahnenanordnung angeordnet sind, wobei der Luftstrom parallel zur Umdrehungsachse der Anordnung ist, so daß ein besserer Wärmeübergang erreicht wird.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung definieren die Wellen in der kreisförmigen Fahnenanordnung Wellengeometrien, bei denen die Wellenfronten sich unter einem erheblichen Winkel zur Umdrehungsachse und zum Strömungsmittelstrom befinden, wobei die Amplitude der wellenartigen Verformungen sich in radialer Auswärtsrichtung erhöht, um die Länge des Strömungsmittelweges als Funktion des Radius zu erhöhen und um einen Teil des Stroms zur Mitte: oder zum Kern der Fahnenanordnung zu lenken, um den Wärmeübergang zu verbessern.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung registrieren die Wellenscheitel benachbarter Fahnen der Anordnung miteinander, um zwischen sich einen serpentinenartigen Strömungsmittelweg in axialer Richtung der Anordnung zu definieren, wobei die'ser Strömungsmittelweg an einem gegebenen Radius von der Mitte der Anordnung im allgemeinen gleichförmige Dicke hat.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung,· es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Teilseitenansicht einer Anode einer Elektronenstrahlröhre mit einer Anordnung von Kühlfahnen nach der Erfindung;

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Fig. 2 ein Schema eines serpentinenförmigen Strömungsweges zwischen benachbarten Fahnen der Anordnung nach Fig. 1;

Fig. 3 eine Fig. 2 entsprechende Ansicht einer anderen Wellenform;

Fig. 4 eine Aufsicht auf eine Jalousie-Fahnenanordnung; und

Fig. 5. einen Schnitt durch die Jalousieanordnung nach Fig. 4 zur Veranschaulichung des Strömungsweges zwischen benachbarten Fahnen entsprechend Linie 5-5 in Fig. 4.

In Fig. 1 ist eine Elektronenstrahl-Kollektor- oder -Anoden-Anordnung 11 einer Elektronenstrahlröhre dargestellt, beispielsweise einer Leistungs-Gitterröhre, eines Klystrons, einer Wanderfeldröhre oder dgl., bei der ein Elektronenstrahl auf den Innenflächen eines zylindrischen, evakuierten, eimerförmigen Kollektors 12, beispielsweise aus Kupfer, mit zylindrischer Außenform aufgefangen wird. Eine kreisförmige Anordnung von Kühlfahnen 13 ist am zylindrischen Außenumfang des Kollektors 12 angekuppelt oder befestigt, beispielsweise durch Löten oder Schweißen. Die Fahnen 13 sind in einem typischen Ausführungsbeispiel in Längsaussparungen 14 im Umfang des Kollektoreimers 12 eingepaßt und an ihrer Wurzel an die Innenwände der Aussparungen 14 angelötet.

Die Kühlfahnen 13 sind dünne Bleche aus thermisch leitendem Material, beispielsweise Kupfer oder Aluminium, vorzugsweise Kupfer, die in einer kreisförmigen Anordnung vom Kollektoreimer 12 nach außen strahlen. In einem typischen Ausführungs-

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beispiel bestehen die Fahnen 13 aus 0,64 mm (0,025 Zoll) starkem Kupferblech und haben eine radiale Ausdehnung von etwa 82,5 mm (3,25 Zoll). Die Fahnen 13 sind gewellt, so daß sich eine wellenartige Geometrie ergibt, bei der die Wellenfronten, die durch die Rippenlinien 15 definiert sind, die längs des Wellenkamms verlaufen, sich unter einem Winkel zur Umdrehungsachse der kreisförmigen Fahnenanordnung erstrecken, allgemein lateral dazu. Zusätzlich wächst die Amplitude der Wellen in radialer Auswärtsrichtung von der Umdrehungsachse, so daß ein serpentinenförmiger Strömungsmittelweg 16 zwischen benachbarten.Wellenfahnen definiert wird,, wie deutlicher in Fig. 2 dargestellt ist.

Ein Strömungsmittelstrom, beispielsweise aus Luft, wird im allgemeinen längs der Umdrehungsachse der Anordnung durch die aneinandergrenzenden serpentinenförmigen Strömungswege 16 zwischen benachbarten Fahnen hindurchgeschickt. Eine zylindrische Trennwand 17, beispielsweise aus Kupfer, umgibt den Umfang der kreisförmigen Fahnenanordnung, um den Kühlmittelstrom auf den Serpentinenweg 16 zwischen benachbarten Fahnen 13 einzuschränken. Geeignete, nicht dargestellte Verteiler dienen dazu, das Kühlmittel durch die Fahnen 13 zu schicken und das Kühlmittel nach dem Durchtritt durch die Fahnenanordnung zwecks Wegleitung zu sammeln.

In einem typischen Ausführungsbeispiel ist der Umfangsabstand zwischen benachbarten Fahnen etwa gleich der Amplitude der wellenartigen Verformungen der Fahnen. Die Mittelebene jeder Fahne 13, wie sie bei 18 angedeutet ist, liegt parallel zur Umdrehungsachse der Anordnung. Zusätzlich brauchen die wellenartigen Verformungen der Fahnen 13 nicht halbwellenartig zu sein, wie in Fig. 1 und 2 dargestellt, sondern können mehr

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sinusförmig sein, wobei sich etwa gleiche Verformungen der Fahne zu beiden Seiten der Mittelebene 18 äeder Fahne ergeben. Gleiche Wellenamplituden auf beiden Seiten der Fahnen sind in Fig. 3 dargestellt, wo die Wellungen eine mehr dreieckige Wellenform haben als die mehr sinusartige Form gemäß Fig. 1 und 2.

Im Betrieb wächst die Länge des serpentinenartigen Strömungsweges 16 mit dem Radius von der.Umdrehungsachse der Anordnung. Eine Erhöhung der Länge des Strömungsweges neigt dazu, den lokalen Widerstand des Kühlmittelkanals gegen den StrömungsmitteIstrom zu erhöhen und der Herabsetzung des Widerstandes entgegenzuwirken, der sich durch die Vergrößerung der Breite des Strömungsweges nahe dem Außenbereich der Anordnung ergibt. Die Serpentinenform des Strömungsweges 16 sorgt dafür, daß die Moleküle des Strömungsmittels auf die Oberflächen der Fahnen 13 aufprallen und auf diesen reiben, wie durch die Pfeile in Fig. 2 angedeutet ist. Es wird angenommen, daß diese Erscheinung erheblich zum besseren Wärmeübergang zwischen dem Strömungsmittelstrom und den Fahnen beiträgt, um einen besseren Wirkungsgrad des Wärmeübergangs zu erreichen. Weiterhin wird angenommen, daß die Verformungen, die eine größere Amplitude am Außenumfang haben, dazu neigen, einen Teil des Stroms zum Mittelkern 12 und den Wurzeln der Kühlfahnen 13 zu lenken, so daß sich der Wirkungsgrad des Wärmeübergangs verbessert.

Es wird auch angenommen, daß an der Stelle, an der der einwärts gerichtete Strom und der axial gerichtete Strom nahe am Innenkern zusammenfließen, sich eine Wirbelwirkung ergibt, die weiter dazu neigt, die Obeflachen der Fahnen zu reiben, so daß der Wärmeübergang verbessert wird.

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In Fig. 4 und 5 ist eine bekannte Jalousiefahne 21 dargestellt, bei der ausgestanzte, brückenförmige Zungen oder Jalousien 22 nahe am Außenumfang der Fahnen 21 vorgesehen sind. Das Problem bei dieser Fahnengeometrie liegt darin, daß der Wärmeübergang zu den brückenförmigen Jalousieteilen 22 durch die Unterbrechung in der Kontinuiät der Fahne begrenzt ist, da die Brücke 22 längs einander gegenüberliegender Kanten aus der Fahne bei 23 abgetrennt ist, so daß der Wärmefluß in den Brückenteil 22 nur von den beiden entgegengesetzten Enden erfolgt. Obwohl also die Jalousie-Fahnengeometrie eine zusätzliche Wärmeübergangsfläche im Mittelbereich des Strömungsmittelstroms ergibt, wird der volle Wärmeübergangsvorteil des'Jalousieteils nicht erreicht, weil ein relativ schlechter Wärmeübergang in den Jalousieteil 22 vorliegt. Da darüber hinaus die Fahne beim Bilden der Jalousien 22 perforiert wird, erzeugt der Luftstrom durch die Fahnenanordnung in axialer Richtung erhebliche Geräusche. Insbesondere ist bei einer bekannten Jalousiegeometrie eine Spitze im Geräuschspektrum im Tonfrequenzbereich zwischen 600 und 1200 Hz vorhanden. Dabei handelt es sich um einen ziemlich schrillen Ton, der in der Nähe befindliches Personal erheblich stört.

Der Vorteil der gewellten Fahnen nach der Erfindung liegt darin, daß der Wärmeübergangs-Wirkungsgrad erheblich erhöht wird. Genauer gesagt, der Paramsber Wärmeübergang-Leistung, d. h. eine Quantität proportional zum Produkt der Durchflußrate des Strömungsmittels., beispielsweise in Kubikfuß pro Minute, mal Druckabfall im Strömungsmittelstrom, der dazu erforderlich ist, den Kern 12 auf einer gegebenen Temperatur zu halten, steht direkt in Beziehung zur Leistung, die dazu erforderlich ist, das Kühlmittel durch die Kühlanordnung zu bewegen. In einem Falle wurde

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dieser Parameter um 95 % reduziert, wenn die gewellten Fahnen nach der Erfindung verwendet wurden, gegenüber einer vergleichbaren Jalousie-Fahnengeometrie gemäß Fig. 4 und 5. Darüber hinaus ergibt die gewellte Fahnengeometrie nach der Erfindung einen relativ sauberen, aerodynamischen Strömungskanal 16 durch die Anordnung, so daß die störenden schrillen Geräusche beseitigt werden, die bisher durch die Jalousie-Fahnengeometrie erzeugt wurden. Dank der relativ glatten, aerodynamischen Oberflächen nach der Erfindung wird das Ansammeln von Fusseln in einer Fahnenanordnung verhindert. Durch den besseren Wirkungsgrad der gewellten Fahnen nach der Erfindung kann die Menge des Fahnenmaterials, beispielsweise Kupfer, um einen Faktor von wenigstens 20 % reduziert werden, so daß sich erhebliche Kosteneinsparungen ergeben. Zusätzlich kann der Durchmesser der Strömungsmittelzuleitungen oder Verteilungen, die dazu erforderlich sind, das Kühlmittel durch die Fahnenanordnung zu richten, im Durchmesser herabgesetzt werden, die Gebläse können in Gewicht und Größe herabgesetzt werden, und diese letzteren Vorteile sind insbesondere brauchbar für luftgestützte Anwendungen.

Bei dem bisher.beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Fahnen 13 radial gerichtet, so daß sich eine Strömungsmittelwegdicke ergibt, die mit dem radialen Abstand vom Kern anwächst, das ist jedoch nicht erförderlich. Insbesondere können die radialen Fahnen 13 zu einem Kreisvolventenbogen gekrümmt sein, so daß der Abstand zwischen benachbarten Fahnen über die radiale Ausdehnung der Fahnen konstant ist.

Auch braucht der Kamm oder der Scheitel der Wellen der Fahnen 13 nicht kontinuierlich zu sein, sondern kann unterbrochen sein.

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Unterbrechungen in benachbarten Wellen einer bestimmten Fahne sollen jedoch versetzt sein, so daß Teile des Strömungsmittelweges 16., die nicht serpentinenförmig sind, minimiert werden.

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   1.") Wärmetauscher zum Austauschen von Wärme zwischen einem Bauelement und einem Strömungsmittelstrom, bestehend aus einer gebogenen Anordnung von in Umfangsrichtung voneinander entfernten, thermisch leitenden Fahnen, die in Wärmeaustausch beziehung mit. dem Bauelement gekuppelt sind und sich von diesem nach außen erstrecken, wobei die Mittelebene der einzelnen Fahnen allgemein parallel zur Umdrehungsachse der gebogenen Anordnung liegt und einzelne Fahnen zu einer WeI-. · lenform verformt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der Wellenformen mit wachsendem radialen Abstand von der Umdrehungsachse der. Anordnung nach außen anwächst, und daß die Wellenfronten der Wellungen allgemein lateral zur Umdrehungsachse der Anordnung verlaufen, so daß zwischen benachbarten Fahnen parallel zur Umdrehungsachse und nahe dem Außenumfang der Fahnenanordnung strömendes Strömungsmittel einen längeren serpentinenartigen Strömungsweg antrifft als der Strömungsmiibelstrom näher an der Umdrehungsachse der Anordnung, um einen besseren Wäremeübergang zwischen dem Bauelement und dem Strömungsmittelstrom zu erreichen.

   Wärmetauscher nach Anspruch 1, bei dem das Bauelement, mit dem die Fahnen gekuppelt sind, der Strahlkollektor einer Elektronenröhre ist und die Fahnen Kühlfahnen zur Wärmeübertragung vom Kollektor zum Strömungsmittelstrom sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellen in den Fahnen im innersten Teil ihrer radialen Ausdehnung praktisch keine Amplitude haben.

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   3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fahnen Bleche allgemein gleichförmiger Stärke aus Kupfer und/oder Aluminium sind.

   4. Wärmetauscher nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die -Wellenkämme in benachbarten Fahnen derart miteinander registrieren, daß der Abstand zwischen benachbarten Fahnen unter einem gegebenen Radius von der Umdrehungsachse der Anordnung, gesehen in axialer Richtung der Anordnung, allgemein gleichförmig ist.

   5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fahnen frei von Löchern sind.

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