DE2805841A1

DE2805841A1 - Vorrichtung zur kuehlung eines kollektors einer wanderfeldroehre

Info

Publication number: DE2805841A1
Application number: DE19782805841
Authority: DE
Inventors: Hubert Dipl Ing Koch; Helmut Dr Ing Kreeb
Original assignee: Dornier System GmbH
Current assignee: Dornier GmbH
Priority date: 1978-02-11
Filing date: 1978-02-11
Publication date: 1979-08-16
Also published as: DE2805841B2; GB2014298A; JPS54108566A; BE872472A; DE2805841C3; GB2014298B; FR2417181A1; JPS6157650B2; FR2417181B1; IT1117614B; IT7967287A0

Description

DORNIER SYSTEM GMBH ^

7990 Friedrichshafen

Reg. S 305

Vorrichtung zur Kühlung eines Kollektors einer Wanderfeldröhre

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung eines Kollektors einer Wanderfeldröhre hoher Leistung.

Bekanntlich entsteht bei Wanderfeldröhren eine große Menge an Wärme, deren Hauptteil als Verlustleistung am Kollektor anfällt. In der Praxis wird diese hohe Verlustleistung bei großen Wanderfeldröhren (über 100 Watt) über einen eigenen Radiator direkt abgestrahlt. Dieser Radiator hat dazu relativ große Dimmensionen, so daß ein Einstufenauffänger mit elektrostatischer Fokusierung verwendet werden muss.

Ist die Verlustleistung gering (z.B. bei 20 Watt Wanderfeldröhren), so kann die Wärme bzw. Verlustleistung direkt über einen metallischen Kontakt abgeführt werden. Dadurch wird für den Kollektor ein Auffänger mit (mehrstufiger) magnetischer Fokusierung möglich, wodurch die Wanderfeldröhre einen merkbar höheren Wirkungsgrad erhält.

Mittels Wärmerohre gekühlte Wanderfeldröhren sind auch bekannt, z.B. aus der US-PS 3 749 962; den Veröffentlichungen von A.Basilius und

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T.A. Hummel, Hughes Aircraft Company Elektron Dynamics Division, Torrance, California unter dem Titel "Unidrectional Heat Pipes to Control TWT Temperature in Synchronous Orbit, Seite 168, 169 ff/ in Design News (a Cahners Puplication), März 1974 Design Engineering Show and Conference unter dem Titel "Designer's guide to heat pipes" Seite 4 bis 5, insbesondere Fig. 19 und Beschreibung, sowie in ESA SP-112 Vol. 1, II. Internat. Heat Pipes Conference Bologna unter dem Titel "Follow-up on Heat Pipe Applications", Seite 473 bis 479, insbesondere Fig. 6. Die darin beschriebenen Wanderfeldröhren arbeiten mit relativ geringen Verlustleistungen. Sie können deshalb noch mit der üblichen Wärmeleitrohranordnung (heat pipe) ausreichend gekühlt werden.

Bei Wanderfeldröhren hoher Leistung ist die abzuführende Wärmemenge bzw. Verlustleistung so groß, daß bei einer Bauweise, die eine magnetische Fokusierung noch zuläßt, die Wärmestromdichte so groß wird, daß sie nicht mehr ausreichend abgestrahlt oder über metallische Leiter abgeführt werden kann. Ab einer gewissen Baugröße (ca. 100 Watt Leistung) der Wanderfeldröhren muß daher auf die einstufige elektrostatische Fokusierung zurückgegriffen werden,'was aber den Nachteil eines zu geringen Wirkungsgrades hat.

Eine Verwendung von magnetisch fokusierten Mehrstufenkollektoren mit höherem Wirkungsgrad war bei derartigen Wanderfeldröhren hoher Ausgangsleistung bisher nicht möglich. Ferner ist bei solch großen Wan-

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derfeldröhren von Nachteil, daß, bedingt durch den eigenen Radiator, der Einbau problematisch ist; z.B. die Einbaulage auf einem Außenpaneel eines Satelliten, die lange Wege für die Verkabelung der Hohlleiter erfordert, was wiederum einen weiteren Wirkungsgradverlust bedeutet. Außerdem ist eine solche selbstabstrahlende Wanderfeldröhre in der Erdatmosphäre nicht einsetzbar.

Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, mit deren Hilfe die Wärmeabfuhr an einer Wanderfeldröhre hoher Leistung optimal erreicht und mittels eines geringen Durchmessers an ihr zugleich eine durch verschiebbare Ringmagnete magnetische mehrstufige Fokusierung im Kollektor unter gleichzeitiger Erhöhung des Wirkungsgrades möglich wird. Außerdem sollte dadurch die Wanderfeldröhre lageunabhängig montierbar und für den Einsatz auf der Erde verwendbar sein.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe sind erfindungsgemäß die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 und die der ihm folgenden Unteransprüche vorgesehen.

Der Vorteil der Erfindung besteht insbesondere darin, daß durch die gruppenweise Anordnung von Wärmeleitrohren geringer radialer Bauhöhe um den Kollektor der Wanderfeldröhre eine magnetische mehrstufige Fokusierung im Kollektor möglich ist. Das heißt, daß sich dadurch der äußere Durchmesser des Kollektors so verringert, daß über dem Kollek-

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tor zur Strahlablenkung Justiermagnete verschiebbar anordenbar sind, wodurch, bei gleicher Stufenzahl, ein hoher Wirkungsgrad erzielt wird. Ferner sind von Vorteil, kürzere Verkabelungswege, kommerzielle Nutzung auf dem Boden, weil die Wanderfeldröhre dadurch beliebig aufstellbar und einbaubar ist, die Kollektortemperatur je nach Ausbildung des Wärmetauschers bzw. der Einrichtung zur Wärmeabgabe beliebig abstimmbar ist, sowie eine damit verbundene höhere Lebensdauer durch niedrige Temperatur. Schließlich ist damit eine mechanische und elektrische Entkopplung möglich.

Die gruppenweise um den Kollektor angeordneten und als Kopplungsteil zu wenigstens einem zusätzlichen parallel zur Achse der Wanderfeldröhre ausgerichteten Wärmeleitrohr gestalteten Wärmeleitrohre nehmen die vom Kollektor radial anfallende Wärme bzw. Verlustleistung bei örtlichen Leistungsdichten bis zu 20 W/cm auf und führen diese an das bzw. die nachgeschalteten Wärmeleitrohre ab. Durch diese zusätzliche Anordnung von wenigstens einem Wärmeleitrohr parallel zur Achse der Wanderfeldröhre wird die an ihrer Elektronenkanone anfallende Verlustwärme ebenfalls abgeführt.

Mit der Vorrichtung zur Kühlung einer Wanderfeldröhre sind die Funktionen der Wärmeabfuhr und der mechanischen Montage auf vorteilhafte Weise trennbar, so daß eine Anordnung der Wanderfeldröhre beliebig "ählbar ist (z.B. in einem Satelliten). Da für ein Wärmeleitrohr nur eine metallische Ausführung möglich ist, muß die Halterung bzw. Lage-

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rung der Wanderfeldröhre innen hochspannungsisoliert sein und außen Massenpotential haben.

Durch Einhalten eines relativ kleinen Kollektor-Außendurchmessers (ca. 4 cm), der zum Aufschieben von Ringmagneten für die magnetische Fokusierung erforderlich ist, entstehen am Kollektor hohe Wärmestromdichten. Die dadurch vorherrschende Wärme wird mittels einer um den Kollektor angeordneten Gruppe von durch einen Dampfraum miteinander verbundenen Wärmeleitrohren an wenigstens einem beliebig langen Ableit-Wärmeleitrohr übertragen und von dort an eine Wärmesenke (z. B. Radiator, Kühlkreislauf, Wärmetauscher u.a.) abgeführt. Dabei ist der Kollektor entweder von einzelnen oder in Schalen zusammengefaßten Wärmeleitrohren umgeben. Die Wärmeleitrohre sind zusammen mit ihren Halterungen mit dem Kollektor und dem Ableit-Wärmeleitrohr gut wärmeleitend verbunden.

Ausführungsbeispiele sind folgend beschrieben und durch Skizzen erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 in seitlicher Ansicht einen Kollektor mit einer darauf angeordneten paraxial ausgerichteten Gruppe von Wärmeleitrohren, deren Kondensationsenden sich um zwei Ableit-Wärmeleitrohre legen,

Fig. 2 einen Schnitt durch den Kollektor und der darum angeordneten Gruppe von Wärmeleitrohren gemäß Fig. 1,

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Fig. 3 einen Schnitt durch die Ableit-Wärmeleitrohre mit den darum angeordneten Kondensationsenden der Wärmeleitrohre gemäß Fig. 1,

Fig. 4 einen Schnitt durch einen Kollektor mit schalenförmiger Anordnung von Wärmeleitrohren und unterschiedlichen Querschnitten,

Fig. 5a, 5b und 6a, 6b im Schnitt und in seitlicher Ansicht die Anordnung der Wärmeleitrohre um den Kollektor und deren durch einen Dampfbaum zusammengefaßten Kondensationsenden um ein bzw. zwei Ableit-Wärmeleitrohre,

Fig. 7a, 7b, 7c einen Schnitt durch eine schalen- und eine plattenförmige Anordnung von Wärmeleitrohren um einen Kollektor und einem Ableit-Wärmeleitrohr.

In Fig. 1 ist in seitlicher Ansicht ein Kollektor 1 einer Wanderfeldröhre dargestellt, auf dessen Umfang eine Gruppe zu seiner Achse 2 paraxial ausgerichteter Wärmeleitrohre 3 angeordnet sind, deren Kondensationsenden 4 sich um zwei dem Kollektor 1 nachgeordnete Ableit-Wärmeleitrohre 5, 6 legen. Zur Lagerung bzw. Befestigung der Wärmeleitrohre 3 und deren Kondensationsenden 4 ist bzw. sind der Kollektor 1 und die Ableit-Wärmeleitrohre 5, 6 von einer ringförmigen Halterung 7, 8, 9 (siehe auch Fig. 2 und 3) umgeben, die zur Aufnahme der Wärmeleitrohre 3 und deren Kondensationsenden 4 entsprechend deren Durchmesser halbkreisförmig ausgestaltet sind. Diese Halterungen 7, 8, 9 sind selbst gut wärmeleitend und gleichfalls gut wärmeleitend

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mit dem Kollektor 1 bzw. den Ableit-Wärmeleitrohren 5, 6 einerseits und den Wärmeleitrohren 3 bzw. deren Kondensationsenden 4 andererseits verbunden.

Fig. 2 und 3 sind gemäß Fig. 1 Schnitte durch den Kollektor 1, der darum angeordneten Halterung 7, den in den halbkreisförmigen Ausnehmungen 10 angeordneten Wärmeleitrohren 3 und den Ableit-Wärmeleitrohren 5, 6, den darum angeordneten Halterungen 8, 9 mit den darin lagernden Kondensationsenden 4. Die Aufteilung der um den Kollektor

I angeordneten Wärmeleitrohre 3 bzw. deren Kondensationsenden 4 um die Ableit-Wärmeleitrohre 5, 6 ist so getroffen, daß um jedes Ableit-Wärmeleitrohr 5, 6 die Hälfte der Anzahl der vom Kollektor 1 kommenden Kondensationsenden 4 liegen.

In Fig. 4 ist ein Schnitt durch einen Kollektor 1 gemäß Fig. 1 dargestellt, um den Wärmeleitrohre 3 in verschiedenen Ausführungsbeispielen jeweils um Sektoren von 120 versetzt schalenförmig angeordnet sind. Dabei zeigt der obere Sektor S. eine schon in Fig. 1 bis 3 beschriebene Anordnung der Wärmeleitrohre 3. Der rechte Sektor S„ zeigt eine Anordnung, bei der die Wärmeleitrohre 3 innerhalb einer Halterung

II angeordnet sind. Diese Wärmeleitrohre 3 können in der Halterung 11 integriert sein, also mit ihr ein Ganzes bilden oder darin als selbständige Röhren eingeschoben sein. Der linke Sektor S„ dagegen zeigt eine Anordnung, bei der die Wärmeleitrohre 3 entsprechend der gekrümmten Oberfläche des Kollektors 1 als unterbrochene prismatisch gestaltete

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Hohlkörper 12 um den Kollektor 1 angeordnet sind. Dabei bilden diese derartig ausgestalteten Wärmeleitrohre 12 mit der Halterung ein integriertes Ganzes 13.

In den Fig. 5a, 5b und 6a, 6b sind Ausfuhrungsbeispiele einer Anordnung um einen Kollektor 1 (gemäß Fig. 1) von Wärmeleitrohren 3 und deren in eine (Fig. 5a, 5b) bzw. zwei (Fig. 6a, 6b) Dampfkaramern 14 über eine Netzfahne 15 mündenden Kondensationsenden 4 im Schnitt und in seitlicher Ansicht dargestellt. Die Dampfkammer(n) 14, in die die Kondensationsenden 4 münden, ist diesen gegenüber in Form von um ein (Fig. 5a, 5b) bzw. zwei (Fig. 6a, 6b) Ableit-Wärmeleitrohre (gemäß Fig. 1) verteilt angeordnete Röhren 16 verlängert. Dabei ist in Fig. 6a, 6b die Anordnung der Wärmeleitrohre 3 um den Kollektor 1 schalenförmig (siehe insbesondere Fig. 6a).

Bei den in Fig. 7a, 7b, 7c dargestellten Ansichten handelt es sich um eine schalen- (Fig. 7a, 7b Schnitt A-A) und eine plattenförmige (Fig. 7b, 7c Schnitt B-B) Anordnung von Wärmeleitrohren 3 um einen Kollektor 1 (gemäß Fig. i) und einem Ableit-Wärmeleitrohr 5. Hier münden die um den Kollektor 1 in Schalenform angeordneten Wärmeleitrohre 3 (siehe Fig. 7a Schnitt A-A) an der Schweißnaht S (Fig. 7b Schnitt A-A) in einem zum Ableit-Wärmeleitrohr 5 hin sich verjüngenden Zwischenstück 17, das an der zwischen Schnitt A-A und B-B gelegenen Schweißnaht S in ein oberes und in ein unteres plattenförmig ausgestaltetes Kondensationsende 18, 19 übergeht. Diese Kondensations-

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enden 18, 19 sind mit dem Ableit-Wärmeleitrohr 5 gut wärmeleitend verbunden. Die Rohre können dabei in einen eckigen Kapillar-Querschnitt übergehen (siehe Fig. 7c Schnitt B-B).

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Claims

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Reg. S 305

Patentansprüche :

1.) Vorrichtung zur Kühlung eines Kollektors einer Wanderfeldröhre
hoher Leistung, dadurch gekennzeichnet, daß um den Kollektor (i) eine dazu paraxial ausgerichtete Gruppe von Wärmeleitrohren (heat pipe) (3) geringer radialer Bauhöhe angeordnet ist, die mit ihrem Kondensationsende (4) mit wenigstens einem Ableit-Wärmeleitrohr
(5, 6) verbunden sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor (i) mit einzelnen Wärmeleitrohren (3) umgeben ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor (l) mit von Wärmeleitrohren (3) durchsetzten Schalen (11, 13) umgeben ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor (l) mit wenigstens einer schalenförmig gestalteten und als Wärmeleitrohr (3) ausgebildeten Dampfkammer (14) umgeben ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeleitrohre (3) auf dem Kollektor (1) durch eine

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einen guten Wärmeübergang aufweisenden Halterung (7, 8, 9, 11, 13) fixiert sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensationsenden (4) der Wärmeleitrohre (3) mit einer Einrichtung zur Wärmeabgabe (z.B. Radiator, Konvektor, Wärmetauscher u.a.) versehen ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die den Kollektor (1) umgebenden Wärmeleitrohre (3) in wenigstens einem Wärmeleitrohr (16) münden, das mit den den Kollektor (1) umgebenden Wärmeleitrohren (3) eine gemeinsame Dampfkammer (14) bildet.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis I₁ dadurch gekennzeichnet, daß das bzw. die Kondensationsenden (4) der Wärmeleitrohre (3) flächenartig ausgestaltet sind.

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