DE2805841B2 - Kühlsystem für den Kollektor einer Wanderfeldröhre - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem für den Kollektor einer Wanderfeldröhre unter Ausnutzung einer Verdampfungskühlung innerhalb eines vakuumdicht geschlossenen Behälters, in welchem Kapillaren derart angeordnet sind, daß der Wärmetransport mittels eines Verdampfungs-Kondensationszyklusses eines Wärmeträgers und der Rücktransport der flüssigen Phase des Wärmeträgers erfolgt.

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 Dimensionen, so daß ein Einstufenauffänger mit elektrostatischer Fokussierung 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 einer von der American Society of Mechanical Engineers im November 1972 unter dem Titel »The Application of Heat Pipe Techniques to Electronic Component Cooling« herausgegebenen Veröffentlichung, in welcher auf Seite 6 das Kühlsystem für eine Wanderfeldröhre dargestellt und beschrieben ist. Dieses bekannte Kühlsystem hat aber insofern die Nachteile, als es nur eine radiale Ableitung der Wärme vom Kollektor aufweist und durch die dadurch bedingte große Bauhöhe tine Anordnung von ί Ringmagneten nicht möglich ist Unterliegt die Wanderfeld- bzw. Laufzeitröhre einer Schwerkraft, so beein trächtigt diese die Kapillarwirkung derart, daß die erforderliche Saughöhe für den Wärmeträger so groß wird, daß die Kapiliarkraft gegen die Schwerkraft nicht

ίο mehr ankommt Ferner muß das Kühlsystem elektrisch isoliert sein, weil eine dielektrische Flüssigkeit, wie sie bei der bekannten Kühlanordnung verwendet wird, für das Kühlsystem (Wärmerohr) schlechte Kühleigenschaften aufweist und das elektrisch isolierende Wandmaterial ebenfalls schlecht wärmeleitend ist Hinzu kommt, daß die gesamte Wanderfeldröhre vom Kühlsystem umschlossen ist, was heißt, daß der Kollektor die gleiche Temperatur haben muß, wie die restliche Wanderfeldröhre. Die Kollektortemperatur ist hierbei nicht frei wählbar, wodurch eine effektivere Wärmesenke nicht verwendbar ist

Bei einem aus der US-PS 3414 757 bekannten Kühlsystem ist die Wandung des zu kühlenden projektilförmigen Kollektors von zu seiner Längsachse

2^r' längs- bzw. parallelverlaufend angeordneten Kanälen bzw. Röhren durchsetzt Diese Kanäle sind ganz oder teilweise mit einer Kühlflüssigkeit (z. B. Wasser) gefüllt, welches am einen Ende der Kanäle von außen her zugeführt und nach Wärmeaufnahme am anderen Ende

"> der Kanäle wieder nach außen abströmt. Es handelt sich also dabei um einen teilweisen extern angeordneten und durch Pumpen in Gang gehaltenen Kreislauf, bei welchem das Kühlmittel fortwährend von außen zu- und abgeführt wird.

*■' 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

"•ο 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 Wirkungsgrads des hat.

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

™ Wanderfeldröhren 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, das bekannte Kühlsystem derart abzuwandeln, daß die Abführung der Wärme vom Kollektor in axialer Richtung erfolgt, so daß Fokussierungsmagneten um den Kollektor angeordnet werden können, und daß auch dann eine wirksame Kühlung beibehalten bleibt, wenn auf die Wanderfeldröhre eine Schwerkraft einwirkt.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe sind erfindungsgemäß die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 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 Fokussierung im Kollektor möglich ist. Das heißt, daß sich dadurch der äußere Durchmesser des Kollektors so verringert, daß über dem Kollektor zur Strahlablenkung Justiermagnete verschiebbar anordenbar sind, wodurch, bei gleicher Stufenzahl, ein hoher Wirkungsgrad erzielt wird. Ferner sind von Vorteil, kürzere Verkabelungsws- ι ο ge, 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/cm² 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 wählbar ist (z. B. in einem Satelliten). Da für ein J5 Wärmeleitrohr nur eine metallische Ausführung möglich ist, muß die Halterung bzw. Lagerung 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. ä.) 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 foigend beschrieben und durch Skizzen erläutert Es zeigt

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

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

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

F ie. 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,

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

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

F i g. 2 und 3 sind gemäß F i g. S Schnitte durch den Kollektor I, 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 1 angeordneten Wärmeleitrohre 3 bzw. deren Kondensationsenden 4 um die Abieil-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 F i g. 1 dargestellt, um den Wärmeleitrohr 3 in verschiedenen Ausführungsbeispielen jeweils um Sektoren von 120° versetzt schalenförmig angeordnet sind. Dabei zeigt der obere Sektor Si eine schon in F i g. 1 bis 3 beschriebene Anordnung der Wärmeleitrohre 3. Der rechte Sektor S2 zeigt eine Anordnung, bei der die Wärmeleitrohre 3 innerhalb einer Halterung 11 angeordnet sind. Diese Wärmeleitrohre 3 können in der Halterung U integriert sein, also mit ihr ein Ganzes bilden oder darin als selbstständige Röhren eingeschoben sein. Der linke Sektor S3 dagegen zeigt eine Anordnung, bei der die Wärmeleitrohre 3 entsprechend der gekrümmten Oberfläche des Kollektors 1 als unterbrochene prismatisch gestaltete Hohlkörper 12 um den Kollektor 1 angeordnet sind. Dabei bilden diese derartig ausgestalteten Wärmeleitrohre 12 mit der Halterung ein integriertes Ganzes 13.

In den F i g. 5a, 5b und 6a, 6b sind Ausführungsbeispiele einer Anordnung um einen Kollektor 1 (gemäß Fig. 11) von Wärmeleitrohren 3 und deren in eine (F i g. 5a, 5b) bzw. zwei (F i g. 6a, 6b) Dampfkammern 14 über eine Netzfahne 15 mündenden Kondensationsenden 4 im Schnitt und in seitlicher Ansicht dargestellt. Die Dani,)fkammer(n) 14, in die die Kondensationsenden 4 münden, ist diesen gegenüber in Form von um ein (F i g. 5a, 5b) bzw. zwei (F i g. 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 F i g. 6a).

Bei den in Fig.7a, 7b, 7c dargestellten Ansichten handelt es sich um eine schalen- (F i g. 7a, 7b Schnitt A-A) und eine plattenförmige (Fig. 7b, 7c Schnitt B-B) Anordnung von Wärmeleitrohren 3 um einen Kollektor 1 (gemäß Fig. 1) 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 5 in ein oberes und in ein unteres plattenförmig ausgestaltetes Kondensationsende 18, 19 übergeht. Diese Kondensationsenden 18, 19 sind mit dem Ableit-Wärmeleitrohr 5 gut wärmeleitend verbunden. Die Rohre können dabei in einen eckigen Kapillar-Querschnitt übergehen (siehe F i g. 7c Schnitt B-B).

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Kühlsystem für den Kollektor einer Wanderfeldröhre unter Ausnutzung einer Verdampfungskühlung innerhalb eines vakuumdicht geschlossenen Behälters, in welchem Kapillaren derart angeordnet sind, daß der Wärmetransport mittels eines Verdampfungs-Kondensationszyklusses eines Wärmeträgers und der Rücktransport der flüssigen Phase des Wärmeträgers erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß als geschlossener Behälter eine Vielzahl jeweils in sich abgeschlossener, axial zum Kollektor (1) gerichtete und diesen umgebende Rohre (Wärmeleitrohre) (3) vorgesehen sind, die an ihrem vom Kollektor (1) abgewandten Ende (4) mit einer Wärmesenke (5,6) verbunden sind.

2. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeleitrohre (3) auf dem Kollektor (1) durch eine einen guten Wärmeübergang aufweisende Halterung (7,8,9) fixiert sind.

3. Kühlsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (7, 8, 9) in Form von zwei den Kollektor (1) umgebenden Halbschalen (11, 13) ausgebildet ist, die die Wärmeleitrohre (3) enthalten.

4. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmesenke (5, 6) in Form einer Dampfkammer (14) ausgebildet ist, in welche sämtliche Wärmeleitrohre (3) münden.

5. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmesenke (5, 6) in Form eines weiteren rohrförmigen, mit Kapillaren und einen Wärmeträger enthaltenden Behälters (17, 18, 19) ausgebildet ist.