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Anordnung zur Temperaturkompensation
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eines Hohlraumresonators Die vorliegende Erfindung betrifft eine
Anordnung zur Temperaturkompensation eines Hohlraumresonators, worin sich ein in
axialer Richtung verschiebbarer Kurzschlußkolben befindet, den eine Vorrichtung
aus mehreren aneinandergereihten, unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweisenden Zylindern in Abhängigkeit von der Temperatur so verschiebt, damit die
durch eine Temperaturänderung hervorgerufene Volumenänderung des Hohlraums kompensiert
wird, wobei der erste der aneinandergereihten Zylinder mit der Hohlraumwandung und
der letzte Zylinder mit dem Kurzschlußkolben verbunden ist.
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Eine derartige Anordnung geht aus der DE 3038 140 Al hervor.
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Hierbei ist der Kurzschlußkolben mit einem Zylinder aus Aluminium
verbunden, darauf steht ein Zylinder aus Invar (Nickel-Eisen-Legierung) und dieser
ist schließlich über einen Zylinder wiederum aus Invar mit der Hohlraumwandung verbunden.
Diese Temperaturkompensationseinrichtung, bestehend aus zwei Zylindern aus Invar
mit sehr geringer Wärmeausdehnung und einem Zylinder aus Aluminium mit großer Warmeausdehnung,
vermag den Kurzschlußkolben in Abhängigkeit von der Temperatur nur über sehr kleine
Strecken zu heben oder zu senken, so daß damit nur sehr geringe Volumenänderungen
des Hohlraumes kompensierbar sind.
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Ein Hohlraumresonator, der z. B. als Teil eines mehrkreisigen Filters
in einem Satelliten eingesetzt werden soll, unterliegt für diesen speziellen Einsatz
bestimmten Erfordernissen. Ein solcher Hohlraumresonator soll möglichst leicht,
platzsparend und erschütterungsunempfindlich gebaut sein und er soll so konzipiert
sein, daß beim Betrieb im Vakuum, insbesondere bei höher Eingangsleistung ( >100
W), die darin entstehende Wärme gut abgeleitet wird.
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Ein leichtes und gut wärmeleitendes Material ist Aluminium.
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Deshalb werden im Satelliten vornehmlich Aluminiumstrukturen eingesetzt,
so z. B. auch für Kühlflüssigkeit leitende Rohre (Heatpipes), die mit den Hohlraumresonatoren
verschraubt sind.
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Es ist daher zweckmäßig, die Hohlraumresonatoren auch aus Aluminium
herzustellen, so daß miteinander verbundene Bauteile gleiches Material mit gleicher
Wärmeausdehnung aufweisen.
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Somit vermeidet man Verspannungen und Relativbewegungen, die bei Temperaturänderungen
zwischen Bauteilen aus Materialien unterschiedlicher Wärmeausdehnung auftreten.
Der Wärmeübergangswiderstand zwischen den Hohlraumresonatoren und den Heatpipes
darf sich selbst nach vielen Temperaturzyklen (z. B. - 200 C...60° C) nicht verschlechtern,
da sonst eine überhitzung der Hohlraumresonatoren eintreten würde. Bei üblicherweise
wegen des geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten aus Invar gefertigten Hohlraumresonatoren
besteht aber leicht die Gefahr, daß sich der Wärmeübergangswiderstand gegenüber
den Aluminium-Heatpipes ändert.
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Nun besitzt aber Aluminium einen relativ großen Wärmeausdehnungskoeffizienten.
Temperaturänderungen bewirken also ziemlich große Volumenänderungen der Resonatorhohlräume,
womit eine verhältnismäßig große Drift der Resonanzfrequenzen der Hohlraumresonatoren
verbunden ist. Eine Anordnung zur Temperaturkompensation muß somit in diesem Fall
in der Lage sein, großen Volumenänderungen in einem Hohlraumresonator entgegenwirken
zu können.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur
Temperaturkompensation eines Hohlraumresonators der eingangs genannten Art anzugeben,
die große temperaturabhängige Volumenänderungen des Hohlraums ausgleichen kann und
dabei sehr platzsparend und erschütterungsunempfindlich aufgebaut
ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Zylinder
ineinander gesteckt sind, wobei jeweils benachbarte Zylinder solche mit unterschiedlichen
Wärmeausdehnungskoeffizienten sind, daß die Zylinder nur an ihren Enden so miteinander
verbunden sind, daß beginnend mit dem ersten an der Hohlraumwandung und endend mit
dem letzten am Kurzschlußkolben befestigten Zylinder, eine mäanderförmige Verkettung
der ineinander gesteckten Zylinder entsteht und daß die Zylinder zwischen den fixierten
Endbereichen in axialer Richtung gleitend aufeinander gelagert sind.
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Zweckmäßige Ausführungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen
hervor.
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Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungs-beispiel wird
nachfolgend die Erfindung näher erläutert.
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Die Figur zeigt den Querschnitt durch zwei - z. B. zu einem vierkreisigen
Filter gehörende - Hohlraumresonatoren, die aus einem die Hohlräume 1 und 2 bildenden
Unterteil 3 und einem daraufgesetzten Oberteil 4 bestehen. Die Hohlraumresonatoren
sind durch Koppelöffnungen (in der Figur nicht dargestellt) in den Trennwänden auf
bekannte Weise miteinander elektromagnetisch gekoppelt.
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In jedem Hohlraumresonator ist durch die obere Hohlraumwand 5 des
Oberteils 4 der Schaft 6 eines in axialer Richtung verschiebbaren Kurzschlußkolbens
7 geführt, der in den Hohlraum hineinragt und eine das Volumen des Hohlraums und
damit die Resonanzfrequenz verändernde Wirkung hat.
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Eine in die Hohlraumwand 5 eingesetzte, den Schaft 6 umgebende Hülse
8 aus Kunststoff, d~> unter dem Handelsnamen Teflon bekannt ist, erhöht die Gleitfähigkeit
des Kurzschlußkolbens.
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Der Kurzschlußkolben 7 ist mit seinem Schaft 6 an einer gut wärmeleitenden
Kupfermembran 9 aufgehängt, die zwischen dem Oberteil 4 und einem darauf gesetzten
abschließenden Deckel 10 eingeklemmt ist. Diese Membran 9 dient dazu, die durch
eine hohe Verlustleitung in dem Kurzschlußkolben entstandene Wärme an die Hohlraumwände
abzuleiten. Damit sich die Membran 9 bei Verschiebung des Kurzschlußkolbens in axialer
Richtung frei durchbiegen kann, sind unterhalb und oberhalb der Membran in der Hohlraumwand
5 und im Deckel 10 Aussparungen 11 und 12 eingelassen. Bei mehreren zu einem kompletten
mehrkreisigen Filter zusammengefügten Hohlraumresonatoren sind, wie die Figur zeigt,
mit einer einzigen Membran 9 alle Kurzschlußkolben wärmeleitend verbunden, so daß
sich eine gleichmäßige Wärmeverteilung über alle Hohlraumresonatoren ergibt und
dadurch eine leistungsunabhängige Kompensation gewährleistet ist.
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Die temperaturabhängige Verschiebung des Kurzschlußkolbens 7 bewirkt
eine Vorrichtung, die sich aus ineinander gesteckten Zylindern 13, 14 und 15 mit
unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zusammensetzt. Der innerste Zylinder
13, ein Stab aus Invar mit geringer Wärmeausdehnung, ist am unteren Ende mit dem
Unterteil 3 der Hohlraumresonatoren gut wärmeleitend verbunden. Der innerste Zylinder
13 steckt in einem Zylinder 14 aus Aluminium mit großer Wärmeausdehnung und dieser
wiederum in einem Zylinder 15 aus Invar mit geringer Wärmeausdehnung.
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Zwischen dem innersten Zylinder 13 und dem mittleren Zylinder 14 besteht
nur im oberen Endbereich eine Schraubverbindung.
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Im übrigen Bereich ist der Zylinder 14 axial gleitend auf dem darin
steckenden Zylinder 13 gelagert und es besteht zwischen beiden Zylindern ein Spiel
von ca. 0,1 mm. Eine zwischen beide Zylinder 13 und 14 eingefügte Teflonbuchse 16
dient als Gleitlager. Der äußerste Zylinder 15 ist nur am unteren Ende mit dem in
ihm steckenden Zylinder 14 verschraubt. Im verbleibenden
Teil sind
auch diese beiden Zylinder gegeneinander axial verschiebbar. Der äußere Zylinder
15 ist in einer in den Dekkel 10 eingesetzten Teflonhülse 17 geführt. Damit erhält
die gesamte Zylinderanordnung einen sicheren, erschütterungsunempfindlichen Halt.
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Durch die beschriebene Art der Verbindung zwischen den einzelnen ineinander
gesteckten Zylindern 13, 14, 15 entsteht eine mäanderförmige Verkettung dieser Zylinder.
Man erhält damit eine kompakte Vorrichtung geringer Baulänge, deren äußerer Zylinder
15 bei Temperaturschwankungen, die von der Hohlraumresonatorwandung auf den innersten
Zylinder 13, von dort auf den mittleren Zylinder 14 und von diesem auf den äußeren
Zylinder 15 übertragen werden und zu Längenänderungen der Zylinder führen, große
axiale Verschiebungen erfährt.
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Diese Verschiebungen macht eine auf den äußeren Zylinder 15 geschraubte
Platte 18 mit. Sämtliche Kurzschlußkolben der zu einem kompletten Filter gehörenden
Hohlraumresonatoren sind mit der Platt 18 verbunden und erfahren nun die gleichen
von den ineinander steckenden Zylindern hervorgerufenen temperturabhängigen axialen
Verschiebungen. Zweckmäßigerweise werden bei mehreren miteinander gekoppelten Hohlraumresonatoren
die Zylinder 13, 14 und 15, wie die Figur zeigt, in einer allen Hohlraumresonatoren
gemeinsamen Zwischnwand 19 eingelassen. An dieser Stelle ist der Einfluß von Temperaturschwankungen
der einzelnen Hohlraumresonatoren auf die Zylinder gleich stark.
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Die Zahl der ineinandergesteckten Zylinder und deren Länge richtet
sich danach, wie groß die erforderlichen Verschiebungen der Kurzschlußkolben sein
müssen, um Volumenänderungen der Hohlräume kompensieren zu können.
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