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Anordnung zur Temperaturkompensation eines Hohlraum-
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resonators Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur
Temperaturkompensation eines Hohlraumresonators worin sich ein mit seinem Schaft
durch eine Hohlraumwand geführter Kurzschlußkolben befindet, der mit einem Bimetallelement
verbunden ist, welches den Kurzschlußkolben in Abhängigkeit von der Temperatur so
verschiebt, daß die durch eine Temperaturänderung hervorgerufene Volumenänderung
des Hohlraums kompensiert wird.
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Eine derartige Anordnung ist aus der DE-OS 23 27 362 bekannt.
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Als für die Temperaturkompensation zuständiges Element ist hier eine
aus mehreren Bimetallstücken zusammengesetzte Tellerfeder in einer Hohlraumwand
angeordnet. Der durch diese Hohlraumwand in den Resonanzraum ragende Kurzschlußkolben
ist mit der Bimetalltellerfeder verbunden und erfährt durch sie eine temperaturabhängige
Verschiebung. Die Tellerfeder stellt ein recht aufwendiges, viel Platz in Anspruch
nehmendes Gebilde dar. Außerdem gewährleistet die aus vielen einzelnen Bimetallstücken
bestehende Tellerfeder keine exakt lineare Temperaturabhängigkeit, so daß auch der
Kurzschlußkolben keine genau definierte temperaturabhängige Bewegung vollzieht.
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Gerade bei Hohlraumresonatoren, die für eine sehr hohe Betriebsfrequenz
(z.B. 12,5 GHz) ausgelegt sind, kommt es wegen der kleinen Abmessungen des Resonanzraumes
auf eine definierte und sehr exakt reproduzierbare Bewegung des Kurzschlußkolbens
in Abhängigkeit von der Temperatur an, wobei im Falle eines mehrkreisigen Filters
ein absoluter Gleichlauf der Kurzschlußkolben aller zugehöriger Hohlraumresonatoren
gewährleistet sein muß.
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Ein Hohlraumresonator, der z.B. als Teil eines mehrkreisigen Filters
in einem Satelliten eigesetzt werden soll, unterliegt für diesen speziellen Einsatz
bestimmten Erfordernissen. Ein solcher Hohlraumresonator soll möglichst leicht,
platzsparend und erschütterungsunempfindlich gebaut und soll so konzipiert sein,
daß beim Betrieb im Vakuum, insbesondere, wenn das Filter mit einer sehr hohen Eingangsleistung
(>100 W) betrieben wird, die darin entstehende Wärme gut abgeleitet wird.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Temperaturkompensation
der eingangs genannten Art anzugeben, welche die zuvor gestellten Anforderungen
an einen Hohlraumresonator erfüllt.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Kurzschlußkolben
mit seinem Schaft in einer Bimetallochscheibe und einer aus gut wärmeleitendem Material
bestehenden Membran aufgehängt ist und daß die Bimetallochscheibe und die Membran
an ihren äußeren Rändern in der Hohlraumwand festgeklemmt sind, wobei die Innenbereiche
der Bimetallochscheibe und der Membran in Richtung der Kurzschlußkolbenachse frei
beweglich sind.
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Zweckmäßige Ausführungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen
hervor.
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Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels wird
im folgenden 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. Beide hier zu sehende
Hohlräume 1, 2 sind durch eine Öffnung 5 in der Trennwand miteinander gekoppelt.
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Das Material, aus dem Unter- und Oberteil 3, 4 geformt sind, ist Aluminium,
weil Aluminium eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit und ein geringes Gewicht besitzt.
Wie oben bereits angedeutet, sollen die Hohlraumresonatoren für den Einbau in einem
Satelliten geeignet sein. Da im Satelliten aus Gewichtsgründen vornehmlich Aluminiumstrukturen
eingesetzt werden, so auch für Kühlflüssigkeit leitende Rohre (Heatpipes), mit denen
die Hohlraumresonatoren verschraubt sind, ist es zweckmäßig, die Hohlraumresonatoren
aus Aluminium herzustellen, so daß miteinander verbundene Bauteile gleiches Material
mit gleicher Wärmeausdehnung aufweisen. 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. -200C ...
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 hat aber Aluminium den Nachteil, daß es einen relativ großen Wärmeausdehnungskoeffizienten
besitzt. Temperaturänderungen bewirken also ziemlich große Volumenänderungen der
Resonatorhohlräume, womit eine Drift der Resonanzfrequenzen der Hohlraumresonatoren
verbunden ist. Um diesen negativen Effekt zu umgehen, ist eine Temperaturkompensation
der Hohlraumresonatoren erforderlich.
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Beide in der Figur dargestellte Hohlraumresonatoren besitzen die gleiche
Anordnung zur Temperaturkompensation. Deshalb wird nachfolgend nur die Temperaturkompensationsvorrichtung
eines Hohlraumresonators beschrieben.
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Durch die obere Hohlraumwand 6 des Oberteils 4 ist der Schaft 7 eines
axial verschiebbaren Kurzschlußkolbens 8 geführt, der
in den Hohlraum
1 hineinragt und eine das Volumen des Hohlraums und damit die Resonanzfrequenz verändernde
Wirkung hat.
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Der Kurschlußkolben ist aus Kupfer oder Aluminium und das Resonatorgehäuse
aus Aluminium gefertigt. Er ist in der oberen Hohlraumwand 6 in einer Bimetallochscheibe
9 und einer Rembran 10 aus Kupfer aufgehängt und kann sich zusammen mit der Bimetallscheibe
und der Membran in axialer Richtung frei bewegen.
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Die Bimetallochscheibe 9 ist mittels eines Gewinderinges 11 an ihrem
äußeren Rand in der Hohlraumwand 6 festgeklemmt.
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Damit sich die Bimetallochscheibe 9 in Richtung der Kolbenachse in
Abhängigkeit von der Temperatur durchbiegen und den Kurzschlußkolben verschieben
kann, sind die Hohlraumwand 6 und der Gewindering 11 unter- und oberhalb der Bimetallochscheibe
mit Aussparungen 12 und 13 versehen.
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Die Bimetallochscheibe ist mit dem Oberteil 4 des Hohlraumresonators
und dem Schaft 7 des Kurzschlußkolbens 8 gut wärmeleitend verbunden, so daß sie
möglichst schnell die Temperatur des Hohlraumresonators und des Kurzschlußkolbens
annimmt. Die temperaturabhängige Verstellung des Kurzschlußkolbens 8 durch die Bimetallochscheibe
9 erfolgt dann nahezu unverzögert.
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Für den oben geschilderten Anwendungsfall besteht zweckmäßigerweise
die Bimetallochscheibe aus einer Invar-Schicht (36 % Ni, 64 % Fe) mit geringer Wärmeausdehnung
und einer Schicht aus einer Eisen-Nickel-Mangan-Legierung mit großer Wärmeausdehnung.
Diese Materialien besitzen gute Festigkeitseigenschaften und, da sie sehr ähnliche
mechanische Eigenschaften haben, sind sie gut bearbeitbar. Mit den genannten Materialien
hat die Bimetallochscheibe eine spezifische thermische Ausbiegung al = 15,5 10-6
K-1 einen Wärmeleitkoeffizienten A1 = 0,125 Wcm-1K-1, eine zulässige Biegespannung
T1 = 200 Nmm-2 und eine lineare Abhängigkeit der Durchbiegung von der Temperatur
im Bereich von -200C bis 2000C.
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Wenn große Wärmeleitfähigkeit von der Bimetallochscheibe verlangt
wird, ist es vorteilhaft, eine solche einzusetzen, bei der zwischen der Invar-Stahl-Schicht
und der Schicht aus einer Eisen-Nickel-Mangan-Legierung eine gut wärmeleitende Kupferschicht
eingefügt ist. Eine so zusammengesetzte Bimetallochscheibe hat eine spezifische
thermische Ausbiegung a2 = 13,8 10 -6K-1, einen Wärmeleitkoeffizienten #2 = 1,25
Wcm K eine zulässige Biegespannung #2 = 200 Nmm 2 und eine lineare Abhängigkeit
der Durchbiegung von der Temperatur im Bereich von -200C bis 2000C. Die aufgrund
der Verlustleistung im Kurzschlußkolben 8 entstehende Wärme wird teilweise über
die Bimetallochscheibe 9 an die Außenwände des Hohlraumresonators abgeleitet.
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Für eine wesentlich bessere Wärmeableitung an die Hohlraumwände sorgt
die aus gut wärmeleitendem Kupfer bestehende Membran 10, mit der der Schaft 7 des
Kurzschlußkolbens 8 mit seinem Schaft 7 durch eine Klemmverbindung gut wärmeleitend
verbunden ist. Die Membran 10 ist zwischen dem Oberteil 4 des Hohlraumresonators
und einem darauf gesetzten Deckel 14 eingeklemmt. Dabei sind im Oberteil 4 und im
Deckel 14 Aussparungen 15 und 16 eingelassen, so daß darin sich die Membran bei
Verschiebung des Kurzschlußkolbens in axialer Richtung frei durchbiegen kann.
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Durch diese Membran 10 wird eine leistungsunabhängige Kompensation
erreicht, d.h. es wird ein Temperaturgradient über dem Stellglied, der Bimetallochscheibe
9, vermieden. Die Membran dient aber auch als zusätzliche Befestigung der Kurzschlußkolben
und vermindert dadurch die Schwingungsempfindlichkeit erheblich.
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Bei mehreren zu einem kompletten mehrkreisigen Filter zusammengefügten
Hohlraumresonatoren werden, wie die Figur zeigt, mit einer einzigen Membran alle
Kurzschlußkolben wärmeleitend verbunden, so daß sich eine gleichmäßige Wärmeverteilung
über alle Hohlraumresonatoren ergibt.
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