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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung bezieht sich allgemein auf Kühlverfahren und im Spezielleren
auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kühlen von Vorrichtungen, die
eine erhebliche Wärmemenge
erzeugen.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Manche
Arten von elektronischen Schaltungen brauchen relativ wenig Strom
und erzeugen wenig Wärme.
Schaltungen dieser Art können
für gewöhnlich durch
einen passiven Lösungsansatz
wie Konvektionskühlung
zufriedenstellend gekühlt
werden. Hingegen gibt es jedoch auch andere Schaltungen, die große Strommengen
verbrauchen und große
Wärmemengen
erzeugen. Ein Beispiel ist der Schaltungskomplex, der in einem phasengesteuerten
Antennenanordnungssystem oder Phased-Array-Antennensystem verwendet wird.
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Genauer
ausgedrückt
kann ein modernes phasengesteuertes Antennenanordnungssystem mühelos 25
bis 30 Kilowatt oder auch mehr Wärmeleistung
erzeugen. Ein bekannter Lösungsansatz
zum Kühlen
dieses Schaltungskomplexes besteht darin, eine Kühleinheit in das Antennensystem
einzubauen. Allerdings sind geeignete Kühleinheiten groß, schwer
und verbrauchen viele Kilowatt an Energie, um eine angemessene Kühlung bereitzustellen.
Beispielsweise kann eine typische Kühleinheit ca. 200 Pfund wiegen
und ca. 25 bis 30 Kilowatt an Energie verbrauchen, um ca. 25 bis
30 Kilowatt Kühlleistung
bereitzustellen.
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Obwohl
Kühleinheiten
dieser Art im Allgemeinen für
ihre beabsichtigten Zwecke angemessen waren, waren sie nicht in
allen Hinsichten zufriedenstellend.
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Dahingehend
sind Größe, Gewicht
und Leistungsverbrauchseigenschaften dieser bekannten Kühlsysteme
alle erheblich größer als
für eine
Vorrichtung wie ein Phased Array-Antennensystem
oder phasengesteuertes Antennenanordnungssystem wünschenswert
wäre. Und
aufgrund der Tatsache, dass ein Trend der Industrie hin zu sogar
noch höherem
Stromverbrauch und noch höherer
Wärmeabstrahlung
in phasengesteuerten Antennenanordnungssystemen besteht, würde ein
weitergehender Einsatz von auf Kälte
beruhenden Kühlsystemen
noch größere, schwerere
und noch mehr Strom verbrauchende Kältesysteme mit sich bringen, was
nicht wünschenswert
ist.
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Zusätzlich umfassen
einige phasengesteuerte Antennenanordnungssystem viele Bauteile
wie integrierte Sende-/Empfangs-Mikrowellenmodule (TRIMMs – Transmit-Receive
integrated Microwave Modules) oder "slats", die eine Reihe von Antennenelementen
und entsprechende Schaltkreise umfassen. Beispielsweise kann ein
Modul eine Reihe von sechzehn Antennenelementen umfassen. In manchen
Fällen
sind mehrere solcher Module aneinander angrenzend angeordnet, so
dass sich die Reihen der Antennenelemente auf aneinander anstoßenden Modulen
aufreihen, um eine durchgehende Reihe von Antennenelementen zu bilden, und
andere Module andere ähnliche
Reihen bilden. Das Ergebnis ist eine zweidimensionale Anordnung
von Antennenelementen.
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Bei
manchen Anwendungen ist es wünschenswert,
die Größe der Antennenelemente
auf jedem Modul und auch die Größe des Moduls
selbst zu minimieren. Wenn zum Beispiel die Betriebsfrequenz der
Antenne progressiv zunimmt, muss die Größe der Antennenelemente progressiv
abnehmen, und auch die Größe des Moduls
muss progressiv abnehmen. Jedoch können Reduzierungen bei der
Größe der Antennenelemente
und der Größe des Moduls
durch die Größe und den
Einbauplatz des Schaltungskomplexes eingeschränkt sein, der für das Modul
benötigt
wird. Somit kann es in manchen Fällen
wünschenswert
sein, die komplette Breite des Moduls von einem Rand zum anderen
zu nutzen, um einen bestimmten Schaltungskomplex wie etwa Sende-/Empfangsmodule
(TRMs – Transmit-Receive
Modules) unterzubringen. Es gibt bestehende Kühlsysteme, die außerhalb
des Schaltungskomplexes liegende, auf einem Modul vorhandene Randbereiche
nutzen, dies verhindert aber, dass die gesamte Breite des Moduls
für den
Schaltungskomplex genutzt werden kann.
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Eine
weitere Überlegung
ist, dass, wenn es sich beim Kühlmittel
um ein Zweiphasenkühlmittel
handelt, manchmal ein Abscheider vorgesehen ist, um in einem Dampfzustand
befindliches Kühlmittel
von in einem flüssigen
Zustand befindlichen Kühlmittel
abzuscheiden. Der Abscheider ist physikalisch von all den Modulen getrennt
und nimmt westvollen realen Platz ein, was bewirkt, dass das Kühlsystem
weniger kompakt ist, als es andernfalls wünschenswert wäre.
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Die
WO 02/23966 umfasst Beispiele
für Kühlmittelausführungen,
wobei ein Modulplattensystem (slat assembly) einen darin eingebetteten
Flüssigdurchgang
umfasst. Die
EP 1143778 offenbart
ein Flüssigkeitskühlsystem,
das eine Kühlung
weg von der Oberfläche
elektronischer Bauteile bereitstellt. Die
EP 1380799 offenbart ein Modulplattensystem
(slat assembly) mit einem Rohr im Inneren der Modulplatte, um ein
flüssiges Kühlmittel
durch dieses hindurchfließen
zu lassen. Die
EP 1381083 umfasst
Rillen, um ein Kühlmittel
aufzunehmen, dieses zu einem Bauteil zu bringen, um Wärme abzuleiten,
und das Kühlmittel
zu den Rillen zurückfließen zu lassen.
Die
EP 1380799 und die
EP 1381083 wurden im Europäischen Prüfverfahren
nach Artikel 54(3) EPÜ im
Hinblick auf die Vertragsstaaten angeführt, die gemeinsam in diesen
Anmeldungen und der vorliegenden Anmeldung angegeben sind.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Aus
dem Vorstehenden lässt
sich erkennen, dass ein Bedarf nach einem Verfahren und einer Vorrichtung
aufgetreten ist, um eine wärmeerzeugende
Struktur effizient zu kühlen,
und zwar auf eine Weise, die zumindest einige der Nachteile früherer Lösungsansätze verhindert.
Eine Ausführungsform
der Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung mit einer Kühlstruktur,
die Folgendes umfasst:
einen Wärmeaufnahmeabschnitt (103),
der dazu ausgelegt ist, Wärme
aus einer wärmeerzeugenden
Struktur (22, 24) aufzunehmen, wobei der Wärmeaufnahmeabschnitt
(103) eine Ausdehnung in einer ersten Richtung hat;
einen
Einlassabschnitt (160) für ein Flüssigkühlmittel, wobei der Einlassabschnitt
(160) innerhalb der Ausdehnung des Wärmeaufnahmeabschnitts (102)
im Hinblick auf die erste Richtung angeordnet ist;
einen Auslassabschnitt
(162) für
das Flüssigkühlmittel,
wobei der Auslassabschnitt (162) innerhalb der Ausdehnung
des Wärmeaufnahmeabschnitts
(103) im Hinblick auf die erste Richtung angeordnet ist,
wobei der Einlassabschnitt (160) und der Auslassabschnitt
(162) vom Wärmeaufnahmeabschnitt
(103) im Hinblick auf eine zweite, in etwa senkrechte Richtung
zur ersten Richtung beabstandet sind;
einen Kühlmittelzufuhrabschnitt
(140), der dazu ausgelegt ist, ein Flüssigkühlmittel aus dem Einlassabschnitt (160)
zu einem Bereich des Wärmeaufnahmeabschnitts
(103) zu leiten, wobei der Kühlmittelzufuhrabschnitt (140)
in seiner Gänze
innerhalb der Ausdehnung des Wärmeaufnahmeabschnitts
(103) im Hinblick auf die erste Richtung angeordnet ist,
wobei der Einlassabschnitt (160) und der Kühlmittelzufuhrabschnitt
(140) auf einer unteren Ebene einer ersten Seite der Kühlstruktur
angeordnet sind; und
einen Kühlmittelanwendungsabschnitt
(142), der dazu ausgelegt ist, das Kühlmittel aus dem Kühlmittelzufuhrabschnitt
(140) aufzunehmen und das Kühlmittel vom Bereich des Wärmeaufnahmeabschnitts
(103) zum Auslassabschnitt (162) zu leiten, wobei
der Kühlmittelanwendungsabschnitt
(142) in seiner Gänze
innerhalb der Ausdehnung des Wärmeaufnahmeabschnitts
(103) im Hinblick auf die erste Richtung angeordnet ist,
wobei das Kühlmittel
Wärme am
Bereich des Wärmeaufnahmeabschnitts
(103) aufnimmt, nachdem es den Kühlmittelzufuhrabschnitt (140)
durchlaufen hat und bevor es den Auslassabschnitt (162)
durchläuft,
wobei der Auslassabschnitt (162) und der Kühlmittelanwendungsabschnitt
(142) auf einer oberen Ebene einer zweiten Seite der Kühlstruktur,
der ersten Seite entgegengesetzt angeordnet sind, wobei die Kühlstruktur
durch sie hindurchgehende Öffnungen
(86) umfasst, um das Kühlmittel
zwischen dem Kühlmittelzufuhrabschnitt
(140) und dem Kühlmittelanwendungsabschnitt
(142) fließen
zu lassen.
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Nach
einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt,
das die folgenden Schritte umfasst:
Bereitstellen einer Kühlstruktur,
die einen Wärmeaufnahmeabschnitt
(103), einen Einlassabschnitt (160), einen Auslassabschnitt
(162), einen Kühlmittelzufuhrabschnitt
(140) und einen Kühlmittelanwendungsabschnitt (142)
umfasst, wobei der Wärmeaufnahmeabschnitt
(103) eine Ausdehnung in einer ersten Richtung hat und dazu
ausgelegt ist, Wärme
innerhalb der Ausdehnung des Wärmeaufnahmeabschnitts
(103) aus einer wärmeerzeugenden
Struktur (22) aufzunehmen;
Anordnen des Einlassabschnitts
(160), des Auslassabschnitts (162), des Kühlmittelzufuhrabschnitts
(140) und des Kühlmittelanwendungsabschnitts
(142) innerhalb der Ausdehnung des Wärmeaufnahmeabschnitts (103) im
Hinblick auf die erste Richtung; und
Positionieren des Einlassabschnitts
(160) und des Auslassabschnitts (162) an Stellen,
die vom Wärmeaufnahmeabschnitt
(103) im Hinblick auf eine zweite Richtung beabstandet
sind, die in etwa senkrecht zur ersten Richtung ist;
Vorsehen
des Kühlmittelzufuhrabschnitts
(140) und des Einlassabschnitts (160) auf einer
unteren Ebene einer ersten Seite der Kühlstruktur,
Bewirken,
dass ein Flüssigkühlmittel
durch den Kühlmittelzufuhrabschnitt
(140) vom Einlassabschnitt (160) zu einem Bereich
des Wärmeaufnahmeabschnitts
(103) durch Öffnungen
(86) fließt;
Vorsehen
des Kühlmittelanwendungsabschnitts
(142) und des Auslassabschnitts (162) auf einer
oberen Ebene einer zweiten, der ersten Seite entgegengesetzten Seite
der Kühlstruktur;
Bewirken,
dass das Kühlmittel
aus dem Bereich des Wärmeaufnahmeabschnitts
(103) und zum Auslassabschnitt (162) durch die
Kühlstruktur
zum Kühlmittelanwendungsabschnitt
(142) fließt,
wobei das Kühlmittel Wärme am Bereich
des Wärmeaufnahmeabschnitts
(103) aufnimmt, nachdem es den Kühlmittelzufuhrabschnitt (140)
durchlaufen hat und bevor es den Auslassabschnitt (162)
durchläuft.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Ein
besseres Verständnis
der vorliegenden Erfindung ergibt sich aus der folgenden ausführlichen
Beschreibung in Zusammenschau mit den begleitenden Zeichnungen:
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1 ist
ein Blockschema einer Vorrichtung, die Aspekte der vorliegenden
Erfindung verkörpert
und einen Teil eines phasengesteuerten Antennenanordnungssystems
und ein Kühlsystem
für das
phasengesteuerte Antennenanordnungssystem zeigt;
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2 ist
eine perspektivische Ansicht einer Modulplatte, die ein Bauteil
des phasengesteuerten Antennenanordnungssystems von 1 ist;
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3 ist
eine in ihre Einzelteile zerlegte perspektivische Ansicht der Modulplatte
von 2, die einen oberseitigen Flächenkörper, einen Kern und einen
unterseitigen Flächenkörper umfasst;
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4A ist
eine Untersicht des Kerns der Modulplatte von 3;
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4B ist
eine Draufsicht des Kerns der Modulplatte von 3;
und
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5 ist
eine Teilschnittansicht eines Vorderteils der Modulplatte von 2 entlang
der in 2 gezeigten Linie 5-5.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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1 ist
ein Blockschema einer Vorrichtung 10, die einen Teil eines
phasengesteuerten Antennenanordnungssystems 12 und ein
Kühlsystem 11 für das phasengesteuerte
Antennenanordnungssystem 12 umfasst. Das Antennensystem 12 umfasst
mehrere gleiche modulare Teile, die gemeinhin als Slats oder Modulplatten
bezeichnet werden, wovon drei mit 14, 16 und 18 dargestellt
sind. Das Kühlsystem 11 ist
dazu ausgelegt, eine oder mehrere Modulplatte/n zu kühlen, um
Wärme abzuführen, die
von dem darauf befindlichen elektronischen Schaltungskomplex erzeugt
wird. Der Klarheit halber zeigt 1, wie das
Kühlsystem 11 aufgebaut ist,
um die Modulplatte 16 zu kühlen, das Kühlsystem 11 kühlt aber
auch andere Modulplatten, einschließlich die Kühlplatten 14 und 18,
auf eine ähnliche
Weise.
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Das
Antennensystem 12 umfasst eine zweidimensionale Anordnung
von Antennenelementen 20, wobei jede Reihe der Anordnung
von Antennenelementen 20 auf einer oder mehreren Modulplatte/n
vorgesehen ist. Beispielsweise ist in der in 1 gezeigten
Ausführungsform
eine Reihe von Antennenelementen 20 auf den Modulplatten 14, 16 und 18 vorgesehen.
Die Modulplatten 14, 16 und 18 stoßen Kante
an Kante aneinander an, um eine durchgehende Reihe von Antennenelementen 20 zu
bilden, wie in 1 gezeigt ist.
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Jede
Modulplatte 14, 16 und 18 umfasst verschiedene
wärmeerzeugende
elektronische Schaltkreise, die einen separaten Sende-/Empfangsschaltungskomplex 22 für jedes
Antennenelement 20 enthalten. Der Sende-/Empfangsschaltungskomplex 22 enthält ein Sende-/Empfangsmodul
(TRM) für
jedes Antennenelement 22, das sich nahe an den vor deren
Abschnitten der Modulplatten 14, 16 und 18 befindet.
Der Sende-/Empfangsschaltungskomplex 22 erzeugt die meiste
Wärme,
die von den Modulplatten beseitigt werden muss. Jedoch umfasst jede
Modulplatte 14, 16 und 18 auch verschiedene
andere wärmeerzeugende
Schaltkreise, die einer Kühlung
bedürfen,
wie etwa einen Schaltungskomplex 24, der sich nahe an den
hinteren Abschnitten der Modulplatten 14, 16 und 18 befindet.
Obwohl der Schaltungskomplex 24 in 1 nur auf
den Modulplatten 14 und 18 gezeigt ist, ist der
Schaltungskomplex 24 auch auf der Modulplatte 16 vorgesehen, wurde
der Klarheit halber in 1 aber weggelassen.
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Das
Kühlsystem 11 für das phasengesteuerte
Antennenanordnungssystem 12 umfasst einen Kreislauf oder
Regelkreis, der durch einen Pfeil 30 angegeben ist, durch
den ein Flüssigkühlmittel
zirkuliert, um die Wärme
von der Modulplatte 16 zu beseitigen. Das Kühlsystem 11 umfasst
eine Kühlstruktur,
die der Modulplatte 16 zugeordnet ist, einen Wärmetauscher 32,
einen Expansionsbehälter 34,
einen Druckregler 36, eine Pumpe 38, eine weitere
Pumpe 40, und mehrere Kanäle, durch welche das Flüssigkühlmittel
fließt.
Die der Modulplatte 16 zugeordnete Kühlstruktur umfasst ein Abscheidermodul 42,
das später
noch im Einzelnen erörtert
wird. Die Kühlstruktur
in der Modulplatte umfasst einige Kanäle, die später noch im Einzelnen dargestellt
und erörtert werden.
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Das
durch den Kreislauf 30 fließende Flüssigkühlmittel fließt durch
die Kanäle
in der Kühlstruktur,
um Wärme
zu beseitigen, die von den verschiedenen wärmeerzeugenden Strukturen auf
der Modulplatte 16 erzeugt werden. Bei dem Flüssigkühlmittel
handelt es sich um ein Zweiphasenkühlmittel, das in flüssiger Form durch
einen Einlass 64 in die Modulplatte 16 eintritt.
Das Flüssigkühlmittel
wird dann zum Sende-/Empfangsschaltungskomplex 22 nahe
am vorderen Abschnitt der Modulplatte 16 geleitet, wie
durch den Weg 50 des Kreislaufs 30 angegeben ist.
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Wenn
das Flüssigkühlmittel
durch die an den Sende-/Empfangsschaltungskomplex 22 angrenzenden Kanäle fließt, nimmt
es Wärme
auf, die vom Sende-/Empfangsschaltungskomplex 22 erzeugt
wurde, was bewirkt, dass zumindest ein Teil des Flüssigkühlmittels
zum Sieden kommt und verdampft, so dass es bei seinem Übergang
vom flüssigen
Zustand zum Dampfzustand eine wesentliche Wärmemenge aufnimmt. Das sich
ergebende Gemisch aus Flüssig-
und Dampfkühlmittel
fließt
dann zum Abscheidermodul 42, das sich nahe an der Rückseite
der Modulplatte 16 befindet, wie durch den Weg 52 des
Kreislaufs 30 angegeben ist.
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Das
Abscheidermodul 24 umfasst einen Aufbau zum Abscheiden
des Flüssigkühlmittels
vom Dampfkühlmittel,
was später
noch ausführlicher
dargestellt und beschrieben wird. Dieser Aufbau wird auch dazu verwendet,
Wärme von
einer angrenzenden wärmeerzeugenden
Struktur auf der Modulplatte 16 zu beseitigen.
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Das
Abscheidermodul 42 ist so aufgebaut, dass das abgeschiedene
Dampfkühlmittel
durch einen Dampfauslass 60 aus dem Abscheidermodul 42 und
dann aus der Modulplatte 16 herausfließt und dann zum Wärmetauscher 32 strömt, wie
durch den Weg 54 des Kreislaufs 30 angegeben ist.
Eine kleine Menge Flüssigkühlmittel
kann mit dem Dampfkühlmittel
aus dem Dampfauslass 60 entweichen.
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Das
durch das Abscheidermodul 42 fließende Flüssigkühlmittel nimmt Wärme auf,
die vom Schaltungskomplex 24 erzeugt wurde, was bewirkt,
dass ein weiterer Teil des Flüssigkühlmittels
zum Sieden kommt und verdampft. Das Abscheidermodul 42 ist
so aufgebaut, dass dieses zusätzliche
Dampfkühlmittel
zum und durch den vorstehend erörterten
Dampfauslass 60 fließt.
Das übrige
Flüssigkühlmittel
fließt
aus dem Abscheidermodul 42, durch den Flüssigkeitsauslass 62 und
zur Pumpe 38, wie durch den Weg 56 des Kreislaufs 30 angegeben
ist. Auf diese Weise kann das Abscheidermodul 42 zusätzliche
Wärme aus
der Modulplatte 16 entfernen, während gleichzeitig ein Großteil des
Flüssigkühlmittels
aus dem Dampfkühlmittel
abgeschieden wird. Die Verwendung des Abscheidermoduls 42,
um den Großteil
des Flüssigkühlmittels
aus dem Dampfkühlmittel zu
entfernen, bevor das Dampfkühlmittel
in den Wärmetauscher 32 eintritt,
stellt eine erhöhte
oder optimale Effizienz des Wärmetauschers 32 sicher.
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Das
Flüssigkühlmittel,
das durch den Flüssigkeitsauslass 62 aus
dem Abscheidermodul 42 austritt, wird durch die Pumpe 38 zurück in die
Kühlstruktur
der Modulplatte 16 gepumpt. Das Dampfkühlmittel, das durch den Dampfauslass 60 aus
dem Abscheidermodul 42 austritt und typischerweise größtenteils
Dampfkühlmittel
und kleine Mengen Flüssigkühlmittel
umfasst, fließt
durch den Wärmetauscher 32,
der das Dampfkühlmittel
in ein Flüssigkühlmittel
umwandelt. Dieses Flüssigkühlmittel
wird dann von der Pumpe 40 im Kreislauf 30 in
Umlauf gebracht, so dass es sich mit dem Flüssigkühlmittel verbindet, das durch
die Pumpe 38 gepumpt wird und durch den Kühlmitteleinlass 64 wieder
in die Kühlstruktur
der Modulplatte 16 eintritt.
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Wenn
das Kühlmittel
den Wärmetauscher 32 durchfließt, wird
Umgebungsluft 66 durch den Wärmetauscher 32 geschickt,
beispielsweise durch ein nicht dargestelltes Gebläse ei ner
bekannten Art. Alternativ könnte
der Strom 66, falls sich das Antennensystem 12 auf
einem Schiff befände,
umgebendes Meerwasser sein. Der Wärmetauscher 32 überträgt Wärme aus
dem Kühlmittel
auf den Luftstrom 66. Der Wärmetauscher 32 kühlt somit
das Kühlmittel,
wodurch bewirkt wird, dass der Teil des Kühlmittels, der sich in der
Dampfphase befindet, in seine flüssige
Phase rückkondensiert.
Die Verwendung des Abscheidermoduls 42, um den Großteil des
Flüssigkühlmittels
aus dem Dampfkühlmittel
zu entfernen, bevor das Dampfkühlmittel
in den Wärmetauscher 32 eintritt,
stellt eine erhöhte
oder optimale Effizienz des Wärmetauschers 32 sicher.
Das Kühlmittel,
das den Kühlmitteleinlass 64 der
Modulplatte 16 erreicht, sollte praktisch ganz flüssig sein,
wobei kein nennenswerter Dampf im Flüssigkeitsstrom mitgerissen
werden sollte, so dass das Flüssigkühlmittel
zwischen den Modulplatten und in jeder Modulplatte ordnungsgemäß so aufgeteilt
bzw. verteilt wird, dass der Kühlmittelstrom, der
an jedem Sende-/Übertragungsmodul
vorbeiströmt,
gleichmäßig ist.
Als ein Aspekt hiervon sollte das Flüssigkühlmittel nicht zuviel Wärme in den
Kanälen
aufnehmen, die das Kühlmittel
zur wärmeerzeugenden
Struktur transportieren, weil dies Dampf erzeugen könnte, bevor
das Kühlmittel
verteilt ist. Eine gleichmäßige Auf- und
Verteilung des Kühlmittels
trägt dazu
bei, eine gleichmäßig über die
Antennenanordnung verteilte Kühlung sicherzustellen,
um Temperaturgefälle
zu vermeiden, die Phasenfehler hervorrufen könnten.
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Der
Expansionsbehälter 34 und
der Druckregler 36 arbeiten zusammen, um den Druck des
Flüssigkühlmittels
im Kreislauf 30 wie auch das anteilige Verhältnis von
Flüssigkeit
zu Dampf zu regeln. Der Druckregler 36 umfasst eine Vakuumpumpe,
die an einem Übertragungsbalg
im Expansionsbehälter 34 "zieht", um den Druck 30 im
Kreislauf zu regeln. Der Druckregler 36 hält das Kühlmittel
in einem Teil des Kreislaufs 30 ab einer Stelle in der
Modulplatte 16 bis zum Einlass der Pumpe 40 auf
einem unter Umgebungsdruck liegenden Druck oder, mit anderen Worten,
auf einem Druck, der geringer ist als der Umgebungsluftdruck. Typischerweise
ist der Umgebungsluftdruck derjenige der Atmosphärenluft, der auf Meereshöhe 14,7
Pfund pro Quadratzollfläche
(psia) beträgt.
Es sollte klar sein, dass der in 1 für den Kreislauf 30 gezeigte
Weg nur zu allgemeinen illustrativen Zwecken gedacht ist und nicht
den tatsächlichen
Weg des Kühlmittels
durch die Modulplatte 16 darstellt.
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Nun
besteht mit eingehenderem Bezug auf das Kühlmittel ein hocheffizientes
Verfahren zum Entfernen von Wärme
von einer Fläche
darin, eine Flüssigkeit,
die mit der Fläche
in Kontakt ist, zum Sieden und Verdampfen zu bringen. Wenn die Flüssigkeit
verdampft, nimmt sie von Natur aus Wärme auf. Die Wärmemenge, die
pro Flüssigkeitsvolumenein heit
aufgenommen werden kann, ist gemeinhin als latente Verdampfungswärme der
Flüssigkeit
bekannt. Je höher
die latente Verdampfungswärme
ist, umso größer ist
die Wärmemenge, die
pro Volumeneinheit an Flüssigkeit,
die verdampft wird, aufgenommen werden kann.
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Bei
dem Kühlmittel,
das in der offenbarten Ausführungsform
von 1 verwendet wird, handelt es sich um Wasser. Wasser
nimmt eine wesentliche Wärmemenge
auf, wenn es verdunstet, und hat somit eine sehr hohe latente Verdampfungswärme. Jedoch
siedet Wasser bei einer Temperatur von 100°C bei einem Atmosphärendruck
von 14,7 psia. Um eine geeignete Kühlung für eine elektronische Vorrichtung
wie ein phasengesteuertes Antennenanordnungssystem 12 bereitzustellen,
muss das Kühlmittel
bei einer Temperatur von ca. 60°C
sieden. Wenn Wasser einem unter dem Umgebungsdruck liegenden Druck
von ca. 3 psia ausgesetzt wird, sinkt seine Siedetemperatur auf
ca. 60°C.
Somit halten der Expansionsbehälter 34 und
der Druckregler 36 das Kühlwasser entlang des Teils
des Kreislaufs 30 ab einer Stelle im Inneren der Modulplatte 16 bis
zu den Einlässen
zu den Pumpen 38 und 40 auf einem Druck von ca.
3 psia.
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Wasser,
das von den Pumpen 38 und 40 zum Kühlmitteleinlass 64 fließt, hat
eine Temperatur von ca. 65 bis 70°C
und einen Druck im Bereich von ca. 15 bis 100 psia. Der Kühlmitteleinlass 64 regelt
den Wasserstrom in die Modulplatte 16 so, dass das Wasser,
nachdem es durch einige Öffnungen
in der Modulplatte 16 (die später noch erörtert werden) geflossen ist,
immer noch eine Temperatur von ca. 65 bis 70°C, aber einen viel niedrigeren
Druck im Bereich von ca. 2 bis 8 psia hat. Aufgrund dieses gesenkten
Drucks kommt ein Teil des Wassers oder das gesamte Wasser als Ergebnis
der Wärmeaufnahme,
wenn es durch die in der Modulplatte 16 ausgebildeten Kühlmittelkanäle fließt, zum
Sieden, und ein Teil des Wassers oder das gesamte Wasser verdampft.
Nach dem Austreten aus der Modulplatte 16 hat der Wasserdampf
(und jegliches übrige
flüssige Wasser)
immer noch den gesenkten Druck von ca. 2 bis 8 psia, aber eine erhöhte Temperatur
im Bereich von ca. 70 bis 75°C.
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Wenn
dieses unter Umgebungsdruck liegende Kühlwasser den Wärmetauscher 32 erreicht,
wird Wärme
aus dem Wasser auf den Zwangsluftstrom 66 übertragen.
Der Luftstrom 66 hat eine Temperatur, die geringer ist
als ein festgelegtes Maximum von 55°C, und hat typischerweise eine
Umgebungstemperatur von unter 40°C.
Wenn Wärme
aus dem Kühlwasser
beseitigt wird, kondensiert jeder Anteil des Wassers, der sich in
seiner Dampfphase befindet, so dass das gesamte Kühlwasser
in flüssiger
Form vorliegt, wenn es den Wärmetauscher 32 verlässt. Diese
Flüssigkeit
hat dann eine Temperatur von ca. 65 bis 70°C und befindet sich immer noch
auf dem unter Umgebungsdruck liegenden Druck von ca. 2 bis 8 psia.
Dieses Flüssigkühlmittel
wird dann von der Pumpe 40 gepumpt, was den Druck des Kühlwassers
wie zuvor schon erwähnt
auf einen Wert im Bereich von ca. 15 bis 100 psia anhebt.
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Es
ist anzumerken, dass die Ausführungsform
von 1 ohne irgendein Kühlsystem arbeitet. Im Zusammenhang
mit elektronischen Hochleistungsschaltungskomplexen wie etwa demjenigen,
der im phasengesteuerten Antennenanordnungssystem 12 eingesetzt
wird, kann das Nichtvorhandensein eines Kühlsystems zu einer sehr erheblichen
Reduktion bei Größe, Gewicht
und Stromverbrauch der Struktur führen, die zum Kühlen des
Antennensystems 12 vorgesehen ist.
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Das
System von 1 kann von einer Temperatur,
die höher
ist als diejenige von Umgebungsluft oder Meerwasser, etwas auf eine
Temperatur abkühlen,
die näher
an derjenigen von Umgebungsluft oder Meerwasser ist. Jedoch kann
das System von 1 bei Nichtvorhandensein eines
Kühlsystems
nicht etwas auf eine Temperatur abkühlend, die unter derjenigen
von Umgebungsluft oder Meerwasser liegt. Obwohl das offenbarte Kühlsystem
für bestimmte
Anwendungen wie zum Kühlen
des in 1 bei 12 gezeigten phasengesteuerten Antennenanordnungssystems
sehr vorteilhaft ist, ist es somit zum Gebrauch in einigen anderen
Anwendungen wie etwa der typischen privaten oder gewerblichen Klimaanlage
nicht geeignet, die einen Raum auf eine Temperatur abkühlen muss,
die unter der Temperatur vom Umgebungsluft oder -wasser liegt.
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Wie
vorstehend erwähnt,
handelt es sich bei dem in der Ausführungsform von 1 verwendeten Kühlmittel
um Wasser. Allerdings wäre
es alternativ auch möglich,
andere Kühlmittel
zu verwenden, die Methanol, Fluorinert, ein Gemisch aus Wasser und
Methanol oder ein Gemisch aus Wasser und Ethyenglycol (WEGL) umfassen,
aber nicht darauf beschränkt
sind. Diese alternativen Kühlmittel
haben jeweils eine latente Verdampfungswärme, die geringer ist als diejenige
von Wasser, was bedeutet, dass ein größeres Volumen an Kühlmittel
fließen
muss, damit derselbe Kühleffekt
wie mit Wasser erzielt wird. Zum Beispiel hat Fluorinert eine latente
Verdampfungswärme,
die typischerweise 5% der latenten Verdampfungswärme von Wasser beträgt. Damit
also ein Fluorinert dieselbe Kühlwirkung
wie ein bestimmtes Volumen oder eine bestimmte Strömungsrate
von Wasser entfalten kann, muss das Volumen oder die Strömungsrate
des Fluorinerts ungefähr das Zwanzigfache
des bestimmten Volumens oder der bestimmten Strömungsrate von Wasser betragen.
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Trotz
der Tatsache, dass diese alternativen Kühlmittel eine niedrigere latente
Verdampfungswärme
als Wasser haben, gibt es einige Anwendungen, bei denen der Einsatz
eines dieser anderen Kühlmittel
in Abhängigkeit
von verschiedenen Faktoren, welche die abzuführende Wärmemenge mit einschließen, von
Vorteil sein kann. Zum Beispiel kann in einer Anwendung, bei der
ein reines Wasserkühlmittel
niedrigen Temperaturen ausgesetzt sein könnte, was sein Einfrieren verursachen
könnte,
wenn es nicht in Gebrauch ist, ein Gemisch aus Wasser und Ethylenglycol
ein geeigneteres Kühlmittel
sein als reines Wasser, auch wenn das Gemisch eine niedrigere latente
Verdampfungswärme
hat als reines Wasser.
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Eine
weitere Überlegung
ist, dass, obwohl sich die vorstehende Erörterung auf den Einsatz eines Zweiphasenkühlmittels
bei unter Umgebungsdruck liegendem Druck richtet, es alternativ
auch möglich
wäre, dass
es sich bei dem Kühlmittel
um ein Einphasenkühlmittel
handelt und/oder es sich auf einem anderen Druck als einem unter
Umgebungsdruck liegenden Druck befindet. Und dort, wo ein Einphasenkühlmittel
verwendet wird, kann das Abscheidermodul 42 von jeder der
Modulplatten 14, 16 und 18 zusammen mit
einem der Kühlmittelauslässe 60 oder 62 entfallen.
In diesem Fall würde
der Zwischenkanal 92 direkt zum übrigbleibenden Kühlmittelauslass 60 oder 62 verlaufen.
-
Der
Sende-/Empfangsschaltungskomplex 22 umfasst eine Vielzahl
an Sende-/Empfangsmodulen, die jeweils einem jeweiligen Antennenelement 20 auf
der Modulplatte 16 zugeordnet sind. In der in 1 gezeigten
Ausführungsform
umfasst der Sende-/Übertragungsschaltungskomplex 22 eine
Reihe von sechzehn Sende-/Empfangsmodulen, die jeweils einem jeweiligen
der sechzehn Antennenelemente 20 auf der Modulplatte 16 zugeordnet
sind. Die auf der Modulplatte 16 vorgesehene Reihe der
sechzehn Sende-/Empfangsmodule hat
eine Gesamtbreite, die mit 102 angegeben ist. Wie nachstehend
noch ausführlicher
erörtert
wird, erstrecken sich die verschiedenen Kühlmittelkanäle und -durchlässe in der
Modulplatte 16 nicht über
die Breite oder Ausdehnung 102 der Sende-/Empfangsmodule hinaus.
Im Ergebnis kann sich der auf jeder der Modulplatten 14, 16 und 18 vorgesehene
Sende-/Empfangsschaltungskomplex 22 vollständig oder
fast vollständig über die gesamte
Breite oder Ausdehnung der Modulplatte erstrecken, wodurch sich
die Sende-/Empfangsmodule mit ihren jeweiligen Antennenelementen 20 im
Wesentlichen ausrichten lassen und eine kontinuierliche und ununterbrochene
Reihe der Anten nenelemente 20 über die Modulplatten 14, 16 und 18 ausgebildet
werden kann, wenn diese Platten, wie in 1 gezeigt,
Seite an Seite aneinander anstoßen.
-
2 ist
eine perspektivische Ansicht der Modulplatte 16. Die Modulplatte 16 umfasst
einen oberseitigen Flächenkörper 70,
einen unterseitigen Flächenkörper 72 und
einen Kern 74, der sandwichartig zwischen dem oberseitigen
Flächenkörper 70 und
dem unterseitigen Flächenkörper 72 eingeschlossen
ist. Der Kern 74 und die Flächenkörper 70 und 72 bilden
gemeinsam eine Kühlplatte.
Der Kern 74 und der oberseitige Flächenkörper 70 sind jeweils
wärmeleitfähig. In
der offenbarten Ausführungsform
bestehen der Kern 74 und die Flächenkörper 70 und 72 jeweils
aus Metall.
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Die
wärmeerzeugende
Struktur der Modulplatte 16 ist einschließlich des
Sende-/Empfangsschaltungskomplexes 22, der sich nahe am
vorderen Ende der Modulplatte 16 befindet, des Schaltungskomplexes 24,
der sich angrenzend an das (in 2 nicht
sichtbare) Abscheidermodul 42 befindet, und verschiedener anderer
auf der Modulplatte 16 vorhandener Schaltungen am oberseitigen
Flächenkörper 70 angebracht.
Die Kühlstruktur
zum Beseitigen von Wärme
aus der Modulplatte 16, die in 2 allgemein
mit 100 angegeben ist, umfasst verschiedene Kanäle und Hohlräume, um
das Flüssigkühlmittel
mit Teilen der wärmeerzeugenden Struktur
auf der Modulplatte 16 in Wärmeverbindung zu bringen. Diese
Kanäle
und Hohlräume
sind im Kern 74 zwischen dem oberseitigen Flächenkörper 70 und
dem unterseitigen Flächenkörper 72 ausgebildet,
wie später
noch ausführlicher
erörtert
wird.
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Die
Kühlstruktur 100 der
Modulplatte 16 umfasst einen Kühlmitteleinlassabschnitt 160 und
einen Kühlmittelauslassabschnitt 162,
die nahe einem hinteren Rand 75 der Modulplatte 16 angeordnet
sind. Der Kühlmitteleinlassabschnitt
umfasst den Kühlmitteleinlass 64,
und der Kühlmittelauslassabschnitt 162 umfasst
den Dampfkühlmittelauslass 60 und
den Flüssigkühlmittelauslass 62.
-
3 ist
eine in ihre Einzelteile zerlegte Ansicht der Modulplatte 16,
welche den oberseitigen Flächenkörper 70,
den Kern 74 und den unterseitigen Flächenkörper 72 zeigt. Der
oberseitige Flächenkörper 70 umfasst
Einbauplätze 80 für die Sende-/Empfangsmodule
(die in 3 nicht zu sehen sind). Die
Einbauplätze 80 umfassen
eine Öffnung
im oberseitigen Flächenkörper 70 für jedes
Sende-/Empfangsmodul, das auf der Modulplatte 16 angebracht
wird.
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3 zeigt
die Oberseite des Kerns 74, wie mit 82 angegeben
ist. Nach dem Zusammenbau mit dem oberseitigen Flächenkörper 70 bilden
Kanäle,
die in der oberen Fläche
des Kerns 74 vorgesehen sind, einen Kühlmittelanwendungsabschnitt
der Kühlstruktur 100 der
Modulplatte 16. Insbesondere sind mehrere Kanäle 84 auf
der Oberseite 82 des Kerns 74 ausgebildet, die
jeweils einen der Sende-/Empfangsmodule entsprechen, die auf dem
oberseitigen Flächenkörper 70 angebracht
werden. Eine Gruppe aus einer oder mehreren Öffnung/en 86 ist in
jedem Kanal 84 ausgebildet und ermöglicht, dass das Kühlmittel
aus einem (in 3 nicht zu sehenden) Kühlmittelzufuhrabschnitt
in jeden Kanal 84 fließen
kann. Den Öffnungen 86 vorgeordnet
befindliches Kühlmittel
hat einen höheren
Druck als den Öffnungen 86 nachgeordnet
befindliches Kühlmittel.
In der offenbarten Ausführungsform
hat das den Öffnungen
nachgeordnet befindliche Kühlmittel
einen unter dem Umgebungsdruck liegenden Druck, wie vorstehend bereits
erörtert
wurde.
-
Flüssigkühlmittel
in jedem Kanal 84 nimmt Wärme aus einem jeweiligen Sende-/Empfangsmodul
des Schaltungskomplexes 22 durch den oberseitigen Flächenkörper 70 auf.
Im Ergebnis verdampft zumindest ein Teil dieses Flüssigkühlmittels.
Jeder Kanal 84 ist über
einen jeweiligen Kanalverbindungsdurchgang 89 an einen
jeweiligen weiteren Kanal 88 angeschlossen, der auf der
Oberseite 82 des Kerns 74 ausgebildet ist. Das Flüssigkühlmittel
in jedem Kanal 88 nimmt Wärme aus dem wärmeerzeugenden
Schaltungskomplex auf, der auf dem oberseitigen Flächenkörper 70 über den
Kanälen 88 und
nahe am Schaltungskomplex 22 angebracht ist. Ein jeweiliges
Rippenmaterialteil 90 (Finstock-Teil) ist in jedem Kanal 88 vorgesehen
und ist mit dem Flächenkörper 70 wärmegekoppelt,
um die Wärmemenge
zu erhöhen,
die in den Kanälen 88 vom
Kühlmittel
aufgenommen wird. Obwohl die offenbarte Ausführungsform bei 90 und
an anderen Stellen ein Rippenmaterial verwendet (wie später noch
erörtert
wird), wäre
es alternativ auch möglich,
irgendein anderes geeignetes wärmeleitendes
Material anstelle des Rippenmaterials zu verwenden, wofür poröser Metallschaum
ein Beispiel ist.
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Jeder
der Kanäle 88 steht
mit einem einzelnen Kanalzwischendurchgang 92 in Verbindung,
der zum Abscheidermodul 42 führt. Das Abscheidermodul 42 umfasst
einen Hohlraum 96, der auf der Oberseite des Kerns 74 ausgebildet
ist, und ein Stück
Rippenmaterial 94, das im Hohlraum angeordnet ist. Das
Rippenmaterial 94 ist so mit dein Flächenkörper 70 wärmegekoppelt,
dass Wärme
aus dem Schaltungskomplex 24 (2) zum Rippenmaterial 94 strömt. Ein
Dampfauslasskanal 98 im Kern 74 verbindet den
Hohlraum des Abscheidermoduls 42 mit dem Dampfauslass 60.
Auf ähnliche
Weise verbindet ein Flüssigkeitsauslasskanal 128 (4B)
den Hohlraum des Abscheidermoduls 42 mit dem Flüssigkeitsauslass 62.
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Der
Klarheit halber ist die Modulplatte 16 in 3 mit
einer Ausrichtung gezeigt, in der sich die Flächenkörper 70 und 72 allgemein
horizontal erstrecken. In einem normalen Betriebsumfeld wäre die Modulplatte 16 jedoch
so ausgerichtet, dass sich die Flächenkörper 70 und 72 in
etwa vertikal erstrecken, wobei der Flüssigkeitsauslass 62 dann
vertikal tiefer angeordnet wäre
als der Dampfauslass 60 und der Kühlmitteleinlass 64.
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Wie
vorstehend erörtert,
ist die Kühlstruktur 100 der
Modulplatte 16 so aufgebaut, dass sich das Abscheidermodul 42 angrenzend
an den Schaltungskomplex 24 befindet, der am oberseitigen
Flächenkörper 70 angebracht
ist. Wenn Flüssig-
und Dampfkühlmittel
in den Hohlraum 96 eintreten, lässt die Schwerkraft das Flüssigkühlmittel
tendenziell im Hohlraum 96 zum Flüssigkeitsauslass 62 nach
unten fließen,
während
das Dampfkühlmittel
dazu tendiert, im oberen Teil des Hohlraums 96 zu bleiben
und zum Dampfauslass 60 zu strömen. Wenn das Flüssigkühlmittel über das
Rippenmaterial 94 hinweg nach unten fließt, wird
Wärme,
die vom Schaltungskomplex 24 erzeugt und wärmetechnisch
auf das Rippenmaterial 94 übertragen wurde, vom Flüssigkühlmittel
aufgenommen, wodurch bewirkt wird, dass ein Teil dieses Flüssigkühlmittels
zum Sieden kommt und verdampft. Das sich ergebende Dampfkühlmittel
steigt auf und verbindet sich mit dem Dampfkühlmittel, das vom Kanalzwischendurchgang 92 her
in das Abscheidermodul 42 eingetreten ist, und strömt somit
durch den Dampfauslasskanal 98 zum Dampfauslass 60.
Das übrige
Flüssigkühlmittel
fließt
weiter nach unten und fließt
zum Flüssigkeitsauslass 62.
Die Kanäle 84 und 88,
die Kanalverbindungsdurchgänge 89,
der Durchgang 92, der Hohlraum 96, die Rippenmaterialien 90 und 94,
und die Kanäle 98 und 128 dienen
als jeweilige Abschnitte eines Kühlmittelanwendungsabschnitts.
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Die 4A und 4B sind
eine Unter- bzw. Draufsicht des Kerns 74. Es sollte klar
sein, dass die hier verwendeten richtungsbezogenen Begriffe wie "Oberseite", "Unterseite", "oben", "unten", "vorn" und "hinten" lediglich des Bezugs
halber verwendet werden, da sich die Ausrichtung des Antennensystems 12 während des
eigentlichen Gebrauchs verändern
kann. Hier bezieht sich die "Unterseite" des Kerns 74 auf
die Seite des Kerns 74, die sich angrenzend an den unterseitigen
Flächenkörper 72 der
Modulplatte 16 befindet, und "Oberseite" des Kerns 74 bezieht sich
auf die Seite des Kerns 74, der an den oberseitigen Flächenkörper 70 der Modulplatte 16 angrenzt.
-
Wie
in 4A gezeigt ist, umfasst die Unterseite des Kerns 74 mehrere
im Kern 74 ausgebildete Kühlmittelzufuhrdurchlässe 108,
die als jeweilige Abschnitte eines Kühlmittelzufuhrabschnitts der
Kühlstruktur 100 dienen.
Diese Durchlässe
umfassen einen Kühlmitteleinlasskanal 120,
einen Zwischenzufuhrkanal 122 und einen Kühlmittelzufuhrhohlraum 124.
Der Kühlmitteleinlasskanal 120 nimmt
Flüssigkühlmittel
aus dem Kühlmitteleinlass 64 (2)
auf. Der Kühlmitteleinlasskanal 120 führt dem
Kühlmittelzufuhrhohlraum 124 dieses
Kühlmittel
durch einen Zwischenzufuhrkanal 122 oder mehrere Zwischenzufuhrkanäle 122 zu.
Der Kühlmittelzufuhrhohlraum 124 steht
mit den Öffnungen 86 in
Verbindung, die zu den Kanälen 84 führen, die
auf der Oberseite des Kerns 74 ausgebildet sind (4B).
Somit lassen die Öffnungen 86 das
Flüssigkühlmittel
von der Unterseite des Kerns 74 zu dessen Oberseite fließen. Wie
vorstehend erwähnt,
ist eine jeweilige Gruppe der Öffnungen 86 für jeden
der Kanäle 84 vorgesehen,
so dass die Menge des Flüssigkühlmittels,
das vom Kühlmittelzufuhrhohlraum 124 in
jeden der Kanäle 84 fließt, im Wesentlichen
gleich ist. Eine dieser Gruppen von Öffnungen 86 ist in 4A und 4B mit 126 angegeben.
-
Wie
in 4B gezeigt ist, lassen die Öffnungen 86 das Flüssigkühlmittel
von der Unterseite des Kerns 74 her in die Kanäle 84 eintreten.
Wie vorstehend erörtert,
nimmt das Flüssigkühlmittel
beim Durchfließen
der Kanäle 84 Wärme aus
den Sende-/Empfangsmodulen des angrenzenden Schaltungskomplexes 22 auf,
und ein Teil des Flüssigkühlmittels
kommt zum Sieden und verdampft. Dieses Dampfkühlmittel und das übrige Flüssigkühlmittel
fließen
dann in die Kanäle 88,
welche die Rippenmaterialien 90 enthalten ( 3).
Wenn das Kühlmittel
durch die Kanäle 88 läuft, nimmt
es Wärme
auf, die von dem auf dem oberseitigen Flächenkörper 70 über den
Kanälen 88 angebrachten
Schaltungskomplex erzeugt wurde.
-
Das
Kühlmittel
fließt
dann durch den Zwischenkanal 92 und in den Hohlraum 96 des
Abscheidermoduls 42, welches das Rippenmaterial 94 enthält. Wie
vorstehend erörtert,
wird das Flüssigkühlmittel
im Hohlraum 96 des Abscheidermoduls 42 vom Dampfkühlmittel
abgeschieden und nimmt dabei durch das Rippenmaterial 94 die
Wärme auf,
die von dem auf dem oberseitigen Flächenkörper 70 über den
Kanälen 88 angebrachten
Schaltungskomplex 24 erzeugt wurde. Das Abscheidermodul 42 ist
so aufgebaut, dass das abgeschiedene Dampfkühlmittel und möglicherweise
ein kleiner Teil des Flüssigkühlmittels
durch den Dampfauslasskanal 98 zum Dampfauslass 60 geleitet
wird. Das restliche Flüssigkühlmittel
wird durch den Flüssigkeitsauslasskanal 128 zum
Flüssigkeitsauslass 62 geleitet.
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Mit
Bezug auf 4B umfasst die Kühlstruktur 100 einen
Wärmeaufnahmeabschnitt 103,
der Wärme aus
dem wärmeerzeugenden
Schaltungskomplex 22 aufnimmt. Der Wärmeaufnahmeabschnitt 103 hat
eine Grundfläche,
die allgemein mit 104 angegeben ist. Die Breite der Grundfläche 104 des
Wärmeaufnahmeabschnitts 103 ist
mit 106 angegeben. Bei Gesamtbetrachtung der 3, 4A und 4B ist
zu sehen, dass der Kühlmitteleinlassabschnitt 160,
der Kühlmittelauslassabschnitt 162,
der Kühlmittelzufuhrabschnitt 140 und der
Kühlmittelanwendungsabschnitt 142 alle
in ihrer Gänze
innerhalb der Breite oder Ausdehnung 106 der Grundfläche 104 des
Wärmeaufnahmeabschnitts 103 angeordnet
sind. Anders ausgedrückt
kann das Kühlmittel
von der Rückseite
zur Vorderseite der Modulplatte 16 und dann von der Vorder-
zur Rückseite
der Modulplatte 16 fließen, ohne dass dabei Randbereiche
seitlich außerhalb
der Ausdehnung 106 der wärmeerzeugenden Struktur genutzt
werden. Dies ist zum Teil darauf zurückzuführen, dass der Kern 74 über Kanäle verfügt, die
sowohl in seiner oberen als auch seiner unteren Fläche ausgebildet
sind, wohingegen früher
bestehende Kerne nur auf einer Seite Kanäle hatten.
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Somit
erstreckt sich der Sende-/Empfangsschaltungskomplex 22,
wie in 2 gezeigt ist, von einem ersten Rand 76 der
Modulplatte 16 zu einem zweiten Rand 78 der Modulplatte 16,
ohne dass dabei zusätzliche Randbereiche
außerhalb
der Breite oder Ausdehnung 106 des Sende-/Empfangsschaltungskomplexes 22 für die Kühlstruktur 100 verwendet
werden. Zusätzlich
erstreckt sich die Reihe der auf der Modulplatte 16 vorgesehenen
Antennenelemente 20 vom ersten Rand 76 zum zweiten
Rand 78 der Modulplatte 16, so dass von den Antennenelementen
auf mehreren Modulplatten 14, 16 und 18 eine
durchgehende Reihe von Antennenelementen 20 gebildet werden
kann.
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5 ist
eine Teilschnittansicht entlang der in 2 gezeigten
Linie 5-5 und zeigt einen vorderen Abschnitt der Modulplatte 16,
die sich nahe an den Antennenelementen 20 befindet. 5 stellt
den Kühlmittelstrom
durch die Kühlstruktur 100 der
Modulplatte 16 dar, die den Kühlmittelzufuhrabschnitt 140 nahe
am unterseitigen Flächenkörper 72 und
den Kühlmittelanwendungsabschnitt 142 nahe
am oberseitigen Flächenkörper 70 umfasst.
Wie vorstehend erörtert,
sind die Kühlmittelkanäle im Kühlmittelzufuhrabschnitt 140 durch
den unterseitigen Flächenkörper 72 und
die Ausnehmungen auf der Unterseite des Kerns 74 gebildet.
Die Kühlmittelkanäle im Kühlmittelanwendungsabschnitt 142 sind
durch den oberseitigen Flächenkörper 72 und
die Ausnehmungen auf der Oberseite des Kerns 74 gebildet.
Es ist festzustellen, dass die Kanäle des Kühlmittelzufuhrabschnitts 140 sich
alle nahe an einer Ebene befinden, die der Bodenfläche des
Kerns 74 entspricht, und die Kanäle des Kühlmittelanwendungsabschnitts 142 sich
alle nahe an einer anderen Ebene befinden, die der oberen Fläche des
Kerns 74 entspricht.
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In 5 ist
der Kühlmittelstrom
durch die Kühlmittelkanäle in der
Modulplatte 16 anhand einer Reihe von Pfeilen gezeigt.
Zuerst fließt
das Kühlmittel
in flüssiger
Form durch den Zwischenzufuhrkanal 122 zum Kühlmittelzufuhrhohlraum 124,
wie durch die Pfeile 144 angegeben ist. Das Flüssigkühlmittel
fließt
dann aus dem Kühlmittelzufuhrhohlraum 124 durch
die Gruppen der Öffnungen 86 und
in die Kanäle 84,
wie durch die Pfeile 146 angegeben ist. Beim Durchfließen der
Kanäle 84 trifft
das Flüssigkühlmittel
auf den Wärmeaufnahmeabschnitt 103 der
Kühlstruktur 100,
und wird somit in Wärmeverbindung
mit den Sende-/Empfangsmodulen des Schaltungskomplexes 22 gebracht.
Jeweilige Stücke
aus Rippenmaterial 152 sind am unterseitigen Flächenkörper 70 in
Ausrichtung mit jedem Sende-/Empfangsmodul befestigt und ragen in
die Kanäle 84 vor,
um die Wärmeübertragungsrate
von den Sende-/Empfangsmodulen auf das Kühlmittel im Wärmeaufnahmeabschnitt 103 zu
erhöhen.
-
Alternativ
könnte
der unterseitige Flächenkörper 70 mehrere
durch ihn hindurch vorgesehen Öffnungen
haben, die jeweils von der Größe und Stelle
her einem jeweiligen der Einbauplätze 80 (3)
entsprechen, und jedes Sende-/Empfangsmodul 22 könnte abdichtend
am Flächenkörper 70 so
angebracht sein, dass es eine jeweilige Öffnung auf eine den Austritt
von Kühlmittel
verhindernde Weise abdeckt. Die Stücke des Rippenmaterials 152 würden durch
Stücke
aus Rippenmaterial ersetzt, die direkt auf einem jeweiligen Sende-/Übertragungsmodul 22 angebracht
werden, und die jeweils durch eine jeweilige der Öffnungen
im Flächenkörper 70 in
das Kühlmittel
vorragen. Somit würde
Wärme von
jedem Sende-/Empfangsmodul 22 direkt auf ein Stück Rippenmaterial
und dann direkt auf das Kühlmittel übertragen
und nicht von jedem Modul 22 durch den Flächenkörper 70 zu
den Stücken
des Rippenmaterials 152 verlaufen.
-
Wie
vorstehend erörtert,
kommt ein Teil des Flüssigkühlmittels
zum Sieden und verdampft, wenn es aus dem Wärmeaufnahmeabschnitt 103 die
Wärme aufnimmt,
die von den Sende-/Empfangsmodulen im Schaltungskomplex 22 erzeugt
wurde. Wenn das Flüssigkühlmittel
siedet, bildet es Blasen auf Flächen,
von denen es Wärme
aufnimmt, wie etwa den Flächen
des Rippenmaterials 152, das in den Kanälen 84 angeordnet
ist. Die restliche durch die Kanäle 84 fließende Flüssigkeit
hat die Wirkung, diese Blasem zum Abscheidermodul 42 zu
spülen,
wodurch stärkeres
Sieden und somit eine größere Wärmebeseitigung
möglich
wird.
-
Das
Gemisch aus Flüssig-
und Dampfkühlmittel
fließt
dann durch die Kanalverbindungsdurchgänge 89 und in die
Kanäle 88,
wie durch die Pfeile 148 angegeben ist. Wenn das Kühlmittel
durch die Kanäle 88 fließt, wird
Wärme aus
dem angrenzenden Schaltungskomplex 150 auf das Rippenmaterial 90 in
den Kanälen 88 übertragen
und vorn Kühlmittel
aufgenommen. Wie vorstehend erörtert,
kommt ein Teil des Flüssigkühlmittels
zum Sieden und verdampft. Das sich ergebende Gemisch aus Flüssig- und
Dampfkühlmittel
fließt
dann durch den Zwischenkanal 92 und in das nicht zu sehende
Abscheidermodul 42, worin Flüssigkeit und Dampf abgeschieden
und dann aus der Modulplatte 16 ausgeleitet werden.
-
Obwohl
die vorliegende Erfindung in Zusammenhang mit einem phasengesteuerten
Antennenanordnungssystem beschrieben wurde, wird erkennbar sein,
dass es auch in verschiedenartigen anderen Zusammenhängen genutzt
werden kann, einschließlich,
aber nicht darauf beschränkt,
eines Leistungswandlersystems oder bestimmter Arten von Richtenergiewaffensystemen
(DEW-Systemen).
-
Die
vorliegende Erfindung bietet viele Vorteile. Ein solcher Vorteil
ist, dass die Kühlstruktur
jeder Modulplatte so aufgebaut ist, dass Kühlmittel in gleichen, parallelen
Strömen
jedem der Sende-/Empfangsmodule zugeführt wird. Somit hat der Kühlmittelstrom über das
Sende-/Empfangsmodul, das jeweils einem Antennenelement entspricht,
dieselben Eigenschaften, einschließlich derselben Strömungsrate,
demselben Druck und derselben Temperatur. Dies erhöht die Gleichmäßigkeit
der Kühlung
im gesamten phasengesteuerten Antennenanordnungssystem, und senkt
damit Temperaturgefälle
auf ein Mindestmaß.
-
Ein
weiterer Vorteil ist, dass die Kühlstruktur
für jede
Modulplatte keinen Randbereich benötigt, der außerhalb
der Breite oder Ausdehnung des wärmeerzeugenden
Sende-/Empfangsschaltungskomplexes liegt, der gekühlt wird.
Im Ergebnis kann sich der Sende-/Empfangsschaltungskomplex über die
gesamte Breite der Modulplatte erstrecken, was dazu beitragen kann,
die Größe der Modulplatte
zu verkleinern. Zusätzlich
kann sich auch die Reihe der Antennenelemente, die von jeder Modulplatte
bereitgestellt werden, über
die gesamte Breite der Modulplatte erstrecken, so dass eine durchgehende
Reihe von Antennenelementen durch zwei oder mehr aneinander angrenzende
Modulplatten gebildet werden kann.
-
Noch
ein anderer Vorteil ist, dass eine Kombination aus Kühlmittelabscheider
und Wärmetauscher
in die Kühlstruktur
der Modulplatte eingebaut ist. Im Ergebnis besteht kein Bedarf an
einem separaten Kühlmittelabscheider,
der außerhalb
der Antennenanordnung angeordnet wird. Zusätzlich kann das Abscheidermodul auch
zusätzliche
Wärme aufnehmen,
die von angrenzend an das Abscheidermodul befindlichen Schaltkreisen erzeugt
wird.
-
Obwohl
eine Ausführungsform
im Detail dargestellt und beschrieben wurde, wird klar sein, dass
verschiedene Ersetzungen und Abänderungen
möglich
sind, ohne dass dabei vom Rahmen der vorliegenden Erfindung, wie
er durch die beigefügten
Ansprüche
definiert ist, abgewichen wird. BEZUGSZEICHENLISTE
| 10 | Vorrichtung |
| 11 | Kühlsystem |
| 12 | Phasengesteuertes
Antennenanordnungssystem |
| 14, 16, 18 | Modulteile,
Modulplatten |
| 20 | Antennenelemente |
| 22 | Sende-/Empfangsschaltungskomplex |
| 24 | Schaltungskomplex |
| 30 | Pfeil
für Kreislauf/Regelkreis |
| 32 | Wärmetauscher |
| 34 | Expansionsbehälter |
| 36 | Druckregler |
| 38, 40 | Pumpe |
| 42 | Abscheidermodul |
| 50, 52, 56 | Weg
(für Flüssigkühlmittel) |
| 60 | Dampfauslass,
Dampfkühlmittelauslass |
| 62 | Flüssigkeitsauslass,
Flüssigkühlmittelauslass |
| 64 | Einlass
(für Flüssigkühlmittel),
Kühlmitteleinlass |
| 66 | Umgebungsluft,
Strom, Zwangsluftstrom |
| 70 | Oberseitigen
Flächenkörper |
| 72 | Unterseitigen
Flächenkörper |
| 74 | Kern |
| 75 | Hinterer
Rand (von 16) |
| 76 | Erster
Rand |
| 78 | Zweiter
Rand |
| 80 | Einbauplätze (für die Sende-/Empfangsmodule) |
| 82 | Oberseite
(von 74) |
| 84 | Kanal |
| 86 | Öffnungen |
| 88 | Kanal |
| 89 | Kanalverbindungsdurchgang |
| 90 | Rippenmaterial |
| 92 | Kanalzwischendurchgang,
Zwischenkanal |
| 94 | Rippenmaterialstück |
| 96 | Hohlraum |
| 98 | Dampfauslasskanal |
| 100 | Kühlstruktur |
| 102 | Wärmeaufnahmeabschnitt |
| 103 | Wärmeaufnahmeabschnitt |
| 104 | Grundfläche |
| 106 | Breite,
Ausdehnung |
| 108 | Kühlmittelzufuhrdurchlässe |
| 120 | Kühlmitteleinlasskanal |
| 122 | Zwischenzufuhrkanal |
| 124 | Kühlmittelzufuhrhohlraum |
| 128 | Flüssigkeitsauslasskanal |
| 140 | Kühlmittelzufuhrabschnitt |
| 142 | Kühlmittelanwendungsabschnitt |
| 144, 146, 148 | Pfeile
zur Angabe der Kühlmittelfließrichtung |
| 150 | Schaltungskomplex |
| 152 | Rippenmaterial |
| 160 | Kühlmitteleinlassabschnitt |
| 162 | Kühlmittelauslassabschnitt |