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Siedekühlvorrichtung -Die Erfindung betrifft eine Siedekühlvorrichtung,
die vor allem zur Kühlung von Elektronenröhren verwendbar und mit einex mantelartig
geschlossenen, axialsymmetrischen wärmeleitenden Wand ausgerüstet ist, deren Außenfläche
einen durch zwei zur Symmetrieachse senkrechte Endebenen begrenzten, mit Wärmetauschelementen
ausgestatteten und von der die Wärme durch Verdampfung aufnehmenden Flüssigkeit
umgebenen Teil aufweist. Bekanntlich macht man sich die Vorteile der Anwendung der
physikalischen Erscheinung der Verdampfung einer Flüssigkeit zur Kühlung von Wänden,
insbesondere Wegen des hohen Werts der Verdampfungswärme der betreffenden Flüssig4eit
zunutze. Die Ausnutzung dieser. Erscheinung bringt gewöhnlich keine sonderlichen
Probleme, solange der im Hinblick auf die Kühlung. - abzugebende Wärmefluß
verhältnismäßig gl&ing -bleibt -oder wenn die, Wärmequelle bestimmte Temperaturen
der Wälmeaustauschwand auferlegt. Demgegenüber läßt- sich bei Systemen oder Vorrichtangen
mit vorgeschriebenen -Wänneflüssen häufig
feststellen, daß die störende Erscheinung
-des sogehamiten Leidenfrostschen Phänomens eine irreversible überbitzung der Flüssigkeit
mit sich bringt, die nur allzu leicht eine Zerstörung der Wand dadurch hervorruft,
daß die Berührung gewisser Bereiche derselben mit-der Flüssigkeit verlorengeht,
sobald die Fläche, die in diesen Bereichen von der Kühlflüssigkeit benetzt werden
soll, eine gewisse kritische Temptikur übersteigt. Bei einer durch Wasser bespülten
Kupferwand liegt diese kritische Temperatur etwa bei 125 ' C.
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I -Es wurden diesseits bereits mehrfache Lösungen dieses Problems
bekannt, das besonders heftig bei der Kühlung von Außenanoden von Elektronenröhren
auftritt. Diese bisher bekannten Verfahren und Vorrichtungen bedienen sich zum Wärmeaustausch
im wesentlichen nichtisothermer wärmeabgebender Flächenelemente, auf denen sich
ein stetiger Temperaturgradient, d. h. fortschreitende Temperaturäfiderangen,
ohne sprunghaften Übergang zwischen auf den wärmeabgebenden Elementen liegenden,
untereinander benachbarten Punkten einstellt. Es wurde hierbei festgestellt, daß
die kritische Temperatur von beispielsweise 1251 C durch die diesseits bereits
früher vorgeschlagenen bekannten Nfittel somit zwischen weniger heißen Stellen,
an denen sich ein normaler Siedevorgang einstellt, und heißeren Stellen stabilisiert
ist, andenen eine übergangssiedung stattfmdet, die wohl stabilisiert ist und wirksam
zum Wärmeübergang von der heißen Wand auf die Kühlflüssigkeit beiträgt. Weitere
diesseits vorgeschlagene und ebenfalls bekannte Verbesserungen gestatten vor allem,
im Bereich der somit stabilisierten Temperaturen bis zu dem sogenannten Leidenfrostschen
Punkt, der etwa bei 2251 C liegt, und sogar darüber hinaus bis an den Anfang
des Bereichs. hautartiger Verdampfung zu gehen, ohne daß jedoch die Gefahr des Auftretens
des Leidenfrostschen Phänomens besteht.
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Bei diesseits bereits früher vorgeschlagenen bekannten Ausführungsformen
von Wärmeaustauschwänden, bei denen die wärmeabgebenden Elemente, aus bestimmten
Vorsprüngen, Rippen oder Höckern sowie Wülsten od. dal. bestehen, erstrecken sich
die Mantelwandungen des als Drehkörper ausgebildeten Wärmetauschers zwischen oberen
und unteren Endflächen. Hierbei erstreckte sich die Wärmequelle im Innem der Wärmeaustauschwand
gewöhnlich zwischen den beiden Endflächen, während die äußeren wärmeabgebenden Elemente,
die mit ihrer Grundfläche. mit dem vollwandigen Teil der Wandung in Berührung stehen,
ihrerseits zwischen diesen beiden Endflächen verteilt angeordnet sind. Hieraus ergibt
sich, daß der Wärmefluß quer durch die Wandung in Richtung deren Wandstärke gewöhnlich
eine Richtung besitzt, die etwa senkrecht zu der Drehachse oder der Mittelachse
derWärmeaustauschwand steht, und ferner die wärmeabgebenden Elemente der Außenfläche
der Wärmeaustauschwand die Wärmemengen
abgeben, die sie von den
Elementarbereichen der Innenfläche der *Wand empfangen, die gerade etwa gegenüberliegen,
d. h. in einer zu der Wand etwa senkrechten Richtung bei jedem der betreffenden
wärmeabgebenden Elemente.
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Außerdem stellt sich bei den diesseits früher vorgeschlagenen bekannten,
mit Siedekühlung arbeitendenWärmetauschem (belgische Patentschrift 504
253)
der Wärmeaustausch- nahezu ausschließlich auf den massiven Vorsprüngen
oder Rippen ein, an deren Oberfläche das Sieden durch einen Temperaturgradienten
stabilisiert ist, der sich in der Richtung dieser Vorsprünge, d. h. in der
zu der Oberfläche des Wärmetauschers senkrechten Richtung einstellt. In den Zwischenräumen
zwischen den Vorsprüngen oder Rippen dagegen ist der Wärmeaustausch nur gering,
da auf diesen nahezu isothermen Bereichen das Sieden praktisch ausschließlich als
Filmverdampfung erfolgt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Siedekühlvorrichtung
der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem das Sieden über die gesamte Oberfläche
der Wärineaü#tauschwand einschließlich der zwischen den Vorsprüngen oder Rippen
gelegenen Nuten stabilisiert ist und demzufolge die zulässigerweise zu übertragende
Wärmemenge beachtlich erhöht wird, um so im Hinblick auf noch höhere Wärmeabgabemengen
einen besseren Wirkungsgrad zu erzielen.
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Diese Aufgabe ist bei der hier vorgeschlagenen Siedekühlvorrichtung
der einleitend erwähnten Art dadurch gelöst, daß- erfindungsgemäß von den beiden
Endebenen des mit Wärmetauschelementen ausgestatteten Außenflächenteils wenigstens
die eine sich außerhalb der beiden gegenüber den ersteren parallelen inneren Endebenen
befindet, zwischen denen der im -wesentlichen die gesamte auszutauschende Wärme
aufnehmende Innenflächenteil der Wärmeaustauschwand gelegen ist. Diese hier vorgeschlagene
Verschiebung zwischen der die Wärme aufnehmenden Fläche und, der Wärmeabgabefläche
läßt auf der gesamten Oberfläche der Wärmeaustauschwand, insbesondere auf den zwischen
den vorragenden Wärmetauschelementen gelegenen Oberflächenbereichen, ebenfalls einenTemperaturgradienten
auftreten, dessen Richtung parallel -zur Achse der Wärmeaustauschwand verläuft.
Das Sieden wird mithin auch in den zwischen den Wärmetauschelementen der Wärmeaustauschwand
befindlichen Bereichen stabilisiert und somit die zulässige Wärmeaustauschleistung
beträchtlich gesteigert.
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Zwar ist an sich der über »Wärinebrücken« erfolgende Wärmetransport
von der Stelle der Wärmeerzeugung zur Stelle der Wärmeabgabe sowie die Schaffung
eines Temperaturgradienten längs der Oberfläche eines zu kühlenden Körpers schon
bekannt (deutsche Auslegeschrift 1005172), wobei je-
doch auf Grund
der schlechten Wärmeleitfähigkeit der Körperwand der Temperaturgradient sich nachteilig
auswirkt und zu noch schlechteren KühReistun-,gen fährt. Demgegenüber führt bei
der hier vorge-.schlagenen Siedekühlvorrichtung der Temperaturgradient. längs der
Wärmeaustauschfläche zu dem .überraschenden Ergebnis, die Kühlleistungen beachtlich
zu erhöhen.
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Ebenso ist aucla# schon ein mit Verdampfung und Kondensation arbeitender
Wärmetauscher bekannt (deutsche Auslegeschrift 1035 675), bei dem ein mit
wärmetauschenden Elementen ausgestatteter Teil der Wärmeaustauschwand in einem anderen
Höhenbereich liegt als der die gesamte Wärme austauschende zweite Bereich, wobei
bereits Wärmeleitung mit einer waagerechten und einer lotrechten Richtungskomponente
in der Wärmeaustauschwand auftritt. Bei diesem bekannten, zum Ausscheiden von in
einem Gas vorhandenen Bestandteilen bestimmten Wärmetauscher ist es jedoch die die
Wärme aufnehmende Fläche, die gleichzeitig einen ihrer parallelen Temperaturgradienten
und einen in Richtung der Wärinetauschelemente gerichteten Temperaturgradienten
aufweist, wobei der Verlauf des in diesem Wandungsteil herrschenden Temperaturgradienten
ohne Einfluß auf den Temperaturgradienten ist, der in dem Wandungsbereich vorhanden
ist, der von der verdampfbaren Flüssigkeit umgeben ist und die Wärmeaustrittsfläche
bildet, da diese beiden Wärmeaustauschwandungsteile durch einen Wandungsabschnitt
miteinander verbunden sind, der keinen Wärmeaustauschteil bildet. Dieser vorbekannte
Wärmetauscher fährt daher auch nicht zu den hier vorgeschlagenen Maßnahmen, die
zulässige Wärmer austauschleistung zu erhöhen, in dem ein zu der mit Wärmeaustauschelementen
ausgestattetenWärmeaustrittsfläche parallel verlaufender Temperaturgradient hervorgerufen
wird. Erst durch die Gesamtheit der zuvor erfindungsgemäß gekennzeichneten Merkmale
der hier vorgeschlagenen Siedekühlvorrichtung, auf die insgesamt das Patentbegehren
sich nur richtet, wird der hier erzielte technische Fortschritt herbeigeführt.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung liegt mindestens die eine
innere Endebene außerhalb des durch die beiden äußeren Endebenen beg .grenzten Bereichs.
Hierbei ist es von weiterem Vorteil, werin beide inneren Endebenen gegenüber den
ihnen entsprechenden äußeren Endebenen in gleicher Höhenrichtung verschoben sind.
Ferner wirkt es sich dabei vorteilhaft aus, wenn der Abstand zwischen den bei#-den
äußeren Endebenen größer ist als der Abstand zwischen den beiden inneren Endebenen.
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Nach einer bezüglich des Wirkungsgrades und leichter Herstellbarkeit
besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist bei der hier vorgeschlagenen
Siedekühlvorrichtung in der Nähe einer äußeren Endebene ein weit vorstehender Ringflansch
vorgesehen, dessen äußerer Teil aus einem Metall mit einer geringeren Wärmeleitfähigkeit
besteht, als sie das die Wärmeaustauschwand im wesentlichen bildende Metall aufweist.
Dieser Ringflansch dient zur Abstützung der Teile der Vorrichtung, die mit der Siedekühlvorrichtung
verbunden ist. Es ist je-
doch bereits bekannt, für gewisse Teile von Wärmetauschern
einen Werkstoff geringerer Wärmeleitfähigkeit in bezug auf andere Teile zu verwenden
(belgische Patentschrift 504 253).
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Bei allem bringt es einen weiteren Vorteil, wenn in dem Teil der Innenfläche
der Wärmeaustauschwand, der im wesentlichen die gesamte auszutauschende Wärme aufnimmt,
schmale Schlitze vorgesehen sind. In Wärmetauscher bildenden Metalle teilen Flüssigkeitskanäle
vorzusehen, ist zwar an sich bekannt (britische Patentschrift 685 430). Die
hier vorgeschlagenen offenen Schlitze dagegen üben die besondere Funktion aus, die
Wärmeaustauschwand vor gefährlichen Wärmespannungen zu bewahren, die sich besonders
schädlich in Körpern auswirken,
in denen sich die Temperatur sowohl
in radialer als auch in axialer Richtung stark ändert.
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In der Zeichnung ist eine Siedekühlvorrichtung der erfindungsgemäß
vorgeschlagenen Art in einer beispielsweise gewählten Ausführungsform in einer teilweise
im Axialschnitt gehaltenen Darstellung schematisch veranschaulicht.
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F i g. 1 zeigt hierbei die die Siedekühlung betreffenden Teile
einer mit Dichtesteuerung arbeitenden Elektronenröhre; F i g. 2 bringt in
einem schematisch gehaltenen Tei-Ischnitt die Wärmeaustauschwand der Siedekühlvorrichtung
gemäß F i g. 1 unter Darstellung der Kurven isothermer Temperaturen.
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. Die in F i g. 1 dargestellte Elektronenröhre ist eine
zum Betrieb bei sehr kurzen Wellen bestimmte Tetrode. Ihre Anode A-B bildet einen
Teil der Innenfläche der Wärmeaustauschwand 1. Verschiedene weitere Elektroden
und besondere elektrische oder elektronische Teile dieser Röhre sind der Einfachheit
halber nicht dargestellt, da sie auch nicht Gegenstand vorliegender Erfindung sind.
Aus Hochfrequenzgründen besitzt die Anode A-B in ihrer in der Zeichnung dargestellten
Höhe eine Länge, die kleiner als ihr Durchmesser ist, und ebenfalls aus elektrischen
Gründen liegt die Anode nahe an den Metallringen 2, 3 und 4, welche die Anschlußstüc
- ke für die nicht dargestellten Elektroden der Elektronenröhre bilden, nämlich
des Schirmgitters, des Steuergitters und der Kathode. Diese nahe Anordnung erfolgt
trotz der unvermeidlichen Anwesenheit des Isolierinantels 5.
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Die wärmeabgebenden Elemente 6 a, 6 b usw. der
Außenfläche C-D der Wand 1, welche die Anode A-B enthält, sind in bereits
früher diesseits vorgeschlagener Weise durch Nuten als massive Höcker oder Rippen
ausgebildet. Die Grundfläche jedes dieser wärmeabgebenden Elemente erhält die abzugebende
Wärme durch die Außenfläche C-D der Vollwandung der Anodenwand 1. Gemäß dem
Hauptmerkmal des hier vorgeschlagenen Wärmeaustauschers hegen die durch die Punkte
C und D senkrecht zur Achse Y-Y der Röhre einander parallel verlaufenden
Ebenen zumindest teilweise auf einem, anderen Niveau als die durch die Punkte
A und B sich erstreckenden Ebenen, welche den wirksamen Teil der In-nenfläche
der Anodenwand 1 begrenzen, der die eigentliche Anodenwand bildet und daher
den im Innern der Anodenwand erzeugten Wärmefluß aufnimmt und nach außen abzugeben
hat. Aus dieser gegenseitigen Anordnung der inneren Erdebenen A,
B
zu den äußeren Endebenen C, D ergibt sich, daß der Wärmefluß,
quer durch die Wärmeaustauschwand 1
gegenüber den Loten auf dieser Wand schräg
und/ oder gekrümmt verläuft. Demzufolge sind die Strekken einander ungleich, welche
die verschiedenen Eleinentarteile dieses Wärmeflusses zu durchlaufen haben, bevor
sie die verschiedenen wärmeabgebenden Elemente 6 a-6 b usw.
erreichen. Die Schrägheit, Gekrümmtheit oder Ungleichheit der Wege sind aus F i
g. 2 klar ersichtlich, in der vor allem elf Temperaturisofhermen für von
150 bis 600' C anwachsende Werte dargestellt sind.
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Ein solcher in bei 100' C siedendes Wasser eingetauchter Aufbau
weist im Betrieb längs der Außenfläche C-D der Wärmeaustauschwand 1 ohne
sprunghaften übergang einen stetigen Temperaturgradienten zwischen dem Punkt
C, welcher der kälteste Punkt ist und beispielsweise eine Temperatur von
etwa 110' C besitzt, und dem Punkt D auf, welcher der heißeste Punkt
ist, dessen Temperatur 3001 C ohne Gefahr des Auftretens des Leidenfrostschen
Phänomens auf Grund der Stetigkeit des Temperaturgradienten zwischen dem heißesten
Punkt D und dem verhältnismäßig kältesten Punkt C überschreiten kann.
Gegenüber diesseits bereits früher vorgeschlagenen bekannten Wärmeaustauschern gestattet
daher der hier vorgeschlagene Wärmeaustauscher, die einen Temperaturgradienten besitzende
und die Stabilisierung des Siedevorgaiigs bewirkende Wandfläche beträchtlich zu
vergrößern. Bei den früheren Einrichtungen haben nämlich nahezu ausschließlich die
Flanken der Rippen oder Höcker oder sonstigen wärineabgebenden Elemente diese Funktion
ausgeübt. Demgegenüber sichert bei dem Wärmeaustauscher gemäß der Erfindung der
Boden der durch die wärmeabgebenden Elemente begrenzten Nuten für einen höheren
Wert der abgegebenen Leistung einen stabilen Siedevorgang.
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Wie ein genaueres Studium zeigt, ist die Anodenfläche A-B der beschriebenen
Röhre weit davon entfernt, isotherin zu sein. Der Punkt B kann eine weitaus höhere
Temperatur als der Punkt A, nämlich beispielsweise mehr als 600 gegenüber
4001 C bei A
erreichen, wie aus F i g. 2 ersichtlich ist. Unter
Berücksichtigung dieser Gegebenheit besitzt die Anodenwand gemäß einem weiteren
vorteilhaften Merkmal der Erfindung schmale radiale Schlitze 7 a,
7 b usw., welche den Elementen des aktiven Teils der Anode erlauben, die
hauptsächlich zwischen den Punkten A
und B auftretenden unterschiedlichen
Dilatationen aufzunehmen, ohne in den Bereichen von C und D
gefährliche
mechanische Kräfte hervorzurufen. Diese Schlitze können beispielsweise in der Anzahl
von zwölf vorliegen und eine Breite von etwa 1 mm oder etwas darunter
besitzen.
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Auf Grund der von dem dem Punkt D des Aufbaus benachbarten Bereich
erreichten hohen Temperaturen ist es von weiterem Vorteil, wenn der Aufbau in Nähe
der äußeren Endfläche D einen vorstehenden Ringflansch 13 aufweist,
dessen umfänglicher Teil 14 vorzugsweise aus einem Metall mittelmäßiger Wärmeleitfähigkeit
besteht, so daß dieser umfängliche Teil 14 etwa die Temperatur der Flüssigkeit
17 annimmt, die den sogenannten Siedetopf 16 ausfüllt. Dieser Siedetopf
16 ist vorzugsweise in Berührung mit dem Ringflansch 13 in Nähe dessen
umfänglichen Teils 14 befestigt. An diesen kalten Bereich 14 des Ringflansclies
13 ist vorzugsweise ein Metallbund 15 angeschweißt, welcher dem Isoliermantel
5 als Stütze dient. Auf Grund dieser technologischen Maßnahmen kann der dem
Punkt B be# nachbarte Bereich der Anode ohne Nachteil eine sehr hohe Temperatur
annehmen, die gegebenenfalls weit über 300' C liegt. Im übrigen sind in F
i g. 2 die Temperaturisothermen des Ringflansches 13-14 mit eingezeichnet.
Wie zu erwarten, fallen diese Isothermen ab, je weiter man sich vom Punkt
D in Richtung auf den umfänglichen Teil 14 des Ringflansches 13 entfernt.