DE1451089A1

DE1451089A1 - Kuehlanordnung

Info

Publication number: DE1451089A1
Application number: DE19631451089
Authority: DE
Inventors: Collard Jacques Roger Gerard
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1962-11-21
Filing date: 1963-11-20
Publication date: 1969-03-13
Also published as: GB1046229A; CH443376A; US3203477A; BE640224A

Description

Dipl.-Ing. Heinz Ciaessen 14 5108

Patentanwalt
Stuttgart - Feuerbach
Rotebühlstralie 70

ISE-Reg.28o4
J.R.G.Collard 1

INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, 520 Park Avenue, NEW YORK 22, N.Y., USA.

Kühlanordnung

Die Priorität der amerikanischen Anmeldung Nr.2^9 127 vom 21.November I962 wird in Anspruch genommen.

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Kühlung elektrischer Bauelemente auf extrem niedrige Temperaturen mit einem Gefäß zur Verdampfung einer Kühlflüssigkeit.

Zur Herabsetzung des thermischen Rauschens eines parametrischen Verstärkers ist es bekannt, den darin enthaltenen Hohlraumresonator oder sogar diesen Hohlraumresonator und den zugehörigen Zirkulator auf extrem niedrigen Temperaturen zu halten. Die Hohlräume dieser Bauelemente müssen hierzu mit einem Schutzgas angefüllt oder evakuiert sein. Somit, ist der Verbrauch an Kühlflüssigkeit, insbesondere während des Abkühlungsprozesses, sehr groß. Außerdem müssen die Abgleichelemente luftdicht abgeschlossen sein.

Durch die US-Patentschrift 2.909 908 ist bereits eine relativ kleine, auf dem Joule-Thomson-Effekt beruhende Kühlanordnung für die Kühlung kleiner elektrischer Bauelemente bekannt. Bei dieser Anordnung strömt unter hohem Druck stehendes Gas von einer ersten Kammer durch eine Düse in eine zweite Kammer. Die durch die Ausdehnung des Gases entstehende Kälte dient zur Kühlung derjenigen Bauelemente eines elektrischen Gerätes, die auf sehr tiefe Temperaturen gehalten werden müssen.

j5, September I968

ZEW/p GrPf (II) ρle-krä. - 2 -

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^IaEsm

Um eine Eisbildung an der zu kühlenden Stelle zu verhindern, ist ein evakuierter Behälter vorgesehen, der diesen Teil der Anordnung umschließt. Für einen parametrischen Verstärker im Bereich sehr kurzer Wellen ist eine solche Einrichtung nicht brauchbar, weil die elektrischen Zuleitungen zu dem gekühlten Bauelement, zu lang werobn.Außerdem besteht noch der Nachteil, daß zur Regulierung der Kühlung zusätzliche Einrichtungen notwendig sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine selbstregulierende Kühlanordnung für parametrische Verstärker zu schaffen,, die eine Eisbildung an der zu kühlenden Stelle vermeidet, ohne hierzu einen evakuierten Raum vorzusehen. . \

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung werden diese Schwierigkeiten dadurch-beseitigt, daß das zu kühlende Bauelement an einem Wärmeaustauscher guter Wärmeleitfähigkeit befestigt ist, dessen stempeiförmiges Ende axs Boden eines Gefäßes dient, in welches durch eine Leitung eine Kühlflüssigkeit einfließt, daß dieses Gerät von einer luftleeren Kammer und -diese wiederum von einem Hohlraum umschlossen ist und daß das Gefäß über ein Ventil, dem die luftleere Kammer umschließenden Hohlraum und einem Kanal mit einem das Bauelement umgebenden Hohlraum verbunden ist.

Die Erfindung soll anhand der Figuren näher erläutert werden.

In der Fig.l ist die erfindungsgemäße Kühlanordnung schematisch ■ dargestellt.

Fig.2 zeigt den bei der erfindungsgemäßen Anordnung verwendeten Wärmeaustauscher.

Pig*3 1st eine perspektivische Darstellung der Kühlanordnung. ".."■""
Fig.4 zeigt die Kühlanordnung einschließlich ihres äußeren Kühlkörpers.

In der Pig.5 wird der Einbau der gesamten Kühleinrichtung in ein Gerat gezeigt.

Die in der Fig.l schematisch dargestellte Kühlanordnung I ist zum Teil in einem Hohlraumresonator 2 eines parametrischen Verstärkers angeordnet. Die in diesem Verstärker enthaltene Diode

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iss 2804 -3 - 145 Ί 089

stellt die Wärmelast 3 dar. Die Kühlanordnung 1 ruht auf einem . aus Metall bestehenden Wulst 4, der den Hohlraumresonator 2 am oberen Ende H-G elektrisch kurzschließt. Eine Flüssigkeit extrem tiefer Temperatur wird über die durch ein ringförmiges Gefäß 6a vakuumisolierte Leitung 6 der Kammer 7 mit der Wandung 7a zugeführt. Als Kühlflüssigkeit kann Jede geeignete Flüssigkeit, wie z.B. flüssiger Stickstoff, verwendet werden. Die Kammer 7 weist einen runden Querschnitt auf. Ihre Wände bestehen aus rostfreiem Stahl. Der Wärmeaustauscher 8 besteht aus einem stark wärmeleitenden Material, beispielsweise aus Kupfer, und hat ebenfalls einen runden Querschnitt. Er erstreckt sich von der Sohle der Kammer 7 bis zur Halterung des Kühlgutes 3* Eine ringförmige Kammer 9 umgibt die Kammer 7 vollständig und zum Teil auch den Wärmeaustauscher 8. Die Kammer 9 ist evakuiert, um die im Innern liegende kalte Zone von dem zwischen der Kühleinrichtung 1 und ihrem äußeren Kühlkörper 11 liegenden ringförmigen Hohlraum 10 zu isolieren. Der stempeiförmige, obere Teil 12' des Wärmeaustauschers 8 hat annähernd den gleichen Durchmesser wie die Kammer 7 und dichtet diese nach unten ab. Eine einstellbare Nadel 15 reguliert den Druck in der Kammer 7 und steuert den Druckunterschied zwischen der Kammer und dem an die Zuleitung 6 angeschlossenen Flüssigkeitsbehälter 31 (Fig.3) und somit den Zufluß der Kühlflüssigkeit I3. Die vakuumdichte Leitung 6, deren Durchmesser für jede Kühlanordnung besonders bestimmt werden muß, ist relativ dünn, um einen Bückfluß, verursacht durch den in der Kammer 7 entstehenden Dampf, zu vermeiden. Die Flüssigkeit fließt infolge der Schwerkraft abwärts, während der Dampf gleichzeitig aufsteigt und die nachfließende Flüssigkeitsmenge steuert.

Der flüssige Stickstoff verdampft sehr schnell, wenn er mit dem Oberteil des Wärmeaustauschers 8 in Berührung kommt, bis dieser auf die Temperatur des flüssigen Stickstoffes, 77° Kelvin, abgekühlt ist und zur Kühlung nur noch eine konstante Menge dor Kühlflüssigkeit zufließt. Der verdampfte Stickstoff wird über die Röhre 16, den Hohlraum 10 und eine äußere Röhre l8 zu dem den parametrischen Verstärker umgebenden Hohlraum 2 gleitet. Er umspült die Wärmelast 3 und verhindert somit die Bildung von Feuchtigkeit, die zur Eisbildung führt.

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ISE 2804 ; ■'' - 4 -

H51Ü88

Der Bereich 20 der Kammer 7 verursacht, solange der Stickstoff flüssig ist, keinen Kälteverlustj Der Wärmeaustauscher 8 schließt den flüssigen Stickstoff 15 mit der Wärmelast 3 wärmemäßig kurz, sodaß dessen Temperatur 77° Kelvin beträgt. Durch die Verbindung zwischen dem Kühlgut 3 und dem Wärmeaustauscher 8 entsteht jedoch ein Kaiteverlust von etwa 6-7° Kelvin. Ein anderer Kaiteverlust entsteht infolge der Konduktionskühlung durch den Wärmeaustauscher 8 über den Flansch 2j5 zum äußeren Kühlkörper also über den Teil EPG der Wandung 5a.

Der durch die Kammer 7 bedingte Wärmeverlust hängt von der Höhe des Plüssigkeitsspiegels und somit von der jeweiligen Außentemperatur ab* Dicke und Länge des Teiles JEPG sind so dimensioniert, daß die Oberfläche HG Raumtemperatur aufweist, wenn der geflanscht te Teil ZJ> deö Wärmeaustauschers 8 bei einer, dem flüssigen Stick·? '■ stoff entsprechenden Temperatur liegt. Dies ist aber immer dann der Fall/ wenn sich in der Kammer;7 flüssiger Stickstoff befindet, da ja der Wärmeaustauscher 8 die Flüssigkeit mit dem Kühlgut wärmemäßig kurzschließt. Da nun in der Höhe der Ebene HG Raumtemperatur herrscht, sind die eigentlichen Mikrowellenbauelemente ebenfalls der Raumtemperatur ausgesetzt und verursachen zusätzlichen Kälteabfluß, Die Wandstärke der Kammer 7 ist so dimensioniert^ daß/bei einem etwas oberhalb des Wärmeaustauschers gelegenen Flüssigkeitsspiegel AB der obere Rand des Gefäßes auf Raumtemperatur liegt, während auf dem Flüssigkeitsspieger selbst die Temperatur des flüssigen Stickstoffes herrscht. Somit ist der gesamte Kühlkörper 11 als ein Teil der Kühlanordnung 1 der Raumtemperatur ausgesetzt. Die gesamte Wärmelast besteht aus dem Wärmeaustauscher 8 und der eigentlichen Last 3, die über zwei ; lange Zylinder, nämlich ABCD einerseits und FEIJi andererseits mit dem Kühlkörper verbunden ist.

In bisher Üblichen Kühlanordnungen wurde der Zufluß der Kühlflüssigkeit in Abhängigkeit von ihrem Verbrauch gesteuert und nioht in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur, Das Ausbalancieren der beiden langen* den Wärmeverlust darstellenden 2y- --M-linder kann tnit einem sich selbsttätig einsteilenden Spannungsteiler (etwa bei einer Servo-Brückenschaltung) verglichen werden. Bei ansteigender Temperatur steigt der Anteil der verdampften ^:

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Flüssigkeit, sodaß der Spiegel AB fällt und infolgedessen die Länge des Abschnittes AC BD größer wird. Der Kai teaustausch zwischen dem flüssigen Stickstoff verlagert sich daher mehr zum Kühlgut. Ein neuer, tieferer Flüssigkeitsspiegel wird sich dahingehend einstellen, daß die Zunahme der zur Kühlung des ' Kühlgutes benötigten Kältemenge gleich der Abnahme des durch die Kammer 7 zum äußeren Kühlkörper 11 verursachten Kälteverlustes ist. Wenn hingegen die Umge_bungstemperatur abfällt, dann steigt der Flüssigkeitsspiegel AB soweit an, bis der Abfall der zur Kühlung des Kühlgutes benötigten Kältemenge gleich dem Anstieg der durch die Ableitung über die Kammer 7 zum äußeren Kühlkörper 11 bedingten Kältemenge ist. Der Kaiteaustausch in einer Richtung und der Austausch von Kalorien in der anderen Richtung erfolgt unmittelbar, da immer eine große Kältefalle vorhanden ist, die das Kühlgut auf einer konstanten Temperatur hält.

Der tatsächliche Kalorienverlust durch die Wärmelast (Kühlgut) ist sehr klein. Es ist die Umgebungstemperatur der benachbarten Bauteile, die ausgeglichen werden muß. Somit werden durch das Kühlsystem vor allen Dingen die Temperaturänderungen am äußeren Kühlkörper kompensiert. Das Trockengas in der Kammer 10 ist dabei bestrebt, den äußeren Kühlkörper 11 zu kühlen und damit wird die Wirksamkeit der Kühleinrichtung 1 erheblich erhöht.

Der Wärmeaustauscher 8 bestent gemäß Fig.2 aus einem Schaft 17 mit dem Ende 26 und einem, in die Kammer 7 hineinragenden Stempel 12a, der ein Sackloch 24 mit Gewinde aufweist. Auf dem mit dem Gewinde 25 versehenen Ansatz des Schaftes 17 kann der Stempel 12a aufgeschraubt werden. Der Stempel 12a sollte jedoch nicht zu fest auf dem Schaft 17 aufgeschraubt werden, da die Gabel 19 (Fig.l) und der Schaft 17 aus verschiedenen Materialien mit unterschiedlicher Längenänderung bestehen. Der Stempel 12a kann mittels eines in ein Loch 32 greifenden Bolzens j53 axial in der Kammer 7 verschoben werden. Wenn die Kühlflüssigkeit eingefüllt ist, drückt der Boden des Stempels gegen den Boden der Kammer, sodaß keine Flüssigkeit entweichen kann. L

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ISE 28o4 - 6. -

Fig.^ zeigt eine räumliche Darstellung der erfindungsgemäßen Kühlanordnung 1. Eine Vakuumdich'tung 27 schließt die Kammer 9 mit der Wandung 5 und die öffnung 28 steht mit der Kammer 7 in Verbindung.

Wie aus Fig.4 zu ersenen ist, wird die Kühlflüssigkeit über die vakuumdichte und mit der Öffnung 28 verbundene Leitung 6 eingefüllt. Die gesamte Kühlanordnung ist in einem großen, äußeren Kühlkörper 11 angeordnet, der starr mit den zu kühlenden Bauelementen der elektrischen Anordnung 29 verbunden ist.

Wie aus der Fig.5 ersichtlich ist, kann der parametrische Verstärker 29 mit den Abstimmelementen 50 von anderen Geräten umgeben sein, ohne daß seine Temperatur beeinflußt wird. Ein ftefäß j51 mit dem flüssigen Stickstoff ist über eine vakuumdichte Leitung mit der Kühleinrichtung 11a verbunden. Die Länge der Leitung kann beliebig sein und richtet sich nur nach den gegebenen Raumverhältnissen. Die Kühlanordnung läßt sich direkt oder auch abgesetzt anbringen. Der zweite, in der Fig. 5 dargestellte,, parametrische Verstärker 29¹ wird nicht gekühlt. Der Kühlprozeß kann ununterbrochen erfolgen, indem die verdampfte Kühlflüssigkeit wieder gebrauchsfähig gemacht und zu dem Kühlmittexbehälter zurückbefördert wird. Andererseits genügt aber für einen ununterbrochenen 24-Stunden-Betrieb bereits ein 5-Liter-Gefäß zur Aufbewahrung der Kühlflüssigkeit.

Wenn mehrere Bauelemente gekühlt werden sollen, dann können auch mehrere Wärmeaustauscher bei sonst gleicher Konstruktion vorgesehen werden.

1 Patentanspruch

2 Bl. Zeichng. (5 Fig.)

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Claims

iss 2804 -τ- H51089

Patentanspruch

Kühlanordnung zur Kühlung elektrischer Bauelemente auf extrem niedrige Temperaturen mit einem Gefäß zur Verdampfung einer Kühlflüssigkeit* dadurch gekennzeichnet, daß das zu kühlende Bauelement (3) an einem Wärmeaustauscher (8) guter Wärmeleitfähigkeit befestigt ist, dessen stempeiförmiges Ende (12) als Boden eines Gefäßes (7) dient, in welches durch eine Leitung (6) eine Kühlflüssigkeit (lj) einfließt, daß dieses Gerät (7) von einer luftleeren Kammer (9) und diese wiederum von einem Hohlraum (10) umschlossen ist und daß das Gefäß (7) über ein Ventil (15), dem die luftleere Kammer umschließenden Hohlraum (10) und einem Kanal (l8) mit einem das Bauelement umgebenden Hohlraum (2) verbunden ist.

J.September I968

ZEW/T GrPf (II) ple-krä.

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