Anordnung zur Ableitkühlung einer wärmemässig Mark belasteten Elektrode einer Elektronenröhre in einem Hochfrequenzgerät Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Ableitkühlung einer wärmemässig stark belasteten Elektrode einer Elektronenröhre, die in einem Hoch frequenzgerät so angeordnet ist, dass sie mit ihrer aus dem Röhrenkörper herausgeführten, stark wärmebe lasteten Elektrode in einen metallisch abgeschirmten Raum hineinragt, und bei der diese Elektrode mit einem Kühlungsorgan in wärmeleitender Verbindung steht.
Bei Anordnungen dieser Art wird erfahrungsgemäss die Anode wärmemässig stark belastet. Wesentlich ist nur, dass dieses wärmemässig stark belastete Teil eine Wärmedurchführung durch das Vakuumgefäss der Elektronenröhre hindurch nach dem Aussenraum hin besitzt, welche die an der betreffenden Elektrode er zeugte Wärme abzuführen erlaubt. Die Elektronen röhre kann in an sich beliebiger Schaltung, z. B. als Verstärker, Schwingungserzeuger, Leistungsmischstufe usw. betrieben sein.
Für die Kühlung von Elektronenröhren ist eine Reihe an sich sehr unterschiedlicher Methoden be kannt. Bei geringer Verlustleistung des zu kühlenden Teiles wird die sogenannte Strahlungskühlung ange wendet, während für etwas grössere Verlustleistungen die Kühlung durch einen am zu kühlenden Teil unter Überdruck vorbeistreichenden Luftstrom - vergl. z. B. DBGM 1701258 - angewendet wird. Bei sehr hohen Verlustleistungen wird schliesslich zur Wasserkühlung und zur Verdampfungskühlung gegriffen. Den einzel nen Kühlungsmethoden sind also relativ eng begrenzte Arbeitsbereiche zugewiesen.
Als Zwischenlösung für geringe Leistungen hat sich ausserdem noch die soge nannte Ableitkühlung eingeführt. Hierbei wird der Glaskolben einer Miniaturröhre von einem Metall zylinder eng umschlossen und die vom Metallzylinder durch Strahlung von der Röhrenanode her aufgenom mene Verlustwärme wird zur Chassisplatte oder unmit- telbar zu einer Aussenwand des zugehörigen Hochfre- quenzgerätes durch metallische Wärmeleitung abge leitet, von wo aus die Verlustwärme durch Konvektion an die Aussenluft und in gewissem Masse auch durch Strahlung weggeführt wird.
Diese Art der Kühlung findet ihre Grenze indes bei Verlustleistungen von einigen Watt. Ausserdem ist diese Kühlungsmethode auf Röhren der angegebenen Art beschränkt.
Die Kühlung wärmemässig stark belasteter Teile von Elektronenröhren für sehr kurze elektromagre- tische Wellen erfolgt deshalb meist - wie z. B. in der Zeitschrift Electronics , Februar 1945, auf den Seiten 98 bis 102 dargestellt und beschrieben - in der Weise, dass an dem wärmemässig stark belasteten Teil eine durch das Vakuumgefäss der Röhre hindurchführende Wärmeableitung in Form eines kurzen Bolzens vor gesehen wird, der seinerseits mit einem Kühlkopf ver sehen ist. Dieser Kühlkopf kann auf dem Bolzen auf geschraubt oder aufgelötet sein und besitzt eine Anzahl von Kühlrippen, an denen der Kühlung dienende Luft, vorzugsweise unter Überdruck, vorbeigeführt wird.
Diese Ausbildung ist deshalb getroffen, um das Ab fliessen der Wärme auf andere Metallteile, die in der Nähe des wärmemässig stark belasteten Teiles der Röhre liegen, weitgehend zu unterbinden. Nachteilig an dieser bekannten Anordnung ist indes der für die Erzeugung des an den Kühlrippen vorbeistreichenden Luftstromes erforderliche Lüfter, der meist aus einem kleinen Elektromotor mit Windrad und zugehörigen Kühlkanälen für die Kühlluft besteht. Dieser Lüfter verursacht nämlich unter Umständen mechanische Erschütterungen, die sich auf die Röhre oder sonstige empfindliche Geräteteile übertragen können und dort Störungen, wie unerwünschte Modulation usw., her vorrufen.
Ausserdem ist die Gefahr einer Beschädigung der Elektronenröhre durch zu starke Aufheizung bei Ausfall des Lüfters relativ gross, weshalb man gezwun gen ist, besondere, aufwendige Schutzschaltungen vor zusehen, die ihrerseits aber auch nicht ganz frei von möglichen Ausfällen sind. Um diese Schwierigkeiten zu vermeiden, wäre es an sich möglich, den Kühlkopf des wärmemässig stark belasteten Teiles der Elektronen röhre sehr gross auszubilden, weil dann allein schon durch die Wärmeabgabe an die umgebende Luft eine hinreichend wirksame Kühlung erreicht würde, die die Anwendung eines besonderen Lüfters entbehrlich macht.
Dieser an sich gangbare Weg ist indes wenig befriedigend, weil die dafür erforderlichen Kühlköpfe unhandlich grosse Abmessungen haben müssten, die den Einbau derartiger Elektronenröhren in Hochfre- quenzgeräte unerwünscht erschweren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg zu weisen, der es u. a. ermöglicht, die vorerwähn ten Schwierigkeiten bei der Kühlung wärmemässig stark belasteter Teile von Elektronenröhren zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung in der Weise gelöst, dass das Kühlungsorgan mit einer Aussen wand des Hochfrequenzgerätes wärmeleitend verbun den ist. Liegt die zusätzliche Forderung nach elektri scher Isolierung des wärmemässig stark belasteten Teiles der Elektronenröhre gegenüber dem wärmeabführen den Teil und/oder der wärmeabstrahlenden Wand vor, so kann zwischen dem wärmemässig stark belasteten Teil der Elektronenröhre und dem der Ableitung die nenden aufgepressten Teil und/oder der wärmeabstrah lenden Wand eine elektrische Isolierschicht, beispiels weise eine dünne Glimmerschicht, vorgesehen sein.
Man kann auf diese Weise Verlustleistungen bewältigen, die für die einleitend geschilderte bekannte Ableit- kühlung bisher auf Grund der Erfahrungen unerreich bar waren.
Es ist an sich für Reflexklystrons, und zwar aus dem Varian associates tube division Catalog micro- wave tubes:
Klystrons, BWOs, TWTs, Related Com- ponents , für die Reflexklystrons VA 222 R und VA 222 B-F bekannt, die an dem mit einem metalli schen Resonator metallisch leitend verbundenen Elek- tronenauffänger auftretende Verlustwärme in der Weise abzuführen, dass an der elektrisch neutralen Aussenwand ein zur Befestigung an Metallteilen dienen der Ableitflansch vorgesehen wird.
Diese Art der Küh lung ist jedoch auf Elektronenröhren, wie sie für den Erfindungsgegenstand der Betrachtung zugrunde lie gen, nicht übertragbar. Einerseits ist bei den Elektro nenröhren, von denen die Erfindung ausgeht, nicht die Voraussetzung gegeben, dass ein mit der stark belasteten Elektrode starr verbundener Hohlraumresonator vor liegt, der zugleich als Träger der Röhre dient. Darüber hinaus ist es für solche Röhren wesentlich, dass sie unabhängig von äusseren Schaltelementen sind.
Nachstehend wird die Erfindung anhand von Aus führungsbeispielen näher erläutert.
Die Fig. 1 zeigt den röhrenseitigen Abschnitt einer an einer Frontplatte 31 eines Hochfrequenzgerätes montierten Röhrenstufe, z. B. eines Schwingungser- zeugers für sehr kurze elektromagnetische Wellen. Der Schwingungserzeuger besteht aus einer Scheibentriode mit der Anode<I>A,</I> der Gitterzuführung <I>B</I> und der Ka thodenzuführung C, dem Kathodenkreis mit dem Innenleiter 1 und dem Aussenleiter 2 sowie dem Ano denkreis mit dem Innenleiter 2 und dem Aussenleiter 3. Der Aussenleiter 3 dient zugleich zur Befestigung des Schwingungserzeugers an der Frontplatte 31, die über einen ringflanschartigen Ansatz 4 und eine entspre chende Schraubverbindung 5 geschieht.
Zur gleich strommässigen Isolierung der Anodenzuführung von dem Aussenmantel 3 des Anodenkreises dient eine kapazitive Verblockung 6 in Form eines Ringflansches, der in einem rohrförmigen Fortsatz 7 einen Kontakt federnkranz 8 enthält, der die Verbindung zum Ano- denanschluss A der Röhre herstellt. Mit 6' ist die Ano- denspannungszuführung bezeichnet.
Die Scheibentriode ist von an sich bekannter Bau weise und hat einen Kühlkopf K, der über einen Bol zen Bo unmittelbar mit der innerhalb des Vakuum gefässes liegenden Röhrenanode in gut wärmeleitender Verbindung steht. Die am stärksten wärmemässig be lastete Anode A der Röhre ragt in einen metallisch abgeschirmten Raum hinein und wird in der Weise gekühlt, dass auf die ebene, der Anode abgewandte Endfläche <I>K'</I> des Kühlkopfes<I>K</I> ein wärmeabführendes Teil 9 aufgepresst wird, das seinerseits mit einer wärme abstrahlenden Fläche - in diesem Fall der Front platte 31 des Hochfrequenzgerätes - gut wärmeleitend verbunden ist, und zwar durch die lösbare Klemmver bindung der Flansche 10,
die mittels der Befestigungs schrauben 5 des Schwingungserzeugers an die Front platte 31 angeschraubt sind. Zusätzlich ist angenom men, dass der auf Anodenpotential liegende Kühl kopf K der Elektronenröhre gleichstrommässig von der Frontplatte getrennt werden muss, weshalb zwischen die Passfläche <I>K'</I> am Kühlkopf<I>K</I> und die benachbarte Auflagefläche des wärmeabführenden Teiles 9 eine, vorzugsweise an letzterem befestigte Isolierschicht 11 eingefügt ist, die beispielsweise aus einer Glimmer schicht besteht.
Die Glimmerschicht kann eine Stärke von einigen Zehnteln eines Millimeters besitzen. Über raschenderweise wirkt sich hierbei die an sich gute Wärmeisolierung des Glimmers nicht aus, was offenbar darauf beruht, dass die Querschnittsfläche, über die die Wärme vom Kühlkopf K zu dem Teil 9 abströmen kann, sehr gross ist.
Die Wirkungsweise der vorbeschriebenen Anord nung ist im wesentlichen derart, dass bei Betrieb der Elektronenröhre deren Anode relativ hoch belastet wird, beispielsweise mit 20 bis 30 Watt Anodenverlust leistung, und dass dann die an der Anode entstehende Wärme über den Anodenbolzen zu dem Kühlbolzen Bo abfliesst. Normalerweise würde sie von dort aus auf die einzelnen scheibenförmigen Rippen des Kühlkopfes K weiterfliessen, wo sie durch Kühlluft mittels Konvek tion fortgenommen wird.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 wird aber diese Art der Kühlung nicht angewendet, sondern die über den Bolzen Ba von der Anode her abfliessende Wärme lässt man im wesentli- chen bis zur letzten Platte K' des Kühlkopfes hin ab fliessen und nimmt sie dort mittels der durch das Teil 9 geschaffenen Wärmeleitung unmittelbar ab. Vom Teil 9 aus fliesst die Wärme über die Flansche 10 zu der Frontplatte 31, wo der dort ankommende Rest im wesentlichen durch Abstrahlung, zum Teil auch durch Konvektion mit der umgebenden Luft abgeführt wird.
Umfangreiche Untersuchungen haben gezeigt, dass die auf diese Weise erzielte Kühlung ausserordentlich wirk sam ist bei kaum merkbarer Aufheizung der Front platte 31 des Hochfrequenzgerätes, was offenbar darauf beruht, dass die über die letzte Kühlrippe K' durch Wärmeleitung abfliessende Wärme auf eine grosse Fläche verteilt und somit rasch an den Aussenraum abgegeben wird.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 kann das Teil 9 entweder nach Art einer allseitig dicht schliessen den Kappe ausgebildet sein, die auf dem rohrzylindri schen Flansch 10 mittels Klemmung durch Reibung festsitzt und durch einfaches Abheben gelöst werden kann. Es ist aber auch möglich, dem Teil 9 die Form einer U-förmigen Schiene zu geben, die dann auf den entsprechend ausgebildeten Flanschen 10 befestigt wird, beispielsweise ebenfalls mittels Klemmung. Ge gebenenfalls empfiehlt es sich, bei beiden Ausführungs formen lösbare Schraubverbindungen vorzusehen, um ein möglichst sicheres Aufliegen, gegebenenfalls auch Aufpressen, zwischen den Teilen K' und 11 bzw. 9, sowie 9 und 10 gewährleisten.
Bei der letztgenannten Ausführungsform mit U-förmigem Teil 9 ergibt sich der zusätzliche Vorteil, dass die zwischen dem Kühlkopf und den Teilen 9 und 10 gespeicherte Luft nicht mehr als Wärmespeicher dient, sondern bei Erwärmung, vor zugsweise bei senkrechter Anordnung des durch die U-Schiene gebildeten Kamins, nach oben abstreicht und so Kühlluft nachfährt.
Wie aus Fig. 31 ersichtlich, ist es für die gemäss der Erfindung vorgeschlagene Lösung der einleitend ge schilderten Aufgabe nicht mehr zwingend erforderlich, die Elektronenröhre mit einem Kühlkopf üblicher Art, der Kühlrippen besitzt, zu versehen. Für die Zwecke der Erfindung ist es durchaus ausreichend, wenn der Kühlkopf der Elektronenröhre eine bolzenförmige Wärmeabführung Bo besitzt, die gegebenenfalls so wie in der Fig. 2 gezeigt, in einen tellerartigen Ansatz T aus läuft,
der an seiner der Anode abgewandten Endfläche 12 vorzugsweise mit einer ebenen Passfläche oder einer sonstwie geeigneten Endfläche zum Zwecke einer guten Wärmeabführung auf das wärmeableitende Teil ver sehen ist.
In der Praxis tritt häufig noch die zusätzliche For derung auf, gewisse mechanische Ungenauigkeiten in der Halterung der Elektronenröhre auszugleichen, die beispielsweise darin bestehen können, dass die Röhre mit einer Achse nicht genau senkrecht zur wärmeab führenden Fläche liegt bzw. dass die zur Aufpressung des wärmeabführenden Teiles 9 dienende Fläche der Elektronenröhre nicht genau parallelflächig mit der entsprechenden Fläche des Teiles 9 ist, sondern hierzu verkantet liegt.
In diesem Fall könnte es bei scharfem Aufpressen des Teiles 9 unter Umständen passieren, dass die Röhre in der Fassung unerwünscht bewegt oder in ihren Anglasungen beschädigt wird, während bei zu geringem Aufpressen nur über einen kleinen Teil der zwischen 9, 11 und K' zur Verfügung stehenden Querschnittsebene eine gut wärmeleitende Verbindung besteht.
Diese Schwierigkeiten lassen sich dadurch vermei den, dass das aufgepresste Teil nach Art einer federnden Wippe ausgebildet ist, die über flexible Wärmeleiter mit der wärmeabstrahlenden Fläche verbunden ist.
Ein Ausführungsbeispiel hierfür zeigt die Fig. 3, bei der lediglich die federnde Wippe in Verbindung mit weiteren Mitteln zur Wärmeabführung dargestellt ist, wobei man sich das ganze Teil bei der in Fig. 1 darge stellten Anordnung an die Stelle der Teile 9, 10 und 11 gesetzt zu denken hat. Die Wippe 'besteht aus einer beispielsweise quadratischen oder auch runden Metall platte 13, die z. B. an 2 gegenüberliegenden Stellen 14 und 15 mittels zweier Federn 16, von denen, wegen des in der Zeichnung dargestellten Schnittes in Fig. 3 nur eine sichtbar ist, in einem beispielsweise rechteckigen Gehäuse hinreichend grosser Wandstärke aufgehängt ist.
Die Metallplatte 13 ist gegebenenfalls analog zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 mit einer dünnen Isolierschicht 11, z. B. einer Glimmerschicht, an der Auflagefläche für den Kühlkopfteil K' des Kühlkopfes K der Elektronenröhre, versehen. Die Ableitung der vom Kühlkopf K über K' auf die Platte 13 abfliessenden Wärme geschieht über flexible Wärmeleiter, die beim Ausführungsbeispiel aus dünnen Kupferbändern 18 relativ grosser Breite bestehen. Beispielsweise können dies 4 oder 5 Kupferbänder sein, von denen jedes eine Stärke in der Grössenordnung von einem Zehntel eines Millimeters und weniger besitzt.
Diese Bänder 16 sind an der Platte 18 gut wärmeleitend befestigt, beispiels weise mittels einer Verschraubung, Nietung, Hartlö- tung oder dergleichen. Anderseits sind die Bänder 18 zu den Seitenwänden des Gehäuses 17 geführt, wo sie mittels verschraubter Klemmbacken 19 gegen dieselben angepresst werden, und zwar ebenfalls zwecks guter Wärmeleitung. Auch hier können andere bekannte Mit tel zur Befestigung vorgesehen werden, wenn sie nur sicherstellen, dass die Wärmeleitung gewährleistet ist.
Zur Befestigung des Gehäuses 17 an der Frontplatte 31 dienen Laschen 20, die mit Schraubschlitzen oder Schrauböffnungen versehen sind. Diese Vorrichtungen 20 dienen dazu, einen guten Wärmeabfluss vom Ge häuse 17 auf die wärmeabstrahlende Wand 31 sicher zustellen, wozu es erforderlich ist, das Gehäuse 17 auf die wärmeabstrahlende Wand 31, die beispielsweise die Vorderplatte eines Hochfrequenzgerätes sein kann, möglichst im Passsitz aufzupressen. Zusätzlich,
insbe sondere zur Vermeidung eines Überdruckes ist das Gehäuse 17 an zwei gegenüberliegenden Wandungs- teilen mit Öffnungen 21 versehen, deren Durchmesser d derart gering gewählt ist, dass sich gegebenenfalls, an sich unerwünscht, von der Elektronenröhre her in das Gehäuse 17 hin ausbreitende elektromagnetische Wel len durch die Öffnungen bzw. Kanäle 21 hindurch nicht in Form von Hohlrohrwellen ausbreiten können, sondern dass diese Wellen aperiodisch gedämpft wer den. Der Durchmesser d ist also kleiner zu wählen als eine halbe Betriebswellenlänge.
Die Wirkungsweise der in der Fig. 3 gezeigten An ordnung kann man sich so vorstellen, dass, bei Auf setzen des Gehäuses 17 auf die wärmeabstrahlende Wand 31 in Fig. 1, die Wippe 13 mit ihrer Fläche 11 auf die Fläche<I>K'</I> des Kühlkopfes<I>K</I> der Elektronen röhre zu liegen kommt und wegen der wippenartigen Ausbildung auf dieser Fläche K' gut anliegt. Es ist auch hier zweckmässig, auf Passflächen zu achten.
Die Wärme fliesst dann von der Anode der Elektronenröh ren über den Bolzen Bo zu dem wärmeabführenden Teil 13 ab und von dort über die flexiblen Wärmeleiter 18 zu der Wandung des Gehäuses 17. Es steht auf diese Weise eine relativ grosse Fläche zur Abstrahlung der an der Anode der Elektronenröhre entstehenden Wärme zur Verfügung, die durch das zugleich der Abdeckung der Röhre an der Frontplatte des Hochfrequenzgerätes dienende Gehäuse 17 gebildet wird. Die restliche Wärme fliesst auf die wärmeabstrahlende Fläche 31 ab, und wird von dort aus an den umgebenden Raum abge geben.
Kommt es im Einzelfalle darauf an, die an der stark wärmebelasteten Elektrode der Elektronenröhre ent stehende Wärme von der bei den vorhergehenden Aus führungsbeispielen zur Wärmeabstrahlung dienenden Wand 31, beispielsweise der Frontplatte eines Hochfre- quenzgerätes, fern zu halten, so kann man dies in der Weise realisieren, dass man die Ableitkühlung an eine Stelle des Hochfrequenzgerätes legt, die eine gute Wärmeverbindung mit dem Aussenraum hat, vorzugs weise also derart, dass das wärmeabführende Teil 9 bzw. 13 aus dem Gerät zumindest teilweise hervor steht bzw.
einen Teil von dessen Oberfläche bildet, und dass man Mittel zur Verhinderung eines Abfliessens der Wärme von dem wärmeabführenden Teil 9 bzw. 13 auf die vor Wärme schützenden Wandungsteile bzw. Teile des Gerätes vorsieht.
In Fig. 4 ist dies beispielhaft dargestellt, wobei zu den Fig. 1 und 3 gleichartige Teile mit den gleichen Bezugsziffern versehen sind. Der Schwingungserzeuger selbst ist dabei gleich aufgebaut wie in Fig. 1. In diesem Fall dient das wärmeabführende Teil, nämlich das Gehäuse 17, zugleich auch als wärmeabstrahlende Wand, was dadurch noch verbessert werden kann, dass auf den Seitenwänden und/oder auf der Bodenfläche des Gehäuses 17 Kühlrippen 22 vorgesehen werden. Anstelle der Kühlrippen oder zusätzlich hierzu, können zumindest einzelne Wände des Gehäuses 17, so bei spielsweise die Bodenfläche und/oder die Seitenwände desselben mit rohrförmigen Lüftungskanälen 23 ver sehen werden.
Solche Lüftungskanäle 23 können auch zur zusätzlichen Kühlung der Wand 41 dienen. Einige derartiger Lüftungskanäle sind mit 24 bezeichnet in Fig. 4 eingetragen. Gegegebenenfalls empfiehlt es sich, an den vor Wärmeabfluss zu schützenden Stellen auch Wärmedrosseln einzuschalten, die in einfachster Weise durch eine Querschnittsverengung vor der betreffenden Stelle erzielt werden können. Eine derartige Quer schnittsverengung lässt sich z. B. durch eine Ausfrä- sung oder Aussparung 25 in besonders einfacher Weise erhalten, die z.
B. kurz vor der Auflagefläche des Ge häuses 17 auf die Wand 41 in ersterem vorzusehen ist, wenn ein Wärmeabfliessen nach der Frontplatte 41 zu vermeiden ist. Auch in der Wand 41 können z. B. ent sprechende Mittel 25' mit Vorteil vorgesehen werden. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist die Metall platte 13 in der Mitte mit einer Aussparung 26 verse hen, die auch eine durchgehende Öffnung sein kann. Diese Aussparung 26 dient der Aufnahme eines am Kühlkopf K der Röhre gegebenenfalls hervorstehenden Teiles. Die Metallplatte 13 kann also in weitestgehen dem Masse der jeweiligen Form des wärmemässig stark belasteten Teiles der Röhre angepasst werden. Es ist nur auf guten Wärmeübergang zu achten.
Beim Erfindungsgegenstand ist zusätzlich zur Ab leitungskühlung auch noch die an sich bekannte Küh lung mittels eines unter leichtem Überdruck an den zu kühlenden Flächen vorbeistreichenden Luftstromes möglich, was zweckmässig in der Weise geschieht, dass so, wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 gezeigt, Kühlluft durch die Öffnungen 23 geblasen wird. Die Öffnungen 23, die die Form länglicher Bohrungen be sitzen, werden dann zweckmässig auch in den in den Zeichnungen nicht näher bezeichneten Seitenwänden des Gehäuses 17 vorgesehen.
Diese Art der Kühlung bringt den Vorteil, dass sie mit einem extrem geringen Lüfteraufwand bzw. einem Lüfter sehr kleiner Leistung die Abführung einer Wärmemenge ermöglicht, wie es mit den bisher bekannten Methoden nicht realisierbar ist, und dass ausserdem die Kühlluft von dem eigentlich zu kühlenden Teil, nämlich der Elektronenröhre bzw. deren nach aussen geführten Wärmeableitbolzen Bo, ferngehalten wird, so dass die bei den bekannten Ein richtungen auftretenden Verschmutzungen der Röhre und damit des an diese angeschlossenen Resonators vermieden sind. Im allgemeinen wird bei normalen Aussentemperaturen dieser zusätzliche Lüfter nicht erforderlich sein oder, falls vorhanden, nicht in Betrieb zu halten sein.
Er stellt eine Art Reserve dar, wenn das Gerät unter extrem hohen Aussentemperaturen arbeiten soll.
Bei den vorstehend erläuterten Ausführungsbeispie len sind zur Erzielung eines guten Wärmeüberganges zwischen den lösbaren Teilen Passflächen vorgesehen. Anstelle dieser Passflächen oder zusätzlich hierzu kön nen gut wärmeleitend ausgebildete Zwischenlagen vor gesehen werden, die entweder aus duktilem Material bestehen oder in sich elastisch sind. Solche Zwischen lagen können bei an sich bekannter, entsprechend schlecht wärmeleitender Ausbildung auch anstelle der Wärmedrosseln (vgl. z. B. 25 in Fig. 4) vorgesehen werden.
Anstelle von Scheibenröhren können auch andere Elektronenröhren, beispielsweise Wanderfeldröhren, Magnetfeldröhren und Entladungsgefässe und derglei chen auf die gemäss der Erfindung vorgeschlagene Weise gekühlt werden, wenn sie nur hinsichtlich der zu küh- lenden Elektrode technologisch mit Scheibenröhren vergleichbar sind.
Arrangement for discharge cooling of a thermally stressed electrode of an electron tube in a high-frequency device The invention relates to an arrangement for discharge cooling of a thermally highly stressed electrode of an electron tube, which is arranged in a high-frequency device in such a way that it heats up strongly with its lead out of the tube body loaded electrode protrudes into a metallically shielded room, and in which this electrode is in heat-conducting connection with a cooling element.
With arrangements of this type, experience has shown that the anode is subjected to high thermal loads. It is only essential that this part, which is highly exposed to heat, has a heat duct through the vacuum vessel of the electron tube to the outside, which allows the heat generated at the electrode in question to be dissipated. The electron tube can be in any circuit, eg. B. be operated as an amplifier, vibration generator, power mixer, etc.
A number of very different methods are known for cooling electron tubes. If the power loss of the part to be cooled is low, so-called radiation cooling is used, while for somewhat larger power losses, cooling is carried out by an air stream sweeping past the part to be cooled under excess pressure - cf. B. DBGM 1701258 - is used. In the case of very high power losses, water cooling and evaporative cooling are ultimately used. The individual cooling methods are therefore assigned relatively narrow working areas.
So-called drainage cooling has also been introduced as an interim solution for low power. The glass bulb of a miniature tube is tightly enclosed by a metal cylinder and the heat loss absorbed by the metal cylinder through radiation from the tube anode is diverted to the chassis plate or directly to an outer wall of the associated high-frequency device through metallic heat conduction, from where the Heat loss is carried away by convection to the outside air and to a certain extent also by radiation.
However, this type of cooling finds its limit at power losses of a few watts. In addition, this cooling method is limited to tubes of the specified type.
The cooling of parts of electron tubes that are heavily loaded in terms of heat for very short electromagnetic waves is therefore usually carried out - such as B. in the magazine Electronics, February 1945, on pages 98 to 102 shown and described - in such a way that a heat dissipation leading through the vacuum vessel of the tube in the form of a short bolt is seen in front of the thermally heavily loaded part, which in turn is seen with a cooling head. This cooling head can be screwed or soldered onto the bolt and has a number of cooling ribs, past which air serving for cooling, preferably under excess pressure, is passed.
This training is therefore made in order to largely prevent the heat from flowing onto other metal parts that are located near the part of the tube that is subject to high thermal loads. The disadvantage of this known arrangement, however, is the fan required for generating the air flow that sweeps past the cooling fins, which fan usually consists of a small electric motor with a wind turbine and associated cooling channels for the cooling air. This fan can cause mechanical vibrations that can be transferred to the tube or other sensitive parts of the device and cause disturbances such as unwanted modulation etc.
In addition, the risk of damage to the electron tube from excessive heating if the fan fails is relatively high, which is why you are forced to provide special, complex protective circuits, which in turn are not entirely free of possible failures. In order to avoid these difficulties, it would be possible to make the cooling head of the thermally heavily loaded part of the electron tube very large, because then the heat dissipation to the surrounding air alone would achieve sufficiently effective cooling, which would require the use of a special fan makes dispensable.
However, this approach, which is practicable per se, is not very satisfactory because the cooling heads required for this would have to have unwieldy large dimensions, which undesirably make the installation of such electron tubes in high-frequency devices more difficult.
The invention has for its object to provide a way that u. a. makes it possible to avoid the aforementioned difficulties in cooling parts of electron tubes that are subject to high thermal loads.
This object is achieved according to the invention in such a way that the cooling element is connected to an outer wall of the high-frequency device in a thermally conductive manner. If there is an additional requirement for electrical insulation of the thermally heavily loaded part of the electron tube from the heat dissipating part and / or the heat-radiating wall, then between the thermally heavily loaded part of the electron tube and that of the discharge the pressed-on part and / or the wärmeabstrah lenden wall an electrical insulating layer, for example, a thin mica layer may be provided.
In this way, power losses can be overcome that were previously unattainable for the known discharge cooling described in the introduction, based on experience.
It is per se for reflex klystrons, namely from the Varian associates tube division Catalog microwave tubes:
Klystrons, BWOs, TWTs, related components, known for the reflex klystrons VA 222 R and VA 222 BF, dissipate the heat loss occurring on the electron collector connected to a metallic resonator in such a way that on the electrically neutral outer wall a discharge flange is provided for fastening to metal parts.
However, this type of Küh treatment is not transferable to electron tubes as they are based on the subject matter of the invention. On the one hand, in the case of the electron tubes from which the invention is based, the prerequisite is not that a cavity resonator is present that is rigidly connected to the heavily loaded electrode and that also serves as a support for the tube. In addition, it is essential for such tubes that they are independent of external switching elements.
The invention is explained in more detail using exemplary embodiments.
1 shows the tube-side section of a tube stage mounted on a front panel 31 of a high-frequency device, e.g. B. a vibration generator for very short electromagnetic waves. The vibration generator consists of a disc triode with the anode <I> A, </I> the grid supply <I> B </I> and the cathode supply C, the cathode circle with the inner conductor 1 and the outer conductor 2 and the anode with the Inner conductor 2 and the outer conductor 3. The outer conductor 3 also serves to attach the vibration generator to the front plate 31, which happens via an annular flange-like extension 4 and a corre sponding screw connection 5.
A capacitive block 6 in the form of an annular flange, which contains a contact spring ring 8 in a tubular extension 7, which connects to the anode connection A of the tube, serves to isolate the anode feed from the outer jacket 3 of the anode circuit with direct current. The anode voltage supply is denoted by 6 '.
The disc triode is of a known construction, and has a cooling head K, which is directly connected to the tubular anode located within the vacuum vessel via a Bol zen Bo in a highly thermally conductive connection. The anode A of the tube, which is most exposed to heat, protrudes into a metallic shielded room and is cooled in such a way that the flat end face <I> K '</I> of the cooling head <I> K </ I> a heat-dissipating part 9 is pressed on, which in turn with a heat-radiating surface - in this case the front plate 31 of the high-frequency device - is connected with good heat conductivity, through the releasable Klemmver connection of the flanges 10,
by means of the fastening screws 5 of the vibration generator on the front plate 31 are screwed. It is also assumed that the cooling head K of the electron tube, which is at anode potential, must be separated from the front plate with direct current, which is why between the mating surface <I> K '</I> on the cooling head <I> K </I> and the adjacent contact surface of the heat-dissipating part 9, a preferably attached to the latter insulating layer 11 is inserted, which consists for example of a mica layer.
The mica layer can be a few tenths of a millimeter thick. Surprisingly, the good thermal insulation of the mica does not have any effect, which is apparently based on the fact that the cross-sectional area over which the heat can flow from the cooling head K to the part 9 is very large.
The mode of operation of the arrangement described above is essentially such that when the electron tube is in operation, its anode is subjected to a relatively high load, for example with 20 to 30 watts of anode loss, and that the heat generated at the anode then flows off via the anode bolt to the cooling bolt Bo. Normally it would flow from there onto the individual disc-shaped ribs of the cooling head K, where it is removed by cooling air by means of convection.
In the embodiment according to FIG. 1, however, this type of cooling is not used, but the heat flowing away from the anode via the bolt Ba is essentially allowed to flow down to the last plate K 'of the cooling head and is removed there by means the heat conduction created by the part 9 immediately. From the part 9, the heat flows via the flanges 10 to the front plate 31, where the remainder arriving there is carried away essentially by radiation, partly also by convection with the surrounding air.
Extensive investigations have shown that the cooling achieved in this way is extraordinarily effective with barely noticeable heating of the front plate 31 of the high-frequency device, which is apparently based on the fact that the heat flowing off via the last cooling fin K 'through heat conduction is distributed over a large area and is thus quickly released to the outside space.
In the embodiment of Fig. 1, the part 9 can either be designed in the manner of an all-round tightly close the cap, which is stuck on the rohrzylindri's flange 10 by means of clamping by friction and can be solved by simply lifting off. But it is also possible to give the part 9 the shape of a U-shaped rail, which is then fastened to the correspondingly designed flanges 10, for example also by means of clamping. If necessary, it is advisable to provide releasable screw connections in both execution forms in order to ensure that parts K 'and 11 or 9 and 9 and 10 are as securely as possible resting, and possibly also pressed on.
In the last-mentioned embodiment with U-shaped part 9, there is the additional advantage that the air stored between the cooling head and parts 9 and 10 no longer serves as a heat store, but when heated, preferably with a vertical arrangement of the U-rail formed chimney, wipes upwards and so follows up cooling air.
As can be seen from FIG. 31, it is no longer absolutely necessary for the solution proposed according to the invention to the object described in the introduction to provide the electron tube with a cooling head of the usual type which has cooling fins. For the purposes of the invention it is quite sufficient if the cooling head of the electron tube has a bolt-shaped heat dissipation Bo, which optionally runs into a plate-like projection T as shown in FIG.
which is seen at its end face facing away from the anode 12 preferably with a flat mating surface or some other suitable end surface for the purpose of good heat dissipation on the heat-dissipating part.
In practice, there is often the additional requirement to compensate for certain mechanical inaccuracies in the holder of the electron tube, which can consist, for example, in the tube's axis not being exactly perpendicular to the heat-dissipating surface or that for pressing on the heat-dissipating surface Part 9 serving surface of the electron tube is not exactly parallel to the corresponding surface of part 9, but is tilted for this purpose.
In this case, if the part 9 is pressed on sharply, it could happen that the tube is moved undesirably in the socket or its glazing is damaged, while if the pressure is too little, only a small part of the between 9, 11 and K 'is available standing cross-sectional plane there is a good heat conducting connection
These difficulties can be avoided in that the pressed-on part is designed in the manner of a resilient rocker that is connected to the heat-radiating surface via flexible heat conductors.
An exemplary embodiment for this is shown in FIG. 3, in which only the resilient rocker is shown in connection with further means for heat dissipation, the entire part in the arrangement shown in FIG. 1 in place of parts 9, 10 and 11 has to think about. The rocker 'consists of a, for example, square or round metal plate 13, the z. B. at 2 opposite points 14 and 15 by means of two springs 16, of which, because of the section shown in the drawing in Fig. 3 only one is visible, is suspended in a, for example, rectangular housing of sufficiently large wall thickness.
The metal plate 13 is optionally analogous to the embodiment of FIG. 1 with a thin insulating layer 11, for. B. a mica layer on the support surface for the cooling head part K 'of the cooling head K of the electron tube provided. The dissipation of the heat flowing from the cooling head K via K 'to the plate 13 takes place via flexible heat conductors which, in the exemplary embodiment, consist of thin copper strips 18 of relatively large width. For example, this can be 4 or 5 copper strips, each of which has a thickness of the order of a tenth of a millimeter and less.
These bands 16 are attached to the plate 18 with good thermal conductivity, for example by means of screwing, riveting, brazing or the like. On the other hand, the bands 18 are led to the side walls of the housing 17, where they are pressed against the same by means of screwed clamping jaws 19, also for the purpose of good heat conduction. Here, too, other known With tel can be provided for attachment, if they only ensure that heat conduction is guaranteed.
Lugs 20, which are provided with screw slots or screw openings, are used to fasten the housing 17 to the front plate 31. These devices 20 are used to ensure a good heat dissipation from the Ge housing 17 to the heat radiating wall 31, for which it is necessary to press the housing 17 onto the heat radiating wall 31, which can be the front panel of a high-frequency device, if possible with a snug fit. Additionally,
In particular, to avoid overpressure, the housing 17 is provided on two opposite wall parts with openings 21, the diameter d of which is selected to be so small that, if necessary, undesirable in itself, electromagnetic waves propagating from the electron tube into the housing 17 cannot propagate through the openings or channels 21 in the form of hollow tubular waves, but that these waves are damped aperiodically. The diameter d should therefore be chosen to be smaller than half an operating wavelength.
The mode of operation of the arrangement shown in FIG. 3 can be imagined as that when the housing 17 is placed on the heat-radiating wall 31 in FIG. 1, the rocker 13 with its surface 11 on the surface <I> K ' </I> of the cooling head <I> K </I> of the electron tube comes to rest and, because of the rocker-like design, lies well on this surface K '. Here, too, it is advisable to pay attention to fitting surfaces.
The heat then flows from the anode of the electron tubes via the bolt Bo to the heat dissipating part 13 and from there via the flexible heat conductor 18 to the wall of the housing 17. In this way, there is a relatively large area for radiation at the anode The heat generated by the electron tube is available which is formed by the housing 17, which also serves to cover the tube on the front panel of the high-frequency device. The remaining heat flows to the heat radiating surface 31, and will give abge from there to the surrounding space.
If it is important in individual cases to keep the heat generated at the highly thermally stressed electrode of the electron tube away from the wall 31 used in the previous exemplary embodiments for heat radiation, for example the front panel of a high-frequency device, this can be done in this way realize that the dissipative cooling is placed at a point of the high-frequency device that has a good thermal connection with the outside space, preferably in such a way that the heat-dissipating part 9 or 13 protrudes at least partially from the device or
forms part of the surface thereof, and that means are provided to prevent the heat from flowing away from the heat-dissipating part 9 or 13 onto the wall parts or parts of the device that protect against heat.
This is shown by way of example in FIG. 4, parts similar to FIGS. 1 and 3 being provided with the same reference numerals. The vibration generator itself is constructed the same as in Fig. 1. In this case, the heat-dissipating part, namely the housing 17, also serves as a heat-radiating wall, which can be improved by placing on the side walls and / or on the bottom surface of the Housing 17 cooling fins 22 are provided. Instead of the cooling fins or in addition to this, at least individual walls of the housing 17, for example the bottom surface and / or the side walls of the same with tubular ventilation channels 23 can be seen.
Such ventilation ducts 23 can also serve for additional cooling of the wall 41. Some ventilation ducts of this type are indicated by 24 in FIG. 4. If necessary, it is advisable to also switch on heat throttles at the points to be protected against heat discharge, which can be achieved in the simplest way by narrowing the cross section in front of the relevant point. Such a cross-sectional narrowing can be z. B. obtained in a particularly simple manner by a cutout or recess 25, which z.
B. shortly before the contact surface of the Ge housing 17 on the wall 41 is to be provided in the former if a heat flow to the front plate 41 is to be avoided. Also in the wall 41 can, for. B. ent speaking means 25 'are provided with advantage. In the embodiment of FIG. 4, the metal plate 13 is hen in the middle with a recess 26 verses, which can also be a continuous opening. This recess 26 serves to accommodate a part that may protrude on the cooling head K of the tube. The metal plate 13 can therefore be adapted as far as possible to the dimensions of the respective shape of the part of the tube that is subject to high thermal loads. You only have to pay attention to good heat transfer.
In the subject matter of the invention, in addition to conduction cooling, the known Küh treatment by means of an air stream sweeping past the surfaces to be cooled under slight overpressure is possible, which is conveniently done in such a way that, as shown in the embodiment of FIG the openings 23 is blown. The openings 23, which be in the form of elongated bores, are then expediently also provided in the side walls of the housing 17, which are not shown in detail in the drawings.
This type of cooling has the advantage that it enables an amount of heat to be dissipated with an extremely low fan effort or a fan of very low power that cannot be achieved with the previously known methods, and also that the cooling air from the part actually to be cooled , namely the electron tube or its outwardly guided heat dissipation bolts Bo, is kept away, so that the contamination of the tube and thus the resonator connected to it that occurs in the known A directions is avoided. In general, this additional fan will not be required at normal outside temperatures or, if it is present, it will not be possible to keep it running.
It represents a kind of reserve if the device is to work under extremely high outside temperatures.
In the above-explained Ausführungsbeispie len mating surfaces are provided to achieve good heat transfer between the detachable parts. Instead of these mating surfaces or in addition to them, intermediate layers with good thermal conductivity can be seen, which either consist of ductile material or are inherently elastic. Such intermediate layers can also be provided instead of the heat throttles (see, for example, 25 in FIG. 4), if the design is known per se and has a correspondingly poor thermal conductivity.
Instead of disk tubes, other electron tubes, for example traveling wave tubes, magnetic field tubes and discharge vessels and the like, can be cooled in the manner proposed according to the invention if they are technologically comparable with disk tubes only with regard to the electrode to be cooled.