DE2033825C3

DE2033825C3 - Kühlsystem für optische Sender oder Verstärker

Info

Publication number: DE2033825C3
Application number: DE2033825A
Authority: DE
Inventors: Christopher F. Hollywood Knapp; Peter S. Hawthorne Ozzimo
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1969-07-28
Filing date: 1970-07-08
Publication date: 1980-10-09
Also published as: DE2033825B2; NL150277B; GB1319302A; IL34782A; IL34782A0; US3638140A; SE367283B; DE2033825A1; NL7010954A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Kühlsystem für optische Sender oder Verstärker gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiges Kühlsystem ist aus der GB-PS 00 243 bekannt. Aus den Unterlagen der DE-GM 04 637 ist weiterhin ein tragbarer optischer Sender bekannt, der in ein Gehäuse eingebaut ist, daß mit einem Kühlrippensystem versehen ist, um eine gute Wärmeableitung zu gewährleisten, und das mit dem optischen Sender eine Baueinheit bildet Dieser optische Sender, ein Gaslaser, hat jedoch nur geringe Leistung und entwickelt deshalb so wenig Wärme, daß zu deren Ableitung die normale Wärmeübertragung vom optischen Sender auf das diesen umgebende Gehäuse ausreicht In der Zeitschrift »Journal of Scientific Instruments (J. of Physics Ε)« Serie 2, Band 1, Nr. 4, April 1968, Seiten 476 bis 478, wird ein optischer Sender mit einer unmittelbar an der Anregungskammer befestigten Pumpe für das gasförmige Kühlmittel beschrieben, wobei jedoch ein offener Kreislauf vorgesehen ist

Bei optischen Sendern und Verstärkern, die mit hoher Impulsleistung und mit hoher Wiederholungsfrequenz betrieben werden, muß die entwickelte Wärme aus der Anregungskammer des optischen Senders oder Verstärkers zwangsweise abgeführt werden, damit sie nicht die optische Ausrichtung und die Wirkungsweise der wirksamen Bauteile des optischen Senders oder Verstärkers stört Das eingangs genannte Kühlsystem für optische Sender oder Verstärker hat ein zu großes Volumen und ist zu schwer, um in tragbaren oder im Betrieb in der Hand zu haltenden Geräten eingesetzt werden zu können.

Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Kühlsystem für optische Sender oder Verstärker zu schaffen, das die Ausbildung von optischen Sendern und Verstärkern hoher Leistung als tragbares Gerät ermöglicht

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Kühlsystem ist demnach durch die geschickte Anordnung der Umwälzpumpe eine Verkürzung des Kühlmittelkreislaufs erreicht, so daß eine Einheit mit geschlossenem Gehäuse und von minimalem Gewicht und Volumen verwirklicht werden kann. Es ist daher möglich, mit Hilfe des erfindungsgemäßen Kühlsystems optische Sender oder Verstärker mit hoher Impulsleistung und hoher Folgefrequenz zu erstellen, deren geringes Gewicht und geringes Volumen ihre Verwendung als tragbare und im Betrieb in der Hand zu haltende Geräte gestattet.

Ausgestaltungen der Erfindung nach dem Hauptanspruch ergeben sich aus den Unteransprüchen. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand der F i g. 1 bis 3 näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 die perspektivische Ansicht eines in der Längsmittelebene geschnittenen Kühlsystems nach der Erfindung,

F i g. 2 einen Querschnitt durch eine Ausführungsform der Erfindung mit einem die Anregungskammer in Querrichtung durchfließenden Kühlmittelstrom und

Fig.3 einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines Kühlsystems nach der Erfindung.

Die in F i g. 1 dargestellte Ausführungsform der Erfindung bildet eine Baueinheit mit einem Gehäuse 12, das eine sich in seiner Längsrichtung erstreckende Anregungskammer 14 für einen optischen Sender, eine sich ebenfalls in seiner Längsrichtung erstreckende Wärmeaustauscherkammer 16 und zwei vertikale Kanäle 18 und 20 enthält, die die Enden der Anregungskammer 14 und der Wärmeaustauscherkammer 16 zu einem ringförmig geschlossenen Kanal verbinden.

Das Gehäuse besteht vorzugsweise aus einem guten Wärmeleiter, insbesondere aus Metall, und kann aus einem einteiligen Gußstück bestehen, das den Boden 22, zwei Stirnwände 24 und 26 und zwei Seitenwände umfaßt Der Boden 22 kann ein Ablaßventil 23 und ein Einfüllventil 25 für das Kühlmittel enthalten. Die oberen Abschnitte der Seitenwände sind jeweils abgerundet und bilden einen zylindrischen oberen Abschnitt 28, der die Wärmeausuuscherkammer 16 umgibt

Das Äußere des Gehäuses ist in der Umgebung des ι ο zylindrischen Abschnittes 28 von einer Serie dünner, metallischer Kühlrippen 42 umgeben, die quer zur Achse der Wärmeaustauscherkammer 16 angeordnet sind Die Kühlrippen 42 sind vorzugsweise mit dem Gehäuse durch Hartlöten verbunden, damit ein wirksamer Wärmeweg zu der Wärmeaustauscherkammer 16 hergestellt wird Die senkrechten Enden der Kühlrippen können durch nicht näher dargestellte Seitenplatten miteinander verbunden sein. Die Kühlrippen können sich über die Seitenwände hinweg und um diese herum erstrecken, damit auch die Anregungskammer 14 von den Kühlrippen umgeben isi und ein zusätzlicher Weg zur Abfuhr von Wärme aus der Anregungskammer geschaffen wird. Die horizontalen Enden 44 der Kühlrippen werden offen gelassen, damit ein quer zur Wärmeaustauscherkammer 16 gerichteter Fluß eines der Umgebung entnommenen Kühlmittels möglich ist Die Kühlrippen 42 können von einer Deckplatte 46 umgeben sein, die auch dazu dienen kann, die Baueinheit mit anderen Bauteilen zu verbinden oder einen Ventilator anzubringen, der bewirkt daß Umgebungsluft zwischen die Kühlrippen 42 durchfließt und dadurch die Wärmeabfuhr von dem Gehäuse 12 erhöht

Eine der Stirnwände 24 des Gehäuses ist mit einer mit der Wärmeaustauscherkammer 16 fluchtenden Öffnung versehen, die ein Innengewinde aufweist und einen Schraubring 30 aufnimmt Von dem Schraubring 30 wird ein Einsatz 34 gehalten, in dessen Mitte ein Überdruckventil 32 angeordnet ist. Das Überdruckventil 32 erstreckt sicn durch den Einsatz nach außen und nach innen in den Kanal 18 hinein, der die Anregungskammer 14 mit der Wärmeaustauscherkammer 16 verbindet Auch die andere Stirnwand 26 enthält eine mit einem Innengewinde versehene Öffnung, in der sich ein Schraubring 38 befindet Von diesem Schraubring wird ein Triggertransformator 40 gehalten, der sich bis in den Kanal 20 des Gehäuses erstreckt

In die Wärmeaustauscherkammer 16 ist eine Wärmeaustauscher- und Pumpenanordnung eingesetzt Diese Anordnung besteht aus einem inneren Zylinder 48 und einem dazu konzentrischen, äußeren Zylinder 50. Der Ringraum 52 zwischen diesen Zylindern enthält eine sich in Längsrichtung der Wärmeaustauscherkammer erstreckende, gewnllte zylinderkäfigartige Lamellenstruktur 53, die mit dem inneren und dem äußeren Zylinder 48 bzw. 50 durch Hartlöten verbunden ist. Innerhalb des inneren Zylinders 48 ist ein Motor 54 angeordnet der mit einer sich durch ein? Endwand 58 des Zylinders 48 hindurch erstreckende Antriebswelle 56 verbunden ist. Diese Antriebswelle 56 ist innerhalb ω des inneren Kanals 18 mit einem Gebläselaufrad 60 verbunden. Bei diesem Gebläselaufrad 60 handelt es sich vorzugsweise um das Laufrad einer Axialturbine.

Der Boden 22 des Gehäuses 12 bildet eine optische Bank, die als Träger für einen Teil der Optik des optischen Senders oder Verstärkers dient. Innerhalb der Anregungskammer 14 ist ein Stab 62 aus einem stimulierbaren Medium und eine Anregungslichtquelle 64 angeordnet, die sich beide innerhalb einer reflektierenden Hülle 66 befinden, die die eigentliche Anregungskammer für das stimulierbare Medium bildet Ein Ende der Anregungslichtquelle 64 ist^: <;inen Sockel 68 eingesetzt, der in einem Endglied 70 der Hülle vorgesehen ist Ein zweiter Sockel 72 wird von einem Arm 74 getragen, der sich in die Anregungskammer 14 hinein erstreckt Das Endglied 70 ist mit einer öffnung 76 versehen, hinter der sich ein Auskoppelglied 78 befindet das seinerseits in einer Gewindebohrung in der Stirnwand 24 angeordnet ist Die entgegengesetzte Stirnwand 26 des Gehäuses enthält eine ringförmige, entfernbare Deckplatte 80. Diese Deckplatte ist in ihrer Mitte mit einer Gewindebohrung versehen und nimmt in dieser Bohrung ein Fenster 82 auf. An der Außenseite der Deckplatte 80 ist eine Q-Schalteinheit 83 befestigt. Die Deckplatte 80 ermöglicht weiterhin den Zutritt zu der Anregungskammer 14 zum Auswechseln der Anregungr.Iichtquelle 64 oder zur Entfernung und zum Ersetzen der reflektierenden Hü'v- 66, mit der die Anregungskammer 14 ausgekleidet ist

Die in der Anregungskammer 14 während des wiederholten Zündens der Anregungslichtquelle 64, die von einer Entladungsblitzlampe gebildet wird, erzeugte Wärmt wird aus der Kammer 14 mit Hilfe eines umlaufenden Kühlmittels entfernt Das Kühlmittel wird aus der Anregungskammer 14 mit Hilfe des von dem Motor 54 angetriebenen Laufrades 60 umgewälzt. Das Kühlmittel überträgt die Wärme zu der inneren Lamellenstruktur 53 des ringförmigen Wärmeaustauschers. Die Lamellenstruktur 53 leitet ihrerseits die Wärme durch den äußeren Zylinder 50 hindurch zu den Wänden des Gehäuses und dann zu den äußeren Kühlrippen 4Z Die äußeren Kühlrippen verlieren ihre Wärme durch Konvektion an die Umgebung. Demnach wird der optische Sender oder Verstärker gekühlt, ohne daß es notwendig wäre, Röhrenanordnungen anzuschließen, und es wird eine wirksame und gleichförmige Kühlung in einer kompakten Baueinheit von geringem Gewicht erzielt

Das umgebende oder sekundäre Kühlmittel kann von einem Gas oder einer Flüssigkeit gebildet werden und durch Konvektion oder erzwungene Durrhströmung der äußeren Kühlrippen 42 mit Hilfe einer nicht näher dargestellten Kühlmittelpumpe wirksam werden. Für das umgebende Kühlmittel ist Luft besonders geeigne:. Das innere Kühlmittel sollte chemisch neutral, optisch durchsichtig und nichtleitend sein. Dieses innere Kühlmittel kann eine Flüssigkeit, wie z. B. Wasser oder ein Fluor-Kohlenwasserstoff oder ein Gas wie Luft, Argon, Helium oder Stickstoff sein. Viele Vorteile hinsichtlich des Betriebe und der Konstruktion werden erzielt, venn als Kühlmittel ein Gas wie Stickstoff unter einem Druck von 10 bis 30 at verwendet wird und das Kühlsystem mit dom Gas in komprimierte;^ Zustand betrieben wird.

Bei der Verwendung eines komprimierten Gases können Einrichtungen, wie sie bei umgewälzten Flüssigkeiten benötigt werden, als beispielsweise Filter, Neutralisierer, Deionisierer und Ausdehnungskammern, fortgelassen werden. Die Korrosion und dis optische Qualitätsverminderung, die mit der Verwendung einer Flüssigkeit als Kühlmittel verbunden sind, haben eine bedeutende Abnahme der Zuverlässigkeit und einen stark erhöhten Bedarf an Wartung zur Folge. Weiterhin sind Axialgebläse, die zum Umpumpen komprimierter Gase geeignet sind, von Natur aus wesentlich zuverlässiger als Flüssigkeitspumpen. Weiterhin ist der

Austausch einer Entladtingsblit/Iampe in Gegenwart eines flüssigen Kühlmittels eine unangenehme und schwierige Arbeit, wogegen bei der Verwendung eines komprimierten Gases als Kühlmittel nur das Ablaßventil 23 geöffnet zu werden braucht, um den Druck auszugleichen, und es kann eine saubere und trockene Entladungsblitzlampe entnommen und ausgetauscht werden. Danach braucht das System lediglich auf den gewünschten Betriebsdruck unter Verwendung des Einfüllventils gebracht zu werden.

Das Wärmetransportvermögen von komprimiertem Stickstoff ist demjenigen von flüssigen Kühlmitteln für optische Sender und Verstärker vergleichbar, jedoch werden die Wirkungen extremer Temperaturen auf Flüssigkeiten, wie Einfrieren Sieden und Wärmeausdehnung, vermieden. Kühlmittel in Form komprimierter Gase haben sich als sehr wirksam erwiesen und daher die Lebensdauer von Entladiingsblitzlampen bedeutend erhöht. Weitere Vorteile liegen in dem Fehlen einer chemischen oder ultravioletten Dissoziierung, einer Vergiftung, von Korrosions- und lonisationserscheinungcn sowie einer störenden Wärmeausdehnung. Ein ein komprimiertes Gas verwendendes System ist frei von chemischen, ionischen oder Teilchenfiltern, und es ist sein störungsfreier Betrieb ein bedeutender Faktor für eine verminderte Wartung bei erhöhter Zuverlässigkeit.

Es sind auch andere Führungen des Kreislaufs möglich. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, kann das innere Kühlmittel die den optischen Sender aufnehmende Kammer auch in Querrichtung durchströmen. Diese Art der Führung des Kühlmittels verhindert das Entstehen von Temperaturgradienten, wie sie bei einer Führung des Kühlmittels in Längsrichtung der Anregungskammer festzustellen sind. Das Kühlsystem des optischen Senders umfaßt wiederum ein einteiliges Gehäuse 201. das eine Wärmeaustauscherkammer 200, die ein lamelliertes Wärmeaustauschermaterial 216 umschließt, eine Anregungskammer 202 und Verbindungskanäle 203 und 204 enthält. Die Verbindungskanäle 203 und 204 sind mit Verteilern 206 und 208 verbunden, die sich parallel zur Anregungskammer 202 erstrecken. Der Reflektor 210 der Anregungskammer 202 weist Öffnungen 211 auf, die eine Verbindung zu den Verteilern 206 und 208 herstellen und den Durchfluß des Kühlmittels durch die Anregungskammer 202 ermöglichen. Der stimulierbare Stab 212 und die Blitzlampe 214 sind in dem Reflektor 210 so angeordnet, daß sie eine Haueinheit bilden.

Die Kanäle 203 und 204, die sich über die ganze l,änge der Anregungskammer erstrecken und Fortsätze des lamcllierten Wärrneaustauschermaterials enthalten können, leiten das Kühlmittel durch die Wärmcaustauscherkammer 200. Diese Wärineaustauscherkamnicr enthält einen ringförmigen, lamcllierten Wärme lustauscher 216. der einen Motor und ein Gebläse 218 umschließt, bei dem es sich um ein Querstromgebläse handeln kann. Die Wirkungsweise des Systems ist die oben beschriebene.

F i g. 3 veranschaulicht eine weitere Art der Kühlmittelführung, bei der die Anregungskammer und das Kühlgebläse zum Wärmeaustauscher konzentrisch angeordnet sind. Diese Art der Kühlmittelführung ergibt eine zusammengefaßte zylindrische Baueinheit für den optischen Sender und die Kühlung. Das äußere Gehäuse 220 ist mit Kühlrippen 221 für eine äußere Kühlung durch Konvektion. Strahlung oder Übertragung auf ein strömendes Kühlmittel versehen. Die Sendet kammer 222, die aus einem Reflektor 223, einem stimulierbaren Material 224 und einer Anregungslichtquelle 225 besteht, ist auf der gleichen Achse wie ein Kühlgebl^Hse 226 angeordnet, bei dem es sich um ein von einem Motor 227 angetriebenes Querstromgebläse handeln kann. Sowohl die Senderkammer als auch das Kühlgebläse sind konzentrisch zu einem rotationstoroidförmigen Wärmeaustauscher 728 angeordnet, der in Kontakt mit der Innenseite des äußeren Gehäuses 220 steht. In Betrieb wird das Kühlmittel mit Hilfe des Kühlgebläses 226 in Längsrichtung durch die Senderkammer 222 und dann in entgegengesetzter Richtung durch den Wärmeaustauscher 228 zum Ende 229 des Gehäuses 220 geleitet, wo der Kiihlmittelstrom wieder in die Senderkammer umgelenkt wird. Eine Umkehr der Drehrichtung des Ktihlgebläses würde eine Umkehr der Flußrichtung zur Foilge haben, ohne daß die Wirkungsweise wesentlich beeinflußt würde.

Hierzu !,Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kühlsystem für optische Sender oder Verstärker, dessen Kühlmittel in geschlossenem Kreislauf einen mit dem optischen Sender bzw. Verstärker starr verbundenen Kanal durchläuft, der eine Anregungskammer, einen Wärmeaustauscher und eine Umwälzpumpe miteinander verbindet, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwälzpumpe (60; 218; 226) für das Kühlmittel entweder in der Wärmeaustauscherkammer (16,200) oder in der Symmetrieachse der Anregungskammer (222) angeordnet ist und daß der optische Sender bzw. Verstärker und sein Kühlsystem mit einem beide umschließenden Gehäuse zu einer Baueinheit vereinigt sind.

2. Kfihlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachse der Anregungskammer (14) in Ströniungsrichtung des Kühlmittels angeordnet ist

3. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachse der Anregungskammer (202) senkrecht zur Strömungsrichtung des Kühlmittels angeordnet ist

4. Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich an die Außenwand (50) der Wärmeaustauscherkammer (16) ein zylinderkäfigförmiger Wärmeaustauscher (53) anschmiegt dessen Käfigstäbe als Lamellen ausgebildet sind, ci'.e mit weiteren wärmeableitenden Gliedern (12,42) verbunden sind.

5. Kühlsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß der Wärmeaustauscher in dem Zwischenraum (52) zwischen einem inneren und einem äußeren Zylinder (48 bzw. 50) Lamellen (53) enthält und zur Wärmeableitung nach außen von einer Vielzahl von mit dem äußeren Zylinder (50) verbundenen Außenkühlrippen (42) versehen ist.

6. Kühlsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenkühlrippen (42) zur Längsachse des äußeren Zylinders (50) quer angeordnet sind.

7. Kühlsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenkühlrippen (42) parallel zur Längsachse des äußeren Zylinders (50) angeordnet sind.

8. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwälzpumpe (54, 60) in dem inneren Zylinder (48) des Wärmeaustauschers (16) angeordnet ist.

9. Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel von einem komprimierten Gas, insbesondere von komprimiertem Stickstoff, gebildet wird.

10. Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwälzpumpe (54, 60) von einem Axialgebläse gebildet wird.