DE10102653A1

DE10102653A1 - Wärmeschalter sowie System und Verwendung hierzu

Info

Publication number: DE10102653A1
Application number: DE10102653A
Authority: DE
Inventors: Matthias Klauda
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Tesat Spacecom GmbH and Co KG
Priority date: 2001-01-20
Filing date: 2001-01-20
Publication date: 2002-07-25

Abstract

Bei einem Wärmeschalter weist ein erster Metallkörper (1) mindestens ein freies Ende (11) auf. Dieses freie Ende (11) ist unter Einwirkung eines dritten und vierten Metallkörpers (3, 4) in Richtung eines zweiten Metallkörpers (2) so bewegbar, dass bei Erwärmung oder Abkühlung des dritten beziehungsweise vierten Metallkörpers (3, 4) ein Wärmekontakt hergestellt oder getrennt wird.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Wärmeschalter, insbesondere zur Verbindung eines Kühlers mit einer kyrogenen Einheit.

Die Kühlung von supraleitenden oder auf den Betrieb bei Kälte ausgelegten Baugruppen der Kommunikätionstechnik geschieht für den kommerziellen Bereich derzeit überwiegend mittels Kältemaschinen nach dem Stirling- oder Pulsrohrprinzip. Falls die Anwendung eine turnusmäßige Wartung nicht gestattet, z. B. in der Satellitenkommunikation, oder längere Ausfallzeiten des Kühlsystems nicht tragbar sind, z. B. in Mobilfunk- oder Richtfunk-Basisstationen, muss eine Redundanz eines Kühlaggregates vorgesehen werden. Hierzu werden gemäss Fig. 1 zwei Kühlaggregate 61 und 62 mit der kyrogenen Einheit 5 verbunden, von denen eines operativ, d. h. kühlend, ist, das andere abgeschaltet ist oder zumindest nur mit sehr geringer Leistung sich selbst kühlt. Bei derartigen Anordnungen wird die Redundanz somit erkauft durch eine zusätzliche elektrische Eingangsleistung, welche für die Kühlung des redundanden Kühlers benötigt wird.

Bekannte Realisierung von Wärmeschaltern basieren auf zwei ineinander gesteckten Rohren unterschiedlicher Wärmeausdehnung (siehe Fig. 2). Dabei wird das innere Rohr (oder Zylinder) 9 mit geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten mit dem kyrogenen System, bzw. der zu kühlenden Einheit, verbunden, das äußere Rohr 10 mit hohem Wärmeausdehnungskoeffizienten mit dem Kühler. Für den operativen Fall kühlt der Kühler den äußeren Zylinder, dieser schrumpft und schmiegt sich um das innere Rohr (oder Zylinder). Bei ausgeschaltetem Kühler erwärmt sich das äußere Rohr, gegebenenfalls muss durch eine Zusatzheizung der Aufwärmvorgang vorübergehend unterstützt werden, und öffnet den Kontakt.

Vorteile der Erfindung

Der Wärmeschalter gemäss Anspruch 1 hat den Vorteil, dass die Auslenkung des freien Endes des ersten Metallkörpers, verursacht durch den dritten und vierten Metallkörper bei Erwärmung oder Abkühlung derselben, über einen Hebelarm erfolgt, der von seinem freien Ende bis zur Lage des dritten beziehungsweise vierten Metallkörpers reicht. Dies vervielfacht den Hub der Wärmeausdehnung oder -schrumpfung des dritten und vierten Metallkörpers und führt zu einem sicheren Wärmekontakt- beziehungsweise Trennvorgang. Die Fertigungstoleranzen an den Wärmeschalter sind gegenüber bekannten Lösungen deutlich herabgesetzt. Die Materialien des ersten und zweiten Metallkörpers können bezüglich ihrer mechanischen Festigkeit oder anderer Kriterien ausgewählt werden, ohne die gravierende Einschränkung drastisch unterschiedlicher Materialien in Kauf nehmen zu müssen. Für die Metallkörper hoher Wärmeleitfähigkeit (dritter und vierter) kann problemlos eine Auswahl unter unterschiedlichen Materialien erfolgen. Der Wärmeschalter nach der Erfindung erfüllt folgende Anforderungen besonders gut:

- reproduzierbares Öffnen und Schließen,
- hoher Wärmewiderstand in geöffnetem Zustand,
- geringer Wärmewiderstand in geschlossenem Zustand.

Im Gegensatz zu der Realisierung des Wärmeschalters mit zwei ineinander gesteckten Rohren tritt folgende Problematik bei der erfindungsgemäßen Realisierung nicht auf:

- der geringe Unterschied im Durchmesser des äußeren Rohres zwischen kaltem und warmem Zustand. Wird z. B. das äußere Rohr 10 aus Aluminium (α_th ~ 24 ppm/K, Innendurchmesser z. B. 3 cm) gefertigt, das innere Rohr dagegen aus Molybdän (α_th ~ 5 ppm/K), öffnet sich beim Erwärmen des Aluminium- Rohrs 10 um 200 K der Kontakt zwischen beiden Materialien um weniger als 0,1 mm. Bei nicht vollständiger Öffnung "fällt" der Wärmeschalter ohne permanente Zusatzheizung in den meisten Fällen nach kurzer Zeit wieder zu. Die präzise Fertigung und Montage dieses Moduls ist daher sehr aufwendig,
- da das äußere Rohr 10 beim Schließen des Schalters den inneren Zylinder 9 kraftschlüssig umgibt, ist man darauf angewiesen, dass keine plastische Verformung dieses Rohres stattfindet. Weiche Materialien, wie z. B. gerade Aluminium, sind auch diesem Grunde problematisch.

Bei einer topf- oder wannenförmigen Ausbildung des ersten Metallkörpers gemäss Anspruch 2 bildet der obere Rand das freie Ende des topf- oder wannenförmigen Metallkörpers. Er kann den zweiten scheibenartig gestalteten Metallkörper an seinem Außenumfang formschlüssig umgeben und damit bei rotationssymmetrischer Ausgestaltung ringartig über den gesamten Scheibenumfang den Wärmekontakt herstellen.

Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 3 preßt der dritte Metallkörper den Topf- oder Wannenmantel des ersten Metallkörpers beim Abkühlen zusammen und dieses Zusammenpressen wird um den Hebelarm vervielfacht an den Topf- beziehungsweise Wannenrand weitergegeben, der sich dann auf den zweiten Metallkörper zubewegt und den Wärmekontakt schließt. Mehrere 0,1 mm Hub am Topf- oder Wannenrand sind aufgrund des Zusammenpressens problemlos realisierbar, so dass die Fertigungstoleranzen an den Schalter herabgesetzt werden können.

Ebenso wird bei der Ausgestaltung nach Anspruch 4 durch die Hebelwirkung ein großer Hub beim Öffnen des Wärmeschalters erreicht. Beim Erwärmen des vierten Metallkörpers preßt dieser den Topf- oder Wannenmantel auseinander und öffnet den Wärmeschalter mit einem Hub, der ebenfalls um einen Hebelarm vervielfacht ist.

Wird der vierte Metallkörper gemäss Anspruch 5 als Scheibe mit trapezförmigem Querschnitt ausgestaltet, wobei die längere Basisseite des Trapezes beim Einlegen in den ersten Metallkörper 1 vom Topf- oder Wannenboden abgewendet ist, wirkt der umlaufende Scheibenrand als definierter Drehpunkt des Hebels.

Gemäss Anspruch 6 brauchen erster und zweiter Metallkörper im Gegensatz zum erwähnten Rohrschalter mit unterschiedlicher Wärmeausdehnung keinen unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen. Es ist geradezu vorteilhaft, wenn sie einen möglichst gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen, der auch noch sehr gering sein kann, da die Betätigung des Wärmeschalters dann im Wesentlichen nur von der Wärmeausdehnung des dritten und vierten Metallkörpers abhängig ist.

Wird das freie Ende des ersten Metallkörpers gemäss Anspruch 7 oder 8 geschlitzt ausgebildet, ist insbesondere bei topf- oder wannenartigem ersten Metallkörper der Widerstand beim Auseinanderbewegen der freien Enden geringer, was ebenfalls einem großen Hub förderlich ist.

Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 9 und 10 kann eine einfache Verbindung zwischen Kühler und kyrogener Einheit hergestellt werden.

Beim System nach Anspruch 11 oder 12 kann auf einfacher Weise ein Redundanzbetrieb für die Kühlung erzielt werden.

Die Verwendung des Wärmeschalters nach der Erfindung oder des Systems nach den Ansprüchen 11 und 12 eignet sich vorteilhaft dort, wo Wartungsarbeiten nicht oder sehr schwer möglich sind, insbesondere in Systemen der Satellitenkommunikation beispielsweise zur Kühlung von supraleitenden Baugruppen.

Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand nachfolgender Zeichnungen erläutert. Es zeigen

Fig. 3 einen Wärmeschalter nach der Erfindung,

Fig. 4 eine Anwendung eines erfindungsgemäßen Wärmeschalters in einem redundanten kyrogenen System,

Fig. 5 eine Aufsicht auf den Wärmeschalter nach der Erfindung.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Fig. 3 zeigt schematisch das Prinzip eines erfindungsgemäßen Wärmeschalters. Zwischen einem ersten Metallkörper 1 und einem zweiten Metallkörper 2 soll eine formschlüssige Verbindung herstellbar sein, über die ein Wärmekontakt erfolgen kann. Wie die Fig. 3 zeigt, besitzt der erste Metallkörper 1 ein freies Ende 11, welches mit dem scheibenartig gestalteten zweiten Metallkörper 2 an dessen Außenmantel einen Formschluß bilden kann. Der erste Metallkörper 1 wird vorzugsweise wannen- oder topfförmig ausgebildet, wobei bei rotationssymmetrischer Ausgestaltung des topf- oder wannenförmigen Metallkörpers 1 und des scheibenartigen zweiten Metallkörpers 2 ein Formschluß am gesamten Außenmantel des zweiten Metallkörpers mit dem freien Ende 11 des ersten Metallkörpers 1 erfolgen kann.

Der Schaltvorgang des Wärmeschalters wird durch einen in den wannen- oder topfförmig ausgestalteten ersten Metallkörper 1 eingebrachten vierten Metallkörper 4 hoher Wärmeleitfähigkeit und einen den wannen- oder topfförmig gestalteten ersten Metallkörper 1 von außen umgebenden dritten Metallkörper 3 mit ebenfalls hoher Wärmeleitfähigkeit gesteuert. Sowohl der dritte als auch der vierte Metallkörper 3 beziehungsweise 4 sind vorzugsweise im unteren Drittel der Topf- beziehungsweise Wannenwand des Metallkörpers 1 vorgesehen. Der dritte Metallkörper 3 besteht vorzugsweise aus einem Ring, der den Außenmantel des Metallkörpers 1 vollständig und formschlüssig umgreift. Der vierte Metallkörper 4 ist scheibenartig ausgestaltet und ist am Topf- oder Wannengrund des ersten Metallkörpers 1 eingelegt. Der vierte Metallkörper 4 weist vorzugsweise einen trapezförmigen Querschnitt auf, wobei die längere Basisseite vom Wannengrund abgewendet ist. Bei Erwärmung des vierten Metallkörpers 4 dehnt sich dieser aus und sein oberer Rand drückt dann wie eine Schneide gegen die Topfinnenwand des ersten Metallkörpers 1. Das freie Ende 11 des ersten Metallkörpers 1 bewegt sich dadurch vom zweiten Metallkörper 2 nach außen weg und öffnet den Wärmekontakt zwischen erstem und zweiten Metallkörper 1 und 2. Die Auslenkung des freien Endes 11 erfolgt dabei über den Hebelarm, der von der Lage der Schneide des trapezförmigen vierten Metallkörpers 4 bis zum Topfrand des Metallkörpers 1 reicht. Beim Abkühlen des ersten Metallkörpers 1 zieht sich der als Ring ausgebildete dritte Metallkörper 3 zusammen und preßt das freie Ende 11 gegen den zweiten Metallkörper 2 und schließt den Wärmeschalter. Auch diese Auslenkung erfolgt unter Ausnutzung eines Hebelarmes (Lage des Ringes bis zum Topf- beziehungsweise Wannenrand). Bei Erwärmung des eingelegten Metallkörpers 3 preßt dieser den Topfmantel beziehungsweise -wanne wieder auseinander und öffnet den Wärmeschalter.

Es ist vorteilhaft, wenn der erste und der zweite Metallkörper 1 und 2 näherungsweise den gleichen und möglichst niedrigen Ausdehnungskoeffizienten besitzen. Dann wird der Wärmeschalter ausschließlich über die Erwärmung und Abkühlung des dritten und vierten Metallkörpers gesteuert.

Gegenüber bisherigen Bauformen hat die erfindungsgemäße Realisierung die folgenden wesentlichen Vorteile:

- durch die Verwendung der Seiten der Wanne 4 als Hebelarme wird die Ausdehnung oder Schrumpfung von Einsatz (Metallkörper 4) oder Ring (Metallkörper 3) vervielfacht. Mehrere 0,1 mm sind aufgrund der Ausdehnung von Einsatz oder Ring um < 0,1 mm problemlos realisierbar. Die Fertigungsanforderungen an den Schalter sind dadurch drastisch herabgesetzt
- die Materialien von Metallkörper 1 und Metallkörper 2 können bezüglich ihrer mechanischen Festigkeit oder anderer Kriterien ausgewählt werden, ohne die gravierende Einschränkung drastisch unterschiedlicher Materialien in Kauf nehmen zu müssen. Für Einsatz oder Ring kann jederzeit z. B. geeignet dimensioniertes Aluminium, Magnesium, Messing oder ein anderes Material hoher Wärmeausdehnung gewählt werden.

Fig. 4 zeigt ein redundantes kyrogenes System, bei dem zwei Wärmeschalter 71 und 72 nach der Erfindung zum Einsatz kommen. Die ersten Kontakte der Wärmeschalter 71 und 71, die durch die Metallkörper 2 der Wärmeschalter gebildet werden, führen zum kyrogenen System 5. Die zweiten Kontakte der Wärmeschalter 71 und 72, die durch die ersten Metallkörper 1 der Wärmeschalter gebildet werden, führen zu jeweils einem Kühler 61 beziehungsweise 62. In dem in Fig. 4 dargestellten Beispiel dient der Kühler 61 als operativer Kühler; d. h. er arbeitet im Kühlbetrieb. Durch seine Kühlung zieht sich der Ring (Metallkörper 3) seines Wärmeschalters 71 zusammen und schließt den Wärmekontakt zwischen Kühler 61 und dem kyrogenen System 5. Der redundante nicht operative Kühler 62 ist erwärmt. Der Metallkörper 4 des Wärmeschalters 72 preßt das freie Ende 11 seines Metallkörpers 1 vom Metallkörper 2 weg. Der Ring 3 ist wegen seiner Erwärmung nicht in der Lage, den Wärmekontakt zu schließen. Der redundante Kühler 62 ist vom kyrogenen System 5 getrennt.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft, den ersten Metallkörper 1 an seinem freien Ende geschlitzt auszubilden. Die Schlitze 12 (Fig. 5) sind bei kreiszylindrischer Ausbildung des topf- oder wannenförmig gestalteten Metallkörpers 1 längs in Richtung der Rotationsachse vorgesehen. Sie verringern den Widerstand, der bei Auslenkung der freien Enden 11 nötig ist und erhöhen dadurch die Zuverlässigkeit des Schaltvorganges, insbesondere für den Fall, dass der operative Kühler nicht mehr mit voller Kühlleistung betriebsbereit ist.

Claims

1. Wärmeschalter, insbesondere zur Verbindung eines Kühlers (61, 62) mit einer kyrogenen Einheit (5), bestehend aus:
einem ersten Metallkörper (1) mit mindestens einem freien Ende (11),
einem zweiten Metallkörper (2), der so angeordnet ist, dass er mit dem ersten Metallkörper (1) eine formschlüssige Verbindung eingehen kann,
einem in einem Abstand zu dem mindestens einen freien Ende (11) des ersten Metallkörper (1) angeordneten dritten Metallkörper (3) hoher Wärmeleitfähigkeit, der bezüglich des ersten Metallkörpers (1) so angeordnet ist, dass letzterer bei Erwärmung des dritten Metallkörpers (3) einen Wärmekontakt mit dem zweiten Metallkörper (2) eingehen kann,
einem ebenfalls in einem Abstand zu dem mindestens einen freien Ende (11) des ersten Metallkörpers (1) angeordneten vierten Metallkörper (4) hoher Wärmeleitfähigkeit, der bezüglich des ersten Metallkörpers (1) so angeordnet ist, dass er bei Abkühlung einen bestehenden Wärmekontakt zwischen dem ersten und dem zweiten Metallkörper (1, 2) trennen kann.

2. Wärmeschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Metallkörper (1) topf- oder wannenförmig ausgebildet ist und dass der zweite Metallkörper (2) scheibenartig gestaltet ist und an seinem Außenumfang vom Topf- oder Wannenrand des ersten Metallkörpers (1) formschlüssig umgeben ist.

3. Wärmeschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Metallkörper (3) als ein den Topf- oder Wannenmantel des ersten Metallkörpers (1) außenseitig umgebender Ring gestaltet ist.

4. Wärmeschalter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der vierte Metallkörper (4) scheibenartig ausgestaltet ist und innenseitig am Topf- oder Wannengrund des zweiten Metallkörpers (2) angeordnet ist.

5. Wärmeschalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der scheibenartig ausgestaltete vierte Metallkörper (4) einen trapezförmigen Querschnitt aufweist, wobei die längere Basisseite des Trapezes vom Topf- oder Wannengrund abgewendet ist.

6. Wärmeschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Metallkörper (1, 2) einen geringen und möglichst gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen.

7. Wärmeschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass erste Metallkörper (1) an seinem freien Ende (11) geschlitzt (12) ausgebildet ist, derart, dass mehrere freie Enden entstehen.

8. Wärmeschalter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze (12) längs in Richtung der Rotationsachse des ersten Metallkörpers (1) vorgesehen sind, wenn dessen topf- oder wannenförmige Ausbildung Kreiszylinderform aufweist.

9. Wärmeschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Metallkörper (2) mit einer kyrogenen Einheit (5) verbunden ist.

10. Wärmeschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der vierte Metallkörper (4) mit einem Kühler (6) verbunden ist.

11. System bestehenden aus mindestens zwei Wärmeschaltern (71, 72) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils zweiten Metallkörper (2) mit einer kyrogenen Einheit (5) und die vierten Metallkörper (4) jeweils mit einem Kühler (61, 62) verbunden sind.

12. System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Kühler (61) aktiv im Kühlbetrieb arbeitet und ein weiterer Kühler (61) als redundante Einheit vorgesehen ist.

13. Verwendung des Wärmeschalters nach einem der Ansprüche 1 bis 10 oder des System nach Anspruch 11 oder 12 in Systemen, wo Wartungsarbeiten nicht oder nur schwer möglich sind, insbesondere in Systemen der Satelliten-Kommunikation mit supraleitenden Baugruppen.