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Ein immer wieder auftretendes Problem im Amateurfunk ist die Kühlung der Röhren in Hochfrequenzverstärkern. Da mit steigender Frequenz der Wirkungsgrad dieser Verstärker in der Regel abnimmt, erhöht sich bei gleicher Gleichstromeingangsleistung zwangsläufig die in Form von Wärme abzuführende Verlustenergie.
Traditionsgemäß erfolgt die Abführung der Verlustwärme durch einen Luftstrom, was bei etwas größeren Verstärkern sehr große Lüfter mit mehr oder wenigergutem Wirkungsgrad mit sich bringt.
Als Alternative soll hier ein bewährtes Modell aufgezeigt werden, bei dem die Röhren durch Flüssigkeit gekühlt werden. Dabei wird die Verlustwärme mit Hilfe von öl zu einem Wärmetauscher transportiert und dort an die Umgebung abgegeben:- Obwohl Wasser die bessere Wärmeleitfähigkeit hat, habe ich mich für öl als Kühlflüssigkeit entschieden, da es keine Isolations- und Korrisionsprobleme gibt.
Die so betriebenen Hochfrequenzverstärker arbeiten mit Röhren der Familien 2C39, TH308 und TH316. Sicherlich wird es auch möglich sein, andere Röhrentypen nach diesem System zu kühlen. Meine Erfahrungen haben gezeigt, daß eine gute Kühlung der Röhre deren Lebensdauer wesentlich verlängert. Außerdem entfällt zum Beispiel bei SSB das laufende Nachstimmen der Resonanzkreise, well die thermisch hervorgerufenen Kapazitätsänderungen in der Röhre relativ gering sind.
Aufbau
Wie aus der Blockzeichnung ersichtlich, setzt sich das Kühlsystem im wesentlichen aus vier Gruppen zusammen, die untereinander mit Schläuchen verbunden sind.
Das Prinzip der Flussigkeitskülung.
Der Kühler
Der Kühler besteht wegen guter Wärmeleitfähigkeit aus Kupfer und ist in sich geschlossen, d. h., bei einem Röhrenwechsel tritt keine Flüssigkeit aus. Der auf der Röhre befindliche Radiator ist in den meisten Fällen aufgeschraubt und muß vorsichtig entfernt werden. Das Gewinde kann je nach He steller unterschiedlich sein und muß au gemessen werden (z. B. 12 x 1 mm).
Soweit es möglich ist, sollten alle Lötungen am Kühlkörper sehr sorgfältig und, wenn möglich, in Hartlot ausgeführt werden. Das Zuflußröhrchen (Teil 2) reicht bis kurz vor den Boden. Im Gegensatz dazu schließt das Rücklaufrohr (Teil 1) mit dem Deckel (Teil 3) innen bündig ab, damit die Luft vollständig entweichen kann. Vor dem Aufsetzen des Kühlkopfes auf die Rohre trägt man etwas Wärmeleitpaste auf das Gewinde auf und schraubt den Kühlkörper handfest an.
Der Wärmetauscher
Als Wärmetauscher wird eine alte Heizung aus einem PKW verwendet. Die Größe richtet sich nach der abzuführenden Wärmemenge. Als Beispiel reicht für 1000 Watt Verlustwärme bei SSB-Betrieb eine Netzgröße von etwa 20 x 15 cm völlig aus. Der Wärmetauscher wird so montiert, daß die "Wasserkästen" senkrecht stehen. Jeweils unten links und oben rechts wird ein Anschlußrohr mit einem Durchmesser von 12 mm eingelötet. Als Rücklaufanschluß kann auch Teil 7 direkt benutzt werden.
Auf beiden Wasserkästen wird oben je ein Rohr zum Befüllen und Entlüften aufgelötet. Beide Rohre werden mit einer M8-Schraube verschlossen, von der eine mit einer vertikalen 1,5-mm-Bohrung versehen ist. Dadurch kann sich bei Erwärmung kein überdruck im Kühlsystem aufbauen. An der tiefsten Stelle sollte ein kleiner Kugelablaßhahn eingelötet werden, über den im Bedarsfall mit einem Schlauch das öl abgelassen werden kann.
Zum besseren Wärm9durchsatz wird ein kleiner Lüfter vor de 'Wärmetauscher gesetzt, der je nach edarf mit unter- schiedlicher Drehzahl angeschaltet wird. So ist es möglich, die Temperatur der Kühlflüssigkeit zwischen 30° C und 50° C zu halten.
Die Pumpe
Die Pumpe(1) ist eine kleine Kreiselpumpe mit einer Leistung von etwa 300 Liter/Stunde bei einem Druck von etwa 0,2 Bar. Es eignet sich grundsätzlich jede Pumpe dieser Bauart, sofern der Werkstoff den Anforderungen wie Wärmebelastbarkeit und ölfestigkeit entspricht. Selbstverständlich wird die Größe der Pumpe vom Umfang der Gesamtanlage bestimmt. Zweckmäßig ist eine stopfbuchsenfreie Kraftübertragung vom Motor über eine Magnetkupplung auf das Pumpenrad. Dadurch entfallen Dichtungsprobleme an der Motorwelle.
Zur Geräuschdämpfung sollte der Pumpenmotor auf Schwingmetall montiert werden. Es hat sich im Laufe der Zeit gezeigt, daß sich bei der von mir verwendeten Pumpe die Kunststoffteile des Pumpengehäuses durch die Kühlflüssigkeit verändern. Dadurch traten Störungen im Kühlsystem auf. Aus diesem Grund habe ich das Kunststoffpumpengehäuse durch ein selbstgebautes Gehäuse aus Messing ersetzt und die Rotorwelle mit einer 0,2 mm dicken Messinghülse überzogen. Nach diesen Maßnahmen sind bis heute (über 1500 Betriebsstunden) keine Störungen im Umflußsystem mehr aufgetreten.
Die Durchflußkontrolleinheit
Durchlauf- und Temperaturüberwachung für Flussigeitskühlung.
Eine Durchflußkontrolleinheit ist eine nützliche Sache, aber bei kleinen Verstärkern nicht unbedingt erforderlich. Sie erhöht jedoch die Funktionssicherheit erheblich. Gemessen wird der Durchfluß in einem Nebenkreis zum Kühlkörper mit Hilfe eines Durchflußimpulsgebers(2). Wenn sich die Durchflußgeschwindigkeit um einen bestimmten Wert reduziert, wird durch Abschalten der Anodenspannung eine überhitzung des Kühlsystems verhindert. Mit einer Signallampe wird der Störzustand angezeigt.
Außerdem befindet sich die Steuerung des Ventilators auf der Platine. Je nach Temperatur der Kühlflüssigkeit wird der Ventilator bei 30° C auf kleine Stufe und bei 450 C auf volle Drehzahl geschaltet.
Zusammenbau
Entsprechend der Anzahl der zu kühlenden Stellen müssen die Verteiler für den Vor- und Rücklauf angefertigt werden. Alle Lötungen, mit Ausnahme der Kühlkörper, können mit Weichlot ausgeführt werden.
Wärmetauscher, Pumpe, Verteiler und Kühler werden durch Viton-Schlauch [3] miteinander verbunden, der mit den passenden Schlauchschellen befestigt wird. Dieser Schlauch bleibt auch nach längerer Zeit noch elastisch und ist gegen Wärme und öl unempfindlich. Bevor die Schläuche angeschlossen werden, ist eine gründliche Säuberung aller Teile unbedingt erforderlich. Schmutz im System führt zu Störungen an der Pumpe. Wenn alle Schläuche angeschlossen sind, kann das öl aufgefüllt werden.
Die Lage der Kühler muß so sein, daß alle Luft entweichen kann. Der Wärmetauscher darf nicht bis zum Rand gefüllt werden, damit sich die Flüssigkeit bei Erwärmung noch ausdehnen kann.
Als öl kann man z. B. die Sorte HPO von BP verwenden. Wichtig ist dabei nur eine niedrige Viskosität. Das Volumen der Kühlflüssigkeit im System ist sehr gering. Zum Beispiel wird für eine Anlage, bei der fünf Röhren, ein Mitsubishi-Modul und eine Stromversorgung gekühlt werden, nur etwa 500 ccm öl benötigt.
Die hier beschriebene Anlage ist seit einigen Jahren mit bestem Erfolg und ohne Störungen in Betrieb.
Einzelteile
| Teil | Anz. | Bezeichnung | Werkstoff |
|---|---|---|---|
| 1 | 1 | Rücklaufrohr | Rohr Cu 6 x 1 x 17 |
| 2 | 1 | Zuflußrohr | Rohr Cu 6 x 1 x 37 |
| 3 | 1 | Kühlkopfdeckel | Platte Cu 29,2 x 1 |
| 4 | 1 | Kühlkopfaußenring | Rohr Cu 32 x 2 x 27 |
| 5 | 1 | Kühlkopfinnenteil | Rundstab Cu 29,2 x 27 |
| 6 | 1 | Wärmetauscher komplett | Autoheizung, z. B. Opel |
| 7 | 2 | Verteilerrohr | Rohr Ms 12 x 1,5 x 82 |
| 8 | 4 | Kreislaufanschluß | Rohr Cu 6 x 1 x 16 |
| 9 | 8 | Schlauchschellen | Norma 6-8 |
| 10 | 1 | Schlauch | Viton 6 x 1 |
| 11 | 1 | Ventilator | Papst-Lüfter, ca. 21 W |
| 12 | 1 | Kreiselpumpe | Typ Heidolph KrP 800 |
| 13 | 1 | Schlauch | Viton 12 x 1 |
| 14 | 4 | Schlauchschellen | Norma 10-16 |
Schaltplan
Stückliste
| C 1, 2, 5 | 10 µF/35 V Tantal |
| C 3 | 22 µF/35 V Tantal |
| D 1 | LED LD261 |
| D 2, 3, 4, 5, 6 | 1N4148 |
| I 1 | Quad-Opamp LM324 |
| I 2 | Duo-Monovibrator 4528 |
| K 1 | Reedrelais (Schließer) (Störung) |
| K 2 | Reedrelais (Schließer) (50°C) |
| K 3 | Reed relais (Schließer) (30 °C) |
| R 1 | 680Ω |
| R 2 | 47kΩ |
| R 3 | 10 kΩ Trimmer |
| R 4, 8 | 10kΩ |
| R 5, 9 | 4,7kΩ |
| R 6, 10, 14 | 20 kΩ Trimmer |
| R 7, 11 | NTC 1,5 kΩ |
| R 12, 13 | 8,2 kΩ |
| R 15 | 27 kΩ |
| R 16 | 220 kΩ |
| R 17 | 2,2kΩ |
| S 1 | Taster (Schließer) (Reset) |
| T 1 | Phototransistor BPX81 |
| D 1 und T 1 | Impulsgeber Typ 620100 optoelektronisch |
Herstellernachweise
- Lieferant für Kreiselpumpe: Dr. Hans Bürklin, 4000 Düsseldorf 1.
- Lieferant für Durchflußimpulsgeber: KDM-electronic-GmbH, 8500 Nürnberg.
- Lieferant für Viton-Schlauch: einschlägiger Laborhandel. Viton ist ein eingetragenes Warenzeichen.
DD8DA, Jürgen Ziemann