Bereich: Technik  
     
     

Kühlung

Das Funktionsprinzip einer Röhre beruht auf der Bewegung von Elektronen, d. h. die Katode emittiert Elektronen die dann unter dem Einfluß der Potentioaldifferenz in Richtung der Anode beschleunigt werden. Die der Röhre zugeführte elektrische Energie wird also in kinetische Energie der Elektronen umgewandelt.
Treffen die Elektronen schließlich auf die Anodenoberfläche geben sie ihre Bewegungsenergie in Form von Wärme und Lichteffekten ab. Bei hohen Spannungen kann auch Röntgenstrahlung entstehen. Diese in Wärme umgesetzte Energie muss von der Anode aufgenommen und abgeführt werden, um eine thermische Zerstörung der Anode zu vermeiden. Abhängig von der Ausführung der Anode variiert auch deren Wärmeableitvermögen und damit die Leistung der gesamten Röhrenkonstruktion.

Die einfachste Art der Wärmeabfuhr ist die Strahlungskühlung, die für nahezu alle Röhren kleiner Leistung eingesetzt wird. Die Anode des isoliert in einem Gehäuse, Glas- oder Metallkolben, untergbrachten Elektrodensystem nimmt die Wäreme auf und strahlt diese über ihre Oberfläche an die Umgebung ab. Bei Röhren kleiner Leistung ist die Anode aus Blech geformt, bei steigender Leistung wird auf Graphit als Anodenmaterial zurückgegriffen. Die Oberfläche einer Anode und damit ihr Anstrahlvermögen kann durch die Ausprägung von Rippen auf dem Graphitkörper verbessert werden. Entsprechend werden bei Blechanoden sogenannte Abstrahlbleche zur Oberflächenvergrößerung auf das Anodenblech geschweißt oder genietet. Auch die dunkle Färbung der Anode trägt zur Verbesserung der Wärmeabstrahlung bei. Die maximal erreichbare spezifische Belastbarkeit der strahlungsgekühlten Anode liegt bei etwa 10 W/cm².

Neben der Kühlung der Anode muss auch die Temperatur der anderen Elektronden, speziell der Anode naheliegender Gitter beachtet werden. Die Überhitzung eines Gitters kann zu Sekundäremissionen führen die die Betriebsparameter beeinflussen und das Röhrensystem zerstören können. Zur Verbesserung der Wärmeableitung können an die Haltestege der Gitter kleine Kühlbleche aus thermisch gut leitendem Material angebracht werden. Zusätzlich kann auf die Gitterdrähte eine Beschichtung aufgebracht werden, die Austrittsarbeit erhöht. Hierfür können die Gitterdrähte mit einer dünne Goldschicht bedampft werden, die in Verbindung mit einer Barumkatode zu einer Erhöhung der Austrittsarbeit führt.

Bei speziellen Röhren, wie beispielsweise Röntgenröhren, die nicht der Versärkung oder Schaltung von Strömen sondern der Erzeugung von Strahlung dienen, ist eine freier Strahlaustritt notwendig. Die üblichen Maßnahmen zur Verbesserungen der Wärmeableitung sind hier nicht anbendbar.
Bei Röntgenröhren kann die Anode als motorisch betriebene Drehanode ausgeführt werden. Der Elektronenstrahl trifft nur einen kleinen Teil der Anode. Durch die Drehbewegung wandert die Austreffstelle der Elektronen über die Anodenoberfläche, wodurch sich die Wärme bereits bei der Entstehung über die Anodenfläche verteilt. Die Bereiche der Anode die außerhalb des Elektronenstrahls liegen geben die Wärme an die Umgebung ab.

Wird die benötigte Kühlleistung höher müssen leistungsfähigere und technisch aufwednigere Kühlverfahren eingesetzt werden. Hier stehen 4 Verfahren zur Verfügung, die im Folgenden betrachtet werden sollen: Kontaktkühlung, Luftkühlung, Wasser- oder Ölkühlung, Siedekühlung.

Für alle 4 Kühlvarianten ist es notwendig die im Röhrensystem entstehende Wärme möglichst effektiv an die Gehäuseoberfläche zu führen. Das Röhrengehäuse wird nicht mehr von einem spannungsfreien Glas- oder Metallkolben gebildet, sondern im Wesentlichen von der Anode sowie den Gitter- und Katodenanschlüssen die durch Isolierwerkstoffe verbunden werden und so einen hermetsich geschlossen Raum im Inneren bilden in dem sich das Röhrensystem befindet.
Da die Anode und Gitter nun leicht zugänglich sind, können hier auch realtiv einfach Kühlemente angebaut werden. Für die Kontaktkühlung arbeiten diese Kühlelemente wie bei der Strahlungskühlung, bei Luftkühlung werden sie von Druckluft und bei Wasser- oder Ölkühlung von Wasser bzw.Öl durchströmt. Bei Verdampfungskühlung wird die entstehende Wärme durch die Verdampfung des Kühlwassers erreicht.
Die mit diesen Kühlverfahren erreichbaren spezifischen Belastbarkeiten den Elektroden sind beachtlich. Während die Kontaktkühlung etwa 25 W/cm² ermöglicht, sind mit Luftkühlung 50 W/cm², mit Wasser- und Ölkühlung 100 W/cm² und mit Siedekühlung bis 500 W/cm² möglich.