|
||||||
Водяное охлаждение для больших ламп
НЕПРОВЕРЕННАЯ ИДЕЯ!!!!!
Thomas Hoeppe , DJ5RE
В усилителях мощности на 23 см диапазон на триодах 2С39 обычно используется водяное охлаждение, чтобы эффективно использовать лампы. Это необходимо, чтобы получить достаточную мощность для проведения связей с отражением от Луны (ЕМЕ). В настоящей статье рассказывается о том, как осуществить водяное охлаждение например таких триодов, как ГС-35, чтобы получить бесшумный термостабильный РА.
В настоящей статье описывается переделка ламповых усилителей с воздушным охлаждением на охлаждение водой, при этом используется особенность некоторых ламп, имеющих съёмный анодный радиатор (Рис. 1). Здесь нет конкретного руководства к постройке усилителя мощности с водяным охлаждением, а даются лишь сведения, используя которые, конструктор сможет сам спроектировать систему охлаждения для каждого конкретного случая.
В промышленности охлаждение ламп водой используется в сильно запылённых помещениях или там, где использование вентиляторов, создающих интенсивный шум, является нежелательным. Вот последнее обстоятельство и “подвигло” моего “шеф-механика” Курта ( DL1RCG) и меня опробовать этот способ охлаждения ламп.
В отсутствие шума вентилятора становится не так утомительным приём слабейших сигналов, отражённых от Луны. Можно, конечно, шум вентилятора приглушить резиновыми заглушками, одеваемыми на капсюли головных телефонов и увеличением громкости, однако, это быстро утомляет, способствует снижению разборчивости и, со временем, может привести к заболеваниям и понижению слуха. Тому, кто надеется повысить отдаваемую РА выходную мощность переводом ламп(ы) РА на водяное охлаждение, следует уяснить нижеследующее.
Рассеиваемую анодом лампы РА мощность можно с пользой для дела увеличить, если обеспечить эффективный отвод тепла: 100 Вт/кв. см – при водяном и только, примерно, 30…60 Вт/кв. см поверхности анода - при воздушном охлаждении.
Большей частью максимальная отдаваемая лампой мощность ограничена и по другим причинам: например, допустимым током управляющей сетки. Не следует забывать об охлаждении и других частей лампы: контактных металлических колец (выводов сетки, катода, подогревателя), керамики и переходов между ними (при чрезмерном нагреве контакт между керамикой и металлом, вследствии разных коэффициентов расширения, может быть нарушен, что приведёт к нарушению герметизации лампы.
Обычно производится комплексное охлаждение всех частей лампы и лишь в отдельных случаях, встречающихся и в промышленных конструкциях усилителей, охлаждаются только аноды ламп. В нашем случае, большая часть тепла отводится от анода посредством воды, но не следует забывать и об остальных частях лампы, которые греются не так сильно и достаточно малошумящего компъютерного вентилятора, укреплённого на продольной оси лампы и обдувающего расширители (небольшие радиаторы ) контактных колец лампы (Рис. 6). Совсем без вентилятора, увы, не обойтись, но с таким вентилятором уровень создаваемого акустического шума заметно ниже.
Обычно, говоря о водяном охлаждении, представляют себе открытый охлаждающий контур: вода для охлаждения поступает из водопроводного крана и, сделав своё дело, уходит в канализацию. Такой подход расточителен и требует хорошей электрической изоляции охлаждающего контура от анода. Использование замкнутого контура с обычной водой и ванной в качестве резервуара чревато большими последствиями, когда конструктора “тихо понесут ногами вперёд”, ведь анодное напряжение составляет, как правило, несколько киловольт, а с электричеством - шутки плохи…
Остаётся замкнутый охлаждающий контур с заполнением дистиллированной водой (ДВ). По отношению к открытому охлаждающему контуру экономится вода и за счёт чистоты ДВ обеспечивается изоляция и отсутствие накипи в трубках охлаждающего контура и их химического разрушения. Следует использовать только чистую ДВ, а не просто деминерализованную!
Применение ДВ создаёт свои специфические проблемы, которые следует учитывать при изготовлении системы охлаждения. Именно из за своей чистоты ДВ является прекрасным растворителем и агрессивна по отношению к ряду металлов и пластмасс . Растворение компонентов применяемых материалов является нежелательным, так как приводит со временем к их разрушению и загрязнению самой ДВ, что ухудшает её изолирующие свойства.
Схема контура водяного охлаждения в эскизной форме представлена на Рис. 4. Она построена с учётом того, что анодное напряжение на лампе может составлять несколько киловольт. При этом следует также учитывать уже упоминавшуюся агрессивность ДВ.
Анодный радиатор следует изготовить с особой тщательностью, чтобы надолго сохранить функцию отвода тепла в воду. Проводниками тепла в радиаторе могут служить только металлы. Ввиду агрессивности ДВ для водоводов в радиаторе применяется исключительно только чистая медь. Латунь, например, полностью неприемлема, так как, входящий в её состав, цинк вымывается ДВ и латунь очень быстро разрушается. Для водоводов внутри радиатора следует применять трубки с внешним диаметром 6 мм и более из чистой мягкой легкогнущейся меди. Затем, вместо охлаждаемого воздухом радиатора вытачивается цилиндр перехода от анода к водяному радиатору. Естественно, выточить такой цилиндр может тот, кто знаком с точной металлообработкой и имеет доступ к металлообрабатывающим станкам, в противном случае, можно разобрать радиатор воздушного охлаждения, удалив из него ламмели, на оставшийся цилиндр, имеющий отверстие для крепления к аноду лампы, наматывается с натягом виток к витку 5…7 витков трубки из мягкой чистой меди (для ламп с рассеиваемой мощностью в 1,5 кВт, таких, например, как ГС-35), - Рис. 2.
Для перехода тепла от цилиндра к воде контактной поверхности трубки недостаточно, поэтому из латуни изготавливается корпус радиатора, который одевается на катушку из медной трубки (Рис.3). Создавшийся промежуток заливается оловом.
Можно снизу подложить кусок жести и всю конструкцию поставить на достаточно мощную конфорку электроплиты. После заливки оловом образуется оптимальный термопереход, качество которого зависит только от точности подгонки посадочной на анод поверхности внутреннего цилиндра радиатора. Таким образом, становится возможным использовать медь как контактирующий с водой металл и изготовить остальные детали системы охлаждения из легко поддающейся обработке латуни. Для заливки радиатора не следует применять олово, используемое при пайке, так как оно содержит большое количество различных присадок, улучшающих качество пайки, но ухудшающих теплопередачу. Следует использовать чистое олово, применяемое, например, для лужения жести на производстве.
В качестве соединительных водоводов в системе охлаждения используются трубки из непроводящих электрический ток материалов . Нельзя применять чёрные, непрозрачные, резиновые и другие трубки, наполнитель материала которых может быть вымыт ДВ и ухудшит её качество. Хорошо подходят, так называемые, виниловые прозрачные трубки, которые можно приобрести в строительных магазинах, в магазинах садово-огородного инвентаря и которые используются для полива комнатных растений, в винодельческом производстве, медицине. Такие трубки из светлого пластика выпускаются различных диаметров и с разной толщиной стенки с соединителями и переходами из нейлона. Необходимо подобрать изоляционные водоводы соответствующего диаметра, подходящие к медной трубке радиатора. На киловольт анодного напряжения нужно иметь 0,5…1,0 метр длины изоляционной трубки или более, чем больше - тем лучше изоляция.
R = L / Q , где R – сопротивление водовода
L – длина водовода
Q – поперечное сечение водовода
Следом за этими двумя водяными шлейфами с достаточно большим электрическим сопротивлением (шлейфы заполнены ДВ), сделано соединение с корпусом РА, для чего к куску латуни припаяны два небольших отрезка медной трубки (того же сечения, что и трубка в радиаторе ), концы которых отогнуты вверх. Один из двух импровизированных шлейфов-водоводов разрывается на расстоянии, примерно, 1/3…1/4 часть длины шлейфа от “холодного” конца, в разрыв вставляется небольшая медная трубочка, между трубочкой и корпусом РА через соответствующий дополнительный резистор включен микроамперметр, служащий индикатором загрязнённости ДВ. Из изолированных шлейфов-водоводов, заполненных ДВ, образуется высоковольтный делитель напряжения к которому подключен вышеупомянутый прибор, при увеличении показаний которого необходимо очистить воду в системе охлаждения или заменить на свежую.
Недостатком замкнутой внутренней системы охлаждения является обязательное применение теплообменника , через который тепло, полученное от анода лампы, уходит в окружающее пространство. Здесь могут быть применены как масляные радиаторы, так и радиаторы отопительных систем автомобилей. Сами по себе теплообменники работают без проблем, проблема заключается в очистке их трубопроводов, чтобы не загрязнять ДВ. Бесшумная, медленно вращающаяся крыльчатка дополнительного вентилятора прогоняет воздух через теплообменник. Здесь желательна (автомаческая) регулировка числа оборотов двигателя вентилятора, в зависимости от температуры анода лампы.
Для обеспечения циркуляции ДВ в системе охлаждения используется аквариумный насос или насос от комнатного водяного фонтанчика. Здесь также следует заострить внимание на проверке контактирующих с ДВ материалов, которые могут её загрязнить (например детали насоса из латуни). Чтобы обеспечить нормальную работу насоса, следует располагать его ниже уровня воды в резервуаре. Большой трудностью следует считать и подбор подходящего насоса, так как большие потери при прокачке воды нельзя предусмотреть заранее, а низкая скорость циркуляции воды может вызвать перегрев лампы РА. Насос, прокачивающий номинально 10 литров воды в минуту, в этой системе прокачивает только 0,9(!) литра в минуту, так что насосы перед установкой нужно проверять. Действительно, если нужно просто перекачивать большие массы воды, то проблем не возникает, длинные же и тонкие водоводы увеличивают гидравлические потери. Также перед запуском системы охлаждения в эксплуатацию следует устроить проверку её эффективности и определить необходимое для неё количество воды.
Система охлаждения строится так, как предусмотрено, но пока без резервуара. Вместо анодного радиатора временно подключается электрочайник или сосуд с погруженным в него кипятильником. Количество воды соответствует объёму будущего резервуара, электрическая мощность соответствует мощности рассеяния лампы (например, электрочайник мощностью в 1 кВт будет эквивалентен, примерно, лампе ГС-35).
Допустим, через 20 минут вода в импровизированной системе охлаждения нагрелась с 20 до 42 градусов Цельсия, тогда, тот, кто будет работать с РА время, не превышающее 20 минут и с имеющимся количеством воды, может смело отказаться от вентилятора у теплообменника. При работе же в соревнованиях потребуется большее количество воды и теплообменник придётся хорошо обдувать.
Я применяю трёхлитровый объём воды и после 3 часов работы через Луну (ЕМЕ) температура воды составляет, примерно, 40 градусов и не поднимается выше при работе 50 % времени - на приём, 50 % - на передачу. Температуры воды более 50 градусов в системе охлаждения следует избегать из соображений коррозии металлических трубок.
Анодное напряжение на лампе РА определяет длину водоводов из изоляционных трубок: на 1 кВ анодного напряжения нужно включить, примерно, по 1 метру водоводов между анодным радиатором и точками заземления на корпус РА. Скорость тока воды в водоводах должна быть в пределах 1,0…1,3 м / сек и не должна быть большей, так как это ведёт к повышенному коррозийному износу металлических трубок.
V = Q / A , где V – скорость циркуляции, м / сек
Q – количество воды, куб. м / сек
A – поперечное сечение водовода, кв. м
На 1 кВт рассеиваемой мощности необходимо подавать, примерно, 1 литр воды в минуту. Для расчётов достаточно применять среднее значение рассеиваемой мощности, которая при работе CW и SSB явно меньше и в РА на ГС-35 будет составлять вместо 1,5 кВт всего 0,9 кВт, что потребует для охлаждения всего 900 милилитров воды в минуту . Скорость циркуляции воды при внутреннем диаметре водоводов равном 4 мм составит 1,2 м / сек.
Как только все расчёты, прикидки и эксперименты закончатся, можно приступать к окончательному монтажу системы охлаждения. Резервуар не следует заполнять до краёв, иначе, лопающиеся пузыри, возникающие при работе насоса будут способствовать расплёскиванию ДВ. Уровень воды в резервуаре должен быть самой высокой точкой в системе охлаждения. Следует избегать воздушных пузырей в водоводах и их перегибов . Покачиванием водоводов и постукиванием по ним удаляют из них воздушные пузыри при работающем насосе. Через несколько часов работы воду в системе хлаждения следует заменить, так как она быстро загрязняется остатками различных веществ, имевшихся на стенках трубок водоводов, в теплообменнике и резервуаре.
Повышающаяся проводимость воды, наблюдаемая во время работы, не должна Вас волновать : повышающаяся температура приводит к повышенной подвижности частиц воды, что в конечном счёте снижает её электрическое сопротивление.При охлаждении воды всё встаёт на место, о чём свидетельствуют показания прибора.
Входной отсек (катод и подогреватель) и керамическая изоляция между анодом и сеткой в прототипе РА охлаждались отдельным вентилятором. Система воздушного охлаждения позаимствована в Санкт-Петербурге и любезно предоставлена мне DL1EJA. Охлаждающие водоводы выходят из анодного отсека у “ горячего” конца анодного полуволнового контура. На длине в 10 см водоводы проходят через сильное РЧ поле внутри тефлонового цилиндра (Рис. 5). РА имеет кпд примерно 55 %, согласно информации полученной от радиолюбителей, использующих воздушное охлаждение, кпд может быть более 60 %. Возможно, в этом повинно водяное охлаждение: вывод охлаждающих трубок у “ холодного” конца анодного контура, наверное, смог бы улучшить ситуацию.
РА с водяным охлаждением уже пять месяцев работает без проблем. После того, как я два раза сменил воду в системе охлаждения, её проводимость остаётся стабильной, т.е. ДВ практически не загрязняется, но всё равно нужно быть внимательным: неизвестно, как поведут себя материалы из которых выполнены водоводы в дальнейшем, по истечению длительного времени. Сочетание воды и повышенного напряжения требует от конструктора повышенного внимания, аккуратности и осторожности. Изготовление подобной системы охлаждения следует рекомендовать только опытным радиолюбителям.
Буду рад услышать об успешной эксплуатации данной системы охлаждения или об её усовершенствовании.
Дерзайте!
Свободный перевод с немецкого: В.
Беседин ( UA9LAQ, mailto:ua9laq@mail.ru )
г. Тюмень, сентябрь, 2001 г.
 |
| Глас народа |
|
31.07.2011 14:52 1. Циркуляционный насос для водяного охлаждение можно использоват... -- AlexDS 18.12.2007 23:46 Как выполнить циркуляционный насос? Обязательно ли обдувать радиа... -- UA3SMB 11.03.2007 22:47 А можно ли вместо воды конденсаторное масло залить. Как у него с ... -- UT4UBL |
