DE102020123053A1

DE102020123053A1 - Baugruppe zur Bildung einer Vorrichtung zum Wärmeaustausch zwischen zwei Festkörpern

Info

Publication number: DE102020123053A1
Application number: DE102020123053.2A
Authority: DE
Inventors: Andrei Varykhalov
Original assignee: Helmholtz Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie GmbH
Current assignee: Helmholtz Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie GmbH
Priority date: 2020-09-03
Filing date: 2020-09-03
Publication date: 2022-03-03
Also published as: DE202021102764U1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Baugruppe zur Bildung einer Vorrichtung zum Wärmeaustausch zwischen zwei Festkörpern, wie eine solche in Kryostaten zum Einsatz kommt. Die Vorrichtung umfasst mindestens einen ersten Festkörper zur thermischen Verbindung (18) und ein zu kühlendes Bauteil (17) als zweiten Festkörper. Das zu kühlende Bauteil (17) weist einen Gewindestift (1) mit Außengewinde (6) auf oder es ist als Gewindestift (6) ausgebildet, so dass es mit einem weiteren Festkörper, der ein komplementäres Innengewinde (7) aufweist verschraubbar ist. Der weitere Festkörper entspricht dabei entweder dem ersten Festkörper (18) oder einem dritten Festkörper der ein Ring (3) und insbesondere ein Klemmring (3) ist, welcher an dem ersten Festkörper (18) gesondert verschraubbar ist, wodurch der thermischen Kontakt für den Wärmeaustausch hergestellt ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Baugruppe zur Bildung einer Vorrichtung zum Wärmeaustausch zwischen zwei Festkörpern, wie diese vielfach in allen Bereichen der Technik, in denen zwischen verschiedenen Bauteilen eine Verbindung zur Übertragung bzw. Abführung von Wärme vorgesehen ist, zum Einsatz kommt, insbesondere in Kryostaten.
Beschreibung
Die Erfindung findet insbesondere Anwendung in Kryostaten, wiewohl diese auch in anderen Vorrichtungen zum Einsatz kommen kann. Kryostaten sind Vorrichtungen, in denen definierte, räumlich begrenzte Bereiche bzw. Bauteile auf eine vorbestimmte, relativ betrachtet niedrige Temperatur abgekühlt werden, d.h. es findet ein Wärmeaustausch dieser Bereiche/Bauteile mit der Umgebung statt, der mit ausgewählten Mitteln umgesetzt wird. Konträr zu den üblichen Gepflogenheiten im Bereich des Wärmetransports, wird im Bereich der Technik der Kryostaten und auch der Kältetechnik von Begriffen wie „Kältetransport“ u.Ä. gebrauch gemacht. Im Folgenden sollen in dieser Beschreibung die Begriffe des Wärmetransports bzw. Wärmeaustausches oder auch Wärmeleitung und der Wärme genutzt werden, die immer (gemäß den Gesetzen der Thermodynamik) beinhalten, dass es in einer Richtung zu einer Erwärmung kommt und gleichzeitig in umgekehrter Richtung zu einer Abkühlung, bis zum Gleichgewicht.
Die Mittel mit denen der Wärmeaustausch in Kryostaten zur Erreichung der relativ niedrigen Temperaturen in den vorgesehenen Bereichen/Bauteilen erfolgt sind vielfältig. In dem Übersichtsartikeln von B. Baudouy (Heat Transfer and Cooling Techniques at Low Temperature, CERN Yellow Report; CERN-2014-005, S. 329-352) sind einschlägige Mittel bzw. Methoden vorgestellt. Für die vorliegende Erfindung relevant ist insbesondere ein Kryostat mit indirektem Wärmeaustausch, d.h. der Wärmeaustausch findet an dem zu kühlenden Bauteil über eine thermische Verbindung (engl. „thermal link“) statt und nicht direkt über ein Kühlmittel. Die thermische Verbindung ist im allgemeinem an einem Ende mit einem Endstück als Verbindungsstück, das zugehörig zu der thermischen Verbindung ist, versehen, dass mit einem zu kühlenden Bauteil verbunden wird.
Eine thermische Verbindung ist in Kryostaten dabei zumeist aus gewundenen (geflochtenen) Strängen von Kupferdrähten (-fäden), auch Kupferlitze genannt, oder auch Aluminiumdrähten oder Folien gebildet, an deren Enden Verbindungsstücke aus Kupfer oder Kupferlegierungen oder anderen Materialien angeordnet sind.
In Kryostaten wird insbesondere hochreines Kupfer, so genanntes OFHC Kupfer (von engl. Oxygen-Free High-Conductivity Cupper) mit einer Reinheit > 99.95 %, das eine besonders gute Wärmeleitfähigkeit aufweist, verwendet. Für effektivere Kühlung unterhalb von 20 K ist sogar eine Reinheit > 99.999 % angezeigt.
Die zu kühlenden Bauteile sind in den angesprochenen Kryostaten zumeist sogenannte Probenhalter in denen dort angeordnete, ausgesuchte Materialien auf ihre physikalischen Eigenschaften bei tiefen Temperaturen (< 200 K, insbesondere < 77 K und im speziellen < 4 K) im Kryostaten untersucht werden.
Die Probenhalter sind ebenfalls z.B. aus Kupfer gefertigt. Andere Materialien, z.B. Saphir kommen auch zum Einsatz.
Die Verbindung zwischen dem Probenhalter (zu kühlendes Bauteil) und dem Endstück der thermischen Verbindung ist maßgeblich für den Wärmeaustausch zwischen den beiden Festkörpern. Die wesentlichen Größen sind hier die Größe der Kontaktfläche zwischen den Festkörpern, die Innigkeit des Kontakts sowie die Wärmeleitfähigkeit der verwendeten Materialien. Die Verbindung sollte dabei thermischer und mechanischer Belastung, insbesondere bei den durch den Kryostaten avisierten tiefen Temperaturen, standhalten.
In der US 3,807,188 findet der Wärmeaustausch über einen mit flüssigem Metall gefüllten Balg zwischen einem Endstück (hier der sogenannte „cold finger“) und einem zu kühlenden Bauteil statt, in dem das Metall beim Kühlen erstarrt und somit eine innige Verbindung zwischen den Teilen hergestellt wird.
In der US 3,999,403 wird die Verbindung über einen elastischen Balg aus Metall hergestellt, wobei zusätzlich zur Verbesserung der Wärmeübertragung eine Paste mit hoher Wärmeleitfähigkeit aufgetragen wird.
Ein weiteres Beispiel für eine Vorrichtung zum Wärmeaustausch in Kryostaten ist in der US 4,450,693 gegeben, in der eine Steckverbindung zum Wärmeaustausch mit einer Feder für besseren Kontakt angepresst wird. Auch hier wird mit einer Paste mit hoher Wärmeleitfähigkeit der Wärmeaustausch optimiert.
In dem Aufsatz 1 von G. Authelet et al. (Conceptual design of a cryogen-free µMRI device, IOP Conference Series: Material Science and Engineering 278, 2017, 012122 - 2-7) entspricht die Verbindung gattungsgemäß der Vorrichtung zum Wärmeaustausch des Patentanspruchs 1. Diese ist durch einen einfachen Kontakt zwischen einer Kupferplatte mit Flansch als Endstück der thermischen Verbindung und einem Probenträger, als zu kühlendes Bauteil, aus Saphir realisiert.
Aufgabe der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung ist es eine Vorrichtung zum Wärmeaustausch zwischen zwei Festkörpern anzugeben, mit der gegenüber dem Stand der Technik ein verbesserter Wärmeaustausch bewirkt wird und dabei gleichzeitig Vakuumtauglichkeit und eine verbesserte Stabilität sowie Flexibilität gegeben ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der Gegenstand des Anspruchs 1 betrifft eine Baugruppe, welche in zusammengesetzter Form eine Vorrichtung zum Wärmeaustausch zwischen zwei Festkörpern bildet. Die Baugruppe umfasst mindestens ein Endstück einer thermischen Verbindung als ersten Festkörper und ein zu kühlendes Bauteil als zweiten Festkörper, die zusammen die Baugruppe bilden, welche aus den zwei oder mehreren Einzelstücken bestehend dazu vorgesehen ist eine Einheit zu bilden bzw. in zusammengesetzter Form eine Einheit bildet. Der Umstand, dass es sich um eine Baugruppe handelt, bildet einen Vorteil der Erfindung, da diese reversibel zu montieren ist. Der Wärmetausch findet mindestens zwischen dem Endstück der thermischen Verbindung und dem zu kühlenden Bauteil statt.
Das zu kühlende Bauteil weist mindestens einen Gewindestift mit Außengewinde auf. Der Gewindestift ist auch als Schaft einer Schraube ansprechbar. Das Gewinde kann dabei als Teil- oder Vollgewinde ausgeführt sein. Der Gewindestift ist zum einen als aus dem zu kühlenden Bauteil herausragend ausführbar, als auch zum anderen, das ganze Bauteil selbst einen Gewindestift bilden kann. Das zu kühlende Bauteil weist für den Einsatz in einem Kryostaten, insbesondere entlang der Gewindeachse, ein Ende auf, welches für die Aufnahme einer Probe vorgesehen ist bzw. eine Probenaufnahme aufweist und zu diesem Zwecke besonders ausgeformt sein kann. Das zu kühlende Bauteil mit dem Gewindestift bzw. als Gewindestift mit Außengewinde ist in vorteilhafterweise aus einem Stück gefertigt. Weiterhin vorteilhaft ist die Ausführung des Gewindes mit einem tiefen Gewindeschnitt und einer hohen Anzahl von Gewindegängen. Je tiefer der Gewindeschnitte und je mehr Gewindegänge, desto höher die Fläche F_Gew., die durch das Gewinde gebildet ist, gemäß: $F_{G e w .} = 2 \cdot O_{G e w} mit O_{G e w} = n \cdot (A_{a u s s e n} - A_{K e r n})$
und 0_Gew.= Oberfläche des Gewindes, n = Anzahl der Gewindegänge; A_aussen = Fläche des Querschnitts der gesamten Schraube; A_Kern = Fläche des Kerndurchmessers der Schraube. Die Multiplikation mit 2 resultiert aus dem Umstand, dass jeder Gewindegang eine Ober- und Unterseite hat. Die Beziehung gilt für zylindrische Schrauben. Der Einfluss der Neigungen auf den Oberflächen des Gewindes ist vernachlässigbar und bleibt unberücksichtigt. Falls die Schrauben kegelig (konisch) ausgebildet sind, muss die Gleichung angepasst werden. Ein komplementäres Innengewinde weist entsprechend die gleiche Fläche auf.
Das zu kühlende Bauteil (zweiter Festkörper) ist mit einem weiteren Festkörper, der ein zu dem Außengewinde des Gewindestifts des zu kühlenden Bauteils komplementäres Innengewinde aufweist, verschraubbar. Dieser weitere Festkörper entspricht entweder dem ersten Festkörper, d.h. eine Verschraubung findet mit dem Endstück der thermischen Verbindung statt, oder das zu kühlende Bauteil ist mit einem dritten Festkörper als weiteres Bauteil der Baugruppe, welches einem Ring entspricht, verschraubbar. Der Ring ist gemäß einer Ausführungsform in vorteilhafter Weise als Klemmring ausgeführt. Durch die Möglichkeit zusätzlich zu der Verschraubung einen erhöhten Anpressdruck über den Klemmring zu erzeugen, erhöht sich die Stabilität der Verbindung und die Innigkeit des Kontakts. Der Ring/Klemmring wiederum ist an dem Endstück der thermischen Verbindung (erster Festkörper) verschraubbar. Der Ring bzw. Klemmring kann auch einer Hülse entsprechen bzw. elongiert als Zylinder vorliegen. Vorteilhaft für die Erfindung ist es, wenn die Einzelteile der Baugruppe an ihren glatten Kontaktflächen eben und glatt ausgeführt sind und eine möglichst geringe Rauheit aufweisen. Das Gegenstück, Ring/Klemmring oder Endstück der thermischen Verbindung, zu dem Gewindestift des zu kühlenden Bauteils ist mit einem zu dem Gewinde des Gewindestifts komplementären Innengewinde ausgestattet, dass den Gewindestift formschlüssig aufzunehmen vermag, d.h. insbesondere die Tiefe des Innengewindes ist an die Länge des Gewindestifts so angepasst, dass der Gewindestift bis an das Ende des Innengewindes in dieses einschraubbar ist und ein kompletter Formschluss resultiert. Insbesondere ist das Innengewinde in dem Ring oder Klemmring als Durchgangsloch ausgeführt, so dass der Gewindestift in das Durchgangsloch derart einschraubbar ist, dass das Ende des Gewindestifts mit einer Basis des Rings oder Klemmrings bündig abschließt, wie es einer Ausführungsform entspricht. Die so gebildete Fläche aus einer Basis des Rings oder Klemmrings und dem Ende des Gewindestifts oder die dem Innengewinde gegenüberliegende Basis des Rings oder Klemmrings bildet die Stirnseite der Verbindung, welche mit dem Endstück der thermischen Verbindung zur Bildung des thermischen Kontakts verbindbar ist, insbesondere verschraubbar.
Anzumerken ist, dass insbesondere der Klemmring für die Vorrichtung vorteilhaft ist, da dieser durch den Anpressdruck über die Klemmung einen, gegenüber dem einfachen Ring, effektiveren seitlichen, zusätzlichen thermisch Kontakt zu dem Gewindestift bildet und die Fixierung verbessert ist. Letzteres mindert eine mögliche Drehung und Abschraubung des Klemmrings von dem Gewindestift, die durch Drehmomente, die auf die Vorrichtung wirken, z.B. durch Federeffekte einer straffen Kupferlitze.
Die Ausführung des zu kühlenden Bauteils mit Gewindestift oder als Gewindestift und dem komplementären Gegenstück bzw. Innengewinde in einem weiteren Bauteil (weiterer bzw. erster oder dritter Festkörper) der Baugruppe bedingt den Vorteil der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik. Die Verbindung über das Gewinde bedeutet einen, gegenüber einer ebenen Kontaktfläche, innigeren Kontakt, in dem sich über die Tiefe des Gewindeschnitts und dem Abstand der Gewindegänge eine deutlich vergrößerte Kontaktfläche ergibt, die zudem über die formschlüssige Verschraubung eine hohe Stabilität und zugleich einen Anpressdruck gewährleistet. Die Erfindung ist auch vorteilhaft in Hinblick darauf, dass die, durch das zu kühlende Bauteil zur Verfügung stehende Kontaktfläche beliebig vergrößerbar ist. Hierbei ist jedoch anzumerken, dass eine Vergrößerung der Kontaktfläche über ein bestimmtes Maß hinaus nicht förderlich ist. Dies ist dadurch bedingt, dass die maximale Wärmeleitung der thermischen Verbindung durch die Wärmeleitung des Gewindestiftes und/oder der Kupferlitze begrenzt (d.h. durch deren Querschnitte/Durchmesser) ist. Dieses Maß der Wärmeübertragung ist bei Bedarf berechenbar. Die vergrößerte Kontaktfläche ist zum einen durch das Gewinde gebildet, und zum anderen, bei Verschraubung in den Ring, zusätzlich durch die durch den Ring zugefügte Kontaktfläche an der Stirnseite. Die Verschraubung erhöht auch die Stabilität. Auch erlaubt das Verschrauben der Bauteile auf die erfindungsgemäße Art, dass das zu kühlende Bauteil und die thermische Verbindung auch bei verhältnismäßig, in Bezug auf das Endstück der thermischen Verbindung, kleinen, insbesondere dünnen zu kühlenden Bauteilen koaxial verbunden werden können. Die koaxiale Verbindung bewirkt dabei eine verbesserte Festigkeit gegenüber Torsion um die Verbindungsache. Die Verhältnismäßigkeit bezieht sich auf die, durch das Endstück der thermischen Verbindung zur Verfügung stehende Fläche für die Ausbildung eines thermischen Kontakts.
Die Schaffung der Verbindung zwischen den Festkörpern über die Verschraubung macht auch die zusätzliche Verwendung von Kontaktmitteln überflüssig und schafft somit eine bessere Vakuumtauglichkeit.
Im Falle, dass die Baugruppe einen Ring oder Klemmring umfasst, wird dieser mit der Stirnseite, d.h. mit der Gewindeachse des zu kühlenden Bauteils, senkrecht zur Kontaktfläche des Endstücks der thermischen Verbindung an dieses angebracht. Die Verbindung ist in vorteilhafter Weise als Verschraubung ausführbar, da durch Verschraubung hohe Anpressdrücke realisierbar sind. Andere Verbindungen, wie z.B. die über Klemmen sind nicht ausgeschlossen.
Alle Materialien sind nach Art des Einsatzortes zu wählen, vorteilhaft sind solche die eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen und bearbeitbar sind, wie z.B. Metalle, insbesondere Kupfer, OFHC-Kupfer, Silber, Kupferlegierungen und hier insbesondere solche mit Zinn, Zink, Nickel oder Blei als Komponente, außerdem Aluminium und Aluminiumlegierungen oder Gold.
Vorteil der Erfindung ist zudem insbesondere eine Wärmeübertragung bzw. ein Wärmeaustausch, welcher über zwei Kanäle von dem zu kühlenden Bauteil mit der thermischen Verbindung aus erfolgt:

1. durch die Stirnfläche des Gewindestifts und
2. seitlich in den Gewindestift, durch das Gewinde des Klemmrings bzw. Rings,

Ausführungsbeispiele
Die Erfindung wird nachfolgend in zwei Figuren und einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Die Figur zeigt:

1 Schematische Ansicht der Bauteile einer erfindungsgemäßen Baugruppe zur Bildung einer Vorrichtung zum Wärmeaustausch zwischen zwei Festkörpern gemäß einem Ausführungsbeispiel in einzelnen Bauteilen.
2 Die Bauteile der Baugruppe des Ausführungsbeispiels gemäß 1 zusammengesetzt.

Ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Baugruppe zur Bildung einer Vorrichtung zum Wärmeaustausch zwischen zwei Festkörpern ist in der 1 schematisch für die Baugruppe in Bauteilen und zusammengesetzt in der 2 gezeigt. Im Ausführungsbeispiel ist die Baugruppe gebildet aus einem zu kühlenden Bauteil 17 (zweiter Festkörper), welches einen Gewindestift 1 mit einem Gewinde 6 an einem Ende aufweist und einer Probenaufnahme 16 an dem anderen Ende. Weiterhin einen Ring, welcher in dem Ausführungsbeispiel als Klemmring 3 (im Ausführungsbeispiel weiterer und dritter Festkörper) ausgeführt ist. Der Klemmring 3 weist ein, zu dem Gewinde 6 des Gewindestifts 1 komplementäres Innengewinde 7 auf. Der Klemmring ist durch Schließen eines axialen Schlitz 15 vermittels Verschraubung der Schrauben 11 mit deren komplementären Bohrlöchern 10 zu spannen. Die Verschraubung des Gewindestifts 1 mit dem Klemmring 3 sollte dabei in einer nicht zur Gänze geschlossenen Stellung des Klemmrings 3 erfolgen. Der Klemmring weist weiterhin vier Bohrlöcher 8 für eine Verschraubung mit der thermischen Verbindung 18 auf deren Stirnseite 13 auf. Die thermische Verbindung 18 (erster Festkörper) ist gebildet aus einer Kupferlitze 4 (nur schematisch gezeigt), einem Endstück 2 und dem Kühlfinger 5 (engl. cold finger) des Kryostaten. Die thermische Verbindung zwischen Kupferlitze 4 und Endstück 2 wird in vorteilhafter Weise als Pressverbindung oder alternativ als Schweiß- oder Lötverbindung verwirklicht. In dem Endstück 2 sind vier Bohrungen mit Schrauben 9 vorgesehen, um dieses mit dem Klemmring 3 und dem eventuell eingeschraubten Gewindestift 1 zu verbinden. Der Kontakt zwischen dem Klemmring 3 und dem Endstück der thermischen Verbindung 2 findet über die Stirnseite des Klemmrings 13 und der Kontaktfläche 14 des Endstücks 2 der thermischen Verbindung 18 sowie der Stirnseite 12 des Gewindestifts statt. In vorteilhafter Weise sind die stirnseitigen Kontaktflächen zu Polieren, insbesondere bis zu einem Rauheitswert ≤ 0.01 R_a. Zusätzlich gibt es den lateralen, seitlichen thermischen Kontakt des Gewindestifts 1 mit dem Klemmring 3. Die Stirnseite 12 des Gewindestifts und die Stirnseite 13 des Klemmrings 3 sollten in einer Ebene liegen. Hierzu kann der Gewindestift 1 in den Klemmring 3 eingeschraubt werden, wenn dieser mit dem Endstück 2 der thermischen Verbindung 18 verbunden ist. Die 2 zeigt die identischen Bauteile der Baugruppe der 1 nur hier zusammengesetzt. In dem Ausführungsbeispielsind alle Teile aus OFHC-Kupfer gefertigt. Der Gewindestift 1 hat einen Durchmesser von 6,2 mm. Das Gewinde 6 ist charakterisiert durch n = 14 (Anzahl der Gewindegänge); A_aussen = 30,191 mm² (Fläche des Querschnitts der gesamten Schraube); A_Kern = 26,878 mm² (Fläche des Kerndurchmessers der Schraube), wodurch sich für das Gewinde nach (1) eine Fläche von F_Gew. = 46,382 mm² ergibt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 3807188 [0009]
US 3999403 [0010]
US 4450693 [0011]

Claims

Baugruppe zur Bildung einer Vorrichtung zum Wärmeaustausch zwischen zwei Festkörpern, mindestens umfassend einen ersten Festkörper zur thermischen Verbindung (18) und ein zu kühlendes Bauteil (17) als zweiten Festkörper, wobei das zu kühlende Bauteil (17) einen Gewindestift (1) mit Außengewinde (6) aufweist oder als Gewindestift (6) gebildet ist und mit einem weiteren Festkörper, der ein komplementäres Innengewinde (7) aufweist verschraubbar ist und wobei der weitere Festkörper entweder dem ersten Festkörper (18) entspricht oder einem dritten Festkörper der ein Ring (3) ist, welcher an dem ersten Festkörper (18) gesondert verschraubbar ist.
Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring ein Klemmring (3) ist.