DE202021102764U1 - Assembly for forming a device for heat exchange between two solids - Google Patents

Assembly for forming a device for heat exchange between two solids Download PDF

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Abstract

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.

Figure DE202021102764U1_0000
Assembly for forming a device for heat exchange between two solid bodies, at least comprising a first solid body for thermal connection (18) and a component (17) to be cooled as a second solid body, the component (17) to be cooled having a threaded pin (1) with an external thread ( 6) or is formed as a threaded pin (6) and can be screwed to a further solid body which has a complementary internal thread (7) and wherein the further solid body either corresponds to the first solid body (18) or a third solid body which is a ring (3) which can be screwed separately to the first solid body (18).
Figure DE202021102764U1_0000

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.The invention relates to an assembly for forming a device for heat exchange between two solid bodies, as is often used in all areas of technology in which a connection for transferring or dissipating heat is provided between different components, in particular in cryostats .

Beschreibungdescription

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.The invention is used in particular in cryostats, although it can also be used in other devices. Cryostats are devices in which defined, spatially limited areas or components are cooled to a predetermined, relatively low temperature, i.e. there is a heat exchange between these areas / components with the environment, which is implemented with selected means. Contrary to the usual practices in the field of heat transport, terms such as "cold transport" and the like are used in the field of cryostat technology and refrigeration technology. In the following, the terms of heat transport or heat exchange or also heat conduction and heat are used in this description, which always include (according to the laws of thermodynamics) that there is heating in one direction and cooling in the opposite direction at the same time , up to equilibrium.

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.The means with which the heat exchange in cryostats takes place in order to achieve the relatively low temperatures in the intended areas / components are varied. Relevant means and methods are presented in the review article by B. Baudouy (Heat Transfer and Cooling Techniques at Low Temperature, CERN Yellow Report; CERN-2014-005, pp. 329-352). A cryostat with indirect heat exchange is particularly relevant for the present invention, i.e. the heat exchange takes place on the component to be cooled via a thermal link and not directly via a coolant. The thermal connection is generally provided at one end with an end piece as a connecting piece which is associated with the thermal connection and is connected to a component to be cooled.

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.A thermal connection in cryostats is usually formed from twisted (braided) strands of copper wires (threads), also called copper braid, or aluminum wires or foils, at the ends of which connecting pieces made of copper or copper alloys or other materials are arranged.

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.In particular, high-purity copper, so-called OFHC copper (from English Oxygen-Free High-Conductivity Cupper) with a purity> 99.95%, which has particularly good thermal conductivity, is used in cryostats. For more effective cooling below 20 K, a purity of> 99.999% is indicated.

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.The components to be cooled in the mentioned cryostats are mostly so-called sample holders, in which selected materials arranged there are examined for their physical properties at low temperatures (<200 K, in particular <77 K and especially <4 K) in the cryostat.

Die Probenhalter sind ebenfalls z.B. aus Kupfer gefertigt. Andere Materialien, z.B. Saphir kommen auch zum Einsatz.The sample holders are also made of copper, for example. Other materials, e.g. sapphire, are also used.

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.The connection between the sample holder (component to be cooled) and the end piece of the thermal connection is decisive for the heat exchange between the two solids. The main parameters here are the size of the contact area between the solid bodies, the intimacy of the contact and the thermal conductivity of the materials used. The connection should withstand thermal and mechanical stress, in particular at the low temperatures advised by the cryostat.

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 the U.S. 3,807,188 the heat exchange takes place via a bellows filled with liquid metal between an end piece (here the so-called "cold finger") and a component to be cooled, in which the metal solidifies during cooling, thus creating an intimate connection between the parts.

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.In the U.S. 3,999,403 the connection is made via an elastic bellows made of metal, whereby a paste with high thermal conductivity is applied in addition to improve the heat transfer.

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.Another example of a device for exchanging heat in cryostats is shown in FIG U.S. 4,450,693 given, in which a plug connection for heat exchange is pressed with a spring for better contact. Here, too, the heat exchange is optimized with a paste with high thermal conductivity.

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. In article 1 by G. Authelet et al. (Conceptual design of a cryogen-free µMRI device, IOP Conference Series: Material Science and Engineering 278, 2017, 012122 - 2-7) corresponds to the generic connection of the device for heat exchange of claim 1. This is by a simple contact between a copper plate with flange as the end of the thermal Connection and a sample carrier, realized as a component to be cooled, made of sapphire.

Aufgabe der ErfindungObject of the invention

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.The object of the invention is to provide a device for heat exchange between two solid bodies with which an improved heat exchange is achieved compared to the prior art and at the same time it is suitable for vacuum and improved stability and flexibility.

Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.The object is achieved by the subject matter of claim 1. Advantageous refinements are the subject matter of the subclaims.

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.The subject matter of claim 1 relates to an assembly which, when assembled, forms a device for heat exchange between two solid bodies. The assembly comprises at least one end piece of a thermal connection as a first solid body and a component to be cooled as a second solid body, which together form the assembly, which consists of the two or more individual pieces and is intended to form a unit or, when assembled, forms a unit . The fact that it is an assembly forms an advantage of the invention, since it can be mounted reversibly. The heat exchange takes place at least between the end piece of the thermal connection and the component to be cooled.

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 FGew., die durch das Gewinde gebildet ist, gemäß: F G e w . = 2 O G e w  mit  O G e w = n ( A a u s s e n A K e r n )

Figure DE202021102764U1_0001
und OGew.= Oberfläche des Gewindes, n = Anzahl der Gewindegänge; Aaussen = Fläche des Querschnitts der gesamten Schraube; AKern = 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.The component to be cooled has at least one threaded pin with an external thread. The threaded pin can also be addressed as the shaft of a screw. The thread can be designed as a partial or full thread. On the one hand, the threaded pin can be designed as protruding from the component to be cooled and, on the other hand, the entire component itself can form a threaded pin. For use in a cryostat, in particular along the thread axis, the component to be cooled has an end which is provided for receiving a sample or has a sample receptacle and can be specially shaped for this purpose. The component to be cooled with the threaded pin or as a threaded pin with an external thread is advantageously made from one piece. It is also advantageous to design the thread with a deep thread cut and a large number of threads. The deeper the thread cuts and the more threads, the higher the area F Gew. , Which is formed by the thread, according to: F. G e w . = 2 O G e w with O G e w = n ( A. a u s s e n - A. K e r n )
Figure DE202021102764U1_0001
and O Gew. = surface of the thread, n = number of threads; A outside = area of the cross section of the entire screw; A core = area of the core diameter of the screw. The multiplication by 2 results from the fact that every thread turn has a top and a bottom. The relationship applies to cylindrical screws. The influence of the inclinations on the surface of the thread is negligible and is not taken into account. If the screws are tapered (conical), the equation must be adapted. A complementary internal thread accordingly has the same area.

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.The component to be cooled (second solid body) can be screwed to a further solid body which has an internal thread complementary to the external thread of the threaded pin of the component to be cooled. This further solid body corresponds either to the first solid body, ie a screw connection takes place with the end piece of the thermal connection, or the component to be cooled can be screwed to a third solid body as a further component of the assembly, which corresponds to a ring. According to one embodiment, the ring is advantageously designed as a clamping ring. The ability to generate increased contact pressure via the clamping ring in addition to the screw connection increases the stability of the connection and the intimacy of the contact. The ring / clamping ring, in turn, can be screwed to the end piece of the thermal connection (first solid body). The ring or clamping ring can also correspond to a sleeve or be elongated as a cylinder. It is advantageous for the invention if the individual parts of the assembly are designed to be flat and smooth on their smooth contact surfaces and have the lowest possible roughness. The counterpart, ring / clamping ring or end piece of the thermal connection to the threaded pin of the component to be cooled is equipped with an internal thread complementary to the thread of the threaded pin, which is able to accommodate the threaded pin in a form-fitting manner, i.e. in particular the depth of the internal thread is equal to the length of the threaded pin adapted so that the threaded pin can be screwed into the internal thread up to the end of the internal thread, resulting in a complete form fit. In particular, the internal thread in the ring or clamping ring is designed as a through hole, so that the threaded pin can be screwed into the through hole in such a way that the end of the threaded pin is flush with a base of the ring or clamping ring, as corresponds to an embodiment. The surface formed in this way from a base of the ring or clamping ring and the end of the threaded pin or the base of the ring or clamping ring opposite the internal thread forms the end face of the connection, which is connected to the end piece of the thermal connection to form of the thermal contact can be connected, in particular screwed.

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.It should be noted that the clamping ring in particular is advantageous for the device, since it forms a lateral, additional thermal contact with the threaded pin that is more effective than the simple ring due to the contact pressure via the clamping and the fixation is improved. The latter reduces possible rotation and unscrewing of the clamping ring from the threaded pin, which is caused by torques that act on the device, e.g. the spring effects of a tight copper braid.

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.The design of the component to be cooled with a threaded pin or as a threaded pin and the complementary counterpart or internal thread in a further component (further or first or third solid body) of the assembly results in the advantage of the invention over the prior art. The connection via the thread means a more intimate contact compared to a flat contact surface, in which the depth of the thread cut and the distance between the threads results in a significantly larger contact surface, which also ensures high stability and at the same time contact pressure via the form-fitting screw connection. The invention is also advantageous with regard to the fact that the contact surface available through the component to be cooled can be enlarged as desired. It should be noted here, however, that increasing the contact area beyond a certain level is not beneficial. This is due to the fact that the maximum heat conduction of the thermal connection is limited by the heat conduction of the threaded pin and / or the copper braid (i.e. by their cross-sections / diameter). This degree of heat transfer can be calculated if necessary. The enlarged contact surface is formed, on the one hand, by the thread and, on the other hand, when screwed into the ring, additionally by the contact surface added by the ring on the end face. The screw connection also increases the stability. Screwing the components together in the manner according to the invention also allows the component to be cooled and the thermal connection to be connected coaxially even with relatively small, in particular thin, components to be cooled in relation to the end piece of the thermal connection. The coaxial connection brings about an improved resistance to torsion around the connection point. The proportionality relates to the area available through the end piece of the thermal connection for the formation of a thermal contact.

Die Schaffung der Verbindung zwischen den Festkörpern über die Verschraubung macht auch die zusätzliche Verwendung von Kontaktmitteln überflüssig und schafft somit eine bessere Vakuumtauglichkeit.The creation of the connection between the solid bodies via the screw connection also makes the additional use of contact means superfluous and thus creates better suitability for vacuum.

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.In the event that the assembly comprises a ring or clamping ring, this is attached to the end face, i.e. with the thread axis of the component to be cooled, perpendicular to the contact surface of the end piece of the thermal connection. The connection can advantageously be implemented as a screw connection, since high contact pressures can be achieved by screwing. Other connections, such as those via terminals, are not excluded.

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.All materials are to be selected according to the type of application, preferably those that have a high thermal conductivity and can be processed, such as metals, in particular copper, OFHC copper, silver, copper alloys and here in particular those with tin, zinc, nickel or lead as a component , as well as aluminum and aluminum alloys or 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. 1. durch die Stirnfläche des Gewindestifts und
  2. 2. seitlich in den Gewindestift, durch das Gewinde des Klemmrings bzw. Rings,
und somit erhöht ist.Another advantage of the invention is, in particular, a heat transfer or heat exchange, which takes place via two channels from the component to be cooled with the thermal connection:
  1. 1. through the face of the threaded pin and
  2. 2. laterally into the threaded pin, through the thread of the clamping ring or ring,
and thus is increased.

AusführungsbeispieleEmbodiments

Die Erfindung wird nachfolgend in zwei Figuren und einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.The invention is explained in more detail below in two figures and an exemplary embodiment.

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.
The figure shows:
  • 1 Schematic view of the components of an assembly according to the invention for forming a device for heat exchange between two solid bodies according to an exemplary embodiment in individual components.
  • 2 The components of the assembly of the embodiment according to 1 composed.

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 Ra. 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); Aaussen = 30,191 mm2 (Fläche des Querschnitts der gesamten Schraube); AKern = 26,878 mm2 (Fläche des Kerndurchmessers der Schraube), wodurch sich für das Gewinde nach (1) eine Fläche von
FGew. = 46,382 mm2 ergibt.
An exemplary embodiment of an assembly according to the invention for forming a device for exchanging heat between two solids is shown in FIG 1 schematically for the assembly in components and assembled in the 2 shown. In the exemplary embodiment, the assembly is formed from a component to be cooled 17th (second solid body), which has a threaded pin 1 with a thread 6th has at one end and a sample holder 16 at the other end. Furthermore, a ring, which in the embodiment as a clamping ring 3 (in the Embodiment of further and third solid bodies) is executed. The clamping ring 3 instructs on the thread 6th of the threaded pin 1 complementary internal thread 7th on. The clamping ring is by closing an axial slot 15th by screwing the screws 11 with their complementary drill holes 10 to tension. The screw connection of the threaded pin 1 with the clamping ring 3 should be in a not fully closed position of the clamping ring 3 respectively. The clamping ring also has four drill holes 8th for a screw connection with the thermal connection 18th on their front side 13th on. The thermal connection 18th (first solid body) is formed from a copper braid 4th (only shown schematically), an end piece 2 and the cold finger 5 (English cold finger) of the cryostat. The thermal connection between stranded copper 4th and tail 2 is realized in an advantageous manner as a press connection or alternatively as a welded or soldered connection. In the end piece 2 are four holes with screws 9 provided to this with the clamping ring 3 and the threaded pin that may be screwed in 1 connect to. The contact between the clamping ring 3 and the end of the thermal connection 2 takes place over the face of the clamping ring 13th and the contact area 14th of the end piece 2 the thermal connection 18th as well as the front 12th of the threaded pin instead. The end-face contact surfaces are advantageously to be polished, in particular to a roughness value of 0.01 R a . There is also the lateral, lateral thermal contact of the threaded pin 1 with the clamping ring 3 . The front side 12th of the threaded pin and the face 13th of the clamping ring 3 should be on one level. The threaded pin can do this 1 in the clamping ring 3 screwed in if this is with the end piece 2 the thermal connection 18th connected is. the 2 shows the identical components of the assembly of the 1 only put together here. In the exemplary embodiment, all parts are made from OFHC copper. The threaded pin 1 has a diameter of 6.2 mm. The thread 6th is characterized by n = 14 (number of threads); A outside = 30.191 mm 2 (area of the cross section of the entire screw); A core = 26.878 mm 2 (area of the core diameter of the screw), which results in an area of
F weight = 46.382 mm 2 results.

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Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited

  • 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) [0012]In article 1 by G. Authelet et al. (Conceptual design of a cryogen-free µMRI device, IOP Conference Series: Material Science and Engineering 278, 2017, 012122-2-7) [0012]

Claims (2)

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.Assembly for forming a device for heat exchange between two solid bodies, at least comprising a first solid body for thermal connection (18) and a component (17) to be cooled as a second solid body, the component (17) to be cooled having a threaded pin (1) with an external thread ( 6) or is formed as a threaded pin (6) and can be screwed to a further solid body which has a complementary internal thread (7) and wherein the further solid body either corresponds to the first solid body (18) or a third solid body which is a ring (3) which can be screwed separately to the first solid body (18). Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring ein Klemmring (3) ist.Assembly according to Claim 1 , characterized in that the ring is a clamping ring (3).
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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)

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