DE3112194A1 - "verfahren zur herstellung eines kuehlkanals auf einem forciert zu kuehlenden, grossflaechigen bauteil" - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Kühlkanals auf der Flachseite eines mit einem kryogenen Kühlmittel forciert zu kühlenden, großflächigen Bauteils, insbesondere auf einem Gehäuseteil eines supraleitenden Magneten, bei dem ein dem Kanalquerschnitt entsprechend geformtes Blechteil auf der Flachseite aufgeschweißt wird.

Für die Kühlung großer supraleitender Magnete mit flüssigem Helium stehen mehrere Möglichkeiten zur Verfügung. Grundsätzlich hat man bei der Kühlung mit Helium zwei Kühlverfahren zur Wahl, die im allgemeinen als Verdampfungskühlung bzw. Enthalpiekühlung bezeichnet werden. Unter Verdampfungskühlung versteht man dabei ein Verfahren, bei dem die Verdampfungswärme eines kryogenen Kühlmittels zur Kühlung vollständig oder teilweise ausgenützt wird, während bei einer Enthalpiekühlung nur die Enthalpie dieses Kühlmittels erhöht wird und keine Phasenumwandlung stattfindet.

Als Verdampfungskühlverfahren ist das bis heute am meisten angewandte Kühlverfahren die Badkühlung mit siedendem Helium unter Normaldruck. Die Vorteile einer Badkühlung sind insbesondere in einer großen Erfahrung mit dieser Kühlart und in einer hohen Kühlkapazität unter Ausnutzung der Verdampfungswärme des Kühlmittels zu sehen. Eine derartige Kühlung ist im Temperaturbereich von 1,8 bis 4,2 K jedoch nur möglich, wenn die Geometrie des Magneten so beschaffen ist, dass Kühlkanallängen von etwa 20 cm nicht überschritten werden und die Kühlkanäle so angeordnet sind, dass sich in ihnen konvektive Strömungen ausbilden können. Außerdem muß der Magnet sich in einem geeigneten vakuum- und kälteisolierten Kryostaten befinden. Ferner ist bei den Betriebstemperaturen eine Abpumpvorrichtung vorzusehen.

Als Alternative zur Badkühlung bieten sich Zwangsumlaufkühlungen mit überkritischem oder Zwei-Phasen-Helium an. Die Vorteile einer Zwangsumlaufkühlung sind hauptsächlich darin zu sehen, dass ein konventioneller Badkryostat entfällt, da der Magnet nur einen Vakuumbehälter benötigt. Außerdem ist die gesamte Kühlmittelmenge, die zur Zwangsumlaufkühlung benötigt wird, wesentlich geringer als der bei einer Badkühlung erforderliche Kühlmittelbedarf. Auch die Forderung nach kurzen Kühlkanallängen entfällt. Ferner sind plötzliche Änderungen der Wärmeübergangscharakteristik, wie sie bei einer Badkühlung beim Übergang vom Blasensieden zum Filmsieden des Heliums auftritt, nicht gegeben. Auch sind die Wärmeübergangswerte bei entsprechenden Strömungsverhältnissen für lange Kühlkanäle beträchtlich höher als die vergleichbaren Werte einer Badkühlung.

Diese Vorteile einer Zwangsumlaufkühlung sollen auch bei der Kühlung des supraleitenden Großmagneten ausgenutzt werden, der für das sogenannte Large-Coil-Task (LCT)-Projekt zur Entwicklung eines Fusionsreaktors mit toroidalem Magnetfeld erstellt wird (vgl. z.B. "Kerntechnik", 20. Jahrgang (1978), No. 6, Seiten 274 bis 281; "Proceedings of the VIIIth Symposium on Engineering Problems of Fusion Research, San Francisco,

1979, Seiten 1169 bis 1173). Die scheibenförmige supraleitende Magnetwicklung dieses Magneten ist in einem Gehäuse untergebracht, das zwei parallele, großflächige Gehäuseteile mit einer zentralen, D-förmigen Ausnehmung enthält, durch welche sich ein toroidaler Führungsraum für ein Fusionsplasma erstreckt. Aus elektromagnetischen, mechanischen und thermischen Gründen müssen diese großflächigen Gehäuseteile auf Tieftemperatur gehalten werden.

Die in der vorerwähnten Literaturstelle "Proc. VIIIth Symp. Engng. Probl. Fusion Research" gezeigten Kühlkanäle können dadurch ausgebildet werden, dass man vorgeformte Rohr- oder Halbrohrprofile aus Blechteilen auf der zu kühlenden Flachseite des Gehäuseteiles auflötet oder aufschweißt. Die Herstellung derartiger Kühlkanäle umfasst somit zunächst die Vorformung entsprechender Blechteile und das anschließende Aufschweißen dieser Teile. Sie ist somit verhältnismäßig aufwendig.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das Herstellungsverfahren der eingangs genannten Art zu vereinfachen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Kennzeichen des Hauptanspruchs angegebenen Verfahrensmerkmalen gelöst.

Die Vorteile des Verfahrens nach der Erfindung sind insbesondere darin zu sehen, dass mit einer Edelgas-Lichtbogen-Schweißtechnik oder einer Elektronenstrahl-Schweißtechnik auf einfache Weise Strömungswege beliebiger Gestalt auf der zu kühlenden Flachseite ausgebildet werden können, wobei kühlmitteldichte, ins- besondere heliumdichte Schweißnähte ohne weiteres zu erhalten sind. Die genannte Schweißtechnik ist auch deshalb besonders günstig, um mittels einer hydraulischen oder pneumatischen Aufweitungstechnik auf der zu kühlenden Flachseite aufgeschweißte, verhältnismäßig dünne Blechteile derart zu verformen, dass ein kreissegmentartiger Kanalquerschnitt ausgebildet wird. Im Gegensatz zu einem Rohrprofil ermöglicht eine solche Querschnittsform eine große Wärmeaustauschfläche bei gleichzeitig begrenztem Kühlmittelbedarf. Außerdem fallen damit auch alle im Hochvakuum störenden Spalte weg.

Eine Aufweitungstechnik bei der Herstellung von Strömungskanälen durch Druckanwendung ist zwar z.B. aus der DE-OS 26 19 371 bekannt. Die dort vorgeschlagene Preßschweißtechnik durch Rollen oder Walzen ist jedoch für zu verbindende Körper unterschiedlicher Wandstärke nicht brauchbar, da mit ihr die Kühlmitteldichtigkeit der Schweißnähte nicht ohne weiteres zu gewährleisten ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens nach der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung noch weiter erläutert. Dabei ist in den Fig. 1 und 2 schematisch jeweils ein Verfahrensschritt des Schweißens aus dem Verfahren nach der Erfindung näher veranschaulicht, während in Fig. 3 ein nach diesem Verfahren hergestellter Kühlkanal angedeutet ist.

Bei dem in Fig. 1 in Schrägansicht dargestellten Teilstück einer großflächigen Platte mit verhältnismäßig großer Dicke D handelt es sich z.B. um ein Gehäuseteil eines für das LCT-Projekt vorgesehenen Magneten. Zur Kühlung dieser Platte soll auf ihrer äußeren Flachseite 3 ein Kühlkanal vorgesehen sein, durch den ein kryogenes Kühlmittel, beispielsweise gasförmiges oder flüssiges Helium, forciert gefördert wird. Zur Ausbildung des entsprechenden Kühlkanals wird zunächst auf die Flachseite 3 ein Blechstreifen 4 mit dem Strömungsweg des Kanals entsprechenden Abmessungen aufgelegt. Die Dicke d dieses Streifens 4 ist wesentlich geringer als die Dicke D der Platte 2, z.B. mindestens 4 mal, vorteilhaft mindestens 10 mal kleiner, und beträgt zweckmäßig höchstens 2,5 mm. Der Blechstreifen 4 wird dann an seinen beiden zumindest weitgehend parallel verlaufenden Längsseiten 5 und 6 mit der darunterliegenden Platte 2 verschweißt, wobei vorteilhaft eine Edelgas-Lichtbogen-Schweißtechnik wie z.B. Wolfram-Inertgas (WIG)-Schweißen angewandt wird. Hierzu wird an den Längsseiten 5 und 6 des Blechstreifens 4 eine entsprechende Schweißelektrode 8 in der durch einen Pfeil 9 dargestellten Richtung entlanggeführt. Durch Verschweißung der Ränder des Blechstreifens 4 mit der darunterliegenden Platte 2, wobei ein Schweißzusatz verwendet wird, ergeben sich dann an den Längsseiten 5 und 6 Kehlnähte 10. Als Schweißzusatz dient dabei z.B. das Material eines Schweißdrahtes 11, das entsprechend den zu verschweißenden Werkstoffen ausgewählt ist. Mit dieser Schweißtechnik sind die Kehlnähte 10 ohne weiteres kühlmitteldicht auszuführen.

Wie in Fig. 1 ferner durch eine gepfeilte Linie 13 angedeutet ist, kann der zwischen dem Blechstreifen 4 und der Platte 2 ausgebildete, von den Kehlnähten 10 an den Längsseiten 5 und 6 begrenzte Zwischenraum 12 mittels eines durch die Platte 2 führenden Anschluß- kanals 14 an eine Druckleitung angeschlossen und unter einen vorbestimmten Druck gesetzt werden, so dass sich dann der verhältnismäßig dünne Blechstreifen 4 aufwölben kann und einen Strömungsquerschnitt für das kryogene Kühlmittel freigibt.

In Fig. 2 ist in Schrägansicht eine weitere Ausbildungsmöglichkeit zur Herstellung eines Kühlmittelführungskanals angedeutet. Mit Fig. 1 übereinstimmende Bauteile sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Abweichend von der in Fig. 1 dargestellten Ausbildung eines Strömungskanalweges durch Verwendung eines entsprechend geformten flachen Blechstreifens kann gemäß Fig. 2 auf der äußeren Flachseite 3 einer Platte 2 ein großflächiges flaches Blech 15 aufgebracht werden und dieses Blech dann mit der darunterliegenden Platte so verschweißt werden, dass durch etwa parallele Schweißnähte 16 und 17 ein entsprechender Strömungskanalweg festgelegt wird. Bei der hier ebenfalls vorteilhaft zu verwendenden WIG-Schweißtechnik kann auf einen Schweißzusatz verzichtet werden, da an den Schweißnähten 16 und 17 durchgeschweißt wird.

Neben der in Fig. 2 angedeuteten speziellen Edelgas-Lichtbogen-Schweißtechnik zum Durchschweißen der Schweißnähte 16 und 17 kann ebenso gut auch ein Elektronenstrahl-Schweißen unter Vakuum vorgesehen werden.

Ein Teilstück eines mit der in Fig. 1 veranschaulichten Schweißtechnik hergestellten Kühlmittelführungskanals geht aus der schematischen Schrägansicht der Fig. 3 hervor. Mit Fig. 1 übereinstimmende Bauteile sind deshalb mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Der mit 18 bezeichnete Kühlmittelführungskanal hat einen etwa kreissegmentförmigen Kanalquer- schnitt q. Dieser Querschnitt ist dadurch zu erhalten, dass man über den Anschlußkanal 14 einer Druckleitung ein geeignetes Druckmittel in den zwischen dem Blechstreifen 4 und der Platte 2 liegenden Zwischenraum unter einem vorbestimmten Druck einführt. Unter der Druckeinwirkung verformt sich dann das dünne Blechteil 4 entsprechend. Bei Anwendung der genannten Schweißtechniken ist dabei ein Aufreißen der Schweißnähte 10 nicht zu befürchten. Gegebenenfalls kann man jedoch die durch das Aufweiten des Blechstreifens 4 mechanisch beanspruchten Schweißnähte 10 vollständig oder auch abschnittsweise nachschweißen, um so ein rekristallisiertes Gefüge der Schweißnähte zu erhalten.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel dieses in Fig. 3 gezeigten Kühlmittelführungskanals 18 besteht die zu kühlende Platte 2 aus 18/8 Chrom-Nickel-Stahl mit einer Stärke D von etwa 50 mm. Der auf diese Platte aufzuschweißende Blechstreifen 4 aus dem gleichen Material hat eine Dicke d von etwa 1,5 mm und eine Breite b von etwa 45 mm. Nach dem Verschweißen der Längsseiten 5 und 6 durch Anwendung der WIG-Schweißtechnik lässt sich dann der zwischen dem Blechstreifen 4 und der Platte 2 ausgebildete Zwischenraum mit Drücken von über 150 bar belegen, ohne dass eine Beeinträchtigung der Dichtigkeit der Schweißnähte 10 auftritt. Unter der Druckeinwirkung wölbt sich der Blechstreifen gegenüber der Oberfläche der Platte 2 um eine Höhe h von etwa 6 mm auf.

Leerseite

Claims (8)

1. Verfahren zur Herstellung eines Kühlkanals auf der Flachseite eines mit einem kryogenen Kühlmittel forciert zu kühlenden, großflächigen Bauteils, insbesondere auf einem Gehäuseteil eines supraleitenden Magneten, bei dem ein dem Kanalquerschnitt entsprechend geformtes Blechteil auf der Flachseite aufgeschweißt wird, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Flachseite (3) ein zunächst flaches Blechteil (4; 15) mit gegenüber der Stärke (D) des zu kühlenden Bauteils (Platte 2) verhältnismäßig geringer Wandstärke (d) mittels zweier zumindest weitgehend parallel verlaufender, den Strömungsweg des Kühlkanals (12; 18) seitlich begrenzender Schweißnähte (10; 16, 17) in Edelgas-Lichtbogen-Schweißtechnik oder Elektronenstrahl-Schweißtechnik kühlmitteldicht aufgeschweißt wird und dass dann in an sich bekannter Weise der durch die Schweißnähte (10; 16, 17) seitlich begrenzte, zwischen dem Blechteil (4; 15) und der Flachseite (3) ausgebildete Zwischenraum (12) unter einen solchen Druck gesetzt wird, das ein kreissegmentartiger Kanalquerschnitt (q) durch alleinige Verformung des Blechteils (4; 15) erhalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Blechteil (4; 15) mittels Wolfram-Inertgas (WIG)-Schweißtechnik mit oder ohne Schweißzusatz auf der Flachseite (3) des zu kühlenden Bauteils (Platte 2) aufgeschweißt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Blechteil ein dünner Blechstreifen (4) mit dem Strömungsweg des

Kanals (18) angepassten Abmessungen verwendet wird und dass bei dem Aufschweißen unter Verwendung eines Schweißzusatzes (Draht 11) an den Längsseiten (5, 6) des Kanals (18) Kehlnähte (10) ausgebildet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Blechteil ein dünnes, großflächiges Blech (15) verwendet wird und dass der Kühlkanal durch Durchschweißen an seinen parallelen Längsseiten ausgebildet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Blechteil (4; 15) verwendet wird, dessen Wandstärke (d) mindestens 4 mal, vorzugsweise mindestens 10 mal kleiner als die Stärke (D) des zu kühlenden Bauteils (Platte 2) ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Material für das zu kühlende Bauteil (Platte 2) und/oder für das Blechteil (4; 15) Chrom-Nickel-Stahl vorgesehen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Blechteil (4; 15) mit einer Wandstärke (d) von höchstens 2,5 mm verwendet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißnähte (10; 16, 17) nach der durch Druckeinwirkung hervorgerufenen Verformung der Blechteile (4; 15) nachgeschweißt werden.