DE3213093C1 - Einrichtung zur Kühlung eines Bauteils auf Tiefsttemperatur - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Kühlung eines Bauteils auf Tiefsttemperatur mittels eines kryogenen Mediums, das sich in einer mit dem zu kühlenden Bauteil wärmeleitend verbundenen rohrförmigen Leitung befindet. Eine solche Kühleinrichtung ist z. B. aus der DE-AS 28 09 913 bekannt.

Insbesondere in der Supraleitungstechnik müssen Bauteile auf Tiefsttemperatur gehalten werden, um die für die Supraleitung erforderliche Tiefsttemperatur einhalten zu können. Eine Möglichkeit hierzu besteht beispielsweise darin, daß das zu kühlende Bauteil in einen Kühlkreislauf eines kryogenen Mediums integriert ist. So werden beispielsweise supraleitende ■5 Hohlraumresonatoren im allgemeinen dadurch gekühlt, daß sie in einem Bad mit Flüssighelium angeordnet sind. Bei dieser Kühltechnik wird zwar eine hohe Wärmeübergangszahl zwischen dem kryogenen Medium und dem zu kühlenden Bauteil erreicht. Das Bauteil

ίο unterliegt jedoch den Dichtigkeits- und Druckanforderungen des gesamten Kühlsystems.

Neben dieser direkten Kühlung besteht auch die Möglichkeit einer indirekten Kühlung des Bauteils mit dem kryogenen Medium. Hierzu wird das zu kühlende Bauteil mit einer rohrförmigen Leitung, in der sich das kryogene Medium befindet, in mechanischen Kontakt derart gebracht, daß zwischen der rohrförmigen Leitung und dem zu kühlenden Bauteil eine wärmeleitende Verbindung entsteht. Eine solche Verbindung kann z. B. durch Klebung, Lötung oder Schweißung hergestellt werden. So ist z. B. aus der eingangs genannten DE-AS 28 09 913 ein supraleitender Hohlraumresonator bekannt, der zur Kühlung auf die Betriebstemperatur seiner supraleitenden Teile Kühlrohre enthält, die auf seine Außenwand durch Diffusionsschweißen aufgebracht sind. Bei einer solchen Kühltechnik unterliegen die zu kühlenden Bauteile zwar nicht den Dichtigkeits- und Druckanforderungen des das kryogene Medium führenden Leitungssystems,

jo jedoch sind die Wärmeübergangszahlen niedriger als bei einer direkten Kühlung mit dem kryogenen Medium. Außerdem ist der Aufwand zur Erstellung von Lot-, Schweiß- und Klebeverbindungen zwischen einer rohrförmigen Leitung und den zu kühlenden Bauteilen verhältnismäßig hoch.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die eingangs genannten Einrichtung zur Kühlung eines Bauteils auf Tiefsttemperatur, bei der eine indirekte Kühlung des Bauteils vorgesehen ist, so auszugestalten, daß ihre rohrförmige Leitung auf verhältnismäßig einfache Weise mit dem zu kühlenden Bauteil zu verbinden ist und dennoch eine verhältnismäßig hohe Wärmeübergangszahl zu erreichen ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in dem Bauteil selbst oder in mindestens einem mit dem Bauteil wärmeleitend verbundenen Körper eine Nut mit rechteckigem Querschnitt vorgesehen ist, deren Tiefe größer als zwei Drittel ihrer dazu senkrechten Querabmessung ist und in welche die rohrförmige Leitung eingepreßt ist, deren Außendurchmesser vor dem Einpressen in die Nut 5 bis 20% größer gewählt ist als die Querabmessung der Nut.

Die mit dieser Ausgestaltung der Einrichtung zur Kühlung verbundenen Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, daß durch die vorgegebene Dimensionierung der Nuten in Bezug zu der rohrförmigen Leitung beim Einpressen des Leitungsrohres in die Nuten stets eine plastische Verformung des Leitungsrohres erreicht wird. Durch die dabei auftretenden Gleitvorgänge zwischen dem Rohr und den Nutwänden werden vorteilhaft vorhandene Oxidhäute aufgerissen, so daß neben einem sehr guten mechanischen Kontakt zwischen dem Rohr und dem Bauteil eine Verbesserung der Wärmeübergangszahlen erreicht wird. Eine solche wärmeleitende Verbindung ist auf verhältnismäßig einfache Weise herzustellen oder auch zu demontieren.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Einrichtung nach

der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren in den Unteransprüchen gekennzeichneten Weiterbildungen wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren F i g. 1 eine Kühleinrichtung nach der Erfindung angedeutet ist. Fig.2 zeigt eine weitere Ausführungsform einer solchen Kühleinrichtung. In den F i g. 2 und 4 ist ein scheibenförmiges Abstützungselement mit Kühleinrichtungen nach der Erfindung für einen supraleitenden Magneten angedeutet.

Aus Fig. 1 geht der Aufbau einer Kühleinrichtung nach der Erfindung hervor. Gemäß dem schematisch dargestellten Querschnitt der Figur enthält ein zu kühlendes Bauteil 2 oder ein mit einem solchen Bauteil gut wärmeleitend verbundener Körper eine rechteckige Nut 3, deren Querschnitt senkrecht zueinanderliegende Querabmessungen unterschiedlicher Größe aufweist. Die Tiefe t der Nut wird dabei vorteilhaft größer als zwei Drittel der dazu senkrechten Querabmessung a gewählt. Gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur ist ί> a. In diese Nut 3 soll ein rohrförmiges Leitungsstück 4 unter plastischer Verformung so eingepreßt werden, daß der Querschnitt des Leitungsstücks zumindest weitgehend, vorzugsweise vollständig in dem Querschnitt der Nut 3 zu liegen kommt. Beispielsweise kann das rohrförmige Leitungsstück 4 mit einer Kraft K in die offene Nut 3 eingewalzt werden. Um einen guten mechanischen Kontakt zwischen dem eingepreßten Leitungsrohr und den Nutwänden und somit entsprechend hohe Wärmeübergangszahlen zu gewährleisten, ist der Außendurchmesser d des noch unverformten Leitungsrohres 4 vor dem Einpressen um mindestens 5%, vorzugsweise mindestens 9% größer gewählt als die Querabmessung a der Nut 3. Außerdem soll dieses Übermaß des Außendurchmessers d höchstens 20%, vorzugsweise höchstens 15% betragen, um Beschädigungen des Rohres bei dem Einpreßvorgang ausschließen zu können. Durch das eingepreßte Leitungsrohr kann dann ein kühlendes kryogenes Medium hindurchgeleitet werden. Unter einem kryogenen Medium wird dabei im allgemeinen ein flüssiges oder gasförmiges Kühlmittel mit einer Temperatur unter 120 K verstanden (vgl. z.B. »Cryogenics«, Juni 1970, Seiten 183 bis 185).

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die das kryogene Medium führende Rohrleitung in eine allseitig zu schließende Nut mit rechteckigem Querschnitt eingepreßt wird. Ein Ausführungsbeispiel einer entsprechenden Kühleinrichtung nach der Erfindung geht aus dem in F i g. 2 gezeigten schematischen Querschnitt hervor. Diese allgemein mit 6 bezeichnete Kühleinrichtung enthält zwei Teilstücke 7 und 8, die beispielsweise aus Chrom-Nickel-Stahl oder Messing bestehen und miteinander zu verschrauben sind. In der Figur sind nur Bohrungen 9 und 10 für die Schrauben ersichtlich. In den so an einer gemeinsamen Trennfläche 12 fest zusammenzufügenden Teilstücken ist eine Nut 13 ausgebildet. Diese Nut hat quadratischen Querschnitt mit Querabmessungen a. Dabei ist zweckmäßig der Querschnitt dieser Nut 13 zu je etwa einer Hälfte auf die beiden Teilstücke 7 und 8 verteilt, d. h., daß in diese Teilstücke jeweils eine Nut mit einer Tiefe von a/2 eingearbeitet ist. Außerdem sind in mindestens einem der beiden Teilstücke 7 oder 8 weitere Aussparungen 15 und 16 im Bereich der aneinanderzufügenden Flachseiten 12 vorgesehen, in welche weitere zu kühlende Teile eingelegt werden können, so daß diese Teile nach dem Zusammenschrauben der beiden Teilstücke zwischen diesen fest eingeklemmt sind. In F i g. 2 ist nur in der

Aussparung 15 ein schmales Teil 18 eines Abstützungselementes angedeutet. Wie aus der Figur ferner hervorgeht, können an dem aus den Teilstücken 7 und 8 gebildeten Körper zusätzlich noch Teile 20 und 21, beispielsweise durch Verschraubungen, befestigt sein. Diese Teile 20 und 21 sind z. B. Bleche aus gut wärmeleitendem Material eines an sich bekannten Strahlungsschildes.

Um das Teilstück 18 des Abstützungselementes und die Bleche 20 und 21 des Strahlungsschildes kühlen zu können, wird in die Nut 13 mit quadratischem Querschnitt eine rohrförmige Leitung 22 aus gut wärmeleitendem Material wie z. B. Kupfer bei noch getrennten, d. h. nicht verschraubten Teilstücken 7 und 8 eingebracht. Gemäß der Erfindung soll der Außendurchmesser dieser rohrförmigen Leitung 22 vor dem Einpressen 5 bis 20%, vorzugsweise 9 bis 15% größer sein als die Querabmessung a der Nut 13. Werden dann nämlich die beiden Teilstücke 7 und 8 der Einrichtung 6 durch Verschrauben zusammengefügt, so wird die rohrförmige Leitung 22 unter plastischer Verformung in die Nut 13 eingepreßt. Hierbei treten Gleitvorgänge zwischen der rohrförmigen Leitung 22 und den Wänden der Nut 13 der beiden Teilstücke 7 und 8 auf, wobei vorhandene Oxidhäute auf dem Kupferrohr der Leitung 22 aufreißen und dadurch sehr gute mechanische Kontakte entstehen, welche zu hohen Wärmeübergangszahlen führen. Die nach dem Zusammenfügen der Teilstücke 7 und 8 sich ergebenden Preßkontaktflächen sind in der Figur mit 23 bezeichnet. Nach diesem Aufbau der Kühleinrichtung 6 wird dann durch deren verformte Leitung 22 das kryogene Medium Mhindurchgeleitet.

Die in F i g. 2 gezeigte Kühleinrichtung kann besonders vorteilhaft zur Kühlung von Stützelementen dienen, wie sie z. B. für eine magnetische Erzscheidevorrichtung mit einem supraleitenden Magneten vorgesehen sind. In den F i g. 3 und 4 ist ein solches Abstützungselement für einen derartigen Magneten als Längs- bzw. Querschnitt schematisch angedeutet. Aus F i g. 3 geht dabei die stirnseitige Befestigung eines den supraleitenden Magneten tragenden hohlzylindrischen Körpers 25 innerhalb eines Kryostatengehäuses 26 hervor. Um bei einer solchen Erzscheidevorrichtung magnetische Flußdichten von beispielsweise 4 Tesla an einer Scheidetrommel erreichen zu können, werden die in der Figur nicht näher dargestellten, den hohlzylindrischen Trägerkörper 25 umschließenden Magnetspulen mit einem kleinstmöglichen Spalt zur Außenwand des Kryostatengehäuses 26 angeordnet. Hierzu ist zumindest an jeder Stirnseite ein besonderes Stützelement 27 vorgesehen. Für ein solches Stützelement werden neben einer platzsparenden, einfachen und daher kostengünstigen Bauweise insbesondere die Begrenzung des Anteils der Festkörperwärmeeinleitung auf etwa 0,3 bis 0,5 W insgesamt in den Bereich des auf Tiefsttemperatur von z. B. 3,2 K liegenden hohlzylindrischen Trägerkörpers 25 gefordert. Mit einem scheibenförmigen, in einer radialen Ebene bezüglich der Achse 28 des Magneten bzw. seines Trägerkörpers 25 angeordneten Stützelementes 27, das im wesentlichen aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff besteht, können diese Forderungen erfüllt werden. Dieses Bauteil 27, dessen kreisscheibenförmige Gestalt aus dem Querschnitt der F i g. 4 näher hervorgeht, ist am äußeren Umfang an der Kryostatenstirnwand 26, welche sich auf Raumtemperatur von etwa 300 K befindet, und am Innenumfang an Zapfen des hohlzylindrischen Trägerkörpers 25 des Magneten, der auf einer Temperatur von 3,2 K liegt, mit

Metallringen gefaßt und eingespannt. Das Stützelement ist in radialer Richtung zur Begrenzung der Wärmeeinleitung durch zwei ringförmige, konzentrische Kühleinrichtungen 30 und 31 unterbrochen, die jeweils mit Hilfe eines kryogenen Mediums auf einer vorbestimmten Zwischentemperatur gehalten werden. Der Aufbau dieser Kühleinrichtungen entspricht im wesentlichen dem der Kühleinrichtung 6 gemäß F i g. 2. Damit kann beispielsweise die dem Trägerkörper 25 des Magneten zugewandte Kühleinrichtung 30 mittels Heliums auf ι ο einem Temperaturniveau von etwa 4,5 K gehalten werden, während sich die der Kryostatenwand 26 zugewandte Kühleinrichtung 31 beispielsweise mittels flüssigen Stickstoffs auf einem Temperaturniveau zwischen 60 und 80 K befindet.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach den F i g. 3 und 4 wurde davon ausgegangen, daß die glasfaserverstärkten Kunststoffteile des abstützenden Bauteils 27 indirekt über einen aus Teilstücken gebildeten Körper in wärmeleitendem Kontakt mit einem in einer rohrförmigen Leitung befindlichen kryogenen Medium stehen. Eine derartige Kühltechnik ist insbesondere dann erforderlich, wenn das zu kühlende Bauteil keine für die erfindungsgernäße Nutung ausreichenden Abmessungen aufweist und/oder aus keinem für den Einpreßvorgang der rohrförmigen Leitungen ausreichend festen Material besteht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims (10)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Kühlung eines Bauteils auf Tiefsttemperatur mittels eines kryogenen Mediums, das sich in einer mit dem zu kühlenden Bauteil wärmeleitend verbundenen rohrförmigen Leitung befindet, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Bauteil (2) selbst oder in mindestens einem mit dem Bauteil (18,20,21; 27) wärmeleitend verbundenen Körper (7,8) eine Nut (3; 13) mit rechteckigem Querschnitt vorgesehen ist, deren Tiefe (t) größer As zwei Drittel ihrer dazu senkrechten Querabmessung (a) ist und in welche die rohrförmige Leitung (4, 22) eingepreßt ist, deren Außendurchmesser (d)vor dem Einpressen in die Nut (3; 13) 5 bis 20% größer gewählt ist als die Querabmessung (a) der Nut (3,13).

2. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Nut (13) mit quadratischem Querschnitt.

3. Kühleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Übermaß des Außendurchmessers (d) der rohrförmigen Leitung (4, 22) zwischen 9 und 15% bezüglich der Querabmessung (a)der Nut (3,13) beträgt.

4. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Nut (13) nach dem Einpressen der rohrförmigen Leitung (22) allseitig geschlossen ist.

5. Kühleinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei aneinanderzufügende Teilstücke (7,8) vorgesehen sind, zwischen denen die Nut (13) ausgebildet ist.

6. Kühleinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der quadratische Querschnitt der Nut (13) zu je etwa einer Hälfte auf die beiden Teilstücke (7,8) aufgeteilt ist.

7. Kühleinrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die rohrförmige Leitung (22) aus Kupfer und die beiden Teilstücke (7, 8) aus Chrom-Nickel-Stahl oder Messing bestehen.

8. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beider Teilstücke (7, 8) Teil eines Abstützungselementes (27) zwischen Raumtemperatur und supraleitender Betriebstemperatur eines auf einem Trägerkörper (25) aufgebrachten supraleitenden Magneten sind.

9. Kühleinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstützungselement (27) scheibenförmig und die Teilstücke (7, 8) ringscheibenförmig ausgebildet sind.

10. Kühleinrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstützungselement (27) bis auf die Teilstücke (7, 8) aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff bestehen.