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Kühleinrichtung für ein Dieftemperatur-Magnetsystem
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Die Erfindung geht aus von einer Kühleinrichtung fiir ein Tieftemperatur-Magnetsystem,
bei dem die Magnetspule von wenigstens einem Zwischenschild umgeben in einer eva1uierten
Außenhülle gehalten ist und ferner ein auf der Außenhülle angeordneter Refrigerator
vorgesehen ist, der iiber
einen durch die Außenhiille führenden
Kiihlarm den wenigstens einen Zwischenschild kühlt.
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Auf verschiedenen Gebieten der Meßtechnik, insbesondere der analytischen
Meßtechnik und der medizinischen Meßtechnik werden homogene Magnetfelder hoher Feldstärke
benötigt.
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Hierzu werden in immer größerem Umfange anstelle der klassischen Eisenmagnete
supraleitende Magnete eingesetzt. Diese supraleitenden Magnete bestehen im wesentlichen
aus einer Magnetspule, die aus supraleitendem Draht gewickelt ist und sich in einem
Cryostaten befindet,der die supraleitende Magnetspule auf der Betriebstemperatur
von etwa 4K hält.
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Üblicherweise werden für die genannten Anwendungen Solenoidspulen
verwendet, die sich in einem Behälter fiir fliissiges Helium befinden. Dieser Behälter
ist von einem weiteren Behalter umgeben, der mit flüssigem Stickstoff gefüllt ist.
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Zwischen diesen Behältern und ggf. zwischen dem Stickstoffbehälter
und der Außenhülle des Magnetsystems sind sogenannte Schutzschilde angeordnet, die
auf einer jeweils zwischen den angrenzenden Temperaturen liegenden Temperatur gehalten
werden und ebenfalls zur Vorkühlung des innersten, das flüssige Helium enthaltenden
Behälters dienen.
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Die supraleitenden Magnete dieser Art werden iiblicherweise im "persistent
mode" betrieben, d.h. die supraleitende Spule wird mit einem Strom beaufschlagt
und dann in ans ich bekannter Weise kurzgeschlossen, so daß der eingespeiste Strom
in der supraleitenden Spule praktisch unendlich lange fließen kann, solange die
Supraleitung aufrecht erhalten
wird. Für diese Betriebsweise ist
jedoch eine zeitlich lang andauernde Kühlung der Spule erforderlich, die die Supraleitung
der Spule sicherstellt. Der "persistent mode" kann auf diese Weise über Jahre hinweg
aufrecht erhalten werden.
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Die Betriebskosten und der Wartungsaufwand eines derartigen supraleitenden
Magneten werden entscheidend durch den Verbrauch an den erwähnten flüssigen Gasen,nämlich
fliissigem Stickstoff und flüssigem Helium bestimmt. Gelingt es dabei, die Abdampfrate
dieser flüssigen Gase niedrig zu halten, können die Betriebskosten eines derartigen
supraleitenden Magneten niedrig gehalten werden, so daß - zusätzlich zu den Magnetfeldeigenschaften
- auch hinsichtlich der Betriebskosten wesentlich günstigere Verhältnisse als bei
klassischen Eisenmagneten vorliegen.
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Um die Abdampfrate der flüssigen Gase niedrig zu halten, ist es bekannt,
an die Außenhülle des supraleitenden Magnetsystems ein Kühlsystem anzubauen, das
üblicherweise als Refrigerator bezeichnet wird. Diese bekannten Refrigeratoren verfügen
über einen Kühlarm, der sich durch die Außenhülle des Cryostaten hindurch erstreckt
und bis zu einem oder mehreren der Innenbehälter oder der Schutzschilde reicht.
Der Kühlarm bzw. der Kiihlarm mit einem noch weiter vorspringenden Kühlfinger halten
dabei die inneren Behälter bzw. Schutzschilde auf einer so niedrigen Temperatur,
daß die Abdampfverluste der flüssigen Gase einen besonders niedrigen Wert erreichen.
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Aus dem Aufsatz von Yamamoto in der Zeitschrift Review of Scientific
Instruments, 50, S. 1382-1385, (1979) ist ein derartiges System bekannt, bei dem
ein Refrigerator auf einen Cryostaten aufgesetzt ist und über zwei unterschiedlich
lange Kühl arme innere Schutzschilde des Cryostaten kühlt. Der Refrigerator ist
dabei fest mit dem Cryostaten verbunden.
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Wie bereits oben erwähnt, werden die genannten supraleitenden Magnetsysteme
im persistenz mode" unter Umständen über Jahre hinweg in Betrieb gehalten. Dies
ist deswegen möglich, weil die Aufrechterhaltung des Magnetfeldes in supraleitenden
Magneten ein verlustfreier Vorgang ist, da Verluste aufgrund der Supraleitung nicht
auftreten. Demgegenüber ist der Refrigerator bei den genannten Anordnungen mechanischem
Verschleiß unterworfen, so daß eine derartig lange Betriebszeit bei den heute verfiigbaren
Refrigeratoren nicht möglich ist. Es ist demzufolge erforderlich, den Refrigerator
in bestimmten Zeitabständen mechanisch zu warten. Flir eine derartige Wartung ist
es jedoch erforderlich, den Refrigerator auf Raumtemperatur zu erwärmen, um beispielsweise
04?inge oder andere Dichtungen austauschen zu können oder andere mechanische Teile
zu ersetzen. Ein mechanischer Abbau eines fest mit dem Cryostaten verbundenen Refrigerators
führt jedoch bei den bekannten Einrichtungen zu einer Betriebsunterbrechung, da
der Refrigerator in die evakuierten Teile des Cryostaten hineinreicht und das Vakuum
beim Abbau des Refrigerators folglich nicht aufrecht erhalten werden kann. Dann
geht jedoch die supraleitende Spule infolge Erwärmung in den normalleitenden Zustand
über, so daß insgesamt die maximal erreichbare Betriebsdauer im "persistent mode"
durch die mechanische Standzeit des Refrigerators begrenzt ist.
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Der Erfindung liegt demgegeniiber die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung
zu schaffen, bei der einerseits besonders geringe Abdampfraten der flüssigen Gase
durch Verwendung eines Refrigerators möglich sind, andererseits die maximale Betriebsdauer
å jedoch nicht durch die erforderliche Wartung des Refrigerators beeinträchtigt
ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Durchführung
durch die Außenhiille als vakuumdichte Schiebevorrichtung ausgebildet ist.
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Die erfindungsgemäße Kiihleinrichtung hat damit den besonderen Vorteil,
daß die Supraleitung in der Magnetspule aufrecht erhalten werden kann, während der
Refrigerator mechanisch gewartet wird. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht,
daß das Vakuum im Cryostaten aufrecht erhalten bleibt, so daß die Magnetspule durchgehend
auf der erforderlichen Betriebstemperatur von 4K gehalten werden kann.
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Damit vereint die erfindungsgemäße Kühleinrichtung die Vorteile einer
niedrigen Abdampfrate bei eingeschaltetem Refrigerator mit den Vorteilen einer langen
Betriebsdauer des supraleitenden Magnetsystems im "persistent mode".
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In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist der Kiihlarm dabei
in einem zum Refrigerator gehörigen Rohr angeordnet, das in einem an die Außenhiille
angeformten Hals verschiebbar ist. Eine derartige Anordnung ist deshalb besonders
vorteilhaft, weil zwischen dem Hals und dem Rohr eine Dichtung wirksam werden kann,
beispielsweise ein O-Ring
und/oder ein Faltenbalg, Dichtelemente,
die ausgereift erhältlich sind und eine gute Vakuumdichtung ermöglichen.
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bin besonders guter Halt im eingeschobenen Zustand des Refrigerators
wird dadurch erzielt, daß sowohl der Refrigerator wie der an die Außenhiille angeformte
Hals mit einem Flansch versehen sind, die im eingeschobenen Zustand des Refrigerators
aufeinanderliegen und damit in dieser Stellung verschraubbar sind.
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Gir eine präzise Führung und Abstandshaltung zwischen Refrigerator
und Außenhülle im ausgefahrenen Zustand sind in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung
als Führungen und Abstandshalter dienende Stangen vorgesehen, die an einem der Flansche
befestigt sind und in dem jeweils anderen Flansch laufen. Vorzugsweise ist dabei
zur Definition der Lage der Abstandshalter mit einer den ausgefahrenen Zustand des
Refrigerators anzeigenden Marke versehen. In diesem ausgefahrenen Zustand ist der
Wärmeübergang zwischen dem kiihlenden Endabschnitt bzw. dem Kiihlfinger des Armes
des Refrigerators zu den Schutzschilden oder innenliegenden Behältern des Cryostaten
unterbrochen, so daß das Erreichen der Marke anzeigt, daß die Wartungsarbeiten durchgefijhrt
werden können. Auf diese Weise ist eine besonders einfache Abfolge der Wartungsarbeiten
möglich.
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Macht man den Refrigerator mit seinem die eigentlichen Kiihlmittel
enthaltenden, außenliegenden Kopf iiber einen Flansch auf den Flansch des Rohres
aufschraubbar, kann bei grundlegenden Wartungsarbeiten, bei denen das Magnetsystem
allerdings
außer Betrieb genommen werden muß, der Refrigeratorkopf mit dem Kühlarm ausgebaut
werden, ohne daß die mechanische Führung des Rohres im Hals der Außenhijlle mit
demontiert werden muß.
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In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung läuft der Kühl
arm in einen Endabschnitt und von dort in einen gegenbber dem Endabschnitt verjiingten
Finger aus, wobei Endabschnitt und Finger im eingeschobenen Zustand des Refrigerators
in mechanischer Verbindung mit zwei hintereinanderliegenden Zwischenschilden stehen.
Bringt man den Endabschnitt bzw. den Finger auf unterschiedliche Temperaturen, kann
man mit dieser Anordnung, die besonders leicht äustier-und einführbar ist, zwei
hintereinanderliegende, auf unterschiedlicher Temperatur liegende Schutzschilde
bzw. Innenbehälter mit dem Refrigerator kühlen.
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Ein besonders guter Wärmeübergang zwischen Endabschnitt bzw.
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Finger und den jeweils zu kühlenden Zwischenschilden wird dabei dadurch
erzeugt, daß Endabschnitt bzw. Finger in die Zwischenschilde einsteckbar sind. Hierzu
verfügen die Zwischenschilde bzw. Behälter in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung
iiber einen vorzugsweise zylinderartigen Vorsprung mit einer zentralen Bohrung,
deren Durchmesser auf die jeweiligen Außendurchmesser des Kiihlarmes bzw. des Kühlfingers
abgestellt sind.
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Um das Einfiihren des Kiihlarmes in diese Vorspringe zu erleichtern,
sind erfindungsgemäß die Bohrungen und/oder der Endabschnitt bzw. Finger an den
zueinander weisenden Sti rnflächen
mit einer Fase versehen.
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Eine besonders gute Wirkung wird dabei dadurch erzielt, daß diese
Kopplungsteile an den Schutzschilden bzw. Behältern über eine federnde Aufnahme
des Endabschnittes bzw. Fingers verfügen, wodurch ein besonders guter Wärmeübergang
hergestellt wird, gleichzeitig jedoch eine leichte Lösbarkeit zum Ausfahren des
Refrigerators gegeben ist.
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Bevorzugt wird diese federnde Aufnahme dadurch erzielt, daß der genannte
zylinderartige Vorsprung des Kopplungsteiles mit radialen Schlitzen versehen wird
und/oder die stehenbleibenden Teile des Vorsprunges an ihrem Fuß mit einem verminderten
Querschnitt versehen werden, so daß sie in radialer Richtung federn.
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Um die zur mechanischen Wartung des Refrigerators im ausgefahrenen
Zustand erforderliche Zeit zu vermindern, die ja die während der Wartungszeit erhöhten
Abdampfverlusia der flüssigen Gase bestimmt, ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung
im Kühlarm eine Heizeinrichtung vorgesehen, mit der es möglich ist, den Kühlarm
bzw. den Refrigerator schneller auf eine Temperatur zu bringen, bei der die mechanische
Wartung, etwa das Auswechseln der Dichtungselemente, möglich ist. Bevorzugt werden
dabei die zu wartenden Teile und die Heizeinrichtung in einem Bereich des Kühl arms
angeordnet, der im ausgefahrenen Zustand des Refrigerators außerhalb der Außenhülle
des Cryostaten liegt, so daß die Wirkung der Heizeinrichtung möglichst rijckwirkungsarm
auf die gekühlten Innenteile des Cryostaten ist.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten
Zeichnung.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachstehenden
Beschreibung im einzelnen erläutert. Es zeigen Fig. 1 einen Querschnitt durch eine
Hälfte eines Eryostaten, der mit einem Ausfiihrungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Kiihleinrichtung versehen ist; Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht eines Ausschnittes
aus Fig. 1; Fig. 3 ein bevorzugtes Ausfiihrungsbeispiel eines Kopplungsteiles, wie
es bei den Anordnungen gemäß Fig. 1 und 2 verwendet werden kann.
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In Fig. 1 bezeichnet 10 ein supraleitendes Magnetsystem, das über
einen Refrigerator 11 zum Kühlen von innenliegenden Schutzschilden bzw. Behältern
verfügt. Der Refrigerator 11 wird von einem räumlich getrennten Kompressor 12 über
eine flexible Druckleitung 13 mit beispielsweise Hochdruckgas versorgt. Der Refrigerator
11 ist als Aufsatz ausgebildet, der aus einem Kopf 14 sowie einem daran angeformten
ersten Flansch 15 besteht. Der erste Flansch 15 liegt auf einem zweiten Flansch
16 auf, der in ein Rohr 17 übergeht, das einen vom Refrigerator 11 sich erstreckenden
Kühlarm 18 umschließt. Im
zweiten Flansch 16 sind als Abstandshalter
19 dienende Stangen angeordnet, die in einem gegenüber dem zweiten Flansch 16 liegenden
dritten Flansch 20 laufen. Selbstverständlich ist es jedoch auch möglich, die Abstandshalter
19 im dritten Flansch 20 zu befestigen und im ersten bzw. zweiten Flansch 15, 16
laufen zu lassen. Der dritte Flansch 20 ist dabei Teil eines Halses 21, der an einer
Außenhiille 22 des supraleitenden Magnetsystems 10 angeformt ist.
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Die Außenhiille 22 geht an den Endabschnitten des supraleitenden Magnetsystems
10 in Deckenteile 23 iiber, in denen sich auch eine Probenöffnung 24 in der Achse
25 des Magnetsystems 10 befindet. Es versteht sich, daß die Darstellung in Fig.
1 nur eine Hälfte des Magnetsystems 10 darstellt.
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Die Außenhülle 22 umgibt zunächst einen ersten Zwischenschild 26,
der in unmittelbarem mechanischen und damit wärmeleitenden Kontakt zu einem Behälter
27 steht, der fliissigen Stickstoff 28 enthält. Der erste Zwischenschild 26 umgibt
einen zweiten Zwischenschild 29, der mit keinem Behalter fiir ein fliissiges Gas
verbunden ist. Der zweite Zwischenschild 29 umgibt wiederum einen Behälter 30 fiir
fliissiges Helium 31. Im Behälter 30 bzw. im fliissigen Helium 31 befindet sich
eine Magnetspule 32, im dargestellten Ausfiihrungsbeispiel eine Solenoidspule mit
an den Enden aufgesetzter Korrektur-Spaltspule. Die Zwischenräume 33 zwischen der
Außenhülle 22, dem ersten Zwischenschild 26, dem zweiten Zwischenschild 29 sowie
dem Behälter 30 sind dabei evakuiert.
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Es versteht sich, daß in der Darstellung in Fig. 1 die aus dem Stand
der Technik bekannten Befestigungsmittel und Isolationsfolien (Superisolation) für
die einzelnen Behälter des Magnetsystems 10 nicht dargestellt sind.
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Um den Wärmeübergang zwischen dem Kühl arm 18 des Refrigerators 11
und den von diesem zu kühlenden ersten Zwischenschild 26 bzw. zweiten Zwischenschild
29 herzustellen, sind in den Schilden 26, 29 Kopplungsteile 34, 35 vorgesehen.
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Betrachtet man nun die vergrößerte Darstellung des Refrigerators mit
den zugehörigen Teilen des Magnetsystems 10 in Fig. 2, so erkennt man, daß der Kühlarm
18 an seinem der Magnetspule 30 zugewandten Ende zunächst in einen Endabschnitt
38 und dann in einen konzentrischen Finger 39 mit gegenüber dem Endabschnitt 38
vermindertem Querschnitt ausläuft.
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Wie bereits erwähnt, ist der Kopf 14 des Refrigerators 11 mit einem
ersten Flansch 15 versehen, der auf dem zweiten Flansch 16 des Rohres 17 aufliegt.
Um eine besonders gute Dichtung zwischen den Flanschen 15, 16 herzustellen, ist
zwischen diesen eine als 0-Ring 40 ausgebildete Dichtung vorgesehen. Die Dichtwirkung
zwischen dem verschiebbaren Refrigerator 11 und dem Kyrostaten kann erfindungsgemäß
entweder über 0-Ringe 41, 42, die zwischen dem Hals 21 und dem Rohr 17 angeordnet
sind, hergestellt werden und/oder über einen Faltenbalg (43) zwischen Hals 21 bzw.
Flansch 20 erreicht werden. Es versteht sich, daß es sich in Fig. 2 um eine vereinfachte
Darstellung handelt, in der zwei Ausführungsformen in einer Skizze gezeigt werden.
Die tatsächlichen Ausführungsformen sind iat rotationssymmetrisch.
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Bei den Darstellungen gemaß Fig. 1 und 2 ist der Refrigerator 11 im
ausgefahrenen Zustand dargestellt. Zum Ausfahren des liefrigerators 11 gleitet das
Rohr 17 im Hals 21 von der eingefahrenen Stellung, bei der der zweite Flansch 16
auf dem dritten Flansch 20 aufliegt bis in die dargestellte ausgefahrene Stellung,
die vorzugsweise dadurch gekennzeichnet werden kann, daß auf einem der Abstandshalter
19 eine Marke 36 angebracht iEt, die den ausgefahrenen Zustand des Refrigerators
11 anzeigt.
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In diesem ausgefahrenen Zustand des Refrigerators 11 kann zunächst
iiber eine Heizeinrichtung 60 der Kijhlarm 18 auf Raumtemperatur gebracht werden,
damit ein Austausch mechanischer Teile, beispielsweise von Dichtelementen, möglich
ist. Die Heizeinrichtung 60 ist dabei, wie aus Fip. 2 ersichtlich ist, in einem
Bereich angeordnet, der im ausgefahrenen Zustand des Refrigerators 11 außerhalb
der Außenhülle 22 liegt, so daß die Rückwirkung dieser Aufheizung auf die innenliegenden
Teile, insbesondere die Schutzschilde 26 und 29 minimal bleibt.
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Im ausgefahrenen Zustand des Refrigerators 11 bleibt jedoch die Vakuumdichtwirkung
voll erhalten, so daß keine Beeinträchtigung des Vakuums in den Zwischenräumen 33
eintritt und demnach die Magnetspule 32 im supraleitenden Zustand verbleiben kann.
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ßind die mechanischen Wartungsarbeiten am Refrigerator 11 beendet,
kann dieser aus der in i'ig. 1 und 2 einzezeichneten stellung1; wieder in seine
Arbeitsstellung eingeschoben werden. Darin gelangt der IsEdabschnitt 38 in wärmeleitenden
Kontakt
mit dem Kopplungsteil 34 und der Finger 39 in wj:rrne leitenden Kontakt mit dem
Kopplungsteil 3R. Hierzu sind die Kopplungsteile 34 bzw. 35 als zylinderartige Vorspriinge
7>7 der Schilde 26 bzw. 29 ausgebildet, durch die zentrale Bohrungen fiihren.
Die Außendurchmesser 44 bzw. 46 von Endabschnitt 38 bzw. Finger 39 sowie die Innendurchmesser
5 bzw. 47 der genannten Vorsprtinge 37 sind dabei so bemessen, daß sich eine gute
mechanische Passung und damit ein guter Wärmeübergang zwischen den genannten eilen
ergibt. Der Endabschnitt 38 wird dann vom Refrigerator 11 auf die Temperatur gebracht,
die der erste Zwischenschild 26 annehmen soll, beispielsweise 80 bis 100K, während
der Finger 39 auf die Temperatur abgekühlt wird, die der zweite Zwischenschild 29
annehmen soll, beispielsweise 20 bis SOK.
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Um das Einführen von Endabschnitt 38 bzw. Finger 39 in die Kopplungsteile
34 bzw. 35 zu erleichtern, sind die jeweiligen Stirnflächen von Endabschnitt 38
bzw. Finger 39 mit Fasen 48 bzw. 50 versehen, ebenso wie die nach außen weisenden
Stirnflächen der Vorspriinge 37 mit Basen 49 bzw. 51 versehen sind.
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In Fig. 3 ist eine Ausführungsform eines derartigen Kopplungsteils,
dargestellt am Beispiel des Kopplungsteils 5 abgebildet, wobei Fig. 3a eine Schnittdarstellung
ist, die dem Schnitt entlang der Linie AA in Fig. db entspricht.
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Wie man ohne weiteres erkennt, ist der Vorsprung 7 dabei mit der bereits
erwähnten zentralen Bohrung des Innendurchmessers 47 versehen, von der radiale schlitze
52 durch den Vorsprung 37 hindurchgehen. Verjiingt man weiterhin das
iMßteil
des stehenbleibenden Restes des Vorsprunges 37 durch eine Ansenkung mit einem Durchmesser
53, der größer als der Durchmesser 47 ist, entsteht eine federnde, kronenartige
Halterung, in die der Finger 79 federnd eingefiihrt werden kann. Durch die federnde
Halterung des Fingers 39 entsteht dabei eine kraftschlüssige Verbindung zwischen
Vorsprung 37 und Finger 39, die einen besonders guten wärmeleitenden Übergang bewirkt.
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Es versteht sich dabei, daß die dabei verwendeten Materialien, insbesondere
fiir die Kopplungsteile 34, 35 so gewählt sind, daß sie bei tiefen Temperaturen
eine besonders gute Wärmeleitung aufweisen.