DE3908842A1

DE3908842A1 - Einrichtung mit einer thermisch loesbaren verbindung zwischen zwei teilen mit unterschiedlichem dehnungsverhalten

Info

Publication number: DE3908842A1
Application number: DE3908842A
Authority: DE
Inventors: Christoph Dr Schnapper
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1989-03-17
Filing date: 1989-03-17
Publication date: 1990-09-20
Also published as: DE3908842C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung mit einer thermisch lösbaren Verbindung zwischen zwei Teilen mit unter schiedlichem Dehnungsverhalten, wobei zur Lösung der Verbindung insbesondere eine Heizvorrichtung vorgesehen ist und bei einer Montagetemperatur oberhalb einer Betriebstemperatur ein gerin ger Montagespalt zwischen den zu verbindenden Teilen ausgebil det ist. Eine derartige Einrichtung ist z.B. der DE-B-26 53 544 zu entnehmen.

Für supraleitende Magnete werden im allgemeinen Wärmestrah lungsschilde vorgesehen. Diese Schilde sollen vielfach mit einem Refrigerator zu kühlen sein. Hierbei besteht der Wunsch, im Falle eines Defektes des Refrigerators diesen austauschen zu können, ohne daß dabei der gesamte supraleitende Magnet aufge wärmt werden muß. Zu diesem Zweck benötigt man einen Wärme kontakt, der einerseits bei der tiefen Betriebstemperatur des Magneten einen möglichst geringen Wärmewiderstand verursacht und der andererseits auch bei dieser tiefen Temperatur lösbar ist.

Bei Refrigeratoren sind lösbare thermische Kontakte über koni sche Passungen z. B. aus der Veröffentlichung "Adv.Cryog.Engng." Vol. 31, 1984, Seiten 517 bis 524 bekannt. Auch der Veröffent lichung "Cryogenics", April 1984, Seiten 175 bis 178 ist ein Refrigerator zu entnehmen, bei dem eine thermische Ankopplung über Kontaktbänder, konvektive thermische Kupplungen, ein Kühl mitteltransfer sowie eine Kaltgaszirkulation verwirklicht sind. Ferner geht aus der US-A-45 62 703 ein Kryostat für einen NMR- Magneten hervor, für den eine Montage erleichternde Wärmekon taktfedern vorgesehen sind.

Darüber hinaus lassen sich gemäß dem weit verbreiteten Prinzip des sogenannten Schrumpfsitzes zwei aneinanderzufügende Teile dadurch kraftschlüssig miteinander verbinden, daß man das äußere dieser Teile soweit erwärmt, daß aufgrund der damit ver bundenen thermischen Ausdehnung dieses Teiles ein hinreichend großer Montagespalt zwischen beiden Teilen erhalten wird. Bei einem Abkühlen auf eine wesentlich tiefere Betriebstemperatur schrumpft dann das äußere Teil auf das innere Teil auf (vgl. z. B. DE-A-31 25 541).

Eine entsprechende Verbindungstechnik durch Ausnutzung ther misch bedingter Formänderungen von Bauteilen wird auch bei der Klemmvorrichtung angewandt, die der eingangs genannten DE-B-26 53 544 zu entnehmen ist. Hierzu ist bei dieser bekann ten Vorrichtung ein besonderes Heizelement vorgesehen, mit dem eine bei (kalter) Betriebstemperatur ausgebildete Klemmung durch Aufheizung eines der Teile auf eine höhere (Montage)-Tempe ratur wieder aufgehoben wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Verbindungsein richtung der eingangs genannten Art dahingehend auszugestalten, daß mit ihr eine lösbare Verbindung bei allen Betriebszuständen erhalten wird, die eine verhältnismäßig leichte Montage bei einer Montagetemperatur ermöglicht und im Betriebszustand bei vergleichsweise wesentlich tieferer Betriebstemperatur nur einen geringen Wärmewiderstand verursacht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,

- daß ein Innenteil aus einem thermisch gut leitenden Material um ein Stützelement aus einem Material mit geringem thermi schen Dehnungskoeffizienten angeordnet und mit einem auf die Betriebstemperatur zu bringenden Objekt thermisch ver bunden ist,
- daß ein auf die Betriebstemperatur mittels einer entsprechen den Vorrichtung abzukühlendes Außenteil aus einem thermisch gut leitenden Material mit vergleichsweise wesentlich größerem Dehnungskoeffizienten vorgesehen und mit einer Aus nehmung der Gestalt versehen ist, daß das Außenteil bei der Montagetemperatur das Innenteil unter Ausbildung des Montage spaltes umschließend anzuordnen ist,
und
- daß das Außenteil zumindest im Bereich des Montagespaltes mit der Heizvorrichtung versehen ist.

Bei dieser Ausgestaltung der Verbindungseinrichtung schrumpft das Außenteil bei Abkühlung von der Montagetemperatur auf die wesentlich tiefere Betriebstemperatur auf das Innenteil auf, wobei der Montagespalt verschwindet. Dabei bildet sich ein Wärmekontakt zwischen dem kälteren Außenteil und dem noch wär meren Innenteil aus. Dieser Wärmekontakt führt nun zu einer Ab kühlung des auf die Betriebstemperatur zu bringenden Körpers bzw. Kühlobjektes. Wegen des wenig schrumpfenden Stützelemen tes innerhalb des Innenteiles ist ein guter thermisch und me chanischer Kontakt zwischen den thermisch zu verbindenden Tei len gewährleistet. Um im kälteren Betriebsfall eine Lösung der Verbindung zwischen Innen- und Außenteil zu ermöglichen, ist das Außenteil vorteilhaft mit einer Heizvorrichtung versehen. Aufgrund des verhältnismäßig großen Dehnungskoeffizienten des Materials des Außenteils dehnt es sich dann beim Aufheizen ver hältnismäßig schnell aus, wobei der Schrumpfsitz auf dem Innen teil aufgehoben und somit eine Demontage beispielsweise des Außenteils ermöglicht wird. Die Erwärmung läßt sich dabei vor teilhaft im wesentlichen auf das Außenteil begrenzen, so daß das an dem Innenteil starr befestigte, zu kühlende Objekt zu mindest weitgehend auf der Betriebstemperatur verbleibt. Eine derartig ausgestaltete Verbindungseinrichtung läßt sich ins besondere in supraleitenden Magneten mit Refrigerator-gekühlte Wärmestrahlungsschilden einsetzen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Verbindungs einrichtung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Figur ein Schnitt durch eine erfindungsgemäße Verbindungseinrichtung schematisch veranschau licht ist.

Gemäß dem für die Figur gewählten Ausführungsbeispiel befindet sich die allgemein mit 2 bezeichnete Verbindungseinrichtung nach der Erfindung zwischen einem auf eine Betriebstemperatur T _b zu kühlenden Objekt 3 und einer diese Betriebstemperatur er zeugenden bzw. gewährleistenden Abkühlvorrichtung 4. Das Kühl objekt 3 kann insbesondere ein thermischer Strahlungsschild sein, der mittels eines demontierbaren Refrigerators als Ab kühlvorrichtung 4 zu kühlen ist. Der z. B. für einen supralei tenden Magneten vorgesehene Strahlungsschild ist in der Figur nur angedeutet und soll mittels des in der Figur nicht näher ausgeführten Refrigerators auf eine Betriebstemperatur T _b von z. B. 77 K abgekühlt werden können. Der Schild besteht im all gemeinen aus einem thermisch gut leitenden Material wie z. B. Cu oder Al. An ihm ist ein rohrförmiges Innenteil 5 starr in thermisch gut leitendem Kontakt angebracht. Das Material dieses Innenteils soll ebenfalls eine hohe thermische Leitfähigkeit haben. Es kommt deshalb z. B. Cu in Frage. Das bezüglich einer Achse A rotationssymmetrisch ausgebildete Innenteil 5 umgibt formschlüssig ein bezüglich der Achse A zylinderförmiges Stütz element 6 oder eine Stützstruktur mit entsprechender Gestalt. Dieses Element soll vorteilhaft aus einem Material mit einem geringen linearen thermischen Dehnungskoeffizienten α1 be stehen. Vorzugsweise wird ein Material mit einem extrem kleinen Dehnungskoeffizienten, insbesondere mit α1 unter 3 · 10^-6 K^-1 bei Raumtemperatur, vorgesehen. Entsprechende Materialien sind beispielsweise spezielle NiFe-Stähle wie Invar.

Die erfindungsgemäße Verbindungseinrichtung enthält ferner ein demontierbares Außenteil 8 mit einer Ausnehmung 9, in welche der aus dem Innenteil 5 und dem Stützelement 6 gebildete zylin drische Aufbau 7 paßt. Das beispielsweise topfartig gestaltete Außenteil 8 setzt sich im wesentlichen aus einem bezüglich der Achse A konzentrischen rohrförmigen Seitenteil 8 a und einem kreisscheibenförmigen Bodenteil 8 b zusammen. Es besteht vor teilhaft aus einem thermisch gut leitenden Material, dessen linearer thermischer Dehnungskoeffizient α2 bei Raumtemperatur mindestens um einen Faktor 3 größer ist als der Koeffizient α1 des Materials des Stützelementes 6. Vorteilhaft sollte α2<15 · 10^-6 K^-1 bei Raumtemperatur sein. Als geeignetes Ma terial kommt somit für das Außenteil 8 beispielsweise Cu in Fra ge. An diesem Außenteil, vorzugsweise an seinem Bodenteil 8 b, ist der Refrigerator 4 in thermisch leitender Verbindung so an gebracht, daß eine Schrumpfung des Außenteiles bei einer Abküh lung des Refrigerators nicht wesentlich behindert wird. Gemäß dem der Figur zugrundegelegten Ausführungsbeispiel wird das topfartige Außenteil 8 bei einer Montagetemperatur T _m, die oberhalb der Betriebstemperatur T _b liegt und insbesondere die Raumtemperatur sein kann, an seiner Ausnehmung 9 über den zylinderförmigen Aufbau 7 aus dem Innenteil 5 und dem Stütz element 6 geschoben. Zur Erleichterung dieser Montage durch Zu sammenfügen der Teile 7 und 8 sind der Innendurchmesser D 1 der Ausnehmung 9 und der Außendurchmesser D 2 des Aufbaus 7 so auf einander abgestimmt, daß bei der Montagetemperatur T _m zwischen diesen beiden sich konzentrisch umschließenden Teilen 7 und 8 ein enger Ringspalt 11 verbleibt. Auf diese Weise können diese Teile leicht in Richtung der Achse A verschoben und so montiert bzw. demontiert werden. Zur weiteren Erleichterung der Montage kann man außerdem die Teile 7 und 8 mit Anphasungen 12 a bzw. 12 b versehen.

Wenn nun der Refrigerator 4 eingeschaltet wird und abkühlt, schrumpft das topfartige Außenteil 8 aus dem Material mit dem verhältnismäßig großen Dehnungskoeffizienten α2 entsprechend stark. Dies führt dazu, daß sich seine die Ausnehmung 9 be grenzende Innenfläche 13 an die gegenüberliegende Oberfläche 14 des Innenteils 5 anlegt und so einen Wärmekontakt zwischen dem kälteren Außenteil 8 und dem noch wärmeren Innenteil 5 bildet.

Um diesen Wärmekontakt zwischen den Flächen 13 und 14 noch zu verbessern, kann man gegebenenfalls diese Flächen mit spe ziellen Materialien wie z. B. mit Ag oder Au beschichten. Über den so gebildeten Wärmekontakt wird dann das Innenteil 5 und schließlich der mit ihm verbundene Strahlungsschild 3 abge kühlt. Da der Aufbau 7 wegen seines Kernes aus dem Stützelement 6 bei der Abkühlung praktisch unverformt bleibt, werden die Teile 5 und 8 entsprechend fest aneinandergefügt und gewähr leisten so einen großflächigen Wärmekontakt.

Dieser Wärmekontakt kann bei der erfindungsgemäßen Verbindungs einrichtung vorteilhaft wieder aufgehoben werden, so daß sich eine Montage oder Demontage des Außenteils 8 und damit des mit ihm verbundenen Refrigerators auch im kalten Zustand vornehmen läßt. Hierzu ist eine Erwärmung des Kontaktbereichs und seiner unmittelbaren Umgebung mit Hilfe einer Heizvorrichtung 16 vor gesehen, um so aufgrund unterschiedlichen Dehnungsverhaltens der Teile 7 und 8 wiederum den Ringspalt 11 zwischen diesen Teilen entstehen zu lassen. Der Seitenteil 8 a des Außenteils 8 ist deshalb im Kontaktbereich mit der Heizvorrichtung 16 sowie mit einem Thermofühler 17 versehen. Von einem elektrischen Ver sorgungsgerät 18 kann dann die Heizvorrichtung so lange mit Strom versorgt werden, bis an dem Thermofühler eine geeignete vorbestimmte Temperatur erreicht ist. Vorteilhaft läßt sich so der Kontaktbereich mit einer verhältnismäßig großen Heiz leistung schnell aufwärmen. In der entsprechend kurzen Zeit gelangt dann nur wenig Wärme in die ferner liegenden kalten Teile des auf der tiefen Betriebstemperatur T _h zu haltenden Strahlungsschildes 3. Die Temperatur dieser Strahlungsschild teile bleibt also während dieses Heizvorganges vorteilhaft weitgehend unverändert.

Gemäß dem gewählten Ausführungsbeispiel wurde davon ausgegan gen, daß mit der erfindungsgemäßen Verbindungseinrichtung in erster Linie ein thermischer Kontakt ausgebildet wird. Die er findungsgemäßen Maßnahmen sind jedoch nicht auf diesen Anwen dungsfall beschränkt. Vielmehr sind sie auch zur Herstellung eines lösbaren elektrischen Kontaktes oder einer lösbaren mechanischen Verbindung geeignet.

Außerdem wird für die erfindungsgemäße Verbindungseinrichtung nicht unbedingt ein Einsatzbereich mit tiefer Betriebstempera tur vorausgesetzt. Vielmehr sind die erfindungsgemäßen Maß nahmen immer dann anwendbar, wenn zu einer Montage oder Demon tage eine wesentlich höhere Temperatur als die Betriebstempe ratur vorgesehen werden kann.

Claims

1. Einrichtung mit einer thermisch lösbaren Verbindung zwischen zwei Teilen mit unterschiedlichem Dehnungsverhalten, wobei zur Lösung der Verbindung insbesondere eine Heizvorrichtung vorge sehen ist und bei einer Montagetemperatur oberhalb einer Be triebstemperatur ein geringer Montagespalt zwischen den zu ver bindenden Teilen ausgebildet ist, dadurch ge kennzeichnet,

- daß ein Innenteil (5) aus einem thermisch gut leitenden Mate rial um ein Stützelement (6) aus einem Material mit geringem thermischen Dehnungskoeffizienten (α1) angeordnet und mit einem auf die Betriebstemperatur (T _b) zu bringenden Objekt thermisch verbunden ist,
- daß ein auf die Betriebstemperatur (T _b) mittels einer ent sprechenden Vorrichtung (4) abzukühlendes Außenteil (8) aus einem thermisch gut leitenden Material mit vergleichsweise wesentlich größerem Dehnungskoeffizienten (α2) vorgesehen und mit einer Ausnehmung (9) der Gestalt versehen ist, daß das Außenteil (8) bei der Montagetemperatur (T _m) das Innen teil (5) unter Ausbildung des Montagespaltes (11) um schließend anzuordnen ist,
und
- daß das Außenteil (8) zumindest im Bereich des Montagespal tes (11) mit der Heizvorrichtung (16) versehen ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das Material des Außenteils (8) einen (linearen thermischen) Dehnungskoeffizienten (α2) hat, der mindestens um einen Faktor 3 größer als der entsprechende Deh nungskoeffizient (α1) des Materials des von dem Innenteil (5) umschlossenen Stützelementes (6) ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß der (lineare thermische) Deh nungskoeffizient (α2) des Materials des Außenteils größer als 1,5 · 10^-5 K^-1 ist.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, daß der (lineare thermische) Dehnungskoeffizient (α1) des Materials des von dem Innenteil (5) umschlossenen Stützelementes (6) größer als 3 · 10^-6 K^-1 ist.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, daß das Außenteil (8) topfartig mit einem Bodenteil (8 b) und einem dazu zumin dest senkrecht verlaufenden Seitenteil (8 a) ausgebildet ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da durch gekennzeichnet, daß bei der Mon tagetemperatur (T _m) der Innendurchmesser (D 1) der Ausnehmung (9) größer als der Außendurchmesser (D 2) des Innenteils (5) ist, so daß der Montagespalt (11) ringförmig ausgebildet ist.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da durch gekennzeichnet, daß das Außenteil (8) thermisch mit einem Refrigerator als Kühlvorrichtung (4) verbunden ist.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da durch gekennzeichnet, daß das Innenteil (5) thermisch mit einem Wärmestrahlungsschild als Kühlobjekt (3) verbunden ist.