DE3526352A1 - Device for spacing or support with positive fit - Google Patents
Device for spacing or support with positive fitInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur gegenseitigen kraftschlüssigen Beabstandung oder Abstützung zweier Geräteteile mit zwei aus Materialien unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten bestehenden Elementen, die so miteinander verbunden sind, daß bei Temperaturänderungen mindestens eines Geräteteiles in Beabstandungsrichtung ein vorbestimmter Ausdehnungskoeffizient der gesamten Einrichtung gewährleistet ist. Eine solche Beabstandungseinrichtung ist aus dem Bericht des "National Accelerator Laboratory", USA, No. TM 334A, 27 91.000 vom 10.12.1971 mit dem Titel "The Heim Column" bekannt.The invention relates to a device for mutual positive spacing or support two device parts with two made of materials different expansion coefficients exist Elements that are so interconnected that at Temperature changes in at least one part of the device Distance direction a predetermined coefficient of expansion the entire facility is guaranteed. Such a spacing device is from the report of the "National Accelerator Laboratory", USA, No. TM 334A, 27 91,000 dated December 10, 1971 with the title "The Heim Column ".
Bei supraleitenden Magnetanordnungen wird vielfach innerhalb eines auf Raumtemperatur von etwa 300 K befindlichen Vakuum- bzw. Außengehäuses ein Wicklungsgehäuse angeordnet, in dem sich mindestens eine tiefzukühlende supraleitende Magnetwicklung befindet. Dieses Wicklungsgehäuse ist somit ebenfalls auf die Tieftemperatur zu kühlen und wird deshalb vielfach auch als Helium-Gehäuse bezeichnet. Aus thermischen Gründen ist zwischen dem Außen- und dem Wicklungsgehäuse vielfach noch mindestens ein Strahlungsschutzschild vorgesehen, der im allgemeinen auf Temperaturen zwischen etwa 40 K und 100 K gehalten wird. Für einen solchen Aufbau sind Beabstandungs- bzw. Abstützungseinrichtungen erforderlich, über welche zudem noch möglichst geringe Wärmemengen auf die tiefkalten Bauteile übertragen werden sollen. Für die Auslegung einer entsprechenden Beabstandungseinrichtung sind neben den vorhandenen Gewichtsmassen der Bauteile vielfach noch dynamische Komponenten zu berücksichtigen.With superconducting magnet arrangements is common within a room temperature of about 300 K. located vacuum or outer housing a winding housing arranged in which there is at least one frozen superconducting magnet winding. This winding housing is thus also on the To cool low temperature and is therefore often referred to as a helium housing. For thermal reasons is multiple between the outer and the winding housing at least one radiation protection shield is provided, which generally depends on temperatures between about 40 K and 100 K is maintained. For one Structure are spacing or support devices required, about which also possible transfer small amounts of heat to the cryogenic components should be. For the interpretation of a corresponding Spacers are next to the existing ones Weight masses of the components are often still consider dynamic components.
Aufgrund dieser Forderungen wurden bisher verschiedenste Zug- oder Stützelemente eingesetzt, wobei unterschiedliche Werkstoffe, z. B. 18/8-CrNi-Stahl, Titan oder glasfaserverstärkte Kunststoffe, verwendet wurden. Dementsprechend besteht die aus dem eingangs genannten Bericht bekannte Beabstandungseinrichtung aus mehreren Stützelementen, die zwischen dem Außengehäuse und dem Wicklungsgehäuse insbesondere einen supraleitenden Magneten anzuordnen ist. Sie enthält dabei drei sich gegenseitig umschließende rohrförmige Teile, wobei das äußere, an dem Außengehäuse anliegende Rohr sowie das innere, an dem Wicklungsgehäuse anliegende Rohr aus glasfaserverstärktem Kunststoff bestehen. Diese beiden Rohre sind an ihren nicht an diesen Gehäuseteilen anliegenden Enden über das mittlere Rohr aus Aluminium miteinander starr verbunden. Durch Verwendung dieser Materialien mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten bzw. unterschiedlichem Dehnungsverhalten und aufgrund einer entsprechenden Bemessung der einzelnen Rohrlängen kann dann erreicht werden, daß sowohl im Montagefall bei Raumtemperatur des gesamten Aufbaus einschließlich des Wicklungsgehäuses als auch im Betriebsfalle bei Tieftemperatur dieses Gehäuses stets ein Form- und Kraftschluß über entsprechende Beabstandungseinrichtungen zwischen dem Außen- und dem Wicklungsgehäuse zu gewährleisten ist. Der Aufbau und die Handhabbarkeit der bekannten Beabstandungseinrichtung sind jedoch verhältnismäßig aufwendig.Because of these demands, the most varied Tension or support elements used, different Materials, e.g. B. 18/8 CrNi steel, titanium or glass fiber reinforced plastics were used. Accordingly, it consists of the above Report known spacer from several Support elements between the outer housing and the Winding housing in particular a superconducting Arrange magnets. It contains three mutually enclosing tubular parts, the outer tube lying against the outer housing and the inner tube lying against the winding housing glass fiber reinforced plastic. These two Pipes are on their not on these housing parts adjacent ends over the middle tube made of aluminum rigidly connected to each other. By using of these materials with different coefficients of expansion or different elongation behavior and based on a corresponding dimensioning of the individual pipe lengths can then be achieved that both in case of assembly at room temperature of the whole Construction including the winding housing as well in the event of operation at low temperature of this housing always a positive and non-positive connection over the corresponding Spacers between the outside and the Winding housing is to be guaranteed. The construction and the manageability of the known spacing device are, however, relatively complex.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die eingangs genannte Beanstandungseinrichtung dahingehend zu verbessern, daß ein verhältnismäßig einfacher Aufbau ermöglicht ist.The object of the present invention is therefore that to that end to improve that a relatively simple structure is possible.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das erste Element als blockartiges Basisteil aus einem ersten Material mit einem ersten Ausdehnungskoeffizienten ausgebildet ist, in das zumindest ein Stückweit die freien Enden der beiden Schenkel eines das zweite Element bildenden etwa V-förmigen Winkelstückes schräg hineinragen, das aus einem zweiten Material mit einem zweiten Ausdehnungskoeffizienten besteht, der kleiner als der erste Ausdehnungskoeffizient ist.This object is achieved in that the first element as a block-like base part from one first material with a first coefficient of expansion is formed, in which at least a piece the free ends of the two legs one the second Element forming approximately V-shaped elbow at an angle protrude from a second material with a second expansion coefficient, the smaller than the first coefficient of expansion.
Aufgrund dieser Ausgestaltung der Beabstandungs- und/oder Abstützungseinrichtung ist deren gesamter Ausdehnungskoeffizient in Beabstandungsrichtung einstellbar, indem man für das blockartige Basisteil und das V-förmige Winkelstück Materialien mit vorbestimmten verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten wählt und die beiden Schenkel des Wickelstückes bei vorgegebener Länge um einen vorbestimmten positiven bzw. negativen Winkel gegenüber einer zwischen diesen beiden Schenkeln verlaufenden, in Beabstandungsrichtung weisenden Linie oder Ebene neigt. Dabei muß das V-förmige Winkelstück bei Temperaturänderungen den zwischen seinen Schenkeln ausgebildeten Winkel ändern können. Ein gewünschter Ausdehnungskoeffizient der gesamten Beabstandungseinrichtung in Beabstandungsrichtung läßt sich dann sowohl hinsichtlich seines Vorzeichens als auch seiner Größe in bestimmten Bereichen auf verhältnismäßig einfache Weise realisieren.Because of this configuration of the spacing and / or support device is the whole Expansion coefficient adjustable in the spacing direction, by looking for the block-like base part and the V-shaped elbow materials with predetermined different expansion coefficients chooses and the two legs of the winding piece at a predetermined Length by a predetermined positive or negative angle to one between these two Legs extending in the direction of spacing pointing line or level. The must V-shaped elbow for temperature changes between to change his legs trained angles can. A desired expansion coefficient of the entire spacing device in the spacing direction can then both in terms of its sign as well as its size in certain areas realize relatively simple way.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Beabstandungseinrichtung gehen aus den Unteransprüchen hervor. Advantageous embodiments of the spacing device according to the invention go from the dependent claims forth.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Figur ein Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Beabstandungseinrichtung schematisch dargestellt ist. Wenn in diesem Zusammenhang nur der Gesichtspunkt einer Beabstandung in den Vordergrund gestellt ist, so wird doch im allgemeinen mit dieser Einrichtung zugleich auch eine Abstützungsfunktion ausgeübt.To further explain the invention reference is made to the Drawing referred to in the figure, a longitudinal section by a spacing device according to the invention is shown schematically. If in this Connection only the point of view of a spacing is in the foreground, it is generally with this device also performed a support function.
Die in der Figur allgemein mit 2 bezeichnete, auch als Distanzhalter anzusehende Einrichtung dient zur kraftschlüssigen Beabstandung und/oder Abstützung zweier beispielsweise auf unterschiedlichen Temperaturniveaus zu haltender Geräteteile, die an einer Grundfläche G der Einrichtung und einer dazu parallelen Abstützungsfläche A anliegen. Solche Geräteteile können z. B. das auf Tieftemperatur liegende Innengehäuse eines supraleitenden Magneten und das ihn umgebende, auf Raumtemperatur liegende Außengehäuse oder ein auf einer Zwischentemperatur liegender Strahlungsschild sein. Die Beabstandungseinrichtung weist ein blockartiges, insbesondere quaderförmiges ersten Element als Basisteil 3 auf, das aus einem Material mit verhältnismäßig großem Ausdehnungskoeffizienten besteht. Als Basismaterial sind insbesondere Kunststoffe geeignet, die vorzugsweise noch mit einem Verstärkungsmaterial wie z. B. Glasfasern oder Kohlenstoffasern versehen sind. Derartige Materialien haben neben einer großen Festigkeit noch den Vorteil, daß sie thermisch schlecht leitend sind. In das Basisteil 3 sind z. B. zwei Ausnehmungen 4 und 5 eingearbeitet. Diese Ausnehmungen verlaufen bezüglich einer in Beabstandungsrichtung weisenden Linie S symmetrisch und schräg unter vorbestimmten Winkeln α bzw. α′. In diese Ausnehmungen sind die freien Enden 7′ und 8′ zweier Schenkel 7 bzw. 8 so eingefügt, beispielsweise eingesteckt, daß an den der Grundfläche G zugewandten Bodenflächen der Ausnehmungen ein Kraftschluß gegeben ist, während an den seitlichen Flanken nur ein Formschluß bestehen soll. Gegebenenfalls können die Enden 7′ und 8′ auch bei der Herstellung des Basisteiles 3 direkt in dieses mit eingebracht werden, wie z. B. mit dem Basismaterial umgossen werden, falls man an den Seitenflanken eine Trennfolie oder ähnliche, eine geringfügige Bewegung der Schenkel ermöglichende Maßnahmen vorsieht. Die Schenkel 7 und 8 stoßen mit ihren aus dem Basisteil 3 herausragenden Enden 7″ bzw. 8″ an einer gemeinsamen Trenn- und Gleitfläche 10 aneinander und ergeben so ein Winkelstück 11, das in einem Längsschnitt die Form eines auf dem Kopfe stehenden "V"s zeigt. Es besteht also nur eine lose Berührung der beiden Schenkel, um so bei Temperaturänderungen eine Änderung des zwischen ihnen eingeschlossenen Winkels vom Betrage 2α zu gestatten. Gegebenenfalls kann auch an der Abstützungsfläche A eine scharnierähnliche Verbindung zwischen den Schenkeln vorgesehen sein. Das ein weiteres Element darstellende Winkelstück 11 soll aus einem Material mit einem gegenüber dem ersten Ausdehnungskoeffizienten kleineren zweiten Ausdehnungskoeffizienten bestehen. Vorzugsweise ist das Winkelmaterial ein Metall hoher Festigkeit wie beispielsweise eine TiAlV-Legierung. Die Schenkel 7 und 8 des Winkelstückes 11 können insbesondere etwa kreisförmige Querschnitte q haben, jedoch sind auch andere Querschnittsformen geeignet.The device, generally designated 2 in the figure, which is also to be regarded as a spacer, is used for the frictional spacing and / or support of two parts of the device to be held, for example, at different temperature levels, which rest against a base surface G of the device and a support surface A parallel thereto. Such device parts can e.g. B. The low-temperature inner housing of a superconducting magnet and the surrounding, lying at room temperature outer housing or a radiation shield lying at an intermediate temperature. The spacing device has a block-like, in particular cuboid, first element as base part 3 , which consists of a material with a relatively large coefficient of expansion. As a base material, plastics are particularly suitable, which are preferably still with a reinforcing material such. B. glass fibers or carbon fibers are provided. Such materials have, in addition to great strength, the advantage that they are poorly thermally conductive. In the base part 3 z. B. incorporated two recesses 4 and 5 . These recesses run symmetrically and obliquely with respect to a line S pointing in the spacing direction at predetermined angles α and α '. In these recesses, the free ends 7 'and 8 ' of two legs 7 and 8 are inserted, for example inserted, that on the base surface G facing the bottom surfaces of the recesses there is a positive connection, while only a positive connection should exist on the side flanks. If necessary, the ends 7 'and 8 ' can also be introduced directly into this in the manufacture of the base part 3 , such as. B. cast around with the base material, if you provide a release film or the like, a slight movement of the legs measures to enable the side flanks. The legs 7 and 8 abut with their ends 7 ″ or 8 ″ protruding from the base part 3 on a common separating and sliding surface 10 and thus result in an angle piece 11 which, in a longitudinal section, has the shape of a “V” standing on the head s shows. There is therefore only a loose contact between the two legs, in order to permit a change in the angle between them of the amount 2 α in the event of temperature changes. If necessary, a hinge-like connection between the legs can also be provided on the support surface A. The angle piece 11 , which represents a further element, should consist of a material with a second expansion coefficient that is smaller than the first expansion coefficient. Preferably the angle material is a high strength metal such as a TiAlV alloy. The legs 7 and 8 of the angle piece 11 can in particular have approximately circular cross sections q , but other cross-sectional shapes are also suitable.
Abweichend von der in der Figur angedeuteten Ausgestaltung der Abstützungsfläche A können die zusammenstoßenden Enden 7″ und 8″ der Schenkel 7 und 8 an dieser Stelle auch verbreitert ausgebildet oder mit besonderen Ansatzstücken versehen sein, um so die Fläche zu vergrößern und damit die Krafteinleitung zu verbessern. Falls auf eine großflächige Krafteinleitung verzichtet werden kann, läßt sich die Abstützungsfläche auch etwa punktförmig ausgestalten.Deviating from the configuration of the support surface A indicated in the figure, the colliding ends 7 ″ and 8 ″ of the legs 7 and 8 can also be designed to be widened at this point or provided with special attachments in order to enlarge the surface and thus improve the introduction of force . If a large-scale force application can be dispensed with, the support surface can also be designed approximately in a punctiform manner.
Gemäß einem konkreten Ausführungsbeispiel der in der Figur gezeigten Beabstandungseinrichtung 2 weist diese ein blockartiges Basisteil 3 mit einer Grundfläche G von 40 mm × 20 mm und einer Höhe h von 20 mm auf. Dieses Teil 3 besteht aus einem handelsüblichen glasverstärkten Kunststoff (GFK) mit einem verhältnismäßig großen Ausdehnungskoeffizienten, so daß es bei einer Abkühlung eine entsprechend starke Schrumpfung ε 3 in Beabstandungsrichtung und ε′ 3 senkrecht zu dieser Richtung zeigt. In diesem Basiselement sind die Enden 7′ und 8′ der Schenkel 7 und 8 eines V-förmigen Winkelstückes 11 eingelassen, die jeweils einen Querschnitt q von etwa 80 mm2 haben und aus einer TiAlV 64-Legierung bestehen. Dieses Material hat einen verhältnismäßig kleinen Ausdehnungskoeffizienten, so daß saich eine entsprechende Schrumpfung ε 11 des Winkelstückes 11 in der genannten Richtung ergibt. Die Schenkel 7 und 8 sind dabei gegenüber der in Beabstandungsrichtung weisenden Normalen auf der Deckfläche D des Basisteiles 3 um einen Winkel α bzw. α′ = - α von etwa 30° geneigt und enden innerhalb des blockartigen Basisteiles 3 in einer Entfernung e 1 von etwa 8 mm über der Grundfläche G. Aus der gegenüberliegenden Deckfläche D ragt das Winkelstück 11 mit seiner von den beiden aneinanderliegenden Enden 7″ und 8″ der Schenkel 7 und 8 gebildeten Abstützungsfläche A um eine Entfernung e 2 von etwa 11 mm heraus. Wenn dann diese Beabstandungseinrichtung sukzessiv von Raumtemperatur mit 293 K auf Heliumtemperatur von 4,2 K abgekühlt wird, ergeben sich die aus der folgenden Tabelle zu entnehmenden Schrumpfungswerte, wobei mit ε 2 die gesamte Schrumpfung der Beabstandungseinrichtung 2 in Beabstandungsrichtung und mit T die jeweilige Temperatur bezeichnet sind.According to a specific embodiment of the spacing device 2 shown in the figure, it has a block-like base part 3 with a base area G of 40 mm × 20 mm and a height h of 20 mm. This part 3 consists of a commercially available glass reinforced plastic (GRP) with a relatively large expansion coefficient, so that it shows a correspondingly large shrinkage ε 3 in the spacing direction and ε ' 3 perpendicular to this direction during cooling. In this base element, the ends 7 'and 8 ' of the legs 7 and 8 of a V-shaped angle piece 11 are embedded, each having a cross section q of approximately 80 mm 2 and made of a TiAlV 64 alloy. This material has a relatively small coefficient of expansion, so that a corresponding shrinkage ε 11 of the elbow 11 results in the direction mentioned. The legs 7 and 8 are inclined relative to the normal pointing in the spacing direction on the top surface D of the base part 3 by an angle α or α ′ = - α of approximately 30 ° and end within the block-like base part 3 at a distance e 1 of approximately 8 mm above the base area G. The angle piece 11, with its support surface A formed by the two adjoining ends 7 ″ and 8 ″ of the legs 7 and 8 , protrudes from the opposite cover surface D by a distance e 2 of approximately 11 mm. If this spacing device is then successively cooled from room temperature with 293 K to a helium temperature of 4.2 K, the shrinkage values are shown in the following table, with ε 2 denoting the total shrinkage of the spacing device 2 in the spacing direction and with T the respective temperature are.
Wie aus der Tabelle ersichtlich ist, beträgt die gesamte Schrumpfung ε 2 der Beabstandungseinrichtung 2 weniger als 1‰ bei einer Abkühlung von Raumtemperatur auf 4,2 K; d.h. diese Einrichtung weist eine nahezu temperaturunabhängige Abmessung in Beabstandungsrichtung auf.As can be seen from the table, the total shrinkage ε 2 of the spacing device 2 is less than 1 ‰ with a cooling from room temperature to 4.2 K; ie this device has an almost temperature-independent dimension in the spacing direction.
Gemäß dem vorstehend geschilderten konkreten Ausführungsbeispiel wurde davon ausgegangen, daß die Beabstandungseinrichtung eine bei Temperaturänderungen weitgehend konstante Abmessung in Beabstandungsrichtung haben soll. Dies wird dadurch erreicht, daß das stärker schrumpfende Material des blockartigen Basisteiles 3 aufgrund seiner Schrumpfung senkrecht zur Beabstandungsrichtung den Neigungswinkel α bzw. α′ der beiden Schenkel 7 und 8 gegenüber der Normalen S in Beabstandungsrichtung um ein vorbestimmtes Maß verkleinert. Mit dieser Verkleinerung des Neigungswinkels ist eine entsprechende Vergrößerung der Ausdehnung der Schenkel in dieser Richtung verbunden. Diese Vergrößerung wird jedoch gemäß dem konkreten Ausführungsbeispiel durch die Schrumpfung der Schenkel und des Basisteils in dieser Richtung mehr als kompensiert.According to the concrete exemplary embodiment described above, it was assumed that the spacing device should have a dimension in the spacing direction that is largely constant in the event of temperature changes. This is achieved in that the more shrinking material of the block-like base part 3 due to its shrinkage perpendicular to the spacing direction reduces the angle of inclination α or α 'of the two legs 7 and 8 compared to the normal S in the spacing direction by a predetermined amount. This reduction in the angle of inclination is associated with a corresponding increase in the extent of the legs in this direction. However, according to the specific exemplary embodiment, this enlargement is more than compensated for by the shrinkage of the legs and the base part in this direction.
Es ist ohne weiteres einsichtig, daß durch geeignete Wahl der Schenkellänge, des Neigungswinkels der Schenkel des Winkelstückes gegenüber der Normalenrichtung sowie durch Auswahl von Materialien mit bestimmten Schrumpfungswerten ein bestimmtes Dehnungs- oder Schrumpfungsverhalten der gesamten Beabstandungseinrichtung bei Temperaturänderungen einzustellen ist.It is readily apparent that by appropriate Choice of leg length, angle of inclination of the legs of the contra-angle to the normal direction as well as by choosing materials with certain Shrinkage values a certain elongation or Shrinkage behavior of the entire spacing device must be set in the event of temperature changes.
Selbstverständlich kann die erfindungsgemäße Beabstandungseinrichtung nicht nur zwischen Teilen von Geräten angeordnet werden, die sich auf unterschiedlichen Temperaturniveaus befinden sollen, sondern diese Einrichtung kann ebensogut auch dann vorgesehen werden, wenn sich die an ihrer Grundfläche G und ihrer Abstützungsfläche A anliegenden Teile auf einem gemeinsamen Temperaturniveau befinden, das sich jedoch ändert.Of course, the spacing device according to the invention can not only be arranged between parts of devices which are to be at different temperature levels, but this device can also be provided just as well when the parts lying against their base surface G and their support surface A are at a common temperature level that is changing, however.
Claims (10)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19853526352 DE3526352A1 (en) | 1985-07-23 | 1985-07-23 | Device for spacing or support with positive fit |
Applications Claiming Priority (1)
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DE19853526352 DE3526352A1 (en) | 1985-07-23 | 1985-07-23 | Device for spacing or support with positive fit |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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DE3526352A1 true DE3526352A1 (en) | 1987-02-05 |
DE3526352C2 DE3526352C2 (en) | 1990-07-05 |
Family
ID=6276540
Family Applications (1)
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DE19853526352 Granted DE3526352A1 (en) | 1985-07-23 | 1985-07-23 | Device for spacing or support with positive fit |
Country Status (1)
Country | Link |
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DE (1) | DE3526352A1 (en) |
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Also Published As
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DE3526352C2 (en) | 1990-07-05 |
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