DE3526352C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur gegenseiti­ gen kraftschlüssigen Beabstandung und/oder Abstützung gemäß dem gattungsbildenden Oberbegriff des Hauptanspruchs. Eine solche Einrichtung ist aus dem Bericht des "National Accelerator La­ boratory", USA, No. TM 334A, 27 91.000 vom 10.12.1971 mit dem Titel "The Heim Column" bekannt.

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. Abstützungsein­ richtungen erforderlich, über welche zudem noch möglichst ge­ ringe Wärmemengen auf die tiefkalten Bauteile übertragen werden sollen. Für die Auslegung einer entsprechenden Beabstandungs­ einrichtung sind neben den vorhandenen Gewichtsmassen der Bau­ teile vielfach noch dynamische Komponenten zu berücksichtigen.

Aufgrund dieser Forderungen wurden bisher verschiedenste Zug- oder Stützelemente eingesetzt, wobei unterschiedliche Werk­ stoffe, z. B. 18/8-CrNi-Stahl, Titan oder glasfaserverstärkte Kunststoffe, verwendet wurden. Dementsprechend besteht die aus dem eingangs genannten Bericht bekannte Beabstandungseinrich­ tung aus mehreren Stützelementen, die zwischen dem Außengehäuse und dem Wicklungsgehäuse insbesondere einem supraleitenden Magneten anzuordnen ist. Sie enthält dabei drei sich gegen­ seitig umschließende rohrförmige Teile, wobei das äußere, an dem Außengehäuse anliegende Rohr sowie das innere, an dem Wick­ lungsgehäuse anliegende Rohr aus glasfaserverstärktem Kunst­ stoff bestehen. Diese beiden Rohre sind an ihren nicht an die­ sen Gehäuseteilen anliegenden Enden über das mittlere Rohr aus Aluminium miteinander starr verbunden. Durch die 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 Beabstandungsein­ richtungen zwischen dem Außen- und dem Wicklungsgehäuse zu gewährleisten ist. Der Aufbau und die Handhabbarkeit der be­ kannten Beabstandungseinrichtung sind jedoch verhältnismäßig aufwendig.

Aus der GB-PS 11 99 350 ist ebenfalls eine Einrichtung zu ent­ nehmen, bei der ein unterschiedliches Dehnungsverhalten zweier Teile zu einer Kompensation von thermisch bedingten Längenän­ derungen dient. Hierzu bildet einer der beiden Teile der Ein­ richtung einen rohr- oder stabförmigsen Kern, auf dessen Mantel­ fläche der andere Teil aufgeschrumpft ist. Mit der bekannten Einrichtung sollen insbesondere auf Raumtemperatur befindliche Geräte in einer von Temperaturschwankungen unabhängigen Lage zu positionieren sein. Große Temperaturunterschiede, wie sie bei kryotechnischen Geräten auftreten, lassen sich jedoch mit der bekannten Einrichtung nicht ohne weiteres ausgleichen.

Die am 23.6.1956 bekanntgemachte DE-Patentanmeldung G 37 93 IX/42d offenbart eine nachgiebige Lagerung zur Posi­ tionierung von Instrumenten unter Verwendung von Gummiteilen. Derartige Teile lassen jedoch einen Einsatz bei kryogenen Temperaturen nicht zu. Außerdem ist auch eine konstante, tempe­ raturabhängige Beabstandung zweier Geräteteile nicht möglich.

Darüber hinaus ist aus der FR-PS 6 32 855 eine einarmige Auf­ hängung einer Maschine bekannt, bei der für eine Kraftübertra­ gung auf einen Sockel schräg verlaufende Zuganker verwendet werden. Gesichtspunkte einer temperaturunabhängigen Beabstan­ dung zweier Geräteteile sind dabei nicht angesprochen.

Ausgehend von einer Einrichtung mit den im Oberbegriff des Hauptanspruchs angegebenen Gestaltungsmerkmalen ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diese Einrichtung dahingehend zu verbessern, daß ein verhältnismäßig einfacher Aufbau mit weni­ gen Einzelheiten ermöglicht wird und dennoch in kryotechnischen Geräten wie z. B. supraleitenden Magneten auftretende Kräfte zu übertragen sind.

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

Aufgrund dieser Ausgestaltung der Beabstandungs- und/oder Ab­ stützungseinrichtung ist deren gesamter Ausdehnungskoeffizient in Beabstandungsrichtung einstellbar, indem man für das block­ artige 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 Beab­ standungsrichtung weisenden Linie oder Ebene neigt. Dabei muß das V-förmige Winkelstück bei Temperaturänderungen den zwischen seinen Schenkeln ausgebildeten Winkel ändern können. Ein ge­ wünschter Ausdehnungskoeffizient der gesamten Beabstandungs­ einrichtung in Beabstandungsrichtung läßt sich dann sowohl hinsichtlich seines Vorzeichens als auch seiner Größe in bestimmten Bereichen auf verhältnismäßig einfache Weise realisieren.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Beabstan­ dungseinrichtung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

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.

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 erstes Element als Basisteil 3 auf, das aus einem Material mit verhältnismäßig großem Ausdehnungskoeffizienten besteht. Als Basismaterial sind insbesondere mechanisch hochfeste, thermisch schlecht leitende Kunststoffe geeignet, die vorzugsweise noch mit einem Verstärkungsmaterial wie z. B. Glasfasern oder Kohlenstoffasern versehen 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, etwa V-förmige 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 etwa V-förmigen Winkelstückes 11 können insbesondere etwa kreisförmige Querschnitte q haben, jedoch sind auch andere Querschnittsformen geeignet.

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.

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 blockartige Basisteil 3 besteht aus einem handelsüblichen glasfaserverstärkten 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 dieses blockartige Basisteil 3 sind die Enden 7′ und 8′ der Schenkel 7 und 8 eines etwaV-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 sich eine entsprechende Schrumpfung e ₁₁ des etwa V-förmigen 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 etwa V-förmige 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.

Tabelle

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.

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 Symmetrieebene S in Beabstandungsrichtung um ein vorbestimmtes Maß verkleinert. Mit dieser Verkleinerung des Neigungswinkels α bzw. α′ ist eine entsprechende Vergrößerung der Ausdehnung der Schenkel 7 und 8 in dieser Richtung verbunden. Diese Vergrößerung wird jedoch gemäß dem konkreten Ausführungsbeispiel durch die Schrumpfung der Schenkel 7 und 8 und des blockartigen Basisteils 3 in dieser Richtung mehr als kompensiert.

Claims (5)

1. Einrichtung zur gegenseitigen kraftschlüssigen Beabstandung und/oder Abstützung zweier auf unterschiedlichem Temperaturni­ veau zu haltender Teile eines kryotechnischen Gerätes, wobei die Einrichtung zwei aus Materialien unterschiedlicher Ausdeh­ nungskoeffizienten bestehende Elemente enthält, die so mit­ einander verbunden sind, daß bei Temperaturänderungen minde­ stens eines Geräteteiles in Beabstandungsrichtung ein vorbe­ stimmter Ausdehnungskoeffizient der gesamten Einrichtung ge­ währleistet ist, so daß der Kraftschluß erhalten bleibt, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Element als blockartiges Basisteil (3) aus einem ersten Mate­ rial mit einem ersten Ausdehnungskoeffizienten ausgebildet ist, in das jeweils ein freies Ende (7′, 8′) der beiden Schenkel (7, 8) eines das zweite Element bildenden, etwa V-förmigen Winkel­ stückes (11) unter einem vorbestimmten Winkel (α, α′) bezüg­ lich einer in Beabstandungsrichtung verlaufenden Symmetrieebene (S) des etwa V-förmigen Winkelstückes (11) schräg hineinragt, wobei das etwa V-förmige Winkelstück (11) auf einem zweiten Material mit einem zweiten Ausdehnungskoeffizienten besteht, der kleiner als der erste Ausdehnungskoeffizient ist, und daß die beiden Schenkel (7, 8) an den zu den freien Enden (7′, 8′) entgegengesetzt lie­ genden Enden (7′′, 8′′) sowohl eine gemeinsame, außerhalb des blockartigen Basisteiles (3) liegende freie Abstützungsfläche (A) als auch eine gemeinsame Trenn- und Gleitfläche (10) zum losen Aneinanderliegen aufweisen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das blockartige Basisteil (3) aus einem mechanisch hochfesten, thermisch schlecht leitenden Kunststoff besteht.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kunststoff des blockartigen Basis­ teils (3) mit Kohlenstoffaser- oder Glasfasermaterial ver­ stärkt ist.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das V-förmige Winkelstück (11) aus einem hochfesten metallischen Werkstoff besteht.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der metallische Werkstoff des V-förmi­ gen Winkelstückes (11) eine TiAlV-Legierung ist.