DISMANTABLE STRUCTURE FOR THE MUTUAL STRUTTING OF TWO CONSTRUCTIONAL ELEMENTS AT A LOW TEMPERATURE

Abstract: The invention relates to a device which can be dismantled for the mutual support of two components which are at a very low temperature and are insulated against the external temperature, while maintaining a cold link between these components, e.g. two super-conducting magnetic coils during the operating phase. The purpose of the device is to allow the high magnetic forces occurring during this operating phase to be absorbed but to allow it to be easily dismantled if required, without having to interrupt or open the vacuum sleeve of the magnetic coil. To this end, a connecting housing (14) with a fixed (54) and a free flange (16) is installed between the walls of the vacuum housing (40) on the two magnets (1, 2), the inner space (51) of which connecting housing (14) can be evacuated. A closed cold link is formed by external pressure pieces (7) and internal pressure pieces (30) together with parts (8) which can be pushed between these pieces and the centre pressure piece (20) running in the centre of the connecting housing (14), which cold link remains at the very low temperature and can absorb the high magnetic forces. <IMAGE>

Description: Demontierbare Vorrichtung zum gegenseitigen Abstützen zweier auf Tiefsttemperatur befindlicher Bauelemente Die vorliegende Erfindung betrifft eine demontierbare Vorrichtung zum gegenseitigen Abstützen zweier auf Tiefsttemperatur befindlicher und gegen die Aussentemperatur isolierter Bauelemente unter Aufrechterhaltung einer Kältebrücke zwischen den Bauelementen, z.B. zweier supr & leitender Magnetspulen während der Betriebsphase. Beim Betrieb supraleitender Magnete, die etwa unter 40 K Betriebstemperatur stehen, entstehen durch die Magnetspulen sehr hohe Kräfte. Diese Kräfte müssen durch gegenseitige Abstützung der Magnetspulen bzw. ihrer Gehäuse aufgenommen werden, um Deformationen zu vermeiden. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun eine Vorrichtung zu schaffen, mit welcher zwei supraleitende, 0 d.h. unter sehr tiefen Temperaturen im Bereich von 4 K stehenden Magnete kraftschlüssig zur Aufnahme der im Betrieb entstehenden, hohen Magnetkräfte verbunden werden können. Dabei ist es erforderlich, diese Vorrichtung leicht demontieren zu können, ohne dass der Vakuummantel der Magnetspule unterbrochen oder geöffnet werden muss. Die Isolierung der Magnetspulen muss auch bei abgebauter Vorrichtung erhalten bleiben, d.h. auch dann darf kein unter Tiefsttemperatur stehendes Bauteil mit der Aussentemperatur in Kontakt kommen um Wärmeverluste zu vermeiden. Die vorliegende Erfindung schlägt nun zur Lösung dieser Aufgabenstellung bei einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art die Merkmale vor, die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 von a) bis f) aufgeführt sind. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes bestehen in den Merkmalen, die im Patentanspruch 2 unter g) bis h) angegeben sind. Eine solcher Art ausgebildete Vorrichtung gestattet es nun in besonders vorteilhafter Weise, die Druckkräfte bei Raumtemperatur zwischen zwei gekapselten und auf Tiefsttemperatur befindlichen Bauteilen aufzunehmen. Dabei besteht im eingebauten Zustand auch eine durchgehende Kälteverbindung, die von der Aussentemperatur vollständig isoliert ist. Eine solche, diese Bedingungen erfüllende Vorrichtung war bisher nicht bekannt. Weitere Einzelheiten der Erfindung sind im folgenden anhand der Figuren 1 bis 5 näher erläutert. Es zeigen die Figur 1 zwei einarder.gegenüberliegende supraleitende Magnetspulen ohne Verbindung miteinander, die Figur 2 dieselben mit eingesetztem Verbindungehäuse und getrennter Kältebrücke, die Figur 3 die Vorrichtung gemäss Figur 2 mit durch gehender Kältebrücke, die Figur 4 die perspektivische Ansicht auf einen Magnet der Figur 1, die Figur 5 die perspektivische Ansicht wie Figur 4, jedoch mit aufgesetztem Verbindungsgehäuse. In der Figur 1 sind die Verbindungsstellen der zwei einander gegenüberliegenden supraleitenden und tiefstgekühlten Magnetspulen 1 und 2 spiegelbildlich dargestellt, wobei beide Verbindungsstellen gleich sind. Die Figur 4 zeigt davon eine in perspektivischer'Darstellung. Die Magnetspulen 1 und 2 sind nach aussen durch die Stützstruktur 3 als äussere Kontur begrenzt, die mit einer Supraisolation 4 abgedeckt bzw. durch ein N2 Schild isoliert ist. An der Stelle der übertragung ist an die Stützstruktur 3 ein angeschrägtes inneres Druckstück 30 leitend angebracht, welches neben der Kraftübertragung als Wärme- bzw. Kälteverbindung dient. In gewissem Abstand zur Stützstruktur 3 ausserhalb der Isolierung 4 ist die Magnetspule von einem Vakuumgehäuse 40 umgeben, in dessen Innen- bzw. Zwischenraum 26 Vakuum herrscht, welches die Trennung der Raumtemperatur zur Tiefsttemperatur der Magnetspulen 1, 2 bildet. In der Höhe der Kraftübertragungsstelle ist die Wand des Vakuumgehäuses 40 zu einem verdickten Flansch 5 ausgebildet, in dessen zentraler öffnung 27 ein weiteres rundes äusseres Druckstück 7 sitzt, dessen Mitte mit dem des inneren Druckstückes 30 fluchtet, und welches mittels eines Wellrohrkompensators 6 elastisch gehalten wird. Der Wellrohrkompensator 6 ist mit seinem einen Ende 28 in der öffnung 27 gasdicht nach innen gerichtet eingeschweisst und hält das Druckstück 7 in der Öffnung 27 mittels eines Zwischenbleches 55 so, dass ein Abstand bzw. Zwischraum 52 zum inneren Druckstück 30 gebildet wird. Das andere Ende 29 des Kompensators 6 ist dabei gasdicht mittels des Zwischenbleches 55 am Umfang des äusseren Druckstückes 27 befestigt. Dieses Druckstück 7 ist so positioniert, dass seine Aussenfläche 31 etwas über die Aussenkontur 32 des Flansches 5 hinausragt. Der Wellrohrkompensator 6 besitzt eine gestreckte Länge von rund 800 mm, gesehen von der kalten nach der warmen Seite. Oberhalb der Flansche 5 ist eine Öffnung 33 in das Vakuumgehäuse 40 eingebracht, die mit einem Deckel 11 verschlossen ist, der an seiner Innenseite 34 die Halterung bzw. den Verschiebemechanismus eines senkrecht beweglichen Keiles 8 trägt. Der Keil ist an seiner einen, dem Magneten 1 zugewendeten Seite 35 angeschrägt. Seine andere Seite 36 ist senkrecht ausgebildet. Der Winkel der angeschrägten Seite 35 entspricht dem Winkel der angeschrägten Aussenfläche 37 des inneren Druckstückes 30, die senkrechte Fläche 36 des Keiles 8 korrespondiert mit der senkrechten Innenfläche 38 des Druckstückes 7. Die Abstände der Fläche 37 und 38 voneinander entsprechen etwa der Dicke des Keiles 8. Der Keil 8 ist mittels eines Lamellenrohres 12, dessen gestreckte Länge von kalt nach warm mindestens 800 mm beträgt und dessen Aufbau in den Figuren 3 und 4 gezeigt ist, mit der Gewindestange 13 verbunden und wird in der Halterung 9 geführt, die ihrerseits auf der Innenseite des Deckels Ii sitzt. Der Antrieb für die Drehbewegung der Gewindestange 13 erfolgt mittels des auf sie geschraubten und zum Gehäuse 40 ortsfesten Kegelrades 39, welches mittels des Kegelrades 41 drehbar ist. Das Kegelrad 41 ist in der Wand 40 gelagert und kann von aussen her nach Abnahme der Kappe 42 durch Drehen der Welle 10 am Vierkant 43 gedreht werden. Das die beiden Druckstücke 7 verbindende und zwischen dieselben einsetzbare Verbindungsgehäuse 14 ist in den Figuren 2 und 3 eingesetzt im Schnitt und in der Figur 5 perspektivisch dargestellt. Das Gehäuse 14 ist auf seiner einen Seite als Flansch 54 und auf der anderen Seite als Stutzen 45 mit einer Führungsfläche 44 ausgebildet, auf welcher mittels eines Gleitlagers 15 der Flansch 16 horizontal bewegt werden kann. Ein Faltenbalg 17 dichtet dabei den Innenraum 46 zwischen dem Gehäuse 14 und losem Flansch 16 nach aussen nin ab. Mittels der zwei Schraubvorrichtungen 18 wird der Flansch 16 0 hin und her bewegt Die drei um 120 um den Umfang ver- setzten Arretierungsstifte 19 zentrieren dabei das in der Mitte des Gehäuses 14 gelegene mittlere Druckstück 20, welches die spätere Kältebrücke und Druckübertragungbzw. Verbindung zwischen den Spulen 1 und 2 mit den äusseren Druckstücken 7 bildet und mit seiner Länge deren Abstand überbrückt. Während der Zentrierung greifen unten an den Arretierungsstiften 19 angebrachte Klötze 47 in Ausnehmungen 48 des mittleren Druckstückes 20 ein (siehe Figur 5). Das Druckstück 20 besitzt an jeder Seite einen Führungskeil 21 (siehe Figur 5) sowie ein diesem gegenüberliegenden Schulterstück 22 und ist an seiner Aussenseite 49 mit Supraisolation 23 umgeben. Die Arretierungsstifte 19, die mittels der Gewindebuchsen 50 im Gehäuse 14 gegen das Druckstück 20 einschraubbar sind, sind während des Betriebes mit einer Kappe 24 vakuumdicht verschlossen, das Gehäuse 14 wird für den Betrieb über den nur als Linie dargestellten Vakuumanschluss 25 evakuiert. Die Funktion der demontierbaren Vorrichtung zur kalten Abstützung der beiden Magnetspulen 1 und 2 ist nun wie folgt; Für den herzustellenden Kraftschluss der beiden, einander gegenüberliegende Magnetspulen 1 und 2 ist ihrer Ausgangsposition wie in der Figur 1 bzw. der Figur 4 dargestellt. Die beiden Spulen 1 und 2 sind auf Betriebstemperatur gehalten, d.h. sie sind auf eine für Supraleitung notwendige sehr tiefe Temperatur im Bereich von 40 K gekühlt. Die beiden inneren Druckstücke 30 haben direkSnNontakt mit der Tiefsttemperatur Da die Keile 8 (siehe Figuren 1 und 2) nocn nach oben ausgefahren bzw gezogen sind, weisen die tiefsttemperierte inneren Druckstücke 30 noch keinen Kontakt mit den noch auf Raumtemperatur liegenden und durch den unter Vakuum liegenden Inneraum 26 isolierten grösseren Druckstücken 7 auf. Das Verbinaungsgehäuse 14 wird nun so zwischen die Magnetspulen 1 und 2 bzw. die Vakuumgehäuse 40 gesetzt (siehe Figuren 2 und 3), dass das nittlere Druckstück 20 die beiden mittels der Wellrohrkompensatoren 6 elastisch gelagerten äusseren Druckstücke 7 mit seinen Führungskeilen 21 (siene Figur 5) etwas zur Seite drückt und sicn mit den beiden, über ihren Umfang gewölbten SchulterstücKen s2 auf ihnen abstützt und auf die Mitte des Druckstückes 7 zentriert. Dann wird der feste Flansch 54 des Gehäuses 14 mit dem Flansch 5 des Vakuumgehäuses 40 von der Magnetspule 2, wie in der Figur aargestellt, abgedichtet und mit ihm verschraubt. Danach wird der lose Flansch 16 des Verb.ndungsgehäuses 14 mittels der Schraubvorrichtungen 18 durch Verschieben auf der Führungsfläche 44 bzw. dem Gleitlager 15 in Richtung Flansch 5 der Magnetspule 1 verfahren, an sie angedrückt, abgedichtet und mit ihr verschraubt. Darauf werden die drei Arretierungsstifte 19 mit den Klötzen 47 aus den Ausnehmungen 48 herausgefahren und bis zum oberen Anschlag gebracht und mit der Kappe 24 vakuumaicnt verschlossen. Es besteht nunmehr keine wärmeleitende Verbindung mehr zwischen dem mittleren Druckstück 20 und der Wand des Verbindungsgehäuses 14. Danach wird der Innenraum 51 des Gehäuses 14 evakuiert, die Wärmeisolierung innerhalb des Gehäuses 14 ist hergestellt. Ist nun das Vakuum in den Innrauem 51 auf demselben Wert wie in den Innenräumen 26 bzw. auf dem gewünschten Wert, so kann die Kältebrücke geschlossen werden. Dazu werden die beiden Keile 8 von Hand durch Drehen am Vierkant 43 in der Halterung 9 nach unten bewegt und in den Zwischenraum 52 zwischen den Flächen 37 und 38 der Druckstücke 30 und 7 geschoben bis die Fläche 35 und 36 in engem Kontakt mit den Flächen 37 und 38 kommen und die Kältebrücke bzw. ein Kraftschluss von ca. 5000 Kilo N köder 5 MN (= 500 t) zwischen den Magnetspulen 1 und 2 hergestellt ist (siehe Figuren 3 und 5). Haben die Druckstücke 27 Tiefsttemperatur erreicht, so werden die Keile nachjustiert. Die Kältebrücke bzw. Abstützverbindung zwischen den Magnetspulen 1 und 2 besteht nun aus den inneren Druckstücken 30, den eilen 8, den äusseren Druckstücken 7 und dem mittleren Druckstück 20. Diese Teile haben ausser dem Materialquerschnitt der Wellrohrkompensatoren 6 und der Lamellenrohre 12 keine direkte Verbindung zur Raumtem- peratur des Aussenraumes 53 mehr und werden durch die evakuierten Räume 26 und 51 wärmeisoliert. Dabei sorgt die gestreckte Länge der Teile 6 und 12 von 800 mm im Verhältnis zu ihrer geringen Wandstärke auch in diesem Bereich für genügenden Isolierungsabstand, für das sich die Temperaturdifferenz an diesen Teilen 6 und 12 ohne grössere Wärmeverluste abbaut. Der Ausbau des Verbindungsgehäuses 14 erfolgt in umgekehrter Reihenfolge. Nach Abschalten der Magnete, also Abbau der Kräfte werden zuerst die Teile 8 hochgezogen. Nach einer eventuell notwendigen Aufheizung des Verbindungsgehäuses 14 werden die-drei Arretierungsstifte 19 an das mittlere Druckstück 20 bzw. die Klötze 47 in die Ausnehmungen 48 eingefahren und der unter Vakuum stehende Innenraum 51 geöffnet. Anschliessend können die Flansche 16 und 54 gelöst und das gesamte Verbindungsgehäuse 14 wieder abgebaut werden. Bezugszeichenliste: 1 erste Magnetspule 2 zweite Magnetspule 3 Stützstruktur 4 Supraisolation 5 Flansch 6 Wellrohrkompensator 7 äusseres Druckstück 8 Keil 9 Halterung 10 Antriebswelle 11 Deckel 12 Lamellenrohr 13 Gewindestange 14 Verbindungsgehäuse 15 Gleitlager 16 loser Flansch 17 Faltenbalg 18 Schraubvorrichtung 19 Arretierungsstife 20 mittleres Druckstück 21 Führungskeil 22 Schulterstück 23 Supraisolation 24 Kappe 25 Vakuumanschluss 26 Innen- bzw. Zwischenraum 27 öffnung 28 Ende 29 Ende 30 inneres Druckstück 31 Aussenfläche 32 Aussenkontur 33 öffnung 34 Innenseite 35 angeschrägte Seite 36 senkrechte Seite 37 Aussenfläche 38 Innenfläche 39 Kegelrad 40 Vakuumgehäuse 41 Kegelrad 42 Kappe 43 Vierkant 44 Führungsfläche 45 Stutzen 46 Innenraum 47 Klotz 48 Ausnehmung 49 Aussenseite 50 Gewindebuchse 51 Innenraum 52 Zwischenraum 53 Aussenraum 54 Flansch 55 Zwischenblech

Claims: Device for mutually supporting two constructional elements (1, 2), which are at minimum temperature and are insulated against the external temperature, whilst maintaining a cold bridge between the constructional elements, e.g. two superconductive magnet coils, during operation, having the following features: a) the heat insulation means (4), such as a supporting structure (3), for example, which is insulated by superinsulation, an N₂ shield, of both constructional elements (1, 2) is surrounded by a vacuum housing (40), the intermediate space (26) which is formed being evacuatable, b) an inner pressing component and an outer pressing component (7, 30) are each connected to each respective constructional element (1, 2) in a force-locking and heat-conductive manner through the heat insulation means (4), c) the respective outer pressing component (7) is in alignment with the respective inner pressing component (30) and is resiliently mounted as a result of extending through the wall, an intermediate space (52) being produced within the vacuum between the inner faces (38) of the outer pressing components (7) and the outer faces (27) of the inner pressing components (30), characterised by the additional features: d) wedges (8) are insertable into the intermediate spaces (52) for spanning purposes until they abut against the resepctive inner and outer pressing components, the sides (35, 36) of said wedges situated adjacent the pressing components corresponding to the angle of inclination of the faces (37, 38) on the pressing components, e) between the walls of the vacuum housing (40) on the two constructional elements (1, 2), a dismountable connection housing (14) is outwardly connectable in a vacuum-tight manner to the flanges (5) by means of a fixed flange (54) and a loose flange (16), the interior (51) of said housing being evacuatable, f) in the centre of the connection housing (14), a central pressing component (20) extends centrally and in alignment with the outer pressing components (7) and spans, with its length, the spacing between said pressing components and abuts thereagainst. Device according to claim 1, characterised by the additional features: g) the central pressing component (20) is radially centred or retained over its periphery by means of three radial locking pins (19), which are displaceable outwardly away from the central pressing component (20), h) guide wedges (21), which are situated opposite one another, and a shoulder-piece (22), which is curved over the periphery, are provided on the two end faces of the central pressing component (20) for the purpose of built-in support or centering.

Inventors: BOEHME, GEORG, HUEBENER, JOERG, Böhme, Georg, Hübener, Jörg
Applicants: KERNFORSCHUNGSZENTRUM KARLSRUHE GMBH
Application year: 1986
Main classification: H01F7
IPC codes: H01F6