DE1601908B1 - Device for cooling radiation protection shields in containers and apparatuses which take up low-boiling liquids as a cooling medium - Google Patents
Device for cooling radiation protection shields in containers and apparatuses which take up low-boiling liquids as a cooling mediumInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung von Strahlungsschutzschilden in Behältern und Apparaten, welche als Kühlmedium tiefsiedende Flüssigkeiten aufnehmen, wobei die Strahlungsschutzschilde durch wärmeleitende Verbindung mit Teilen der Abgasleitung kühlbar sind.The invention relates to a device for cooling radiation protection shields in containers and Apparatus which take up low-boiling liquids as a cooling medium, whereby the radiation protection shields can be cooled by a thermally conductive connection with parts of the exhaust pipe.
Es sind bereits Vorratsbehälter für flüssiges Helium bekannt, bei denen der vakuumisolierte Innenbehälter von mehreren Schutzschilden umgeben ist, die durch metallsiche Verbindung mit dem Halsrohr unter Ausnutzung des Abdampfkälteinhaltes gekühlt werden (vgl. hierzu A. A. Ball-a, E. Donth, »Experimentelle Technik der Physik«, VIII [1965], S. 184 bis 190; O. P. Anashkin, I. B. Danilov, V.G.Krvenko, »Cryogenics«, 6 [1966], S. 106, 107; deutsche Auslegeschrift 1230 048; V.E.Keilin, »Cryogenics«, 7 [1967], S. 3 bis 6, Abb. 1).There are already known storage containers for liquid helium in which the vacuum-insulated inner container is surrounded by several protective shields, which are connected to the neck tube by a metal connection be cooled using the evaporative cooling content (see A. A. Ball-a, E. Donth, "Experimental Technique of Physics", VIII [1965], pp. 184 to 190; O. P. Anashkin, I. B. Danilov, V.G. Krvenko, "Cryogenics", 6 [1966], pp. 106, 107; German interpretation document 1230 048; V.E. Keilin, »Cryogenics«, 7 [1967], pp. 3 to 6, Fig. 1).
Diese vorbekannte Ausbildung besitzt den Nachteil, daß die Ausnutzung des Kälteinhaltes der Abgase insbesondere bei größerem Gasausfall nicht befriedigt, weil der Wärmeübergang zwischen der Abgasleitung und den Strahlungsschutzschilden zu gering bleibt. Es ist ferner bereits durch die deutsche Patentschrift 1151264 bekannt, das Abgas eines Verdampferkryostaten durch eine Schraubenlinienformige Rohrwicklung zu leiten, welche den Verdampferkörper als Strahlungsschutz umgibt. Derartige Konstruktionen ergeben zwar eine erhebliche Verbesserung der Ausnutzung des Kälteinhaltes des Abgases, bedingen aber eine unerwünschte Erhöhung des Strömungswiderstandes in der Abgasleitung.This known design has the disadvantage that the utilization of the cold content of the exhaust gases not satisfied, especially in the event of a major gas failure, because the heat transfer between the Exhaust pipe and the radiation protection shields remain too small. It is also already through the German Patent 1151264 known the exhaust of a To conduct evaporator cryostats through a helical tube winding, which the evaporator body surrounds as radiation protection. Such constructions result in a considerable Improvement of the utilization of the cold content of the exhaust gas, but cause an undesirable increase the flow resistance in the exhaust pipe.
Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, eine Vorrichtung zur Kühlung von Strahlungsschutzschilden zu schaffen, bei der günstige Wärmeübergangsverhältnisse vorliegen und die außerdem eine einfache Herstellung, Montage und Zerlegung der Geräte ermöglicht. Es soll ferner keine wesentliche Erhöhung des Strömungswiderstandes in der Abgasleitung eintreten. Das Kennzeichnende der Erfindung ist darin zu sehen, daß die Abgasleitung mindestens einen Wärmeaustauscher von größerem Querschnitt als die Abgasleitung enthält und daß die Mantelfläche dieses Wärmeaustauschers die Wärmeübergangsfläche für den angeschlossenen Strahlungsschuzschild bildet. Damit ergibt sich der Vorteil, daß auch bei geringer Länge der Abgasleitung die Wärmeaustauschfläche erheblich vergrößert und der Wärmeaustausch entsprechend gesteigert werden kann. Es erscheint gegebenenfalls vorteilhaft, den Aufbau derart zu wählen, daß der Wärmeaustauscher rotationssymmetrisch gestaltet ist und in seinem vom Abgas durchströmten Innenraum wärmeleitfähige Gasführungselemente aufweist. Es kann außerdem zweckmäßig sein, daß im Innenraum des Wärmetauschers mindestens ein schraubenhmenförmiges Gasführungselement vorgesehen ist.The invention is based on the object of providing a device for cooling radiation protection shields to create, in which there are favorable heat transfer conditions and which also have a allows easy manufacture, assembly and disassembly of the devices. Furthermore, it is not intended to be an essential Increase in flow resistance in the exhaust pipe. The characteristic of the invention can be seen in the fact that the exhaust pipe has at least one heat exchanger of larger cross-section as the exhaust pipe and that the jacket surface of this heat exchanger contains the heat transfer surface for the connected radiation protection shield. This has the advantage that too If the length of the exhaust pipe is short, the heat exchange surface is considerably increased and the heat exchange can be increased accordingly. It may appear advantageous to design the structure in this way to choose that the heat exchanger is designed to be rotationally symmetrical and in its from the exhaust gas Has flowed through interior thermally conductive gas guide elements. It can also be useful be that in the interior of the heat exchanger at least one helical gas guide element is provided.
Ein weiterer Vorteil kann gegebenenfalls dadurch erzielt werden, daß der freie Durchlaßquerschnitt im Wärmeaustauscher gleich dem lichten Querschnitt der Abgasleitung ist. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß den Wärmeaustauscher eine Durchstoßleitung durchsetzt, deren Querschnitt geringer ist als der Querschnitt der Abgasleitung, wobei die Abgasleitung abschnittsweise eine Ummantelung der Durchstoßleitung bildet. Eine derartige Ausbildung bietet die Möglichkeit, in der Abgasleitung einen freien Querschnitt zu erhalten, der für die Einführung von Proben, Hebern, Sonden u.a. zur Verfügung steht. Bei entsprechender Bemessung Icänn im Wärmetauscher der volle Durchlaßquerschnitt^dej Abgasleitung beibehalten werden, wodurch sich beider Verwendung standardisierter Heber Vorteile ergeben. _Another advantage can optionally be achieved in that the free passage cross-section in the Heat exchanger is equal to the clear cross section of the exhaust pipe. According to a further development of the Invention it is proposed that the heat exchanger penetrates a penetration line, whose Cross section is smaller than the cross section of the exhaust pipe, the exhaust pipe in sections forms a sheathing of the penetration line. Such a training offers the opportunity in the Exhaust pipe to obtain a free cross-section, which is suitable for the introduction of samples, siphons, probes among other things is available. With an appropriate dimensioning Icänn in the heat exchanger the full flow cross-section ^ dej Exhaust pipe can be retained, which means that the use of the system is standardized Siphon benefits. _
Wenn nichts in das Abgasrohr eingeführt zu werden braucht, kann es günstig sein, daß der vom Schraubengang umschlossene freie Innenraum des Wärmeaustauschers mit einem massiven wärmeleitenden Abschlußstück verschlossen ist, welches sich über die Länge des Schraubenganges erstreckt.If nothing needs to be introduced into the exhaust pipe, it can be advantageous that the from Screw thread enclosed free interior of the heat exchanger with a massive thermally conductive End piece is closed, which extends over the length of the screw thread.
Es kann ferner zweckmäßig sein, den Wärmeaustauscher in seinem Innenraum mit einer als Wärmeaustauschelement an sich bekannten Sintermetallpackung zu versehen, wobei vor und hinter der Sintermetallpackung je ein Gasverteilungsraum angeordnet ist. Diese Ausführung bietet die Möglichkeit, den Wärmeaustausch optimal zu gestalten.It can also be useful to have the heat exchanger in its interior with a heat exchange element to provide known sintered metal packing, with a gas distribution space arranged in front of and behind the sintered metal packing is. This design offers the possibility of optimally designing the heat exchange.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung erscheint es von Vorteil, die Strahlungsschutzschilde derart zu gestalten, daß sie Steckhülsenteile aufweisen und mit diesen auf die Wärmeaustauscher aufsteckbar sind. Damit wird eine einfache Montage ermöglicht und ein guter Wärmeübergang geschaffen. Zweckmäßig kann es ferner sein, bei der Hintereinanderschaltung mehrerer Wärmeaustauscher den Querschnitt der Abgasleitung und den freien Querschnitt der Wärmeaustauscher in Strömungsrichtung zu vergrößern. Damit kann der Strömungswiderstand des Systems auf ein Minimum reduziert werden.In a further embodiment of the invention, it appears to be advantageous to protect the radiation shields in this way design that they have socket parts and can be plugged onto the heat exchanger with these. This enables simple assembly and creates good heat transfer. Appropriate it can also be the cross-section of the exhaust pipe when several heat exchangers are connected in series and to enlarge the free cross section of the heat exchanger in the direction of flow. In order to the flow resistance of the system can be reduced to a minimum.
In den Figuren sind verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt; es zeigt Various exemplary embodiments of the invention are shown in the figures; it shows
F i g. 1 einen Querschnitt durch den Wärmeaustauscher mit schraubenlrnienfÖrmigem Gasführungselement, F i g. 1 shows a cross section through the heat exchanger with a helical gas guide element,
Fig. 2 die schematische Darstellung eines Vorratsbehälters mit zwei über Wärmeaustauscher gekühlten Strahlungsschutzschilden und in den Wärmeaustauscher eingesetzter Durchstoßleitung,2 shows the schematic representation of a storage container with two cooled by means of heat exchangers Radiation protection shields and penetration line inserted in the heat exchanger,
F i g. 3 einen Querschnitt durch einen Wärmeaustauscher mit in den vom Schraubengang umschlossenen freien Innenraum eingesetztem massivem Abschlußstück, F i g. 3 shows a cross section through a heat exchanger with the one enclosed by the screw thread free interior space inserted solid end piece,
Fig. 4 einen Querschnitt durch einen Wärmeaustauscher mit Sintermetallpackung und4 shows a cross section through a heat exchanger with sintered metal packing and
Fig. 5 die schematische Darstellung eines Verdampferkryostaten mit zwei über Wärmeaustauscher gekühlten Strahlungsschutzschilden.5 shows the schematic representation of an evaporator cryostat with two heat exchangers cooled radiation protection shields.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel besteht der Wärmeaustauscher 1 aus einem zylindrischen Hohlkörper 2, dessen Innenwand mit einem schraubennnienförmigen, wärmeleitenden Gasführungselement 3 versehen ist, welches sich jedoch nicht über die volle Länge der Innenwand erstreckt. Der beispielsweise aus Kupfer bestehende Wärmeaustauscher 1 ist als Zwischenstück in die dünnwandige, aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit und hoher Festigkeit (beispielsweise Edelstahl) bestehende Abgasleitung 4 eingesetzt. An die Außenseite des Wärmeaustauschers 1 ist der mit einem Steckhülsenteil 5 versehene Strahlungsschutzschild 6 derart angesetzt, daß die gesamte Außenfläche des Wärmeaustauschers 1 für den Wärmeübergang an den Strahlungsschutzschild 6 wirksam wird. Der freie Querschnitt des Wärmeaustauschers 1 ist gleich dem freien Querschnitt der Abgasleitung 4, so daß beispielsweise ein Heber, eine Sonde, eine Probe od. ä. durch den Wärmeaustauscher 1 hindurch in den Be-In the embodiment shown in Fig. 1, the heat exchanger 1 consists of a cylindrical hollow body 2, the inner wall of which is provided with a screw-type, heat-conducting gas guide element 3, which does not, however, extend over the full length of the inner wall. The heat exchanger 1, made for example of copper, is inserted as an intermediate piece into the thin-walled exhaust pipe 4 made of a material with low thermal conductivity and high strength (for example stainless steel). The radiation protection shield 6 provided with a plug-in sleeve part 5 is attached to the outside of the heat exchanger 1 in such a way that the entire outer surface of the heat exchanger 1 is effective for the transfer of heat to the radiation protection shield 6. The free cross section of the heat exchanger 1 is equal to the free cross section of the exhaust pipe 4, so that, for example, a lifter, a probe, a sample or the like.
hälter eingeführt werden kann. Wenn der Heber, dessen Durchmesser etwas kleiner ist als der Durchmesser der Abgasleitung 4, eingeführt ist, ergibt sich ein Ringspalt zwischen Hebermantelrohr und Abgasleitung 4, der von dem Wärmeaustauscher 1 unterbrachen ist, und durch den das Abgas hindurchströmt. Wenn kein Heber eingeführt ist, steht dem Abgas der volle Querschnitt der Abgasleitung 4 zur Verfugung.container can be introduced. If the lifter, its Diameter is slightly smaller than the diameter of the exhaust pipe 4, inserted, results in a Annular gap between siphon jacket pipe and exhaust pipe 4, which are interrupted by the heat exchanger 1 and through which the exhaust gas flows. If no lifter is inserted, it stands Exhaust the full cross section of the exhaust pipe 4 is available.
Fig. 2 zeigt eine Variante des in Fig. 1 gezeigten Wärmeaustauschers am Beispiel einer Vorratskanne 7 mit zwei Strahlungsschutzschilden 8, 9. Die Wärmeaustauscher Ic, Ib bestehen wieder aus einem Hohlkörper mit schraubenlinienförmigem Gaszuführungselement, jedoch sind die Wärmeaustauscher von einer Durchstoßleitung 10 durchsetzt, welche fest in die Gasführungselemente 3 eingesetzt ist. Die Durchstoßleitung 10 erstreckt sich von der Unterseite des am weitesten innen angeordneten Wärmeaustauschers la bis zum äußeren Ende der Abgasleitung 4 (hier Halsrohr des mit Kältemittel 11 gefüllten Innenbehäl-K ters 12) und wird von der Abgasleitung 4 umschlos-P sen. Zwischen Durchstoßleitung 10 und Abgasleitung 4 ergibt sich ein Ringspalt, der von den beiden Wärmeaustauschern la, Ib unterbrochen ist und durch den das Abgas zu dem Abgasauslaß 13 strömt. Bei dieser Ausführungsform ergibt sich der Vorteil, daß das Abgas auch bei Entfernung des Hebers durch einen engen Ringspalt geführt wird und jeweils die gesamte Abgasmenge durch die Wärmeaustauscheriß, Ib strömen muß (bei Entfernung des Hebers ist die Durchstoßleitung 10 durch einen Deckel oder Stopfen 14 zu verschließen). Dies ist insbesondere bei Anfall größerer Abgasmengen von Interesse, beispielsweise bei Vorratsbehältern größeren Fassungs-Vermögens. Fig. 2 shows a variant of the heat exchanger shown in Fig. 1 using the example of a storage jug 7 with two radiation shields 8, 9. The heat exchangers Ic, Ib again consist of a hollow body with a helical gas supply element, but the heat exchangers are penetrated by a piercing line 10, which is firmly inserted into the gas guide elements 3. The penetration line 10 extends from the underside of the farthest inward heat exchanger la to the outer end of the exhaust line 4 (here neck tube of the refrigerant 11-filled Innenbehäl-K age 12) and is enclosed by the exhaust line 4-P sen. Between the piercing pipe 10 and exhaust pipe 4 there is an annular gap, which is interrupted by the two heat exchangers la, Ib and flows through the exhaust gas to the exhaust gas outlet. 13 This embodiment has the advantage that the exhaust gas is guided through a narrow annular gap even when the siphon is removed and the entire amount of exhaust gas must flow through the heat exchanger, Ib (when the siphon is removed, the penetration line 10 is closed by a cover or plug 14 close). This is of particular interest when larger amounts of exhaust gas occur, for example in the case of storage containers with a larger capacity.
F i g. 3 zeigt eine weitere Variante des in F i g. 1 dargestellten Wärmeaustauschers 1, die in denjenigen Fällen vorteilhaft ist, in denen nichts durch die Abgasleitung 4 hindurchgeführt zu werden braucht. Der vom schraubenlinienförmigen Gasführungselement 3 umschlossene freie Innenraum ist hier durch ein fest eingesetztes massives wärmeleitendes Abschlußstück )■ 15 verschlossen, welches sich über die Länge des Schraubenganges erstreckt. Sowohl auf der Gasein- Φ5 trittseite als auch auf der Gasaustrittseite ist innerhalb des Wärmeaustauschers ein Gasverteilungsraum 16, 17 vorgesehen. Auch bei dieser Ausbildung ist erreicht, daß die gesamte Abgasmenge jeweils den Wärmeaustauscher durchströmt.F i g. 3 shows a further variant of the in FIG. 1 shown heat exchanger 1, which is advantageous in those cases in which nothing needs to be passed through the exhaust pipe 4. The free interior space enclosed by the helical gas guide element 3 is closed here by a solidly inserted, solid, thermally conductive terminating piece 15 which extends over the length of the screw thread. A gas distribution space 16, 17 is provided within the heat exchanger both on the gas inlet side and on the gas outlet side. With this design, too, it is achieved that the entire amount of exhaust gas flows through the heat exchanger.
Fig. 4 zeigt einen Wärmeaustauscher, bei dem in den abgeschlossenen zylindrischen Hohlkörper 2 a, 2 b als Wärmeaustauschelement eine Sintennetallpackung 18 eingesetzt ist. Bei dieser Ausführungsform ist ein optimaler Wärmeaustausch zu erreichen, da Sintermetallkörper bekanntlich eine sehr große innere Oberfläche und ein gutes Wärmeleitvermögen besitzen. Entsprechende Sintermetallpackungen könnten auch für das in F i g. 2 gezeigte Anwendungsbeispiel verwendet werden. 4 shows a heat exchanger in which a sintered metal packing 18 is inserted into the closed cylindrical hollow body 2 a, 2 b as a heat exchange element. In this embodiment, an optimal heat exchange can be achieved, since sintered metal bodies are known to have a very large inner surface and good thermal conductivity. Corresponding sintered metal packings could also be used for the in FIG. The application example shown in FIG. 2 can be used.
F i g. 5 zeigt schließlich in schematischer Darstellung als Anwendungsbeispiel des in F i g. 4 dargestellten Wärmeaustauschers einen Verdampferkryostaten. Der über eine Zuführungsleitung 19 mit Kältemittel versorgte Verdampferkühlkopf 20, an dem eine Probe 21 gehaltert ist, ist allseitig von zwei Strahlungsschutzschilden 22, 23 umgeben. Die Strahlungsschutzschilde 22, 23 stehen in wärmeleitender Verbindung mit den in der Abgasleitung 4 des Verdampferkühlkopfes 20 angeordneten Wärmeaustauschern 24, 25. Die gesamte Vorrichtung ist von einem evakuierbaren Gehäuse 26 umgeben. Als Wärmeaustauscher sind hier vorteilhaft die in den F i g. 3 und 4 dargestellten Ausführungsformen zu verwenden. Ein solcher Verdampferkryostat zeichnet sich durch eine besonders einfache Bauweise aus. Die Abgasleitung kann entsprechend der abnehmenden Dichte des Gases bei der Erwärmung aus Teilstücken mit unterschiedlichem Querschnitt zusammengesetzt und damit der Strömungswiderstand klein gehalten werden. Ferner kann durch geeignete Dimensionierung der Wärmeaustauscher der Kälteinhalt des Gases wirklich vollständig ausgenutzt werden.F i g. Finally, FIG. 5 shows in a schematic representation as an application example of the FIG. 4 shown Heat exchanger an evaporator cryostat. The via a supply line 19 with refrigerant The supplied evaporator cooling head 20, on which a sample 21 is held, is covered on all sides by two radiation protection shields 22, 23 surrounded. The radiation protection shields 22, 23 are in a thermally conductive connection with the heat exchangers arranged in the exhaust pipe 4 of the evaporator cooling head 20 24, 25. The entire device is surrounded by a housing 26 which can be evacuated. As a heat exchanger are advantageous here in FIGS. 3 and 4 shown embodiments to use. A Such an evaporator cryostat is characterized by a particularly simple design. The exhaust pipe can according to the decreasing density of the gas when heated from sections with different Composite cross-section and thus the flow resistance can be kept small. Further the cold content of the gas can really be achieved through suitable dimensioning of the heat exchanger be fully exploited.
Claims (9)
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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