DE10302394A1 - Thermal expansion compensating device between two different components has metal feet and a web plate consisting of several lamella slats of fibre-reinforced plastics - Google Patents

Thermal expansion compensating device between two different components has metal feet and a web plate consisting of several lamella slats of fibre-reinforced plastics Download PDF

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Abstract

The device which centrally positions and compensates thermal expansions between two different components has metal feet (1) and a web plate (2) consisting of several lamella slats (2) of fibre-reinforced plastics. The end feet are in two parts braced together by tension bolts (4). Friction discs (3) between the lamella slats are fixed without play on the tension bolts. A gap (11) is formed between the lamella slats.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur zentrischen Positionierung und zum thermischen Dehnungsausgleich von zwei Bauteilen unterschiedlicher Temperatur.The The invention relates to a device for central positioning and for thermal expansion compensation of two components different Temperature.

In Mess- und Bearbeitungsapparaturen, insbesondere im Tieftemperatur- und Hochvakuumbereich sind häufig Bauteile angeordnet, deren Temperaturen sich im Betrieb stark unterscheiden können und dadurch zu erheblichen thermischen Längenänderungen der Bauteile gegeneinander führen, ohne dass sich deren Symmetrieachsen zueinander messbar verschieben dürfen.In Measuring and processing equipment, especially in low temperature and high vacuum range are common Components arranged, the temperatures of which differ greatly during operation can and this leads to significant thermal changes in length of the components against each other to lead, without their axes of symmetry shifting relative to each other allowed to.

Dazu werden die beiden Bauteile häufig durch sogenannte „Spacer" auf Distanz gehalten, die i.d.R. auf einem Kreis gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Das verformungsfähige Ausgleichselement des Spacers ist ein hochelastisches Blatt aus schlecht wärmeleitendem Material, z.B. glasfaserverstärkter Kunststoff. Diese Blätter haben bei einer Verformung senkrecht zu ihrer Blattebene (Querbiegung) nur eine sehr geringe Biegesteifigkeit, so dass die thermischen Verformungsunterschiede zwischen den beiden distanzierten Bauteilen ohne größere Zwangskräfte und unzulässige Deformationen der beiden Bauteile kompensiert werden können. In der Blattebene haben die Spacer eine hohe Steifigkeit, um die Positioniergenauigkeit der beiden distanzierten Bauteile zueinander zu gewährleisten.To the two components are often through so-called "spacers" kept at a distance, the usually are evenly distributed on a circle. The deformable Compensating element of the spacer is a highly elastic sheet made of bad thermally conductive Material, e.g. glass-fiber reinforced Plastic. These leaves have a deformation perpendicular to their leaf plane (transverse bend) only a very low bending stiffness, so the thermal Deformation differences between the two distanced components without major constraints and unacceptable Deformations of the two components can be compensated. In At the leaf level, the spacers have high rigidity to ensure positioning accuracy to ensure the two distanced components from each other.

Um die Bruchgefahr der Stegblätter im Betrieb durch Querbiegung zu verringern, werden die Spacer mit einer negativen Vorbiegung eingebaut, so dass die Biegebeanspruchungen durch diese Montage im späteren Betrieb verringert werden. Die Stegblätter werden mittels Schraubenverbindungen an i.d.R. metallischen Füßen seitlich angeklemmt.Around the risk of breakage of the web sheets to reduce in operation by transverse bending, the spacers with a negative pre-bend, so that the bending stresses through this assembly later Operation can be reduced. The web sheets are screwed together to usually metallic feet on the side clamped.

Die bekannt gewordenen Vorrichtungen der beschriebenen Art haben folgende Nachteile:

  • – Die Verformungsfähigkeit der Stegblätter bis zum Bruch ist durch den Werkstoff bedingt gering, so dass diese besonders bei Temperaturwechsel- oder Lastwechselbetrieb häufig brechen und die Apparatur außer Betrieb genommen werden muss.
  • – Da die Klemmkraft an den Einspannenden der Stegblätter aus Festigkeitsgründen begrenzt werden muss, kann bei höheren in der Blattebene wirkenden Kräften ein Schlupf in der Klemmverbindung und somit eine Ungenauigkeit in der Positionierung auftreten.
  • – Bei einem Anriss oder Materialfehler im Stegblatt kann es insbesondere bei Lastwechselbetrieb und Tieftemperaturversprödung zum Ermüdungs- oder Sprödbruch des gesamten Stegblattes kommen.
  • – Durch die Verformung des Stegblattes im Betrieb senkrecht zur Blattebene, kommt es zu einem starken Absinken der Blattsteifigkeit in der Blattebene und damit zu einer ungenügenden Positioniergenauigkeit.
  • – Zur Verringerung der genannten Mängel muss eine hohe Zahl von Spacern eingesetzt werden, die zu einem unerwünscht hohen Wärmestrom vom wärmeren in das kältere Bauteil führen, der besonders im Tieftemperaturbereich nur sehr aufwendig wieder abgeführt werden kann.
The known devices of the type described have the following disadvantages:
  • - The deformability of the web sheets until breakage is limited due to the material, so that they often break, especially during temperature change or load change operation, and the equipment must be taken out of operation.
  • - Since the clamping force at the clamping ends of the web sheets must be limited for reasons of strength, higher forces acting in the sheet plane can cause a slip in the clamping connection and thus an inaccuracy in the positioning.
  • - In the event of a tear or material defect in the web sheet, fatigue or brittle fracture of the entire web sheet can occur, particularly in the event of load cycle operation and low-temperature embrittlement.
  • - The deformation of the web sheet perpendicular to the sheet plane during operation leads to a sharp drop in the sheet stiffness in the sheet plane and thus to an insufficient positioning accuracy.
  • - To reduce the above-mentioned deficiencies, a large number of spacers must be used, which lead to an undesirably high heat flow from the warmer to the colder component, which can be removed again only with great difficulty, particularly in the low-temperature range.

Weiterhin bekannt geworden sind Lösungen, wo der gesamte Spacer aus faserverstärktem Kunststoff spanend oder durch Gießen geformt wird sowie Lösungen, wo die Querverformbarkeit durch plastische metallische Gelenke bewirkt wird.Farther Solutions have become known where the entire spacer made of fiber-reinforced plastic by pouring is formed and solutions, where the transverse deformability is caused by plastic metallic joints becomes.

Nachteilig bei diesen Lösungen sind die geringe Festigkeit und Steifigkeit in der Blattebene, Ermüdungsbrüche und Brüche durch Tieftemperaturversprödung sowie der erhöhte Wärmeeintrag in den Kaltteil der Apparatur.adversely with these solutions are the low strength and rigidity in the sheet plane, fatigue breaks and fractures due to low-temperature embrittlement as well as the increased heat input in the cold part of the apparatus.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur zentrischen Positionierung und zum thermischen Dehnungsausgleich von zwei Bauteilen unterschiedlicher Temperatur so zu gestalten, dass:

  • – die Querverformbarkeit des Stegblattes ohne Gefahr des Bruches sehr hoch ist,
  • – ein Gleiten von Teilen des Spacers und/oder bleibende also nicht elastische Verformungen sicher ausgeschlossen wenden,
  • – die Möglichkeit von Materialfehlern verringert und ihre Auswirkungen im Betrieb begrenzt werden,
  • – das Stegblatt des Spacers bei der Montage ohne Bruchgefahr so weit vorgebogen werden kann, dass es im Betrieb durch die Wirkung der Temperaturen eine ebene Form mit maximaler Steifigkeit in seiner Blattebene aufweist,
  • – der schädliche Wärmestrom vom wärmeren in das kältere Bauteil durch eine minimal erforderliche Anzahl von Spacern mit erhöhter Tragfähigkeit und Steifigkeit sowie geringer Wärmeleitfähigkeit auf eine Minimum beschränkt wird.
The object of the present invention is to design a device for central positioning and for thermal expansion compensation of two components of different temperatures such that:
  • - the transverse deformability of the web sheet is very high without risk of breakage,
  • - safely prevent parts of the spacer from sliding and / or permanent, ie non-elastic, deformations,
  • - the possibility of material defects is reduced and their effects in operation are limited,
  • The web blade of the spacer can be pre-bent so far during assembly without risk of breakage that it has a flat shape with maximum rigidity in its blade plane due to the effect of the temperatures,
  • - The harmful heat flow from the warmer to the colder component is limited to a minimum by a minimally required number of spacers with increased load-bearing capacity and rigidity as well as low thermal conductivity.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird dies im Wesentlichen dadurch erreicht, dass:

  • – das Stegblatt aus mehreren Lamellen zusammengesetzt wird,
  • – die Spannfüße der Spacer zweigeteilt sind und die Lamellen des Stegblattes großflächig gegeneinander verspannen,
  • – an den Spannbolzen spielfrei Reibscheiben befestigt sind, die zwischen die Lamellen des Stegblattes ragen und diese auf Distanz halten,
  • – die Montage mit einer Vorbiegung der Stegblätter in einer solchen Höhe erfolgt, dass die Stegblätter im Betrieb bei ausgebildeter Endtemperatur eben sind.
According to the present invention, this is essentially achieved in that:
  • - the web sheet is composed of several slats,
  • - The feet of the spacers are divided in two and brace the slats of the web over a large area,
  • - Be free of friction discs on the clamping bolts that protrude between the lamellae of the web sheet and keep them at a distance,
  • - The assembly is carried out with a pre-bending of the web sheets at such a height that the web sheets are flat during operation with the final temperature formed.

Die nähere Erläuterung der Erfindung erfolgt mittels der nachfolgenden Zeichnungen.The details explanation the invention takes place by means of the following drawings.

Es zeigen: 1: Vorrichtung zwischen kaltem und warmem Bauteil im BetriebShow it: 1 : Device between cold and warm component in operation

2: Lamellen mit Vorbiegung bei Montage, zwischen Fuß und Reibscheiben mittels Spannbolzen verspannt Die Vorrichtung besteht aus den zumeist metallischen Füßen (1), den dazwischen eingespannten Lamellen (2) aus faserverstärktem Kunststoff, den zweckmäßig metallischen Reibscheiben (3), die zwischen die Lamellen (2) ragen und den Spannbolzen (4), auf denen die Reibscheiben (3) spielfrei angeordnet sind und von diesen zusammen mit den Lamellen (2) über die Füße (1) großflächig verspannt werden. 2 : Slats with pre-bending during assembly, clamped between the foot and the friction disks by means of clamping bolts The device consists of the mostly metallic feet ( 1 ), the slats clamped in between ( 2 ) made of fiber-reinforced plastic, the appropriately metallic friction discs ( 3 ) between the slats ( 2 ) protrude and the clamping bolt ( 4 ) on which the friction discs ( 3 ) are arranged without play and of these together with the slats ( 2 ) over the feet ( 1 ) are braced over a large area.

Mittels der Befestigungsschrauben (5) werden die Füße (1) der Vorrichtung am warmen Bauteil (6) und am kalten Bauteil (7) gleitsicher befestigt.Using the fastening screws ( 5 ) the feet ( 1 ) of the device on the warm component ( 6 ) and on the cold component ( 7 ) non-slip attached.

Im Betriebszustand sind die Lamellen (2) eben. Infolge ihrer geringen Dicke haben sie in Querrichtung (8) eine hohe Verformbarkeit ohne Bruchgefahr und üben insbesondere auf das kalte Bauteil (7) nur geringe deformierende Zwangskräfte aus.In the operating state, the slats ( 2 ) just. Due to their small thickness, they have in the transverse direction ( 8th ) high deformability without risk of breakage and in particular apply to the cold component ( 7 ) only slight deforming forces.

Die Steifigkeit gegen Zug und Druck in Vertikalrichtung (9) und gegen Schub in Längsrichtung (10) ist durch die ebene Form der Lamellen (2) im Betrieb sehr hoch.The rigidity against tensile and pressure in the vertical direction ( 9 ) and against thrust in the longitudinal direction ( 10 ) is due to the flat shape of the slats ( 2 ) very high in operation.

Im Hinblick auf die erforderliche Sicherheit gegen Beulen durch Druck in der Vertikalrichtung (9) und durch Schub in der Längsrichtung (10) müssen die Lamellen (2) eine gewisse Mindestdicke haben, so dass die Anzahl der Lamellen (2) in der Regel auf zwei bis vier begrenzt sein wird.In view of the required security against buckling due to pressure in the vertical direction ( 9 ) and by thrust in the longitudinal direction ( 10 ) the slats ( 2 ) have a certain minimum thickness so that the number of slats ( 2 ) will usually be limited to two to four.

Durch die Reibscheiben (3) entsteht zwischen den Lamellen (2) ein Spalt (11), der verhindert, dass die von den außen liegenden Lamellen (2) aufgenommene Strahlungswärme (12) durch Leitung in die inneren Lamellen (2) eindringen kann, so dass der schädliche Wärmestrom in das kalte Bauteil (7) verringert wird.Through the friction disks ( 3 ) arises between the slats ( 2 ) A gap ( 11 ), which prevents the external slats ( 2 ) absorbed radiant heat ( 12 ) by conduction into the inner slats ( 2 ) can penetrate, so that the harmful heat flow into the cold component ( 7 ) is reduced.

Die Lamellen (2) sind mit Durchgangsbohrungen (13) versehen, die den Ausgleich von Fertigungs- und Positionsfehlern bei der Montage gestatten.The slats ( 2 ) are with through holes ( 13 ) which allow the compensation of manufacturing and position errors during assembly.

Die Reibscheiben (3) sitzen spielfrei auf den Spannbolzen (4) und gewährleisten neben dem wärmeisolierenden Spalt (11), dass alle Lamellen durch Reibschluss direkt oder über die Reibscheiben (3) und die Spannbolzen (4) gleitfrei mit den Füßen (1) verspannt sind.The friction discs ( 3 ) sit on the clamping bolts without play ( 4 ) and ensure in addition to the heat-insulating gap ( 11 ) that all lamellas are friction-locked directly or via the friction discs ( 3 ) and the clamping bolts ( 4 ) glide-free with the feet ( 1 ) are tense.

Die spielfreie Verbindung mit den Füßen (1) erfolgt an den Enden der Spannbolzen (4) mittels kegligem Schraubenkopf (14) bzw. kegliger geschlitzter Buchse (15).The play-free connection with the feet ( 1 ) takes place at the ends of the clamping bolts ( 4 ) using a conical screw head ( 14 ) or tapered slotted socket ( 15 ).

Die geringe Einzeldicke der Lamellen (2) hat neben der hohen Bruchsicherheit und Elastizität in Querrichtung (8) und dem wärmeisolierenden Spalt (11) noch den Vorteil, dass die Werkstoffeigenschaften des Verbundmaterials mit geringer werdender Wanddicke besser werden, innere Fehler statistisch abnehmen und zudem optisch leichter feststellbar sind, so dass die Betriebssicherheit dadurch zusätzlich erhöht wird.The small individual thickness of the slats ( 2 ) has in addition to the high break resistance and elasticity in the transverse direction ( 8th ) and the heat-insulating gap ( 11 ) still the advantage that the material properties of the composite material become better as the wall thickness becomes smaller, internal errors decrease statistically and are also easier to determine visually, so that operational safety is additionally increased.

Wegen der Vervielfachung der Reibkräfte durch die Reibscheiben (3) zwischen den Lamellen (2) steigen die Tragfähigkeit und die Gleitsicherheit in der Ebene der Lamellen (2), und die Druckbeanspruchung der Lamellen (2) durch die Verspannung der Füße (1) mittels der Spannbolzen (4) kann dadurch niedriger gehalten werden.Due to the multiplication of the friction forces by the friction discs ( 3 ) between the slats ( 2 ) the load capacity and the sliding safety increase in the plane of the slats ( 2 ), and the pressure load on the slats ( 2 ) by the tension of the feet ( 1 ) by means of the clamping bolts ( 4 ) can be kept lower.

11
Fußfoot
22
Lamellelamella
33
Reibscheibenfriction
44
Spannbolzenclamping bolt
55
Befestigungsschraubefixing screw
66
warmes Bauteilwarm component
77
kaltes Bauteilcold component
88th
Querrichtungtransversely
99
Vertikalrichtungvertical direction
1010
Längsrichtunglongitudinal direction
1111
Spaltgap
1212
Strahlungswärmeradiant heat
1313
DurchgangsbohrungThrough Hole
1414
kegliger Kopfkegliger head
1515
keglig geschlitzte Buchseconically slotted socket

Claims (5)

Vorrichtung zur zentrischen Positionierung und zum thermischen Dehnungsausgleich von zwei Bauteilen unterschiedlicher Temperatur, vorzugsweise im Tieftemperatur- und Hochvakuumbereich mit vorzugsweise metallischen Füßen und Stegblatt aus faserverstärktem Kunststoff dadurch gekennzeichnet, dass das Stegblatt aus mehreren Lamellen (2) besteht.Device for centric positioning and for thermal expansion compensation of two components of different temperatures, preferably in the low-temperature and high vacuum range, preferably with metallic feet and a web sheet made of fiber-reinforced plastic, characterized in that the web sheet consists of several lamellae ( 2 ) consists. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die endigen Füße (1) zweiteilig ausgeführt sind und mittels Spannbolzen (4) verspannt werden.Device according to claim 1, characterized in that the finite feet ( 1 ) are made in two parts and by means of clamping bolts ( 4 ) be braced. Vorrichtung und Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Lamellen (2) Reibscheiben (3) angeordnet sind, die spielfrei auf den Spannbolzen (4) befestigt sind, und dass zwischen den Lamellen (2) ein Spalt (11) gebildet wird.Device and claims 1 and 2, characterized in that between the slats ( 2 ) Friction discs ( 3 ) are arranged, which are free of play on the clamping bolts ( 4 ) and that between the slats ( 2 ) A gap ( 11 ) is formed. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Spannbolzen (5) mit einem kegligen Kopf (14) und/oder mit einer oder zwei kegligen geschlitzten Buchsen (15) in den Füßen (1) spielfrei befestigt sind.Device according to claims 1 to 3, characterized in that the clamping bolts ( 5 ) with a conical head ( 14 ) and / or with one or two tapered slotted bushings ( 15 ) in the feet ( 1 ) are attached without play. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Lamellen (2) bei der Montage so vorgespannt werden, dass sie bei Betriebstemperatur eben sind.Device according to claims 1 to 4, characterized in that the lamellae ( 2 ) are pre-tensioned during assembly so that they are even at operating temperature.
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