DE1601908B1 - Vorrichtung zur Kuehlung von Strahlungsschutzschilden in Behaeltern und Apparaturen,welche als Kuehlmedium tiefsiedende Fluessigkeiten aufnehmen - Google Patents

Vorrichtung zur Kuehlung von Strahlungsschutzschilden in Behaeltern und Apparaturen,welche als Kuehlmedium tiefsiedende Fluessigkeiten aufnehmen

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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.
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).
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.
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.
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. _
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.
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.
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 den Figuren sind verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt; es zeigt
F i g. 1 einen Querschnitt durch den Wärmeaustauscher mit schraubenlrnienfÖrmigem Gasführungselement,
Fig. 2 die schematische Darstellung eines Vorratsbehälters mit zwei über Wärmeaustauscher gekühlten Strahlungsschutzschilden und in den Wärmeaustauscher eingesetzter Durchstoßleitung,
F i g. 3 einen Querschnitt durch einen Wärmeaustauscher mit in den vom Schraubengang umschlossenen freien Innenraum eingesetztem massivem Abschlußstück,
Fig. 4 einen Querschnitt durch einen Wärmeaustauscher mit Sintermetallpackung und
Fig. 5 die schematische Darstellung eines Verdampferkryostaten mit zwei über Wärmeaustauscher gekühlten Strahlungsschutzschilden.
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-
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.
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.
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.
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.
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.

Claims (9)

Patentansprüche:
1. Vorrichtung zur Kühlung von Strahlungsschutzschilden in Behältern und Apparaturen, welche als Kühlmedium tiefsiedende Flüssigkeiten aufnehmen, wobei die Strahlungsschutzschilde durch wärmeleitende Verbindung mit Teilen der Abgasleitung kühlbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasleitung (4) mindestens einen Wärmeaustauscher (1) von größerem Querschnitt als die Abgasleitung (4) enthält und daß die Mantelfläche dieses Wärmeaustauschers (1) die Wärmeübergangsfläche für den angeschlossenen Strahlungsschutzschild (6) bildet.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustauscher (1) rotationssymmetrisch gestaltet ist und in seinem vom Abgas durchströmten Innenraum wärmeleitfähige Gasführungselemente (3) aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Innenraum des Wärmeaustauschers (1) ein schraubenlinienförmiges Gasführungselement (3) vorgesehen ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der freie Durchlaßquerschnitt im Wärmeaustauscher (1) gleich dem lichten Querschnitt der Abgasleitung (4) ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß den Wärmeaustauscher (1) eine Durchstoßleitung (10) durchsetzt, deren Querschnitt geringer ist als der Querschnitt der Abgasleitung (4), wobei die Abgasleitung (4) abschnittsweise eine Ummantelung der Durchstoßleitung (10) bildet.
6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der vom schraubenlinienförmigen Gasführungselement (3) umschlossene freie Innenraum mit einem massiven wärmeleitenden Abschlußstück (15) verschlossen ist, welches sich über die Länge des Schraubenganges erstreckt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustauscher (1) in seinem Innenraum eine als Wärmeaustauschelement an sich bekannte Sintermetallpackung (18) aufweist, wobei vor und hinter der Sintermetallpackung (18) je ein Gasverteilungsraum (16, 17) angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsschutzschilde (6) Steckhülsenteile (5) aufweisen und mit diesen auf die Wärmeaustauscher (1) aufsteckbar sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge-
kennzeichnet, daß bei der Hintereinanderschaltung mehrerer Wärmeaustauscher (24, 25) der Querschnitt der Abgasleitung (4) und der freie Querschnitt der Wärmeaustauscher (24, 25) in Strömungsrichtung vergrößert ist.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
DE19681601908 1968-02-13 1968-02-13 Vorrichtung zur Kuehlung von Strahlungsschutzschilden in Behaeltern und Apparaturen,welche als Kuehlmedium tiefsiedende Fluessigkeiten aufnehmen Pending DE1601908B1 (de)

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