DE1601908C - Vorrichtung zur Kühlung von Strahlungsschutzschilden in Behältern und Apparaturen, welche als Kühlmedium tiefsiedende Flüssigkeiten aufnehmen - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Küh- u. ä. zur Verfügung steht.. Bei entsprechender Belung von Strahlungsschutzschilden in Behältern und , messung kann im Wärmetauscher der volle. DurchApparaten, welche als Kühlmedium tiefsiedende laßquerschnitt der Abgasleitung beibehalten werden, Flüssigkeiten aufnehmen, wobei die Strahlungsschutz- wodurch sich bei der Verwendung standardisierter Schilde durch wärmeleitende Verbindung mit Teilen 5 Heber Vorteile ergeben,
der Abgasleitung kühlbar sind. Wenn nichts in das Abgasrohr eingeführt zu wer-

Es sind bereits Vorratsbehälter für flüssiges HeIi- den braucht, kann es günstig sein, daß der vom

um bekannt, bei denen der vakuumisolierte Innen- Schraubengang umschlossene freie Innenraum des

behälter von mehreren Schutzschilden umgeben ist, Wärmeaustauschers mit einem massiven wärmeleiten-

die durch metallsiche Verbindung mit dem Halsrohr :o den Abschlußstück verschlossen ist, welches sich

unter Ausnutzung des Abdampfkälteinhaltes gekühlt über die Länge des Schraubenganges erstreckt,

werden (vgl. hierzu A. A. Balla, E. Donth, Es kann: ferner zweckmäßig sein, den VVärmeaus-

»Experimentelle Technik der Physik«, VIII [1965], tauscher in seinem Innenraum mit einer als Wärme-

S. 184 bis 190; O. P. An ash kin, I. B. D anil ο ν, austauschelement an sich bekannten Sintermetall-

V. G. Krvenko, »Cryogenics«, 6 [1966], S. 106, 15 packung zu versehen, wobei, vor und hinter der

107;deutscheAuslegeschriftl230 048;V.E.Keilin, Sintermetallpackung je ein Gasverteilungsraum an-

»Cryogenics«, 7 [1967], S. 3 bis 6, Abb. 1). geordnet ist. Diese Ausführung bietet die Möglich-

Diese vorbekannte Ausbildung besitzt den Nach- keit, den Wärmeaustausch optimal zu gestalten,
teil, daß die Ausnutzung des Kälteinhaltes der Ab- I_n weiterer Ausgestaltung der Erfindung erscheint gase insbesondere bei größerem Gasausfall· nicht be- 20 _{es V}on Vorteil, die Strahlungsschutzschilde derart zu friedigt, weil der Wärmeübergang, zwischen der gestalten, daß sie Steckhülsenteile aufweisen und mit Abgasleitung und den Strahlungsschutzschilden zu diesen auf die Wärmeaustauscher aufsteckbar sind, gering bleibt. Es ist ferner bereits durch die deutsche Damit wird eine einfache Montage ermöglicht und Patentschrift 1151264 bekannt, das Abgas eines ein guter Wärmeübergang geschaffen. Zweckmäßig Verdampferkryostaten durch eine Schraubenlinien- 25 kann es ferner sein, bei der Hintereinanderschaltung förmige Rohrwicklung zu leiten, welche den Ver- mehrerer Wämeaustauscher den Querschnitt der Abdampferkörper als Strahlungsschutz umgibt. Der- gasleitung und den freien Querschnitt der Wärmeausartige Konstruktionen ergeben zwar eine erhebliche tauscher in Strömungsrichtung zu vergrößern. Damit Verbesserung der Ausnutzung des Kälteinhaltes des kann der Strömungswiderstand des Systems auf ein Abgases, bedingen aber eine unerwünschte Erhöhung 30 Minimum reduziert werden.
des Strömungswiderstandes in der Abgasleitung. I_n den Figuren sind verschiedene Ausführungs-

Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, beispiele der Erfindung dargestellt; es zeigt

eine Vorrichtung zur Kühlung von Strahlungsschutz- F i g. 1 einen Querschnitt durch den Wärmeaus-

schilden zu schaffen, bei der günstige Wärmeüber- tauscher mit schraubenlinienförmigem Gasführungs-

gangsverhältnisse vorliegen und die-außerdem eine 35 element,

einfache Herstellung, Montage und Zerlegung der F i g. 2 die schematische Darstellung eines VorGeräte ermöglicht. Es soll ferner keine wesentliche ratsbehälters mit zwei über Wärmeaustauscher geErhöhung des Strömungswiderstandes in der Abgas- kühlten Strahlungsschutzschilden und in den Wärmeleitung eintreten. Das Kennzeichnende der Erfindung austauscher eingesetzter Durchstoßleitung,
ist darin zu sehen, daß die Abgasleitung mindestens 40 Fig. 3 einen Querschnitt durch einen Wärmeauseinen Wärmeaustauscher von größerem Querschnitt tauscher mit in den vom Schraubengang, umschlosals die Abgasleitung enthält und daß die Mantel- . senen freien Innenraum eingesetztem massivem Abflache dieses Wärmeaustauschers die Wärmeüber- schlußstück,

gangsfläche für den angeschlossenenStrahlungsschuz- Fig. 4 einen Querschnitt durch einen Wärmeausschild bildet. Damit ergibt sich der Vorteil, daß auch 45 tauscher mit Sintermetallpackung und
bei geringer Länge der Abgasleitung die Wärmeaus- F i g. 5 die schematische Darstellung eines Vertauschfläche erheblich vergrößert und der Wärme- dampferkryostaten mit zwei über Wärmeaustauscher austausch entsprechend gesteigert werden kann. Es gekühlten Strahlungsschutzschilden,
erscheint gegebenenfalls vorteilhaft, den Aufbau der- Bei dem in Fig.,1 gezeigten Ausführungsbeispiel art zu wählen, daß der Wärmeaustauscher rotations- 50 besteht der Wärmeaustauscher 1 aus einem zylindrisymmetrisch gestaltet ist und in seinem vom Abgas sehen Hohlkörper 2, dessen Innenwand mit einem durchströmten Innenraum wärmeleitfähige Gasfüh- schraubenlinienförmigen, wärmeleitenden Gasführungselemente aufweist. Es kann außerdem zweck- rungselement 3 versehen ist, welches sich jedoch nicht mäßig sein, daß im Innenraum des Wärmetauschers über die volle Länge der Innenwand erstreckt. Der mindestens ein schraubenlinienförmiges Gasführungs- 55 beispielsweise aus Kupfer bestehende Wärmeaustauelement vorgesehen ist. scher 1 ist als Zwischenstück in die dünnwandige,

Ein weiterer Vorteil kann gegebenenfalls dadurch aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit erzielt werden, daß der freie Durchlaßquerschnitt im und hoher Festigkeit (beispielsweise Edelstahl) beWärmeaustauscher gleich dem lichten Querschnitt stehende Abgasleitung 4 eingesetzt. An die Außender Abgasleitung ist. Gemäß einer Weiterbildung der 60 sehe des Wärmeaustauschers 1 ist der mit einem Erfindung wird vorgeschlagen, daß den Wärmeaus- Steckhülsenteil 5 versehene Strahlungsschutzschild 6 tauscher eine Durchstoßleitung durchsetzt, deren derart angesetzt, daß die gesamte Außenfläche des Querschnitt geringer ist als der Querschnitt der Ab- Wärmeaustauschers 1 für den Wärmeübergang an gasleitung, wobei die Abgasleitung abschnittsweise den Strahlungsschutzschild 6 wirksam wird. Der freie eine Ummantelung der Durchstoßleitung bildet. Eine 65 Querschnitt des Wärmeaustauschers 1 ist gleich dem derartige Ausbildung bietet die Möglichkeit, in der freien Querschnitt der Abgasleitung 4, so daß bei-Abgasleitung einen freien Querschnitt zu erhalten, spielsweise ein Heber, eine Sonde, eine Probe od. ä. der für die Einführung von Proben, Hebern, Sonden 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 unterbrochen ist, und durch den das Abgas hindurchströmt. Wenn kein Heber eingeführt ist, steht dem Abgas der volle Querschnitt der Abgasleitung 4 zur Verfügung.

F i g. 2 zeigt eine Variante des in F i g. 1 gezeigten Wärmeaustauschers am Beispiel einer Vorratskanne 7 mit zwei Strahlungsschutzschilden 8, 9. Die Wärmeaustauscher la, 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 Innenbehälters 12) und wird von der Abgasleitung 4 umschlossen. 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 Wärmeaustauscheria, 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 Fassungsvermögens.

Fig. 3 zeigt eine weitere Variante des in Fig. 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 Gaseintrittseite 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. 4 zeigt einen Wärmeaustauscher, bei dem in den abgeschlossenen zylindrischen Hohlkörper 2 a, Ib als Wärmeaustauschelement eine Sintermetallpackung 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 Fig. 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

ίο Gases bei der Erwärmung aus Teilstüeken 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 Strahlungsao schutzschilden in Behältern und Apparaturen, welche als Kühlmedium tiefsiedende Flüssigkeiten aufnehmen, wobei die Strahlungsschutzschilde durch wärmeleitende Verbindung mit Teilen der Abgasleitung kühlbar sind, dadurch g e kennzeichnet, 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 gets kennzeichnet, 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 Gasfühningselement (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 %^;or 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