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DE3127796C2 - Device for producing and dispensing a body from a material that has solidified by cooling - Google Patents

Device for producing and dispensing a body from a material that has solidified by cooling

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DE3127796C2
DE3127796C2 DE3127796A DE3127796A DE3127796C2 DE 3127796 C2 DE3127796 C2 DE 3127796C2 DE 3127796 A DE3127796 A DE 3127796A DE 3127796 A DE3127796 A DE 3127796A DE 3127796 C2 DE3127796 C2 DE 3127796C2
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cryostat
cooling
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storage
solidified
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DE3127796A
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Waldemar 8000 München Amenda
Rudolf Dipl.-Phys. Dr. 8300 Landshut Lang
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Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften
Original Assignee
Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften
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Publication of DE3127796A1 publication Critical patent/DE3127796A1/en
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Abstract

Eine Vorrichtung zum Erzeugen und gesteuerten Ausstoßen von Körpern aus einem durch Abkühlen verfestigten Material, insbesondere von Wasserstoffpellets zum Einschießen in eine plasmaphysikalische Apparatur, einen Fusionsreaktor od.dgl., enthält einen Extrusionskryostat und einen Vorratskryostat, deren Temperaturen unabhängig voneinander einstellbar sind. Das verfestigte Material wird bei relativ hoher und für die Extrusion geeigneter Temperatur aus dem Extrusionskryostat in den Vorratskryostat extrudiert, wo es auf eine für das Ausstoßen geeignete und eine hohe Festigkeit gewährleistende tiefere Temperatur abgekühlt wird. Die Vorrichtung enthält vorzugsweise einen Doppelkolben, der als Ganzes zum Extrudieren dient und einen koaxial geführten Ausstoßkolben kleineren Durchmessers enthält, mittels dem das extrudierte Material mit der gewünschten Geschwindigkeit aus dem Vorratskryostat ausgestoßen werden kann. Ein Festfrieren des extrudierten Materials im Vorratskanal des Vorratskryostates wird durch eine Heizung mit kurzer Zeitkonstante verhindert, mit der die Wand des Vorratskanals kurzzeitig aufgeheizt werden kann, um ein ordnungsgemäßes Ausstoßen des verfestigten Materials zu ermöglichen, ohne daß es dabei im Inneren wesentlich erwärmt wird.A device for generating and controlled ejection of bodies from a material solidified by cooling, in particular hydrogen pellets for injection into a plasma-physical apparatus, a fusion reactor or the like. Contains an extrusion cryostat and a storage cryostat, the temperatures of which can be set independently of one another. The solidified material is extruded at a relatively high temperature suitable for extrusion from the extrusion cryostat into the storage cryostat, where it is cooled to a lower temperature which is suitable for ejection and ensures high strength. The device preferably contains a double piston, which serves as a whole for extrusion and contains a coaxially guided ejection piston of smaller diameter, by means of which the extruded material can be ejected from the storage cryostat at the desired speed. Freezing of the extruded material in the storage channel of the storage cryostat is prevented by a heater with a short time constant, with which the wall of the storage channel can be briefly heated to allow the solidified material to be properly ejected without it being significantly heated inside.

Description

dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlvorrichtuue (64) des Kanals (76) der Aufnahmevorrichtung (T2) für eine weitere Abkühlung des Körpers von außen ausgebildet ist, und daß ein Ausstoßkolben (18) zum gesteuerten Ausstoßen des Körpers aus dem Kanal (76) vorhanden istcharacterized in that the cooling device (64) of the channel (76) of the receiving device ( T2) is designed for further cooling of the body from the outside, and that an ejection piston (18) is provided for the controlled ejection of the body from the channel (76)

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (76) ?um gesteuerten Ausstoßen des Körpers zusätzlich eine Heizvorrichtung (90) aufweist2. Device according to claim 1, characterized in that the channel (76) additionally has a heating device (90) for controlled ejection of the body

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausstoßkolben (18) koaxial in einem im Gefrierkryostaten (Tl) angeordneten Extrusionskolben (16) geführt r-,t3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the ejection piston (18) is guided coaxially in an extrusion piston (16) arranged in the freezer cryostat (Tl), t

4. Vorrichtung nach Einern der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (76) der Aufnahmevorrichtung (T2) einen polygonalen, insbesondere quadratischen Querschnitt hat4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the channel (76) of the receiving device (T2) has a polygonal, in particular square, cross-section

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnung (78) des Kanals (76) der Aufnahmevorrichtung (Tl) eine verengte Bremshülse (80) aufweist. 5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the outlet opening (78) of the channel (76) of the receiving device (Tl) has a narrowed brake sleeve (80).

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenii · zeichnet, daß der Kanal (76) der Aufnahmevorrichtung (T2) durch einen Kühlstab (74) gebildet ist der in begrenztem Wärmekontakt mit der Kühlvorrichtung (64) in der Aufnahmevorrichtung steht, und daß die Heizvorrichtung (90) im Kühlstab (74) angeordnet ist.6. The device according to claim 2, characterized in that the channel (76) of the receiving device (T2) is formed by a cooling rod (74) which is in limited thermal contact with the cooling device (64) in the receiving device, and that the heating device (90) is arranged in the cooling rod (74).

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (76) zum sicheren, direkten Aufnehmen des aus der Extrusionsdüse extrudieren Körpers durch eine wärmedämmende Halterung (47,48,50) mit verstellbarem Abstand am extrusionsdüsenseitigen Ende des Gefrierkryostaten gleichachsig hintereinander gehaltert ist7. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the channel (76) for safe, direct receiving of the body extruded from the extrusion nozzle through a heat insulating bracket (47,48,50) with adjustable Distance at the extrusion nozzle-side end of the freezer cryostat equiaxed one behind the other is held

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The present invention relates to a device according to the preamble of claim 1.

Für die Nachfüllung von Plasma- und Fusionsmaschinen ist es beabsichtigt, den benötigten Wasserstoff durch Abkühlen zu verfestigen und die dabei erhaltenen festen Körper (»Wasserstoffpellets«) durch Ultrazentrifiigen oder andere Bcschlcunigungsvorrichtungen in den Reaktionsraum einzuführen (siehe z. B. C. T. Chang et al »The Feasibility of Pellet Re-Fuelling of a Fusion Reactor«, Nuclear Fusion, Vol. 20, No. 2 (1980) und S. L. Milora »Review of Pellet Fuelling«, Journal of Fusion Energy, VoL 1, No. 1 (1981)). Bei größeren Fusionsmaschinen ist voraussichtlich eine qyasi-kontinuierliche Nachfüllung über mehrere Sekunden oder länger erforderlich. Dabei ist die schnelle Bereitstellung und Beschleunigung der Wasserstoffpellets ein noch ungelöstes Problem.For refilling plasma and fusion machines it is intended to solidify the required hydrogen by cooling and the resulting solid bodies ("hydrogen pellets") through ultracentrifuge or to introduce other closing devices into the reaction space (see e.g. C. T. Chang et al "The Feasibility of Pellet Re-Filling of a Fusion Reactor", Nuclear Fusion, Vol. 20, No. 2 (1980) and S. L. Milora "Review of Pellet Fuelling", Journal of Fusion Energy, VoL 1, no. 1 (1981)). With larger fusion machines qyasi-continuous refilling over several seconds or longer is likely to be required. The fast provision and acceleration of the hydrogen pellets is still unresolved Problem.

ίο Man hat versucht dieses Problem mit Hilfe schneller Extrusion von festem Wasserstoff zu lösen. Dieses Verfahren hat sich jedoch als unzureichend erwiesen, da die Extrusion nicht schnell genug und zeitlich nicht genügend reproduzierbar durchgeführt werden kann. Außerdem sind die durch schnelle Extrusion erzeugten, stäbchenförmigen Wasserstoffpellets aufgrund der für das Extrudieren erforderlichen, relativ hohen Temperatur zwangsläufig von geringer Formstabilität Da die Einführung der Wasserstoffpellets in eine Zentrifuge wegen der erforderlichen Zielgenauigkeit nur über kurze Distanz erfolgen kann, ist eine nennenwerte Nachabkühlung durch Verdampfung nicht möglich.ίο One has tried this problem using faster Dissolve extrusion of solid hydrogen. However, this method has proven to be inadequate because the Extrusion cannot be carried out quickly enough and in a sufficiently reproducible manner in terms of time. aside from that are the rod-shaped hydrogen pellets produced by rapid extrusion due to the for the extrusion required, relatively high temperature inevitably of low dimensional stability Since the Introduction of the hydrogen pellets into a centrifuge only for a short time because of the required accuracy Distance, a significant after-cooling by evaporation is not possible.

Eine Einrichtung zum Erzeugen einzelner Pellets aus gefrorenem Deuterium ist aus J. Phys. E: Sei. Instrum, Band 13, 1980, S. 1170-1176, bekannt Diese Einrichtung enthält einen Ey.trusionskryostaten mit einer Kammer, in der das Deuterium durch Abkühlung mit flüssigem Helium verfestigt wird. Das verfestigte Deuterium wird dann mittels eines Kolbens durch eine Extrusionsdüse extrudiert Von den extrudierten Deuteriumstäbchen werden durch heizbare Schneiddrähte die einzelnen Pellets abgetrennt, die dann in den Fokusbereich eines Laserstrahls fallen. Wegen der für das Extrudieren erforderlichen, relativ hohen Temperatur haben auch die mit dieser bekannten Einrichtung erzeugten Pellets eine relativ geringe mechanische Festigkeit und eignen sich daher nicht für eine Beschleunigung durch eine Zentrifuge oder andere Einschußvor richtung.A device for producing individual pellets from frozen deuterium is from J. Phys. E: Be. Instrument, Volume 13, 1980, pp. 1170-1176, known This device contains an Ey.trusionskryostat with a chamber, in which the deuterium is solidified by cooling with liquid helium. The solidified deuterium is then extruded through an extrusion nozzle by means of a piston From the extruded deuterium rods the individual pellets are cut off by heatable cutting wires, which are then brought into the focus area falling from a laser beam. Also because of the relatively high temperature required for extrusion the pellets produced with this known device have a relatively low mechanical strength and are suitable therefore not for an acceleration by a centrifuge or other Einsußvor direction.

Aus der US-PS 40 17 578, von der die Erfindung ausgeht ist schließlich eine Einrichtung zum Erzeugen von Deuteriumpellets bekannt, die eine sogenannte Fadenquelle enthält, der eine rotierende Schneidvorrichtung und eine Aufnahmevorrichtung folgen, welche einen mit flüssigem Stickstoff gekühlten Auffangtrichter und einen sich an diesen anschließenden Pelletkollimator enthält. Der Pelletkollimator besteht aus einem mit flüssigem Stickstoff gekühlten, rohrförmigen Kanal, durch den die im Durchmesser etwa 25 μπι bis 75 μπι messenden Pellets in eine Laserbrennkammer fallen. Die Faso denquelle enthält ein mit flüssigem Deuterium gefülltes Gefäß, dessen Boden eine sich nach außen konisch verjüngende Extrusionsöffnung aufweist. Das aus dieser öffnung in einen anschließenden Vakuumraum ausfließende Deuterium kühlt sich durch die Verdampfung ab, so daß es sich schließlich verfestigt Der auf das flüssige Deuterium wirkende Druck ist bezüglich der Abmessungen der Extrusionsöffnung so gewählt, daß sich die Erstarrungsfront etwas innerhalb der sich verjüngenden Öffnung bildet und aus der Öffnung ein dünner Faden aus erstarrtem Deuterium kontinuierlich austritt. From US-PS 40 17 578, from which the invention is based, a device for generating deuterium pellets is finally known, which contains a so-called thread source, which is followed by a rotating cutting device and a receiving device, which is cooled with liquid nitrogen and a collecting funnel contains this subsequent pellet collimator. The pellet collimator consists of a tubular channel, cooled with liquid nitrogen, through which the pellets measuring approximately 25 μm to 75 μm in diameter fall into a laser combustion chamber. The Faso denquelle contains a vessel filled with liquid deuterium, the bottom of which has an extrusion opening that tapers towards the outside. The deuterium flowing out of this opening into a subsequent vacuum space cools down through the evaporation, so that it finally solidifies.The pressure acting on the liquid deuterium is selected with regard to the dimensions of the extrusion opening so that the solidification front forms somewhat within the tapering opening and a thin thread of solidified deuterium continuously emerges from the opening.

Auch die mit dieser bekannten Einrichtung erzeugten Wasserstoffpellets eignen sich nicht für eine Beschleunigung durch eine Zentrifuge, da die Temperatur der Pellets infolge der Art ihrer Erzeugung kaum unter dem Erstarrungspunkt liegt und durch den sehr viel wärmeren Auffangtrichter und Kollimator noch weiter erhöht wird, und sich das Austreten der Pellets aus dem Kollimator zeitlich nicht steuern läßt.The hydrogen pellets produced with this known device are also unsuitable for acceleration by a centrifuge, since the temperature of the pellets, due to the way they are produced, is hardly below that The freezing point lies and is further increased by the much warmer collecting funnel and collimator and the exit of the pellets from the collimator cannot be timed.

Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Erzeugen und Abgeben eines Körpers aus einem durch Abkühlen verfestigten Material, z. B. Wasserstoff, anzugeben, die eine weitgehend freie Temperaturwahi des verfestigten Körpers unabhängig vom Extrusionsvorgang ermöglicht, so daß eine hohe Formstabilität des Körpers und dadurch eine hohe mechanische Festigkeit gewährleistet sind, die ein reproduzierbares Ausstoßen ermöglichen. The present invention is accordingly based on the object of a device for generating and dispensing a body of a cooling solidified material, e.g. B. hydrogen to indicate the allows a largely free temperature selection of the solidified body independent of the extrusion process, so that a high dimensional stability of the body and thus a high mechanical strength is guaranteed that enable reproducible ejection.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.In a device of the type mentioned at the outset, this object is achieved according to the invention by the characterizing features Features of claim 1 solved.

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstand von Unteransprüchen.Developments and advantageous configurations of the device according to the invention are the subject matter of subclaims.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung ermöglicht es, das verfestigte Material mit einer von der Extrusion unabhängigen, tieferen Temperatur zur Verfugung zu stellen, so daß der erzeugte Körper eine hohe mechanisehe Festigkeit hat und mit der erforderlichen Geschwindigkeit und Zeitgenauigkeit ausgestoßen werden kann.The device according to the invention enables the solidified material with one of the extrusion To provide independent, lower temperature available, so that the body produced a high mechanical Has solidity and can be ejected at the required speed and timing can.

Im folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es wird gezeigt inIn the following, a preferred embodiment of the device according to the invention is referred to explained in more detail on the drawing. It is shown in

F i g. 1 ein etwas schematisch dargestellter Axialschnitt einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Vorrichtung, die zum Erzeugen und gesteuerten Ausstoßen von stäbchenförmigen Körpern aus Wasserstoff dient;F i g. 1 is an axial section, shown somewhat schematically, of a preferred embodiment of the present invention Device for generating and controlled ejection of rod-shaped bodies from hydrogen serves;

F i g. 2 ein vergrößerter, etwas genauer dargestellter Axialschnitt eines Teils der Vorrichtung gemäß Fig. 1; F i g. 3 eine Ansicht in einer Ebene IH-III der Fig. 2;F i g. 2 shows an enlarged, somewhat more precisely represented axial section of part of the device according to FIG. 1; F i g. 3 a view in a plane IH-III of FIG. 2;

Fig.4 ein Axialschnitt einer Koaxialkolbenanordnung der Vorrichtung gemäß Fig. 1;4 shows an axial section of a coaxial piston arrangement the device according to FIG. 1;

Fig.5 einen Querschnitt in einer Ebene V-V der F i g. 1;5 shows a cross section in a plane V-V of FIG. 1;

Fig.6 eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Teiles der F ig. 5;6 is an enlarged cross-sectional view of part of FIG. 5;

F i g. 7 eine Seitenansicht eines in der Vorrichtung gemäß Fig. 1 enthaltenen Kühlstabes;F i g. 7 is a side view of a cooling rod contained in the device according to FIG. 1;

F i g. 8 eine teilweise geschnittene, teilweise weggebrochene, vergrößerte Ansicht des Kühlstabes gemäß Fig. 7;F i g. 8 is a partially sectioned, partially broken away, enlarged view of the cooling rod according to FIG Fig. 7;

Fig. 9 eine Draufsicht auf den Kühlstab gemäß F ig. 8;9 is a plan view of the cooling rod according to FIG. 8th;

Fig. 10 ein Querschnitt in einerjEbene X-X der F i g. 8, undFig. 10 is a cross-section in a plane X-X of FIG F i g. 8, and

F i g. 11 eine Querschnittsansicht von Teilen des Kühlstabesgemäß Fi g. 7 vor dem Zusammenbau.F i g. 11 is a cross-sectional view of parts of the Cooling rod according to FIG. 7 before assembling.

Die in den Zeichnungen dargestellte Vorrichtung besteht im wesentlichen aus zwei Kühlköpfen Ti und T2, die gleichachsig hintereinander angeordnet sind (Fig. I). Um die beiden Kühlköpfe auf voneinander verschiedene Temperaturen einstellen zu können, sind sie thermisch weitgehend voneinander getrennt. Die in der Zeichnung dargestellte Vorrichtung hat den Zweck, Wasserstoffgas durch Abkühlung zu verfestigen, den verfestigten Wasserstoff in einen Vorratsraum zu extrudicrcn, das Extrusionsgut dort aufzubewahren und es schließlich bei Bedarf schnell und zeitlich sowie richtiings- und geschsvindigkeitsmäßig genau gesteuert auszustoßen. Dies erfordert in der Praxis einen Betriebstcmperuturbereich von ca. 3 K bis 20 K. Der Kühlkopf Ti bildet einschließlich der erforderlichen Strahlungsabschirmungcn und Betriebshilfsmittel einen Gefrierkryostal, der bei der im folgenden beschriebenen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung als Extrusions-Kryostat ausgebildet ist, d. h. der verfestigte Wasserstoff wird durch eine Düse mit verengtem Querschnitt unter plastischer Verformung als Strang ausgepreßt (»extrudiert«). Der Kühlkopf T2 bildet mit den Strahlungsabschirmungen und Betriebshilfsmitteln einen Vorrats-Kryostat. Der Extrusions-Kryostat bildet mit seinen Befestigungsvorrichtungen, den für den Betrieb notwendigen Versorgungsleitungen und einem Vakuumgefäß-Anschlußflansch 10 eine Einheit. Der Vorrats-Kryostat liegt in der Verlängerung einer Extrusionsdüse 12 des Extrusions-Kryostats.The device shown in the drawings consists essentially of two cooling heads Ti and T2, which are arranged coaxially one behind the other (FIG. I). In order to be able to set the two cooling heads to different temperatures from one another, they are largely thermally separated from one another. The device shown in the drawing has the purpose of solidifying hydrogen gas by cooling, extruding the solidified hydrogen into a storage room, storing the extruded material there and finally, if necessary, expelling it quickly and in a precisely controlled manner in terms of direction and speed. In practice, this requires an operating temperature range of approx. 3 K to 20 K. The cooling head Ti , including the required radiation shields and operating aids, forms a freezing cryostal which, in the preferred embodiment of the invention described below, is designed as an extrusion cryostat, i.e. the solidified hydrogen is pressed out ("extruded") as a strand through a nozzle with a narrowed cross-section with plastic deformation. The cooling head T2 forms a storage cryostat with the radiation shields and operating aids. The extrusion cryostat forms a unit with its fastening devices, the supply lines necessary for operation and a vacuum vessel connection flange 10. The storage cryostat lies in the extension of an extrusion nozzle 12 of the extrusion cryostat.

Der Abstand zwischen den beiden Kryostaten ist vorteilhafterweise verstellbar. Die Extrusion und das Ausstoßen der Wasserstoff-Stäbchen erfolgt mittels einer Koaxialkolbenanordnung 14, die einen Extrusionskolben 16 sowie einen Ausstoßkolben 18 enthält (Fig.4). Der Extrusionskoiben ist über eine Betätigungsstange 20 von außen betätigbar. Die Betätigungsstange 20 hat eine axiale Bohrung, in der eine zweite Betätigungsstange 22 zur Betätigung des Ausstoßko.' v«ns 18 angeordnet ist Die Betätigungsstangen 20 und 22 können in der Praxis durch nicht dargestellte, z. B. elektromagnetische Antriebe axial verschiebbar sein.The distance between the two cryostats is advantageously adjustable. The extrusion and the ejection the hydrogen rod takes place by means of a coaxial piston arrangement 14, which is an extrusion piston 16 and an ejector piston 18 contains (Figure 4). The extrusion head is via an operating rod 20 can be operated from the outside. The operating rod 20 has an axial bore in which a second operating rod 22 for actuating the ejection co. ' v «ns 18 arranged The operating rods 20 and 22 can in practice by not shown, for. B. electromagnetic Drives can be moved axially.

Im einzelnen ist die dargestellte Vorrichtung wie folgt aufgebaut:In detail, the device shown is constructed as follows:

Mit dem Anschlußflansch 10 ist ein rohrförmiges, vakuumdichtes Gehäuse 24 verbunden, von dessen Stirnseite ein zylindrischer Ansatz 26 nach innen einspringt. Der zylindrische Ansatz 26 bildet einen .zylindrischen Hohlraum mit einem Boden 28, mit dem der Kühlkopf Ti über ein Halterungsrohr 30 verbunden ist. Die Betätigungsstange 20 für den Extrusionskoiben 16 ist mittels eines Bundes 32 im Ansatz 26 geführt und durch ein Metall-Wellrohr oder einen Balgen 34 abgedichtet, dessen Enden mit dem Ansatz 32 bzw. dem Boden 28 dicht verbünden sind. Das Ha'ierungsrohr ist mit einer Wasserstoffgas-Eingangsleitung 36 verbunden. Der untere Teil der Betätigungsstange 20 mit der KoaxiaikolL-enanordnung ist im Halterungsrohr 30 geführt.A tubular, vacuum-tight housing 24 is connected to the connection flange 10, from the end face of which a cylindrical extension 26 protrudes inward. The cylindrical extension 26 forms a cylindrical cavity with a base 28 to which the cooling head Ti is connected via a mounting tube 30. The actuating rod 20 for the extrusion cylinder 16 is guided by means of a collar 32 in the extension 26 and sealed by a corrugated metal pipe or a bellows 34, the ends of which are tightly connected to the extension 32 or the base 28. The conditioning pipe is connected to a hydrogen gas inlet line 36. The lower part of the actuating rod 20 with the coaxial column arrangement is guided in the holding tube 30.

Das untere Ende des Halterungsrohres 30 ist vakuumdicht mit einem ersten Kühlkopfkörper 38, der zum Kohlkopf Ti gehört, verbunden. Am oberen Ende des ersten Kühlkopfkörpers 38 befindet sich ein erster Temperatur-Meßfühler 40. Am unteren Ende weist der Kühlkopfkörper 38 einen seitlich vorspringenden Flansch 42 auf, an dessen Außenrand ein innerer Strahlungsschirm 44 angebracht ist.The lower end of the holding tube 30 is connected in a vacuum-tight manner to a first cooling head body 38 which belongs to the cabbage head Ti . A first temperature sensor 40 is located at the upper end of the first cooling head body 38. At the lower end, the cooling head body 38 has a laterally projecting flange 42, on the outer edge of which an inner radiation shield 44 is attached.

Der Kühlkopf T2 enthält einen zweiten Kühlkopfkörper 46, der über eine Verbindungsvorrichtung mit geringer Wärmeleitfähigkeit am Flansch 42 befestigt ist. Die in F i g. 2 genauer dargestellte verstellbare Verbindungsvorrichtung enthält drei Bolzen aus Edelstahlrchrc.'ieii, von denen in F i g. 2 ein Edelstahlröhrchen 47 zu sehen ist, ferner einen von den Bolzen getragenen Ring 48 aus einem Kunststoff schlechter Wärmeleitfähigkeit, wie Polycarbonat, und drei Sätze von Befestigungsspitzen 50 aus Edelstahl, mit denen der zweite Kühlkopfkörper 46 am Isolierring 48 festgeklemmt ist. Die Befestigungsspitzen 50 erlauben gleichzeitig eine Justierung der Lage des zweiten Kühlkopfkörpers 46 bezüglich des ersten Kühlkopfkörpers 38 und damit ein sicheres Einführen des aus der Extrusionsdüse 12 austretenden, noch relativ weichen Wasserstoff-Stäbchens in den Kanal des Vor-atskryostats.The cooling head T2 contains a second cooling head body 46 which is fastened to the flange 42 via a connecting device with low thermal conductivity. The in F i g. The adjustable connecting device shown in more detail in FIG. 2 contains three bolts made of stainless steel chrome, one of which is shown in FIG. 2 shows a stainless steel tube 47, a ring 48 carried by the bolts and made of a plastic with poor thermal conductivity, such as polycarbonate, and three sets of fastening tips 50 made of stainless steel, with which the second cooling head body 46 is clamped to the insulating ring 48. The fastening tips 50 simultaneously allow an adjustment of the position of the second cooling head body 46 with respect to the first cooling head body 38 and thus a safe introduction of the relatively soft hydrogen rod emerging from the extrusion nozzle 12 into the channel of the pre-atskryostat.

Der erste Kühlkopfkörper 38 ist außen mit einer Kühlschlange 52 verbunden, deren Eingang an eine Käitemittel-Eingangsleitung54 angeschlossen ist. Das Aus-The first cooling head body 38 is externally connected to a cooling coil 52, the inlet of which is connected to a cooling medium inlet line 54 connected. The end-

gangsende der Kühlschlange 52 ist mit einer Kühlschlange 56 verbunden, die an der Innenseite eines äußeren Strahlungsschirmes 58 angebracht ist und mit ihrem Ausgangsende an eine Kältemittel-Ausgangsleitung 60 angeschlossen ist. Im ersten Kühlkopfkörper 38 ist ferner eine Heizvorrichtung 62 vorgesehen.Passing end of the cooling coil 52 is connected to a cooling coil 56, which is on the inside of an outer Radiation shield 58 is attached and with its output end to a refrigerant output line 60 is connected. A heating device 62 is also provided in the first cooling head body 38.

Der zweite Kühlkopfkörper 46 (F i g. 2) enthält einen wendeiförmigen Kühlkanal 64, dessen der Extrusionsdüse 12 abgewandtes Eingangsende über eine Edelstahlrohrwendel 66 mit der Kühlmkteleingangsleitung 54 verbunden ist. während sein Ausgangsende (in F i g. 2 oben) über eine zweite Edelstahlrohrwendel 68 mit einer zweiten Kältemittelausgangsleitung 70 verbunden ist. Die Schaltung des Kühlkanals 64 und der Rohrwcndeln 66,68 ist aus F i g. I ersichtlich. An dem der Extrusionsdüse 12 abgewandten Ende des zweiten Kühlkopfkörpers 46 ist ein becherförmiger innerer Strahh-ngsschirm 72 angebracht, dessen Doden eine mittige Durchbrechung aufweist, von deren Rand ein zylindrischer Ansatz 72a durch ein Loch im Boden des die ganze Anordnung umgebenden äußeren Strahlungsschirmes 58 vorspringt.The second cooling head body 46 (FIG. 2) contains a helical cooling channel 64, of which the extrusion nozzle 12 facing away input end via a stainless steel coiled tubing 66 with the cooling medium input line 54 is connected. while its output end (in Fig. 2 above) via a second stainless steel coiled tubing 68 with a second refrigerant outlet line 70 is connected. The circuit of the cooling channel 64 and the tube coils 66.68 is from FIG. I can be seen. At the end of the second cooling head body facing away from the extrusion nozzle 12 46 is a cup-shaped inner diffuser screen 72 attached, the dodes of which has a central opening, of the edge of which is a cylindrical one Approach 72a through a hole in the bottom of the outer radiation shield surrounding the entire arrangement 58 protrudes.

Im Inneren des zweiten Kühlkopfkörpers 46 ist ein Kühlstab 74 angeordnet, der anhand der Fig. 7 bis 11 noch näher erläutert werden wird. Der Kühlstab 74 bildet einen im Querschnitt quadratischen Vorratskanal 76. der ein der Extrusionsdüse 12 zugewandtes und mit dieser fluchtendes, trichterförmiges Eingangsende 76a aufweist und am anderen Ende eine Ausstoßdüse 78 bildet, die mit einer Bremshülse 80 versehen ist. Am Kühlstab 74 ist in der Nähe der Ausstoßdüse 78 ein Temperaturmeßfühler 82 verbunden. Ein weiterer Temperaturmeßfühler 84 ist an dem flanschartig verbreiterten Ende des zweiten Kühlkopfkörpers 46, mit dem der innere Strahlungsschirm 72 verbunden ist, angeordnetA cooling rod 74 is arranged in the interior of the second cooling head body 46, which can be illustrated with reference to FIGS. 7 to 11 will be explained in more detail. The cooling rod 74 forms a storage channel 76 which is square in cross section. which has a funnel-shaped inlet end 76a facing the extrusion nozzle 12 and in alignment therewith and at the other end forms a discharge nozzle 78 which is provided with a brake sleeve 80. On the cooling rod 74, a temperature sensor 82 is connected in the vicinity of the discharge nozzle 78. Another temperature sensor 84 is at the flange-like widened end of the second cooling head body 46 with which the inner radiation shield 72 is connected, arranged

Wie aus den F i g. 7 bis 11 ersichtlich ist, hat der Kühlsiab einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt. Seine Außenseite bildet erhabene, streifenförmige Kontaktzonen 86, die an der Innenwand des Kühlkopfkörpers 46 anliegen und durch eingefräste, vertiefte Zonen 88 getrennt sind. Er besteht aus zwei Teilen (Fig. 11), zwischen die eine mäanderförmige Heizwicklung 90 aus einem elektrischen Mantel-Heizleiter hart eingelötet ist.As shown in FIGS. 7 to 11 can be seen, has the Kühlsiab a substantially rectangular cross-section. Its outside forms raised, strip-shaped contact zones 86, which rest on the inner wall of the cooling head body 46 and through milled, recessed zones 88 are separated. It consists of two parts (Fig. 11), between which a meander-shaped heating coil 90 made of an electrical jacket heating conductor is hard soldered.

Die Bremshülse hat eine öffnung kreisförmigen Querschnitts, deren Durchmesser etwas kleiner ist als die Seitenlänge des Vorratskanals 76 und bei einer Vorratskanal-Seitenlänge von 1,1 mm z. B. 1,0 mm betragen kann.The brake sleeve has an opening of circular cross section, the diameter of which is slightly smaller than the side length of the supply channel 76 and in the case of a supply channel side length of 1.1 mm z. B. can be 1.0 mm.

An dem dem Kühlkopf Ti zugewandten Ende des zweiten Kühlkopfkörpers 46 ist ein weiterer Temperaturmeßfühler 92 angeordnetA further temperature sensor 92 is arranged on the end of the second cooling head body 46 facing the cooling head Ti

Der erste Kühlkopfkörper 38 bildet einen Kondensationsraum 39, der in der Extrusionsdüse 12 endetThe first cooling head body 38 forms a condensation space 39 which ends in the extrusion nozzle 12

Funktionsweisefunctionality

Die Kryostaten arbeiten nach dem Prinzip von Verdampferkryostaten. Das Kältemittel, z. B. flüssiges Helium, wird über die Kältemitteleingangsleitung 54 zuerst in den Kühlkopf Ti eingeführt, wo es verdampft, die Kühlung bewirkt und über den äußeren Strahlungsschirm 58 unter Ausnutzung der Enthalpie des Heliumgases durch die Käitemittelausgangsleitung 60 fortgeleitet wird. Zur Abkühlung des Kühlkopfes 7"2 wird ein Tei! des durch die Kähemittei-Eingangsieitung 54 zugeführten Kältemittels abgezweigt und über die separate, zweite Kältemittelausgangsleitung 70 nach außen geführt. Der Kälte.-nitteidurchsatz in den Kühlköpfen Ti und Tl läßt sich über Dosierventil 94 bzw. 96 «im Kiiltemittelausgang einstellen. Außerdem sind die Kühlköpfe mit den elektrischen Heizvorrichtungen 62 bzw. 90 versehen, mit deren Hilfe eine Feinregelung der crforderlichen Temperaturen möglich ist.The cryostats work on the principle of evaporator cryostats. The refrigerant, e.g. B. liquid helium, is first introduced via the refrigerant inlet line 54 into the cooling head Ti , where it evaporates, causes the cooling and is carried away via the outer radiation shield 58 using the enthalpy of the helium gas through the refrigerant outlet line 60. For cooling of the cooling head 7 "2, a Tei! Of the by-Kähemittei Eingangsieitung is diverted 54 refrigerant supplied and guided via the separate, second coolant output line 70 to the outside. The Kälte.-nitteidurchsatz in the cooling heads Ti and Tl may be about metering valve 94 or Set 96 "in the refrigerant outlet. In addition, the cooling heads are provided with electrical heating devices 62 and 90, with the aid of which it is possible to fine-tune the required temperatures.

Bei hochgezogenen Koaxialkolben 14 und genügend gekühltem Kühlkopf Ti wird zunächst das Einkondensieren und Verfestigen des Wasserstoffgases im Kondensationsraum 39 durchgeführt. Das Waserstoffgas wird dabei mittels der Eingangsleitung 36 durch den warmen Bereich der Apparatur zugeführt. Ist der Kondensationsraum 39 mit festem Wasserstoff gefüllt, so wird der Koaxialkolben mit eingezogenem Ausstoßkolben 18 auf den festen Wasserstoff aufgesetzt und dieser wird dann unter geeignetem Druck und geeigneter F.rwärmung des Kühlkopfcs 7"! in Form eines Wasserstoffstäbchens langsam aus der Extrusionsdüse S2 in den Vnrratskänäi 76 des zweiten Kahlkopfes TI cxlrudiurs. Ist nun der Kühlkopf T2 auf eine geeignete Vorratstemperatur gebracht, die niedriger ist als die Exirusionstcmperatur, so kann sich das Wasserstoffsiäbchen in den Vorratskanal 76 einfädeln und diesen in seiner ganzen Länge ausfüllen. Nach weiterer Aufwärmung des Kühlkopfes Ti (Austreiben bzw. Aufweichen des restlichen Wasserstoffes im Kondensationsraum 39) wird es möglich, aVn Ausstoßkolben 18 langsam durch die Extrusionsdi?·* 12 in den Vorratskanal einzuführen. Nach Einstellung einer für einen schnellen Ausstoß geeigneten Temperatur des Wasserstoffstäbchens wird dieses mittels des Ausstoßkolbens 18 mit der geforderten Geschwindigkeit kontinuierlich ode: intermittierend durch die Ausstoßdüse 78 aus dem Vorratskanal herausgestoßen. With the coaxial piston 14 pulled up and the cooling head Ti sufficiently cooled, the hydrogen gas is first condensed and solidified in the condensation space 39. The hydrogen gas is supplied by means of the inlet line 36 through the warm area of the apparatus. If the condensation chamber 39 is filled with solid hydrogen, the coaxial piston with retracted ejection piston 18 is placed on the solid hydrogen and this is then slowly transferred from the extrusion nozzle S2 under suitable pressure and suitable heating of the cooling head 7 "! In the form of a hydrogen rod Vnrratskänäi 76 of the second bald head TI cxlrudiurs. If the cooling head T2 is now brought to a suitable storage temperature, which is lower than the extrusion temperature, the hydrogen rod can thread into the storage channel 76 and fill it in its entire length. After further heating of the cooling head Ti (Expulsion or softening of the remaining hydrogen in the condensation chamber 39), it is possible to slowly introduce the ejection piston 18 through the extrusion nozzle 12 into the storage channel the demand rth speed continuously or intermittently ejected through the discharge nozzle 78 from the supply channel.

Der Querschnitt des Vorratskanals 76 ist quadratisch, so daß das zylindrische Wasserstoffstäbchen 98 (F i g. 6) die Wandung des Vorratskanales 76 im Idealfall nur in vier Linien berührt, um ein Festfrieren nach Möglichkeil zu verhindern. Eine Haftung des Wasserstoffstäbchens an den Wänden des Vorratskanals 76 kann zu einer Deformation oder Zerstörung des Wasserstoffs la bchens, einer mangelhaften Zeitgenauigkeit des Transports und/oder einer Blockierung des Ausstoßkolbcns 18 führen. Solche Störungen werden durch die flinke elektrische Heizung mit der Heizwicklung 90 vermieden, so daß ein ordnungsgemäßer Ausstoß gewährleistet ist. Eine Heizung kleiner Zeitkonstante wird dadurch erreicht daß der den Vorratskanal 76 bildende Kühlstab 74 eine kleine Wärmekapazität aufweist und infolge der relativ schmalen Kontaktzonen 86 nur inThe cross section of the supply channel 76 is square, so that the cylindrical hydrogen rod 98 (FIG. 6) ideally only touches the wall of the supply channel 76 in four lines in order to freeze solid if possible to prevent. Adhesion of the hydrogen rod to the walls of the supply channel 76 can lead to a Deformation or destruction of the hydrogen launder, an inadequate timing of the transport and / or a blockage of the ejector piston 18 lead. Such disturbances are avoided by the quick electrical heating with the heating coil 90, so that proper ejection is guaranteed. A heating of small time constant is thereby achieves that the cooling rod 74 forming the supply channel 76 has a small heat capacity and due to the relatively narrow contact zones 86 only in

so begrenztem thermischen Kontakt mit dem zwitcn Kühlkopfkörper 46 steht. Infolge der schnell ansprechenden und nur kurzzeitig eingeschalteten Heizung kann erreicht werden, daß eine Temperaturerhöhung nur an den Stellen des Wasserstoffstäbchens 98 eintritt, die an der Wand des Kühlkanals 76 anliegen und an dieser haften, während das Innere des Wasserstoffstäbchens 98 wegen der schlechten Wärmeleitfähigkeit des Wasserstoffes dagegen möglichst kalt und somit während der ganzen Ausstoßzeit formstabil bleibtso limited thermal contact with the intermediate Cooling head body 46 is standing. As a result of the quickly responding and only briefly switched on heating it can be achieved that a temperature increase occurs only at the points of the hydrogen rod 98, which rest on the wall of the cooling channel 76 and adhere to it, while the interior of the hydrogen rod 98 on the other hand, because of the poor thermal conductivity of hydrogen, as cold as possible and thus during remains dimensionally stable throughout the ejection time

Die Formstabilität der Wasserstoffpeilets ist wegen der bei ihrer Beschleunigung auftretenden zentrifugalen Zwangskräfte von entscheidender Bedeutung.The dimensional stability of the hydrogen bearings is due to the centrifugal constraining forces that occur during their acceleration are of decisive importance.

Der Transport des kondensierten Materials aus dem Gefrierthermostat in den Vorratsthermostat ist nicht beschränkt auf Auspreßvorgänge, die mit einer Querschnittsverringerung einhergehen. Der Querschnitt der Düse 12 kann vielmehr gleich dem Querschnitt der Kammer 39 sein, so daß das in der Kammer 39 verfestig-The transport of the condensed material from the freezer thermostat to the storage thermostat is not limited to extrusion processes associated with a reduction in cross-section. The cross section of the Rather, the nozzle 12 can be the same as the cross section of the chamber 39, so that the solidified in the chamber 39

7 8 i7 8 i

te Material ohne Verformung aus der Kammer in den ',> te material without deformation from the chamber into the ',>

Vorratskanal 76 transportiert wird. Die beschriebene .·';Storage channel 76 is transported. The described. · ';

Apparatur läßt sich also dahingehend vereinfachen, daßApparatus can be simplified to the effect that

eine im Extrjsionskryostat ausgefrorene Säule aus ,.'.' a column frozen out in the extrusion cryostat consisting of '.'. '

D?-i:is durch einen einfachen Kolben ohne Quer- 5 H D? -I: is by a simple piston with no transverse 5 H

sehnitlsveränderung in den Vorratskryostaten gedrückt i-jvisual change in the storage cryostat pressed i-j

wird, wo das Dj-Eis nicht fest friert und dann mit dem fvj·where the Dj ice cream does not freeze and then with the fvj

ei-.'jchen Kolben schnell ausgestoßen werden kann, oh- |jei -. 'jchen piston can be ejected quickly, oh- | j

nc daß eine flinke Heizung im Vorratskryostat erforder- ^nc that a nimble heating in the storage cryostat required ^

lieh ist. IO ||is borrowed. IO ||

Die Verstcllbarkeit des Abstandes zwischen Extru- pThe adjustability of the distance between extru- p

sionskryostat und Vorratskryostat (siehe F i g. 2) ist vor- |sion cryostat and storage cryostat (see Fig. 2) is before |

teilhaft, sie dient der Anpassung der Temperatur des extrudiertcn Stäbchens an die des Vorratskryostats um ein Anfrieren in diesem möglichst zu verhindern. Das |5 relativ warme extrudierte /.. B. aus D2 bestehende Stäbchen kühlt sich durch Verdunsten soweit ab, bis die dem im Vakuum vorliegenden D2-Partialdruck entsprechende GleichgewichistciTipcratiir erreicht ist. Dies giii natürlich nur näherungsweise und um so besser, je weiter weg die einfädelnde Stäbchenzone von der relativ warmen Extrusionsdüse liegt.Partly, it serves to adapt the temperature of the extruded rod to that of the storage cryostat in order to prevent freezing in it as far as possible. The | 5 relatively warm extruded / .. B. D2 from existing rods cools by evaporation so far as from until the present in the vacuum D2 partial pressure corresponding GleichgewichistciTipcratiir is reached. Of course, this is only an approximation and the better the further away the threading rod zone is from the relatively warm extrusion nozzle.

Der einstellbare Abstand zwischen Extrusionskryostat und Vorratskryostat hat also eine ähnliche Funktion wie die linienhafte Führung im Vorratskryostat. nämlich das Anfrieren nach Möglichkeit zu verhindern.The adjustable distance between the extrusion cryostat and the storage cryostat thus has a similar function like the linear guidance in the storage cryostat. namely to prevent freezing if possible.

Die vorliegende Vorrichtung kann überall dort eingesetzt werden, wo es auf die schnelle Bereitstellung von Körpern aus einem sich bei tiefen Temperaturen verfestigenden Material ankommt. Insbesondere eignet sich dif Vorrichtung gemäß der Erfindung für eine ausreichend schnelle Beschickung einer Ultrazentrifuge mit Körpern aus gefrorenem Wasserstoff, insbesondere Dj, für Fusionsmaschinen.The present device can be used wherever there is a need for rapid provision of Bodies made of a material that solidifies at low temperatures. In particular is suitable dif device according to the invention for a sufficiently fast loading of an ultracentrifuge with Frozen hydrogen bodies, especially Dj, for fusion machines.

35 Hierzu 3 Blatt Zeichnungen 35 Here are 3 sheets of drawings

4545

5050

5555

6060

6565

Claims (1)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Vorrichtung zum Erzeugen und Abgeben eines Körpers aus einem durch Abkühlen verfestigten Material, z. B. Wasserstoff, mit1. Device for producing and dispensing a body from a solidified by cooling Material, e.g. B. hydrogen, with — einem Gefrierkryostaten (Ti), der einen Raum (39) zum Verfestigen des Materials sowie eine Extrusionsdüse (12), aus der der Körper austritt, enthält, und- A freezing cryostat (Ti) which contains a space (39) for solidifying the material and an extrusion nozzle (12) from which the body emerges, and — einer nach der Extrusionsdüse (12) angeordneten Aufnahmevorrichtung (T2), die einen mit einer Kühlvorrichtung (64) versehenen Kanal (76) zur Aufnahme des Körpers und eine Austrittsöffnung (78) zum Austritt des Körpers enthält, - A receiving device (T2 ) arranged after the extrusion nozzle (12) which contains a channel (76) provided with a cooling device (64) for receiving the body and an outlet opening (78) for exiting the body,
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