DE10131235C1 - Stromzuführungsvorrichtung für eine zu kühlende elektrische Gerätschaft mit elektrischer Trenneinrichtung sowie Verwendung der Vorrichtung - Google Patents

Abstract

Die Stromzuführungsvorrichtung (20) für eine in einem Kryostatinnenraum (21) angeordnete elektrische Gerätschaft (19), insbesondere Supraleitungseinrichtung, weist eine elektrische Trenneinheit (11') auf, die in einem der Raumtemperaturseite zugewandten Bereich (24) des Innenraums (21) untergebracht ist. Die Trenneinrichtung (11') ist mit einer Vakuumschaltröhre (2) mit in einem Hochvakuum angeordneten normalleitenden Schaltstücken versehen.

Description

Stromzuführungsvorrichtung für eine zu kühlende elektrische Gerätschaft mit elektrischer Trenneinrichtung sowie Verwen­ dung der Vorrichtung.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromzuführungsvorrich­ tung für eine von einem Kühlmittel auf Tieftemperatur zu küh­ lende, in einem Kryostatinnenraum angeordnete elektrische Ge­ rätschaft, wobei die Stromzuführungsvorrichtung eine elektri­ sche Trenneinrichtung aufweist, welche

• - ein mit der elektrischen Gerätschaft elektrisch zu verbin­ dendes Schaltstück,
• - ein an eine externe, auf Raumtemperatur befindliche Strom­ versorgungseinrichtung elektrisch anzuschließendes Schalt­ stück

sowie

• - mechanische Betätigungsmittel zum Aneinanderfügen der Schaltstücke bzw. zu deren Trennen

enthält.

Eine solche Stromzuführungsvorrichtung ist der DE 29 01 892 C2 zu entnehmen. Die Erfindung betrifft ferner Verwendungen einer solchen Stromzuführungsvorrichtung.

Bei den hier betrachteten elektrischen Gerätschaften, Geräten oder Anlagen kann es sich um Einrichtungen mit zu kühlenden Normalleitern wie z. B. aus Cu oder insbesondere um solche handeln, die eine Verwendung von supraleitendem Material vor­ sehen. Gerade die Applikation der Supraleitung in der Ener­ gie- oder Medizintechnik bedingt, dass Strom von einem Niveau tiefer Temperatur, z. B. von Stickstoff bei 77 K, auf Raumtem­ peratur von 300 K oder von Helium mit 4 K auf Stickstofftem­ peratur bei 77 K und weiter auf Raumtemperatur von 300 K ge­ leitet werden muss. Hiermit ist das Problem verbunden, dass für eine erforderliche Stromzuführungsvorrichtung ein Normal­ leiter aus einem Metall oder einer Metalllegierung verwendet werden muss. Gemäß dem Wiedemann-Franz-Lorenz'schen Gesetz hat jedes Metall aber die Eigenschaft in etwa ein ebenso gu­ ter elektrischer wie thermischer Leiter zu sein. Man kann zwar den Temperaturbereich unterhalb von 77 K mit supralei­ tenden Bändern als Stromzuführung beherrschen, die aus me­ talloxidischem, keramischem Hoch-T_c-Supraleitermaterial (HTS- Material) bestehen, weil derartige Keramiken zwar gute elekt­ rische Leiter, aber schlechte Wärmeleiter darstellen. Es bleibt jedoch die Problematik des Übergangs zwischen 77 K und 300 K, wo entsprechende keramische Materialien mit hinrei­ chender elektrischer Leitfähigkeit nicht bekannt sind. D. h., es ist für diesen Temperaturbereich die Problematik der Ver­ luste durch Wärmeleistung gegeben, egal, ob Strom fließt oder nicht.

Eine entsprechende Problematik ist auch bei einer Stromzufüh­ rungsvorrichtung gegeben, die aus der DE 40 19 816 C2 hervor­ geht. Diese Vorrichtung ist für eine supraleitende Gerät­ schaft wie z. B. einen Magneten oder eine Quanteninterferome­ tereinrichtung vorgesehen, die im Innenraum eines Kryostaten untergebracht ist. Die Stromzuführung zu dieser Gerätschaft erfolgt dabei über Zuführungsdrähte, die sich durch eine Öff­ nung eines Deckels des Kryostaten hindurch bis in den tiefge­ kühlten Bereich der Gerätschaft erstrecken. An dem Deckel be­ findet sich ein nicht näher ausgeführter Verbinder zum raum­ temperaturseitigen Anschluss der Zuführungsdrähte.

Zur Lösung des Wärmeeinleitungsproblems über von Raumtempera­ tur auf Tieftemperatur durchgehende Leiter hat man Stromzu­ führungsvorrichtungen entwickelt, bei denen eine Unterbre­ chung der metallischen Stromzuführung erfolgt, wenn kein Stromfluss benötigt wird. Dies führt auch zu einer Unterbre­ chung der Wärmeeinleitung über die metallischen Leiter und hilft somit Stillstandverluste verringern. Eine entsprechende Stromzuführungsvorrichtung ist aus der US 3,839,689 bekannt. Bei dieser Stromzuführungsvorrichtung für einen supraleiten­ den Magneten, der mit einem Kurzschließer versehen ist, be­ steht eine lösbare Verbindung zwischen einem gekühlten, unbe­ weglichen Kontaktteil des Magneten und einem beweglichen Kon­ taktteil einer äußeren Stromzuführung, die sich im Allgemei­ nen auf Normaltemperatur befindet. Das dem beweglichen Kon­ taktteil zugewandte Ende des Kontaktteils des Magneten ist mit einer Bohrung für eine Schraub- oder Steckverbindung ver­ sehen. Solche steck- oder schraubbaren Stromzuführungsteile sind jedoch einer Abnutzung unterworfen. Außerdem sind steck­ bare Stromzuführungsteile im Vakuum des erforderlichen Kry­ ostaten vorzusehen, so dass immer auch die konstruktiv be­ dingte Wahrscheinlichkeit einer Vakuumundichtheit des Kry­ ostaten insbesondere an Flanschen gegeben ist.

Eine entsprechende Stromzuführungsvorrichtung geht aus der DE 196 04 805 C2 hervor. Sie ist für eine supraleitende Ge­ rätschaft wie z. B. für einen kurzzuschließenden NMR-Magneten vorgesehen, der sich in einem Vakuumgefäß eines Kryostaten befindet. Zur Verminderung von Wärmeeinleitungsverlusten wäh­ rend eines Kurzschlussbetriebs dieses Magneten weist die Stromzuführungsvorrichtung einen Trennschalter auf, dessen Kontaktstücke in demselben Vakuumraum wie die supraleitende Einrichtung untergebracht sind.

Werden steckbare Stromzuführungsteile in einer Gasumgebung eingebaut, entstehen dort durch die Wärmeleitfähigkeit des Gases wiederum Verluste. Dies trifft z. B. für eine Stromzu­ führungseinrichtung zu, die aus der eingangs genannten DE 29 01 892 C2 zu entnehmen ist. Bei dieser Stromzuführungs­ vorrichtung befinden sich deren Schaltstücke bzw. Kontakttei­ le in einem nach oben offenen Gasraum, der mit He-Abgas ge­ füllt ist, welches von einem He-Kühlmittel stammt, mit dem das dort verwendete supraleitende Material auf die erforder­ liche Tieftemperatur zu kühlenden ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Stromzufüh­ rungsvorrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen dahin­ gehend weiter zu entwickeln, dass einerseits ihr konstrukti­ ver Aufwand verringert ist und dennoch eine gute thermische Trennung ihrer Schaltstücke zu gewährleisten ist. Ferner sol­ len bevorzugte Verwendungen einer derartigen Stromzuführungs­ vorrichtung angegeben werden.

Die sich auf die Stromzuführungsvorrichtung beziehende Aufga­ be wird mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Dementsprechend soll bei der Stromzuführungsvorrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen deren Trenneinrichtung eine Vakuumschaltröhre mit in einem Hochvakuum angeordneten, nor­ malleitenden Schaltstücken aufweisen, wobei die Vakuumschalt­ röhre in dem Kryostatinnenraum in einem der Raumtemperatur­ seite zugewandten Bereich untergebracht ist. Dieser der Raum­ temperaturseite zugewandter Bereich soll sich dabei außerhalb des Tieftemperaturbereichs mit der elektrischen Gerätschaft befinden.

Mit der Verwendung einer Vakuumschaltröhre für die erfin­ dungsgemäße Stromzuführungsvorrichtung sind eine Reihe von Vorteilen verbunden:

• - Eine Vakuumschaltröhre kann in den Strompfad der Stromzu­ führungsvorrichtung platzsparend eingebaut werden.
• - Die Stromzuführung kann jederzeit und auch kurzfristig un­ terbrochen werden, sobald sie nicht mehr benötigt wird.
• - Die Schaltstücke der Vakuumschaltröhre befinden sich in einem Hochvakuum von insbesondere unter 10^-8 bar mit außer­ ordentlich niedriger Wärmeleitfähigkeit.
• - Gegenüber einer steckbaren Verbindung kann sogar eine Schaltaufgabe je nach verwendeter Type der Vakuumschalt­ röhre wahrgenommen werden.
• - Bekannte Vakuumschaltröhren zeichnen sich durch hohe War­ tungsfreiheit aus, wobei z. B. 10 000 mechanische Schalt­ spiele und mehr gewährleistet werden.

Vorteilhaft ist also die Applikation herkömmlicher, sehr preisgünstiger Vakuum-Technik im Strompfad einer Stromzufüh­ rungsvorrichtung für eine innerhalb eines Kryostaten befind­ liche elektrische Gerätschaft. Erforderlich dabei ist ledig­ lich eine konstruktive Anpassung der Vakuumschaltröhre an die Verhältnisse in dem Kryostaten.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Stromzu­ führungsvorrichtung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor.

So kann insbesondere der die Vakuumschaltröhre aufnehmende Bereich des Kryostatinnenraumes zumindest teilweise mit einem festen Isolationsmedium gefüllt sein, wobei das Isolationsme­ dium ein geschäumtes Material sein kann. Auf diese Weise ist auch eine mechanische Fixierung der Vakuumschaltröhre und der für sie erforderlichen Betätigungsmittel möglich.

Vorteilhaft wird die Stromzuführungsvorrichtung für eine Sup­ raleitungseinrichtung als elektrische Gerätschaft verwendet, die vorzugsweise Leiter mit Hoch-T_c-Supraleitermaterial ent­ hält. Für letztere Gerätschaft ist die Kryotechnik verhält­ nismäßig einfach.

Darüber hinaus ist die Verwendung der Stromzuführungsvorrich­ tung für einen insbesondere supraleitenden Transformator ei­ nes mobilen Fahrzeugs oder für eine insbesondere supraleiten­ de Magnetanordnung einer Anlage zur Kernspintomographie als besonders vorteilhaft anzusehen. Diese elektrischen Gerät­ schaften zeichnen sich nämlich dadurch aus, dass sie keine ständige Verbindung mit einer externen, auf Raumtemperatur befindlichen Stromversorgungseinrichtung erfordern.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Stromzuführungsvor­ richtung gehen aus den vorstehend nicht angesprochenen Unter­ ansprüchen hervor.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen. Dabei zeigen

Fig. 1 ein Schnittbild durch eine bekannte Vakuum­ schaltröhre für die erfindungsgemäße Stromzu­ führungsvorrichtung,

Fig. 2 eine Verwendung dieser Vakuumschaltröhre in einem Mittelspannungsschütz als Schnittbild­ darstellung sowie

Fig. 3 ein Schnittbild durch eine Stromzuführungsvor­ richtung mit einem derartigen Mittelspannungs­ schütz.

Dabei sind in den Figuren sich entsprechende Teile jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt eine bekannte Vakuumschaltröhre (vgl. "Siemens Online Katalog 2001": Energieübertragung und -verteilung, Ka­ talog HG 11.11/Mittelspannung, Leistungsschal­ ter/Vakuumleistungsschalter 3AH/Hochstromschalter 3AH1/Aufbau und Arbeitsweise) http:/ / www.ptd.siemens.de/de/mittelspannung. Die Vakuumschaltröhre ist zwar für Mittel­ spannungsanwendungen vorgesehen; es kommen jedoch ebenso gut auch Schaltröhren der Niederspannungstechnik in Frage. Die allgemein mit 2 bezeichnete Vakuumschaltröhre enthält eine Schaltkammer 3 zur Aufnahme eines bewegbaren Schaltstückes 4 und eines feststehenden Schaltstückes 5. In der Schaltkammer herrscht ein Hochvakuum von unter 10^-8 bar, beispielsweise von 10^-9 bar. Das feststehende Schaltstück 5 ist mit einer Anschlussscheibe 6 versehen, die mit einem Anschlussleiter zu verbinden ist, der zu einer von einem Kühlmittel auf Tieftem­ peratur zu haltenden elektrischen Gerätschaft bzw. Gerät oder Anlage führt. Für das nachfolgende Ausführungsbeispiel sei als elektrische Gerätschaft eine Supraleitungseinrichtung an­ genommen, obwohl ebenso gut auch Einrichtungen mit gekühltem normalleitenden Material in Frage kommen.

Das bewegbare Schaltstück 4 der eingesetzten Vakuumschaltröh­ re 2 ist mit einem Antriebs- und Anschlussbolzen 7 verbunden. Dieser Anschlussbolzen ist mit einem Anschlussleiter zu ver­ binden, der zu einer externen, auf Raumtemperatur befindli­ chen Stromversorgungseinrichtung führt. Außerdem greifen an diesem Bolzen mechanische Betätigungsmittel an, um die Schaltstücke aneinander zu fügen bzw. zu trennen. In der Fi­ gur sind ferner eine Führung 8 für den Antriebs- und An­ schlussbolzen 7 sowie ein Metallfaltenbalg 9 dargestellt. Ein Isolator 10 umgibt mantelförmig die Schaltkammer 3.

Fig. 2 zeigt in etwas vereinfachter Darstellung einen be­ kannten Mittelspannungsschütz 11 mit einer Vakuumschaltröhre 2 (vgl. "Elektrische Installationstechnik, Teil 1: Energie­ versorgung und -verteilung", Siemens AG (DE), 1993, Seiten 147 bis 150). Dieser Mittelspannungsschütz weist einen Nie­ derspannungsteil nt und einen Mittelspannungsteil mt auf. Zur Betätigung des bewegbaren Schaltstückes der Vakuumschaltröhre 2 sind Betätigungsmittel 12 vorhanden, die ein mechanisches Verbindungsteil 13 zwischen dem Mittel- und dem Niederspan­ nungsteil aufweisen. Über diese Betätigungsmittel sind die Schaltstücke der Vakuumschaltröhre 2 aneinander zu fügen bzw. zu trennen. Von diesen Betätigungsmitteln ist in dem Nieder­ spannungsteil nt das Antriebssystem mit einem Magneten 14 an­ gedeutet. Ferner sind in der Figur ein mit dem bewegbaren Schaltstück der Vakuumschaltröhre 2 verbundener Anschlusslei­ ter 15 und ein mit dem feststehenden Schaltstück dieser Schaltröhre verbundener Anschlussleiter 16 ersichtlich.

Der Einbau des in Fig. 2 dargestellten Mittelspannungsschüt­ zes 11 in einem Kryostaten ist der Fig. 3 zu entnehmen. Der Aufbau dieses Mittelspannungsschützes stellt im Wesentlichen eine Trenneinrichtung 11' für eine erfindungsgemäße Stromzu­ führungsvorrichtung 20 dar. Mit dieser Stromzuführungsvor­ richtung ist eine in dem Innenraum 21 des mit 22 bezeichneten Kryostaten untergebrachte, in der Figur nicht näher ausge­ führte Supraleitungseinrichtung 19 mit einer externen, nicht dargestellten Stromversorgungseinrichtung zu verbinden. Diese Stromversorgungseinrichtung befindet sich dabei in einem Be­ reich auf Raumtemperatur RT. Demgegenüber muss die Supralei­ tungseinrichtung 19 in einem Bereich auf Tieftemperatur TT, beispielsweise in einem LN₂-Bereich, angeordnet sein. Bei der Supraleitungseinrichtung 19 kann es sich vorzugsweise um ei­ nen Transformator auf einem mobilen Fahrzeug wie z. B. einer Lokomotive handeln, der Leiter aus HTS-Material aufweist. Ein solcher Transformator wird etwa die Hälfte der Zeit nicht ge­ nutzt. Um die Stillstandsverluste zu verringern, ist die Trenneinrichtung 11' besonders vorteilhaft. Dabei kann mit der Vakuumschaltröhre 2 auch unter Spannung bzw. bei Leerlauf oder Last getrennt werden. Ferner kann es sich bei der Supra­ leitungseinrichtung 19 auch um eine supraleitende Magnetan­ ordnung unter Verwendung von HTS-Material einer Anlage zur Kernspintomographie (bzw. Nuclear Magnetic Resonance oder Nuclear Magnetic Imaging) handeln. Denn bei solchen Magnetan­ ordnungen wird die Stromzuführungsvorrichtung nur beim Aufla­ den bzw. Erregen der Magnete benötigt. Danach werden die Mag­ nete der Anordnung vielfach kurzgeschlossen, so dass dann die Stromzuführung zu unterbrechen ist. Selbstverständlich können auch andere Supraleitungseinrichtungen mit der erfindungsge­ mäßen Stromzuführungsvorrichtung ausgestattet werden, sofern eine andauernde Stromzufuhr nicht erforderlich ist oder eine Auftrennung des Strompfades z. B. aus Wartungsgründen ge­ wünscht wird.

In dem auf Tieftemperatur TT befindlichen Bereich 23 ist die Supraleitungseinrichtung 19 angeordnet. Dieser Bereich ist von einem diese Einrichtung auf der supraleitenden Betriebs­ temperatur zu haltenden Kühlmittel gefüllt, beispielsweise mit LN₂ bei Verwendung von HTS-Material der Supraleitungsein­ richtung. Der sich oberhalb dieses Tieftemperaturbereichs 23 befindliche, der Raumtemperaturseite zugewandte Bereich des Kryostatinnenraumes 21 ist allgemein mit 24 bezeichnet. Die­ ser Bereich kann vollständig mit Abgas des Kühlmittels, bei­ spielsweise GN₂-Abgas, gefüllt sein. Vorteilhaft ist sein die Trenneinrichtung 11' aufnehmender, dem raumtemperaturseitigen Deckel 25 des Kryostaten 22 zugewandter Teilbereich 24a zu­ mindest teilweise mit einem festen Isolationsmedium 26 ausge­ füllt. Bei diesem Isolationsmittel kann es sich insbesondere um ein geschäumtes Material wie z. B. einen Styro-Schaum (Mar­ kenname "Styrofoam") handeln. Der dem Tieftemperaturbereich 23 zugewandte Teil 24b des Bereichs 24 kann mit GN₂-Abgas ge­ füllt sein, das selbstverständlich auch den Teilraum 24a mit dem Isolationsmedium durchdringen kann.

Die Vakuumschaltröhre der Trenneinrichtung 11' ist mit einem raumtemperaturseitigen Anschlussleiter 15 verbunden, der durch den Kryostatendeckel 25 an einer Durchführung 27 z. B. aus Epoxidharz aus dem Kryostatinnenraum 21 in den Bereich auf Raumtemperatur RT und dort zu der externen Stromversor­ gungseinrichtung führt. Ein tieftemperaturseitiger Anschluss­ leiter 16 der Vakuumschaltröhre führt von der Trenneinrich­ tung 11' zu der Supraleitungseinrichtung 19, z. B. einer Mag­ netspule, in den Bereich 23 auf Tieftemperatur TT. In der Fi­ gur sind ferner elektrische Anschlussdrähte 28 angedeutet, die durch den Deckel 25 zu den Betätigungsmitteln 12 der Trenneinrichtung 11' führen.

Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel wurde von einer Supraleitungseinrichtung 19 ausgegangen, die HTS- Leitermaterial enthält und mit LN₂ zu kühlen ist. Selbstver­ ständlich ist die Stromzuführungsvorrichtung auch für Supra­ leitungseinrichtungen mit LHe- oder GHe-Kühltechnik geeignet.

Außerdem braucht es sich bei der angeschlossenen elektrischen Gerätschaft auch nicht um eine solche der Supraleitungstech­ nik zu handeln. Es können nämlich an die Stromzuführungsvor­ richtung ebenso gut auch elektrische Gerätschaften ange­ schlossen werden, für die zu kühlendes normalleitendes Mate­ rial wie z. B. Cu vorgesehen ist.

Claims (11)

1. Stromzuführungsvorrichtung (20) für eine von einem Kühl­ mittel auf Tieftemperatur (TT) zu kühlende, in einem Kryosta­ tinnenraum (21) angeordnete elektrische Gerätschaft (19), wo­ bei die Stromzuführungsvorrichtung eine elektrische Trennein­ richtung (11') aufweist, welche
ein mit der elektrischen Gerätschaft elektrisch zu verbin­ dendes Schaltstück (5),
ein an eine externe, auf Raumtemperatur (RT) befindliche Stromversorgungseinrichtung elektrisch anzuschließendes Schaltstück (4) sowie
mechanische Betätigungsmittel (12) zum Aneinanderfügen der Schaltstücke (4, 5) bzw. zu deren Trennen
enthält, dadurch gekennzeichnet,
dass die Trenneinrichtung (11') eine Vakuumschaltröhre (2) mit in einem Hochvakuum angeordneten normalleitenden Schalt­ stücken (4, 5) aufweist, wobei die Vakuumschaltröhre in dem Kryostatinnenraum (21) in einem der Raumtemperaturseite zuge­ wandten Bereich (24) untergebracht ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Vakuumschaltröhre (2) Teil eines Leistungsschalters (11) der Mittel- oder Nieder­ spannungstechnik ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltstücke (4, 5) in einem Hochvakuum von unter 10^-8 bar angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der die Vakuumschaltröhre (2) aufnehmende Bereich (24) des Kryosta­ tinnenraumes (21) zumindest teilweise mit einem festen Isola­ tionsmedium (26) gefüllt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, dass das Isolationsmedium (26) ein geschäumtes Material ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationsmedium (26) an einen mit gasförmigem Kühlmittel gefüllten Bereich (24b) des Kryostatinnenraumes (21) angrenzt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, dass das gasförmige Kühlmittel Abgas eines flüssigen, zur Kühlung der elektrische Gerät­ schaft (19) dienenden Kühlmittels ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel Stickstoff ist.

9. Verwendung der Stromzuführung nach einem der vorangehenden Ansprüche für eine Supraleitungseinrichtung (19) als elektri­ sche Gerätschaft.

10. Verwendung der Stromzuführung nach Anspruch 9 für eine Supraleitungseinrichtung (19) als elektrische Gerätschaft mit Leitern, die Hoch-T_c-Supraleitermaterial enthalten.

11. Verwendung der Stromzuführungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder nach einem der Ansprüche 9 und 10 für einen insbesondere supraleitenden Transformator eines mobilen Fahrzeugs oder für eine insbesondere supraleitende Magnetan­ ordnung einer Anlage zur Kernspintomographie jeweils als e­ lektrische Gerätschaft.