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Die Erfindung betrifft eine Durchführung für einen elektrischen Leiter durch die Außenwand eines Behälters in den Behälterinnenraum. Insbesondere handelt es sich um eine elektrische Durchführung für einen elektrischen Leiter in den Druckbehälter eines nuklearen Reaktors.
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Derartige Durchführungen sind auch als „Koaxial-Durchführungen“ bekannt. Sie werden verwendet, um elektrische Signale oder elektrische Impulse von einem Außenbereich in einen durch eine Wand oder Abschirmung von diesem Außenbereich abgetrennten Innenbereich zu übertragen. Hierbei ist es üblich, dass die Wand eine Öffnung aufweist, welche ihrerseits die Durchführung aufnimmt.
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Beispielsweise befindet sich in einem Reaktordruckbehälter Wasser als Primärkühlmittel. Das Wasser kann dabei sowohl einen flüssigen als auch einen gasförmigen Aggregatszustand annehmen. Auch kann ein Wasser-Dampf-Gemisch vorliegen. Zur Steuerung einer kerntechnischen Anlage ist es erforderlich, sowohl den Füllstand als auch den Aggregatszustand des Primärkühlmittels messen zu können. Hierfür eignet sich die sogenannte „TDR“-Messtechnik, wobei „TDR“ als Abkürzung für Time Domain Reflectometrie steht. Diese TDR-Messtechnik gilt aus ausgereift und technisch erprobt.
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Der Vorteil liegt im kerntechnischen Bereich darin, das an der Messtelle lediglich eine Antenne und ein die Antenne umgebendes Koaxialrohr vorhanden sein müssen. Somit werden ausschließlich passive Bauteile in den Messraum eingebaut. Dies ist vor allem dann wichtig, wenn der Messraum kontaminiert ist.
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Die TDR-Messtechnik eignet sich vor allem für Behälter, die nicht direkt einsehbar sind. Die TDR-Messtechnik nutzt den Effekt, dass ein in einem Antennensystem geführter elektromagnetischer Impuls teilweise reflektiert wird, wenn sich die Impedanz zwischen einer zentralen Antenne und einer die Antenne koaxial umgebenden Druckhülse abrupt ändert. Eine derartige Änderung der Impedanz tritt beispielsweise ein, wenn die Antenne aus einer gasförmigen Umgebung in eine Flüssigkeit eintaucht.
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Wichtig für die Messung innerhalb druckbeaufschlagter kerntechnischer Druckbehälter ist die radarsignalgeeignete und druckdichte Durchführung durch die drucktragende Umschließung. Es wird als vorteilhaft angesehen, die Antennenleitung als Koaxialleitung auszugestalten mit einer Impedanz von 50 Ω. Durch einen Wechsel von Materialkombinationen sollen die Einzelimpedanzen möglichst gleich gehalten werden, damit die Signalreflexion an den Übergangsbereichen möglichst gering ausfällt.
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Eine derartige nach dem TDR-Messprinzip arbeitende Durchführung ist beispielsweise aus der
DE-A-102 20 478 bekannt. Dort ist die Anwendung des TDR-Messprinzips für eine Leiterdurchführung am Druckbehälter eines nuklearen Reaktors mit zahlreichen Details beschrieben. Auf diese ebenfalls auf die hiesige Anmelderin zurückgehende Offenbarung wird im Zusammenhang mit der vorliegenden Anmeldung ausdrücklich in vollem Umfang Bezug genommen.
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Bei dieser bekannten Koaxialdurchführung dient der Außenleiter der Durchführung zugleich als Gehäuseteil für die Durchführung. Im Außenleiter wird ein Innenleiter mithilfe eines Flanschelements räumlich fixiert. Mit mehreren Keramikringen ist der Innenleiter gegenüber dem Flanschelement isoliert. Auch werden weitere Maßnahmen ergriffen, um die aus dem Innenraum des Behälters übermittelten elektrischen Impulse in möglichst geringen Umfang an der Durchführung selbst zu reflektieren.
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Isolierung des Innenleiters zu verbessern und eine durchgängige Impedanz von 50 Ω konstruktiv zu gewährleisten.
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Diese Aufgabe ist durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst. Die rückbezogenen Ansprüche beinhalten teilweise vorteilhafte und teilweise für sich selbst erfinderische Weiterbildungen dieser Erfindung.
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Bei der Erfindung ist eine als Außenleiter wirksame metallische Druckhülse mit einer Durchgangsöffnung vorgesehen. In der Durchgangsöffnung der Druckhülse sind mit Längsabstand zueinander zwei Dichtelemente angeordnet. Diese Dichtelemente werden von gesinterten Keramik-Metall-Verbundkörpern gebildet. In die Verbundkörper ist jeweils ein Antennenstab eingebettet. Dieser Antennenstab durchsetzt den Verbundkörper in Längsrichtung. Die aus den beiden Verbundkörpern einander zugewandten herausragenden Antennenstäbe sind ihrerseits mithilfe einer Zwischenantenne miteinander verbunden. Der Innenleiter besteht also mindestens aus zwei jeweils in einem Verbundkörper eingebetteten Antennenstäben und einer die Antennenstäbe miteinander verbindenden Zwischenantenne.
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Vorteilhaft an dieser Ausgestaltung ist gegenüber dem Stand der Technik die Verdoppelung der Dichtebenen durch die Verwendung zweier Dichtelemente. Da die Dichtelemente als Verbundkörper ausgestaltet sind, können sie mit hoher Genauigkeit industriell vorgefertigt werden und müssen zu ihrer Inbetriebnahme nur noch in der Durchgangsöffnung der metallischen Druckhülse installiert werden.
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Vorteilhaft besteht der Verbundkörper aus einer Al2O3-Keramik. Diese Keramik weist als Sintermetall keine offene Porosität auf. Besonders hervorzuheben ist die chemische Stabilität dieser Keramik gegenüber Borsäure.
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Alternativ kann der Verbundkörper aus einer SiO2-Keramik oder einer Si3N4-Keramik bestehen.
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Die Lagerung der Verbundkörper in der Durchgangsöffnung ist konstruktiv einfach. In die Durchgangsöffnung ragen an den Einbaupositionen für die Dichtelemente Gehäusevorsprünge in die Durchgangsöffnung hinein, an welchen sich die Dichtungselemente abstützen. An den den Gehäusevorsprüngen in Längsrichtung gegenüberliegenden Seiten sind Spannmuttern vorgesehen, welche die Verbundkörper zwischen sich und den Gehäusevorsprüngen gleichsam einspannen.
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Da die elektrische Durchführung und damit auch die Druckhülse zylinderförmig sind, ist auch die Durchgangsöffnung entsprechend hohlzylindrisch ausgestaltet. Die vorerwähnten Gehäusevorsprünge werden einfach dadurch realisiert, dass der Innendurchmesser der Durchgangsöffnung im Bereich eines Gehäusevorsprungs reduziert wird. Der Gehäusevorsprung wird dann von einem ringförmigen umlaufenden Absatz in der Durchgangsöffnung gebildet. Bei der Erfindung sind in Längsrichtung voneinander beabstandet zwei derartige Absätze in der Durchgangsöffnung vorhanden.
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In vorteilhafter Ausgestaltung sind sogenannte Helicoflexdichtungen an den Verbundkörpern vorgesehen. Diese Helicoflexdichtungen weisen einen C-förmigen Ring mit einer innenliegenden, zum Verbundkörper weisenden Feder auf. Die Außenflächen weisen eine Deckschicht auf, die entweder mit Aluminium oder mit Gold oder Silber ummantelt ist. Die so gebildeten Helicoflexdichtungen benötigen nur sehr geringe Presskräfte. Die C-förmigen Ringdichtungen mit der innenliegenden Feder sind in speziellen Nuten an den Verbundkörpern eingebaut und in diesen Nuten verspannt. Auf diese Weise müssen die Spannmuttern nur vergleichsweise geringe Vorspannkräfte zur Herstellung der vollständigen Vorsprannkraft aufbringen. Insbesondere sind die Spannmuttern und die Verbundkörper mit ihren bevorzugten Dichtungen so aufeinander abgestimmt, dass beim Anziehen der Spannmuttern die Verbundkörper gegenüber der Druckhülse bzw. der Ringdichtung in ihrer Position nicht verdreht werden. Vielmehr wird beim Einbau der C-Ring-Dichtung der notwendige Pressdruck über einen Hydraulikstempel aufgebracht, so dass die Spannmutter mit einem vergleichsweise geringen Anzugsmoment ihre Funktion erfüllt.
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Um den Zwischenraum zwischen den Verbundkörpern hinsichtlich seiner Reflexionseigenschaft in dem angestrebten Impedanzbereich von 50 Ω halten zu können, ist eine Distanzhülse vorgesehen. Die Distanzhülse füllt den Zwischenraum zwischen den beiden Verbundkörpern bzw. zwischen dem einen Verbundkörper und der dem anderen Verbundköper zugeordneten Spannmutter aus. Die Distanzhülse ummantelt dabei die Zwischenantennen. Die Distanzhülse ist als reflexionsmindernder Zwischenkörper wirksam und dient der geometrischen Anpassung des Zwischenraumes an die gewünschte Reflexion bzw. den gewünschten Impedanzwert von 50 Ω. Die Distanzhülse ist dabei so ausgelegt, dass sie auch bei Wärmedehnung keine Kräfte auf ihre benachbarten Teile ausübt. Zweckmäßig besteht die Distanzhülse aus dem gleichem Material wie der äußere Druckkörper.
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Die Zwischenantenne und die Antennenstäbe bilden einen die gesamte Durchgangsöffnung durchsetzenden Antennenstrang. Vorteilhaft zur Montage des Antennenstrangs ist es, die Enden der Antennenstäbe und der Zwischenantenne nach Art einer Steckverbindung so aufeinander abzustimmen, dass jeweils ein als Stift ausgestaltetes Ende in ein als Buchse ausgestaltetes Ende einfach eingeschoben werden kann.
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Anhand eines Ausführungsbeispiels ist die Erfindung mit weiteren Einzelheiten beschrieben.
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Die Zeichnungsfigur zeigt die sich in Längsrichtung 1 erstreckende Druckhülse 2 der elektrischen Durchführung sowie ein sich in Längsrichtung 1 an die Druckhülse 2 anschließendes koaxiales Schutzrohr 3. Aus dem koaxialen Schutzrohr 3 steht das Festende 4 einer im Druckbehälter angeordneten als Innenleiter wirksamen Messantenne hinaus. Das Festende 4 der Messantenne ist mit dem aus dem in Längsrichtung 1 gesehen unteren Verbundkörper 5 hinausstehenden unteren Antennenstab 6 verbunden. Hierfür ist das untere Ende des unteren Antennenstabs 6 einfach in eine Hohlöffnung am Festende 4 eingeschoben. Der untere Verbundkörper 5 ruht mit seiner C-Ring-Dichtung 7 auf den Gehäusevorsprung 8. Der Gehäusevorsprung 8 ist dadurch geschaffen, dass der Innendurchmesser der die Druckhülse 2 in Längsrichtung 1 durchsetzenden Durchgangsöffnung 9 verkleinert worden ist. Die Oberkante des im Durchmesser verkleinerten Bereichs bildet so den Gehäusevorsprung 8. Ebenso wie der Gehäusevorsprung 8 ist die C-Ring-Dichtung 7 umlaufend ausgestaltet und bildet so eine Ringdichtung. Die C-Ring-Dichtung 7 ist ihrerseits vorgespannt in den unteren Verbundkörper 5 eingebaut. Der Verbundkörper 5 und die C-Ring-Dichtung 7 bilden so einen monolithischen Block, der mithilfe einer Spannmutter 10 in der Durchgangsöffnung 9 gesichert einliegt. Die Spannmutter 10 weist einen hohlzylindrischen Gewindekörper auf, welcher in ein in die Durchgangsöffnung 9 eingeschnittenes Körpergewinde 11 eingeschraubt ist. Der zylindrische Gewindekörper der Spannmutter 10 bildet zugleich die Durchführung für eine erste Zwischenantenne 12.
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Die erste Zwischenantenne 12 ist an ihrer dem unteren Verbundkörper 5 zugewandten Seite mit dem in den unteren Verbundkörper 5 inkorporierten unteren Antennenstab 6 verbunden. Diese Verbindung ist als Steckverbindung ausgestaltet. Auf die erste Zwischenantenne 12 ist eine zweite Zwischenantenne 13 mittels einer Schiebeverbindung aufgesteckt. Die zweite Zwischenantenne 13 ist von einer Distanzhülse 14 umgeben. Diese Distanzhülle 14 überbrückt den Zwischenraum zwischen dem oberen Rand der Spannmutter 10 und dem unteren Rand des in Längsrichtung 1 gesehen oberen Verbundkörpers 15.
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Der obere Verbundkörper 15 entspricht in seinem Aufbau demjenigen des unteren Verbundkörpers 5. Der obere Verbundkörper 15 weist wiederum einen integrierten auf beiden Seiten in Längsrichtung 1 überstehenden oberen Antennenstab 16 auf. Der obere Antennenstab 16 ist über einen Schiebesitz mit der zweiten Zwischenantenne 13 verbunden. Der in Längsrichtung 1 aus dem oberen Verbundkörper 15 nach oben abragende Bereich des oberen Antennenstabs 16 bildet einen Leitungsanschluss 17 für eine externe Koaxialleitung oder einen Koaxialstecker einer speziell hierfür angepassten Steckverbindung. Wiederum ruht der obere Verbundkörper 15 mit seiner C-Ring-Dichtung 18 auf einem Gehäusevorsprung 19. Von oben her ist der obere Verbundkörper 15 mittels einer Spannmutter 20 in der Druckhülse 2 gehalten. Der Gewindekragen 21 der Spannmutter 20 bildet zunächst die Durchführung für eine Koaxialleitung, welche an den Leitungsanschluss 17 angeschlossen ist. Nachdem Anschließen der Koaxialleitung am Leitungsanschluss 17 wird der Innenraum des Gewindekragens 21 mit Kunstharz ausgegossen und damit abgedichtet.
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Aus der Darstellung der Zeichnungsfigur ist überdies ersichtlich, dass sich der Durchmesser der Durchgangsöffnung 9 in Längsrichtung 1 zur Bildung der beiden Gehäusevorsprünge 8, 19 von den Oberseite her stufenartig verkleinert, jedenfalls bis zu dem unteren Gehäusevorsprung 8 hin. Auch ist erkennbar, dass die Einzelelemente, nämlich die beiden Verbundkörper 5, 15, die Spannmuttern 10, 20 und die Distanzhülse 14 von oben her nacheinander eingeschoben bzw. eingeschraubt werden können und passgenau in der Durchgangsöffnung 9 der Druckhülse 2 einliegen.
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Geometrisch und werkstofftechnisch sind die Einzelelemente und die Durchgangsöffnung so aufeinander abgestimmt, dass durchgehend eine Impedanz von 50 Ω an der von den Antennenstäben 6, 16 und den Zwischenantennen 12, 13 sowie dem Festende 4 gebildeten Messantenne im Reaktor anliegt.
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Die Verbundkörper 5, 15 bestehen im Ausführungsbeispiel aus einer Al2O3-Keramik.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Längsrichtung
- 2
- Druckhülse
- 3
- Schutzrohr
- 4
- Festende
- 5
- Unterer Verbundkörper
- 6
- Unterer Antennenstab
- 7
- C-Ring-Dichtung
- 8
- Gehäusevorsprung
- 9
- Durchgangsöffnung
- 10
- Spannmutter
- 11
- Körpergewinde
- 12
- Erste Zwischenantenne
- 13
- Zweite Zwischenantenne
- 14
- Distanzhülse
- 15
- Oberer Verbundkörper
- 16
- Oberer Antennenstab
- 17
- Leitungsanschluss
- 18
- C-Ring-Dichtung
- 19
- Gehäusevorsprung
- 20
- Spannmutter
- 21
- Gewindekragen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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