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Vorrichtung zur Herstellung einer lösbaren elektrischen Verbindung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung, die zur Herstellung einer lösbaren
elektrischen Verbindung zwischen einer ringförmigen, mit der Wandung eines Reaktorkanals
bündig abschließenden Kontaktfläche und einer in den Reaktorkanal einschiebbaren
Kontakthülse dient. Die Kontakthülse hat eine gegen den Kanaldurchmesser kleine
Wandstärke und besteht aus einem mindestens einen entgegen einer Federkraft an die
Kontaktfläche andrückbaren Stromabnehmer tragenden äußeren Teil und einem dazu koaxialen
und in festen Grenzen axial dagegen verschieblichen inneren Teil.
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Ein wichtiges Anwendungsgebiet für diese Vorrichtung ist die übertragung
einer Potentialdifferenz von der letzten Brennstoffkartusche im Kanal zu einem außerhalb
des Kanals gelegenen Meßgerät. Diese Potentialdifferenz kann z. B. einen Meßwert
wiedergeben, der von einem bestimmten Punkt des im Kanal aufgeschichteten Kartuschenstapels
herrührt, wie z. B. die mittels eines Thennoelementes gemessene Temperatur eines
Brennstoffelementes.
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In der folgenden Beschreibung dient der Ausdruck »Kartusche« zur Bezeichnung
einer Anordnung, welche aus einem oder mehreren Brennstoff- oder Brutstoffelementen
zusammengesetzt ist, von denen jedes aus spaltbarem oder brütbarem Material besteht,
das mit einem Mantel versehen ist, sowie aus den gegebenenfalls daran befestigten
Teilen. Die in feststoffmoderierten, gasgekühlten Reaktoren gebräuchlichen Brennstoffkartuschen
enthalten häufig ein Brennstoffelement in Form einer ummantelten Stange aus Spaltstoff,
sowie eine Hülse aus moderierendem Material, welche die Kanalwand berührt und das
Element trägt.
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Bei einer bekannten Vorrichtung wird der Kontakt zwischen den beweglichen
Stromabnehmern und der festen Kontaktfläche dadurch hergestellt, daß ein Kontaktstift
in einer Nut eines Kolbens geführt ist, der seinerseits zwischen zwei Federn gelagert
ist. Be-§timtnungsgemäß erfährt der Kontaktstift während des Einsetzens eines Brennstoffelementes
in den Reaktorkanal eine kombinierte Verschiebung längs der Achse und quer dazu
längs eines Radius des Reaktorkanals. Dementsprechend kommt es zu einem Entlanggleiten
und Schaben der Spitze des Kontaktstiftes an der Kontaktfläche. Dies bedeutet zwar
einerseits eine gewisse Selbstreinigung der Kontakte, führt aber andererseits zu
einem Abschleifen und Verkratzen der Berührungsstellen. Außerdem verlangt eine solche
Führung des Kontaktstiftes eine recht beträchtliche Ausdehung der Kontaktfläche
in Richtung der Kanalachse, um Gewähr dafür zu bieten, daß der Kontaktstift die
Kanalwand nicht außerhalb der Kontaktflächen berührt und seine Leitfunktion dann
nicht erfüllen kann.
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Diese Maßnahme ist bei der bekannten Vorrichtung um so notwendiger,
als die vertikale Lage des Kontaktstiftes innerhalb weiter Grenzen veränderlich
ist. Sie hängt nämlich nicht nur von der Stellung des Kolbens und damit der Lage
der Brennstoffelemente zueinander ab, sondern auch von dem Verhältnis der elastischen
Rückstellkräfte der Federn zueinander. Je nach dem Größenverhältnis dieser Kräfte
wird nämlich der Kolben, dessen Schlitzführung die Bewegung des Kontaktstiftes regelt,
mehr oder weniger weit in der Bohrung in der Wandung des Brennstoffelements nach
oben gedrückt. Unter diesen Umständen kann es bei hinreichendem überwiegen der Federkraft
der unteren Federn sogar dazu kommen, daß der Kontaktstift überhaupt nicht zur Anlage
an der Kontaktfläche kommt.
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Eine weitere Beeinträchtigung der Funktionssicherheit der bekannten
Vorrichtung liegt auch darin, daß sie eine Vielzahl bewegter Teile aufweist, die
sich überdies noch in relativ engen Passungen verschieben müssen. Unter diesen Bedingungen
besteht naturgemäß eine erhebliche Gefahr, daß eines oder mehrere dieser Teile sich
verklemmen und festfressen. Dies ist um so eher zu befürchten, als die Vorrichtung
im Reaktorinneren erheblichen Temperaturschwankungen unterworfen ist, die zu unterschiedlicher
Ausdehnung der Bauteile führen können.
Ziel der Erfindung war daher
die Schaffung einer Vorrichtung, die bei möglichst einfachem Aufbau unbedingt funktionssicher
arbeitet, keinem nennenswerten Verschleiß im Betrieb ausgesetzt ist und dem im Reaktorkanal
strömenden Medium nur einen geringen Widerstand entgegenstellt.
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Diese Auf-abe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Stromabnehmer
in Ausnehmungen des äußeren Hülsenteiles schwenkbare Winkelhebel sind, die in der
oberen gegenseitigen Grenzlage der Hülsenteile, in der der äußere Hülsenteil am
inneren hängt, federnd innerhalb der Wandung des äußeren Hülsenteiles gehalten,
in der unteren gegenseitigen Grenzlage der Hülsenteile aber, in der der äußere Hülsenteil
auf einem kanalfesten Bauteil aufsitzt und den inneren Hülsenteil trägt, von Leitvorrichtungen
an dem inneren Hülsenteil mit ihren Enden gegen die feste Kontaktfläche gedrückt
sind.
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Bei dieser Vorrichtung gibt es also nur ein einziges Bauelement, dessen
Bewegung die Herstellung bzw. Lösung des Kontaktes bewirkt, nämlich den Stromabnehmer
selbst. überdies ist dieser so gelagert, daß sich seine Schwenkung ohne jegliche
Reibung nur gegen eine konstante Federkraft vollziehen kann. Ein Festfressen ist
also ebensowenig zu befürchten wie eine unkontrollierbare Veränderung seiner Arbeitslage.
Außerdem erfolgt das Andrücken der Enden der Stromabnehmer an die feste Kontaktfläche
erst dann, wenn der äußere Hülsenteil seine axiale Endstellung erreicht hat, da
erst dann eine Relativbewegung der Hülsenteile gegeneinander möglich wird und erst
eine solche die Leitvorrichtungen des inneren Hülsenteiles auf die Stromabnehmer
drücken läßt. Eine Schleifbewegung der Enden der Stromabnehmer gegen die Kontaktiläche
unterbleibt also mit absoluter Sicherheit, so daß auch keine unerwünschten Veränderungen
an den Oberflächen der Kontakte auftreten können.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele für eine derartige Vorrichtung
veranschaulicht. Dabei zeigt F i g. 1 einen Längsschnitt durch die Vorrichtung,
F i g. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II der Fig. 1,
F i
g. 3 einen schematischen Längsschnitt durch eine andere Ausführungsform.
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Die in den F i g. 1 und 2 dargestellte Vorrichtung ist für
einen graphitmoderierten Reaktor bestimmt, der vertikale Kanäle besitzt, welche
ummantelte Brennstoffkartuschen aufnehmen und der durch strömendes Gas, z. B. durch
Kohlendioxyd, gekühlt wird. Die Hüllen aus moderierendem Material übertragen das
Gewicht und/oder die vom strömenden Kühlmittel hervorgerufenen Gaskräfte von einer
Kartusche zur nächsten.
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F i g. 1 zeigt das obere Ende eines vertikalen Reaktorkanals
2, der in den aus Säulen zusammengesetzten Moderator 4 eingelassen ist. Der Moderator
ist mit Ballast beschwert, der aus einer Anzahl nebeneinanderliegender Klötze besteht,
wie z. B. dem konzentrisch zur Kanalachse angeordneten Klotz 6. Der dargestellte
Klotz 6 besitzt hexagonalen Querschnitt und ist mit den (nicht dargestellten)
angrenzenden Klötzen durch Paßfedern verbunden, die in Nuten 8
eingreifen,
welche in der Mittelebene ihrer Seitenflächen angebracht sind.
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Die in den Kanal 2 eingesetzte Vorrichtung besteht aus einer fest
in einer Bohrung 10 im Klotz 6 angebrachten Baugruppe als feste Kontaktfläche
und aüs einer beweglichen Baugruppe, die später beschrieben wird. Die feste Baugruppe
ist in einem Gehäuse 12 untergebracht, welches in der Bohrung 10 sitzt und
am Ende mit einem Bund 14 versehen ist. Im Gehäuse 12 befinden sich - ausgehend
vom Bund 14 - eine erste Buchse 16, ein Abstandsring 18 und
eine symmetrisch zur ersten angeordnete zweite Buchse 16'.
Diese drei Elemente
sind durch das Gehäuse, in das sie eingepaßt sind, gegenseitig zentriert. Zwischen
den Buchsen 16 und 16' und dem Abstandsring 18 sind zwei Gruppen
von isolierenden Rollen 20 und 20' angeordnet, die in Richtung der Kanalachse über
den Rand der Buchsen hervorragen. An der Innenseite der Buchsen 16 bzw.
16' sind zwei Gruppen von isolierenden Stäben 22 bzw. 22' voraesehen. Die
Stäbe der beiden Gruppen sind zwischen eine Schulter 24 bzw. 24' der zugehörigen
Buchse und ein ringförmiges Auflager 25 bzw. 25, welches sich auf
die Rollen 20 bzw. 20' abstützt, eingespannt.
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Jede Stabgruppe trägt einen als eigentliche Kontaktfläche dienenden
Schleifring 26 und 26', der aus einer leitenden Wendel besteht, welche
vorzugsweise leicht konisch geformt ist, so daß die innere Kontaktfläche die Form
eines nach unten zusanim en] aufenden Kegelstumpfes besitzt. Durch Leitungen,
welche in einem Kanal 23 durch den Ballastklotz 6 geführt werden (F i
g. 2), sind die Schleifringe 26 und 26' mit einer außerhalb
angeordneten Klemmplatte 30 verbunden.
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Die Schleifringe 26 und 26' sind voneinander und von
den Buchsen 16 und 16' isoliert; es ist möglich, die mechanischen
Beanspruchungen von den isolierenden Teilen (Stäbe 22 und 22', Rollen 20 und 20')
fernzuhalten und sie den Elementen aufzubürden, welche jene unterstützen, und die
nicht aus Isolierstoff bestehen müssen.
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Durch einen Haltering 34, welcher durch Schrauben 38 in einer
Erweiterung 36 befestigt ist, sind das Gehäuse 12, die Buchsen
16 und 16' sowie der Ab-
standsring 18 gegen einen Bund
32 angeschlagen, der in der Bohrung des Ballastklotzes angebracht ist.
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Die bewegliche Baugruppe ist eine Kontakthülse mit einem äußeren rohrförmigen
und einem inneren Teil ' die ineinander zu gleiten vermögen und die beide
mit verschiedenen Elementen versehen sind.
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Der Außendurchmesser des äußeren Teiles 40 ist etwas geringer als
die lichte Weite des Kanals, in welchen dieser eingesetzt wird * Er kann
vorzugsweise mit dem Durchmesser der Hüllen 42 übereinstimrnen, mit denen die im
Kanal angeordneten Brennstoffkartuscheu versehen sind. Die Dicke des Teils wird
vorzugsweise geringer gehalten als diejenige der Hüllen 42, damit die gesamte Wandstärke
der beweglichen Baugruppe etwa derjenigen der Hülle angeglichen werden kann.
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Am äußeren Teil 40 können elastische Zentriervorrichtungen 44 angebracht
werden, beispielsweise Zentrierstifte, die, wenn der innere Teil seine untere Grenzlage
einnimmt, durch Federkraft so weit aus dem äußeren Teil herausgestoßen werden, wie
es dem vorgesehenen Spiel entspricht. Eine Gruppe von Zentrierstiften ist am oberen
Ende von Teil 40 dargestellt, eine weitere Gruppe wird vorzugsweise am un# teren
Ende desselben Teils angeordnet.
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In die Wandung des Teils 40 sind zwei Gruppen von Aussparungen 46
und 46' eingelassen, deren Ab-
stand demjenigen der Schleifringe
26 und 26' entspricht.
Jede Gruppe umfaßt mehrere
regelmäßig über den Umfang verteilte Aussparungen. In jeder der oberen Aussparungen
46 ist ein Stromabnehmer 48 angeordnet, der auf einem Zapfen 50 gelagert
ist, so daß er sich in einer die Kanalachse enthaltenden Ebene zu bewegen vermag.
Jeder der Stromabnehmer 48 besteht aus einem Winkelhebel 49 und zwei Federblättchen
51 bzw. 51'. Jeder Stromabnehmer ist durch eine elastische Vorrichtung,
z. B. eine Blattfeder 52, vorgespannt, so daß der an ihm befestigte Kontakt
54 vom Schleifring 26 abgehoben wird. In den unteren Aussparungen 46' sind
ebenfalls Stromabnehmer 48' auf Zapfen 50' gelagert und werden durch Blattfedern
52' vom Schleifring 26' abgehoben.
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Auch der innere Teil 56 der Kontakthülse ist rohrförmig. Sein
unteres Ende ist als dünnwandiger Schaft 58 ausgebildet, der im äußeren Teil
40 gleitet, oben ist er erweitert und weist innen eine Rille 62 auf, welche
dieselben Abmessungen besitzt wie die an den Kartuschen angebrachten Rillen 64.
Dadurch ist es möglich, die Kontakthülse mit demselben Greifer zu handhaben, der
für die Kartuschen verwendet wird.
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Der innere Teil 56 ist mit öffnungen 66 und 66versehen,
deren obere Ränder als Leitvorrichtungen 68
und 68' ausgebildet sind.
Diese Leitvorrichtungen sind so angeordnet, daß sie eine Kante des entsprechenden
Stromabnehmers 48 und 48' berühren. Befindet sich der innere Teil in seiner unteren
Grenzlage, so schwenken die Leitvorrichtungen 68 und 68'
die Stromabnehmer
so weit heraus, daß die Kontakte 54 und 54' die Schleifringe berühren. Stehen hingegen
die Öffnungen 66 und 66' den Kanten der entsprechenden Stromabnehmer
gegenüber, so werden diese von den Blattfedem 52 oder 52' um ihre
Achsen gedreht und in die Wand des inneren Teils eingezogen.
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Die Teile 40 und 56 sind nur zwischen zwei Grenzen gegeneinander
verschiebbar, die eine in F i g. 1
dargestellte Grenzlage ist durch den Anschlag
der Erweiterung 60 gegen die Stimfläche des Teils 40 bestimmt, die andere
durch Anschlag von am Teil 40 befestigten Schrauben 70 gegen das untere Ende
von Schlitzen 72, die in den Teil 56 eingelassen sind.
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Befindet sich die Kontakthülse in Arbeitsstellung im Kanal, so wird
der Teil 56 durch sein Eigengewicht in der unteren Grenzlage gehalten (F
i g. 1). Die Leitvorrichtungen 68 und 68' drücken die Stromabnehmer
48 und 48' gegen die Schleifringe. Ist dagegen die Kontakthülse an einem in die
Rille 62 eingehakten Greifer aufgehängt, so nimmt der Teil 56 in bezug
auf den Teil 40 die obere Grenzlage ein, und die Stromabnehmer werden durch die
Blattfedem 52 und 52'
bis zu den Anschlagflächen 74 und 74' eingezogen.
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Im folgenden wird die Montage und die Arbeitsweise der Anordnung beschrieben:
Zuerst wird der Ballastklotz - wenn nötig - auf den Durchmesser
10 des Gehäuses 12 ausgebohrt. Dann wird das Gehäuse 12 zusammen mit der
festen Baugruppe eingesetzt und durch Anbringen des Halteringes 34 festgelegt. Der
Klotz 6 kann nun in den Ballast eingebracht (nach der Inbetriebnahme des
Reaktors kann an ihm kein weiterer Eingriff vorgenommen werden) und die Leitungen
werden an die Klemmplatte 30 angeschlossen.
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Das Einsetzen der Kontakthülse geschieht, nachdem die Kartuschen im
Kanal gestapelt sind: Die am Greifer aufgehängte Kontakthülse wird durch einen Zentriertrichter
76 in die feste Baugruppe herabgelassen. Im Verlauf dieser Absenkbewegung
werden die Stromabnehmer und die Zentrierstifte 44 eingezogen. Der äußere Teil 40
kommt auf der Hülle 42 zur Auflage, bleibt stehen, und nur noch der innere Teil
bewegt sich weiter, wobei er das Ausfahren der Zentrierstifte bewirkt. Dann stoßen
die Leitvorrichtungen 68
und 68' gegen die Stromabnehmer und schwenken
sie -zunehmend gegen die entsprechenden Schleifringe 26
und 26. Die
Leitvorrichtungen sind so ausgeführlt, daß die Stromabnehmer, wenn die Teile
56 und 40 im Anschlag sind, mit einer für einen guten Kontakt ausreichenden
Kraft gegen die Schleifringe gepreßt werden.
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Führen die Temperaturschwankungen beim Reaktorbetrieb zum Zusammenziehen
oder zum Ausdehnen des Kartuschenstapels, so gleiten die Kontakte 54 und 54' auf
den zugehörigen Schleifringen.
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Als besonderer Vorzug der Vorrichtung verdient der sehr geringe Strömungswiderstand
hervorgehoben zu werden, welcher der geringen radialen Ausdehnung der Kontakthülse
zu verdanken ist. Außerdem ist das Fehlen konstruktiver Probleme bei beliebigen
Kanaldurchmessem bemerkenswert; die Isolierung der Schleifringe geschieht mit Hilfe
von isolierenden Stäben, die einfach herzustellen sind und nicht durch Ringe, die
im Durchmesser dem Kanal entsprechen müßten; diese Stäbe werden mechanisch nur gering
beansprucht und damit vor Beschädigungen bewahrt, denn die Kräfte werden von Teilen
aufgenommen, deren Werkstoffe ausschließlich im Hinblick auf ihre mechanische Eigenschaften
bei höheren Temperaturen ausgewählt werden können: Die einzigen elektrischen Kontakte
an der Kanalwand sind die Wendel der Schleifringe, welche beispielsweise aus einer
Legierung bestehen.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel können zwei bestimmte Kontakte
hergestellt werden. Selbstverständlich können aber mit der Vorrichtung auch eine
größere Anzahl von Stromkreisen hergestellt werden. Es besteht die Möglichkeit,
entweder mehr als zwei Schleifringe und Stromabnehmergruppen in Richtung der Kanalachse
übereinanderzusetzen oder die ringförmigen Schleifringe in zwei oder mehrere Segmente
zu unterteilen, die je einem Stromkreis zugeordnet sind. In diesem Fall kann
jedem Stromabnehmer ein Schleifringsegment zugeordnet werden. (Dann ist eine Einrichtung
notwendig, welche die Winkelstellung der Kontakthülse beim Einführen in den Kanal
festlegt.) F i g. 3 zeigt eine Abwandlung, die für Kartuschen geeignet ist,
welche nicht mit Hüllen aus moderierendem Material ausgerüstet sind. Die elektrische
Verbindung zwischen der Kontakthülse und der Kartusche erfolgt dann über das eigentliche
Brennstoffelement. Die Elemente der F i g. 3, welche in F i g. 1
oder
2 schon dargestellt wurden, tragen dieselben Kennziffern, jedoch mit dem Zusatz
a.
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F i g. 3 zeigt das Oberteil eines vertikalen, in den Moderator4a
eingelassenen Kanals 2a, der sich in einer durch den Ballastklotz 6a geführten Bohrung
fortsetzt. In dieser Bohrung ist in dem durch strichpunktierte Linien umrandeten
Bereich 78 eine feste Baugruppe angebracht, die der in F i g. 1 und
2 dargestellten gleicht. Die Kontakthülse setzt sich ebenso wie die in F i
g. 1 und 2 gezeigte aus einem äußeren Teil 40 a und einem inneren Teil
56 a zusammen. Der äußere Teil trägt so viele übereinander
angeordnete Stromabnehmergruppen, als Schleifringe auf der festen Baugruppe vorhanden
sind; sie befinden sich
in dem durch strichpunktierte Linien eingerahmten
Bereich, wenn die Kontakthülse in Arbeitsstellung ist. Der innere Teil 56a kann
gegenüber dem äußeren Teil 40 a nur zwischen zwei Grenzlagen verschoben werden,
deren eine (in F i g. 3 dargestellte) durch das Anschlagen eines am Teil
56 angebrachten Bundes 60 a gegen die obere Stirnfläche von
Teil 40 a bestimmt ist, die andere durch Anschlag der Schraube
70 a gegen das untere Ende von Schlitzen 72 a.
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Die bisher beschriebenen Merkmale der in F i g. 3
dargestellten
Variante unterscheiden sich in nichts von der in F i g. 1 und 2 beschriebenen
Ausführung. Der maßgebende Unterschied betrifft die Form des äußeren Teiles 40 a.
Anstatt der Form eines Zylinders besitzt dieser Teil vielmehr die Form einer umgekehrten
Haube, die aus einem zylindrischen Mantel 80 besteht, der ähnlich aufgebaut
ist wie derjenige des Teils 40, und aus einem unteren verjüngten Teil
82, welcher mit großen Öffnungen 84 versehen ist. Am Ende des verjüngten
Teils ist eine zugleich als Auflager dienende elektrische Kontaktanordnung
86 angebracht, die mit einem gleichartigen Gegenstück 88 zusammenspielt,
welches von der obersten Kartusche getragen -wird. Dank dem Vorhandensein von großen
Öffnungen 84 bleibt der Druckverlust, welchen das gasförmige, in Pfeilrichtung durch
den Kanal strömende Kühlmittel erleidet, annehmbar, er ist allerdings höher als
der bei der Anordnung von F i g. 1 und 2 aufgetretene.