DE19742133A1 - Großvolumige Vakuumkammer mit metallener Kammerwand und Versteifungsmitteln - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine großvolumige Vakuumkammer mit einer den Vakuumraum umschließenden, vakuumdichten Kam­ merwand aus Metall und die Kammerwand versteifenden Verstei­ fungsmitteln. Eine entsprechende Vakuumkammer ist z. B. in der Veröffentlichung "IEEE Trans. on Magn.", Vol. MAG-11, no. 2, März 1975, Seiten 482 bis 488, beschrieben.

Entsprechende Vakuumkammern werden beispielsweise für induk­ tive supraleitende Speichereinrichtungen benötigt. Der Vor­ teil solcher Speichereinrichtungen ist darin zu sehen, daß mit ihnen Energien in Größenordnungen von 10¹² J oder höher in einem verhältnismäßig kleinen Raum zu speichern sind, wo­ bei Energiedichten von etwa 10 J/cm³ bei magnetischen Fluß­ dichten von bis zu 5 T erreicht werden. Derartige hohe Fluß­ dichten können in Magnetwicklungen wirtschaftlich nur mit Hilfe von sogenannten technischen Typ II-Supraleitern reali­ siert werden. Entsprechende Speichereinrichtungen enthalten im allgemeinen eine Anzahl koaxialer, solenoidförmiger Magne­ te aus diesen Leitern, in die während Niederlastzeiten von vielen Stunden die elektrische Energie über Wechselrichter aus einem angeschlossenen Netz eingespeist wird. In Spitzen­ lastzeiten kann dann die benötigte Energie in Minuten oder Stunden in das Netz wieder abgegeben werden.

Die supraleitenden Wicklungen solcher Speichereinrichtungen müssen aus Gründen einer guten thermischen Isolation im Vaku­ um einer Vakuumkammer angeordnet werden, die den Abmessungen der Wicklung entsprechend großvolumig sein muß. Bei solchen großvolumigen Vakuumkammern erhält man infolge des atmosphä­ rischen Druckes sehr große Wandlasten. Problematisch sind in diesem Zusammenhang insbesondere große ebene Wandpartien. Hier führt die geforderte Steifigkeit zu besonders hohem Ma­ terialverbrauch in Form von erhöhten Blechdicken oder zu teu­ ren Maßnahmen wie Versteifungssicken, dem Aufschweißen von Versteifungsprofilen oder einer Sandwich-Bauweise. Darüber hinaus können Einbauten in die Vakuumkammer wie z. B. die er­ wähnten supraleitenden Magnetwicklungen zu zusätzlichen Ver­ stärkungsmaßnahmen an den Kammerwänden zwingen. Da insbeson­ dere vakuumtechnische Qualitätsansprüche in der Regel die Verwendung von hochlegiertem rostfreien Stahl erfordern, sind die Materialkosten solcher großvolumiger Vakuumkammern ent­ sprechend hoch.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die groß­ volumige Vakuumkammer mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend auszugestalten, daß sie sich kostengünstiger er­ stellen läßt. Dabei soll eine verhältnismäßig einfache Monta­ ge der Vakuumkammer ermöglicht sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kammerwand die Vakuumdichtheit gewährleistende Bleche gerin­ ger Dicke aufweist, die auf ihrer dem Vakuumraum abgewandten Außenseite mittels eines Angusses aus Betonmaterial versteift sind. Unter einem Betonmaterial wird dabei ein zementhalti­ ges, aushärtbares Material verstanden, das sich vor der Aus­ härtung von außen auf bzw. an die Kammerwand auf- bzw. anbringen läßt.

Bei den erfindungsgemäßen Maßnahmen wird von der Überlegung ausgegangen, die grundsätzlichen Forderungen bezüglich Vaku­ umdichtheit und Steifigkeit eines großvolumigen Vakuumbehäl­ ters weitgehend zu trennen. Dabei wird die Vakuumdichtheit in erster Linie von Dünnblechen übernommen, auf denen gegebenen­ falls außen noch zusätzliche, ankerähnliche Versteifungsele­ mente in vorbestimmten Abständen kraft schlüssig angeordnet werden können. Mit einem anschließenden Beton-An- oder Umguß werden die vorteilhaft dünn zu haltenden Blechwände zu einem hinreichend steifen Verbund ausgebildet. Ein entsprechender Verbund ist preisgünstig zu erstellen.

Eine entsprechende großvolumige Vakuumkammer kann vorzugswei­ se zur Aufnahme von supraleitenden Einrichtungen wie Magnet­ spulen oder Kabeln vorgesehen werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vakuumkammer gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung noch wei­ ter erläutert, in deren einziger Figur eine Vakuumkammer nach der Erfindung schematisch veranschaulicht ist.

Die in der Figur allgemein mit 2 bezeichnete Vakuumkammer um­ schließt einen Vakuumraum 3, der großvolumig sein soll; d. h., dessen Volumen soll mehrere Kubikmeter, vorzugsweise minde­ stens 10 m³, insbesondere mindestens 100 m³, betragen, wobei die Querschnittsfläche der Kammer eine zweidimensional ausge­ prägte Ausdehnung von beispielsweise über einem Meter in jede Richtung aufweist. In dem Vakuumraum 3 befindet sich vorzugs­ weise eine supraleitende Einrichtung, die zu kühlende und thermisch zu isolierende Teile aus Supraleitermaterial ent­ hält. Als Supraleitermaterial kann sowohl ein sogenanntes klassisches Supraleitermaterial wie z. B. NbTi oder Nb₃Sn oder auch ein oxidisches Hoch-T_c-Supraleitermaterial wie z. B. auf Basis von (Bi,Pb)₂Sr₂Ca₂Cu₃Q_10+x vorgesehen sein. Beispielswei­ se weist die supraleitende Einrichtung mehrere Magnetspulen bzw. -wicklungen auf, mit denen ein supraleitender magneti­ scher Energiespeicher aufgebaut sein kann. Gemäß einer be­ kannten Konzeption eines entsprechenden Energiespeichers (vgl. z. B. EP 0 348 465 A) sind eine Vielzahl von einzelnen, modularen supraleitenden Einzelmagnetspulen 5 zu einem quasi geschlossenen magnetischen Speicherring zusammengesetzt. Ein solcher Speicherring erfordert einen torusförmigen Vakuumraum 3. Dieser Vakuumraum hat gemäß dem dargestellten Ausführungs­ beispiel einen rechteckigen, insbesondere etwa quadratischen Querschnitt. Es sind jedoch auch andere Querschnittsformen möglich.

Der Vakuumraum 3 wird von mindestens einer einen dünnwandigen Vakuumbehälter 4 bildenden Kammerwand umschlossen. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind vier plattenförmige Kammerwände vorgesehen, eine Bodenwand 4a, zwei Seitenwände 4b und 4c sowie eine Deckelwand 4d. Diese Wände sollen mit Blechen aus einem metallenen Material erstellt werden, für das insbesondere im Falle von supraleitenden Einrichtungen wie den Magnetspulen 5 ein nichtmagnetischer Edelstahl ge­ wählt wird. Die Dicke d dieser Bleche kann im allgemeinen vorteilhaft unter 3 cm, vorzugsweise unter 1,5 cm, liegen. Sie hängt von der Größe des Vakuumraums 3 ab. Sie kann bei kleineren Volumina und/oder geringeren Vakua auch darunter liegen. Beispielsweise sind die Kammerwände mit 1 cm dicken V₂A-Blechen gebildet, die untereinander vakuumdicht zu dem Vakuumbehälter 4 verschweißt sind.

Ein mit solchen dünnen Blechen aufgebauter Vakuumbehälter 4 würde jedoch bei einer Evakuierung auf ein Vakuum von bei­ spielsweise unter 1 Torr (133,3 Pa), insbesondere auf ein Ul­ trahochvakuum von unter 10^-6 Torr (1,33.10^-4 Pa) unter Einwir­ kung des atmosphärischen Außendruckes keine Formstabilität besitzen. Erfindungsgemäß ist deshalb vorgesehen, daß dem aus den Blechen der Kammerwände 4a bis 4d gebildeten Vakuumbehäl­ ter 4 im wesentlichen nur die Funktion der Vakuumdichtheit zukommt, während die Steifigkeit der Kammer in erster Linie mittels einer besonderen Beton-Ummantelung erreicht wird. Un­ ter dem Begriff "Beton" sei dabei ein beliebiges zementhalti­ ges, aushärtbares Material verstanden, das zur Armierung der Kammerwände nachträglich von außen an diese angießbar oder anbringbar ist. Um eine gute kraftschlüssige Verbindung zwi­ schen den Kammerwänden und der in der Figur allgemein mit 6 bezeichneten Beton-Ummantelung zu gewährleisten, werden vor­ teilhaft auf den Außenseiten der einzelnen Kammerwände in vorbestimmten Abständen a besondere Verankerungselemente 7i angebracht, beispielsweise angeschweißt. Diese Elemente kön­ nen aber auch von vornherein mit den Blechen der Kammerwände jeweils ein gemeinsames Formstück bilden. Den Verankerungse­ lementen 7i kommt neben einer Versteifung der dünnen Kammer­ wände hauptsächlich die Funktion zu, daß bei einem anschlie­ ßenden An- und Verguß des Vakuumgefäßes von außen her mit dem Betonmaterial eine gute kraftschlüssige Verbindung zwischen der Beton-Ummantelung 6 und den Kammerwänden erreicht wird. Die Verankerungselemente 7i können deshalb vorteilhaft als sogenannte I-Profile aus dem Material der Kammerwände ausge­ bildet und mit diesen verschweißt sein.

Gemäß einem konkreten Ausführungsbeispiel einer entsprechen­ den erfindungsgemäßen Vakuumkammer 2 eines supraleitenden ma­ gnetischen Energiespeichers (SMES) wird dessen ringförmige Vakuumkammer im Erdreich unterhalb einer Fußbodenunterkante 8 angeordnet. Ihr Vakuumraum 3 hat einen quadratischen Quer­ schnitt mit einer Quadratseitenlänge 1 von jeweils 6 m und einem Torusradius R+1/2 von 12 m, wobei R der Innenradius des Vakuumbehälters 4 von 9 m Länge ist. Der Aufbau der Vakuum­ kammer sowie die Montage der einzelnen supraleitenden Magnet­ spulen oder -wicklungen 5 im Vakuumraum 3 der Kammer kann vorteilhaft vor Ort geschehen. Eine entsprechende In-situ- Montagetechnik erfordert deshalb einen verhältnismäßig gerin­ gen Aufwand. Die vorzugsweise vorgefertigten Magnetspulen werden über eine besondere, abdichtbare Montageöffnung 9 bei­ spielsweise in der oberen Deckelwand 4d der Vakuumkammer in deren Innenraum eingeführt. In der Figur sind die erforderli­ chen Halterungs- und Abstützungselemente zur Fixierung der einzelnen Magnetspulen innerhalb der Kammer bis auf ein ange­ deutetes Aufhängeelement 10 nicht ausgeführt, da diese Teile allgemein bekannt sind. Über diese Elemente wird ein Kraft­ schluß zwischen den Magnetspulen und zumindest einigen der Kammerwände geschaffen. In der Figur soll ferner eine Superi­ solation um die supraleitende Wicklung der Magnetspule mit­ tels einer strichpunktierten Linie 11 angedeutet sein.

Gemäß den vorstehenden Erläuterungen wurde davon ausgegangen, daß innerhalb des Vakuumraums als supraleitende Einrichtung mindestens eine Magnetspule angeordnet wird. Es können jedoch ebensogut auch andere Einrichtungen wie supraleitende oder normal leitende, insbesondere tiefzukühlende Kabel in entspre­ chenden Vakuumkammern angeordnet werden, sofern sie einen großvolumigen Vakuumraum erfordern.

Claims (10)

1. Großvolumige Vakuumkammer mit einer den Vakuumraum um­ schließenden, vakuumdichten Kammerwand aus Metall und die Kammerwand versteifenden Versteifungsmitteln, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammerwand (4a bis 4d) die Vakuumdichtheit gewährleistende Bleche geringer Dicke (d) aufweist, die auf ihrer dem Vakuumraum (3) abgewandten Außenseite mittels eines Angusses (6) aus Betonmaterial ver­ steift sind.

2. Vakuumkammer nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Vakuumraum (3) ein Volu­ men von mindestens 10 m³ hat.

3. Vakuumkammer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Vakuumraum (3) ein Ultrahochvakuum ausgebildet ist.

4. Vakuumkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Bleche der Kammerwand (4a bis 4d) zumindest teilweise eben gestaltet sind.

5. Vakuumkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Bleche eine Dicke (d) von höchstens 3 cm, vorzugsweise höchstens 1,5 cm, haben.

6. Vakuumkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Bleche aus einem Stahl bestehen.

7. Vakuumkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Bleche zusätzliche Verankerungselemente (7i) aufweisen.

8. Vakuumkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß der Vakuum­ raum (3) zur Aufnahme einer supraleitenden Einrichtung vorge­ sehen ist.

9. Vakuumkammer nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die supraleitende Einrichtung mindestens eine supraleitende Magnetspule (5) aufweist.

10. Vakuumkammer nach Anspruch 9, gekennzeich­ net durch eine torusförmige Ausbildung des Vakuumraums (3) zur Aufnahme mehrerer supraleitender Magnetspulen (5) ei­ nes Energiespeichers.