DE3640180C2

DE3640180C2 -

Info

Publication number: DE3640180C2
Application number: DE19863640180
Authority: DE
Inventors: Peter 8550 Forchheim De Massek; Guenther 8522 Herzogenaurach De Matthaeus; Herbert 8520 Erlangen De Salzburger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1986-11-25
Filing date: 1986-11-25
Publication date: 1991-01-24
Also published as: DE3640180A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine hochspannungsfeste, vakuum dichte elektrische Durchführung für kryogene Anwendungen mit einem Isolationskörper, durch den sich mehrere Leiterstücke erstrecken, und mit einem ringförmigen, metallischen Flansch. Eine derartige Durchführung geht z.B. aus der DE 25 49 061 A1 hervor. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Her stellung einer solchen Durchführung.

Mit Hochstromsupraleitern lassen sich großvolumige Magnete mit Energieinhalten im Mega-Joule-Bereich aufbauen. Bei einem für das sogenannte Large-Coil-Task (LCT)-Projekt zur Entwicklung eines Fusionsreaktors vorgesehenen Magneten handelt es sich um einen entsprechenden Großmagneten (vgl. z.B. "Kerntechnik", 1978, No. 6, Seiten 274 bis 281 oder "Nuclear Engineering and Design" Vol. 58, 1980, Seiten 191 bis 205). Bei der Her stellung derartiger supraleitender Großmagnete müssen im all gemeinen Temperatur- und Spannungsmessungen insbesondere in den Stromzuführungen durchgeführt werden können, wobei die entspre chenden Meßleitungen vom Hochdruckbereich der Supraleiter in einen evakuierten Bereich führen. Hierzu sind mehradrige Meß kabeldurchführungen erforderlich, die eine hinreichende Spannungs-und Druckfestigkeit im Temperaturbereich von 300 bis 4,2 K aufweisen und dabei geringe Helium-Leckraten von beispielsweise 1× 10^-8 mbar×1/sec gewährleisten.

Die aus der eingangs genannten DE-OS bekannte hochspannungs feste Durchführung enthält einen Dicht- und Isolationskörper aus einem Kunststoff wie z.B. Polyäthylen, durch den sich zen tral mindestens ein Leiterstück erstreckt. Dieser Isolations körper ist mit Dichtlippen versehen, die mittels einer be sonderen Preßfassung gegen einen entsprechend geformten Auf nahmekörper zu pressen sind. Dieser Aufnahmekörper kann z.B. Teil eines Flansches sein. Es hat sich jedoch gezeigt, daß mit einer derartigen Durchführung die Forderungen hinsichtlich einer geringen Helium-Leckrate praktisch nicht zu erfüllen sind. Eine Ursache hierfür ist insbesondere darin zu sehen, daß die durch den Isolationskörper hindurchführenden Leiterelemen te aufgrund erheblicher Schrumpfungsunterschiede zwischen dem Metall dieser Elemente und dem Kunststoff des Isolationskör pers praktisch nicht heliumdicht auszubilden sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die eingangs genannte Durchführung zu verbessern. Insbesondere sollen mit ihr minimale Helium-Leckraten in den genannten Druck- und Temperaturbereichen zu gewährleisten sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Kennzeichen des Hauptanspruchs angegebenen Maßnahmen gelöst.

Die mit dieser Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Durchfüh rung verbundenen Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, daß durch die gezielte Abstimmung der Schrumpfungswerte der einzel nen Teile der Durchführung eine Ausbildung von minimalen Spal ten zwischen diesen Teilen, die zu erhöhten Helium-Leckraten führen würden, von vornherein auszuschließen ist.

Eine solche Durchführung kann vorteilhaft mit den im Kennzei chen des Anspruches 9 angegebenen Verfahrensschritten herge stellt werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Durchfüh rung sowie des Verfahrens zu ihrer Herstellung gehen aus den übrigen Unteransprüchen hervor.

Zur weiteren Erläuterung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Fig. 1 ein axialer Längsschnitt durch eine erfin dungsgemäße Durchführung schematisch veranschaulicht ist.

Fig. 2 zeigt vergrößert einen Teil dieser Durchführung. In den Figuren sind gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.

Mit der in den Fig. 1 und 2 dargestellten, allgemein mit 2 bezeichneten Meßkabeldurchführung für kryogene Anwendungen sind die genannten Forderungen ohne weiteres zu erfüllen. Sie ist zu einer Achse A rotationssymmetrisch aufgebaut und weist einen zentralen Wickeldorn 3 aus einem Material mit einer geringen Schrumpfung auf. Hierfür geeignete Materialien sind insbeson dere spezielle Eisen-Nickel-Legierungen, wie sie z.B. unter dem Handelsnamen "Invar" (Firma "Imphy S.A.", Frankreich) bekannt sind. Ein derartiges Material hat nämlich im gesamten Bereich zwischen 300 K und 4,2 K einen differenziellen linearen Wärme dehnungskoeffizienten, dessen Betrag unter 1× 10^-6/°K liegt (vgl. z.B. "Nickel-Berichte", Band 25, No. 3, 1967, Seiten 37 bis 46). An den beiden Stirnseiten des Wickeldorns 3 lassen sich zwei etwa scheibenförmige Begrenzungsteile 4 und 5 be festigen, z.B. anschrauben. Diese Teile bestehen aus einem sich mit dem verwendeten aushärtbaren Kunstharz kaum verbin denden Material, z.B. aus einem speziellen Polytetrafluor äthylen wie "Teflon" (Warenzeichen der Firma "DuPont"). Diese für ein Bewickeln des Wickeldorns 3 als Wickelhilfen erfor derlichen Teile 4 und 5 werden nach dem Aufbau eines allgemein mit 7 bezeichneten Isolationskörpers wieder abgenommen. Dieser Isolationskörper soll mit Glasfaserbündeln oder -büscheln, die mit einem aushärtbaren Kunstharz wie z.B. einem speziellen Epoxidharz mit dazugehörendem Härter getränkt sind, auf dem Wickeldorn 3 naß aufgewickelt werden. Dabei können besondere Glasgewebebänder 8 (vgl. Fig. 2) mit eingewickelt werden, die dem Wickel in axialer Richtung eine größere Festigkeit ver leihen. Der Glasfaseranteil des Isolationskörpers sowie das verwendete Epoxidharz mit dem Härter sind dabei so gewählt, daß der Isolationskörper 7 bei Abkühlung von 300 K auf 4,2 K höch stens 5mal so stark in radialer Richtung schrumpft wie der Wickeldorn 3. Auf diese Weise ist ein guter Sitz des Isolations körpers auf dem Wickeldorn zu gewährleisten, ohne daß die Ge fahr einer Rißbildung besteht. Hierzu liegt im allgemeinen der Glasfaseranteil zwischen 55 und 80 Gew.-%; vorzugsweise wird ein Gewichtsanteil zwischen 60 und 70 % gewählt. Nachdem auf dem Wickeldorn 3 ein erster, innerer Wickelteil 9 mit etwa rohrförmiger Gestalt aufgebracht ist, werden mehrere dünne strei fen- oder bandförmige Leiterstücke auf dessen Außenseite ange ordnet. Diese Leiterstücke, von denen in den Figuren nur zwei mit 10 und 11 bezeichnete Leiterstücke ersichtlich sind, obwohl die Anzahl im allgemeinen wesentlich größer ist und beispiels weise 12 beträgt, sind an ihren Stirnseiten im Bereich der stirnseitigen Enden des Wickelkörpers 7 mit stiftartigen Lei terstücken 12, 13 bzw. 14, 15 verbunden. Diese stiftartigen Leiterstücke erstrecken sich durch Bohrungen in den Begren zungsteilen 4 und 5, wodurch die gegenseitige Beabstandung der Leiterstücke untereinander zu sichern ist. In der Figur ist nur eine Lage mit Leiterstücken angenommen; es können jedoch auch mehrere konzentrische Lagen mit Leiterstücken vorgesehen wer den. Nachdem so die Leiterstücke 10 und 11 auf den noch nicht ausgehärteten inneren Wickelteil 9 aufgebracht sind und ge gebenenfalls noch die dabei entstehenden Zwickel längs der Leiterstücke mit in Harz getränkten Kurzglasfasern aufgefüllt sind, wird um diesen Aufbau ein weiterer rohrförmiger Wickel teil aus kunstharzgetränkten Glasfaserbündeln in entsprechender Weise erstellt. Dieser als mittlerer Wickelteil des Isolations körpers anzusehende Wickel ist in den Figuren mit 17 bezeich net. Das so erhaltene Zwischenprodukt der Durchführung wird erst dann ausgehärtet. Hierfür ist eine hinreichend Zeit dauer zu gewähren, um ein eventuelles Nachschrumpfen des Zwi schenproduktes bzw. seines inneren und mittleren Wickelteiles 9, 17 zu ermöglichen. Das Zwischenprodukt wird daran an schließend z.B. durch Abdrehen nachgearbeitet, um so eine möglichst glatte rohrförmige Mantelfläche 18 zu erhalten, deren Durchmesser dem Innendurchmesser eines darauf aufzubringenden Flansches 20 angepaßt ist.

Der Flansch 20 enthält ein allgemein übliches, ringscheiben förmiges Flanschteil 21 mit Bohrungen 22, 23 und einer Nut 24 zur Aufnahme eines metallischen Dichtungsringes. Er soll dabei eine mit D bezeichnete Druckseite von einer Vakuumseite V trennen. Auf der radialen Innenseite des Flansches ist dieser zu einem rohrförmigen Fuß ausgebildet, der zwei gegenüber dem Flanschteil 21 axial überstehende, dünnwandige Fußteile 25 und 26 umfaßt. Der Flansch 20 besteht im allgemeinen aus einem metallischen Material wie z.B. aus einem speziellen Chrom- Nickel-Stahl. Dieses im allgemeinen durch den konkreten Anwen dungsfall vorgegebene Material mit einem vorgegebenen differ entiellen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten legt auch die Materialwahl bzw. -zusammensetzung für den Isolationskörper 7 und somit auch für den Wickeldorn 3 fest. Die Schrumpfung des Flansches 20 bei einer Abkühlung von 300 K auf 4,2 K sollte nämlich zumindest annähernd gleich der des Isolationskörpers 7 sein, wobei Dehnungsunterschiede in der Größe von ± 5% ohne Bedeutung für die Dichtigkeit sind. Für die für Flansche im allgemeinen zur Anwendung kommenden Chrom-Nickel-Stähle ist dies mit den genannten Glasfaseranteilen in dem Isolations körper 7 ohne weiteres zu realisieren.

Zum Aufbau der erfindungsgemäßen Durchführung wird der Flansch 20 nach Entfernen der stirnseitigen Begrenzungsteile 4 und 5 von dem Zwischenprodukt mit seinem Fuß über die rohrförmige Mantelfläche 18 des Isolationskörpers 7 geschoben. Um hierbei einen guten Sitz des Flansches auf dem Isolationskörper zu gewährleisten, ist die Innenfläche seines Fußes vorteilhaft nicht zylindrisch, sondern leicht konisch ausgebildet. Dabei wird vorteilhaft ein Neigungswinkel α der Innenfläche des Fußes gegenüber der Achse A von maximal 1,5°, vorzugsweise 1° vorgesehen. Nachdem der Flansch so auf der Mantelfläche 18 mittels eines aushärtbaren Klebers befestigt ist und die Be grenzungsteile 4 und 5 wieder angebracht sind, erfolgt eine Überwicklung der überstehenden Fußteile 25 und 26 mit harzge tränkten Glasfasersträngen, wobei ebenfalls Glasgewebebänder 8 mit eingelegt sein können. Die so entstandenen, die Fußteile 25 und 26 des Flansches 20 dicht umschließenden äußeren Wickel teile sind in der Figur mit 28a und 28b bezeichnet.

Wie aus der Vergrößerung der Fig. 2 deutlich hervorgeht, sind alle Metalloberflächen zu den glasfaserverstärkten Kunststoff teilen hin mit etwa 0,1 mm bis 0,3 mm tiefen Rillen 30, 31 ver sehen, um so das Anhaften der Teile untereinander noch weiter zu verbessern. Bei dem Wickelvorgang quetschen sich nämlich die Glasfaserstränge in diese Rillen hinein. Gegenseitige axiale Verschiebungen der Teile, die zu Rissen führen können, sind somit von vornherein auszuschließen.

Mit einem konkreten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Durchführung ließen sich folgende Forderungen ohne weiteres er füllen:

a) 12-polig,
b) 14 kV = gegen Masse im gesamten Druckbereich von 10^-5 bis 50 mbar,
c) 1 kV zwischen den einzelnen Leiterstücken,
d) Druckfestigkeit 25 bar He,
e) Leckrate l × 10^-8 mbar × l/s,
f) Temperaturbereich 300 bis 4,2 K.

Claims

1. Hochspannungsfeste, vakuumdichte elektrische Durchführung für kryogene Anwendungen mit einem Isolationskörper, durch den sich mehrere Leiterstücke hindurch erstrecken, und mit einem ringförmigen, metallischen Flansch, dadurch ge kennzeichnet, daß

- der Flansch (20) an seiner Innenseite zu einem dünnen, rohr förmigen Fuß mit axial beidseitig überstehenden Fußteilen (25, 26) ausgebildet ist,
- der Isolationskörper (7) ein Wickelkörper aus einem aushärt baren, glasfaserverstärkten Kunststoff um einen zentralen Wickeldorn (3) ist,
- in den Isolationskörper (7) die zumindest teilweise band- oder folienförmigen Leiterstücke (10, 11) sowie die über stehenden Fußteile (25, 26) des Flansches (20) mit einge wickelt sind,
- der Glasfaseranteil des Isolationskörpers (7) so gewählt ist, daß bei Abkühlung auf kryogene Temperatur die Schrumpfung des Isolationskörpers (7) der des Flansches (20) zumindest weit gehend entspricht und
- der Wickeldorn (3) aus einem solchen Material besteht, daß seine Schrumpfung höchstens 5 mal kleiner als die des Isola tionskörpers (7) ist.

2. Durchführung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß der Glasfaseranteil des Isola tionskörpers (7) zwischen 55 und 80 Gew.-%, vorzugsweise zwi schen 60 und 70 Gew.-% liegt.

3. Durchführung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß der Wickeldorn (3) aus einer minimal schrumpfenden Eisen-Nickel-Legierung besteht.

4. Durchführung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, daß der Flansch (20) aus einem Chrom-Nickel-Stahl besteht.

5. Durchführung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, daß der rohrförmige Fuß des Flansches (20) eine schwach konusförmige Innenfläche aufweist, deren Neigungswinkel (α) gegenüber einer Achse (A) des Wickelkörpers (7) höchstens 1,5°, vorzugsweise höchstens 1° beträgt.

6. Durchführung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da durch gekennzeichnet, daß der Wickeldorn (3) und/oder der Fuß des Flansches (20) an den dem glasfaser verstärkten Kunststoff des Isolationskörpers (7) zugewandten Flächen mit Rillen (30, 31) oder Riefen versehen sind/ist.

7. Durchführung nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, daß die Rillen (30, 31) eine radiale Tiefe zwischen 0,1 mm und 0,3 mm aufweisen.

8. Durchführung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da durch gekennzeichnet, daß in den Isola tionskörper (7) Glasgewebebänder (8) mit eingewickelt sind.

9. Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Durchführung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeich net durch folgende nacheinander durchzuführende Verfahrens schritte:

a) Auf den zylindrischen Wickeldorn (3) wird ein erster (innerer) rohrförmiger Wickelteil (9) des Isolationskörpers (7) aus kunstharzgetränkten Glasfaserbündeln aufgewickelt,
b) auf der Außenseite des ersten Wickelteils (9) werden die band- oder streifenförmigen Leiterstücke (10, 11) ange ordnet,
c) auf den noch nicht ausgehärteten ersten Wickelteil (9) mit den Leiterstücken (10, 11) wird ein weiterer (mittlerer) rohrförmiger Wickelteil (17) des Isolationskörpers (7) aus kunstharzgetränkten Glasfaserbündeln aufgewickelt,
d) das Kunstharz der beiden Wickelteile (9, 17) wird hinrei chend lang ausgehärtet,
e) die Außenseite des weiteren (mittleren) Wickelteils (17) wird zu einer glatten, rohrförmigen Mantelfläche (18) abge arbeitet,
f) der Flansch (20) wird auf die Mantelfläche (18) aufge schoben und dort verklebt und
g) anschließend werden die überstehenden Fußteile (25, 26) des Flansches (20) sowie die verbliebenen freien Teile der Man telfläche (18) gemeinsam mit kunstharzgetränkten Glas faserbündeln unter Ausbildung äußerer Wickelteile (28a, 28b) des Isolationskörpers (7) umwickelt und schließlich wird das Kunstharz dieses Wickelteils (28) ausgehärtet.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekenn zeichnet, daß für das Wickeln der Wickelteile (9, 17, 28) des Isolationskörpers (7) als Wickelhilfen scheibenförmige Begrenzungsteile (4, 5) an den beiden Stirnseiten des Wickel dorns (3) lösbar befestigt werden.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekenn zeichnet, daß die scheibenförmigen Begrenzungsteile (4, 5) mit Bohrungen zur Durchführung und Fixierung der Lei terstücke (10, 11) während des Wickelvorganges versehen werden.