DE4007553A1 - Verfahren zur herstellung eines stromfuehrungselements - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Stromführungselementes mit mindestens einem Leiter, mindestens einem Isoliermantel und einer metallischen Außenhülle.

Es sind Stromführungselemente bekannt, die einen massiven oder durchbohrten Stromleiter, insbesondere aus Kupfer, aufweisen, der von einem Isoliermantel aus isolierendem Keramikmaterial, insbesondere aus Al₂O₃ oder MgO, umgeben ist. Dieser Isoliermantel ist dann von einem Stahlmantel umschlossen.

Derartige Stromführungselemente werden insbesondere dazu benötigt, um hohe Ströme, auch solche mit hoher Frequenz, durch die Wand eines Behälters hindurchführen zu können, wobei zwischen den beiden Seiten der Behälterwand erhebliche Druckunterschiede vorliegen können.

Bei derartigen Stromführungselementen, die neben der Stromdurchführung auch einfach zur Stromleitung benutzt werden können, ist es bisher üblich, den Leiter in einen separat hergestellten Isolationskörper oder Isoliermantel einzubringen. Ein solches Einbringen erfordert, daß die Innenmaße des Isoliermantels nur geringfügig größer sind als die Außenmaße des Leiters, daß also ein Spalt zwischen diesen beiden Elementen sich ergibt. Eine Verbindung dieser Elemente und eine Abdichtung des Spaltes wird durch Löten zu erreichen versucht. Wenn nun ein solches Stromführungselement zur Stromdurchführung benutzt werden soll, dann ist es nicht möglich, etwa eine Schweißverbindung zwischen dem Isoliermantel und der Behälterwand vorzusehen. Vielmehr muß dann zunächst auf dem Isoliermantel mittels Löten ein Stahlmantel oder -flansch festgelegt werden, der dann seinerseits mit der Behälterwand verschweißbar ist.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Stromführungselements anzugeben, das vor allem die Nachteile der bekannten einschlägigen Verfahren vermeidet, vielfältige Gestaltungsmöglichkeiten eröffnet, zu zuverlässigen Produkten führt und eine erheblich verbesserte Abdichtung in axialer Richtung des Stromführungselementes ergibt.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der/die Leiter und die Außenhülle ineinandergesetzt werden und der dazwischen verbleibende Zwischenraum zur Bildung eines Isoliermantels bzw. die dazwischen verbleibenden Zwischenräume zur Bildung von Isoliermänteln mit pulverförmigem, keramischem Isoliermaterial gefüllt werden, daß dieses Material mechanisch verdichtet wird und daß schließlich eine gemeinsame explosive Verdichtung von Leiter(n), Pulver und Außenhülle mittels einer radial außen angeordneten Sprengladung erfolgt. Die explosive Verdichtung der Zusammenstellung aus Außenhülle, mindestens einem Leiter und dem keramischen, zunächst in Pulverform vorliegenden Material führt zu einem einstückigen Element, welches in axialer Richtung eine hohe Dichtigkeit aufweist. Dieses Element ist deshalb in vielen Fällen ohne besondere Vorkehrungen zur Erhöhung dieser Dichtigkeit anwendbar. Die metallische Außenhülle, die ebenfalls Bestandteil dieses Element ist, ermöglicht ein Verschweißen z. B. mit einer Behälterwand. Nach dem Verfahren kann ein Stromführungselement ohne weiteres mit mehreren Leitern versehen werden, die miteinander z. B. einen Kondensator bilden können.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner so ausgeführt werden, daß der/die Leiter und die Außenhülle konzentrisch ineinandergesetzt werden. Mehrere koaxiale Leiter können somit in einem Stromführungselement untergebracht werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner so ausgeführt werden, daß als innerer Leiter ein solcher mit einer axial durchgehenden Öffnung verwendet wird. Diese Öffnung kann für die Kühlung des Leiters benutzt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner so ausgeführt werden, daß in die Öffnung des inneren Leiters ein axial durchgehender, nach der explosiven Verdichtung entfernbarer Kern eingesetzt wird und einen Zwischenraum zur Aufnahme von pulverförmigem Material bildet. Aus diesem pulverförmigen Material kann durch Verdichtung der gebildeten Gesamtheit ein bei Kühlung supraleitendes Element gebildet werden. Der Kern kann z. B. durch Schmelzen oder Lösen entfernt werden und somit einen für Kühlzwecke verwendbaren Kanal ergeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner so ausgeführt werden, daß die durchgehende Öffnung des inneren Leiters mit pulverförmigem Material zur Bildung eines Supraleiters gefüllt wird. Die Kühlung erfolgt dann vorteilhafterweise über Kühlrohre, die in einem angrenzenden Leiter untergebracht sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner so ausgeführt werden, daß mindestens ein Zwischenraum mit pulverförmigem Material zur Bildung eines Supraleiters gefüllt wird. Auch hier ist zumindest einer der angrenzenden Leiter mit Kühlrohren ausgestattet.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner so ausgeführt werden, daß YBa₂Cu₃O₇ als pulverförmiges Material zur Bildung eines Supraleiters verwendet wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner so ausgeführt werden, daß aus Leiter(n), Isoliermaterial bzw. Isoliermänteln und Außenhülle zunächst ein stabförmiges Element gebildet wird, von dem nach der explosiven Verdichtung Stromführungselemente gewünschter Länge und Endkontur abgetrennt werden. Es wird auf diese Weise ein stabförmiges Element erzeugt, dessen Länge z. B. von den örtlichen Fertigungsgegebenheiten bestimmt wird. Dieses stabförmige Element kann dann in mehrere Stromführungselemente unterteilt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner so ausgeführt werden, daß vor dem Einbringen des Pulvers zur Bildung eines Isoliermantels bzw. eines Supraleiters der/die Leiter und/oder die Außenhülle an ihrer einem Isoliermantel oder einem Supraleiter zugewandten Grenzfläche mit Vertiefungen oder Erhöhungen versehen werden. Auf diese Weise wird eine Verklammerung zwischen Isoliermantel und Leiter bzw. Außenhülle gefördert und die Dichtigkeit gesichert.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner so ausgeführt werden, daß das Stromführungselement zumindest an einem seiner Enden dicht versiegelt wird. Auch dadurch wird die axiale Dichtigkeit des Stromführungselements gesteigert.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner so ausgeführt werden, daß zumindest ein mit Kühlkanälen versehener Leiter verwendet wird.

Im folgenden Teil der Beschreibung wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand einiger nach ihm hergestellter und in den Fig. dargestellter Stromführungselemente beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 einen Axialschnitt durch ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbares Stromführungselement mit einem massiven inneren Leiter,

Fig. 2 einen der Fig. 1 ähnlichen Schnitt mit einem als Hohlstab ausgebildeten Leiter,

Fig. 3 eine der Fig. 1 ähnliche Darstellung eines Stromführungselements, bei dem innerer Leiter, Isoliermantel und Außenhülle an beiden Enden gestuft vorstehen,

Fig. 4 eine der Fig. 2 ähnliche Schnittdarstellung eines Stromführungselements, bei dem ein als Hohlstab ausgebildeter innerer Leiter an beiden Enden über eine Isoliermantelung und eine Außenhülle vorsteht,

Fig. 5 einen Axialschnitt durch ein Stromführungselement mit zwei konzentrisch angeordneten Leitern, wobei der innere Leiter massiv ausgebildet ist,

Fig. 6 einen Axialschnitt durch ein Stromführungselement mit zwei konzentrisch angeordneten Leitern, wobei der innere Leiter als Hohlstab ausgebildet ist,

Fig. 7 Axial- und Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines Stromführungselements mit einem zentralen massiven Leiter aus supraleitendem Material,

Fig. 8 einen Axialschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines Stromführungselements mit einem zentralen hohlen Leiter aus supraleitendem Material,

Fig. 9 einen Axialschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines Stromführungselements mit einem zentralen hohlen Leiter aus supraleitendem Material und darin eingesetztem hohlem, innerem Leiter und

Fig. 10 einen Axialschnitt durch ein in eine Behälterwand eingesetztes Stromführungselement, auf dessen inneren Leiter ein Kühlaggregat aufgesetzt ist.

Das in Fig. 1 dargestellte Stromführungselement hat einen massiven inneren Leiter 1 aus Kupfer oder einem anderen leitenden Material. Der Leiter 1 ist von einem Isoliermantel 2 eng umschlossen, der aus einem keramischen Material besteht. Um den Isoliermantel 2 herum ist eine metallische Außenhülle 3 dichtend angelegt.

Das Stromführungselement nach Fig. 2 unterscheidet sich von dem nach Fig. 1 lediglich dadurch, daß hier ein innerer Leiter 1a vorgesehen ist, der als Hohlstab ausgebildet ist. Eine derartige Ausführung kommt insbesondere für die Hochfrequenz- Stromübertragung in Betracht.

Das Stromführungselement nach Fig. 3 weist wie dasjenige nach Fig. 1 einen inneren Leiter 1, einen umgebenden Isoliermantel 2 und eine metallische Außenhülle 3 auf. Dabei steht der Isoliermantel 2 an beiden Enden axial über die Außenhülle 3 vor, während der innere Leiter 1 wiederum den Isoliermantel 2 axial überragt. Eine solche Ausbildung kann für spezielle Anwendungszwecke, z. B. für die Befestigung, die Stromeinleitung und/oder Kühlung, vorteilhaft sein.

Die in Fig. 4 dargestellte Ausführungsform eines Stromführungselements weicht von derjenigen nach Fig. 2 lediglich dadurch ab, daß der innere Leiter 1a an beiden Enden axial über den Isoliermantel 2 und die Außenhülle 3 vorsteht, die untereinander gleich lang sind.

Das Stromführungselement nach Fig. 5 hat entsprechend den Ausführungsformen nach den Fig. 1 und 3 einen inneren Leiter 1 und einen diesen umgebenden Isoliermantel 2. Abweichend zu den zuvor beschriebenen Ausführungsformen ist der Isoliermantel 2 von einem im Querschnitt ringförmigen Leiter 4 umgeben, der radial außen von einem Isoliermantel 2a eingehüllt ist. Die Außenfläche des Isoliermantels 2a ist dann wieder von einer Außenhülle 3 umschlossen. Hier sind also zwei konzentrische Leiter vorgesehen, mit denen ein Kondensatoreffekt erreicht werden kann.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 sind die Außenhülle 3 und der Isoliermantel 2a gleich lang ausgebildet und an ihren Enden bündig gestaltet. Der Leiter 4 und der radial nach innen folgende Isoliermantel 2 ragen darüber hinaus vor und enden bündig. Der innere Leiter 1 schließlich steht an beiden Enden des Stromführungselements am weitesten axial vor.

Die Ausführungsform eines Stromführungselements nach Fig. 6 weicht von derjenigen nach Fig. 5 lediglich dadurch ab, daß hier ein als Hohlstab ausgebildeter Leiter 1a vorgesehen ist.

Die Ausführungsform nach Fig. 7 entspricht derjenigen nach Fig. 1 mit der Ausnahme, daß hier ein innerer Kern 5 aus einem aus Pulver erzeugten supraleitenden Material vorgesehen ist. Der Kern 5 ist von einem inneren Leiter 1b umgeben, in dem Kühlrohre untergebracht werden. Nach radial außen folgen ein Isoliermantel 2 und eine Außenhülle 3.

Das Stromführungselement nach Fig. 8 weicht von demjenigen nach Fig. 7 nur dadurch ab, daß hier der Kern aus supraleitendem Material eine axial durchgehende Öffnung aufweist, die insbesondere zu Kühlzwecken genutzt werden kann.

Bei dem Stromführungselement nach Fig. 9 ist in die axial durchgehende Öffnung ein hohler innerer Leiter 1a eingesetzt.

Fig. 10 zeigt eine Ausführungsform eines Stromführungselements mit einem inneren Leiter 1, einem Isoliermantel 2 und einer metallischen Außenhülle 3. Das Stromführungselement ist hier zur Durchführung des Stroms durch die Wand eines Behälters 6 vorgesehen. Zu diesem Zweck ist die Außenhülle 3 des Stromführungselements mit der Wand des Behälters 6 verschweißt. Auf das in Fig. 8 nach links vorstehende Ende des inneren Leiters 1 ist eine Kühleinheit 7 aufgesetzt.

Zur Herstellung von Stromführungselementen wird erfindungsgemäß so verfahren, daß alle jeweils zu einer Einheit zusammenzufassenden Leiter 1, 4 mit der Außenhülle 3 und gegebenenfalls mit einem in einen hohlen inneren Leiter einsetzbaren, entfernbaren Kern ineinandergesetzt werden, wobei sich zwischen den Einzelelementen ringförmige Zwischenräume für den Isoliermantel bzw. die Isoliermäntel bzw. einen Supraleiter ergeben. Diese Zwischenräume werden mit einem keramischen Pulver, bei dem es sich vorzugsweise um Al₂O₃ und MgO (für einen Isoliermantel) und um YBa₂Cu₃O₇ (für einen Supraleiter) handelt, gefüllt. Dieses Pulver wird dann mechanisch verdichtet. Anschließend wird eine Sprengladung außen auf der Außenhülle angeordnet und gezündet. Es kommt daraufhin dann zu einer explosiven Verdichtung der so zusammengestellten Einheit, wobei das keramische Pulver verfestigt wird und sich eine enge Verbindung zwischen Leiter, Supraleiter, Isoliermantel und Metallhülle ergibt. Diese enge Verbindung ist in axialer Richtung in hohem Maße dicht. Die metallische Außenhülle kann z. B. mit einer Behälterwand verschweißt werden.

Nach dem beschriebenen Verfahren können stangenförmige Stromführungselemente von einer Länge bis zu mehreren Metern hergestellt werden. Derartige stangenförmige Elemente werden dann an ihrem Umfang egalisiert und an ihren beiden Enden nach Wunsch zugeschnitten, wie dies die Fig. andeuten. Andererseits werden solche stangenförmigen Einheiten in kürzere Stromführungselemente abgelängt, die dann ebenfalls einen Aufbau gemäß den Figuren haben können.

Weiter können die Außenflächen der Leiter und Supraleiter sowie der Außenhülle 3 mit Erhebungen und/oder Vertiefungen versehen werden, um auf diese Weise eine formschlüssige Verbindung zu erhalten, die den Zusammenhalt der radial benachbarten Teile und damit die axiale Dichtigkeit fördert.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das Stromführungselement an seinen Enden dichtend versiegelt. Hierzu wird ein keramischer Kleber mit einer Schichtdicke von 0,1 bis 0,2 mm aufgetragen.

Claims (11)

1. Verfahren zur Herstellung eines Stromführungselements mit mindestens einem Leiter, mindestens einem Isoliermantel und einer metallischen Außenhülle, dadurch gekennzeichnet, daß der/die Leiter und die Außenhülle ineinandergesetzt werden und der dazwischen verbleibende Zwischenraum zur Bildung eines Isoliermantels bzw. die dazwischen verbleibenden Zwischenräume zur Bildung von Isoliermänteln mit pulverförmigem keramischem Isoliermaterial gefüllt werden, daß dieses Material mechanisch verdichtet wird und daß schließlich eine gemeinsame explosive Verdichtung von Leiter(n), Pulver und Außenhülle mittels einer radial außen angeordneten Sprengladung erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der/die Leiter und die Außenhülle konzentrisch ineinandergesetzt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als innerer Leiter ein solcher mit einer axial durchgehenden Öffnung verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in die Öffnung des inneren Leiters ein axial durchgehender, nach der explosiven Verdichtung entfernbarer Kern eingesetzt wird und einen Zwischenraum zur Aufnahme von pulverförmigem Material bildet.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die durchgehende Öffnung des inneren Leiters mit pulverförmigem Material zur Bildung eines Supraleiters gefüllt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Zwischenraum mit pulverförmigem Material zur Bildung eines Supraleiters gefüllt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß YBa₂Cu₃O₇ als pulverförmiges Material zur Bildung eines Supraleiters verwendet wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß aus Leiter(n), Isoliermantel bzw. Isoliermänteln und Außenhülle zunächst ein stabförmiges Element gebildet wird, von dem nach der explosiven Verdichtung Stromführungselemente gewünschter Länge und Endkontur abgetrennt werden.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Einbringen des Pulvers zur Bildung eines Isoliermantels bzw. eines Supraleiters der/die Leiter und/oder die Außenhülle an ihrer einem Isoliermantel oder einem Supraleiter zugewandten Grenzfläche mit Vertiefungen oder Erhöhungen versehen werden.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Stromführungselement zumindest an einem seiner Enden dicht versiegelt wird.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein mit Kühlkanälen versehener Leiter verwendet wird.