Beschreibung Stromzuführungsvorrichtung für eine zu kühlende elektrische Gerätschaft mit elektrischer Trenneinrichtung sowie Verwen- dung der Vorrichtung Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromzuführungsvorrich- tung für eine von einem Kühlmittel auf Tieftemperatur zu küh- lende, in einem Kryostatinnenraum angeordnete elektrische Ge- rätschaft, wobei die Stromzuführungsvorrichtung eine elektri- sche Trenneinrichtung aufweist, welche - ein mit der elektrischen Gerätschaft elektrisch zu verbin- dendes Schaltstück, - ein an eine externe, auf Raumtemperatur befindliche Strom- versorgungseinrichtung elektrisch anzuschließendes Schalt- stück sowie - mechanische Betätigungsmittel zum Aneinanderfügen der Schaltstücke bzw. zu deren Trennen enthält.

Eine solche Stromzuführungsvorrichtung ist der DE 29 01 892 C2 zu entnehmen. Die Erfindung betrifft ferner Verwendungen einer solchen Stromzuführungsvorrichtung.

Bei den hier betrachteten elektrischen Gerätschaften, Geräten oder Anlagen kann es sich um Einrichtungen mit zu kühlenden Normalleitern wie z. B. aus Cu oder insbesondere um solche handeln, die eine Verwendung von supraleitendem Material vor- sehen. Gerade die Applikation der Supraleitung in der Ener- gie-oder Medizintechnik bedingt, dass Strom von einem Niveau tiefer Temperatur, z. B. von Stickstoff bei 77 K, auf Raumtem- peratur von 300 K oder von Helium mit 4 K auf Stickstofftem- peratur bei 77 K und weiter auf Raumtemperatur von 300 K ge- leitet werden muss. Hiermit ist das Problem verbunden, dass für eine erforderliche Stromzuführungsvorrichtung ein Normal- leiter aus einem Metall oder einer Metalllegierung verwendet werden muss. Gemäß dem Wiedemann-Franz-Lorenz'schen Gesetz

hat jedes Metall aber die Eigenschaft in etwa ein ebenso gu- ter elektrischer wie thermischer Leiter zu sein. Man kann zwar den Temperaturbereich unterhalb von 77 K mit supralei- tenden Bändern als Stromzuführung beherrschen, die aus metal- loxidischem, keramischem Hoch-Tc-Supraleitermaterial (HTS- Material) bestehen, weil derartige Keramiken zwar gute elekt- rische Leiter, aber schlechte Wärmeleiter darstellen. Es bleibt jedoch die Problematik des Übergangs zwischen 77 K und 300 K, wo entsprechende keramische Materialien mit hinrei- chender elektrischer Leitfähigkeit nicht bekannt sind. D. h., es ist für diesen Temperaturbereich die Problematik der Ver- luste durch Wärmeleistung gegeben, egal, ob Strom fließt oder nicht.

Zur Lösung dieses Problems hat man Stromzuführungsvorrichtun- gen entwickelt, bei denen eine Unterbrechung der metallischen Stromzuführung erfolgt, wenn kein Stromfluss benötigt wird.

Dies führt auch zu einer Unterbrechung der Wärmeeinleitung über die metallischen Leiter und hilft somit Stillstandver- luste verringern. Eine entsprechende Stromzuführungsvorrich- tung ist aus der US 3,839, 689 bekannt. Bei dieser Stromzufüh- rungsvorrichtung für einen supraleitenden Magneten, der mit einem Kurzschließer versehen ist, besteht eine lösbare Ver- bindung zwischen einem gekühlten, unbeweglichen Kontaktteil des Magneten und einem beweglichen Kontaktteil einer äußeren Stromzuführung, die sich im Allgemeinen auf Normaltemperatur befindet. Das dem beweglichen Kontaktteil zugewandte Ende des Kontaktteils des Magneten ist mit einer Bohrung für eine Schraub-oder Steckverbindung versehen. Solche steck-oder schraubbaren Stromzuführungsteile sind jedoch einer Abnutzung unterworfen. Außerdem sind steckbare Stromzuführungsteile im Vakuum des erforderlichen Kryostaten vorzusehen, so dass im- mer auch die konstruktiv bedingte Wahrscheinlichkeit einer Vakuumundichtheit des Kryostaten insbesondere an Flanschen gegeben ist. Werden steckbare Stromzuführungsteile in einer Gasumgebung eingebaut, entstehen dort durch die Wärmeleitfä- higkeit des Gases wiederum Verluste.

Auch bei der aus der eingangs genannten DE-C2-Schrift ent- nehmbaren Stromzuführungsvorrichtung befinden sich deren Schaltstücke bzw. Kontaktteile in einem nach oben offenen Gasraum, der mit He-Abgas gefüllt ist, welches von einem He- Kühlmittel stammt, mit dem das dort verwendete supraleitende Material auf die erforderliche Tieftemperatur zu kühlenden ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Stromzufüh- rungsvorrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen dahin- gehend weiter zu entwickeln, dass einerseits ihr konstrukti- ver Aufwand verringert ist und dennoch eine gute thermische Trennung ihrer Schaltstücke zu gewährleisten ist. Ferner sol- len bevorzugte Verwendungen einer derartigen Stromzuführungs- vorrichtung angegeben werden.

Die sich auf die Stromzuführungsvorrichtung beziehende Aufga- be wird mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Dementsprechend soll bei der Stromzuführungsvorrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen deren Trenneinrichtung eine Vakuumschaltröhre mit in einem Hochvakuum angeordneten, nor- malleitenden Schaltstücken aufweisen, wobei die Vakuumschalt- röhre in dem Kryostatinnenraum in einem der Raumtemperatur- seite zugewandten Bereich untergebracht ist. Dieser der Raum- temperaturseite zugewandter Bereich soll sich dabei außerhalb des Tieftemperaturbereichs mit der elektrischen Gerätschaft befinden.

Mit der Verwendung einer Vakuumschaltröhre für die erfin- dungsgemäße Stromzuführungsvorrichtung sind eine Reihe von Vorteilen verbunden : - Eine Vakuumschaltröhre kann in den Strompfad der Stromzu- führungsvorrichtung platzsparend eingebaut werden.

- Die Stromzuführung kann jederzeit und auch kurzfristig un- terbrochen werden, sobald sie nicht mehr benötigt wird.

Die Schaltstücke der Vakuumschaltröhre befinden sich in einem Hochvakuum von insbesondere unter 10-8 bar mit außer- ordentlich niedriger Wärmeleitfähigkeit.

Gegenüber einer steckbaren Verbindung kann sogar eine Schaltaufgabe je nach verwendeter Type der Vakuumschalt- röhre wahrgenommen werden.

Bekannte Vakuumschaltröhren zeichnen sich durch hohe War- tungsfreiheit aus, wobei z. B. 10000 mechanische Schalt- spiele und mehr gewährleistet werden.

Vorteilhaft ist also die Applikation herkömmlicher, sehr preisgünstiger Vakuum-Technik im Strompfad einer Stromzufüh- rungsvorrichtung für eine innerhalb eines Kryostaten befind- liche elektrische Gerätschaft. Erforderlich dabei ist ledig- lich eine konstruktive Anpassung der Vakuumschaltröhre an die Verhältnisse in dem Kryostaten.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Stromzu- führungsvorrichtung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor.

So kann insbesondere der die Vakuumschaltröhre aufnehmende Bereich des Kryostatinnenraumes zumindest teilweise mit einem festen Isolationsmedium gefüllt sein, wobei das Isolationsme- dium ein geschäumtes Material sein kann. Auf diese Weise ist auch eine mechanische Fixierung der Vakuumschaltröhre und der für sie erforderlichen Betätigungsmittel möglich.

Vorteilhaft wird die Stromzuführungsvorrichtung für eine Sup- raleitungseinrichtung als elektrische Gerätschaft verwendet, die vorzugsweise Leiter mit Hoch-Tc-Supraleitermaterial ent- hält. Für letztere Gerätschaft ist die Kryotechnik verhält- nismäßig einfach.

Darüber hinaus ist die Verwendung der Stromzuführungsvorrich- tung für einen insbesondere supraleitenden Transformator ei- nes mobilen Fahrzeugs oder für eine insbesondere supraleiten-

de Magnetanordnung einer Anlage zur Kernspintomographie als besonders vorteilhaft anzusehen. Diese elektrischen Gerät- schaften zeichnen sich nämlich dadurch aus, dass sie keine ständige Verbindung mit einer externen, auf Raumtemperatur befindlichen Stromversorgungseinrichtung erfordern.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Stromzuführungsvor- richtung gehen aus den vorstehend nicht angesprochenen Unter- ansprüchen hervor.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen. Dabei zeigen deren Figur 1 ein Schnittbild durch eine bekannte Vakuum- schaltröhre für die erfindungsgemäße Stromzu- führungsvorrichtung, deren Figur 2 eine Verwendung dieser Vakuumschaltröhre in einem Mittelspannungsschütz als Schnittbild- darstellung sowie deren Figur 3 ein Schnittbild durch eine Stromzuführungsvor- richtung mit einem derartigen Mittelspannungs- schütz.

Dabei sind in den Figuren sich entsprechende Teile jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.

Figur 1 zeigt eine bekannte Vakuumschaltröhre (vgl."Siemens Online Katalog 2001" : Energieübertragung und-verteilung, Ka- talog HG 11.11/Mittelspannung, Leistungsschal- ter/Vakuumleistungsschalter 3AH/Hochstromschalter 3AH1/Aufbau und Arbeitsweise). Die Vakuumschaltröhre ist zwar für Mittel- spannungsanwendungen vorgesehen ; es kommen jedoch ebenso gut auch Schaltröhren der Niederspannungstechnik in Frage. Die allgemein mit 2 bezeichnete Vakuumschaltröhre enthält eine Schaltkammer 3 zur Aufnahme eines bewegbaren Schaltstückes 4 und eines feststehenden Schaltstückes 5. In der Schaltkammer herrscht ein Hochvakuum von unter 10-8 bar, beispielsweise von 10-9 bar. Das feststehende Schaltstück 5 ist mit einer

Anschlussscheibe 6 versehen, die mit einem Anschlussleiter zu verbinden ist, der zu einer von einem Kühlmittel auf Tieftem- peratur zu haltenden elektrischen Gerätschaft bzw. Gerät oder Anlage führt. Für das nachfolgende Ausführungsbeispiel sei als elektrische Gerätschaft eine Supraleitungseinrichtung an- genommen, obwohl ebenso gut auch Einrichtungen mit gekühltem normalleitenden Material in Frage kommen.

Das bewegbare Schaltstück 4 der eingesetzten Vakuumschaltröh- re 2 ist mit einem Antriebs-und Anschlussbolzen 7 verbunden.

Dieser Anschlussbolzen ist mit einem Anschlussleiter zu ver- binden, der zu einer externen, auf Raumtemperatur befindli- chen Stromversorgungseinrichtung führt. Außerdem greifen an diesem Bolzen mechanische Betätigungsmittel an, um die Schaltstücke aneinander zu fügen bzw. zu trennen. In der Fi- gur sind ferner eine Führung 8 für den Antriebs-und An- schlussbolzen 7 sowie ein Metallfaltenbalg 9 dargestellt. Ein Isolator 10 umgibt mantelförmig die Schaltkammer 3.

Figur 2 zeigt in etwas vereinfachter Darstellung einen be- kannten Mittelspannungsschütz 11 mit einer Vakuumschaltröhre 2 (vgl."Elektrische Installationstechnik, Teil 1 : Energie- versorgung und-verteilung", Siemens AG (DE), 1993, Seiten 147 bis 150). Dieser Mittelspannungsschütz weist einen Nie- derspannungsteil nt und einen Mittelspannungsteil mt auf. Zur Betätigung des bewegbaren Schaltstückes der Vakuumschaltröhre 2 sind Betätigungsmittel 12 vorhanden, die ein mechanisches Verbindungsteil 13 zwischen dem Mittel-und dem Niederspan- nungsteil aufweisen. Über diese Betätigungsmittel sind die Schaltstücke der Vakuumschaltröhre 2 aneinander zu fügen bzw. zu trennen. Von diesen Betätigungsmitteln ist in dem Nieder- spannungsteil nt das Antriebssystem mit einem Magneten 14 an- gedeutet. Ferner sind in der Figur ein mit dem bewegbaren Schaltstück der Vakuumschaltröhre 2 verbundener Anschlusslei- ter 15 und ein mit dem feststehenden Schaltstück dieser Schaltröhre verbundener Anschlussleiter 16 ersichtlich.

Der Einbau des in Figur 2 dargestellten Mittelspannungsschüt- zes 11 in einem Kryostaten ist der Figur 3 zu entnehmen. Der Aufbau dieses Mittelspannungsschützes stellt im Wesentlichen eine Trenneinrichtung 11'für eine erfindungsgemäße Stromzu- führungsvorrichtung 20 dar. Mit dieser Stromzuführungsvor- richtung ist eine in dem Innenraum 21 des mit 22 bezeichneten Kryostaten untergebrachte, in der Figur nicht näher ausge- führte Supraleitungseinrichtung 19 mit einer externen, nicht dargestellten Stromversorgungseinrichtung zu verbinden. Diese Stromversorgungseinrichtung befindet sich dabei in einem Be- reich auf Raumtemperatur RT. Demgegenüber muss die Supralei- tungseinrichtung 19 in einem Bereich auf Tieftemperatur TT, beispielsweise in einem LN2-Bereich, angeordnet sein. Bei der Supraleitungseinrichtung 19 kann es sich vorzugsweise um ei- nen Transformator auf einem mobilen Fahrzeug wie z. B. einer Lokomotive handeln, der Leiter aus HTS-Material aufweist. Ein solcher Transformator wird etwa die Hälfte der Zeit nicht ge- nutzt. Um die Stillstandsverluste zu verringern, ist die Trenneinrichtung 11'besonders vorteilhaft. Dabei kann mit der Vakuumschaltröhre 2 auch unter Spannung bzw. bei Leerlauf oder Last getrennt werden. Ferner kann es sich bei der Supra- leitungseinrichtung 19 auch um eine supraleitende Magnetan- ordnung unter Verwendung von HTS-Material einer Anlage zur Kernspintomographie (bzw. Nuclear Magnetic Resonance oder Nuclear Magnetic Imaging) handeln. Denn bei solchen Magnetan- ordnungen wird die Stromzuführungsvorrichtung nur beim Aufla- den bzw. Erregen der Magnete benötigt. Danach werden die Mag- nete der Anordnung vielfach kurzgeschlossen, so dass dann die Stromzuführung zu unterbrechen ist. Selbstverständlich können auch andere Supraleitungseinrichtungen mit der erfindungsge- mäßen Stromzuführungsvorrichtung ausgestattet werden, sofern eine andauernde Stromzufuhr nicht erforderlich ist oder eine Auftrennung des Strompfades z. B. aus Wartungsgründen ge- wünscht wird.

In dem auf Tieftemperatur TT befindlichen Bereich 23 ist die Supraleitungseinrichtung 19 angeordnet. Dieser Bereich ist

von einem diese Einrichtung auf der supraleitenden Betriebs- temperatur zu haltenden Kühlmittel gefüllt, beispielsweise mit LN2 bei Verwendung von HTS-Material der Supraleitungsein- richtung. Der sich oberhalb dieses Tieftemperaturbereichs 23 befindliche, der Raumtemperaturseite zugewandte Bereich des Kryostatinnenraumes 21 ist allgemein mit 24 bezeichnet. Die- ser Bereich kann vollständig mit Abgas des Kühlmittels, bei- spielsweise GN2-Abgas, gefüllt sein. Vorteilhaft ist sein die Trenneinrichtung 11'aufnehmender, dem raumtemperaturseitigen Deckel 25 des Kryostaten 22 zugewandter Teilbereich 24a zu- mindest teilweise mit einem festen Isolationsmedium 26 ausge- füllt. Bei diesem Isolationsmittel kann es sich insbesondere um ein geschäumtes Material wie z. B. einen Styro-Schaum (Mar- kenname"Styrofoam") handeln. Der dem Tieftemperaturbereich 23 zugewandte Teil 24b des Bereichs 24 kann mit GN2-Abgas ge- füllt sein, das selbstverständlich auch den Teilraum 24a mit dem Isolationsmedium durchdringen kann.

Die Vakuumschaltröhre der Trenneinrichtung 11'ist mit einem raumtemperaturseitigen Anschlussleiter 15 verbunden, der durch den Kryostatendeckel 25 an einer Durchführung 27 z. B. aus Epoxidharz aus dem Kryostatinnenraum 21 in den Bereich auf Raumtemperatur RT und dort zu der externen Stromversor- gungseinrichtung führt. Ein tieftemperaturseitiger Anschluss- leiter 16 der Vakuumschaltröhre führt von der Trenneinrich- tung 11'zu der Supraleitungseinrichtung 19, z. B. einer Mag- netspule, in den Bereich 23 auf Tieftemperatur TT. In der Fi- gur sind ferner elektrische Anschlussdrähte 28 angedeutet, die durch den Deckel 25 zu den Betätigungsmitteln 12 der Trenneinrichtung 11'führen.

Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel wurde von einer Supraleitungseinrichtung 19 ausgegangen, die HTS- Leitermaterial enthält und mit LNZ zu kühlen ist. Selbstver- ständlich ist die Stromzuführungsvorrichtung auch für Supra- leitungseinrichtungen mit LHe-oder GHe-Kühltechnik geeignet.

Außerdem braucht es sich bei der angeschlossenen elektrischen Gerätschaft auch nicht um eine solche der Supraleitungstech- nik zu handeln. Es können nämlich an die Stromzuführungsvor- richtung ebenso gut auch elektrische Gerätschaften ange- schlossen werden, für die zu kühlendes normalleitendes Mate- rial wie z. B. Cu vorgesehen ist.