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Rohrleitung, insbesondere für tiefgekühlte Kabel, aus mehreren konzentrisch
zueinander angeordneten Rohren Die Erfindung betrifft eine Rohrleitung, insbesondere
für tiefgekühlte Kabel, aus mehreren konzentrisch zueinander angeordneten, durch
Vakuumräume voneinander getrennten Rohren, von denen wenigstens das innere, zur
Führung eines Kühlmittels bestimmte Rohr als Wellrohr ausgebildet ist.
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Tiefgekühlte, insbesondere supraleitende, Kabel lassen für die Ubertragung
großer elektrischer Energiemengen erhebliche Vorteile erwarten. Äls elektrische
Leiter können für diese Kabel elektrisch normalleitende Metalle insbesondere hoher
Reinheit, beispielsweise hochreines Aluminium, verwendet werden, deren ohmscher
Widerstand bei tiefen Temperaturen wesentlich kleiner ist als bei Raumtemperatur.
Besonders geeignet für solche Kabel sind supraleitende Metalle, deren ohmscher Widerstand
bei Abkühlung auf eine Temperatur unterhalb der vom jeweils verwendeten Supraleitermaterial
abhängigen kritischen Temperatur oder Sprungtemperatur völlig verschwindet, Als
Supraleitermaterialien kommen dabei insbesondere die Metalle Niob und Blei sowie
sogenannte Hochfeldsupraleitermaterialien, beispielsweise supraleitende Legierungen
aus Niob und Titan bzw. Niob und Zirkon, gegebenenfalls mit Zusätzen weiterer Stoffe,
und supraleitende Verbindungen wie Niob-Zinn (Nb3Sn) in Frage. Die Supraleiter können
zur elektrischen Stabilisierung mit elektrisch zu ihnen parallel geschalteten, bi
der Betriebstemperatur der Supraleiter elektrisch normalleitenden Metallen gut elektrisch
leitend und gut wärmeleitend verbunden oder in diese Metalle eingebettet sein. Zur
Kehlung von Leitern aus elektrisch normalleitendem Metall eignen sich insbesondere
FlUssikeiten mit einer Siedetemperatur unterhalb von etwa 1504Kg wie beispielsweise
flüssiger Wasserstof flüssiger Stickstoff oder flüssigesErdgas,
oder
kalte Gase entsprechender Temperaturen. Zur Kühlung von Supraleitern kommen bei
den derzeit verfügbaren Supraleitermaterialien praktisch nur flüssiges oder kaltes
gasförmiges Helium in Frage.
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Bei bekannten Kabeln sind die Leiter innerhalb eines Rohres angeordnet,
das mit Kühlmittel gefüllt ist bzw. von diesem durchströmt wird. Um die zur KuaLung
er Leiter erforderliche Kühlleistung möglichst klein zu halten und unnötige Kühlmittelverliste
zu vermeiden, müssen die Leiter und das zu ihrer Kühlung dienende Kühlmittel gegenüber
der äußeren Umgebung des Kabels thermisch isoliert sein. Diese thermische Isolation
besteht in der Regel aus Rohren, welche den Leiter und das diesen umschließende
Rohr umgeben. Die Rohre können beispielsweise als Strahlungsschilde ausgebildet
sein und durch ein zweites Kühlmittel gekühlt werden, welches eine höhere Temperatur
besitzt als das zur Kühlung des Leiters dienende Kühlmittel. Die Zwischenräume zwischen
den Rohren sind9 soweit sie nicht von Kühlmittel durchströmt werden evakuiert und
können zusätzlich mehrere Lagen aus schlecht wärmeleitendem Material und reflektierenden
Metallschichten enthalten. Diese Lagen können beispielsweise aus Polyäthylenterephthalatfolien
bestehen, die mit reflektierenden Aluminiumschichten überzogen sein können.
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Es ist auch bereits ein supraleitendes Kabel bekannt, (österreichische
Patentanmeldung A 5726/65, bekanntgemacht am 15.1.1967, und "Elektrotechnische Zeitschrift",
Ausgabe A, Bd. 89 (1968), Seiten 325 bis 330, insbesondere Seite 329), bei dem die
konzentrisch zueinander angeordneten, durch Tikaunräume voneinander getrennten Rohre
als biegsame, dehnbare und dichte Wellrohre in Art eines Metallschlauches ausgebildet
sind. Das innere Rohr dient dabei zur Führung des Kühlmittels für die Leiter des
Kabels.
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Die Wellrohre können in verhältnismäßig großen Längen hergestellt,
au9 Trommeln aufgewickelt transportiert und am Verlegungsort wie ein gewöhnliches
Kabel verlegt und miteinander zu beliebig langen Rohrleitungen verbunden werden.
Außerdem können wegen der Dehnbarkeit der Wellrohre die uateraGhiedl£chen bei der
Abkühlung der Wellrohre auftretenden Schrumpfungen in einfacher Weise ausgeglichen
werden,
Andererseits tritt jedoch bei Rohrleitungen mit Wellrohren
die Schwierigkeit auf, daß das zur Führung des Kühlmittels dienende Wellrohr mechanisch
instabil ist. Während im Inneren des mit Kühlmittel gefüllten Wellrohres ein Kühlmitteldruck
von 1 atü oder mehr herrscht, ist das Wellrohr außen von dem zur thermischen Isolation
erforderlichen Vakuum mit Restgasdrucken von etwa 10 3 bis 10 5 Torr umgeben. Da
dieses Vakuum dem Kühlmitteldruck keinen Widerstand entgegensetzt, versucht der
Kühlmitteldruck das biegsame und dehnbare Wellrohr auf zublähen und zu strecken.
Dabei kann das Welirohr unkontrollierbar verbogen bzw.
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geknickt werden. Dies kann zu thermischen Kontakten des Wellrohres
mit dem umgebenden Rohr führen, was wiederum eine starke Wärmeeinleitung in das
innere Wellrohr und hohe Kühlmittelverluste zur Folge hat. Bei dem bekannten Kabel
ist das innere Wellrohr gegen das nächste Rohr durch Abstandhalter aus schlecht
wärmeleitendem Material abgestützt, die im Vakuumraum zwischen beiden Rohren in
Schraubenlinien entlang der ganzen Länge des inneren Wellrohres verlaufen. Gleichartige
Abstützungen sind zwischen den weiter außen liegenden Wellrohre vorgesehen.
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Solche Abstandhalter stellen jedoch, da sie sich über die ganze Rohrlänge
erstrecken, eine verhältnismäßig gute Wärmebrücke zwischen den Rohren dar und haben
daher einen erhöhten Kuhlmittelverbrauch zur Folge. Außerdem kann durch solche Abstandhalter
zwischen den einzelnen Wellrohren die mechanische Stabilität des inneren Rohres
und damit der ganzen Rohrleitung nicht mit Sicherheit gewährleistet werden, da immer
ein biegsames und dehnbares Wellrohr gegen das andere abgestützt ist. Ferner wird
durch solche Abstandhalter das Einbringen von wärmeisolierenden Folien aus schlecht
wärmeleitendem Material in die Vakuumräume zwischen den Wellrohren behindert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Rohrleitung, insbesondere
für tiefgekühlte Kabel, aus mehreren konzentrisch zueinander angeordneten, durch
Vakuumräume voneinander getrennten Rohren, von denen wenigstens das innere, zur
Führung eines Kühlmittels bestimmte Rohr als Wellrohr ausgebildet ist, die mechanische
Stabilität des Wellrohres zu sichern und die thermische Isolation des Wellrohres
gegenüber den umgebenden Rohren bzw. dem Aßeriraum der Rohrleitung zu verbessern.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß das innere Rohr durch
in seinem Inneren angeordnete starre Abstützungen gegen Verbiegen gesichert.
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Durch die starren Abstützungen wird erreicht, daß sich das Wellrohr
nicht durch Verbiegen oder Knicken innerhalb der Rohrleitung in einer Richtung senkrecht
zur Längsachse der Rohrleitung verschieben kann. Unkontrollierbare thermische Kontakte
des Wellrohres mit dem umgebenden Rohr können daher nicht auftreten. Dagegen so-llen
die starren Abstützungen eine Verschiebung des Wellrohres oder einzelner Teile davon
in Richtung der Längsachse der Rohrleitung nicht behindern, so daß sich das Wellrohr
in seiner Längsrichtung ungehindert ausdehnen bzw. zusammenziehen kann.
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Da bei der erfindungsgemäßen Rohrleitung'die das innere Wellrohr umgebenden
äußeren.Rohre zur Sicherung der mechanischen Stabilität des inneren Wellrohres nicht
herangezogen werden müssen, kann das innere Wellrohr gegen das nächste Rohr durch
schlecht wärmeleitende Abstandhalter abgestütztwerden, die entlang des Wellrohres
in großen Abständen voneinander, vorzugsweise in Abständen von einigen Metern, angeordnet
sind. Dies hat den Vorteil, daß der das Wellrohr umgebende, zur thermischen Isolation
dienende Vakuumraum nur an verhältnismäßig wenigen Stellen durch Abstandhalter überbrückt
wird. Außerdem bilden die in großen Abständen voneinander angeordneten Abstandhalter
praktisch kein Hindernis für das Einlegen von schlecht wärmeleitenden, wärmeisolierenden
Folien in den Vakuumraum.
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Die äußeren, das innere Wellrohr umgebenden Rohre können starr ausgebildet
sein. Besonders vorteilhaft ist es jedoch wie bei dem bekannten supraleitenden Kabel
auch für die äußeren Rohre Wellrohre zu verwenden. Wenn dabei - wie bei dem bekannten
supraleitenden Kabel - der Zwischenraum zwischen zwei das innere Wellrohr umgebenden,
ebenfalls als Wellrohre ausgebildeten Rohren zur Führung eines zweiten Kiihlmittels
ausgenutzt wird, können gemäß weiterer Erfindung auch diese zwei Wellrohre durch
in dem Zwischenraum angeordnete starre Abstützungen gegen Verbiegen gesichert sein.
Ohne die starren Abstützungen würde auch bei dlen von Vakuum umgebenen Wellrohre
wegen des Kühlmitteldrucks
im Zwischenraum die Gefahr einer mechanischen
Instabilität gegen Verbiegen bzw. Knicken bestehen.
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Die starren Abstützungen können vorteilhaft so ausgebildet sein, daß
sie mit jeder Wellung des abzustützenden Wellrohres in Berührung stehen.
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Mit besonderem Vorteil können als Abstützungen starre Schienen dienen,
die in Halterungen an der Wand des Wellrohres gleitend gelagert sind. Solche Abstützungen
haben den großen Vorteil, daß sie nach dem Verlegen des Wellrohres in das Wellrohr
eingeschoben werden können. Das Wellrohr kann also zunächst ohne Abstützungen au9
Trommeln aufgewickelt und an den Verlegungsort transportiert werden.
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Außer zur Kühlung und thermischen Isolierung von tiefgekühlten Kabeln
kann die erfindungsgemäße Rohrleitung beispielsweise auch als Leitung zum Transport
flüssiger, tiefsiedender Gase vorteilhaft verwendet werden.
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Bei Verwendung der Rohrleitung für ein titgekühltes Kabel kann vorteilhaft
der starr ausgebildete Leiter des Kabels als Abstützung für das innere Wellrohr
vorgesehen sein. Insbesondere kann das innere Wellrohr durch auf dem Leiter befestigte
Isolierstoffteile abgestützt sein. Auch der als Abstützung dienende Leiter des Kabels
kann nach dem Verlegen des Wellrohres in dieses eingezogen werden.
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Anhand einiger Figuren und Beispiele soll die Erfindung noch näher
erläutert werden.
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Fig. 1 zeigt schematisch eine beispielhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Rohrleitung in SeiQenansichts tcilv@ise im Schnitt.
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Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch die Rohrleitung nach Fig. 1.
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Figuren 3, 4, 5a und 5b zeigen Querschnitte durch das innere Wellrohr
bei verschiedenen Ausführungsformen der erfindungsgemaßen Rohrleitung für tie£gekWhlte
Kabel
Die in den Figuren 1 und 2 dargestellte Rohrleitung ist aus
vier konzentrisch zueinander angeordneten Wellrohren 1 bis 4 aufgebaut. Das innere
Wellrohr 1, das zur Führung eines Kühlmittels, beispielsweise flüssigen Heliums,
dient, ist durch drei T-förmige starre Schienen 5 bis 7 gegen Verbiegen gesichert.
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Diese Schienen sind in klauenförmigen Halterungen 8 an der Innenwand
des Wellrohre 1 gleitend gelagert. Die Schienen 5 bis 7 können nach dem Verlegen
der Rohrleitung in das Wellrohr 1 eingeschoben werden. Sie können aus einzelnen
Stücken zusammengesetzt sein, die kürzer sind als das Wellrohr 1 und nacheinander
in das Wellrohr 1 eingeschoben werden können. Wenn man die Stoßstellen zwischen
den einzelnen Stücken der Schienen 5 bis 7 räumlich gegeneinander versetzt, bleibt
die mechanische Stabilität des Wellrohres 1 erhalten, ohne daß die einzelnen Stücke
der Schienen 5 bis 7 miteinander verbunden werden müssen. Die Stoßstellen der Schienen
5 bis 7 können daher zum Ausgleich der thermischen Dehnungen bzw. Zusammenziehungen
der Schienen dienen.
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Das Wellrohr 1 ist vom nächsten Wellrohr 2 durch einen evakuierten
Raum getrennt und durch in großem Abstand voneinander angeordnete Abstandhalter
9 aus schlecht wärmeleitendem Material, beispielsweise aus Kunststoff oder Keramik,
gegen das Wellrohr 2 abgestützt. Die Abstandhalter 9 sind ringförmig und mit einem
Profil versehen, das eine ausreichende mechanische Festigkeit gewährleistet und
ein Verschieben der Wellrohre gegeneinander in Richtung der Längsachse der Rohrleitung
ermöglicht. Die Entfernung zwischen den einzelnen Abstandhaltern kann beispielsweise
etwa 3 m betragen.
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Der Zwischenraum zwischen dem Wellrohr 2 und dem nächsten Wellrohr
3 ist zur Führung eines zweiten Kühlmittels, beispielsweise flüssigen Stickstoffes
9 vorgesehen Zur Sicherung der Wellrohre 2 und 3 gegen Verbiegen sind im Zwischenraum
zwischen beiden Wellrohren Wellrohren als starre Abstützungen doppel-T-förmige Schienen
10 bis 12 vorgeseen9 die in-klauenförmigen Halterungen 13 und 14 an der Wand der
Wellrohre 2 und 3 gleitend geführt sind Auch de Schienen 10 bzw 12 können nach dem
Verlegen der Rohrleitung in den Zwischenraum z chen zwischen den Wellrohren 2 und
3 eingeschoben werden. Als äuBerer Mantel ist bei der Rohrleitung das Wellrohr 4
vorgesehen. Das Wellrohr 3 ist
von diesem Wellrohr 4 durch einen
weiteren Vakuumraum getrennt und gegen das Wellrohr 4 durch in großem Abstand voneinander
angeordnete Abstandhalter 15 aus schlecht wärmeleitendem Material, beispielsweise
aus Kunststoff oder Keramik, abgestützt.
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Aus den Figuren 1 und 2 ist zu ersehen, daß die starren Abstützungen
5 bis 7 und 10 bis 12 innerhalb derjenigen Räume der Rohrleitung angeordnet sind,
die im Betriebszustand von Kühlmittel durchströmt werden. Die Wärmeisolation der
Rohrleitung wird daher durch diese starren Abstützungen nicht im geringsten beeinträchtigt.
Die in den' Figuren 1 und 2 dargestellte Rohrleitung kann zum Transport von Flüssiggasen
oder als Kühl- und Wärmeisolationssystem für ein tiefgekühltes Kabel verwendet werden.
Im letztgenannten Fall werden die Leiter des Kabels in das Wellrohr 1 eingezogen,
wo sie von flüssigem Kühlmittel umgeben sind. Der von einem zweiten Kühlmittel erfüllte
Zwischenraum zwischen den Wellrohren 2 und 3 dient als Strahlungsschild.
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Bei Verwendung der Rohrleitung für tiefgekühlte Kabel kann auch der
Leiter des Kabels selbst als starre Abstützung des inneren Wellrohres herangezogen
werden. Verschiedene Beispiele dafür sind in den figuren 7, 4, 5a und 5b dargestellt.
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Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform ist im Innern des
inneren Wellrohres 20 der Rohrleitung ein starrer, rohrförmiger, tiefgekühlter Leiter
21 angeordnet. Dieser Leiter kann beispielsweise ein Aluminiumrohr sein. Der rohrförmige
Leiter 21 ist von einer rohrförmigen Hülle 22 aus Isoliermaterial, beispielsweise
Kunststoff, umgeben, die mit Längsrippen 23 versehen ist. Durch diese Längsrippen
23, die mit jeder Wellung des Wellrohres 20 in Berührung stehen, ist das Wellrohr
20 gegen Verbiegungen gesichert. Die Längsrippen 23 können auch spiralförmig um
die Längsachse des rohrförmigen Leiters 21 verlaufen. Beim Betrieb des Kabels erfüllt
das Kühlmittel für den Rohrleiter 21 den hohlen Innenraum dieses Rohrleiters und
den Zwischenraum zwischen der Isolierstoffhülle 22 und dem Wellrohr 20. Der mit
der Isolierstoffhülle versehene Leiter kann nach dem Verlegen der Rohrleitung in
das Wellrohr 20 eingezogen werden. Das Wellrohr 20 kann ähnlich wie das Wellrohr
1 bei der Rohrleistungnach den Figuren 1 und 2 von weiteren Wellrohren umgeben sein.
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Die in Fig. 4 dargestellte Ausführungsform zeigt einen Querschnitt
durch das innere Wellrohr30 einer Rohrleitung für ein supraleitendes Kabel. Der
zur Abstützung des W-ellrohres 30 ausgenutzte Leiter 31 des Kabels, der einen rechteckigen
Querschnitt besitzt, kann beispielsweise aus einer Kupfer'matrix 32 bestehen, in
die eine Vielzahl von supraleitenden Niob-?itan-Drähten 33 eingelagert ist. An den~Außenkanten
des Leiters 31 sind entlang.
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der Leiters verlaufende Streifen 34 aus Isoliermaterial, beispielsweise
Kunststoff, befestigt, die mit der Innenwand des Wellrohres 30 in Berührung stehen
und dieses gegen Verbiegen sichern. Beim Betrieb des Kabels strömt das Kühlmittel
für den Leiter durch den hohlen Innenraum des Leiters und durch den Zwischenraum
zwischen dem Leiter und dem Wellrohr 30. Auch dieser Leiter kann nach dem Verlegen
der Rohrleitung in das Wellrohr 30 eingezogen werden. Ebenso wie das Wellrohr 1
in den Figuren 1 und 2 ist auch das Wellrohr 30 von weiteren.Wellrohren umgeben.
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Bei der in den Figuren 5a und 5b dargestellten Ausführungsform eines
tiefgekühlten Kabels mit einer erfindungsgemäßen Rohrleitung besteht der Leiter
40 aus drei gegeneinander verschwenkbaren Teilen. Beim Einschieben des Leiters in
das innere Wellrohr 41 können diese verschwenkbaren Teile, wie Fig. 5a zeigt, zusammengeklappt
sein, so daß der Leiter besonders leicht in das Wellrohr 41 eingeschoben werden
kann. Nach dem Einschieben werden die einzelnen Teile des Leiters, wie Fig. 5b zeigt,
geschwenkt und gegen das Wellrohr 41 verspreizt. An den Außenseiten der einzelnen
Teile des Leiters 40 sind Isolierstoffstreifen 42 angebracht, die das Gleiten des
Wellrohres 41 auf den Teilen des Leiters 40 erleichtern und zur Isolation des Leiters
40 gegen das Wellrohr 41 dienen. Auch bei dieser Ausführungsforin ist das Wellrohr
41 von weiteren Wellrohren umgeben.
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Gegebenenfalls können an verschiedenen Stellen des Leiters eines tiefgekühlten
Kabels, beispielsweise des Leiters 31 in Fig. 4, flexible Zonen zum Ausgleich der
thermischen Dehnung bzw.
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Schrumpfung des Leiters vorgesehen sein. An diesen Stellen, an denen
der Leiter also nicht starr ist, kann das den Leiter umgebende Wellrohr 30 vorteilhaft
unterbrochen und durch ein
starres Rohr ersetzt sein. Durch diese
Maßnahme ist dann auch den flexiblen Stellen des Leiters 31 die mechanische Stabilität
der Rohrleitung gesichert.
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Als Material für die Wellrohre ist beispielsweise Edelstahl geeignet.
Die das Strahlungsschild bildenden Wellrohre können vorteilhaft auch aus einem gut
wärmeleitenden Material, beispielsweise Kupfer, bestehen.
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7 Patentansprüche 6 Figuren