DE2141202C3 - Kabel mit Supraleitern - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kabel mit mindestens einem Supraleiter, der in einem ein Kühlmittel enthaltenden Rohr angeordnet ist, das gegen ein Strahlungsschild abgestützt ist. Als Kühlmittel dient im allgemeinen Helium, das den Supraleiter oder auch mehrere Supraleiter unter der Sprungtemperatur des Leitermaterials hält.

Elektrische Kabel mit tiefgekühlten Leitern, insbesondere mit Supraleitern, sind bisher in verschiedenen Ausführungsformen bekanntgeworden. Das Kälteschutzsystem dieser Kabel stellt praktisch ein langgestrecktes Dewargefäß dar, das aus konzentrischen Rohren besteht. Das innere Rohr enthält die elektrischen Leiter, die vom Helium umgeben sind, das als Kühl- und Isolationsmittel dienen kann. Im Raum zwischen dem inneren und dem darauffolgenden Rohr bildet sich nach einer Vorevakuierung ein Kryovakuum aus, so daß die

ίο Wärmeleitung in das Heliumrohr praktisch nur über Abstandshalter erfolgt, die zwischen den Rohren angeordnet sind und mit denen das Heliumrohr gegen ein dieses konzentrisch umgebendes Rohr abgestützt ist. Das zweite Rohr besteht im allgemeinen aus gut wärmeleitendem Material, beispielsweise Aluminium oder Kupfer, und wird durch flüssigen Stickstoff auf einer Temperatur von 77° K gehalten. Dieser Behälter verhindert deshalb weitgehend ein Eindringen der Strahlungswärme von der das Kabel umgebenden äußeren Atmosphäre; er wird deshalb auch als Strahlungsschild bezeichnet. Dieses Strahlungsschild ist von einer äußeren Kabelhülle umgeben, die in bekannter Weise aus Stahl bestehen kann.

Der Raum zwischen der äußeren hülle und dem Strahlungsschild wird zur Begrenzung der Wärmeleitungsverluste auf etwa 10-⁵ Torr evakuiert und teilweise mit einer größeren Anzahl übereinandergelegter metallisierter dünner Plastikfolien gefüllt. Diese Zwischenlage — auch Superisolation genannt — bildet fein abgestufte, die Strahlungsverluste vermindernde Zwischentemperaturniveaus. Eine solche Superisolation zur Begrenzung der Wärmeleitungsverluste kann auch zwischen dem Heliumrohr und dem Stickstoffschild angeordnet sein. Diese Superisolation vermindert zwar die Wärmeleitungsverluste in einem so aufgebauten Kabel; es ist jedoch nicht zu vermeiden, daß die Stützelemente zwischen den einzelnen Rohren durch die Superisolation hindurchgeführt werden. Da durch die Abstützungen jeweils die Superisolation gestört wird, ist man bestrebt, diese Stützelemente möglichst kurz zu halten.

In der deutschen Auslegeschrift 16 40 750 ist ein supraleitendes Wechselstromkabei itü Helium als Kühl- und Isolationsmittel beschrieben, dessen Supraleiter in einem Rohr angeordnet sind, das vom Stickstoff-Strahlungsschild durch Superisolation getrennt ist. Der Raum zwischen dem Stickstoff-Strahlungsschild und einem äußeren Rohr ist ebenfalls zum Teil mit Superisolation gefüllt. Als Stützelemente für die Abstützung des Heliumrohres gegen das äußere Rohr dienen dünne Fäden, die zwischen dem Heliumrohr und dem äußeren Rohr gespannt sind und sowohl durch die Superisolation als auch durch das Strahlungsschild hindurchgeführt sind. Die Verspannung des Heliumrohres mit dem äußeren Rohr ist aber nur möglich, wenn bereits beide ineinandergeschoben sind. In der bekannten Ausführungsform hat man deshalb zunächst einen Teil des äußeren Rohres entfernt und diesen nach der Fertigstellung anschließend als Deckel wieder aufgelegt. Diese Art des Aufbaus und der Herstellung des Kabels ist somit entsprechend kompliziert und aufwendig.

Bei einem weiteren Tieftemperaturkabel (Bericht der »Conference on LOW TEMPERATURES und ELECTRIC POWER«, London, 24. bis 26. März 1969, S. 105 bis 111) ist ein Innenrohr mittels Drähten im Inneren eines Außenrohres aufgehängt. Die Drähte sind an Trägerringen befestigt, die längs der Innenwand des Außenrohres in Achsrichtung des Kabels gleiten kön-

nen und die mittels Abstandselementen in vorgegebenen Abständen voneinander gehalten werden können. Der Raum zwischen dem Innen- und Ai;ßenrohr ist teilweise mit Superisolation ausgefü'k und ist evakuiert. Bei einem derartigen Kabel können zwar Schrumpfungsunterschiede zwischen den auf verschiedenen Temperaturniveaus liegenden Rohren ausgt glichen werden. Jedoch ist die Bewicklung des Innenrohres mit SuperisoL'ition durch die Drahtaufhängung erschwert. Darüber hinaus sind zur Herstellung des Kabels besonders aufwendige Vorrichtungen erforderlich, um das mit Superisolrtion bewickelte Innenrohr und die Trägerringe im Inneren des Außenrohres anzuordnen.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß es nicht zweckmäßig ist, Superisolation zwischen dem Heliumrohr und dem Stickstoffschild einzufügen, weil diese Superisolation die thermische Isoteüon des Kabels ungünstig beeinflussen kann. Die Strahlungsleistung des beispielsweise aus Stahl bestehenden äußeren Mantels in Richtung auf die über dem Strahlungsschild befindliche Superisolation beträgt etwa 467 W/m², wenn man den Stahlmantel als strahlenden schwarzen Körper betrachtet. Demgegenüber beträgt die Abstrahlung des Stickstoffschildes, das sich auf einer Temperatur von 77° K befindet, auf das Heliumrohr nur einige mW. Ist das Heliumrohr von den dünnen Folien der Superisolation umgeben, so macht sich der geringe Anteil der Wärmeleitung zwischen den Berührungspunkten der einzelnen Folien störend bemerkbar.

Es ist auch ein supraleitendes Kabel bekannt (britische Patentschrift 11 67 054), das keine Superisolation aufweist. Dieses Kabel enthält ein inneres Rohr, das konzentrisch von einem äußeren Rohr umschlossen ist. Der Raum zwischen diesen beiden Rohren ist evakuiert. Die beiden Rohre, die in axialer Richtung gewellt sind, werden durch mehrere, in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt angeordnete und zwischen ihnen wendelförmig verlaufende Kunststoffstreifen auf Abstand gehalten. Auf Grund der Welligkeit der Rohre haben die Kunststoffstreifen nur punktförmige Berührungsstellen mit den Rohren. Da die Zahl dieser Berührungsstellen jedoch verhältnismäßig groß ist, werden entsprechend große Wärmemengen von dem äußeren Wellrohr auf das innere Wellrohr geleitet. Darüber hinaus lassen sich die Kunststoffstreifen nur schwierig zwischen den gewellten Rohren anordnen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein einfach herzustellendes supraleitendes Kabel zu schaffen, für das keine Superisolation zwischen einem ein Kühlmittel führenden Kühlrohr und einem konzentrisch dazu angeordneten Strahlungsschild erforderlich ist und dessen Wärmeübertragung auf sein Kühlrohr dennoch verhältnismäßig gering ist. Darüber hinaus soil das Kabel so gestaltet sein, daß die bei einer Abkühlung auf Tieftemperatur auftretenden Dehnungsunterschiede zwischen Kühlrohr und Strahlungsschild leicht ausgeglichen werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen dem Kühlrohr und dem Strahlungsschild mehrere in Achsrichtung des Kabels verlaufende Brücken zur Abstützung vorgesehen sind, deren Enden jeweils mittelbar oder unmittelbar am Kühlrohr oder an dem Strahlungsschild anliegen und deren Bogenteil jeweils einen Stützpunkt am Strahlungsschild bzw. dem Kühlrohr bildet, und daß die Brücken jeweils durch Verstrebungen gegeneinander abgestützt sind. Zwischen dem Kühlrohr, das allgemein als Heliumrohr bezeichnet wird, obwohl unter Umständen auch eine Kühlung mit Wasserstoff geeignet sein kann, und dem Strahlungsschild befindet sich lediglich ein Vakuum. Mar katin deshalb verhältnismäßig lange Brückenbogen verwenden, die vorzugsweise aus schlecht wärme-S leitendem Material bestehen können. Die äußere Seite des Heliumrohres und die innere Oberfläche des Stickstoffschildes können zweckmäßig mit im ultraroten Strahlungsbereich hochreflektierenden Schichten versehen werden.

Während man bei der Verwendung von Superisolation darauf angewiesen war, möglichst kurze Abstützungen aus Keramik oder Kunststoff oder sehr dünne Abstützungen aus Metall zu verwenden, ist es mit dem Aufbau eines Kabels nach der Erfindung möglich, verhältnismäßig lange Abstützungen zu verwenden, die auch aus schlecht wärmeleitenden Metallen, beispielsweise V2A-Stahl, Nickel, Neusilber, Invar oder sonstigen bei tiefen Temperaturen schlecht wärmeleitenden Metallen, bestehen können. Ferner können auch Kunststoffe oder keramische Materialien verwendet werden. Eine besonders vorteilhafte weitere Ausgestaltung des Supraleiterkabels nach der Erfindung besteht darin, daß eine gleitende Auflage der Stützpunkte und gegebenenfalls auch der Fußpunkte an den Enden der Brükkenarme vorgesehen ist. Zu diesem Zweck kann vorzugsweise an dem Stützpunkt jedes Brückenbogens eine Fassung für ein Gleitlager, insbesondere ein Kugellager, vorgesehen sein, deren Kugel an dem äußeren Rohr gleitet. In ähnlicher Weise kann jede Brücke auch aus einer Kufe bestehen, deren Fußpunkte als Lager ausgebildet sein können. Durch diese gleitende Auflage werden unzulässige Spannungen vermieden, die durch die unterschiedlichen Wärmedehnungen der Materialien entstehen, die sich auf erheblich voneinander abweichenden Temperaturniveaus befinden.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen.

Nach F i g. 1 sind beispielsweise drei Supraleiter 2 eines Drehstromkabels von einem Isolation«- und Kühlmittel 4, vorzugsweise Helium, umgeben und in einem Rohr 6 angeordnet. Das Heliumrohr 6 ist von einem konzentrischen Rohr 8 umgeben, das aus einem gut wärmeleitenden Material, vorzugsweise Aluminium oder Kupfer, besteht und von einem Kühlmittel vorzugsweise Stickstoff, gekühlt wird, das durch ein mit dem Rohr 8 wärmeleitend verbundenes, in Achsrichtung des Kabels verlaufendes Rohr 10 geleitet wird oder auch den Zwischenraum zwischen dem Rohr 8 und einem in der Figur nicht dargestellten äußeren Mantel des Kabels durchfließen kann. Das Rohr 8 wird auf einer Temperatur von 77⁰K gehalten, wenn mit flüssigem Stickstoff gekühlt wird und dient als Strahlungsschild für von außen eingestrahlte Wärme. Der Zwischenraum 12 zwischen dem Heliumrohr 6 und dem Strahlungsschild 8 wird im allgemeinen evakuiert auf ein Vakuum von beispielsweise etwa IO-⁵ Torr. Das Heliumrohr 6 wird nach der Erfindung gegen den Strahlungsschild 8 abgestützt durch brückenförmige Stützelemente 14, deren vorzugsweise etwas gebogene Träger etwa in ihrer Mitte einen Stützpunkt gegen den Strahlungsschild 8 bilden und deren freie Enden 16 als Brückenfußpunkte dienen. Die Enden 16 können zweckmäßig unmittelbar am Heliumrohr 6 befestigt, vorzugsweise verlötet oder verschweißt sein, wie es in der Figur angedeutet ist. Am höchsten Punkt des Brükkenbogens erhält man einen Stützpunkt, der in Verbindung mit der Erfindung gleitend ausgebildet sein kann und zu diesem Zweck eine Fassung 18 für ein Gleitla-

ger, vorzugsweise ein Kugellager, enthalten kann, in dem eine Kugel 20 gelagert ist, die sich im Falle einer in Achsrichtung des Kabels wirkenden Kraft an der inneren Oberfläche des Strahlungsschildes 8 entlang bewegen kann. Durch diese gleitende Lagerung der Brücken können thermische Spannungen weitgehend vermieden werden, die durch unterschiedliche Dehnungen der Materialien des Kabels bei den sehr voneinander abweichenden Wärmedehnungen bei den unterschiedlichen Niveaus entstehen können. Die einzelnen Brükkenbogen können zweckmäßig durch Verstrebungen 22 gegeneinander abgestützt sein, die etwa die Form von Ringsektoren haben und zusammen einen Ring bilden können.

Unter Umständen kann es zweckmäßig sein, die Enden 16 der Brücken 14 mit dem Strahlungsschild 8 zu verbinden und jeweils einen gleitenden Stützpunkt gegen das Heliumrohr 6 zu bilden.

Ferner ist es zwar zweckmäßig, aber nicht notwendig, daß die Enden 16 am Kühlrohr 8 befestigt werden. Es können nämlich auch die Enden 16 gegeneinander abgestützt sein und diese Streben so gestaltet sein, daß sie wenigstens mit einzelnen Auflagepunkten auf der Oberfläche des Kühlrohres gleiten, insbesondere dort federnd aufliegen. Die im Vergleich zum geringen Abstand des Kühlrohres 6 zum Strahlungsschild 8 langen Brückenbogen 14 werden aus schlecht wärmeleitendem, aber zugleich mechanisch stabilem Material, vorzugsweise schlecht wärmeleitendem Metall, hergestellt. Da die Brückenbogen verhältnismäßig lang sind, ist auch die übertragene Wärmeleistung entsprechend gering.

In einer besonderen Ausführungsform nach F i g. 2 können die Brückenbogen 14 auch in Form von Kufen gestaltet sein, deren höchster Bogenpunkt einen Stützpunkt gegen den Strahlungsschild 8 bildet. Dieser Stützpunkt kann vorzugsweise ebenfalls als Lager ausgebildet sein, dessen Kugel 20 in einer Fassung 18 gelagert ist. Eine Verstrebung der Brücken 14 ist mit 22 bezeichnet. Die Fußpunkte 24 der kufenförmigen Brükkenbogen 14 können dann beispielsweise mittels einer über die Enden gezogenen Manschette 26 am Kühlrohr 6 befestigt sein. Diese Manschette 26 kann in einfacher Weise am Kühlrohr 6 befestigt sein und aus Metall bestehen. Sie umfaßt das Ende der Kufe 14, die auch au: Keramik oder Kunststoff bestehen kann.

In der Ausführungsform nach Fig.3 sind die Fuß punkte der Brückenbogen 14 nicht unmittelbar mit derr Kühlrohr 6 verbunden, sondern mittels Streben 28 ge geneinander abgestützt, die vorteilhaft einen geschlos senen Ring bilden können. Der Durchmesser des Rin ges ist größer als der Durchmesser des Kühlrohres 6 das die in der F i g. 3 nicht dargestellten Supraleite enthält. Die den Ring bildenden Streben 28 sind mi drei Stützen 30 versehen, die vorteilhaft gegenüber dei Brücken 14 am Umfang versetzt sein können. Die Fuß punkte der Stützen 30 können vorzugsweise als Spitzel 32 ausgebildet sein, die auf der Oberfläche des Kühl rohres 6 ruhen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Elektrische Kabel mit mindestens einem Supraleiter, der in einem ein Kühlmittel enthaltenden Rohr angeordnet ist, das gegen ein Strahlungsschild abgestützt ist, dadurch gekenn?eichnet, daß zwischen Kühlrohr (6) und Strahlungsschild (8) mehrere in Achsrichtung des Kabels verlaufende Brücken (14) zur Abstützung vorgesehen sind, deren Enden (16) jeweils mittelbar oder unmittelbar am Kühlrohr (6) oder am Strahlungsschild (8) anliegen und deren Bogenteil (14) jeweils einen Stützpunkt (18, 20) am Strahlungsschild (8) bzw. dem Kühirohr (6) büdet, und daß die Brücken (14) jeweils durch Verstrebungen (22) gegeneinander abgestützt sind.

2. Kabel nach Anspruch 1, gekennzeichne! durch eine gleitende Auflage (18, 20) der Stützpunkte und/oder der Fußpunkte (16) der Brücken (14).

3. Kabel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützpunkte und/oder die Fußpunkte der Brücken (14) als Kugellager (18, 20) ausgebildet sind.

4. Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die einander benachbarten Enden (16) der Brücken (14) djrch Streben (28) miteinander verbunden sind.

5. Kabel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Streben (28) einen Ring bilden.

6. Kabel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Streben (28) mit Stützen (30) versehen sind, deren Fußpunkte auf dem Kühirohr (6) ruhen.

7. Kabel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fußpunkte (32) der Stützen (30) des Ringes als Spitzen ausgebildet sind.

8. Kabel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützen (30) gegenüber den Brücken (14) am Umfang versetzt sind.

9. Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wölbung der Brükkenbogen (14) so gewählt ist, daß die Höhe des Stützpunktes oberhalb des Kühlrohres (6) geringer ist als der Abstand des Strahlungsschildes (8) vom Kühlrohr (6).

10. Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch eine Kufenform der Brücken (14).

11. Verfahren zur Herstellung eines Kabels nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Fußpunkte der Brücken mit dem Kühlrohr bzw. dem Strahlungsschild verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Brückenbogen (14) vor der Befestigung ihrer Fußpunkte (16) am Kühlrohr (6) bzw. am Strahlungsschild (8) mittels einer Kraft gegen die Enden der Brücken in Achsrichtung des Kabels eine mechanische Vorspannung erhalten.