<Desc/Clms Page number 1>
Supraleitende Energieübertragungsleitung
Die Erfindung betrifft supraleitende Energieübertragungsleitungen (Kabel) mit drei oder mehreren, die Supraleiter umgebenden, gegeneinander durch schlecht wärmeleitende Abstandshalter abgestützen, hohlzylindrischen Mänteln, zwischen denen sich evakuierte und bzw. oder von verflüssigten Gasen erfüllte Räume befinden.
Um die Stromleiter solcher supraleitender Kabel auf tiefsten, in der Nähe des absoluten Nullpunktes liegenden Temperaturen zu halten, werden bekannter Weise die Leiter im Inneren normaler Metallrohrleitungen, welche die Kühlflüssigkeit, z. B. flüssiges Helium, enthalten oder indirekt durch die Kühlflüssigkeit gekühlt sind, untergebracht (s. z. B. Mac Fee Power Engineering oct 1961, S. 80 - 82). Zur Wärmeisolation nach aussen wurde hiebei die Anordnung konzentrischer, die Metallrohrleitung umgebender, mittels schlechtleitender Abstandshalter gegeneinander und gegen das ursprüngliche Rohr abgestützter Rohre vorgesehen, zwischen denen sich Vakuum oder flüssige Gase befinden. Als Abstandshalter wurden Einlagen, z. B. aus schlechtwärmeleitendem V2A Stahl vorgeschlagen, welche die Rohrwandungen nur an kleinen Oberflächenteilen berühren.
Eine bekannte Ausführung sieht einen zwischen zwei evakuierten konzentrischen Hohlräumen eingeschalteten, mit Stickstoff erfüllten Raum vor, welcher dazu dient, das Temperaturgefälle zwischen der Aussenluft und dem flüssigen Helium zu unterteilen, um die von der 4. Potenz der Temperatur abhängigen Strahlungsverluste gegenüber Ausführungen mit nur einem evakuierten Zwischenraum herabzusetzen. In den evakuierten Räumen werden in neuerer Zeit in bekannter Weise auch Glas- oder Kunststoffasem, Metallpulver oder Metallfolien, die wie zwischengeschaltete, das Temperaturgefälle weiter unterteilende Spiegel wirken und eine starke Verringerung der Strahlungsverluste bewirken, angewendet (Superisolation).
Supraleitende Kabel solcher bekannter Bauart besitzt jedoch den schwerwiegenden Nachteil, dass die den Wärmeschutz bildenden Rohre aus Transportgründen aus kurzen Rohrstücken zusammengesetzt werden müssen, die erst nach Verlegung im Gelände durch Verlöten oder Verschweissen zu einem einheitlichen Rohrstrang verbunden werden, was nur mit ausserordentlichen Kosten und Inkaufnahme grosser Störanfälligkeit der Rohrleitungen hinsichtlich ihrer Gas- und Vakuumdichtheit verwirklicht werden kann. Um die erforderliche Wärmedehnung der Rohre im Betrieb zu ermöglichen, ist es bei den bisher vorgeschlagenen Kabelausführungen weiters auch nötig, zusätzliche Vorkehrungen (wie etwa die Einschaltung von Rohrbögen oder von kurzen Metallschläuchen) im Zuge der Rohrleitungen vorzusehen.
Durch die Erfindung sollen diese Nachteile der bekannten Kabelausführungen vermieden werden.
Dies geschieht erfindungsgemäss dadurch, dass der äusserste Mantel in an sich bekannter Weise als nach Art eines Metallschlauches geformtes, biegsames dehnbares und dichtes Wellrohr ausgebildet ist, und dass auch die übrigen Mäntel der Leitung aus solchen Wellrohren bestehen.
Bei flüssigkeitsgekühlten Energieübertragungskabeln ist es zwar bereits bekannt, den äusseren Kabelmantel als Wellrohr auszubilden. Das Wellrohr dient in diesem bekannten Fall in erster Linie zur Aufnahme von Kühlflüssigkeit, d. h. also eines Mediums, dessen Aufgabe es ist, aus dem inneren Rohr des Kabels möglichst grosse Wärmemengen durch Wärmeleitung aufzunehmen.
Bei supraleitenden Energieübertragungsleitungen liegen hingegen prinzipiell andersgeartete Vor-
<Desc/Clms Page number 2>
aussetzungen vor. Durch die erfindungsgemässe Ausführung, die auch von den Vorteilen der bekannten Wellrohre Gebrauch macht, werden die entscheidenden Hemmnisse, die der praktischen Verwendbarkeit von supraleitenden Übertragungsleitungen bisher entgegenstanden,. überwunden. Es besteht nun erstmalig die Möglichkeit, solche Energieübertragungsleitungen in Längen von etwa 1, 500 m und darüber in einem Stück herzustellen, so dass sie auf Trommeln aufgewickelt transportiert, nach Abrollung von den Trommeln wie ein gewöhnliches Kabel im Gelände verlegt und miteinander zu beliebig langen Rohrleitungen verbunden werden können. Durch die in grossen Längen auf Spezialmaschinen herstellbaren, z.
B. aus Aluminium bestehenden Wellrohre entfallen die beiden bisher bekannten supraleitenden Kabeln erforderlichen zahlreichen Verbindungsstellen der kurzen Rohrstücke im Gelände, woraus sich eine erhebliche Ersparnis an Montagekosten ergibt.
Mit dem Fortfall der zahlreichen Nahtstellen des Kabels ist eine ausserordentliche Zunahme der Be- triebtsicherheit verbunden, da die beträchtlichen Probleme der gas-und vakuumdichten Ausführung der Leitung, die nach den bekannten Ausführungsvorschlägen nur mit grossen Kosten und unter Inkaufnahme erheblicher Störanfälligkeit der Rohrleitungen gelöst werden konnten, entfallen. Darüber hinaus sind die Wellrohre infolge ihrer Flexibilität auch in der Lage, starke Wärmedehnungen aufzunehmen, so dass auf die bisher in Vorschlag gebrachten Massnahmen zur Ermöglichung der Wärmedehnungen von supraleitenden Kabeln verzichtet werden kann.
Auch in betrieblicher Hinsicht bietet die erfindungsgemässe Ausbildung des Kabels erhebliche Vorteile. Auf Grund der absoluten bzw. Vakuumdichtheit der Wellrohre und ihrer grossen mechanischen Widerstandsfähigkeit besteht nämlich die Möglichkeit, in den evakuierten Zwischenräumen ein Vakuum von 10 : 4 bis 10-6 mm Quecksilbersäule, wie es mittels billiger und betriebssicherer Vorpumpen und HgDiffusionspumpen erreicht werden kann, aufrechtzuerhalten.
Nach einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass die evakuierten Räume zwischen den Wellrohren mindestens teilweise durch Glas- oder Kunststoffasern oder Metallfolien ausgefüllt sind. Eine solche Übertragungsleitung wird somit den aus Wirtschaftlichkeitsgründen zu stellenden hohen Anforderungen hinsichtlich reduzierter Wärmeleitungs-und Strahlungsverluste voll und ganz gerecht.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung können die zwischen den Wellrohren angeordneten Abstandshalter vorzugsweise auf den Rohren mit jeweils dem kleineren Durchmesser befestigt sein, und können die Abstandshalter ein mit der Oberfläche der Wellrohre im wesentlichen in Punkt- oder Linienberührung stehendes Profil aufweisen. Damit wird die direkte Wärmeleitung in radialer Richtung von Rohr zu Rohr nahezu unterbunden. Die unbehinderte Wärmedehnung der einzelnen Wellrohre bleibt hiebei gewahrt. Auch die mechanische Funktion der Abstandshalter, die zwischen den Rohren auftretenden Kräfte aufzunehmen, wird durch die letztgenannte Massnahme in keiner Weise beeinträchtigt.
Die Wärmeleitungsverluste des Kabels können erfindungsgemäss noch weiter reduziert werden, wenn die Abstandshalter in Richtung ihrer Längserstreckung abwechselnd Abschnitte mit vollem Profilquerschnitt und Abschnitte mit verringerter Querschnitthöhe aufweisen. Damit werden die Berührungsflächen zwischen den Abstandshaltern und den Wellrohren noch wesentlich verkleinert.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann es sich als vorteilhaft erweisen, wenn die auf der Aussenseite Abstandshalter tragenden Wellrohre gegenüber den Wellrohren mit dem jeweils nächst grösseren Durchmesser soviel Spiel besitzen, dass sie in das im Gelände verlegte Wellrohr mit dem nächst grösseren Durchmesser einziehbar sind. Daraus erfolgt eine erhebliche Vereinfachung und Erleichterung der Montage des Kabels an der Baustelle.
Eine weitere Montageerleichterung ist schliesslich erfindungsgemäss dadurch gegeben, dass die bifilaren oder sonst eng nebeneinanderliegenden oder koaxial ausgeführten einzelnen Supraleiter im innersten Wellrohr locker verlegt und gegebenenfalls in das im Gelände verlegte Wellrohr einziehbar sind. Diese Verlegungsart der Supraleiter gewährleistet die unbehinderte Wärmedehnung der Wellrohre, unabhängig von den darin untergebrachten Supraleitern. Es kann daher niemals zu axialen Verspannungen des verlegten Kabels kommen.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 und 2 je ein Beispiel einer bekannten Ausführung eines supraleitenden Kabels in schematischer Darstellung, Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Kabelausführung nach der Erfindung, teilweise im Schnitt und Fig. 4 einen Querschnitt der Kabelausführung nach Fig. 3.
Die einfachste Ausführungsform eines supraleitenden Übertragungskabels gemäss Fig. l weist ein die in flüssiges Helium He eingebetteten supraleitenden Leiter L enthaltendes Innenrohr R auf, welches von einem durch Abstandshalter A abgestützten konzentrischen Hüllrohr umgeben ist. Die
<Desc/Clms Page number 3>
beiden Rohre begrenzen einen ringförmigen evakuierten Zwischenraum V1'Bei dieser Ausführung treten durch die Wärmeleitung über die Abstandshalter A verhältnismässig grosse Wärmeverluste und durch die mangelhafte Isolierung auch erhebliche Strahlungsverluste auf.
Einen ersten Schritt zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit solcher Kabel stellt die bekannte Ausführung nach Fig. 2 dar. Hier ist zur Unterteilung des Temperaturgefälles zwischen der Aussenluft und dem flüssigen Helium die Anordnung zweier konzentrischer evakuierter Räume V1 und V ; mit dazwischenliegendem, mit flüssigem Stickstoff Nz erfüllten Raum vorgesehen. Trotz der durch diese Bauart erzielbaren Reduzierung der Wärmeleitungs- und Strahlungsverluste ist eine wirtschaftliche Verwendbarkeit solcher Energieübertragungsleitungen dadurch in Frage gestellt, dass sie aus verhältnismässig kurzen Rohrstücken durch Verschweissen oder Verlöten zu einem Rohrstrang der gewünschten Länge verbunden werden müssen.
Die hohen Kosten und die grosse Störanfälligkeit dieter bekannten Ausführung standen der praktischen Verwendung solcher supraleitender Kabel bisher im Wege.
Bei der erfindungsgemässen Ausführung nach Fig. 3 und 4 bestehen sowohl der äusserste als auch alle übrigen konzentrischen Mäntel der Leitung aus nach Art von Metallschläuchen geformten, biegsamen dehnbaren und dichten Wellrohren. Zwischen den aufeinanderfolgenden Wellrohren befinden sich abwechselnd evakuierte Räume V und mit flüssigem Stickstoff N ; erfüllte Zwischenräume. Die gegenseitige Stützung der Wellrohre erfolgt durch in den evakuierten Räumen V und dem mit Stickstoff Ne erfüllten Zwischenraum angeordnete, im Querschnitt etwa dreieckige Abstandshalter, welche vorzugsweise auf den Rohren mit jeweils dem kleineren Durchmesser befestigt sind. Mit der Oberfläche der Wellrohre mit dem jeweils grösseren Durchmesser stehen diese Abstandshalter im wesentlichen nur in Punkt-oder Linienberührung.
In der Längsrichtung des Kabels verlaufen die Abstandshalter, wie aus Fig. 3 ersichtlich, nach Schraubenlinien und weisen vorzugsweise aufeinanderfolgende Abschnitte mit vollem Profilquerschnitt und Abschnitte mit verringerter Querschnittshöhe auf (vgl. Fig. 4 unten). Auf der Aussenseite Abstandshalter tragende Wellrohre besitzen gegenüber den Wellrohren mit dem nächst grösseren Durchmesser soviel Spiel, dass sie bei der Verlegung des Kabels im Gelände leicht in das Wellrohr mit dem nächst grösseren Durchmesser eingezogen werden können.
Es empfiehlt sich, die im innersten Wellrohr befindlichen einzelnen Supraleiter locker zu verlegen, damit allfällig auftretende Wärmedehnungen der Wellrohre durch die Supraleiter nicht behindert werden.
Im Rahmen der Erfindung sind zahlreiche, von den dargestellten und beschriebenen Ausführungbeispielen abweichende Ausführungen supraleitender Kabel möglich. So unterliegen insbesondere die Abstandshalter hinsichtlich ihrer Form, Anordnung und Materialwahl keiner Beschränkung.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Supraleitende Energieübertragungsleitung (Kabel) mit drei oder mehreren, die Supraleiter umgebenden, gegeneinander durch schlecht wärmeleitende Abstandshalter abgestützten, hohlzylindrischen Mänteln, zwischen denen sich evakuierte und bzw. oder von verflüssigten Gasen erfüllt Räume befinden, dadurch gekennzeichnet, dass der äusserste Mantel in an sich bekannter Weise als nach Art eines Metallschlauches geformtes, biegsames dehnbares und dichtes Wellrohrausgebildetist, und dass auch die übrigen Mäntel der Leitung aus solchen Wellrohren bestehen.
EMI3.1
<Desc / Clms Page number 1>
Superconducting power transmission line
The invention relates to superconducting energy transmission lines (cables) with three or more hollow-cylindrical jackets surrounding the superconductors and supported against each other by poorly heat-conducting spacers, between which there are evacuated and / or liquefied gas-filled spaces.
In order to keep the current conductors of such superconducting cables at the lowest temperatures close to absolute zero, the conductors are known to be inside normal metal pipelines which carry the cooling liquid, e.g. B. liquid helium, contained or indirectly cooled by the cooling liquid, housed (see z. B. Mac Fee Power Engineering Oct 1961, pp. 80-82). For thermal insulation to the outside, the arrangement of concentric pipes surrounding the metal pipeline, supported against each other and against the original pipe by means of poorly conducting spacers, between which there is a vacuum or liquid gases. As spacers were deposits, z. B. suggested from poor heat conducting V2A steel, which touch the pipe walls only on small surface parts.
A known design provides a space filled with nitrogen, inserted between two evacuated concentric cavities, which serves to subdivide the temperature gradient between the outside air and the liquid helium in order to reduce the radiation losses that depend on the fourth power of the temperature compared to designs with only one to reduce evacuated space. In the evacuated rooms, glass or plastic fibers, metal powder or metal foils, which act as intermediary mirrors that further subdivide the temperature gradient and cause a strong reduction in radiation losses, have recently been used in a known manner (super insulation).
Superconducting cables of this type, however, have the serious disadvantage that, for reasons of transport, the pipes forming the heat protection have to be assembled from short pipe pieces that are only connected to a uniform pipe string after laying in the field by soldering or welding, which only involves extraordinary costs and acceptance great susceptibility to failure of the pipelines with regard to their gas and vacuum tightness can be realized. In order to enable the required thermal expansion of the pipes during operation, it is also necessary with the previously proposed cable designs to take additional precautions (such as the inclusion of pipe bends or short metal hoses) in the course of the pipelines.
The invention is intended to avoid these disadvantages of the known cable designs.
This is done according to the invention in that the outermost jacket is designed in a manner known per se as a flexible, expandable and tight corrugated pipe shaped like a metal hose, and that the other jackets of the line also consist of such corrugated pipes.
In the case of liquid-cooled energy transmission cables, it is already known to design the outer cable jacket as a corrugated tube. In this known case, the corrugated tube is primarily used to receive cooling liquid, i.e. H. in other words, a medium whose task it is to absorb the greatest possible amount of heat from the inner tube of the cable by conduction.
In the case of superconducting power transmission lines, on the other hand, there are fundamentally different
<Desc / Clms Page number 2>
suspensions before. The design according to the invention, which also makes use of the advantages of the known corrugated pipes, removes the decisive obstacles that have hitherto stood in the way of the practical use of superconducting transmission lines. overcome. It is now possible for the first time to manufacture such energy transmission lines in lengths of around 1,500 m and more in one piece, so that they are transported rolled up on drums, after unwinding from the drums, laid like an ordinary cable in the field and together to form pipelines of any length can be connected. By producing large lengths on special machines, e.g.
B. made of aluminum existing corrugated pipes, the two previously known superconducting cables required numerous connection points of the short pipe sections in the field, which results in a significant saving in assembly costs.
The elimination of the numerous seams in the cable is associated with an extraordinary increase in operational safety, since the considerable problems of the gas-tight and vacuum-tight design of the line, which according to the known design proposals could only be solved at great cost and with considerable susceptibility to failure of the pipelines , omitted. In addition, due to their flexibility, the corrugated pipes are also able to absorb strong thermal expansions, so that the measures previously proposed to enable the thermal expansions of superconducting cables can be dispensed with.
The design of the cable according to the invention also offers considerable advantages in operational terms. Due to the absolute or vacuum tightness of the corrugated pipes and their high mechanical resistance, it is possible to maintain a vacuum of 10: 4 to 10-6 mm of mercury in the evacuated spaces, as can be achieved using cheap and reliable backing pumps and Hg diffusion pumps .
According to a preferred embodiment of the invention, it is provided that the evacuated spaces between the corrugated pipes are at least partially filled with glass or plastic fibers or metal foils. Such a transmission line thus fully meets the high demands made for reasons of economy with regard to reduced heat conduction and radiation losses.
In a further embodiment of the invention, the spacers arranged between the corrugated tubes can preferably be fastened to the tubes with the smaller diameter, and the spacers can have a profile that is essentially in point or line contact with the surface of the corrugated tubes. This almost prevents direct heat conduction in the radial direction from pipe to pipe. The unhindered thermal expansion of the individual corrugated pipes is preserved. The mechanical function of the spacers, which absorb the forces occurring between the tubes, is in no way impaired by the last-mentioned measure.
According to the invention, the heat conduction losses of the cable can be reduced even further if the spacers alternately have sections with a full profile cross-section and sections with a reduced cross-sectional height in the direction of their longitudinal extension. This significantly reduces the contact areas between the spacers and the corrugated pipes.
According to a further feature of the invention, it can prove to be advantageous if the corrugated pipes carrying spacers on the outside have so much play relative to the corrugated pipes with the next larger diameter that they can be pulled into the corrugated pipe laid in the field with the next larger diameter. This results in a considerable simplification and facilitation of the assembly of the cable on the construction site.
Finally, according to the invention, a further simplification of assembly is given by the fact that the bifilar or otherwise closely adjacent or coaxially designed individual superconductors are loosely laid in the innermost corrugated pipe and, if necessary, can be pulled into the corrugated pipe laid in the field. This type of laying of the superconductors guarantees the unhindered thermal expansion of the corrugated pipes, regardless of the superconductors housed in them. There can therefore never be any axial tension in the installed cable.
The invention is explained in more detail below with reference to the drawings. 1 and 2 each show an example of a known embodiment of a superconducting cable in a schematic illustration, FIG. 3 is a schematic illustration of a cable embodiment according to the invention, partially in section, and FIG. 4 is a cross section of the cable embodiment according to FIG. 3.
The simplest embodiment of a superconducting transmission cable according to FIG. 1 has an inner tube R containing the superconducting conductor L embedded in liquid helium He, which is surrounded by a concentric jacket tube supported by spacers A. The
<Desc / Clms Page number 3>
Both tubes delimit an annular evacuated intermediate space V1 '. In this embodiment, relatively large heat losses occur due to the conduction of heat via the spacers A and, due to the inadequate insulation, considerable radiation losses also occur.
The known embodiment according to FIG. 2 represents a first step towards improving the economic efficiency of such cables. Here, the arrangement of two concentric evacuated spaces V1 and V is necessary to subdivide the temperature gradient between the outside air and the liquid helium; provided with an intermediate space filled with liquid nitrogen Nz. Despite the reduction in heat conduction and radiation losses that can be achieved by this design, the economic usability of such energy transmission lines is called into question because they have to be connected from relatively short pipe sections by welding or soldering to form a pipe string of the desired length.
The high costs and the great susceptibility to failure of the known design have hitherto stood in the way of the practical use of such superconducting cables.
In the embodiment according to the invention according to FIGS. 3 and 4, both the outermost and all other concentric jackets of the line consist of flexible, expandable and tight corrugated tubes shaped like metal hoses. Between the successive corrugated pipes there are alternately evacuated spaces V and with liquid nitrogen N; filled spaces. The mutual support of the corrugated pipes takes place in the evacuated spaces V and the intermediate space filled with nitrogen Ne, approximately triangular in cross-section spacers, which are preferably attached to the pipes with the smaller diameter. With the surface of the corrugated pipes with the larger diameter in each case, these spacers are essentially only in point or line contact.
In the longitudinal direction of the cable, as can be seen from FIG. 3, the spacers run along helical lines and preferably have successive sections with a full profile cross-section and sections with a reduced cross-sectional height (see FIG. 4 below). Corrugated pipes carrying spacers on the outside have so much play compared to the corrugated pipes with the next larger diameter that they can be easily pulled into the corrugated pipe with the next larger diameter when the cable is laid in the field.
It is advisable to lay the individual superconductors in the innermost corrugated pipe loosely so that any thermal expansion of the corrugated pipes is not hindered by the superconductors.
In the context of the invention, numerous designs of superconducting cables that differ from the illustrated and described exemplary embodiments are possible. In particular, the spacers are not subject to any restrictions with regard to their shape, arrangement and choice of material.
PATENT CLAIMS:
1. Superconducting energy transmission line (cable) with three or more, the superconductor surrounding, supported against each other by poorly thermally conductive spacers, hollow cylindrical sheaths, between which there are evacuated and / or filled with liquefied gases rooms, characterized in that the outermost jacket in on is designed in a known manner as a flexible, expandable and tight corrugated pipe shaped like a metal hose, and that the remaining jackets of the line also consist of such corrugated pipes.
EMI3.1