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[Technisches Gebiet]
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein supraleitendes Kabel. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein supraleitendes Kabel, in dem eine supraleitende Leiterschicht und eine supraleitende Abschirmschicht aus supraleitenden Drähten mit einem magnetischen Metallsubstrat (auf Ni-W-Basis) ausgebildet sind. Das supraleitende Kabel ist in der Lage, Wechselstromverluste zu minimieren, die bei der Übertragung von Wechselstromenergie verursacht werden.
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[Stand der Technik]
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Ein supraleitender Draht weist selbst bei geringer Spannung eine hohe elektrische Energieübertragungsfähigkeit auf, da der elektrische Widerstand desselben bei einer entsprechenden Temperatur gegen null geht.
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Ein supraleitendes Kabel mit einem derartigen supraleitenden Draht wendet ein Kühlverfahren mittels eines Kältemittels, wie zum Beispiel Stickstoff, und/oder ein Wärmeisolationsverfahren unter Ausbildung einer Vakuumschicht zur Erzeugung und Erhaltung einer kryogenen Umgebung an.
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Ein derartiges supraleitendes Kabel kann grundsätzlich eine aus supraleitendem Draht gebildete supraleitende Leiterschicht für die Übertragung elektrischer Energie und eine supraleitende Abschirmschicht beispielsweise zur Abschirmung von durch die supraleitende Leiterschicht induziertem Elektromagnetismus umfassen. Die supraleitende Abschirmschicht ist wie die supraleitende Leitschicht ebenfalls aus einem hochpreisigen supraleitenden Draht ausgebildet.
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Von der durch die supraleitende Leiterschicht übertragenen elektrischen Energie induzierte elektromagnetische Wellen sind also durch die supraleitende Abschirmschicht abschirmbar.
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Ein bislang entwickelter supraleitender Draht der ersten Generation auf BSCCO-Basis kann nach einem relativ einfachen mechanischen Bearbeitungsverfahren hergestellt werden. Ein solcher supraleitender Draht auf BSCCO-Basis (Bi-2233 oder Bi-2212) ist jedoch insofern beschränkt, als dass aufgrund seiner Kristallorientierung eine kritische Stromdichte (Jc) bei einer Temperatur von 77 K nicht auf 10A/m2 oder mehr gesteigert werden kann und es schwierig ist, die Herstellungskosten bei einer entsprechenden Leistung des supraleitenden Drahts zu senken, da der Preis von Ag, welches das Mantelmaterial des Drahts darstellt, hoch ist. Daher wurde supraleitender Draht der ersten Generation zuletzt nicht in großer Menge hergestellt oder verwendet.
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Inzwischen umfasst ein supraleitender Draht der zweiten Generation mehrere auf einem Metallsubstrat abgeschiedene Oxidschichten und wird daher als beschichteter Leiter (im Folgenden „CC“ (engl. coated conductor)) bezeichnet.
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Ein supraleitender Draht der zweiten Generation auf YBCO- oder REBCO-Basis weist einen hohen kritischen Strom in einem magnetischen Feld und eine kritische Stromdichte auf, die dutzendmal höher ist als bei Draht der ersten Generation auf BSCCO-Basis. Daher liegt seit den frühen 1990ern der Fokus auf ersterem als supraleitendem Draht der nächsten Generation, welcher den Hochtemperatursupraleiterdraht der ersten Generation ersetzen kann, und es wurden aktiv verschiedene Herstellungsverfahren für selbigen entwickelt.
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Ein derartiger supraleitender Draht der zweiten Generation kann grundsätzlich mehrere dünne Oxidschichten und Schutzschichten umfassen, die auf einem Metallsubstrat abgeschieden sind.
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Da der Fluss von Suprastrom in dem supraleitenden Draht der zweiten Generation an der Korngrenze beschränkt ist, ist es zur Gewährleistung des Flusses einer großen Menge an Suprastrom wichtig, die Kristallorientierung durch biaxiale Ausrichtung von Kristallkörnern des supraleitenden Drahts während dessen Bearbeitung zu verbessern. Der supraleitende Draht der zweiten Generation wird hauptsächlich durch Abscheiden eines YBCO- oder REBCO-Materials (RE = Sm, Gd, Nd, Dy, Ho) gebildet, und die supraleitenden Eigenschaften des supraleitenden Drahts der zweiten Generation hängen beispielsweise maßgeblich von der Zusammensetzung, Dichte und Kristallorientierung einer in dem hergestellten supraleitenden Draht enthaltenen supraleitenden Schicht ab.
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Ein in dem supraleitenden Draht der zweiten Generation vorgesehenes Metallsubstrat wird mittels verschiedener Materialien nach dem Abscheideverfahren einer Pufferschicht ausgebildet. Stellvertretend wird ein Substrat aus Hastelloy (einer Legierung, z. B. SUS) oder ein Substrat aus einer Ni-W-Legierung verwendet, in welchem Metallkristalle im Voraus durch Walzen und Rekristallisationswärmebehandlung (Rolling Assisted Biaxially Textured Substrate (RABiTS)) biaxial ausgerichtet werden.
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Wenn beispielsweise das aus einem magnetischen Stoff ausgebildete Ni-W-Legierungssubstrat als Metallsubstrat des supraleitenden Drahts der zweiten Generation verwendet wird, können bei der Übertragung von Wechselstromenergie durch ein supraleitendes Kabel Wechselstromverluste auftreten.
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Ein supraleitendes Kabel mit einem supraleitenden Draht kann grundsätzlich eine aus supraleitendem Draht gebildete supraleitende Leiterschicht für die Übertragung elektrischer Energie und eine supraleitende Abschirmschicht beispielsweise zur Abschirmung von durch die supraleitende Leiterschicht induziertem Elektromagnetismus umfassen.
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Derzeit sind supraleitende Kabel oftmals so ausgebildet, dass die supraleitende Leiterschicht und die supraleitende Abschirmschicht jeweils mehrschichtig aus supraleitenden Drähten ausgebildet sind, um die elektrische Energieübertragungsfähigkeit zu steigern.
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Wenn die supraleitende Leiterschicht und die supraleitende Abschirmschicht jeweils mehrschichtig aus den supraleitenden Drähten ausgebildet sind, können sich die Wechselstromverluste je nach Richtung oder Orientierung eines Metallsubstrats und einer supraleitenden Schicht des supraleitenden Drahts in jeder Schicht weiter verschlechtern.
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Obwohl die japanische Offenlegungsschrift
JP 2012 - 256 508 A ein Verfahren zur Minimierung von Wechselstromverlusten durch Reduzierung der Breite eines supraleitenden Drahts einer supraleitenden Leiterschicht offenbart, zeigt die Offenlegungsschrift mit Hinblick auf die Wechselstromverluste des supraleitenden Drahts konkret keine Umsetzung und keinen Hinweis auf eine technische Lösung in Bezug auf die Richtung oder Orientierung des supraleitenden Drahts auf. Die japanische Patentschrift
JP 5 192 741 B2 offenbart eine technische Aufgabe und eine technische Lösung mit Bezug auf Wechselstromverluste, unterscheidet sich hinsichtlich der technischen Lösung jedoch stark von der vorliegenden Erfindung; außerdem ist ihre Wirkung fragwürdig. Weiterhin offenbart die japanische Patentschrift
JP 5 385 746 B2 die Schichtstruktur eines ein supraleitendes Kabel bildenden supraleitenden Drahts, bietet jedoch keine Umsetzung und keinen Hinweis auf eine technische Lösung zur Erfüllung einer technischen Aufgabe der vorliegenden Erfindung.
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Aus den weiteren Druckschriften
KR 10 2014 115 169 A ,
JP 2008 - 047 519 A ,
JP 2010 - 192 116 A ,
US 2011 / 0 203 829 A1 und
US 2008 / 0 194 411 A1 sind ebenfalls supraleitende Kabel bekannt.
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[Offenbarung]
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[Technisches Problem]
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, ein supraleitendes Kabel vorzuschlagen, welches durch Steuerung der Orientierung jeweils einer Metallsubstratschicht und einer supraleitenden Schicht von supraleitenden Drähten, die zur Ausbildung einer supraleitenden Leiterschicht und einer supraleitenden Abschirmschicht des supraleitenden Kabels mehrschichtig ausgebildet sind, Wechselstromverluste minimieren kann, die bei der Übertragung von Wechselstromenergie auftreten.
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[Technische Lösung]
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Zur Lösung der oben genannten Aufgabe sowie anderer Aufgaben ist gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein supraleitendes Kabel nach Anspruch 1 vorgesehen.
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Hierbei können die supraleitenden Leiterschichten mehrschichtig ausgebildet sein und in den supraleitenden Drähten der supraleitenden Leiterschichten die Metallsubstratschichten zu der Mitte des supraleitenden Kabels hin angeordnet sein und die supraleitenden Schichten in der radialen Richtung des supraleitenden Kabels angeordnet sein.
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Weiterhin sind in den supraleitenden Drähten einer innersten supraleitenden Abschirmschicht der supraleitenden Abschirmschichten die supraleitenden Schichten jeweils zu der Mitte des supraleitenden Kabels hin angeordnet sein und die Metallsubstratschicht in der radialen Richtung des supraleitenden Kabels angeordnet.
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Hierbei können die supraleitenden Abschirmschichten mehrschichtig ausgebildet sein und in den supraleitenden Drähten der supraleitenden Abschirmschichten alle supraleitenden Schichten zu der Mitte des supraleitenden Kabels hin angeordnet sein und alle Metallsubstratschichten in der radialen Richtung des supraleitenden Kabels angeordnet sein.
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Weiterhin können die supraleitenden Leiterschichten vierschichtig ausgebildet sein und die supraleitenden Abschirmschichten zweischichtig ausgebildet sein.
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Weiterhin können die supraleitenden Drähte der supraleitenden Leiterschichten und der supraleitenden Abschirmschichten supraleitende Drähte der zweiten Generation mit einer aus einem Nickellegierungsmaterial gebildeten Metallsubstratschicht sein.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein supraleitendes Kabel gemäß Anspruch 5 vorgesehen.
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Weiterhin können die supraleitenden Leiterschichten mehrschichtig ausgebildet sein und in den supraleitenden Drähten der supraleitenden Leiterschichten alle supraleitenden Schichten in einer radialen Richtung des supraleitenden Kabels angeordnet sein und die Metallsubstratschichten zu einer Mitte des supraleitenden Kabels hin angeordnet sein.
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Hierbei können die supraleitenden Abschirmschichten mehrschichtig ausgebildet sein und in den supraleitenden Drähten der supraleitenden Abschirmschichten alle supraleitenden Schichten zu einer Mitte des supraleitenden Kabels hin angeordnet sein und alle Metallsubstratschichten in einer radialen Richtung des supraleitenden Kabels angeordnet sein.
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Weiterhin kann ein supraleitendes Kabel vorgesehen sein, umfassend eine Kerneinheit mit einem Former, einer oder mehreren eine Außenseite des Formers umgebend ausgebildeten supraleitenden Leiterschichten, einer die supraleitenden Leiterschichten umgebend ausgebildeten Isolierschicht und einer oder mehreren eine Außenseite der Isolierschicht umgebend ausgebildeten supraleitenden Abschirmschichten, wobei die supraleitenden Leiterschichten und die supraleitenden Abschirmschichten aus supraleitenden Drähten ausgebildet sind und die supraleitenden Drähte jeweils eine Metallsubstratschicht und eine Vielzahl von mittels eines supraleitenden Materials auf der Metallsubstratschicht abgeschiedenen supraleitenden Schichten umfassen und wobei in dem supraleitenden Draht einer äußersten supraleitenden Leiterschicht der supraleitenden Leiterschichten die Metallsubstratschicht zu einer Mitte des supraleitenden Kabels hin angeordnet ist und die supraleitenden Schichten in einer radialen Richtung des supraleitenden Kabels angeordnet sind und in dem supraleitenden Draht einer innersten supraleitenden Abschirmschicht der supraleitenden Abschirmschichten die supraleitenden Schichten zu der Mitte des supraleitenden Kabels hin angeordnet sind und die Metallsubstratschicht in der radialen Richtung des supraleitenden Kabels angeordnet ist.
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Hierbei können die supraleitenden Leiterschichten und die supraleitenden Abschirmschichten mehrschichtig ausgebildet sein, in den supraleitenden Drähten der supraleitenden Leiterschichten alle supraleitenden Schichten in der radialen Richtung des supraleitenden Kabels angeordnet sein und die Metallsubstratschichten zu der Mitte des supraleitenden Kabels hin angeordnet sein und in den supraleitenden Drähten der supraleitenden Abschirmschichten alle supraleitenden Schichten zu der Mitte des supraleitenden Kabels hin angeordnet sein und alle Metallsubstratschichten in der radialen Richtung des supraleitenden Kabels angeordnet sein.
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Weiterhin können die supraleitenden Drähte der supraleitenden Leiterschichten und der supraleitenden Abschirmschichten supraleitende Drähte der zweiten Generation mit einer aus einem Nickellegierungsmaterial gebildeten Metallsubstratschicht sein.
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[Vorteilhafte Wirkungen]
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Mit einem supraleitenden Kabel nach der vorliegenden Erfindung können Wechselstromverluste, die bei der Übertragung von Wechselstromenergie auftreten, durch Optimierung der Richtung oder Orientierung von supraleitenden Drähten, die ein magnetisches Metallsubstrat (auf Ni-W-Basis) aufweisen und eine supraleitende Leiterschicht und eine supraleitende Abschirmschicht bilden, minimiert werden.
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Zudem ist es mit dem supraleitenden Kabel nach der vorliegenden Erfindung möglich, eine Verschlechterung des kritischen Stroms abhängig von Veränderungen in dem magnetischen Feld der die supraleitende Leiterschicht und die supraleitende Abschirmschicht bildenden supraleitenden Drähte zu minimieren, was zu einer verbesserten Stabilität eines das supraleitende Kabel umfassenden elektrischen Energiesystems führen kann.
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[Beschreibung der Zeichnung]
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- 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines supraleitenden Kabels nach der vorliegenden Erfindung mit einheitsweise ausgeblendetem Mantel;
- 2 zeigt eine Schnittansicht des supraleitenden Kabels nach 1 ;
- 3 zeigt eine konzeptionelle Darstellung einer Ausführungsform des supraleitenden Kabels nach der vorliegenden Erfindung;
- 4 zeigt eine konzeptionelle Darstellung einer weiteren Ausführungsform des supraleitenden Kabels nach der vorliegenden Erfindung;
- 5 zeigt eine Darstellung einer weiteren Ausführungsform des supraleitenden Kabels nach der vorliegenden Erfindung; und
- 6 zeigt eine Schnittansicht des supraleitenden Kabels nach 5 im horizontal installierten Zustand.
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[Beste Ausführungsform]
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Im Folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben. Die hier vorgestellten Ausführungsformen sollen den offenbarten Gehalt erschöpfend und vollständig darlegen und dem Fachmann den Umfang der vorliegenden Erfindung hinlänglich vermitteln. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen im Verlauf der Beschreibung gleiche Bestandteile.
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1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines supraleitenden Kabels nach der Erfindung, dessen Mantel einheitsweise ausgeblendet ist, und 2 zeigt eine Schnittansicht des supraleitenden Kabels nach 1 .
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Die Grundstruktur des supraleitenden Kabels nach der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden beschrieben.
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Das supraleitende Kabel kann eine Kerneinheit 100 umfassen, die einen Former 110, eine oder mehrere supraleitende Leiterschichten 130 mit mehreren in der Längsrichtung des Formers 110 parallel zueinander angeordneten, die Außenseite des Formers 110 umgebenden supraleitenden Drähten, eine die supraleitenden Leiterschichten 130 umgebend ausgebildete Isolierschicht 140 und eine oder mehrere supraleitende Abschirmschichten 180 mit mehreren in der Längsrichtung des Formers 110 parallel zueinander angeordneten, die Außenseite der Isolierschicht 140 umgebenden supraleitenden Drähten umfasst. Das supraleitende Kabel kann des Weiteren eine außerhalb der Kerneinheit 100 vorgesehene Kühleinheit 200 zum Kühlen der Kerneinheit 100 umfassen, wobei die Kühleinheit 200 einen Kältemittelzirkulationsweg eines Flüssigphasenkältemittels zum Kühlen der Kerneinheit 100 aufweist, sowie eine außerhalb der Kühleinheit 200 vorgesehene innere Metallleitung 300, eine außerhalb der inneren Metallleitung 300 vorgesehene Wärmeisolationseinheit 400 zur Ausbildung einer Wärmeisolationsschicht durch mehrschichtiges Wickeln eines Wärmeisolationsmaterials 401, eine Vakuumeinheit 500 mit mehreren voneinander beabstandeten Abstandhaltern 560 an der Außenseite der Wärmeisolationseinheit 400 zur Ausbildung einer Vakuumwärmeisolation der Kühleinheit 200, eine außerhalb der Vakuumeinheit 500 vorgesehene äußere Metallleitung 600 und eine außerhalb der äußeren Leitung 600 vorgesehene Manteleinheit 700 zur Ausbildung einer Mantelschicht. Die durchschnittliche Entfernung zwischen der Wärmeisolationseinheit 400 und der äußeren Metallleitung 600 kann größer sein als der Durchmesser der in der Vakuumeinheit 500 vorgesehenen Abstandhalter 560.
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Die jeweiligen Bestandteile des supraleitenden Kabels werden im Folgenden der Reihe nach beschrieben. Der Former 110 kann als Rahmen dienen, der eine Stelle vorsieht, an welcher die eine flache und längliche Form aufweisenden supraleitenden Drähte um den Former 110 herum angebracht sind, und die Form derselben definiert, und kann außerdem als Weg dienen, entlang dessen Fehlerströme fließen. Der Former 110 kann eine Form aufweisen, in welcher mehrere jeweils einen kreisförmigen Querschnitt aufweisende Kupferdrähte (Cu-Drähte) 111 kreisförmig komprimiert sind.
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Konkret weist der Former 110 grundsätzlich eine kreisförmige zylindrische Form auf und dient als Rahmen, der die flachen und länglichen supraleitenden Drähte trägt. Der Durchmesser des Formers 110 wird unter Berücksichtigung der Breite der supraleitenden Drähte bestimmt, so dass die supraleitenden Drähte eine möglichst kreisförmige Struktur aufweisen, wenn sie um den Former 110 herum angeordnet sind, wobei zugleich verhindert ist, dass sich die supraleitenden Drähte voneinander trennen.
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Wie in 1 und 2 dargestellt, kann der Former 110, obwohl er einen massiven Mittelteil umfassen kann, eine hohle zylindrische Form aufweisen, um als Rahmen zu dienen, welcher die supraleitenden Drähte trägt, und um darin einen Weg für die Bewegung eines Kältemittels bereitzustellen. Die jeweiligen den Former bildenden Drähte 111 können beispielsweise aus Kupfer gebildet sein und jeweils parallel zu einem jeweiligen supraleitenden Draht geschaltet sein, so dass der Former als Rückleiter dient, wenn in einem elektrischen Energiesystem ein Fehlerstrom erzeugt wird.
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Der Querschnitt des Leiters, der beispielsweise aus Kupferdrähten besteht, kann auf Basis der Kapazität des Fehlerstroms bestimmt werden. Die Kupferdrähte können mit Hinblick auf eine Hochspannungsanwendung eine kreisförmig komprimierte und litzenartige Form aufweisen.
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Da die mehreren Drähte 111, welche den Former 110 bilden und jeweils einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, kreisförmig komprimiert und litzenartig ausgebildet sind, ist die Oberfläche des Formers 110 unweigerlich uneben. Um die unebene Oberfläche des Formers 110 auszugleichen, kann deshalb eine Ausgleichsschicht 120 auf die Außenseite des Formers 110 aufgebracht sein. Die Ausgleichsschicht 120 kann beispielsweise aus halbleitendem Kohlepapier oder Messingband gebildet sein.
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Zwischen der Ausgleichsschicht 120 und den supraleitenden Leiterschichten 130 kann des Weiteren eine in der Zeichnung nicht näher dargestellte Auflageschicht vorgesehen sein. Die Auflagerschicht kann zum Schutz der supraleitenden Leiterschichten aus einem halbleitenden Kohlepapier oder einem halbleitenden Band ausgebildet sein.
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Der Former 110, der durch die Ausgleichsschicht 120 geglättet ist, kann zur Ausbildung einer ersten supraleitenden Leiterschicht 130a von mehreren supraleitenden Drähten umgeben sein. Die erste supraleitende Leiterschicht 130a kann die mehreren supraleitenden Drähte eng parallel zueinander angeordnet umfassen, so dass diese den Umfang der Ausgleichsschicht 120 umgeben.
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Des Weiteren können die supraleitenden Leiterschichten 130, wie in 1 gezeigt, je nach Kapazität des durch das supraleitende Kabel zu übertragenden oder zu verteilenden Stroms mehrschichtig ausgebildet sein.
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Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform sind insgesamt zwei supraleitende Leiterschichten 130a und 130b vorgesehen. Wenn die supraleitenden Leiterschichten des Weiteren einfach übereinandergestapelt sind, ist aufgrund des Skineffekts die Stromkapazität nicht gesteigert. Zur Lösung dieses Problems kann bei mehrschichtig ausgebildeten supraleitenden Leiterschichten die Isolierschicht 140 zwischen den supraleitenden Leiterschichten 130a und 130b angeordnet sein. Die Isolierschicht 140 kann zu einem Isolierband ausgebildet und zwischen den gestapelten supraleitenden Leiterschichten 130a und 130b angeordnet sein, um so die supraleitenden Leiterschichten 130a und 130b voneinander zu isolieren, wodurch der Skineffekt bei gestapelten supraleitenden Drähten effektiv verhindert ist. Durch die Isolierschicht 140 können die mehrschichtig gestapelten supraleitenden Leiterschichten die gleiche elektrische Leitrichtung aufweisen.
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Obwohl die supraleitenden Leiterschichten 130 bei der in 1 dargestellten Ausführungsform beispielsweise die erste supraleitende Leiterschicht 130a und die zweite supraleitende Leiterschicht 130b umfassen können, kann nach Bedarf auch eine größere Anzahl von supraleitenden Leiterschichten vorgesehen sein.
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Des Weiteren können die supraleitenden Drähte der supraleitenden Leiterschichten 130a und 130b jeweils parallel zu den jeweiligen Drähten des Formers 110 geschaltet sein. Dies ermöglicht es in die supraleitenden Drähte eingespeisten Strom auf die Drähte des Formers 110 überzugehen, wenn ein Störfall, wie zum Beispiel eine Zerstörung der Supraleitfähigkeit, auftritt. Auf diese Weise ist es selbst bei ungenügender Supraleitfähigkeit möglich, einen Anstieg des Widerstands der supraleitenden Drähte damit eine Hitzeentwicklung oder Schäden an den supraleitenden Drähten zu verhindern.
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Eine innere Halbleiterschicht 150 kann an der Außenseite der zweiten supraleitenden Leiterschicht 130b vorgesehen sein, die außerhalb der ersten supraleitenden Leiterschicht 130a vorgesehen ist. Die innere Halbleiterschicht 150 kann zur Verringerung der elektrischen Feldkonzentration in den einzelnen Bereichen der supraleitenden Leiterschichten 130 und zur Sicherstellung eines gleichmäßigen elektrischen Felds an der Oberfläche vorgesehen sein. Die innere Halbleiterschicht 150 kann insbesondere dazu vorgesehen sein, die elektrische Feldkonzentration an dem Randbereich des supraleitenden Drahts zu verringern und eine gleichmäßige Verteilung des elektrischen Felds zu erreichen. Dies gilt gleichermaßen für eine äußere Halbleiterschicht 170, die an späterer Stelle beschrieben wird.
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Die innere Halbleiterschicht 150 kann durch Wickeln eines Halbleiterbands ausgebildet sein.
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Die Isolierschicht 160 kann außerhalb der inneren Halbleiterschicht 150 vorgesehen sein. Die Isolierschicht 160 kann dazu vorgesehen sein, die Isolationsfestigkeit des supraleitenden Kabels zu steigern. Wenngleich ein Kabel aus vernetztem Polyethylen (XLPE) oder ein Ölkabel zur Isolation eines Hochspannungskabels verwendet wird, muss ein derartiges supraleitendes Kabel für die Supraleitfähigkeit des supraleitenden Drahts grundsätzlich auf eine extrem niedrige Temperatur gekühlt werden. Bei extrem niedrigen Temperaturen kann das XLPE-Kabel jedoch beschädigt werden und dadurch eine Isolationszerstörung erleiden, und das Ölkabel kann beispielsweise zu Umweltproblemen führen. Daher kann die Isolierschicht 160 bei dem supraleitenden Kabel nach der vorliegenden Erfindung aus isolierendem Papier, wie z. B. aus herkömmlichem Papier bestehen und durch mehrfaches Wickeln des isolierenden Papiers ausgebildet sein.
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Als isolierendes Papier wird hauptsächlich Kraftpapier oder polypropylenlaminiertes Papier (PPLP) verwendet. Im Fall des supraleitenden Kabels wird mit Hinblick auf ein einfaches Wickeln und auf die Isolationsfestigkeit neben verschiedenen schwach isolierenden Materialien PPLP als isolierendes Papier verwendet.
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Die äußere Halbleiterschicht 170 kann an der Außenseite der Isolierschicht 160 vorgesehen sein. Die äußere Halbleiterschicht kann ebenfalls zur Verringerung der elektrischen Feldkonzentration in den einzelnen Bereichen der supraleitenden Leiterschichten 130 und zur Sicherstellung eines gleichmäßigen elektrischen Felds an der Oberfläche vorgesehen sein. Die äußere Halbleiterschicht 170 kann ebenfalls durch Wickeln eines Halbleiterbands ausgebildet sein.
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Des Weiteren können die supraleitenden Abschirmschichten 180 außerhalb der äußeren Halbleiterschicht 170 vorgesehen sein. Ein Verfahren zur Ausbildung der supraleitenden Abschirmschichten 180 kann identisch mit dem Verfahren zur Ausbildung der supraleitenden Leiterschichten 130 sein. Weist die äußere Halbleiterschicht 170 eine unebene Oberfläche auf, kann nach Bedarf eine Ausgleichsschicht (nicht dargestellt) vorgesehen sein. Die supraleitenden Drähte, welche die supraleitenden Abschirmschichten 180 bilden, können in der Umfangsrichtung parallel zueinander an der Außenseite der Ausgleichsschicht angeordnet sein.
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Wenn der in einer aus supraleitenden Drähten der zweiten Generation gebildeten Abschirmschicht fließende Strom auf ungefähr 95% des in einer supraleitenden Leiterschicht fließenden Stroms ausgelegt ist, kann ein Streufluss minimiert werden.
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Außerhalb der supraleitenden Abschirmschichten 180 kann eine Kernschalenschicht 190 vorgesehen sein und als Außenschale der Kerneinheit 100 dienen. Die Kernschalenschicht 190 kann beispielsweise verschiedene Bänder oder Bindemittel umfassen. Die Kernschalenschicht 190 kann als Außenschale dienen, welche es ermöglicht, die Kerneinheit 100 einer Kühlschicht auszusetzen, die an späterer Stelle beschrieben wird, und kann außerdem zur Bindung aller Bestandteile der Kerneinheit 100 dienen. Die Kernschalenschicht 190 kann aus einem Metallband, wie z. B. einem SUS-Band ausgebildet sein.
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Die Kerneinheit 100 des supraleitenden Kabels kann nach dem oben genannten Verfahren ausgebildet sein. Obwohl die Ausgleichsschicht und die Halbleiterschicht in 1 und 2 als aus demselben Material einschichtig ausgebildet dargestellt sind, können nach Bedarf verschiedene weitere Schichten hinzugefügt werden.
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Die Kühleinheit 200 kann außerhalb der Kerneinheit 100 vorgesehen sein. Die Kühleinheit 200 kann zum Kühlen der supraleitenden Drähte der Kerneinheit 100 vorgesehen sein und kann darin einen Zirkulationsströmungsweg eines Flüssigphasenkältemittels umfassen. Das Flüssigphasenkältemittel kann flüssiger Stickstoff sein. Das Flüssigphasenkältemittel (flüssiger Stickstoff) kann im auf eine Temperatur von ungefähr -200°C gekühlten Zustand in dem Kühlströmungsweg zirkulieren, wodurch eine extrem niedrige Temperatur beibehalten wird, welche die Bedingung für die Supraleitfähigkeit der in der Kerneinheit innerhalb der Kühleinheit angeordneten supraleitenden Drähte darstellt.
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Der in der Kühleinheit 200 vorgesehene Kühlströmungsweg kann dem Flüssigphasenkältemittel außerdem die Bewegung in eine bestimmte Richtung ermöglichen. Das Flüssigphasenkältemittel, welches beispielsweise in einer Anschlussdose des supraleitenden Kabels gesammelt und erneut gekühlt wird, kann in den Kühlströmungsweg der Kühleinheit 200 eingespeist werden.
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Die innere Metallleitung 300 kann außerhalb der Kühleinheit 200 vorgesehen sein. Gemeinsam mit der äußeren Metallleitung 600 dient die innere Metallleitung 300 als Mantel des supraleitenden Kabels zum Schutz der Kerneinheit 100 vor mechanischen Schäden während der Verlegung und des Betriebs des supraleitenden Kabels. Da das supraleitende Kabel zur Gewährleistung einer einfachen Herstellung und eines einfachen Transports auf eine Trommel aufgewickelt ist und bei der Anbringung von der Trommel abgewickelt wird, wirken ggf. kontinuierliche Biegebelastungen oder Zugbelastungen auf das supraleitende Kabel.
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Die innere Metallleitung 300 kann dazu vorgesehen sein, zu gewährleisten, dass das supraleitende Kabel selbst bei darauf wirkenden mechanischen Belastungen seine ursprüngliche Leistung beibehält. Hierzu weist die innere Metallleitung 300 eine gewellte Struktur auf, in welcher sich Erhöhungen und Vertiefungen in der Längsrichtung des supraleitenden Kabels abwechseln, um eine Stabilität gegenüber mechanischen Belastungen zu steigern. Die innere Metallleitung 300 kann beispielsweise aus Aluminium gebildet sein.
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Die innere Metallleitung 300 kann eine extrem niedrige Temperatur aufweisen, die der Temperatur des Flüssigphasenkältemittels entspricht, da sie außerhalb der Kühleinheit 200 vorgesehen ist. Somit kann die innere Metallleitung 300 als Niedrigtemperaturmetallleitung klassifiziert werden.
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Des Weiteren kann die Wärmeisolationseinheit 400 an der Außenumfangsfläche der inneren Metallleitung 300 vorgesehen sein und eine durch mehrschichtiges Wickeln eines Wärmeisolationsmaterials ausgebildete Wärmeisolationsschicht umfassen. Das Wärmeisolationsmaterial ist durch Beschichten eines Metallfilms von hohem Reflexionsgrad mit Polymeren von geringer Wärmeleitfähigkeit in Dünnschichtform ausgebildet. Die Wärmeisolationsschicht kann eine mehrschichtige Isolation ausbilden und zur Verhinderung einer Wärmeeinbringung in die innere Metallleitung 300 vorgesehen sein.
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Da die innere Metallleitung 300 insbesondere aus einem Metallmaterial ausgebildet ist und somit eine einfache Wärmeeinbringung oder einen einfachen Wärmetausch mittels Leitung sicherstellt, kann die Wärmeisolationseinheit 400 hauptsächlich den Wärmetausch oder die Wärmeeinbringung mittels Leitung minimieren und aufgrund der darin enthaltenen Metallfolie von hohem Reflexionsgrad die Wirkung erzielen, dass ein Wärmetausch oder eine Wärmeeinbringung durch Strahlung verhindert ist.
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Die Anzahl an Schichten in der Wärmeisolationseinheit 400 kann zur Minimierung der Wärmeeinbringung angepasst werden. Eine Ausgestaltung mit einer großen Anzahl von Schichten kann eine Strahlungswärmeabschirmwirkung steigern, dabei jedoch eine Leitungswärmeabschirmwirkung sowie eine Konvektionswärmeabschirmwirkung aufgrund einer Reduzierung der Dicke einer Vakuumschicht verschlechtern. Daher ist die Verwendung einer geeigneten Anzahl von Schichten maßgeblich.
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Die Vakuumeinheit 500 kann außerhalb der Wärmeisolationseinheit 400 vorgesehen sein. Die Vakuumeinheit 500 kann zur Minimierung der Wärmeübertragung beispielsweise mittels Konvektion auf die Wärmeisolationsschicht vorgesehen sein, die bei nicht ausreichender Wärmeisolation durch die Wärmeisolationseinheit 400 auftreten kann.
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Die Vakuumeinheit 500 kann durch Abgrenzung eines Raums außerhalb der Wärmeisolationseinheit 400 und Erzeugung eines Vakuums in diesem Raum ausgebildet sein.
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Die Vakuumeinheit 500 kann mindestens einen Abstandhalter 560 zum Ausbilden eines physischen Raums umfassen, welcher dazu dient, eine Wärmeeinbringung beispielsweise mittels Konvektion aus der Raumtemperatur aufweisenden äußeren Umgebung in die Kerneinheit zu verhindern. Der mindestens eine Abstandhalter 560 kann in dem Raum vorgesehen sein, um zu verhindern, dass zum Beispiel die außerhalb des Raums in der Vakuumeinheit 500 vorgesehene äußere Metallleitung 600 mit der Wärmeisolationseinheit 400 innerhalb der Vakuumeinheit 500 in Kontakt kommt.
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Der Abstandhalter 560 kann in der Längsrichtung des supraleitenden Kabels angeordnet und spiralförmig oder kreisförmig um die Kerneinheit 100 bzw. um die Wärmeisolationseinheit 400 gewickelt sein.
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Wie 1 zeigt, können mehrere Abstandhalter 560 vorgesehen sein. Die Anzahl an Abstandhaltern 560 kann je nach Typ oder Größe des supraleitenden Kabels erhöht oder reduziert werden. Bei dem supraleitenden Kabel nach der vorliegenden Erfindung können drei bis fünf Abstandhalter vorgesehen sein. Die Abstandhalter können den Raum zur Verhinderung des Wärmetauschs mittels Leitung ausbilden und einschichtig oder mehrschichtig ausgebildet sein.
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Die Abstandhalter 560 können aus Polyethylen (PE), Fluorethylen-Propylen (FEP), Perfluoralkoxyalkan (PFA), Ethylen-Tetrafluorethylen (ETFE), Poly(vinylchlorid) (PVC) oder Polytetrafluorethylen (PTFE) bestehen.
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Des Weiteren können die Abstandhalter 560 nach Bedarf aus Polytetrafluorethylen (PTFE) oder einem herkömmlichen Harz oder Polyethylen gebildet und dann beispielsweise mit fluorierten Polyethylen oberflächenbeschichtet sein. In diesem Fall kann es sich bei dem fluorierten Polyethylen um Teflon handeln.
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Teflon ist eine Art Fluoridharz und bildet durch die starke chemische Bindung zwischen Fluor und Kohlenstoff eine hochstabile Verbindung, wodurch es beispielsweise beinahe vollständig chemisch inert ist und Hitzebeständigkeit sowie Antihafteigenschaften, eine gute Isolationsstabilität und einen niedrigen Reibungskoeffizienten aufweist. Da Teflon außerdem eine gewisse Flexibilität aufweist, können die Abstandhalter 560 spiralförmig um die Wärmeisolationseinheit 400 gewickelt sein, so dass sie in der Längsrichtung des supraleitenden Kabels angeordnet sind. Da Teflon weiterhin eine gewisse Starrheit aufweist, können die Abstandhalter 560 den Kontakt zwischen der Wärmeisolationseinheit 400 und der äußeren Metallleitung 600 verhindern und so den die Vakuumeinheit 500 bildenden Raum definieren. Der Durchmesser der Abstandhalter 560 kann 4 mm bis 8 mm betragen. Die Abstandhalter 560 können verschiedene Querschnittsformen aufweisen, wie zum Beispiel eine kreisförmige Form, eine dreieckige Form, eine rechteckige Form oder eine Sternform.
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Die äußere Metallleitung 600 kann außerhalb der die Abstandhalter 560 aufweisenden Vakuumeinheit 500 vorgesehen sein. Die äußere Metallleitung 600 kann die gleiche Form aufweisen und aus dem gleichen Material gebildet sein wie die innere Metallleitung 300 . Die äußere Metallleitung 600 kann einen größeren Durchmesser als die innere Metallleitung 300 aufweisen, um so die Ausbildung des Raums durch die Abstandhalter 560 zu ermöglichen. Eine nähere Beschreibung hinsichtlich der Abstandhalter 560 folgt noch.
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Des Weiteren kann die Manteleinheit 700 außerhalb der äußeren Metallleitung 600 vorgesehen sein und als Mantel zum Schutz des Inneren des supraleitenden Kabels dienen. Die Manteleinheit 700 kann aus einem Mantelmaterial für eine Manteleinheit eines üblichen Elektrokabels gebildet sein. Die Manteleinheit 700 kann beispielsweise eine Korrosion der Metallleitung 600 darin sowie Kabelschäden aufgrund von Krafteinwirkungen von außen verhindern. Die Manteleinheit 700 kann beispielsweise aus Polyethylen (PE) oder Poly(vinylchlorid) (PVC) ausgebildet sein.
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Wie 2 zeigt, können vier Abstandhalter 560 in der Vakuumeinheit 500 vorgesehen sein, so dass diese die außerhalb der inneren Metallleitung 300 vorgesehene Wärmeisolationseinheit 400 umgeben.
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3 zeigt eine konzeptionelle Darstellung einer Ausführungsform des supraleitenden Kabels nach der vorliegenden Erfindung.
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Bei der in 3 dargestellten Ausführungsform sind beispielhaft zwei supraleitende Leiterschichten und eine supraleitende Abschirmschicht vorgesehen.
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Die das supraleitende Kabel nach der vorliegenden Erfindung bildenden supraleitenden Drähte sind supraleitende Drähte der zweiten Generation, und bei der dargestellten Ausführungsform besteht ein Metallsubstrat dieser Drähte aus einem Nickel-Wolfram-(Ni-W)-Legierungsmaterial.
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Die zwei supraleitenden Leiterschichten können eine innere, erste supraleitende Leiterschicht und eine äußere, zweite supraleitende Leiterschicht umfassen.
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Zur besseren Darstellung in der Zeichnung sind die supraleitenden Drähte jeweils in vereinfachter Form so dargestellt und beschrieben, dass sie eine Metallsubstratschicht aus einem Nickellegierungsmaterial, wie z. B. Nickel-Wolfram (Ni-W), und mehrere mittels eines supraleitenden Materials z. B. durch Abscheidung auf dem Metallsubstrat ausgebildete supraleitende Schichten umfassen.
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Der das supraleitende Kabel nach der vorliegenden Erfindung bildende supraleitende Draht kann ein supraleitender Draht der zweiten Generation sein und das in den supraleitenden Schichten des supraleitenden Drahts enthaltene supraleitende Material kann zum Beispiel hauptsächlich YBCO oder REBCO (RE = Sm, Gd, Nd, Ny, Ho) sein.
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Konkret wird ein Phänomen, bei welchem der elektrische Widerstand bei einer bestimmten Temperatur oder darunter „null“ wird, als „supraleitendes Phänomen“ bezeichnet, und ein Hochtemperatursupraleiter zeigt ein solches supraleitendes Phänomen bei einer Temperatur (ungefähr 100 K oder -173°C) über dem absoluten Nullpunkt (-273°C). Ein im Bereich von Elektrokabeln verwendeter supraleitender Draht ist aus einem derartigen Hochtemperatursupraleiter gebildet. Ein Draht der ersten Generation mit BSCCO als Hauptmaterial und ein Draht der zweiten Generation vom Typ beschichteter Leiter (CC) mit YBCO oder REBCO als Hauptmaterial wurden eingeführt.
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In letzter Zeit wird supraleitender Draht der zweiten Generation verwendet, da supraleitender Draht der ersten Generation Ag als Grundmaterial verwendet und es daher erschwert, zu geringen Kosten zu gelangen, und supraleitender Draht der zweiten Generation niedrigere Wechselstromverluste aufweist und da supraleitender Draht der ersten Generation eine Filamentstruktur aufweist, während supraleitender Draht der zweiten Generation eine Schichtstruktur aufweist und hinsichtlich Hystereseverlusten effizienter ist.
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Der supraleitende Draht der zweiten Generation kann beispielsweise insbesondere eine Metallsubstratschicht, eine Pufferschicht, eine supraleitende Schicht und eine Schutzschicht aufweisen. Die Metallsubstratschicht kann als Basiselement des Drahts verwendet werden, zur Aufrechterhaltung der mechanischen Festigkeit des supraleitenden Drahts dienen und beispielsweise aus Hastelloy oder Nickel-Wolfram (Ni-W) gebildet sein. Die Pufferschicht kann als Puffer für die Abscheidung der supraleitenden Schicht auf der Metallsubstratschicht dienen. Die supraleitende Schicht kann als Stromleitweg dienen und die Schutzschicht kann als Legierungsschicht umfassend Silber (Ag) oder Kupfer (Cu) ausgebildet sein. Die Silber-(Ag)-Legierungsschicht kann zwischen der supraleitenden Schicht und der Kupfer-(Cu)-Legierungsschicht angeordnet sein und die Abscheidung ermöglichen, und die Kupfer-(Cu)-Legierungsschicht kann zur Verstärkung der mechanischen Festigkeit derselben dienen. Die Dicke und das Material der Legierungsschichten können jeweils in Abhängigkeit von deren Anwendung verändert werden.
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Zur zweckmäßigen Beschreibung wird der supraleitende Draht im Folgenden als im Wesentlichen in die Metallsubstratschicht und die supraleitende Schicht geteilt beschrieben. Es soll daher verstanden werden, dass die Pufferschicht zwischen der Metallsubstratschicht und der supraleitenden Schicht angeordnet ist und die Schutzschicht außerhalb der supraleitenden Schicht vorgesehen ist.
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Wie oben erwähnt kann weiterhin das in der supraleitenden Schicht des supraleitenden Drahts umfasste supraleitende Material beispielsweise hauptsächlich YBCO oder REBCO (RE = Sm, Gd, Nd, Dy, Ho) sein.
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In der in 3 dargestellten Ausführungsform sind die Metallsubstratschichten 130a-1 und 130b-1 der ersten supraleitenden Leiterschicht 130a und der zweiten supraleitenden Leiterschicht 130b zu der Mitte des supraleitenden Kabels hin angeordnet und die supraleitenden Schichten 130a-2 und 130b-2 der ersten supraleitenden Leiterschicht 130a und der zweiten supraleitenden Leiterschicht 130b in der radialen Richtung des supraleitenden Kabels angeordnet.
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Wenn bei der in 3 dargestellten Ausführungsform des Weiteren Strom durch die supraleitende Schicht 130a-2 des die erste supraleitende Leiterschicht 130a bildenden supraleitenden Drahts und die supraleitende Schicht 130b-2 des die zweite supraleitende Leiterschicht 130b bildenden supraleitenden Drahts fließt, kann durch den Strom, der jeweils durch die supraleitende Schicht 130a-2 bzw. 130b-2 außerhalb der ersten supraleitenden Leiterschicht 130a und der zweiten supraleitenden Leiterschicht 130b fließt, ein kreisförmiges magnetisches Feld erzeugt werden.
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Der Grund für die Erzeugung der jeweiligen magnetischen Felder außerhalb der entsprechenden ersten supraleitenden Leiterschicht 130a bzw. der zweiten supraleitenden Leiterschicht 130b liegt darin, dass sich die vertikalen Komponenten der magnetischen Felder zwischen den benachbarten supraleitenden Drähten der jeweiligen Leiterschichten gegenseitig aufheben, wenn der Strom in dergleichen Richtung durch die supraleitenden Drähte der jeweiligen Leiterschichten fließt.
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Anders als die oben beschriebenen supraleitenden Leiterschichten ist eine Metallsubstratschicht 180-1 des die supraleitende Abschirmschicht 180 bildenden supraleitenden Drahts in der radialen Richtung des supraleitenden Kabels angeordnet und eine supraleitende Schicht 180-2 des die supraleitende Abschirmschicht 180 bildenden supraleitenden Drahts zu der Mitte des supraleitenden Kabels hin angeordnet.
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Wenn Strom an die supraleitenden Schichten 130a-2 und 130b-2 der supraleitenden Drähte der ersten supraleitenden Leiterschicht 130a und der zweiten supraleitenden Leiterschicht 130b angelegt wird, kann in der supraleitenden Schicht 180-2 des supraleitenden Drahts der supraleitenden Abschirmschicht 180 Strom entgegengesetzt zu der Richtung des Stroms in den supraleitenden Schichten 130a-2 und 130b-2 der supraleitenden Drähte der ersten supraleitenden Leiterschicht 130a und der zweiten supraleitenden Leiterschicht 130b fließen, und ein induziertes magnetisches Feld kann auf gegenüber der ersten supraleitenden Leiterschicht 130a und der zweiten supraleitenden Leiterschicht 130b entgegengesetzte Weise innerlich kreisförmig erzeugt werden. Die großen magnetischen Felder an dem Grenzbereich und den inneren und äußeren Bereichen der ersten supraleitenden Leiterschicht 130a, der zweiten supraleitenden Leiterschicht 130b und der supraleitenden Abschirmschicht 180 können durch die Position der supraleitenden Schicht des die supraleitende Leiterschicht oder die supraleitende Abschirmschicht bildenden supraleitenden Drahts bestimmt sein.
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Die Größe des magnetischen Felds an einer bestimmten Stelle kann also dadurch bestimmt sein, wie nahe die supraleitende Schicht der supraleitenden Leiterschicht oder der supraleitenden Abschirmschicht dieser Stelle ist und ob die supraleitende Schicht und die Metallsubstratschicht des supraleitenden Drahts aus magnetischen Stoffen sind.
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Dies liegt daran, dass angenommen werden kann, dass sich das Magnetfeld, welches erzeugt wird, wenn Strom in die supraleitende Schicht des supraleitenden Drahts der supraleitenden Leiterschicht oder der supraleitenden Abschirmschicht fließt, nur zu einem geringen Grad durch die ferromagnetische Metallsubstratschicht in andere Bereiche fortpflanzt.
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Bei einer vereinfachten Darstellung magnetischer Feldlinien durch das induzierte magnetische Feld können die großen Magnetfelder am Grenzbereich und an den inneren und äußeren Bereichen der ersten supraleitenden Leiterschicht 130a, der zweiten supraleitenden Leiterschicht 130b und der supraleitenden Abschirmschicht 180 daher als B 1, B2 und B3 angegeben werden.
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Da die jeweiligen Magnetfelder B 1, B2 und B3 durch den Weg der magnetischen Feldlinien beeinflusst werden, welche durch die aus einem magnetischen Stoff gebildete Metallsubstratschicht verursacht sind, müssen der Weg magnetischer Feldlinien durch das magnetische Feld und die Richtung der Metallsubstratschicht des supraleitenden Drahts der supraleitenden Leiterschicht bzw. der supraleitenden Abschirmschicht auf geeignete Weise bestimmt werden.
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Wenn beispielsweise bei den supraleitenden Leiterschichten der in 3 dargestellten Ausführungsform die Metallsubstratschicht 130b-1 und die supraleitende Schicht 130b-2 des supraleitenden Drahts, der die zweite supraleitende Leiterschicht 130b bildet, die eine äußerste Leiterschicht ist, in der gegenüber der obigen Beschreibung entgegengesetzten Richtung angeordnet sind, d. h., wenn die Metallsubstratschicht 130b-1 des supraleitenden Drahts der zweiten supraleitenden Leiterschicht 130b in der radialen Richtung des supraleitenden Kabels angeordnet ist und die supraleitende Schicht 130b-2 zu der Mitte des supraleitenden Kabels hin angeordnet ist, dann kann das Magnetfeld B2, welches von der zweiten supraleitenden Leiterschicht 130b erzeugt wird und die zweite supraleitende Leiterschicht 130b umgibt, durch den Ferromagnetismus der nahegelegenen Metallsubstratschicht 130b-1 verzerrt oder aufgehoben werden, was zu einer Veränderung der Größe des Magnetfelds führen kann. Mit der Verzerrung oder Aufhebung des Magnetfelds können Verluste des Wechselstroms einhergehen, der in einer entgegengesetzten Richtung fließt.
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Ein großes Magnetfeld mit signifikanter Größe unter den von einer bestimmten supraleitenden Leiterschicht gebildeten Magnetfeldern ist in der Umfangsrichtung an dem Grenzbereich zu einer supraleitenden Schicht eines die entsprechende supraleitende Leiterschicht bildenden supraleitenden Drahts ausgebildet, anstatt sich nahe einer Metallsubstratschicht des supraleitenden Drahts zu befinden. Ein auf der gegenüberliegenden Seite der Metallsubstratschicht ausgebildetes Magnetfeld kann durch den Ferromagnetismus der Metallsubstratschicht oder durch ein von einer der entsprechenden supraleitenden Leiterschicht nahen weiteren supraleitenden Leiterschicht gebildeten Magnetfeld aufgehoben werden oder sich mit diesem überlagern.
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Veränderungen der magnetischen Feldlinien des magnetischen Felds können folglich kritische Ströme oder Toleranzströme der supraleitenden Leiterschicht verringern und so Wechselstromverluste verursachen. Wenn ein Strom jenseits des kritischen Stroms angelegt wird, können diverse Störfälle oder Fehlfunktionen auftreten.
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Sind drei oder mehr supraleitende Leiterschichten vorgesehen, wird eine zwischenliegende supraleitende Leiterschicht unweigerlich zu einem gewissen Grad durch die von den anderen eng gestapelten supraleitenden Leiterschichten erzeugten magnetischen Feldern beeinflusst, selbst wenn deren Richtung umgekehrt ist. Es kann jedoch angenommen werden, dass selbst dann, wenn supraleitende Leiterschichten mehrschichtig gestapelt sind, die oben beschriebenen Wechselstromverluste dann am schwerwiegendsten sind, wenn eine supraleitende Schicht einer äußersten supraleitenden Leiterschicht gegenüber 3 entgegengesetzt zu der Mitte des supraleitenden Kabels hin angeordnet ist.
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In dem supraleitenden Draht der äußersten supraleitenden Leiterschicht der supraleitenden Leiterschichten kann die Metallsubstratschicht dementsprechend zu der Mitte des supraleitenden Kabels hin angeordnet sein und die supraleitende Schicht in der radialen Richtung des supraleitenden Kabels angeordnet sein, um Wechselstromverluste zu minimieren.
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Die supraleitende Abschirmschicht 180, in welcher Strom in der entgegengesetzten Richtung des Stroms in der supraleitenden Leiterschicht fließt, muss die Größe eines nach außen gerichteten Magnetfelds derselben minimieren. Dementsprechend kann die Metallsubstratschicht 180-1 der supraleitenden Abschirmschicht 180, wie in 3 gezeigt, in der radialen Richtung nach außen angeordnet sein, wodurch die Größe des zur Außenseite der supraleitenden Abschirmschicht gerichteten Magnetfelds minimiert werden kann.
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Wie der in 3 dargestellten Ausführungsform zu entnehmen ist, kann das von den supraleitenden Leiterschichten jeweils gebildete Magnetfeld die supraleitende Leiterschicht umgeben und kann das von dem induzierten Strom in der supraleitenden Abschirmschicht gebildete Magnetfeld innerhalb der supraleitenden Abschirmschicht kreisförmig ausgebildet sein.
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Im Fall der supraleitenden Abschirmschicht 180 muss die Metallsubstratschicht 180-1 des die supraleitende Abschirmschicht 180 bildenden supraleitenden Drahts dementsprechend auf gegenüber der supraleitenden Leiterschicht gegenteilige Weise anstatt zu der Mitte hin in der radialen Richtung angeordnet sein, um die Größe des nach außen gerichteten Magnetfelds zu minimieren und um die Wechselstromverluste zu minimieren.
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Wenn die supraleitende Leiterschicht und die supraleitende Abschirmschicht jeweils mehrschichtig ausgebildet sind, können schlussendlich die Metallsubstratschichten oder die supraleitenden Schichten in den beiden supraleitenden Drähten einer äußersten der supraleitenden Leiterschichten und einer innersten der supraleitenden Abschirmschichten in entgegengesetzten Richtungen angeordnet sein. Wie in 3 gezeigt, kann insbesondere in dem supraleitenden Draht der äußersten der supraleitenden Leiterschichten die Metallsubstratschicht zu der Mitte des supraleitenden Kabels hin angeordnet sein und die supraleitende Schicht in der radialen Richtung des supraleitenden Kabels angeordnet sein, und in dem supraleitenden Draht der supraleitenden Abschirmschicht kann die Metallsubstratschicht in der radialen Richtung des supraleitenden Kabels und die supraleitende Schicht zu der Mitte des supraleitenden Kabels hin angeordnet sein.
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4 zeigt eine konzeptionelle Darstellung einer weiteren Ausführungsform des supraleitenden Kabels nach der vorliegenden Erfindung.
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In der in 4 gezeigten Ausführungsform sind beispielhaft zwei supraleitende Leiterschichten und eine supraleitende Abschirmschicht vorgesehen. Eine erneute Beschreibung derselben mit Bezug auf 3 erfolgt nicht. Obwohl die in 4 gezeigte Ausführungsform mit der in 3 gezeigten Ausführungsform dahingehend identisch ist, dass die supraleitenden Leiterschichten mehrschichtig ausgebildet sind, besteht insofern ein Unterschied, als dass zur Steigerung der elektrischen Energieübertragungskapazität vier supraleitende Leiterschichten vorgesehen sind.
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Des Weiteren ist die Anzahl supraleitender Abschirmschichten proportional zu der Steigerung der Anzahl supraleitender Leiterschichten auf zwei erhöht.
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Wie der obigen Beschreibung zu entnehmen ist, kann bei einer Veränderung der Positionen einer Metallsubstratschicht 180a-1 und einer supraleitenden Schicht 180a-2 eines supraleitenden Drahts, der eine erste supraleitende Abschirmschicht 180a bildet, welche die innerste der beiden supraleitenden Abschirmschichten 180a und 180b ist, das von der ersten supraleitenden Abschirmschicht 180a erzeugte Magnetfeld durch die Metallsubstratschicht 180a-1 des supraleitenden Drahts der ersten supraleitenden Abschirmschicht 180a derart beeinflusst werden, dass die vertikale Komponente in einem Teil des horizontalen Magnetfelds verstärkt wird. Somit können auf die gleiche Weise wie bei der supraleitenden Leiterschicht Wechselstromverluste in Verbindung mit induziertem Strom verringert werden, was zu einer Verschlechterung der Abschirmfähigkeit führt.
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Davon ausgehend, dass sowohl die supraleitende Leiterschicht als auch die supraleitende Abschirmschicht mehrschichtig ausgebildet ist, können Wechselstromverluste aufgrund der von der äußersten supraleitenden Leiterschicht und der innersten supraleitenden Abschirmschicht gebildeten Magnetfelder minimiert werden, wenn eine Metallsubstratschicht eines supraleitenden Drahts einer äußersten supraleitenden Leiterschicht zu der Mitte des supraleitenden Kabels hin angeordnet ist und eine supraleitende Schicht eines supraleitenden Drahts einer innersten supraleitenden Abschirmschicht zu der Mitte des supraleitenden Kabels hin angeordnet ist.
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Weiterhin hat sich durch Experimente herausgestellt, dass Wechselstromverluste minimiert werden, wenn die Richtungen einer Metallsubstratschicht und einer supraleitenden Schicht mehrerer supraleitender Leiterschichten und mehrerer supraleitender Abschirmschichten jeweils denen in einer äußersten supraleitenden Leiterschicht und einer innersten supraleitenden Abschirmschicht entsprechen.
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Dementsprechend können die mehreren supraleitenden Leiterschichten 130 oder die mehreren supraleitenden Abschirmschichten 180 derart gestapelt sein, dass die Metallsubstratschichten oder die supraleitenden Schichten derselben in der gleichen Richtung angeordnet sind.
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In den beiden supraleitenden Drähten einer äußersten der supraleitenden Leiterschichten und einer innersten der supraleitenden Abschirmschichten sind die Metallsubstratschichten bzw. die supraleitenden Schichten schlussendlich in entgegengesetzten Richtungen angeordnet. Insbesondere sind in den supraleitenden Drähten der supraleitenden Leiterschichten die Metallsubstratschichten zu der Mitte des supraleitenden Kabels hin angeordnet und die supraleitenden Schichten in der radialen Richtung des supraleitenden Kabels angeordnet. Wenn die supraleitende Leiterschicht und die supraleitende Abschirmschicht, wie in 4 gezeigt, jeweils mehrschichtig ausgebildet sind, können in den supraleitenden Drähten der supraleitenden Leiterschichten alle Metallsubstratschichten zu der Mitte des supraleitenden Kabels hin angeordnet sein und alle supraleitenden Schichten in der radialen Richtung des supraleitenden Kabels angeordnet sein, und in den supraleitenden Drähten der supraleitenden Abschirmschichten können alle supraleitenden Schichten zu der Mitte des supraleitenden Kabels hin angeordnet sein und alle Metallsubstratschichten in der radialen Richtung des supraleitenden Kabels angeordnet sein, um Wechselstromverluste zu minimieren.
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5 zeigt eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des supraleitenden Kabels nach der vorliegenden Erfindung, und 6 zeigt eine Schnittansicht des supraleitenden Kabels nach 5 in einem horizontal installierten Zustand. Eine erneute Beschreibung mit Bezug auf 1 bis 4 erfolgt nicht. Die in 5 und 6 dargestellte Ausführungsform zeigt beispielhaft ein dreiphasiges supraleitendes Kabel, bei welchem die Anzahl an in dem supraleitenden Kabel vorgesehenen Kerneinheiten 100 drei oder mehr beträgt.
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Anders als bei der in 1 und 2 dargestellten Ausführungsform kann die Beschreibung von 4, in welcher vier supraleitende Leiterschichten und zwei supraleitende Abschirmschichten pro Kerneinheit vorgesehen sind, des Weiteren auf die in 5 und 6 dargestellte Ausführungsform angewendet werden.
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Unter der Annahme, dass sowohl die supraleitende Leiterschicht als auch die supraleitende Abschirmschicht bei der in 5 und 6 dargestellten Ausführungsform wie mit Bezug auf 4 beschrieben mehrschichtig ausgebildet ist, können dementsprechend Wechselstromverluste aufgrund der von der äußersten supraleitenden Leiterschicht und der innersten supraleitenden Abschirmschicht erzeugten Magnetfelder minimiert werden, wenn eine Metallsubstratschicht einer äußersten supraleitenden Leiterschicht 130d der supraleitenden Leiterschichten 130 zu der Mitte des supraleitenden Kabels hin angeordnet ist und eine supraleitende Schicht eines supraleitenden Drahts einer innersten supraleitenden Abschirmschicht der supraleitenden Abschirmschichten in der radialen Richtung des supraleitenden Kabels nach außen hin angeordnet ist.
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Dementsprechend können die mehreren supraleitenden Leiterschichten 130 und die mehreren supraleitenden Abschirmschichten 180 jeweils derart gestapelt sein, dass die Metallsubstratschichten bzw. die supraleitenden Schichten derselben in der gleichen Richtung angeordnet sind.
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Das dreiphasige supraleitende Kabel kann derart ausgebildet sein, dass sich die drei Kerneinheiten 100 eine Kühleinheit 200 teilen, anstatt so ausgebildet zu sein, dass jede Kerneinheit 100 die Kühleinheit 200 unabhängig umfasst, und sich außerdem eine außerhalb der Kühleinheit 200 vorgesehene Vakuumeinheit 500 teilen können.
