DE1765532C3 - Abstandshalter für koaxiale Rohrsysteme - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Abstandshalter für koaxiale Rohrsysteme mit einem zwischen den konzentrisch angeordneten Rohren bestehenden Temperaturgefälle, für ein in supraleitendem Zustand betriebenes elektrisches Kabel oder ein Rohrsystem für den Transport erwärmter oder gekühlter flüssiger oder gasförmiger Medien mit durch Bemessung und/oder Materialauswahl geringer thermischer Leitfähigkeit, die infolge ihrer gewählten äußeren Form das sie umschließende Rohr punkt- oder linienförmig berühren.

Zur Übertragung elektrischer Energie sind bereits

sogenannte tiefstgekühlte Kabel bekannt geworden, bei denen die Leitungsstränge im Innern eines mit flüssigem Helium gefüllten Rohres angeordnet sind. Dieses Rohr wird zum Wärmeschutz nach außen von drei weiteren konzentrischen Rohren umgeben, die jeweils etwas größeren Durchmesser besitzen, so daß entsprechende Zwischenräume gebildet werden. Im innersten Zwischenraum wird ein Vakuum aufrecht erhalten, während der mittlere Zwischenraum zum Zwecke der Unterteilung des vom Kabelinnern nach außen gerichteten Temperaturgefälles mit flüssigem Stickstoff gefüllt ist. Der äußerste Zwischenraum ist wiederum evakuiert.

Des weiteren ist es bekannt, für den Transport von Flüssigkeiten und Gasen koaxiale Anordnungen zu verwenden, die aus mehreren konzentrischen Rohren bestehen. Bei Verwendung von zwei Rohren z. B. wird das innere Rohr zur Leitung der Flüssigkeit oder des Gases benutzt, während der Raum zwischen den Rohren thermisch isoliert ist. Eine thermische Isolierung ist beispielsweise durch Evakuieren oder Einbringen eines Isolierstoffes, etwa eines Schaumstoffes, möglich.

Zur Zentrierung und Abstützung solcher Rohrsysteme sind Abstandshalter vorgeschlagen worden, die aus wendeiförmigen Stegen bestehen. Nachteilig hierbei ist jedoch, daß die Wendeln eine ununterbrochene wärmeleitende Brücke zwischen den Rohren bilden. Man hat deshalb versucht, den Wärmeübergang durch entsprechende Materialauswahl, z. B. durch Verwendung von Wendeln aus Polytetrafluoräthylen, zu reduzieren. Die sich ergebenden Werte für die Wärmeverluste haben sich jedoch für eine wirtschaftliche Auslegung von derartigen koaxialen Anordnungen als zu hoch erwiesen.

Für koaxiale Rohrsysteme, in denen zwischen den Rohren ein Temperaturgefälle aufrecht erhalten werden soll, z. B. in einem Kühlsystem für ein in

supraleitendem Zustand betriebenes elektrisches Kabel oder für ein Rohrsystem für den Transport erwärmter und gekühlter Flüssigkeiten oder Gase, hat man auch bereits vorgeschlagen, drei oder mehrere radial zwischen je zwei Rohren angeordi.ete und gleichmäßig um die Achse des Rohrsystem·; verteilte Stützelemente zu verwenden, deren thermische Leitfähigkeit durch Bemessung und/oder Materialauswahl unter Berücksichtung der mechanischen Beanspruchung auf einem möglichst kleinen Wert gehalten wird; die Stützelemente terden hierbei durch ein oder mehrere zu den Rohren konzentrische Ringe in ihrer räumlichen Lage zueinander gehalten. Mit solchen Abstandshaltern wird die erforderliche mechanische Belastbarkeit der Abstandshalterung mit einem Minimum an Wärmeverlusten erreicht. Dies beruht darauf, daß die mit den Rohren in Berührung stehenden Kontaktflächen, die wesentlich an der Größe der Wärmeverluste beteiligt sind, erheblich verkleinert sind.

Bekannt ist es auch bereits (OE-AS 2 56 956), zur Abstandshalterung bei supraleitenden Energieübertra gupgsleitungen im Querschnitt dreieckförmige Massivstränge zu verwenden, die wendelförmig um das jeweils innere Rohr herumgelegt sind. Diese Vollstränge, die zumindest mit ihren Basisseiten das jeweilige Rohr flächenhaft berühren, bilden wärmeleitende Brücken geringen Widerstandswertes, so daß sich ein hoher Wärme- bzw. Kälteverlust ergibt

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Abstandshalterung zu schaffen, die durch ihre Ausgestaltung nur ein Minimum an Wärme- bzw. Kälteübertragung durch Leitung zuläßt und zudem auf einfache Weise im Schichtenaufbau der Rohrsysteme untergebracht werden kann.

Diese Aufgabe wird bei koaxialen Rohrsystemen gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Abstandshalter au? auf einem langgestreckten Träger angeordneten Stützelementen bestehen. Neben der durch solche, das sie umschließende Rohr punkt- oder linienförmig berührenden Stützelemente erzielten geringen Wärmeleitfähigkeit der Abstandshalter ist erreicht, daß die auf dem Träger angeordneten Abstandshalter sich beispielsweise mit in der Kabeltechnik üblichen Mitteln in das Rohrsystem einbauen lassen. Die Fertigung solcher Rohrsysteme wird hierdurch wesentlich erleichtert.

Als Stützelemente, die mit dem sie umschließenden Rohr eiie linien- oder punktförmige Berührung aufweisen, können beispielsweise kugelförmige Formkörper aus einem verlustarmen Material, beispielsweise Plexiglas, verwendet werden, die auf einem Nylonfaden aufgefädelt sind. Solche Kugeln haben nur kleine Auflageflächen, so daß die Wärme'citung wesentlich herabgesetzt ist. Des weiteren haben sich walzen- oder rollenförmige Formkörper als Stützelemente als vorteilhaft erwiesen. Das gilt insbesondere dann, wenn für die konzentrischen Rohre des koaxialen Rohrsystems schraubenlinienförmig gewellte oder auch mit einer Parallelwellung versehene Rohre verwendet werden. Die walzen- oder rollenförmigen Formkörper liegen dann nämlich in axialer Richtung auf den Wellenbergen des jeweiligen Rohres auf. In diesem Fall ist es auch vorteilhaft, rechteckige oder quadratische Formkörper mit T-förmigem Querschnitt zu verwenden, die mit ihrer verhältnismäßig großen Auflagefläche auf dem Träger befestigt sind und mit der dieser Fläche abgekehrten Seite an der Innenwand des konzentrischen nächsten Rohres linienförmig anliegen.

Zur weiteren Materialeinsparung ist es auch möglich, die Stützelemente hohl auszubilden. Handelt es sich bei den Stützelementen beispielsweise um kleine Plexiglaskugeln, so hat sich eine durch jede Kugel gefüh-te Bohrung als vorteilhaft erwiesen, da diese gleichzeitig ium Durchführen des Trägers benutzt werden kann. Aber auch die walzen- oder rollenförmigen sowie die T-förmigen Formkörper können mit einer ausreichend großen Bohrung oder Bohrungen sowie Aussparungen versehen werden, so daß lediglich eine den mechanischen Beanspruchungen angepaßte Wand bzw. Materialstärke bestehen bleibt und anschließend können diese Formkörper auf den Träger, beispielsweise ein geeignetes Kunststoffband, aufgeklebt, aufgeschweißt oder in anderer Weise auf diesem befestigt werden.

Zur Herstellung einer besonders materialarmen Wendel hat es sich in Weiterführung der Erfindung auch als vorteilhaft erwiesen, Stützelemente zu verwenden, die im Zuge des langgestreckten Trägers unterschiedliche Höhen aufweisen. Werden als Stützelemente kleine PlexigiaskugeJn verwendet, so kann man beispielsweise zwischen einer Anzahl Kugeln größeren Durchmessers eine Anzahl kleinerer Kugeln einführen, beispielsweise so, daß auf einer Windung des Trägers etwa drei Kugeln am Innen- und Außenleiter anliegen. Dann folgen mehrere Windungen mit Kugeln kleineren Durchmessers, die nur dann das Innen- und Außenrohr berühren, wenn mechanische Beanspruchungen, beispielsweise beim Biegen des Rohrsystems, auftreten. Bei einer gewählter! Schlaglänge von 10 cm beispielsweise für den aufgewickelten Träger könnte dann nur diese Länge mit Kugeln größeren Durchmessers versehen sein, während auf weiteren 90 cm Kugeln kleineren Durchmessers sitzen. Infolge der extrem kleinen Auflageflächen der Stützelemente einer solchen Anordnung sind die Wärmeverluste besonders niedrig bei gleichzeitig hoher mechanischer Stabilität des Rohrsystems.

Werden für ein solches koaxiales Rohrsystem schraubenlinienförmig gewellte oder mit einer Parallelwellung versehene Metallrohre verwendet, dann wird man vorteilhaft anstelle der Kugeln walzen- oder rollenförmige sowie im Querschnitt T-förmige Formkörper als Stützelemente verwenden, die auf einem bandförmigen Träger befestigt sind. Ordnet man hierbei diese Formkörper in Längsrichtung des Trägers um einen Winkel geneigt an, der der Steigung der Wendel oder Schraubenlinie entspricht, in der der Träger auf das die Stützeleimente tragende Rohr aufgewickelt werden soll, dann liegen diese Formkörper in Achsrichtung auf den Wellenbergen des Wellrohres auf.

Die Erfindung sei anhand der in den F i g. 1 bis 9 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Zum Betrieb des aus den konzentrisch zueinander angeordneten Rohren 1, 2 und 3 bestehenden elektrischen Kabels in supraleitendem Zustand befindet sich in dem inneren Rohr 1, das auch zur Aufnahme elektrischer Leiter dienen kann, flüssiges Helium mit einer Temperatur von etwa 4° K. Im Raum zwischen dem in der F i g. 1 angedeuteten Rohre 2 und 3 ist flüssiger Stickstoff von etwa 77° K angeordnet, so daß in dem Raum zwischen den Rohren 1 und 2 eine Temperaturdifferenz von etwa 70° K herrscht. Da dieser Raum evakuiert ist, fällt die Übertragung durch Leitung mittels Luft oder Konvektion fort. Der Wärmeübergang durch Strahlung ist außerordentlich klein, da die Temperaturen sehr tief sind und die beiden Oberflächen der beiden Metallrohre gut reflektierend gemacht werden können. Der größte Anteil der Wärmeübertragung erfolgt daher durch die bei solchen

Rohrsystemen nun einmal erforderliche Abstandshalterung zwischen den beiden Rohren. Hierbei kommt es also darauf an, stabile Abstandshalter zwischen den Rohren mit möglichst wenig Material eines sehr schlecht wärmeleitenden Werkstoffes zu verwenden. Zu den außerordentlich schlecht leitenden Werkstoffen gehört beispielsweise Plexiglas.

Um nun den Anforderungen, die an solche thermische Abstandshalter gestellt werden, zu genügen, und auf der anderen Seite eine rationelle Fertigung sicher zu stellen, werden, wie in der Fi g. 2 dargestellt, Abstandshalter in Form von auf dem Nylonfaden 4 aneinander gereihte Plexiglaskugeln 5 verwendet, die eine zentrische Bohrung für den Faden 4 aufweisen. Diese Kugeln können im gleichen Abstand hintereinander angeordnet mittels des Fadens 4 auf dem Rohr 1, wie in der F i g. 3 angedeutet, schraubenlinienförmig aufgewickelt werden. Es ist aber auch möglich, jeweils mehrere Kugeln, wie aus der Fig.4 ersichtlich, in der Weise zu einer Gruppe zusammenzufassen, daß die Strecke, die auf dem Faden von einer solchen Gruppe eingenommen wird, dem Umfang U des die Stützelemente tragenden Rohres entspricht. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß das konzentrische Rohr an seinem gesamten Umfang U von den Kugeln 5 getragen wird.

Abweichend von dem Ausführungsbeispiel nach den F i g. 2 bis 4 dienen nach den F i g. 5 und 6 als Abstandshalter auf dem bandförmigen Träger 6, beispielsweise aus Polyester, Polystyrol od. dgl., angeordnete Walzen 8 oder Rollen 7, die zur Einsparung weiteren Materials derart ausgebohrt sind, daß lediglich eine die mechanische Festigkeit gewährleistende dünne Wandstärke verbleibt. In der F i g. 7 sind schließlich rechteckförmige Abstandshalter 9 dargestellt, die einen T-förmigen Querschnitt aufweisen. Mit ihrer verhältnismäßig breiten Grundfläche können diese Abstandshalter auf einen bandförmigen Träger z. B. aufgeklebt werden. Als besonders vorteilhaft hat es sich jedoch erwiesen, diese Abstandshalter mit einem Schlitz zu versehen, durch den das Trägerband 6 hindurchgeführt ist. Zweckmäßig wird man hierbei den Schlitz durch die verhältnismäßig dünne Wand des Abstandshalters so führen, daß beim Hindurchführen des Bandes die Abstandshalter gleich die für das wendeiförmige Aufwickeln benötigte Neigung zur Achsrichtung aufweisen.

Anstatt die einzelnen walzen-, rollen- oder T-förmigen, in gleichem Abstand hintereinander auf dem bandförmigen Träger zu befestigen, ist es auch, wie in der Fig.8 dargestellt, möglich, jeweils eine Anzahl solcher Formkörper zu einer Gruppe / und // zusammenzufassen, und anschließend eine längere Strecke ohne Stützelemente auf dem bandförmigen Träger freizulassen. Hierbei kann man auch so vorgehen, daß der Durchmesser der Formkörper 7, 8 oder 9 der Gruppe //so gewählt ist, daß diese das zu stützende Rohr linienförmig berühren, während der Durchmesser der in der Gruppe / befindlichen Formkörper wesentlich geringer gewählt ist, so daß normalerweise eine Berührung mit dem abzustützenden Rohr nicht erfolgt, sondern lediglich dann, wenn bei zusätzlichen Beanspruchungen, z. B. bei einem Biegen des Rohrsystems um einen bestimmten Radius, die Berührung: der konzentrischen Rohre untereinander verhindert werden soll. Durch die auf diese Weise erzielte nur äußerst geringe Berührung der Abstandshalter mit den konzentrischen Rohren ist eine extrem niedrige Wärmeleitung zwischen den Rohren erreicht.

Wie aus den Fig.5, 6 und 7 ersichtlich, weisen die walzen-, rollen- oder T-förmigen Formkörper 7,8 und 9 auf dem bandförmigen Träger 6 eine Neigung zur Längsrichtung des Trägers auf, die der Steigung der Wendel oder Schraubenlinie entspricht, in der der Träger au F das die Stützelemente tragende Rohr aufgewickelt wird Ein solches Ausführungsbeispiel ist in der F i g. 9 dargestellt Auf dem mit flüssigem Helium gefüllten Innenrohr 12, das mit einer wendeiförmigen Wellung versehen ist, ist der z. B. mit den rollenförmigen Formkörpern 8 versehene Träger 6 schraubenlinienförmig aufgewickelt, so daß die Formkörper 8 in Achsrichtung auf den Wellenbergen des Rohres 12 aufliegen. Trotz der geringen Auflagefläche dieser zylindrischen Formkörper isi eine hohe mechanische Stabilität des Rohrsystems gewährleistet

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (16)

Patentansprüche:

1. Abstandshalter für koaxiale Rohrsysteme mit einem zwischen den konzentrisch angeordneten Rohren bestehenden Temperaturgefälle, für ein in supraleitendem Zustand betriebenes elektrisches Kabel oder ein Rohrsystem für den Transport erwärmter oder gekühlter flüssiger oder gasförmiger Medien mit durch Bemessung und/oder Materialauswahl geringer thermischer Leitfähigkeit, die infolge ihrer gewählten äußeren Form das sie umschließende Rohr punkt- oder linienförmig berühren, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter aus auf einem langgestreckten Träger angeordneten Stützelementen bestehen.

2. Abstandshalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Stützelemente auf einem langgestreckten Träger angeordnete kugelförmige Formkörper verwendet sind.

3. Abstandshalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Stützelemente auf einem langgestreckten Träger angeordnete walzen- oder rollenförmige Formkörper verwendet sind.

4. Abstandshalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Stützelemente auf einem langgestreckten Träger angeordnete rechteckförmige oder quadratische, im Querschnitt T-förmige Formkörper verwendet sind.

5. Abstandshalter nach einem der Ansprüche 1 bis

3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützelemente hohl sind.

6. Abstandshalter nach einem der Ansprüche 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß die Formkörper Bohrungen oder Aussparungen aufweisen.

7. Abstandshalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützelemente eine vorzugsweise in Achsrichtung verlaufende Bohrung aufweisen, durch die der langgestreckte Träger, z. B. ein Kunststoffaden, hindurchgeführt ist.

8. Abstandshalter nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die walzen-, rollen- oder T-förmigen Formkörper auf einem bandförmigen Träger angeordnet sind.

9. Abstandshalter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Stützelementen in Richtung des langgestreckten Trägers unterschiedlich groß ist.

10. Abstandshalter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß auf eine Anzahl Stützelemente gleichen Abstandes voneinander jeweils eine von Stützelementen freie Strecke folgt, die größer als der Abstand zwischen den Stützelementen ist.

11. Abstandshalter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützelemente im Zuge des langgestreckten Trägers unterschiedliche Höhen aufweisen.

12. Abstandshalter r.ach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils mehrere Stützelemente gleicher Höhe zu Gruppen zusammengefaßt sind.

13. Abstandshalter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Strecke auf dem Träger, die für die Anordnung der Stützelemente einer Gruppe benötigt wird, dem Umfang a des die Stützelemente tragenden Rohres entspricht.

14. Abstandshalter nach Anspruch 13. dadurch gekennzeichnet, daß im Zuge des langgestreckten Trägers abwechselnd Gruppen von Stützelementen

unterschiedlicher Höhe vorgesehen sind.

15. Koaxiales Rohrsystem mit Abstandshaltern nach einem der Ansprüche 1 bis 14, zwischen den konzentrisch angeordneten Rohren, dadurch gekennzeichnet, daß der mit den Stützelementen versehene Träger Schraubenlinien; oder wendelförmig auf das die Stützelemente tragende Rohr aufgewickelt ist.

16. Koaxiales Rohrsystem, insbesondere aus gewellten Rohren mit walzen-, rollen- oder T-förmigen Formkörpern nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die walzen-, rollen- oder T-förmigen Formkörper auf dem bandförmigen Träger zur Längsrichtung des Trägers um einen Winkel geneigt sind, der der Steigung der Wendel oder Schraubenlinie entspricht, in der der Träger auf das die Stützelerrente tragende Rohr aufgewickelt ist.