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Leiteranordnung aus einem oder mehreren Leitersträngen für supraleitende
Kabel Zur Ubertragung elektrischer Energie sind sogenannte tiefstgekühlte Kabel
bekannt geworden, bei denen die Leitungsstränge im Innern eines mit flüssigem Helium
gefüllten Rohres angeordnet sind. Der Wärmeschutz nach außen wird durch weitere,
dieses Rohr konzentrisch umgebende und Zwischenräume bildende Rohre jeweils größeren
Durchmessers gebildet, die glatt oder zur Herstellung praktisch beliebiger Längen
auch gewellt sein können. Im Raum zwischen dem innersten und dem nächstfolgenden
Rohr wird ein Vakuum aufrechterhalten, während der Raum zwischen dem zweiten und
dritten Rohr zur Verteilung des von innen nach außen gerichteten Temperaturgefälles
mit flüssigem Stickstoff gefüllt ist. Der Zwischenraum vom dritten zum letzten,
auf Raumtemperatur stehenden Rohr kann wiederum evakuiert sein. Der Leiterstrang
kann bei solchen Kabeln aus zwei konzentrischen Trägern bestehen,von denen der innere
an seiner Außenfläche und der äußere an seiner Innenfläche mit einer supraleitenden
Schicht versehen ist.
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Bekannt ist es bereits, st-att eines einzigen Leiterstranges mit Leitern
großen Querschnitts, mehrere elektrisch parallel geschaltete Leitungsstränge mit
Leitern geringeren
Querschnitts zu wählen. Als supraleitende Materialien
sind beispielsweise Blei, Niobium und einige Nioblegierungen bekannt geworden. Der
Leiter des supraleitenden Kabels kann aus einem dieser Materialien oder, da. die
Energieübertragung beispielsweise durch Stromverdringung in einer dünnen Schicht
an der Oberfläche erfolgt, auch aus anderen Materialien aus Metall oder Kunststoff
bestehen, die mit einer dünnen Schicht von supraleitenden Materialien überzogen
sind. Diese Schicht kann durch Elektrolyse, durch Aufdampfen oder auch beispielsweise
als dünnes Metallband aufgebracht werden.
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Zur Halterung eines oder mehrerer solcher supraleitfähigen Leiterstränge
im Innern eines aus konzentrischen Rohren als Wärmeschutz aufgebauten tiefstgekühlten
Kabels hat man bereits daran gedacht, die Leiterstränge in gewissen Abst.;nden durch
Distanzscheiben zu fixieren. Nachteilig wirkt sich hierbei jedoch aus, daß in den
Zwischenräumen zwischen je zwei benachbarten Distanzscheiben der konstante Abstand,
beispielsweise zwischen je drei Phasenleitern, wegen der Verdrillung nicht aufrechterhalten
werden kann. Die Einfügung eines Rohrstückes aus einem geeigneten Isoliermaterial
zwischen jeweils zwei Abstandshaltern bringt auch nicht den gewünschten Erfolg,
da sich hierbei erhebliche fertigungstechnische Schwierigkeiten ergeben.
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Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, im innersten konzentrischen
Rohr der Kabel einen Profilstrang vorzusehen, durch dessen Formgebung der oder die
an seinem Umfang verteilten Leiterstränge über die Kabellänge fortlaufend ihre Lage
zur Kabelachse ändern. Abgesehen davon, daß durch diesen im innersten Rohr angeordneten
Profilstrang die Strömungsver hältnisse ungünstig beeinflußt werden können, ergeben
sich
hierbei auch Schwierigkeiten durch die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten
von dem aus Kunststoff bestehenden Profilstrang und den metallischen Leitersträngen.
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Die Erfindung geht@deshalb zur Halterung der Leiterstränge eines su>raleitenden
Kabels einen anderen Weg. Gemäß der Erfindung ist im innersten konzentrischen Rohr
ein langge streckter rohrförmiger Trägerkörper vorgesehen, an dessen Innenwand der
oder die vorzugsweise über die Kabellänge ihre Lage zur Kabel achse fortlaufend
ändernden Leiterstränge befestigt sind. Hierdurch-ist erreicht, daß die stromführenden
Leiterstränge weitestgehend vom Kiihlmedium, beispielsweise flüssigem Heilum, umflossen
bzw. sogar in dem durch den rohrförmigen Trägerkörper strömenden Medium eingebettet
sind. Der Wärmeübergang wird dadurch wesentlich verbessert und eine gegenüber den
bekannten Anordnungen erhebliche Vergleichmäßigung der Kühlung gewährleistet.Darüberhinaus
bringen die in dem rohrförmigen Träger angeordneten Leiterstränge eine nachteilige
Beeinflussung des Strömungswiderstandes mit sich. Das gilt insbesondere dann, wenn
in Weiterführung des Erfindungsgedankens, der bzw. die Ieiterstrfinge durch Aufteilung
des elektrisch geforderten Querschnitts in Einzelquerschnitte die Innenwand des
rohrförmigen Trägerkörpers gleichmäßig bedecken. Bei einen solchen Leiteraufbau
sind die Strömungsverluste äußerst gering, die Kühlwirkung aber ist optimal.
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Zweckmäßig wird man den rohrförmigen Trägerkörper aus einem Isoliermaterial
herstellen, das durch Aufextrudieren auf die Leiterstränge mit diesem eine innige
Verbindung eingeht.
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Hierzu eignet sich beispielsweise ein Copolymer des Polyathylens,
das mit Monomeren angereichert ist. Dieses Copolymer
verklebt fest
mit den metallischen Leitersträngen, wobei diese Verbindung auch durch die extrem
niedrigen Temneraturen im Innern des Kabels nicht beeinflußt wird.
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Um dem Einfluß der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von
Kunststoff und Metall entgegenzuwirken, hat es sich aJs besonders vorteilhaft erwiesen,
die Befestigung der Leiterstränge an der Innenwand des rohrförmigen Trägerkörpers,
beispielsweise auch die Verklebung mit dem aufextrudierten Ionomer längs der Eabelachse,
nur in Abeständen durchzuführen.
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Bei der unvermeidlichen unterschiedlichen Ausdehnung der beiden verwendeten
Werkstoffe werden sich dann die metallischen Leiter von der Innenwand de@ Tr@gerkörpers
weg entsprechend dem Ausdehnungsverhältnis nach innen durchbiegen. Hierbei ergibt
sich der besondere Effekt, daß das Kühlmedium zzlmindest in diesem Bereich die Leiterstränge
allseitig umgeben kann. Als Leiterstränge lassen sich Drähte, Profilstreifen oder
auch dünne Bänder aus dem supraleitfähigen Material, beispielsweise einer Niob-Zinn-Legierung
auf einem Kupferträger, verwenden. Bestehen die Leiterstränge aus dünnen Bändern,
dann können diese überlappt, in Abständen nebeiieinander oder auch auf Stoß gewickelt
sein. Es ist auch möglich, zur besseren Verbindung der Leiterstränge mit dem Trägerkörper,
die Leiterre an ihrer der Innenwand des Trigerkörpers zugekehrten Seite ganz oder
streckenweise mii einer Profilierung zu versehen so daß die Verl)indung mit dem
Trägerkörper verbessert wird. Wesentlich ist jedoch in jeden Fall daß zwischen den
Trägerkörpern und den Leitersträngen eine mechanisch feste, temperaturunabhängige
Verbindung besteht.
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Man kann auch darauf verzichten, den rohrförmigen Trägerkörper aus
einem mit dem Metall der Leiterstränge verklebenden
Kunststoff herzustellen,
wenn man die einzelnen Leiterstränge mit einem klebenden Kunststoff beschichtet,
der sowohl mit dem Metall als auch mit anderen Kunststoffen, z.B.Polyolefinen, verklebt.
In diesem Fall ist es möglich, beliebige Kunststoffe, die entsprechend Rälteunempfindlich
sind, für den rohrförmigen Trägerkörper einzusetzen.
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Sind die Leiterstränge an ihrer dem Trägerkörper zugekehrten Seite
profiliert, so ist es auch möglich, und oft besonders vorteilhaft, durch geeignete
Wahl der Profilierung eine mechanische Verbindung mit dem rohrförmigen Trägerkörper
zu erzielen.
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Zur Herstellung einer gemäß der Erfindung vorgesehenen Leiteranordnung
hat es sich als vorteilhaft erwiesen, auf einen lnnggestreckten Kern, beispielsweise
einen aufblasbaren Schlauch aus einem geeigneten Kunststoff, zunächst zur Erhöhung
der stabilität des Schlauches eine oder mehrere Lagen aus Papier oder einer geeigneten
Kunststoffolie aufzubringen und darüber mit dem aus elektrischen Gründen geforderten
Schlag die Leiterstränge aufzuseilen. ber die aufgeseilten Leiterstränge wird dann
in gleichmäßigen oder ungleichm.ißigen Abständen ein vorzugsweise aus Kunststoff
bestehendes Band wendelförmig aufgewickelt, und darüber wird der rohrförmige Trägerkörper,
beispielsweise durch Aufextrudieren eines mit den Leitersträngen verklebenden Ionomers,
aufgebracht. Anschließend wird dann die Stützluft aus dem Kunstatoffschlauch abgelassen
und dieser zusammen mit der seiner Stabilität dienenden Bewicklung aus dem fertigen
Kabel herausgezogen. Zurück bleibt der rohrförmige Trägerkörper, an dessen Innenwand
die supraleitenden Stränge befestigt sind.
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Die Erfindung sei anhand der in den Fig.l und 2 dargestellten Ausführungsbeispiele
näher erläutert.
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Innerhalb des aus einem geeigneten Kunststoff bestehenden rohrförmigen
Trägerkör1ers 1 sind, wie aus Fig.l ersichtlich, die bandförmigen Leiterstränge
2, die beis1\ielsweise Aus auf einem geeigneten Trager angebrachten sul)raleitfähigen
Schichten wie Blei, Niob u.dgl. bestehen, angeordnet. Zwischen den supraleitenden
Strängen 2 und der Innenwand des rohrförmigen Trägerkörpers 1 befindet sich die
aus einem geeigneten Kunststoff, beispielsweise einem Polyterephthalat, welche unter
den Handelsnamen Hostaphan bekannt ist, bestehende Folie 3. Diese Folie ist wendelförmig
aufgewickelt, so daß an den von der Folie unbedeckten Stellen die supraleitfähigen
Leiterstränge mit dem, beispielsweise durch Aufextrudieren aufgebrachte, Kunststoff
des Trägerkörpers 1 verklebt sind. Die Folie selbst deckt an den unverklebten Stellen
die Leiterstränge ab, so daß hier eine Verbindung mit dem Trägerkörper 1 nicht erzielt
wird. Das hat den besonderen Vorteil, daß die durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten
beding -ten unterschiedlichen Längenänderungen zwischen dem Trägerkörper 1 und den
Leitersträngen 2 dadurch aufgefangen werden, daß die Leiterstränge von der Innenwand
des Trägerkörpers abgehoben und nach innen gewölbt werden. Abgesehen davon, daß
hiermit ein bewußter Ausgleich geschaffen wird, werden die abgehobenen Stränge in
den Kühlmittelstrong, beispielsweise in das flüssige Helium, hineingedrückt und
allseitig von diesem umspült. Hierdurch wird ein besonders günstiger Kühleffekt
erreicht, ohne daß wesentliche Reibunsverluste für den Kühlmitteltransport entstehen.
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Zur Herstellung der in Fig.l dargestellten Leiteranordnung geht man
zweckmäßig so vor, daß, wie aus Fig.2 ersichtlich, auf den aufgeblasenen Kunststoffschlauch
5 die, beispielsweise
aus Papier oder Kunststoff bestehende Bewicklung
4, aurgebracht wird. Diese Bewicklung gibt dem Kunststoffschlauch die erforderliche
Stabilität, wenn anschließend die aus dem supraleitenden Material hergestellten
bandförmagen Leiterstränge 2 mit langem Schlag aufgeseilt werden.
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Durch eine solche Aufseilung auf den Kunststoffschlauch 5 ist auch
ein konstanter Abstand zwischen den aufgebrachten Leitersträngen möglich, wobei
gleichzeitig durch die Lagenänderung der Leiterstränge zur Kabelachse eine bestmögliche
Feldverteilung erreicht ist. Zudem bringt die Anwendung eines solchen Kunststoffschlauches
5- bei der Herstellung einer gemäß der Erfindung ausgebildeten Leiteranordnung eruebliche
fertigungstechnische Vorteile mit sich, da die Leiterstränge mittels bekannter Verseilverfahren
aufgebracht werden können. über die Leiterstränge 2 wird dann anschließend die ebenfalls
aus Kunststoff bestehende Folie 3 wendelförmig mit Lücke aufgewickelt. Die Größe
der Lticke wird dabei entsprechend der zu erwartenden Längenänderung der Leiterstränge
gewäiilt. Über die Leiterstränge wird nunmehr durch Aufextrudieren das mit den Leitersträngen
im Bereich der Lücke verklebende Monomer aufgebracht, das nach dem Erkalten den
rohrförmigen Trägerkörper 1 bildet. Abschließend werden der Kunststoffschlauch 5
sowie die Bandbewicklung 4, nach der Druckenentlastung durch Auslassen der Stützluft,
aus dem Trägerkörper entfernt. Sollten die supraleitfähigen Leiterstränge 2 an die
Außenwand eines rohrähnlichen Trägerkörpers angeklebt werden, so empfielt sich als
letzte Lage nuf die zur Stabilisierung des Scblauciies verwendete Bewicklung eine
Folie aus einem mit dem Rohr nicht verklebenden Material aufzubringen.
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- Patentansprüche -