DE1937796B2

DE1937796B2 - Tiefgekühltes, insbesondere supraleitendes Kabel

Info

Publication number: DE1937796B2
Application number: DE1937796A
Authority: DE
Inventors: Guenther Matthaeus; Fritz Schmidt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1969-07-25
Filing date: 1969-07-25
Publication date: 1975-11-06
Also published as: US3657467A; DE1937796C3; FR2055576A5; JPS5111786B1; GB1310424A; DE1937796A1

Description

Die Erfindung betrifft ein tiefgekühltes, insbesondere supraleitendes Kabel mit einem den bzw. die durch ein erstes Kühlmittel kühlbaren elektrischen Leiter umgebenden Strahlungsschild aus Metall, das mit mehreren zur Führung eines zweiten Kühlmittels dienenden Rohren verbunden ist.

Von tiefgekühlten, insbesondere supraleitenden Kabeln sind für die Übertragung großer elektrischer Energiemengen erhebliche Vorteile zu erwarten. Als elektrische Leiter können für diese Kabel elektrisch normalleitende Metalle insbesondere hoher Reinheit, beispielsweise hochreines Aluminium, verwendet werden. Da der ohmsche Widerstand von normalleitenden Metallen bei tiefen Temperaturen wesentlich kleiner ist als bei Raumtemperatur können durch die Kühlung der Leiter die elektrischen Verluste im Kabel stark herabgesetzt werden. Besonders geeignet für derartige

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Kabel sind supraleitende Metalle, deren ohmscher Widerstand bei Abkühlung auf eine Temperatur unterhalb der vom jeweils verwendeten Supraleitermaterial abhängigen kritischen Temperatur oder Sprungtemperatur vöilig verschwindet. Als Supraleitermaterialien kommen dabei insbesondere die Metalle Niob und Blei und sogenannte Hochfeldsupraleitermatei ialien in Frage. Als Beispiele für Hochteldsupraleitermaterialien sind insbesondere supraleitende Legierungen aus Niob und Titan bzw. aus Niob und Zirkon, gegebenenfalls mit Zusätzen weiterer Stoffe, und intermetallische supraleitende Verbindungen wie Niob-Zinn (Nb3Sn) zu nennen. Die Supraleiter können zur elektrischen Stabilisierung vorteilhaft mit elektrisch zu ihnen parallel geschalteten, bei der Betriebstemperatur der Supraleiter elektrisch normalleitenden Metallen, wie Kupfer oder Aluminium, gut eiektrischleitend und gut wärmeleitend verbunden oder in diese elektrisch normalleitenden Metalle eingebettet sein.

Zur Kühlung von Leitern aus elektrisch nonnalleitendem Metall eignen sich insbesondere Flüssigkeiten mit einer Siedetemperatur unterhalb von etwa 150⁰K, wie beispielsweise flüssiger Wasserstoff, flüssiger Stickstoff oder flüssiges Erdgas oder kalte Gase entsprechender Temperaturen. Zur Kühlung von Supraleitern kommen bei den derzeit verfügbaren Supraleitermaterialien praktisch nur flüssiges oder kaltes gasförmiges Helium in Frage.

Um die zur Kühlung der Leiter erfnMerliche Kühlleistung möglichst klein zu halten und unnötige Kühlmittelverluste zu vermeiden, müssen die Leiter und das zu ihrer Kühlung dienende Kühlmittel gegenüber der äußeren Umgebung des Kabels thermisch isoliert werden. Diese thermische Isolation besteht in der Regel aus einem die Leiter umgebenden evakuierten Raum. Zur Herabsetzung der Wärmeeinstrahlung aus der Umgebung des Kabels auf die Leiter kann innerhalb des evakuierten Raumes ein die Leiter umgebendes Strahlungsschild aus Blech vorgesehen sein, das durch ein zweites Kühlmittel gekühlt wird, welches eine höhere Temperatur besitzt als das zur Kühlung der Leiter dienende Kühlmittel. Bei bekannten, mit flüssigem Helium gekühlten supraleitenden Kabeln besteht dieses Strahlungsschild aus einem Blechrohr, das mit mehreren Rohren verbunden ist, die beim Betrieb des Kabels von flüssigem Stickstoff durchströmt werden (Aufsatz von E. C. Rogers und D. R. Edwards in der Zeitschrift »Electrical Review« 181 (1967), S. 348 bis 351).

Derartige Strahlungsschilde aus Blechrohren weisen jedoch verschiedene Nachteile auf. Sie müssen beispielsweise vor der Verlegung des Kabels vorgefertigt und an den Verlegungsort des Kabels transportiert werden. Dies kann wegen des verhältnismäßig großen Durchmessers der rohrförmigen Strahlungsschilder zu erheblichen Transportschwierigkeiten führen. Ferner müssen wegen der unterschiedlichen Zusammenziehung der Leiter des Kabels und des rohrförmigen Strahlungsschildes bei der Abkühlung auf verschiedene Temperaturen Vorkehrungen getroffen werden, um die unterschiedlichen Längenänderungen auszugleichen. Zu diesem Zweck können beispielsweise Dehnungsbälge zwischen einzelnen Teilstücken des rohrförmigen Strahlungsschildes erforderlich sein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem tiefgekühlten, insbesondere supraleitenden Kabel den Aufbau des Strahlungsschildes zu vereinfachen und seine Wirkungsweise zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Strahlungsschild aus um die zur Führung eines iweiten Kühlmittels dienenden Rohre und gegebenenfalls weitere Stützelemente gewickeltem Metallband besteht

Ein solches Metallband kann ohne Transportschwierigkeiten zum Verlegungsort des Kabels transportiert und dort zu einem Strahlungsschild gewickelt werden. Ferner treten praktisch keine Schwierigkeiten wegen der Zusammenziehung des Strahlungsschildcs bei Abkühlung auf, da das Metallband etwas lockerer gewickelt werden kann, so daß es sich erst durch die Schrumpfung beim Abkühlen spannt, und da sich ferner in Längsrichtung des Kabels die einzelnen Windungen des Metallbandes etwas gegeneinander verschieben können. Als Material für das Metallband sind vorzugsweise gut wärmeleitende Metalle, wie Kupfer oder Aluminium, geeignet. Die ebenfalls geeigneten Metalle Silber und Gold kommen aus wirtschaftlichen Gründen kaum in Frage. Die genannten Metalle besitzen eine hohe Reaktivität in dem für die Wärmeeinstrahlung entscheidenden infraroten Strahlungsbereich. Da die Emission von Infrarotstrahlung eines Körpers gleich der Absorption derselben Strahlung ist, ist die Wirkung des Strahlungsschildes um so wirksamer, je höher seine Reflektivität ist. Hierbei ist es von besonderem Vorteil, daß die Metallbänder mit erheblich besserer Oberflächenqualität, d. h. erheblich glatterer Oberfläche, hergestellt werden können als Metallrohre und daß die Reflektivität des Strahlungsschildes aus Metallband daher höher und die Emmissionsfähigkeit für Infrarotstrahlung geringer ist als bei einem Strahlungsschild aus Blechrohr. Als Material für das Metallband kommt ferner auch Edelstahl in Frage.

Als weitere Stützelemente für das Strahlungsschild können vorteilhafte Halbrohre vorgesehen sein, die durch speichenförmige Stützen aus schlecht wärmeleitendem Material gegen ein den bzw. die elektrischen Leiter umschließendes Rohr abgestützt sind. Die Halbrohre können ferner vorteilhaft mit den zur Führung eines zweiten Kühlmittels dienenden Rohren durch metallische Brücken verbunden sein. Die Brücken können dabei insbesondere einen die Halbrohre mit den zur Führung des zweiten Kühlmittels dienenden Rohren verbindenden Ring bilden. Auf diese Weise kann eine besonders stabile gegenüber dem bzw. den elektrischen Leitern des Kabels gut wärmeisolierte Halterung für den Strahlungsschild erreicht werden. Die speichenförmigen Stützen können vorzugsweise in den Halbrohren gleitend gelagert sein. Die Halbrohre können sich bei einer solchen Lagerung gegenüber den speichenförmigen Stützen in Richtung der Kabelachse verschieben, so daß die unterschiedliche Zusammenziehung des die Leiter umgebenden Rohres und des Strahlungsschildes bei Abkühlung auch auf diese Weise ausgeglichen ss werden kann.

Um einen möglichst guten thermischen Kontakt zwischen dem Metallband und den zur Führung des zweiten Kühlmittels dienenden Rohren zu erzielen, kann das Metallband bei der Herstellung des Strahlungsschildes vorteilhaft auf die Rohre durch Walzen oder Rollen aufgepreßt bzw. mit den Rohren verquetscht werden. Beim Verquetschen werden die Oberflächen der Rohre und des Bandes miteinander verzahnt. Zur weiteren Verbesserung des thermischen Kontaktes kann das Band mit den zur Führung des zweiten Kühlmittels dienenden Rohren auch verschweißt werden.

Anhand einiger Figuren soll die Erfindung noch näher erläutert werden.

F i g. 1 zeigt schematisch im Querschnitt eine Ausführungsform eines tiefgekühlten Kabels mit einem Strahlungsschild.

F i g. 2 zeigt den Strahlungsschild des Kabels nach F i g. 1 in Seitenansicht.

F i g. 3a bis 3c zeigen verschiedene Möglichkeiten zum Verschweißen des Metallbandes des Strahlungsschildes mit einem zur Führung des zweiten Kühlmittels dienenden Rohr.

Bei dem in F i g. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel eines tiefgekühlten Kabels ist der elektrische Leiter 1 im Inneren eines beispielsweise aus Edelstahl bestehenden Rohres 2 angeordnet, das zur Führung des ersten Kühlmittels für den Leiter 1 dient Der Leiter 1 kann beispielsweise aus einer Kupfermatrix 3 bestehen, in die eine Vielzahl von supraleitenden Niob-Titan-Drähten 4 eingelagert sind. Zur Kühlung des Leiters 1 kann beispielsweise flüssiges Helium dienen, welches beim Betrieb des Kabels durch den Innenraum 5 des Rohres 2 strömt Das Rohr 2 ist von einem weiteren, vakuumdichten Rohr 6 umgeben, das ebenfalls aus Edelstahl bestehen kann. Zur thermischen Isolation des tiefgekühlten Leiters 1 gegenüber der Umgebung des Kabels ist der freie Raum 7 zwischen den beiden Rohren 2 und 6 evakuiert. Innerhalb dieses Raumes ist ein Strahlungsschild 8 aus Kupferband vorgesehen. Das Kupferband ist um drei beispielsweise aus Edelstahl bestehende Rohre 9 und drei weitere, als Stützelement dienende Halbrohre 10 herumgewickelt Die Rohre 9 dienen zur Führung des zweiten Kühlmittels zur Kühlung des Strahlungsschildes und werden beim Betrieb des Kabels beispielsweise von flüssigem Stickstoff durchflossen. Die als Stützelemente dienenden Halbrohre 10 können vorteilhaft aus einem schlecht wärmeleitenden Kunststoff oder aus Keramik bestehen. Die Rohre 9 und die Halbrohre 10 sind untereinander durch metallische Ringe 11 verbunden, in die sie eingelassen sind. In Fig I ist einer dieser Ringe dargestellt, weitere solche Ringe sind entlang der Längsachse des Kabels vorgesehen. Die Ringe 11 können teilbar ausgeführt sein, so daß sie bei der Montage des Kabels nicht auf das Rohr 2 aufgeschoben werden müssen, sondern um dieses herumgelegt werden können. In den Halbrohren 10 sind speichenförmige Stützen 12 aus schlecht wärmeleitendem Material, beispielsweise Kunststoff oder Keramik, gleitend gelagert. Die speichenförmigen Stützen 12 stützen sich auf das Rohr 2 ab und werden auf diesem Rohr durch einen beispielsweise teilbar ausgeführten Ring 13 aus schlecht wärmeleitendem Material gehalten. Entlang der Längsachse des Kabels sind weitere derartige speichenförmige Stützen 12 und Ringe 13 vorgesehen. Sie sind vorzugsweise gegen die metallischen Ringe 11 räumlich versetzt, so daß ein Gleiten der speichenförmigen Stützen 12 in den Halbrohren 10 nicht durch die Ringe 11 behindert werden kann. Halbrohre 10 aus Kunststoff oder Keramik haben den Vorteil, daß zwischen dem Strahlungsschild 8 und dem Rohr 2 nur wenig Wärme durch Wärmeleitung übergeht. Ferner ermöglichen diese Materialien ein gutes Gleiten der speichenförmigen Stützen 12. Zur weiteren Verbesserung der Wärmeisolation können zwischen dem Strahlungsschild 8 und dem Rohr 6 noch mehrere Lagen aus schlecht wärmeleitenden Folien 14 vorgesehen sein. Beispielsweise eignen sich Polyäthylenterephthalatfolien, die vorzugsweise mit reflektierenden Aluminiumschichten

überzogen sein können.

F i g. 2 zeigt den Strahlungsschild in Seilenansicht. Das den Strahlungsschild bildende, mit überlappenden Kanten gewickelte Kupferband ist mit 15 bezeichnet. Es können auch mehrere Bänder mehrgängig nebeneinander gewickelt sein.

Verschiedene Möglichkeiten, wie das Kupferband 15 mit den zur Führung des zweiten Kühlmittels dienenden Rohren 9 verschweißt werden kann, sind in den F i g. 3a bis 3c dargestellt. Die Verschweißung der Bänder 15 mit den Rohren 9 kann insbesondere durch Widerstandsschweißen erfolgen, wobei die Schweißelektroden beispielsweise an den durch die Pfeile 16 gekennzeichneten Stellen angesetzt werden können. Der Schweißvorgang wird vorteilhaft mit dem Wickelvorgang kombiniert, so daß die fertige, den Strahlungsschild 8 bildende Wicklung aus dem Band 15 mit den Rohren 9 durch in Längsrichtung dieser Rohre verlaufende Schweißnähte verbunden ist.

Bei anderen Ausführungsformen des Kabels kann anstelle des in F i g. 1 dargestellten Leiters 1 beispielsweise auch ein rohrförmiger Leiter verwendet sein, der an seiner Außenseite mit einer Schicht aus Supraleitermaterial überzogen ist. Auch das Rohr 2 kann beispielsweise an seiner Innenseite mit einer zur Fortleitung des Stromes dienenden Schicht aus Supraleitermaterial überzogen sein. Ferner können innerhalb des Rohres 2 statt des einen Leiters i auch mehrere Leiter angeordnet sein. Bei einem tiefgekühlten normalleitenden Kabel kann der Leiter 1 beispielsweise aus Aluminium bestehen. Als Kühlmittel für den Leiter

ίο kann dann beispielsweise flüssiger Wasserstoff vorgesehen sein.

Auch die Halterung des Strahlungsschildes 8 kann vielfach abgewandelt werden. Insbesondere kann die Anzahl der zur Führung des zweiten Kühlmittels dienenden Rohre 9 und die Anzahl der Halbrohre 10 variiert werden. Anstelle des Metallringes 11 können zwischen den Rohren 9 und den Halbfohren 10 auch brückenförmige Verstrebungen angeordnet sein. Ferner können die Halbrohre 10 beispielsweise auch aus Metall bestehen, wenn die speicherförmigen Stützen 12 bereits einen ausreichenden Wärmewiderstand bilden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche: 19

1. Tiefgekühltes, insbesondere supraleitendes Kabel mit einem den bzw. die durch ein erstes Kühlmittel kühlbaren elektrischen Leiter umgebenden Strahlungsschild aus Metall, das mit mehreren lur Führung eines zweiten Kühlmittels dienenden Rohren verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlungsschild (8) aus um ι ο diese Rohre (9) und gegebenenfalls weitere Stützelemente (10) gewickeltem Metallband besteht.

2. Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallband aus Kupfer oder Aluminium besteht

3. Kabel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als weitere Stützelemente Halbrohe (10) vorgesehen sind, die durch speichenförmige Stützen (12) aus schiecht wärmeleitendem Material gegen ein den bzw. die elektrischen Leiter (1) umschließendes Rohr (2) abgestützt sind.

4. Kabel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbrohre (10) mit den zur Führung eines zweiten Kühlmittels dienenden Rohren (9) durch metallische Brücken (11) verbunden sind.

5. Kabel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Brücken (11) einen die Halbrohre (10) mit den zur Führung des zweiten Kühlmittels dienenden Rohren (9) verbindenden Ring bilden.

6. Kabel nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die speichenförmigen Stützen (12) in den Halbrohren (10) gleitend gelagert sind.

7. Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das den Strahlungsschild bildende Metallband (15) auf die zur Führung des zweiten Kühlmittels dienenden Rohre (9) aufgepreßt ist.

8. Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das den Strahlungsschild bildende Metallband (15) mit den zur Führung des zweiten Kühlmittels dienenden Rohren (9) verquetscht ist.

9. Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das den Strahlungsschild bildende Metallband (15) mit den zur Führung des zweiten Kühlmittels dienenden Rohren (9) verschweißt ist.