DE19518561B4

DE19518561B4 - Anordnung zur Übertragung von Hochfrequenz-Energie

Info

Publication number: DE19518561B4
Application number: DE19518561A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr. Rohner; Günter Ahrens; Reimer Dr. Nagel; Ferdinand Dr. Hanisch
Original assignee: Radio Frequency Systems Inc
Current assignee: Radio Frequency Systems Inc
Priority date: 1994-05-27
Filing date: 1995-05-20
Publication date: 2004-11-11
Anticipated expiration: 2015-05-21
Also published as: DE19518561A1

Abstract

Anordnung zur Übertragung von Hochfrequenz-Energie zwischen einem Sender (1) und einer Antenne (2) unter Verwendung eines koaxialen Hochfrequenz-Kabels (3), das aus einem Innenleiter (5), einem konzentrisch zu demselben angeordneten rohrförmigen Außenleiter (6) und einer zwischen diesen beiden Leitern angeordneten Abstandshalterung (7) besteht, bei welcher das Hochfrequenz-Kabel (3) an ein ein Kühlmittel lieferndes Kühlaggregat (4) so angeschlossen ist, dass es vom Kühlmittel durchströmt wird, dadurch gekennzeichnet,
– dass das Kühlmittel zwischen Innenleiter (5) und Außenleiter (6) geführt wird,
– dass der Innenleiter (5) ein Bauteil mit kreisrundem Querschnitt aus einem supraleitfähigem Material ist,
– dass über dem Außenleiter (6) eine thermische Isolierung (8) angebracht ist und
– dass von dem Kühlaggregat (4) ein Kühlmittel geliefert wird, durch welches das supraleitfähige Material unter seine Sprungtemperatur abgekühlt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Übertragung von Hochfrequenz-Energie zwischen einem Sender und einer Antenne unter Verwendung eines koaxialen Hochfrequenz-Kabels, das aus einem Innenleiter, einem konzentrisch zu demselben angeordneten rohrförmigen Außenleiter und einer zwischen diesen beiden Leitern angeordneten Abstandshalterung besteht, bei welcher das Hochfrequenz-Kabel an ein ein Kühlmittel lieferndes Kühlaggregat so angeschlossen ist, daß es vom Kühlmittel durchströmt wird ( DE 912 109 C ).

Die Belastbarkeit von koaxialen Hochfrequenz-Kabeln (HF-Kabeln) wird von der maximal zulässigen Temperatur am Innenleiter begrenzt, die von den thermischen Eigenschaften des Dielektrikums zwischen Innen- und Außenleiter abhängt. Die maximal zulässige Temperatur am Innenleiter liegt beispielsweise bei der Verwendung von Polyäthylen für die Abstandshalterung bei ungefähr 100°C. Wird diese Temperatur überschritten, so besteht durch das Erweichen des Polyäthylens die Gefahr einer exzentrischen Verlagerung des Innenleiters im Außenleiter, wodurch die Übertragungseigenschaften des HF-Kabels verschlechtert werden.

Es ist außerdem bekannt, daß der größte Teil der insgesamt entstehenden Wärmeverlustleistung eines HF-Kabels am Innenleiter auftritt und daß der Wärmewiderstand zwischen Innen- und Außenleiter wesentlich größer ist als der Wärmewiderstand zwischen dem Außenleiter und dessen äußerer Umgebung. Dementsprechend ist die Temperaturdifferenz zwischen Innen- und Außenleiter wesentlich größer als die Temperaturdifferenz zwischen Außenleiter und Umgebung. Aus diesen Gründen ist es bekannt geworden ( DE 913 300 C ), zur Erhöhung der Belastbarkeit von koaxialen HF-Kabeln die äußere Oberfläche des Innenleiters und die innere Oberfläche des Außenleiters zu schwärzen, um so den Anteil der durch Strahlung vom Innen- zum Außenleiter übertragenen Wärmeenergie zu erhöhen. Die dadurch erreichbare Erhöhung der Belastbarkeit eines HF-Kabels ist jedoch relativ gering. Darüber hinaus ist das entsprechende Verfahren zur Schwärzung der Leiterobenflächen sehr aufwendig und teuer.

Bei dem durch die deutsche Patentschrift DE 912 109 C bekanntgewordenen HF-Energiekabel wird der Innenleiter mittels einer zirkulierenden Flüssigkeit gekühlt. Es sind Vorkehrungen getroffen, welche sicherstellen, daß die Flüssigkeit nicht in das Dieleletrikum des Kabels gelangt. Obwohl bei diesem bekannten HF-Kabel die Erwärmung des Innenleiters mit einigem Aufwand begrenzt werden kann, ist auch hier eine wesentliche Erhöhung der Belastbarkeit des HF-Kabels nicht gegeben.

Solche Kabel zur Übertragung von Hochfrequenz-Energie, sind auch aus GB 22 206 440 A , EP 0 339 800 A2 und JP 1-128315 A bekannt. JP 1-128315 A , zum Beispiel, beschreibt ein Kabel, bei dem die Leiter eines Hochfrequenzenergiekabels mit jeweils einem Film aus supraleitendem Material überzogen sind. Das offenbarte Kabel weist einen ihn umgebenden Ring auf. Der Außenleiter weist eine Beschichtung mit supraleitendem Material auf, und das verwendete Kühlmittel fließt zwischen dem Kabel und einem Rohr.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Übertragung von Hochfrequenz-Energie zu schaffen, bei der das Problem gelöst ist, dass der größte Teil der entstehenden Wärmeverluste eines HF-Kabels am Innenleiter auftritt, und auch die Anordung so weiterzubilden, dass die Übertragungsverluste des eingesetzten HF-Kabels auf ein Minimum reduziert werden können.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst,

– dass das Kühlmittel zwischen Innenleiter (5) und Außenleiter (6) geführt wird,
– dass der Innenleiter (5) ein Bauteil mit kreisrundem Querschnitt aus einem supraleitfähigem Material ist,
– dass über dem Außenleiter (6) eine thermische Isolierung (8) angebracht ist und dass von dem Kühlaggregat (4) ein Kühlmittel geliefert wird, durch welches das supraleitfähige Material unter seine Sprungtemperatur abgekühlt wird.

Bei dieser Anordnung können die Übertragungsverluste durch das im supraleitenden Betrieb arbeitende HF-Kabel insgesamt wesentlich gesenkt werden. Da die Widerstandsverluste des HF-Kabels selbst wegen der Supraleitung vernachlässigt werden können, bleiben nur die kaum ins Gewicht fallenden dielektrischen sowie die thermischen Verluste. Wenn ein supraleitfähiges Material mit einer über 77 K liegenden Sprungtemperatur eingesetzt wird, kann als Kühlmittel mit Vorteil Stickstoff verwendet werden. Die Reduzierung der Verluste ist bei Verwendung dieses HTSL-Kabels ("HTSL" steht für "Hoch-Temperatur-Supra-Leiter") so hoch, daß der Aufwand an Primärenergie zur Gewinnung des Kühlmittels, insbesondere von flüssigem Stickstoff, demgegenüber gering ist. Dieser Vorteil wird umso größer, je länger die Übertragungsstrecke und damit das HF-Kabel ist.

Für diese Anordnung können bei gleichbleibender zu übertragender HF-Leistung HF-Kabel mit kleinerem Durchmesser eingesetzt werden oder es ist bei gleichbleibenden Abmessungen der HF-Kabel möglich, höhere HF-Leistungen zu übertragen. Die überbrückbare Länge der Übertragungsstrecke kann in beiden Fällen wesentlich vergrößert werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes sind in den Zeichnungen dargestellt.

Es zeigen:
1 in schematischer Darstellung eine Anordnung nach der Erfindung.
2, 3 und 4 Querschnitte von einsetzbaren HF-Kabeln in drei unterschiedlichen Ausführungsformen in vergrößerten Darstellungen.
Aus 1 ist schematisch eine Anordnung zur Übertragung von HF zwischen einem Sender 1 und einer Antenne 2 dargestellt. Zur Übertragung der HF wird ein HF-Kabel 3 verwendet, dessen genauerer Aufbau aus den 2 bis 4 hervorgeht. Das HF-Kabel 3 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel an ein als Tank ausgeführtes Kühlaggregat 4 mit flüssigem Stickstoff (LN₂) angeschlossen. Der flüssige Stickstoff LN₂ wird durch das HF-Kabel 3 hindurchgeleitet. Der Stickstoff N₂ kann am anderen Ende des HF-Kabels 3 im Bereich der Antenne 2 wiedergewonnen werden oder gegebenenfalls in die Atmosphäre entweichen. Statt des Stickstoffs können auch andere bekannte Kryokühler eingesetzt werden.
Das HF-Kabel 3 kann beispielweise entsprechend 2 aufgebaut sein:
Es hat einen drahtförmigen Innenleiter 5 und einen konzentrisch zu demselben angeordneten, rohrförmigen Außenleiter 6. Zwischen beiden Leitern 5 und 6 befindet sich ein Hohlraumdielektrikum mit einer Abstandshalterung 7, die beispielsweise aus einer Wendel oder aus Einzelstützen bestehen kann. Über dem Außenleiter 6 ist eine thermische Isolierung 8 angebracht, die von einem Rohr 9 umgeben sein kann. Das Rohr 9 kann aus Metall oder Kunststoff bestehen. Es kann auch quer zu seiner Längsrichtung gewellt sein.
Der Innenleiter 5 kann vollständig aus einem supraleitfähigen Material bestehen, das beispielsweise eine Sprungtemperatur über 77 K hat. Es ist jedoch auch möglich, das supraleitfähige Material als Schicht auf einen Träger aufzubringen, der aus Metall oder Kunststoff bestehen kann.
Der Außenleiter 6 kann in üblicher Ausführung aus Kupfer bestehen. Er kann aber auch – ebenso wie der Innenleiter 5 – vollständig aus dem supraleitfähigen Material hergestellt sein. Auch hier ist es möglich, ein aus Metall oder Kunststoff bestehendes Rohr als Träger innen mit einer Schicht aus dem supraleitfähigen Material zu versehen. Das supraleitfähige Material enthält beispielsweise die Komponenten Yttrium, Barium, Kupfer und Sauerstoff. Es kann aber auch jedes andere der heute bekannten HTSL-Materialien eingesetzt werden.
Als thermische Isolierung 8 kann beispielweise ein geschäumter Kunststoff, wie Polyurethanschaum, verwendet werden, der von dem Rohr 9 umgeben sein kann. Es kann aber auch eine aus der Kryo-Technik bekannte "Superisolierung" verwendet werden, die aus einer Vielzahl von konzentrischen Schichten aus metallbedampften Kunststoffolien besteht, in denen eine Abstandshalterung 10 integriert sein kann und die von dem dann aus Metall bestehenden Rohr 9 umgeben sind. Zwischen dem Außenleiter 6 und dem Rohr 9 besteht in diesem Fall ein Vakuum.
Das HF-Kabel 3 kann entsprechend 3 auch einen rohrförmigen Innenleiter 5 aufweisen. Auch dieser Innenleiter 5 kann – wie schon für die Ausführung des HF-Kabels 3 nach 2 erwähnt – vollständig aus dem supraleitfähigen Material bestehen. Auch hier kann aber ein rohrförmiger Träger aus Metall oder Kunststoff verwendet werden, der mit dem supraleitfähigen Material beschichtet ist. Für den Außenleiter 6 und die thermische Isolierung 8 gilt das gleiche, wie schon für 2 beschrieben.
Der Aufbau des HF-Kabels 3 nach 4 ist für Kabel mit noch größeren Durchmessern gedacht. Über dem Außenleiter 6 ist hier mit Abstand zu demselben ein beispielsweise aus Stahl bestehendes Innenrohr 11 angebracht. Der Abstand zum Außenleiter 6 wird durch eine Wendel 12 eingehalten. Die thermische Isolierung 8 einschließlich Abstandshalterung 10 ist hier über dem Innenrohr 11 angeordnet. Das Rohr 9 umgibt die thermische Isolierung 8. Außenleiter 6, Innenrohr 11 und Rohr 9 können auch bei diesem HF-Kabel 3 quer zu ihrer Längsrichtung gewellt sein. Für den sonstigen Aufbau dieses HF-Kabels 3 gelten entsprechend die Ausführungen zu den 2 und 3.
Die HTSL-Schicht kann nach unterschiedlichsten Verfahren hergestellt werden. Das eingesetzte Verfahren hängt u. a. von der jeweils zu erzeugenden Leiterform ab. So kann das supraleitfähige Material beispielsweise in einer Emulsion oder einer Suspension oder als Gel vorliegen. Es kann direkt als jeweiliger Leiter geformt oder als Schicht auf den jeweiligen Träger der Leiter aufgetragen werden. Nach Formung des jeweiligen Leiters bzw. nach Beschichtung des jeweiligen Trägers kann das supraleitfähige Material gegebenenfalls einer Temperaturbehandlung unterworfen werden. Dabei können beispielweise Temperaturen zwischen 600°C und 900°C angewendet werden. Die Höhe der Temperatur richtet sich auch nach dem Material des jeweiligen Trägers.
Der flüssige Stickstoff LN₂ kann beispielsweise durch den Innenleiter 5 des HF-Kabels 3 geführt werden, wenn derselbe als Rohr ausgebildet ist. Er kann gemäß 2 jedoch auch durch das Hohlraumdielektrikum zwischen Innenleiter 5 und Außenleiter 6 geleitet werden. Bei der Ausführungsform des HF-Kabels 3 nach 4 wird der flüssige Stickstoff LN₂ durch den Zwischenraum zwischen Außenleiter 6 und Innenrohr 11 geführt. In diesem Fall sind das elektrische Feld und die Kühlung optimal voneinander getrennt.
Das Kühlmittel kann – wie bereits erwähnt – am fernen Ende wiedergewonnen werden. Es kann dazu beispielsweise in einem geschlossenen System im jeweils am weitesten außen liegenden Ringraum des HF-Kabels 3 zum Kühlaggregat 4 zurückgeführt werden. Das ist bei dem HF-Kabel 3 nach 4 der vom Außenleiter 6 und vom Innenrohr 11 begrenzte Ringraum. Das vom Kühlaggregat 4 kommende Kühlmittel kann in diesem Fall im Innenleiter 5 und im Ringraum zwischen Innenleiter 5 und Außenleiter 6 geführt. Neben dem Vorteil der Wiedergewinnung des Kühlmittels ergibt sich hierdurch quasi auch ein zusätzlicher "Isolierschutz" für das innere System des HF-Kabels 3.

Claims

Anordnung zur Übertragung von Hochfrequenz-Energie zwischen einem Sender (1) und einer Antenne (2) unter Verwendung eines koaxialen Hochfrequenz-Kabels (3), das aus einem Innenleiter (5), einem konzentrisch zu demselben angeordneten rohrförmigen Außenleiter (6) und einer zwischen diesen beiden Leitern angeordneten Abstandshalterung (7) besteht, bei welcher das Hochfrequenz-Kabel (3) an ein ein Kühlmittel lieferndes Kühlaggregat (4) so angeschlossen ist, dass es vom Kühlmittel durchströmt wird, dadurch gekennzeichnet, – dass das Kühlmittel zwischen Innenleiter (5) und Außenleiter (6) geführt wird, – dass der Innenleiter (5) ein Bauteil mit kreisrundem Querschnitt aus einem supraleitfähigem Material ist, – dass über dem Außenleiter (6) eine thermische Isolierung (8) angebracht ist und – dass von dem Kühlaggregat (4) ein Kühlmittel geliefert wird, durch welches das supraleitfähige Material unter seine Sprungtemperatur abgekühlt wird.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein supraleitfähiges Material eingesetzt wird, dessen Sprungtemperatur über 77 K liegt.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenleiter (5) als Strang ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenleiter (5) rohrförmig ausgebildet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auch der rohrförmige Außenleiter (6) aus supraleitfähigem Material besteht.
Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das supraleitfähige Material von Innenleiter (5) und Außenleiter (6) als Schicht auf einen Träger aufgebracht ist.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger aus Metall besteht.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger aus Kunststoff besteht.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalterung (7) als Wendel ausgeführt ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalterung (7) aus Einzelstützen besteht.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der hohle Innenleiter (5) an das Kühlaggregat (4) angeschlossen ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum zwischen dem Innenleiter (5) und dem Außenleiter (6) an das Kühlaggregat (4) angeschlossen ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Außenleiter (6) und thermischer Isolierung (8) ein metallisches Innenrohr (11) mit Abstand zum Außenleiter (6) angebracht ist und daß der Zwischenraum zwischen Außenleiter (6) und Innenrohr (11) an das Kühlaggregat (4) angeschlossen ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Isolierung (8) aus Schaumstoff besteht.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Isolierung (8) aus einer Vielzahl von metallbedampften, konzentrisch zueinander angeordneten Kunststoffolien besteht, die unter Zwischenschaltung eines am Ausenleiter (6) oder am Innenrohr (11) abgestützten Abstandshalters (10) von einem metallischen Rohr (9) umgeben sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmittel flüssiger Stickstoff (LN₂) verwendet wird.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel im am weitesten außen liegenden Ringraum des Hochfrequenz-Kabels (3) zum Kühlaggregat (4) zurückgeführt wird.