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Wärmeschutzsystem für Kryokabel Die Erfindung betrifft ein Wärmeschutzsystem
für Kryokabet mit Superisolation und Stütz- oder Abspannelementen mit geringem Wärmedurchgang
für die Fixierung des Leitersystems.
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Das Wärmeschutzsystem eines Kryokabels mit Tieftemperatur-Normalleitern
oder mit Supraleitern muß in der Lage sein, bei extrem niedrigem Wärmedurchgang
Kräfte zu übertragen, die zwischen dar äußeren Hülle und dem thermisch isolier-.
ten Leiterraum auftreten. Als Ursachen für die mechanische
Beanspruchung
kommen in Betracht: Gewicht der Leiteranordnung, Stromkräfte zwischen den Leitern
und - bei flexiblen Kabeln - interne Kräfte aufgrund von Verformungsvorgängen beim
Auftrommeln und Verlegen.
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In der Tieftemperaturtechnik werden seit-Jahren hochwertige Isolationssysteme
auf der Basis von evakuierten Vielschichtisolierungen verwendet, bekannt unter dem
Namen 'Superisolation'. Der Wärmedurchgang durch eine derartige Isolierung nimmt
beachtlich zu, wenn sie parallel zum Temperaturgradienten auf Druck beansprucht
wird, Herkömmliche Kryobehälter werden daher so gebaut, daß mit Hilfe kraftschlüssiger
Stütz- oder Abspannelemente kleinstmöglichen Wärmedurchgangs eine mechanische Belastung
der Superisolation vermieden wird. Die gleichen Überlegungen sind bei bisher bekannten
Konzepten für die thermische Isolierung von Kryokabeln zu finden. Bei starrer Bauweise
kann in solchen Kabeln die Tieftemperatur-Leiteranordnung relativ einfach durch
schlecht wärmeleitende zug- oder druckbeanspruchte Konstruktionselemente gehalten
werden (vgl. z. B. DAS 1 286 166). Für flexible Kabel sind wendelförmige Stützkonstruktionen
bekannt geworden (z.B. ETZ-AX 89/1968/14, s. 325-330). In beiden Fällen befindet
sich die eigentliche
Superisolation in den Zwischenräumen der Stützkonstruktionen.
Da der Wärmedurchgang durch die kraftschlüssigen Verbindungselemente vergleichsweise
hoch ist, werden dort im Hinblick auf die Ökonomie des Kühlkreislaufes thermisch
gestufte Wärmeschutzsysteme be nutzt. Speziell für supraleitende Kabel wird bisher
folgende Anordnung, von innen nach außen, für notwendig gehalten: Heliumgekühlter
Leiterraum - Superisolation (evakuiert) mit Stützkonstruktion - stickstoffgekühlter
Schutzmantel - Superisolation (evakuiert') mit Stützkonstruktion - Kabelhülle (DAS
1 286 166; ETZ-A, 89/1968/14, S.-325-330). Mit einem derartigen Wärmeschutzsystem
läßt sich zwar der Wärme einfall pro m Kabel auf einen wirtschaftlich vertretbaren
Wert begrenzen. Nachteilig ist,-daß ein relativ komplizierter Aufbau des Kabels
und seines Kühlsystems resultiert: Es sind Hochvakuum-Verbindungsleitungen zu zwei,
baulich voneinander getrennten Räumen sowie ein spezieller Kältemitteflreislauf
zur Thermostasierung des Schutzmantels notwendig. Diese Maßnahmen erfordern einen
entsprechend hohen technischen Aufwand einerseits bei der Fertigung des Kabels wand
seiner Verbindungsmuffen, andererseits 'in der Kälteanlage.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein vereinfachtes Wärmeschutzsystem
zu schaffen, das keinen zwangsgekühlten
Schutzmantel besitzt, jedoch
einen vergleichbar niedrigen Wärmeeinfall aufweist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß
gelöst, daß Superisolation und Stütz- oder Abspannelemente thermisch hintereinander
geschaltet sind.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der Zeichnung schematisch
dargestellten Ausführungsbeispielen nähren erläutert.
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Es zeigen Fig. 1 eine erste möglich Ausführungsform des er£indungsgemäßen
Wärmeschütz- -Fig. 2 eine weitere mögliche Ausführungsform.
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Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, zur Kraftübertragung auch
die Superisolation herangezogen werden kann, wenn sie nur zonenweise beansprucht
wird. Aus der Fachliteratur (z. B. ETZ-A, 69/1968/13, 5. 317:)4;sind für verschiedene
Superisolierungen experimentelle Untersuchungen über den Wärmedurchgang pro Flächeneinheit
(Q/A) in Abhängigkeit von der Druckbelastung (p) bekannt.
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Daraus geht hervor, daß der Wärmedurchgang bei Druckbeanspruchung
stark ansteigt. Wie eingangs erwähnt, werden deshalb bei bisher bekannt gewordenen
hochwertigen Wärmeschutzsystemen Zug- oder Druckkräfte aufnehmende Verbindungselemente
parallel
zur Superisolation vorgesehen.
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Der experimentelle Befund zum Einfluß einer Flächenpressung auf den
Wärme durchgang durch eine Superisolation läßt sich in der Form schreiben: @ B.Pα
(W/m² für p in kp/m²) Der Faktor B und der Exponent a sind KenngröBen der betreffenden
Superisolation. Beispielsweise gelten fur eine 25 mm dicke Isolierung, die aus 70
Lagen Aluminiumfolie plus Glasfaserpapier besteht, bei 293 °K und 4,2 °K Grenzflächentemperatur:
B = 0,19 W kp 2α-2 a - 0,39. Beim Kryokabel resultiert die Druckbeanspruchung
der thermischen Isolierung aus einer zwischen dem Leitersystem und Kabelhülle wirkenden
Kraft F. Überträgt man sie in der Superisolation durch eine entsprechend hoch belastete
Zone der Fläche A, so fließt durch diesen Bereich die Wärmeleistung: Q w B . Al
A . Fα Da α < 1 ist, wird Q bei gegebener Kraft um so niedriger,
Je kleiner die zur Kraftübertragung herangezogene Fläche ist. (Grenzen für die Flächenpressung
F/A sind durch die höchstzulössige Verformung der Superisolation gesetzt.)
Die
Anwendung der vorstehenden Gesetzmäßigkeit auf ein Wärmeschutzsystem für ein Supraleiterkabel
flexibler Bauart zeigt Fig. 1. Das nicht weiter dargestellte Leitersystem, das durch
Kühlung mit Helium auf einer Temperfá:tur-:: von einigen °K gehalten wird, möge
sich in einem inneren Wellrohr 1 befinden. Auf dieses Wellrohr 1 ist eine Superisolation
3 mit Stoßfugen 3a lagenweise aufgebracht. Um die Superisolation 3 ist eine Kunststoffwendel
4 gewickelt, die am äußeren Umfang Nocken 4a besitzt und in ähnlicher Form als sogenannte
Stegwendel in der konventionellen Kabeltechnik bekannt ist. Die Nocken:4a;Çstellen
die kraft schlüssige Verbindung zur aus einem Wellrohr 2 bestehenden Kabelhülle
her, die auf Umgebungstemperatur liegt. Wie ersichtlich, wird die :Superisolatien
3 im Bereich der spiraligen Berührungsfläche von der Stützwendel 4 zusammengedrückt.
Der betrag, um den die Isolationsdicke in der druckbeanspruchten Zone verringert
wird, hängt vom Wendelvordrall und Wickelzug, der zwischen den beiden Wellrohren
1m 2 zu übertragenden Kraft, der Wendelsteigung s und Auflagebreite b ab. Um die
Flächenbelastung der Isolierung 3 am Wellrohr 1 zu vergleichmäßigen, kann eine Ausgleichswendel
6 vorgesehen werden, die das Profil des Wellrohrs 1 annähernd zur Zylinderfläche
ergänzt; Der Raum 5 f den beiden Wellrohren 1, 2 wird evakuiert. - -
Es
läßt sich zeigen, daß bei der Konstruktion nach der Fig. l ein Wärmeeinfall von
0,2 bis 0,3 W pro m Kabel resultiert, wenn man z. B. eine einseitig radial wirkende
Kraft von 100 kp pro m Kabel, ferner die vorgenannten Kennwerte für eine A-Folie/Glasfaserpapier-Superisolation
und folgende Abmessungen zugrundelegt: Außendurchmesser des inneren Wellrohres 0,08
m, Innendurchmesser des äußeren Wellrohres 0,16 m, Dicke der unbelasteten Superisolation
0,025 m, Wendelsteigung 0,25 m, Wendelbreite 0,012 m, Flächenpressung durch Wendelvordrall
und Wickel zug 2000 kp/in2.
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D»s für ein flexibles Kabel ausgelegte einstufige Wärmeschutzsystem
mit zonenweise mechanisch beanspruchter Superisolation ist auch für Kabel starrer
Bauart geeignet. Bei einer derartigen Kabelkonstruktion ist es unter Umständen vorteilhaft,
statt der Stützwendel z. B. scheiben- oder stegförmige Einzelstützen vorzusehen.
Auch mit ihnen läßt sich bei entsprechender Dimensionierung der Auflageflächen erreichen,
daß die Superisolation bereichsweise zur kraftschlüssigen Ver-,bindung von Innen-
und Außenraum herangezogen werden kann, ohne den Wärmedurchgang unzulässig zu erhöhen.
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Eine mögliche Ausführung zeigt. Fig. 2. Auf den rohrförmigen Kabelleiter
1, der z. B. außen nach bekanntem
Verfahren mit Niob 1a beschichtet
ist, ist die Superisolation 3 mit Stoßfugen 3a lagenweise aufgebracht.
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Längs des Kabels befinden sich azimutal segmentierte Stützscheiben
4 mit Speichen 4a und stellen die Verbin-. dung zur rohrförmigen Kabelhülle 2 her.
Die Superisolation wird auch bei dieser Konstruktion nur zonenweise mechanisch beansprucht
und im Bereich der Stützscheiben 4 zusammengedrückt. Es ist auch denkbar, statt
der Stützscheiben 4 eine Abspannung mit Bändern oder Drähten zu verwenden.
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Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht darin, daß die bei
mit zweistufiger Isolation ausgebildeten Kabeln notwendige Zwischenkühlung entfällt
und damit auch die für diese Isolierstufe notwendige Superisolation und das-äußere
Rohr bzw. Behälter. Ohne diese zweite Isolierstufe wird beim erfindungsgemäßen Kabel.jedoch
praktisch die gleiche Isolierdämmung erreicht.
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Patentansprüche