DE1964266A1

DE1964266A1 - Tiefsttemperaturkabel

Info

Publication number: DE1964266A1
Application number: DE19691964266
Authority: DE
Inventors: Marcel Aupoix; Francois Moisson-Franckhausser; Jean Royet
Original assignee: Compagnie Generale dElectricite SA
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1968-12-26
Filing date: 1969-12-22
Publication date: 1970-07-16
Also published as: BE743655A; FR1595500A; US3600498A; CA924419A; GB1267110A; NL6919354A; CH513534A; US3754095A; JPS558769B1

Description

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2 2. Dez. 1SS9

Oompagnie GSnSrale d'Electricity, Paris/Frankreich

ffiiefsttemperaturkabel

Die Erfindung betrifft ein supraleitendes ICsbel. 'Jii-i supraleitendes Itabai besteht ays swei Teilen_s einem elektrischen T-QiI₃ der mindestons einen isolierten Supraleiter enthält-, und einem thermischen TeIl^ der einen. Kühlmitteliiffllauf and sino uärmsisolier-ende Ilülie aufweist.

Die Erfindung Matrixft insbesondere einen Supraleiter, der 7K? Hers ta 11" mg eines Kabels Trerwendbar i-;t, das sowohl Crl^iciistroHi al 3 auch W^ehsslstroiii führe η kann.

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BAD ORIGfNAL

miteinander zu verschweissen sind, und sowohl Wechselstrom als auch Gleichstrom unabhängig von dessen Reinheitsgrad befördern kann.

Zu diesem Zweck ist ein Supraleiter zur Beförderung von Gleichstrom und Wechselstrom erfindungsgemäß gekennzeichnet durch ein aus reinem Metall, Kupfer oder Aluminium, bestehendes Band, in dessen Innerem sich in Längsrichtung erstreckende, aus einem supraleitenden Stoff bestehende Drähte oder Bänder angeordnet sind und das mindestens auf einer Seite mit einer dünnen, ihrerseits mit einer Schicht aus supraleitendem Stoff bedeckten Kupferschicht bedeckt ist.

Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsforia sind im Inneren des Bandes parallel z-u den Drähten oder Bändern aus supraleitenden BtjiS Drahts od-33? Bändsi* aus einem hohe mechanische ITos higksit aiii weis sndsn Stoff

Di3 Erfindung be&r-iffb fsrnaj? ein l%v£?li:r3L· sul* Hei?= Stellung eines aarartigen Supraleiters, das &ädurch gekennzeichnet ist, daß awei aus supraleitendem Stoff bestehend© Bänder ,j-sweils au? silier Saite rait ainsr Eiipfs2?3ohicliu bsdcakt warden^ -lie baid^n BMnclai¹ so ziandsrgalegt werden, daß dis niohb mit Kupfer lukoen 3si!i'3n aiuh berabren* iiase bsiden Eändsr im S^rangpi/eßTerf^liröii in ein röiiies Mo¹SaIl₅ ©ipfar

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BAD ORIGINAL

Gegenstand der Erfindung ist ferner ein supraleitendes Kabel, bestehend aus einem zur Beförderung des elektrischen Stroms dienenden elektrischen Teil und einem Organe zum Umlauf eines Kühlmittels und wärmeisolierende Organe aufweisenden thermischen Teil, das dadurch gekennzeichnet ist, daß der elektrische Teil mindestens eine Gruppe besitzt, die aus zwei zylindrischen, zueinander kpaxialen, durch einen elektrischen isolierenden Isolierkörper voneinander getrennten und mit einem Tiefsttemperaturmittel in Berührung stehenden Mänteln besteht, deren 3^e&^e^ von einer schraubenförmigen Wicklung mindestens eines Supraleiters gebildet ist, der ein aus reinem Metall, Kupfer oder Aluminium, bestehendes Band aufweist, in dessen Inneren sich in Längsrichtung erstreckende, aus supraleitendem Stoff bestehende Drähte oder Bänder angeordnet sind und das an mindestens einer Seite mit einer ihrerseits mit einer Schicht aus supraleitendem Stoff bedeckten dünnen Kupferschicht bedeckt ist.

Gemäß einem weiteren Merkmal sind die supraleitenden Schichten der Leiter der beiden Mäntel einander gegenüber angeordnet·

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß der Winkel, den die Leiter mit den Erzeugenden des Zylinders, auf welchem sie gewickelt sind, bilden, nahe bei ar€cos ψκ liegt, wobei K das Verhältnis des Ausdehnungskoeffizients des Metalls zu dem des Isolierkörpers ist.

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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die auf der beiliegenden Zeichnung dargestellt sind. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 Querschnitte durch zwei Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Supraleiters.

Fig. 3a bis 3d Darstellungen verschiedener Phasen der Herstellung des auf Fig. 1 dargestellten Supraleiters.

Fig. 4 einen Querschnitt durch ein dreiphasiges, supra leitendes Kabel.

Fig. 5 eine Einzelheit von Fig^ 4.

Der auf Fig. 1 dargestellte Leiter besteht aus einem Band 4o aus reinem Metall, und zwar veräedeltem Aluminium oder Elektrolytkupfer. Im Inneren dieses Bandes sind Drähte oder Bänder 41 aus einem supraleitenden Stoff eingelassen (Niob-Zirkonium, Niob-Titan, Niob-Zinn und dergleichen). Das Band ist mit einer Kupferschicht 42 bedeckt, auf welcher sich eine Schicht 4-3 aus supraleitendem Stoff befindet. Wenn der Leiter auf eine unterhalb der kritischen Temperatur des supraleitenden Stoffs liegende Temperatur gebracht wird, kann er mit den Leitern 4-1 Gleichstrom und mit der Schicht 43 Wechselstrom oder die Oberschwingungen oder Störwellen eines unreinen Gleichstroms (dessen reine Komponente hierbei von den Drähten 41 geführt wird) befördern.

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BAD ORiGtNAL

Die auf Fig. 2 dargestellte abgewandelte Ausführungsform besteht darin, daß zusätzlich Drähte 44 aus einem Metall mit hoher mechanischer Festigkeit (Stahl, Aluminiumlegierung und dergleichen) vorgesehen sind.

Auf den Fig. 3a bis 3d sind die einzelnen Phasen des Verfahrens zur Herstellung des auf Fig. 1 dargestellten Leiters gezeigt.

Hierzu werden zwei jeweils mit einer Kupferschicht bedeckte supraleitende Bänder 43 (Fig. 3a) benutzt, die mit ihren nicht mit Kupfer bedeckten Seiten übereinandergelegt werden (Fig. 3b). Im Strangpreßverfahren werden diese beiden Bänder in veredeltes Aluminium oder reines Kupfer 4o eingelassen, wobei Drähte oder Bänder 41 aus supraleitendem Material zu beiden Seiten der Bänder 43 in gleicher Anzahl (Fig. 3c) eingebracht werden. Die seitlichen Enden 45 werden abgeschnitten und man erhält gleichzeitig zi?ei der auf Fig. Ί dargestellten stabilisierten Supraleiter.

Der auf Fig» 2 dargestellte Leiter wird auf dieselbe Weise hergestellt, wobei während des Strangpressens gleichzeitig mit den aus supraleitendem Stoff bestehenden Drähten o^er Bändern Drähte oder Bänder aus einem hohe mechanische Festigkeit aufweisenden Stoff (St^hIj Aluminiumlegierung oder ;]Gcies ander© feste Matr»T?i-il) eingebracht v/erden«

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Dieses Tiefsttemperaturkabel besitzt drei Gruppen 1o, 11 und 12, deren jede zwei zueinander koaxiale und durch einen Isolierkörper 3 voneinander getrennte, zylindrische leitende Mfintel 1 und 2 enthält. Diese leitenden Mantel, deren Einzelheiten auf Fig. 5 dargestellt sind, bestehen aus einer Wicklung mindestens eines Supraleiters 4er auf Fig. 5 dargestellten Ausführung. Die Mantel einer Gruppe sind jeweils durch einen Isolierkörper 3 voneinander getrennt.

Die Wicklung ist vorzugsweise schraubenförmig, wobei der Winkel A zwischen den Leitern und den Erzeugenden der zylindrischen Mantel nahe bei ar^cos V K liegt; hierbei ist K das Verhältnis des Ausdehnungskoeffizients des Leiters und zu dem des Isolierkörpers. Auf diese Weise bleibt die Länge dieser Gruppe bei beliebiger Temperatur unveränderlich. Jede Gruppe 1o, 11, 12 enthält ferner auf bekannte Weise eine Iquipotentialfolie 15 (Fig. 5)» die zu beiden Seiten des Isolierkörpers 3 angeordnet ist, sowie eine den Mantel 2 umgebende Schutzfolie 17.

Im Inneren jeder Gruppe isfc ein Kanal 5 vorgesehen, in welchem ein Tiefsttempsraturmittel fließt. Die drei Gruppen sind in einer ciiohten. Kammer 2o gelagert, in welcher ebenfalls -sin. T-iefsfetemperaturmit- tel strömt* Ms dral loibergruppeii werden somiti außö«. und innen -ψο'ΐ \>:Ui3m Killilmibtol j beispielsweise äb'i^riid^-ii;.:::' M-->Iiu;i_t bo;jpH.l^:" j aan In den KaxiäX'jiiA 1 ηγ-Λ Lu I^ν v.,:'-v^:: '..'■, ί--ι l^^xil'-.cv. rii-ch=-

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tung strömt. Dadurch werden die Leitergruppen gekühlt und auf einer konstanten Temperatur gehalten.

Die Leitergruppen 1o, 11 und 12 liegen in der Kammer 2o aneinander an; zwei dieser Leitergruppen 11 und 12 liegen auf dem Boden der Kammer 2o auf. Die Leitergruppen werden durch einen Draht oder eine Tresse oder dergleichen beispielsweise aus einem unter dem eingetragenen Warenzeichen "TERGAL" bekannten Kunststoff gegeneinander angepreßt.

Die dichte Wandung der Kammer 2o wird von einer zweiten dichten Wandung 3o umgeben. Beide Wandungen bestehen beispielsweise aus rostfreiem Stahl und sind durch einen evakuierten Raum voneinander getrennt. In diesem befindete sich ein nicht dichter Wärmeschirm 22, der durch flüssigen, in Kanälen 2$ fließenden Stickstoff unterkühlt wird, sowie eine den Wärmeschirm umgebende, thermisch superisolierende Schicht 24. Der nicht dichte Wärmeschirm 22 besteht aus porösem Material und ist mit Bohrungen 25 versehen, so daß in dem Raum zwischen den Wandungen 2o und 3o zu beiden Seiten des von der superisolierenden Schicht umgebenen Wärmeschirms dasselbe Vakuum herrschte

Die beiden Wandungen 2o und 3o werden durch Halter 27 in gegenseitigem Abstand gehalten, die zweckmäßigerweise aus mehreren endweise hintereinander angeordneten Abschnitten bestehen. Diese weisen gegeneinander einen hohen thermischen Widerstand auf, der sich der Wärmeübertragung von der Wandung 3o, die Umgebungstemperatur hat, auf die auf Tiefsttemperatur abgekühlte Wandung 2o entgegensetzt.

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Wie Pig. 4- zeigt, liegt ein erster Abschnitt 28 an der Wandung 2o und dem Wärmeschirm 22 und ein zweiter Abschnitt 29 an dem Wärmeschirm und an der äußeren Wandung 3o an. Das nach außen gerichtete Ende jedes Abschnitts besitzt einen verringerten Querschnitt. Diese in Vakuum angeordneten Halter 27 bestehen zweckmäßigerweise aus elektrisch isolierendem Material, so daß die Wandung 2o gegen die äußere Wandung 3o elektrisch isoliert wird.

^ Ein derartiges Tiefsttemperaturkabel bietet zahlreiche Vorteile. Bei seiner Verwendung zur Beförderung eines Dreiphasenstroms sind die Leitergruppen 1o, 11 und 12 einwandfrei abgekühlt und auf einer konstanten Temperatur gehalten. Die Ströme und Spannungen sind hierbei in dem Tiefsttemperaturkabel folgendermaßen verteilt:

In der Gruppe 1o: Der leitende Mantel 1 wird von einem Strom mit der Stromstärke I_x, durchflossen und hat die Spannung V^.

Der leitende Mantel 1 wird von einem Strom mit der Stromstärke Xy. durchflossen und ist auf Null.

ψ In der Gruppe 11: Der leitende Mantel 1 wird von einem Strom mit der Stromstärke Io durchflossen und befindet sich auf der Spannung Vp,

der leitende Mantel 2 wird von einem Strom mit der Stromstärke I₂ durchflossen und ist auf Null.

In der Gruppe 12: Der leitende Mantel 1 wird von einem Strom mit der Stromstärke I, durchflossen und ist auf ■ der Spannung V^,

der leitende Mantel 2 wird von einem Strom mit der Stromstärke I₇ durchflossen und ist auf Null.

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Aufgrund dieser Verteilung der Ströme unterliegen die metallischen Wandungen 2o und 3o nicht dem Einfluß eines Magnetfeldes, wodurch Verluste durch Induktionsströme ver-mieden werden. Aufgrund der Verteilung der Spannungen befindet sich die innere Wandung 2o auf Null; es besteht also zwischen den Gruppen 1o, 11 und 12 oder der inneren Wandung 2o und der an Masse liegenden äußeren Wandung 3o eine einwandfreie elektrische Isolation, die nur einige Volt auszuhalten hat. Diese elektrische Isolierung wird durch den unter demselben Vakuum stehenden Raum zwischen den beiden Wandungen 2o und 3o und durch die aus isolierendem Stoff bestehenden und unter Vakuum in diesem Raum befindlichen Halter gewährleistet.

Die thermische Isolierung eines derartigen Kabels, die durch den nicht dichten Wärmeschirm 22 und die superisolierende Schicht 24 gewährleistet wird, wird in Höhe der Halter 27 durch diese selbst vervollständigt, da diese einen hohen thermischen Widerstand aufweisen. Dadurch wird jeder Wärmeaustausch zwischen der äußeren Wandung, die eine Temperatur von etwa 3oo°K aufii?eist, dem Wärmeschirm, der eine Temperatur von 77°K aufweist, und der inneren Wandung, die eine Temperatur von 4,2⁰K aufweist, ausgeschlossen.

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Claims

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-10-Fatentansprüche

Supraleiter zur Beförderung von Gleichstrom und 6hselstrom, gekennzeichnet durch ein aus reinem Metall, Kupfer oder Aluminium, bestehendes Band (4o),in dessen Innerem sich in Längsrichtung erstreckende,aus einem supraleitenden Stoff bestehende Drähte oder Bänder (41) angeordnet sind und das mindestens auf einer Seite mit einer dünnen, ihrerseits mit einer Schicht (43) aus supraleitendem Stoff bedeckten Kupferschicht

* (42) bedeckt ist.
2. Supraleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren des aus reinem Metall bestehenden Bandes (4o) parallel zu den aus supraleitendem Stoff bestehenden Drähten oder Bändern (41) Drähte oder Bänder (44) aus einem hohe mechanische Festigkeif aufweisenden Stoff angeordnet sind.
3. Supraleiter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der hohe mechanische Festigkeit aufweisende Stoff aus Stahl oder Aluminiumlegierungen besteht.

*
4. Verfahren zur Herstellung eines Supraleiters nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei aus supraleitendem Stoff bestehende Bänder (43) jeweils auf einer Seite mit einer Kupferschicht (42) bedeckt werden, die beiden Bänder (43) so aufeinandergelegt werden, daß die nicht mit Kupfer bedeckten Seiten sich berühren.! diese beiden Bänder (43) im Strangpreßverfahren in ein reines Metall, Kupfer oder Aluminium, eingelassen werden, wobei parallel zu den B+ändern (43) im Inneren jedes Bandes (4o) jeweils in

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derselben Zahl und in gleicher Anordnung Drähte oder Bänder (41) aus supraleitendem Stoff eingelegt werden, und die Seitenränder (4-5) dieses Körpers abgeschnitten werden, so daß man zwei gleiche Leiter erhält.
5. Verfahren zur Herstellung eines Supraleiters nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei aus supraleitendem Stoff bestehende Bänder (4-3) jeweils auf einer Seite mit einer Kupfersehicht (4-2) bedeckt werden, die beiden Bänder (4-3) so übereinandergelegt werden, daß ihre nicht mit Kupfer bedeckten Seiten sich berühren, diese beiden Bänder im Strangpreßverfahren in ein reines Metall, Kupfer oder Aluminium, eingelassen werden, wobei parallel zu den Bändern im Inneren jedes Bandes (4o) in derselben Anzahl und Anordnung aus supraleitendem Stoff bestehende Drähte oder Bänder (4-1) und Drähte oder Bänder (44-) aus einem hohe mechanische Festigkeit aufweisenden Stoff eingelegt werden, und die Seitenränder (45) dieses Körpers abgeschnitten werden, so daß man zwei gleiche Leiter erhält.
6. Supraleitendes Kabel, bestehend aus einem zur Beförderung des elektrischen Stroms dienenden, elektrischen Teil und einem Organe zum Umlauf eines Kühlmittels und wärmeisolierende Organe aufweisenden thermischen Teil, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Teil mindestens eine Gruppe (1o, 11, 12) besitzt, die aus zwei zylindrischen, zueinander koaxialen, durch einen elektrischen isolierenden Isolierkörper (3) voneinander getrennten und mit einem QJiefsttemperatur-

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mittel in Berührung stehenden Mänteln (1,2) besteht, deren jeder von einer schraubenförmigen Wicklung mindestens eines Supraleiters gebildet ist, der ein aus reinem Metall, Kupfer oder Aluminium, bestehendes Band aufweist, in dessen Inneren sich in Längsrichtung erstreckende, aus supraleitendem Stoff bestehende Drähte oder Bänder (4-1) angeordnet sind und das an mindestens einer Seite mit einer ihrerseits mit einer Schicht (4-3) aus supraleitendem Stoff bedeckten dünnen Kupfert schicht (4-2) bedeckt ist.
7· Supraleitendes Kabel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitenden Schichten (4-3) der Supraleiter der beiden Mäntel (1, 2) einander gegenüber angeordnet sind.
8. Supraleitendes Kabel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (A), den die Leiter mit den Erzeugenden des Zylinders, auf welchem sie gewikkelt sind, bilden, nahe bei arScos V~K~ liegt, wobei K das Verhältnis des Ausdehnungskoeffizients des Metalls zu dem des Isolierkörpers ist.

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