DE19740912C1 - Flexible, fluid-cooled cable piece for high electric current - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein flexibles, mit Kühlmittel durchström bares Kabelstück mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.The invention relates to a flexible, coolant flow cash cable piece with the in the preamble of claim 1 specified features.
Ein solches Bauteil ist bei der Stromübertragung notwendig, um Ortsänderungen oder Ortsschwankungen von Bauteilen in einer An lage abzufangen. In einem geschlossenen Stromkreis sind dann we nigstens zwei solche Kabelstücke notwendig.Such a component is necessary for the transmission of electricity Changes in location or location fluctuations of components in one type able to intercept. In a closed circuit we are at least two such cables are necessary.
Für elektrische Ströme im unteren kA-Bereich sind solche Bau teile im allgemeinen gängige Komponenten und unproblematisch zu handhaben. Kühlmittel durchflossene Kabel, die aus mit runden Litzen gebildeten Strombändern bestehen und in einen Schutz schlauch gehüllt sind, sind aus einem Verkaufsprospekt der Firma HOMA zu ersehen. In einer Anordnungsskizze wird die Montage solcher Kabel beispielsweise in einer Induktionsschmelz ofenanlage skizziert. Sie sind für maximal 15 kA ausgelegt.Such structures are for electrical currents in the lower kA range generally assign common components and unproblematic handle. Coolant-flowing cables that are made with round Strands formed current bands exist and in a protection hose are wrapped are from a sales prospectus of the company To see HOMA. The assembly is shown in a layout sketch such cables, for example, in an induction melt furnace system outlined. They are designed for a maximum of 15 kA.
In der Hoch- und Höchststromtechnik, wie insbesondere der Hoch stromsupraleitertechnik in der Fusionsforschung, wo elektrische Ströme von 30 kA und mehr fließen, stößt man oft an räumliche und kühltechnische Grenzen, die mit zur Zeit kommerziell erhält lichen Baukomponenten technisch nicht zufriedenstellend zu lösen sind. Eine einfache Querschnittserhöhung durch weitere, parallel angesetzte Kabelstücke führt an den Schnittstellen der Baugrup pen rasch räumlich und technisch zu untragbaren Situationen. Es müssen Einbauräume bereitgestellt werden, die bei ohnehin beste hender räumlicher Enge nicht bereitgestellt werden können. Er schwerend dabei ist die zusätzliche Kühlung der Schnitt- bzw. Anschlußstellen. Damit einher geht eine komplizierte und teure Konstruktion.In high and high current technology, especially high current superconductor technology in fusion research, where electrical Currents of 30 kA and more flow, one often comes across spatial and cooling technology limits, which are currently getting commercial technical components to solve technically unsatisfactory are. A simple increase in cross-section by further parallel The attached pieces of cable lead to the interfaces of the assembly quickly and spatially and technically to intolerable situations. It Installation spaces must be provided, which are the best in any case due to the limited space available. He the additional cooling of the cutting or Connection points. This is accompanied by a complicated and expensive Construction.
Aus der US 3,801,724 ist ein flexibles, mit Kühlmittel durch strömbares Kabelstück zum verlustarmen Führen hoher elektrischer Ströme bekannt. Es besteht aus einem flexiblen Leitungsteil, dessen beide Enden in je ein Kopplungsteil gefaßt sind. Ein Schlauch ummantelt den Leitungsteil und die Kopplungsteile im Betrieb flüssigkeitsdicht. Beide Kopplungsteile sind identisch. Der Leitungsteil zwischen den beiden Kopplungsteilen besteht aus flexiblen Strombändern, die aus Litzen gebildet sind. Die beiden Enden eines Strombandes sind in Kontakthülsen gefaßt. Im ge streckten Zustand des Kabelstücks liegen die Strombänder rota tionssymmetrisch zu dessen Achse (1) und gleichverteilt darum an.US Pat. No. 3,801,724 discloses a flexible cable piece that can be flowed through with coolant for carrying low-loss high electrical currents. It consists of a flexible line part, the two ends of which are each in a coupling part. A hose encases the line part and the coupling parts in a liquid-tight manner during operation. Both coupling parts are identical. The line part between the two coupling parts consists of flexible current strips which are formed from strands. The two ends of a current band are held in contact sleeves. In the stretched state of the cable piece, the current bands are rotationally symmetrical about its axis ( 1 ) and evenly distributed around it.
Der Aufbau ist insgesamt spiegelbildlich zur Halbierungsebene der Anordnung. Die Kontakthülsen sind zur Rotationsachse hin ab gewinkelt und neben der Weichverlötung am jeweiligen Kopplungs teil noch zusätzlich verschraubt, dadurch ist im Gegensatz zur US 3,872,232, wo nur die Verbindung durch Weichverlöten in den beiden Kopplungsteilen alleine besteht, eine völlige Unterbre chung durch Auslöten bei fehlerhafter bzw. unzulässiger Strombe lastung verhindert oder zumindest noch verzögert.The overall structure is a mirror image of the bisection level the arrangement. The contact sleeves are towards the axis of rotation angled and next to the soft soldering on the respective coupling partly screwed additionally, this is in contrast to the US 3,872,232, where only the connection by soft soldering in the both coupling parts exist alone, a complete Unterbre by unsoldering in the event of faulty or impermissible power supply load prevented or at least delayed.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Stromtragfähigkeit des Kabelstücks der eingangs genannten Art weiter zu verbessern.The invention has for its object the current carrying capacity to further improve the cable piece of the type mentioned.
Die Aufgabe wird durch ein flexibles, kühlmitteldurchströmbares Kabelstück gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Grundsätzlich besteht ein solches Kabelstück aus dem flexiblen Leitungsteil mit einem Kupplungsteil am jeweiligen Ende und einem umhüllenden Schlauch, der das durchströmende Kühlmittel am Leiter entlangführt. Der rotationssymmetrische Aufbau des gesamten Kabelstücks ist aus dem Stand der Technik bekannt. Die Verbesserung der Stromtragfähigkeit gelingt aber erst durch die besondere Ausgestaltung der Kupplungsteile an den beiden Enden und durch die eingesetzte Verbindungstechnik. Da durch kann ein Achsenversatz oder eine Winkelabweichung der zu koppelnden Bauteile in Grenzen beherrscht werdend. Ebenso sind durch Magnetfelder hervorgerufene mechanische Kräfte auf die An lagenteile entkoppelbar. The task is made possible by a flexible, coolant-flowable Cable piece according to the characterizing features of claim 1 solved. Basically, such a piece of cable consists of flexible line part with a coupling part on each End and an enveloping hose that flows through Coolant is guided along the conductor. The rotationally symmetrical Construction of the entire cable piece is from the prior art known. But the improvement of the current carrying capacity succeeds only through the special design of the coupling parts on the both ends and through the connection technology used. There due to an axis offset or an angular deviation of the coupling components are mastered within limits. Likewise are mechanical forces caused by magnetic fields layer parts can be decoupled.
Die Anordnung ermöglicht auf engstem Raum einen großen Leiter querschnitt. Hinzu kommt, daß strömungstechnisch konzentrische Kanäle geschaffen werden, die überall am stromführenden Leiter das durchströmende Kühlmittel entlangführen, so daß die im Ka belstück erzeugte joulsche Wärme über große benetzte Oberflächen wirkungsvoll abgeführt werden kann. Selbst die Kopplungsstellen sind stets kühlmitteldurchflossen. Sie haben elektrisch ein ausreichenden Querschnitt und das Kühlmittel berührt dort ebenfalls eine große wirksame Oberfläche auf engstem Raum.The arrangement enables a large conductor in a very small space cross-section. In addition, the fluidic concentric Channels are created that are everywhere on the live conductor the coolant flowing through so that the Ka Belstück generated Joule heat over large wetted surfaces can be dissipated effectively. Even the coupling points are always filled with coolant. You have an electric one sufficient cross section and the coolant touches there also a large effective surface in a confined space.
Die Unteransprüche 2 bis 4 kennzeichnen von Fall zu Fall vor teilhafte Verbindungstechniken an der Schnittstelle Strombänder - Kopplungsteil, einerseits lösbar, andererseits nicht lösbar.Subclaims 2 to 4 indicate from case to case Partial connection techniques at the current band interface - Coupling part, on the one hand detachable, on the other hand not detachable.
Spiralen aus für ein solches Anlagenteil geeignetem Stahl stüt zen die koaxialen Strombandlagen und halten so die für die Kühl mittelströmung bedeutungsvollen Strömungswege aufrecht (Anspruch 5).Spirals made of steel suitable for such a plant part zen the coaxial current band layers and thus keep those for the cooling medium flow meaningful flow paths upright (claim 5).
Die Kopplungsteile können von der Herstellung einfach massive Stufenkegel sein an deren Mantelfläche die außen liegende Zylin derstufe das anzukoppelnde Bauteil kontaktiert. Das kann über Oberflächenklemmung oder über eine Gewindefläche erfolgen (Anspruch 7).The coupling parts can be massive simply from the manufacture The cone on the outer surface of the stepped cone is the outside dergrad contacted the component to be coupled. That can over Surface clamping or via a threaded surface (Claim 7).
Vom Herstellungsaufwand etwas umfangreicher, aber letzlich doch gewichtssparend sind in den Ansprüchen 8 bis 10 entsprechend ih rer Außenform hohle Kopplungsteile gekennzeichnet.A little more extensive in terms of production costs, but ultimately weight saving are in claims 8 to 10 according to ih rer outer shape marked hollow coupling parts.
Ungebührliche Längsausdehnungen oder gar Tordierungen des Kabel stücks sollen abgefangen werden können, deshalb ist der umman telnde Schlauch noch von einem zugaufnehmenden Drahtgeflecht um geben und besteht selbst aus einem Faltenbalg (Anspruch 11).Unreasonable longitudinal expansion or even twisting of the cable pieces should be able to be intercepted, that's why the umman the surrounding hose from a wire mesh give and consists itself of a bellows (claim 11).
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher er läutert. Es zeigen: The invention is based on the drawing he he purifies. Show it:
Fig. 1 einen axialen Schnitt durch das flexible Kabelstück, Fig. 1 is an axial section through the flexible cable piece,
Fig. 2 den Schnitt senkrecht zur Achse auf den Endbereich, Fig. 2 shows the section perpendicular to the axis of the end region,
Fig. 3 den Einbau zweier solcher Kabelstücke in eine Anlage, Fig. 3 shows the mounting of two such pieces of cable into a plant,
Fig. 4 Temperatureinschwingvorgänge beim Einschalten, Fig. 4 Temperatureinschwingvorgänge at power up,
Fig. 5 Temperatureinschwingvorgänge beim Ausschalten. Fig. 5 temperature transient when switching off.
Die beiden ausgeführten und einem Test unterworfenen Kabelstücke sind rotationssymmetrisch aufgebaut und spiegelbildlich zur senkrecht durch die Kabelachse 1 gehende Mittelebene 2 (Fig. 1). Die Kupplungsteile 3 haben die Form ineinandergeschobener Zylinder, die nach außen einen Stufenkegel und nach innen einen gestuften Hohlkegel bilden. An der äußeren Man telfläche 4 des äußeren Zylinderstücks setzt das anzukoppelnde Bauteil 5 an, das in der gezeichneten Ausführung ein Anflansch ring 5 mit Innengewinde ist. Dementsprechend hat die Mantelflä che 4 ein Außengewinde, das bis zur Kegelstumpffläche 6 reicht, an der der Anflanschring 5 sich beim Eindrehen anlegt, so daß dort und an den Gewindegängen ein großflächiger, guter elektri scher Kontakt zustande kommt, wenn die beiden Teile gegeneinan der angezogen und verspannt werden.The two cable pieces that have been executed and subjected to a test are constructed rotationally symmetrically and mirror images of the central plane 2 ( FIG. 1) perpendicular to the cable axis 1 . The coupling parts 3 have the form of nested cylinders which form a stepped cone on the outside and a stepped hollow cone on the inside. On the outer Man telfläche 4 of the outer cylinder piece is to be coupled component 5 , which is a flange ring 5 with an internal thread in the embodiment shown. Accordingly, the Mantelflä surface 4 has an external thread that extends up to the truncated cone surface 6 , on which the flange ring 5 bears when screwed in, so that there and on the threads a large-area, good electrical contact occurs when the two parts are tightened against each other and be tense.
An den weiteren, außen liegenden Mantelflächen 7 des Kupplungsteils 3 liegen dann die flexiblen Strombänder 8 um die jewei lige Mantelfläche 7 gleichverteilt an und enden am anderen Kupplungsteil 3 gleichartig. Jedes flexible Stromband 8 besteht aus Kupferlitzen, die an ihren Enden in eine Kontakthülse 9 gefaßt ist, die sich an die Krümmung der jeweiligen Mantelfläche anschmiegt. Für den Hartlötprozeß oder die Verschweißung an der Berührfläche ist zur Fixierung eine Verschraubung zweckmäßig, die an den zwei Kontakthülsen 9 der beiden inneren Strombänder 8 gezeigt ist (Fig. 1 und 2). Die Schraubverbindung 20 ist an allen Mantelflächen 7 der Übersichtlichkeit halber nur am Innenzylin der gezeichnet.The flexible current strips 8 then lie evenly distributed around the respective lateral surface 7 on the further, outer lateral surfaces 7 of the coupling part 3 and end in the same way on the other coupling part 3 . Each flexible current band 8 consists of copper strands, which are gripped at their ends in a contact sleeve 9 which conforms to the curvature of the respective outer surface. For the brazing process or the welding on the contact surface, a screw connection is expedient for fixing, which is shown on the two contact sleeves 9 of the two inner current strips 8 ( FIGS. 1 and 2). The screw 20 is drawn on all lateral surfaces 7 for clarity only on the Innenzylin.
Die Strombänder 8 pro Mantelfläche 7 werden über Spiralfedern 10 über die gesamte Länge in konzentrischer Lage zueinander gehal ten. Dieses System wird schließlich durch den das Ganze umhül lenden Schlauch 11 (Wellschlauch) abgeschlossen. Der Schlauch ist an seinen beiden Enden in einen Flansch 12 gefaßt, der an dem Kop pelring 5 kühlmitteldicht anliegt, bzw. über Verschraubungen 13 und losem Flansch 21 mit diesem verpreßt wird. Die Dichtung wird über den in einer Ringnut 15 liegenden O-Ring 14 erreicht.The current tapes 8 per lateral surface 7 are held over the entire length in a concentric position to one another via spiral springs 10. This system is finally completed by the hose 11 (corrugated hose) enveloping the whole. The hose is gripped at its two ends in a flange 12 , which rests on the cop pel ring 5 in a coolant-tight manner, or is compressed by means of screw connections 13 and a loose flange 21 . The seal is achieved via the O-ring 14 lying in an annular groove 15 .
Für die beabsichtigte Kühlmittelkanalisierung sind in den beiden Kopplungsteile 3 und in dem Koppelring 5 Bohrungen 16 parallel zur Kabelachse 1 vorgesehen. Die Bohrungen sind um die Kabel achse 1 gleichverteilt und liegen auf den ringförmigen Stoßflä chen zwischen den Strombändern 8, wie aus Fig. 2 ersichtlich. Hinzu kommt noch eine zentrale Bohrung 17 im Kopplungsteil 3. Durch die Anordnung der flexiblen Strombänder 8 zwischen den Kopplungsteilen 3 werden konzentrische Strömungskanäle für das Kühlmittel aufrechterhalten, so daß eine gute Wärmeübernahme durch das vorbeiströmende Kühlmittel erreicht wird.For the intended coolant channeling, bores 16 are provided in the two coupling parts 3 and in the coupling ring 5 parallel to the cable axis 1 . The bores are evenly distributed around the cable axis 1 and lie on the annular shock surfaces between the current strips 8 , as can be seen in FIG. 2. In addition, there is a central bore 17 in the coupling part 3 . The arrangement of the flexible current strips 8 between the coupling parts 3 maintains concentric flow channels for the coolant, so that good heat transfer is achieved by the coolant flowing past.
Der flexible, rotationssymmetrische Aufbau des Kabelstücks er laubt eine Schwenkung, so daß örtliche Ungenauigkeiten der An lage an dieser Schnittstelle ausgeglichen oder Schwingungen von Anlagenbereichen abgefangen werden können. Das beschriebene Ka belstück wurde für 80 kA dimensioniert und hat Lastzyklen, wie sie im vorgesehenen Betrieb auftreten werden, ohne Beanstandung ertragen. Hinzu wurden zwei flexible, unterschiedlich lange Ka belstücke gemäß Fig. 3 in einen Laststromkreislauf eingebaut und getestet. Das u-förmige Verbindungsstück 19 repräsentiert den supraleitenden Hochstrommagneten. An den beiden anderen Enden der Kabelstücke 18 flanscht die Stromversorgung 22 bzw. die von dort kommende Sammelschiene an.The flexible, rotationally symmetrical structure of the cable section allows a pivoting so that local inaccuracies of the system can be compensated for at this interface or vibrations from system areas can be intercepted. The cable piece described was dimensioned for 80 kA and has withstood load cycles, as will occur in the intended operation, without complaint. In addition, two flexible, different lengths of cable pieces according to FIG. 3 were installed and tested in a load current circuit. The U-shaped connector 19 represents the superconducting high-current magnet. At the two other ends of the cable pieces 18, the power supply 22 or the busbar coming from there flanges.
Die Fig. 4 und 5 dokumentieren an unterschiedlichen Stellen die zeitliche Belastung der zwei in den Stromkreis eingebauten Kabelstücke. Der Strom vom Netzgerät 22, durch den Verlauf BDI 602 dargestellt, steigt von 0 auf 80 kA in 2,5 min, fließt dann in dieser Stärke 1 Stunde und 8 Minuten lang und wird dann wie der in ca. 2,5 min auf Null heruntergefahren. An verschiedenen, als empfindlich betrachteten Stellen des Stromkreislaufs wur den die Temperaturverläufe durch Temperaturfühler erfaßt und durch die Kurven TI iii wiedergegeben. Das Einschwingverhalten zeigt, daß die jeweilige Temperatur nach etwa 10 min auf den stationären Wert einläuft. Unzulässige Temperaturüberhöhungen treten nicht auf, so daß ausreichend gekühlt wird. Das Ab schwingverhalten ist, wie erwartet, zulässig und zeigt das Ver halten eines abgeschlossenen Systems. Die Kabelstücke erfüllen die Forderungen, wie sie in der Aufgabenstellung dargelegt wur den, als da sind: raumsparend, in ausreichendem Maße flexibel, großer stromführender Leiterquerschnitt, der konstruktiv platz sparend in eine Anlage einbezogen werden kann. FIGS. 4 and 5 document at different places, the time burden of the two built in the circuit cable pieces. The current from the power supply 22 , represented by the curve BDI 602, increases from 0 to 80 kA in 2.5 minutes, then flows in this strength for 1 hour and 8 minutes and then becomes zero again in about 2.5 minutes shutdown. At various points in the circuit that were considered sensitive, the temperature profiles were recorded by temperature sensors and represented by the curves TI iii. The transient behavior shows that the respective temperature reaches the stationary value after about 10 minutes. Impermissible temperature increases do not occur, so that cooling is sufficient. As expected, the decay behavior is permissible and shows the behavior of a closed system. The cable pieces meet the requirements as outlined in the task as there are: space-saving, sufficiently flexible, large current-carrying conductor cross-section that can be incorporated into a system in a space-saving manner.
11
Achse
axis
22nd
Mittenebene
Middle level
33rd
Kopplungsteil
Coupling part
44th
Mantelfläche, Gewinde
Lateral surface, thread
55
Bauteil, Koppelring
Component, coupling ring
66
Kegelstumpfmantelfläche
Truncated cone surface
77
Mantelfläche
Lateral surface
88th
Stromband
Current band
99
Kontakthülse
Contact sleeve
1010th
Spirale
spiral
1111
Schlauch
tube
1212th
Flansch
flange
1313
Verschraubung
Screw connection
1414
O-Ring
O-ring
1515
Ringnut
Ring groove
1616
Bohrung
drilling
1717th
zentrale Bohrung
central hole
1818th
Kabelstück
Cable piece
1919th
U-förmiges Verbindungsstück, Kurzschlußbügel
U-shaped connector, shorting bar
2020th
Schraubverbindung, Verschraubung
Screw connection, screw connection
2121
loser Flansch
loose flange
2222
Netzgerät, Stromversorgung BDI 602 Stromkurve
TI iii Temperaturkurven
Power supply unit, power supply BDI 602 current curve
TI iii temperature curves
Claims (11)
- - einem flexiblen Leitungsteil, dessen beide Enden in je ein Kopplungsteil (3) gefaßt sind,
- - einem Schlauch (11), der den Leitungsteil und die Kopp lungsteile (3) im Betrieb flüssigkeitsdicht ummantelt,
- - die beiden Kopplungssteile (3) jeweils die Form eines zylindrischen Stufenkegels haben, deren Spitzen zuein ander weisen,
- - die Enden der flexiblen Strombänder (8) an die Stirnflä che der zylindrischen Stufen stoßen und die zur Achse (1) hin liegenden Endbereiche an der in Richtung Stu fenkegelspitze liegenden zylindrischen Mantelfläche zu mindest teilweise anliegen,
- - durch die Stirnflächen der Zylinderstufen zwischen den Enden der flexiblen Strombänder (8) axiale Bohrungen (16) für einen Kühlmittelstrom gehen,
- - der den Leitungsteil (8) und die Kopplungsteile (3) im ausgebauten Zustand umhüllende Schlauch (11) diese nur lose ummantelt und die flüssigkeitsdichte Ummantelung erst mit dem Anlageneinbau erreicht ist.
- - a flexible line part, the two ends of which are each in a coupling part ( 3 ),
- - A hose ( 11 ), the line part and the coupling parts ( 3 ) jacketed liquid-tight during operation,
- - The two coupling parts ( 3 ) each have the shape of a cylindrical step cone, the tips of which point to each other,
- - The ends of the flexible current strips ( 8 ) meet the end face of the cylindrical steps and the end regions lying towards the axis ( 1 ) lie at least partially against the cylindrical lateral surface lying in the direction of the step cone tip,
- - axial bores ( 16 ) for a coolant flow pass through the end faces of the cylinder stages between the ends of the flexible flow bands ( 8 ),
- - The line part ( 8 ) and the coupling parts ( 3 ) in the dismantled state enveloping hose ( 11 ) only loosely sheathed and the liquid-tight sheathing is only achieved with the installation of the system.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8100 | Publication of the examined application without publication of unexamined application | ||
D1 | Grant (no unexamined application published) patent law 81 | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |