DE2241370A1

DE2241370A1 - Vorrichtung zur thermischen isolierung einer leitung mit sehr niedriger temperatur

Info

Publication number: DE2241370A1
Application number: DE2241370A
Authority: DE
Inventors: Marcel Aupoix; Jean-Marie Leroux; Francois Moisson-Franckhauser; Roger Prost
Original assignee: Compagnie Generale dElectricite SA
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1971-08-23
Filing date: 1972-08-23
Publication date: 1973-03-08
Also published as: NL172092C; GB1389125A; IT964165B; FR2151167A5; NL7211474A; US3780205A; NL172092B; DE2241370B2; BE787698A

Description

DR. MÖLLER-BORE DlPL-HriYcä. DR. MANITZ DlPL.-CriEM. DR. DEUFEL DIPL.-ING. FINSTERWALD DIPL.-ING. GRAMKOW

PATENTANWÄLTE 4*4 ] 3 /Q

Hünchen, den 23. August 1972 Ϊί/Sv - C 2606

ΟΟΙΦΑΟΝΙΕ GEHEKALE D¹ELEGTRIGIi¹E

54-, rue la Boetie, 75382 Paris

Cedex 08, .Frankreich

Vorrichtung zur thermischen Isolierung einer·Leitung mit sehr niedriger Temperatur

Me Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur thermischen Isolierung einer Leitung mit sehr niedriger Temperatur, jus ist bekannt, eine Leitung, die aua einer oder mehreren Leitungen mit sehr niedriger Temperatur bestehen kann, durch eine Vorrichtung thermisch zu isolieren, die aus einem metallischen thermischen Schirm, der diese Leitung umgibt und mit Kühlkanälen, in denen ein Kryogenatrömungamittel fließt, versehen 1st, aus einem diesen Schirm umgebenden metallischen Außenmantel und aus Drähten zur Aufhängung der Leitung in dem Schirm und zur Aufhängung dea Schirms in dem Außenmantel besteht,

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Im allgemeinen wird zwischen der Leitung und dem Außenmantel ein Vakuum erzeugt und der Raum zwischen dem Schirm und dem Auöenmantel wird von einem thermischen Isolierstoff eingenommen«

Diese thermische Isolationsvorrichtung besitzt jedoch Nachteile, die mit der Längsbewegung der Leitung mit niedriger Temperatur gegenüber dem Außenmantel mit Umgebungstemperatur verbunden sind» Die Abkühlung der thermisch zu isolierenden Leitungen bewirkt nämlich deren thermische Schrumpfung,

Mit einer derartigen thermischen Isolationsvorrichtumr werden die Bedingungen der thermischen Isolierung und des Umlaufs der Strömungsmittel zur Kühlung nicht auf die beste «/eise erfüllt. Außerdem ist ihre Herstellung kompliziert, was hohe Kosten zur Folge hat, und die Probleme der Spannung infolge der Temperatur sind schwierig zu lösen.

Ziel der Erfindung ist es, diese Nachteile zu beseitigen.

Gegenstand der blrfindung ist eine Vorrichtung zur •thermischen Isolierung mindestens einer Leitung mit sehr niedriger Temperatur, die einen zylindriechen, diese Leitung mit sehr niedriger Temperatur umgebenden thermischen Schirm, der aus mindestens zwei halbzylindrischen, längs zwei Erzeugenden dea gebildeten Zylinders miteinander verbundenen Teilen beateht, einen diesen Schirm umgebenden, zylindrischer', metallischen, dichten Außenmnntel, Elemente zur Aufhängung dieser Leitung mit sehr niedriger Temperatur in dem .5chirm

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und Elemente zur Aufhängung des Schirms in dem Außenmantel, Kanäle zur Kühlung des Schirms und Zwischenstücke zur mechanischen Verbindung und gegenseitigen thermischen Isolierung der Teile des Schirms besitzt und dadurch gekennzeichnet ist ι daß die Teile dieses Schirms aus einem Werkstoff bestehen, dessen relative thermische Schrumpfung weniger als [3.10~⁴ beträgt.

Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur thermischen Isolierung von Leitungen mit sehr niedriger Temperatur beschrieben, wobei die Leitung mit sehr niedriger Temperatur aus dem. Innenmantel einer supraleitenden Kryoverbindung besteht. Es zeigen:

Pig. 1 eine perspektivische und geschnittene Darstellung

einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtungc
Fig. 2 eine perspektivische und geschnittene Darstellung

einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Pig. 3 eine perspektivische und axial geschnittene Darstellung

eines Abschnitts einer Vorrichtung gemäß Pig.1 oder 2 mit einer dank des Außen- und des Innenmantels dichten Schranke.

Pi_t'"> 4 einen axialen Schnitt durch einen Abschnitt einer Vorrichtung gemäß Fig. 1 oder 2, die mit Einrichtungen .rum. Anschluß an eine Pumpe versehen ist. · .

- , Die .auf ,,Pig. 1 perspektivisch und schematisch im Schnitt dargestellte Kryοverbindung besteht aus folgenden Teilen:

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Ein rohrförmiper Innenmantel ?., der eine aus elektrischen hohlen Kabeln 4 bestehende Leitung enthält. Diese Kabel wurden für den Fall der Beförderung eines starken Strome, beispielsweise eines Gleichstroms, auf vier beschränkt, sie können natürlich auch in einer anderen Anzahl vorgesehen eeint Um diesen Kabeln in dem Mantel 2 und im Inneren 6 der . Kabel fließt ein Kühletrömungsmittel, das beispielsweise aus flüssigem Helium bestehen kann. Diese Kabel sind auf bekann_ te Weise so ausgebildet, daß ihre Länge in Abhängigkeit von der Temperatur unveränderlich ist.

Kanäle 8 und 10 zur Rückleitung des Strömungsmittels zur Kühlung des Innenmantels, die von diesem Mantel durch thermisch isolierende Zwischenlaßen getrennt sind. (Auf der Figur bei 44 , 46 und 48 dargestellt)

Diese Kanäle bestehen aus einer unveränderlichen Legierung, d.h. einer Legierung, deren relative thermische Schrumpfung weniger als 5.10 beträgt. (Der Koeffizient der thermischen Schrumpfung stellt die lineare Schrumpfung pro Längeneinheit bei Übergang der Temperatur von der Umgebungstemperatur auf die Betriebstemperatur dar). Eine derartige Legierung kann aus Eisen und Nickel mit einer Nickelkonzentration zwischen dreißig und fünfundvierzig Prozent bestehen. Sie kann beispielsweise eine unter der Bezeichnung INVAR CRYOGENIQUE bekannte Sorte sein, die j η Frankreich von der Societe metallurglque d¹IMPHY vertrieben wird.

Mit den aus einer Legierung mit geringer thermischer Schrumpfung bestehenden Kanälen, die einem Innenmantel mit geringer thermischer Schrumpfung beigegeben sind, kann eine Kryoverbindung geschaffen werden, deren "kalter" zentraler

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ie11 eine unveränderliche länge hat.

- Ein thermischer Schirm in Form eines Zylinders, der aus zwei Schalen, einer oberen Schale 12 und einer unteren Schale H besteht. Diese beiden Schalen sind längs zwei Erzeugenden des Zylinders miteinander verbunden. Sie bestehen aus einer unveränderlichen Legierung, die dieselbe wie die der Kanäle 8 und 10 sein kann.

- Zwischenstücke zur Verbindung dieser beiden Schalen, die aus thermisch isolierenden Abstandsstücken 16 und 18 bestehen, die auf der Länge des thermischen Schirms gleich_

: mäßig verteilt sind und deren an die Form der Schalenhälften angepaßte Form deren Längsverbindung gestattet. Diese isolierenden Abstandsstücke gestatten die Anbringung von Drähten, beispielsweise Drähten 38, die den Innenmantel in dem Schirm tragen«, Diese Drähte tragen auch die Kanäle 8 und

■■; und halten sie mit dem Innenmantel in Berührung.

- Kanäle 20, 22, 24 und 26, die aus derselben unveränderlichen Legierung bestehen. Diese Kanäle gestatten die Kühlung des Schirms mithilfe eines KryogenströmungsmittelB,

_K beispielsweise Stickstoff. Die unteren Kanäle 22 und 24 gewährleisten beispielsweise den Strömungsmittelfluß in einer .Richtung und die Kanäle 20 und 26 die RUckleitung \ dieses Strömungsmittels in der entgegengesetzten Richtung. Diese Kanüle sind an dem Schirm so angeschweißt, daß sie mit diesem in gutem thermischen Kontakt sind.

^: - d!in Außenmantel 28 beispielsweise auo Stahl, der

durch eine Schweißung 32 geschlossen ist. Bin Haken 34 gestattet die Einhängung eines Drahtes 36 zur Aufhängung des

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Schirms und seines Inhaltes in diesem Außenmantel.

- Ein thermischer Isolationsstoff 42, der beispielsweise aus Aluminiumoxidpulver besteht und den Raum zwischen dem thermischen Schirm und dem Außenmantel einnimmt. Die Abstandsstücke 16 und 18 sind diskontinuierlich; Zwiachenräume zwischen diesen Abstandsstücken bilden öffnungen 51. In Höhe der Abstandsstücke ist der thermische Schirm mit einem Fi.lzband 50 bedeckt, sodaß der Raum zwischen dem Innen- und dem Außenmantel ausgepumpt werden kann, wobei gleichzeitig ein Eindringen des Pulvera in den Raum zwischen dem thermischen Schirm und dem Innenmantel verhindert wird.

Durch Erzeugung eines Vakuums in dem Raum zwischen dem Innenmantel 2 und dem Außenmantel 28 wird die thermische loolierung erhöht. Dieses Vakuum wird durch die Kryopumpung aufrechterhalten, die durch das Vorhandensein des Innenmantels mit sehr niedriger Temperatur bewirkt wird.

Fig. 2 zeigt in einer perspektivischen und schematisch geschnittenen Darstellung eine andere Ausfuhrungsform einer erfindungsgemäßen Kryoverbindung.

Diese ft-ryoverbindung, die zur Beförderung hoher elektrischer Leistungen beispielsweise als v/echeelstrom dient, besteht aus folgenden Teilen:

- Ein rohrförmiger aus einer unveränderlichen Legierung bestehender Innenmantel 220, der hohle Kabel 60 unveränderlicher Länge enthält, die im Fall eines »Veohselstroms aus leitenden Schichten, die von abgeflachten, schraubenförmig angeordneten Leitern gebildet sind, und aus olner zwischen

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diesen koaxialen Schichten vorgesehenen, isolierenden Bandumwickelung bestehen*

Die Anzahl dieser Leiter wurde für den vorliegenden Fall der Beförderung eines Wechselstroms auf drei beschränkt; diese Leiter können jedoch auch in einer anderen Anzahl vorgesehen sein. Um diesen Kabeln in dem Mantel 220 und in ihrem Inneren fließt ein Ktihlströmungsmittel, das aus flüssigem Helium bestehen kann.

Der Innenmantel 220 ist durch eine Schweißung 690 abgedichtet.

- Ein Kanal 80 zur RUckleitung des Strömungemittels zur Kühlung des Innenmantels, der von diesem Mantel durch eine thermisch isolierende, schraubenförmig um diesen Kanal 80 gewickelte Leiste 600 getrennt ist.

Dieser Kanal, der aus einer unveränderlichen Legierung besteht und dem aus einer unveränderlichen Legierung bestehenden Innenmantel 220 beigegeben ist, gestattet die Schaffung einer Kryoverbindung, deren "kalter" zentraler Teil eine unveränderliche Länge hat.

- Ein thermischer Schirm in der Form eines Zylinders, der aus zwei Schalenhälften, einer oberen 120 und einer unteren HO, besteht. Diese Sdulenhälften sind längs zwei erzeugenden dieses Zylinders miteinander verbunden und bestehen aus einer unveränderlichen Legierung.

- Zwischenstücke 180 zur Verbindung dieser beiden Schalen. Diese Stücke sind thermisch isolierend und ihre an die Form der Schalenhälften angepaßte Form gestattet deren Liingsverbindung.

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— 8 — ORIGINAL INSPECTED

- Bögen 550 und 560 zur mechanischen Verstärkung, die an der Innenseite jeder Schalenhälfte befestigt sind, längs des Schirms gleichmäßig verteilt sind und beispielsweise aus Aluminium bestehen. Diese Bögen gemäß dieser Ausführungsform gestatten die Einhängung von Elementen oder Drähten 380 zur Aufhängung des Innenmantels 220 in der unteren Schal einhälft e HO des Schirms. Sie bewirken auch eine Erhöhung der thermischen Leitfähigkeit des Schirms, woduroh eine gleichmäßigere Temperatur erreicht wird. Der Kanal 80 zur Rückleitung des Strömungsmittels zur Kühlung des Innenmantels (flüssiges Helium) kann duroh eine mit einer Spannsohnalle 620 versehene Schelle 610 an seinem Platz gehalten werden.

- Einrichtungen zum Umlauf eines Kühlströmungsmittel (flüssiger Stickstoff) um dem Schirm, die auf der Figur mit Kanälen 240 und 260 dargestellt sind. Der mit der unteren Schale HO des Schirms in thermischem Kontakt befindliche Kanal 240 gewährleistet den Kühlströmungsmittelstrom in einer Richtung und der mit der oberen Schale 120 in thermischem Kontakt befindliche Kanal 260 gewährleistet die RUckleitung dieses Strömungsmittels. Diese Kanäle bestehen aus einer unveränderlichen Legierung und sind an dem Schirm angeschweißt.

- Ein Außenmantel 280 aus Stahl der den thermischen Schirm umgibt und durch die Längsschweißung 630 abgedichtet ist. Die Einrichtungen 640 und 650 zur Aufhängung des Bchirme in dem Außenmantel sind bei 660 an diesem Mantel befestigt.

- Spannschellen 670 und 680, die die beiden Schalen des Schirms einander gegenüber halten.

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ORIGINAL INSPECTED

Ein aua Aluminiumoxidpulver bestehender thermischer Isolierstoff 420, der den Raum zwischen dem Schirm und dem Außenmantel 280 einnimmt. In Höhe der Zwischenstücke 180 ist ein Filzband 500 vorgesehen, das die Kryopumpung des Raums zwischen dem Innen- und dem Außenmantel gestattet und dabei das Eindringen des Isolierpulvers zwischen den thermischen Schirm und den Innenmantel verhindert.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Kryoverb indungen,' die beispielsweise an Hand der schematischen Fig. 1 und 2 beschrieben wurden, ergeben sich hauptsächlich aus der Unveränderlichkeit der Länge des Schirms und seiner Kühlkanäle. Diese Unveränderlichkeit der Länge des Schirms erhält man durch eine Verankerung des thermischen Schirms gegenüber dem Außenmantel 28 oder 280. Eine derartige Verankerung an den beiden Enden eines geradlinigen Absohnitts erzeugt Längszugspannungen in dem thermischen Schirm, die gleich dem Produkt aus dem Elastizitätsmodul der den thermischen Schirm bildenden legierung und der freien relativen thermischen Schrumpfung dieser Legierung sind. Diese Spannungen bleiben in der Nähe von 6 kg/mm . Eine erfindungsgemäße Kryoverbindung besteht aus Absohnitten von einigen Hundert Metern, die zwischen zwei aufeinanderfolgenden Verankerungen zur Verringerung der'Reaktionen in Höhe der Träger 36 oder 640 und 650 schwache Krümmungen aufweisen.

Gemäß Mg. 3 können die Verankerungen der beiden Schalen 12 und H des thermischen Schirme gegenüber dem Außenmantel 28 oder 280 zweckmäßigerweise aus Schranken 111 bestehen, die an dem Innenmantel 2 und dem Außenmantel 28 befestigt sind und so angeordnet sind, daß der Raum zwischen

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zwei aufeinanderfolgenden Schranken, dem Außenmantel und dem Innenmantel abgedichtet wird, der eine unveränderliche Länge hat und aus einem Werkstoff mit ähnlichen Eigenschaften wie der für den thermischen Schirm benutzte ./erkstoff besteht.

Die auf diese V/eise geschaffene Kryoverbindung ist dadurch gekennzeichnet, daß diese zur Verankerung dienenden Schranken gleichzeitig die thermische Schrumpfung des Schirms und die der Elemente mit der Temperatur des Kryokabels oder der Leitung mit sehr niedriger Temperatur ausschalten.

Fig. 4 zeigt den Innenmantel 2, die beiden Teile und H des Schirms und den Außenmantel 28 der Kryoverbindung der Fig.1. Ferner ist ein radialer Kanal 101 dargestellt, der den Raum im Inneren der beiden Teile 12, 14 des Schirms mit dem Raum außerhalb des Außenmantels 28 verbindet. Dieser Kanal gestattet über einen Stutzen 103 den Anschluß an Pumpeinrichtungen (nicht dargestellt). Diese Einrichtungen können für die erste Evakuierung der Kryoverbindung eine starke leistung und anschließend für das Auspumpen von entweichendem Kryogengas, das nicht durch Kryopumpung abgepumpt werden kann, eine geringe Leistung haben.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur thermischen Isolierung einer Leitung mit sehr niedriger Temperatur kann insbesondere für die folgenden Fälle angewandt werden: \

- Die Leitung iat eine Leitung oder eine Gruppe von Leitungen zur Beförderung von Kryogenstrb'mungsmitteln oder verflüssigten Gasen.

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- Die Leitung ist eine Kryoverbindung zur Übertragung hoher elektrischer Leistungen als Gleichstrom oder Wechselstrom.

- Die Leitung enthält supraleitende Koaxialkabel zur Beförderung von Nachrichten. ·

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Claims

Patentansprüche

IjV Vorrichtung zur thermischen Isolierung einer Leitung mit sehr niedriger Temperatur, bestehend aus einem, thermischen Schirm in der Form eines diese Leitung umgebenden, metallischen Zylinders, der aus mindestens zwei längs zwei Erzeugenden des gebildeten Zylinders miteinander verbundenen Teilen besteht, einem diesen Schirm umgebenden, zylindrischen, metallischen und dichten Außenmantel, einem den Raum zwischen dem Schirm und dem Außenmantel einnehmenden thermisch isolierenden Pulver, Elementen zur Aufhängung der Leitung in dem Schirm und Elementen zur Aufhängung des Schirms in dem Außenmantel und aus mindestens einem längs jeder dieser Erzeugenden angeordneten Zwischenstück zur mechanischen Verbindung und gegenseitigen thermischen Isolierung der beiden Teile des Schirms besteht, die jeweils in gutem thermischen Kontakt mindestens einen Kühlkanal tragen, wo"bei Einrichtungen vorgesehen sind, die die Strömung eines Kühlströmungsmittels in einer Richtung in jedem von einem dieser Teile getragenen Kühlkanal und die Rückleitung dieses Strömungsmittels in jedem von dem anderen Teil getragenen Kühlkanal gestatten, dadurch gekennzeichnet , daß diese Teile (12,H) des Schirms aus einer Legierung bestehen, deren relative thermische Schrumpfung weniger als 5.10""* beträgt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der den üchirm (12,14) bildende Werkstoff eine Legierung aus Eisen und Nickel ist, deren

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"Nickelkonzentration zwischen dreißig und fünfundvierzig Prozent liegt»
3» Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet , daß die Zwischenstücke (18) so ausgebildet sind, daß Öffnungen (51) den inneren Raum'des Schirms mit dem äußeren Raum verbinden, ohne den Durchgang des Pulvers zuzulassen, wobei der Gesamtquerschnitt dieser Öffnungen (51) die Entgasung des Pulvers von dem' £aum im Inneren des Schirms aus gestattet»
4. Vorrichtung nach Anspruch 3? dadurch ge k e η η zeichnet , daß eine Vielzahl von Zwischenstücken (18) längs jeder dieser Erzeugenden in einer Linie angeordnet ist, wobei zwischen diesen Stücken Zwischenräume bleiben, die durch ein durchlässiges Band (50) mit Faserstruktur verschlossen sind, das längs jeder dieser Erzeugenden an der Außenseite dieser Stücke (18) befestigt ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß mindestens ein radialer Kanal (103) vorgesehen ist, der dän Raum im Inneren des Schirms mit dem Raum äußerhalb des Außenmantels (28) verbindet, so daß dieser innere Raum von Pumpeinrichtungen· aus, die außerhalb des Außenmantels (28) angeordnet sind, ausgepumpt werden kann.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß jeder l'eil (12,14) des Schirms Einrichtungen zur mechanischen Verstärkung besitzt, die aus metallischen, an diesen Teilen (12,14) des Schirms befestigten und längs des Schirms verteilten Bögen (550,560) bestehen.

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7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Bögen (550,560) aus Aluminium bestehen.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Elemente (380). zur Aufhängung der Leitung in dem Schirm an den Bögen (550) eingehängt sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Elemente (38) zur Aufhängung der Leitung in dem Schirm an den Zwischenstücken (18) e ingehängt s ind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verankerungen (111) des thermischen Schirms (12,14) gegenüber dem Außenmantel (28) in gegenseitigen Abständen angeordnet sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch g e k e η η zeic.hnet , daß die Verankerungen (111) den Raum zwischen dem Auüenmantel (28) und der Leitung (4) dicht verschließen.

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