DE2241370B2

DE2241370B2 - Supraleitendes Kabel

Info

Publication number: DE2241370B2
Application number: DE2241370A
Authority: DE
Inventors: Marcel Paris Aupoix; Jean-Marie Grenoble Leroux; Francois Bretigny-Sur-Orge Moisson-Franckhauser; Roger Saint-Egreve Prost
Original assignee: GENERALE D'ELECTRICITE 75382 PARIS FR Cie
Current assignee: GENERALE D'ELECTRICITE 75382 PARIS FR Cie
Priority date: 1971-08-23
Filing date: 1972-08-23
Publication date: 1981-05-21
Also published as: NL172092C; NL172092B; BE787698A; FR2151167A5; US3780205A; NL7211474A; IT964165B; DE2241370A1; GB1389125A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kabel der im

to Oberbegriff des Anspruchs 1 bezeichneten Art Dieses Kabel kann eine Hochspannungsleitung für deich-, Wechsel- oder Drehstrom oder eine Nachrichtenübertragungsleitung sein.
Bei einem solchen Kabel treten große Temperaturunterschiede nicht nur im Betrieb zwischen dem Außenniantel und dem von Kühlmittel durchflossenen Rohr auf, sondern auch während der Phasen der In- und Außerbetriebnahme in diesem Rohr und dem dieses umgebenden thermischen Schirm selbst Diese letzteren Temperaturunterschiede führen zu Schrumpfungs- oder Ausdehnungsbewegungen des thermischen Schirms und damit zu der Gefahr einer seitlichen Verschiebung des an diesem Schirm aufgehängten zentralen, vom Kühlmittel durchflossenen Rohrs aus der Achse des Kabels. Mit massiven Abstandshaltern zwischen dem Rohr und dem thermischen Schirm könnte man zwar dieser Gefahr begegnen, jedoch bilden solche Abstandshalter unerwünschte Wärmebrücken zwischen Bauteilen sehr unterschiedlichen Temperaturniveaus.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein supraleitendes Kabel anzugeben, bei dem massive Abstandshalter zwischen dem zentralen Rohr und dem thermischen Schirm gar nicht oder höchstens in großen axialen Abständen voneinander benötigt werden. Diese Aufgabe wird durch das im Anspruch 1 gekennzeichnete Kabel gelöst. Bezüglich von Merkmalen bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung wird auf die Unteransprüche verwiesen. Es hat sich überraschend gezeigt, daß die genannten seitlichen Verschiebungen wirkungsvoller durch Verwendung eines Materials mit geringem Ausdehnungskoeffizienten für den thermischen Schirm vermieden werden können als auch konstruktive Maßnahmen wie Abstandshalter.

Die Erfindung wird nun anhand zweier Ausführungsbeispiele mit Hilfe der Zeichnungen näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine perspektivische und teilgeächnittene Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kabels,

Fig.2 eine perspektivische und teilgeschnittene Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kabels,

Fig.3 eine perspektivische und axial geschnittene Darstellung eines Abschnitts eines Kabels gemäß F i g. 1 oder 2 mit je einem dichten Abstandshalter zwischen zentralem Rohr und Schirm bzw. Schirm und Außenmantel,

Fig.4 einen axialen Schnitt durch einen Abschnitt eines Kabels gemäß F i g. 1 oder 2, der mit Einrichtungen zum Anschluß an eine Pumpe versehen ist

Das in F i g. 1 perspektivisch und schematisch im Schnitt dargestellte Kryokabel besitzt ein zentrales Rohr 2, das mehrere hohle Einzelleiter 4 umschließt. Für den Fall eines starken Stroms, beispielsweise eines Gleichstroms, sind zwei bis vier solche Leiter vorgesehen. Um diese Leiter 4 sowie im Inneren 6 dieser Leiter fließt als Kühlmittel flüssiges Helium. Die Leiter und das Rohr sind auf bekannte Weise so ausgebildet, daß ihre

Länge in Abhängigkeit von der Temperatur unveränderlich ist

Kanäle 8 und 10 dienen der Rückleitung des Kühlmiteis und sind vom Rohr 2 durch thermisch isolierende Zwischenlagen 44,46,48 getrennt

Diese Kanäle bestehen aus einer Legierung, deren relative thermische Schrumpfung weniger als 5 · 10—♦ beträgt (Der Koeffizient der thermischen Schrumpfung stellt die lineare Schrumpfung pro Längeneinheit bei Obergang 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.

Auf diese Weise wird eine Kryoverbindung geschaffen, deren »kalter« zentraler Teil eine unveränderliche Länge hat

Das zentrale Rohr 2 wird mit Abstand von einem thermischen Schirm in Form eines Zylinders umgeben, der aus zwei Schalen, einer oberen Schale 12 und einer unteren Schale 14 besteht Diese beiden Schalen sind längs zweier Mantellinien des Zylinders miteinander verbunden. Sie bestehen aus einer Legierung sehr geringen Ausdehnungskoeffizienten, die dieselbe wie die der Kanäle 8 und 10 sein kana

Zur Verbindung dieser beiden Schalen dienen Zwischenstücke 16 und 18, die aus thermisch isolierendem Material bestehen und Ober die Länge des thermischen Schirms gleichmäßig verteilt sind. Diese Zwischenstücke gestatten die Anbringung von Drähten, beispielsweise Drähten 38, die das Rohr 2 in dem Schiri:: tragen. Diese Drähte tragen auch die Kanäle 8 und 10 und halten sie mit dem Innenmantel in BrUhrung.

Kanäle 20,22,24 und 26, die aus derselben Legierung bestehen, gestatten die Kühlung des Schirms mit Hilfe eines Kryogenströmungsmittels, beispielsweise flüssigem Stickstoff. Die unteren Kanäle 22 und 24 gewährleisten beispielsweise den StrömungsmittelfluB in einer Richtung und die Kanäle 20 und 26 die Rückleitung dieses Strömungsmittels in der entgegengesetzten Richtung. Diese Kanäle sind an dem Schirm außen so angeschweißt, daß sie mit diesem in gutem thermischen Kontakt stehen.

Ein Außenmantel 28 aus Stahl, der durch eine Schweißnaht 32 zu einem Rohr geschlossen ist, trägt innen Haken 34, an denen ein Draht 36 zur Aufhängung des Schirms und seines Inhalts in diesem Außenmantel befestigt ist.

Den Raum zwischen dem thermischen Schirm und dem Außenmantel füllt ein thermischer Isolationsstoff so 42, der beispielsweise aus Aluminiumoxidpulver besteht Die Zwischenstücke 16 und 18 sind diskontinuierlich; Zwischenräume 51 zwischen diesen Zwischenstücken sind mit einem Filzband 50 bedeckt, so daß der Raum zwischen dem Rohr 2 und dem Außenmaße! 28 ss ausgepumpt werden kann, wobei gleichzeitig ein Eindringen des Pulvers in den Raum zwischen dem thermischen Schirm und dem Rohr verhindert wird.

Durch Erzeugung eines Vakuums in dem Raum zwischen dem Rohr 2 und dem Außenmantel 28 wird die thermische Isolierung verbessert. Dieses Vakuum wird durch eine Kryopumpe aufrechterhalten.

F i g. 2 zeigt in einer perspektivischen und teilgeschnittenen Darstellung eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kabels.

Diese? Kabel, das hohe elektrische Leistungen beispielsweise als Wechselstrom überträgt, besitzt drei hohle Leiter 60 in einem Innenrohr 220. Leiter und Rohr sind aus einem Material mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten.

Das Rohr 220 besitzt eine dichte Schweißnaht 690.

Ein Kanal 80 dient zur Rückleitung des Kühlmittels. Er wird vom Rohr 220 durch eine thermisch isolierende, schraubenförmig um diesen Kanal 80 gewickelte Leiste 600 auf Abstand gehalten. Die Kanalwände sind ebenfalls aus einem Material geringer Wärmeausdehnung.

Der »kalte« zentrale Teil des Kabels wird von einem Schirm in der Form eines Zylinders umgeben, der aus zwei Schalenhälften, einer oberen 120 und einer unteren 140, besteht Diese Schalenhälften sind längs zweier Mantellinien dieses Zylinders miteinander verbunden und bestehen aus einer Legierung geringer Wärmeausdehnuag.

Thermisch isolierende Zwischenstücke 180 dienen der Verbindung dieser beiden Schalen.

An der Innenseite jeder Schalenhälfte sind Versteifungsbögen 550 und 560 befestigt, die aus Aluminium bestehen. Diese Bögen gestatten die Einhängung von Drähten 380 zur Aufhängung des Innenrohrs 220 in der unteren Schalenhälfte 140 des Schirms. Sie bewirken auch eine Erhöhung der thermischen Leitfähigkeit des Schirms, wodurch eine gleichmäßigere Temperatur erreicht wird. Der Kanal 80 zur Rückleitung des Strömungsmittels zur Kühlung des Innenmantels (flüssiges Helium) wird durch eine mit einer Spannschnalle 620 versehene Schelle 610 an seinem Platz gehalten.

Mit den Schalen in thermischem Kontakt stehende Kanäele 240 und 260 gehören zu einem Kreislauf flüssigen Stickstoffs. Der mit der unteren Schale 140 des Schirms in thermischem Kontakt befindliche Kanal 240 fördert dieses Kühlmittel in einer Richtung, und der mit der oberen Schale 120 in thermischem Kontakt befindliche Kanal 260 gewährleistet die Rückleitung dieses Kühlmittels. Die Kanäle bestehen aus einer Legierung geringer Wärmeausdehnung und sind an dem Schirm angeschweißt.

Ein Außenmantel 280 aus Stahl umgibt den thermischen Schirm und ist durch eine Längsschweißung 630 abgedichtet. An Drähten 640 und 650 ist der Schirm im Außenmantel bei 660 aufgehängt.

Spannschellen 670 und 680 drücken die beiden Schalen des Schirms gegeneinander.

Ein aus Aluminiumoxidpulver bestehender thermischer Isolierstoff 420 nimmt den Raum zwischen dem Schirm und dem Außenmantel 280 ein. Über die Zwischenstücke 180 ist ein Filzband 500 geklebt, durch das hindurch beim Evakuieren des Rohrinnenraums auch der Raum zwischen dem Schirm und dem Außenmantel evakuiert wird, ohne daß das Isolierpulver zwischen den thermischen Schirm und das Innenrohr eindringt

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Kabels ergeben sich hauptsächlich aus der Unveränderlichkeit der Länge des Schirms und seiner Kühlkanäle. Ein erfindungsgemäßes Kabel besteht aus Abschnitten von einigen hundert Metern, die jeweils nur an den Enden starre Verankerungen des zentralen Rohrs aufweisen und jeweils nur schwach gekrümmt sind, um seitliche Versetzungen des Rohrs an den Drähten 36 oder 640 und 650 zu begrenzen.

Wie F i g. 3 zeigt, können die starren Verankerungen an den Enden eines Abschnitts aus Schranken 111 bestehen, die an dem zentralen Rohr 2 und dem Außenmantel 28 befestigt sind und so angeordnet sind.

daß der Raum zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schranken, dem Außenmantel und dem Innenmantel abgedichtet wird.

Die auf diese Weise geschaffene Kryoverbindung ist dadurch gekennzeichnet, daß diese zur Verankerung dienenden Schranken gleichzeitig die thermische Schrumpfung des Schirms und die der Elemente mit der Temperatur der Kryoleiter ausschalten.

F i g. 4 zeigt das Innenrohr 2, die beiden Teile 12 und 14 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.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Supraleitendes Kabel mit einem von einem Kryo-Kühlmittel durchflossenen zentralen Rohr und einem dieses umgebenden zylindrischen thermischen Schirm, der aus mindestens zwei längs Mantellinien verbundenen Metallschalen besteht, mit einem diese Schalen umgebenden dichten metallischen Außenmantel, einem den Raum zwischen dem Außenmantel und den Schalen füllenden Isolierpulver, mit Elementen zur Aufhängung des Rohrs an den Schalen und zur Aufhängung der Schalen am Außenmantel und mit Kühlkanälen, die thermisch mit den Schalen verbunden sind und an einen Kühlmittelkreislauf derart angeschlossen sind, daß das Kühlmittel jeweils entlang einer Schale hinläuft und entlang einer anderen Schals zurückläuft, wobei Zwischenstücke zur gegenseitigen mechanischen Halterung und thermischen Isolierung der Schalen entlang der Mantellinien angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalen (12,14) aus einer Legierung bestehen, deren relative thermische Schrumpfung weniger als 5 · ΙΟ-*beträgt

2. Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der den Schirm (12,14) bildende Werkstoff eine Legierung aus Eisen und Nickel ist, deren Nickelkonzentration zwischen dreißig und fünfundvierzig Prozent liegt

3. Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Zwischenstücken (18) öffnungen zwischen dem inneren Raum des Schirms und dem äußeren Raum vorhanden sind, die mit einem gasdurchlässigen, aber das Pulver nicht durchlassenden Band (50) verschlossen sind, wobei der Gesamtquerschnitt dieser öffnungen (51) die Entgasung des Pulvers von dem Raum im Inneren des Schirms aus gestattet

4. Kabel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Band (50) eine Faserstruktur aufweist und an der Außenseite der Zwischenstücke (18) befestigt ist

5. Kabel nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein radialer Kanal (103) vorgesehen ist, der den Raum innerhalb des Schirms mit dem Raum außerhalb des Außenmantels (28) verbindet, so daß dieser innere Raum von Pumpeinrichtungen aus, die außerhalb des Außenmantels (28) angeordnet sind, leergepumpt werden kann.

6. Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Schale (12, 14) mit Hilfe von Versteifungsbögen (550,560) versteift ist.

7. Kabel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bögen (550, 560) aus Aluminium bestehen.

8. Kabel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet daß die Elemente (380) zur Aufhängung des zentralen Rohrs in dem Schirm an den Bögen (550) eingehängt sind.

9. Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (38) zur Aufhängung des zentralen Rohrs in dem Schirm an den Zwischenstücken (18) eingehängt sind.

10. Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in größeren Abständen starre Verankerungen (111) des thermischen Schirms (12, 14) gegenüber dem Außenmantel (28) angeordnet sind.

!1. Kabel nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die starren Verankerungen (111) den Raum zwischen dem Außenmantel (28) und dem Rohr (2) dicht verschließen.