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Tieftemperaturkabel mit mehreren Leiteradern Die Erfindung bezieht
sich auf ein Tieftemperaturkabel, insbesondere zur mehrphasigen Wechselstromübertragung,
mit einem Außenrohr, einem davon konzentrisch eingeschlossenen Innenrohr und mit
mehreren von einem Kühlmedium auf Tieftemperatur gekühlten Leiteradern.
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Tieftemperaturkabel, vorzugsweise supraleitende Wechselstromkabel,
sind in verschiedenen Ausführungsformen bekannt. Im allgemeinen enthalten sie ein
Innenrohr, in dem auf Tieftemperatur gekühlte Leiteradern angeordnet sind. Diese
Innenrohre werden, da meist flüssiges Helium als Kühlmittel in ihnen verwendet wird,
auch als Heliumrohre bezeichnet. Um eine Wärmeübertragung zwischen diesen Heliumrohren
und den auf Außen temperatur befindlichen Außenrohren zu unterdrücken, sind besondere
Isolationsmaßnahmen erforderlich. Vorteilhaft wird dazu das Heliumrohr an dünnen
Drähten aufgehängt. In einer speziellen Ausführungsform eines solchen Tieftemperaturkabels
ist zwischen Innen- und Außenrohr ein weiteres Rohr konzentrisch angeordnet. Es
dient als sogenannter Strahlungsschild und wird besonders gekühlt, beispielsweise
mit flüssigem Stickstoff. Dieser Strahlungsschild soll eine direkte Wärmeübertragung
zwischen Außen- und Heliumrohr verhindern. Das Außenrohr ist vakuumfest ausgeführt.
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In einem Tieftemperaturkabel für mehrphasige Wechselstromübertragung,
vorzugsweise Drehstromübertragung, sind mehrere tiefgekühlte Leiteradern erforderlich.
Solche Kabel werden als Tieftemperaturstrecken für den Energietransport mit großen
Wechselströmen verwendet. Eine ungünstige elektrische Beeinflussung der Beiteradern
untereinander muß dabei ebenso ausgeschlossen
sein wie ein übermäßiger
Aufwand an Kühlmitteln und elektrischer sowie thermischer Isolation. Ferner soll
eine stabile Lage der Leiteradern und der Rohre in einem solchen Tieftemperaturkabel
mittels entsprechender mechanischer Konstruktionen gewährleistet sein, die dennoch
ein einfaches Zusammensetzen dieser Kabel ermöglichen.
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Aus der deutschen Auslegeschrift 1 640 750 ist eine Ausfiihrungsform
eines supraleitenden Wechselstromkabels mit einem System aus drei parallel zueinander
angeordneten Leiteradern bekannt. Jede dieser Leiteradern besteht aus einem Rohr
aus supraleitendem Material. Besondere Abstandshalter aus Kunststoff halten jedes
dieser supraleitenden Rohre in konzentrischer Lage innerhalb einer weiteren rohrförmigen
Außenhülle, beispielsweise aus Kunststoff oder elektrisch schwach leitendem Metall.
Die Leiteradern werden von flüssigem Helium durchströmt und gegenüber ihren Außenhüllen
ebenfalls durch flüssiges oder gasförmiges Helium als elektrisches Isolationsmittel
abgeschirmt. Drei dieser rohrförmigen Außenhüllen mit ihren Leiteradern im Innern
werden mittels Bändern zu einem Drehstromsystem verspannt. Besondere Abstandsstücke
aus Kunststoff zwischen den ußenhüllen gewährleisten ihre stabile, äquidistante
Lage untereinander und sorgen zugleich für eine gleichmäßige Kühlung der Außenhüllen
des Systems.
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Ein mit Helium gekilltes Innenrohr,das mit Drähten in einem Außenrohr
aufgehängt ist, enthält ein oder auch mehrere solcher Leitersysteme. Diese starre
Verbindung der Leiteradern untereinander kann zwar als Drehstromsystem geschlossen
innerhalb eines Innenrohres verlegt werden. Eine spätere Montage oder Demontage
einer einzelnen Leiterader ist dagegen nicht möglich.
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Ferner ist der Aufwand an Helium als Kühlmittel in der bekannten Ausführungsform
verhältnismäßig hoch. Bei einem radialen Querschnitt durch das Kabel bilden jeweils
zwei der Leiteradern mit dem Innenrohr einen Zwickel, der einen zusätzlichen Raum
darstellt, der mit Helium gefüllt werden muß.
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Ber Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannten Tieftemperaturkabel
mit mehreren Leiteradern zu verbessern, insbesondere den Kühlmittelaufwand herabzusetzen
und zugleich eine Montage der einzelnen Leiteradern zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mehrere von
einem Kühlmedium durchflossene Innenrohre, die jeweils eine Leiterader enthalten,
vorgesehen und zu einem Innenrohrsystem vereinigt sind.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen vorzugsweise darin,
daß der Kühlmittelbedarf innerhalb der einzelnen Innenrohre verhältnismäßig gering
ist, weil der Innendurchmesser der Innenrohre nicht viel größer ist als der Außendurchmesser
der einzelnen Leiteradern. Darüber hinaus kann jede Leiterader einzeln jeweils in
eines der Rohre des Innerihrsystems eingezogen und somit auch einzeln ausgewechselt
werden. Das verhältnismäßig geringe Gewicht einer einzelnen Leiterader ermöglicht
ein entsprechend leichtes GleitenAder Adern bei ihrem Einziehen in die Innenrohre.
Die Reibung der Leiteradern an den Innenrohren kann vorteilhaft dadurch noch weiter
vermindert werden, daß der Außenmantel der Ileiterader, das ist im allgemeinen die
freie Oberfläche der Bandagierung, mit Nocken versehen wird. Hierdurch werden, da
sich längere zusammenhängende Strecken verlegen lassen, weniger elektrische Verbindungen
der einzelnen supraleitenden Leiterabschnitte benötigt.
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Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung werden die Innenrohre
mittels bügelartiger Halterungen, die untereinander zu einem sternförmigen Vielbein,
d.h. bei einer Dreieranordnung von Innenrohren zu einem Dreibein verbunden sein
können, zu einem Innenrohrsystem vereinigt. Dieses System kann im Innern eines Tieftemperaturkabels
in einfacher Weise mit Drähten gehalten werden, wobei jeweils ein Ende der Drähte
mittels besonderer Befestigungselemente mit einer der bügelartigen Halterungen bzw.
einem der Beine des Vielbeins verbunden sind.
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Ein besonderer Vorteil dieser Gestaltung besteht darin, daß die an
sich bei einer Drahtaufhängung des Innenrohrsystems schon verhältnismäßig geringe
Wärmeübertragung dadurch noch weiter vermindert wird, daß die Beine des Vielbeins
verhältnismäßig kurz sind und damit eine entsprechende Verlängerung der das Innenrohrsystem
haltenden Drähte ergeben. Die Beine des Vielbeins brauchen nämlich nur so lang zu
sein, daß sie eine mechanisch stabile Lage der Innenrohre untereinander gewährleisten.
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Ferner kann mindestens eines der Innenrohre einen von den übrigen
Innenrohren verschiedenen Innendurchmesser haben.
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Damit kann man beispielsweise in einem System mit drei Innenrohren
zwei Rohre für die Hinleitung des Kühlmediums und das dritte Rohr mit entsprechend
größerem Innendurchmesser für die Rückleitung des Kühlmediums in entgegengesetzter
Richtung verwenden. Mit dieser Gestaltung bleiben gleiche Strömungsgeschwindigkeiten
und damit auch gleiche Druckverhältnisse des Kühlmediums erhalten, unreine Erhöhung
der Strömungswiderstände wird vermieden. Ferner werden damit unerwünschte thermische
Kopplungseffekte innerhalb der einzelnen Rohre ausgeschlossen.
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In dem Tieftemperaturkabel mit einem das Innenrohr konzentrisch umgebenden
Außenrohr kann darüber hinaus wenigstens ein an der Innenseite mit dem Strahlungsschild
wärmeleitend verbundenes Kühlrohr in dem von jeweils zwei der Innenrohre gebildeten
Zwickel angeordnet werden. Hierdurch kann der Durchmesser des Strahlungsschildes
und damit auch der des Außenrohres verhältnismäßig klein gehalten werden.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispiele verwiesen. Es zeigen Fig. 1 einen Querschnitt
durch einen Teil eines Tieftemperaturkabels nach der Erfindung, die
Fig.
2 und 3 schematisch Anordnungsmöglichkeiten von Kühlrohren an einem Strahlungsschild
in einem Tieftemperaturkabel nach der Erfindung.
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Nach Pig. 1 wird von drei Innenrohren 2 bis 4 ein Innenrohrsystem
gebildet, das von einem Kühlmedium, vorzugsweise Helium, durchflossen ist und im
Innern eines in der Figur nicht vollständig dargestellten Tieftemperaturkabels angeordnet
sein kann. Die Innenrohre 2 bis 4 sind mit sternförmigen Dreibeinen 10 untereinander
verbunden, die in vorzugsweise regelmäßigen Abständen in Kabellängsrichtung zwischen
den Innenrohren angeordnet sein können. Zweckmäßig kann das Dreibein 10 mit dem
Außenmantel der Innenrohre verlötet oder verschweißt sein.
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Die Schweißnähte 11 bis 16 sind in der Figur an den Berührungskanten
zwischen dem Ende jedes der Beine des Dreibeins 10 und dem Außenmantel der jeweiligen
Innenrohre angedeutet. Zwischen den beiden Schweißnähten 11, 12 bzw. 13, 14 bzw.
15, 16 am Ende der Beine des Dreibeins 10 ist jeweils ein Befestigungselement 17
bzw. 18 bzw. 19 angeordnet.
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Jedes dieser Befestigungselemente kann vorzugsweise aus zwei Halterungen
21 für eine Achse 22 bestehen, an der ein Ende eines Drahtes befestigt ist. Diese
Drähte 6 bis 8 dienen sowohl zur Aufhängung des Innenrohrsystems als auch zu dessen
Zentrierung in einem in der Figur nicht dargestellten'8ußenrohr. Ihre Enden können
dabei als Schlinge um die Achsen 22 gelegt sein. Diese Drähte halten mittels besonderer
Halteelemente 23 bis 25, deren Einzelheiten in der Figur nicht näher dargestellt
sind, zugleich einen konzentrisch um das Innenrohrsystem angeordneten Strahlungsschild,
der vorzugsweise aus zwei halbzylinderförmigen Teilen 27 und 28 bestehen kann, die
zweckmäßig mittels der Elemente 23 und 26 thermisch gegeneinander isoliert verbunden
sein können. An ihren Innenwandungen sind jeweils zwei besondere Kühlrohre 31, 32
bzw. 33, 34 wärmeleitend angebracht. Als Kühlmedium für den Strahlungsschild ist
vorzugsweise Stickstoff geeignet.
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In den Innenrohren 2 bis 4 des Innenrohrsystems ist jeweils eine von
einem Kühlmedium, vorzugsweise Helium, tiefgekühlte Leiterader 40 bzw. 41 bzw. 42
angeordnet. Die Einzelheiten der Gestaltung ihres Aufbaues sind für die Erfindung
nicht wesentlich. In der dargestellten Ausführungsform bestehen die Leiteradern
aus einer hohlzylinderförmigen Kunststoffisolation 51, auf deren Innen- und Außenmantel
Drähte 52 bzw. 5 aus supraleitendem Material in Achsrichtung der Leiterader nebeneinander
angeordnet sind. Eine stabile Lage der supraleitenden Drähte 52 und 53 wird jeweils
durch eine bandförmige Bewehrung 54 bzw. 55 gewährleistet. Dabei ist die Bewehrung
54 so gestaltet, daß sie eine Schraubenlinie um die Achse der Leiterader bildet
und die Drähte 52 gegen die Isolation 51 drückt. Die Gestaltung der Bewehrung in
Form einer Schraubenlinie, deren Ganghöhe größer als die Breite des Bandes ist,
hat den Vorteil, daß sie dem Kühlmedium einen guten Zutritt zu den supraleitenden
Drähten ermöglicht.
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In ähnlicher Weise ist die Bewehrung 55 bandagenartig um die Leiterader
gewickelt, so daß die supraleitenden Drähte 53 gegen die Isolation 51 gedrückt werden.
In der dargestellten Ausführungsform ist die Ganghöhe der Bewehrung 55 gleich der
Bandbreite, d.h. es treten zwischen den einzelnen Windungen der Bewehrung keine
Zwischenräume auf. Dann ist es zweckmäßig, den direkten Zutritt des Kühlmediums
zu den supraleitenden Drähten 53 durch besondere Aussparungen oder Öffnungen in
der Bewehrung zu ermöglichen. Darüber hinaus kann diese Bewehrung 55 vorteilhaft
mit Nocken 56 versehen sein, die etwa regelmäßig über ihre Oberfläche verteilt angeordnet
sein können. Die Leiteradern 40 bis 42 liegen dann nur mit den Spitzen dieser Nocken
am Innenmantel der jeweiligen Innenrohre 2 bis 4 an. Dadurch wird ein gleichmäßiger
Kühlmittelzutritt zur gesamten Leiteraderoberfläche gewährleistet. Ferner gestatten
diese Nocken 56 ein reibungsarmes Hinein- oder Herausziehen der einzelnen Leiteradern
bei der Montage bzw. Demontage des Kabels.
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Soll das Kühlmedium innerhalb einer Leiterader in der einen Richtung
und zwischen dieser Leiterader und der Innenrohr wandung in entgegengesetzter Richtung
strömen, so wird der Innendurchmesser der Leiterader und der des Innenrohres zweckmäßig
so gewählt, daß die Querschnittsflächen der Hohlräume, in denen das Kühlmedium strömt,
annähernd gleich sind.
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Unter Umständen kann es zweckmäßig sein, in einer der Fig. 1 entsprechenden
Anordnung mit einem System aus drei Innenrohren 2 bis 4 durch zwei dieser Rohre,
beispielsweise durch die Rohre 2 und 3 einschließlich ihren Leiteradern 40 und 41
das Kühlmedium nur in der einen Richtung und durch das dritte Rohr 4 einschließlich
seiner Leiterader 42 in entgegengesetzter Richtung fließen zu lassen. Diese Art
der Kühlung hat den besonderen Vorteil, daß unerwünschte thermische B»pXungseffekte
innerhalb der einzelnen Rohre vermieden werden. Eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit
im Innenrohr 4 ist nicht erforderlich, wenn sein Querschnitt entsprechend größer
als der Querschnitt der beiden anderen Rohre 2 und 3 gewählt wird. Damit wird eine
Temperaturerhöhung des Kühlmediums auf Grund der Vergrößerung der Strömungswiderstände
vermieden. Aus Stabilitätsgründen kann das Rohr 4 vorteilhaft an der schwerpunktmäßig
tiefsten Stelle des Innenrohrsystems angeordnet werden.
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In der Ausführungsform eines Tieftemperaturkabels nach Fig. 2 ist
ebenfalls ein geteilter Strahlungsschild 27, 28 vorgesehen, der konzentrisch um
ein Innenrohrsystem aus drei Innenrohren 2 bis 4 angeordnet ist. Das Innenrohrsystem
soll in seiner Ausführungsform dem in Fig. 1 beschriebenen entsprechen. Zur Kühlung
der beiden Teile 27 und 28 des Strahlungsschildes ist jeweils ein Kühlrohr 31 bzw.
34 vorgesehen.
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Das Kühlrohr 31 ist in dem Zwickel angeordnet, der von den Innenrohren
3 und 4 gebildet wird. In gleicher Weise liegt das Kühlrohr 34 in dem durch die
Innenrohre 2 und 4 gebildeten Zwickel. Diese Anordnung in den von zwei Innenrohren
gebildeten Zwickeln hat den Vorteil, daß der Abstand zwischen
den
Innenrohren und dem Strahlungsschild und somit der Durchmesser des Strahlungsschildes
geringgehalten werden kann.
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In dem Aufbau eines Tieftemperaturkabels nach Fig. 3 sind zusätzlich
zu den beiden Kühlrohren 31 und 34 noch zwei weitere Kühlrohre 35 und 36 vorgesehen,
die neben dem zur Aufhängung des Innenrohrsystems dienenden Draht 6 angeordnet sind.
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Unter Umständen kann es zur weiteren Erhöhung der zur Kühlung des
zweigeteilten Strahlungaschildes 27, 28 dien enden Kühlmittelmengen nötig sein,
zusätzlich zu den in Fig. 3 dargestellten Rohren noch zwei weitere Kühlrohre längs
der Strahlungsschildhälften vorzusehen. Von diesen beiden Kühlrohren kann dann zweckmäßig
eines zusammen mit dem Rohr 31 symmetrisch zum Draht7und das zweite zusammen mit
dem Rohr 34 symmetrisch zum Draht 8 an den Strahlungsschildhälften 27 bzw. 28 angeordnet
werden.
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7 Patentansprüche 3 Figuren