DE2332517C3 - Supraleitendes Kabel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein tiefgekühltes Kabel mit einer heliamgekühlten supraleitenden Leiteranordnung und einem Wärmeschutzsystem, in dem Teile unterschiedlichen Temperaturniveaus durch Hohlräume voneinander getrennt und durch Stütz- oder Hängeanordnungen relativ zueinander gehalten sind. Als supraleitendes Kabel wird hier kurz ein Kabel bezeichnet, dessen Leiter aus supraleitfähigen! Material bestehen und das für die Energieübertragung bei In supraleitenden Kabeln kommt dem Wärmeschutzsystem sehr große Bedeutung zu, da in diesen Kabeln sehr hohe Temperaturunterschiede vorliegen. Die Leiteranordnung der Kabel ist auf die Temperatur des flüssigen Heliums abgekühlt, während an der äußeren Hülle Umgebungstemperatur (Normaltemperatur) herrscht. Das bedeutet, daß zwischen beiden Bereichen eine Temperaturdifferenz von ca. 290⁰C liegt. Um unter diesen Umständen thermische Verluste möglichst zu vermeiden und um den Betrieb eines solchen Kabels überhaupt zu ermöglichen, müssen an das Wärmeschutzsystem des Kabels hinsichtlich seiner thermischen Isolationseigenschaft sehr hohe Anforderungen gestellt werden. Die bevorzugte thermische Isolierung in supraleitenden Kabeln ist das Vakuum (Kryovakuum) in Räumen zwischen verschiedenen Temperaturniveaus. Die an sich hervorragende thermische Isolationswirkung eines Kryovakuums im Hohlraum zwischen zwei benachbarten Teilen des Kabels mit unterschiedlichem Temperaturniveau wird nun dadurch erheblich vermindert, daß für die gegenseitige Abstützung der Teile Abstandshalter, z. B. Fäden erforderlich sind, die den heliumgekühlten Teil gegen die äußere Hülle verspannen. Obwohl diese Abstandshalter aus therm, gut isolierendem Material bestehen und kleine Querschnitte haben, setzen sie dennoch der Wärmeleitung nur begrenzten Widerstand entgegen. Die Wärmeleitung über die Abstandshalter wird durch den Umstand noch begünstigt, daß diese nicht nur für die in dem bereits verlegten Kabel auftretenden Kräfte dimensioniert sein dürfen, sondern auch die bei der Verlegung des Kabels auftretenden Kräfte aufnehmen können müssen, die die ersteren Kräfte um ein Vielfaches übersteigen.

Die Abmessungen der Abstandshalter sind daher sehr groß zu wählen, und die über sie zugeführte Wärme nimmt aus diesem Grunde große Werte an, die eine sehr aufwendige Kühlung bedeuten würden.

Um die Wärmeleitung von den auf Umgebungstemperatur befindlichen Teilen des Kabels zu den heliumgekühlteri Teilen des Kabels herabzusetzen und gleichzeitig den Querschnitt des Kabels in brauchbaren Grenzen zu halten, ist es bekannt, im Wärmeschutzsystem einen Zwischenschild vorzusehen, das von flüssigem Stickstoff durchströmt ist. Ein solcher Zwischenschild ist zwar für die Abfuhr einfallender Wärme sehr vorteilhaft, erfordert aber für die Fertigung und Montage des Kabels einen erheblichen erhöhten Aufwand. Es hat aus diesem Grunde Erwägungen gegeben, auf den Stickstoff-Zwischenschild in supraleitenden Kabeln zu verzichten. Das setzt aber mindestens für den Fall, daß der Querschnitt des Kabels nicht beträchtlich vergrößert werden soll, Konstruktionen voraus, bei denen die heliumgekühlten Teile des Kabels mittels Stützelementen, z. B. Fäden äußerst geringer Wärmeleitfähigkeiten an den benachbarten Teilen des Kabels abgestützt bzw. aufgehängt sind, um den erforderlichen Raum für die Bildung eines Kryovakuums zu erhalten. Aus Gründen der mechanischen Stabilität des Kabels läßt sich das jedoch nicht ohne weiteres verwirklichen. Es reicht, wie auch eingangs bereits geschildert, nicht aus, daß die Stützkonstruktion im Wärmeschutzsystem des Kabels nur für die nach der Verlegung des Kabels auftretenden Kräfte bemessen sind, sie müssen vielmehr auch für die Aufnahme und Abfangung der viel größeren, bei der Verlegung auftretenden Kräfte dimensioniert sein. Das bedeutet

aber, daß die erforderlichen Querschnitte der Stützkonstruktionen sehr groß sind. Diese sehr großen Querschnitte der Stützkonstruktion erlauben eine zu starke Wärmezufuhr zu den heliumpokühlten Teilen des Kabels und verursachen folglich sehr hohe thermische Verluste.

Ein Wärmeschutzsystem, in dem die heliumgel.ühlten Teile des Kabels an dünnen Fäden ohne nennenswerte Wärmelehung aufgehängt sind, ist bisher technisch nicht realisierbar, da es bei einem flexiblen Aufbau von elektrisch isolierter Ader und Wärmeschutzsystem den durch die Kräfte beim Biegen des gesamten Kabels während der Verlegung und Montage gestellten hohen mechanischen Anforderungen nicht standhält.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein tiefgekühltes z. B. supraleitendes Kabel der eingangs beschriebenen Art mit einem Wärmeschutzsystem anzugeben, in dem, ohne daß der Aufbau des Kabels in anderer Weise wesentlich aufwendiger und sein Querschnitt wesentlich vergrößert wird, ein mit flüssigem Stickstoff oder ähnlichem gekühlter Zwischenschild nicht erforderlich ist. Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß die Stützanordnungen aus faden-, borsten- oder nadelartigen Stützelementen aus thermisch isolierendem Material bestehen, welche gerade ausreichend für die nach der Verlegung und Abkühlung des Kabels auftretenden Kräfte dimensioniert sind, und zusätzlich je wenigstens ein dünnwandiger Stützschlauch aus thermisch isolierendem Material vorgesehen ist, der in dem Hohlraum zwischen zwei benachbarten Teilen unterschiedlichen Temperaturniveaus liegt, zur Abstützung dieser Teile während der Verlegung und vor der Abkühlung des Kabels mit einem Gas unter Druck gefüllt ist und bei der Abkühlung des Kabels zusammenfällt.

Nach der Erfindung sind die Stützelemente, die die heliumgekühlte Leiteranordnung im Inneren des Kabels tragen, so gering dimensioniert, daß sie keine nennenswerte Wärmeleitung aufweisen.

Die Stützelemente können gerade die nach der Verlegung des Kabels wirkenden Kräfte aufnehmen. Die während der Verlegung und Abkühlung des Kabels auftretenden starken dynamischen Kräfte werden durch die zusätzlich in den Hohlräumen des Wärmeschutzsystems vorgesehen, prall mit einem geeigneten Gas unter Druck gefüllten Stützschläuchen abgefangen. Um die hcliumgekühlte Leiteranordnung in einer vorbestimmten Lage besser festzulegen, können Stabilisierungsfäden, Stützborsten oder Stütznadeln vorgesehen sein, die die Leiteranordnung aus verschiedenen Richtungen zusätzlich abstützen, aber in ihren Abmessungen ebenso gering dimensioniert sind, daß sie zur Wärmeleitung nichts oder nur sehr wenig beitragen. Die Stützschläuche können den inneren, heliumgekühlten Teil wendelförmig umgeben oder parallel nebeneinander bzw. gegenläufig übereinander angeordnet sein. Die Stützschläuche können beispielsweise aus Gummi bestehen.

Sie sind während der Verlegung und vor der Abkühlung des Kabels mit Kohlendioxyd oder einem anderen geeigneten Gas unter Druck gefüllt und fallen bei der Abkühlung auf die Temperatur des flüssigen Heliums in sich zusammen. Für die Entfernung des Gases aus den Stützschläuchen sind bei geeigneter Wahl des Gases aus den Stützschläuchen sind bei geeigneter Wahl des Gases keine besonderen Maßnahmen erforderlich, da sich das Gas bei der Abkühlung auf die Temperatur des flüssigen Heliums verfestigt und in den Schläuchen ein Kryovakuum entsteht. Die zusammengefallenen Stützschläuche stellen keine Verbindung zwischen den benachbarten Teilen des Kabels mit unterschiedlichem Temperaturniveau her und verursachen daher auch keine zusätzlichen thermischen Verluste.

Durch die erfindungsgemäße Gestaltung des Wärmeschutzsystems für ein supraleitendes Kabel ist der Verzicht auf einen Slickstoff-Zwischenschild möglich. Die Aufhängeorgane für die heliumgekühlte Leiteranordnung haben einen minimalen Querschnitt und gestatten daher auch nur einen minimalen, vernachlässigbar kleinen Wärmeübergang. Der Querschnitt des erfindungsgemäßen Kabels übersteigt daher nicht oder nicht wesentlich den Querschnitt eines vergleichbaren Kabels mit Stickstoffzwischenschild. Die in den Hohlräumen zusätzlich vorgesehenen Schutzschläuche tragen nach der Abkühlung des Kabels nicht zur Wärmeleitung bei, da sie mit Teilen unterschiedlichen Temperaturniveaus nicht in Berührung stehen. Das Anbringen der Stützschläuche erfordert darüber hinaus auch nur einen geringen Aulwand, der wesentlich kleiner ist als bei Verwendung eines Stickstoff-Zwischenschildes.

Ein Ausführungsbeispiel des crfindungsgcmäßcn supraleitenden Kabels ist in der Zeichnung schematisch dargestellt.

Mit 1 ist der heliumgckühlte Teil eines supraleitenden Kabels bezeichnet. Es ist durch Stützelcmentc 3 am inneren Mantel der Wärmeschutzanordnung 2 abgestützt. Die Stützelemente 3 sind so dimensioniert, daß sie gerade die Kräfte abfangen können, die nach der Verlegung des Kabels auftreten. Die bei der Verlegung des Kabels auftretenden größeren Kräfte, die /.. B. auf Biegungen zurückzuführen sind, werden durch die Slützschläuche 4 getragen, die im Hohlraum zwischen dem hcliumgekühlien Teil und dem inneren Mantel des Wärmeschutzsystems 2 liegen und die mit einem Gas, z. B. Kohlendioxyd, unter Druck gefüllt sind.

Obwohl in den vorliegenden Ausführungen das erfindungsgemäßc Wärmeschutzsystcni vorzugsweise für supraleitende Kabel ohne Stickstoffzwischenschild beschrieben ist, kann es selbstverständlich auch in supraleitenden Kabeln mit Stickstoffzwischenschild und in allen anderen Fällen, wo es bei einer Hohlraumisolicrung auf möglichst geringe Wärmeleitung ankommt, analoge Anwendung finden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

1. Supraleitung erzeugenden Temperaturen eingerichtet

   Patentansprüche:

   !.Tiefgekühltes Kabel mit einer heliumgekühlten supraleitenden Leiteranordnung und einem Wärme-Schutzsystem, in dem Teile unterschiedlichen Temperaturniveaus durch Hohlräume voneinander getrennt und durch Stütz- oder Hängeanordnungen relativ zueinander gehalten sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützanordnungen aus faden-, borsten- oder nadelartigen Stützelementen aus thermisch isolierendem Material bestehen, welche gerade ausreichend für die nach der Verlegung und Abkühlung des Kabels auftretende Kräfte dimensioniert sind, und zusätzlich je wenigstens ein dünnwandiger Stützschlauch aus thermisch isolierendem Material vorgesehen ist, der in dem Hohlraum zwischen zwei benachbarten Teilen unterschiedlichen Temperaturniveaus liegt, zur Abstützung dieser Teile während der Verlegung und vor der Abkühlung des Kabels mit einem Gas unter Druck gefüllt ist und bei der Abkühlung des Kabels zusammenfällt.
2. 2.Supraleitendes Kabel nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß der heliumgekühlte Teil des Kabels nach der Verlegung und Abkühlung an Fäden vom inneren Mantel der Wärmeschutzanordnung herabhängt und während der Verlegung und Abkühlung zusätzlich durch die Stützschläuche am Mantel abgestützt ist.
3. 3. Supraleitendes Kabel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zur Aufhängung des heliumgekühlten Teils des Kabels an Fäden zur Festlegung der Lage dieses Teils Stabilisierungsfäden, Stützborsten oder Stütznadeln vorgesehen sind.
4. 4. Supraleitendes Kabel nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Stützschläuche den inneren zweier benachbarter Teile unterschiedlichen Temperaturniveaus wendelförmig umgeben.
5. 5. Supraleitendes Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Hohlraum zwischen zwei benachbarten Teilen unterschiedlichen Temperaturniveaus mehrere Stützschläuche parallel nebeneinander oder gegenläufig übereinander angeordnet sind.
6. 6. Supraleitendes Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützschläuche aus Gummi bestehen.
7. 7. Supraleitendes Kabel nach einem der Ansprüehe 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützschläuche während der Verlegung und vor der Abkühlung des Kabels mit Kohlendioxyd (CO₂) unter Druck gefüllt sind und bei der Abkühlung zusammenfallen.