DE2431212B2 - Strahlungsschild eines tieftemperaturkabels - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Strahlungsschild, der zwischen einem vakuumfesten Außenrohr und einem Innenrohr eines Tieftemperaturkabels, insbesondere Supraleitungskabels, angeordnet ist und in Achsrichtung des Kabels geschlitzt und mit mindestens einem Kühlmittelrohr versehen ist.

Die Leiteradern eines Tieftemperaturkabels, insbesondere heliumgekühlte Supraleiter, müssen bekanntlich von der Außentemperatur thermisch gut isoliert sein. Wegen des verhältnismäßig ungünstigen Wirkungsgrades der K.ühlmaschinen für Helium ist man zu aufwendigen Isolationsmaßnahmen gezwungen. Konvektive Gasströmungen werden dadurch vermieden, Haß der Raum zwischen dem Außenrohr und dem inneren, heliumdurchflossenen Leiterrohr auf Hochvakuum gehalten wird. Die vom AuBenrohr in das heliumdurchflossene Innenrohr eindringende Strahlungswärme, die dem Unterschied der vierten Potenzen ihrer Temperaturen proportional ist, läßt sich mit einem Strahlungsschild vermindern. Durch diesen Strahlungsschild, der im allgemeinen mit flüssigem Stickstoff auf einer Temperatur von ca. 77 K gehalten wird, erhält man einen besseren Wirkungsgrad der erforderlichen Kühlmaschinen. Der Stickstoff fließt hierzu durch ein oder mehrere Kühlmittelrohre, die etwa in Achsrichtung des Kabels verlaufen und wärmeleitend mit dem Strahlungsschild verbunden sind.
Eine Ausführungsform eines Tieftemperaturkabels mit Strahlungsschild ist aus »Elektrotechnik und Maschinenbau«, März 1972, Heft 3, Seiten 93 bis 110 bekannt. Der Strahlungsschild dieses Kabels besteht aus zwei konzentrischen Rohren, und durch den Raum zwischen den beiden Rohren wird in Längsrichtung des

ίο Kabels flüssiger Stickstoff als Kühlmittel geleitet Das Kühlmittel kann zwar wegen des großen Raumes mit einer entsprechend geringen Strömungsgeschwindigkeit durch den Strahlungsschild fließen; es ist jedoch nur eine einzige Strömungsrichtung möglich, so daß zum Schließer, des Kühlmittelkreislaufs eine gesonderte Rückleitung benötigt wird. Da die Rohrwände dieses Strahlungsschildes vakuumdicht ausgebildet sein müssen, treten Schwierigkeiten beim Evakuieren des Kabels auf. Ein Hochvakuum zwischen dem Strahlungsschild und dem Außenrohr kann im allgemeinen nur von den Kabelenden her erzeugt werden, da die Kryopumpwirkung, die von dem heliumdurchflossenen Innenrohr erzeugt wird, durch diesen Strahlungsschild unterbunden wird. Die Länge des einzelnen Kabelstücks ist somit begrenzt. Darüber hinaus ist ein hoher Pumpaufwand erforderlich.

Ferner müssen die beiden konzentrischen Rohre des Strahlungss,childes so ausgelegt sein, daß sie sich aufgrund der Druckunterschiede zwischen dem äußeren Hochvakuum und ihrem durch das Kühlmittel hervorgerufenen Innendruck nicht verformen. Dies erfordert mechanisch stabile Verstrebungen zwischen diesen Rohren und entsprechend große Rohrwandstärken, die das Eigengewicht des Strahlungsschildes erhöhen. Zur Befestigung des Strahlungsschildes im Außenrohr sind in der bekannten Anordnung Stützelemente vorgesehen, deren Querschnitt für das große Eigengewicht des Strahlungsschildes bemessen sein muß. Ein großer Querschnitt der Stützelemente bewirkt aber wiederum eine Verminderung der thermischen Isolation der einzelnen Kabelteile und somit eine entsprechend größere Kühlmittelmenge.

Die bei diesem bekannten Tieftemperaturkabel auftretenden Schwierigkeiten werden mit einem Strahlungsschild vermieden, der aus der deutschen Offenlegungsschrift 22 41 370 bekannt ist. Dieser Strahlungsschild ist konzentrisch um ein Innnenrohr angeordnet, in dem mehrere heliumgekühlte Supraleitungsadern untergebracht sein können. Er ist in Achsrichtung des Kabels in zwei Zylinderrohrhälften unterteilt, die mittels besonderer thermischer Isolationsstücke zusammengehalten werden. Die Isolationsstücke mit an die Zylinderrohrhälften angepaßter Form sind auf der Länge des Strahlungsschildes gleichmäßig verteilt.

Zwischen ihnen sind Abstände ausgebildet, die eine Verbindung des Vakuumraumes zwischen dem Innenrohr und dem Strahlungsschild mit dem zwischen dem Strahlungsschild und dem Außenrohr darstellen. Die

Unterteilung des Strahlungsschildes erlaubt ferner eine thermische Entkopplung des den Strahlungsschild kühlenden Stickstoffs in Hin- und Rückrichtung. Hierzu ist die Außenwandung der Strahlungsschildhälften jeweils mit zwei in Achsrichtung des Kabels verlaufenden Kühlmittelrohren versehen, durch die das Kühlmittel jeweils in einer Richtung strömt

Beim Abkühlen dieser beiden Halbschalen des Strahlungsschildes treten zwischen ihnen Temperaturdifferenzen auf. Um zu vermeiden, daß sich dann die beiden Hälften relativ zueinander stark bewegen, muß der Strahlungsschild aus einem Material bestehen, das praktisch keine Schrumpfung aufweist. Die Dehnungskoeffizienten der hierfür bekannten Materialien sind jedoch immer noch so groß, daß bei längeren Kabelstrecken größere Relativbewegungen der Strahlungsschildhälften auftreten. So bewegt sich beispielsweise bei Verwendung von besonderen Eisen-Nickel-Legierungen mit einer Nickelkonzentratii^n von 30 bis 50% in einem Kabel mit einer angenommenen Streckenlänge von 100 m die eine Hälfte des Strahlungsschildes zur zweiten immer noch um etwa 5 cm. Dies bedingt jedoch sehr aufwendige Ausgleichkonstruktionen.

Darüber hinaus haben im allgemeinen Materialien mit günstigen Schrumpfungswerten wie etwa diese besonderen Eisen-Nickel-Legierungen unbefriedigende Werte in bezug auf Wärmeleitfähigkeit und Reflexions- und Emissionsvermögen im Ultrarotbereich.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, den Strahlungsschild dieses Tieftemperaturkabels zu vereinfachen und zu verbessern. Insbesondere soll eine thermische Schrumpfung des Strahlungsschildes ermöglicht werden, ohne daß besondere Dehnungseiemente erforderlich sind.

Diese Aufgabe wird für einen Strahlungsschild der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß sein Ausdehnungskoeffizient von dem des Kühlmittelrohres verschieden ist, und daß er mehrere, in Achsrichtung des Kabels hintereinander angeordnete rohrfönnige Körper enthält, die auf einer Seite geschlitzt sind, und daß jeweils nur ein Teilstück jedes Hohlkörpers mit dem Kühlmittelrohr fest verbunden ist.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß der Strahlungsschild aus einem Material bestehen kann, welches ein hohes Reflexionsund Emissionsvermögen im Ultrarotbereich und gute Wärmeleiteigenschaften aufweist. Solche Materialien sind beispielsweise Kupfer oder Aluminium. Das Kühlmittelrohr kann hingegen aus einem Material bestehen, welches einen sehr geringen Dehnungskoeffizienten besitzt. Es werden somit nur wenige Dehnungsausgleichselemente für das Kühlmittelrohr erforderlich. Sie können beispielsweise an den Stellen liegen, an denen auch Dehnungselemente des Innenrohres angebracht sind, wenn dieses Innenrohr aus demselben Material wie das Kühlmittelrohr besteht.

Nach einer weiteren Ausbildung des Strahlungsschildes gemäß der Erfindung können seine Hohlkörper im Querschnitt so ausgebildet sein, daß sich ihre beiden einander zugewandten und den Schlitz begrenzenden Enden überlappen. Diese Hohlkörper können leicht aus einem Blech zu einer Spirale gerollt werden, wobei die Blechenden an dem Schlitz der Spirale über Distanzbolzen verschraubt werden können.

Durch diesen Schlitz sind die Vakuumräume zu beiden Seiten des Strahlungsschildes miteinander verbunden, so daß sich die Kryopumpwirkung des Innenrohres voll entfalten kann. Durch die sich überlappenden Enden der Hohlkörper werden die Schlitze strahlungsmäßig so abgedeckt, daß durch sie keine Wärmestrahlung direkt von dem Außenrohr auf das Innenrohr treffen kann.

Darüber hinaus kann das Kühlmitteliohr vorteilhaft mit den Hohlkörpern mittels flexibler Verbindungselemente, insbesondere Kupferliuen, <*ut wärmeleitend verbunden sein. Damit geschieht ein Wärmeübergang zwischen dem Kühlmittelrohr und den Hohlkörpern nicht nur an den Stellen, wo es mit diesen fest verbunden ist, sondern auch über diese Verbindungselemente. Somit läßt sich eine entsprechend höhere Wärmemenge pro Zeiteinheit von dem Kühlmittel in dem Kühlmittelrohr abführen.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren in den Unteransprüchen gekennzeichneten Weiterbildungen wird a:.if die Zeichnung Bezug genommen, in der schematisch in F i g. 1 ein Querschnitt und in F i g. 2 ein Längsschnitt durch ein Tieftemperaiufkabei mit einem Strahlungsschild gemäß der Erfindung veranschaulicht sind.

Das in F i g. 1 schematisch in einem radialen Querschnitt dargestellte TieftemperaUirkabel enthält ein Innenrohr 2, das von einem Kühlmedium, vorzugsweise He'ium, durchflossen ist und das eine oder mehrere, in der Figur nicht ausgeführte Leiteradern enthält. Es ist konzentrisch zur Achse 3 des Kabels angeordnet und wird beispielsweise von Abspanndrähten 4 bis 6 innerhalb eines vakuumfesten Außenrohres 7 gehalten. Die Drähte sind am Innenrohr 2 mit besonderen Befestigungselementen 9 bis 11 verbunden. Die Abspanndrähte 4 bis 6 dienen neben der Aufhängung des Innenrohres auch zu dessen Zentrierung im Außenrohr 7. Dazu sind sie an ihrem äußeren Ende jeweils mit ein- oder mehrachsigen Aufhängeelementen 13 bis 15 verbunden, die in U-förmig geschlitzten Schienen 17 bis 19 in Achsrichtung des Kabels beweglich angeordnet sind. Diese Schienen sind an der Innenwandung des Außenrohres 7 befestigt.

Zwischen dem Außenrohr 7 und dem Innenrohr 2 ist konzentrisch zu diesen Rohren ein Strahlungsschild angeordnet, der zweckmäßig ebenfalls an den das Innenrohr haltenden Drähten 4 bis 6 befestigt sein kann, beispielsweise mittels besonderer Elemente 20 bis 22. Diese Elemente können gegebenenfalls in Längsrichtung des Kabels bezüglich des Strahlungsschildes etwas verschiebbar ausgebildet sein, um Dehnungsunterschiede zwischen dem Strahlungsschild und dem Innenrohr 2 auszugleichen.

Der Strahlungsschild besteht aus einzelnen, in Längsrichtung des Kabels untereinander angeordneten rohrförmigen Hohlkörpern 24 vorbestimmter Länge. Die Hintereinanderreihung dieser Hohlkörper 24 ist in F i g. 2 näher ausgeführt.

Jeder der Hohlkörper 24 besteht beispielsweise aus einem rechteckigen Blech, das zu einem rohrförmigen Gebilde derart zusammengerollt ist, daß sich ein spiralartiger Querschnitt ergibt. Die längsseitigen Enden 25 und 26 des so geformten Hohlkörpers 24 sind voneinander beabstandet, so daß zwischen ihnen ein Sclilitz 28 entsteht, der durch die sich überlappenden Enden 25 und 26 strahlungsmäßig so abgedeckt ist, daß vom Außenrohr 7 keine Wärmestrahlung direkt auf das Innenrohr 2 treffen kann. Durch diese Schlitze 28 ist jedoch der Raum 29 zwischen dem Außenrohr 7 und den Hohlkörpern 24 mit dem Raum 30 zwischen den Hohlkörpern und dem Innenrohr 2 vakuummäßig

verbunden. Das gesamte Kabel braucht somit nur auf Vorvakuum ausgepumpt zu werden; denn das erforderliche Hochvakuum erhält man dann durch die Kryopumpwirkung des im allgemeinen auf dei Temperatur des flüssigen Heliums liegenden Innenrohres 2.

Die Enden 25 und 26 an dem Schlitz 28 sind über in Längsrichtung in regelmäßigen Abständen angebrachte Distanzstücke 32 miteinander verbunden, beispielsweise verschraubt. Zweckmäßig auf der zu den Distanzstükken 32 diametral gegenüberliegenden Seite des Hohlkörpers 24 liegt an dessen Außenseite ein Kühlmittelrohr 33 an. Es wird mittels zweier gut wärmeleitender Verbindungselemente 34 und 35 auf der Außenseite des Hohlkörpers 24 gehalten. Diese Elemente, die beispielsweise Bänder oder Geflechte aus Kupfer sein können, sind zweckmäßig sowohl mit dem Hohlkörper 24 als auch mit dem Kühlmittelrohr 33 verlötet. Um einen guten Wärmeübergang an den entsprechenden Lötstellen, die in der Figur mit 36 bis 38 bezeichnet sind, zu gewährleisten, können beispielsweise die Verbindungselemente an diesen Stellen verbreitert, d. h. die Bänder oder Geflechte beispielsweise entflochten sein.

Innerhalb des Strahlungsschildes ist an dessen schwerpunktsmäßig tiefster Stelle ein weiteres Kühlmittelrohr 40 angeordnet, beispielsweise in die Hohlkörper 24 gelegt. Es ist mit einer Isolation 41 ummantelt und dient als Rückleitung für das in dem Kühlmittelrohr 33 fließende kryogene Medium.

Zur Verminderung der Wärmeübertragung durch Strahlung ist im Raum 29 zwischen den Hohlkörpern 24 und dem Außenrohr 7 sogenannte Superisclation 43 in mehreren Lagen um den Strahlungsschild angeordnet. Sie ist vakuumdurchlässig ausgebildet und füllt beispielsweise nur einen Teil des Zwischenraumes aus.

Der Strahlungsschild gemäß der Erfindung besteht vorzugsweise aus einem Material, das gute Reflexions-, Emissions- und Wärmeleiteigenschaften aufweist. Solche Materialien sind beispielsweise Kupfer oder Aluminium. Das Kühlmittelrohr 33 ist hingegen aus einem Material gefertigt, das vorzugsweise geringe Schrumpfungswerte aufweist. Es besteht zweckmäßig aus demselben Material wie das Innenrohr 2. Für eine Kabelstrecke können somit längere Stücke von Rohren für das Innenrohr 2 und das Kühlmittel 33 verwendet werden, ohne daß sie mit besonderen Dehnungsgliedern versehen sein müssen. Als geeignete Materialien für diese beiden Rohre kommen beispielsweise Legierungen aus Eisen und Nickel mit einer Nickelkonzentration zwischen 30 und 50% in Frage, die Dehnungskoeffizienten in der Größenordnung von 10-⁴ cm/Grad besitzen. Die Dehnungskoeffizienten der Materialien für den Strahlungsschild sind jedoch um einige Zehnerpotenzen größer. Es treten somit beim Abkühlen des Kabels Relativbewegungen zwischen den Hohlkörpern 24 des Strahlungsschildes und dem Kühlmittelrohr 33 auf. Wie aus F ig. 2 ersichtlich ist, können mit der Gestaltung des Strahlungsschildes gemäß der Erfindung die entsprechenden Dehnungsunterschiede ausgeglichen werden.

Das im Längsschnitt der F i g. 2 dargestellte Tieftemperaturkabel enthält ein Innenrohr 2, das konzentrisch von einem Außenrohr 7 umschlossen ist Das Innenrohr wird mittels Abspanndrähten in einer zentrischen Lage gehalten. Von den Abspanndrähien sind zwei Abspanndrähte 4 angedeutet Von den Abspanndrähten wird ein Strahlungsschild mitgetragen, von dem drei in Längsrichtung des Kabels hintereinandergereihte liohikörpci 24 ieih^cisc dargestellt sind. Der mittlere dieser Hohlkörper 24 ist teilweise aufgebrochen gezeigt. Auf seiner Außenseite ist er mit einem parallel zur Kabelachse 3 angeordneten Kühlmittelrohr 33 an einer Verbindungsstelle 45 fest verbunden, beispielsweise angelötet. Das Kühlmittelrohr 33 ist sonst mit dem Außenmantel der Hohlkörper 24 über elastische Verbindungselemente, deren oberer Teil mit 34 und unterer Teil mit 35 bezeichnet ist, verbunden. Der Wärmeübergang zwischen dem Kühlmittelrohr 33 und

ίο dem Hohlkörper 24 geschieht nun in der Mitte des jeweiligen Hohlkörpers durch die genannte feste Verbindungsstelle 45 und nach den beiden Stirnseiten des Hohlkörpers hin durch die elastischen Verbindungselemente 34, 35, die beispielsweise Bändergeflechte oder ähnliche aus einem Material mit sehr guter Wärmeleitfähigkeit sind. Ihre Länge ist so ausgelegt, daß die Differenz der Schrumpfungen durch sie aufgenommen wird und trotzdem die erforderliche Kühlleitung übertragen werden kann.

Neben der Wärmeabfuhr dient das Kühlmittelrohr 33 auch zur Stabilisierung der Hohlkörper 24 über die gesamte Länge des Kabels. Die Hohlkörper 24, die in vorgegebenen Einheitslängen gefertigt sind, können zusätzlich mit Versteifungselementen 46 in Umfangsrichtung versehen sein, welche ihre Rundheit garantieren und so ein Durchbiegen auf Grund ihres Eigengewichts und der in ihnen liegenden Kühlmittelleitung 40, 41 zumindest teilweise verhindern. Hierzu können beispielsweise Sicken dienen, die in vorgegebenen Abständen in Umfangsrichtung in die Hohlkörper 24 eingerollt sind.

Die Befestigung des Kühlmittelrohres 33 jeweils in der Mitte der Hohlkörper 24 dient zusätzlich dem Zweck, daß die Lage jedes der Hohlkörper 24, die sich wegen der Schrumpfung an ihren benachbarten Stirnseiten jeweils um etwa ihre zweifache Schrumpfungslänge überlappen, fest vorgegeben ist. Somit können zwischen den einzelnen Hohlkörpern keine Spalte auftreten, die die optische Dichtheit des Strahlungsschildes unterbrechen. Darüber hinaus werden die einzelnen Hohlkörper zweckmäßig jeweils in ihrem Überlappungsbereich mit den übrigen Teilen des Kabels über die Abspanndrähte verbunden.
Anstelle der in den Figuren angedeuteten Aufhänge-

vorrichtungen des Strahlungsschildes sind auch andere Ausführungsformen geeignet Wesentlich ist nur, daß eine Wärmeübertragung über diese Aufhänge- oder Stützvorrichtungen möglichst gering gehalten wird, so daß ein Wärmeaustausch zwischen den Flächen mit unterschiedlichem Temperaturniveau hauptsächlich auf Wärmestrahlung beschränkt bleibt

Im Ausführungsbeispiel ist nur ein einzelnes Innenrohr dargestellt Es kann aber auch ein System von Innenrohren vorgesehen sein, insbesondere wenn das

Tieftemperaturkabel für Drehstrom vorgesehen ist

Ferner können zwischen dem Außenrohr und dem ünnenrohr bzw. dem Innenrohrsystem mehrere Strahlungsschilde konzentrisch zu diesen Rohren angeordnet sein. So kann beispielsweise ein mit flüssigem Stickstoff

«β gekühlter Strahlungsschild von einem mit flüssigem Wasserstoff oder gasförmigem Helium durchströmten Schild konzentrisch umschlossen sein. Die zwischen dem Außenrohr, den Strahlungsschilden und dem Innenrohr bzw. dem Innenrohrsystem entstehenden

*5 Strahlungswärmemengen können dann wegen des kaskadenartigen Temperaturgefälles mit verhältnismäßig günstigem Wirkungsgrad der Kühlmaschinen abgeführt j

Hier/11 1 Blatt Z

Claims (9)

24 31 2! 2 Patentansprüche:

1. Strahlungsschild, der zwischen einem vakuumfesten Außenrohr und einem Innenrohr eines Tieftemperaturkabels, insbesondere Supraleitungskabels, angeordnet ist und in Achsrichtung des Kabels geschlitzt und mit mindestens einem Kühlmittelrohr versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausdehnungskoeffizient des Strahlungsschildes von dem des Kühlmittelrohres (33) verschieden ist, und daß der Strahlungsschild mehrere, in Achsrichtung des Kabels hintereinander angeordnete rohrförmige Hohlkörper (24) enthält, die auf einer Seite geschlitzt sind, und daß jeweils nur ein Teilstück jedes Hohlkörpers (24) mit dem Kühlmittelrchr (33) fest verbunden ist

2. Strahlungsschild nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsstellen (45) zwischen dem Kühlmittelrohr (33) und den Hohlkörpern (24) des Strahlungsschiides jeweils etwa in deren, in Achsrichtung gesehen, mittleren Teil liegen.

3. Strahlungsschild nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlkörper (24) in ihrem Querschnitt so ausgebildet sind, daß sich ihre beiden einander zugewandten und einen Schlitz (28) begrenzenden Enden (25,26) überlappen.

4. Strahlungsschild nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Enden (25, 26) gegeneinander beabstandet sind.

5. Strahlungsschild nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Enden (25, 26) Distanzstücke (32) angebracht sind.

6. Strahlungsschild nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß seine Hohlkörper (24) in Umfangsrichtung mit Versteifungselementen (46) versehen sind (F i g. 2).

7. Strahlungsschild nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß seine Hohlkörper (24) mit Sicken versehen sind.

8. Strahlungsschild nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht fest mit dem Kühlmittelrohr (33) verbundenen Teilstücke der Hohlkörper (24) zumindest teilweise mittels flexibler Verbindungselemente (34, 35) mit dem Kühlmittelrohr (33) gut wärmeleitend verbunden sind.

9. Strahlungsschild nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungselemente (34, 35) Kupferlitzen oder -gewebe sind, die mit dem Kühlmittelrohr (33) und den Hohlkörpern (24) verlötet sind.