DE3609624C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Supraleiterkabel mit Innenkühlung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Ein derartiges Kabel ist beispielsweise aus der DE-OS 33 43 451, DE-AS 21 11 080 und DE-OS 32 34 476 bekannt. Dort sind Supraleiter um einen Hohlkern verseilt und von einem Kabelmantel umgeben, der gleichzeitig als Stahlarmierung in einer gewickelten Spule dient. Die Wandungen des kühlmittelführenden Hohlkerns weisen Öffnungen auf, die den Kühlmittelaustausch ermöglichen. Zwischen dem Kabelmantel und dem Supraleiter ist eine elektrisch isolierende Schicht eingebracht.

Dieses Kabel ist vornehmlich für die Herstellung von Dförmigen Toroidalfeldspulen für z. B. Tokamakanlagen vorgesehen, die zwar der D-Form wegen verschiedene Krümmungsradien aufweisen, aber von den Abmessungen her an den Wickelradius selbst keine extremen Forderungen stellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kabel der eingangs genannten Gattung derart auszubilden, daß es auch bei großem Leiterquerschnitt mit kleinem Biegeradius verarbeitet werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die weiteren Ansprüche 2 bis 4 geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wieder.

Das erfindungsgemäß hergestellte Kabel zeichnet sich in vor­ teilhafter Weise durch eine hohe Biegsamkeit aus und er­ möglicht, Spulen mit kleinem Biegeradius herzustellen.

Aus verhältnismäßig dünnen Einzeldrähten aus Supraleiterma­ terial (z.B. NbTi/CuNi/Cu-Mischmatrix-Vielkernleiter) und Strukturmaterial (z.B. Stahl) wird in mehrfachen Verseilungs­ stufen ein Seil mit einem Versorgungskanal zur Führung des Kühlmittels (flüssiges Helium) hergestellt. Dieses Seil muß von einer vakuumdichten Hülle umgeben werden, die auch bei großem Leiterdurchmesser eine Biegung zu einem verhältnis­ mäßig kleinen Wicklungsradius zuläßt und andererseits große Transversalkräfte übertragen kann. Hierzu wird das Seil zu­ nächst mit einem geeignet ausgebildeten Formkörper spiralig umwendelt und mit einem zunächst noch glatten, vakuumdichten Hüllrohr umgeben. Anschließend wird dieses zu einem Wellrohr verformt, wodurch die Biegsamkeit des Kabels wieder herge­ stellt wird.

Der zuvor aufgebrachte Formkörper erfüllt mehrere Aufgaben:

• - Wenn er mit entsprechender Vorspannung aufgewickelt wird, wird das Seil hierdurch kraftschlüssig zusammengehalten, wodurch Leiterbewegungen bei gepulstem Spulenbetrieb weit­ gehend verhindert werden.
• - Er dient bei entsprechender Formgebung als Widerlager, so daß das Hüllrohr mittels einer außen ablaufenden Rolle in ein den Anforderungen angepaßtes Wellrohr verformt wird.
• - Er stellt eine kraftschlüssige Verbindung zwischen Seil und Hüllrohr her.
• - Er stellt einen gewissen Abstand zwischen supraleitenden Drähten und dem Hüllrohr her. Hierdurch wird die Gefahr verringert, daß beim Verschweißen des Hüllrohres (Längs- oder Spiralschweißung) das empfindliche Supraleitermaterial unzulässig erwärmt wird.
• - Der Formkörper kann auch aus elektrisch isolierendem Mate­ rial bestehen und so Bestandteil der Kabelisolation sein. Hierdurch kann bei einem solchen Kabel die Isolation auch nach innen verlegt werden.
• - Er kann aber auch als kühlmittelführendes Rohr ausgebildet sein.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Fig. 1 bis 3 erläutert. Es zeigen

Fig. 1 Querschnitt nur der Verseilung im Schnitt A-A′ aus Fig. 2,

Fig. 2 Aufbau eines erfindungsgemäßen Supraleiterkabels,

Fig. 3 Biegeradius bei der im Ausführungsbeispiel gewählten Dimensionierung des Formkörpers.

In Fig. 1 ist der Querschnitt nur der Verseilung des Supra­ leiterkabels, das gemäß der Erfindung aufgebaut ist, darge­ stellt. Der Versorgungskanal 4, der zur Führung des Kälte­ mittels dient, wird von einem durchlöcherten Rohr oder zur Gewährleistung höherer Biegsamkeit durch einen spiralig bzw. wendelförmig geformten Zylinder aus einem Material, das einen hohen Außendruck zuläßt (z.B. Stahl), gebildet. Die Leiter­ stränge 5 werden gemäß gebräuchlicher Technik um diesen Ver­ sorgungskanal 4 verseilt. Zur Gewährleistung hoher Zugfestig­ keit enthalten die Leiterstränge neben Supraleiterdrähten 5 a auch Verstärkungselemente 5 b. Die zwischen den Leitersträngen 5 entstehenden Zwickel können ebenfalls durch eine weitere Gruppe von Verstärkungselementen 6 ausgefüllt werden. Falls noch höhere Verstärkung erforderlich ist, kann dieses ganze Gebilde mit einer äußeren Verstärkungshülle 7 aus mehreren Lagen zusätzlicher Verstärkungselemente 8 umwickelt werden.

Zur Gewährleistung guter Biegsamkeit bei hoher Zugfestigkeit in Längsrichtung des Kabels sollten alle Verstärkungselemente 5 b, 6, 8 Querschnitte haben, die ähnliche Biegsamkeit aufwei­ sen wie die Supraleiterdrähte 5 a.

Fig. 2 zeigt, wie dieses Seil nun mit einem Formkörper 2 spiralig umwickelt wird. Wenn diese Umwicklung bei geeigneter Zugspannung erfolgt, werden die Seilelemente kraftschlüssig zusammengehalten. Hierdurch wird die Bewegungsmöglichkeit der Supraleiterdrähte 5 a unter dem Einfluß elektromotorischer Kräfte weitgehend eingeschränkt, ohne die Biegsamkeit des Kabels zu verlieren.

In einem weiteren Fertigungsschritt wird dieses Seil mit einem Kabelmantel 1, der hier aus einem Hüllrohr 1 besteht, das den Austritt des das Seil durchdringenden Kältemittels verhindert, umhüllt. Im allgemeinen wird dieses Hüllrohr 1 aus einem dünnwandigen Metallrohr bestehen, das zunächst noch die Form eines glatten Zylinders hat.

Dieses Hüllrohr 1 kann gemäß bekannter Technik so aufgebracht werden, daß es den Formkörper 2 leicht berührt. Hierzu bieten sich verschiedene bekannte Techniken an (Einziehen in ein glattes Rohr und anschließendes "Dichtziehen" des Hüllrohres; Umhüllung mit einem Blechstreifen mit Längs- oder Spiral­ schweißung). Um auch dieses Hüllrohr 1 verbiegbar zu machen, wird es anschließend zu einem Wellrohr verformt. Der Form­ körper 2 hat zu diesem Zweck ein derartiges Profil, welches die erforderliche Formgebung des Wellrohres begünstigt. Pro­ fil und Steigung des spiraligen Formkörpers 2 können den Anforderungen bezüglich Festigkeit und Biegeradius des Kabels weitgehend angepaßt werden. In der Fig. 2 ist ein halbkreis­ förmiges Profil gewählt, das mit einer Steighöhe von etwa dem 4-fachen Radius dieses Halbkreises gewendelt ist.

Wie in Fig. 3 veranschaulicht, kann ein solches Hüllrohr 1 auf einen Radius, der etwa gleich dem 3-fachen Durchmesser des Hüllrohres 1 ist, gebogen werden. Der Kraftschluß zwi­ schen Hüllrohr 1 und Kabel verstärkt sich bei der Biegung.

Die Verstärkungselemente 6 des Seils können auch ganz oder zum Teil aus elektrisch isolierendem Material (Glasfaser) hergestellt werden. Besonders interessant erscheint es, die äußere Verstärkungshülle 7 aus derartigem Isoliermaterial zu gestalten. Sie kann gleichzeitig die Funktion der elektri­ schen Hochspannungsisolation übernehmen. Diese Isolierschicht ist von Helium mit bekanntlich sehr guten Isoliereigenschaf­ ten durchdrungen. Da durch den Formkörper 2 ein gewisser Abstand zwischen Hüllrohr 1 und elektrischer Isolation vor­ gegeben ist, ist die Gefahr, die Isolation beim Schweißen des Hüllrohres 1 zu zerstören, sehr gering.

Wenn aus einem derartigen Kabel eine Spule hergestellt wird, muß die Länge eines Kühlmittelpfades im allgemeinen kleiner sein als die Gesamtlänge des Kabels. Vor allem bei dem Kon­ zept mit Innenisolation können Kühlmittelverzweigungen sehr leicht durch Anzapfung 9 am Hüllrohr 1 vorgenommen werden.

• Bezugszeichenliste 1 Kabelmantel, Hüllrohr
  2 Formkörper
  3 Sicken
  4 Versorgungskanal
  5 Leiterstränge
  5 a Supraleiterdrähte
  5 b Verstärkungselemente
  6 Gruppe von Verstärkungselementen
  7 Verstärkungshülle
  8 zusätzliche Verstärkungselemente
  9 Anzapfung

Claims (4)

1. Supraleiterkabel mit Innenkühlung, mit einem in Längsrich­ tung des Kabels verlaufenden Versorgungskanal mit durch­ lässiger Wandung, der der Zufuhr des Kühlmittels dient, und supraleitenden Leitersträngen, die um den Versorgungs­ kanal verseilt und mit einem vakuumdichten Kabelmantel umgeben sind, wobei Kühlmittel vom Versorgungskanal in den Zwischenraum mit den Leitersträngen dringen kann, dadurch gekennzeichnet, daß der Kabelmantel (1) auf einem als Wendel oder mittels Ringen ausgebildeten, die mit Verstärkungselementen (5 b, 6 und 8) ergänzten Leiterstränge (5) mit Vorspannung umschließenden Formkörper (2) aufgezogen und mit Sicken (3) versehen ist, die in den Zwischenräumen der Wendel oder Ringe verlaufen.

2. Supraleiterkabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung des Versorgungskanals (4) aus einem spiralig geformten oder wendelförmigen Band oder Draht besteht.

3. Supraleiterkabel nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper (2) aus einem elektrisch isolierenden Material besteht.

4. Supraleiterkabel nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper (2) als kühlmittelführendes Rohr ausgebildet ist.