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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Stromtransportsystem
mit einem kalten dieletrischen supraleitenden Kabel.
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Der
Begriff „supraleitendes
Kabel" bezeichnet
ein Kabel zur Übertragung
von Strom im Zustand der sog. Supraleitung, d. h. im Zustand mit
einem elektrischen Widerstand von fast 0. Siehe z. B. Engelhardt,
J. S. et al., Application Consideration for HTSC Power Transmission
Cable, 5th Annual Conference an Superconductivity
and Application, Buffalo, New York, September 24 to 26, 1991. Insbesondere bezeichnet
der Begriff "kaltes
dielektrisches supraleitendes Kabel" ein Kabel, das zwei konzentrische Phasen
(Leiter und Rückführung) im
supraleitenden Material aufweist, die voneinander durch ein Dielektrikum
elektrisch isoliert sind, welches auf sehr geringer Temperatur gehalten
wird. Solch ein Kabel besitzt einen inneren Kanal, in dem ein kryogenes
Fluid unter hohem Druck fließt.
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Das
oben genannte Kabel ist in einem Behälter mit einem rohrförmigen Querschnitt
enthalten, der als Kryostat bekannt ist. In dem Kanal, der äußerlich vom
Kryostaten (umgeben) wird und in dem sich das Kabel befindet, fließt ein kryogenes
Fluid unter hohem Druck (typischerweise dasselbe Fluid, das in den
inneren Kanal des Kabels fließt),
während
das Gehäuse
(Körper)
des Kryostaten zwei koaxiale Rohre umfasst, die einen unter Vakuum
gehaltenen Spalt begrenzen, in dem bevorzugt ein thermischer Isolator vorgesehen
ist.
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Der
Begriff „supraleitendes
Material" bezeichnet
ein Material, z. B. Spezialkeramiken, die auf Mischoxiden von Kupfer,
Barium und Yttrium (allgemein bekannt als YBCO) oder von Bismut,
Blei, Strontium, Calcium und Kupfer (allgemein bekannt als BSCCO)
basieren, welches eine supraleitende Phase mit einem Widerstand
von im Wesentlichen 0 bei Temperaturwerten kleiner gleich einem
Grenzwert umfasst, welcher als kritische Temperatur (Tc) definiert
ist. Z. B. liegt für
das oben genannte Material T, im Bereich von ungefähr 60 K
(–213°C) bis ungefähr 170 K
(–103°C).
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Die
Betriebstemperatur eines supraleitenden Kabels ist niedriger als
die kritische Temperatur des darin enthaltenen supraleitenden Materials,
um so einen Sicherheitspuffer im Fall einer Fehlfunktion der Strukturen
zum Einstellen und Aufrechterhalten der geeigneten thermischen Bedingungen
zu garantieren. Diese Strukturen umfassen hauptsächlich ein in einem oder mehreren
Kanälen
fließendes
kryogenes Fluid und einen Kryostaten.
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Im
Allgemeinen ist das kryogene Fluid Helium, Stickstoff, Wasserstoff,
Argon oder eine Mischung davon, und zwar im flüssigen oder im gasförmigen Zustand,
und arbeitet bei einer Temperatur und einem Druck, die für die Anwendung
spezifisch sind. Typischerweise wird das kryogene Fluid unter Druck
verwendet, um den Druckabfall entlang der Kabellänge zu kompensieren und um
die richtige Betriebstemperatur sicherzustellen. Im Fall von flüssigem Stickstoff
beträgt
der Druck, unter dem er gehalten wird, ungefähr 15 atm (ungefähr 15.200
mbar).
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Wie
bereits erwähnt
umfasst der Kryostat im Allgemeinen zwei koaxiale Rohre, und zwischen
ihnen ist ein Spalt unter Vakuum vorhanden, der bevorzugt zumindest
teilweise mit einem thermischen Isolator gefüllt ist. Eine allgemeine Beschreibung
der in diesem Gebiet verwendeten Kryostaten ist in den IEEE Transactions
an Power Delivery, Band 7, Nr. 4, Oktober 1992, Seiten 1745-1753,
bereitgestellt.
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Eines
der mit dem Betrieb dieser Art von Kabel verbundenen Probleme bezieht
sich eben auf die Aufrechterhaltung des Vakuums im Spalt des Kryostaten.
Das Vakuumniveau, das zum Sicherstellen der Kryostateneffizienz
geeignet ist, ist ziemlich hoch, in der Größenordnung von ungefähr 10–6 bis
10–5 mbar. Wie
oben erwähnt,
begrenzt der Kryostat äußerlich einen
Kanal, in dem das kryogene Fluid unter Druck fließen gelassen
wird. Somit besteht ein großer Druckunterschied
(ΔP) zwischen
dem Kanal und dem Spalt. Dieser große Druckunterschied stellt
einen kritischen Punkt von hoher Wichtigkeit im Hinblick auf das
Folgende dar.
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Technologische
und logistische Gründe,
wie z. B. die schlechte Umsetzbarkeit der Herstellung, des Transports
und/oder des Aufbaus von starren Kryostaten mit erheblichen Längen, z.
B. länger
als 20 m, machen es notwendig, den Kryostaten in Modulen von begrenzter
Länge herzustellen
(z. B. ungefähr
5 m lang), die miteinander an der Stelle der Kabeleinlagerung (-positionierung),
verbunden werden.
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Der
Anmelder hat die Möglichkeit
in Betracht gezogen, die Verbindung zwischen den Kryostatmodulen
mit Hilfe von Verschweißen
oder Dichtungen zu erzielen.
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Jedoch
erfordern hinsichtlich des Schweißens viele Sicherheitsnormen
in Bezug auf unter Druck stehende Vorrichtungen einen abschließenden Test,
der auf dem Durchführen
eines hydraulischen Testversuchs basiert, bei dem die Vorrichtung
unter Wasserdruck gesetzt wird. Im vorliegenden Fall bedeutet dies,
Wasser unter Druck (natürlich
in Abwesenheit des Kabels) entlang einer gesamten Leitung zu strömen, z.
B. von 1 km Länge,
um den Test aller in der Anlage gemachten Verschweißungen durchzuführen. Dies
bringt einen bedeutende Aufwand an Energie, Zeit und wirtschaftlicher
Investition mit sich.
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Gemäß gewisser
Sicherheitsvorkehrungen muss jede Verschweißung für eine unter Druck stehende
Vorrichtung ebenfalls mit Hilfe von Röntgenuntersuchungen geprüft und zertifiziert
werden. Dies bringt ebenfalls zusätzliche Ausgaben und längere Aufbauzeiten
für die
Anlage mit sich.
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Die
Verwendung von Dichtungen erlaubt es natürlich, außer der Röntgenvalidierung auch den hydraulischen
Test an der gebauten Anlage zu vermeiden, so dass lediglich die
individuelle Prüfung
jedes einzelnen Moduls in der Fabrik notwendig bleibt. Diese Lösung hat
jedoch auch Nachteile. Jede Dichtung ist durch einen Verlustwert
gekennzeichnet, der hauptsächlich
von der Art und dem Material der Dichtung selbst, vom Druck, der
Temperatur und der Art des Fluids, das begrenzt werden soll, abhängt.
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Im
spezifischen Fall eines supraleitenden Kabels hat der Anmelder erkannt,
dass der schädlichste
Parameter für
die Abdichtung der Druck ist. Wie bereits oben erwähnt, ist
der Druckunterschied zwischen dem unter Vakuum stehenden Spalt des Kryostaten
und dem im Kanal fließenden
kryogenen Fluid besonders hoch, z. B. ungefähr 16.000 mbar, wobei der Druck
im Kryostaten ungefähr
10–6 bis
10–5 mbar
beträgt
und im Fließkanal
ungefähr
15.000 mbar beträgt
(wenn flüssiger
Stickstoff verwendet wird). Gibt in dem fraglichen Kabel eine Dichtung nach,
bedeutet dies, dass kryogene Fluid in den unter Vakuum stehenden
Spalt eindringt, der in vielen Fällen
thermisches Isolationsmaterial enthält und dadurch einen Vakuumverlust
bewirkt, wodurch die Kryostateffizienz nachteilig beeinflusst wird
und die thermische Isolierung möglicherweise
verhindert wird.
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Der
Anmelder hat erkannt, dass das Problem der Kontrolle eines solchen
Druckunterschieds mit einem System gelöst werden könnte, das geeignet ist, ein
Austreten des kryogenen Fluids aus dem Fließkanal zu begrenzen und das
Eindringen solcher Auslaufverluste in den unter Vakuum stehenden
Spalt zu verhindern. Dieses System stellt die Aufrechterhaltung
des Vakuums im Kryostaten sicher und vermeidet eine Beschädigung des
thermischen Isolators. Darüber
hinaus hat der Anmelder erkannt, dass die von dem System bereitgestellten
Vorteile teilweise mit der Tatsache zusammenhängen, dass der Druckunterschied
zwischen dem Innenvolumen des Kryostaten und dem Fließkanal des
kryogenen Fluids in zwei unterschiedliche Gradienten unterteilt
wird.
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Insbesondere
hat der Anmelder herausgefunden, dass durch Zwischenlegen von mindestens zwei
Dichtungen, von denen eine innerhalb des Umfangs der anderen angeordnet
ist, zwischen die beiden Kryostatmodule und durch Verbinden des
Bereichs zwischen den mindestens zwei Dichtungen mit der Umgebung
außerhalb
des Kryostaten die potenziellen Austritte des kryogenen Fluids aus
dem Fließkanal
aus dem Kryostat heraus geleitet werden und dadurch das Risiko des
Eindringens des Fluids in den Kryostatspalt mit entsprechendem Verlust
an Vakuum vermieden wird.
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Zusätzlich unterteilt
das Vorhandensein von mindestens zwei Dichtungen den vollen Druckunterschied,
der zwischen dem unter Vakuum stehenden Spalt und dem Fließkanal des
kryogenen Fluids angelegt wird, in mindestens zwei Gradienten, wodurch die
auf die innere Dichtung ausgeübte
Kraft verringert wird, mit positiven Auswirkungen für die Dichtung
und die Zuverlässigkeit
derselben.
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Daher
bezieht sich in einem ersten Aspekt die vorliegende Erfindung auf
ein elektrisches Stromtransportsystem, umfassend
- – mindestens
ein kaltes dielektrisches supraleitendes Kabel mit zwei konzentrischen
Phasen aus supraleitendem Material (22, 26), die
voneinander durch ein Dielektrikum (25a–c) elektrisch isoliert sind,
und einem ersten Fließkanal
(24) für kryogenes
Fluid im Kabel,
- – einen
Kryostat, der einen Fließkanal
(28) für
kryogenes Fluid umgibt, wobei der Kanal (28) das Kabel
enthält;
und
- – eine
kryogene Flüssigkeit,
wobei
der Kryostat mindestens zwei Module umfasst, von denen jedes umfasst: - – ein
inneres Rohr (1) mit mindestens einem Kopplungsflansch
(8a, 8b) für
die mindestens zwei Module, der sich in einer radial äußeren Richtung
erstreckt,
- – ein äußeres Rohr
(2) mit einer Länge
nicht größer als
die Länge
des inneren Rohrs (1),
wobei mindestens eines
der beiden Module umfasst: - – mindestens eine radial innere
Dichtung (20) und mindestens eine radial äußere Dichtung
(19) auf der Kopplungsfläche des mindestens einen Flansches
(8a, 8b), wobei der radial äußere Umfang der inneren Dichtung
vom radial inneren Umfang der äußeren Dichtung
beabstandet ist, und
- – mindestens
eine Leitung (21) mit einem ersten Ende in Verbindung mit
der Kopplungsfläche
des mindestens einen Flansches (8a, 8b), der zwischen
den beiden Dichtungen (19, 20) enthalten ist,
und einem zweiten Ende in Verbindung mit der Umgebung außerhalb
des Kryostats.
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Insbesondere
sind das innere Rohr und das äußere Rohr
mit einem Abstandhalter, bevorzugt zwei an der Zahl verbunden, die
im Wesentlichen neben den Extremitäten mindestens des äußeren Rohrs
liegen. Zwischen dem äußeren und
dem inneren Rohr ist ein Spalt definiert, der unter Betriebsbedingungen
unter Vakuum gehalten wird, z. B. unter einem Druck von ungefähr 10–6 bis
10–5 mbar.
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Bevorzugt
sind die mindestens eine radial innere und radial äußere Dichtung
in einem Schlitz untergebracht. Noch bevorzugter sind sie in einen
entsprechenden Schlitz gelegt, jeweils einen radial inneren und
einen radial äußeren, wobei
der radial äußere Durchmesser
des inneren Schlitzes kleiner als der radial innere Durchmesser
des äußeren Schlitzes
ist.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung besitzen beide Flansche des inneren Rohrs mindestens einen
Schlitz.
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Bevorzugt
ist diese Leitung spiralförmig
um den Durchmesser des inneren Rohr gewickelt.
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In
einem zweiten Aspekt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf
einen Kryostat für
ein kaltes dielektrisches supraleitendes Kabel, umfassend mindestens
zwei Module, wie oben beschrieben, die gegenseitig gekoppelt sind.
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Da
das äußere Rohr
eines Moduls eine geringere Länge
aufweisen kann als das innere Rohr, erzeugt die Kopplung der beiden
Module durch Verbinden der inneren Rohre einen Zwischenraum radial außerhalb
der inneren Rohre, welcher während
des Zusammenbaus des Kryostaten in Entsprechung mit den äußeren Rohren
offen ist. Eine sich axial auf dem äußeren Rohr bewegende Hülse verschließt den Zwischenraum.
Die Hülse
kann durch Verschweißen in
ihrer Betriebsposition festgelegt werden. Als Alternative können sowohl
das äußere Rohr
als auch die Hülse
im Wesentlichen radial geflanscht sein. In solch einem Fall wird
der Verschluss des Zwischenraums dadurch bewirkt, dass die geflanschte
Hülse so
bewegt wird, dass sie die Flansche des äußeren Rohrs trifft. Diese Ausführungsform
wird in der vorliegenden Erfindung bevorzugt. Zwischen einem Flansch
der Hülse
und dem entsprechenden Flansch des Rohrs liegt mindestens eine Dichtung,
die aus zwei Hälften
bestehen kann.
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Der
Zwischenraum wird unter Vakuum gestetzt, wie bereits oben für den zwischen
dem inneren und dem äußeren Rohr
vorhandenen Spalt gezeigt wurde.
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Weitere
Merkmale und Vorteile werden aus einer detaillierten Beschreibung
einer bevorzugten, jedoch nicht ausschließlichen Ausführungsform
eines Systems und eines Kryostats in Modulen gemäß der vorliegenden Erfindung
offensichtlich. Solch eine Beschreibung ist im Folgenden mit Bezug
auf die beigefügten
Zeichnungen wiedergegeben, die lediglich zu darstellerischen Zwecken
bereitgestellt sind und somit nicht einschränkend sind, und in denen:
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1 einen
Querschnitt eines kalten dielektrischen supraleitenden Kabels zeigt;
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2 schematisch
einen Längsschnitt
eines Kryostatenmoduls zeigt;
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3 einen
Längsschnitt
dreier durch Verschweißen
gekoppelter Module des Kryostaten darstellt;
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4 einen
Längsschnitt
zweier durch Befestiger und Dichtungen gekoppelter Module zeigt;
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5 einen
Längsschnitt
zweier Module des Kryostaten gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt;
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6 schematisch
eine aus zwei Hälften
bestehende Dichtung zeigt;
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7, 8 und 9 in
geraden Längsschnitten
ein Detail der Flansche des Innenrohrs zeigt, die gemäß den drei verschiedenen
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung verbunden sind.
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Der
darstellerischen Einfachheit halber zeigen die Figuren (mit Ausnahme
der 1) den thermischen Isolator, der möglicherweise
in den Spalten, in den Zwischenräumen
und um die Leitungen der dargestellten Module herum vorhanden ist,
nicht.
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Ein
kaltes dielektrisches supraleitendes Kabel (1) umfasst
im Allgemeinen eine oder mehrere Schichten aus supraleitendem Material 22,
die den sog. Phasenleiter bilden, der auf einem allgemein rohrförmigen,
einen ersten Fließkanal 24 für das kryogene
Fluid begrenzenden Former (Hülse) 23 platziert
ist. Außerhalb
des supraleitenden Materials ist ein Dielektrikum vorgesehen, das
eine elektrostatische Abschirmung 25a, elektrisches Isolationsmaterial 25b und
eine zweite elektrostatische Abschirmung 25c umfasst. Um
das Dielektrikum werden eine oder mehrere Schichten aus supraleitendem
Material 26 gelegt, um den sog. Rückführleiter zu bilden. Der Rückführleiter
ist wiederum von einer Ummantelung 27 bedeckt, die aus
einem Material besteht, das dafür geeignet
ist, mechanischen Widerstand und Fluidundurchlässigkeit gegenüber dem
kryogenen Fluid bereitzustellen. Das oben genannte Kabel ist in
einem Kanal 28 enthalten, der wie oben erläutert vom
Kryostaten begrenzt wird.
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Die äußerlich
den Kanal 28 umgebende Wand wird von einem Kryostaten gebildet,
der ein inneres Rohr 1 und ein äußeres Rohr 2 umfasst,
welche einen unter Vakuum stehenden Spalt 3 begrenzen,
der typischerweise unter einem Absolutdruck von 10–6 bis
10–5 mbar
steht und bevorzugt ein thermisches Isolationsmaterial 29 enthält. In 2 ist
schematisch ein Kryostatmodul gezeigt. Das innere und äußere Rohr 1, 2 besteht
im Allgemeinen aus Glasfaser oder Edelstahl, wobei das letztere
bevorzugt gewellt ist, um der Struktur Flexibilität zu verleihen.
Die Bezugsziffer 3 bezeichnet den bereits oben dargestellten
Spalt.
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3 zeigt
drei durch Verschweißen
gekoppelte Kryostatmodule. Die inneren Rohre 1 sind durch
Schweißstellen 5 verbunden,
die äußeren Rohre 2 sind
durch eine Hülse 6 verbunden,
die an ihren Extremitäten
durch Schweißstellen 4 befestigt ist.
Nach dem Verschweißen
wird von einem mit einem äußeren Pumpsystem
verbundenen Ventil 7 ein Vakuum im Zwischenraum 3a erzeugt,
der durch Verbinden der inneren Rohre und Verschweißen der
Hülse 6 mit
den äußeren Rohren
der beiden Module gebildet ist (im Folgenden „Zwischenraum" genannt) und der
wahlweise einen thermischen Isolator enthält.
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4 zeigt
die Verbindung der beiden Kryostatmodule (nur teilweise dargestellt)
mit Hilfe lediglich einer Dichtung auf dem Flansch des inneren Rohrs.
Die inneren Rohre 1 besitzen Flansche 8, die mit
Befestigern 9, typischerweise Muttern und Bolzen, verbunden
sind, während
eine Dichtung 10 die Abdichtung erzielt. Die äußeren Rohre 2 besitzen Flansche 11, 12,
die mit der geflanschten Hülse 13 durch
Befestiger 14, 15 verbunden sind, während die Abdichtung
durch die Dichtungen 16, 17 hergestellt wird.
Der Zwischenraum 3a enthält wahlweise einen thermischen
Isolator und wird durch ein mit einem externen Pumpsystem verbundenes
Ventil 18 unter Vakuum gesetzt.
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Die
Dichtung 10 ist derart ausgestaltet, dass sie den hohen
Druckunterschied aushält,
da sie sich an der Grenzfläche
zwischen dem Kanal 28, in dem das kryogene Fluid unter
Druck fließt,
z. B. bei ungefähr
15.000 mbar, und dem Zwischenraum 3a befindet, der unter
einem Vakuum von ungefähr
10–6 bis 10–5 mbar
steht.
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Um
das Vakuum in kurzer Zeit herzustellen, ist der Zwischenraum 3a so
klein wie möglich.
Jedoch bedeutet das, dass selbst ein minimales Leck in der Dichtung 10 das
Vakuum noch schneller brechen kann, wenn man den Druckschub berücksichtigt,
der von dem kryogenen Fluid ausgeübt wird. Letzteres dringt in
den Zwischenraum 3a ein und bewirkt dadurch den Bruch (Verlust)
des Vakuums und ggf. eine Beschädigung
des thermischen Isolators. Diese Situation verlangt nach häufigen,
sogar monatlichen Reparaturarbeiten am Kryostaten, um das Vakuum
wiederherzustellen und ggf. den thermischen Isolator zu ersetzen,
der durch das Eindringen eines Fluids bei einer Temperatur von weit
weniger als –100°C beeinträchtigt sein
kann.
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Das
System der vorliegenden Erfindung erzielt viele Vorteile, wie aus
der folgenden Beschreibung deutlicher wird.
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5 zeigt
zwei Kryostatmodule gemäß der vorliegenden
Erfindung, in denen die relevanten Strukturen durch die gestrichelte
Linie B-B' getrennt sind.
Jede von ihnen umfasst ein inneres Rohr 1, ein äußeres Rohr 2,
die in diesem Fall beide in einer radial äußeren Richtung gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung geflanscht sind, und ein Paar von Distanzhaltern 30,
die bevorzugt in die Nähe
der Extremitäten
mindestens des äußeren Rohrs 2,
bevorzugt beider Rohre gelegt werden, die zusammen einen Spalt 3 begrenzen,
der für
die Module in der Figur lediglich teilweise skizziert ist. Wie oben
erwähnt
wird der Spalt 3 unter Vakuum gehalten, z. B. unter einem
Druck von ungefähr
10–6 bis 10–5 mbar.
Bevorzugt enthält
der Spalt 3 ein thermisches Isolationsmaterial, das beispielsweise
gewählt ist
aus Polyesterharzbändern,
Polytetrafluorethylenfasern und metallisiertem Mylar® (Marke
der DuPont Teijin Films). Des Weiteren können Getter (d. h. aus gesintertem
Pulver hergestellte Gasabsorber aus z. B. Zirkonium oder Titanium;
siehe z. B. della Porta P., „Gettering – an Integral
Part of Vacuum Technology", American
Vacuum Society, 39th National Symposium, technical sheet TP 202)
oder Zeolithen im Spalt platziert werden.
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Die äußeren Rohre 2a, 2b besitzen
jeweils Flansche 11, 12, bevorzugt radial äußere, die
für die Dichtungen 16 bzw. 17 jeweils
Schlitze aufweisen. Im dargestellten Fall sind die Dichtungen O-Ring-Dichtungen,
eine für
jeden Flansch. Diese Dichtungen sind in der Lage, dass Vakuum im
Zwischenraum 3a zu garantieren, der neben den Distanzhaltern 30 auch
von einer Hülse 13 begrenzt
wird, welche im vorliegenden Fall geeignet geflanscht ist, um mit
den Flanschen 11, 12 durch Befestiger 14, 15 verbunden zu
werden.
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Die
inneren Rohre 1a, 1b weisen jeweils Flansche 8a, 8b an
ihren nach außen
stehenden Extremitäten
auf.
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Bevorzugt
ist in mindestens einem der Flansche 8a, 8b mindestens
ein Schlitz ausgebildet, in dem mindestens ein Paar von Dichtungen 19, 20 untergebracht
werden, wie in 7, 8 und 9 dargestellt.
Die Dichtungen 19, 20 werden ineinandergelegt,
und zwar geeignet beabstandet. Der mindestens eine Schlitz kann
einen geraden rechteckigen Querschnitt besitzen, wobei die größere Abmessung
radial orientiert ist (8); die radial innere Dichtung 20 lehnt
an der radial inneren kleineren Seite des Schlitzes, während die
radial äußere Dichtung 19 sich
mit der radial äußeren kleineren
Seite des Schlitzes in Kontakt befindet. Zwischen dem radial inneren
Umfang der äußeren Dichtung 19 und
dem radial äußeren Umfang
der inneren Dichtung 20 kann der Schlitz einen axial orientierten
Vorsprung aufweisen (7), der die axiale Tiefe dieses
Bereichs verringert, und ihn ggf. minimiert, da der Schlitz, der
zwischen den axial gewandten Oberflächen der Flansche, die gegen
die Dichtungen gedrückt
werden, verbleibt, ausreichend ist, um das möglicherweise in den Schlitz
eindringende Fluid, wie unten dargestellt, zu evakuieren. In dieser
Variante wird der Schlitz in zwei Schlitze unterteilt, jeweils einen
radial Inneren und einen Äußeren. In
diesem Fall kann auch jeweils ein Schlitz auf jedem Flansch vorhanden
sein.
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9 zeigt
eine alternative Ausführungsform,
wobei das Profil im geraden Längsschnitt
mindestens eines Schlitzes rhomboidal ist und geeignet ist, um eine
O-Ring-Dichtung zu enthalten. Ein Schlitz, in dem das Profil im
geraden Längsschnitt dreieckig
ist, ist ebenfalls für
diese Art von Dichtungen geeignet.
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Im
folgenden Fall besitzen beide Flansche 8a, 8b zwei
Schlitze zur Unterbringung der Dichtungen 19, 20.
Die Dichtungen 19, 20 bestehen bevorzugt aus zwei
Hälften,
wie schematisch in 6 dargestellt. Z. B. bestehen
sie aus mit Grafoil®, Marke der Graftech Inc.,
das sog. flexibles Graphit bezeichnet, welches mehr als 98 Gewichtsprozent
elementaren Kohlenstoff enthält;
besonders bevorzugt werden sie von einer oder mehreren Folien aus
Edelstahl verstärkt.
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Der
radial äußere Durchmesser
des inneren Schlitzes ist kleiner als der radial innere Durchmesser
des äußeren Schlitzes.
Mindestens einer der Schlitze kann einen im Wesentlichen dreieckigen oder
rhomboidalen geraden Axialquerschnitt besitzen.
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Darüber hinaus
weist der Flansch 8b ein zwischen den Dichtungen 19, 20 enthaltenes
Durchloch auf, an dem ein erstes Ende der Leitung 21 angeschlossen
ist.
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Bevorzugt
ist die Leitung 21 eine Metallleitung, die bevorzugt flexibel
ist; besonders bevorzugt besteht sie aus gewelltem Edelstahl. Bevorzugt
besitzt sie einen Durchmesser von weniger als 10 mm, besonders bevorzugt
weniger als 4 mm.
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Das
zweite Ende der Leitung 21 steht mit der Umgebung außerhalb
des Kryostaten in Verbindung und zwar im vorliegenden Fall durch
ein zweites Durchloch, welches in einem der äußeren Rohre 2a, 2b gebildet
ist. Die Leitung 21 ist bevorzugt spiralförmig um
das innere Rohr 1 gewickelt.
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Obwohl
dieses Muster gemäß der vorliegenden
Erfindung bevorzugt ist, ist es hier nicht spezifisch gezeigt. Jedoch
ist die Konzeption einer solchen Wicklung von einem Fachmann auf
dem Gebiet leicht erkennbar. Die Beschichtung der Leitung 21 mit
einem thermisch isolierenden Material, das beispielsweise aus den
bereits oben zum Füllen
des Spalts 3 aufgelisteten Materialien ausgewählt ist,
ist ebenfalls nicht gezeigt und ist in der vorliegenden Erfindung bevorzugt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung steht das Innere der Leitung 21 unter
atmosphärischem
Druck (1 atm, ungefähr gleich
1,013 mbar). Das zweite Ende der Leitung 21 ist bevorzugt
mit einer Feuchtigkeitsfalle versehen, beispielsweise der Calciumchlorid
verwendenden Art.
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In
einer anderen Ausführungsform
wird sie mit einem Fluid, z. B. geringfügig unter Überdruck stehendem Stickstoff
gefüllt
(z. B. mit 1,01 atm, ungefähr
gleich 1,023 mbar). In solch einem Fall ist am zweiten Ende ein
unidirektionales Atemventil vorgesehen, das auf einen Druckwert
eingestellt wird, so dass es sich öffnet und das Fluid entlässt, wenn
der Druck in der Leitung 21 den festgelegten Überdruck überschreitet.
Das Ventil schließt
sich, wenn der Druck in der Leitung auf den festgelegten Wert zurückgeht.
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Die
Flansche 8a, 8b sind durch Befestiger 9 aneinander
befestigt, z. B. durch die bereits erwähnten Muttern und Bolzen oder äquivalente
Vorrichtungen.
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Der
Montagevorgang des Systems der vorliegenden Erfindung umfasst zuerst
die Positionierung der beiden Kryostatmodule entlang einer Achse. Die
Dichtungen 19, 20 werden neutral auf der Verbindungsfläche der
Flansche 8a, 8b angeordnet, bevorzugt in auf dem
einen oder dem anderen Flansch vorhandenen Schlitzen. Im vorliegenden
Fall ist der Flansch 8b mit einem Durchloch versehen, jedoch kann
dieses alternativ im Flansch 8a vorgesehen werden. Die
Dichtungen 19, 20 werden miteinander in Eingriff
gebracht, indem die Flansche 8a, 8b der jeweiligen
Module gegenseitig in Berührung
gebracht werden und dann mit Befestigern 9 befestigt wird.
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Die
von den Flanschen 8a, 8b auf die Dichtungen 19, 20 ausgeübte Kompression
stellt unter Betriebsbedingungen die Fluidabdichtung im Kanal 28 und
die Aufrechterhaltung des Vakuums im Zwischenraum 3a sicher.
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Die
Befestigung der Hülse 13 wird
dann durchgeführt.
Diesem Vorgang kann (und dies ist eine bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung) eine Füllphase
des Zwischenraums 3a mit einem thermisch isolierenden Material,
z. B. der bereits oben genannten Art, und wahlweise mit Gettern
und Zeolithen vorangehen.
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Wie
bereits oben dargestellt, kann die Hülse 13 durch Verschweißen oder
Dichtungen befestigt werden. Der zweite Fall ist in 5 dargestellt.
Die Dichtungen 16, 17 sind jeweils in den Flanschen 11, 12 für die äußeren Rohre 2a, 2b untergebracht
und die Hülse 13,
die in diesem Fall geflanscht ist, wird in Verbindung damit positioniert
und von Befestigern 14, 15 befestigt.
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Bevorzugt
befindet sich das zweite Ende der Leitungen 21 mit der
Umgebung außerhalb
des Kryostaten durch ein zweites Durchloch in Verbindung, das im äußeren Rohr 2 gebildet
ist, und ist mit dem Loch durch Verschweißen verbunden.
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Das
Vakuum im Zwischenraum 3a wird dann durch das Ventil 18 erzeugt,
das mit einem externen Pumpsystem verbunden ist. Das Vakuum beträgt ungefähr 10–6 bis
10–5 mbar.
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Das
System gemäß der Erfindung
stellt eine konstante Vakuumabdichtung unter den besonders problematischen Bedingungen
sicher, unter welchen ein supraleitendes Kabel arbeitet. Tatsächlich stellt die
vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Aufrecherhaltung eines vorbestimmten
Restdrucks in einem modularen Kryostat in kalten dielektrischen
supraleitenden Kabel zur Verfügung,
wobei das Verfahren die Phase des nach außen Beförderns der Kryostatinfiltrierungen
seitens des aus dem Fließkanal kommenden
kryogenen Fluids umfasst.
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Wie
bereits oben erwähnt
ist der aus einem Blickwinkel der Kryostateffizienz betrachtete,
kritischere Bereich jener, der an den Fließkanal des kryogenen Fluids
angrenzt, d. h. jener in Verbindung mit dem inneren Rohr des Kryostats.
Die an eine solche Grenzfläche
gelegten Dichtungen müssen
einen bemerkenswerten Druckunterschied aushalten, wie jenen oben
genannten (10–6 bis
10–5 mbar
gegenüber beispielsweise
15.000 mbar im Fall von flüssigem Stickstoff,
d. h. ein ΔP
von ungefähr
16.000 mbar). Das Versagen einer Dichtung in diesem Bereich bewirkt
nicht nur das Brechen des Vakuums, wodurch der Kryostat und somit
die Kabeleffizienz negativ beeinträchtigt werden, sondern auch
das Eindringen des kryogenen Fluids in den Kryostaten und somit seine
Diffusion in den Zwischenraum 3a, wo bevorzugt ein thermischer
Isolator vorhanden ist, der beschädigt werden könnte.
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Wenn
die Abdichtungsfähigkeit
der inneren Dichtung des Innenrohrs des Kryostaten abnimmt, keilt
das kryogene Fluid, das aus seinem Fließkanal zwischen die beiden
Dichtungen gezogen wird, die dort dazwischen liegende Leitung auf,
wodurch es in die Umgebung außerhalb
des Kryostaten gestreut wird.
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Diese
Dispersion in die Umgebung ist unproblematisch sowohl hinsichtlich
der Art des kryogenen Fluids (Helium, Stickstoff, Wasserstoff, Argon
und deren Mischungen, flüssig
oder gasförmig,
jedoch bevorzugt flüssiger
Stickstoff), welches bei Raumtemperatur in seinen Gaszustand zurückkehrt, als
auch im Hinblick auf den Aufbau der Leitung. Tatsächlich ist
letztere typischerweise ein Rohr mit einem extrem verringerten Durchmesser
(kleiner als 10 mm, bevorzugt kleiner als 4 mm), wodurch eine epithermale Umgebung
gebildet wird, in der das Fluid über
seine Verdampfungstemperatur hinausgeht.
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Zusätzlich funktioniert
das System der vorliegenden Erfindung in der Weise, dass die weiter
innen liegende Dichtung des Innenrohrs unter einem Druckunterschied
arbeitet, der geringer als jener zwischen dem Zwischenraum 3a und
dem Fließkanal des
kryogenen Fluids ist.
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Tatsächlich beträgt, wie
eben erwähnt,
dieser Druckunterschied ungefähr
16.000 mbar, jedoch liegt die weiter innen liegende Dichtung tatsächlich an
der Grenzfläche
zwischen dem Fließkanal
des kryogenen Fluids und dem Verbindungspunkt der Leitung. Da die
Leitung sich mit der Umgebung außerhalb des Kryostaten in Verbindung
befindet oder alternativ mit Stickstoff unter geringfügigen Überdruck
gefüllt
ist, steht dieser Bereich im Wesentlichen unter atmosphärischen
Druck, wodurch der Druckunterschied, den die weiter innen liegende
Dichtung aushalten muss, ungefähr
15.000 mbar beträgt
anstatt 16.000 mbar.
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In der Beschreibung zitierte
Literaturquellen
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Diese
Liste von Literaturquellen, die vom Anmelder zitiert werden, dient
lediglich dem Nutzen des Lesers. Sie ist nicht Teil der europäischen Patentschrift.
Obwohl große
Sorgfalt angewandt wurde, um die Literaturquellen zusammenzustellen,
können Fehler
und Auslassungen nicht ausgeschlossen werden und das EPA lehnt in
dieser Hinsicht jegliche Haftung ab.
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In der Beschreibung zitierte nicht Patentliteratur
-
- – Engelhardt
J. S. et al. Application Consideration for HTSC Power Transmission
Cable, 5th Annual Conference an Superconductivity
and Application, 24 September 1991 [0002]
- – IEEE
Transactions an Power Delivery, 04 October 1992, Band 7, Seite 1745-1753
[0007]
- – Della
Porta P. Gettering-an Integral Part of Vacuum Technology, American
Vacuum Society, 39th National Symposium,
technical sheet TP 202 [0038]