DE6929408U - Abstandhalter aus schlecht waermelietendem material zwischen je zwei einander umschliessenden rohren, insbesondere bei tiefgekuehlten kabeln - Google Patents

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Erlangen,

Berlin und München Werner-von-Siemens-Str.50

Abstandhalter aus schlecht wärmeleitendem Material zwischen je zwei einander umschließenden Rohren, insbesondere bei tiefgekühlten Kabeln

3>ie Erfindung betrifft βΐΏ8Ώ Abstandhalter aus schlecht wärmeleitendem Material zwischen je zwei einander umschließenden Rohren, von welchen wenigstens eines auf tiefe Temperatur kühlbar ist, insbesondere bei tiefgekühlten Kabeln, wobei der Abstandhalter die Rohrwandungen nur an kleinen Oberflächenteilen berührt.

Tiefgekühlte, insbesondere supraleitende,Kabel lassen für die Übertragung großer elektrischer Energiemengen erhebliche Vorteile erwarten. Als elektrische Leiter können für diese Kabel elektrisch normalleitende Metalle insbesondere hoher Reinheit, beispielsweise hochreines Aluminium, verwendet werden, deren ohmscher Widerstand bei tiefen Temperaturen wesentlich kleiner ist als bei Raumtemperatur. Besonders geeignet für solche Kabel sind supraleitende Metalle, deren ohmscher Widerstand bei Abkühlung auf eine Temperatur unterhalb der vom jeweils verwendeten Supraleitermaterial abhängigen kritischen Temperatur oder Sprungtemperatur völlig verschwindet. Als Supraleitermaterialien komnrsn dabei insbesondere die Metalle Niob χχαά. Blei s~*rie sogenannte Hochfeldsupraleitermaterialien, beispielsweise supraleitende Legierungen aus Niob und Titan bzw. Niob und Zirkon und supraleitende Verbindungen wie Niob-Zinn (Nb^Sn) in Präge. Die Supraleiter können zur elektrischen Stabilisierung mit elektrisch zu ihnen parallel geschalteten, bei der Betriebstemperatur der Supraleiter elektrisch normalleitenden Metallen gut elektrisch leitend und gut wärmeleitend verbunden oder in diese Metalle eingebettet sein.

Zur Kühlung von Leitern aus elektrisch normalleitended Metall

692940828.11.74

Unser Zeichens i

PLA 68/1747 Kb/Kö ί

PLA 68/1747

eignen sich insbesondere Flüssigkeiten mit einer Siedetemperatur unterhalb von etwa 150⁰K, wie beispielsweise flüssiger Wasserstoff, flüssiger Stickstoff oder flüssiges Erdgas oder kalte Gase entsprechender Temperaturen. Zur Kühlung von Supraleitern kommen bei den derzeit verfügbaren Supraleitermaterialien praktisch nur flüssiges oder kaltes gasförmiges Helium in Frage.

Bei bekannten Kabeln sind die Leiter innerhalb eines Rohres angeordnet, das mit Kühlmittel gefüllt ist. bzw. von diesem durchströmt wird. Das Rohr kann selbst auch elektrisch leitend bzw. mit einer leitenden Schicht belegt sein. Um die zur Kühlung der Leiter erforderliche Kühlleistung möglichst klein zu halten und unnötige Kühlmittelverluste zu vermeiden, müssen die Leiter und das zu ihrer Kühlung dienende Kühlmittel gegenüber der äußeren Umgebung des Kabels thermisch isoliert sein, Diese thermische Isolation besteht in der Regel aus rohrförmigen Hüllen, welche den Leiter und das diesen umschließende Rohr umgeben. Die rohrförmigen Hüllen können beispielsweise als Strahlungsschilde ausgebildet sein und durch ein zweites Kühlmittel gekühlt werden, welches eine höhere Temperatur besitzt als das zur Kühlung des Leiters dienende Kühlmittel. Die Zwischenräume zwischen den rohrförmigen Hüllen sind, soweit sie nicht von Kühlmittel durchströmt werden, evakuiert und können zusätzlich mehrere Lagen aus schlecht wärmeleitendem Material und reflektierenden Metallschichten enthalten. Diese Lagen können beispielsweise aus PoIyäthylenterephthalatfolien bestehen, die mit reflektierenden Aluminiumschichten überzogen sein können.

Das die Leiter umgebende Rohr und die dieses Rohr umgebenden weiteren Rohre werden bekanntlich durch Abstandhalter gegeneinander abgestützt. Bei einem bekannten supraleitenden Kabel bestehen solche Abstandhalter zwischen dem rohrförmigen Strahlungsschild und dem Leitersystem aus Reihen von Glas- oder Keramikscheiben (Aufsatz von E.C. Rogers und D.R« Edwards In aer Zeitschrift "Electrical Review" 181 (1967), Seiten 348 bis 351). Derartige scheibenförmige Abstandhalter haben jedoch den Nachteil, daß ihre Berührungsflächen mit den Rohren, deren Abstand voneinander sie sichern, und damit die zur Wänaeeinleitung in das Kabel verfügbaren Materialquerschnitte verhältnismäßig groß

692940826.11.74

68/1747

sind. Dieser Nachteil kann durch Abstandhalter vermieden werden, welche die Rohrwandungen nur an kleinen Oberflächenteilen berühren. In de.r am 15-1.1967 bekanntgemaehten österreichischen Patentanmeldung Ä 3726/65 sind als solche Abstandhalter Einlagen. aus schlecht wärmeleitendem V2A-Stahl erwähnt, jedoch nicht näher erläutert.

Außer bei tiefgekühlten Kabeln sind beispielsweise auch bei Leitungen zum Transport flüssiger tiefsiedender Gase, bei denen ein von weiteren Rohren umgebenes Rohr zur Portleitung der flüssigen Gase dient, Abstandhalter aus schlecht wärmeleitendem Material Strischsx* den Rohren erforderliche

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, solche Abstandhalter weiter zu verbessern. Insbesondere sollen die Berührungsflächen des Abstandhalters mit den Rohrwänden möglichst klein sein. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, den Abstandhalter so auszugestalten, daß die von der Wärme zu überbrückenden Yerbindungsstrecken zwischen dem jeweils außenliegenden Rohr und dem innenliegenden Rohr möglichst lang sind.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch einen Abstandhalter gelöst, der gekennzeichnet ist durch einen das innenliegende Rohr umschließenden ringförmigen Teil, welcher an seiner diesem Rohr zugewandten Seite zur Auflage auf dieses Rohr dienende, entlang des Rohrumfangs jeweils um etwa 120° gegeneinander versetzte Vorsprünge besitzt, und durch drei am ringförmigen Teil angesetzte, sich in radialer Richtung zum außenliegenden Rohr erstreckende, jeweils um etwa 120° gegeneinander und um etwa 60° gegen die Vorsprünge versetzte speichenförmige Stützelemente.

Der erfindungsgemäße Abstandhalter hat insbesondere den Vorteil, daß durch die jeweils um einen Winkel von etwa 120° gegeneinander versetzten Vorsprünge bzw. speichenförmigen Stützelemente eine sichere Dreipunktabstützung der Rohre gegeneinander erreicht wird, während gleichzeitig die Berührungsflächen zwischen Abstandhalter und Rohren sehr klein sind, da das innenliegende Rohr nur mit den Vorsprängen und das außenliegende Rohr nur mit den Enden der speichenförmigen Stützelemente in Berührung kommt.

692940828.11.74

PLA 68/174-7

Da die speichenförmigen Stützelemente gegen die Vorsprüng'e um einen Winkel von etwa 60 versetzt sind, werden ferner vorteilhaft lange Verbindungswege zwischen dem innenliegenden und dem außenliegenden Rohr erzielt.

Zur weiteren Verkleinerung der Berührungsflächen des Abstaxidhalters mit dem innenliegenden Rohr können die Vorsprünge vorzugsweise warzenförmig ausgebildet sein_o

Zur leichteren Montage kann der Abstandhalter ferner teilbar ausgebildet sein. Er kann vorzugsweise aus drei, jeweils etwa

Teälstücken bestehen. Bei einer im Hinblick auf die Erzielung möglichst langer Verbindungswege zwischen den beiden Rohren besonders bevorzugten Ausführur-gsform des Abstandhalters weist jedes Teilstück zwei, jeweils/ein* Drittel eines Xreisrings bildende, mit Vorsprüngen versehene Ringelemente und ein V-förmiges Stützelement auf. Die beiden Ringelemente sind dabei nebeneinander angeordnet und an den Enden durch etwa parallel zur Längsachse der Rohre verlaufende Streben verbunden, während jeder der beiden Balken des V-förmigen Stützelementes mit einem der beiden Ringelemente verbunden ist. Insbesondere kann jeder Balken des V-förmigen Stützelementes in der Mitte des zugehörigen Ring-"elementes angesetzt sein. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform des Abstandhalters kann ferner die an einem Ende der Ringeleaente eines Teilstückes vorgesehene Strebe an ihrer dem inne^liegenden Rohr zugewandten Seite zwei warzenförmige Vorsprünge und an ihrer vom innenliegenden Rohr abgewandten Seite eine Kerbe aufweisen, während die am anderen Ende der Ringelemente dieses Teilstücks vorgesehene Strebe an ihrer vom innenliegenden Rohr abgewandten Seite einen Fortsatz aufweist, wobei Kerbe und Portsatz zweier benachbarter Teilstücke jeweils ineinandergreifen, Dies hat den Vorteil, daß jedes Teilstück nur an einem Ende der Ringelemepte über die warzenförmigen Vorsprünge mit dem innenliegenden Rohr in Berührung steht, während es sich am anderen Ende der Ringelemente auf das benachbarte Teilstück abstützen kann.

Zur Befestigung der Teilstücke des Abstandhalters auf dem innen-

6929408211174

~ i

PLA 68/1747 "j. I

η 1

liegenden "Rohr Vsn-n vorteilhaft Band oder Draht aus schlecht wärmeleitendem Material, "beispielsweise ein 3and aus Glasseide oder ein Stahldraht, vorgesehen sein.

Anhand zweier figuren und eines Ausführuzigsbeispieles sollen die Erfindung und die siit iir verbundenen Yorteile noeli näher erläutert werden.

Pig. 1 zeigt im Querschnitt ein supraleitendes Kabel mit zwei Au&führungsformen des Abstandhalters gemäß der Erfindung. Pig* 2 zeigt ein !Teilstück einer bevorzugten Ausführungsform eines Abstandhalten gemäß der Erfindung.

Bei des in ?ig. 1 dargestellten supraleitenden Kabel ist als Leiter ein Hohlleiter 1 vorgesehen, der beispielsweise aus einer Kupfermatrix 2 mit einer Tielzahl von eingelagerten ifiob-üütan-Drähten 3 besteht. Der Leiter 1 ist von einem beispielsweise aus Edelstahl bestehenden Rohr 4 umgeben, das beim Betrieb des Kabels von flüssigem Eeliiim durchströmt wird. Auch im Inneren des Hohlleiters 1 Icann beim Betrieb des Kabels flüssiges Helium fließen. Das Rohr 4 wird von einem als Strahlungsschild dienenden, beispielsweise aus Aluminium bestehenden Rohr 5 umschlossen, das zur leichteren Montage zweiteilig ausgebildet ist. Mit dem Rohr sind zwei Rohre 6 kleineren Querschnitts verbunden, die beim Betrieb des Kabels von flüssigem Stickstoff durchströmt werden, der zur Kühlung des Strahlungsschildes dient. Als AuSenmantel ist ein weiteres, das Rohr 5 umschließendes Rohr 7 vorgesehen. Dieses Rohr 7, da3 beispielsweise aus Edelstahl bestehen kann, ist ebenfalls zweiteilig ausgebildet. Die beiden Teile des Rohres 7 sind an den Stellen 8 beispielsweise durch Schweißnähte vakuumdicht miteinander verbunden. Zur thermischen Isolation sind die Zwischenräume zwischen den Rohren 4 und 5 bzw. 5 und 7 beim Betrieb des Kabels evakuiert. Zur weiteren thermischen Isolation sind in den Zwischenräumen ferner mehrere Lagen 9 aus schlecht wärmeleitendem Material, beispielsweise aus aluminiumbeschichteter Polyäthylenterephthalatfolie oder aus Glasfasergewebe mit dazwischengelegten Aluminiumfolien vorgesehen.

Zwischen dem Rohr 4 und dem Rohr 5 bzw. dem Rohr 5 und dem Rohr 7

692940828.11.74

— ö —

SS/1747 >-

sind jeweils aus drei Teilstucken zusammengesetzte Abstandhalter 10 und 11 aus schlecht wärmeleitendes Material vorgesehen. Ein iEeilstüek des Abstandhalters 10 ist in Pig. 2 dargestellt. Der Abstandhalter 10 besitzt einen das izmenliegende Rohr 4 um— schli.eS enden ringförmigen 5?eil, der aus den jeweils etwa ein Drittel eines Kreisrings !bildenden Hingelesenten 12 der drei SeilstüCAe zusammengesetzt 1st. An der dem Eohr 4 zugewandten Seite des ringförmigen Seils sind jeweils um einen Winkel von 120 gegeneinander versetzte, warzenförmige Torsprünge 13 angebracht, die zur Auflage auf das Eonr 4 dienen. Eerner besitzt der Abstandhalter 10 drei speiehenförmige Stützelement 14, die sich, in radialer Biehtttiig zua. aaßenliegenden Eonr 5 erstrecken. Die Stützeleaente 14, von denen jeweils eises zu. eiaea xeilstäek des Ab&tandlialters 10 genört, sind gegeneinander jeweils um einen Windel von 120° und gegen die Vorspränge 13 txol einen Windel von 60° versetzt.

Tfie ?ig. 2 im einzelnen zeigt, besteilt jedes der '!'eilstücke des Abstandhalters 10 aus zwei nebeneinander angeordneten, jeweils etwa ein Drittel eines Kreisringes bildenden Eingelementen 12, deren Enden durch etwa parallel zur Längsachse der Hohre des Kabels verlaufende Streben 15 und 16 verbunden sind. Ferner ist aus ?ig. 2 zu ersehen, daß das speichenfönaige Stützelement 14 V-förmig ausgebildet ist und daS jeder der beiden Balken 17 des Stützelementes in der Miti;e des zugehörigen Eingelementes 12 angesetzt ist.

Wie Fig. 2 ferner zeigt, sind an der dem innenliegenden Rohr zugewandten Seite der Strebe 16, die an einem Ende der Eingelemente 12 vorgesehen ist, zwei ftarzenförmige Vorsprünge 13 angebracht. An ihrer vom innenliegenden Rohr abgewandten Seite ist die Strebe 16 mit einer Kerbe 18 versehen. Die Strebe 15 am anderen Ende der Ringelemente 12 besitzt an ihrer vom inenliegenden Rohr abgewandten Seite einen Portsatz 19» der zur Kerbe 18 passend ausgebildet ist. Wie Pig. 1 zeigt, greifen Kerbe und Portsatz zweier benachbarter Teilstücke des Abstandhalten 10 ineinander und stützen einander dadurch ab. Durch die Vorsprünge 13 und die speiehenförmiger Saugelemente ¹4 sind die Rohre 4 5 gegen radiale Versc^-.e'oungen i^eils in Form einer Drei-

692940828.11.74 "^? ~

punktabstützung gegeneinander abgestützt. Da an jeder Strebe 16 der einzelnen Teilstücke zwei warzenförmige Vorsprünge 13 vorgesehen sind, ist das innenliegende Rohr zusätzlich in Form einer Sechspunktabstützung gegen Verkippungen gesichert. Die dem außenliegenden Rohr 5 zugewandte Oberkante des V-förmigen Stützelessntes 14 kann vorteilhaft als Schneide ausgebildet sein, so daß sie sich beim Umwickeln des Rohres 4 mit den schlecht wärmeleitenden Folien 9 leicht durch diese Folien hindurchdrücken kann. Die Folien legen sieh dann dicht an das Stützelement 14 an, so daS die wärmeisolierende Wirkung der Folien praktisch nicht unterbrochen wird.

Die drei Teilstucke des Abstandhalters 11 zwischen des für diesen Abstandhalter innenliegenden Rohr 5 und dem außenliegenden Rohr 7 sind ähnlich gestaltet wie die Teiletücke des Abstandhalters 10. lediglich wegen der Stickstoff rohre 6, 5ie mit dem Rohr 5 verbunden sind, ist die Form der einzelnen Teilstücke etwas modifiziert. Insbesondere sind die bügeiförmigen Ringelemente des oberen Tei?Stückes 20 so geformt, daß das Teilstück keinen Berührungskon*cakt mit dem Stickstoff rohr 6 hat. Die speiehenförmigen Stützelemente der beim Betrieb des Kabels oben liegende Teilstücke der Abstandhalter 10 und 11 können auch etwas kurzer ausgeführt sein als die speichenförmigen S-tützelemtste der übrigen Teilstücke, so daß zunächst kein unmittelbarer Kontakt zwischen den speichenförmigen Stützelementen der obenliegenden Teilstücke und den Rohren 5 bzw. 7 besteht. Die Stützelemente können an diesen Teilstücken jedoch nicht entfallen, da sie bei eventuellen Verschiebungen der Rohre in radialer Richtung in Funktion treten müssen.

Entlang des Kabels nach Fig. 1 sind in Abständen voneinander eine Reihe von Abstandhaltern 10 und 11 vorgesehen. Die schlecht wärmeleitenden Spannbänder zur Befestigung der Teilstücke der Abstandhalter auf den Rohren 4 bzw. 5 sind in Fig. 1 aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit nicht dargestellt, Beispielsweise können die Bänder um einander berührende Streben benachbarter Teilstücke so gewickelt sein, daß sie das innenliegende Rohr nicht berühren.

- 8

692940828.11.74

-S-

Andere Ausführungsf oilmen der erfinduiagsgemäßen Abstandhalter können in Einzelheiten auch von den in den Figuren 1 und 2 dargestellten bevorzugten Ausführungsformen abweichen. Beispielsweise können die Abstandhalter nicht aus Teilstücken, sondern aus einem einzigen Stück bestehen. Sie müssen dann allerdings auf die Rohre aufgeschoben werden, ferner besteht beispielsweise die Möglichkeit, statt der beiden Ringelemente 12 eines Seilstückes nur ein einziges Ringelement vorzusehen, das an den Enden mit Streben versehen sein kann, die den Streben 15 und Ic entsprechen. Statt des V-förmigen Stützelementes 14 kann bei dieser Ausführungsform beispielsweise ein dornförmiges Stützelement vorgesehen sein. Sine solche Ausführungsform dürfte Jedoch in der Segel eine etwas geringere Pestigkiit besitzen als die in den Pigurta 1 und 2 dargestellte Ausführungsform« Gerade bei mechanischen Beanspruchungen in Längsrichtung des Kabels erweisen sich die V-förmi&en Stützelemente als besonders günstig. Solche mechanischen Beanspruchungen treten beim Abkühlen des Kabels auf, da das als Strahlungsschild dienende Rohr 5 und in noch stärkerem MaJe das heliumdurchflossene Rohr beim Abkühlen schrumpfen, Während der auf Umgebungstemperatur befindliche äußere Rohrmantel 7 seine Länge nicht ändert» Wegen dieser Schrumpfung bewegen sich die einzelnen Rohre beim Ab- - kühlen des Kabels längs larer Achse gegeneinander.

Als Materialien für die Abstandhalter kommen insbesondere keramische Stoffe mit geringer Wärmeleitfähigkeit und hohdr Temperaturwechselbeständigkeit in Präge. Beispielsweise eignen sich Zirkon-Aluminium-Silikate, Gießporzellan oder Glaskeramiken mit geringen Ausdehnungskoeffizienten. Dabei ist von Vorteil, daß die keramischen Massen im Hochvakuum gu'ce Gleiteigenschaften auf Metall besitzen, so daß sich die Rohre bei den Längenänderungen beim Abkühlen gegenüber den Abstandhaltern verschieben können. Da ferner in den Zwischenräumen zwischen den Rohren 4 und 5 bzw. 5 und 7 zur thermischen Isolation ein Vakuum mit einem Restgasdruck von etwa 10"" Torr erreicht werden soll, ist es auch vorteilhaft, daß die keramischen Stoffe im Hochvakuum einen geringen Dampfdruck besitzen und daher praktisch nicht ' gasen. Neben keramischen Stoffen kommes, <&L§ Materialien für die

692940828.11.74

die Abstandhalter beispielsweise auch Kunststoffe, insbesondere Polyamide wie "Hylon" in Frage.

2 Figuren

69294082111.74

Claims (6)

• 9 «a PLA 68/1747 - 10 - • *

1. Abstandhalter aus schleckt wärmeleitendem Material zwischen, je zwei einander umschließenden Rohren, von welchen wenigstens eines auf tiefe Temperatur kühlbar ist, insbesondere bei tiefgekühlten Kabeln, wobei der Abstandhalter die Sohrwandungen nur an kleinen Oberflächenteilen berührt, gekennzeichnet durch einen das innenliegende Rohr (4) umschließenden ringförmigen Teil (12), welcher an seiner diesem Rohr zugewandten Seite zur Auflage auf dieses Rohr dienende, entlang des Rohrumfangs jeweils um etwa gegeneinander versetzte Vorspränge (13) besitzt, und durch drei a& ringförmigen Seil angesetzte, sich, in radialer Sichtung 2um auienliegenden Hokr (5) erstreckende» jeweils um etwa 120° gegen einander und um etwa 60° gegen die Torsprünge versetzte Speichenförmige Stützelemente (H).

2* Abstandhalter nach. Anspruch. 1» dadurch gekennzeichnet» daß die Vorsprünge (13) warzenförmig ausgebildet sind«

3« Abstandhalter*- nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er aus drei, jeweils etwa ein Drittel des Umfanges des innenliegenden Rohres umfassenden Teilstücken besteht (Pig. 2).

4. Abstandhalter nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß jedes Teilstück zwei, jeweils etwa ein Drittel eines Kreisrings bildende, nebeneinander angeordnete, an den Enden durch etwa parallel zur Längsachse der Rohre verlaufende Streben (15, 16) verbundene, mit Vorsprüngen (13) versehene Ringelemente (12) und ein V-förmiges Stützelement (14) aufweist und daß jeder der beiden Balken (17) des V-förmigen Stützelementes mit einem der beiden Ringelemente verbunden ist.

5. Abstandhalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Balken (17) des V-förmigen Stützelementes (14) in der Mitte des zugehörigen Ringelementes (12) angesetzt ist.

6. Abstandhalter nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet,

- 11 -

692940828.11.74

! : ,·' -"Λ.· PLA 68/1747

- 11 - , j

daß die dem außenliegenden Rohr zugewandte Kante des 7-förmigen Stützelementes (14) in Jorm einer Schneide ausgebildet ist.

7« Abstandhalter nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die an einem Ende der Ringelemente (12) eines Teilstückes vorgesehene Strebe (16) an ihrer dem innenliegeiiden Rohr zugewandten Seite zwei warzenförmige Vorsprünge (13) und an ihrer vom innenliegenden Rohr abgewandten Seite eine Kerbe (18) aufweist, daß die am anderen Ende der Ringelemente dieses Teilstücks vorgesehene Strebe (15) an ihrer vom innenliegenden Rohr abgewandten Seite einen Portsatz (19) aufweist, und daß Kerbe und Portsatz zweier benachbarter Teilstücke jeweils ineinandergreifen.

S» Abstandhalter nach sines 4er Ansprüche 5 bis f * dadurch gekennzeichnet, dafi zur Befestigung der Teilstücke auf dem innenliegenden Rohr Band oder Draht aus schlecht Wärmeleitendem
Material vorgesehen ist.