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Supraleitende Energieübertragungsleitung
Die Erfindung betrifft supraleitende Energieübertragungsleitungen (Kabel) mit drei oder mehreren, die Supraleiter umgebenden, gegeneinander durch schlecht wärmeleitende Abstandshalter abgestützen, hohlzylindrischen Mänteln, zwischen denen sich evakuierte und bzw. oder von verflüssigten Gasen erfüllte Räume befinden.
Um die Stromleiter solcher supraleitender Kabel auf tiefsten, in der Nähe des absoluten Nullpunktes liegenden Temperaturen zu halten, werden bekannter Weise die Leiter im Inneren normaler Metallrohrleitungen, welche die Kühlflüssigkeit, z. B. flüssiges Helium, enthalten oder indirekt durch die Kühlflüssigkeit gekühlt sind, untergebracht (s. z. B. Mac Fee Power Engineering oct 1961, S. 80 - 82). Zur Wärmeisolation nach aussen wurde hiebei die Anordnung konzentrischer, die Metallrohrleitung umgebender, mittels schlechtleitender Abstandshalter gegeneinander und gegen das ursprüngliche Rohr abgestützter Rohre vorgesehen, zwischen denen sich Vakuum oder flüssige Gase befinden. Als Abstandshalter wurden Einlagen, z. B. aus schlechtwärmeleitendem V2A Stahl vorgeschlagen, welche die Rohrwandungen nur an kleinen Oberflächenteilen berühren.
Eine bekannte Ausführung sieht einen zwischen zwei evakuierten konzentrischen Hohlräumen eingeschalteten, mit Stickstoff erfüllten Raum vor, welcher dazu dient, das Temperaturgefälle zwischen der Aussenluft und dem flüssigen Helium zu unterteilen, um die von der 4. Potenz der Temperatur abhängigen Strahlungsverluste gegenüber Ausführungen mit nur einem evakuierten Zwischenraum herabzusetzen. In den evakuierten Räumen werden in neuerer Zeit in bekannter Weise auch Glas- oder Kunststoffasem, Metallpulver oder Metallfolien, die wie zwischengeschaltete, das Temperaturgefälle weiter unterteilende Spiegel wirken und eine starke Verringerung der Strahlungsverluste bewirken, angewendet (Superisolation).
Supraleitende Kabel solcher bekannter Bauart besitzt jedoch den schwerwiegenden Nachteil, dass die den Wärmeschutz bildenden Rohre aus Transportgründen aus kurzen Rohrstücken zusammengesetzt werden müssen, die erst nach Verlegung im Gelände durch Verlöten oder Verschweissen zu einem einheitlichen Rohrstrang verbunden werden, was nur mit ausserordentlichen Kosten und Inkaufnahme grosser Störanfälligkeit der Rohrleitungen hinsichtlich ihrer Gas- und Vakuumdichtheit verwirklicht werden kann. Um die erforderliche Wärmedehnung der Rohre im Betrieb zu ermöglichen, ist es bei den bisher vorgeschlagenen Kabelausführungen weiters auch nötig, zusätzliche Vorkehrungen (wie etwa die Einschaltung von Rohrbögen oder von kurzen Metallschläuchen) im Zuge der Rohrleitungen vorzusehen.
Durch die Erfindung sollen diese Nachteile der bekannten Kabelausführungen vermieden werden.
Dies geschieht erfindungsgemäss dadurch, dass der äusserste Mantel in an sich bekannter Weise als nach Art eines Metallschlauches geformtes, biegsames dehnbares und dichtes Wellrohr ausgebildet ist, und dass auch die übrigen Mäntel der Leitung aus solchen Wellrohren bestehen.
Bei flüssigkeitsgekühlten Energieübertragungskabeln ist es zwar bereits bekannt, den äusseren Kabelmantel als Wellrohr auszubilden. Das Wellrohr dient in diesem bekannten Fall in erster Linie zur Aufnahme von Kühlflüssigkeit, d. h. also eines Mediums, dessen Aufgabe es ist, aus dem inneren Rohr des Kabels möglichst grosse Wärmemengen durch Wärmeleitung aufzunehmen.
Bei supraleitenden Energieübertragungsleitungen liegen hingegen prinzipiell andersgeartete Vor-
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aussetzungen vor. Durch die erfindungsgemässe Ausführung, die auch von den Vorteilen der bekannten Wellrohre Gebrauch macht, werden die entscheidenden Hemmnisse, die der praktischen Verwendbarkeit von supraleitenden Übertragungsleitungen bisher entgegenstanden,. überwunden. Es besteht nun erstmalig die Möglichkeit, solche Energieübertragungsleitungen in Längen von etwa 1, 500 m und darüber in einem Stück herzustellen, so dass sie auf Trommeln aufgewickelt transportiert, nach Abrollung von den Trommeln wie ein gewöhnliches Kabel im Gelände verlegt und miteinander zu beliebig langen Rohrleitungen verbunden werden können. Durch die in grossen Längen auf Spezialmaschinen herstellbaren, z.
B. aus Aluminium bestehenden Wellrohre entfallen die beiden bisher bekannten supraleitenden Kabeln erforderlichen zahlreichen Verbindungsstellen der kurzen Rohrstücke im Gelände, woraus sich eine erhebliche Ersparnis an Montagekosten ergibt.
Mit dem Fortfall der zahlreichen Nahtstellen des Kabels ist eine ausserordentliche Zunahme der Be- triebtsicherheit verbunden, da die beträchtlichen Probleme der gas-und vakuumdichten Ausführung der Leitung, die nach den bekannten Ausführungsvorschlägen nur mit grossen Kosten und unter Inkaufnahme erheblicher Störanfälligkeit der Rohrleitungen gelöst werden konnten, entfallen. Darüber hinaus sind die Wellrohre infolge ihrer Flexibilität auch in der Lage, starke Wärmedehnungen aufzunehmen, so dass auf die bisher in Vorschlag gebrachten Massnahmen zur Ermöglichung der Wärmedehnungen von supraleitenden Kabeln verzichtet werden kann.
Auch in betrieblicher Hinsicht bietet die erfindungsgemässe Ausbildung des Kabels erhebliche Vorteile. Auf Grund der absoluten bzw. Vakuumdichtheit der Wellrohre und ihrer grossen mechanischen Widerstandsfähigkeit besteht nämlich die Möglichkeit, in den evakuierten Zwischenräumen ein Vakuum von 10 : 4 bis 10-6 mm Quecksilbersäule, wie es mittels billiger und betriebssicherer Vorpumpen und HgDiffusionspumpen erreicht werden kann, aufrechtzuerhalten.
Nach einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass die evakuierten Räume zwischen den Wellrohren mindestens teilweise durch Glas- oder Kunststoffasern oder Metallfolien ausgefüllt sind. Eine solche Übertragungsleitung wird somit den aus Wirtschaftlichkeitsgründen zu stellenden hohen Anforderungen hinsichtlich reduzierter Wärmeleitungs-und Strahlungsverluste voll und ganz gerecht.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung können die zwischen den Wellrohren angeordneten Abstandshalter vorzugsweise auf den Rohren mit jeweils dem kleineren Durchmesser befestigt sein, und können die Abstandshalter ein mit der Oberfläche der Wellrohre im wesentlichen in Punkt- oder Linienberührung stehendes Profil aufweisen. Damit wird die direkte Wärmeleitung in radialer Richtung von Rohr zu Rohr nahezu unterbunden. Die unbehinderte Wärmedehnung der einzelnen Wellrohre bleibt hiebei gewahrt. Auch die mechanische Funktion der Abstandshalter, die zwischen den Rohren auftretenden Kräfte aufzunehmen, wird durch die letztgenannte Massnahme in keiner Weise beeinträchtigt.
Die Wärmeleitungsverluste des Kabels können erfindungsgemäss noch weiter reduziert werden, wenn die Abstandshalter in Richtung ihrer Längserstreckung abwechselnd Abschnitte mit vollem Profilquerschnitt und Abschnitte mit verringerter Querschnitthöhe aufweisen. Damit werden die Berührungsflächen zwischen den Abstandshaltern und den Wellrohren noch wesentlich verkleinert.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann es sich als vorteilhaft erweisen, wenn die auf der Aussenseite Abstandshalter tragenden Wellrohre gegenüber den Wellrohren mit dem jeweils nächst grösseren Durchmesser soviel Spiel besitzen, dass sie in das im Gelände verlegte Wellrohr mit dem nächst grösseren Durchmesser einziehbar sind. Daraus erfolgt eine erhebliche Vereinfachung und Erleichterung der Montage des Kabels an der Baustelle.
Eine weitere Montageerleichterung ist schliesslich erfindungsgemäss dadurch gegeben, dass die bifilaren oder sonst eng nebeneinanderliegenden oder koaxial ausgeführten einzelnen Supraleiter im innersten Wellrohr locker verlegt und gegebenenfalls in das im Gelände verlegte Wellrohr einziehbar sind. Diese Verlegungsart der Supraleiter gewährleistet die unbehinderte Wärmedehnung der Wellrohre, unabhängig von den darin untergebrachten Supraleitern. Es kann daher niemals zu axialen Verspannungen des verlegten Kabels kommen.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 und 2 je ein Beispiel einer bekannten Ausführung eines supraleitenden Kabels in schematischer Darstellung, Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Kabelausführung nach der Erfindung, teilweise im Schnitt und Fig. 4 einen Querschnitt der Kabelausführung nach Fig. 3.
Die einfachste Ausführungsform eines supraleitenden Übertragungskabels gemäss Fig. l weist ein die in flüssiges Helium He eingebetteten supraleitenden Leiter L enthaltendes Innenrohr R auf, welches von einem durch Abstandshalter A abgestützten konzentrischen Hüllrohr umgeben ist. Die
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beiden Rohre begrenzen einen ringförmigen evakuierten Zwischenraum V1'Bei dieser Ausführung treten durch die Wärmeleitung über die Abstandshalter A verhältnismässig grosse Wärmeverluste und durch die mangelhafte Isolierung auch erhebliche Strahlungsverluste auf.
Einen ersten Schritt zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit solcher Kabel stellt die bekannte Ausführung nach Fig. 2 dar. Hier ist zur Unterteilung des Temperaturgefälles zwischen der Aussenluft und dem flüssigen Helium die Anordnung zweier konzentrischer evakuierter Räume V1 und V ; mit dazwischenliegendem, mit flüssigem Stickstoff Nz erfüllten Raum vorgesehen. Trotz der durch diese Bauart erzielbaren Reduzierung der Wärmeleitungs- und Strahlungsverluste ist eine wirtschaftliche Verwendbarkeit solcher Energieübertragungsleitungen dadurch in Frage gestellt, dass sie aus verhältnismässig kurzen Rohrstücken durch Verschweissen oder Verlöten zu einem Rohrstrang der gewünschten Länge verbunden werden müssen.
Die hohen Kosten und die grosse Störanfälligkeit dieter bekannten Ausführung standen der praktischen Verwendung solcher supraleitender Kabel bisher im Wege.
Bei der erfindungsgemässen Ausführung nach Fig. 3 und 4 bestehen sowohl der äusserste als auch alle übrigen konzentrischen Mäntel der Leitung aus nach Art von Metallschläuchen geformten, biegsamen dehnbaren und dichten Wellrohren. Zwischen den aufeinanderfolgenden Wellrohren befinden sich abwechselnd evakuierte Räume V und mit flüssigem Stickstoff N ; erfüllte Zwischenräume. Die gegenseitige Stützung der Wellrohre erfolgt durch in den evakuierten Räumen V und dem mit Stickstoff Ne erfüllten Zwischenraum angeordnete, im Querschnitt etwa dreieckige Abstandshalter, welche vorzugsweise auf den Rohren mit jeweils dem kleineren Durchmesser befestigt sind. Mit der Oberfläche der Wellrohre mit dem jeweils grösseren Durchmesser stehen diese Abstandshalter im wesentlichen nur in Punkt-oder Linienberührung.
In der Längsrichtung des Kabels verlaufen die Abstandshalter, wie aus Fig. 3 ersichtlich, nach Schraubenlinien und weisen vorzugsweise aufeinanderfolgende Abschnitte mit vollem Profilquerschnitt und Abschnitte mit verringerter Querschnittshöhe auf (vgl. Fig. 4 unten). Auf der Aussenseite Abstandshalter tragende Wellrohre besitzen gegenüber den Wellrohren mit dem nächst grösseren Durchmesser soviel Spiel, dass sie bei der Verlegung des Kabels im Gelände leicht in das Wellrohr mit dem nächst grösseren Durchmesser eingezogen werden können.
Es empfiehlt sich, die im innersten Wellrohr befindlichen einzelnen Supraleiter locker zu verlegen, damit allfällig auftretende Wärmedehnungen der Wellrohre durch die Supraleiter nicht behindert werden.
Im Rahmen der Erfindung sind zahlreiche, von den dargestellten und beschriebenen Ausführungbeispielen abweichende Ausführungen supraleitender Kabel möglich. So unterliegen insbesondere die Abstandshalter hinsichtlich ihrer Form, Anordnung und Materialwahl keiner Beschränkung.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Supraleitende Energieübertragungsleitung (Kabel) mit drei oder mehreren, die Supraleiter umgebenden, gegeneinander durch schlecht wärmeleitende Abstandshalter abgestützten, hohlzylindrischen Mänteln, zwischen denen sich evakuierte und bzw. oder von verflüssigten Gasen erfüllt Räume befinden, dadurch gekennzeichnet, dass der äusserste Mantel in an sich bekannter Weise als nach Art eines Metallschlauches geformtes, biegsames dehnbares und dichtes Wellrohrausgebildetist, und dass auch die übrigen Mäntel der Leitung aus solchen Wellrohren bestehen.
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