DE3027616A1

DE3027616A1 - Stuetzstruktur zur uebertragung grosser kraefte

Info

Publication number: DE3027616A1
Application number: DE3027616A
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl.-Phys. Ing.(grad.) 8520 Erlangen Elsel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1980-07-21
Filing date: 1980-07-21
Publication date: 1982-02-11
Also published as: DE3027616C2; US4418325A

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT-3 - Unser Zeichen Berlin und München VPA 80 P 7 5 4 9 DE

Stützstruktur zur Übertragung großer Kräfte

Die Erfindung bezieht sich auf eine Stützstruktur zur Übertragung großer Kräfte zwischen einer tiefstgekühlten ,supraleitenden Magnetwicklung und einem auf höherem Temperaturniveau liegenden, kraftaufnehmenden Abstützungskörper mit zumindest annähernd in Kraftübertragungsrichtung weisenden Stützelementen, zwischen denen Versteifungselemente angebracht sind, und mit mindestens einem flächenhaften Wärmeschild. Eine entsprechende Stützstruktur ist z.B. aus der US-Patentschrift 3,980,981 bekannt.

Solche Stützstrukturen werden insbesondere für induktive supraleitende Speichereinrichtungen benötigt. Der große Vorteil solcher Speichereinrichtungen ist darin zu sehen,

12 daß mit ihnen Energien in Größenordnungen von 10 Joule oder höher in einem verhältnismäßig kleinen Raum zu speichern sind, wobei Energiedichten von etwa 10 Joule/ cnr bei magnetischen Flußdichten von etwa 5 Tesla erreicht werden. Derartig hohe Flußdichten können in Magnetwicklungen wirtschaftlich nur mit Hilfe von sogenannten technischen Typ II-Supraleitern wie Nlob-Titan (Nb-Ti), Niob-Zinn (Nb,Sn) oder Vanadium-Gallium (V,Ga) erzeugt werden. Entsprechende Speichereinrichtungen enthalten im allgemeinen eine Anzahl koaxialer Solenoide aus diesen Leitern, in die während Niederlastzeiten von vielen Stunden die elektrische Energie über Wechselrichter aus einem angeschlossenen

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Netz eingespeist wird. In Spitzenlastzeiten kann dann die benötigte Energie in Minuten oder Stunden in das Netz wieder abgegeben werden.

Gemäß einem Vorschlag einer entsprechenden supraleitenden Energiespeichereinrichtung, mit der mehrere Gigawattstunden zu speichern sein sollen, sind drei Magnetwicklungen vorgesehen, die jeweils einen Durchmesser zwischen 120 bis 150 m haben, 4 bis 5 m breit und 8 bis 10 m hoch sind. Diese Wicklungen sollen an Ort und Stelle in Tunnelstollen erstellt werden, die in Felsgestein getrieben sind ("IEEE Transactions on Magnetics", Vol. MAG-11, No. 2, März 1975, Seiten bis 488).

Die von der supraleitenden Wicklung eines Gigawatt-MagnetSpeichers ausgehenden Kräfte wie z..B. Lorentz-

11 Kräfte können in der Größenordnung von 10 Newton liegen. Diese sehr hohen Kräfte müssen von einer Stützstruktur zwischen der supraleitenden Magnetwicklung und einem äußeren, kraftaufnehmenden Abstützkörper, für den insbesondere aus Kostengründen Naturfels vorgesehen wird, sicher zu übertragen sein. Darüber hinaus besteht eine Hauptforderung an eine hierfür geeignete Stützstruktur, daß die über sie hervorgerufenen thermischen Verluste durch Pestkörperwärmeeinleitung so klein wie möglich zu halten sind, da die Wirtschaftlichkeit eines supraleitenden Energiespeichere insbesondere auch durch diese thermischen Verluste bestimmt ist.

Diese Anforderungen soll auch die aus der US-Patentschrift 3,980,981 bekannte Stützstruktur erfüllen. Diese Stützstruktur enthält gemäß einer Ausführungsform säulenartige Stützelemente, die sich radial bezüglich der Achse der supraleitenden Magnetwicklung nach außen etwa in Kraftübertragungsrichtung erstrecken. Diese Stützelemente sind außerdem durch

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Drähte gegenseitig verspannt, um so eine ausreichend stabile Stützstruktur zu schaffen (Fig. 1). Auch können jeweils zwei Stützelemente an ihrem der Magnetwicklung zugewandten Ende an einem gemeinsamen Stützpunkt angreifen, so daß sie die beiden Schenkel einer A-förmigen Stützanordnung darstellen. Die Stützelemente einer solchen Stützanordnung sind außerdem noch durch quer zur Abstützungsrichtung verlaufende Versteifungselemente in einer festen gegenseitigen Lage gehalten (Fig. 3). Darüber hinaus sind bei den bekannten Stützstrukturen etwa konzentrisch um die Magnetwicklung verlaufende, flächenhafte thermische Strahlungsschilde vorgesehen, welche aus metallischen Flächen und Superisolation bestehen.

Es wurde jedoch festgestellt, daß diese bekannten Stützstrukturen, insbesondere auch mit A-förmigen Stützen, nur eine verhältnismäßig geringe Knickfestigkeit aufweisen. Um ein Ausknicken der belasteten Stützen zu verhindern, müssen dann die Stützen der bekannten Stützstruktur einen ausreichend großen Materialquerschnitt haben. Dies führt jedoch zu entsprechend hohen Verlusten durch Wärmeeinleitung auf die tiefstgekühlten Teile der Speichereinrichtung.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die Stützstruktur der eingangs genannten Art so zu gestalten, daß mit ihr die in einer supraleitenden Energiespeichereinrichtung auftretenden hohen Kräfte sicher zu übertragen sind und dennoch die thermischen Verluste durch Festkörperwärmeeinleitung über den Stützenquer schnitt verhältnismäßig gering sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß alle Stützelemente und alle Versteifungselemente

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flächenhaft ausgebildet sind und eine wabenförmige Struktur bilden und daß mindestens eine Ebene von Versteifungselementen den Wärmeschild bildet, der in bekannter Weise mittels eines durch KUhlkanäle geführten Kühlmittels auf einer vorbestimmten Zwischentemperatur gehalten ist.

Die Vorteile dieser Gestaltung einer Stützstruktur bestehen insbesondere darin, daß ihr wärmeleitender, im Hinblick auf die zulässigen Druck-, Zug- und Schubspannungen dimensionierter Stützenquerschnitt aufgrund der Wabenform verhältnismäßig klein zu halten ist. Außerdem kann an der oder den gleichzeitig als Wärmeschild wirkenden Ebenen aus Verstärkungselementen ein Großteil des über die Stützstruktur übertragenen Wärmestromes von einem entsprechenden Kühlmittel abgeführt werden. Die thermischen Verluste durch Festkörperwärmeeinleitung lassen sich somit auf ein verhältnismäßig geringes Maß begrenzen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Stützstruktur nach der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren in den Unteransprüchen gekennzeichneten Weiterbildungen wird auf die Zeichnung verwiesen, in deren Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Stützstruktur nach der Erfindung schematisch dargestellt ist. Fig. 2 zeigt einen Teil einer weiteren solchen Stützstruktur. In Fig. 3 ist eine typische Kraftbelastung einer solchen Stützstruktur veranschaulicht.

Die in Fig. 1 in Schrägansicht gezeigte, allgemein mit 2 bezeichnete Stützstruktur soll zur Kraftübertragung zwischen einer nichc dargestellten,tiefst-

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zukühlenden supraleitenden Magnetwicklung einer Energiespeichereinrichtung und einem etwa auf Raumtemperatur liegenden,kraftaufnehmenden Abstützungskörper, der insbesondere Felsgestein sein kann, dienen. Ihre an der Magnetwicklung anliegende Seite ist mit 3 bezeichnet und befindet sich somit auf Tieftemperatur von beispielsweise 1,8 K, während ihre Grundseite 4 an dem Abstützungskörper anliegt und sich somit auf etwa Raumtemperatur von beispielsweise 300 K befindet. Die Stützstruktur enthält eine Vielzahl von flächenhaften Stützelementen 5, die parallel und mit gleichem Abstand a* zueinander angeordnet sind und sich zumindest annähernd in Kraftübertragungsrichtung erstrecken. Jedes Stützelement ist dabei etwa trapezförmig ausgebildet, wobei seine innere, kalte Seite die Breite b₁ und seine äußere Grundseite die Breite b₂ hat. Die parallelen, sich in Kraftübertragungsrichtung erstreckenden Ebenen der Stützelemente 5 sind orthogonal von zumindest annähernd senkrecht zur KraftUbertragungsriehtung verlaufenden Ebenen von Versteifungselementen 6 durchsetzt. Die parallelen Ebenen dieser Versteifungselemente sind dabei ebenfalls etwa annähernd gleich untereinander um eine Größe a₂ beabstandet.

Stützelemente 5 und Versteifungselemente 6 sind fest miteinander verbunden und bilden eine gemeinsame wabenförmige Struktur mit rechteckigen Waben 7. Zur weiteren Versteifung dieser Wabenstruktur kann diese noch mindestens eine in Kraftübertragungsrichtung weisende, senkrecht bezüglich der Ebenen der Stützelemente 5 und der Versteifungselemente 6 verlaufende Versteifungsebene enthalten. Gemäß der Figur ist eine einzige solche Versteifungsebene in Form einer Mittelwand 8 der Struktur 2 vorgesehen.

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Als Material für die Struktur 2 wird vorteilhaft ein glasfaserverstärkter Kunststoff, insbesondere eine Epoxidmatrix vorgesehen.

Bei der Stützstruktur nach der Erfindung dienen vorteilhaft einzelne der von den Yersteifungselementen 6 gebildeten Ebenen zugleich als Wärmeschilde, indem sie in bekannter Weise auf vorbestimmten, konstanten Temperaturniveaus gehalten werden. Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach der Figur sind zwei Ebenen 10 und

11 als Wärmeschilde vorgesehen, die beispielsweise von einem oder auch mehreren Kühlmitteln etwa auf 10 K bzw. 70 K gehalten werden. Hierzu sind innerhalb der Stützstruktur 2 längs der Schnittkanten, an denen sich die Ebenen der Stützelemente 5 und der Versteifungselemente 6 durchsetzen, Bohrungen vorgesehen oder Rohre

12 eingelassen, in denen durch Pfeile 13 bzw. 14 angedeutete Kühlmittelströme hindurchgeführt werden.

Zur Verbesserung der Wärmeleitung dieser auch als Wärmeschild dienenden Querebenen 10 und 11 mit konstantem Temperaturniveau sowie der an der Magnetwicklung anliegenden Ebene 3 und der an dem Abstützungskörper anliegenden äußeren, warmen Ebene 4 sind in diese Teile der Stützstruktur noch besondere Körper aus einem thermisch gut leitenden Material wie z.B. Kupfer eingelagert. Geeignete wärmeleitende Körper sind z.B. Drähte 15 oder auch Bänder oder Gewebe. Mit dieser Maßnahme wird gewährleistet, daß sich die Ebenen 3, 4, 10 und auf vorbestimmten, zumindest annähernd konstanten Temperaturniveaus befinden.

In der Figur ist ferner die auf die Stützstruktur 2 einwirkende resultierende Gesamtkraft durch einen Pfeil 16 angedeutet, die sich bei Betrieb der Speichereinrichtung einstellt.

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Da die Stützstruktur 2 eine hohe Knicksteifigkeit und Schubfestigkeit aufgrund ihrer Wabenstruktur hat, ist ein Ausknicken auch unter hoher Kräfteinwirkung nicht zu befürchten. Dennoch ist die Wärmeeinleitung von dem warmen Abstützungskörper auf die Magnetwicklung verhältnismäßig gering, da der wärmeleitende Stützungsquerschnitt, der im Hinblick auf die zulässigen Druck-, Zug- und Schubspannungen dimensioniert ist, verhältnismäßig klein ist.

Die in Fig. 1 dargestellte Stützstruktur kann beispielsweise dadurch hergestellt werden, daß man auf der Vorder- und Rückseite einer durchgehenden, als Mittelwand 8 dienenden Platte wabenförmige Elemente vorbestimmter Stärke und Geometrie aufgesetzt, die den Wirkungsrichtungen der Wicklungskräfte angepaßt sind, so daß eine möglichst geringe Wärmeleitung gewährleistet ist.

In Fig. 2 ist eine weitere Stützstruktur TJ, nach der Erfindung teilweise und in Schrägansicht angedeutet. Dabei sind mit Fig. 1 übereinstimmende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Abweichend von der Stutzstruktur 2 nach Fig. 1 verlaufen die Kühlrohre 18 der Stützstruktur XJ_ längs der als Wärmeschilde wirkenden Ebenen 10 und 11 mit konstantem Temperaturniveau nicht in Richtung der Schnittlinien zwischen diesen Ebenen und den Ebenen der Stützelemente 5, sondern orthogonal zu den Ebenen dieser Stützelemente.

Wie aus dem Vergleich dieser Stützstruktur T7 Bit der Stützstruktur 2 gemäß Fig. 1 hervorgeht, kann gegebenenfalls auf eine in Kraftübertragungsrichtung weisende, versteifende Mittelebene, die in Fig. 1 mit 8 bezeichnet ist, verzichtet werden.

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Gemäß den StützStrukturen nach den Fig. 1 und 2 wurde angenommen, daß die Waben dieser Strukturen zumindest annähernd rechtwinklige Gestalt haben. Es können jedoch auch nicht-rechtwinklige Waben vorgesehen werden. Neben der Wabenform kann auch die Stärke der einzelnen Wabenwände an den Kraftfluß angepaßt werden, wobei zweckmäßig die Materialeigenschaften bis zu den Belastungsgrenzen ausgenutzt werden. Im allgemeinen werden die äußeren, begrenzenden Flächen der StUtzstrukturen eine größere Stärke haben als ihre inneren Wabenwände.

Gemäß einem konkreten Ausführungsbeispiel der in Fig. 1 gezeigten Stützstruktur 2 aus mit Glasfasern verstärktem Epoxld haben die Seiten 3 und 4, die beiden äußeren Stützelemente 5 sowie die Mittelebene 8 jeweils eine Stärke von 18 mm, währerΊ die übrigen Teile dar- Stütz struktur 10 mm stark sind. Die Ausdehnung in Kraftübertragungsrichtung beträgt etwa 1,2 m, wobei der jeweilige Abstand zwischen den Ebenen 4, 11, 10 und 3 etwa 40 cm beträgt. Die gesamte Stützstruktur ist in Richtung senkrecht zur Kraftübertragungsrichtung etwa 3,83 m lang, wobei der Abstand a.* zwischen benachbarten Stutzelementen 5 etwa 24 cm beträgt. Auf der Raumtemperaturseite hat die Stützstruktur eine Breite bp von etwa 40 cm und auf der Tieftemperaturseite »ine Breite b^ von etwa 20 cm. Mit dieser Stützstruktur lassen sich die in Fig. 3 angedeuteten Kräfte übertragen, ohne daß ein Ausknicken der belasteten Struktur zu befürchten ist. Die in der Figur auf die in Seitenansicht angedeutete Stützstruktur 2 einwirkenden,durch Pfeile 20 veranschaulichten Kräfte sind für eine Energiespeichereinrichtung mit supraleitenden Magnetwicklungen der eingangs genannten Größenordnung typisch. Die durch einen Pfeil 16 ange-

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deutete Gesamtkraft kann dabei z.B₀ etwa 2 · 10 Newton betragen, während ihre einzelnen, durch Pfeile 20 veranschaulichten Kraftkomponenten etwa zwischen 5 · 10 und 1,5 · 10 Newton groß sind.

11 Patentansprüche
3 Figuren

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Claims

Patentansprüche

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( 1J Stützstruktur zur Übertragung großer Kräfte zwischen einer tiefstgekühlten,supraleitenden Magnetwicklung und einem auf höherem Temperaturniveau liegenden, kraftaufnehmenden AbStützungskörper mit zumindest annähernd in Kraftübertragungsrichtung weisenden Stützelementen, zwischen denen Versteifungselemente angebracht sind, und mit mindestens einem flächenhaften Wärmeschild, dadurch gekennzeichnet, daß alle Stützelemente (5) und alle Versteifungselemente (6) flächenhaft ausgebildet sind und eine wabenförmige Struktur (2, Y[) bilden und daß mindestens eine Ebene (10; 11) von Versteifungselementen (6) den Wärmeschild bildet, der in bekannter Weise mittels eines durch Kühlkanäle geführten Kühlmittels auf einer vorbestimmten Zwischentemperatur gehalten ist.
2. Stützstruktur nach Anspruch 1, gekenn zeichnet durch Stützelemente (5) und Versteifungselemente (6) aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff.
3. Stützstruktur nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Stützelemente (5) und Versteifungselemente (6) aus glasfaserverstärktem Epoxid.
4. Stützstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch geke nnzeichnet, daß Kühlkanäle bildende Kühlrohre (12, 18) in die Stützstruktur (2 bzw. T7) integriert sind.
5. Stützstruktur nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlrohre

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Bohrungen in der Stützstruktur dienen.
6. Stützstruktur nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlrohre (12) an den Kreuzungskanten zwischen Versteifungselementen (6) und Stützelementen (5) verlaufen (Fig. 1).
7. Stützstruktur nach Anspruch 4 oder 5, d a -

durch gekennzeichnet, daß die Kühlrohre (18) senkrecht bezüglich der Stützelemente (5) verlaufen (Fig. 2).
8. Stützstruktur nach einem der Ansprüche 2 bis 7, gekennzeichnet durch Teile aus einem Material guter thermischer Leitfähigkeit in den ¥ersteifungselementen (6) des Wärmeschildes (10, 11).
9. Stützstruktur nach Anspruch 8, dadurch

gekennzeichnet, daß die wärmeleitenden Teile Drähte (15) oder Bänder oder Netze aus Kupfer sind.
10. Stützstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch mindestens eine integrierte Versteifungsebene (8) in Kraftübertragungsrichtung senkrecht zu den Ebenen der Stützelemente (5) und Versteifungselemente (6).
11. Stützstruktur nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß die Versteifungsebene eine Mittelwand (8) der Struktur (2) ist.

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