DE3928085A1 - Superconductor with wavy conduit - has coolant path provided by helical surface profile - Google Patents
Superconductor with wavy conduit - has coolant path provided by helical surface profileInfo
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Supraleiter aus einem gewellten Trägerrohr für die Leiterelemente und geschichteten Bandlagen außerhalb des Trägerrohres, deren unterste Lage unmittelbar auf dem Trägerrohr aufliegt.The present invention relates to a superconductor a corrugated support tube for the conductor elements and layered strip layers outside the carrier tube, the lowest layer rests directly on the carrier tube.
Supraleiter bzw. solche enthaltende elektrische Kabel sind bereits bekannt (DE-PS 20 26 951). Bei dieser bekannten Konstruktion wird ein gewelltes Metallrohr verwendet, das gleichzeitig als Träger für eine supraleitfähige Schicht dient und außen mit Bändern aus einem Isoliermaterial bewickelt ist, wobei diese Isolierung dicht an den Erhebungen des gewellten Metallrohres anliegt. Diese Maßnahmen sollen dazu dienen, eine Verkürzung der Leiterelemente während der Abkühlung auf ein erträgliches Maß zu beschränken und die Kontraktionen der Isolierung und der Leiterelemente einander so weit anzupassen, daß gefährliche mechanische Spannungen innerhalb des Kabels vermieden werden. Diese Gefahr bestand bei den bekannten Kabeln deshalb, weil die auf Basis Niob-Zinn hergestellten supraleitfähigen Leiter auf Temperaturen, die in der Nähe des absoluten Nullpunktes liegen, abgekühlt werden mußten, um die geforderte Supraleitfähigkeit zu erreichen. Bei solchen Temperaturen unterscheiden sich die Kontraktionen der im Kabel sehr unterschiedlichen Materialien beträchtlich. So schrumpft beispielsweise ein Leitermaterial wesentlich weniger als ein Isoliermaterial, welches für die Umhüllung der Leiter dient. Diese unterschiedlichen Kontraktionen können zu unerwünschten Relativbewegungen der Leiter und der Isolierung führen und Beschädigungen oder Zerstörungen des Kabels verursachen. Die Erfindung geht demgegenüber von den ebenfalls bereits bekannten supraleitfähigen Werkstoffen auf Basis keramischer Materialien aus, bei denen die Supraleitung bereits bei 100 K und darüber erreicht wird.Superconductors or electrical cables containing them already known (DE-PS 20 26 951). In this known A corrugated metal pipe is used in the construction at the same time as a carrier for a superconducting layer serves and outside with tapes made of an insulating material is wound, this insulation close to the Elevations of the corrugated metal tube is present. These Measures should serve to shorten the Conductor elements while cooling to a tolerable level Limit measure and the contractions of the insulation and the conductor elements to match each other so far that dangerous mechanical stresses within the cable be avoided. This danger existed with the known ones Cables because they are based on niobium tin superconducting conductor at temperatures that are close of absolute zero, had to be cooled, to achieve the required superconductivity. At at such temperatures, the contractions differ the very different materials in the cable considerably. For example, it shrinks Conductor material much less than an insulating material, which is used for covering the conductors. These Different contractions can lead to unwanted ones Relative movements of the conductors and the insulation lead and Cause damage or destruction of the cable. In contrast, the invention is based on the same known superconducting materials based ceramic materials in which the superconductivity is already achieved at 100 K and above.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen elektrischen Leiter anzugeben, der der elektrischen Stromübertragung insbesondere auch der Energieübertragung dienen kann, wobei je nach der geforderten Leistung mit höheren Leitquerschnitten gerechnet werden muß. Darüberhinaus soll die an elektrische Leiter gestellte Forderung der Biegbarkeit und Trommelbarkeit im fertigen Zustand nach wie vor gewährleistet sein.Based on this state of the art Invention, the object of an electrical conductor specify the electrical power transmission can also serve in particular for energy transmission, depending on the required performance with higher Lead cross sections must be calculated. In addition, the requirement of electrical conductors Flexibility and drumability in the finished state after be guaranteed as before.
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß die Bandlagen des Supraleiters mit einem supraleitfähigen Material beschichtete oder ein solches Material enthaltende und als Leiterelemente dienende Bänder oder Folien sind. Abgesehen davon, daß eine solche Konstruktion insbesondere auch zur Energieübertragung verwendet werden kann, wenn entsprechend große Leitquerschnitte gewählt werden, wird durch die Aufteilung des Stromweges in einzelne Pfade die sogenannte Stromverdrängung positiv beeinflußt. Durch das gewellte Trägerrohr das parallel gewellt, aber auch mit einer wendelförmigen Wellung versehen werden kann, ist die Biegbarkeit und Trommelbarkeit jederzeit gewährleistet. Dabei kann die Biegbarkeit bzw. Flexibilität noch durch die Ausbildung der Wellung selbst gesteuert werden in dem beispielsweise die Wellung flach verläuft oder als sogenannte Tiefwellung ausgebildet ist. This object is achieved according to the invention in that the tape layers of the superconductor with a superconducting Material coated or such a material containing tapes and serving as conductor elements or Slides are. Aside from being one Construction especially for energy transmission can be used if appropriately large Lead cross sections are selected by the division the current path into individual paths the so-called Current displacement positively influenced. Through the curled Carrier tube that corrugated in parallel, but also with one helical corrugation can be provided Bendability and drumability guaranteed at all times. The bendability or flexibility can still by the formation of the curl can be controlled in the for example, the corrugation is flat or as so-called deep corrugation is formed.
In Durchführung der Erfindung bestehen die Folien oder Bänder aus einem leitfähigen Trägermaterial, das mit den supraleitfähigen Werkstoffen beschichtet ist. Als supraleitfähige Werkstoffe können vorzugsweise die bekannten keramischen Materialien dienen, die als Mischoxide im Markt sind und u. a. Kupfer, Blei oder Wismut enthalten. Für die weitere Zusammensetzung solcher Supraleiter sind mindestens eines der Elemente der Gruppen 2 und 3 des periodischen Systems wesentlich, wobei aus der Gruppe 2 vor allem das Strontium (Sr) und das Barium (Ba) verwendet werden, die in Kombination mit Elementen der Gruppe 3, wie Yttrium (Y) und Lanthan (La) bereits zu hohen Sprungtemperaturen in der Forschung geführt haben.In the implementation of the invention, the films or Tapes made of a conductive carrier material, which with the superconducting materials is coated. As superconductive materials can preferably known ceramic materials serve as Mixed oxides are on the market and u. a. Copper, lead or Bismuth included. For the further composition of such Superconductors are at least one of the elements of the groups 2 and 3 of the periodic system, whereby from the Group 2 especially the strontium (Sr) and the barium (Ba) can be used in combination with elements of Group 3, such as yttrium (Y) and lanthanum (La) already too high jump temperatures in research.
Eine andere Möglichkeit zur Durchführung der Erfindung ist die, daß die Folien oder Bänder aus einem isolierenden Trägermaterial bestehen, in das die supraleitfähigen Werkstoffe, also etwa die keramischen Mischoxide integriert sind. Bei der Herstellung solcher Folien oder Bänder könnte z. B. auf ein bekanntes Verfahren (DE-OS 37 28 767) zurückgegriffen werden, bei dem zur Herstellung von Supraleitern auf Keramikbasis mit hohen Sprungtemperaturen, wie z. B. YBa2Cu3O7 dem pulverförmigen supraleitenden Material ein Mischpolymerisat aus Ethylen und Vinylacetat beigemischt und dieses Gemisch durch Walzen oder dergleichen weiter zu einem Band oder zu einer Folie verarbeitet wird.Another possibility for carrying out the invention is that the films or tapes consist of an insulating carrier material into which the superconducting materials, that is to say the ceramic mixed oxides, are integrated. In the manufacture of such films or tapes, for. B. fall back on a known method (DE-OS 37 28 767), in which for the production of ceramic-based superconductors with high transition temperatures, such as. B. YBa 2 Cu 3 O 7 mixed with the powdery superconducting material, a copolymer of ethylene and vinyl acetate and this mixture is further processed by rolling or the like into a tape or a film.
Werden für die Zwecke der Erfindung mit dem keramischen, supraleitfähigen Werkstoff beschichtete Bänder oder Folien verwendet, dann hat es sich als vorteilhaft erwiesen daß in dem aus Lagen bestehenden elektrischen Leiter die supraleitfähigen Schichten mit den Schichten des Trägermaterials in der radialen Reihenfolge einander abwechseln. Für den Fall daß als Trägermaterialien normal leitende Metalle verwendet werden, dienen diese gleichzeitig der Stabilisierung des Übertragungssystems, wenn bei Ausfall des Kühlmittels eine Supraleitfähigkeit nicht erreichbar ist.Are used for the purposes of the invention with the ceramic, superconducting material coated tapes or foils used, then it has proven to be advantageous that in the layered electrical conductor superconducting layers with the layers of the Carrier material in the radial order one another alternate. In the event that normal as carrier materials conductive metals are used, these serve at the same time stabilizing the transmission system, if superconductivity occurs when the coolant fails is not available.
Je nach vorhandenen Fertigungseinrichtungen können die Bandlagen mit oder aus dem supraleitfähigen, vorzugsweise keramischen Material in unterschiedlicher Weise auf das Trägerrohr aufgebracht werden. Stehen die in der Kabeltechnik üblichen Spinneinrichtungen zur Verfügung, dann wird man zweckmäßig die einzelnen Lagen durch Umwickeln auf das Trägerrohr aufbringen. Eine andere Möglichkeit ist die, durch geeignete Formwerkzeuge die einzelnen Bänder oder Folien in Längsrichtung einlaufen zu lassen und rohrförmig um das Trägerrohr herumzulegen. Dabei können die Kanten der Bänder oder Folien einander überlappen, aber auch stumpf gegeneinander stoßen, wobei man in diesem Falle zweckmäßig bei der nächsten Lage die Trennstelle am Umfang des Trägerrohres an einer anderen Stelle vorsieht. Werden die Bänder oder Folien um das Trägerrohr herum in einen Wickelvorgang aufgebracht, dann ist es oft zweckmäßig, die Schlagrichtung und/oder die Schlaglänge der wendelförmig aufgebrachten Folien oder Bänder von Lage zu Lage wechseln zu lassen. Damit läßt sich ein kompakter Schichtenaufbau erreichen.Depending on the existing manufacturing facilities, the Tape layers with or from the superconductive, preferably ceramic material in different ways on that Carrier tube are applied. Are they in the Usual spinning equipment available then you will expediently go through the individual layers Apply wrapping to the carrier tube. Another The possibility is that with suitable molding tools individual tapes or foils run in in the longitudinal direction leave and put tubular around the support tube. The edges of the tapes or foils can match each other overlap, but also butt against each other, whereby in this case it is advisable to use the next layer Separation point on the circumference of the support tube at another Provides for. Are the tapes or foils around that Carrier tube applied around in a winding process, then it is often advisable to change the direction and / or the Lay length of the helically applied foils or Have tapes changed from layer to layer. So that leaves achieve a compact layer structure.
Die gemäß der Erfindung in einem Schichtenaufbau außerhalb des Trägerrohres angeordneten Leiterelemente können unmittelbar von einer gewickelten, einer gasförmigen oder extrudierten Isolierung umschlossen werden sie können aber auch zunächst von einer z. B. extrudierten leitfähigen Schicht umgeben werden. In Weiterführung der Erfindung kann als äußerer Abschluß aber auch zunächst ein gewelltes Metallrohr verwendet werden das auf der obersten Band- oder Folienlage dicht aufliegt. In diesem Fall ist es auch möglich, dieses Metallrohr an seiner Innenfläche mit einer supraleitfähigen, vorteilhaft keramischen Schicht auszurüsten, die mit zur Stromübertragung verwendet werden kann. Ebenso kann man in bekannter Weise auch das Trägerrohr innen oder außen mit einer supraleitfähigen Schicht versehen, die mit zur Stromübertragung herangezogen wird oder Steuer- oder Regelzwecken dienen kann.The according to the invention in a layer structure outside arranged conductor elements of the support tube directly from a wound, a gaseous or extruded insulation they can be enclosed but also initially from a z. B. extruded conductive layer are surrounded. In continuation of the Invention can also be used as an external conclusion corrugated metal tube are used on the uppermost layer of tape or foil lies tightly. In this It is also possible to attach this metal pipe to its case Inner surface with a superconductive, advantageous to equip the ceramic layer with the Power transmission can be used. You can also in known manner also with the support tube inside or outside a superconducting layer provided with the Electricity transmission is used or tax or Rule purposes can serve.
Die Erfindung sei anhand der in den Fig. 1 und 2 als Ausführungsbeispiele dargestellten Supraleiter näher erläutert.The invention will be explained in more detail with reference to the superconductors shown as exemplary embodiments in FIGS. 1 and 2.
Der Supraleiter nach der Fig. 1 besteht zunächst aus dem gewellten aus Metall bestehenden Trägerrohr 1, das mit einer Parallelwellung versehen ist, aber auch eine wendelförmig verlaufende Wellung aufweisen kann. Es dient z.B. zur Führung des zur Aufrechterhaltung der Supraleitfähigkeit benötigten Kühlmittels, beispielsweise flüssigen Stickstoffs. Über dem Wellrohr sind die einzelnen Lagen 2 aus mit einem keramischen Material beschichteten oder ein solches Material enthaltenden Bänder oder Folien aufgebracht. Diese einzelnen Bandlagen umgeben das Trägerrohr 1 entweder wendelförmig oder sie sind rohrförmig von Lage zu Lage um das Trägerrohr 1 in Längsrichtung herumgelegt. Der äußere Abschluß 3, z.B. aus einem geeigneten Kunststoff, schützt den Lagenaufbau der supraleitfähigen Leiterelemente und dient beispielsweise gleichzeitig als innere Leitschicht oder Isolierung eines Kabels. Selbstverständlich können zusatzlich weitere Schichten aufgebracht werden, z.B. eine Isolierung, eine äußere Leitschicht, ein Schirm oder ein Mantel.The superconductor according to Fig. 1 consists primarily of the corrugated metal-made carrier tube 1 which is provided with a Parallelwellung, but may also have a helically extending corrugation. It is used, for example, to guide the coolant required for maintaining superconductivity, for example liquid nitrogen. The individual layers 2 of tapes or foils coated with a ceramic material or containing such a material are applied over the corrugated tube. These individual band layers either surround the support tube 1 in a helical shape or they are placed in the form of a tube from position to position around the support tube 1 in the longitudinal direction. The outer termination 3 , for example made of a suitable plastic, protects the layer structure of the superconducting conductor elements and serves, for example, at the same time as an inner conductive layer or insulation of a cable. Of course, additional layers can also be applied, for example insulation, an outer conductive layer, a screen or a jacket.
Je nach dem, in welcher Form und in welcher Breite die erfindungsgemäßen Bänder oder Folien auf das Trägerrohr aufgebracht werden, können mehr oder weniger große Hohlräume 4 zwischen dem gewellten Trägerrohr 1 und der untersten Bandlage 2 entstehen. Diese Hohlräume können mit einem zusätzlichen Leiterelement ausgefüllt werden, das beispielsweise auch supraleitfähige Eigenschaften hat und in die Wellentäler des Trägerrohres eingewickelt wird, wenn es sich um ein solches mit einer wendelförmig verlaufenden Wellung handelt. Dieses zusätzliche leitfähige Element kann dann für Steuer- oder Regelzwecke eingesetzt werden es kann aber auch ein Temperatur- oder Leckfühler sein, der die Betriebssicherheit des Kabels im supraleitfähigen Zustand erhöht. Wird auf diese Maßnahmen kein Wert gelegt, können die Hohlräume 4 auch mit einer isolierenden oder leitfähigen Masse ausgefüllt werden.Depending on the form and the width in which the tapes or foils according to the invention are applied to the carrier tube, more or less large cavities 4 can arise between the corrugated carrier tube 1 and the lowest band layer 2 . These cavities can be filled with an additional conductor element, which, for example, also has superconducting properties and is wrapped in the troughs of the carrier tube if it is one with a helical corrugation. This additional conductive element can then be used for control purposes, but it can also be a temperature or leak sensor which increases the operational reliability of the cable in the superconductive state. If no value is placed on these measures, the cavities 4 can also be filled with an insulating or conductive material.
Abweichend von der Fig. 1 sieht der in der Fig. 2 dargestellte elektrische Supraleiter eine Konstruktion vor, bei der das der Führung des Kühlmittels dienende gewellte Metallrohr 5 durch eine veränderte Wellung eine erhöhte Flexibilität aufweist, die der gesamten Konstruktion zugute kommt. Über dem gewellten Metallrohr ist wiederum der Schichtenaufbau gemäß der Erfindung vorgesehen, d. h. es sind in einer Vielzahl von Lagen mit einem supraleitfähigen, keramischen Material beschichtete oder ein solches Material enthaltende Bänder oder Folien 6 vorgesehen die den eigentlichen Supraleiter bilden. Nach außen abgeschlossen wird dieser Schichten- oder Lagenaufbau durch ein zweites ebenfalls gewelltes Metallrohr 7, das vorteilhaft die gleiche Wellung wie das innerste Trägerrohr 5 aufweist. Im Innern dieses Wellrohres kann eine zusätzlich supraleitfähige Schicht 8 vorgesehen sein die entweder mit zur Stromübertragung, d. h. zur Bildung eines Parallelpfades zu den Bändern oder Folien dient, aber auch zu Steuer- oder Regelzwecken innerhalb des Leiters selbst herangezogen werden kann. Unabhängig von dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann der erfindungsgemäße Supraleiter auch der elektrischen Nachrichtenübermittlung dienen, wobei beispielsweise jede Folie oder jedes Band im Schichtenaufbau einen für sich getrennten Strompfad zur Übertragung der Nachrichtensignale bildet.Deviating from the Fig. 1 illustrated in the FIG. 2 electrical superconductor provides a construction in which the guide has the coolant serving corrugated metal tube 5 by a changed corrugation increased flexibility, which benefit the overall construction. The layer structure according to the invention is again provided above the corrugated metal tube, ie strips or foils 6 which are coated with a superconductive, ceramic material or contain such a material are provided in a multiplicity of layers and form the actual superconductor. This layer or layer structure is closed off from the outside by a second likewise corrugated metal tube 7 , which advantageously has the same corrugation as the innermost carrier tube 5 . Inside this corrugated tube, an additional superconducting layer 8 can be provided, which is used either for current transmission, ie for forming a parallel path to the strips or foils, but can also be used for control purposes within the conductor itself. Irrespective of the exemplary embodiment shown, the superconductor according to the invention can also be used for electrical message transmission, with, for example, each film or each band in the layer structure forming a separate current path for the transmission of the message signals.
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