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Dokumentenidentifikation DE19743817C1 17.06.1999
Titel Kühlung eines Hochtemperatur-Kabels durch zwei Kühlmedien
Anmelder Forschungszentrum Jülich GmbH, 52428 Jülich, DE
Erfinder Giesen, Albert, 52525 Heinsberg, DE
Vertreter Kayser, C., Dipl.-Geol., Pat.-Anw., 59065 Hamm
DE-Anmeldedatum 05.10.1997
DE-Aktenzeichen 19743817
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 17.06.1999
Veröffentlichungstag im Patentblatt 17.06.1999
IPC-Hauptklasse H01B 7/34
IPC-Nebenklasse H01F 27/08   
Zusammenfassung Eine Kühlanordnung für Kabel, Spulen o. dgl. umfaßt einen ersten, inneren Bereich mit einem ersten Kühlmedium mit einer ersten Wärmekapazität und einen zweiten, inneren Bereich mit einem zweiten Kühlmedium mit einer zweiten, geringeren Wärmekapazität als der ersten Wärmekapazität, wobei das zweite Kühlmedium eine durch Leiterelemente erzeugte Wärmeenergie in einer ersten Richtung auf das erste Kühlmedium überträgt und das erste Kühlmedium die übertragene Wärmeenergie in einer zweiten Richtung, quer zu der übertragenen ersten Richtung, abführt. Die Leiterelemente sind in dem zweiten Kühlmedium des zweiten, äußeren Bereichs angeordnet, wobei das zweite Kühlmedium gasförmig und das erste Kühlmedium flüssig ist.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlanordnung für Kabel oder Spulen gemäß Oberbegriff von Anspruch 1.

Solche Kühlanordnungen sind aus dem Stand der Technik allgemein bekannt.

Herkömmliche Kühlanordnungen für Kabel sehen entweder eine äußere Luftkühlung oder eine innere Wasser- oder Ölkühlung vor. Die Nachteile dieser herkömmlich gekühlten Kabel sind z. B.:

  • - Verkalkung bei Wasserkühlung;
  • - Zerstörung oder Verschlechterung von elektrischen Isolationsmaterialien durch z. B. Öl und überhitztes Wasser;
  • - Korrosion;
  • - Unterschiede in der chemischen Spannungsreihe;
  • - Chemisches Auf- bzw. Anlösen von Isolation oder Leitermaterial;
  • - Druckempfindlichkeit von Einbauteilen bzw. Außenmantel, weil mit hohen Innendrücken gearbeitet werden muß;
  • - Austritt von Personen- oder brandgefährlichen Stoffen wie überhitztes Wasser, heißes Öl (im Störfall)
  • - Schwierig einzuhaltende Vorschriften (TÜV)

Aus DE 296 10 573 U1 ist ein Kabel bekannt, das zur Vermeidung einer, übermäßigen Wärmeabgabe an die Umgebung ein zentrales Kühlrohr aufweist, in welchem ein Kühlmedium fließt. Zusätzlich zu der zentralen Kühlung weist das Kabel eine thermische Isolierung auf, die die Kühlwirkung unterstützen soll, um eine Wärmeabgabe an die Umgebung gering zu halten. Um das zentrale Kühlrohr herum sind Leiterelemente angeordnet. Zwischen den Leiterelementen sind zwei Hohlräume ausgebildet, es ist aber nicht beschrieben, daß diese zur aktiven Unterstützung der Kühlung genutzt werden.

Aus DE-OS 19 40 148 ist ebenfalls ein Kabel mit einer zentralen Kühlung bekannt, wobei das Kühlmedium hier auch ein gasförmiges Medium sein kann. Auch bei diesem Kabel sind um ein zentrales Kühlrohr herum Leiterelemente mit Zwischenraum untereinander angeordnet. Eine Nutzung der Zwischenräume für eine aktive Kühlung ist ebenfalls nicht beschrieben.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Kühlanordnung für Kabel oder Spulen zu schaffen, mit der eine optimierte und betriebssichere Kühlung der entsprechenden Einrichtung erfolgen kann.

Die Aufgabe wird gemäß kennzeichnendem Teil von Anspruch 1 gelöst.

Der Vorteil der Erfindung gemäß Anspruch 1 beruht darin, daß die Kühlart besonders gut einsetzbar ist bei Spulen oder Kabeln, die aufgrund hoher Ströme selber hohe Temperaturen erreichen (z. B. 500°C), oder in Umgebungen mit hoher Temperatur (z. B. 700°C) betrieben werden müssen, aber auch in allen anderen Bereichen der Kühltechnik. Durch geeignete Kombination (Wasser, Gas/Öl, Gas/Öl, Wasser etc.) kann die Temperaturabstufung in vielen Fällen so eingestellt werden, daß zum Beispiel normales Wasser im normalen Druckbereich (1-4 bar) verwendet werden kann.

Weitere Vorteile einer auch unter Hochtemperatur einsetzbaren erfindungsgemäßen Kühlanordnung für Kabel, Spulen o. dgl. mit zwei Kühlmedien sind z. B.:

  • - Beim Einsatz z. B. in Vakuumgefäßen kann zur Oberflächenkonditionierung des Kabel- oder Spulenaußenmantels die Kühlwirkung auf das Außenrohr durch Evakuierung praktisch ein- und ausgeschaltet werden.
  • - Da bei dieser Kühlung keine größeren Drücke erforderlich sind, können Außen- und Innenmantel sehr dünn ausgeführt werden, d. h. kleine Biegeradien, sehr flexibel, kleiner Materialeinsatz, geringe Abmessungen.

Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche 2 bis 11.

Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im folgenden anhand der einzigen Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Kabel mit einer erfindungsgemäßen Kühlanordnung;

In Fig. 1 ist eine Kühlanordnung für ein Kabel dargestellt, das zu Drahtbündeln 1 zusammengefaßte filamentartige Leiterelemente 3 aus isoliertem Kupferdraht zur Stromführung aufweist. Ferner umfaßt die Kühlanordnung bzw. das Kabel einen inneren Bereich 5, der von einem ein Wellrohr bildenden Rohrmantel 7 abgegrenzt ist, in welchem ein erstes Kühlmedium 9 vorgesehen ist, und einen zweiten Bereich 11, der zwischen dem Rohrmantel 7 und einem äußeren, ebenfalls ein Wellrohr bildenden Rohrmantel 13 vorgesehen ist. Die Hohlräume des zweiten Bereichs 11 sind mit einem zweiten Kühlmedium 15 gefüllt.

Der zur Kühlung des Kabels notwendige Energietransport verläuft auf kurzem Weg, quer zur Kabelachse von der Kabel- bzw. Drahtoberfläche über das zweite Kühlmedium 15 durch den dünnen, inneren Wellrohrmantel 7 zum ersten Kühlmedium 9, welches die Wärmeenergie in Kabellängsrichtung abtransportiert.

Wählt man z. B. als zweites Kühlmedium 15 gasförmiges Helium, welches eine gute Wärmeleitfähigkeit - jedoch eine kleine Wärmekapazität - besitzt, transportiert man die Energie sehr effektiv auf kurzem Weg zum ersten Kühlmedium 9. Wählt man zum Beispiel als erstes Kühlmedium 9 Wasser, welches im normalen Druckbereich eine ca. 1000 mal größere Wärmekapazität als Helium besitzt, transportiert man über das strömende Wasser die Energie sehr effektiv in Kabellängsrichtung ab. Durch eine geeignete Wahl des zweiten Kühlmediums 15 können Stoffverträglichkeiten im Kabelbereich angepaßt werden, während man durch eine geeignete Wahl des ersten Kühlmediums 9 einen sehr effektiven Abtransport der Wärmeenergie über lange (Kabel-)Wege ermöglicht.

Die Gas/Wasser-Kombination hat häufig weiterhin den Vorteil, daß die Systemdrücke relativ gering gewählt werden können (die Wärmeleitfähigkeit der Gase ist im Normaldruckbereich nahezu druckunabhängig und Wassertemperatur bei geeigneter Wahl des inneren Kühlrohrdurchmessers kleiner 100°C).

Anwendungsbeispiel:

Das Kabel in Fig. 1 besteht aus 294 Kupferdrähten, die mit Polyimide (einsetzbar bis 350°C) isoliert sind.

Die Isolation der Einzeldrähte reduziert die Wirbelstromverluste erheblich, so daß dieses Kabel mit hohen Wechselströmen im Frequenzbereich bis 10 kHz betrieben werden kann. Innen- und Außenrohr sind gewellt und aus Edelstahl. Zwischen dem Kupferkabel und dem Kabelaußenrohr befindet sich eine Auspolsterung aus Glasfiber. Eine Polyimide Folie (Kapton) von 0,15 mm Dicke erleichtert das Einziehen des Kabels ohne Beschädigung der Drahtisolation und erhöht zusätzlich die elektrische Durchschlagfestigkeit auf 20 kV.

Das Kabel wird im Fusionsexperiment TEXTOR 94 innerhalb des geheizten Vakuumgefäßes (350°C) eingesetzt und wird mit gepulsten Wechselströmen bis zu 10 kA, Frequenz bis zu 10 kHz und Pulszeiten bis zu 10 Sekunden eingesetzt. Hierbei erwärmt sich das Kabel quasi adiabatisch von 50°C auf 250°C. Das Kühlwasser im Innenrohr kühlt das Kabel in ca. 6 Minuten wieder auf 50°C ab. Die Kühlmediumgeschwindigkeit beträgt 2 m/s. Das Kühlwasser tritt mit 10°C ein und hat am Ausgang der 10 m langen Spule eine maximale Temperatur von ca. 80°C. Das Kabelfüllgas Helium transportiert die Wärmeenergie von der zeitweise 250°C heißen Kabeloberfläche sehr effektiv auf kurzem Wege zum Kühlwasser, welches sich im Innenrohr befindet. Die Wärmeabfuhr ist durch die geeignete Wahl des Kühlrohrdurchmessers und der Kühlmediumgeschwindigkeit im Innenrohr so dosiert, daß das Wasser eine Temperatur von 80°C nie übersteigt.

Eine Direktkühlung mit Wasser ist hier nicht möglich, weil das Kühlwasser dann Temperaturen von 230°C (Druck 25 bar) erreichen würde und in dieser Umgebung (überhitztes Wasser) die elektrische Durchschlagfestigkeit von Polyimide unzuverlässig stark reduziert würde, wie Versuche gezeigt haben.

Der Kabelaußenmantel wird ebenfalls durch das Helium gekühlt. Da dieses Kabel innerhalb eines Vakuumgefäßes betrieben wird, in welchem alle Oberflächen bei Temperaturen von T ≥ 300°C ausheizbar sein müssen, kann durch Auspumpen des Heliums das Außenrohr thermisch isoliert werden. Durch Wärmestrahlung vom Vakuumgefäß auf das Kabelaußenrohr kann so das Außenrohr bei Temperaturen von größer 300°C konditioniert werden, ohne die Isolation des inneren Kabels mit Temperaturen von größer 250°C zu beaufschlagen.

Nach dieser Konditionierung wird durch das Einlassen des Heliums die Kühlung praktisch wieder "eingeschaltet". Bei einer normalen Wasserkühlung wäre das Konditionieren wesentlich aufwendiger und durch die Materialunverträglichkeit zwischen überhitztem Wasser und Polyimide ist hier sogar die direkte Wasserkühlung nicht einsetzbar.


Anspruch[de]
  1. 1. Kühlanordnung für Kabel oder Spulen, mit einem ersten, inneren Bereich, in welchem ein erstes Kühlmedium mit einer ersten Wärmekapazität vorhanden ist, und mit einem zweiten, äußeren Bereich, in welchem Leiterelemente angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite, äußere Bereich (11) zwischen den Leiterelementen (3) während des Betriebs der Kühlanordnung mit einem zweiten Kühlmedium (15) befüllbar ist, das eine geringere Wärmekapazität aufweist als das erste Kühlmedium (9).
  2. 2. Kühlanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterelemente (3) in dem zweiten Kühlmedium (15) des zweiten, äußeren Bereichs (11) angeordnet sind.
  3. 3. Kühlanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Kühlmedium (15) gasförmig ist.
  4. 4. Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Kühlmedium (9) flüssig ist.
  5. 5. Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Bereich (5) von einem inneren Rohrmantel (7) abgegrenzt ist.
  6. 6. Kühlanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Bereich (11) von einem äußeren Rohrmantel (13) abgegrenzt ist.
  7. 7. Kühlanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Bereich (11) zwischen dem inneren Rohrmantel (7) und einem äußeren Rohrmantel (13) angeordnet ist.
  8. 8. Kühlanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterelemente (3) isolierte Kupferdrähte sind.
  9. 9. Kühlanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die isolierten Kupferdrähte zu Drahtbündeln (1) zusammengefaßt sind.
  10. 10. Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Rohrmantel (7) ein Wellrohr ist.
  11. 11. Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Rohrmantel (13) ein Wellrohr ist.






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