Die Erfindung betrifft eine Supraleitungsvorrichtung mit einem elektrischen, mittels eines Kryogens kühlbaren Leiter sowie die Verwendung eines syntaktischen Schaums.

Syntaktische Schäume sind im Stand der Technik bereits bekannt. Die WO 2008/110979 A2 beschreibt einen syntaktischen Schaum als elektrischen Isolierstoff für Hochspannungsanwendungen. Der syntaktische Schaum besteht aus einer Polymermatrix, zum Beispiel Epoxydharz, in die Mikrohohlkugeln als Füllstoff eingebracht sind. Die Mikrohohlkugeln können beispielsweise aus Glas gefertigt sein und sollten eine dünne Wandstärke aufweisen. Die Mikrohohlku- geln können mit einem Gas gefüllt sein, zum Beispiel mit Luft, N2, C02 oder S02. Die Erfindung kann Einsatz finden an Supraleitungsvorrichtungen, die einen elektrischen, mittels eines Kryogens kühlbaren Leiter aufweisen. Eine solche supraleitende Anordnung muss in der Regel eine thermische Isolierung für das Kryogen sowie eine elektrische Isolierung für den stromführenden Leiter aufweisen. Die thermische Isolierung verhindert ein Aufwärmen des Kryogens, um die Kühlenergie des Kryostaten gering zu halten. Bekannte fluide Kryogene sind beispielsweise flüssiger Wasserstoff, flüssiger Stickstoff und flüssiger Sauerstoff.

Ein Beispiel für eine Supraleitungsvorrichtung ist ein supraleitendes Kabel. Ein solches Kabel wird beispielsweise in der DE 699 28 129 T2 offenbart. Das dort beschriebene mehrphasige Kabel weist mehrere Leiter auf, die hohl ausgestaltet sind, wobei im Inneren der Leiters ein Kryogen strömen kann. Um den Leiter herum ist ein Dielektrikum zur elektrischen Isolierung angeordnet. Das Dielektrikum befindet sich zwischen dem Leiter und einem koaxialen Rückführlei- ter, wobei das Dielektrikum die beiden Leiter gegeneinander isoliert. Als Kryogen wird flüssiger Stickstoff verwendet, der typischerweise eine Temperatur zwischen 65 K und 90 K bereitstellt. Der Leiter, das Dielektrikum sowie der Rückleiter werden zusammen wiederum von einem Kryogen umströmt, so dass sich das Dielektrikum gleichfalls auf Kryogentemperatur befindet. Zur thermi- sehen Isolation ist die rohrförmige Hülle von einem„Superwärmeisolator" umgeben, das aus mehreren metallisierten Bändern gebildet wird, die aus einem Polyesterharz bestehen und lose gewickelt sind, ggf. unter Verwendung von dazwischen angeordneten Abstandsstücken. Die äußeren Schichten werden von einem kapselnden Metallrohr sowie einer Polymerhülle gebildet. Dadurch, dass sich das Dielektrikum auf Kryotemperatur befindet, wird dieser Aufbau auch Anordnung mit„kaltem Dielektrikum" genannt. Ein weiteres Beispiel eines solchen supraleitenden Kabels wird in der US 2009/229 848 A1 beschrieben.

Es sind darüber hinaus auch Anordnungen möglich, bei denen zunächst die thermische Isolierung des Kryogens erfolgt, wobei dann weiter außen liegend um die thermische Isolierung die elektrische Isolierung angeordnet ist, so dass sich das elektrisch isolierende Material im Warmen befindet. Aus diesem Grund wird ein solcher Aufbau auch als Anordnung mit„warmem Dielektrikum" bezeichnet.

Nachteilig an der im Stand der Technik beschriebenen Supraleitungsvorrichtung ist der komplexe Aufbau, da neben der thermischen Isolierung auch eine davon unabhängige elektrische Isolierung vorgesehen werden muss.

Die Erfindung hat zur Aufgabe, eine Supraleitungsvorrichtung mit einem vereinfachten Aufbau auszugestalten. Die Erfindung löst die Aufgabe mit den Patentansprüchen 1 und 12. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Bestandteil der abhängigen Patentansprüche.

Eine erfindungsgemäße Supraleitungsvorrichtung ist derart ausgestaltet, dass sie einen syntaktischen Schaum zur thermischen und elektrischen Isolierung aufweist.

Dadurch, dass der syntaktische Schaum sowohl die thermische als auch die elektrische Isolierung leisten kann, wird der Aufbau der Supraleitungsvorrich- tung vereinfacht, da sonstige Maßnahmen zur elektrischen und thermischen Isolierung vereinfacht werden oder bestenfalls ganz unterbleiben können.

Durch den syntaktischen Schaum kann der Leiter elektrisch nach außen isoliert werden, wobei ferner das Kryogen thermisch nach außen isoliert werden kann.

Als syntaktischer Schaum im Sinne der Erfindung wird insbesondere ein Material verstanden, welches eine Polymermatrix umfasst, in die Mikrohohlkugeln eingebracht sind. Mögliche Materialien für die Polymermatrix sind unter ande- rem starre und flexible Epoxydharze, Silikone, Silikongele oder weitere

Kunststoffe. Mögliche Materialien für die Mikrohohlkugeln sind unter anderem Glas, Keramik oder Kunststoff. Mikrohohlkugeln sind hohle, mit einem Fluid, insbesondere Gas, gefüllte Kugeln mit einem mittleren Durchmesser von unter 1 mm, insbesondere von unter 500 \im. Die Mikrohohlkugeln sollten eine dünne Wandstärke aufweisen, die im Bereich von weniger als 100 m, insbesondere im Bereich von weniger als 10 μιη liegen können. Als Füllgas kann beispielsweise Luft, N2, C02, S02 oder SF6 verwendet werden.

Der syntaktische Schaum sollte zur thermischen und elektrischen Isolierung somit den Leiter und das Kryogen, z.B. flüssiger Wasserstoff, flüssiger Stickstoff und flüssiger Sauerstoff, umgeben. Wenn der syntaktische Schaum die vollständige thermische Isolierung leistet, kann der Raum auf der vom Leiter abgewandten Seite des syntaktischen Schaums kryogenfrei sein. Bevorzugt ist der Leiter hohl ausgestaltet und von dem Kryogen durchströmbar. Der Leiter kann auch, insbesondere zusätzlich, von dem Kryogen umströmbar sein. Bevorzugt wird der syntaktische Schaum nicht mehr entweder als„kaltes" oder als„warmes" Dielektrikum verwendet, sondern als„kalt-warmes" Dielektrikum, da der Schaum auf der einen Seite im Kalten und auf der anderen Seite im Warmen liegt. Der Schaum trennt somit den Warmbereich vom Kalt- bereich. Der syntaktische Schaum kann eine dem Leiter zugewandte Kaltseite und eine vom Leiter abgewandte Warmseite aufweisen, so dass innerhalb des syntaktischen Schaums eine ausgeprägte Temperaturverteilung vorliegt. Auf der Kaltseite kann somit im Wesentlichen die Kryogentemperatur, insbesondere weniger als -150°C, vorliegen, wobei auf der Warmseite eine deutlich wär- mere Normaltemperatur, insbesondere mehr als -50° C, vorzugsweise eine Umgebungstemperatur, vorliegen kann.

Auf der Kaltseite des syntaktischen Schaums kann sich somit auch der auf hohem Potential liegende Leiter befinden, wohingegen auf der Warmseite nur auf niedrigem Potential oder auf Nullpotential liegende Elemente angeordnet sind.

Der syntaktische Schaum kann zwischen dem Leiter und einem Leitelement aus elektrisch leitendem Material liegen, wobei der syntaktische Schaum den Lei- ter vom Leitelement elektrisch isoliert. Aufgrund der Feststoffeigenschaften des syntaktischen Schaums kann der syntaktische Schaum den Leiter zudem gegenüber dem Leitelement mechanisch abstützen.

Als Supraleitungsvorrichtung kann beispielsweise ein supraleitendes Kabel ver- standen werden, wobei bevorzugt der syntaktische Schaum zwischen dem Leiter und dem elektrisch leitenden Kabelschirm angeordnet ist. Die Erfindung ist allerdings nicht auf supraleitende Kabel beschränkt, sondern kann bei sämtli- chen supraleitenden Vorrichtungen verwendet werden, bei denen eine thermische und elektrische Isolierung erfolgen muss.

Die Erfindung umfasst ferner die Verwendung eines syntaktischen Schaums als elektrisches und thermisches Isoliermaterial bei Supraleitungsvorrichtungen, insbesondere der bereits beschriebenen Art.

Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Fig. 1 und Fig. 2 beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein supraleitendes Kabel mit einem durchströmten Leiter im

Querschnitt; und

Fig. 2 ein supraleitendes Kabel mit einem umströmten Leiter im Querschnitt.

Die Fig. 1 zeigt ein supraleitendes Kabel 1 , welches aus mehreren Schichten aufgebaut ist. Es umfasst einen hohlen Leiter 4a aus einem supraleitenden Material, durch den ein Kryogen 3 strömt, beispielsweise flüssiger Stickstoff. Das Kryogen 3 kühlt den Leiter 4a auf eine Kryogentemperatur, die beispiels- weise im Bereich von -200 ° C liegt, so dass der Leiter 4a supraleitend wird.

Um den Supraleiter 4a und den Strömungskanal für das Kryogen 3 herum ist ein syntaktischer Schaum 5 angeordnet, welches beispielsweise aus einem Epoxydharz als Polymermatrix besteht, in das luftgefüllte Mikrohohlkugeln mit einem Durchmesser im Bereich von 100 \im und einer Wandstärke im Bereich von 1 μιη eingebracht sind. Der Raum der Supraleitungsvorrichtung 1 auf der vom Leiter 4a abgewandten Seite 10 des als thermisches und elektrisches Isoliermaterial wirkenden syntaktischen Schaums 5 ist kryogenfrei. Das supraleitende Kabel weist ferner einen Kabelschirm 6 aus elektrisch leitendem Metall auf, so dass der syntaktische Schaum 5 den Leiter 4a gegenüber dem Kabelschirm 6 als elektrisches Leitelement isoliert. Der syntaktsiche Schaum 5 leistet somit eine mechanische Abstützung zwischen elektrischem Leiter 4a und elektrischem Leitelement 6. Um den Kabelschirm 6 herum ist eine polymere Außenhülle als Kabelmantel 7 angeordnet.

Der syntaktische Schaum 5 weist eine dem Leiter 4a zugewandte Kaltseite 9 auf, deren Temperatur ebenfalls im Bereich der Kryotemperatur liegt. Da der syntaktische Schaum neben der Funktion der elektrischen Isolierung auch als thermischer Isolator wirkt, nimmt die Temperatur im Inneren des syntaktischen Schaums stark zu, so dass auf der Warmseite 10 des syntaktischen Schaums 5, die auf der vom Leiter 4a abgewandten Seite liegt, auf Normaltemperatur ist, beispielsweise auf Umgebungstemperatur. Die Schichtdicke des syntaktischen Schaums 5 ist derart dimensioniert, dass sowohl eine thermische als auch eine elektrische Isolierung gewährleistet ist. Sie hängt somit u.a. von der Kryogentemperatur, der zulässigen Normaltemperatur sowie der Differenz zwischen den elektrischen Potentialen des Leiters 4a und des Schirms 6 ab.

Die Fig. 1 stellt lediglich eine schematische Zeichung dar. Das supraleitende Kabel 1 kann noch weitere funktionsbedingte Schichten aufweisen. Ferner kann das Kabel auch mehrphasig ausgestaltet sein. Die Fig. 2 zeigt ein weiteres Supraleitungskabel 2 in Abwandlung des in Fig. 1 dargestellten Supraleitungskabel 1 . Als wesentlicher Unterschied zu dem in Fig. 1 gezeigten Kabel 1 , weist das in Fig. 2 dargestellte Kabel 2 einen elektri- sehen Leiter 4b auf, der von einem Kryogen 3 umströmt ist. Der Leiter 4b könnte zusätzlich auch hohl ausgestaltet sein und gleichzeitig von dem Kryogen durchströmt sein.

Das Kryogen 3 strömt gemäß Fig. 2 in einem Ringraum zwischen syntaktischem Schaum 5 und Leiter 4b. Zur mechanischen Abstützung des Leiters 4b in dem Ringraum dienen insbesondere sternförmig angeordnete Stege 8, die vorzugsweise auch aus dem syntaktischen Schaum hergestellt sind.

Koaxial um den Leiter 4b ist wiederum ein Kabelschirm 6 angeordnet, wobei der radiale Raum zwischen Kabelschirm 6 und Leiter 4b von dem Kryogen 3 sowie dem syntaktischen Schaum 5 gefüllt ist. Um den Kabelschirm 6 herum ist wiederum eine Polymerhülle 7 angeordnet.

Die gezeigten Supraleitungsvorrichtungen sind insbesondere für Mittel- und Hochspannungsanwendungen ausgestaltet. Neben einem supraleitenden Kabel kann die Supraleitungsvorrichtung beispielsweise auch als supraleitende Spule ausgestaltet sein. Bezugszeichen:

1 supraleitendes Kabel

2 supraleitendes Kabel

3 Kryogen

4 Leiter

5 syntaktischer Schaum

6 Kabelschirm

7 Kabelmantel

8 Steg

9 Kaltseite

10 Warmseite