CH615779A5

CH615779A5 - Band-shaped superconductor

Info

Publication number: CH615779A5
Application number: CH637677A
Authority: CH
Inventors: Johann Dipl Ing Rudolph; Guenter Dr Dipl Phys Ries; Cord-Heinrich Dr Dipl Dustmann
Original assignee: Vacuumschmelze Gmbh; Kernforschungsz Karlsruhe
Priority date: 1976-06-12
Filing date: 1977-05-24
Publication date: 1980-02-15
Also published as: FR2354614A1; FR2354614B1; GB1559462A

Description

Die Erfindung betrifft einen bandförmigen Leiter mit mehreren aus Supraleitermaterial und bei der Betriebstemperatur des Supraleitermaterials elektrisch normalleitendem Metall zusammengesetzten Leiteradern, die um ein Band aus unmagnetischem, elektrisch normalleitendem, metallischem Material hoher Zugfestigkeit verseilt sind.

Derartige bandförmige Leiter eignen sich insbesondere für Einsatzzwecke, bei denen sie einerseits hohe Ströme tragen sollen und demzufolge einen verhältnismässig grossen Gesamtquerschnitt haben müssen, bei denen sie andererseits aber nur geringe Wechselstromverluste aufweisen sollen. Solche Wechselstromverluste können beispielsweise in mit Gleichstrom betriebenen Supraleitungsspulen infolge der Strom- und Magnetfeldänderungen beim Auferregen der Spulen entstehen oder durch Induktionswirkung veränderlicher äusserer Magnetfelder, in denen sich die Spulen befinden, oder bei einem Betrieb von Spulen mit gepulsten Strömen. Die beiden letztgenannten Fälle treten beispielsweise bei Supraleitungsmagnetspulen für den Einschluss von Plasmen bei Fusionsreaktoren bzw. entsprechenden experimentellen Einrichtungen auf.

Das innerhalb des bandförmigen Leiters liegende Band aus unmagnetischem, metallischem Material dient einmal als Träger für die einzelnen Leiteradern und soll zum anderen zumindest einen Teil der innerhalb der Spulenwicklung beim Betrieb der Spulen wirkenden Zugkräfte aufnehmen. Seine Zugfähigkeit sollte daher in der Regel höher sein als die des normalleitenden Materials der Leiteradern selbst, also beispielsweise von Kupfer oder Aluminium.

Die einzelnen um das Band herum verseilten Leiteradern können dabei wie bei einem aus der DT-PS 1 639 421, insbesondere Spalte 5, Zeile 1 bis Spalte 6, Zeile 6 bekannten bandförmigen Leiter jeweils einen supraleitenden draht- bzw. fadenförmigen Kern enthalten, der von einem stabilisierenden Metallmantel, beispielsweise aus Kupfer, umgeben ist.

Noch günstiger ist es aber, insbesondere bei Magnetspulen die mit gepulsten Strömen betrieben werden oder verhältnismässig rasch veränderlichen Feldern ausgesetzt sind, wenn die einzelnen Leiteradern als Vielkernleiter ausgebildet sind, also in einer Matrix aus gut elektrisch und thermisch leitendem, bei der Betriebstemperatur des Supraleiters elektrisch normalleitendem Metall, wie Kupfer oder Aluminium, eine Vielzahl von supraleitfähigen Filamenten enthalten. Die Filamente der einzelnen Leiteradern können dabei vorteilhaft um die Achse der Adern verdrillt sein (vergleiche DT-PS 1439 266 und DT-AS

1 917 084). Ein bandförmiger Leiter, bei dem aus solchen Viel-kernleitern bestehenden Leiteradern um einen bandförmigen Träger herumgewickelt sind, ist beispielsweise als Zwischenprodukt bei der Herstellung eines Hohlleiters aus der DT-OS

2 035 654, insbesondere Fig. 10, bekannt.

Bei Magnetspulen, bei denen der Leiter veränderlichen Magnetfeldkomponenten sowohl parallel als auch senkrecht zum Verlauf der supraleitfähigen Filamente ausgesetzt ist, kann es ferner günstig sein, den Umlaufsinn der Verdrillung innerhalb der einzelnen Leiteradern jeweils nach bestimmten Abständen zu ändern, so dass ein sogenannter «alternierender Twist» entsteht (vergleiche den Aufsatz von Ries und Jüngst in «CRYOGENICS» 16 (1976), Seite 143 bis 146).

Die supraleitfähigen Filamente der Leiteradern können beispielsweise aus supraleitenden Legierungen, wie Niob-Titan-Legierungen, bestehen und beispielsweise in eine Kupfermatrix eingelagert sein. Ferner kommen auch Supraleiteradern in Frage, die Filamente aus intermetallischen Verbindungen, wie NbsSn oder VsGa, enthalten, welche beispielsweise in eine. Matrix aus einer Kupfer-Zinn- oder Kupfer-Gallium-Bronze eingebettet sind. Die letztgenannten Leiteradern können dann noch zusätzlich, beispielsweise mit Kupfer, stabilisiert sein.

Durch die Aufteilung des Leiters in einzelne Adern mit einer Vielzahl von Filamenten, die Verdrillung dieser Filamente um die Aderachse und das Verseilen der Adern um ein Band wird im Vergleich zu einem einfachen bandförmigen Leiter mit

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parallel zueinander verlaufenden, in gut elektrisch normalleitendes Metall eingelagerten Supraleitern, wie er etwa aus der FR-PS 1440 228 bekannt ist, die Entstehung von Wirbelströmen und damit von Wechselstromverlusten im normalleitenden Metall der Leiteradern weitgehend unterdrückt. Falls die Kontaktwiderstände zwischen den nebeneinander liegenden Leiteradern zur wirksamen Unterdrückung von Wirbelströmen, die mehrere Leiteradern umgreifen, nicht ausreichen sollten, können die Leiteradern zusätzlich durch elektrisch isolierendes Material oder elektrisch normalleitendes Metall voneinander getrennt werden, welches schlechter leitet als das Stabilisierungsmetall der Leiter selbst.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Leiter der eingangs erwähnten Art derart auszugestalten, dass auch in dem Band hoher Zugfestigkeit Wirbelströme möglichst unterdrückt und somit die Wechselstromverluste auch in diesem Band sehr klein gehalten werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass in der Mittelebene des Bandes aus dem metallischen Material hoher Zugfestigkeit eine Isolierschicht vorgesehen ist.

Besonders günstig kann dies derart technisch realisiert werden, dass die Isolierschicht aus Keramikpulver besteht und von dem metallischen Material des Bandes allseitig umschlossen ist.

Ein solches Band lässt sich auf ähnliche Weise wie sogenannte mineralisolierte Leitungen herstellen und hat den besonderen Vorteil, dass das aus Keramikpulver bestehende Isoliermaterial auch bei höheren Temperaturen beständig ist, wie sie beispielsweise bei dem an anderer Stelle noch zu erläuternden Verlöten der Leiteradern mit dem Band auftreten können. Falls für grosse Spulenwicklungen sehr lange, das heisst mehrere Kilometer lange Bänder erforderlich sein sollten, können mehrere Fertigungslängen des Bandes miteinander verschweisst werden. An den Verschweissstellen wird dabei die Isolierung zwar möglicherweise unterbrochen, da dies jedoch innerhalb einer Spule nur an wenigen Stellen der Fall ist, dürfte sich die Unterbrechung kaum nachteilig auswirken.

Bei einer Weiterausbildung der Erfindung, bei der die Isolierschicht aus einer Folie aus Isoliermaterial besteht, um welche das metallische Material des Bandes herumgefaltet ist, wird auch bei sehr langen Bändern die Isolierung nicht unterbrochen. Hier können einfach zunächst die Fertigungslängen des Metallbandes miteinander verbunden und dann unter Einlegen der Isolierfolie gefaltet werden.

Wenn für das Band sehr hohe Zugfestigkeiten erforderlich sind, ist es günstig, für das metallische Material des Bandes eine Legierung aus 75 bis 80 Gew.-% Nickel, 15 bis 21 Gew.-%

Chrom und, abgesehen von weiteren Zusätzen von insgesamt weniger als 2%, als Rest Eisen zu verwenden. Solche Legierungen sind beispielsweise unter der Normbezeichnung NiCr 80 20 bekannt. Eine andere vorteilhafte Möglichkeit besteht darin, für das metallische Material des Bandes einen Stahl zu verwenden, der abgesehen von geringfügigen Zusätzen an Wolfram, Titan und Tantal im wesentlichen aus 18 Gew.-% Chrom, 8 Gew.-% Nickel und als Rest Eisen besteht.

Wenn an die Zugfestigkeit weniger hohe Anforderungen gestellt werden, kann das metallische Material des Bandes auch aus einer Kupfer-Nickel-Legierung, beispielsweise mit etwa 30 Gew.-% Nickel, 0,4 bis 1 Gew.-% Eisen und 0,5 bis 1,5 Gew.-% Mangan, bestehen. Dieses Material hat den Vorteil, dass es sich noch besser als die vorgenannten zum Beispiel mittels eines Widerstandslots aus 95 Gew.-% Zinn und 5 Gew.-% Silber mit den Leiteradern verlöten lässt.

Das Keramikpulver für das Isoliermaterial innerhalb des Bandes kann vorteilhaft aus Metalloxid bestehen. Besonders günstig wegen seines hohen Widerstandes ist Magnesiumoxid. Es können aber auch Oxidgemische, beispielsweise aus Magnesiumoxid und Siliziumoxid, verwendet werden.

Für den Leiter, bei dem das metallische Material des Bandes hoher Zugfestigkeitum eine Folie aus Isoliermaterial herumgefaltet ist, eignen sich insbesondere Folien aus isolierendem Kunststoff. Besonders günstig für den Fall, dass die Leiteradern mit dem Band bzw. miteinander verlötet werden sollen, ist eine Polyimid-Folie, beispielsweise Kapton, welche die für das bereits erwähnte Zinn-Silber-Lot erforderliche Temperatur von 280°C sehr gut aushält.

Die Herstellung des bandförmigen Leiters, bei dem die Isolierschicht in der Mittelebene des Bandes hoher Zugfestigkeit aus Keramikpulver besteht, kann vorteilhaft derart erfolgen, dass zunächst zur Herstellung des Bandes aus unmagnetischem, elektrisch normalleitendem, metallischem Material hoher Zugfestigkeit ein Rohr aus solchem Material mit Keramikpulver oder pulverisierbaren Keramikbrechstäbchen oder -röhrchen gefüllt und an den Enden verschlossen, dann durch Ziehen im Querschnitt wenigstens bis zur Verdichtung des Keramikpulvers bzw. der pulverisierten Keramikbrechstäbchen oder -röhrchen zu einer kompakten Pulvermasse verringert und schliesslich durch Breitwalzen zu einem Band verformt wird und dass anschliessend das so hergestellte Band mit den Leiteradern umwickelt wird.

Dass vor dem Breitwalzen das Pulver zu einer kompakten Masse verdichtet wird, ist dabei von sehr wesentlicher Bedeutung, da beim Breitwalzen eines Rohres mit unverdichtetem Pulver ein BaTid gleichmässiger Breite praktisch nicht zu erzielen ist.

Zwischen den Zieh- bzw. Walzschritten können erforderlichenfalls Wärmebehandlungen zur Erholung des metallischen Materials vorgenommen werden.

Nach dem Umwickeln des Bandes mit den Leiteradern können ferner die Leiteradern mit dem Band und miteinander verlötet werden. Hierzu ist das bereits erwähnte Zinn-Silber-Lot besonders geeignet.

Anhand einiger Figuren und Ausführungsbeispiele soll die Erfindung noch näher erläutert werden.

Die Fig. 1 und 2 zeigen schematisch im Querschnitt zwei beispielhafte Ausführungsformen des erfindungsgemässen Leiters.

Beispiel 1

Zum Herstellen des in Fig. 1 dargestellten Leiters, bei dem die innerhalb des Bandes 1 aus dem Material hoher Zugfestigkeit angeordnete Isolierschicht 2 aus Keramikpulver besteht und bei dem beispielsweise das Band 1 im Endzustand 1 mm dick und 15 mm breit sein soll, wird zunächst ein Rohr mit einem Aussendurchmesser von 11,5 mm und einem Innendurchmesser von 8,5 mm aus einer Legierung, die im wesentlichen aus 76 Gew.-% Nickel, 15,5 Gew.-% Chrom, 8,0 Gew.-% Eisen und kleinen Gewichtsanteilen von Mangan, Silizium und Kupfer besteht, mit Magnesiumoxidpulver gefüllt und an den Enden verschlossen. Dann wird das Rohr in vier Zügen auf einen Aussendurchmesser von 8,5 mm gezogen, anschliessend etwa 1 Stunde lang bei 950°C unter einer Schutzgasatmosphäre aus Wasserstoff geglüht und schliesslich in einem weiteren Zug auf einen Aussendurchmesser von etwa 8 mm gezogen. Während der einzelnen Züge, die in erster Linie der Verdichtung des Magnesiumoxidpulvers dienen, wird die Wandstärke des Rohres nur wenig verringert. Das Rohr mit dem Aussendurchmesser von 8 mm wird dann in drei Stichen zu einem Band mit einer Querschnittsfläche von etwa 12,6 mm x 3,2 mm breitgewalzt. Anschliessend wird das Band nochmals etwa eine Stunde lang bei 950°C unter Wasserstoff geglüht und dann in fünf weiteren Walzstichen und einem abschliessenden Kalibrierschritt auf die Endabmessung von 15 mm x 1 mm Querschnittsfläche gebracht.

Wie aus Fig. 1 deutlich zu erkennen ist, hat die Isolierschicht 2 im fertigen Band einen leicht linsenartigen Querschnitt. Dies hat den Vorteil, dass an den beiden Breitseiten des

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Bandes, insbesondere in der Mitte dieser Breitseiten, der Metallquerschnitt des Bandes verringert ist und das Band dadurch, gemessen zwischen den Bandkanten, einen vergleichsweise hohen elektrischen Widerstand aufweist. Infolgedessen werden Wirbelströme weitgehend unterdrückt, die durch senkrecht zu den Breitseiten des Bandes gerichtete, veränderliche Magnetfelder induziert werden könnten. Die durch parallel zu den Breitseiten gerichtete, sich ändernden Magnetfeldkomponenten angeregten Wirbelströme werden durch die Isolierschicht 2 weitestgehend unterdrückt. Trotz des verringerten Metallquerschnitts in der Mitte der jeweiligen Breitseite des Bandes 1 wird dessen Zugfestigkeit praktisch nicht beeinträchtigt, da an den Bandkanten noch ein zur Aufrechterhaltung der hohen Zugfestigkeit ausreichender Metallquerschnitt zur Verfügung steht.

Um das fertige Band werden schliesslich beispielsweise 24 Leiteradern 3 gewickelt. Die Leiteradern, die zunächst einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Durchmesser von 1,45 mm haben können, bestehen beispielsweise aus einer Kupfermatrix, in die eine Vielzahl von Niob-Titan-Filamenten 4 eingelagert sind, wie bei einer der Leiteradern 3 schematisch angedeutet ist. Beispielsweise kann j ede Leiterader 3 1710 Filamente mit einem Durchmesser von je 20 (im enthalten, die um die Aderachse mit einer Verdrillungslänge von etwa 20 mm verdrillt sind. Die Schlaglänge bei der Verseilung der Leiteradern 3 um das Band 1 kann beispielsweise 170 mm betragen.

Der fertige Leiter kann noch einem Kalibriervorgang, beispielsweise durch Walzen unterworfen werden, der zu einer Erhöhung der Packungsdichte führt und die aus Fig. 1 ersichtliche, von der Kreisform abweichende Querschnittsform der Leiteradern 3 zur Folge hat.

Beispiel 2

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Leiter besteht die Isolierschicht, die in der Mittelebene des Bandes 11 aus metallischem Material hoher Zugfestigkeit eingelagert ist, aus einer Poly-imid-Folie 12, beispielsweise aus Kapton. Das Band 11 kann in einfacher Weise dadurch hergestellt werden, dass ein Band mit 5 etwa der doppelten Breite und der halben Dicke der gewünschten Endabmessungen in der in Fig. 2 dargestellten Weise zusammengefaltet wird, wobei gleichzeitig die Kunststoff-Folie 12 eingelegt wird. Bei einer Enddicke des Bandes 11 von beispielsweise 1 mm kann die Kunststoff-Folie 12 beispielsweise 10 0,1 bis 0,5 mm dick sein. Um das fertige Band können dann entsprechend dem Beispiel 1 Leiteradern 13 herumgewickelt werden, die wiederum supraleitfähige Filamente 14 enthalten. Die Leiteradern 13 kann man nach dem letzten Kalibrierschritt auch noch miteinander und mit dem Band 11 verlöten, indem !5 man den fertigen Leiter durch ein Bad aus Lotmaterial hindurchzieht. Als Lotmaterial, das in Fig. 2 mit 15 bezeichnet ist, eignet sich insbesondere das bereits erwähnte Zinn-Silber-Lot mit 5 Gew.-% Silber. Dieses haftet besonders gut auf dem Band 11, wenn dessen metallisches Material aus der ebenfalls bereits 20 erwähnten Legierung aus 30 Gew.-% Nickel, 0,4 bis 1 Gew.-% Eisen, 0,5 bis 1,5 Gew.-% Mangan, Rest Kupfer, besteht.

Wie aus den beiden Figuren ersichtlich ist, haben die erfin-dungsgemässen Leiter auch noch den weiteren Vorteil, dass die Bänder 1 und 11 gut gerundete Kanten aufweisen, wodurch 25 Beschädigungen der Leiteradern 3 bzw. 13 beim Umwickeln der Bänder 1 und 11 vermieden werden können.

Weitere Legierungen, die für das metallische Material der Bänder 1 und 11 gut geeignet sind, sind beispielsweise eine Legierung aus etwa 76,5 Gew.-% Nickel, 20,5 Gew.-% Chrom, 30 1,0 Gew.-% Eisen und 1,5 Gew.-% Silizium, Rest übliche Zusätze und Verunreinigungen oder ein Stahl, der abgesehen von geringfügigen Zusätzen an Wolfram, Titan und Tantal im wesentlichen aus 18 Gew.-% Chrom, 8 Gew.-% Nickel und als Rest Eisen besteht.

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1 Blatt Zeichnungen

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PATENTANSPRÜCHE

1. Bandförmiger Leiter mit mehreren aus Supraleitermaterial und bei der Betriebstemperatur des Supraleitermaterials elektrisch normalleitendem Metall zusammengesetzten Leiteradern, die um ein Band aus unmagnetischem, elektrisch normalleitendem, metallischem Material hoher Zugfestigkeit verseilt sind, dadurch gekennzeichnet, dass in der Mittelebene des Bandes aus dem metallischen Material hoher Zugfestigkeit eine Isolierschicht vorgesehen ist.
2. Verfahren zum Herstellen eines bandförmigen Leiters nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst zur Herstellung des Bandes aus unmagnetischem, elektrisch normalleitendem, metallischem Material hoher Zugfestigkeit ein Rohr aus solchem Material mit Keramikpulver oder pulverisierbaren Keramikbrechstäbchen oder -röhrchen gefüllt und an den Enden verschlossen, dann durch Ziehen im Querschnitt wenigstens bis zur Verdichtung des Keramikpulvers bzw. der pulverisierten Keramikbrechstäbchen oder -röhrchen zu einer kompakten Pulvermasse verringert und schliesslich durch Breitwalzen zu einem Band verformt wird und dass anschliessend das so hergestellte Band mit den Leiteradern umwickelt wird.
3. Bandförmiger Leiter nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschicht aus Keramikpulver besteht und von dem metallischen Material des Bandes allseitig umschlossen ist.
4. Bandförmiger Leiter nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramikpulver aus Metalloxid besteht.
5. Bandförmiger Leiter nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramikpulver aus Magnesiumoxid besteht
6. Bandförmiger Leiter nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschicht aus einer Folie aus Isoliermaterial besteht, um welche das metallische Material des Bandes herumgefaltet ist.
7. Bandförmiger Leiter nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie aus isolierendem Kunststoff besteht.
8. Bandförmiger Leiter nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie aus Polyimid besteht.
9. Bandförmiger Leiter nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Material.des Bandes aus einer Legierung von 75 bis 80 Gew.-% Nickel, 15 bis 21 Gew.-% Chrom und, abgesehen von weiteren Zusätzen von insgesamt weniger als 2%, zum restlichen Teil aus Eisen besteht.
10. Bandförmiger Leiter nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Material des Bandes ein Stahl ist, der abgesehen von geringfügigen Zusätzen an Wolfram, Titan und Tantal im wesentlichen aus 18 Gew.-% Chrom, 8 Gew.-% Nickel und als Rest Eisen besteht.
11. Bandförmiger Leiter nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Material des Bandes aus einer Kupfer-Nickel-Legierung besteht.
12. Verfahren nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Zieh- und Walzschritten Wärmebehandlungen zur Erholung des metallischen Materials vorgenommen werden.
13. Verfahren nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiteradern mit dem Band und miteinander verlötet werden.