CH628459A5

CH628459A5 - Verfahren zur herstellung supraleitender hohlkabel.

Info

Publication number: CH628459A5
Application number: CH1327777A
Authority: CH
Inventors: Ko Agatsuma; Kenichi Koyama; Itaru Todoriki; Tetsuo Yamaguchi; Osamu Kohno; Takashi Saito
Original assignee: Agency Ind Science Techn; Fujikura Ltd
Priority date: 1976-11-02
Filing date: 1977-11-01
Publication date: 1982-02-26
Also published as: US4161062A; DE2749052A1; DE2749052C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung supraleitender Hohlkabel, die insbesondere für Supraleitermagnete verwendet werden.

Supraleitende Hohlkabel haben verschiedene Vorteile, nämlich:

1. Das Kühlmittel wie flüssiges Helium und ähnliches kann direkt durch einen Hohlraum im Kabel geleitet werden und so den Leiter ohne Zwischenschaltung von Isoliermaterial direkt kühlen.

2. Die notwendige Kühlmittelmenge ist so klein wie nur möglich.

3. Die Elektromagnetspule hat bei Verwendung der Hohlkabel eine grosse mechanische Festigkeit, weil kein Kühlraum zwischen den Lagen benötigt wird.

4. Das von dem aufgewickelten Kabel eingenommene Gesamtvolumen ist ein Minimum.

5. Eine Vorkühlungsbehandlung kann mit der gleichen Hohlraumkühlanordnung durchgeführt werden.

Jedoch muss die Herstellung eines supraleitenden Hohlkabels wie oben angegeben mit einer besonderen Technik erfolgen, so dass die Herstellung langer supraleitender Hohlkabel bisher als sehr schwierig angesehen wurde.

Vor kurzem wurde ein Verfahren zur Erzeugung von supraleitenden Hohlkabeln entwickelt und in der Japanese Patent Application Publication Gazette Nr. 3631, 1975 veröffentlicht. Bei diesem Verfahren wird eine Mehrzahl von feinen supraleitenden Drähten um den äusseren Umfang eines Hohlleiters gewickelt, der aus gut leitendem Metall wie Kupfer hergestellt ist; dann werden die supraleitenden Drähte auf dem Hohlleiter mittels Befestigungsmitteln sicher befestigt. In der Offenbarung wird eine Ausführungsart beschrieben, bei welcher ein supraleitender Draht mit einem Aussendurchmesser von 0,37 mm, bestehend aus einem von Kupfer umgebenen Draht von 0,25 mm Durchmesser aus einer Nb-Ti-Ta Legierung, um einen Hohlkörper aus Kupfer gewickelt wird, der einen Innendurchmesser von 2,5 mm und einen Aussendurchmesser von 3,5 mm hat; dann wird der Erstere sicher auf dem Letzteren durch Löten mit einer Legierung aus Pb und 50% Sn befestigt. Jedoch hat in der Fabrikation dieses bekannte Verfahren den schwerwiegenden Nachteil, dass die supraleitenden Drähte um den Hohlleiter gewickelt werden müssen. Das Verfahren ist anwendbar für supraleitendes, legiertes Material wie NbTi, NbZr, NbTiZr und ähnliche Legierungen, kann aber nicht verwendet werden für supraleitendes Material, das aus intermetallischen Verbindungen wie Nb3Sn, V3Ga, Nb3Ga, Nb3Ge, Nb3Si, Nb3Al, Nb3(Alo,8Geo,2) besteht. Der Grund dafür ist, dass in den genannten Legierungen das supraleitende Material verhältnismässig gut bearbeitbar ist, während

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supraleitendes Material aus intermetallischen Verbindungen im allgemeinen sehr zerbrechlich und schwierig zu bearbeiten ist, insbesondere durch Dehnen und Schmieden; deswegen entstehen Schwierigkeiten in der Durchführung des genannten Verfahrens beim Umwickeln des Hohlleiters mit supraleitenden Drähten aus intermetallischen Verbindungen.

Ein solches Verfahren zur Herstellung supraleitenden Materials aus einer intermetallischen Verbindung ist praktisch durchführbar, wenn eine Mehrzahl metallischer Elemente, welche als Material zum Aufbau der intermetallischen Verbindung benutzt werden, direkt oder indirekt miteinander in Kontakt gebracht und dann wärmebehandelt werden, wobei die beiden metallischen Elemente ineinander diffundieren und die intermetallische Verbindung bilden.

Dementsprechend kann ein Verfahren für die Herstellung supraleitender Hohlkabel unter Verwendung einer intermetallischen Verbindung in Betracht gezogen werden, das von dem beschriebenen Verfahren abgeleitet ist und darin besteht, dass Drähte aus wenigstens zwei metallischen Elementen, die eine intermetallische Verbindung bilden, um einen Hohlleiter gewickelt werden zu einem Zeitpunkt, wo die intermetallische Verbindung noch nicht hergestellt ist, und an dem Hohlleiter mit einem metallischen Binder befestigt werden, worauf die mit metallischen Elementen fixierten Drähte einer Wärmebehandlung zur Erzeugung der intermetallischen Verbindung unterworfen werden. Dieses damit vorgeschlagene Verfahren hat jedoch Nachteile, weil als Hohlleiter gebrauchte Kupferrohre und ähnliches bei der Wärmebehandlung weich werden können und weil der metallische Binder bei der Wärmebehandlung schmilzt, so dass sich die Drähte von dem Hohlleiter ablösen; deswegen ist das genannte vorgeschlagene Verfahren in der Praxis unbrauchbar.

Nun haben Supraleiter aus intermetallischen Verbindungen, wie Nb3Sn, V3Ga, Nb3Ga und ähnliche, ausgezeichnete Supraleitereigenschaften, verglichen mit den Eigenschaften von NbTi, einer supraleitenden Legierung, wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist. Deswegen bestand der dringende Bedarf, ein praktisch durchführbares Verfahren zur Herstellung von supraleitenden Hohlkabeln mit Supraleitern aus intermetallischen Verbindungen zu entwickeln.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, die genannte Forderung zu erfüllen.

Die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Angabe eines Verfahrens zur Erzeugung supraleitender Hohlkabel, insbesondere zur Verwendung bei der Herstellung supraleitender Wicklungen.

Die zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Verfahren zur praktischen und einfachen Herstellung von supraleitenden Hohlkabeln anzugeben, bei dem sogar dann keine Schwierigkeiten in der Durchführung auftreten, wenn Supraleiter mit schlechter Bearbeitbarkeit Verwendung findet, wie z. B. Supraleiter aus intermetallischen Verbindungen.

Die dritte Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt in der Angabe eines Verfahrens zur Herstellung supraleitender Hohlkabel, welches keine Schwierigkeiten oder Nachteile mit sich bringt wie das Weichwerden von als Hohlleiter dienenden Rohren während einer Wärmebehandlung und das Abblättern von Supraleitern von einem Hohlleiter, das durch einen metallischen Binder verursacht wird, der die Supraleiter auf dem genannten Rohr befestigen soll und während der Wärmebehandlung schmilzt.

Um die obengenannten Aufgaben zu erfüllen, wird vorgesehen, dass in einem ersten Verfahrensschritt ein ausserordentlich feiner, mehrdrähtiger Supraleiter hergestellt wird, dessen Querschnitt in eine Nut in einem aus gut leitendem Werkstoff hergestellten Hohlleiter passt, welcher innen einen Durchgang für den Fluss eines Kühlmittels und an seinem äusseren Umfang mindestens eine Nut in Längsrichtung hat, und dass in einem zweiten Verfahrensschritt der mehrdrähtige Supraleiter in die Nut eingelegt und dort durch Lötung mit einem Metall niedrigen Schmelzpunktes sicher befestigt wird.

Da in einem Herstellungsschritt der ausserordentlich feine mehrdrähtige Supraleiter so geformt wird, dass er in die Nuten des Hohlleiters passt, wie soeben beschrieben, entfällt der Verfahrensschritt des Aufwickeins der Supraleiter um den Hohlleiter, wie sie bei der Würdigung des Standes der Technik beschrieben wurde. Der Verfahrensschritt der Wärmebehandlung zur Herstellung der supraleitenden intermetallischen Verbindung nach dem Verfahrensschritt des Bewickeins des Hohlleiters mit supraleitenden Drähten und deren sicheren Befestigung auf diesem entfällt ebenfalls; so können entsprechend der vorliegenden Erfindung die supraleitenden Hohlkabel leicht hergestellt werden unter Verwendung von Material mit schlechten Verarbeitungseigenschaften, wie z.B. Supraleitern aus intermetallischen Verbindungen.

Das erfindungsgemässe Verfahren wird im folgenden beispielsweise anhand der Figuren erläutert.

Fig. 1 und 2 zeigen Supraleitercharakteristiken verschiedener Arten supraleitender Materialien zum Vergleich miteinander. Fig. 1 zeigt die kritische Stromdichte in Abhängigkeit von der magnetischen Feldstärke bei Nb3Sn, V3Ga und NbTi.

Fig. 2 zeigt das kritische magnetische Feld in Abhängigkeit von der Temperatur für Nb3Sn und NbTi;

Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht eines teilweise aufgeschnittenen Hohlleiters für ein beispielsweises Verfahren gemäss der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 zeigt zur Erläuterung eine Verfahrensfolge zur Herstellung eines ausserordentlichen feinen, mehrdrähtigen Supraleiters für das obengenannte Kabel gemäss dem vorliegenden, erfindungsgemässen Verfahren;

Fig. 5 ist ein Querschnitt durch ein supraleitendes Hohlkabel, welches nach dem vorliegenden erfindungsgemässen Verfahren hergestellt wurde und als Ausführungsbeispiel dient;

Fig. 6 ist eine perspektivische Ansicht einer ausserordentlich feinen mehrdrähtigen Litze;

Fig. 7 ist eine perspektivische Ansicht einer geformten Litze, und

Fig. 8 ist ein Querschnitt eines Hohlleiters zur Erläuterung des Beispiels i der vorliegenden Erfindung, welche im einzelnen die Abmessungen jedes Teiles zeigt.

Ein in dem Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendeter Leiter besteht aus gutleitendem Material wie Kupfer, z.B. sauerstofffreiem Kupfer, hochreinem Aluminium usw. Der in Fig. 3 gezeigte Hohlleiter 1 wird beispielsweise in grosser Länge mit rechteckigem Querschnitt hergestellt und hat in seinem Inneren einen Durchgang 2 für ein Kühlmittel wie flüssiges Helium oder ähnliches. Weiter ist auf dem äusseren Umfang des Hohlleiters 1 mindestens eine Nut 3 in Längsrichtung gebildet. Mehrere Nuten können sich auf je einer der ebenen Oberflächen des Hohlleiters 1 befinden. Eine solche Nut kann auch als Spirale grosser Steigung im Umfang des Hohlleiters geformt sein. Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 befindet sich je eine Nut 3 in jeder der vier ebenen Oberflächen des Um-fanges des Hohlleiters 1; jedoch können auch nur eine ebene Oberfläche oder zwei Oberflächen auf einander gegenüberliegenden Seiten mit einer Nut 3 versehen sein. Wenn Nuten 3 in zwei symmetrisch zueinander liegenden Seiten angebracht sind, so vorzugsweise auf den beiden Seiten, die eine grössere Oberfläche haben als die beiden anderen Seiten.

Das Verfahren, um zunächst einen solchen Hohlleiter herzustellen, ist beliebig wählbar: es kann mittels Strangpressen oder -Ziehen geschehen oder die Nut kann in den äusseren Umfang eines Rohres maschinell eingeschnitten werden. Die Nut dient zum Einsetzen eines ausserordentlich feinen mehrdrähtigen Supraleiters.

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Als supraleitendes Material zur Herstellung des Supraleiters können Legierungen Verwendung finden wie NbTi, NbZr, Nb-Ti-Zr usw. oder intermetallische Verbindungen wie Nb3Sn, V3Ga, Nb3Ga, Nb3Ge, Nb3Si, Nb3Al, Nb3(Alo,8Geo,2) usw., jedoch beziehen sich die Erläuterungen in der Hauptsache auf Supraleiter aus einer intermetallischen Verbindung.

In dem ersten Schritt des erfindungsgemässen Verfahrens wird ein ausserordentlich feiner mehrdrähtiger Supraleiter 5 hergestellt, dessen Form in die Nut 3 des genannten Hohlleiters 1 passt und der eine grosse Zahl von Drähten aus supraleitendem Material hat, wie es im Flussdiagramm in Fig. 4 grob dargestellt ist. Im Verlauf des genannten Herstellungsschrittes wird ein Mehrmetalldraht 6 in Stabform oder gestreckter Form hergestellt, der als Ausgangsmaterial dient, um eine supraleitende intermetallische Verbindung mit mindestens zwei Arten metallischer Elemente herzustellen. Diese Elemente bilden jedoch noch keine supraleitende Verbindung.

Der genannte Mehrmetalldraht 6 wird durch ein Verfahren erhalten, in dem, beispielsweise, ein Rohr 7 aus einer Legierung hergestellt wird, die aus wenigstens einer der beiden genannten Arten metallischer Elemente und Kupfer (vorzugsweise sauerstofffreiem Kupfer) besteht und mit strangförmi-gem oder gestrecktem Material gefüllt wird, das aus dem anderen Element der genannten zwei Arten von metallischen Elementen besteht oder auch Material 8 des genannten anderen metallischen Element in Pulverform. Darauf wird das genannte Rohr 7 einem Fliesspress- oder Ziehverfahren oder ähnlichem unterworfen, um eine gewünschte Durchmesserverringerung zu erreichen. Mehrere der so erhaltenen Mehrmetalldrähte werden zusammengefasst und in ein äusseres Rohr 9 aus gutleitendem Material wie Kupfer (vorzugsweise sauerstofffreiem Kupfer), Aluminium oder ähnlichem eingesetzt. Dann wird das äussere Rohr 9 einem Fliesspress-, Zieh- oder ähnlichem Verfahren unterworfen zur Verringerung seines Durchmessers. Nachdem die genannten Verarbeitungsschritte der Einführung der gebündelten Mehrmetalldrähte und die Durchmesserverringerung ein oder mehrere Male wiederholt wurden, wird das äussere Rohr 9, in welchem eine grosse Zahl gebündelter Mehrmetalldrähte enthalten sind, einem Press-, Zieh-, Strangpress- oder ähnlichem Vorgang als letztem Schritt zur Herstellung eines Profils unterworfen, das in eine Nut 3 im Hohlleiter passt. Bei Verwendung des in Fig. 3 gezeigten Hohlleiters 1 wird also dem Supraleiter-Bündel ein rechteckiger Querschnitt gegeben. In diesem Fall wird die Breite des Bündels etwa gleich oder ein wenig kleiner als die innere Breite der Nut 3 und ihre Dicke gleich oder etwas kleiner als die Tiefe der Nut 3 gemacht. Das so geformte Werkstück, d.h. das ausserordentlich feine Bündel mit bestimmter Zusammensetzung, in welchem eine intermetallische Verbindung noch nicht gebildet wurde, wird im folgenden Schritt einer Wärmebehandlung unterworfen. Diese Wärmebehandlung dient zur Bildung einer supraleitenden, intermetallischen Verbindung durch Diffusion von wenigstens zwei Arten der genannten metallischen Elemente. Temperatur, Atmosphäre, Behandlungszeit usw. werden so gewählt, dass durch Diffusion der vorgenannten wenigstens zwei Arten von Metallen eine intermetallische Verbindung entsteht. Auf diese Weise kann das ausserordentlich feine Supraleiterbündel 5 mit einem solchen Querschnitt hergestellt werden, dass es in die Nut des Hohlleiters passt.

Das so erhaltene ausserordentlich feine Supraleiterbündel 5 wird in die Nut 3 des Hohlleiters I eingesetzt, wie in Fig. 5 gezeigt. Dann wird das Bündel 5 in der Nut 3 durch Löten mit einem Metall niedrigen Schmelzpunktes wie Sn, Pb-Ag-Legie-rung oder Pb-Sn-Legierung (Lötzinn) usw. befestigt. In dem beschriebenen Herstellungsverfahren wird das supraleitende Hohlkabel als Produkt der vorliegenden Erfindung erhalten.

Zur Herstellung eines Mehrmetalldrahtes im Laufe des erfindungsgemässen Verfahrens kann ein anderes Verfahren als

Vorstufe für die folgenden Vorgänge Verwendung finden. In diesem anderen Verfahren wird ein Rohr aus gut leitendem Material z.B. sauerstofffreiem Kupfer usw., mit Stab- oder Pulvermaterial gefüllt, das aus einem metallischen Element zur Herstellung einer intermetallischen Verbindung besteht. Dieses Rohr wird mehrmals dem Verfahren der Durchmesserverringerung und Einfügung von zusammengesetztem Material unterworfen, so dass ein Werkstück mit gewünschtem Durchmesser entsteht. Dann wird dieses auf der äusseren Oberfläche mit einer Schicht aus dem anderen metallischen Element zur Bildung einer intermetallischen Verbindung mittels Schmelz-plattierung oder einem anderen Verfahren überzogen, Bei der Wärmebehandlung im folgenden Verfahrensschritt diffundieren die genannten zwei Arten von metallischen Elementen durch das Kupfer ineinander und bilden so die intermetallische Verbindung.

Man kann noch einen anderen Prozess für die Herstellung eines solchen Mehrmetalldrahtes vorziehen, der darin besteht, dass zwei Arten von einfachen Pulvermetallen zur Herstellung einer intermetallischen Verbindung miteinander vermischt und in ein Kupferrohr gefüllt werden und dass dann das mit dem Pulver gefüllte Kupferrohr einem durchmesserverringernden Ziehverfahren unterworfen wird. Dieser Prozess ist jedoch schlecht geeignet zur Herstellung einer homogenen intermetallischen Verbindung mittels Diffusionswärmebehandlung in einem folgenden Verfahrensschritt. Es kann nämlich dabei geschehen, dass teilweise intermetallische Verbindungen entstehen mit Zusammensetzungen verschieden von der gewünschten oder dass eine Teilschicht eines einfachen Materials innerhalb der so entstandenen intermetallischen Verbindung bestehen bleibt. In diesem Falle hat das so gebildete Erzeugnis schlechtere supraleitende Eigenschaften, die sich bei der praktischen Verwendung zeigen. Deswegen ist es vorteilhafter, die nachstehend aufgezählten Verfahrensschritte anzuwenden, damit die eben genannten Fehler vermieden werden können.

Ein Verfahren zur Überwindung der genannten Schwierigkeiten besteht darin, eine schon vorher hergestellte intermetallische Verbindung zu mehr als zwei Arten einfachen Metallpulvers hinzuzufügen, um die intermetallische Verbindung zu bilden, und dass dann das gemischte Pulver, welches mehr als zwei Arten von einfachem Metallpulver und das Pulver aus der intermetallischen Verbindung enthält, in das leitende Rohr aus Kupfer oder ähnlichem eingefüllt wird und dass dieses Rohr einer Durchmesserverringerung unterworfen wird. Bei der darauffolgenden Wärmebehandlung dient das Pulver der intermetallischen Verbindung als Kern für das weitere Wachstum der intermetallischen Verbindung.

Ein weiteres Verfahren unter Verwendung von mehr als zwei Arten einfachen Metallpulvers als Ausgangsmaterial zur Herstellung einer intermetallischen Verbindung umfasst einen Verfahrensschritt der Bildung einer Schicht einer intermetallischen Verbindung, die vorhergehend auf der Kornoberfläche mindstens eines Teiles von mindestens einer Art von Metallpulver gebildet wurde, das in dem beschriebenen Pulverausgangsmaterial enthalten ist, und einen zweiten Schritt, in welchem dieses Pulver miteinander gemischt und in ein gutleitendes Rohr aus Kupfer oder ähnlichem eingefüllt wird, und einen dritten Schritt, in dem das mit Pulver gefüllte Rohr einem Durchmesserverringerungsprozess unterworfen wird.

Ein anderes Verfahren umfasst einen Schritt, in welchem Pulver eines metallischen Elementes, welches eines von mehr als zwei Arten metallischer Elemente zur Bildung intermetallischer Verbindungen ist, in ein Rohr aus einem metallischen Element, welches wenigstens ein anderes Element von mehr als zwei Arten der genannten metallischen Elemente ist, gefüllt wird, und einen weiteren Schritt, in welchem das genannte Rohr einer Durchmesserverringerung unterworfen wird.

So kann eine homogene intermetallische Verbindung durch

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Wärmebehandlung erhalten werden, nachdem der Mehrmetalldraht nach irgendeinem der aufgezählten Verfahren hergestellt wurde. Schliesslich kann dieser Mehrmetalldraht oder das ausserordentlich feine, mehrdrähtige Bündel auch durch irgendein anderes bekanntes Verfahren hergestellt werden. 5

Die vorgehende Beschreibung betraf ein Verfahren, in welchem das ausserordentlich feine, mehrdrähtige Bündel aus mehreren Mehrmetalldrähten so geformt wird, dass es in eine Nut in einem Hohlleiter passt, ohne das Bündel einem besonderen Bearbeitungsverfahren zu unterwerfen. Jedoch ist zur Erzie- 10 lung einer besseren Wirkung ein Verfahren vorzuziehen, in welchem mehrere ausserordentlich feine, aus mehreren Mehrmetalldrähten zusammengesetzte Teilbündel 11 zu einer Litze 12 geflochten werden, wie in Fig. 6 gezeigt, und in welchem dann diese Litze 12 so verformt wird, dass sie in die Nut im 15 Hohlleiter passt. Um zu vermeiden, dass alle Teilbündel 11 in ein- und derselben Richtung orientiert sind, wird also die Litze 12 gebildet, in dem sie alle miteinander verflochten werden. Nachdem die Litze 12 so geformt wurde, dass sie in die Nut 3 des Hohlleiters 1 passt, wie oben beschrieben, wird sie zur Bil- 20 dung einer intermetallischen Verbindung einer Wärmebehandlung unterworfen. Damit nimmt der ausserordentlich feine mehrdrähtige Supraleiter 5' die Form einer geformten Litze an. Die folgenden Verfahrensschritte sind die gleichen wie schon beschrieben. Die Litze 12 kann durch Zusammenflechten 25 mehrerer Mehrmetalldrähte ohne weitere Behandlung erfolgen oder je nach Bedarf durch Verflechten mehrerer Mehrmetalldrähte ohne weitere Behandlung erfolgen oder je nach Bedarf durch Verflechten mehrerer Teilbündel, die aus der Zusammenfügung mehrerer Mehrmetalldrähte entstanden sind. Das 30 beschriebene Verflechten ausserordentlich feiner Bündel oder Mehrmetalldrähte hat grosse Vorteile in folgender Hinsicht: Es folgt eine Verminderung des elektrischen Kombinationsstromes zwischen den einzelnen Mehrmetalldrähten, nämlich zwischen den einzelnen, bei wechselndem magnetischen Feld 35 erzeugten Kernen. Dies ist darin begründet, dass innerhalb des Supraleiters, der einer Wärmebehandlung zur Bildung einer intermetallischen Verbindung unterworfen wurde, nicht alle Kernteile des genannten Supraleiters in derselben Richtung orientiert sind. Dadurch kann der Einfluss von Schwankungen 40 des magnetischen Feldes in irgendeiner Richtung vermieden werden, sogar bei Verwendung von Wechselstrom oder Impulsstrom; ausserdem wird eine Stabilisierung der Kennwerte zugleich mit der Aufrechterhaltung hoher Stromdichten möglich. Weiterhin kann ein der Wechselstromfrequenz oder der 45 Impulsbreite angepasstes supraleitendes Hohlkabel durch entsprechende Steigung der Flechtung erzeugt werden. Durch Verdrillung der Teilbündel vor der Formgebung anstelle der Verflechtung können günstige Ergebnisse erzielt werden, die den durch Flechten erhaltenen fast entsprechen. so

Das erfindungsgemässe Verfahren ist grundsätzlich nicht nur auf supraleitendes Material aus intermetallischen Verbindungen anwendbar, sondern auch auf Material aus supraleitenden Legierungen, wie im Vorhergehenden besprochen. Bei der Verwendung des erfindungsgemässen Verfahrens auf le- ss giertes, supraleitendes Material können Mehrmetalldrähte, die bereits als supraleitende Legierung hergestellt wurde, Verwendung finden. In diesem Fall kann die Wärmebehandlung nach der Formgebung der supraleitenden Legierung fortfallen. Dabei ist es vorteilhaft, das Verfahren zur Formgebung, die die 60 ausserordentlich feinen Bündel nach dem Verflechten für die Nut des Hohlleiters passend macht, in genau der gleichen Weise durchzuführen, wie wenn supraleitendes Material einer intermetallischen Verbindung Verwendung findet. Entsprechend der vorliegenden Erfindung jedoch werden hervorra- 65 gende Resultate erzielt, wenn supraleitendes Material einer intermetallischen Verbindung Verwendung findet, wie oben beschrieben.

Aus der vorhergehenden Beschreibung geht hervor, dass die im folgenden aufgeführten Nachteile durch das erfindungsgemässe Herstellungsverfahren vollkommen vermieden werden: keine Fehler treten auf beim Wickelvorgang wie bei bekannten Verfahren; keine Nachteile entstehen in den Verfahrensschritten der Wärmebehandlung nach dem Wickeln und beim folgenden Befestigen wie bei bekannten Verfahren.

Durch das vorliegende erfindungsgemässe Verfahren können supraleitende Hohlkabel unter Verwendung supraleitenden Materials einer intermetallischen Verbindung mit schlechter Verarbeitbarkeit praktisch hergestellt werden, wobei diese Kabel Kennwerte wie hohe kritische Temperatur (Tc), hohes kritisches magnetisches Feld (Hc), hohe kritische Stromdichte (Je) und grosse Kapazität haben; ausserdem sind sie leicht zu kühlen. Insbesondere können nach der vorliegenden Erfindung supraleitende Kabel hergestellt werden für gepulste Magnete für Kernfusion, für Energiespeicherung, für MHD-Generatoren oder lineare Induktionsmotoren. Ausserdem können bei Verwendung supraleitenden Materials aus einer intermetallischen Verbindung ausserordentlich feine Bündel in gewünschter Form zum Einsetzen in einen Hohlleiter vor der Herstellung der intermetallischen Verbindung hergestellt werden. Wenn der Supraleiter sich in dem Hohlleiter befindet, ist er ausserdem durch bei der Bearbeitung entstehende Spannungen nicht stark beansprucht. Damit kann ein supraleitendes Hohlkabel grosser Länge auf einfache Weise hergestellt werden.

Die vorliegende Erfindung wird jetzt unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben mit Beispielen von Ausführungsformen der Erfindung.

Beispiel 1

Zunächst wurde ein hohler flacher Leiter 1 aus Kupfer hergestellt, dessen Form in Fig. 8 gezeigt ist. Die Abmessungen dieses Leiters 1 in jedem Querschnitt werden durch a-f wie folgt gegeben:

Äussere Breite des Hohlleiters a = 5,0 mm

Äussere Dicke des Hohlleiters b = 4,0 mm

Tiefe der Nuten 3, 3' c = 0,3 mm

Breite der Nut 3 d = 2,6 mm

Breite der Nut 3' e = 1,6 mm

Leiterdicke am Grunde der Nuten 3,3' f = 0,5 mm

Ausserdem wurde eine NbTi-Legierung mit 10 mm Durchmesser in ein Rohr eingesetzt, welches die Abmessungen 15 x 11 mm 0 hat und aus sauerstofffreiem Kupfer besteht. Dieses Rohr wurde einer Durchmesserverringerung auf 1,0 mm 0 mittels Fliesspressen und Ziehen unterworfen und so ein Mehrmetalldraht erhalten. Im folgenden wurden 61 Mehrmetalldrähte zusammengefügt und in ein äusseres Kupferrohr eingebracht, welches die Abmessungen 15 X 11 mm 0 hatte. Dieses äussere Rohr wurde einem Durchmesserverrin-gerungsprozess unterworfen und auf 1,0 mm 0 reduziert.

Dann wurden mehrere dieser Rohre zu flachen Strängen geformt mit zwei Querschnitten, einer 0,3 mm dick und 1,5 mm breit, der andere 0,3 mm dick und 2,5 mm breit. Jeder dieser beiden Querschnitte passt in eine Nut 3 oder 3' in dem Hohlleiter. Die so erzeugten Supraleiterbündel wurden in die Nuten in dem Hohlleiter eingesetzt und mittels Lot (Sn-5 %Ag) mit niedrigem Schmelzpunkt sicher befestigt. Auf diese Weise wurde ein supraleitendes Hohlkabel mit einer Länge von 300 m erhalten.

Beispiel 2

Ein stabförmiger Körper aus Nb mit 7 mm Aussendurch-messer wurde in ein Rohr aus einer Cu-10%Sn-Legierung mit 8 mm Innendurchmesser eingesetzt. Das Rohr wurde dann einem Ziehprozess unterworfen, bis sein Aussendurchmesser nur noch 1,6 mm betrug. 19 dieser so im Durchmesser verringer

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ten Rohre wurden zusammengefügt und in ein anderes Rohr aus (Cu 10%Sn)-Legierung mit 9 mm Innendruchmesser eingesetzt; dann wurde dieses andere Rohr mehrmals im Durchmesser verringert, bis ein Draht mit 0,9 mm Durchmesser entstand. 61 solcher Drähte wurden zusammengenommen und in ein äusseres Rohr aus sauerstofffreiem Kupfer eingezogen, welches 9 mm Innendurchmesser hatte. Dieses äussere Kup-ferrohi wurde wiederholt einer seinen Durchmesser verkleinernden Behandlung unterzogen, bis schliesslich ein flaches Bündel enstand mit 0,5 mm Dicke und 2,5 mm Breite. Dieses so im Querschnitt verringerte Bündel wurde einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 800° für 50 Std. unterworfen. Damit wurden ausserordentlich feine Supraleiter einer vorbestimmten Form mit Schichten einer Nb3Sn-Verbindung hergestellt. Diese so erhaltenen Supraleiter wurden in 2,8 mm breite und 0,6 mm tiefe Nuten in der äusseren Oberfläche eines flachen Kupferhohlleiters eingesetzt und mittels Lot (Sn-5 %Ag) mit niedrigem Schmelzpunkt sicher befestigt. So wurde schliesslich ein supraleitendes Hohlkabel von 500 m Länge erzeugt.

Beispiel 3

Ein Stab aus Niobium mit 14 mm äusserem Durchmesser wurde in ein Kupferrohr mit einem inneren Durchmesser etwas grösser als 14 mm und 3 mm Wandstärke eingeführt.

Dann wurde das Kupferrohr im Durchmesser reduziert, bis der äussere Durchmesser 0,2 mm betrug, so dass auf diese Weise ein mit Kupfer ummantelter Niobiumdraht erhalten wurde. Mehrere dieser Drähte wurden zusammengefasst und in ein anderes Kupferrohr eingesetzt, welches genau gleich dem ersten Kupferrohr war. Dieses zweite Kupferrohr mit den zu-sammengefassten Drähten wurde ebenfalls im Durchmesser reduziert, bis der einzelne Draht einen Durchmesser kleiner als 20 /im hatte. Dann wurde er verzinnt und somit ein Mehrmetalldraht erhalten. Durch Verflechten mehrerer dieser Mehrmetalldrähte entstanden Litzen. Diese wurden weiterhin druckverformt zu einem rechteckigen Querschnitt, der in Nuten in den vier Oberflächen eines flachen Kupferhohlleiters passte. Diese Litzen wurden dann im Vakuum einer Temperatur von 700 °C für 50 Std. ausgesetzt und damit eine intermetallische Verbindung von Nb3Sn gebildet. So wurde eine geformte, ausserordentlich feine supraleitende Litze 5' erhalten, wie in Fig. 7 gezeigt. Vier der geformten und wärmebehandelten Litzen und der Hohlleiter wurden durch ein Lötbad mit geschmolzenem Lötzinn (Sn-5 %Ag) hindurchgezogen, wobei die s geformten Litzen in die entsprechenden Nuten des Hohlleiters eingesetzt waren, so dass sie dort nach dem Erkalten des Lötzinns sicher befestigt waren. So wurde ein supraleitendes Hohlkabel erhalten.

io Beispiel 4

Ein Vanadiumstab mit 10 mm Aussendurchmesser wurde in ein Rohr aus Cu-15 %Ga-Legierung eingeschoben, dessen Aussendurchmesser 20 mm und dessen Innendurchmesser 11 mm betrug. Dieses Rohr wurde im Durchmesser verringert, 15 bis ein Mehrmetalldraht entstand mit einem äusseren Durchmesser von 0,9 mm. Dann wurden mehrere dieser Mehrmetalldrähte in ein Rohr gesteckt, das dem soeben beschriebenen legierten Rohr entsprach. Dieses Rohr mit eingesetzten Drähten wurde im Durchmesser verringert, bis der Durchmesser ei-20 nes einzelnen Mehrelementdrahtes kleiner als 50 «m betrug, so dass ein langgestreckter Körper entstand. Mehrere dieser so erhaltenen langgestreckten Körper wurden zu einem Bündel zusammengefasst und in ein Rohr aus sauerstofffreiem Kupfer mit 12 mm Aussen- und 9 mm Innendurchmesser gesteckt. 25 Dieses Kupferrohr mit dem eingesetzten langgestreckten Körper wurde im Durchmesser verringert, bis ein einzelner langgestreckter Körper weniger als 10 /<m Durchmesser hatte. Damit wurde ein ausserordentlich feines Teilbündel erzeugt. Mehrere dieser Teilbündel wurden verflochten, so dass Litzen entstan-30 den, wie in Fig. 6 gezeigt. Diese Litze wurde durch Druckverformung in eine flache Form gebracht, die in eine Nut auf der Oberfläche eines rechteckigen Kupferhohlleiters passte. Dann wurde die Litze unter Vakuum einer Temperatur von 650 °C für 100 Std. ausgesetzt, so dass eine V3Ga-Verbindung ent-35 stand. Damit wurde eine geformte supraleitende Litze 5' erhalten, wie in Fig. 7 gezeigt. Nach der genannten Verarbeitung wurden vier der geformten Litzen 5' erwärmt, in je eine entsprechende Nut 3,3' auf dem Hohlleiter eingesetzt und mit diesem mit Hilfe von Lötzinn mit niedrigem Schmelzpunkt sicher 40 verbunden, so dass schliesslich ein supraleitendes Hohlkabel entstand.

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3 Blatt Zeichnungen

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PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Herstellung von supraleitenden Hohlkabeln, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Verfahrensschritt ein ausserordentlich feiner, mehrdrähtiger Supraleiter

(5, 5') hergestellt wird, dessen Querschnitt in eine Nut (3, 3') s in einem aus gut leitendem Werkstoff hergestellten Hohlleiter passt, welcher innen einen Durchgang für den Fluss eines Kühlmittels und an seinem äusseren Umfang mindestens eine Nut in Längsrichtung hat, und dass in einem zweiten Verfahrensschritt der mehrdrähtige Supraleiter in die Nut eingelegt io und dort durch Lötung mit einem Metall niedrigen Schmelzpunktes sicher befestigt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

dass der erste Verfahrensschritt zur Herstellung des ausserordentlich feinen Supraleiters Verfahrensstufen umfasst zur Her- 15 Stellung von Mehrmetalldrähten, von denen jeder wenigstens zwei Arten metallischer Elemente enthält, die zusammen ein Supraleitermaterial aus einer intermetallischen Verbindung bilden, zur Zusammenfassung der Mehrmetalldrähte zu ausserordentlich feinen Bündeln, zur Formung dieser Bündel damit 20 sie einen in die genannte Nut (3) passenden Querschnitt erhalten, und zur Bearbeitung der so gebildeten Bündel in einem thermischen Diffusionsverfahren, durch welches das genannte Supraleitermaterial aus den vorgenannten metallischen Elementen gebildet wird. 25
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

dass mehrere der genannten aussserordentlich feinen Bündel (11) zu einer Litze verflochten werden, die dann auf den vorgenannten Querschnitt (5') gebracht wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, 30 dass der genannte Supraleiter aus einer intermetallischen Verbindung besteht, welche, NB3Sn, V3Ga, Nb3Ga, Nb3Ge, Nb3Si, Nb3Al oder Nb3(Al0,8Ge0,2) enthält.
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

dass jeder Mehrmetalldraht unter Verwendung eines Rohres 35 aus einer Legierung hergestellt wird, die Kupfer und wenigstens ein metallisches Element enthält, welches mit wenigstens einem anderen metallischen Element eine intermetallische Verbindung bildet, indem ein Material, das das andere metallische Element enthält, in das Innere des Rohres eingefüllt und 40 das mit dem genannten Material gefüllte Rohr einer Durchmesserverringerung unterworfen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

dass zur Herstellung eines Mehrmetalldrahtes in ein Kupferrohr Material eingebracht wird, welches wenigstens ein metal- 45 lisches Element enthält, das mit wenigstens einem anderen metallischen Element eine supraleitende intermetallische Verbindung bildet, dass dann das Kupferrohr einer Durchmesserverringerung unterworfen wird und dass schliesslich die Oberfläche des Kupferrohres mit dem anderen metallischen Element 50 überzogen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere metallische Drähte, die einer Durchmesserverringerung ausgesetzt wurden, zusammengefasst und in eine Kupferrohr eingefügt werden, dass dann das Kupferrohr ss mit den zusammengefassten Mehrmetalldrähten einer weiteren Durchmesserverringerung unterworfen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

dass der Verfahrensschritt zur Herstellung eines aussserordentlich feinen mehrdrähtigen Supraleiters Schritte umfasst, in wel- 60 eben supraleitendes, legiertes Material (8) in Kupferrohre (7) eingesetzt wird, dass diese Kupferrohre mit eingesetztem Material einer Durchmesserverringerung unterworfen werden und dass ein ausserordentlich feines mehrdrähtiges Bündel durch eine Zusammenfassung mehrerer der genannten, im Durch- «s messer geschrumpften Kupferrohre (6) gebildet wird und dass dieses Bündel in eine solche Form (5) gebracht wird, dass es in die genannte Hohlleiternut (3) passt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere ausserordentlich feine Teilbündel zu einer Litze verflochten werden und dass die Litze zu dem vorgenannten Querschnitt geformt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte supraleitende legierte Material NbTi, NbZr oder NbTiZr enthält.
11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Material mit niedrigem Schmelzpunkt aus Sn oder aus einer Pb-Sn- oder einer Sn-Ag-Legierung besteht.
12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte Hohlleiter einen rechteckigen Querschnitt hat.
13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte Hohlleiter aus Kupfer besteht.