CH662203A5

CH662203A5 - Elektrischer supraleiter sowie verfahren zu seiner herstellung.

Info

Publication number: CH662203A5
Application number: CH6279/83A
Authority: CH
Inventors: Gerhard Mier
Original assignee: Alusuisse
Priority date: 1982-12-11
Filing date: 1983-11-23
Publication date: 1987-09-15
Also published as: FR2537770B1; DE3245903A1; IT8324063A0; DE3245903C2; FR2537770A1; GB2132002A; GB2132002B; IT1233250B; GB8330640D0

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Supraleiter mit zumindest einem Niob-Titan oder Nb3Sn Faden in einem Strang aus hochreinem Kupfer oder hochreinem Aluminium als Primärstabilisator, der mit einem Metallprofil als Sekundärstabilisator armiert ist. Darüber hinaus erfasst die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung dieses Supraleiters.

Niob-Legierungen, hochreines Kupfer und hochreines Aluminium verlieren ihren elekrischen Widerstand bei Temperaturen nahe dem absoluten Null-Punkt (-273 °C) fast ganz, d.h. der elektrische Widerstand wird unmessbar klein. Dieser Effekt wird als elektrische Supraleitung bezeichnet. Man verwendet supraleitende Magnetspulen für Magnetschwebebahnen, supraleitende Kabel für verlustfreie bzw. verlustarme Erzeugung, Übertragung und Speicherung von elektrischer Energie und macht sich die Supraleitung auch in der Kerntechnik zur Erzeugung starker Magnetfelder für die 5 Teilchenbeschleunigung zunutze. Der Supraleiter wird dazu in flüssiges oder siedendes Helium getaucht und auf eine Temperatur nahe dem absoluten Null-Punkt (-273 °C) abgekühlt.

So können elektrische Ströme von vielen 1000 Ampere io Stromstärke durch einen dünnen Faden aus Niob-Titan oder Nb3SN geleitet werden, der zum mechanischen Schutz in hochreines Kupfer oder Aluminium eingebettet ist. Einen solchen Strang von beispielsweise 0,5 bis 0,8 mm Dicke bezeichnet man als Primärstabilisator. Dieser hat aber nicht 15 nur die Funktion, supraleitende Fäden - Filamente von z.B. 30 bis 50 |j.m Durchmesser - mechanisch zu schützen, sondern er übernimmt bei besonders hohen Stromstössen auch einen Teil des elektrischen Stromes.

M Es ist bekannt, den supraleitenden Strang seinerseits mit Stahl oder Aluminium zu verbinden, um auch bei zeitweiligem Ausfall der zugeordneten Kälteanlage den Betrieb in gewissem Umfange aufrechterhalten zu können. Diese zweite Ummantelung bezeichnet man als Sekundärstabilisator. Das übliche Zusammenfügen von supraleitendem Strang und Sekundärstabilisator ist umständlich, zeitraubend und kostspielig und geschieht zumeist durch Auflöten des Stranges auf den Sekundärstabilisator. Sowohl der mechanische Schutz des Supraleiters als auch die elektrische Funktion des Sekundärstabilisator sind nicht optimal, da keine

30 .

metallische, d.h. atomare - Bindung zwischen beiden besteht und der elektrische Übergangswiderstand zwischen dem supraleitenden Draht und dem Sekundärstabilisator relativ gross bleibt und letzterer mechanisch nicht genügend geschützt wird. Um den supraleitenden Draht auflöten zu können, muss vorher das als Sekundärstabilisator dienende Aluminiumprofil galvanisch verkupfert werden. Dabei ist wiederum darauf zu achten, dass die aufgalvanisierte Kupferschicht nicht zu dick wird. Im allgemeinen sind nicht mehr als 10 (im zulässig, damit die unvermeidlichen Verunreinigungen den supraleitenden Effekt des Sekundärstabilisators nicht zu stark beeinträchtigen. Auch die Masstoleranzen des supraleitenden Drahtes und des Aluminiumprofils erschweren die Herstellung und vermindern die Qualität des Endproduktes.

Angesichts dieser Gegebenheiten hat sich der Erfinder das Ziel gesetzt, einen Supraleiter und ein Verfahren der eingangs erwähnten Art so zu verbessern, dass zum einen der mechanische Schutz verbessert und der genannte Übergangswiderstand vermindert werden sowie zum anderen das Herstellen vereinfacht kostengünstiger wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe führt, dass der Niob-Titan oder Nb3SN Faden mit seinem Strang - aus hochreinem Kupfer oder hochreinem Aluminium - als Primärstabilisator von ss einem stranggepressten Aluminiumprofil ummantelt und mit diesem metallisch, d.h. durch atomare Bindung, verbunden ist. Dabei soll vorzugsweise das Aluminiumprofil mindestens 99,995% Reinheit aufweisen.

Der Primärstabilisator wird also durch Verbundstrang-60 pressen in einem einzigen Arbeitsgang in das Aluminiumprofil eingebettet und dann metallisch mit diesem verbunden, ohne dass die Supraleitfähigkeit beeinträchtigende galvanische Zwischenschichten aufgebracht werden müss-ten. Im Gegensatz zu bekannten Ausführungen, bei denen 65 der Primärstabilisator einseitig offen liegt, ist er hier zudem vom Aluminiumprofil des Sekundärstabilisators voll ummantelt und daher optimal mechanisch geschützt.

Die Erfindung hat den weiteren Vorteil, dass der verbünd-

stranggepresste Supraleiter in vielen geometrischen Formen herstellbar ist, so dass er dem jeweiligen Anwendungszweck angepasst werden kann, was bei den bekannten Supraleitern keineswegs möglich ist. Flache Rechteckquerschnitte zum Wickeln von supraleitenden Spulen sind ebenso möglich, wie Profilquerschnitte mit grossem Widerstandsmoment bei hohen mechanischen Beanspruchungen. So erfasst die Erfindung auch Supraleiter mit axial durchlaufenden Kammern oder Kanälen für Kühlmittel, bevorzugt für flüssiges oder siedendes Helium; mit diesem werden Spulen aus dem erfin-dungsgemässen Supraleiter bei etwa -269°C gehalten.

Die Kammern oder Kühlmittelkanäle lassen sich in Form und Grösse den technischen Erfordernissen im Hinblick auf Kühlmitteldurchsatz, Strömungsgeschwindigkeit und Druckabfall anpassen. Atmosphärischer Druck des Kühlmittels z.B. bis zu 15 bar ist zulässig.

Der verbundstranggepresste Supraleiter nach dieser Erfindung wird allen obengenannten Anforderungen gerecht und wird trotzdem in einem Stück sowie in einem einzigen Arbeitsgang hergestellt, was bei den bisher bekannten Supraleitern nicht möglich war.

Die Herstellung, einschliesslich des Einbringens der genannten Kühlmittelkanäle, in einem einzigen industriellen Arbeitsgang, ohne zusätzliche Handarbeit, hat neben wirtschaftlichen Vorteilen auch den Effekt einer ausserordentlich gleichmässigen und automatisch überwachbaren Qualität. Auch das ist bei den bekannten Supraleitern nicht gegeben.

Die Zusammensetzung der metallischen Verbundkomponenten wird im übrigen erfindungsgemäss so gewählt, dass sich der Supraleiter ohne weiteres spulen lässt. Nach dem erfindungsgemässen Verfahren erfolgt hier das indirekte Strangpressen - unter niedrigerem Pressdruck als das direkte Strangpressen - bei einer Temperatur von maximal 350°C. Dabei wird der supraleitende Primärstabilisator durch einen speziellen Kanal im Pressdorn bis zum Formgebungsquerschnitt der Matrize bzw. des Strangpresswerkzeuges geführt und kommt erst dort mit der Matrix des Bolzens in Berührung, wodurch die Kräfte, die von der Matrix auf den Primärstabilisator ausgeübt werden, so klein bleiben, dass dieser nicht reisst.

Bei mechanisch besonders empfindlichem Supraleiterdraht lassen sich die Zerreisskräfte im Rahmen der Erfindung durch gleichzeitiges Pressen mehrerer Supraleiter aus einer einzigen Matrize noch weiter reduzieren. Dabei werden die Primärstabilisatoren nach Patentanspruch 9 als Bündel in eine Öffnung der Grundplatte für die Pressdorne eingeführt. Von dieser Öffnung abzweigend, laufen die Supraleitdrähte in die Kanäle der Pressdorne ein.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Aus-

662 203

führungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in

Fig. 1 eine geschnittene Schrägsicht auf einen erfindungsgemässen Supraleiter in gegenüber der Natur stark vergrös-serter Wiedergabe;

Fig. 2 den schematisierten Längsschnitt durch eine Vorrichtung zum Herstellen eines Supraleiters ;

Fig. 3 eine der Fig. 2 entsprechende Darstellung einer anderen Vorrichtung.

Ein Supraleiter 1, bei dem der elektrische Widerstand bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt nicht mehr in Erscheinung tritt und der beispielsweise für verlustfreie Energieübertragung herangezogen werden kann, besteht gemäss Fig. 1 aus einem Profilkörper 2 rechteckigen Querschnitts sowie einem in diesem vorgesehenen Leiterstrang 3 mit in der Zeichnung nicht verdeutlichten Fäden von Niob-Titan oder Nb3Sn, die in hochreines Aluminium, gegebenenfalls auch hochreines Kupfer, eingebettet sind. Dieser Leiterstrang 3 mit seinem als Primärstabilisator dienenden hochreinen Aluminium ist mit dem als Sekundärstabilisator wirkenden Profilkörper 2 aus Reinstaluminium oder einem anderen Aluminiumwerkstoff metallisch verbunden. Durch diese metallische Bindung übernimmt der Profilkörper bei elektrischer Stossbeanspruchung oder bei Ausfall der Kälteanlage in optimaler Weise einen Teil des Stromes (sekundäre Stabilisierung).

Im Profilkörper 2 sind beidseits des in Profilquerachse Q verlaufenden Leiterstranges 3 Kühlkanäle 4 zu erkennen, durch die während des Leiterbetriebes flüssiges oder siedendes Helium mit etwa 15 bar geschickt wird.

Die Herstellung dieses Supraleiters 1 erfolgt auf dem Wege des Strangpressens durch den Formgebungsquerschnitt 9 einer feststehenden Matrize 10 mit in Pressrichtung x nachfolgendem - ebenfalls stehendem, hohlem Pressstempel 11 -Die Matrize 10 umgibt ein fahrbarer Rezipient 12, in dessen Rezipientenbohrung 13 ein in Längsachse gelochter Aluminiumbolzen 14 eingesetzt und die endwärts von einer Verschlussplatte 15 überdeckt ist. Durch eine zentrische Ausnehmung 16 der Verschlussplatte 15 ragt zum Formgebungsquerschnitt 9 hin ein Dorn 17, der von einer stehenden Grundplatte 18 ausgeht. Sowohl diese als auch ihr Dorn 17 weisen einen bei 19 gekrümmten Kanal 20 auf als Führung für den Leiterstrang 3 aus hochreinem Aluminium- oder Kupferdraht mit eingebettetem Niob-Titan- oder NbîSn-Filament. Die Dornteile für die Erzeugung der Kühlkanäle 4 sind aus Gründen der Übersichtlichkeit in der Zeichnung vernachlässigt.

Mit der Vorrichtung 30 nach Fig. 3 können mehrere Supraleiter 1 simultan geformt werden, und zwar durch mehrere Formgebungsquerschnitte 9 einer Matrize 10.

3

s

10

15

20

25

30

35

40

45

50

B

3 Blatt Zeichnungen

Claims

662203

1. Elektrischer Supraleiter mit zumindest einem Niob-Titan oder Nb3Sn Faden in einem Strang aus hochreinem Kupfer oder hochreinem Aluminium als Primärstabilisator, der mit einem Metallprofil als Sekundärstabilisator verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Niob-Titan oder NbsSn Faden mit seinem Strang (3) als Primärstabilisator von einem stranggepressten Aluminiumprofil (2) ummantelt und mit diesem metallisch, d.h. durch atomare Bindung, verbunden ist.

2. Supraleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminiumprofil (2) mindestens 99,995% Reinheit aufweist.

2

PATENTANSPRÜCHE

3. Supraleiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminiumprofil (2) wenigstens eine Kammer (4) als Führung für ein Kühlmittel aufweist.

4. Supraleiter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem Primärstabilisator (3) wenigstens ein Kühlmittelkanal (4) parallel benachbart ist.

5. Supraleiter nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminiumprofil als Sekundärstabilisator (2) mit bis zu 20 bar, bevorzugt 15 bar druckfesten Kammern oder Kühlmittelkanälen (4) ausgestattet ist.

6. Supraleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Sekundärstabilisator (2) und Primärstabilisator (3) zu einer Spule wickelbar ausgebildet sind.

7. Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Supraleiters nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit zumindest einem Niob-Titan oder Nb3Sn Faden in einem Strang aus hochreinem Kupfer oder hochreinem Aluminium als Primärstabilisator, der mit einem Metallprofil als Sekundärstabilisator verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärstabilisator bei einer Temperatur unter 350 °C mit einer Aluminiummatrix zu einem Verbundprofil unter Bildung einer intermetallischen Phase zwischen beiden Verbundkomponenten stranggepresst wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Supraleiter als Verbundprofil auf dem Wege des Strangpressens über Dorn durch den Formgebungsquerschnitt einer Matrize hergestellt und dabei der in hochreines Kupfer oder Aluminium eingebettete Primärstabilisator durch einen Kanal der Strangpresse so geführt wird, dass er am Formgebungsquerschnitt mit der Matrix des Sekundärstabilisators in Berührung kommt.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr Stränge gleichzeitig durch eine Matrize gepresst und mehrere Sekundärstabilisatoren als Bündel durch Kanäle der Strangpresse dem Dorn so zugeführt werden, dass sie gleichzeitig an den Formgebungsquerschnitten der Matrize mit der Matrix des Sekundärstabilisators in Berührung kommen.