DE10208139A1 - Verfahren zur Isolation eines Supraleiters - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer allseitigen Umhüllung aus einem elektrischen Isolationsmaterial aus Kunststoff um mindestens einen Supraleiter vorgestellt, bei dem ein Schmelzeschlauch aus einem geschmolzenen thermoplastischen Isolationsmaterial auf die Oberfläche des Supraleiters extrudiert wird. Zur Erzielung einer mechanischen Verstärkung wird dem dabei verwendeten thermoplastischen Isolationsmaterial ein Anteil an Fasern eines Faserwerkstoffs beigemengt.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer allseitigen Umhüllung aus einem elektrischen Isolationsmaterial aus Kunststoff um mindestens einen Supraleiter, bei dem ein Schmelzschlauch/Schmelzeschlauch aus einem geschmolzenen thermoplastischen Isolationsmaterial auf die Oberfläche des Supraleiters extrudiert wird. Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus der WO 00/11684 bekannt.
• Bei diesem Verfahren handelt es sich um einen kontinuierlichen Umhüllungsprozess bei einer die Supraleitungseigenschaften des Supraleiters praktisch nicht beeinträchtigenden Verfahrenstemperatur. Der Supraleiter tritt dabei aus einem sich in einer Vortriebsrichtung erstreckenden Führungskanal aus. Der Schmelzeschlauch aus einem geschmolzenen thermoplastischen Isolationsmaterial wird in der Vortriebsrichtung aus einer Düse extrudiert, deren Austrittsöffnung den Supraleiter unter allseitiger Beabstandung umgibt. Der Schmelzschlauch/Schmelzeschlauch wird mit dem Vortrieb des Supraleiters gedehnt und auf die Oberfläche des Supraleiters gezogen. Danach verfestigt sich der Schmelzeschlauch durch Abkühlung auf der Supraleiteroberfläche.
• Bei diesem bekannten Verfahren erfolgt also das Aufbringen einer Umhüllung aus thermoplastischen Isolationsmaterial in Dünnschichtextrusionstechnik nach einem sogenannten Schlauch- Reckverfahren. Hierbei wird ein Schmelzeschlauch aus einer Düse extrudiert, der in seinen Dimensionen größer als der zu umhüllende Supraleiter ist, welcher durch einen zentralen Führungskanal in der Düsenmitte läuft. Dadurch entsteht ein Schlauch um den Supraleiter herum, der durch den Vortrieb des Supraleiters gestreckt, d. h. gedehnt wird, bis die endgültige, erwünschte Dicke (Stärke) der Umhüllungswand (Isolationsschicht) erreicht ist.
• Dieser Schlauch wird auf die Supraleiteroberfläche gezogen. Abhängig vom eingesetzten Isolationswerkstoff liegt dabei das sogenannte Reckgrad, d. h. die Verstreckung des Materials, im allgemeinen zwischen 5 und 15.
• Die Verstreckung kann vorteilhaft unter gleichzeitiger Einwirkung von Vakuum im Schlauchinneren erfolgen. Zusammen mit einer vorteilhaften Vorwärmung des Supraleiters vor dem Einlauf in den Führungskanal und/oder während des Hindurchziehens des Supraleiters durch diesen lässt sich so ein besonders guter und blasenfreier Haftsitz der Umhüllung auf den Supraleiter erzeugen. Die dann erfolgende langsame Abkühlung z. B. an der Luft bewirkt ein Einfrieren und eine spannungsfreie Verfestigung der Schmelze aus dem Isolationsmaterial auf dem Supraleiter.
• Dieses vorbekannte Isolationsverfahren hat aber den gravierenden Nachteil, dass die Isolationsschichten zuzüglich eventueller mechanischer Verstärkungsschichten relativ große Dicken aufweisen, was die Gesamtstromdichte des Supraleiters reduziert. Aufgrund der generellen Steigerung der Gesamtstromdichte in den Hochtemperatursupraleitern im Verlauf der Zeit nimmt auch die Lorentzkraftbelastung zu. Die auftretenden Lorentz-Kräfte Können je nach Anwendung so groß sein, dass die Gesamtstromdichten irreversibel reduziert werden.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, das Isolationsverfahren der eingangsgenannten Art dahingehend weiter zu entwickeln, dass die Gesamtstromdichte in der Anwendung merklich erhöht wird bzw. dass es in der Anwendung nicht zu Degradations-Effekten kommt.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass bei dem eingangsgenannten Verfahren dem thermoplastischen Isolationsmaterial Kurzfasern eines Faserwerkstoffes beigemengt werden.
• Durch die Verwendung von Kurzfasern eines Faserwerkstoffes wird die Gesamtstromdichte also nicht durch die mechanische Verstärkung und die separate Isolation reduziert, sondern beide notwendigen Maßnahmen werden im gleichen Querschnittsflächenanteil des isolierten und verstärkten Supraleiters vorgenommen. Durch diesen Zusatz von Faserwerkstoffen in dem Isolationswerkstoff kann der Supraleiter dann wesentlich höheren Zugbelastungen bzw. mechanischen Spannungsbelastungen ausgesetzt werden.
• In einer bevorzugten Ausführungsform wird als Faserwerkstoff ein Glasfaserwerkstoff (hohe elektrische Isolationseigenschaften) verwendet, es sind jedoch auch - je nach Anwendungsanforderungen - Aramid-Werkstoffe oder Kohlefaserwerkstoffe (verminderte elektrische Isolationseigenschaften) denkbar.
• Typischerweise weisen die Kurzfasern eine Länge von ca. 20-30 mm auf. Je nach angestrebter Dicke der Isolationsschicht und Vernetzung der Fasern sind aber auch erheblich kürzere oder längere oder sogar Vernetzungen in Gaze-Form möglich.
• Als thermoplastische Materialien die die Grundlage des Isolationswerkstoffes bilden, werden typischerweise Polyethylen, Elastomere aus Polystyrol-Ethylen-Butylen, Polyurethanelastomere, Ethylen-Vinylacetat-Copolymer oder Acrylsäure-Acrylat- Copolymer verwendet.
• Die Aspektverhältnisse, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielt werden können, betragen mindestens 2,5, vorzugsweise jedoch mindestens 8.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen eingehend erläutert. Dabei zeigen jeweils schematisch die Fig. 1 und 2 eine Düse für eine Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens als Längsschnitt bzw. als Frontansicht.
• In den Figuren sind entsprechende Teile mit den selben Bezugszeichen versehen. Nicht dargestellte Teile sind allgemein bekannt. Das Verfahren wird mit einer Anlage ausgeführt, die einen sogenannten Extruder mit Extrusionskopf beeinhaltet, der eine Extrusionsdüse aufweist, welche in den Fig. 1 und 2 im Längsschnitt bzw. in Frontansicht veranschaulicht ist. Diese allgemein mit 2 bezeichnete Düse enthält mittig einen Führungskanal 3. Durch diesen Kanal ist ein mit einer elektrisch isolierten Umhüllung 4 zu versehender Supraleiter 5 in einer durch einen Pfeil v angedeuteten Vortriebsrichtung mit Hilfe von Vortriebsmitteln (nicht gezeigt) zu führen. Gemäß dem angenommen Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Supraleiter 5 um einen bandförmigen Hochtemperatursupraleiter. Dieser Supraleiter kann vorteilhaft vor der Einführung in den Führungskanal 3 vorgeheizt werden. Gegebenenfalls ist statt dessen oder zusätzlich der Führungskanal selbst aufheizbar.
• Das Isoliermaterial der Umhüllung 4 wird in dem nicht dargestellten Extruder aufgeschmolzen, in den Extrusionskopf mit Verteilersystem gefördert und als Schmelze 6 in einen Düsenspalt 7 der Extrusionsdüse 2 gedrückt.
• Das Isoliermaterial ist dabei ein Thermoplast, der zunächst als Granulat vorliegt. Typische Thermoplaste sind Polyethylen, Polyurethan, oder verschiedene Copolymere. Dem Thermoplastgranulat werden vorzugsweise Kurzfasern beigemengt.
• An einer Austrittsöffnung 8 des Düsenspalts 7, dessen Spaltweite dort deutlich größer ist als die endgültige Dicke d der Umhüllung 4 um den Bandleiter 5, tritt in der Vortriebsrichtung v gesehen ein Schmelzeschlauch 9 aus, der in Form eines Reckkegels aufgrund einer Fixierung seiner Kegelspitze am bandförmigen Supraleiter verstreckt und mit der am bandförmigen Supraleiter geforderten Schichtdicke d auf den Supraleiter aufgebracht wird. Ein am Führungskanal 3 angelegtes Vakuum erzeugt im Inneren des Reckkegels einen Unterdruck, der einen Einschluss von Luftblasen zwischen der Umhüllung und dem Supraleiter verhindert und der zusammen mit der Vorwärmung des Supraleiters einen guten Haftsitz der Umhüllung 4 auf dem Supraleiter gewährleistet. Der so umhüllte bandförmige Supraleiter ist in der Fig. 1 mit 5' bezeichnet.
• Wie aus der Fig. 2 hervorgeht, hat die Düsenspaltöffnung 8 vorteilhaft eine an die Kontur des bandförmigen Supraleiters 5 angepasste Form. Die somit weitgehend rechteckige Öffnung mit Abrundungen an den Ecken ist bezüglich der Flächen des bandförmigen Supraleiters um Abstände a1 und a2 beabstandet und wird durch Spaltweiten w1 und w2 sowie durch Krümmungsradien R1 und R2 in ihren Eckbereichen festgelegt. Die Abstände (a1, a2) der Düsenspaltöffnung 8 vom Bandleiter 5, deren geometrische Gestaltung (w1, w2, R1, R2) und die Vortriebsgeschwindigkeit v des Supraleiters bestimmen die Kontur der Umhüllung 4 und deren Dicke d.
• Die geometrische Gestaltung der Extrusionsdüse kann dabei, wie für das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 angenommen wurde, so gewählt werden, dass die Dicke d der Umhüllung 4 auf allen Seiten etwa gleich groß ist. Dabei wird im allgemeinen eine Dicke d von weniger als 0,5 mm eingeplant, beispielsweise zwischen 10 und 300 µm.
• Als isolierende Kunststoffmaterialien für die Umhüllung 4 kommen alle thermoplastischen Werkstoffe in Frage, die einerseits eine Verarbeitungs- bzw. Schmelztemperatur haben, die eine Beeinträchtigung der Supraleitungseigenschaften des zu umhüllenden Supraleiters, insbesondere Hochtemperatursupraleiters 5 ausschließt und dennoch eine hinreichende Plastizität für das Extrusionsbeschichtungsverfahren gewährleistet.
• Für das Umhüllen von in Silber eingebetteten Hochtemperatursupraleitermaterialien basierend auf Wismut-Cuprat vom 2223- Typ scheiden Verarbeitungstemperaturen oberhalb ca. 400°C (je nach atmosphärischen Verhältnissen) prinzipiell aus. Deshalb kommen in diesem Fall thermoplastische Materialien die z. B. ein entsprechendes Polyethylen, ein entsprechendes Polystyrol-Ethylen-Butylen-Elastomer, ein entsprechendes Polyurethan-Elastomer, ein entsprechendes Ethylen/Vinylacetat- Copolymer oder ein Acrylsäure/Acrylat-Copolymer in Frage. Bei Verwendung eines transparenten Isoliermaterials, wie z. B. eines thermoplastischen Polyurethan-Elastomers, kann zusätzlich die Isolierhülle mit Farbstoffen eingefärbt werden. Diesen genannten Thermoplasten werden Fasern beigemischt, beispielsweise Kohlefasern die unter den Handelsmarken Grafil34-700, Pyrofil TR50, Torayca T700 oder Panex 33, erhältlich sind. Es sind aber vorzugsweise Aramide oder E-Glas möglich, so z. B. Fiberglas bzw. Aramid-Twaron 2200.
• Das erfindungsgemäße Dünnschicht-Extrusionsbeschichtungsverfahren ist insbesondere zum Umhüllen von bandförmigen Hochtemperatursupraleitern geeignet, deren Leiterbanddicke unter 1,5 mm, vorzugsweise unter 0,5 mm, liegt und die ein hohes Aspektverhältnis von mindestens 2,5, vorzugsweise mindestens 8, haben. Ein entsprechender bandförmiger Hochtemperatursupraleiter kann beispielsweise eine Breite von 3,6 mm und eine Dicke von 0,25 mm besitzen. Als Hochtemperatursupraleitermaterialien kommen dabei alle bekannten oxidischen Supraleitermaterialien mit hohen Sprungtemperaturen in Frage, die insbesondere eine Kühlung unter flüssigen Stickstoff zulassen. Dabei sind als besonders geeignet, die auf Kupfer bzw. Kupferoxid oder Wismutcupraten basierenden Werkstoffe anzusehen. Aber auch die konventionellen Metallischen Supraleiter und Hochtemperatursupraleiter in Dünnschichtform auf einem bandförmigen Träger sind für dieses Verfahren geeignet.
• Die Ausführungsbeispiele gingen davon aus, dass es sich bei dem zu beschichteten Supraleitern um einen bandförmigen Hochtemperatursupraleiter handelte. Das erfindungsgemäße Verfahren ist zwar als besonders vorteilhaft für das Umhüllen derartiger Supraleiter anzusehen, es kann jedoch ebenso gut auch für Supraleiter der "klassischen" Art verwendet werden, nämlich bei auf Niob basierenden Supraleitern, z. B. Nb₃Sn bzw. Nb₃Ge, oder NbTi, oder auch bei Hochtemperatursupraleitern in Dünnschichtform auf einem bandförmigen Träger (z. B. YBa2Cu3Ox mit eventuellen Pufferschichten auf texturierten Nickel-Bändern oder Stahl-Bändern).

Claims (11)

1. Verfahren zur Herstellung einer allseitigen Umhüllung aus einem elektrischen Isolationsmaterial aus Kunststoff um mindestens einen Supraleiter, bei dem ein Schmelzeschlauch aus einem geschmolzenen thermoplastischen Isolationsmaterial auf die Oberfläche des Supraleiters extrudiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass dem thermoplastischen Isolationsmaterial Kurzfasern eines Faserwerkstoffs beigemengt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Faserwerkstoff ein Glasfaserwerkstoff verwendet wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zufällig orientierte Einzelfasern, Fasern parallel zur Vortriebsrichtung oder ein Gewebe von Fasern vorgesehen sind.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als thermoplastisches Isolationsmaterial ein Polyethylen, ein Polystyrol-Ethylen-Butylen-Elastomer, ein Polyurethan-Elastomer, ein Ethylen/Vinylacetat-Copolymer oder ein Acrylsäure/Acrylat-Copolymer vorgesehen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Supraleiter mit oxidischem Hoch-Tc-Supraleitermaterial mit der Umhüllung versehen wird.

6. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zum Umhüllen eines bandförmigen Supraleiters mit einem Aspektverhältnis von mindestens 2,5.

7. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 6 zum Umhüllen eines bandförmigen Supraleiters mit einem Aspektverhältnis von mindestens 8.

8. Verwendung nach Anspruch 7 zum Umhüllen eines Supraleiters mit einer Banddicke von höchstens 2,5 mm.

9. Verwendung nach Anspruch 8 zum Umhüllen eines Supraleiters mit einer Banddicke von höchstens 0,5 mm.

10. Verwendung nach Anspruch 8 oder 9 zum Umhüllen eines Supraleiters mit mehreren in ein normalleitendes Material eingebetteten Leiterkernen aus supraleitendem Material.

11. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zum Umhüllen eines supraleitenden Mehrfach- oder Verbundleiters, der mindestens einen supraleitenden Einzelleiter oder Supraleiterkern umfasst.