DE1241886B

DE1241886B - Clamping device for connecting two wire ends, at least one of which is a hard superconductor

Info

Publication number: DE1241886B
Application number: DE1965S0098577
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Wilhelm Kafka; Dipl-Ing Cord Albrecht
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1965-08-02
Filing date: 1965-08-02
Publication date: 1967-06-08

Description

Klemmvorrichtung zum Verbinden zweier Drahtenden, von denen wenigstens eines ein harter Supraleiter ist Große supraleitende Spulen oderWicklungen haben eine Drahtlänge von mehreren Kilometern. Die Fertigungslängen der Drähte betragen dagegen meist nur wenige Kilometer, so daß mehrere Leiterstücke miteinander verbunden werden müssen. DieVerbindung zwischen zwei supraleitenden Drähten erfolgt bisher durch Schweißen oder Zusammenklemmen.Clamping device for connecting two wire ends, of which at least one is a hard superconductor having large superconducting coils or windings a wire length of several kilometers. The production lengths of the wires are on the other hand, mostly only a few kilometers, so that several pieces of ladder are connected to one another Need to become. The connection between two superconducting wires has so far been made by welding or clamping.

Schweißverbindungen von harten Supraleitern haben den Nachteil, daß der Supraleiter beim Schweißvorgang lokal erhitzt und dadurch in seinem Gefüge verändert wird. Es sinken an der Verbindungsstelle die kritische Stromdichte und die kritische Feldstärke. Die Belastbarkeit der Spule wird hierdurch also vermindert.Welded joints of hard superconductors have the disadvantage that the superconductor is heated locally during the welding process and its structure is changed as a result will. The critical current density and the critical current density decrease at the junction Field strength. The load capacity of the coil is thus reduced.

Bei den bekannten Klemmvorrichtungen werden Kupferklemmbacken verwendet, die mit einem weichen Supraleiter überzogen sind. Die Klemmbacken werden mittels Klemmschrauben zusammengepreßt; als Schrauben dienen hierbei vorwiegend Messingschrauben, die sich bei Abkühlung stärker zusammenziehen als Kupfer. Es wird damit beim Abkühlen der Preßdruck erhöht. Die bekannten Klemmverbindungen haben bei Stromstärken über 20 Ampere, selbst wenn die Magnetfeldstärke klein ist, Widerstandswerte von 10-6 Ohm, die bei mehrrnalicrem Anwärmen und Abkühlen noch ansteigen. DerWiderstandswert ist unerwünscht groß. Hierdurch wird nicht nur die Verlustwärme und damit die Kühlleistung erhöht, sondern bei einer Hintereinanderschaltung mehrerer Verbindungen ein allmählicher Abfall der Magnetfeldstärke und der Stromstärke bewirkt, sobald man dieWicklung supraleitend kurzschließt. Man wünscht aber gerade durch Kurzschließen einer Wicklung eine vollkommen konstante, von äußeren Einflüssen unabhängige Feldstärke zu sichern.In the known clamping devices, copper clamping jaws are used which are coated with a soft superconductor. The clamping jaws are pressed together by means of clamping screws; The screws used here are mainly brass screws, which contract more than copper when it cools down. It is thus increased when cooling the pressure. The known terminal connections have resistance values of 10-6 ohms at currents above 20 amperes, even if the magnetic field strength is small, which increase with multiple heating and cooling. The resistance value is undesirably large. This not only increases the heat loss and thus the cooling capacity, but also results in a gradual decrease in the magnetic field strength and the current strength when several connections are connected in series as soon as the winding is superconductingly short-circuited. However, it is precisely by short-circuiting a winding that one wishes to ensure a completely constant field strength independent of external influences.

Aufgabe der Erfindung ist, eineVerbindung zweier Drahtenden zu schaffen, von denen wenigstens eines ein harter Supraleiter ist, die nicht mit den Nachteilen der bekannten Verbindungen behaftet ist.The object of the invention is to create a connection between two wire ends, at least one of which is a hard superconductor, those not with the disadvantages the known compounds is afflicted.

Diese Aufgabe wird durch eine Klemmvorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Form und Material des Klemmkörpers so gewählt sind, daß der zwischen den Spannbacken vorgesehene Klemmdruck eine elastische Änderung des Spannbackenabstandes hervorruft, die wenigstens fünfzigmal größer ist als die Änderung der Dicke des harten Supraleiters bei einem Temperaturunterschied von etwa 3001 K, und daß wenigstens ein Klemmbacken auf der dem Supraleiter zugewandten Seite aus hartem Supraleitungsmaterial besteht.This object is achieved by a clamping device according to the invention in that the shape and material of the clamping body are chosen so that the clamping pressure provided between the clamping jaws causes an elastic change in the distance between the clamping jaws which is at least fifty times greater than the change in the thickness of the hard superconductor with a temperature difference of about 3001 K, and that at least one clamping jaw on the side facing the superconductor consists of hard superconducting material.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß bei den bekannten Klemmvorrichtungen der Preßdruck bei der ersten Abkühlung so weit erhöht wird, daß eine plastische Verformung eintritt. Beim Wiedererwärmen geht der Preßdruck dann so weit zurück, daß zwischen Supraleiter und Klemmbacken Luft und Feuchtigkeit eindringen können, die eine Erhöhung des Kontaktwiderstandes zur Folge haben. Außerdem wird offenbar bei den Stromstärken, die man dem harten Supraleiter zumuten kann, der aus weichem Supraleitungsmaterial bestehende Klemmbacken infolge des Eigenfeldes des Drahtes normalleitend, so daß sich der einleitend genannte große Widerstandswert ergibt. Die erfindungsgemäße Klenunvorrichtung nimmt durch eine entsprechend weiche Federung die Dickenänderung des supraleitenden Drahtes zwischen Betriebs- und Zimmertemperatur so auf, daß sich der Kontaktdruck praktisch nicht ändert. Dies geschieht vorzugsweise durch eine U-förmige Gestalt des Klemmkörpers. Außerdem erfolgt die Stromleitung zwischen den Drahtenden durch eine Schicht aus hartem Supraleitungsmaterial, das eine ausreichend große kritische Feldstärke besitzt.The invention is based on the knowledge that in the known clamping devices the pressing pressure is increased so much during the first cooling that a plastic Deformation occurs. When rewarming, the pressing pressure drops so far that that air and moisture can penetrate between the superconductor and the clamping jaws, which result in an increase in the contact resistance. It also becomes apparent at the current strengths that can be expected of the hard superconductor, the one made of soft Superconducting material existing clamping jaws as a result of the wire's own field normally conducting, resulting in the large resistance value mentioned in the introduction. The Klenun device according to the invention takes through a correspondingly soft suspension the change in thickness of the superconducting wire between operating and room temperature so that the contact pressure practically does not change. This is preferably done by a U-shaped shape of the clamping body. In addition, the power line takes place between the wire ends by a layer of hard superconducting material, the has a sufficiently large critical field strength.

Bei U-förmiger Gestalt des Klemmkörpers wird für diesen vorzugsweise ferromagnetisches Material beispielsweise Stahl, verwendet. Dann schirmt der Klemmkörper die supraleitende Verbindungsstelle magnetisch ab und erniedrigt so die an dieser Stelle wirksame magnetische Feldstärke. Außerdem ist es vorteilhaft, bei U-förmiger Gestalt des Klemmkörpers und einem Draht mit kreisförmigem Querschnitt die Klemmbacken keilförinig anzuordnen und die Druckschrauben außerhalb der Mitte des Drahtsitzes angreifen zu lassen. Hierdurch läßt sich der Draht leicht einziehen und sicher festklemmen.If the clamping body is U-shaped, it is preferred for this ferromagnetic material, for example steel, is used. Then the clamp body shields magnetically removes the superconducting junction and thus lowers the one at this Establish effective magnetic field strength. In addition, it is advantageous in the case of U-shaped Shape of the clamping body and a wire with a circular cross-section, the jaws to be arranged in a wedge shape and the pressure screws outside the center of the wire seat attack allow. This allows the wire to be pulled in easily and clamp securely.

Die Erfindung wird durch Ausführungsbeispiele an Hand von vier Figuren erläutert.The invention is illustrated by exemplary embodiments on the basis of four figures explained.

F i g. 1 und 2 zeigen in verschiedenen Ansichten eine Klemmvorrichtung für Drähte mit kreisförmigern Querschnitt und F i g. 3 und 4 eine Klenunvorrichtung für Drähte mit rechteckigem Querschnitt, d. h. für bandförmige Supraleiter.F i g. 1 and 2 show, in different views, a clamping device for wires with a circular cross-section, and FIG. 3 and 4 a Klenun device for wires with a rectangular cross-section, i. H. for ribbon-shaped superconductors.

Die in den F i g. 1 und 2 dargestellte Klemmvorrichtung enthält einen U-förmigen Klemmkörper 1 aus Stahl, Klemmbacken 2 und 3 aus Kupfer, die innen mit Schichten 4 und 5 aus einem harten Supraleiterinaterial, z. B. Niob-Zirkon, Niob-Titan oder Niob-Zinn, überzogen sind, und eine Anzahl Schrauben 6, mittels derer die Klemmbacken zusammenpreßbar sind. Zwischen den Klenunbacken befinden sich zwei Drahtenden 7 und 8 aus hartem Supraleitungsmaterial. Die supraleitenden Drähte sind mit einem Kupfermantel 9 bzw. 10 überzogen. Die elektrische Verbindung zwischen den beiden Kupfermänteln erfolgt durch ein Kupferband 11, das mit den Kupfermänteln verlötet und unterhalb des Klemmbackens 2 durch die Klemmvorrichtung geführt und in dieser gehalten ist. Die Drahtenden sind vor dem Einführen in die Klemmvorrichtung auf mechanischem oder chemischem Wege von isolierenden oder nonnalleitenden Oberflächenschichten befreit worden. Wie aus den beiden Figuren ersichtlich ist, werden die Klenunbacken durch die in Längsrichtung der Drahtenden angeordneten Druckschrauben an mehreren Punkten zusammengepreßt. Es kommt hierbei an diesen Punkten zu einem Preßdruck zwischen harten Supraleitern - nämlich zwischen dem Draht und den Klemmbacken -, der bei allen Temperaturen infolge der Federwirkung des Klemmkörpers praktisch unverändert aufrechterhalten bleibt. Da der Klemmkörper aus Stahl, also aus einem ferromagnetischen Material besteht, ist die magnetische Feldstärke in der Nähe des Stromüberganges von Supraleiter zu Supraleiter kleiner als in der sonstigen Umgebung des harten Supraleiters. Die Belastung des Supraleiters durch das Magnetfeld wird an dieser Stelle verringert.The in the F i g. 1 and 2 shown clamping device contains a U-shaped clamping body 1 made of steel, clamping jaws 2 and 3 made of copper, the inside with layers 4 and 5 of a hard superconductor material, for. B. niobium-zirconium, niobium-titanium or niobium-tin, are coated, and a number of screws 6 by means of which the clamping jaws can be pressed together. There are two wire ends 7 and 8 made of hard superconducting material between the Klenun jaws. The superconducting wires are covered with a copper jacket 9 or 10 . The electrical connection between the two copper jackets is made by a copper band 11 which is soldered to the copper jackets and guided below the clamping jaw 2 through the clamping device and held therein. Before being inserted into the clamping device, the wire ends have been freed from insulating or normally conductive surface layers by mechanical or chemical means. As can be seen from the two figures, the Klenun jaws are pressed together at several points by the pressure screws arranged in the longitudinal direction of the wire ends. At these points there is a pressure between hard superconductors - namely between the wire and the clamping jaws - which remains practically unchanged at all temperatures due to the spring action of the clamping body. Since the clamping body is made of steel, i.e. of a ferromagnetic material, the magnetic field strength in the vicinity of the current transition from superconductor to superconductor is smaller than in the rest of the area around the hard superconductor. The load on the superconductor from the magnetic field is reduced at this point.

Der elektrische Widerstand zwischen den beiden Drahtenden war bei einer Stromstärke von 40 Ampere und einer magnetischen Feldstärke von mehreren kOe < 10-9 Ohm. Auch nach mehrmaligem Anwärmen und Wiederabkühlen trat hierin keine Änderung ein. Damit ist die Zeitkonstante einer Spule mit einer derartigen Verbindung wenigstens tausendmal größer als bei den bisher bekannten Klemmvorrichtungen und beträgt mindestens einige Jahre. Die Feldänderung pro Stunde ist < 10-5 und bei Spulen großer Induktivität < 10-6. The electrical resistance between the two wire ends was <10-9 ohms at a current strength of 40 amperes and a magnetic field strength of several kOe. Even after heating up and cooling down several times, this did not change. The time constant of a coil with such a connection is thus at least a thousand times greater than with the previously known clamping devices and is at least a few years. The field change per hour is <10-5 and for coils with high inductance <10-6.

Ein Vergleich der kritischen Stromstärke der Verbindungsstelle mit der kritischen Stromstärke des Drahtes ergab keinen meßbaren Unterschied.A comparison of the critical current at the junction with the critical current of the wire showed no measurable difference.

Soll ein Drahtende aus einem harten Supraleiter mit einem Drahtende aus normalleitendem Material verbunden werden, so wird das unter dem Klemmbacken 2 eingezogene Kupferband 11 entsprechend verstärkt.If a wire end made of a hard superconductor is to be connected to a wire end made of normally conductive material, the copper strip 11 drawn in under the clamping jaw 2 is correspondingly reinforced.

In den F i g. 3 und 4 ist die Verbindung zweier bandförmiger Drahtenden 12 und 13 dargestellt. Die Bänder sind nach Beseitigung von Oberflächenschichten aufeinandergelegt in die Vorrichtung gebracht worden und werden durch die Schrauben 6 mittels eines Klemmbackens 14 an mehreren Stellen zusammengepreßt.In the F i g. 3 and 4 the connection of two band-shaped wire ends 12 and 13 is shown. After removing surface layers, the strips are placed on top of one another in the device and are pressed together at several points by the screws 6 by means of a clamping jaw 14.

Claims

Claims: 1. Clamping device for connecting two wire ends, at least one of which is a hard superconductor, characterized in that the shape and material of the clamping body (1) are chosen so that the clamping pressure provided between the clamping jaws causes an elastic change in the distance between the clamping jaws, which is at least fifty times greater than the change in the thickness of the hard superconductor at a temperature difference of about 3000 K, and that at least one clamping jaw (2 or 3) on the side facing the superconductor (7 or 8) made of hard superconducting material (4 or . 5) exists.

2. Clamping device according to claim 1, characterized in that the clamping body is U-shaped. 3. Clamping device according to claim 1 or 2, characterized in that the clamping jaws can be pressed together by means of a plurality of pressure screws arranged in the longitudinal direction of the wire ends. 4. Clamping device according to claim 3, characterized in that the clamping jaws are arranged in a wedge shape and the pressure screws (6) attack outside the center of the wire seat (F i g. 1 and 2). 5. Clamping device according to one of claims 1 to 4, characterized in that a normally conductive piece of wire (11) fastened in the clamping body is additionally provided. 6. Clamping device according to one of claims 2 to 5, characterized in that the clamping body consists of ferromagnetic material.