DE1282116B

DE1282116B - Supraleitender Draht zum Transport hoher Stroeme

Info

Publication number: DE1282116B
Application number: DES90596A
Authority: DE
Inventors: Dr Hans Voigt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1964-04-17
Filing date: 1964-04-17
Publication date: 1968-11-07
Also published as: AT249772B; BE661457A; GB1030975A; US3365538A; NL143719B; SE313864B; CH426964A; SE328041B; NL6503316A

Description

Supraleitender Draht zum Transport hoher Ströme Die Erfindung betrifft einen draht- oder kabelförmigen Supraleiter aus hartem Supraleitermaterial, welches in Magnetfeldern in Stromrichtung eine höhere kritische Stromstärke aufweist.
Supraleiter können nur Ströme bis zu einer bestimmten kritischen Stromstärke tragen. Wird diese kritische Stromstärke überschritten, so werden die Supraleiter normalleitend. Die kritische Stromstärke ist unter anderem abhängig vom Material und von der äußeren Form des jeweiligen Supraleiters, von der Temperatur und von den Magnetfeldern, die auf ihn wirken.
Es sind Meßergebnisse bekanntgeworden (Sekula, Boom und Bergeron, Appl. Phys. Letters, 2 [1963], S. 102), die zeigen, daß kaltgezogene Drähte aus verschiedenen harten Supraleitermaterialien in longitudinalen Magnetfeldern, also in Magnetfeldern in Stromrichtung, wesentlich höhere kritische Stromstärken besitzen als ohne Magnetfeld. Dieser Effekt wurde beispielsweise bei Drähten aus Niob-Zirkon-Legierungen verschiedener Zusammensetzung und bei Drähten aus Molybdän - 33% Rhenium und Tantal - 25 % Titan festgestellt.
Die vorliegende Erfindung macht von dieser Erkenntnis Gebrauch, indem sie einen zum Transport hoher Ströme geeigneten draht- bzw. kabelförmigen Supraleiter aus hartem Supraleitermaterial vorsieht, bei welchem die durchfließenden Ströme sich selbst ein longitudinales Magnetfeld schaffen.
Der draht- bzw. kabelförmige Supraleiter ist erfindungsgemäß so ausgebildet, daß die Strombahnen im wesentlichen schraubenförmig um die Leiterachse geführt sind.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausgestaltung des draht- oder kabelförmigen Supraleiters derart, daß die Steigung der schraubenförmigen Strombahnen von der Leiterachse zur Leiteroberfläche hin abnimmt. Durch diese Anordnung wird erreicht, daß die Strombahnen in der Nähe der Leiterachse im wesentlichen in Achsrichtung, die an der Leiteroberfläche jedoch mehr zirkular um die Leiterachse verlaufen.
Eine qualitative überlegung zeigt nun, daß eine Stromkonfiguration, die eine in Achsnähe geringe, mit wachsendem Achsabstand zunehmende Azimutalkomponente besitzt, eine ähnliche Magnetfeldkonfiguration verursacht. Stark vereinfacht kann man sich dies so vorstellen, daß die äußeren, etwa zirkular verlaufenden Strombahnen sich im zirkularen Magnetfeld der inneren annähernd in Achsrichtung verlaufenden Strombahnen befinden, während diese dem in Achsrichtung verlaufenden Magnetfeld der äußeren zirkularen Strombahnen ausgesetzt sind. Strom und Magnetfeld sind dann an jeder Stelle im Inneren des Leiters zumindest angenähert parallel. Der im Supraleiter fließende Strom schafft sich sozusagen selbst sein Longitudinalfeld.
Die kritische Stromstärke eines in dieser Weise gestalteten draht- oder kabelförmigen Supraleiters wird wegen der Parallelität von Strom und Magnetfeld in ähnlicher Weise erhöht, wie die kritische Stromstärke eines normalen kaltgewalzten supraleitenden Drahtes in einem longitudinalen äußeren Magnetfeld.
Als Material für den Supraleiter gemäß der Erfindung sind alle supraleitenden Materialien geeignet, die im longitudinalen Magnetfeld eine Erhöhung des kritischen Stromes zeigen, insbesondere also die supraleitenden Legierungen Niob-Zirkon, Molybdän-Rhenium und Tantal-Titan.
Eine weitgehende Parallelität von Strom und Magnetfeld wird im Supraleiter gemäß der Erfindung dann erreicht, wenn diejenigen Strombahnen, die von der Leiterachse um den halben Leiterradius entfernt sind, derart verlaufen, daß Azimutal- und Longitudinalkomponente der sie durchfließenden Ströme etwa gleich sind. Das ist dann der Fall, wenn die Ganghöhe dieser schraubenförmigen Strombahnen von der gleichen Größenordnung ist wie der Umfang des von diesen Strombahnen beschriebenen Zylinders. Diese Bedingung und auch die obererwähnte Bedingung der nach außen abnehmenden Steigung muß jedoch nicht unbedingt erfüllt sein, um eine Erhöhung des kritischen Stromes zu erzielen. Bei einer schraubenförmigen Führung der Strombahnen treten nämlich auf jeden Fall longitudinale Magnetfeldkomponenten auf.
Der Supraleiter gemäß der Erfindung kann beispielsweise aus einem Bündel dünner, supraleitender Drähte aufgebaut sein. Die einzelnen Drähte sind dabei schraubenförmig um die Längsachse des Bündels geführt. In der Bündelachse selbst kann dabei ein parallel zu dieser Achse verlaufender supraleitender Draht angeordnet sein. Ebenso können statt dieses einen Drahtes in der Bündelachse mehrere supraleitende Drähte parallel zu dieser Achse angeordnet sein.
Die F ig. 1 a und 1 b zeigen schematisch und vergrößert ein Ausführungsbeispiel für einen solchen kabelförmigen Supraleiter. F i g. 1 a zeigt den Supraleiter im Querschnitt. Durch F i g. 1 b wird der Supraleiter in Draufsicht dargestellt, dabei sind verschiedene Schichten der kabelförmigen Anordnung gezeigt. Der kabelförmige Supraleiter besteht aus sieben supraleitenden Drähten gleichen Durchmessers. Um einen parallel zur Leiterachse verlaufenden Draht 1 sind vier supraleitende Drähte 2 in der Weise schraubenförmig gewickelt, daß die Ganghöhe einer durch einen solchen Draht gebildeten Schraube etwa dem Umfang des Zylinders entspricht, den diese Schraube beschreibt. Dadurch erhält diese Schraube eine Steigung von etwa 45°, so daß Azimutal- und Longitudinalkomponente des sie durchfließenden Stromes etwa gleich sind. Die dritte Schicht des Kabels besteht aus zwei supraleitenden Drähten 3, die mit geringer Steigung schraubenförmig auf die von den vier Drähten 2 gebildete Kabelschicht gewickelt sind. Ein durch diese Drähte 3 fließender Strom erzeugt ein etwa zur Leiterachse paralleles Magnetfeld.
Die kabelförmigen Supraleiter gemäß der Erfindung können auch eine von diesem Ausführungsbeispiel abweichende Zahl von Drähten und Wicklungsschichten aufweisen. Sie können auch aus Drähten verschiedenen Durchmessers aufgebaut sein. , Ein erfindungsgemäßer Supraleiter kann jedoch auch aus einem einzelnen, um seine eigene Längsachse tordierten Draht bestehen. Tordiert man beispielsweise einen kaltgewalzten Draht aus einer supraleitenden Legierung, so werden die zunächst ; in Längsrichtung des Drahtes verlaufenden Versetzungslinien, denen die Strombahnen folgen, schraubenförmig um die Drahtachse verdrillt. Ein derart tordierter Draht kann höhere Ströme führen als ein sonst gleicher urverdrillter Draht.
Durch das folgende Ausführungsbeispiel soll dies näher erläutert werden.
Ein kaltgewalzter Draht aus einer Niob-25 %Zirkon-Legierung mit einem Durchmesser von 0,254 mm (Hersteller: Wah Chang) wurde um seine eigene f Achse so weit verdrillt, daß er pro Millimeter Länge eine Umdrehung erfuhr. Beim Nachlassen des Drehmomentes ging die Verformung um 5% elastisch zurück. Es blieb eine plastische Verformung von 0,95 Umdrehungen pro Millimeter Drahtlänge. s Der kritische Strom eines 27 cm langen Stückes dieses Drahtes wurde zunächst ohne äußeres Feld und dann in senkrecht zur Drahtachse verlaufenden Magnetfeldern gemessen. Zum Vergleich wurden auch die kritischen Stromstärken eines gleichen, jedoch nicht tordierten Drahtes bestimmt. Alle Messungen wurden bei einer Temperatur von 4,2'K ausgeführt. Die Meßergebnisse sind in F i g. 2 dargestellt. Kurve a zeigt die kritischen Stromstärken des nicht verdrillten Drahtes in Abhängigkeit von einem transversalen Magnetfeld. Die kritische Stromstärke beträgt im feldfreien Raum etwa 150 A und sinkt mit wachsendem Magnetfeld auf etwa 30 A ab.
Kurve b zeigt die kritische Stromstärke des erfindungsgemäßen tordierten Drahtes. Diese beträgt ohne Magnetfeld etwa 225 A und sinkt mit wachsendem Feld- auf etwa 45 A ab. Die durch die Verdrillung des Drahtes erzielte Erhöhung des kritischen Stromes ist aus den beiden Kurven in F i g. 2 klar zu ersehen.
Es kann von Vorteil sein, wenn das Tordieren des Drahtes schon bei dessen Herstellung erfolgt, wenn also das Verdrillen mit dem Ziehvorgang kombiniert wird.
Unerwünschte Störungen im Gefüge des Drahtes, die etwa bei der Verdrillung auftreten, können durch eine Wärmebehandlung des Drahtes ausgeheilt werden. Bei einer derartigen Wärmebehandlung werden beispielsweise Niob-Zirkon-Drähte auf eine Temperatur von 600 bis 800° C erhitzt.
Die erfindungsgemäßen Supraleiter können beispielsweise als supraleitende Kabel zum Stromtransport verwendet werden. Auch zur Wicklung der äußeren Lagen von supraleitenden Magnetspulen, in denen die auftretenden transversalen Magnetfelder noch klein sind, sind die drahtförmigen Supraleiter gemäß der Erfindung gut geeignet.

Claims

Patentansprüche: 1. Draht- oder kabelförmiger Supraleiter aus hartem Supraleitermaterial, welches in Magnetfeldern in Stromrichtung eine höhere kritische Stromstärke aufweist, zum Transport hoher Ströme, dadurch gekennzeichnet, daß die Strombahnen im wesentlichen schraubenförmig um die Leiterachse geführt sind.
2. Supraleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung der schraubenförmigen Strombahnen von der Leiterachse zur Leiteroberfläche hin abnimmt.
3. Supraleiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ganghöhe der von der Leiterachse um den halben Leiterradius entfernten schraubenförmigen Strombahnen von der gleichen Größenordnung ist wie der Umfang des von diesen Strombahnen beschriebenen Zylinders.
4. Supraleiter nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Drahtkörper aus einem Bündel dünner, supraleitender Drähte aufgebaut ist und daß die einzelnen Drähte schraubenförmig um die Längsachse des Bündels geführt sind.
5. Supraleiter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Bündelachse wenigstens ein parallel zu dieser Achse verlaufender supraleitender Draht angeordnet ist.
6. Supraleiter nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Drahtkörper aus eines einzelnen, um seine Längsachse tordierten Draht besteht. 7.
Supraleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Supraleitermaterial eine Niob-Zirkon-Legierung verwendet ist. B.
Supraleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Supraleitermaterial eine Molybdän-Rhenium-Legierung verwendet ist.
9. Supraleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Supraleitermaterial eine Tantal-Titan-Legierung verwendet ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Sekula, Boom und Bergeron, Appl. Phys. Letters, 2 (1963), S. 102.