DE1489856A1 - Superconducting coil - Google Patents
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Description
Supraleitungsspulen mit Wicklungen aus Hochfeldsupraleitern können insbesondere zur Erzeugung starker Magnetfelder verwendet werden. Die Wicklungen von bekannten Spulen bestehen meist aus 0,25 mm dickem Draht aus supraleitenden intermetallischen Legierungen, beispielsweise aus Niob-Zirkon oder Niob-Titan. Zur Herstellung von Spulen mit großen geometrischen Abmessungen sind solche Drähte wegen der großen Induktivität der Spule jedoch unzweckmäßig. Dickere Drähte weisen den Nachteil auf, daß die kritische Stromdichte wegen des gegenüber dem dünnen Draht geringeren VerformungBgrades kleiner als bei diesem dünnen Draht wird, und daß infolge des ungünstigen Verhältnisses von Oberfläche zu Volumen pro Längeneinheit des Drahtes der Degradationseffekt ausgeprägter wird. Unter Degradationseffekt wird dabei der Effekt verstanden, daß Drahtstüoke größerer Länge bereits bei einer kleineren Stromstärke vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand übergehen als kurze Drahtproben aus dem gleichen Material in einem gleichstarken Magnetfeld. Auch bei Verwendung von Drähten oder Bändern mit Schichten aus supraleitenden intermetallischen Verbindungen, beispielsweise Niob-Zinn, sind der Schichtdicke wegen der verhältnismäßig schlechten Verformbarkeit der Niob-Zinn-Schichten Grenzen gesetzt. Die Herstellung größerer Niob-Zinn-Querschnitte erfordert im allgemeinen ein Erhitzen der fertigen Spule auf sehr hohe Temperaturen über 1000°0.Superconducting coils with windings made from high-field superconductors can be used in particular to generate strong magnetic fields. The windings of known coils usually consist of 0.25 mm thick wire made of superconducting intermetallic alloys, for example niobium-zirconium or niobium-titanium. However, because of the large inductance of the coil, such wires are inexpedient for the production of coils with large geometrical dimensions. Thicker wires have the disadvantage that the critical current density is smaller than that of this thin wire because of the lower degree of deformation compared to the thin wire, and that the degradation effect is more pronounced because of the unfavorable ratio of surface area to volume per unit length of the wire. The degradation effect is understood to mean the effect that pieces of wire of greater length change from the superconducting to the normally conducting state at a smaller current than short wire samples made of the same material in an equally strong magnetic field. Even when using wires or strips with layers of superconducting intermetallic compounds, for example niobium-tin, there are limits to the layer thickness because of the relatively poor deformability of the niobium-tin layers. The production of larger niobium-tin cross-sections generally requires the finished coil to be heated to very high temperatures above 1000.degree.
Die Erfindung betrifft eine Supraleitungsspule mit einer Wicklung aus Hochfeldsupraleitermaterial, bei der diese Schwierigkeiten beseitigt sind. Gemäß der Erfindung besteht die Spulenwicklung aus zur Spulenachee hochkant stehendem supraleitendem Band.The invention relates to a superconducting coil with a winding made of high-field superconducting material, in which these difficulties are eliminated. According to the invention, the coil winding consists of superconducting tape standing on edge to the coil axis.
Die Spulenwicklung kann aus einer oder auβ mehreren Wioklunge- The coil winding can consist of one or more winding lugs.
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lagen bestellen. Jede Wicklungslage besitzt, da sie aus hochkant zur Spulenachse stehendem Band besteht, die Form einer in Richtung der Spulenachse ausgedehnten Bandspirale. Diese Formgebung verbürgt eine große mechanische Stabilität der Spulenwicklung und einen großen Füllfaktor, da Zwischenräume zwischen den einzelnen-Windungen praktisch wegfallen. Der in der Spulenwicklung fHeißende Strom ist nicht wie bei einer Spule mit einer Drentwicklung an einen in engem Bereich vorgegebenen Strompfad gebunden, vielmehr kann sich die Stromdichte innerhalb des hochkant stehenden Bandes jeder Wicklungslage, das vom erzeugten Hagnetfeld im wesentlichen senkrecht zur Bandfläche durchdrungen wird, so einstellen, wie es dem vorhandenen Magnetfeld entspricht. Die erfindungsgemäße Spule ist daher bei verhältnismäßig großem supraleitenden Querschnitt gegen magnetische Flußsprünge und die dadurch bewirkte Herabsetzung des kritischen Stromes wesentlich unempfindlicher als Spulen mit Wicklungen aus supraleitenden Drähten.order layers. Each winding layer has, since it consists of tape standing upright to the coil axis, the shape of a tape spiral extended in the direction of the coil axis. This shaping guarantees a high mechanical stability of the coil winding and a large space factor, as there are gaps between the individual turns practically disappear. The current flowing in the coil winding is not like a coil with a tension development tied to a given current path in a narrow area, rather the current density can be within the upright position Band of each winding layer, which is affected by the generated magnetic field in the is penetrated substantially perpendicular to the tape surface, set so that it corresponds to the existing magnetic field. The inventive With a relatively large superconducting cross section, the coil is therefore against magnetic flux jumps and the resulting brought about a reduction in the critical current much less sensitive than coils with windings made of superconducting Wires.
Als Material für die Spulenwicklung sind supraleitende intermetallische Legierungen, wie beispielsweise Niob-Zirkon oder Niob'-Titan, geeignet. Die spiralförmigen Wicklungslagen der erfindungsgemäßen Spule können durch konisches Walzen eines geraden Bandes aus solchen Legierungen hergestellt werden. Das Walzen kann dabei ähnlich wie bei der Herstellung von Rippenrohren erfolgen. Durch das Walzen wird bei verhältnismäßig großem supraleitenden Querschnitt ein hoher Kaltverformungsgrad und folglich auch eine hohe Stromtragfähigkeit erzielt.The material used for the coil winding is superconducting intermetallic Alloys such as niobium-zirconium or niobium'-titanium, suitable. The spiral winding layers of the coil according to the invention can be produced by conical rolling of a straight strip are made from such alloys. The rolling can be carried out in a similar way to the production of finned tubes. By with a relatively large superconducting cross-section, rolling becomes a high degree of cold deformation and consequently also a high one Current carrying capacity achieved.
Ferner können bei der Spule gemäß der Erfindung Bänder mit Oberflächenschicht en aus supraleitenden intermetallischen Verbindungen, insbesondere aus Niob-Zinn, Verwendung finden. Zur Herstellung einer Spulenwicklung mit einem Niob-Zinn-Band wird vorteilhaft zunächst durch konisches Walzen eines geraden Niobbandes eine Spirale aus Niobband hergestellt. Anschließend wird auf diese Spirale eine Zinnschicht, beispielsweise elektrolytisch oder duroh Bedampfen oder durch Eintauchen in eine Zinnschmelze, aufgebracht. Duroh Erhitzen des dtrart mit Zinn beschichteten Bandes auf etwa 1000 bis 12000C wird dann dae Zinn in das Niob-Furthermore, strips with surface layers made of superconducting intermetallic compounds, in particular made of niobium-tin, can be used in the coil according to the invention. To produce a coil winding with a niobium-tin strip, a spiral of niobium strip is advantageously first produced by conical rolling of a straight niobium strip. A tin layer is then applied to this spiral, for example electrolytically or duroh vapor deposition or by immersion in a tin melt. Duroh heating the dtrart tin-coated tape to about 1000 to 1200 0 C then the tin is in the niobium
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band eindiffundiert und dadurch an der Bandoberfläche eine Niob-Zinn-Schicht gebildet. Die notwendigen Isoliermaterialien können nach dem Erhitzen zwischen die einzelnen Windungen der Bandspirale eingelegt werden. Sie werden daher durch die zum Erhitzen notwendigen Temperaturen nicht in Mitleidenschaft gezogen. Zur endgültigen Montage der Spule können die fertigen Bandspiralen ohne weitere stärkere mechanische Verformung auf den die Wicklung tragenden Spulenkörper aufgeschoben werden. Die erfindungsgemäße Spule bietet daher den Vorteil, daß die Niob-Zinn-Schichten nach den wesentlichen Verformungen des Bandes, aber vor der endgültigen Fertigstellung der Spule gebildet werden. Ein Erhitzen der fertigen Spule auf hohe Temperaturen ist daher nicht notwendig.band diffused and thus a niobium-tin layer on the band surface educated. After heating, the necessary insulating materials can be placed between the individual turns of the spiral strip be inserted. They are therefore not affected by the temperatures necessary for heating. To the final Assembly of the coil allows the finished spiral tape to be applied to the winding without any further major mechanical deformation supporting bobbin are pushed. The coil according to the invention therefore offers the advantage that the niobium-tin layers after the significant deformations of the tape, but are formed before the final completion of the coil. A heating of the finished Coil at high temperatures is therefore not necessary.
Ähnliche Vorteile ergeben sich bei Verwendung von Bändern aus einem elektrisch normalleitenden Trägermetall mit einer Niob-Zinn-Schicht an der Oberfläche für die Spule gemäß der Erfindung. Zur Herstellung einer Spulenwicklung mit solchen Bändern wird vorteilhaft zunächst durch konisches Walzen eines geraden Bandes aus einem elektrisch normalleitenden Trägermetall, beispieleweise aus Stahl, eine Spirale hergestellt. Auf diese Spirale wird anschließend eine Niob-Zinn-Schicht aufgebracht. Zum Aufbringen dieser Niob-Zinn-Schicht eignet sich insbesondere das bekannte Verfahren zur Abscheidung von Niob-Zinn-Schichten aus der Gasphase durch Reduktion der Chloride von Niob und Zinn mittels Wasserstoff auf einem erhitzten Träger.Similar advantages result from the use of tapes made of an electrically normal conducting carrier metal with a niobium-tin layer on the surface for the coil according to the invention. It is advantageous to produce a coil winding with such ribbons initially by conical rolling of a straight strip made of an electrically normal conducting carrier metal, for example from Steel, made a spiral. A niobium-tin layer is then applied to this spiral. To apply this The known method is particularly suitable for the niobium-tin layer for the deposition of niobium-tin layers from the gas phase by reducing the chlorides of niobium and tin by means of hydrogen a heated carrier.
Um bei dem hochkant zur Spulenachse stehenden Band, das Spiralform besitzt, einen rechteckigen Bandquerschnitt und damit einen großen Füllfaktor für die Spule zu erzielen, wird bei den genannten Verfahren zur Herstellung der Spulenwicklung vorteilhaft von einem geraden Band mit dreieckförmigem Querschnitt ausgegangen. Durch das konische Walzen, bei dem das Band zu einer Spirale aufgespult wird, wird dann der Bandquerschnitt auf Rechteckform reduziert.In the case of the band standing upright to the reel axis, the spiral shape possesses a rectangular band cross-section and thus a large one To achieve fill factor for the coil, is advantageous in the above-mentioned method for producing the coil winding of one assumed a straight band with a triangular cross-section. By conical rolling, in which the strip is wound into a spiral, the strip cross-section is then reduced to a rectangular shape.
Zur Isolation der einzelnen Windungen einer Wicklungslage können ringförmige, an einer Stelle aufgeschnittene Folien aus einem tieftemperaturbeständigen Isolationsmaterial, beispielsweise aus dem unter dem Handelenamen Mylar bekannten Polyäthylenthereptha-To isolate the individual turns of a winding layer, ring-shaped foils cut open at one point can be made from a Low-temperature-resistant insulation material, for example made of the polyethylene terephthalate known under the trade name Mylar
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lat, zwischen die einzelnen Windungen überlappend eingelegt sein. Bei Spulen aus mehreren Wicklungslagen können die übereinanderliegenden Wicklungslagen durch dazwischen gelegte Pollen aus beispielsweise dem gleichen Material gegeneinander isoliert sein.lat, be inserted between the individual turns so as to overlap. In the case of coils with several winding layers, the superimposed Winding layers can be isolated from one another by interposed pollen made of, for example, the same material.
Anstelle der Folien aus Isoliermaterial können zur Verbesserung der Kühlung gemäß der Erfindung zwischen den einzelnen Windungen einer Wicklungslage und gegebenenfalls zwischen den einzelnen Wicklungslagen auch wenigstens einseitig gegen die Wicklung isolierte Pollen aus einem gut wärmeleitenden, bei der Betriebstemperatur der Spule elektrisch normalleitenden Metall vorgesehen sein. Beispielsweise sind zu diesem Zweck Kupferfolien geeignet, die auf einer oder auf beiden Seiten mit Pollen aus Polyäthylentherephthalat beschichtet sind. Besonders vorteilhaft ist es, diese Pollen aus dem Wickelpaket herausragen zu lassen, so daß sie mit dem die Spule umgebenden Kühlmittel in gutem Wärmekontakt stehen. Bei dieser Anordnung wird einerseits eine gute Isolation und andererseits eine sehr gute Kühlung der Spulenwicklung erzielt. Instead of the foils made of insulating material, in order to improve the cooling according to the invention, between the individual turns a winding layer and optionally also insulated at least on one side from the winding between the individual winding layers Pollen is made from a metal that conducts heat well and has normal electrical conductivity at the operating temperature of the coil be. For example, copper foils are suitable for this purpose, with pollen made of polyethylene terephthalate on one or both sides are coated. It is particularly advantageous to let these pollen protrude from the winding package so that they are in good thermal contact with the coolant surrounding the coil. With this arrangement, on the one hand, there is good insulation and on the other hand, very good cooling of the coil winding is achieved.
Die Spule gemäß der Erfindung kann ferner in einfacher und vorteilhafter Weise dadurch gekühlt werden, daß in der Wicklung inv Richtung der Spulenachse verlaufende Kanäle vorgesehen sind. Beispielsweise können bei Verwendung genügend breiter Bänder die einzelnen Wicklungslagen nach ihrer Fertigstellung senkrecht zu den Bandflächen, d.h. in Richtung der Spulenachse, durchbohrt werden.The coil according to the invention can also be cooled in a simple and advantageous manner in that channels are provided in the winding which extend in the v direction of the coil axis. For example, if sufficiently wide strips are used, the individual winding layers can be drilled through after their completion perpendicular to the strip surfaces, ie in the direction of the coil axis.
Anhand einer Figur soll die vorliegende Erfindung noch näher erläutert werden.The present invention is to be explained in more detail with the aid of a figure.
Die Figur zeigt schematisch im Querschnitt ein Ausführungsbeispiel der Spule gemäß der Erfindung. Auf einem rohrförmigen Spulenkörper 1 , der beispielsweise aus Chrom-Nickel-Stahl besteht und mit abnehmbaren Seitenflanschen 2 und 3 versehen ist, sind zwei Wicklungslagen 4 und 5 aus einem zur Spulenachse hochkant stehenden Band aus supraleitendem Material, beispielsweise aus Niob-Zirkon, aufgebracht. Zwischen den einzelnen WindungenThe figure shows schematically in cross section an embodiment the coil according to the invention. On a tubular bobbin 1, which consists for example of chrome-nickel steel and is provided with removable side flanges 2 and 3, two winding layers 4 and 5 of one are edgewise to the coil axis standing band made of superconducting material, for example niobium-zirconium, applied. Between the individual turns
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jeder Lage, die mit 6 bezeichnet sind, sind ringförmige beidseitig mit Polyäthylentherephthalatfolien beschichtete Kupferfolien 7 angeordnet. Die in der äußeren Wicklungslage 4 liegenden Pollen 7 stehen über das Wickelpaket heraus und werden von dem die Spule umgebenden Kühlmittel umspült. Sie beiden Wicklungslagen 4 und 5 sind durch eine gleichartige Kühl- und Isolationsfolie 8 voneinander getrennt. Der Spulenkörper und die Seitenflansche sind durch Pollen 9 aus Isoliermaterial gegen die Wicklung isoliert. Bin Kühlkanal,^er~eine~4ticklungslage durchzieht, ist mit 10 bezeichnet. Die Bandenden 11, ΐ£>\13 und 14 der beiden Wicklungslagen sind schräg durch öffnungen in den Seitenflanschen des Spulenkörpers herausgeführt, so daß die Bänder nicht geknickt werden* Die Bandenden können außerhalb des Spulenkörpers miteinander bzw. mit den äußeren Stromzuleitungen zur Spule verbunden werden. Durch mehrere Zugbolzen 15 sind die Seitenflansche 2 und 3 und damit auch die Spulenwicklung fest zusammengepreßt. Dadurch erhält man einen besonders hohen Füllfaktor. Bei einer mittelgroßen Spule kann das spiralförmige Band beispielsweise etwa 10 mm breit sein und eine Dicke in der Größenordnung von 100 /u besitzen* each layer, which are denoted by 6, are ring-shaped on both sides copper foils 7 coated with polyethylene terephthalate foils are arranged. Those lying in the outer winding layer 4 Pollen 7 protrude from the winding package and is washed around by the coolant surrounding the coil. The two winding layers 4 and 5 are separated from one another by a cooling and insulating film 8 of the same type. The bobbin and the side flanges are isolated from the winding by pollen 9 made of insulating material. I am a cooling duct that runs through a layer of development is denoted by 10. The tape ends 11, ΐ £> \ 13 and 14 of the two Winding layers are led out at an angle through openings in the side flanges of the bobbin so that the strips are not kinked * The tape ends can be connected to one another or to the external power supply lines to the coil outside of the spool will. The side flanges 2 and 3 and thus also the coil winding are firmly pressed together by several tie bolts 15. Through this you get a particularly high fill factor. For example, for a medium-sized spool, the helical ribbon can be about 10mm be wide and have a thickness of the order of 100 / u *
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