DE1665554C3 - Kabeiförmiger Supraleiter - Google Patents

Kabeiförmiger Supraleiter

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Description

Die Erfindung betrifft einen kabelförmigen Supraleiteraus mehreren Drähten aus Hochfeldsupraleitermaterial mit Überzügen aus einem bei der Betriebstemperatur des Supraleiters gut elektrisch normalleitenden und gut wärmeleitenden Metal! und weiteren Drähten aus einem bei der Betriebstemperatur des Supraleiters elektrisch normalleitenden und gut wärmeleitenden Metall.
Die insbesondere beim Bau van Supraleitungsmagnetspulen verwendeten drahtförmigen Hochfeldsupraleiter oder harten Supraleiter, die beispielsweise aus den supraleitenden intermetallischen Legierungen Niob-Zirkon und Niob-Titan bestehen, weisen elekirische Instabilitäten auf, die auf magnetische Flußsprünge zurückzuführen sind und örtliche kurzzeitige Übergänge des Supraleiters vom supraleitenden in den normalleitcnden Zustand zur Folge haben können. Diese Instabilitäten führen besonders bei größeren Magnetspulen zu einer starken Stromdegradation, d. h., die Supraleiter der Spulenwicklung gehen bereits bei einer wesentlich kleineren Stromdichte in den normalleitenden Zustand über als kurze Proben aus dem gleichen Material bei gleichem Magnetfeld. Diese Stromdegradation hat einen erhöhten Materialaufwand zur Erzeugung eines bestimmten Magnetfeldes zur Folge. Durch Überziehen der Supraleiter mit einem gut elektrisch normalleitenden und gut wärmeleitenden Metallüberzug kann der Degradationseffekt verringert werden. Ferner kann durch Parallelschaltung mehrerer Supraleiter, die über ihre gut wärmeleitenden Normalmetallüberzüge untereinander verbunden sind, zu einem kabelförmigen Supraleiter erreicht werden, daß ein kurzzeitig instabil gewordener Einzelleiter durch die Parallelleiter entlastet wird. Ein solcher kabelförmiger Supraleiter bleibt somit trotz der Instabilitäten in den Einzeldraht für einen fließenden Strom supraleitend. Eine Magnetspule mit einer aus kabeiförmigen Supraleitern aufgebauten Wicklung geht daher erst bei höheren Stromdichten in den normalleitenden Zustand über als eine Magnetspule, deren Wicklung aus Einzeldrähten besteht.
Derartige kabeiförmige Supraleiter, bei denen die Einzeldrähte mit Kupferüberzügen versehen sind, sind bereits bekannt. Ferner ist es bekannt, daß die Stromtragfähigkeit solcher Kabel weiter erhöht werden kann, wenn zusätzliche Kupferdrähte in das Kabel eingebaut werden. (Review of Scientific Instruments 36 (1965), Nr. 6, Seiten 825 bis 830.)
Aufgabe der Erfindung ist es, einen kabelförmigen Supraleiter der eingangs erwähnten Art weiter zu verbessern.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die elektrisch normalleitenden Drähte aus hochreinem Aluminium mit einer Reinheit von wenigstens 99,99 Gewichtsprozent bestehen.
Die Verwendung von hochreinen Aluminiumdrähten an Stelle der bisher bekannten Kupferdrähte bei kabelförmigen Supraleitern ist mit zahlreichen Vorteilen verbunden. Hochreines Aluminium besitzt bei
tiefen Temperaturen, insbesondere bei den für Supraleiter üblichen Betriebstemperaturen von etwa 4,2" Kelvin, eine höhere elektrische Leitfähigkeit als Kupfer von vergleichbarer Reinheit und eine mindestens gleich gute Wärmeleitfähigkeit wie Kupfer und fet wesentlich leichter als Kupfer in höchstreiner Form herzustellen. Ferner ist die magnetische Widerstandsänderung von Aluminium bei tiefen Temperaturen wesentlich geringer als die von Kupfer, d. h., bei Einbringen in ein Magnetfeld von gleicher Stärke nimmt der elektrische Widerstand von Aluminium weniger stark zu als der von Kupfer. Beim Übergang der supraleitenden Drähte des Kabels in den kritischen Zustand durch Überschreiten des kritischen Stromes kann daher der die Supraleiterdräbte durchfließende Strom von den in das Kabel eingelagerten Aluminiumdrähten wesentlich leichter ganz oder teilweise übernommen werden als von Kupferdrahten, ohne daß dabei das Supraleitermaterial über die kritische Temperatur heim vorhandenen Magnetfeld erwärmt wird. Bei einer geringfügigen Verkleinerung des Stromes kann dann der Supraleiter vvied.r den gesamten Strom übernehmen. Dadurch wird ein Abbau der magnetischen Feldenergie einer Spule, deren Wicklung aus dem kabeiförmigen Supraleiter gemäß der Erfindung besteht, verhindert. Die Spule stellt praktisch eine Kombination aus Supraleitungs- und Kryomagnetspule dar. Außerdem ist der kabeiförmige Supraleiter gemäß der Erfindung wesentlich leichter als ein gleichartig aufgebauter kabeiförmiger Supraleiter mit Kupferdrähten, da das Aluminium ein wesentlich geringeres spezifisches Gewicht besitzt als das Kupfer Bei Verwendung des kabeiförmigen Supraleiters gemäß der Erfindung können daher die Gewichte von Supraleitungsmagnetspulen erheblich herabgesetzt werden. Mit der Gewichtsersparnis geht eine erhebliche Ersparnis an Kühlenergie bzw. Kühlmittel konform. Zur Abkühlung gleich großer Volumina von Kupfer und Aluminium von der Temperatur des flüssigen Stickstoffs (etwa 78" K) auf die Temperatur des flüssigen Heliums (4,2° K) ist bei Aluminium etwa nur die Hälfte der Heliummenge nötig, die bei Kupfer verbraucht wird.
Der entscheidende Vorteil des Aluminiums gegenüber dem Kupfer liegt jedoch in seiner niedrigen Rekristallisationsieniperatur. die mit zunehmender Reinheit abnimmt und je nach Reinheit des Aluminiums zwischen -75" C und +400"C liegt. Bei der Herstellung des kabelförmigcn Supraleiters, dessen supraleitende und normalleitende Einzeldrähte zur Sicherung eines guten elektrisch normalleitendcii Kontaktes sowie eines festen mechanischen Zusammenhalts zwischen den einzelnen Drähten umeinander verdrillt werden, treten nämlich Kaltverformungen auf, durch welche der elektrische Restwiderstand der normalleitenden Drähte bei tiefen Temperaturen erhöht wird. Ahnliche Kaltverformungen treten ferner beim Wickeln einer Supraleitungsspule aus dem kabeiförmigen Supraleiter auf. Wegen der niedrigen Rekristallisationstemperatur des Aluminiums können beim kabeliörmigcn Supraleiter gemäß der Erfindung die durch die Kaltverformung hervorgerufenen Defekte durch Tempern des Kabels nach seiner Herstellung oder nach dem Wickeln der Supule ausgeheilt und die schädlichen Wirkungen der Kaltverformung auf den elektrische Widerstand des Aluminiums beseitigt werden. Bei einer entsprechenden Behandlung von kabclförmigun Supraleitern, die Kupferdrähte enthalten, müßten dagegen wegen cter hohen Rekristallisationstemperatur des Kupfers Temperaturen oberhalb von 600" C gewählt werden. Ein Tempern bei diesen Temperaturen ist jedoch nicht möglich, da
es die Supraleitungseigenschaften der supraleitenden Drähte des Kabels, die insbesondere aus den supraleitenden intermetallischen Legierungen Niob-Zirkon oder Niob-Titan bestehen, äußerst nachteilig beeinflussen würde. Zudem heilt bei Aluminium höchster
w Reinheit ein wesentlicher Teil der Defekte bereits bei Raumtemperatur aus, so daß sich ein Tempern gegebenenfalls überhaupt erübrigt.
Als Hochfeldsupraleitermaterial für die supraleitenden Drähte beim kabeiförmigen Supraleiter gemäß
der Erfindung kommen insbesondere die intermetallischen Legierungen Niob-Zirkon und Niob-Titan in Frage. Beispielsweise können handelsübliche Drähte aus diesen Materialien mit Kupferiiberzügen verwendet werden.
»o Der kabeiförmige Supraleiter kann ferner vorteilhaft derart ausgebildet sein, daß auch die elektrisch normalleitenden Überzuge der supraleitenden Drähte aus hochreinem Aluminium bestehen. Bei dieser Ausfuhrungsform besitzen auch die normalleitenden
*5 Überzuge die bereits geschilderten, mit der Verwendung von Aluminium an Stelle von Kupfer verbundenen Vorteile.
Ferner können vorteilhaft die einander berührenden Aluminiumdrähte undgtgebenenfallsdie Aluminiumuber/uge der supraleitenden Drähte durch einen Kalipreßschweißvorgang metallisch verbunden sein. Unter Ausnutzung der Weichheit des hochreinen Aluminiums wird dabei ein besonders inniger Kontakt zwischen den einzelnen Drahten des Kabels erzielt.
Zur Verbindung der Drähte kann beispielsweise das fertige Kabel in geeigneter Weise gepreßt werden. Dabei werden die Aluminiumdrähte mehr oder weniger stark deformiert.
Da die elektrische Leitfähigkeit und die Wärme-
leitfähigkeit sowie die Duktilität des Aluminiums mit abnehmendem Verunreinigungsgehalt weiter zunehmen, kann es vorteilhaft sein, für die normalleitenden Drahte und Überzüge beim kabeiförmigen Supraleiter gemäß der Erfindung noch reineres Aluminium von einer Reinheit von wenigstens 99,999 Gewichtsprozent zu verwenden.
Der kahelförmige Supraleiter gemäß der Erfindung kann ferner mit einer elektrisch isolierenden Umhüllung versehen sein. Diese kann den kabeiförmigen Su-
praleiter vollständig oder teilweise umgeben, beispielsweise in Foim eines in Abständen um das Kabel gewickelten Bandes. Von Bedeutung ist dabei lediglich, daß durch die Isolierung "erhindert wird, daß verschiedene Windungen einer aus dem kabelförmi-
JS gen Supraleiter bestehenden Spulenwicklung miteinander in elektrisch leitender Verbindung stehen. Spulen mit "/icklungen aus isolierten Kabeln können besonders schnell erregt werden. Die isolierende Umhüllung besteht aus einem tieftemperaturbeständigen
Isolierstoff, beispielsweise aus einer Folie aus PoIyäthylentercphthalat, das unter dem Handelsnamen »Mylar« bekannt ist.
Besondere Vorteile besitzt jedoch eine Ausführungsform des kabclförmigen Supraleiters gemäß der
6j Erfindung, bei welcher die elektrische Isolation aus Aluminiumoxyd besteht. Aluminiumoxyd besitzt nämlich bei Zimmertemperatur eine Wärmeleitfähigkeit, die etwa lOOmal größer ist als die der sonst übli-
ι·Ιιι·π organischen Isolationsmatcrialicn. Mci liefen lenipcraliircn liegen ähnliche Verhältnisse vor. Der kabelförmigc Supraleiter mit Aluminiiimoxydisolalion kann daher wesentlich besser gekühlt werden als ein Supraleiter mit organischen Isolationsmaterialicn. Ferner kann die gegebenenfalls im knhclförmigcn Supraleiter beim teilweisen oder vollständigen Übergang des supraleitenden Materials in den normallcitcndcn Zustand entstehende Warme besser aus dem kabelförmigcn Supraleiter abgeführt werden. Außerdem bringt die hohe Temperaturbeständigkeit des Aluminiumoxyds Vorteile beim Tempern des kabelförmigcn Supraleiters /ur Ausheilung der beim Vcrkabelungs- und Wickelprozeß aufgetretenen Kaltvcrformiingen. Trotz seiner sehr guten Wärmeleitungseigenschaften ist Aluminiumoxyd auch ein ausgezeichneter Isolator. Beispielsweise können bei einer Temperatur von 20" C bei Aluminium-Eloxalschichten Durchschlagsfestigkeiten von 90 Volt pro μιτι erreicht werden. Die Aluminiumoxydisolationsschichten können daher relativ dünn gehalten werden. Dicken zwischen wenigen bis etwa 20 μιπ sind ausreichend. Dies ist zur Erzielung eines hohen Packungsfaktors beim Wickeln einer Magnetspule und für eine gute Wärmeableitung vorteilhaft.
Die isolierende Aluminiumoxydumhüllung kann verschiedenartig ausgebildet sein. Beispielsweise kann der kabeiförmige Supraleiter mit einer bandförmigen Aluminiumfolie umwickelt sein, die ein- oder beidseitig anodisch oxydiert ist. Ferner kann der kabeiförmige Supraleiter zunächst mit einem Aluminiumüberzug verschen werden, der nach dem Aufbringen auf den kabeiförmigen Supraleiter anodisch oxydiert wird. Dieser Überzug kann durch Umwickeln des kabelförmigen Supraleiters mit einem Aluminiumband oder durch galvanische Abscheidung von Aluminium auf dem kabeiförmigen Supraleiter hergestellt werden. Bei der anschließenden anodischen Oxidation wird der Überzug nur teilweise durchoxydiert, so daß eine Aluminiumschicht zum Schütze der unter dem Überzug liegenden Drähte des Kabels erhalten bleibt.
Da die Isolationsfestigkeit und die Wärmeleitfähigkeit des Aluminiumoxyds mit wachsender Reinheit zunehmen, ist es vorteilhaft, auch für die Aluminiumüberzüge, welche die Oxydschicht tragen. Aluminium von einer Reinheit von wenigstens 99,99 Gewichtsprozent zu verwenden.
Die galvanisch»; Abscheidung der hochreinen Aluminiumschichten kann vorteilhaft mit Hilfe von aluminiumorganischen Komplexsalzelektrolytbädern erfolgen; hierfür wird ein Schutz nicht begehrt. Insbesondere eignen sich Bäder aus in geeigneten organischen Lösungsmitteln, z.B. Xylol oder Toluol, gelösten quartären Oniumsalz-Komplexverbindungen von Aluminiumtrialkylen. Derartige quartäre Oniumsalz-Komplexverbindungen des Aluminiums sind in der Zeitschrift »Chemie-Ingenieur-Technik«, 1964, Nr. 6, Seite 616 bis 637, und in der deutschen Patentschrift 1 496 993 näher beschrieben.
Als Beispiel für ein Aluminierungsbad sei die einen Trimethylbenzylammoniumchlorid-Komplcx des Aluminiumtriäthyls enthaltende Elektrolytflüssigkeit
[(CH3J3(C6HsCH2)Nl CI 2,2 Al (C2H5),-6 Xylol genannt, die bei Temperaturen zwischen 80 und 120" C gute Abscheidungsergebnisse liefert. Die anodische Oxydation des Aluminiumüberzug* kaninorleilliafl mil Hilfe bekannter Eloxicrvcrfahrcn in wäßrigen Elcktrolylbädcrn vorgenommen werden. Dabei wird zunächst beispielsweise in einem Oxalsäurebad die Oxydschicht elektrochemisch erzeugt. Darauf folgt ein Verdichtungsprozeß, bei dem die Poren der Oxydschicht geschlossen werden. Gegebenenfalls können die Poren der Oxydschicht zur Erhöhung der Durchschlagfestigkeit vordem Verdichten mit einem anorganischen oder organischen Pigment oder Isolierlack ausgefüllt werden. Falls die kabeiförmigen Supraleiter für Spulen verwendet werden, bei denen nur geringe elektrische Spannungen auftreten, so daß es auf die Durchschlagfestigkeit nicht in erster Linie ankommt, kann vorteilhaft auf den Verdichtungspro-
'5 zcß verzichtet werden. Die Oxydschicht behält dadurch ihre Porenstruktur, die wegen der besonders großen Oberfläche für eine gute Kühlung von Vorteil ist.
Die einzelnen Drähte des kabclförmigen Supralei-
ao tcrs gemäß der Erfindung können ferner zur Verbesserung des elektrischen Kontaktes und des Wärmekontaktes zwischen den Drähten mit einer dünnen Schicht aus einem gut wärmeleitenden Metall mit großer Wärmekapazität und niedrigem Schmelzpunkt
»5 versehen sein. Ferner können die Zwischenräume zwischen den einzelnen Drähten wenigstens teilweise mit einem derartigen Metall ausgefüllt sein. Dies kann dadurch erfolgen, daß man den kabelförmigcn Supraleiter vor dem Aufbringen der Isolationsschicht bzw. des Aluminiumüberzuges in eine Schmelze aus einem solchen Metall taucht. Als solche Metalle von niedrigem Schmelzpunkt kommen beispielsweise Blei-Wismut-Legierungen oder Indium-Zinn-Legierungen in Frage. Diese Legierungen sind zwar bei tiefen Temperaturen supraleitend, gehen jedoch schon in einem kleinen Magnetfeld in den normalleitenden Zustand über, so daß sie beim Betrieb des kabeiförmigen Hochfeldsupraleiters praktisch immer elektrisch normalleitend sind. Als besonders geeignet hat sich Indium erwiesen, dessen Schmelzpunkt bei 156" C liegt. Bei Indium von einer Reinheit von wenigstens 99,999 Gewichtsprozent ist der elektrische Restwiderstand bei tiefen Temperaturen besonders niedrig. Die Dicke der dünnen Indiumschichten liegt vorteilhaft in der
Größenordnung von etwa 10 ' mm.
An Hand zweier Figuren soll die Erfindung noch näher erläutert werden.
Fig. 1 zeigt im Querschnitt schematisch und stark vergrößert eine Ausführungsform des kabeiförmigen
Supraleiters gemäß der Erfindung;
Fig. 2 zeigt im Querschnitt schematisch und stark vergrößert eine weitere Ausführungsform des kabeiförmigen Supraleiters gemäß der Erfindung.
Der Kern des in F i g. 1 dargestellten kabelförmigen
Supraleiters besteht aus den supraleitenden Drähten 11, beispielsweise aus Niob-Zirkon, die mit Überzügen 12 aus einem gut elektrisch normalleitenden und gut wärmeleitenden Metall, beispielsweise Aluminium, überzogen sind. Der Kern des Kabels ist von elektrisch normalleitenden Drähten 13 umgeben, die aus hochreinem Aluminium bestehen. Alle Drähte des Kabels stehen mit ihren Nachbarn in gut elektrisch normalleitendem Kontakt und gutem Wärmekontakt. Der isolierende Überzug 14 besteht aus einer PoIyälhylenterephthalatfolie.
F i g. 2 zeigt einen kabelförmigen Supraleiter, der ähnlich aufgebaut ist. Um den Kern des Kabels, der aus supraleitenden Drähten 21 besteht, die mit gut
elektrisch normalleitendcn und gut wärmeleitenden überzügen 22 versehen sind, sind Drähte 23 aus hochreinen Aluminium angeordnet. Die Zwischenräume 24 zwischen den einzelnen Drähten sind mit Indium ausgefüllt. Das Kabel ist mit einem Aluminiumüberzug 25 versehen. Dieser Aluminiumüberzug \ Λ teilweise durchoxydiert, so daß sich an seiner Ober-
fläche eine Aluminiumoxydisolationssehicht 26 befindet.
Die Form des kabeiförmigen Supraleiters gemäß der Erfindung kann von der in den Figuren dargestellten abweichen. Insbesondere kann die Anzahl der im Kabel vorgesehenen Drähte und deren geometrische Anordnung variiert werden.
^Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
409640/62

Claims (13)

Patentansprüche:
1. Kabelförroiger Supraleiter aus mehreren Drähten aus Hochfeldsupraleitermaterial mit S Überzügen aus einem bei der Betriebstemperatur des Supraleiters gut elektrisch normalleitenden und gut wärmeleitenden Metall und weiteren Drähten aus einem bei der Betriebstemperatur des Supraleiters elektrisch normalleitenden und gut wärmeleitenden Metall, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch normalleitenden Drähte (13) auch hochreinem Aluminium mit einer Reinheit von wenigstens 99,99 Gewichtsprozent bestehen.
2. Kabelförmiger Supraleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch norlnalleitenden Überzüge (12) der supraleitenden Drähte (11) aus hochreinem Aluminium bestehen.
3. KabeJformiger Supraleiter nach einem der ao Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einander berührenden Aluminiumdrähte und gegebenenfalls die Aluminiumiiberzüge der supraleitenden Drähte durch einen Kaltpreßschweißvorgang metallisch verbunden sind. a5
4. Kabelförmiger Supralerier nach einem der Anspiüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß er wenigstens teilweise mit einer elektrisch isolierenden Umhüllung (14) versehen ist.
5. Kabelförmiger Supraleiter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolation aus Aluminiumoxyd besteht.
6. Kabelförmiger Su^raleit' r nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß er mit einer anodisch oxydierten Aluminiumfolie umwickelt ist.
7. Kabelförmiger Supraleiter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß er mit einem Aluminiumüberzug (25) versehen und daß dieser Überzug teilweise anodisch oxydiert ist.
8. Kabelförmiger Supraleiter nach einem der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die in den durch anodische Oxydation erzeugten Oxydschichten vorhandenen Poren vor dem Verdichten mit einem anorganischen oder organischen Pigment oder Isolierlack gefüllt sind.
9. Kabelförmiger Supraleiter nach einem der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxydschicht Porenstruktur besitzt.
10. Kabelförmiger Supraleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Drähte mit einer dünnen Schicht aus gut wärmeleitendem Metall mit großer Wärmekapazität und niedrigem Schmelzpunkt versehen Sind.
11. Kabelförmiger Supraleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenräume (24) zwischen den einzelnen Drähten wenigstens teilweise mit gut wärmeleitendem Metall mit großer Wärmekapazität und niedrigem Schmelzpunkt ausgefüllt sind.
12. Kabelförmiger Supraleiter nach einem der Ansprüche 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß als gut wärmeleitendes Metall von niedrigem Schmelzpunkt Indium verwendet ist.
13. Kabelförmiger Supraleiter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Indium eine Reinheit von wenigstens 99,999 Gewichtsprozent besitzt.
14, Kabelförmiger Supraleiter nach einem der Ansprüche I bis 13, gekennzeichnet durch seine Verwendung für die Wicklung einer Supraleitungsmagnetspulc.
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