DE1939224C3

DE1939224C3 - Elektrischer Leiter mit mehreren in einen gemeinsamen Mantel aus elektrisch normalleitendem Metall eingelagerten Supraleitern

Info

Publication number: DE1939224C3
Application number: DE1939224A
Authority: DE
Inventors: Fritz 8520 Erlangen Schmidt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1969-08-01
Filing date: 1969-08-01
Publication date: 1975-07-24
Also published as: DE1939224A1; FR2057925A5; DE1939224B2; GB1306238A

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Leiter mit mehreren draht- oder bandförmigen, in einen gemeinsamen Mantel aus elektrisch normalleitendem Metall eingelagerten Supraleitern, der wenigstens eine flexible Zone zumi Ausgleich der bei Temperaturänderungen auftretenden Längenänderungen des Leitermaterials aufweist

Elektrische Leiter, die aus mehreren in elektrisch normalleitendes Metall eingelagerten draht- oder bandförmigen Supraleitern bestehen, sind bekanntlich als Leiter für Supraleitungsmagnetspulen, supraleitende Kabel oder andere supraleitende Geräte hervorragend geeignet Die insbesondere aus Hochfeldsupraleitermaterial bestehenden Supraleiter sind dabei zur elektrischen Stabilisierung in gutem elektrischen und thermischen Kontakt mit gut elektrisch und thermisch leitendem Metall verbunden, das bei der Betriebstemperatur der Supraleiter elektrisch norraalleitend ist Die Betriebstemperatur muß unterhalb der Sprungstemperatur der Supraleiter liegen und wird im wesentlichen durch die Temperatur des Kühlmittels bestimmt, welches zur Erzeugung der zur Herbeiführung und Aufrechterhaltung des supraleitenden Zustandes in den Supraleitern erforderlichen tiefen Temperaturen dient Insbesondere kommt als Kühlmittel flüssiges Helium mit einer Temperatur von etwa 4,2° K oder kaltes gasförmiEes Helium in Frage. Als Hochfeldsupraleitermaterialien eignen sich insbesondere supraleitende Niob-Titan- oder Niob-Zirkon-Legierungen bzw. mehrkomponentige Legierungen auf Niob-Titan- oder Niob-Zirkon-Basis. Als elektrisch normalleitende Metalle zur Stabilisierung der Supraleiter eignen sich insbesondere Kupfer und Aluminium, vorzugsweise in hochreiner Form.

Bei der Abkühlung auf die tiefen Betriebstemperaturen ziehen sich diese Leiter zusammen. Dies führt insbesondere bei supraleitenden Kabeln zu Schwierigkeiten, bei denen die Leiter von rohrförmigen Hüllen umgeben sind, die zur Führung des Kühlmittels für den Leiter, als Strahlungsschilder und als Wände für die zur thermischen Isolation des Leiters vorgesehenen Vakuumrräntel dienen. Diese rohrförmigen Hüllen bestehen in der Regel aus anderem Material als der Leiter und befinden sich mit Ausnahme des den Leiter umgebenden Kühlmittelrohres beim Betrieb des Kabels auch auf höher Temperatur als der Leiter, so daß der Leiter bei Abkühlung auf seine Betriebstemperatur gegenüber den ihn umgebenden rohrförmigen Hüllen stark schrumpft Diese Schrumpfung kann erhebliche Werte annehmen; beispielsweise schrumpft Kupfer bei Abkühlung von Raumtemperatur aus 4,2° K um etwa 3,2% und Aluminium um etwa 4,2%o.

Bei einem bekannten elektrischen Leiter, der aus mehreren, in ein Band aus elektrisch normalleitendem Metall eingelagerten supraleitenden Drähten besteht, ist zum Ausgleich der bei Temperaturänderungen auftretenden Längenänderungen eine flexible Zone vorgesehen. Innerhalb dieser Zone ist das elektrisch normalleitende Band mit Schlitzen versehen, die zwischen den supraleitenden Drähten verlaufen. Der Leiter wird so montiert, daß die flexible Zone bei Raumtemperatur aufgebogen ist und sich bei Abkühlung strecken kann, so daß dadurch die Schrumpfung des Leitermaterials ausgeglichen wird (französische Patenschrift I 513 452). Die Herstellung von Schlitzen im normalleitenden Metall zwischen den supraleitenden Drähten, bei welcher die supraleitenden Drähte nicht beschädigt werden dürften, bereitet jedoch oft erhebliche Schwierigkeiten, da die supraleitenden Drähte häufig dicht nebeneinanderliegen und nicht immer im normalleitenden Metall völlig regelmäßig verlaufen. Außerdem sind zur Verformung des mit Schlitzen versehenen Bandes noch verhältnismäßig große Zugkräfte erforderlich, so daß der

Leiter bei Abkühlung noch erheblichen mechanischen 3elastungen ausgesetzt ist

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrischen Leiter mit mehreren draht- oder bandförmigen in einen gemeinsamen Maiuel aus elektrisch S normalleitendem Metall eingelagerten Supraleitern, der wenigstens eine flexible Zone zum Ausgleich der bei Temperaturänderungen auftretenden Längen'anderungen des Leitermaterials aufweist, in seinem Aufbau zu vereinfacnen und in seiner Wirkungsweise weiter zu verbessern.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist der Leiter erfindungsgemäß derart ausgestaltet, daß entlang der flexiblen Zone der Mantel aus elektrisch normalleitendem Metall unterbrochen und die Unterbrechungsstelle durch wenigstens einen flexiblen Leiter aus normalleitendem Metall überbrückt, ist, der beiderseits der Zone mit dem Mantel elektrisch leitend verbunden ist

Durch die Unterbrechung des die Supraleiter umgebenden Mantels aus elektrisch normalleitendem Metall wird eine hohe Flexibilität der flexiblen Zone erreicht, während andererseits die Stabilisierungswirkung des Normalleitenden Metalls durch den die Unterbrechungsstelle überbrückenden flexiblen Leiter aus normalleitendem Metall weitestgehend erhalten bleibt

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des Leiters können die Supraleiter entlang der flexiblen Zone frei liegen. Ein solcher Leiter ist besonders einfach herstellbar, da das elektrisch normalleitende Materia. des Mantels mittels chemischer Ätzmittel leicht von den Supraleitern entfernt werden kann.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform, bei welcher die elektrische Stabilisierung noch verbessert ist, können die einzelnen Supraleiter entlang der flexiblen Zone vorteilhaft mit voneinander getrennten Umhüllungen aus elektrisch normalleitendem Metall umgeben sein, deren Gesamtquerschnittsfläche klein gegenüber der Querschnittsfläche des Mantels ist Wegen des geringen Querschnittes der normalleitenden Umhüllungen wird bei dieser Ausfühningsform die FIexibilität der Supraleiter praktisch nicht beeinträchtigt

Der elektrische Leiter kann insbesondere rohrförmig ausgebildet sein. Dies hat den Vorteil daß das zur Kühlung des Leiters dienende Kühlmittel das Leiterinnere durchfließen k?nn. Der rohrförmig ausgebildete Leiter kann beispielsweise einen rechteckigen oder kreisförmigen Querschnitt beisitzen. Bei einem rohrförmigen Leiter kann die flexible Zone vorteilhaft von einem rohrförmigen, dehnbaren Körper umschlossen sein, der beiderseits der Zone mit dem Mantel sms elektrisch normalleitendem Metall verbunden ist Dies hat den Vorteil, daß das den Leiter durchströmende Kühlmittel im Bereich der flexiblen Zone durch den rohrförmigen, dehnbaren Körper geführt wird und nicht in die Umgebung des Leiters austreten kann. Ein eigenes, den Leiter umschließendes Kühlmittelrohr kann bei dieser Ausführungsform eingespart werden. Als rohrförmiger dehnbarer Körper kann vorteilhaft ein Wellrohr vorgesehen sein. Dieses kann beispielsweise aus Metall oder aus einem Kunststoff bestehen, der bei tiefer Temperatür nicht versprödet. Als solcher Kunststoff kommt beispielsweise Polytetrafluoräthylen in Frage. Ein Wellrohr aus gut elektrisch normalleitendem Metall kann gleichzeitig zur elektrischen Stabilisierung der Supraleiter beitragen. Ferner können bei einem rohrförmigen Leiter die Supraleiter entlang der flexiblen Zone von einem starren, rohrförmigen Körper umgeben sein, der an wenigstens einem Ende der Zone aulf dem Mantel aus elektrisch normalleitendem Material gleitend gelagert ist Durch diesen Körper kann der Strömungswiderstand, den die flexible Zone für das flüssige Kühlmittel bildet, weiter verringert werden.

Der flexible Leiter aus elektrisch normalleitendem Metall, der die Unterbrechungsstelle innerhalb des Mantels entlang der flexiblen Zone überbrückt, kann vorteilhaft lamellenförmig ausgebildet sein. Bei einer anderen Ausführungsform des Leiters kann er auch vorteilhaft aus einem Geflecht bzw. Gewebe aus elektrisch normalleitendem Metall bestehen.

Bei supraleitenden Kabeln müssen die Leiter häufig aus einzelnen kürzeren Teilstücken zusammengesetzt werden, wobei die Schwierigkeit auftritt, diese Teilstükke miteinander zu verbindea Auch hierbei bringt die Erfindung erhebliche Vorteile. Bei einem aus Teilstükken zusammengesetzten elektrischen Leiter können nämlich die Supraleiter zweier aufeinander folgender Teilstücke vorteilhaft innerhalb einer zwischen beiden Teilstücken vorgesehenen flexiblen Zone miteinander verbunden werden . Dabei können also die Stoßstellen zwischen zwei Teilstücken zur Herstellung der flexiblen Zone ausgenützt werden. Die Supraleiter lassen sich beispielsweise bei blanker Oberfläche durch Preßkontakte supraleitend miteinander verbinden oder sie können durch Schweißen bzw. Löten mit sehr geringem Übergangswiderstand miteinander verbunden werden. An Hand einiger Figuren und Beispiele soll die Erfindung noch näher erläutert werden.

F i g. 1 und 2 zeigen ein Ausführungsbeispiel eines bandförmigen elektrischen Leiters mit einer flexiblen Zone gemäß der Erfindung;

F i g. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines bandförmigen Leiters mit einer flexiblen Zone gemäß der Erfindung;

F i g. 4 und 5 zeigen zwei Ausführungsbuispiele von rohrförmigen Leitern mit einer flexiblen Zone gemäß der Erfindung;
F i g. 6 zeigt ein Einzelteil des Leiters nach F 1 g. 5 im Querschnitt.

Der in F i g. 1 in Seitenansicht und in F i g. 2 in Draufsicht dargestellte Leiter besteht aus mehreren supraleitenden Drähten 1, beispielsweise aus Niob-Titan, die in einen gemeinsamen bandförmigen Mantel 2 aus elektrisch normalleitendem Metall, beispielsweise Kupfer, eingebettet sind. Ein Stück des Mantels 2 ist entfernt wodurch eine flexible Zone gebildet wird. Innerhalb dieser flexiblen Zone sind die einzelnen Supraleiter 1 mit voneinander getrennten Umhüllungen 3 &us elektrisch normalleitendem Metall, beispielsweise Kupfer, umgeben, deren Gesamtquerschnittsfläche klein gegenüber der Querschnittsfläche des Mantels 2 ist so daß die Flexibilität der Supraleiter 1 nicht beeinträchtigt wird. Die Unterbrechungsstelle ist durch iamellenförmige, flexible Leiter 4 aus elektrisch normalleitendem Metall, beispielsweise Kupfer, überbrückt Beiderseits der flexiblen Zone sind die lamellenförmigen Leiter 4 mit dem Mantel 2 elektrisch leitend verbunden. Sie können beispielsweise durch Stahlbänder S und fest auf den Mantel aufgepreßt werden. Der Leiter wird vorteilhaft in einem den Leiter umgebenden, zur Führung eines Kühlmittels dienenden Rohr mit Halterungen aus schlecht wärmeleitendem Material so befestigt, daß bei Raumtemperatur die Supraleiter 1 und die lamellenförmigen Leiter 4 innerhalb der flexiblen Zone in der Zeichenebene von F i g. 1 aufgebogen sind. Die Biegung wird dabei vorteilhaft so bemessen, daß sich bei Abkühlung auf die Betriebstemperatur der Leiter so

stark streckt, daß die Supraleiter 1 und die lamellenförmigen Leiter 4 in der flexiblen Zone so gespannt werden, daß sie etwa in einer geraden Linie verlaufen. Dies hat den Vorteil, daß innerhalb des Leiters im abgekühlten Zustand keine lockeren, beweglichen Supraleiter mehr vorhanden sind, die die Funktionsfähigkeit des Kabels beeinträchtigen könnten.

In F i g. 3 ist ein Leiter in Draufsicht dargestellt, der aus zwei bandförmigen Teilstücken U und 12 besteht. In die den Mantel bildenden normalleitenden Bänder sind supraleitende Drähte 13 und 14 eingelagert. Die supraleitenden Drähte 13 und 14 der beiden Teilstücke

11 und 12 liegen innerhalb der flexiblen Zone, in welcher der normalleitende Mantel entfernt ist, völlig frei und sind dort miteinander verbunden. Sie können beispielsweise wie an den Stellen 15 und 16 miteinander verschweißt oder verlötet sein. Ferner können die Leiter 13 und 14 auch durch einen Preßkontakt miteinander verbunden sein. Ein solcher Preßkontakt kann beispielsweise durch ein Metallröhrchen 17 erzielt werden, das auf die Enden der beiden Supraleiter aufgeschrumpft ist. Die Stelle, an welcher der normalleitende Mantel unterbrochen ist, ist wiederum durch flexible, lamellenförmige Leiter 18 aus normalleitendem Mantel überbrückt, die mit den Mänteln der Teilstücke 11 und

12 elektrisch leitend verbunden sind. Auch dieser Leiter wird vorteilhaft so montiert, daß die Supraleiter und die lamellenförmigen Leiter 18 innerhalb der flexiblen Zone bei Raumtemperatur aufgebogen und bei der Betriebstemperatur des Leiters gestreckt sind.

Bei dem in F i g. 4 dargestellten Leiter sind supraleitende Drähte 21, beispielsweise aus Niob-Titan, in einen rohrförmigen Mantel 22 aus gut elektrisch normalleitendem Metall, beispielsweise Kupfer, eingebettet Ein Stück des Metallmantels 22 ist entfernt so daß die Supraleiter 21 freiliegen und eine flexible Zone entsteht. Die Strecke, auf welcher die Supraleiter 21 freiliegen, ist durch zwei flexible Leiter 23 aus Metallgeflecht beispielsweise Kupferlitzen, überbrückt Beiderseits der flexiblen Zone sind die Kupferlitzen 23 mit Hilfe von Anschlußschellen 24 mit dem rohrförmigen Mantel 22 des Leiters verbunden. Die Anschlußschellen 24 können mit dem Mantel 22 des Leiters zusätzlich verlötet oder verschweißt sein. Die gesamte flexible Zone ist von einem rohrförmigen, dehnbaren, als Wellrohr ausgebildeten Körper 25 umschlossen, der beiderseits der flexiblen Zone mit Hilfe von Flanschstücken

26 mit dem Mantel 22 verbunden ist Beim Betrieb des Leiters kann Kühlmittel durch den hohlen Innenraum

27 des rohrförmigen Mantels 22 hindurchgeleitet werden. Durch den rohrförmigen Körper 25 wird erreicht daß das Kühlmittel innerhalb der flexiblen Zone nicht in die Umgebung des rohrförmigen Leiters austritt sondern durch den rohrförmigen Iimenraam 28 des Leiters an der anderen Seite der flexiblen Zone weiterfließen kann. Auch in diesem Fall wird der Leiter vzuseise innerhalb der ihn umgebenden thermischen Isolation so befestigt daß die Supraleiter 21 und die Kupferlitzen 23 innerhalb der flexiblen Zone bei Raumtemperatur gewellt oder aufgebogen und bei der Betriebstemperatur des Leiters gestreckt sind. Die Kupferlitzen 23, die einen größeren Querschnitt besitzen als die Supraleiter 21, können ferner dazu ausgenutzt werden, die Supraleiter 21 bei der Abkühlung auf Betriebstemperatur gegen übermäßige Dehnung zu sichern, indem sie den größten Teil der innerhalb der flexiblen Zone bei der Schrumpfung des Leiters auftretenden Zugkräfte aufnehmen. Das gleiche gilt für die lameHenförmigen Leiter 4 und 18 bei den Ausführungsformen nach F i g. 1 bis 3.

Falls bei dem Leiter nach Fig.4 die flexible Zone nur eine geringe Länge hat können die Supraleiter 21 innerhalb der flexiblen Zone zur weiteren Verbesserung der Kühlung nach innen zur Achse des rohrförmigen Leiters hin gebogen werden. Gegebenenfalls empfiehlt es sich auch, den jeweils obenliegenden Supraleiter nach unten zu biegen, um zu gewährleisten, daß der Supraleiter auch dann von flüssigem Helium umflossen wird, wenn sich innerhalb des rohrförmigen Körpers 25 eine Gasblase bildet

Eine weitere Ausführungsform eines rohrförmigen Leiters mit einer flexiblen Zone, bei welcher der Strömungswiderstand das Kühlmittel innerhalb der flexiblen Zone gegenüber der Ausführungsform nach F i g. 4 weiter verringert ist ist in F i g. 5 dargestellt. Bei diesem Leiter sind die Supraleiter entlang der flexiblen Zone von einem starren rohrförmigen Körper 30 umgeben, den F i g. 5 teilweise im Längsschnitt und F i g. 6 im Querschnitt zeigt Der rohrförmige Körper 30 ist an beiden Enden der flexiblen Zone auf dem Mantel 22 des rohrförmigen Leiters gleitend gelagert, so daß er sich bei Längenänderungen des Leiters gegen diesen verschieben kana An der Innenwand des rohrförmigen Körpers 30, der beispielsweise aus Metall oder Kunststoff bestehen kann, sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel Nuten 31 vorgesehen, in denen die innerhalb der flexiblen Zone freiliegenden drahtförmigen Supraleiter 21 geführt sind. Die drahtförmigen Supraleiter 21 können sich innerhalb der Nuten 31 beim Abkühlen verbiegen und liegen nach der Abkühlung auf Betriebstemperatur gestreckt in den Nuten in Kontakt mit dem Kühlmittel, das den Innenraum 32 des Körpers 30 durchströmt Die übrigen Teile des in F i g. 5 dargestellten Leiters entsprechen dem Leiter nach F i g. 4.

Die Leiter nach den F i g. 1 bis 4 haben den zusätzlichen Vorteil, daß sie an den Stellen, an denen flexible Zonen vorhanden sind, leicht geknickt werden können. Dadurch wird es möglich, größere Längen dieser Leiter relativ leicht zu transportieren.

Bei Verwendung des erfindungsgemäßen Leiters in einem supraleitenden Kabel werden die flexiblen Zonen besonders vorteflhaft an den Stoßstellen zwischen den Teflstücken vorgesehen, aus denen der Leiter zusammengesetzt ist Die flexiblen Zonen können dann beispielsweise während der Verlegung des Kabels am Leiter angebracht werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrischer Leiter mit mehreren draht- oder bandförmigen in einen gemeinsamen Mantel aus elektrisch normalleitendem Metall eingelagerten Supraleitern, der wenigstens eine flexible Zone zum Ausgleich der bei Temperaturänderungen auftretenden Längenänderungen des Leitermaterials aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß ent- lang dieser Zone der Mantel (2) aus elektrisch normalleitendem Metall unterbrochen und die Unterbrechungsstelle durch wenigstens einen flexiblen Leiter (4) aus normalleitendem Metal! überbrückt ist, der beiderseits der Zone mit dein Mantel elektrisch leitend verbunden ist

2. Elektrischer Leiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß entlang der flexiblen Zone die Supraleiter (21) freilegen.

3. Elektrischer Leiter nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß entlang der flexiblen Zone die einzelnen Supraleiter (1) mit voneinander getrennten Umhüllungen (3) aus elektrisch normalleitendem Metall umgeben sind, deren Gesamtquerschnittsfläche klein gegenüber der Querschnittsflä- ehe des Mantels (2) ist.

4. Elektrischer Leiter nach einem der Ansprüche

I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß er rohrförmig ausgebildet ist.

5. Elektrischer Leiter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die flexible Zone von einem rohrförmigen, dehnbaren Körper (25) umschlossen ist, der beiderseits der Zone mit dem Mantel (22) aus elektrisch normalleitendem Metall verbunden ist.

6. Elektrischer Leiter nach Anspruch 5, dadurch (gekennzeichnet, daß als rohrförmiger, dehnbarer Körper (25) ein Wellrohr vorgesehec ist.

7. Elektrischer Leiter nach einem der Ansprüche

4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Supraleiter (21) entlang der flexiblen Zone von einem starren, rohrförmigen Körper (30) umgeben sind, der an wenigstens, einem Ende der Zone auf dem Mantel (22) aus elektrisch normalleitendem Metall gleitend gelagert ist.

8. Elektrischer Leiter nach einem der Ansprüche

II bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der flexible Leiter (4) aus elektrisch normalleitendem Metall Iainellenförmig ausgebildet ist.

9. Elektrischer Leiter nach einem der Ansprüche 1 bis 7. dadurch gekennzeichnet, daß der flexible Leiter (23) aus einem Geflecht bzw. Gewebe aus elektrisch normalleitendem Metall besteht

10. Elektrischer Leiter nach einem der Ansprüche

1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß er aus Teilstükken (11, 12) zusammengesetzt ist und die Supraleiter (13, 14) zweier aufeinanderfolgender Teilstücke innerhalb einer zwischen beiden Teilstücken vorgesehenen flexiblen Zone miteinander verbunden sind.

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