DE1952441C3

DE1952441C3 - Supraleiter

Info

Publication number: DE1952441C3
Application number: DE1952441A
Authority: DE
Inventors: Alfred Paul Paris Hammer
Original assignee: Thomson-Brandt SA
Current assignee: Thomson-Brandt SA
Priority date: 1968-10-18
Filing date: 1969-10-17
Publication date: 1981-11-19
Also published as: BE740167A; DE1952441B2; US3626585A; CH500603A; NL6913549A; FR1586346A; DE1952441A1; GB1275439A

Description

Die Erfindung betrifft einen Supraleiter mit einem ein Kühlmittel enthaltenden röhrenförmigen Metallkörper und mit einem oder mehreren im Innern des Metallkörpers angeordneten supraieitenden Elementen.

Ein derartiger Supraleiter ist aus der Zeitschrift »Bull. ASE/SEV, 58. Jahrgang, Nr. 20, 30. September 1967, Seiten 915 (A 584) und 916 (A 585)« bekannt. Bei diesem bekannten Supraleiter sind die supraleitenden Elemente im Innern des röhrenförmigen Metallkörpers eingelassen in eine Längsnut angeordnet Das Material des Metallkörpers (Kupfer) dient zur Stabilisierung der supraleitenden Elemente. Es wurde festgestellt, daß bei diesen Supraleitern die Kühlwirkung gering ist Es ist daher eine große Kühlmitteldurchflußmenge erforderlich. Des weiteren ist es bis zum Prioritätstag aus technologischen Gründen nicht gelungen, diese Supraleiter über eine begrenzte Länge hinaus zu fertigen.

Des weiteren sind Supraleiter bekannt die vorwiegend die Form von Platten, Bändern oder Drähten geringer Länge aufweisen und die aus supraleitenden Materialien bestehen, deren bekannteste intermetallische Verbindungen sind, wie Nb3Sn, Nb₃Al, Nb₃Au, NbTi, V₃Si, V₃Ga. Sie befinden sich dann im Zustand der Supraleitfähigkeit, wenn sie auf einer Temperatur gehalten werden, die unterhalb ihrer kritischen Temperatur liegt und sich in einem magnetischen Feld befinden, dessen Feldstärke kleiner als die kritische Feldstärke ist. Die Werte für die kritischen Temperaturen und die kritischen magnetischen Feldstärken hängen von der Zusammensetzung der Materialien und häufig von ihrer Struktur ab. Die kritischen Magnetfelder liegen in der Größenordnung von einigen hundert bis einigen zehntausend Oersted. Die höchsten kritischen Temperaturen der Supraleiter erreichen 15 bis 18 K.

Zur Erreichung einer entsprechend intensiven Kühlung ist der Supraleiter für gewöhnlich in einem Kühl mittel eingetaucht das z. B. flüssiges Helium sein kann. Es ergibt sich daraus, daß der Behälter, der die Kühleinrichtung enthält groß sein muß, wenn die Supraleiteraiiordnung sperrig ist Von einer gewissen Größe

ίο der Supraleiteranordnung an werden die Kosten für den Kühlbehälter derartig hoch, daß sie einer großen Anzahl von industriellen Anwendungen im Wege stehen. Um diesen Nachteil zu vermeiden, hat man die Kühlung durch Eintauchen des Supraleiters durch

is eine innere Kühlung desselben ersetzt weiche nach der bekannten Methode, wie sie beispielsweise für die Elektroden für Schweißmaschinen verwendet wird, arbeitet Für die Verwirklichung der inneren Kühlung ist es wesentlich, daß die bekannten »weichen« Supraleiter üblicherweise hohl oder in Röhrenform hergestellt werden. Eine derartige Form verleiht ihnen nämlich eine sehr große Oberfläche, was eine unerläßliche Voraussetzung für das Entstehen des supraleitenden Zustandes ist. Dasselbe gilt für die gleich- falls üblicherweise hohlen oder röhrenförmigen »harten« Supraleiter. Diese Form gestattet eine wesentliche Erhöhung der kritischen Feldstärke des Magnetfeldes. Bei der inneren Kühlung dieser Supraleiter dient ihr Innenraum entweder zur Aufnahme eines unter Druck stehenden Kühlmittels oder er wird von einer regelbaren Durchflußmenge eines unter Druck stehenden Kühlmittels durchströmt. Die aus einem einzigen Draht bestehenden Supraleiter haben häufig einen geringen Querschnitt und ihr Innenraum reicht nicht aus, um eine wirksame innere Kühlung herbeizuführen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Supraleiter mit verbessertem Aufbau zu schaffen, der sich wirkungsvoll über seine ganze Länge kühlen läßt Es liegt weiter im Sinne der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung der Supraleiter zu schaffen, das es ermöglicht, beliebige Längen herzustellen.

Diese Aufgabe ist dadurch gelöst daß die supraleitenden Elemente jeweils von einem Metallmantel umgeben und mit der Innenwand des Metallkörpers verschweißt sind.

Aufgrund der Tatsache, daß die äußere Oberfläche des supraleitenden Elementes, die sich in thermischem Kontakt mit dem Kühlmittel befindet, groß ist im

so Verhältnis zu der inneren Oberfläche desselben supraleitenden Elementes, ergibt sich der Vorteil, daß die Kühlwirkung des erhaltenen Supraleiters wesentlich besser ist, als diejenige, die sich bei einer inneren Kühlung ergibt die lediglich auf die innere Oberfläche,

d. h. den inneren Hohlraum des supraleitenden Elementes einwirkt.

Die weitere, der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, nämlich die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung des erfindungsgemäßen Supraleiters, ist dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß zunächst eine Verschweißung eines oder mehrerer mit einem Metallmantel umgebener supraleitender Elemente längs eines Metallbandes unter Einhaltung eines seitlichen Abstandes zwischen den Elementen erfolgt, woran sich

h5 e^:ne Formung des Metallbandes zu einem zylindrischen uiiur polygonalen, gegenüber dem Kühlmittel dichten, röhrenförmigen Körper unter Einschluß der supraleitenden Elemente anschließt.

Dieses Herstellungsverfahren beinhaltet den Vorteil, daß die Herstellung von Supraleitern großer oder beliebiger Längen möglich ist.

In der Zeichnung ist ein Supraleitei der bisher bekannten Art sowie beispielsweise gewählte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Supraleiters schematisch wiedergegeben. Es zeigt

F i g. 1 einen Querschnitt durch einen hohlen Supraleiter bisher bekannter Art in einem willkürlich angenommenen, nichtproportionalen Maßstab,

Fig.2 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Supraleiter in einem willkürlich angenommenen nichtproportionalen Maßstab,

F i g. 3 den erfindungsgemäßen Supraleiter nach F i g. 2 in einer Vorstufe seiner Herstellung in einem willkürlich angenommenen, nicht proportionalen Maßstab,

F i g. 4 einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäüen Supraleiters in einem willkürlich angenommenen, nichtproportionalen Maßstab.

Ein Supraleiter der in F i g. 1 dargestellten Art besteht üblicherweise aus einer bestimmten Anzahl fadenförmiger supraleitender Elemente 1, die in ein stabilisierendes Metall 2 eingebettet sind, bei dem es sich um Aluminium, Kupfer oder jedes andere bei sehr niedrigen Temperaturen thermisch gut leitende Material handeln kann. Diese Anordnung bildet einen Hohlkörper mit rechtekkigem oder polygonalem Querschnitt, in dem eine innere, zylindrische oder polygonale öffnung la vorgesehen ist. Bei dieser Art der Herstellung war es bis zum Zeitpunkt der vorliegenden Anmeldung nicht möglich, einen Supraleiter mit einem optimalen Verhältnis Supraleiter/Stabilisator sowie einen Supraleiter großer Länge herzustellen.

Die Kühlung dieses Supraleiters geschieht in üblicher Weise durch Beschicken seiner inneren öffnung 2a mit einem unter Druck stehenden Kühlmittel. Im wesentlichen infolge der geringen für den Wärmeaustausch zur Verfugung stehenden Fläche und infolge der zunehmenden Verringerung des für den Wärmeübertritt zur Verfugung stehenden Querschnittes zwischen den supraleitenden Elementen und der inneren öffnung la stellt sich eine schwache Kühlwirkung ein und man benötigt eine große Kühlmittel-Durchflußmenge.

Diese Nachteile vermeidet der erfindungsgemäße Supraleiter, wie er in F i g. 2 dargestellt ist. Er besteht aus einem supraleitenden Element 3, das mit einem metallischen Mantel 4 versehen ist, der der Stabilisierung dient und aus Aluminium oder Kupfer oder jedem anderen bei den niedrigen Temperaturen thermisch gut leitenden Metall besteht. Das supraleitende Element 3 ist an einer seiner Mantellinien mit der inneren Wand einer dichten Röhre 5 verschweißt, die aus einem geeigneten Material, vorzugsweise aus einem stabilisierenden Metall derselben Art, wie der Mantel 4 des supraleitenden Elementes 3 besteht. Die supraleitenden Elemente 3 können aus einem einzelnen Draht oder aus einer größeren Anzahl derselben bestehen und die Röhre 5 kann einen kreisförmigen oder polygonalen Querschnitt haben.

Die Kühlung des erfindungsgemäßen Supraleiters geschieht durch unter Druck erfolgende Einleitung eines Kühlmittels in die Röhre 5 oder durch Hindurchleiten einer einstellbaren Meng° eines unter Druck stehenden Kühlmittels durch die Röhre. Das Kühlmittel steht in thermischem Kontakt mit dem Mantel 4 des supraleitenden Elementes 3. Die für den Wärmeaustausch zur Verfügung stehende Fläche zwisrhen dem supraleitenden Element 3 und dem Kühlmittel ist demzufolge groß und der für den Wärmetransport durch den Mantel 4 hindurch zur Verfügung stehende Querschnitt wächst von dem Supraleiter 3 in Richtung auf das Kühlmittel an. Die ίο erhaltene Kühlwirkung ist bei geringer Kühlmittel-Durchflußmenge groß. Wenn eine besonders starke Kühlung wünschenswert ist, wird das Kühlmittel außerdem durch die im Inneren des supraleitenden Elementes 3 vorgesehene öffnung 6 hindurchgeleitet.
Das Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Supraleiters läuft erfindungsgemäß im wesentlichen wie folgt ab: Man verwendet ein supraleitendes Element 3, das mit einem stabilisierenden Mantel 4 derart überzogen ist, daß das Verhältnis Supraleiter/Stabilisator optimal ist. Weiterhin verwendet man ein Metallband 5a aus geeignetem Material, vorzugsweise aus demselben Metall, aus dem der Mantel 4 des supraleitenden Elementes 3 besteht Das supraleitende Element 3 wird nun längs einer seiner Mantellinien der Länge nach auf das Band 5a aufgeschweißt. Nun wird aus dem Band 5a ein röhrenförmiger Körper mit zylindrischem oder polygonalem Querschnitt geformt, und zwar derart, daß das supraleitende Element 3 im Inneren des röhrenförmigen Körpers 5 zu liegen kommt. Die längs verlaufenden Kanten 7, 8 dieses Bandes 5a werden verschweißt, so daß sich der Dichte, röhrenförmige Körper 5 ergibt Die Verschweißung d.es Mantels 4 des supraleitenden Elementes 3 mit dem Band 5a und die Verschweißung der längs verlaufenden

J5 Kanten 7,8 kann entweder kalt unter Anwendung eines entsprechenden Druckes oder warm durch Verschmelzung der Materialien mit oder ohne Zugabe von Metall oder nach jedem anderen Schweißverfahreh erfolgen. Das Band 5a und das supraleitende Element 3 können jede gewünschte Länge und Abmessung haben. Der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugte Supraleiter kann daher ohne weiteres die wünschenswerten optimalen Eigenschaften erhalten.
Bei der in F ι g. 4 veranschaulichten Ausführungsform umfaßt der erfindtmgsgemäße Supraleiter mehrere supraleitende Elemente 9, deren jedes mit einem Mantel 10 aus einem stabilisierenden Metall versehen ist und die in einigem seitlichen Abstand längs einer ihrer Mantellinien der Länge nach mit einem Band aus

so geeignetem Material verschweißt sind, welches anschließend gerollt und bei 12 seinerseits verschweißt wird, so daß es einen dichten röhrenförmigen Körper 11 ergibt, der die supraleitenden Elemente einschließt. Dieser röhrenförmiger Körper kann kreisförmigen oder polygonalen Querschnitt haben.

Erfindungsgemäß ist der Querschnitt des röhrenförmigen Körpers 11 sowie die Anzahl und die Abmessungen der supraleitenden Elemente 9 bei der Herstellung frei wählbar, so daß für jeden Fall und für

bo jede Anwendung die günstigsten Eigenschaften des Supraleiters erreichbar sind. Zu diesen Eigenschaften gehören der kritische Strom und der Stabilisierungsbeiwert, die größtmögliche Kühlwirkung und der kleinstmögliche Wert für den Kühlquerschnitt und folglich für

hi die Meng&xles verwendeten Kühlmittels.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Supraleiter mit einem ein Kühlmittel enthaltenden röhrenförmigen Metallkörper und mit einem oder mehreren im Innern des Metallkörpers angeordneten supraleitenden Elementen, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitenden Elemente (3) jeweils von einem Metallmantel (4) umgeben und mit der Innenwand des Metallkörpers verschweißt sind.

2. Supraleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallkörper (5) und der Mantel (4) der supraleitenden Elemente (3) aus Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehen.

3. Supraleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallkörper (5) und der Mantel (4) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen.

4. Verfahren zur Herstellung des Supraleiters nach einem der Ansprüche 1 bis 3 gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

— Verschweißung eines oder mehrerer mit einem Metallmantel (4) umgebener supraleitender Elemente (3) längs eines Metallbandes (5a) unter Einhaltung eines seitlichen Abstandes zwischen den Elementen.

— Formung des Metallbandes (Sa) zu einem zylindrischen oder polygonalen, gegenüber dem Kühlmittel dichten, röhrenförmigen Körper (5) unter Einschluß der supraleitenden Elemente.