DE2029076A1 - Supraleiter und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

Supraleiter und Verfahren zu deren Herstellung

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DE2029076A1 DE19702029076 DE2029076A DE2029076A1 DE 2029076 A1 DE2029076 A1 DE 2029076A1 DE 19702029076 DE19702029076 DE 19702029076 DE 2029076 A DE2029076 A DE 2029076A DE 2029076 A1 DE2029076 A1 DE 2029076A1
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Description

PATEN TANWXLTE Dipl.-Jng.
20		 H.Tiedtke
29076		 MÜNCHEN 2
TAL 33
TEL. 0811/2265W
25505T
CABLES: THOPATENT
TELEX: FOLGT
Dipl.-Chem.
Dipl.-Ghem.		 Dr. D.Thomsen
G. Bühling		 FRANKFURT (MAIN) 50
FUCHSHOHL 71
TEL. 0611/514666
Dipl.-lng. W.Weinkauff
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8000 München 2 12. Juni 1970 case M.12987 / T 368I
Imperial Metal Industries (Kynoch) Limited Birmingham, Großbritannien
Supraleiter und Verfahren zu deren Herstellung
Die Erfindung bezieht sich auf Supraleiter und Verfahren zu deren Herstellung. Sie bezieht sich insbesondere auf eine Supraleiteranordnung, in der ein Kanal für die Zufuhr eines Kühlmittels vorgesehen ist.
Es ist eine Supraleiteranordnung vorgeschlagen worden, bei der wenigstens ein Element aus einem Supraleitermaterial, das unterhalb einer kritischen Temperatur supraleitend ist, in ein die Wand der Anordnung bildendes Grundmaterial einge-
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OBIGlNAL
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<H> O a·
bettet ist, das vorteilhaft aus einen thermisch und elektrisch leitenden Material besteht, so daß der Durchstrom von flüssigen Helium durch das hohle Innere der Anordnung die Temperatur des Supraleitermaterials unter seiner kritischen Temperatur hält.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Supralelteranordnur.g zu schaffen, die mit einem Kanal für ein fließfähiges Kühlmittel versehen ist und die ohne Schwierigkeit in beträchtlich größeren Längen als diejenigen hergestellt werden kann, die ir. Verbindung mit früheren Vorschlägen erreicht wurden.
Erfindungsgemäß besitzt eine Supraleiteranordnung wenigstens einen Supraleiterverbundkörper, der wenigstens ein Element aus einem Supraleitermaterial aufweist, welches unterhalb einer kritischen Temperatur supraleitend ist und das in ein Grundmaterial aus wenigstens einem Werkstoff eingebettet ist, der bei dieser kritischen Temperatur nicht supraleitend ist, wobei der Verbundkörper mit wenigstens einer Komponente, die aus einen oder mehreren, bei dieser kritischen Temperatur nicht supraleitenden Materialien besteht, vereinigt ist, um eine rohrförmige Einheit oder Anordnung zu erhalten, die wenigstens einen' Kanal für fließfähiges Strömungsmittel hat, um das Supraleitermateriai bei einer Temperatur unter seiner kritischen Temperatur zu halten.
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2υ., j 7 6 - 3 -
Vorteilhaft ist der Verbundkörper in die Komponente eingeschlossen, um wenigstens zwei Kanäle für fließfähiges Kühlmittel zu erhalten. ■ ■
Zweckmäßig ist der Verbundkörper mit der Komponente fest ■verbunden, beispielsweise durch Schweißen oder Löten; wenn jedoch der Verbundkörper vollständig durch die Komponente einge- ä schlossen ist, kann die Vereinigung entweder durch festes Verbinden erfolgen oder es kann der Verbundkörper lediglich, eingesetzt werden.
Befindet sich in der Supraleiteranorcnung lediglich eine einzige Komponente, so ist sie entweder mit sich selbst ver-bv.r.c.en, oder mir wenigstens einem Verbundkörper, um den Kanal für fließfähiges Kühlmittel zu begrenzen, oder es hat die Komponente einstückige Rohrform.
Vorteilhaft ist das Supraleitermaterial-eine Supraleiterlegierung aus Niob und Titan, zum Beispiel aus Niob mit ^ Gew.-S Titan.
Vorteilhaft ist ferner der Werkstoff des Grundmaterial des Verbundkörpers lediglich hochleitfähiges Kupfer; alternativ kann jedoch der Grundmaterialwerkstoff eine Legierung auf Kupferbasis mit einem höheren elektrischen Widerstand als der von handelsüblichem reiner. Kupfer sein ,zur. Beispiel eine Xupfer-Xik-
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-H-
kellegierung. In diesem Pall erstreckt sich entweder die Kupfer-Nickellegierung durch das Ganze und bildet den Grundmaterialwerkstoff oder sie ist als nicht unterbrochene Schicht um das Element aus einem Supraleitermaterial angeordnet, wobei der Rest des Grundmaterials aus einem anderen Werkstoff besteht, der unterhalb der kritischen Temperatur nicht supraleitend ist.
Vorteilhaft sind mehrere Elemente aus Supraleitermaterial in dem Supraleiterverbundkörper vorgesehen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht eines ersten Beispiels der Erfindung;
Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht einer Abwandlung des ersten Beispiels;
Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht einer weiteren Abwandlung des ersten Beispiels;
Fig. A ist eine Querschnittsansicht eines zweiten Beispiels der Erfindung;
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" 5 - '■■''
Pig. 5 ist eine Querschnittsansicht eines dritten Bei- · "" · Spiels der Erfindung; . ■ - ·
Fig. 6 ist eine Querschnittsansicht eines vierten Beispiels der Erfindung;
Pig. 7 ist eine Querschnittsansicht einer weiteren Ab-Wandlung des ersten Beispiels;
Fig. 8 ist eine schaubildliche Darstellung eines fünften Beispiels der Erfindung.
Das erste Beispiel der Erfindung zeigt gemäß Fig. 1 eine rohrförmige Halbleiteranordnung 10, die aus einem Supraleiter-Verbundstreifen 11 gebildet wird, der mit zwei.U-förmigen nicht supraleitenden 'Komponenten oder Bestandteilen 12 vereinigt ist.
Der Supraleiter-Verbundstreifen 11 besteht aus einer grossen Anzahl von Fäden 1'3 aus der Supraleiterlegierung Niob mit 44 Gew.-% Titan, die eine kritische Temperatur im Nullmagnetfeld von etwa 9,20K hat, wobei die Fäden in ein Grundmaterial 14 aus hochleitfähigem Kupfer eingebettet sind. Das Kupfer hat keine supraleitenden Eigenschaften bei 9,20K oder 4,20K. Der Streifen 11 wird in irgendeinem beliebigen Verfahren hergestellt, zum Beispiel dadurch, daß eine Vielzahl Supraleiterstäbe in entsprechende Löcher einer Kupferpatrone zur Bildung einer Ver-
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BAD ORIGINAL
einigung eingesteckt werden und diese Vereinigung extrueliertj > gezogen und schließlich abgeflacht wird, um, die in Fig* ,1. darger., stellte Form zu erhalten. Ein weiteres Beispiel für ein geeignetes Verfahren.zur Herstellung des Streifens 11 besteht darin, r. daß man eine Anzahl aus Kupferstreifen oder anderen dehnbaren nicht-supraleitenden Streifen unter Zwischenlage von einem oder mehreren Supraleiterdrähten zwischen jeweils zwei benachbarte Streifen übereinanderwalzt.
Jede Nicht-Supraleiterkomponente 12 besteht lediglich aus hochleitfähigem Kupfer und besitzt swei parallele Seiten 15, die durch eine Basis 16 miteinander verbunden sinds wobei die Innenseite der Mitte der Basis ±6 ^ur Bildung einer Mut 17 geeigneter Abmessung zur Äufnstae des entsprechenden Rands des Supraleiter-Verbundstreifens 11 vertieft ist. Jede Komponente kann als flacher Streifen hergestellt werden, in den die Nut 17 eingewalzt wird, wobei die beiden Seiten 15 nach oben gebogen werden. Auf diese Weise können große Längen jeder Komponente 12 hergestellt werden, indem die Enden benachbarter Kupferstreifen miteinander verbunden werden, worauf der Biegevorgang erfolgt, wobei der Biegevorgang insofern einen besonderen Wert hat9 als er eine gewisse Materialhärtung in Nachbarschaft der sich ergebenden Ecken bewirkt. .
Die Anordnung, Einheit oäev Vereinigung nach Pis» 1 wird dadurch hergestellt, daß zwei Komponenten 12 einander-gegen-'
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überliegend angeordnet und der Verbundsupraleiterstreifen 11 zwischen ihnen aufgenommen wird, wobei dessen Ränder in die entsprechenden Nuten 17 eingreifen; daraufhin werden die einander gegenüberliegenden Enden der Seiten 15 in beliebiger Weise mit einander verschweißt. Um eine adäquate Verschweißung on ainimaler Wärmeerzeugung zu erhalten, wird bevorzugt, Elektronenstrahls chweißung anzuwenden.
Die Komponenten 12 können, wie es bereits erwähnt wurde, in unbegrenzten Längen hergestellt werden; dies gilt auch für den Verbundsupraleiterstreifen 11, da dieser stets in Form eines Streifens vorliegt, so daß es daher relativ leicht ist, die Enden aufeinander folgender Streifen mit minimalem elektrischen Widerstand zu verbinden, beispielsweise durch überlappen benachbarter Enden, durch Explosionsverschweißen der Enden und durch Entfernen überschüssigen Materials, damit die Verbindung denselben Querschnitt wie der Rest des Streifens hat.
Bei der Verwendung wird die rohrförraige Supraleiteranordnung nach Fig. 1 wie die Windungen eines Elektromagnets gewickelt und dann bei einer Temperatur unterhalb der kritischen Temperatur des Supraleitermaterials benutzt. Diese wird anfänglich durch Pumpen von flüssigem Helium bei ^-,20K oder unter Druck stehenden superkritischem Keliun bei gerade unter 4,20K durch die beiden Kanäle 18 und 19 herbeigeführt und aufrechterhalter.,
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die auf jeder Seite des Streifens 11 und innerhalb der beiden'·' Bestandteile 12 gebildet sind. Die-auf diese Weise herbeigeführte Begrenzung des Heliums sichert maximalen Kontakt mit den -Flächendes Streifens 11 und gestattet Anwendung der·Druckbeaufschlagung. Darüber hinaus gewährleistet die erreichbare schnelle und gleichförmige Zirkulation schnelles Entfernen.jeglicher Blasen an indem flüssigen Helium gebildeten gasförmigem Helium und jeglichen Heliums,das Wärme absorbiert hat, und zwar so schnell wie möglich aus der betroffenen Nachbarschaft. Darüber hinaus geben die Komponenten 12 dem Streifen 11 Zusatzfestigkeit, die durch · die Materialhärtung an den Ecken unterstützt wird. Eine weitere Unterstützung erfolgt nicht nur durch das hochleitfähige-Kupfer·. des Streifens 11, das die Wärmeabfuhr zur Aufgabe ,hat und als: ..:".. Kühlblech für jegliche in den Supraleiterfäden 13 erzeugte. Kitzedient, sondern auch durch das hochleitfähige Kupfer der Komponenten 12. Dadurch, daß zwei.·Kühlkanäle 18 und 19 vorgesehen sind, wird die Möglichkeit verringert, daß eine Länge der Anordnung r·'·. über die kritische Temperatur des Supraleitermaterials erhitzt -^ wird, da die für die Kühlung durch Helium verfügbare Metallober?- fläche vergrößert ist, wobei die Vergrößerungsrate-jeglicher kleinen erhitzten Länge durch die, Eindämmung von erhitzern Kühl-mittel in einem der Kanäle 18, 19 auf ein Minimum reduziert wird.
Bei der. ersten eben beschriebenen Beispiel sind die. Ränder des Streifens 11 lediglich in. die entsprechenden Nuten 17 der Komponenten 12 eingesetzt. Im Bedarfsfall kann jedoch die rohr-
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förmige Anordnung gestärkt und der thermische und elektrische Kontakt zwischen dem Streifen 11 und den Komponenten 12 verbessert werden, indem die Ränder des Streifens 11 in die Nuten 17 eingeschweißt werden. Dies wird vorteilhaft durch Verwendung einer Elektronenstrahlschweißeinrichtung entlang der Mittellinie der Basis 15 an jeder Komponente 12 erreicht.
Bei einer Abwandlung -der ersten Ausführungsform können mehr als ein Streifen 11 im Inneren der· rohrförmigen Anordnung vorgesehen werden, zum Beispiel zwei derartige Streifen, die parallel und im Abstand zueinander liegen. In diesem Beispiel ergeben sich dann drei Kanäle durch das Innere der Anordnung 10. Dies ist in Fig. 2 der Zeichnungen verdeutlicht, wo die Kanäle mit 20, 21 und 22 bezeichnet sind.
Bei einer weiteren Abwandlung können die beiden Komponenten 12 an einer der in Fig. 1 gezeigten Schweißstellen einstückig ™ sein, so daß sich eine einzige Komponente ergibt, die in eine Kastenform gebogen wird, wobei dabei der Streifen 11 aufgenommen wird und dann lediglich zum Schließen der Anordnung eine einzige Schweißnaht herzustellen ist. .
Die Fig. 3 zeigt eine weitere Abwandlung des Beispiels nach Fig. 1, bei der sich der Streifen 11 durch"die Gesamtdicke der Komponenten 12 nach Fig. 1 erstreckt, wobei Schweißung zwi-
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-ΙΟ-sehen dem freien Ende jedes Arms.von zwei U-förmigen Komponenten 30 mit der zugewandten Oberfläche des zentralen Streifens 11 erfolgt.
Die Fig. 4 zeigt ein zweites Beispiel der Erfindung, bei dem ein Streifen aus hochleitfähigem Kupfer zu einem rechtwinkligen Kasten 31 gebogen Und in dieser Form bei 32 verschweißt ist. Vor dem Schweißen wird in den Streifen 31 ein Supraleiterverbundstreifen 33 eingesetzt, der diagonal durch das Innere des rechtwinkligen Kastens angeordnet wird. Im Bedarfsfall kann der Streifen 33 durch Elektronenstrahlschweißung nach Herbeiführung der rechtwinkligen Kastenform in seiner Lage festgelegt werden. Der Streifen 32 trennt zwei Kühlmitteikanäle 34, 35.
Die Fig. 5 zeigt ein drittes Beispiel der Erfindung, bei der eine rohrförmige Supraleiteranordnung dadurch hergestellt wird, daß eine einzige U-förmige Komponente 44 aus einem bei der kritischen Temperatur des Supraleitermaterials nicht supraleitenden Materials, zum Beispiel aus hochleitfähigem Kupfer oder Aluminium mit einer Seite eines VerbundsupraleiterStreifens 45 verschweißt wird, der denselben genereller. Aufbau wie der Streifen 11 nach Fig. 1 hat. In diesem Fall wird eine Vollseite der rohrförmigen Anordnung durch den Verbundsupraleiter— streifen 45 gebildet, während die anderen drei Seiten durch axe U-förmige Komponente 44 gebildet werden. Die rohrförr.ige Anordnung nach Fig. 5 enthält einen einzigen Kühlmittelkanal 46.
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In Abwandlungen des dritten Beispiels können mehr als eine Seite der rohrförmigen Anordnung von einem Verbundsupraleiterstreifen gebildet werden; zum Beispiel kann die dem Streifen ^5 nach Fig. 5 gegenüberliegende Seite von einem weiteren derartigen Streifen gebildet werden. Bei dieser Abwandlung (nicht gezeigt) liegen zwei Verbundsupraleiterstreifen ^5 parallel im Abstand zueinander und sind durch zwei Kupferstreifen überbrückt, die dadurch ein rechtwinkliges Rohr mit dem Kühlmittelkanal J+6 begrenzen.
Die Fig. 6 zeigt ein viertes Beispiel der Erfindung, bei dem ein Verbundsupraleiterstreifen ^7 vorgesehen ist, der auf einer Seite eines rechtwinkligen Kupferrohrs ^ 8 befestigt ist. Das Befestigen erfolgt üblicherweise durch Löten, wie es bei 49 angedeutet ist. Bei diesem Beispiel liegt bereits die Komponente aus Nicht-Supraleitermaterial vor Anbringung ihres Verbundsupräleiterstreifens in Rohrform mit einem einzigen Kühlmittelkanal 50 ,vor. Im Bedarfsfall können mehr als eine Seite des Kupferrohrs UB mit einem Verbundsupraleiterstreifen versehen werden.
Bei Abwandlungen aller Beispiele können andere Supraleitex*materialien verwendet werden und es können die Supraleiterfäden in jeder beliebigen Zahl vorhanden sein oder es kann lediglich ein Faden vorliegen. Im letzteren Fall hat der Supraleiter-
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faden gewöhnlich die Form eines Streifens, der in dem Grundmaterial des Nicht-Supraleitermaterials angeordnet ist. Dies ist in Fig. 7 dargestellt * bei der sich der Supraleiterstreifen 51 in dem Grundmaterial·IM befindet.
Die Abmessungen der Supraleitörfäden können je nach Be- '■ darf variiert werden; sie können insbesondere auf weniger als 0,005 cm vermindert werden, um Eigenstäbilität gegen Flußsprünge zu erhalten; sie können verdrillt" und ··■ übereinander angeordnet werden, um Flußverknüpfangen zwischen den Fäden zu vermindern. Für einen eigenstabilen Supraleiter ist der Grundmaterialwerkstoff vorteilhaft hochleitfähiges Kupfer, jedoch kann alternativ ein Grundmaterialwerkstoff verwendet werden, der eine niedrigere elektrische Leitfähigkeit als hochleitfähiges Kupfer hat, so daß.geeignete Kupferlegierungen wie Kupfer-Nickel allein als der Grundmaterialwerkstoff oder-als Schicht um jeden Supraleiterfaden.in einem Grundmaterial· aus Kupfer oder als eine Schicht zwischen zwei Ringen aus Fäden verwendet werden können. Sofern Hochleitfähigkeit erforderlich ist, kann alternativ hochleitfähiges Kupfer-durch Aluminium oder andere hochleitfähige .Metalle wie beispielsweise Indium oder Silber ersetzt .werden. .·...--·'..-...:·. . ■ .· -'-..-".. - -
Bei einer weiteren Abwandlung-kann die Zugfestigkeit der rohrförmigen Supraleiteranordnung .dadurch erhöht werdenj daß- ;
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in jede Nicht-Supraleiterkomponente eine Anzahl von Verstärkungsfäden eingegliedert wird, zum Beispiel aus rostfreiem Stahl oder aus einer festen Titanlegierung. Alternativ können eine oder mehrere Außenflächen der rohrförmigen Supraleiteranordnung an einem Band aus festerem Werkstoff, zum Beispiel aus rostfreiem Stahl befestigt werden. .
Die Fig. 8 zeigt ein fünftes Beispiel der Erfindung, das ein Rohr 60 aus Nicht-Supraleitermaterial, zum Beispiel aus hochleitfähigem Kupfer, kaltverfestigtem Kupfer, Aluminium oder rostfreiem Stahl besteht, um das kennzeichnend24 Drähte 61 herumgewickelt und gelötet sind. Jeder Draht 61, der Rechteckquerschnitt oder Kreisquerschnitt haben kann, ist normalerweise ein Verbundkörper aus mehreren Supraleiterfäden 62, die in ein Grundmaterial 63 aus Nicht-Supraleitermaterial eingebettet sind, zum Beispiel hochleitfähiges Kupfer oder Kupfer-Nickel, j wobei jedoch einige der Drähte 61 allein aus hochleitfähigem Kupfer bestehen können, um elektrische überbrückungskapazität und thermische Absorption und Leitfähigkeit zu erhalten; ferner können weitere Drähte 61 aus verstärkendem Material, zum Beispiel aus rostfreiem Stahl bestehen. Die Fäden 62 in jedem Verbunddraht 61 können einen kleineren Durchmesser als 0,005 cm haben und in einem solchen Ausmaß verdreht sein, daß in jedem Draht 61 eine Eigenstabilität erhalten wird, wobei die Versetzung jedes Drahts 61 rund um das Rohr 60 gute Gesamtstabilität ergibt. Es können mehr als eine Lage Drähte 61 vorgesehen werden.
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Das Rohr 60 kann quadratisch (wie gezeigt) sein oder andere Querschnittsform haben.
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ORfGfNAL INSPECTED

Claims (8)

Patentansprüche
1. Supraleiteranordnung, gekennzeichnet durch wenigstens einen Supraleiterverbundkörper (11) aus wenigstens einer. Element (13)> das aus Supraleitermaterial besteht, welches unterhalb einer kritischen Temperatur supraleitend ist und das in ein Grundmaterial aus wenigstens einem Werkstoff eingebettet ist, der bei dieser kritischen Temperatur nicht-supraleitend, ist, wobei der Verbundkörper derart mit wenigstens einer Komponente, die aus einem oder mehreren, bei dieser kritischen Temperatur nicht supraleitenden Werkstoffen besteht, vereinigt ist, um eine rohrförmige Anordnung (10) zu erhalten, die wenigstens einen Kanal für fließfähiges Kühlmittel hat, um das Supraleitermaterial auf einer Temperatur unterhalb seiner kritischen Temperatur zu halten.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundkörper (11) in die wenigstens eine Komponente (12) derart eingeschlossen ist, daß wenigstens zwei Kanäle (18,19) für fließfähiges Kühlmittel erhalten werden.
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3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundkörper mit der wenigstens einen Komponente durch festes Verbinden vereinigt ist.
4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundkörper (11) lediglich in der. Komponente (12) durch Einsetzen fixiert ist.
5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Anordnung eine Einzelkomponente (31) vorliegt, die zur Umgrenzung des Kanals für fließfähiges Kühlmittel mit sich selbst verbunden ist.
6. Anordnung nach Anspruch 1 oder 1.und 3, dadurch gekennzeichnet , daß in der Anordnung (10) eine Einzelkomponente (48) vorgesehen ist, die eine geschlossene Rohrform hat.
7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Supraleitermaterial eine Sup.raleiterlegierung aus Niob und Titan, zum Beispiel -aus Niob mit ' 44 Gew.-? Titan ist.
8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Werkstoff des Grundmaterials des Verbundkörpers (11) hochleitfähiges Kupfer, Aluminium, Silber oder Indium ist.
009882/U5 6.
-.17 -
9, Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Werkstoff des Grundmaterial (14) des Verbundkörpers (11) entweder ein Einzelwerkstoff mit,einem höheren elektrischen Widerstand als Kupfer oder der Werkstoff und Kupfer ist.
009882/1456 bad oBialNAU
DE19702029076 1969-06-19 1970-06-12 Supraleiter und Verfahren zu deren Herstellung Pending DE2029076A1 (de)

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