DE2353114A1 - Supraleitende spule - Google Patents
Supraleitende spuleInfo
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Description
DR.-ING. RICHARD GLAWE - DIPL-[NG. KLAUS DELFS - DIPL-PHYS. DR. WALTER MOLL
MÖNCHEN HAMBURG MÖNCHEN
r
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UNSS ZEICHEN | S MDNCHEN 26 | 2 HAMBURG 52 | |
A 15 | POSTFACH 37 | WATfZSTR. 12 | |
UEBHERRSTR. 20 | TR. (04PJ 89 2255 | ||
TEL. (089Ϊ 2265 48 | TaEX 21 2921 spez | ||
THBC 52 25 05 iper | - | ||
IHRE MACHRKHT VOM | MÖNCHEN | ||
CRYOGENICS CONSULTANTS LTD. London / England
Supraleitende Spule
Die Erfindung bezieht sich auf supraleitende Spulenwicklungen, d*h. Wicklungen aus einem leitfähigen Material,
welches bei Betrieb unterhalb einer vorbestimmten Temperatur
(in typischen Fällen .z.B. 4 K) das Phänomen der Supraleitfähigkeit
zeigt.. Die Windungen können beispielsweise für Elektromagneten, Magnetspulen, feldfokusgierenden Spulen,
Transformatoren usw. verwendet werden.
Die supraleitende Spule dient dazu, hohe Stromstärken
zuzulassen, in typischenFällen 10 A/cm_/j3nd zwar in starken Magnetfeldern, beispielsweise 10 Tesla. Die Wicklungen
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arbeiten somit unter starker mechanischer Belastung. Eine Bewegung
der Leiter unter dieser Belastung hat Knergieverluste zur Folge, und da bei den niedrigen Temperaturen, die für die
Herbe ifünrung der Supraleitfähigkeit notwendig sind, die spezifischen
Wärmen klein sind, kann der entstehende Temperaturanstieg ausreichen, um die supraleitenden Eigenschaften des
Materials zu verschlechtern. Die übliche Lösung für dieses Problem besteht darin, daß man erhebliche Mengen von Material
mit hoher normaler Leitfähigkeit parallel zu dem Supraleiter anordnet, um diese Effekte möglichst gering zu halten. Obwohl
nach dieser Methode hergestellte Spulen sehr hohe Feldstärken erreichen können, sind sie schwierig und kostspielig herzustellen
und zu betreiben. Insbesondere sind sie nicht geeignet, um starke Feldgradienten, z.B. für Quadrupolfelder, zu
erzeugen.
Als Alternativlösung ist ferner vorgeschlagen worden,
die Wicklungen so starr zu konstruieren, daß das Auftreten
von Bewegungen verhindert wird. Ein einfaches Einbetten in,_
Epoxyharz ist zu spröde, um hohen 3pannungen zu widerstehen,
die zum Bruch führen, da der Ausdehnungskoeffizient der Spule in der Radialrichtung größer ist als in der Umfangsrichtung
der Spule. Ein weiterer Vorschlag geht dahin, zwischen aufeinanderfolgenden Schichten der Wicklung Zwischenschichten.,
aus Glasfaser anzubringen und das Ganze in Epoxyharz einzubetten.
Auf diese Weise hergestellte Spulen versagen jedoch durch Bruch längs der Schichten. Die Isolierung des Leiters
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; :-.- J · 23531U
ist in der Regel die Ursache des Bruches, da sie bei den
niedrigen Temperaturen spröde wird. .
Eine gemäß der Erfindung hergestellte supraleitende Spule"kann jedoch ausreichend stark und steif ausgebildet
werden. Sie besteht aus einer Wicklung aus supraleitendem
Draht, wobei der Draht mit Fäden aus Glasfaser umwickelt
und eingehüllt· ist, die vorzugsweise einen Durchmesser im Bereich von 2 bis 100 μΐη haben, und die schraubenförmig um
den Draht gewickelt sind, wobei das Ganze mit Epoxyharz imprägniert bzw. darin eingebettet ist. Der umwickelte Draht
kann auch mit einer Mischung aus Harz und einem Lösungsmittel imprägniert" und unter Vakuum ausgehärtet werden, unmittelbar
nach dem Wickeln, um eine Schutzschicht für das Glas zu bilden, bevor die Spule gewickelt wird. Die Spule wird
vorzugsweise in Lagen gewickelt, zwischen denen .Zwischenschichten aus Glasfaser angeordnet sind, z.B. in der Form
einer gewebten Matte, die in einer Richtung verlaufen kann, sie kann jedoch auch derart gewickelt sein, daß die Wicklungen
synchron oder "autozyklisch" sind, daß heißt daß alle
Drähte in der dichtest möglichen Packung angeordnet sind,
so daß die Spule im Querschnitt eine regelmäßige hexagonale
Anordnung von Drähten zeigt. Da dann jeder Draht einer
Schicht zwischen die Drähte der darunterliegenden Schicht
greifend angeordnet ist, kann die Zwischenschicht aus Glasfasern weggelassen werden, und in diesem Fall wird vorzugsweise
ein dickerer Glasfäserfaden schraubenförmig um die
Drähte gewickelt. · '■
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Die Anordnung ist in jedem Fall vorzugsweise, derart,
daß die Zwischenräume zwischen den Drähten zumindest 3096 und
vorzugsweise 70% mit Glas ausgefüllt sind, wobei der Rest
der Zwischenräume mit Harz ausgefüllt ist. Die entstehende Mischung hat einen gleichmäßigeren Expansionskoeffizienten
als das schiere Harz, das bei einer üblichen eingebetteten
Spule verwendet wird.
Zusätzlich zu den Glasfasern kann eine Zwischenschicht
aus einem üblichen Isolator wie z.B. PVA vorgesehen sein, insbesondere im Fall von unrunden Spulen, die für Spezialfälle,
wie z.B. magnetische Ionentrennung, vorgesehen sind.
Ein Problem bei der Herstellung einer derartigen Spule
liegt darin, daß übliche Schlichtmittel, wie z.B. Stärke oder Mehlschlichte, die die Glasfasern ausreichend weich
und formbar machen, um sie um den Leitungsdraht zu wickeln,
mit Epoxyharzen unverträglich sind. Es ist unzweckmäßig, anschließend das Schlichtmittel in normalerweise durch Erhitzen
und Oberflächenbehandlung zu entfernen, da solche Oberflächenbehandlungen, wie z.B. eine Behandlung mit Epoxy-Silan,
die mit Epoxyharz verträglich sind, .die Glasfaser nicht ausreichend
biegsam und verarbeitbar machen, um sie um die Leitungsdrähte zu wickeln.
Diese Schwierigkeit wird überwunden durch ein Verfahren
gemäß der Erfindung, welches darin besteht', daß Glasfaser,
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deren Oberfläche i& einer mit Epoxyharz verträglichen ¥eise
Gehandelt wurde, mit einem destillierten Schmiermittel getränkt -wird,, wie z.B. destilliertem farblosen Spiritus
(white spirit) und daß.Fäden aus der Faser schraubenförmig
umeiiae^ supralMtfäMgeix Draht zur Bildung einer Umhüllung
gewickelt werden. Der uinhüilte Draht kann dann zu einer Spule gewickelt werden und die Spule mit Epoxyharz imprägniert
Werden* Bevor die Spule mit Harz imprägniert wird, muß man
den, Spiritus verdampf en lassen, beispielsweise in einem Ofen,
und Unter -Vakuum, entweder- beyöir oder* vÖi?zügsw6ise nachdem
der umhüllte Draht zu einer Spule gewickelt wurde.
Eine Ausführungsform der Erfindung wird im folgenden
anhand der Zeichnungen näher erläutert, "
Fig. 1 zeigt perspektivisch eine(längs ihref Achse
.;;; aufgeschnittene'Spules gemäßi der Erfindung.
eine Vergrößerte Einzelheit des
Schnitts der Spule. :.. .";: /■"·.:-.'■ ■■■'. '■'-.'} '_
Fig. 3 erläutert schematisch dag eründungsgemäße
. V§rfeJ|reh ^zum-Wiekelii y©n Olasfaöern uui den·'-supraleitfähigen
Draht.
,Die Spulen 2 in.Fig. 1 und 2 umfaßt Winduaagen; 4 aus
Draht aua einem »lateris^,; -Reiches bei niedriger temperatur,
z.B. 4 E, supraleitfähig ist. Der Draht ist umgeben mit einer
Umhüllung 6 aus schraubenförmig gewickelten Fäden aus Glasfaser mit einem Durchmesser im Bereich von 2 bis 100 μιη. Die
Wicklung ist in Lagen verteilt, zwischen denen Zwischenlagen
8 aus gewebter Glasfasermatte angeordnet sind. Die Spule ist mit Epoxyharz gefüllt.
Die Spule kann mit einem Windungsquerschnitt von mehr
als 4 cm ausgeführt sein und trotzdem den Spannungen beim Eintauchen in flüssigen Stickstoff und den Spannungen bei
der Führung hoher Stromstärken in einem hohen Magnetfeld
widerstehen, da die Zwischenräume zwischen den Drähten mit einer Mischung aus Harz und Glas ausgefüllt sind, die der
Spule eine gleichmäßigere Ausdehnungscharakteristik gibt.
Die Glasfaserumhüllung' 6 besteht aus Fäden aus Glasfaser,
der eine Oberflächenbehandlung gegeben wurde, die mit Epoxyharz verträglich ist. Die oberflächenbehandelte Faser
wird mit einem destillierten Schmiermittel, wie z.B. destilliertem
weißen Spiritus, geschmiert und es werden beispielsweise Paare von Fäden um den Draht gewickelt, indem die Fäden
10 rund um den Draht 4 gedreht werden, während dieser
in Richtung des Pfeiles A in Fig. 3 vorbeibewegt wird.
Man läßt den destillierten Spiritus verdampfen, z.B. in
einem Ofen unter Vakuum. Danach wird der umhüllte Draht zu
einer Spule gewickelt, wobei zwischen den Wicklungslagen
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Lagen aus gewebter Glasfasermatte angeordnet werden.
Die Spule wird dann unter Vakuum mit Epoxyharz imprägnfert,
welches man aushärten läßt. .
. _ 7 A 09 8 1 8/0938.
Claims (7)
- Patentansprüche1 .J Supraleitfähige Spule, bestehend aus einer Wicklung aus supraleitendem Draht, der mit mindestens einem schraubenförmig herumgewickelten Faden aus Glasfaser umhüllt ist, wobei das Ganze mit Epoxyharz imprägniert ist.
- 2. Spule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr Fäden parallellaufend um den Draht gewickelt sind.
- 3. Spule nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Wicklungslage dicht auf die darunter liegende Lage gepackt und zwischen diese eingreifend angeordnet ist.
- 4. Spule nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Wicklungslagen Schichten aus Glasfasermatte angeordnet sind.
- 5. Spule nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4, dadurch gekennze ichne t, daß eine isolierende Zwischenschicht aus synthetischem Kunststoff material vorgesehen ist.
- 6. Verfahren zum Wickeln einer supraleitfähigen Spule nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch g e k e η η -- 8 -. 409818/0 9383 23531Uzeichnet, daß man Glasfaser, deren Oberfläche in einer mit Epoxyharz verträglichen Weise behandelt wurde, mit einem destillierten Schmiermittel tränkt und Fäden aus der Glasfaser schraubenförmig um einen supraleitfähigen Draht zur Bildung der Umhüllung wickelt.
- 7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Schmiermittel weißer Spiritus (white spirit) bzw, Test-^ oder Lackbenzin ist.4Ot818/0 9 31
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