DE2602734C2

DE2602734C2 - Supraleiter und Verfahren zu dessen Herstellung und Verwendung

Info

Publication number: DE2602734C2
Application number: DE2602734A
Authority: DE
Inventors: Harald Dipl.-Ing. Dübendorf Fillunger; Alfred Bremgarten Koch; Reinh. Kurt Dr. Zürich Maix; Gundolf Dipl.-Phys.Dr. Birmernstorf Meyer
Original assignee: Bbc AG Brown Boveri & Cie 5401 Baden Aargau; BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1975-12-15
Filing date: 1976-01-26
Publication date: 1983-11-24
Also published as: DE7602013U1; CH604332A5; DE2602734A1; GB1569983A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Supraleiter nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiger Supraleiter ist beispielsweise aus der DE-OS 23 47 993 bekannt. Dort ist ein bandförmiger Leiter aus elektrisch- thermisch-normalleitendem Metall, beispielsweise Kupfer, mit eingelagerten Supraleiterdrähten, beispielsweise aus Niob-Titan in einem Rohr angeordnet, das aus zwei ineinandergreifenden Teilstücken mit U-förmigem Querschnitt zusammengesetzt ist.

Die DE-OS 20 29 076 beschreibt einen Supraleiterverbundkörper, bei der das Supraleitermaterial in ein Grundmaterial eingebettet ist, welches unterhalb der kritischen Temperatur nicht supraleitend ist.

Gegenstand der DE-OS 23 47 993 ist ein Supraleiter, der einen hohl ausgebildeten, normalleitenden länglichen Tragkörper für den Durchfluß eines Kühlmediums und schraubenförmig auf diesen aufgewickelte drahtförb5 mige, stabilisierte Suprateilleiter aufweist.

Zur Erzeugung der bei einer Kernfusion erforderlichen Magnetfelder mit Feldstärken bis zu beispielsweise Tesla werden Supraleiter für elektrische Ströme bis

zu 50 000 A und mehr benötigt Aus der US-PS 34 32 783 geht beispielsweise hervor, daß die für solche hohen elektrischen Ströme geeigneten supraleitenden Materialien aus einer intermetallischen A15-Verbindung, wie zum Beispiel Nb₃Sn, V₃Ga oder V₃Si, bestehen. Diese Verbindungen sind aber nach der Durchführung der Reaktionsglühung sehr spröde und dürfen nur wenig gebogen und gedehnt werden, wenn ihre supraleitenden Eigenschaften nicht beeinträchtigt werdensollen.

Außerdem werden die bei solch hohen Strömen auf den Supraleiter einwirkenden Kräfte wesentlich höher als bisher üblich sein, so daß hohe Anforderungen an die mechanische Festigkeit des Supraleiters gestellt werden.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Supraleiters, bei dessen Herstellung, Weiterverarbeitung und Einsatz die Gefahr einer Beschädigung der aus supraleitendem Material bestehenden Filamente auf ein Minimum reduziert wird.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Erfindung.

Wesentliches Kennzeichen der Erfindung ist, daß bei Supraleitern aus einer intermetallischen A15-Verbindung die Tragstruktur zusätzliche Verstärkungsteile aufweist:

— Die Festigkeit dieser Verstärkungsteile liegt um mindestens 50% höher, als diejenige der Stabilisierungsteile.

— Die festigkeitsmäßig relevanten Verbindungen der Verstärkungsteile sind durch Hartlötung oder Verschweißung gebildet.

— Die Verstärkungsteile sind in die Stabilisierungsteile eingebettet und metallurgisch mit diesen verbunden.

— Das supraleitende Kabel mitsamt der Tragstruktur ist biegsam und für die Herstellung von Spulen geeignet.

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Bei der Weiterbildung gemäß Anspruch 2 ist das die Supraleiterdrähte enthaltende Kabel von der Tragstruktur vollständig umschlossen.

Um die Gefahr einer Beschädigung der aus supraleitendem Material bestehenden Filamente bei einer Biegung des Supraleiters möglichst gering zu halten, ist es vorteilhaft, wenn das die Supraleiterdrähte enthaltende Kabel um die bei Biegung des Supraleiters neutrale Schicht herum konzentriert ist, und die Supraleiterdrähte untereinander verkabelt, verseilt, so verflochten oder transponiert sind. Darüber hinaus wird die Gefahr einer Beschädigung der aus supraleitendem Material bestehenden Filamente bei einer Biegung des Supraleiters vermindert, wenn das Kabel über den Querschnitt des Supraleiters betrachtet derart angeordnet ist, daß es sich am fertig gebogenen Supraleiter in dessen auf Druck beanspruchten Bereich befindet.

Um den Supraleiter auf seine Betriebstemperatur abkühlen zu können, ist es zweckmäßig, wenn die Tragstruktur mit mindestens einem längs dem Kabel verlaufenden Kühlkanal oder Kühlrohr versehen ist.

Zur elektrischen Stabilisation des Supraleiters ist es ferner vorteilhaft, wenn die Tragstruktur mit mindestens einem längs dem Kabel verlaufenden, aus elektrisch normalleitendem Material, zum Beispiel Kupfer oder Aluminium, bestehenden Stabilisierungsteil versehen ist.

Zur Verminderung von Wirbelstromverlusten in den den Supraleiter bildenden Filamenten, ist es zweckmäßig, die Supraleiterdrähte von einer zum Beispiel aus einer CuNi-Legierung bestehenden hochohmigen Schicht zu umgeben.

Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Supraleiters, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß man das Kabel im Inneren der Tragstruktur anordnet, die einzelnen Teile der Tragstruktur miteinander verbindet und anschließend die Weichverlötung des Kabels durchführt

Die Verwendung des Verfahrens hat zum Ziel, das Kabel mit den Stabilisierungsteilen und den Verstärkungsteilen zu einer Spule zu verformen.

Wird nun ein solcher Supraleiter zum Beispiel bei der Herstellung einer Spule gebogen, dann können die das Kabel bildenden Drähte untereinander und gegenüber den angrenzenden Teilen der Tragstruktur nachgeben, obwohl der Supraleiter gesamthaft gesehen eine außerordentliche Festigkeit gegenüber äußeren, auf ihn einwirkenden Kräften aufweist, so daß eine Beschädigung der aus supraleitendem Material bestehenden Filamente bei der Wicklung der Spule auf ein Minimum reduziert ist. Dies ist sehr wichtig, da die Feststellung einer Beschädigung des Supraleiters erst an den fertig montierten Magneten bei seiner ersten Inbetriebnahme wirtschaftlich gesehen einen beträchtlichen Verlust darstellt.

Nachstehend wird die Erfindung anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Schnitt durch eine erste beispielsweise Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Supraleiters;

F i g. 2 einen Schnitt durch eine zweite beispielsweise Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Supraleiters;

F i g. 3 einen Schnitt durch eine dritte beispielsweise Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Supraleiters;

F i g. 4 einen Schnitt durch eine vierte beispielsweise Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Supraleiters;

F i g. 5 einen Schnitt durch eine fünfte beispielsweise Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Supraleiters; und

F i g. 6 einen Schnitt durch eine weitere beispielsweise Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Supraleiters.

Bei der in F i g. 1 dargestellten Ausführungsform ist der Supraleiter mit einer Vielzahl von ein Kabel 1 bildenden Supraleiterdrähten 2 versehen, wobei bei den letzteren eine große Anzahl von aus einer intermetallischen A15-Verbindung bestehende Filamente in eine aus bei Betriebstemperatur des Supraleiters elektrisch normalleitendem Material bestehende Matrix aus einer Legierung wie Cu-Sn für Nb₃Sn-Filamente oder Cu-Ga für V₃Ga-Filamente usw. eingebettet sind. Diese Matrix kann auch zur Stabilisierung hochleitfähiges Material wie zum Beispiel Kupfer oder Aluminium aufweisen.

Zusätzlich zu den Supraleiterdrähten 2 enthält das Kabel 1 noch aus Stabilisierungsmaterial bestehende Drähte 3 und aus Stahl bestehende Verstärkungsdrähte 4, wobei zur Erzielung einer geringstmöglichen Dehnbarkeit des Kabels t die Verstärkungsdrähte 4 parallel zur Kabellängsachse verlaufen.

Zur elektrischen Stabilisation des Supraleiters sind längs dem Kabel 1 verlaufende, aus elektrisch gut leitendem Material, wie beispielsweise Kupfer oder

Aluminium, bestehende Stabilisierungs- und Abstützteile S und 6 angeordnet, wobei der eine Stabilisierungsund Abstützteil 6 zusätzlich mit einem Kühlkanal 7 zur Durchleitung eines Kühlmediums versehen ist.

Der Supraleiter ist außerdem zur zusätzlichen Erhöhung seiner mechanischen Festigkeit auf seiner Außenseite von einem Stahlmantel 8 vollständig umhüllt, wobei der letztere längs der Naht 9 verschweißt ist.

Die Stabilisierungs- und Abstützteile 5 und 6 sowie der Stahlmantel 8 sind untereinander über Hartlot, zum Beispiel einem Cu-Ag-Hartlot, fest miteinander verbunden und bilden derart einen hochfesten Bauteil, der festigkeitsmäßig zur Herstellung von den für die Durchführung der Kernfusion benötigten Magnetspulen durchaus geeignet ist.

Bei der Herstellung des in F i g. 1 dargestellten Supraleiters wird das die untereinander transponierten losen Drähte 2,3 und 4 enthaltende flexible Kabel 1 im Innern der aus den Teilen 5, 6 und 8 bestehenden Tragstruktur angeordnet, die einzelnen Teile 5, 6 und 8 der letzteren durch Hartverlöten fest miteinander verbunden, der Stahlmantel 8 zwischen den im Teil 5 sich befindenden Öffnungen 10 längs der Naht 9 verschweißt und dann die das Kabel 1 bildenden Drähte 2, 3 und 4 untereinander und mit den angrenzenden Teilen 5 und 6 der Tragstruktur durch Einführen von Weichlot durch längs dem Supraleiter vorgesehene Öffnungen 10 weichverlötet.

Die miteinander hartveriöteten oder verschweißten Tragstrukturteile 5, 6 und 8 bilden einen mechanisch hochfesten Supraleiter, welcher den Vorteil aufweist, daß bei seiner Biegung, zum Beispiel bei der Wicklung einer Magnetspule, das Kabel 1 durch seine flexible Anordnung und Ausbildung eine geringe Verschiebung der weichverlöteten Supraleiterdrähte 2 untereinander und gegenüber den Stabilisierungs- und Abstützteilen 5 und 6 zuläßt, so daß die Gefahr einer Beschädigung der aus supraleitendem Material bestehenden Filamente sehr stark verringert wird. Die Lötzeit und der bei etwa to 700^cC liegende Schmelzpunkt des verwendeten Hartlotes liegen dabei in einem solcher. Bereich, daß die supraleitenden Eigenschaften der zum Beispiel aus NbjSn bestehenden Filamente nicht beeinträchtigt wird.

Um bei einer Biegung des Supraleiters die auf die Supraleiterdrähte 2 einwirkenden Zugspannungen möglichst gering zu halten, ist das Kabel 1 derart angeordnet, daß es um die bei Biegung des Supraleiters neutrale Schicht herum konzentriert ist

Bei der in Fig.2 dargestellten Ausführungsform so werden im Gegensatz zu der in F i g. 1 dargestellten Ausführungsform zwei symmetrisch zum Kabel 1 verlaufende Kühlrohre 13 und 14 in den entsprechend geformten Abstütz- und Stabilisierungsteilen 5 und 6 eingelegt

Bei dieser Ausführungsform sind die das Kabel 1 bildenden Supraleiterdrähte 2 untereinander und mit den angrenzenden Teilen 5 und 6 der Tragstruktur sowie die beiden Teile 5 und 6 untereinander weichverlötet Zur Erzielung der mechanisch hochfesten 6C Tragstruktur ist der die Außenseite des Supraleiters vollständig umhüllende Stahlmantel 8 mit der Außenseite der Abstütz- und Stabilisierungsteile 5 und 6 hartverlötet und verschweißt

Die in Fig.3 dargestellte Ausführungsform unter- b5 scheidet sich von der in F i g. 2 gezeigten Ausführungsform vor allen dadurch, daß die für das Kühlmedium bestimmten Kühlkanäle durch zwei aus nahtlos gezogenen Stahlrohren 13 und 14 bestehenden Verstärkungsteilen gebildet werden.

Um bei Einsatz des Supraleiters in sich sehr schnell ändernden Magnetfeldern ein Minimum an Wirbelstromverlusten zu erhalten, sind die aus bei Betriebstemperatur des Supraleiters elektrisch normalleitendem Stabilisierungsmaterial wie zum Beispiel Kupfer oder Aluminium, bestehenden Abstütz- und Stabilisierungsteile 5 und 6 in mehrere, parallel zueinander verlaufende Drähte 5a, 5b, 5c und 5c/ sowie 6a, 6b, 6c und 6c/ unterteilt, und diese Drähte 5a bis 5d und 6a bis 6d einzeln durch eine zum Beispiel aus einer CuNi-Legierung bestehenden hochohmigen Schicht getrennt.

Zusätzlich können auch die einzelnen Supraleiterdrähte 2 von je einer hochohmigen Schicht umgeben sein.

Zur Erzielung einer gewissen Flexibilität des Kabels 1 beim Biegen des Supraleiters, das heißt zur Verminderung des Risikos einer Beschädigung der aus spröden supraleitenden Materialien wie zum Beispiel Nb₃Sn, V₃Ga oder V₃Si bestehenden Filamente sind auch hier die Supraleiterdrähte 2 unter sich und mit den angrenzenden Teilen 5,6, 13 und 14 weichverlötet Zur Erzielung einer möglichst starken Tragstruktur sind die Abstütz- und Stabilisierungsteile 5 und 6, die Stahlrohre 13 und 14 sowie der Stahlmantel 8 untereinander hartverlötet oder verschweißt.

Bei der in Fig.4 dargestellten Ausführungsform ist das aus einer Vielzahl von Supraleiterdrähten 2 bestehende Kabel 1 in einer Ausnehmung eines aus Kupfer bestehenden, mit zwei Kühlkanälen 11 und 12 versehenen Abstütz-, Stabilisierungs- und Kühlteiles 6 angeordnet. Zur Verstärkung der Tragstruktur ist ein starkes Stahlprofil 15 mittels Hartverlötung auf der Außenseite des Abstütz-, Stabilisierungs- und Kühlteiles 6 befestigt, so daß ein festigkeitsmäßig sehr starker Bauteil gebildet wird.

Um eine Beschädigung der Supraleiterfilamente bei der Herstellung und Weiterverarbeitung zu vermeiden, sind die Supraleiterdrähte 2 unter sich und mit den angrenzenden Teilen 6 und 15 der mechanisch stabilen Tragkonstruktion zur Erzielung einer geringen Flexibilität der Supraleiterdrähte mit einem Weichlot verlötet, und das Kabel 1 ist über den Querschnitt des Supraleiters betrachtet derart angeordnet, daß es um die bei Biegung des Supraleiters neutrale Schicht herum konzentriert ist

Selbstverständlich ist es auch möglich, die geometrische Anordnung und die Materialien so zu wählen, daß sich das Kabel 1 am fertig gebogenen Supraleiter in dessen auf Druck beanspruchten Bereich befindet

Bei der in F i g. 5 dargestellten Ausführungsform wird die Tragstruktur durch ein zur Durchleitung eines Kühlmittels nahtlos gezogenen Kühlrohrs 16 gebildet das aus elektrisch gut leitendem Stabilisierungsmaterial wie beispielsweise Kupfer oder Aluminium besteht Das Kühlrohr 16 ist zur Erhöhung seiner mechanischen Festigkeit auf seiner Innenseite mit einem aus Stahl bestehenden Verstärkungsrohr 17 verstärkt Die beiden Rohre 16 und 17 sind zur Erzielung der höchstmöglichen mechanischen Festigkeit der Tragstruktur miteinander verlötet

Das aus den Supraleiterdrähten 2 bestehende Kabel 1 ist auf der Außenseite des aus Stabilisierungsmaterial bestehenden Rohres 16 angeordnet wobei die Supraleiterdrähte 2 unter sich und mit dem angrenzenden Rohr 16 zur Erzielung einer geringen Flexibilität der Supraleiterdrähte 2 plastisch, zum Beispiel mittels einem

Weichlot, verbunden sind.

Bei dem in Fig.6 dargestellten Ausführungsbeispiel eines Supraleiters ist das Kabel 1 von zwei identischen, zur elektrischen Stabilisation und zur Abstützung des letzteren dienenden, aus Kupfer oder Aluminium bestehenden Formteilen 19 umschlossen. Zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit der beiden Formteile 19 sind z. B. aus einer CuAl-Bronze bestehende Verstärkungsdrähte 18 in diesen Formteilen 19 eingebettet und metallurgisch mit diesen verbunden. Die Supraleiterdrähte 2 des Kabels 1 sind untereinander und mit den angrenzenden Formteilen 19 plastisch z. B. über

Weichlot verbunden. Das Weichlot kann nach dem Hartverlöten der beiden Formteile 19 durch mehrere in den letzteren vorgesehene öffnungen 20 in das Innere des Supraleiters eingeführt werden. Das Einbetten der Verstärkungsdrähte kann z. B. durch Einlegen von Bronzestäben in Nuten und anschließendes Zuwalzen oder -ziehen oder durch gemeinsames Extrudieren mit den Formteilen 19 erfolgen, wobei zur metallurgischen Verbindung des Verstärkungs- mit dem Stabilisierungsmaterial eine Diffusionsglühung durchgeführt werden kann.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Supraleiter mit einer Vielzahl von ein Kabel (1) bildenden Supraleiterdrähten (2) und mindestens einen Stabilisierungs (3)- und Verstärkungsdraht (4) und einer Matrix in die die Drähte (2, 3, 4) eingebettet sind, sowie einer Tragstruktur, bestehend aus in Kabellängsrichtung verlaufenden Stabilisierungsteilen (5, 6, 19), wobei die das Kabel (1) bildenden Drähte (2, 3, 4) untereinander und das Kabel (1) selbst mit den Stabilisierungsteilen (5, 6, 19) durch Lötung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei Supraleitern aus einer intermetallischen A15-Verbindung die Tragstruktur zusätzliche Verstärkungsteile (8, 13,14,15, 17, 18) aufweist, deren Festigkeit um mindestens 50% höher liegt als diejenige der Stabilisierungsteile (5, 6, i9), daß die festigkeitsmäßig relevanten Verbindungen (9) der Verstärkungsteile (8,15) durch Hartlötung oder Verschweißung gebildet sind, daß die Verstärkungsteile (18), welche in die Stabilisierungsteile (5, 6, 19) eingebettet sind metallurgisch mit diesen verbunden sind, und daß das Kabel (1) mitsamt der Tragstruktur (5, 6, 8, 13, 14, 15, 17, 18, 19) biegsam und für die Herstellung von Spulen geeignet ist

2. Supraleiter nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß das die Supraleiterdrähte (2) enthaltende Kabel (1) von der Tragstruktur (5,6,8,13,14,15, 17,18,19) vollständig umschlossen ist.

3. Supraleiter nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das die Supraleiterdrähte (2) enthaltende Kabel (1) um die bei Biegung des Supraleiters neutrale Schicht herum konzentriert ist.

4. Supraleiter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragstruktur (5, 6, 8, 13, 14, 15, 17, 18) mit mindestens einem längs dem Kabel (1) verlaufenden Kühlkanal (7, 11, 12) und/oder Kühlrohr (13, 14, 17) versehen ist.

5. Supraleiter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß die Stabilisierungsteile (5, 6, 19) aus elektrisch normalleitendem Material, zum Beispiel Kupfer oder Aluminium, bestehen.

6. Supraleiter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß die das Kabel (1) bildenden Drähte (2, 3, 4) untereinander verkabelt verseilt, verflochten oder transponiert sind.

7. Supraleiter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß das Kabel (1) über den Querschnitt des Supraleiters betrachtet derart angeordnet ist, daß es sich am fertig gebogenen Supraleiter in dessen auf Druck beanspruchten Bereich befindet.

8. Supraleiter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß die Tragstruktur durch ein zur Durchleitung eines Kühlmittels bestimmtes Kühlrohr (16) gebildet ist, das aus elektrisch gut leitendem Stabilisierungstnaterial, wie beispielsweise Kupfer oder Aluminium, besteht, und daß das Kabel (1) auf die Außenseite des Kühlrohres (16) aufgewickelt ist.

9. Supraleiter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlrohr (16) zur Erhöhung seiner mechanischen Festigkeit auf seiner Innen- oder Außenseite mit einem vorzugsweise aus Stahl bestehenden Verstäi kungsrohr(17) verstärkt ist

10. Supraleiter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß die Supra-

ä leiterdrähte (2) von einer zum Beispiel aus einer CuNi-Legierung bestehenden hochohmigen Schicht umgeben sind und/oder zwischen den Filamenten hochohmige Zwischenschichten aufweisen.

11. Supraleiter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß die Stabilisierungsteile (5, 6, 19) in mehrere Drähte (5a, 6b, 5c, Sd; 6a, 6b, 6c, 6d) aufgeteilt und diese von einer zum Beispiel aus einer CuNi-Legierung bestehenden hochohmigen Schicht getrennt sind.

12. Supraleiter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß die Verstärkungsteile (8, 13, 14, 15, 17, 18) aus legiertem Stahl, einer hochfesten Legierung, einer Cu-Al, Cu-GA-, Cu-Sn- oder Cu-Ni- oder einer auf der Basis solcher Metalle beruhenden anderen Legierung besteht.

13. Supraleiter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß Querschnitt und Art der Verstärkungsteile (8, 13, 14, 15, 17, 18) so ausgewählt ist, daß die supraleitenden Filamente bei den bei der Herstellung, Weiterverarbeitung und dem Betrieb des Supraleiters zu erwartenden Beanspruchungen in ihrer Längsrichtung um nicht mehr als etwa 0,2% gedehnt werden.

14. Verfahren zur Herstellung des Supraleiters nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man das Kabel (1) im Innern der Tragstruktur anordnet, daß man die einzelnen Teile der Tragstruktur (5, 6, 19, 8, 13, 14, 17, 18) miteinander verbindet, daß eine Weichverlötung des Kabels (1) durchgeführt wird.

15. Verwendung des nach dem Verfahren nach Anspruch 14 hergestellten Supraleiters, dadurch gekennzeichnet daß das Kabel (1) mit den Stabilisierungsteilen (5,6,19) und den Verstärkungsteilen (8, 13, 14, 15, 17, 18) zu einer Spule verformt wird.