DE2602735A1 - Supraleiter - Google Patents

Supraleiter

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DE2602735A1
DE2602735A1 DE19762602735 DE2602735A DE2602735A1 DE 2602735 A1 DE2602735 A1 DE 2602735A1 DE 19762602735 DE19762602735 DE 19762602735 DE 2602735 A DE2602735 A DE 2602735A DE 2602735 A1 DE2602735 A1 DE 2602735A1
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Gundolf Dipl Phys Dr Meyer
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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Description

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BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie, Baden (Schweiz)
Supraleiter
Die Erfindung betrifft einen Supraleiter mit einer Vielzahl von ein Kabel bildenden Supraleiterdrähten, bei denen eine grosse Anzahl von Filamenten aus supraleitendem Material in eine aus elektrisch normalleitendem Material bestehende Matrix eingebettet ist.
Zum Beispiel für die Anwendung in Kernfusionsanlagen werden zur Erzeugung von Magnetfeldern mit Feldstärken bis 12 Tesla elektrische Leiter für elektrische Ströme
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bis zu 501OOO A und mehr benötigt. Die dabei auf den elektrischen Leiter einwirkenden Kräfte werden wesentlich höher als bisher üblich sein, so dass hohe Anforderungen an die mechanische Festigkeit des Supraleiters gestellt werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Supraleiter zu schaffen, bei dem bereits die die Supraleiterfilamente enthaltenden Supraleiterdrähte zu einer kompakten, mechanisch hoch belastbaren Leitereinheit miteinander verbunden sind.
Diese Aufgabe wird bei einem Supraleiter der eingangs genannten Art erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die einzelnen Drähte des Kabels über ein wärmeleitendes Verbindungsmaterial miteinander verbunden sind, dessen Schmelzpunkt unterhalb demjenigen der Matrix liegt, und dessen Festigkeit bei Betriebstemperatur des Supraleiters mindestens annähernd derjenigen der Matrix entspricht oder höher liegt.
Für die Herstellung von für sehr hohe elektrische Ströme geeigneten Supraleitern ist es bekannt, als supraleitendes Material eine intermetallische A15-Verbindung, wie zum Beispiel NbgSn, V^Ga oder V-Si, zu verwenden. Aus einer
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A15-Verbindung hergestellte Supraleiterfilamente weisen jedoch den Nachteil auf, dass sie nach der Durcnführung der Reaktionsglühung sehr spröde und ohne die elektrische Leitungsfähigkeit des Leiters zu beeinträchtigen wenig biegsam und wenig dehnbar sind. Anderseits können die aus einer A15-Verbindung hergestellten Supraleiterfilamente bis zu einer Stunde Temperaturen bis zu 7000C ausgesetzt werden, ohne dass die supraleitenden Eigenschaften dieser Filamente beeinträchtigt werden. Dies ermöglicht, dass das Verbindungsmaterial aus einem eine genügende Festigkeit aufweisenden Hartlot, vorzugsweise einem Cu-Ag-Hartlot, mit einer Schmelztemperatur im Bereich von 550 bis 78O°C,bestehen kann.
Selbstverständlich ist darauf zu achten., dass der Schmelzpunkt und die zur Verbindung der Supraleiterdrähte notwendige Verarbeitungszeit des Verbindungsmaterials in einem solchen Bereich liegen, dass die supraleitenden Eigenschaften der aus supraleitendem Material bestehenden Filamente nicht beeinträchtigt wird.
Zur Kühlung des Supraleiters auf seine Betriebstemperatur ist es zweckrnässig, wenn mindestens ein längs dem durch die Drähte gebildeten Kabel verlaufendes,
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mit dem letzteren in wärmeleitender Verbindung stehendes, zur Durchleitung eines Kühlmittels bestimmtes Kühlrohr angeordnet ist.
Es ist vorteilhaft, wenn zur elektrischen Stabilisation des Leiters längs dem die Supraleiterdrähte enthaltenden Kabel verlaufendes, aus elektrisch gut leitendem Material, wie beispielsweise Kupfer oder Aluminium, bestehendes Stabilisierungsmaterial angeordnet ist.
Es ist zweckmässig, wenn die Matrix der Supraleiterdrähte aus Verstärkungs- und/oder Stabilisierungsmaterial besteht.
Der Supraleiter kann mit einer zum Beispiel Stabilisierung- und Verstarkungsmaterial sowie einen oder mehrere Kühlrohre enthaltenden Tragstruktur versehen sein, wobei diese Teile zur weiteren Erhöhung der Gesamt— festigkeit des Supraleiters vorteilhafterweise unter sich und mit dem die Supraleiterdrähte enthaltenden Kabel hartverlötet und die Teile der Tragstruktur untereinander hartverlötet oder verschweisst sind. Die Tragstruktur kann dabei zum Beispiel einen die auf das Kabel einwirkenden Kräfte aufnehmenden Tragteil und einen Stabilisierungsteil oder einen Tragteil und einen Kühlteil oder einen Tragteil, einen Stabilisierungsteil
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ΛΛ
und einen Kühlteil aufweisen.
Nachstehend wird die Erfindung anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert. Es zeigen:
Figuren 1 bis 6 Schnitte durch sechs beispielsweise
Ausführungsformen von erfindungsgemassen Supraleitern.
Bei der in Figur 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 elektrisch normalleitendem Material bestehende Matrix aus einer Legierung wie Cu-Sn für Nb3Sn-FiIamente oder Cu-Ga für V-jGa-Filamente usw. eingebettet sind. Diese Matrix kann auch zur Stabilisierung hochleitfähiges Material wie zum Beispiel Kupfer oder Aluminium aufweisen.
Zusätzlich zu den Supraleiterdrähten 2 kann das Kabel 1 noch aus Stabilisierungsmaterial bestehende Drähte 3 und aus Stahl bestehende Verstärkungsdrähte
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enthalten, wobei zur Erzielung einer geringstmöglichen Dehnbarkeit die letzteren parallel zur Kabellängsachse verlaufen sollten.
Sämtliche Drähte 2, 3 und 4 des Kabels 1 sind untereinander mittels einem Cu-Ag-Hartlot verbunden und bilden einen kompakten, gegen Verformung festen Bauteil. Die Lötzeit und der im Bereich von etwa 7000C liegende Schmelzpunkt des verwendeten Hartlotes liegen dabei in einem solchen Bereich, dass die supraleitenden Eigenschaften der zum Beispiel aus Sn bestehenden Filamente nicht beeinträchtigt werden.
Zur elektrischen Stabilisation des Supraleiters sind längs dem hartverlöteten Kabel 1 verlaufende, aus elektrisch gut leitendem Material, wie beispielsweise Kupfer oder Aluminium, bestehende Stabilisierungsteile
5 und 6 angeordnet, wobei der eine Stabilisierungsteil
6 gleichzeitig mit einem Kühlkanal 7 zur Durchleitung eines Kühlmediums versehen ist.
Der Supraleiter ist ferner zur zusätzlichen Verbesserung seiner Festigkeit auf seiner Aussenseite von einem
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Stahlmantel 8 vollständig umhüllt, wobei der letztere längs der Naht 9 verschweisst ist.
Das Kabel 1, die Stabilisierungsteile 5 und 6 sowie der Stahlmantel 8 sind untereinander über Hartlot fest miteinander verbunden und bilden derart einen hochfesten Bauteil, der zur Herstellung von den für die Durchführung der Kernfusion benötigten Magnetspulen geeignet ist.
Bei der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform sind fünf Supraleiterdrähte 2, bei denen eine Vielzahl von aus supraleitendem Material bestehende Filamente in eine aus bei Betriebstemperatur des Supraleiters elektrisch normalleitendem Material bestehende Matrix eingebettet ist, untereinander verseilt oder transponiert, und über ein Cu-Ag-Hartlot miteinander fest verbunden. Das supraleitende Material besteht ebenfalls aus einer intermetallischen A15-Verbindung wie zum Beispiel Nb-Sn, V Ga oder V Si, und als elektrisch normalleitendes Material wird zum Baispiel eine Legierung wie Cu-Sn für Nb3Sn-Filamente oder Cu-Ga für V^Ga-Filamente usw. verwendet.
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Das aus den fünf Supraleiterdrähten 2 bestehende Kabel 1 ist ferner von vier aus Kupfer bestehenden Stabilisierungsdrähten 5 und vier zur Durchleitung eines Kühlmediums und zur Verstärkung des Supraleiters dienenden, nahtlos gezogenen Stahlrohren 10 umgeben, und das Ganze ist zur weiteren Verstärkung noch von einem Stahlmantel 8 umhüllt, der längs seiner Naht 9 verschweisst ist.
Sämtliche Teile des dargestellten Supraleiters sind unter sich mit einem Cu-Ag-Hartlot verlötet und bilden einen hochfesten Bauteil.
In Figur 3 ist eine weitere beispielsweise Ausführungsform eines Supraleiters dargestellt, bei dem ein aus Supraleiterdrähten 2 bestehendes flaches Kabel 1 und zwei längs der Seitenkanten des Kabels 1 verlaufende, nahtlos gezogene Kühlrohre 10 und 11 zwischen einem aus rostfreiem Stahl bestehenden Verstärkungsteil 12 und einem aus einem Kupferprofil bestehenden Stabilisierungsteil 5 angeordnet und sämtliche Teile inklusive der Supraleiterdrähte 2 untereinander mittels einem Cu-Ag-Hartlot hartverlötet sind.
Das Kabel 1 besteht aus untereinander transponierten Supraleiterdrähten 2, bei denen eine grosse Anzahl von aus supraleitendem Material bestehende, untereinander verdrillte Filamente in eine aus elektrisch normal-
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leitendem Material, wie zum Beispiel der bereits erwähnten Legierung und Kupfer, bestehende Matrix eingebettet ist.
Ferner ist in Figur 3 strichpunktiert dargestellt, wie ein solcher Supraleiter zu einer Spule gewickelt sein kann, wobei der Supraleiter von einer Leiterisolation 13 umhüllt ist, an den Seiten der Spule zwischen den einzelnen Windungen aus Isoliermaterial bestehende Formstücke 14 eingelegt sind und das ganze Spulenpaket auf seiner Aussenseite mit einer Paketisolierung 15 versehen ist.
In Figur 4 ist eine beispielsweise Ausführungsform eines unsymmetrisch ausgebildeten Supraleiters dargestellt, wobei im Vergleich zu dem in Figur 3 gezeigten Supraleiter nur ein einziges, unsymmetrisch angeordnetes, nahtlos gezogenes Kühlrohr 10 vorgesehen ist.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein aus Supraleiterdrähten 2 bestehendes flaches Kabel 1 und ein längs der einen Seitenkante des Kabels 1 verlaufendes, nahtlos gezogenes Kühlrohr 10 zwischen einem aus rostfreiem Stahl bestehenden Verstärkungsteil 12 und einem aus einem Kupferprofil bestehenden Stabilisierungsteil 5 angeordnet und zur Erzielung eines hochfesten Bauteiles sind auch hier sämtliche Teile des Supraleiters ein-
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schliesslich der Supraleiterdrähte 2 untereinander mittels einem Hartlot hartverlötet.
Auch hier besteht das Kabel 1 aus untereinander transponierten Supraleiterdrahten 2, bei denen eine grosse Anzahl von aus supraleitendem Material bestehende, untereinander verdrillte Filamente in eine aus elektrisch normalleitendem Material, wie zum Beispiel der bereits erwähnten Legierung und Kupfer bestehende Matrix eingebettet ist.
In Figur 4 ist ausserdem strichpunktiert dargestellt, wie ein solcher Supraleiter zu einer symmetrisch ausgebildeten Spule gewickelt werden kann, wobei der Supraleiter von einer Leiterisolation 13 umhüllt ist, an den Seiten der Spule zwischen den einzelnen Windungen aus Isoliermaterial bestehende Formstücke 14 eingelegt sind, und das ganze Spulenpaket auf seiner Aussenseite mit einer Paketisolierung 15 versehen ist.
Aus Figur 5 ist eine Ausführungsform ersichtlich, bei welcher das aus einer Vielzahl von Supraleiterdrahten 2 bestehende Kabel um ein gleichzeitig die Tragstruktur bildendes, nahtlos gezogenes Kühlrohr 10 angeordnet ist. Die äusserste Lage des Leiters wird dabei durch aus elektrisch normalleitendem Material wie zum Beispiel Kupfer bestehenden Stabilisierungsdrähten 3 gebildet.
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Sämtliche Teile des Leiters sind zum Erhalt eines hochfesten Bauteiles untereinander hartverlötet, so dass ein solcher Leiter auch für sehr hohe Ströme geeignet ist.
Bei dem in Figur 6 dargestellten Ausführungsbeispiel eines Supraleiters ist das Kabel 1 von zwei gleich ausgebildeten, zur elektrischen Stabilisation dienenden, aus Kupfer oder Aluminium bestehenden Formteilen 19 umschlossen. Zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit der beiden Formteile 19 sind zum Beispiel aus einer CuAl-Bronze bestehende Verstärkungsdrähte 18 in diesen Formteilen 19 eingebettet und metallurgisch mit diesen verbunden. Sämtliche Elemente des dargestellten Supraleiters sind zur Bildung eines mechanisch hochfesten Bauteiles untereinander hartverlötet. 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.
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Claims (19)

165/75 Patentansprüche
Supraleiter, mit einer Vielzahl von ein Kabel bildenden Supraleiterdrähten, bei denen eine grosse Anzahl von Filamenten aus supraleitendem Material in eine aus elektrisch normalleitendem Material bestehende Matrix eingebettet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Drähte (2,3,4) des Kabels (1) über ein wärmeleitendes Verbindungsmaterial miteinander verbunden sind, dessen Schmelzpunkt unterhalb demjenigen der Matrix liegt, und dessen Festigkeit bei Betriebstemperatur des Supraleiters mindestens annähernd derjenigen der Matrix entspricht oder höher liegt.
2. Supraleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsmaterial aus einem Hartlot, vorzugsweise einem Cu-Ag-Hartlot, mit einer Schmelztemperatur im Bereich von 550 bis 78O°C, besteht.
3. Supraleiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelzpunkt und die zur Verbindung der Drähte (2,3,4) des Kabels (1) notwendige Verarbeitungszeit des Verbindungsmaterials in einem solchen Bereich liegen, dass die supraleitenden
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Eigenschaften der aus supraleitendem Material bestehenden Filamente nicht beeinträchtigt werden.
4. Supraleiter nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein längs dem durch die Drähte (2,3,4) gebildeten Kabel (1) verlaufendes, mit dem Letzteren in wärmeleitender Verbindung stehendes, zur Durchleitung eines Kühlmittels bestimmtes Kühlrohr (6,10,11) angeordnet ist.
5. Supraleiter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kabel das Kühlrohr (10) umgibt.
6. Supraleiter nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur elektrischen Stabilisation des Leiters längs dem die Supraleiterdrähte (2) enthaltenden Kabel (1) verlaufendes, aus elektrisch gut leitendem Material, wie beispielsweise Kupfer oder Aluminium, bestehendes Stabilisierungsmaterial (5,6,19) angeordnet ist.
7. Supraleiter nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung seiner Zugfestigkeit längs dem die
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Supraleiterdrähte (2) enthaltenden Kabel (1) verlaufendes Verstärkungsmaterial (8,10,12) angeordnet ist, dessen Zugfestigkeit mindestens 50% über derjenigen der Stabilisierungsmatrix liegt.
8. Supraleiter nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix der Supraleiterdrähte (2) aus Verstärkungs- und/oder Stabilisierungsmaterial besteht,
9. Supraleiter nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Verstärkungsmaterial in die Stabilisierungsmatrix eingebettet und vorzugsweise metallurgisch mit ihr verbunden ist.
10. Supraleiter nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das die Supraleiterdrähte (2) enthaltende Kabel (1) mindestens einen Stabilisierungs- und/oder einen parallel zur Supraleiterlängsachse verlaufenden Verstärkungsdraht (3,4) enthält.
11. Supraleiter nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die das Kabel (1) bildenden Drähte (2,3,4) unterein-
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ander verkabelt, verseilt, verflochten oder transponiert sind.
12. Supraleiter nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das die Supraleiterdrähte (2) enthaltende Kabel (1) mit den angrenzenden Teilen einer Tragstruktur (5,8, 12,19) des Supraleiters hartverlötet und die Teile der Tragstruktur untereinander hartverlötet oder verschweisst sind.
13. Supraleiter nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche mit durch Anwendung einer Reaktionsglühung hergestellten supraleitenden Filamenten, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelztemperatur des Verbindungsmaterials oberhalb der Temperatur der Reaktionsglühung liegt.
14. Supraleiter nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Supraleiterdrähte (2) von einer zum Beispiel aus einer CuNi-Legierung bestehenden hochohmigen Schicht umgeben sind und/oder zwischen den Filamenten hochohmige Schichten angeordnet sind.
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15. Supraleiter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Stabilisierungsmaterial in mehrere Drähte (5) aufgeteilt und diese von einer zum Beispiel aus einer CuNi-Legierung bestehenden hochohmigen Schicht getrennt sind.
16. Supraleiter nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das supraleitende Material aus einer intermetallischen A15-Verbindung, zum Beispiel aus
Nb-Sn, V0Ga oder V si> besteht. 3 3 3
17. Supraleiter nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsmaterial 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.
18. Supraleiter nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das die Supraleiterdrähte (2) enthaltende Kabel (1) um die bei Biegung des Supraleiters neutrale Schicht herum konzentriert ist.
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19. Supraleiter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Querschnitt und Art des Verstärkungsmaterials 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.
BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie.
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