DE2626384C3 - Bandförmiger Supraleiter - Google Patents

Bandförmiger Supraleiter

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Guenter Dipl.-Phys. Dr. 7500 Karlsruhe Ries
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Description

Die Erfindung betrifft einen bandförmigen Leiter mit mehreren aus Supraleitermaterial und bei der Betriebstemperatur des Supraleitermaterials elektrisch normalleitendem Metall zusammengesetzten Leiteradern, die um ein Band aus unmagnetischem, elektrisch normalleitendem, metallischem Material hoher Zugfestigkeit verseilt sind.
Derartige bandförmige Leiter eignen sich insbesondere für Einsatzzwecke, bei denen sie einerseits hohe Ströme tragen sollen und demzufolge einen verhältnismäßig großen Gesamtquerschnitt haben müssen, bei denen sie andererseits aber nur geringe Wechselstromverluste aufweisen sollen. Solche Wechselstromverluste können beispielsweise in mit Gleichstrom betriebenen Supraleitungsspulen infolge der Strom- und Magnetfeldänderujigen beim Auferregen der Spulen entstehen »der durch Induktionswirkung veränderlicher äußerer Magnetfelder, in de sen sich die Spulen befinden, oder bei einem Betrieb von Spulen mit gepulsten Strömen. Die beiden letztgenannten Fälle treten beispielsweise bei Supraleitungsmagnetspulen für den Einschluß von Plasmen bei Fusionsreaktoren bzw. entsprechenden experimentellen Einrichtungen auf.
Das innerhalb des bandförmigen Leiters liegende Band aus unmagnetischem, metallischem Material dient einmal als Träger für die einzelnen Leiteradern und soll zum anderen zumindest einen Teil der innerhalb der Spulenwicklung beim Betrieb der Spulen wirkenden Zugkräfte aufnehmen. Seine Zugfähigkeit sollte daher in der Regel höher sein als die oes normalleitenden Materials der Leiteradern selbst, also beispielsweise von Kupfer oder Aluminium.
Die einzelnen um das Band herum verseilten Leiteradern können dabei wie bei einem aus der DE-PS 1639421, insbesondere Spalte 5, Zeile! bis Spalte 6, Zeile 6 bekannten bandförmigen Leiter jeweils einen supraleitenden draht- bzw. fadenförmigen Kern enthalten, der von einem stabilisierenden Metallmantel, beispielsweise aus Kupfer umgeben ist.
Noch günstiger ist es aber, insbesondere bei Magnetspulen die mit gepulsten Strömen betrieben werden oder verhältnismäßig rasch veränderlichen Feldern ausgesetzt sind, wenn die einzelnen Leiteradern als Vielkernleiter ausgebildet sind, also in einer Matrix aus gut elektrisch und thermisch leitendem, bei der Betriebstemperatur des Supraleiters elektrisch normalleitendem Metall, wie Kupfer oder Aluminium, eine Vielzahl von supraleitfähigen Filamenten enthalten. Die Filamente der einzelnen Leiteradern können dabei vorteilhaft um die Achse der Adern verdrillt sein (vgl. DE-PS 14 39 266 und DE-AS 19 17 084). Ein bandförmiger Leiter, bei dem aus solchen Vielkernleitern bestehenden Leiteradern um einen bandförmigen Träger herumgewickelt sind, ist beispielsweise als Zwischenprodukt bei der Herstellung eines Hohlleiters aus der DE-OS 20 35 654, insbesondere Fig. 10, bekannt.
Bei Magnetspulen, bei denen der Leiter veränderlichen Magnetfeldkomponenten sowohl parallel als auch senkrecht zum Verlauf der supraleitfähigen Filamente ausgesetzt ist, kann es ferner günstig sein, den
Umlaufsinn der Verdrillung innerhalb der einzelnen Leiteradern jeweils nach bestimmten Abständen zu ändern, so daß ein sogenannter »alternierender Twist« entsteht (vgl, den Aufsatz von Ries und Jüngst in »CRYOGENICS« 16 (1976), Seite 143bis 146).
Die supraleitfähigen Filamente der Leiteradern können beispielsweise aus supraleitenden Legierungen, wie Niob-Titan-Legierungen, bestehen und beispielsweise in eine Kupfermatrix eingelagert sein. Ferner kommen auch Supraleiteradern in Frage, die Filamente aus intermetallischen Verbindungen, wie NbjSn oder VjGa, enthalten, welche beispielsweise in eine Matrix aus einer Kupfer-Zinn- oder Kupfer-Gallium-Bronze eingebettet sind. Die letztgenannten Leiteradern können dann noch zusätzlich, beispielsweise mit Kupfer, stabilisiert sein.
Durch die Aufteilung des Leiters in einzelne Adern mit einer Vielzahl von Filamenten, die Verdrillung dieser Filamente um die Aderachse und das Verseilen der Adern um ein Band wird im Vergleich zu einem einfachen bandförmigen Leiter mit parallel y.ieinaiider verlaufenden, in gut elektrisch normalleitendes Metall eingelagerten Supraleitern, wie er etwa aus der FR-PS 14 40 228 bekannt ist, die Entstehung von Wirbelströmen und damit von Wechselstromverlusten im normalleitenden Metall der Leiteradern weitgehend unterdrückt. Falls die Kontaktwiderstände zwischen den nebeneinander liegenden Leiteradern zur wirksamen Unterdrückung von Wirbelströmen, die mehrere Leiteradern umgreifen, nicht ausreichen sollten, können die Leiteradern zusätzlich durch elektrisch isolierendes Material oder elektrisch normalleitendes Metall voneinander getrennt werden, welches schlechter leitet als das Stabilisierungsmetall der Leiter selbst.
Um zusätzlich auch in dem Band aus dem Material hoher Zugfestigkeit Wirbelströme möglichst zu unterdrücken und somit die Wechselstromverluste auch in diesem Band sehr klein zu halten, ist der noch nicht veröffentlichte prinzipielle Vorschlag gemacht worden, in der Mittelebene dieses Bandes eine Isolationsschicht vorzusehen, jedoch ohne Hinweis darauf, wie dies geschehen könnte.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Leiter der eingangs erwähnten Art, bei dem in der Mittelebene des Bandes aur. dem metallischen Material hoher Zugfestigkeit eine Isolierschicht vorgesehen ist, technisch zu realisieren.
Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß die Isolierschicht aus Keramikpulver besteht und von dem metallischen Material des Bandes allseitig umschlossen ist.
Eine weitere erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß die Isolierschicht aus einer Folie aus Isoliermaterial besteht, um welche das metallische Material des Bandes herumgefaltet ist.
Das Band gemäß der erstgenannten Lösung läßt sich auf ähnliche Weise wie sogenannte mineralisolierte Leitungen herstellen und hat den besonderen Vorteil, daß das aus Keramikpulver bestehende Isoliermaterial auch bei höheren Temperaturen beständig ist, wie sie beispielsweise bei dem an anderer Stelle noch zu erläuternden Verlöten der Leiteradern mit dem Band auftreten können. Falls für große Spulenwicklungen sehr lange, d. h. mehrere Kilometer lange. Bänder erforderlich sein sollten, können mehrere Fertigungslängen des Bandes mite-ninder verschweißt werden. An den Verschweißstellen wird dabei die Isolierung zwar möglicherweise unterbrochen, da dies jedoch innerhalb
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einer Spule nur an wenigen Stellen der Fall ist, dürfte sich die Unterbrechung kaum nachteilig auswirken.
Die zweitgenannte Lösung hat den Vorteil, daß auch bei sehr langen Bändern die Isolierung nicht unterbrochen wird. Hier können einfach zunächst die Fertigungslängen des Metallbandes miteinander verbunden und dann unter Einlegen der Folie aus Isoliermaterial gefaltet werden.
Wenn für das Band sehr hohe Zugfestigkeiten erforderlich sind, ist es günstig, für das metallische Material des Bandes eine Legierung aus etwa 75 bis 80 Gewichts-% Nickel, 15 bis 21 Gewichts-% Chrom und, abgesehen von weiteren Zusätzen von insgesamt weniger als 2%, Rest Eisen zu verwenden. Solche Legierungen sind beispielsweise unter der Normbezeichnung NiCr 80 20 bekannt. Eine andere vorteilhafte Möglichkeit besteht darin, für das metallische Material des Bandes V2A-Stahl zu verwenden.
Wenn an die Zugfestigkeit weniger hohe Anforderungen gestellt werden, kann das metallische Material des Bandes auch aus einer Kupfer-Nickel-Legierung, beispielsweise mit etwa 30 Gewichts-% Nickel, 0,4 bis 1 Gewichts-% Eisen und 0,5 bis 1,5 Gewichts-% Mangan, bestehen. Dieses Material hat den Vorteil, daß es sich noch besser als die vorgenannten z. B. mittels eines Widerstandslots aus 95 Gewichts-% Zinn und 5 Gewichts-% Silber mit den Leiteradern verlöten läßt.
Das Keramikpulver für das Isoliermaterial innerhalb des Bandes kann vorteilhaft aus Metalloxid bestehen. Besonders günstig wegen seines hohen Widerstandes ist Magnesiumoxid. Es können aber auch Oxidgemische, beispielsweise aus Magnesiumoxid und Siliziumoxid verwendet werden.
Für den Leiter, bei dem das metallische Material des Bandes hoher Zugfestigkeit um eine Folie aus Isoliermaterial herumgefaltet ist, eignen sich insbesondere Folien aus isolierendem Kunststoff. Besonders günstig für den Fall, daß die Leiteradern mit dem Band bzw. miteinander verlötet werden sollen, ist eine Pc'yimid-Folie, beispielsweise Kapton, welche die für das bereits erwähnte Zinn-Silber-Lot erforderliche Temperatur von 280° C sehr gut aushält.
Die Herstellung des bandförmigen Leiters bei dem die Isolierschicht in der Mittelebene des Bandes hoher Zugfestigkeit aus Keramikpulver besteht, kann vorteilhaft derart erfolgen, daß zunächst zur Herstellung des Bandes aus unmagnetischem, elektrisch normalleitendem, metallischem Material hoher Zugfestigkeit ein Rohr aus solchem Material mit Keramikpulver oder pulverisierbaren Keramikbrechstäben oder -röhrchen gefüllt und an den Enden verschlossen, dann durch Ziehen im Querschnitt wenigstens bis zur Verdichtung des Kefamikpulvers zu einer kompakten Pulvermasse verringert und schließlich durch Breitwalzen zu einem Band verformt wird und daß anschließend das so hergestellte Band mit den Leiteradern umwickelt wird.
Daß vor dem Breitwalzen das Pulver zu einer kompakten Masy. verdichtet wird, ist dabei von sehr wesentlicher Bedeutung, da beim Breitwalzen eines Rohres mit Unverrichtetem Pulver ein Band gleichmäßiger Breite praktisch nicht zu erzielen ist.
Zwischen den Zieh- bzw. Walzschritten können erforderlichenfalls Wärmebehandlungen zur Erholung des metallischen M iterials vorgenommen werden.
Nach dem Umwickeln des Bandes mit den Leiteradern können ferner die Leiteradern mit dem Band und miteinander verlötet werden. Hierzu ist das bereits erwähnte Zinri-Silber-Lot besonders geeignet.
Anhand einiger Figuren und Alisführungsbeispiele soll die Erfindung noch näher erläutert werden.
Die Pig. I und 2 zeigen schematisch im Querschnitt zwei beispielhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Leiters.
Beispiel I
Zum Herstellen des in Fig. 1 dargestellten Leiters, bei dem die innerhalb des Bandes t aus dem Material hoher Zugfestigkeil angeordnete Isolierschicht 2 aus Keramikpulver besteht und bei dem beispielsweise das Band 1 im Endzustand 1 mm dick und 15 mm breit sein soll, wird zunächst ein Rohr mit einem Außendurchmesser von 11,5 mm und einem Innendurchmesser von 8,5 mm aus einer Legierung, die im wesentlichen aus 76 Gewichts-% Nickel, 15,5 Gewichts-% Chrom. 8,0 Gewichts-% Eisen und kleinen Gewichtsanteilen von Mangan. Silizium und Kupfer besteht, mit Magnesiumoxidpulver gefüllt und an den Enden verschlossen. Dann wird das Rohr in vier Zügen auf einen Außendurchmesser von 8,5 mm gezogen, anschließend etwa 1 Stunde lang bei 950"C unter einer Schutzgasatmosphäre aus Wasserstoff geglüht und schließlich in einem weiteren Zug auf einen Außendurchmesser von etwa 8 mm gezogen. Während der einzelnen Züge, die in erster Linie der Verdichtung des Magnesiumoxidpulvers dienen, wird die Wandstärke des Rohres nur wenig verringert. Das Rohr mit dem Außendurchmesser von 8 mm wird dann in drei Stichen zu einem Band mit einer Querschnittsfläche von etwa 12.6 mm χ 3,2 mm breitgewalzt. Anschließend wird das Band nochmals etwa eine Stunde lang bei 950°C unter Wasserstoff geglüht und dann in fünf weiteren Walzstichen und einem abschließenden Kalibrierschritt auf die Endabmessung von 15 mm χ 1 mm Querschnittsfläche gebracht.
Wie aus Fig. 1 deutlich zu erkennen ist, hat die Isolierschicht 2 im fertigen Band einen leicht linsenartigen Querschnitt. Dies hat den Vorteil, daß an den beiden Breitseiten des Bandes, insbesondere in der Mitte dieser Breitseiten, der Metallquerschnitt des Bandes verringert ist und das Band dadurch, gemessen zwischen den Bandkanten, einen vergleichsweise hohen elektrischen
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wnji. ι IllUlgCUCSSCU WCIUCII r>IIUCIMIU-
me weitgehend unterdrückt, die durch senkrecht zu den Breitseiten des Bandes gerichtete, veränderliche Magnetfelder induziert werden könnten. Die durch parallel zu den Breitseiten gerichtete, sich ändernden Magnetfeldkomponenten angeregten Wirbelströme werden durch die Isolierschicht 2 weitestgehend unterdrückt. Trotz des verringerten Metallquerschnitts in der Mitte der jeweiligen Breitseite des Bandes 1 wird dessen Zugfestigkeit prakl.sch nicht beeinträchtigt, da an den Bandkanten noch ein zur Aufrechterhaltung der hohen Zugfestigkeit ausreichender Metallquerschnitt zur Verfügung steht.
Um das fertige Band werden schließlich beispielsweise 24 Leiteradem 3 gewickelt. Die Leiteraderp, die zunächst einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Durchmesser von 1,45 mm haben können, bestehen beispielsweise aus einer Kupfermatrix, in die eine Vielzahl von Niob-Tilan-Filamenten 4 eingelagert sind, wie bei einer der Leiteradern 3 schematisch angedeutet ist. Beispielsweise kann jede Lcitcradcr 3 1710 Filamente mit einem Durchmesser von je 20μηι enthalten, die um die Aderachse mit einer Verdrillung* länge von etwa 20 mm verdrillt sind. Die Schlaglängc bei der Verseilung der Leileradern 3 um das Band 1 kann beispielsweise 170 mm betragen.
Der fertige Leiter kann noch einem Kalibriervnrgang beispielsweise durch Walzen unterworfen werden, der zu einer Erhöhung der Packungsdichte führt und die au? F i g. I ersichtliche, von der Kreisform abweichende Querschnittsform der Leiteradern 3 zur Folge hat.
Beispiel 2
Bei dem in Fig. 2 dargestellten Leiter besteht die
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metallischem Material hoher Zugfcslipkeil eingelagert ist. aus einer Polyimid-Folie 12, beispielsweise aus Kapton. Das Band It kann in einfacher Weise dadurch hergestellt werden, daß ein Band mit etwa der doppelten Breite und der halben Dicke der gewünschten Endabmessungen in der in Fig. 2 dargestellten Weise zusammengefaltet wird, wobei gleichzeitig die Kunststoff-Folie 12 eingelegt wird. Bei einer Enddickc des Bandes I' von beispielsweise 1 mm kann die Kunststoff-Folie 12 beispielsweise 0,1 bis 0,5 mm dick sein. Um das fertige Band können dann entsprechend dem Beispiel 1 Leiteradem 13 herumgewickelt wprden, die wiederum supraleitfähige Filamente 14 enthalten. Die Leiteradem 13 kann man nach dem letzten Kalibrierschritt auch noch miteinander und mit dem Band 11 verlöten, indem man den fertigen Leiter durch ein Bad aus Lotmaterial hindurchzieht. Als Lotmaterial, das in F i g. 2 mit 15 bezeichnet ist, eignet sich insbesondere das bereits erwähnte Zinn-Silber-Lot mit 5 Gewichts-% Silizium. Dieses haftet besonders gut auf dem Band 11. wenn dessen metallisches Material aus der ebenfalls bereits erwähnten Legierung aus 30 Gewichts-% Nickel. 0,4 bis I Gewichts-% Eisen, 0,5 bis 1,5 Gewichts-% Mangan, Rest Kupfer, besteht.
Wie aus den beiden Figuren ersichtlich ist. haben die erfindungsgemäßen Leiter auch noch den weiteren Vorteil, daß die Bänder 1 und 11 gut gerundete Kanten aufweisen, wodurch Beschädigungen der Leiteradem 3 bzw. 13 beim Umwickeln der Bänder 1 und 11 vermieden werden können.
Weitere Legierungen, die für das metallische Material der Bänder 1 und 11 gut geeignet sind, 'nd beispielsweise eine Legierung aus etwa 76,5 Gewichts-% Nickel, 20,5 Gewichts-% Chrom, 1,0 Gewichts-% Eisen und 13 Gewichts-% Silizium. Rest übliche Zusätze und Verunreinigungen oder V2A-StahI, der abgesehen von geringfügigen Zusätzen an Wolfram. Titan und Tantal im wesentlichen aus 18 Gewichts-% Chrom. 8 Gewichts-% Nickel, Rest Eisen besteht.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche;
1. Bandförmiger Leiter mit mehreren aus Supraleitermaterial und bei der Betriebstemperatur des Supraleitermaterials elektrisch normalleitendem Metall zusammengesetzten Leiteradern, die um ein Band aus unmagnetischem, elektrisch normalleitendem, metallischem Material hoher Zugfestigkeit verseilt sind, welches in seiner Mittelebene eine Isolierschicht enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht aus Keramikpulver besteht und von dem metallischen Material des Bandes allseitig umschlossen ist.
2. Bandförmiger Leiter mit mehreren aus Supraleitermaterial und bei der Betriebstemperaitur des Supraleitermaterials elektrisch normalleitendem Metall zusammengesetzten Leiteradern, die um ein Band aus unmagnetischem, elektrisch normalleitendem, metallischem Material hoher Zugfestigkeit verseilt swwl, welches in seiner Mittelebeme eine Isolierschicht enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht aus einer Folie aus Isoliermaterial besteht, um weiche das metallische Material des Bandes herumgcfaltet ist.
3. Bandförmiger Leiter nach Anspruch I oder r. Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Material des Bandes aus einer Legierung von etwa 75 bis 80 Gewichts-% Nickel, 15 bis 21 GeWiChIs-1Vo Chrom und, abgesehen von weiteren Zusätzen von insgesamt weniger als 2%, zum »1 restlichen Teil aus Eisen besteht.
4. Bandförmiger Leiter i:jch Anspruch I oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Material des Ba- Jes aus V2A-Stahl besteht. r.
5. Bandförmiger Leiter nach Anspruch 11 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Material des Bandes aus einer Kupfer-Nickel-Legierung besteht.
6. Bandförmiger Leiter nach einem der Anspriiehe I und 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramikpulver aus Metalloxid besteht.
7. Bandförmiger Leiter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramikpulver aus Magnesiumoxid besteht. r>
8. Bandförmiger Leiter nach einem der Ansprüche 2 und 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie aus isolierendem Kunststoff besteht.
9. Bandförmiger Leiter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie aus Polyimid besteht. '·< >
10. Verfahren zum Herstellen eines bandförmigen Leiters nach einem der Ansprüche 1 und 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst zur Herstellung des Bandes aus unmagnetischem, elektrisch normalleitendem, metallischem Material hoher Zug- ■">"> festigkeit ein Rohr aus solchem Material mit Keramikpulver oder pulverisierbaren Kevamikbrechstäben oder -röhrchen gefüllt und an den Enden verschlossen, dann durch Ziehen im Querschnitt wenigstens bis zur Verdichtung des Keramik- w> pulvers zu einer kompakten Pulvermasse verringert und schließlich durch Breitwalzen zu einem Band verformt wird und daß anschließend das so hergestellte Band mit den Leiteradern umwickelt wird. br>
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Zieh- und Walzschritten Wärmebehandlungen zur Erholung des metallischen Materials vorgenommen werden,
IZ Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiteradern mit dem Band und miteinander verlötet werden.
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