DE2749052A1 - Supraleitendes hohlkabel und verfahren zur herstellung supraleitender hohlkabel - Google Patents

Supraleitendes hohlkabel und verfahren zur herstellung supraleitender hohlkabel

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Description

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AGENCY OF INDUSTRIAL SCIENCE AND TECHNOLOGY No. 3-1, Kasumigaseki 1-chome, Chiyoda-ku, Tokyo/JAPAN
und
THE FUJIKURA CABLE WORKS, LTD. No. 5-1, Kiba 1-chome, Koto-ku, Tokyo / JAPAN
Supraleitendes Hohlkabel und Verfahren zur Herstellung supraleitender Hohlkabel
Die Erfindung betrifft ein supraleitendes Hohlkabel und ein Verfahren zur Herstellung supraleitender Hohlkabel, die insbesondere für einen supraleitenden Magneten Verwendung finden.
Supraleitende Hohlkabel besitzen verschiedene Vorteile folgender Art:
ein Kühlmedium, wie z.B. flüssiges Helium und dgl., kann direkt in einen hohlen Teil des Kabels eingeführt werden, so daß der Leiter ohne Isolationsmaterial direkt gekühlt werden kann;
die notwendige Menge des Kühlmediums kann auf ein Minimum reduziert werden;
eine elektromagnetische Spule mit hohler mechanischer Festigkeit kann wegen des nun entbehrlichen Kühlzwischenraums zwischen den Lagen beim Umwickeln des Kabels hergestellt werden;
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die Gesamtabmessung des umwickelten Kabels kann somit auf ein Minimum reduziert werden und,
falls eine Vorkühlungsbehandlung nötig ist, kann diese mit ein und demselben Kühlsystem durchgeführt werden.
Für die oben erwähnte Herstellung eines supraleitenden Hohlkabels sind jedoch besondere Verfahrenstechniken erforderlich, so daß die Herstellung langer supraleitender Hohlkabel bislang mit Schwierigkeiten verbunden ist.
So wurde kürzlich ein in der japanischen Gazette 3. 631 vom Jahre 1975 beschriebenes Verfahren zur Herstellung supraleitender Hohlkabel entwickelt, das die folgenden Schritte aufweist:
Umwickeln des Außenrandes eines aus einem gut leitenden Material, wie z.B. Kupfer und dgl., hergestellten Hohlkabels mit vielen supraleitenden Drähten und
ein sicheres Befestigen der supraleitenden Drähte am Hohlkabel mit Hilfe eines Bindemittels.
In einem Ausführungsbeispiel dieses Verfahrens wird ein supraleitender, einen Außendurchmesser von 0,37 mm aufweisender Draht verwandt, der wiederum einen Draht von 0,25 mm Durchmesser aus Nb-Ti-Ta-Legierung enthält, der von einer Kupferschicht umgeben ist. Dieser supraleitende Draht wird um einen hohlen Kupferkörper mit einem Innendurchmesser von 2, 5 mm und einem Außendurchmesser von 3, 5 mm gewickelt. Anschließend wird dieser Draht durch Lötung mit einer Pb-50%Sn enthaltenden Legierung sicher am hohlen Kupferkörper befestigt. Dieses bekannte Verfahren weist beim Produktionsprozeß wegen des Bedarfs an supraleitenden Drähten, die um das Hohlkabel gewik-
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kelt werden sollen, Schwächen auf. Dieses Verfahren findet Anwendung für den Fall, daß das supraleitende Material aus einer Legierung, wie z.B. NbTi, NbZr, oder NbTiZr-Legierung besteht, jedoch können zur Herstellung eines supraleitenden Materials keine Intermetallischen Verbindungen, wie z.B. Nb3Sn, V3Ga, Nb3Ga, Nb3Ge, Nb3Sl, Nb3Al, Nb3(Al0 gGeQ „) usw., verwendet werden. Der Grund für die oben erwähnten Nachtelle des bekannten Verfahrens Hegt darin, daß die supraleitende Materiallegierung eine relativ gute Bearbeitung ermöglicht, während das zu der Intermetallischen Verbindung gehörende supraleitende Material gewöhnlich außerordentlich zerbrechlich und eine schlechte Bearbeitbarkeit, Insbesondere Biegsamkeit und Formbarkelt, aufweist. Dadurch ergeben sich beim Umwickeln des Hohlkabels mit supraleitenden Drähten, die zu einer Intermetallischen Verbindung gehören, bei diesem oben erwähnten Verfahren Schwierigkelten.
Ein derartiges Verfahren zur Herstellung supraleitenden, aus einer Intermetallischen Verbindung bestehenden Materials findet praktisch Anwendung, Indem eine Vielzahl von metallischen Elementen, die als Material zur Bildung der Intermetallischen Verbindung benutzt wird, direkt oder Indirekt In Verbindung miteinander gebracht und einer Wärmebehandlung unterworfen wird. Dadurch diffundieren beide metallischen Elemente zu einer Intermetallischen Verbindung.
Demgemäß sollte man bei der auf dem vorerwähnten Verfahren beruhenden Herstellung supraleitender, aus einer intermetallischen Verbindung bestehender Kabel berücksichtigen, daß die Drähte, die wenigstens zwei Arten von metallischen Elementen zur Ausbildung einer Intermetallischen Verbindung aufweisen, in dem Zustand, bei dem noch keine intermetallische Verbindung ausgebildet ist, um ein Hohlkabel herumgewlkkelt und am Hohlkabel sicher mit einem metallischen Bindemittel befestigt werden. Anschließend werden die mit metallischen Elementen be-
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festigten Drähte, um eine intermetallische Verbindung zu erhalten, einer Wärmebehandlung unterworfen. Das oben erwähnte vorgeschlagene Verfahren wird jedoch von Nachteilen begleitet. So erweichen z.D. bei der Wärmebehandlung die als Ilohlkabel verwendeten Kupferrohre und dgl. Das metallische Bindemittel wird durch die Wärmebehandlung geschmolzen, was ein Ablösen der Drähte vom Ilohlkabel zur Folge hat. Demnach ist das oben erwähnte vorgeschlagene Verfahren schwierig in der Praxis anzuwenden. Da aber supraleitendes, aus einer intermetallischen Verbindung bestellendes Material, wie z.B. Nb„Sn, V„Ga, Nb„Ga und dgl. , bemerkenswerte und hervorragende Eigenschaften bezüglich der Supraleitfähigkeit im Vergleich zu den Eigenschaften von NbTi, das, wie aus Fig. 1 und 2 ersichtlich, als supraleitende Materiallegierung dient, aufweist, besteht ernst ein Erfordernis hinsichtlich der Entwicklung eines Verfahrens zur Herstellung supraleitender Ilohlkabel, die unter Verwendung supraleitenden Materials, das zu einer intermetallischen Verbindung gehört, in der Praxis Anwendung finden können.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung supraleitender Hohlkabel vorzuschlagen, das insbesondere zur Herstellung supraleitender Spulen geeignet ist, ohne daß bei der Durchführung irgendwelche Schwierigkeiten auftreten, und zwar ganz besonders im Falle der Herstellung supraleitender Hohlkabel unter Verwendung supraleitenden Materials mit ungünstigen Bearbeitungseigenschaften, wie z.B. supraleitendes Material, das zu einer intermetallischen Verbindung gehört.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem das Hohlkabel vorher mit Nuten versehen und ein außerordentlich dünner vieladriger, vorher in eine Form entsprechend der Nuten ausgebildeter Supraleiter in die Nuten eingebracht wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren weist mit anderen Worten folgende Verfahrensschritte auf:
Ausbildung eines aus leitendem Material bestehenden Hohlkabels mit einem sich in Längsrichtung erstreckenden Innenkanal für das in Längsrichtung verlaufende Kühlmedium und mit Nuten an der Kabelaußenseite;
Herstellung von mehreren außerordentlich dünnen vieladrigen Supraleitern in einer den im Hohlkabel vorgesehenen Nuten entsprechenden Form und
Einbringen der Supraleiter in die Nuten und deren sichere Befestigung nut Hilfe eines Metalls, das einen niedrigen Schmelzpunkt aufweist.
In vorteilhafter Weise zeigt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung supraleitender Hohlkabel, bei dem keine Schwierigkeiten und Mängel auftreten, wie z.B. das Erweichen der als Hohlkabel dienenden Röhren im Laufe der Wärmebehandlung und ein Ablösen des Supraleiters von einem HohlkabeLaufgrund des durch die Wärmebehandlung geschmolzenen, zur Befestigung des Supraleiters dienenden metallischen Bindemittels.
Da die außerordentlich dünnen vieladrigen Supraleiter, wie beschrieben, im Laufe des Herstellungsstadiums zu einer den Nuten des Hohlkabels angepaßten Form ausgebildet werden, Ist es nicht erforderlich, die supraleitenden Drähte in einem Verfahrensschritt um das Hohlkabel herumzuwickeln und, nachdem ein Umwickeln des Hohlkabels zur sicheren Befestigung der supraleitenden Drähte erfolgt ist, eine Wärmebehandlung zur Herstellung einer supraleitenden intermetallischen Verbindung durchzuführen.
Insofern kann das su raleitende Kabel einfach hergestellt werden, obgleich ein Material mit schlechter Bearbeitbarkeit, z.B. supraleitendes
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Ein bei dem Verfahren verwendetes Hohlkabel besteht aus einem gut leitenden Material, wie z.B. Kupfer, insbesondere aus säuerst off reiem Kupfer, Zähkupfer, hochreinem Aluminium usw. Das vorerwähnte Hohl kabel 1 wird, wie aus der Fig. 3 ersichtlich, z.B. in einer großen Länge mit einer rechteckigen Querschnittsform hergestellt und ist in seinem Inneren mit einem Kanal 2 für ein Kühlmedium, wie z.B. flüssiges Helium und dgl., versehen. Weiterhin ist im Außenmantel des Hohlkabels wenigstens eine Auskehlung bzw. Nut 3 in Längsrichtung ausgebildet. Ebenso können mehrere Auskehlungen 3 auf jeder der ebenen Umiangsflächen vorgesehen werden. Außerdem kann bzw. können die Nut (en) spiralförmig mit großer Ganghöhe bzw. Schlaglange in den Außenmantel eingeformt sein. In einem AusfUhrungsbciupiol der Γ ig. 3 wird auf jeder der vier ebenen Umfangsflachen des Hohlkabels eine Auskehlung 3 vorgesehen. Jedoch kann bzw. können auch nur eine bzw. zwei gegenüberliegende Flächen mit einer Nut 3 versehen werden, Für den Fall, daß eine Nut 3 auf jeder der erwähnten symmetrisch angeordneten beiden Flächen ausgebildet wird, wird vorzugsweise! die Nut 3 auf den beiden Flächen vorgesehen, die im Verhältnis zu den anderen beiden Flächen eine breitere Flächendimensionierung aufweisen.
Zur Herstellung solcher Hohlkabel kann wahlweise irgendeines der folgenden Verfahren ausgewählt werden, z.B. ein Strangpreßverfahren, ein Streckziehvorgang oder die Nut kann andernfalls auf der Umfangsfläche eines Rohres durch spanabhebende Bearbeitung, wie maschinelles Fräsen, ausgebildet werden. Die erwähnte Nut 3 dient zur Aufnahme des außerordentlich dünnen vieladrigen Supraleiters, der in einem nachfolgenden Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet wird.
Weiterhin kann zur Herstellung außerordentlich dünner vieladriger Supraleiter, wie obenerwähnt, wahlweise Legicrungsmaterial, wie z.B. NbTi, NbZr, Nb-Ti-Zr usw., oder Material einer intermetallischen
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Material aus einer intermetallischen Verbindung, verwendet wird.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen*
Fig. 1 ein Diagramm zur Verdeutlichung der Änderung der
kritischen Stromdichte in Abhängigkeit von der magnetischen Feldstärke bei Nb3Sn, V3Ga und NbTi;
Fig. 2 ein Diagramm zur Verdeutlichung der Änderung des
kritischen Magnetfeldes in Abhängigkeit von der Temperatur bei Nb3Sn und NbTi;
Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel eines teilweise geschnittenen Hohlkabels in perspektivischer Ansicht; Fig. 4 ein Flußdiagramm zur Verdeutlichung der Herstel
lungsschritte eines außerordentlich dünnen vieladrigen Supraleiters;
Fig. 5 ein supraleitendes Hohlkabel im Querschnitt; Fig. 6 eine geflochtene Einheit eines außerordentlich dünnen
vieladrigen Gebildes;
Fig. 7 ein Beispiel einer entsprechend den Nuten geformte Einheit eines Supraleiters und Fig. 8 ein Hohlkabel im Querschnitt entsprechend dem Bei
spiel 1 der Beschreibung mit detaillierter Dimensionierung der Teile.
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Verbindung, wie ζ.D. Nb3Sn, V3Ga, Nb3Ga, Nb3Ge, Nb3Si, Nb3Al, Nb_(Al„ oGeQ „)usw., verwendet werden, jedoch werden die Ausführungen vorwiegend supraleitendes Material betreffen, das aus einer intermetallischen Verbindung
In einem ersten Veriahrenssrhritt wird, wie es in groben Zügen in dem Flußdiagramm der Fig. 4 verdeutlicht ist, ein außerordentlich diinnei vieladriger Supraleiter 5 hei nesteilt, der der Nut 3 des Hohlkabels angepaßt ist und eine Vielzahl,aus supialeitendem Material bestehende Drahtseelen aufweist. Während des oben erwähnten Herstellungssehr H-tes wird ein zusammengesetzter Draht (ΐ in einer stabähnlichen oder geradlinigen Form hergestellt, der als ein Ausgangskörper bzw. Grundkörper zur Ausbildung einer supraleitenden intermetallischen Verbindung, (Ue wenigstens zwei Arten von Metallelementen enthält, dient. Dieser zusammengesetzte Draht G enthält wenigstens zwei Arten von Mctallclementen, die noch nicht zu einer supraleitenden Verbindung ausgebildet sind.
Der erwähnte zusammengesetzte Draht 6 wird beispielsweise dadurch hergestellt, daß eine Röhre 7 aus einer Legierung, die von wenigstens einer dieser zwei Alten von Metallelementen und aus Kupfer (vorzugsweise säuerstoffr eiern Kupfer) gebildet wird, mit stäbchenförmigem oder einem geradlinigen Material gefüllt wird, das aus dem anderen Element dieser zwei Arten von Metallelementen oder andernfalls aus einem Pulvermaterial 8 von dem anderen Metallelemenl sich zusammensetzt. Anschließend wird das Rohr 7 zur Verengung auf einen gewünschten Durchmesser einer Gesenkarbeit, einer Reckung oder dgl. unterworfen. Eine Vielzahl der somit erhaltenen zusammengesetzten Drähte 6 wird zusammengefügt und in ein Außenrohr 9, das aus gutleitendem Material, wie ζ.Π. Kupfer (vorzugsweise säuerst off r eiern Kupfer), Aluminium oder dgl , besteht, eingebracht. Anschließend wird das Außenrohr
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einer Ciesenkarbelt, einer Reckung oder dgl. unterworfen, um den Durchmesser zu verkleinern bzw. zu verengen. Nachdem das Außenrohr 9 den Behandlungen, wie z.B. der vorher erwähnten Einfügung der gebündelten zusammengesetzten Drähte ebenso wie der wiederholten ein- oder mehr als zweimalig durchgeführten diametralen Verengung, unterworfen wurde, wird diese Röhre 9, die eine Vielzahl in einem Bündel zusammengesetzter Drähte, d.h. ein außerordentlich dünnes vieladriges Gebilde, enthält, in einem letzten Schritt einer Pressung, einer Reckung, einer Strangpressung oder dgl. unterworfen. Durch diese Bearbeitung wird das Rohr 9 zu solch einer Gestalt geformt, daß es geeignet ist, in eine in dem Hohlkabel 1 vorgesehene Nut 3 eingepaßt zu werden. Anders ausgedrückt, wird das in Fig. 3 gezeigte Hohlkabel 1 verwendet, so wird das außerordentlich dünne vieladrige Gebilde in eine rechteckige Querschnittsform gebracht. In diesem Beispiel wird das außerordentlich dünne vieladrige Gebilde derart geformt, daß die Breite fast gleich oder etwas kleiner als die Innenbreite der Nut 3 und die Dicke fast gleich oder kleiner als die Tiefe der Nut 3 ist.
Der oben erwähnte ausgebildete Körper, d.h. das außerordentlich dünne vieladrige, eine vorbestimmte Konfiguration aufweisende Gebilde, bei dem sich die intermetallische Verbindung noch nicht ausgebildet hat, wird einer Wärmebehandlung Im nachfolgenden Schritt unterworfen. Diese Wärmebehandlung wird durchgeführt, um eine supraleitende Intermetallische Verbindung durch Diffusion wenigstens zweier verschiedenartiger Metallelemente zu erhalten. Die Wärmebehandlungsbedingungen bzw. Voraussetzungen hinsichtlich Temperatur, Atmosphäre, Bearbeitungszeit und dgl. werden so ausgelegt, wie sie zur Herstellung intermetallischer Verbindungen durch Diffusion von mehr als zwei verschiedenartigen Metallen erforderlich sind. Auf diese Weise kann man einen außerordentlich dünnen vieladrigen Supraleiter 5 erzielen, und zwar mit einem Profil, das in die Nut 3 des Hchlkabels 1 eingefügt werden kann. Der Su-
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praleiter 5, der außerordentlich viele dünne Adern aufweist, wird in die Nut } des Hohlkabels 1, wie aus Fig. 5 ersichtlich, eingefügt und anschließend .sicher in vlieser Nut 3 durch Löten mittels eines Materials mit niedrigem Schmelzpunkt, wie z.B. Sn, Pb-Ag-Legierung oder Pb-Sn-Legierung (- Lötmittel) usw., befestigt. Durch die erwähnte Herstellungsweise wird ein hohles supraleitendes Kabel erzeugt.
Als Verfahren zur Herstellung der zusammengesetzten Drähte kann bei der Erfindung noch das folgende andere Verfahren verwendet werden. Hei diesem Verfahren wird ein zusammengesetzter Draht derart hergestellt, d-ιΠ ein Rohr uil> gutleitendem Material, wie z.B. sauerstofffreiem Kupfer usw., mit einem stäbchenförmigen oder einem pulverförmigen Material, bestehend aus einem Metallelement zur Herstellung einer intermetillL'u hen Verbindung, gefüllt und einer Wiederholung der vorangegangenen Querschnittsverringerung unterworfen wird, um schließlich zu einer Konfiguration mit einem geforderten bzw. gewünschten Querschnitt ausgebildet zu werden. Anschließend wird dieser zusammengesetzte Draht auf der äußeren Umfangsfläche mit einer Filmschicht überzogen, die aus dem anderen Metallelement zur Bildung einer intermetallischen Verbindung mit Hilfe einer Schmelze (Schmelzplattierung) und dgl. besteht. Bei der nachfolgenden Wärmebehandlung diffundieren in diesem Beispiel die beiden verschiedenen Metallelemente zu beiden Seiten des zusammengesetzten Drahtes gegeneinander, indem sie eine intermetallische Verbindung durch das Kupfer hindurch ausbilden.
Solch ein Verfahren kann zur Herstellung des zusammengesetzten Drahtes insoiern vorgezogen werden, als mehr als zwei verschiedenartige pulverförmige Reinmetalle zur Bildung einer intermetallischen Verbindung miteinander vermischt werden, um anschließend in eine Kupferröhre eingefüllt zu werden. Das mit diesem Pulverkörper gefüllte Kupferrohr wird einer diametralen Reckung unterworfen. Dem obigen Verfah-
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ren mangelt es jedoch an der Ausbildung einer homogenen intermetallischen Verbindung mit Hilfe der Diffusionswäi mebehanilunp, in einem nachfolgenden Schritt. Mit anderen Worten gesagt, die Nachteile sind darin zu sehen, daß sich die intermetallische Verbindung (mit einem nicht gewünschten Aufbau) nur teilweise ausbildet oder dalJ teilweise eine Schicht von nichtlegiertem Reinmetall in der intermetallischen Verbindung verbleibt. In dem oben erwähnten Fall kanu das Piodukt geringweit ige Eigenschaften in bezug auf die Supraleitfähigkeit aufweisen und somit für die praktische Anwendung uiigtinst if, .sein. Ans diesem Grunde i'-t es wünschenswert, Verfahren, wie sie im folgenden aufgezählt worden, zu vei wenden, um die sich nachteilig auswirken'!« ii Probleme zu eliminieren. Eines der Verfahren zui Lösung de» öl »en erwähnten Problems schlägt vor, daß ein vorher chemisch gebundenes Pulver einer intermetallischen Verbindung zu mehl als zwei verschiedf nnrtigen Heinmetallen zur Ausbildung einer intermetallischen Verbinriunp hinzugefügt wird und daß das hinzugemischte Pulver, das mehl als zwei Arten λ on Heinmetallpulver enthält,und das aus einer intermetallischen Verbindung bestehende Pulver in eine leitende Röhre aus Kupfei odei dgl. eingefüllt werden, um die Röhre anschließend einei QueiHchnittsvcrrin-ioiung zu unterwerfen.
Gemäß dem oben erwähnten Verfahren ei hält man mit Hilfe des eine intermetallische Verbindung aufweisenden PuI ν ο s (.ine intermetallische Verbindung. Das Pulver dient somit als Zellkern in dem nachfolgenden Schritt der Wärmebehandlung.
Das andere Verfahren, das mehr als zwei Ai tt η von Heiumetallpulver als Ausgangs material zur Herstellung einer in'er metallischen Verbindung verwendet, weist folgende Schritte auf:
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1. Ausbildung einer Schicht einer intermetallischen Verbindung auf der Kornfläche durch vorherige chemische Bindung wenigstens eines Teils zumindest einer Art von den Metallpulvern, das in den vorher erwähnten Pulverausgangsmaterialien enthalten ist.
2. Vermischung dieses Pulvers mit einem anderen und anschließendes Einfüllen in ein gutleitendes Rohr, wie z.B. ein Kupferrohr und dgl.
3. Durchführung der Querschnittsverengung am mit dem Pulver gefüllten Rohr.
Ein weiteres Verfahren weist folgende Schritte auf:
1. Einfüllendes Pulvers eines Metallelements, welches eine oder mehrere Arten von Metallelementen zur Herstellung einer intermetallischen Verbindung aufweist, in eine Röhre, wobei die Röhre aus einem Metallelement besteht, das wenigstens das andere Element von mehr als zwei derartigen Metallelementarten ist, und
2. eine Querschnittsverringerung der Röhre.
Somit kann eine homogene intermetallische Verbindung in einem nachfolgenden Wärmebehandlungsschritt erhalten werden, nachdem der zusammengesetzte Draht nach einem der vorstehenden Verfahren hergestellt wurde. Weiterhin kann der zusammengesetzte Draht durch irgendein anderes bekanntes Verfahren erzielt werden.
Die obigen Erläuterungen beziehen sich auf ein Verfahren, bei dem ein außerordentlich dünnes vieladriges Gebilde, das aus einem Bündel vieler zusammengesetzter Drähte besteht, ausgebildet wird, um in eine in dem Hohlkabel vorgesehene Nut 3 hineinzupassen, ohne daß dabei der vieladrige Draht einer besonderen Behandlung unterworfen werden muß. Um jedoch größere vorteilhafte Wirkungen zu erzielen, kann vorzugsweise das Verfahren so durchgeführt werden, daß eine Vielzahl von LH-
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ζυη 11, bestehend aus einer Vielzahl zusammengesetzter Drähte 6, zu einer geflochtenen Einheit 12 entsprechend Fig. 6 geflochten werden. Anschließend wird die geflochtene Einheit 12 derart umgeformt, daß diese in die in dem Hohlkabel vorgesehene Nut 3 paßt. Um zu vermeiden, daß alle dUnnen Drähte 11 in ein und dieselbe Richtung ausgerichtet werden, wird eine geflochtene Einheit 12 durch Verflechtung der einzelnen außerordentlich dUnnen Litzen 11 erreicht. Nachdem die geflochtene Einheit 12 in der gleichen Art, wie oben erwähnt, ausgebildet wird, so daß sie in die Nut 3 des Hohlkabels paßt, wird die geflochtene Einheit 12 einer Wärmebehandlung unterworfen, um somit eine intermetallische Verbindung zu erzielen. Auf diese Weise erhält man einen aus einer Vielzahl von Litzen geflochtenen Supraleiter 5' in der dargestellten Form. Die nachfolgenden Schritte folgen in der bereits beschriebenen Art und Weise. Die geflochtene Einheit 12 kann jedoch durch Verflechtung einer Vielzahl zusammengesetzter Drähte, ohne daß diese irgendeiner anderen Bearbeitung unterworfen werden müssen, hergestellt werden. Nach Bedarf kann die Verflechtung einer Vielzahl von Litzen 11, die aus einer Anhäufung vieler zusammengesetzter Drähte bestehen, anders durchgeführt werden.
Das oben erwähnte Verflechten der außerordentlich dünnen Litzen 11 oder zusammengesetzten Drähte besitzt den großen Vorteil, daß erstens eine Verringerung der Wechselwirkung des elektrischen Stroms zwischen jedem der zusammengesetzten Drähte,namentlich zwischen jeder Ader, bei Änderung des Magnetfeldes erzielt wird. Dies beruht auf der Tatsache, daß innerhalb des außerordentlich dünnen vieladrigen Supraleiters, der einer Wärmebehandlung zur Ausbildung einer intermetallischen Verbindung unterworfen wurde, jeder der zusammengesetzten Drähte, d.h. jede Ader des Supraleiters, nicht in ein und dieselbe Richtung orientiert ist. Somit kann der durch die Änderung des Magnetfeldes bedingte Einfluß in jede beliebige Richtung eliminiert werden. Dies trifft auch für
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einen Wechselstrom oder einen gepulsten Strom zu. Genauso gut wird eine Stabilisierung der charakteristischen Eigenschaften unter Aufrechterhaltung einer hohen Stromdichte erreicht. Weiterhin kann ein hohles supraleitendes Kabel durch Änderung der Litzenabstände der Frequenz eines Wechselstroms ebeaso wie der Pulsbreite wahlweise angepaßt werden. Für den Fall, daß die außerordentlich dünnen Litzen nicht geflochten, sondern im Stadium vor dem Ausbildungsschritt verdrillt werden, können ebenso vorteilhafte Effekte erreicht werden, die nahezu die gleichen Wirkungen wie im Falle der Verflechtung zeigen.
Dieses Verfahren bit grundsätzlich nicht nur für supraleitendes Material mit einer intermetallischen Verbindung, sondern auch für eine supraleitende Materiallegierung, wie im folgenden beschrieben, anwendbar.
Wird das Verfahren anhand einer supraleitenden Materiallegierung angewandt, so kann ein zusammengesetzter Draht, der schon aus einer supraleitenden Legierung besteht, hergestellt werden. In diesem Fall kann die Wärmebehandlung, nachdem die supraleitende Legierung einer Formbearbeitung unterworfen wurde, entfallen. Jedoch ist es wünschenswert, das Material, nachdem die außerordentlich dünnen Litzen geflochten sind, in eine derartige Gestalt umzuformen, daß es in eine Nut 3 des Hohlkabels paßt. Dies erfolgt so wie die Herstellung eines supraleitenden Materials aus einer intermetallischen Verbindung. Gemäß dem beschriebenen Verfahren wird jedoch eine hervorragende Güte für das supraleitende Material, bestehend aus einer intermetallischen Verbindung, erzielt.
Es werden durch die Wärmebehandlung keine nachteiligen Wirkungen hervorgerufen, wie sie bei bekannten Umwickel- und Anklebeschritten auftreten. Die Erfindung zeigt große Vorteile, um insbesondere supraleitende Hohlkabel praktisch und leicht durch Anwendung supraleitenden,
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aus einer intermetallischen Verbindung bestehenden Materials herstellen zu können, wobei die intermetallische Verbindung ungünstige Bearbeitungsvoraussetzungen aufweist.
Wie oben beschrieben, kann ein supraleitendes Hohlkabel mit einem supraleitenden Material einer intermetallischen Verbindung hergestellt werden. Dadurch können supraleitende Kabel praktisch hergestellt werden, wobei die Kabel insbesondere folgende Eigenschaften aufweisen:
Eine hohe kritische Temperatur (Tc),
ein hohes kritisches Magnetfeld (Hc),
eine hohe kritische Stromdichte (Ec) und ebenso
eine große Kapazität und eine Kühlmöglichkeit.
Mit Hilfe der Erfindung kann somit ein supraleitendes Kabel hergestellt werden, das bei einem gepulsten Magneten zur Kernfusion und zur Energiespeicherung und weiterhin für einen MHD (Magneto-Hydro-Dynamlk)-Generator oder einen Linear induktionsmotor Anwendung findet. Ferner kann im Falle, daß das supraleitende Material aus einer intermetallischen Verbindung besteht, ein außerordentlich dünner vieladriger Supraleiter in eine gewünschte Gestalt geformt und mit einem Hohlkabel In Eingriff gebracht werden, bevor eine Intermetallische Verbindung ausgebildet wird. Dadurch kann ein außerordentlich dünner vieladriger Supraleiter von großer Länge hergestellt werden. Weiterhin wird der außerordentlich dünne vieladrige Supraleiter, wenn dieser auf dem Hohlkabel aufgebracht wird, nicht wesentlich durch die Bearbeitungseinwirkung belastet. Somit können praktisch Kabel von großer Länge hergestellt werden.
Die Erfindung wird Im folgenden mit Bezug auf die Figuren anhand von Beispielen näher erläutert.
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Beispiel 1
Zuerst wurdn einerseits ein ebenes, aus Kupier bestehendes Hohlkabel 1 mit einer Γ or m peniiiH I'if». H anj>efeiti{;t. I)i(; Abmessungen lauten wie folgt:
Gesamte Breite de» HohHtabels a = 5,0 mm
gesamte Dicke de« Hohlkabels b = 4,0 mm
Tiefe der Nut 3, 3' c = 0,3 mm
Hrcite der Nut 3 d = 2,6 mm
Breite der Nut 3' e = 1,6 mm
Dicke der Nut 3, 3' am Boden f = 0, 5 mm
Andererseits wurde eine NbTi-Legierung in Stabform mit einem Durchmesser von 10 mm in ein aus sauerstoffreiem Kupfer hergestelltes Rohr mit einer Abmessung von 15x11 mm eingefüllt. Dieses Rohr wurde einer Querschnittsverringerung durch eine Gesenkarbeit oder durch eine Reckung unterworfen, wodurch der Durchmesser auf 1,0 mm reduziert und somit ein zusammengesetzter Draht erzielt wurde. 61 dieser zusammengesetzten Drähte wurden zusammengefaßt und in ein Außenrohr aus säuerst of feiern Kupfer eingeführt. Dieses Außenrohr besitzt eine Abmessung von 15x11 mm und wurde einer Querschnittsverringerung unterworfen, um die Abmessungen auf 1,0 mm zu reduzieren. Anschließend wurde eine Vielzahl der Rohre zu einer flachen Form umgeformt, und zwar in zwei verschiedenen Ausführungsformen. Eine Ausführungsform besitzt eine Dicke von 0,3 mm und eine Breite von 1, 5 mm. Die andere eine Dicke von 0,3 mm und eine Breite von 2,5 mm. Die Abmessungen sind dabei so ausgelegt, daß die geformte Röhre In die entsprechenden, am Hohlkabel vorgesehenen Nuten 3 und 3' hineinpassen. Somit erhält man vieladrige Supraleiter, die in die entsprechenden Nutendes Hohlkabels eingelegt und sicher durch ein Lötmittel (Sn-5%Ag) mit einem niedrigen Schmelzpunkt befestigt werden. Auf diese Welse konnte ein supraleitendes Kabel von 300 m Länge erzielt werden.
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Beispiel 2
Bin stabförmiger Niobkörper mit einem Auüendurchmesser von 7 mm wurde in ein aus Kupfer-1 (F" ίίη-legierung bestehendes !{ohr mit einem Innendurchmesser von H mm eingeführt. Das Rohr wurde am» chi leitend einer Heckung unterworfen, wobei der Aulieudurchmes.ser auf 1,0 mm reduziert wurde. ISI dieser itohre wurden /.uisammeneufügt und in ein anderes aus Cn-UWlIn-Legierung Ixisteheule.'i Hohr mit einem Innendurchmesser von 9 mm eingeführt. Anschließend wurde dieses andere Ruhr einer Querschnittsverringeruug wiederholt unterworfen, bis ein Drahtdurchmesser von 0,9 mm erreicht wurde. Im folgenden wurden dieser Drähte zusammengefaßt und in ein Hohr aus sauerstcffeiem Kupfer mit einem Innendurchmesser von 9 mm eingeführt. Dieses Kupferrohr wurde wiederholt einer Querschnittsverringerung unterzogen, bis es letztlich zu einem flachen, außerordentlich dünnen vieladrigen Gebilde mit einer Dicke von 0,5 mm und einer Breite von 2,5 mm geformt wurde. Dieses vieladrige zusammengepreßte Gebilde wurde einer Wärmebehandlung bei 800 C 50 Stunden lang ausgesetzt, wodurch sich auf den außerordentlich dünnen vieladrigen, vorher zu einer bestimmten Form ausgebildeten Supraleiter Legierungsschichten aus Nb..Sn ausbildeten. Diese somit erhaltenen vieladrigen Supraleiter wurden in die Nuten eingebracht und durch Anwendung eines Lötmittels (Sη-5%Ag) mit einem niedrigen Schmelzpunkt in den Nuten befestigt. Diese Nuten haben eine Breite von 2,8 mm und eine Tiefe von 0,6 mm und sind an den Außenseiten des ebenen, ein hohles Mittelteil aufweisenden Kupferkabels vorgesehen. Auf diese Weise wurde ein 500 m langes Kabel hergestellt.
Beispiel 3
Kin Niobstab mit einem Außendurchmesser von 14 mm wurde in ein Kupferrohr mit einem Innendurchmesser von etwas weniger als 14 mm und 3 mm Dicke eingeführt. Anschließend wurde das Kupferrohr einer Quer-
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sehnitts 'tu r hij'.i'Muii; unter v:>rfen, his der AußeiKlurchniesser auf 0,2 mm reduziert -var. Somit .vuide ein kupferbewehrter Niobdraht erzielt. Im fulliciidi ii '. .iiilt: t ii f V"ηύί ilil von luipforbowehrtun Niobdrähtoii zusamiii(M)(;efaltt ιιΐιΊ in ein tnderes Ktipferrohr, das dem eben erwähnten ent spricht, iMiiiu-'iiiliit und das i;efiillto Rohr wieder einer Querschnittsvt ι ringenin}; in U'i vollen, bis «.'in Durchmesser von weniger als 20 μ für einen einzelnen Draht erreicht wurde. Daraufhin wurde das Rohr einer Ziiinplattieniiii; unti rivorfen. Hin zusammengesetzter Draht wurde somit erzielt. Mach di-t voranitegangenen Uehandlung wurde eine Vielzahl von /iisainn.!mf.;r ü t/ten Drähten zu einem Geflecht geflochten. Dieses Geflecht wind · ;ji iteitiin einer Druckformung unterworfen, sodaii eine rechtec li^e l· οι in ausgebildet wurde, die in die an den vier Oberflächen des ebenen, ans Kupfer hergestellten Hohlkabels vorgesehenen Nuten hineinpailt. Anschließend wurden die Geflechte einer Wärmebehandlung unter Vakuum bei einer Temperatur von 700 C für 50 Stunden ausgesetzt, um eine intermetallische Nb„Sn-Verbindung auszubilden. Auf diese Weise wurde, wie aus Fig. 7 ersichtlich, ein geflochtener außerordentlich dünner vieladriger Supraleiter 5' erzielt. Nach den oben erwähnten Schritten wurden vier dieser wärmebehandelten Geflechte 5' sowie das Hohlkabel in ein und dasselbe, ein geschmolzenes Lötmittel (Sn-5%Ag) enthaltendes Lötbad gegeben und durch dieses hindurchgeleitet. Das Geflecht wurde mit den entsprechenden Nuten des Hohlkabels in Verbindung gebracht, so daß die geformten Geflechte sicher mit Hilfe des erstarrten IiOtes an dem Hohlkabel befestigt werden konnten. Ein Hohlkabel wurde somit erzielt.
licispiel 1
Ein Vanadiumstab von 10 mm Außendurchmesser wurde in ein aus Cu-15%Ga-legierung bestehendes Rohr mit einem Außendurchmesser von 20 mm und einem Innendurchmesser von 11 mm eingeführt und dieses Legierungsrohr einer Querschnittsverringerung unterworfen, bis
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ein zusammengesetzter Draht mit einem AußendurrlmiesHer von 0,9 mm erzielt wurde. Anschließend wurde eine Violzahl dieuei zusammengesetzten querschnittsverringerten Drähte in ein Hohl von gleirhci Art wie das oben erwähnte IjOgierungsrohr gegeben und einer QtieiKrhnittuverringerung unterworfen, bis ein einzelnen Draht einen Durchmesse! von weniger als 50 μ aufwies. Somit wurde ein linearer KHi per erzielt. Weiterhin wurde eine Vielzahl solcher linealoi Körper zu einem Bündel zusammengefaßt und in eine aus säuerst off eiern Kupier bestehende H öhre mit einem Außendurchmesser von 12 mm und einem Innenduichmesser von 9 mm eingeführt. Anschließend wurde die mit linearen Gebilden aufgefüllte Röhre einer Querschnittsverringerung unterworfen, um den Durchmesser eines einzelnen linearen Gebildes auf weniger als 10 μ zu verringern. Somit wurde ein außerordentlich dünnes vieladriges Gebilde erzielt. Eine Vielzahl dieser vieladrigen Gebilde wurde, wie aus Fig. 6 ersichtlich, zu einem Geflecht 5 geflochten und einer Druckpreßbearbeitung unterworfen, um in einen flachen Typ geformt zu werden, der in eine entsprechende, auf jeder Umfangsfläche des rechteckig aus Kupfer hergestellten Hohlkabels vorgesehene Nut hineinpaßt. Nachfolgend wurde dieses Geflecht einer Wärmebehandlung unter Vakuum bei einer Temperatur von 650 C 100 Stunden lang ausgesetzt, um eine V.Ga-Legierung auszubilden. Somit wurde, wie aus Flg. 7 ersichtlich, ein geflochtener vieladriger Supraleiter 5* erzielt. Nach dieser vorangegangenen Behandlung wurden vier dieser wärmebehandelten, geformten Geflechte 5' in entsprechende, am Hohlkabel 6 vorgesehene Nuten 3' eingebracht und gleichzeitig durch ein Lötmittel mit einem niedrigen Schmelzpunkt sicher am Hohlkabel 6 befestigt. Somit wurde letztlich ein supraleitendes Hohlkabel erzielt.
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Claims (14)

  1. Patentansprüche
    (\ \ Verfahren zur Herstellung supraleitender Hohlkabel, gekennzeichnet durch die Bildung eines außerordentlich dünnen vieladrigen Supraleiters mit einem passenden Profil zum Einfügen in eine Nut, die an einem aus gutleitendem Material bestehenden Hohlkabel ausgebildet wird, wobei das Hohlkabel im Inneren mit einem Kanal zum Durchfluß des Kühlmediums und an der äußeren Umfangsfläche mit wenigstens einer Nut in Längsrichtung versehen wird und durch das Einbringen des vieladrigen Supraleiters in die Nut, in welcher dieser mit Hilfe eines Metalls mit niedrigem Schmelzpunkt durch Löten befestigt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennze ichnet, daß zur Bildung des außerordentlich dünnen vieladrigen Supraleiters eine Vielzahl zusammengesetzter Drähte erzeugt wird, wobei jeder wenigstens zwei verschiedenartige Metallelemente zur Bildung eines supraleitenden Materials aus einer intermetallischen Verbindung enthält, daß die zusammengesetzten Drähte zur Gewinnung eines außerordentlich dünnen vieladrigen Gebildes zusammengefügt werden, daß das außerordentlich dünne vieladrige Gebilde entsprechend der Form der Nut verformt wird und daß das somit erhaltene vieladrige Gebilde, um ein supraleitendes Material mittels der Metallelemente zu bilden, einer Diffusionswärmebehandlung unterworfen wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von außerordentlich dünnen vieladrigen Gebilden (Litzen) geflochten werden und daß das geflochtene Gebilde in die vorher erwähnte Gestalt umgeformt wird.
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    -2- 27 α
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadur ch gekennzeichnet, daß das supraleitende, aus einer intermetallischen Verbindung bestehende Material wenigstens aus einer ausgewählten Komponente der Gruppe Nb3Sn, V3Ga, Nb3Ga, Nb3Ge, Nb3Si, Nb3Al und Nb3
    (A1o,8Gen,2)besteht·
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 4, dad ur ch gekennzeichnet , daß jeder zusammengesetzte Draht aus einem Rohr gebildet wird, das aus einer Legierung zusammengesetzt ist, welche Kupfer und wenigstens ein Metallelement enthält, das wenigstens von den beiden verschiedenartigen Metallelementen zur Ausbildung des supraleitenden Materials einer intermetallischen Verbindung ausgewählt wird, und daß anschließend das Material, das das andere aus wenigstens beiden verschiedenartigen Metallelementen ausgewählte Metallelement enthält, in das Innere der aus einer Legierung bestehenden Röhre eingefüllt wird und daß schließlich diese Röhre einer Querschnittsverringerung unterworfen wird.
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet , daß zur Bildung der zusammengesetzten Drähte jedes Kupferrohr mit Material gefüllt wird, das wenigstens ein Metallelement enthält, das wenigstens aus zwei Metallelementen zur Ausbildung eines supraleitenden Materials aus einer intermetallischen Verbindung ausgewählt wird, und daß anschließend die Kupferrohre einer Querschnittsverringerung unterworfen werden und daß die Kupferrohre an ihren Außenflächen mit dem anderen Metallelement, das wenigstens aus den beiden vorerwähnten Metallelementarten ausgewählt wird, überzogen werden.
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  7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl zusammengesetzter, einer Querschnittsverringerung unterworfener Drähte zusammengefügt und in ein Kupferrohr eingeführt werden und daß das mit den Drähten aufgefüllte Rohr einer Querschnittsverringerung unterworfen wird.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung des außerordentlich dünnen vieladrigen Supraleiters folgende Verfahrensschritte vorgesehen sind:
    Einfüllen der supraleitenden Materiallegierung in mehrere Kupferrohre,
    Durchführung einer Querschnittsverringerung anhand der gefüllten Kupferrohre ,
    Ausbildung eines außerordentlich dünnen vieladrigen Gebildes durch Zusammenfügen mehrerer querschnittsverengter Kupferrohre und
    Umformung des extrem dünnen vieladrigen Gebildes zu einer der an dem Hohlkabel vorgesehenen Nut entsprechenden Gestalt.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennze Ichnet, daß eine Vielzahl der außerordentlich dünnen vieladrigen Gebilde geflochten wird und daß diese geflochtene Einheit zu einer der Nut entsprechenden Gestalt umgeformt wird.
  10. 10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitende Materiallegierung einen Legierungstyp aus der Gruppe NbTl, NbZr und NbTlZr enthält.
  11. 11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall mit einem niedrigen Schmelzpunkt aus der Gruppe Pb-Sn-Legierung, Sn, Sn-Ag-Legierung ausgewählt wird.
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    2 7 4 9 U b
  12. 12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hohlkabel einen rechteckigen Querschnitt aufweist.
  13. 13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch geke nnze ichnet, daß das Hohlkabel aus Kupfer besteht.
  14. 14. Supraleitendes Hohlkabel, gekennzeichnet durch einen hohlen Kabelkörper zur Aufnahme eines Kühl mediums, auf dessen Außenfläche eine oder mehrere längsverlaufende Nuten vorgesehen sind, in welche supraleitende Formkörper eingepaßt und befestigt sind.
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