DE3105517A1 - Verbundsupraleiter - Google Patents

Description

• Verbundsupraleiter Die Erfindung bezieht sich auf einen Verbundsupraleiter gemäss der Gattung des Patentanspruches 1. Ein solcher Verbundsupraleiter wird bei superleitfähigen Ubertragungsleitungen, bei bestimmten Arten von superleitfähigen Magneten und dgl.
• benötigt.
• Ein bekannter Verbundsupraleiter besteht aus einem superleitfähigen Material und einem gewöhnlichen leitfähigen Material und ist zu einem runden, flachen oder hohlen Draht verarbeitet. Z. B. sind superleitfähige Drähte von etwa 5 - 250 um Durchmesser in das gewöhnliche leitfähige Material, wie z.B. Kupfer, Aluminium oder andere Metalle oder Verbindungen dieser Metalle eingebettet. Im Zustand der Supraleitfähigkeiterzeugen derart ausgebildete Drähte keine Wärme unter einem bestimmten magnetischen Feld und einem bestimmten elektrischen Strom. Jedoch verursacht eine zeitliche Änderung des angelegten Stroms einen Verlust und als zugehörige Begleiterscheinung eine -Magnetisierung. Wenn der Zusammenbruch der Supraleitfähigkeit aus irgendeinem Grunde erfolgt, wird eine grosse Menge Joulscher Wärme bzw. Stromwärme abgegeben.
• Um dieser Nachteile Willen wird ein Teil des Verbundsupraleiters als Kühlfläche oder Kühloberfläche verwendet, welche in direktem Kontaktmit einem Kühlmittel, z.B. flüssigem Helium steht, um die Oberfläche des Verbundsupraleiters zu kühlen.
• Nach dem Zusammenbruch der Supraleitfähigkeit können die Voraussetzungen zum Verhindern der Ausbreitung eines gewöhnlichen leitfähigen Bereiches, der Joulsche Wärme erzeugt, durch die fqlgende Gleichung dargestellt werden: # # I² < 1 ----- (1) A # P # q In Gleichung iwerdenmit 9 derder spezifische elektrische Widerstand eines gewöhnlichen leitfähigen Materials, mit I ein anliegender Strom, mit P der Kühlmittelparameter, mit A eine Querschnittsfläche und mit q ein Wärmefluss bezeichnet.
• Wie es aus Gleichung 1 hervorgeht ist es, um den elektrischen Strom zuerhöhen , notwendig, entweder ( a) ein normales leitfähiges Material mit einem geringen spezifischen elektrischen Widerstand f und einer grossen Querschnittsfläche A vorzusehen oder ( b ) die Kühlfähigkeit P q zu verbessern. Die ersterwähnte Massnahme (a) hat ihre Grenzen vom Gesichtspunkt der Qualität des gewöhnlichen leitfähigen Materials oder der Berechnung bzw. konstruktiven Durchbildung des Verbundsupraleiters und folglich kann man nicht umhin, das Zentrum seiner Bemühungen auf die letztgenannte Massnahme ( b ) zu richten.
• Als ein Beispiel für diese Gegenmassnahme ist ein Verfahren bekannt, welches die Ausbildung einer Anzahl von im Querschnitt rechteckigen Vertiefungen von etwa imm Tiefe und etwa 1 mm Breite in der Oberfläche eines Leiters vorsieht, die in Berührungskontakt mit flüssigem Helium steht, um den Kühlparameter P zu verstärken. Es ist auch versucht worden, Zellulose - Beschichtungen auf der Oberfläche eines Leiters vorzusehen. Jedoch ist hierdurch eine Verbesserung der Kühlfähigkeit nur im nicht genügenden Maße durchgeführt worden.
• Der Erfindung liegt von daher die Aufgabe zugrunde, einen Verbundsupraleiter zu schaffen, welcher eine grosse Kühlfähigkeit hat und es folglich ermöglicht, den Querschnitt eines gewöhnlichen Leitermaterials zu vermindern und die effektive Stromdichte zu verstärken.
• Entsprechend der vorliegenden Erfindung umfasst der Verbundsupraleiter ein superleitfähiges und ein gewöhnliches leitfähiges Material mit einer Anzahl von dicht zueinander angeordneten rillenartigen Vertiefungen auf einer Substratoberfläche, die in Kontakt mit einem Kühlmittel steht,und mit einer Anzahl von gratartigen Erhebungen, die dicht stehend und mit Abstand voneinander durch die Rillen angeordnet sind und jeweils spitze bzw. spitz zu laufende Enden aufweisen. Die Substratoberfläche der Rillen und der Erhebungen ist mit einem dünnen Film beschichtet, der ein Metall oder seine Vebindungen umfasst, das einen höheren Wärmewiderstandswert aufweist als derjenige des Substrates. Hierbei wird es ermöglicht, das Kernsieden wirksam für einen Wärmetransport mit einem Kühlmittel aufrechtzuerhalten und sogar von einem normalen leitfähigen Zustand, der durch irgendeinen Fehler hervorgerufen wird, in einen superleitfähigen Zustand umzuwandeln.
• Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 eine perspektivische Ansicht auf einen Verbundsupraleiter gemäss der vorliegenden Erfindung und Fig. 2 ein Diagramm zur Darstellung der Eigenschaften einer Kühlfläche des Verbundsupraleiters gemäss Fig. 1 Gemäss Fig. 1 ist ein Verbundsupraleiter entsprechend der vorliegenden Erfindung zu einem Flachdraht ausgebildet. Eine Querschnittsseite des Substrats ist als Kühlfläche oder Kühloberfläche ausgestaltet. Auf der Substratoberfläche, die der Kühlfläche des Verbundsupraleiters entspricht, der ein gewöhnliches leitfähiges Material 1 umfasst, wie z.B.
• Kupfer von hoher Reinheit, das unter der Handelsbezeichnung ' OFHC" bekannt ist, und in welches eine Anzahl dünner superleitfähiger Drähte 2 eingebettet sind, wie z.B.
• Nb-Ti Drähte, sind eine Anzahl von Rillen 3 eingebracht, die sich quer über den Verbundsupraleiter erstrecken und im wesentlichen parallel und dichtstehend zueinander aber getrennt voneinander angeordnet sind. Eine Anzahl von gratartigen Erhebungen 4 ist in Abständen voneinander und getrennt voneinander durch die Rillen 3 und im wesentlichen parallel zueinander ebenfalls auf der Kühloberfläche des Verbundsupraleiters angeordnet. Jede gratartige Erhebung4 hat eine scharfe Spitze, welche zu einer Vielzahl von V-förmigen eingekerbten Graten 5 ausgeschnitten ist, die weniger tief als die Rillen 3 ausgebildet sind. Die somit aufgerauhte Kühloberfläche oder Kühlfläche ist mit einem dünnen Film 6 aus Kupferoxid beschichtet.
• Eine solche Oberflächenstruktur kann durch die folgenden Arbeitsschritte und Bearbeitungsvorgänge erhalten werden: Auf der glatten Substratoberfläche, die der Kühlungsseite oder Kühlungsoberfläche des Verbundsupraleiters entspricht, werden eine Vielzahl erster, im Querschnitt V- förmig ausgebildeter Rillen hergestellt. Anschliessend wird eine Vielzahl zweiter Rillen hergestellt, die tiefer sind als die ersten Rillen. Die zweiten Rillen werden in einer Richtung senkrecht zu den ersten Rillen durch Einschneiden des Materials ähnlich einem Durchfurchen hergestellt. Beim Ausbilden dieser zweiten Rillen werden, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, die Rillen 3 hergestellt, die tiefer sind als die ersten Rillen, und zwar durch Anwenden einer Schneidoperation ähnlich einem Durchpflügen. An den Erhebungen 4, die aufgrund der Rillen 3 voneinander auseinanderliegend sind, wird eine Vielzahl von V- förmigen Graten 5 ausgebildet, welche die ueberreste der ersten Rillen darstellen. Wenn die ersten Rillen einen Abstand voneinander von 0,6mm und eine Tiefe von 0,4mm haben und die zweiten Rillen eine Weite von 0,2 mm , eine Tiefe von 0,8mm und einen Abstand voneinander von 0,4mm, dann ist die Oberflächengrösse dadurch um etwa 3,5 - Mal grösser als die ursprüngliche glatte Oberfläche. Die Oberflächengrösse ohne erste Rillen ist etwa um das Dreifache vergrössert worden.
• Nach dieser Oberflächenbearbeitung wird die bearbeitete Oberfläche durch einen anodischen Oxidationsprozess behandelt, bei welchem ein Bad benutzt wird, das eine wässrige Lösung aus Natriumoxid beinhaltet, das auf etwa 900 C erwärmt ist, um eine dünnen Beschichtung oder einen dünnen Film 6 aus Kupferoxid auf der bearbeiteten Oberfläche abzuscheiden, welche der Kühlfläche entspricht.
• Eine solche Beschichtung oder ein solcher Film wird auch durch Erwärmen der bearbeiteten Oberfläche z.B. für 5 Minuten auf 400"C und für 10 Stunden auf 1500C in einem Warmluftofen nach der Oberflächenbearbeitung gewonnen.
• Unter Bezugnahme auf Fig. 2 werden nun die Wirkungen der so erhaltenen Kühlfläche näher beschrieben. Die Fig. 2 zeigt die Eigenschaften des Siedens in flüssigem Helium, von welchem die Mess- und Versuchsdaten ausgewertet worden sind, mit einem Wärmefluss als Ordinate und der Temperaturdifferenz zwischen dem flüssigen Helium und der Kühloberfläche als Abszisse. Die Kurve A gibt den Wert der ursprünglichen ebenen Oberfläche des Verbundsupraleiters an.
• Die Kurve B bezeichnet den Wert der bearbeiteten Oberfläche mit im Querschnitt rechteckigen Vertiefungen von etwa 1 mm Tiefe und etwa 1 mm Breite. Die Kurve C' gibt den Wert der Oberfläche an, die als bevorzugtes Ausführungsbeispiel beschrieben worden ist, die somit erste Rillen mit Abständen von 0,6 mm und Tiefen von 0,4 mm und die ersten Rillen kreuzenden zweiten Rillen von 0,2 mm Breite, 0,8 mm Tiefe und 0,4 mm Abstand aufweisen. Die Kurve C gibt den Wert der mit Kupferoxid beschichteten Oberfläche entsprechend derjenigen von Kurve C' an.
• Beim Vergrössern eines Wärmeflusses wird der Wärmetransport anfangs durch Kernsieden durchgeführt, aber er wechselt vom Kernsieden zum Filmsieden bei einem bestimmten Wert des Wärmeflusses qmax Bei diesem Wert nimmt in diesem Falle der Wärmefluss wieder ab und kehrt vom Schichtsieden zum Kernsieden wieder bei einem bestimmten Wert des Wärmeflusses qmin um.
• Wenn die Temperatur des Verbundsupraleiters aus irgendeinem Grunde erhöht ist und in den Bereich des Schichtsiedens umschlägt, ist es vorteilhaft, zusätzlich zu einem hohen Niveau von qmax das Niveau von qmin . so hoch als möglich anzuheben, um ein schnelles Wiedererholen der Superleitfähigkeit durch Eliminierung der Ursache zu erzielen. Beide Werte qmax und qmin der Kurve B geben einen hohen Wert an, dadurch kann die Wirkung der aufgerauhten Oberfläche des Verbundsupraleiters erkannt werden. Jedoch ist die Differenz zwischen qmax und 9min nicht merklich klein. Andererseits ist imin der Kurve C dicht benachbart zu Eine solche Tendenz war auch im Falle der Ausbildung einer Schicht aus Kupfersulfid auf der aufgerauhten Oberfläche beobachtet worden, die im Ausführungsbeispiel beschrieben worden ist, in dem diese mit einer wässrigen Lösung aus Kalziumsulfid behandelt wurde und im Falle der Beschichtung mit einem dünnen Nickelfilm durch Anwendung eines Galvanisierprozesses.
• Dieses kann auf eine solche besondere Oberflächenstruktur, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, und auf einen hohen Wärmewiderstand der Beschichtung oder des Films, welche die äusserste Lage der Oberflächenstruktur bilden, zurückgeführt werden. Beim Schichtsieden ist man der Ansicht, aaas aie Dampfschicht eines Kühlmittels, das die Oberfläche des Substrates bedeckt, kontinuierlich schwankt und sehr dünn ist oder sogar örtlich nicht vorhanden ist.
• Hierbei entwickelt sich vorübergehend ein Kernsieden, aber im Falle der Oberfläche aus einem Metall mit hoher Wärmeleitfähigkeit fällt die Temperatur des genannten Teiles nicht so erkennbar ab und kehrt plötzlich zum Zustand eines Schichtsiedens um und erreicht nicht einen Zustand des Kernsiedens, es sei denn die Wärmebelastung ist verringert.
• Wenn jedoch die Oberfläche des Metalls mit einer Schicht mit hohem Wärmewiderstand beschichtet ist, wird die Temperatur örtlich abfallen und folglich kann der Zustand des Kernsiedens -für eine bestimmte Zeitdauer aufrechterhalten werden, sogar wenn es die Wärmebelastung ist1 welche das Schichtsieden erzeugt. Die Oberfläche wird insgesamt zu den gleichzeitig vorhandenen Zuständen des Kernsiedens und Schichtsiedens gelangen und ein Niveau 9 in wird erreichte verglichen mit dem Fall des Wählens einer Schicht 6 aus hoch wärmewiderstandsfahigem Material.
• Wenn diese Schicht 6 aus hoch wärmewiderstandsfähigem Material fein aufgerauht oder porös ist in einem derartigen Ausmass, dass sie wie ein Kernsieden für flüssiges Helium wirkt, wird ein Niveau von qmax erreicht.
• Folglich ist der verbundsupraleiter mit einer solchen Kühloberfläche befähigt, sich schnell umzuwandeln, sogar vom Zustand der normalen Leitfähigkeit, hervorgerufen durch irgendeine Störung, zum Zustand der Superleitfähigkeit, ohne eine plötzliche Erhöhung der Temperatur.
• Wie es voran stehend beschrieben worden ist, können entsprechend der vorliegenden Erfindung ein hochkritischer Wärmefluss im Filmsieden und folglich eine hohe Kühlkapazität für eine Verfestigung und Stabilisierung der konstruktiven Durchbildung des Verbundsupraleiters erreicht werden wobei es ermöglicht wird, die Querschnittsfläche des normal leitfähigen Materials zu vermindern, die wirksame Stromdichte zu verstärken und die Abmessungen eines supraleitfähigen Magneten und dgl. zu verkleinern Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf das bevorzugte Ausführungsbeispiel beschrieben worden ist, können viele Abänderungen und Veranderungen innerhalb des Geistes und Umfanges der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden.

Claims (9)

1. Patentansprüche 0 Verbundsupraleiter aus einem superleitfähigen und einem gewöhnlichen leitfähigen Material, gekennzeichnet durch a) eine Vielzahl von dichtstehenden Rillen (3),die auf mindestens einem Teil der Oberfläche des Verbundsupraleiters ausgebildet sind, b) eine Vielzahl von gratartigen Erhebungen (4),die voneinander durch die Rillen (3) getrennt angeordnet sind, ein spitzes bzw. spitz zulaufendes Ende aufweisen c) und eine dünne Beschichtung (6),die auf wenigstens einem Teil der Oberfläche der Rillen (3) und der Erhebungen (4) ausgebildet ist und eine dünne Schicht aus Metall oder einer Metallverbindungumfasst, die einen höheren Wärmewiderstandswert als derjenige der Oberfläche des Verbundsupraleiters aufweist.
2. 2. Verbundsupraleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede gratartige Erhebung (4) eine Vielzahl von dichtstehenden V-förmigen Graten (5) aufweist
3. 3. Verbundsupraleiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe der gratartigen Erhebungen (4) geringer ist als die Tiefe der Rillen (3).
4. 4. Verbundsupraleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dünne Beschichtung (6) eine Verbindung des gewöhnlichen leitfähigen Materials ist.
5. 5. Verbundsupraleiter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das gewöhnliche leitfähige Material Kupfer ist.
6. 6. Verbundsupraleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das gewähnliche leitfähige Material Kupfer und die dünne Beschichtung (6) eine Kupferverbindung ist.
7. 7. Verbundsupraleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von superleitfähigen Materialien(Drähte 2) in ein gewöhnliches leitfähiges Material eingebettet ist und die Rillen (3) und Erhebungen (4) auf der Oberfläche des gewöhnlichen leitfähigen Materiales (1) ausgebildet sind.
8. 8. Verbundsupraleiter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Verbundsupraleiters rechteckig ist und die Rillen (3) und Erhebungen (4) auf der Oberfläche einer Seite des rechteckigen Querschnittes ausgebildet sind.
9. 9. Verbundsupraleiter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von superleitfähigen Materialien (2) in ein gewöhnliches leitfähiges Material (1) eingebettet ist, um im Querschnitt ein Rechteck zu bilden, wobei die Rillen (3) und Erhebungen (4) unmittelbar auf der Oberfläche des Rechteckes und die Beschichtung (6) aus einer Verbindung aus dem gewöhnlichen leitfähigen MaterialXausgebildet sind