DE3245903C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein supraleitendes Kabel, beste­ hend aus einem Niob-Titan, Niob-Zinn oder dgl. Faden, der von einem Metallmantel als Primärstabilisator direkt umgeben ist, und einer äußeren Hülle aus hochreinem, stranggepreßten Aluminium als Sekundärstabilisator. Da­ rüber hinaus erfaßt die Erfindung ein Verfahren zur Her­ stellung dieses Supraleiters.

Einige Niob-Legierungen, z. B. Niob-Titan und Nb₃Zn, verlieren ihren elektrischen Widerstand bei Temperaturen nahe dem absoluten Null-Punkt (-273°C) fast ganz, d. h. der elektrische Widerstand wird unmeßbar klein. Dieser Effekt wird als elektrische Supraleitung bezeichnet. Man verwendet supraleitende Magnetspulen für Magnetschwebe­ bahnen, supraleitende Kabel für verlustfreie bzw. ver­ lustarme Erzeugung, Übertragung und Speicherung von elektrischer Energie und macht sich die Supraleitung auch in der Kerntechnik zur Erzeugung starker Magnetfel­ der für die Teilchenbeschleunigung zunutze. Der Supra­ leiter wird dazu in flüssiges oder siedendes Helium ge­ taucht und auf eine Temperatur nahe dem absoluten Null- Punkt (-273°C) abgekühlt.

So können elektrische Ströme von vielen 1000 Ampere Stromstärke durch einen dünnen Faden aus Niob-Titan oder Nb₃Sn geleitet werden, der zum mechanischen Schutz in hochreines Kupfer oder Aluminium eingebettet ist. Einen solchen Strang von beispielsweise 0,5 bis 0,8 mm Dicke bezeichnet man als Primärstabilisator. Denn die Supra­ leitfähigkeit der Niob-Titan und dergl. Fäden ist sehr labil, weil sie von der Höhe des elektrischen Stromes, weiterhin von der Stärke des Magnetfeldes und von der kritischen Temperatur (z. B. -269.2°C) abhängig ist. Wird eine dieser drei kritischen Größen kurzzeitig über­ schritten, dann verlieren die Niob-Titan und dergl. Fäden ihre Supraleitfähigkeit. In diesem Falle übernimmt der Primärstabilisator einen Teil des elektrischen Stromes. Da jedoch der Primärstabilisator diese Funktion nicht alleine bewältigen kann, muß er mit einem sog. Sekundärstabilisator verbunden werden.

Es ist bekannt, den supraleitenden Strang seinerseits mit Stahl, Kupfer oder Aluminium zu verbinden, um auch bei zeitweiligem Ausfall der Supraleitfähigkeit den Be­ trieb aufrechterhalten zu können. Das übliche Zusammen­ fügen von supraleitendem Strang und Sekundärstabilisator ist umständlich, zeitraubend und kostspielig und ge­ schieht meist durch Auflöten des Stranges auf den Sekun­ därstabilisator. Sowohl der mechanische Schutz des Su­ praleiters als auch die elektrische Funktion des Sekun­ därstabilisators sind nicht optimal, da keine metal­ lische d. h. atomare - Bindung zwischen beiden besteht und der elektrische Übergangswiderstand zwischen dem supraleitenden Draht und dem Sekundärstabilisator rela­ tiv groß bleibt und letzterer mechanisch nicht genügend geschützt wird.

Um den supraleitenden Draht auflöten zu können, muß vor­ her das als Sekundärstabilisator dienende Aluminiumpro­ fil galvanisch verkupfert werden. Dabei ist wiederum da­ rauf zu achten, daß die aufgalvanisierte Kupferschicht nicht zu dick wird. Im allgemeinen sind nicht mehr als 10 µm zulässig, damit die unvermeidlichen Verunreini­ gungen den supraleitenden Effekt des Sekundärstabilisa­ tors nicht zu stark beeinträchtigen. Auch die Maßtole­ ranzen des supraleitenden Drahtes und des Aluminiumpro­ fils erschweren die Herstellung und vermindern die Qua­ lität des Endproduktes.

Ein Supraleiter der eingangs genannten Art wird durch die DE-AS 16 40 506 nahegelegt. Bei dem darin beschrie­ benen Leiter handelt es sich um einen supraleitenden Draht mit eingebetteten supraleitenden Fäden als Primär­ stabilisator. Der Supraleiter mit einer Kupferschicht an der Oberfläche wird zunächst mit einer Zinkschicht von etwa 1 bis 15 µm Dicke überzogen und beim anschließenden Ummanteln mit Aluminium etwa 10 bis 120 sec lang auf Temperaturen von etwa 400 bis 500°C gehalten.

Der Supraleiter nach der DE-AS 19 15 270 muß zur Kühlung auf etwa minus 270°C in einen Behälter mit flüssigem oder gasförmigem Helium getaucht werden. Dieser Behälter muß nicht nur druckfest ausgeführt sein, sondern er be­ nötigt auch eine außerordentlich aufwendige Wärmeisola­ tion.

Durch die Erfindung wird zum einen ein derartiger Kühl­ behälter überflüssig. Zum anderen ist die Kühlung inner­ halb des supraleitenden Stranges auch wesentlich besser, weil sie sich dichter an den zu kühlenden Niob-Titan oder dergleichen Fäden befindet.

Angesichts dieser Gegebenheiten liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Supraleiter der eingangs erwähnten Art so zu gestalten, daß zum einen der mechanische Schutz verbessert und der genannte Übergangswiderstand vermindert werden sowie zum anderen das Herstellen vereinfacht kostengünstiger wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe führt, daß der Primärstabili­ sator aus hochreinem Kupfer oder hochreinem Aluminium besteht und direkt vom Sekundärstabilisator umgeben ist und daß der Übergangsbereich zwischen Primär- und Se­ kundärstabilisator aus einer Diffusionszone beider Kom­ ponenten (Kupfer-Aluminium bzw. Aluminium-Aluminium) besteht.

Zudem soll der Profilkörper des Sekundärstabi­ lisators wenigstens einen Kühlkanal od. dgl. als Führung für ein Kühlmittel aufweisen; wobei bevorzugt dem Leiterstrang mit seinem Primärstabilisator wenigstens ein Kühlkanal parallel benachbart ist.

Beim erfindungsgemäßen Supraleiter ist eine galvanische Verzinkung überflüssig. Des weiteren ist es - als sehr wesentlicher Unterschied - überflüssig, den Supraleiter etwa 10 bis 120 sec auf 400 bis 500°C zu halten. Viele Supraleiter-Werkstoffe sind temperaturempfindlich, d. h. die Strombelastbarkeit wird eingeschränkt, wenn der Su­ praleiter auf Temperaturen über 350°C erhitzt wird.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß der Primärstabilisator durch einen Kanal der Strang­ presse so geführt wird, daß er erst am Formgebungsquer­ schnitt des Strangpreßwerkzeuges mit der Matrix des Se­ kundärstabilisators in Berührung kommt. Dadurch bleiben die von der Matrix auf den Primärstabilisator ausgeübten Kräfte so klein, daß dieser nicht reißt. Dies ist von besonderer Bedeutung vorwiegend dann, wenn der Primär­ stabilisator mechanisch sehr empfindliche, spröde Nb₃Sn - oder dgl. Fäden enthält, die bereits "reagiert", d. h. durch eine spezielle Temperaturbehandlung supraleitfähig gemacht, sind.

Auch der Aufbau des fertig ummantelten Supraleiters sieht völlig anders aus als jener der DE-AS 19 15 270, wonach dort die Kontaktzone zwischen Kupfer und Alumini­ um nicht einphasig ist, sondern aus einer Reihe von Phasen besteht.

An der Berührungsfläche des Zinks mit dem Kupfer ent­ steht ein verhältnismäßig breiter Diffusionsraum aus einem Kupfer-Zink-Mischkristall, an der Berührungsfläche des Zinks mit dem Aluminium ein schmaler Diffusionsraum aus einem Aluminium-Zink-Mischkristall von etwa 1 bis 2 µm Dicke. Zwischen den Mischkristallzonen liegen weitere Phasen, die nach Angabe der Vorveröffentlichung noch nicht eindeutig zugeordnet werden konnten, aber im we­ sentlichen aus Zink bzw. Kupfer und Zink bestehen dürf­ ten.

Im Gegensatz zu den so geschilderten Einzelheiten be­ sitzt der erfindungsgemäße Supraleiter nicht eine ganze Reihe von Kontaktphasen, vielmehr besteht zwischen dem Supraleiterdraht und der Aluminiumhülle ein einphasiger metallischer Kontakt. Damit ist der Übergangswiderstand zwischen dem Supraleiterdraht und der Aluminiumhülle er­ heblich vermindert und die elektrische Funktion des stabilisierten Supraleiters wesentlich verbessert, d. h. der elektrische Strom kann direkt vom Supraleiterdraht auf die Aluminiumhülle übergehen, ohne erst eine Reihe von Kontaktphasen durchwandern zu müssen. Der geringere Übergangswiderstand hat zur Folge, daß die schädliche Wärmeentwicklung beim Stromdurchgang stark vermindert wird.

Auch wird durch die Erfindung ein Kühlbehälter über­ flüssig, darüberhinaus ist die Kühlung innerhalb des supraleitenden Stranges auch wesentlich besser als beim Stande der Technik, da sich die Kühlzone dichter an den zu kühlenden Niob-Titan- oder dgl. Fäden befindet.

Erfindungsgemäß wird der Primärstabilisator durch Ver­ bundstrangpressen in einem einzigen Arbeitsgang in das Aluminiumprofil eingebettet und dann metallisch mit diesem verbunden, ohne daß die Supraleitfähigkeit beein­ trächtigende galvanische Zwischenschichten aufgebracht werden müßten. Der Primärstabilisator ist vom Aluminium­ profil des Sekundärstabilisators voll ummantelt und daher optimal mechanisch geschützt.

Die Erfindung hat den weiteren Vorteil, daß der verbund­ stranggepreßte Supraleiter in vielen geometrischen Formen herstellbar ist, so daß er dem jeweiligen Anwen­ dungszweck angepaßt werden kann, was bei den bekannten Supraleitern keineswegs möglich ist. Flache Rechteck­ querschnitte zum Wickeln von supraleitenden Spulen sind ebenso möglich, wie Profilquerschnitte mit großem Wider­ standsmoment bei hohen mechanischen Beanspruchungen. So erfaßt die Erfindung auch Supraleiter mit axial durch­ laufenden Kammern oder Kanälen für Kühlmittel, bevorzugt für flüssiges oder siedendes Helium; mit diesem werden Spulen aus dem erfindungsgemäßen Supraleiter bei etwa -269°C gehalten.

Die Kammern der Kühlmittelkanäle lassen sich in Form und Größe den technischen Erfordernissen im Hinblick auf Kühlmitteldurchsatz, Strömungsgeschwindigkeit und Druck­ abfall anpassen. Atmosphärischer Druck des Kühlmittels z. B. bis zu 15 bar ist zulässig.

Der verbundstranggepreßte Supraleiter nach dieser Erfin­ dung wird allen obengenannten Anforderungen gerecht und wird trotzdem in einem Stück sowie in einem einzigen Ar­ beitsgang hergestellt, was bei den bisher bekannten Supraleitern nicht möglich war.

Die Herstellung, einschließlich des Einbringens der ge­ nannten Kühlmittelkanäle, in einem einzigen industriel­ len Arbeitsgang, ohne zusätzliche Handarbeit, hat neben wirtschaftlichen Vorteilen auch den Effekt einer außer­ ordentlich gleichmäßigen und automatisch überwachbaren Qualität. Auch das ist bei den bekannten Supraleitern nicht gegeben.

Die Zusammensetzung der metallischen Verbundkomponenten wird im übrigen erfindungsgemäß so gewählt, daß sich der Supraleiter ohne weiteres spulen läßt.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt hier gemäß Anspruch 6 und/oder 7 das Strangpressen - indirekt unter niedrigerem Preßdruck als das direkte Strang­ pressen - bei einer Temperatur von maximal 350°C. Da­ bei wird der supraleitende Primärstabilisator durch einen speziellen Kanal im Preßdorn bis zum Formgebungs­ querschnitt der Matrize bzw. des Strangpreßwerkzeuges geführt und kommt erst dort mit der Matrix des Bolzens in Berührung, wodurch die Kräfte, die von der Matrix auf den Primärstabilisator ausgeübt werden, so klein bleiben, daß dieser nicht reißt.

Bei mechanisch besonders empfindlichem Supraleiterdraht lassen sich die Zerreißkräfte im Rahmen der Erfindung durch gleichzeitiges Pressen mehrerer Supraleiter aus einer einzigen Matrize noch weiter reduzieren. Dabei werden die Primärstabilisatoren als Bündel in eine Öff­ nung der Grundplatte für die Preßdorne eingeführt. Von dieser Öffnung abzweigend, laufen die Supraleitdrähte in die Kanäle der Preßdorne ein.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert; diese zeigt in

Fig. 1 eine geschnittene Schrägsicht auf einen er­ findungsgemäßen Supraleiter in stark ver­ größerter Wiedergabe,

Fig. 2 einen schematisierten Längsschnitt durch eine Vorrichtung zum Herstellen eines Supraleiters, und

Fig. 3 eine der Fig. 2 entsprechende Darstellung einer anderen Vorrichtung.

Ein Supraleiter 1, bei dem der elektrische Widerstand bei Temperaturen nahe dem absolutem Nullpunkt nicht mehr in Erscheinung tritt und der beispielsweise für verlust­ freie Energieübertragung herangezogen werden kann, be­ steht gemäß Fig. 1 aus einem Profilkörper 2 rechteckigen Querschnitts sowie einem in diesem vorgesehenen Leiterstrang 3 mit in der Zeichnung nicht verdeutlichten Fäden von Niob-Titan oder Nb₃Sn, die in hochreines Alu­ minium, gegebenenfalls auch hochreines Kupfer, einge­ bettet sind. Der Leiterstrang 3 mit seinem als Primär­ stabilisator dienenden hochreinen Aluminium ist mit dem als Sekundärstabilisator wirkenden Profilkörper 2 aus Reinstaluminium oder einem anderen Aluminiumwerkstoff metallisch verbunden. Durch diese metallische Bindung übernimmt der Profilkörper 2 bei elektrischer Stoßbean­ spruchung oder bei Ausfall der Kälteanlage in optimaler Weise einen Teil des Stromes (sekundäre Stabilisierung).

Im Profilkörper 2 sind beidseits des in Profilquerachse Q verlaufenden Leiterstranges 3 Kühlkanäle 4 zu er­ kennen, durch die während des Leiterbetriebes flüssiges oder siedendes Helium mit etwa 15 bar geschickt wird.

Die Herstellung dieses Supraleiters 1 erfolgt auf dem Wege des Strangpressens durch den Formgebungsquerschnitt 9 einer feststehenden Matrize 10 mit in Preßrichtung x nachfolgendem - ebenfalls stehendem, hohlem Preßstempel 11 -. Die Matrize 10 umgibt ein fahrbarer Rezipient 12, in dessen Rezipientenbohrung 13 ein in Längsachse gelochter Aluminiumbolzen 14 eingesetzt und die endwärts von einer Verschlußplatte 15 überdeckt ist. Durch eine zentrische Ausnehmung 16 der Verschlußplatte 15 ragt zum Formgebungsquerschnitt 9 hin ein Dorn 17, der von einer stehenden Grundplatte 18 ausgeht. Sowohl diese als auch ihr Dorn 17 weisen einen Kanal 20 mit Krümmung 19 auf, als Führung für den Leiterstrang 3 aus hochreinem Aluminium- oder Kupferdraht mit eingebettetem Niob-Titan- oder Nb₃Sn-Filament. Die Dornteile für die Erzeugung der Kühlkanäle 4 sind aus Gründen der Übersichtlichtkeit in der Zeichnung vernachlässigt.

Mit der Vorrichtung 30 nach Fig. 3 können mehrere Supra­ leiter 1 simultan geformt werden, und zwar durch mehrere Formgebungsquerschnitte 9 einer Matrize 10.

Claims (8)

1. Supraleitendes Kabel, bestehend aus einem Niob-Titan, Niob-Zinn oder dgl. Faden, der von einem Metallmantel als Primärstabilisator direkt umgeben ist, und einer äußeren Hülle aus hochreinem, stranggepreßten Aluminium als Sekundärstabilisator, dadurch gekennzeichnet, daß der Primärstabilisator aus hochreinem Kupfer oder hochreinem Aluminium besteht und direkt vom Sekundär­ stabilisator umgeben ist und daß der Übergangsbereich zwischen Primär- und Sekundärstabilisator aus einer Diffusionszone beider Komponenten (Kupfer-Aluminium bzw. Aluminium-Aluminium) besteht.

2. Supraleitendes Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Profilkörper (2) des Sekundärstabili­ sators wenigstens einen Kühlkanal (4) od. dgl. als Führung für ein Kühlmittel aufweist.

3. Supraleitendes Kabel nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Leiterstrang (3) mit seinem Primär­ stabilisator wenigstens ein Kühlkanal (4) parallel be­ nachbart ist.

4. Supraleitendes Kabel nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Profilkörper (2) des Sekun­ därstabilisators mit bis zu 20 bar, bevorzugt 15 bar druckfesten Kammern oder Kühlmittelkanälen (4) ausge­ stattet ist.

5. Supraleitendes Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Sekundärstabili­ sator und Primärstabilisator zu einer Spule wickelbar ausgebildet sind.

6. Verfahren zur Herstellung eines Supraleiters nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Primär­ stabilisator durch Strangpressen bei Temperaturen unter 350°C von einem Aluminiumprofil als Sekundärstabili­ sator ummantelt wird, wobei im Übergangsbereich zwischen Primär- und Sekundärstabilisator eine Zone aus Misch­ kristallen beider Komponenten (Kupfer-Aluminium bzw. Aluminium-Aluminium) entsteht.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Supraleiter als Verbundprofil auf dem Wege des Strangpressens über Dorn durch den Formgebungsquer­ schnitt einer Matrize hergestellt und dabei der in hochreines Kupfer oder Aluminium eingebettete Primär­ stabilisator durch einen Kanal der Strangpressen so geführt wird, daß er erst am Formgebungsquerschnitt mit der Matrix des Sekundärstabilisators in Berührung kommt.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwei oder mehr Stränge gleichzeitig durch eine Matrize gepreßt und mehrere Primärstabilisatoren als Bündel durch Kanäle der Strangpresse dem Dorn so zugeführt werden, daß sie gleichzeitig an den Form­ gebungsquerschnitten der Matrize mit der Matrix des Sekundärstabilisators in Berührung kommen.