DE3803285A1 - Strompfad aus hochtemperatur-supraleitern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Strompfad aus supraleitendem sprödem Mate­ rial, der als ein um Kurven verlegbarer Leiter ausgebildet ist.

Die sogenannten "Hochtemperatur"-Supraleiter unterscheiden sich in ihrer molekularen Struktur grundsätzlich von den metallischen "Tieftemperatur"- Supraleitern: Sie sind Oxid-Keramiken, beispielsweise von der Art La-Ba- Cu-O oder Y-Ba-Cu-O. Bei der zuletzt genannten Verbindung wurde erstmalig nachgewiesen, daß die Temperatur, bei der der ohmsche Widerstand ver­ schwindet, über die des Siedepunkts des Stickstoffs gesteigert werden kann. Damit eröffnet sich die Möglichkeit der Herstellung supraleitender Strompfade, die eine wesentlich geringere Kühlung benötigen, und daher wirtschaftlich eingesetzt werden können. Die bisher bekannten metallischen "Tieftemperatur"-Supraleiter benötigten eine Kühlung mit Helium in ihrem Kern, umgeben von einer Vakuumschicht, danach eine Stickstoffkühlung, die wiederum von einer Vakuumschicht umgeben war. Diese Kühltechnik war derart aufwendig, daß der Einsatz von Supraleitern auf vielen Gebieten der Tech­ nik unwirtschaftlich war. Die obengenannten Oxid-Keramiken benötigen le­ diglich die wesentlich billigere Stickstoffkühlung, wodurch eine wirt­ schaftliche Anwendung auf vielen Gebieten möglich ist, beispielsweise ver­ lustarme Generatoren, Motoren, Transformatoren, Kabel, Magnet­ speicher, usw.

Die Entwicklung der Oxid-Keramiken wird daher weltweit mit sehr großem Aufwand betrieben. Es ist zu erwarten, daß die heute noch zu geringe Strom­ tragfähigkeit dieser Materialien durch Verbesserung in der Herstellung, z. B. durch eine Ausrichtung der Kristallachsen, erhöht werden kann. Ein entscheidender Nachteil indessen bleibt: Die Oxid-Keramiken sind sehr spröde. Eine Verarbeitung zu Drähten in der bei Metallen üblichen Weise durch Ziehen ist daher bei diesen Stoffen ausgeschlossen. Auch wenn man auf andere Weise drahtförmige Gebilde herstellt, ist das Biegen, bei­ spielsweise zu Spulen, wegen der Steifigkeit nicht möglich, das Material würde brechen.

Aus der Zeitschrift TIME, 11. Mai 1987, Seite 45, ist es bekannt, dünne streifenförmige Filme aus Oxid-Keramik herzustellen, die sich bedingt bie­ gen lassen. Der Nachteil dieses um Kurven verlegbaren Supraleiters besteht neben der nur bedingten Krümmbarkeit darin, daß die dünnen Filme nur eine begrenzte Stromtragfähigkeit aufweisen. Auch bei Supraleitern ist es er­ forderlich, zur Übertragung hoher elektrischer Energien einen bestimmten Mindestquerschnitt zur Verfügung zu haben, da der Supraleiter sonst seine Supraleitfähigkeit verliert.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Strompfad aus supra­ leitendem Material verfügbar zu machen, der einen großen Querschnitt auf­ weist, in beliebigen Kurven verlegt werden kann und wirtschaftlich her­ stellbar ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß aus dem supralei­ tenden Material Komponenten mit mindestens zwei parallelen oder einen Win­ kel bildende Kontaktflächen gebildet werden, daß die Kontaktflächen zusam­ menfügbar ausgebildeter Komponenten annähernd deckungsgleich sind, daß sich die Komponenten mit ihren Kontaktflächen aneinanderreihen lassen und daß die Kontaktflächen als metallische Kontaktzonen ausgebildet werden.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß der Übergangswiderstand der Kontaktflächen sehr klein gehalten werden kann. Es ist eine Ausbildung von Kontaktflächen möglich, die aus gut leitfähigem Metall bestehen und eine Dicke im u-Bereich aufweisen, so daß Widerstände kleiner als 10^-9 Ohm realisierbar sind. Solch dünne Metallschichten mit so geringen Wider­ ständen fallen bei supraleitenden Komponenten, deren Längen im Dezimeter­ bereich liegen können, nicht derart ins Gewicht, daß sich die erfindungs­ gemäße Anordnung nicht vorteilhaft realisieren ließe.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß es möglich ist, Strompfade mit beliebigem Querschnitt um enge Kurven zu verlegen. Auf diese Weise lassen sich die supraleitenden Oxid-Keramiken in der Energietechnik und anderen Techniken, bei denen es auf sehr hohe Stromtragfähigkeit ankommt, einsetzen.

Weiterbildungen der Erfindung, die den Unteransprüchen zu entnehmen sind, betreffen Ausbildungen für einen möglichst wirtschaftlichen Einsatz, be­ treffen eine vorteilhafte Herstellung der Kontaktflächen, günstige Ausbil­ dungen der Kühlung und der Umhüllung sowie eine Ausbildung, die dem Aufbau von Spulen dient, wobei eine weitere Ausbildung angibt, wie eine toroid­ förmige Spule aufzubauen ist.

Die Erfindung geht von der Überlegung aus, daß es nicht gelingt, aus sprö­ den Supraleitern, beispielsweise aus Oxid-Keramiken, Drähte herzustellen, die sich beispielsweise zur Herstellung von Spulen biegen lassen. Um den­ noch die Supraleitereigenschaften dieser spröden Materialien auszunutzen, wird der herzustellende Leiter aus einzelnen Komponenten, vorzugsweise gleichartigen, aufgebaut. Diese Komponenten erhalten bei der Herstellung bereits eine Form, die es ermöglicht, aus mehreren Komponenten einen Strom­ pfad durch Aneinanderfügen zusammenzubauen. Die in dem fertigen Strompfad vorhandenen Komponenten erhalten einen metallischen Kontakt über die ge­ samte Kontaktfläche, zum Beispiel indem diese Komponenten gegeneinander gedrückt werden. Dies ist zweckmäßig, da Oxid-Keramik gegenüber Druckbe­ lastung am wenigsten empfindlich ist und der Druck einen guten Kontakt zwischen den einzelnen Komponenten bewirkt. Dazu werden an den Stirnseiten jeder Komponente metallische Kontaktzonen aus einem weichen Metall ge­ schaffen. Auch ein Verschweißen der Kontaktflächen ergibt einen guten Kon­ takt zwischen den einzelnen Komponenten. Es wird dabei in Kauf genommen, daß in diesen metallischen Kontaktzonen aus einem gut leitendem Metall, vorzugsweise Kupfer, ohmsche Verluste entstehen.

Diese Verluste sind aber bei den großen Kontaktflächen und den kleinen Ab­ ständen zwischen den Komponenten sowie der guten Leitfähigkeit von Kupfer bei tiefen Temperaturen klein. Die entstehende Wärme kann beispielsweise durch den flüssigen Stickstoff radial aus dem Strompfad abgeführt werden.

Eine besonders wirtschaftliche Weiterbildung sieht vor, daß die Komponen­ ten als vorgefertigtes Baukastensystem ausgebildet werden. Ein solches Baukastensystem enthält Komponenten für gerade Leiterstücke, welche bei­ spielsweise in Säulenform mit parallelen Kontaktflächen an den Stirnseiten ausgebildet werden können. Weitere Komponenten sind für Krümmungen mit verschiedenen Radien vorgesehen. Dabei kann es sich beispielsweise um ge­ bogene Stücke handeln, welche die selben Stirnflächen wie die geraden Stücke aufweisen und sich daher aneinanderfügen lassen. Eine andere Mög­ lichkeit zur Erzielung von Kurven besteht darin, daß die Kurvenstücke eben­ falls Säulenform aufweisen, wobei jedoch die Stirnseiten in einem Winkel zueinander verlaufen. Für diesen Fall müssen zur Erzielung gleicher Kon­ taktflächen gleichartige Komponenten verfügbar sein, wobei eine Komponente mit einer im rechten Winkel zur Achse verlaufenden Kontaktfläche und einer zweiten Kontaktfläche, die zur Achse der jeweiligen Komponente den selben Winkel aufweist, wie die Komponenten für die Kurven, als Übergangsstück von der Geraden zur Kurve dient. Komponenten mit mehr als zwei Kontakt­ flächen dienen dem Aufbau von Verzweigungsstellen.

Die Herstellung der Kontaktflächen erfolgt durch Metallisierung des supra­ leitenden Materials, wobei vorzugsweise ein gut leitfähiges, weiches Me­ tall verwendet wird. Als solches Metall kann beispielsweise geglühtes Kupfer verwendet werden.

Die Erzielung einer dünnen, in Vertiefungen der Oberfläche des supralei­ tenden Materials völlig eingelagerten metallischen Kontaktzone wird da­ durch erreicht, daß das Metall, beispielsweise Kupfer, in fein verteilter Form in die Oberfläche des supraleitenden Materials eingebürstet ist und daß auf diese Oberfläche elektrolytisch eine Metallschicht aufgebracht ist. Eine solche Kontaktschicht läßt sich mit dem aus der DE-OS 23 O8 747 bekannten Verfahren herstellen. Diese Schrift lehrt die Herstellung einer solchen Kontaktschicht bei einem metallischen "Tieftemperatur"-Supraleiter. Dieses Verfahren läßt sich jedoch auch zur Herstellung der Kontaktflächen bei Oxid-Keramik anwenden.

Zweckmäßig ist eine zylindrische Ausbildung der Komponenten, da sich bei dieser Ausgestaltung der Komponenten ein gerades Leiterstück durch die An­ ordnung der Komponenten in einem Rohr herstellen läßt und ausgedehnte ge­ rade Leiter durch aneinanderflanschen solche Rohre aufgebaut werden können.

Eine zylinderringförmige Ausbildung der Komponenten hat neben dem obenge­ nannten Vorteil den weiteren Vorteil, daß sie in ihrem Inneren durch ein Kühlmittel, beispielsweise flüssigen Stickstoff, durchflossen werden kön­ nen. Zur besonders intensiven Kühlung kann ein solcher Strompfad im Be­ reich der Kontaktflächen in radialer Richtung Durchbrüche aufweisen, durch die das Kühlmittel hindurchtritt und so die Kontaktflächen besonders in­ tensiv kühlt. Die Erzielung eines solchen Kühlmittelstroms, welcher durch die Durchbrüche der Kontaktflächen tritt, wäre beispielsweise dadurch mög­ lich, daß ein Kühlmittelfluß mit hohem Druck im Innern des Supraleiters und ein Kühlmittelfluß mit niedrigerem Druck im Mantel des Supraleiters vorgesehen wird.

Zum Aufbau von Strompfaden, welche der Übertragung großer elektrischer Energien dienen, ist es zweckmäßig, eine Hülle vorzusehen, welche die nach außen gerichteten elektromagnetischen Kräfte aufnimmt. Dazu kann jede Kom­ ponente an ihrem Umfang von einer metallischen Hülle umfaßt werden, die bezüglich Materialauswahl sowie der Dicke der Wandung so ausgebildet ist, daß sie diese elektromagnetischen Kräfte aufnehmen kann. Günstig ist eine Hülle aus einer hochfesten Kupferlegierung, da diese sowohl die mecha­ nische Festigkeit aufweist, als auch in der Lage ist, bei einer Unter­ brechung der Supraleitfähigkeit kurzfristig den Strom zu führen.

Eine weitere Ausbildung sieht vor, die Komponenten mit einer metallischen Hülle zu umgeben, welche bei Temperaturen von über ca. 400°C für Sauer­ stoff durchlässig ist. Ein solches Metall ist zum Beispiel Silber. Der Zweck einer solchen Hülle besteht darin, die Herstellung des Supraleiters zu erleichtern und ihn zu stabilisieren. Die supraleitenden Oxid-Keramiken enthalten in ihrem Kristallgitter Sauerstoff, welcher von dem Material leicht wieder abgegeben wird, was dazu führen würde, daß das Material seine Supraleiteigenschaft einbüßt. Bei der metallischen Umhüllung, bei­ spielsweise mit Silber, ist es möglich, die Oxid-Keramik nach der Umhül­ lung bei über ca. 400°C zu tempern und dadurch mit dem Sauerstoff zu ver­ sehen. Bei einer Abkühlung kann der Sauerstoff nicht mehr aus dem Material herausdifundieren.

Zur Erläuterung der Erfindung sowie weiterer Ausgestaltungen mit weiteren Vorteilen dient die Zeichnung. Es zeigen

Fig. 1 und 2 Ausführungsmöglichkeiten für einen supraleitenden Strompfad,

Fig. 3 und 4 den Aufbau einer Spule aus supraleitenden Komponenten und

Fig. 5 keilförmige Komponenten zum Aufbau einer toroidförmigen Spule.

Fig. 1 zeigt eine einfache Stapelung zylindrischer Komponenten (1) mit me­ tallischen Zwischenlagen (2). Dabei ist zur besseren Darstellung die Höhe der Komponenten geringer und die Höhe der metallischen Zwischenlagen größer gezeichnet. Bei einem geraden Leiter, wie er in Fig. 1 gezeichnet ist, sollte die Höhe der Komponenten so groß sein, wie dies durch eine wirtschaftliche Herstellung vertretbar ist. Die Dicke der metallischen Zwischenlagen sollte so gering sein, wie sich dies technisch herstellen läßt, beziehungsweise, wenn mechanische Beanspruchungen auszugleichen sind, so dick, wie dies zu diesem Zweck unbedingt erforderlich ist. Werden die zylindrischen Komponenten keilförmig ausgebildet, so kann dieser Lei­ ter um eine Kurve geführt werden.

Fig. 2 zeigt einen weiteren Strompfad, der sich von dem der Fig. 1 dadurch unterscheidet, daß zylinderringförmig ausgebildete Komponenten (3) aufein­ andergestapelt sind. Bei dieser Ausgestaltung kann beispielsweise ein Kühl­ mittelfluß im Inneren des Supraleiters verlaufen.

Fig. 3 und 4 zeigen, wie aus den supraleitenden Komponenten eine Spule auf­ gebaut werden kann. Dazu werden Komponenten in der Form hergestellt, wie dies Fig. 3 zeigt: Die Komponenten erhalten die Form von geschlitzten Zy­ linderringen (4), wobei die an den Schlitz (5) angrenzende Teilfläche (6′′) der oberen Stirnseite und die auf der anderen Seite des Schlitzes (5) lie­ gende, an diesen angrenzende Teilfläche (6′) der unteren Stirnseite als Kon­ taktflächen (6′′, 6′) ausgebildet sind. Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, werden die Komponenten (4) mit ihren Stirnseiten aufeinandergestapelt, wo­ bei die Schlitze (5) um die als Kontaktflächen ausgebildeten Teilflächen (6′, 6′′) versetzt sind. Wie aus den, den Stromfluß darstellenden Pfeilen in Fig. 4 zu erkennen ist, ergibt dieser Aufbau eine Spule. Da es erfor­ derlich sein kann, daß eine solche Spule ebenfalls mit einer Hülle umgeben wird, muß entweder eine Isolation vorgesehen werden oder die Hülle muß aus Metallelementen aufgebaut sein, die entsprechend den Komponenten ausgebil­ det sind. Dazu weisen die Metallelemente einen Innendurchmesser auf, der dem Außendurchmesser der Komponenten entspricht. Die Metallelemente sind bezüglich der Kontaktflächen, der isolierten Flächen und der Art und Weise der Stapelung so aufgebaut und geschichtet, daß ein Leiter entsteht, der radial versetzt parallel zu dem durch die Komponenten gebildeten Leiter verläuft. Der Vorteil dieses Aufbaus der Spule besteht darin, daß die Hül­ le die Stromtragfähigkeit der Spule kurzfristig übernehmen kann, weil sie genau parallel, lediglich nach außen radial versetzt, zu der supraleiten­ den Spule einen Strompfad bildet.

Fig. 5 deutet an, wie mit ähnlich ausgebildeten Elementen eine toroidför­ mige Spule aufgebaut werden kann. Dazu werden Komponenten vorgesehen, die denen der Fig. 3 und 4 entsprechen, mit dem Unterschied, daß sie als keil­ förmige Zylinderringe ausgebildet sind. Solche als keilförmige Zylinder­ ringe ausgebildeten Komponenten (7) werden so aufeinandergeschichtet, daß eine toroidförmige Spule entsteht. Die übrige Ausgestaltung entspricht dem zu Fig. 3 und 4 gesagten. Auch für diese toroidförmige Spule kann eine me­ tallische Hülle, wie sie oben beschrieben wurde, vorgesehen werden.

Claims (18)

1. Strompfad aus supraleitendem sprödem Material, der als ein um Kurven verlegbarer Leiter ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem supraleitenden Material Komponenten mit mindestens zwei parallelen oder einen Winkel bildende Kontaktflächen gebildet werden, daß die Kontaktflächen zusammenfügbar ausgebildeter Komponenten an­ nähernd deckungsgleich sind, daß sich die Komponenten mit ihren Kon­ taktflächen aneinanderreihen lassen und daß die Kontaktflächen als metallische Kontaktzonen ausgebildet werden.

2. Strompfad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponenten als vorgefertigtes Baukastensystem ausgebildet sind, welches Komponenten für gerade Leiterstücke, Komponenten für Kurven verschiedener Radien sowie Komponenten mit mehr als zwei Kon­ taktflächen für Verzweigungen enthält.

3. Strompfad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflächen durch Metallisierung des supraleitenden Mate­ rials mit einem gut leitfähigen Metall gebildet sind.

4. Strompfad nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall weich, vorzugsweise geglühtes Kupfer ist.

5. Strompfad nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch eine Kontaktzone, bei der das Metall in feinverteilter Form in die Oberfläche des supraleitenden Materials eingebürstet ist und auf diese Oberfläche elektrolytisch eine Metallschicht aufgebracht ist.

6. Strompfad nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch zylindrisch ausgebildete Komponenten, bei denen die parallelen oder einen Winkel bildenden Stirnseiten als Kontaktflächen ausgebildet sind.

7. Strompfad nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch zylinderringförmig ausgebildete Komponenten, bei denen die parallelen oder einen Winkel bildenden Stirnseiten als Kontaktflächen ausgebildet sind.

8. Strompfad nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Strompfad im Bereich der Kontaktflächen in radialer Richtung Durchbrüche für den Durchtritt von Kühlmittel aufweist.

9. Strompfad nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu der auf den Supraleitern aufgebrachten Metallisie­ rung eine Zwischenschicht aus einem gut leitenden Material angeordnet wird, die in der Lage ist, mechanische Beanspruchungen auszugleichen.

10. Strompfad nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Komponenten in der Richtung senkrecht zu den Kontakt­ flächen mechanisch zusammengepreßt werden.

11. Strompfad nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflächen nach dem Aneinanderreihen der Komponenten mit­ einander verschweißt werden.

12. Strompfad nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß jede Komponente von einer metallischen Hülle umfaßt wird, die be­ züglich Materialauswahl und Dicke der Wandung so ausgebildet ist, daß sie die nach außen gerichteten elektromagnetischen Kräfte aufnehmen kann.

13. Strompfad nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle aus einer hochfesten Kupferlegierung besteht.

14. Strompfad nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponenten von einer metallischen Hülle umgeben sind, welche bei Temperaturen über ca. 400°C für Sauerstoff durchlässig ist.

15. Strompfad nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5 oder 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufbau einer Spule Komponenten in Form von geschlitzten Zylin­ derringen ausgebildet sind, daß die an den Schlitz angrenzende Teil­ fläche der oberen Stirnseite und die auf der anderen Seite des Schlitzes liegende, an diesen angrenzende Teilfläche der unteren Stirn­ seite als Kontaktflächen ausgebildet sind und daß die Komponenten mit ihren Stirnseiten aufeinandergestapelt werden, wobei die Schlitze um die als Kontaktflächen ausgebildeten Teilflächen versetzt sind und die übrigen Teilflächen eine Isolierung aufweisen.

16. Strompfad nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule mit einer metallischen Hülle umgeben ist, wobei die Hülle aus Metallelementen besteht, die einen Innendurchmesser auf­ weisen, der dem Außendurchmesser der Komponenten entspricht und daß diese Metallelemente bezüglich Kontaktflächen, isolierter Flächen und Art und Weise der Stapelung so geschichtet sind, daß ein Leiter ent­ steht, der radial versetzt parallel zu dem durch die Komponenten ge­ bildeten Leiter verläuft.

17. Strompfad nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die geschlitzten Zylinderringe keilförmig verlaufende Stirnseiten aufweisen und so gestapelt werden, daß ein Toroid entsteht.

18. Strompfad nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule mit einer metallischen Hülle umgeben ist, wobei die Hülle aus Metallelementen besteht, die einen Innendurchmesser auf­ weisen, der dem Außendurchmesser der Komponenten entspricht und daß diese Metallelemente bezüglich ihrer keilförmig verlaufenden Stirn­ seiten, ihrer Kontaktflächen, isolierten Flächen und Art und Weise der Stapelung so geschichtet sind, daß ein Leiter entsteht, der radial versetzt parallel zu dem durch die Komponenten gebildeten Leiter verläuft.