DE4391694C2 - Verbundzuleitung zum Leiten eines elektrischen Stromes zwischen einem Bereich auf einer Temperatur von 75-80 K und einem Bereich auf einer Temperatur von etwa 4,5 K - Google Patents
Verbundzuleitung zum Leiten eines elektrischen Stromes zwischen einem Bereich auf einer Temperatur von 75-80 K und einem Bereich auf einer Temperatur von etwa 4,5 KInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Verbundzuleitung zum Leiten eines
elektrischen Stromes zwischen einem Bereich auf einer Tempera
tur von 75 bis 80 K und einem Bereich auf einer Temperatur von
etwa 4, 5 K.
Supraleitfähigkeit wurde zuerst von dem holländischen Physiker
H.K. Onnes im Jahre 1911 während seiner Untersuchungen der
elektrischen Leitfähigkeiten von Metallen bei sehr niedrigen
Temperaturen beobachtet. Er entdeckte, daß der spezifische
elektrische Widerstand von rein dargestelltem Quecksilber, wenn
es gekühlt wird, abrupt bei einer Temperatur von 4,16 K ver
schwindet. Oberhalb dieser Temperatur ist der spezifische
elektrische Widerstand klein, aber endlich und meßbar. Diese
deutliche Temperatur, bei welcher der Übergang und der Verlust
effektiven elektrischen Widerstandes auftritt, wurde als
Sprungtemperatur oder "Tc" bezeichnet.
Die moderne Theorie der Supraleitfähigkeit ist das Ergebnis der
Forschungsarbeiten von Cooper und Schrieffer (Phys. Rev. 106:
162 (1957). Ihre Prinzipien bedienen sich einer quantenmechani
schen Behandlung des Phänomens der Supraleitfähigkeit, und ihre
Theorie wurde herangezogen, um die verschiedenen beobachtbaren
Effekte wie den elektrischen Widerstand von Null, den Meissner-
Effekt und dgl. zu erklären.
Seit etwa 1986 ist das Interesse an supraleitenden Stoffen als
möglicher Ersatz für herkömmliche Verdrahtungen und Mikroschal
tungen aus Metall-Legierungen wesentlich gestiegen, und die
Suche nach Supraleitern mit immer höheren Tc-Werten in ver
schiedenen Formaten ist derzeit ein Gebiet intensiver Forschung.
Lediglich stellvertretend für diese andauernden Forschungs
arbeiten und jüngst berichteten Entwicklungen seien folgende
Publikationen genannt. Yeh et al., Phys. Rev. B36: 2414 (1987);
Morelli et al., Phys. Rev. B36: 3917 (1987); Chaudhart et al.,
Phys. Rev. B36: 8903 (1987); Tachikawa et al., Proc. IEEE 77:
1124 (1989); Tabuchi et al., Appl. Phys. Lett. 53: 606 (1989);
Sacci et al., Appl. Phys. Lett. 53: 1111 (1988).
Ein Problem tritt auch hinsichtlich der elektrischen Verbindung
supraleitender Stoffe auf, insbesondere hinsichtlich der Ver
bindung von Hoch-Tc-Supraleitern untereinander und mit anderen
elektrisch leitenden Materialien im normalen Zustand bei Tempe
raturen zwischen 70 K und 300 K und mit herkömmlichen supralei
tenden Materialien, die eine Sprungtemperatur unterhalb 20 K
haben. Per Definition umfasse der Begriff "elektrisch leitenden
de Materialien im Normalzustand" sowohl die normalen Leiter wie
Gold, Silber, Kupfer und Eisen, als auch die Halbleiter wie
Kohlenstoff, Silizium, graues Zinn und Germanium, sowie deren
Mischungen mit Indium, Gallium, Antimon und Arsen. Außerdem ist
es schwierig, wirksam haftende und niederohmige Verbindungen
mit den chemischen Elementen und Legierungen zu schaffen, die
in der Praxis als Supraleiter eingesetzt werden. Dies sind die
herkömmlichen Supraleiter Nb, NbTi und NbSn, und sie dienen
typischerweise als Stoffe, die zur Herstellung supraleitender
Motoren, Generatoren und Magnete verwendet werden, welche bei
der Temperatur flüssigen Heliums (4,5 K) arbeiten.
Üblicherweise werden Lote verwendet, um Leiter miteinander und
mit Halbleitern elektrisch zu verbinden. Die wichtigsten, her
kömmlich bekannten Lote sind: Weichlote, wie z. B. Blei-Zinn-
Legierungen aus Kupfer und Zink und manchmal Silber. Ein im
vorliegenden Zusammenhang brauchbares Lot, das niederohmige
Verbindungen ermöglicht, ist in der US-PS 4 966 142 beschrieben.
Neuere Bemühungen zur Verfeinerung spezialisierter Techniken
zur Verminderung des Widerstandes elektrischer Kontakte zwischen
zwei supraleitenden Stoffen beinhalten u. a. folgende Verfahren:
Silberaufdampfung oder -aufstäubung und anschließende Wärme
behandlung massiver gesinterter Probekörper aus Yttrium-Barium-
Kupfer-Oxid bei Temperaturen bis zu 500°C oder die Verwendung
von Laserenergie zum Auftragen einer dünnen Schicht supraleiten
den Yttrium-Barium-Kupfer-Oxids direkt auf eine Siliziumsubstanz.
Das Problem bei diesen Verfahren besteht darin, daß jedes von
ihnen die extensive Verwendung von Geräten zur Aufdampfung im
Vakuum erfordert.
Es bleibt daher ein Bedarf an praktikablen Einrichtungen zum
Verbinden normaler Leiter und Halbleiter, die elektrisch bei
Temperaturen zwischen 300 und 70 K eingesetzt werden, mit
Tieftemperatur-Supraleitern, die unterhalb 10 K elektrisch
betrieben werden, bei minimalem elektrischen Widerstand von
Supraleitern.
Aus der JP 2-135 714 A2 ist eine Zuleitung für elektrischen
Strom von einem Bereich zwischen 75 bis 80 K zu einem Bereich
nahe dem absoluten Nullpunkt in Form von Bändern aus Hochtempe
ratur-Supraleitern bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verbundleitung
zum Leiten eines elektrischen Stromes zwischen Bereichen sehr
unterschiedlicher Temperatur zu schaffen, nämlich einem auf 75
bis 80 K liegenden Bereich einerseits und einem auf etwa 4,5 K
liegenden Bereich andererseits, also zur Verbindung von norma
len Leitern oder Halbleitern mit Supraleitern, wobei einerseits
der elektrische Übergangswiderstand minimal und andererseits
ebenso die Wärmeleitung zwischen den Anschlüssen minimal sein
soll.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale
gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprü
chen gekennzeichnet.
Die vorliegende Erfindung
erlaubt, elektrische Schaltungen, die bei
Zimmertemperatur, und solche, die bei Heliumtemperaturen
funktionieren, also bei 300 K bzw. 4,5 K, zu überbrücken und
zu verbinden. Die Verbundzuleitung oder Durchführung
schafft eine Mehrfachverbindung für elek
trischen Strom zwischen Zonen unterschiedlicher Temperatur.
Sie wird typischerweise
innerhalb einer Anordnung verwendet, welche die Temperaturdif
ferenzen zwischen 300 K und 4,5 K aufrechterhält; und durch
seine Konstruktion macht der Durchführungs-Verbundkörper die
Wärmeleitung minimal und vermindert die Erwärmung in den
elektrisch leitenden Adern. Auf diese Weise bildet der
Durchführungs-Verbundkörper ein wirksames, billiges und zuver
lässiges Mittel zum Leiten von elektrischem Strom zwischen
Zimmer- und Heliumtemperaturen über unbegrenzte Zeitspannen.
Die Erfindung bringt eine Mehrzahl ungewöhnlicher
Vorteile und zahlreiche Vorzüge gegenüber herkömmlichen Durch
führungstechnologien:
- 1. Die Verbundzuleitung besteht aus nichtleitenden Füllmaterialien wie etwa Epoxy und aus leiten den Elementen, die Supraleiter mit hoher Sprungtemperatur darstellen (im folgenden als "HTSC" oder als "Hoch-Tc"- Elemente bezeichnet). Sowohl das nichtleitende Füllmaterial als auch die HTSC-Elemente haben niedrige Wärmeleitfähigkei ten, und daher hält das als integrale Einheit gebildete Durchführungs-Verbundstück Wärmefluß und Wärmeleitung zur 4,5°K-Temperaturzone minimal.
- 2. Da die Verbundzuleitung eine Vielzahl supraleitender Elemente hat, schließt sie aus, daß elektrische Leistung in ihr umgesetzt wird und infolgedessen eine Erwärmung von der Zuleitung selbst ausgeht. Dadurch wird vermieden, daß aus elektrischer Widerstandsheizung Wärme zur 4,5 K-Temperaturzone fließt.
- 3. Die Verbundzuleitung hat im Vergleich zu herkömmlichen Erzeugnissen eine sehr verbesserte mechanische Festigkeit und kann den schädlichen Einflüssen von Temperaturdifferenzen und -gradienten zwischen 300 K und 4,5 K widerstehen. Die Verbundzuleitung wird trotz wiederholten Gebrauchs über die Zeit nicht spröde, zerbrechlich oder bruch stückartig, sondern behält eine ungewöhnliche mechanische und Zerreißfestigkeit über lange Dauer.
- 4. Die Erfindung erlaubt die Verwendung von supraleitenden Zusammensetzungen mit hoher Sprungtemperatur (HTSC), die alternativ als Dünnschichten, Dickschichten und/oder massives Material ausgebildet sein können. Außerdem kann jedes dieser Ausführungen individuell in laminierter und/oder in multilaminierter Konstruktion hergestellt werden, um für die supraleitfähigen Elemente der Verbund zuleitung verwendet zu werden. Diese Auswahl und Vielfalt an Strukturen für die HTSC-Elemente erlaubt es dem Benutzer, diejenigen Eigenschaf ten und Charakteristiken, die für die jeweiligen Benutzungsbe dingungen oder beabsichtigten Anwendungen am vorteilhaftesten sind, kundenspezifisch zu realisieren und zu optimieren.
- 5. Die Verbundzuleitung steigert die elektrische Strombelastbarkeit von Verbindungsstücken über die Grenzen hinaus, die derzeit für eine bestimmte Verlustwärme bei Temperaturen von 4,5 K akzeptiert werden; sie erlaubt das Leiten von 100 Ampere oder mehr über die Temperaturgradient differenzen zwischen 75-80 K und 4,5 K in einer zuverlässigen regelmäßigen Weise. Es sei daran gedacht, daß die kritische Stromdichte ansteigt, wenn die Querschnittsfläche eines HTSC-Leiters abnimmt. Somit steigern die feindrahtförmi gen, massiven oder laminaren Strukturen, die von den supra leitfähigen Elementen der vorliegenden Erfindung gebildet werden, die Strombelastbarkeit sehr und erhöhen sie über jedes Maß hinaus, das derzeit den Personen vorschwebt, die auf dem betreffenden Gebiet arbeiten.
Es sei bemerkt und gewürdigt, daß die vorliegende Erfindung
sowohl die eigentliche Verbundzuleitung als ein Industrie
erzeugnis als auch eine Baugruppe zum Gegenstand
hat, in welche die Verbundzuleitung einzusetzen ist, damit die
beste Verwendung und der maximale Vorteil aus der
Durchführung gezogen wird.
Die Erfindung sei nun anhand von in den Zeichnungen dargestell
ten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausfüh
rungsform der erfindungsgemäßen Verbundzuleitung;
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungs
form der erfindungsgemäßen Verbundzuleitung;
Fig. 3 eine Ansicht einer bevorzugten Anordnung und Baugruppe,
welche die Verbundzuleitung nach Fig. 1 verwendet;
Fig. 4 ein Diagramm einer alternativen Baugruppe,
die mit der Verbundzuleitung nach Fig. 2 verwendet wird;
Fig. 5 eine Darstellung einer Balgvorrichtung innerhalb der in
Fig. 4 dargestellten alternativen Baueinheit;
Fig. 6 eine aufgeschnittene Darstellung der elektrischen Ver
bindung für die Verbundzuleitung innerhalb der Tempera
turzone von 75 bis 80 K;
Fig. 7 eine aufgeschnittene Darstellung der elektrischen Ver
bindung für die Verbundzuleitung innerhalb der Tempera
turzone von 4,5 K;
Fig. 8 eine perspektivische Ansicht der Versuchsvorrichtung,
die zum Prüfen und empirischen Bewerten der Verbundzu
leitung nach Fig. 2 verwendet wird;
Fig. 9 eine graphische Darstellung, welche für die Verbundzu
leitung nach Fig. 8 die Temperaturstabilität der elek
trischen Verbindung bei 75 bis 80 K als Funktion des
Stroms zeigt;
Fig. 10 eine graphische Darstellung, welche die Verlustleistung
einer 100-A-Verbundzuleitung als Funktion der Tempera
tur bei verschiedenen Betriebsströmen zeigt;
Fig. 11 eine graphische Darstellung, welche den Gesamtwiderstand
einer 100-A-Verbundzuleitung als Funktion der Temperatur
und verschiedener Betriebsströme zeigt;
Fig. 12 eine graphische Darstellung, welche den Gesamtwider
stand einer 100-A-Verbundzuleitung als Funktion des
Betriebsstroms bei einer Temperatur von 60 K zeigt.
Eine bevorzugte Verbundzuleitung, die in der Lage
ist, elektrischen Strom von Stromquellen auf 75-80 K an
supraleitende Schaltungen und Materialien zu übertragen, die
bei Heliumtemperatur von etwa 4,5 K arbeiten, ist in Fig.
1 und Fig. 2 dargestellt.
Wie dort zu erkennen,
besteht die Verbundzuleitung 10 aus einer Vielzahl supraleit
fähiger Elemente 12, deren jedes individuell in einem elek
trisch nichtleitenden Material 20 eingebettet ist. Jedes
dieser supraleitfähigen Elemente 12, die bei der vorliegenden
Ausführungsform frei gewählt als langgestreckte Stäbe
gestaltet sind, hat ein erstes axiales Ende 14, ein zweites
axiales Ende 16 und einen axial ausgedehnten Körper 18. Alle
diskreten supraleitfähigen Elemente 12 sind voneinander über
die gesamte Länge der Verbundzuleitung selbst achsenrich
tungsgleich beabstandet.
Somit sind alle supra
leitfähigen Elemente im wesentlichen parallel zueinander
ausgerichtet als eine Reihe benachbart liegender Stäbe. Durch
willkürliche Wahl für die vorliegende Ausführungsform ist das
erste axiale Ende 14 eines jeden supraleitfähigen Elementes 12
zur beabsichtigten Temperaturzone von 75-80 K hin orientiert,
während das zweite axiale Ende 16 willkürlich dazu ausersehen
ist, in Zukunft im Kontakt mit der beabsichtigten Zone der
Temperatur flüssigen Heliums (4,5 K) zu sein.
Die jeweiligen axialen Enden 14, 16 können auch vertauscht werden.
Jedes der supraleitfähigen Elemente 12 besteht aus mindestens
einem supraleitfähigen Material, das vorzugsweise ein Supra
leiter mit hoher Sprungtemperatur ist, ein sogenannter "HTSC".
Außerdem hat jedes diskrete supraleitfähige Element 12 einen
individuellen und bestimmbaren Wärmeausdehnungskoeffizienten,
der charakteristisch ist für das gewählte HTSC-Material, sein
Format (Dickschicht, Dünnschicht oder massiv) und die
Konstruktionsweise für jedes Element (d. h. ob es eine
laminierte oder nichtlaminierte Struktur hat).
Die elektrisch nichtleitende Füll- oder Vergußmasse umgibt und
bedeckt den größten Teil des axial ausgedehnten Körpers 18
eines jeden supraleitfähigen Elementes 12 individuell. Die
nichtleitende Füllmasse kapselt somit jedes der achsenrich
tungsgleich beabstandeten supraleitfähigen Elemente 12 über
den größten Teil ihrer axial ausgedehnten Körper 18 ein,
jedoch ohne das erste axiale Ende 14 und das zweite axiale
Ende 16 zu bedecken. Die nichtleitende Vergußmasse 20 bildet
in Kombination mit der Vielzahl achsenbeabstandeter supraleit
fähiger Elemente 12 eine integrale Einheit 30, bei der es sich
um die Minimalstruktur und wesentliche Konstruktion der
Verbundzuleitung als Ganzes handelt, welche die vorliegende
Erfindung darstellt. Das Füllmaterial 20 hält und stützt nicht
nur die einzelnen supraleitfähigen Elemente 12 in festen
räumlichen Positionen zueinander, es verkapselt und schützt
außerdem jedes der achsenrichtungsgleich beabstandeten supra
leitfähigen Elemente 12 über den größten Teil der Länge der
ausgedehnten Körper kumulativ und kollektiv, um eine inte
grierte Einheit mit vorgewählten Abmessungen, Masse und
Gestalt zu bilden.
Das gewählte Füllmaterial kann eine von verschiedenen Verguß
zusammensetzungen sein, die als Mitglieder zusammen eine
Klasse mit gemeinsamen Charakteristiken und Eigenschaften
bilden. Unter diesen Eigenschaften und Charakteristiken der
die Klasse bildenden Mitglieder sind folgende: jedes Füll
material ist chemisch und physikalisch resistent gegenüber den
Einflüssen einer Temperaturdifferenz, die zwischen etwa 300 K
und etwa 4,5 K herrscht. Außerdem ist jedes der gewählten
Füllmaterialien sorgfältig zubereitet und eingestellt, um
einen Wärmeausdehnungskoeffizienten zu haben, der im wesentli
chen ähnlich wenn nicht genau gleich dem Wärmeausdehnungsko
effizienten des supraleitfähigen Elementes ist, das die
Verbundzuleitung als eine integrale Einheit bildet. Somit gibt
es eine zielbewußte Anpassung, Ausrichtung und Auswahl der
Hoch-Tc-Materialien, die als supraleitfähige Elemente 12
verwendet werden sollen, mit den nichtleitenden Füllmateria
lien 20, so daß jedes von ihnen im wesentlichen gleiche
Wärmeausdehnungskoeffizienten zeigt.
Außerdem ist es wünschenswert, daß die elektrisch nichtlei
tende Vergußmasse 20, die jedes der
beabstandeten supraleitfähigen Elemente über den größten Teil
seines axial ausgedehnten Körpers bedeckt und einkapselt, ein
hohes Maß an mechanischer und Zerreißfestigkeit hat, nach
seiner Kombination mit den supraleitfähigen Elementen und nach
Bildung der integralen Einheit relativ unbiegsam und steif
ist, daß das Füllmaterial zweckmäßigerweise undurchdringlich
für Flüssigkeiten und/oder Gase ist und daß das Füllmaterial
über eine Dauer von Jahren haltbar ist, ohne brüchig, wellig
oder unstabil zu werden.
Es sei erwähnt, daß die Verbundzuleitung nach
Fig. 1 an ihren ersten axialen Enden 14 niederohmige elektri
sche Kontakte und elektrische Verbindungen mit normalen
elektrischen Leitern auf Temperaturen von 75-80 K bildet,
sowie auch an ihren zweiten axialen Enden 16 zu ihrem Anschluß
an supraleitende Metalle oder Legierungen auf Temperaturen von
4,5 K. Die elektrischen Verbindungspunkte an jedem axialen
Ende 14, 16 werden vorzugsweise durch Metallisierung des HTSC-
Materials gebildet, unter Verwendung von Loten aus
Speziallegierung (z. B. solchen, wie sie mit dem bereits erwähnten
US-Patent Nr. 4 966 142 beschrieben werden).
Die niederohmigen elektrischen Kontakte
und Verbindungsstellen verhindern die Erzeugung elektrischer
Wärme an den Kontaktpunkten, so daß die HTSC-Elemente unter
Supraleitungstemperaturen gehalten werden. Außerdem sind diese
Kontakte und Verbindungsstellen, da die zweiten axialen Enden
16 bei etwa 4,5 K elektrisch angeschlossen sind, praktisch
selbst Supraleiter.
Einige Zusatzeinrichtungen
können gewünschtenfalls mit der gebildeten integralen Einheit
30 verbunden oder auf ihr montiert werden, wie es durch Fig. 2
offenbart ist. Wie dort gezeigt, sind mehrere Folien 40,
vorzugsweise aus Kupfer oder anderen wärmeleitenden Metallen,
während des Zusammenbaus der integralen Einheit 30 in das
nichtleitende Füllmaterial 20 eingebettet worden. Es ist
höchst wünschenswert, daß diese Folien 40 so im Füllmaterial
angeordnet sind, daß ihre Orientierung in einer Ebene oder
Achse liegt, die im wesentlichen senkrecht zur Position oder
Achse der integralen Einheit 30 ist. Jeder dieser Folien hat
einen eingebetteten Rand 42 und einen ausgedehnten Umfang 44,
der dazu gedacht ist, in körperliche und thermische Verbindung
mit einer Anordnung oder Vorrichtung zu treten, die einen
Bereich immer tiefer gehender Temperaturen zwischen 75-80 K
und 4,5 K schafft. Diese Folien 40 sind Beiwerk zur Minimal
struktur der Verbundzuleitung 10, um thermischen Kontakt mit
den Reservoirs unterschiedlicher Temperatur zu erleichtern und
um zu verhindern, daß sich die verschiedenen Temperaturberei
che durchmischen, in denen die Verbundzuleitung
verwendet wird.
Ein anderes wahlfreies Merkmal ist die Verwendung von
Flanschen 50, die direkt auf der konturierten Form und Masse
des nichtleitenden Füllmaterials 20 angeordnet sind, welche
die integrale Einheit bildet. Solche Flansche bestehen aus
elastischen Metallen oder Polymeren, und sobald sie um den
Umfang der integralen Einheit 30 gelegt sind, wie in der Fig.
2 gezeigt, erlauben diese Flansche 50, daß die Verbund
zuleitung innerhalb einer vorbereiteten Baugruppe oder
Vorrichtung ohne Schwierigkeit oder große Anstrengung befe
stigt, gehalten und gestützt werden kann.
Die supraleitfähigen Elemente sind zweckmäßi
gerweise aus Stücken massiven HTSC-Materials aufgebaut;
genausogut geeignet für diese Anwendung sind jedoch auch
verschiedene andere Formen für die HTSC, wie etwa mehrschich
tige Dickfilme und mehrschichtige Massivstücke. Alle diese
Formen ziehen Vorteil aus dem Einfluß der Dicke auf die
kritische Stromdichte, denn es wurde empirisch gefunden, daß
die kritische Stromdichte einer Schicht höher wird, wenn die
Dicke dieser Schicht abnimmt. Die Verwendung mehrerer Elemente
hat weiterhin den Vorteil,
die gesamte integrale Einheit betriebs
sicherer angesichts des Ausfalls eines einzigen HTSC-Elementes
zu machen. Außerdem wird die thermische Stabilität erhöht, und
der Effekt des Eigenfeldes auf die kritische Strombelastbar
keit der Verbundzuleitung wird verbessert.
Die Konstruktion einer Verbund
zuleitung, die aus massiven HTSC-Leiterelementen besteht, wird
hier ausführlich als die bevorzugte Ausführungsform beschrie
ben. Die Konstruktion einer Verbundzuleitung unter Verwendung
von HTSC-Elementen in den alternativen Formaten ist jedoch die
gleiche, abgesehen von der Herstellung der Elemente selbst
(bei denen hier angenommen wird, daß sie aus handelsüblichen
Quellen bezogen sind).
Die hier verwendeten HTSC-Elemente werden in den Abmessungen
und mit den passenden Supraleitungscharakteristiken, die für
die vorliegende Anwendung als geeignet erscheinen, kommerziell
bezogen. Typische Abmessungen für HTSC-Stücke für ein für
100 A ausgelegtes Durchführungs-Verbundstück sind eine Dicke
von 0,1-5 mm, eine Breite von 1-10 mm, eine Länge von 15-30
cm. Bei einer solchen Konstruktion fließt der elektrische
Strom längs der axialen Längsabmessung der Elemente. Der
Querschnitt für den Stromfluß wird dann durch die Dicke und
die Breite der einzelnen Elemente bestimmt. Die Mindestdicke
ist begrenzt durch Erwägungen hinsichtlich der Handhabbarkeit,
da HTSC ein sprödes Material ist.
Für den Zweck der Herstellung von Kontakten mit jedem Ende der
Stücke wird eine Schicht eines leitenden Metalls wie etwa
Silber auf die Oberflächen der Elemente an ihren axialen Enden
aufgebracht, und zwar über eine Länge von etwa 1 cm, gemessen
von jedem axialen Ende. Dann werden die Elemente einer Wärme
behandlung in Sauerstoff unterzogen, um den Sauerstoffgehalt
des HTSC wiederherzustellen.
Um die Verbundzuleitung zu bilden, werden die HTSC-Elemente am
zweckmäßigsten in einer Epoxy-Verbundmasse vergossen, deren
Wärmeausdehnungskoeffizient demjenigen des HTSC-Materials
angepaßt ist. Dies geschieht durch Zugabe geeigneter Füll
stoffe zum Epoxymaterial.
Zunächst wird eine geeignete Anzahl von HTSC-Elementen
gewählt, um einen genügenden Gesamt-Leiterquerschnitt für den
vom Verbundleiter zu übertragenden Strom zu erhalten. Diese
wird bestimmt durch die kritische Stromdichte der Elemente mit
gewissem Spielraum für Streuungen. Für den 100-A-Verbundleiter
wird eine Gesamtquerschnittsfläche von 0,2 cm² als genügend
angesehen, es werden also 20 diskrete Elemente benötigt. Die
HTSC-Elemente werden nahe zueinander angeordnet und parallel ausgerich
tet.
Sie sind dicht nebeneinander, jedoch nicht notwendi
gerweise in Berührung und meistens elektrisch voneinander
isoliert. Zum Vergießen werden sie vorzugsweise an ihren
axialen Enden durch geschlitzte Scheiben in Position gehalten,
die für diesen Zweck konstruiert sind. Die Scheiben bilden die
Endkappen eines Vergußbehälters bzw. einer Gießform. Die
Scheiben sind entlang dem Rand der Form angeordnet, so daß die
axialen Enden der Elemente nicht innerhalb des Epoxygusses
liegen.
Gewünschtenfalls können, um eine Kühlung der einzelnen HTSC-
Elemente durch Wärmeleitung zu erlauben, einige getrennte
Lagen wärmeleitender Folie wie z. B. Kupfer in thermischen
(aber nicht elektrischen) Kontakt mit den Elementen an einigen
Stellen entlang ihrer Längen gebracht werden, wobei die mitt
leren Ebenen der Folienlagen vorzugsweise senkrecht zur
linearen Achse der Elemente liegen. Die Folienlagen haben
Laschen (aus Folien ausgeschnitten), die von den Seiten des
Epoxygusses vorstehen können, um durch Druck oder Lötung
thermischen Kontakt mit den Elementen herzustellen.
Der Vorgang des Vergießens erfolgt durch Einschließen der
HTSC-Elemente in einen rohrartigen Behälter oder eine rohr
artige Form, die aus Glas hergestellt ist, das rundum mit
nichtklebendem Kunststoff oder Wachs ausgekleidet ist. Das
Bündel der HTSC-Elemente und die geschlitzten Haltescheiben
werden innerhalb des rohrähnlichen Glasbehälters positioniert,
dessen ein Ende vorher mit Fett verstopft worden ist. Das
flüssige Epoxymaterial wird in den Glasbehälter gegossen und
abbinden und aushärten gelassen. Das Ergebnis ist eine HTSC-
Verbundzuleitung mit mehreren Elementen, die als integrale
Einheit aus dem Glasbehälter geschoben werden kann. Der größte
Teil der Länge und des Volumens der HTSC-Elemente ist durch
das robuste Verguß-Epoxymaterial gegenüber der Flüssighelium-
Umgebung und gegen rauhe Behandlung geschützt. Die axialen
Enden der Elemente ragen aus beiden Enden der Epoxymasse
hervor und sind bereit zur Herstellung elektrischer Kontakte
und Verbindung innerhalb einer Baugruppe.
Bezweckt mit der
Verbundzuleitung wird die Übertragung elektrischen Stroms von
Quellen, die auf einer Temperatur von 75-80 K liegen, zu supra
leitenden Leitungen, die bei der Temperatur flüssigen Heliums
(4,5 K) arbeiten. Die Einheit weist
mehrere Elemente supraleitfähiger Materie hoher Sprungtempera
tur auf, bereitgestellt als Vielzahl supraleitfähiger Elemen
te, die parallel zueinander liegen und in einem elektrisch
nichtleitenden Füllmaterial vergossen sind, das einen Wärme
ausdehnungskoeffizienten hat, der demjenigen des HTSC-
Materials im wesentlichen angepaßt ist. Die HTSC-Elemente sind
bei und unterhalb 80 K supraleitend und haben einzeln für sich
niedrige Wärmeleitfähigkeit. Das Füllmaterial ist so gewählt,
daß es niedrige Wärmeleitfähigkeit und eine minimale Quer
schnittsfläche hat, um Wärmeleitung von der 80 K-Temperatur
zone in die 4,5 K-Temperaturzone minimal zu machen.
Die konstruktive Anordnung unter Verwendung einer Vielzahl von
supraleitfähigen Elementen parallel zueinander ist also
gewählt zu dem Zweck, 1) die Wärmeleitung von der 75-80 K-
Temperaturzone in die 4,5 K-Temperaturzone zu minimieren, 2)
die kritische Strombelastbarkeit der HTSC-Elemente mit der
Reduktion der Querschnittsfläche zu verbessern, 3) die thermi
sche Stabilität der Verbundzuleitung als integrales Ganzes zu
verbessern; 4) die Einflüsse des Eigenfeldes auf die kritische
Strombelastbarkeit des Durchführungs-Verbundstückes zu
mindern, und 5) die Unterbrechung elektrischer Leitung durch
möglichen Ausfall einer oder mehrerer einzelner superleitfähi
ger Elemente zu minimieren.
Die typischerweise nach oben und unten orientierten axialen
Enden der HTSC-Bauteile sind so positioniert, daß sie um ein
oder mehr Millimeter aus der Wirklichkeit des Füllmaterials in
der integralen Einheit vorstehen, um den Oberflächenbereich
elektrischen Kontaktes der HTSC-Elemente im einzeln zu vergrö
ßern. Die oberen und unteren axialen Enden der supraleitfähi
gen Elemente werden vorzugsweise metallbeschichtet oder
gereinigt und poliert in Vorbereitung zur elektrischen
Anschlußbefestigung in der beabsichtigten Baugruppe oder
Vorrichtung, die den Ort bzw. die Verhältnisse der beabsich
tigten Verwendung und Funktion darstellt.
Bevor weitere Einzelheiten einer Baugruppe
beschrieben werden, in der die Verbundzuleitung typischerweise
angeordnet wird, sei der
weite Bereich und die Vielgestaltigkeit der
Mindestbestandteile der Verbundzuleitung erwähnt, die als
Ganzes Gegenstand der Erfindung ist.
Ein weiter
Bereich von Substanzen einschließlich feuerfester Oxidverbin
dungen, Metall-Legierungen und chemischer Elemente hat
Supraleitungseigenschaften.
Eine repräsentative, wenn auch
unvollständige Auflistung gibt die nachstehende Tabelle 1.
Es sei jedoch erwähnt, daß in den letzten
Jahren bestimmte Arten von feuerfesten keramischen Oxiden
entwickelt worden sind, die "Supraleiter mit hoher Sprungtem
peratur" bilden, und daß diese Substanzen höchst zweckmäßig
zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung sind. Die
Nutzung und der Einsatz von HTSC-Materialien in Anwendungen
mit hohen Strömen hängt zum großen Teil ab vom elektrischen
Zwischenschichtwiderstand der HTSC-Materialien miteinander,
mit anderen Supraleitern und mit normalen Metallen.
Ein Hauptgesichtspunkt bei der Konstruktion einer elektrischen
Verbundzuleitung zwischen Stickstoff- und Helium
temperaturen ist die Notwendigkeit, den gesamten Leiterwider
stand minimal zu machen, um die durch ohmsche Verlustleistung
bedingte Joulesche Erwärmung zu minimieren, und die Notwendig
keit, die gesamte Wärmeleitfähigkeit minimal zu machen, um eine
Übertragung von Wärme über die Zuleitung in die Heliumtempera
turzone zu reduzieren. Unter den Standard- oder Normalleitern,
die typischer- und herkömmlicherweise zur Übertragung von
Strom in Kryostaten verwendet werden, sind Konstantan,
rostfreier Stahl und Kupfer. Weiter unten wird gezeigt werden
(vgl. Tabelle 4 für eine Zusammenfassung), daß ein Supralei
ter, der aus HTSC-Material besteht, besser arbeitet als ein
normaler Leiter, der die besten elektrischen und thermischen
Leiteigenschaften der Standardleiter hat.
Tatsache ist, daß die elektrische Leitfähigkeit und die
Wärmeleitfähigkeit der Standardleiter eng miteinander verkop
pelt sind, so daß der bessere elektrische Leiter im allgemei
nen auch die bessere Wärmeleitfähigkeit hat. Diese Tatsache
macht das gleichzeitige Erreichen der oben erwähnten Ziele für
die Standardleiter in der Praxis unmöglich.
Um zu zeigen, daß HTSC-Materialien Standardleitern vorzuziehen
sind, werden die Konstruktions- und Betriebsparameter für
einen günstigsten Leiter, der die beste elektrische Leitfähig
keit der oben genannten Standardleiter mit der schlechtesten
Wärmeleitfähigkeit kombiniert, direkt verglichen und ausgewer
tet. Die Tabelle 2 zeigt die spezifischen Widerstände der
Standardleiter bei verschiedenen Temperaturen. Als Referenz
und zum Vergleich ist der Wert für Yttrium-Barium-Kupferoxid
(YBCO), die am besten erforschte und am leichtesten verfügbare
HTSC-Substanz, hinzugefügt.
Die Tabelle 2 zeigt, daß Kupfer bei weitem der beste der
aufgeführten Standardleiter ist. Unter der Annahme, daß alle
hier ausgewerteten Leiter zwischen denselben Temperaturen
arbeiten und die gleiche Länge haben, bleibt als einziger frei
wählbarer Dimensionierungsparameter des Leiters die Quer
schnittsfläche. Die zu nehmende Querschnittsfläche bestimmt
sich nach dem Strom, der vom Leiter zu übertragen ist. Gemäß
Berechnung muß für einen Strom von 100 A bei Zimmertemperatur
ein Kupferdraht einen Durchmesser von 0,734 cm
haben, und die Querschnittsfläche des Drahtes beträgt dann
0,423 cm². Unter Einsatz des besten Wertes für die Kupferleit
fähigkeit von 0,1 Mikroohm·cm bei 4 K ergibt sich ein Wert von
0,0236 Mikroohm/cm für den Widerstand pro Längeneinheit des
Kupferleiters. Eine angenommene Länge des Kupferleiters
von 40 cm führt zu einer Verlustleistung von 9,44 mW.
Wenn man bei einem aus YBCO bestehenden Leiter die erwarteten
kritischen Ströme in den am Leiter erwarteten Feldern berück
sichtigt (siehe unten), dann ist für einen 100-A-Leiter eine
Mindestquerschnittsfläche von 0,2 cm² erforderlich. Messungen
der ausdauernden Ströme in YBCO bei Stickstofftemperatur
liefern für dessen spezifischen Widerstand eine obere Grenze
von 2·10-12 Ohm·cm. Nimmt man diesen Wert und die erforderli
che Querschnittsfläche des YBCO, dann ergibt sich ein Wert von
1·10-11 Ohm/cm für den Widerstand pro Längeneinheit des YBCO.
Dies ist um den Faktor 2360 besser als der Wert für den
Kupferleiter. Die Verlustleistung beträgt 4 µW.
Die Tabelle 3 zeigt die mittleren Wärmeleitfähigkeiten der
Standardleiter. Die mittlere Wärmeleitfähigkeit bedeutet hier
den mittleren Wert der Wärmeleitfähigkeit integriert von
Zimmertemperatur bis Heliumtemperatur.
Mittlere Wärmeleitfähigkeit von Leitern, die gewöhnlich in der Tieftemperaturtechnik verwendet werden | |
W/cm·K | |
Kupfer | |
1,60 | |
Konstantan | 0,18 |
Rostfreier Stahl | 0,10 |
YBCO | <6·10-3 (<77 K) |
Epoxy | sehr niedrig |
Die Tabelle zeigt, daß rostfreier Stahl die geringste Wärme
leitfähigkeit der Standardleiter hat. Setzt man für den
hypothetischen Leiter die Wärmeleitfähigkeit des rostfreien
Stahls ein, und nimmt man an, daß er zwischen Stickstofftempe
ratur und Heliumtemperatur mit derselben Querschnittsfläche
wie der vorher beschriebene Kupferleiter arbeitet, dann ergibt
sich eine Wärmeableitung von 77,2 mW.
Gemessene und in der Literatur angegebene Werte der Wärmeleit
fähigkeit für YBCO sind unterhalb der Stickstofftemperatur
kleiner als 6·10-3 W/cm·K. Somit ist die Wärmeableitung für
den YBCO-Leiter 2,3 mW, was um einen Faktor von 33 geringer
ist als die Wärmeableitung für den hypothetischen günstigsten
Leiter, der die elektrische Leitfähigkeit von Kupfer und die
Wärmeleitfähigkeit von rostfreiem Stahl hat.
Eine Zusammenfassung der Verlustleistung und der Wärmeablei
tung für den hypothetischen Leiter und für den YBCO-Leiter ist
in der Tabelle 4 dargestellt. Man erkennt, daß der YBCO-Leiter
eine um den Faktor 40 bessere Qualität hat als der hypotheti
sche Leiter, der die hohe elektrische Leitfähigkeit von Kupfer
mit der niedrigen Wärmeleitfähigkeit von rostfreiem Stahl
kombiniert. Da die wirklichen Standardleiter in der Kombina
tion der Eigenschaften viel schlechter sind, ist der YBCO-
Leiter einem Standardleiter für die Lieferung von Leistung bei
den gegebenen Temperaturen offensichtlich vorzuziehen und ist
um den Faktor 400 besser als die beste Eigenschaftskombination
von Standardleitern.
Es sei erwähnt, daß die in der Tabelle 4 angegebenen Schätz
werte nicht die Verjüngung der Leitungen berücksichtigen, die
möglicherweise wegen der höheren kritischen Ströme bei
niedrigeren Temperaturen eingeht. Sie berücksichtigen auch
nicht eine thermische Verankerung bei 20 K, welche die
Wärmeableitung in das 4,5 K-Reservoir weiter vermindern kann.
Vorausgesetzt, daß die Verwendung von HTSC-Leiterelementen zu
wesentlichen Reduzierungen der Wärmeableitung in die 4,5 K-
Temperaturzone führt, sollte man das bevorzugte Format für das
die Supraleiterelemente darstellende HTSC-Material bestimmen
und wählen. Die verfügbaren Formate sind: a) Dünnfilme,
b) Dickfilme und c) Massivkörper.
Um aus diesen Formen eine geeignete und vorteilhafte Form
auszuwählen, müssen einige Charakteristiken der verschiedenen
Formen untersucht werden. Es handelt sich hierbei um die
kritische Stromdichte, die Größe des Substrats relativ zum
Supraleiter, die Wärmeleitfähigkeit und Massigkeit des
Substrats relativ zum Supraleiterelement, die Kosten des
Elementes und schließlich die Verfügbarkeit.
Um die höchsten kritischen Stromdichten zu erzielen, ist es
notwendig, Dünnfilme des HTSC bereitzustellen. Es ist möglich,
in Dünnschichten aus YBCO kritische Stromdichten von mehr als
10⁵ A/cm² bei 77 K zu erhalten. Andere Faktoren schränken
jedoch die Nutzbarkeit von Dünnschichten bei der vorliegenden
Anwendung ein. Bei typischen Dünnschichten von 0,1 Mikron und
Substratdicken von etwa 0,1 mm würde bei einem unter Verwen
dung von YBCO-Dünnschichten hergestellten Supraleiterelement
das Substrat 99,9% und der Leiter nur 0,1% des Querschnittes
ausmachen. Außerdem erfordert die Herstellung von Dünnschich
ten mit hohen kritischen Stromdichten eine Ablagerung auf
speziellen Substraten (MgO, SrTiO₃, ZrO₂), um die Kornaus
richtung zu erleichtern. Die Substratstoffe sind im allgemei
nen teuer, um die Ablagerungsgeschwindigkeiten sind gering,
wodurch die Serienherstellung von Schichtleiterelementen
eingeschränkt wird.
Eine verheißungsvollere Form für HTSC-Elemente ist der
Dickfilm. Um dicke supraleitfähige Filme zu bilden, hat man
Dickschichten aus YBCO in einem organischen Bindemittel im
Siebdruck auf verschiedene Substrate aufgebracht und wärmebe
handelt. Es sind Schichten bis zu 40 Mikron Dicke mit guten
Supraleitungseigenschaften durch andere angefertigt worden.
Dickschichten aus YBCO mit einer Silberimprägnierung von 10
Gewichtsprozent liefern kritische Stromdichten von 3000 A/cm²
bei 77 K und 100 A/cm² bei einem angelegten Magnetfeld von 500
Gauß. Man kann also davon ausgehen, daß Dickschichten auf Substra
ten eine hundertfach bessere elektrische Leitung im Quer
schnitt bringen als Dünnschichten. Jedoch sind die maximalen
kritischen Stromdichten um mindestens den gleichen Faktor
niedriger als bei Dünnfilmen. Die leichte Herstellbarkeit von
Dickfilmen verspricht viel niedrigere Produktionskosten als
die Herstellung von Dünnfilmen.
Die am meisten übliche Form von HTSC (z. B. YBCO) ist Massiv
material aus gesintertem Pulver keramischen Oxids. Kritische
Stromdichten in der Höhe von 1100 A/cm² bei 77 K, wie man sie
in massiven Probestücken gefunden hat, sind geringer als
diejenigen, die man in Dünnschichten gefunden hat, und für
handelsübliche Stücke sind Werte von 50 A/cm² typisch. Der
Vorteil der Verwendung massiven HTSC-Materials wie YBCO als
Supraleiterelement ist das Fehlen eines Substrats, so daß der
gesamte Querschnitt des Elementes aus elektrischem Leiter
besteht und kein Beitrag zur Wärmeleitung durch ein Substrat
vorhanden ist. Der Nachteil massiven YBCO-Materials ist seine
Steifigkeit und Sprödigkeit. Der letztgenannte Nachteil kann
jedoch durch Verwendung eines geeigneten Vergußmaterials
überwunden werden. Eine gewisse Verbesserung in der kritischen
Stromdichte und des Verhaltens bei schwachen Feldern hat man
durch Packen des YBCO-Pulvers in Silberrohr, durch Ziehen und
Pressen des Rohrs in flache Bänder und Wärmebehandlung in
Sauerstoff erzielt. Kritische Stromdichten in der Höhe von
2000 A/cm² bei einem angelegten Magnetfeld von Null und 20
A/cm² bei 200 Gauß sind erreicht worden. Die Bänder sind etwas
biegsam. Der Hauptnachteil der Bänder bei dieser Anwendung ist
die hohe Wärmeleitfähigkeit der Silberummantelung. Für gegen
wärtig verfügbare Bänder macht diese ungefähr 60% des Quer
schnitts des Supraleiters aus. Diese Ummantelung wäre im Falle
ihrer Benutzung für die laufende Verwendung zu minimieren,
oder es wären alternative Stoffe für die Ummantelung zu
verwenden.
Offensichtlich ist HTSC-Massivmaterial die bevorzugte Wahl.
Die untenstehende Tabelle 5 faßt die Eigenschaften der oben
erwähnten Formen zusammen. Außerdem ist ein HTSC-Massiv
material aus keramischem Oxid wie etwa YBCO die derzeit
bevorzugte Wahl für großtechnische Anwendungen. Dieses
Material hat eine genügend hohe kritische Stromdichte, um
beträchtliche Ströme in vernünftigen Leiterquerschnitten zu
leiten (z. B. 500 A in 1 cm²). Massives YBCO ist weitgehend
verfügbar und weniger teuer als Filme. Bei kreativer Abschir
mung durch Mu-Metall oder sogar HTSC-Abschirmungen kann es
seine Strombelastbarkeit bei mäßigen magnetischen Umgebungs
feldern beibehalten. Bei passender mechanischer Verstärkung
werden die Sprödigkeit und Handhabungsprobleme wesentlich
reduziert. Somit ist massives YBCO oder Wismut-Strontium-
Calcium-Kupfer-Oxid (BSCCO) das bevorzugte HTSC-Material.
Die HTSC-Elemente können auch alternativ entweder als nicht
laminierte oder als laminierte Strukturen angefertigt und
strukturiert werden, bevor sie verwendet und mit dem Füllmate
rial zur Bildung der integralen Einheit vergossen werden. Die
verfügbare Auswahl enthält: a) lange dünne Stücke aus massivem
HTSC, b) mehrschichtige Dickfilmlaminate und c) mehrschichtige
Zubereitungen aus massivem Material.
Dies ist die
bevorzugte Form, wie sie in den Fig. 1 und 2 dargestellt
und ausführlich oben beschrieben wurde. Dies ist klar das am
meisten bevorzugte Format für das HTSC-Material.
Diese Form verwendet
dicke Filme aus supraleitfähigen Materialien, die auf ein
tragendes polymeres Substrat aufgebracht werden, um eine
laminierte Konstruktion zu bilden. Die Zubereitung von HTSC-
Dickfilmlaminaten und die resultierende Struktur und Konstruk
tion ist allgemein bekannt und in der wissenschaftlichen
Literatur beschrieben. Zweck und Ziel ist
es, eine dicke Schicht aus einem Supraleiter wie z. B. YBCO auf
ein geeignetes Substrat aufzubringen und dann eine strukturell
kompatible Schicht eines elektrischen Isolators (etwa nicht
supraleitfähiges YBCO) als Deckschicht auf das Laminat zu
bringen. Das Endprodukt ist dann ein elektrisch isoliertes
HTSC-Laminat, das anschließend als einzelnes supraleitfähiges
Element innerhalb des Durchführungs-Verbundkörpers verwendet
wird. Solche Dickfilm-Supraleiter in Mehrschichtlaminat haben
niedrige Wärmeleitfähigkeit, sind dünne Schichten relativ zur
Dicke des Gesamtelementes und werden einzeln als supraleitfä
hige Elemente im Abstand voneinander achsenrichtungsgleich
innerhalb des umgebenden Füllmaterials verwendet, um die
integrale Einheit zu bilden.
Um ein
massives HTSC-Element in mehrschichtiger Form herzustellen,
wird das Vorläuferpulver für die HTSC-Masse zweckmäßigerweise
in eine gestaltete Preß- oder Hohlform gepackt, um es in ein
geformtes Pellet vorgewählter Gestalt und Abmessungen zu
pressen, ähnlich einer Scheibe oder Platte. Die HTSC-Masse
wird jeweils eine Schicht auf einmal in die Preßform gepackt
und gepreßt, um eine Platte zu bilden. Anschließend wird jede
gepreßte HTSC-Schicht-Platte mit Separatorelementen wie etwa
einer Metallfolie bedeckt, die unschädlich für das HTSC-Material
ist. Ein geeignetes Metallfolien-Separatormaterial ist Kupfer
folie. Dann wird eine weitere Schicht aus HTSC-Pulver in die
Preßform gepackt und auf die Dicke der Zubereitung gepreßt. So
werden mehrere abwechselnde Schichten von pulverförmigem HTSC-
Material und Separatorpartikeln nacheinander zusammengepreßt,
um eine mehrschichtige Laminatstruktur zu bilden. Die voll
ständige Laminatzubereitung wird dann schließlich in eine
vorgewählte Gestalt und Abmessung geprägt oder geformt, etwa
als ein Pellet vorgegebener Größe und Dicke. Das gepreßte
Pellet, welches die mehrschichtige Massivlaminat-Zubereitung
darstellt, wird dann in der herkömmlichen Weise gebrannt und
mit Sauerstoff angereichert, um ein supraleitendes Element zu
liefern. Mehrere dieser mehrschichtigen Massivmaterial-
Zubereitungen werden individuell hergestellt und gemeinsam
verwendet, um eine Vielzahl supraleitfähiger laminierter
Elemente vorzusehen, welche die integrale Einheit bildet, die
den Durchführungsverbinder darstellt.
Das die erfindungsge
mäße Verbundzuleitung bildende Füllmaterial braucht nur vier Mindest
eigenschaften und -charakteristiken zu zeigen, nämlich:
das Füllmaterial ist selbst
elektrisch nichtleitend; das Füllmaterial hat eine geringe
Wärmeleitfähigkeit zwischen 300 K und 4,5 K; das Füllmaterial
ist resistent gegenüber den Einflüssen der Temperaturdifferen
zen von etwa 300 K bis etwa 4,5 K, und das Füllmaterial hat
einen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der im wesentlichen
gleich dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der supraleitfähigen
Elemente ist, die in der speziellen Ausführungsform des
Durchführungs-Verbundkörpers verwendet werden.
Außerdem gibt es eine Anzahl optionaler Merkmale
des Füll- oder Vergußmaterials bei bevorzugten Ausführungsfor
men der vorliegenden Erfindung. Diese sind: ein Füllmaterial,
das über die Dauer von Jahren haltbar und chemisch stabil ist;
ein Füllmaterial, das relativ undurchdringlich für Flüssigkei
ten und Gase ist; ein Füllmaterial, das ein Polymer ist und
nach Bedarf zubereitet und mit Leichtigkeit und Schnelligkeit
manipuliert werden kann, und ein Füllmaterial, das herkömmli
che Rezeptur hat und in handelsüblichen Mengen für den
Gebrauch zur Verfügung steht.
Bei dem angegebenen Bereich von Minimaleigenschaften und
wünschenswerten Charakteristiken für die Füll- oder
Vergußmaterialien bilden Epoxymaterialien als chemische Klasse
die am meisten geeigneten wünschenswerten Zusammensetzungen
für den Gebrauch. Zur Wahl stehen handelsübliche Epoxymaterialien,
die herkömmlicherweise in Tieftemperatur-Umgebun
gen verwendet werden.
Einige Epoxyzusammensetzungen enthalten
feste Stoffe, die es dem Benutzer erlauben, den Wärmeausdeh
nungskoeffizienten des Epoxymaterials zu modifizieren und zu
ändern; am meisten geeignet für den vorliegenden allgemeinen
Zweck erscheinen Epoxymaterialien mit niedriger Viskosität.
Diese Epoxymaterialien sind im Handel erhältlich; die wissen
schaftliche und Werbeliteratur vermittelt jedoch mehr als
genug Kenntnisse und Information für jeden Durchschnittsfach
mann, der seine eigenen Epoxyansätze für seinen eigenen
Gebrauch und spezifizierte Parameter zuzubereiten wünscht.
Solche Epoxymaterialien können mit einem Abisolier
werkzeug entfernt oder unter
Anwendung eines warmen Lötkolbens fortgeschnitten werden.
Sie können auch durch verschiedene organische
Lösungsmittel über eine Dauer von Stunden bis Wochen
angegriffen werden - einige Beispiele sind Aceton (das langsam
einwirkt und gut für kurzfristige Reinigung von Stücken ist)
und Methylenchlorid (das wesentlich schneller einwirkt). Die
Epoxymaterialien werden durch konzentrierte Säuren nur schwach
angegriffen und erscheinen undurchdringlich für starke Basen.
Ein brauchbares Fabrikationsverfahren besteht darin, eine Form
aus Aluminium zu schaffen, die mit hoher Präzision auf eine
sehr glatte Oberfläche bearbeitet werden kann, das Epoxymate
rial hinein- oder herumzugießen und dann später das Aluminium
mit konzentrierter NaOH fortzuätzen. Auf diese Weise sind sehr
präzise und feine Strukturen hergestellt worden.
Die Verbundzuleitung
gemäß der vorliegenden Erfindung wird in eine zweckvoll hergerich
tete Baugruppe und Anordnung gesetzt, die elektrischen
Strom durch drei verschiedene Temperaturmilieus leitet, eine
75-80 K-Zone, eine 20-25 K-Zone und eine 0-5 K-Zone.
Eine bevorzugte Anordnung und eine bevorzugte Baugruppe für
das Durchführungsstück bzw. die Verbundzuleitung zum Übertra
gen eines 100 Ampere starken elektrischen Stroms von 300 K auf
4,5 K ist in der Fig. 3 dargestellt, worin die Verbund
zuleitung (Fig. 1)
innerhalb einer Haltekammer oder Raumzone positioniert darge
stellt ist, die ein Reservoir oder Bad aus flüssigem Helium
auf eine Temperatur von 4,5 K oder weniger ist. Die Orientie
rung und Positionierung der Verbundzuleitung 10 ist so, daß
das erste axiale Ende 14 innerhalb der 75-80 K-Temperaturzone
liegt, die den oberen Bereich der Kammer bildet; der ausge
dehnte axiale Körper 18 liegt innerhalb der Mitte der Kammer,
welche die 20-25 K-Temperaturzone bildet, und das zweite
axiale Ende 16 ist in flüssiges Helium auf einer Temperatur
von 4,5 K oder weniger getaucht, das sich am Boden der Kammer
befindet. Die verschiedenen Temperaturbereiche oder -zonen im
Innenraum der Haltekammer werden dadurch, daß das flüssige
Helium auf 4,5 K oder weniger gehalten wird, gebildet und
aufrechterhalten, weil sich Heliumdampf über dem
flüssigen Heliumbad bildet und vom Boden der Kammer frei wird,
und die Heliumdämpfe steigen unvermeidbar in den oberen Be
reich der Haltekammer, wodurch das innere Raumvolumen der
Kammer vom Boden zum oberen Ende während des Fortschreitens
der Migration des Dampfes gekühlt wird. Auf diese Weise werden
trotz des Fehlens von Folien, Wänden, Ablenkplatten, Balgen
oder anderen körperlichen Hindernissen oder Sperren innerhalb
des Innenraumvolumens der Haltekammer drei verschiedene Tempe
raturzonen von 4,5 K, 20-25 K und 75-80 K geschaffen und
aufrechterhalten.
Vor dem Einsetzen in die beabsichtigte 25-80 K-Temperaturzone
der Haltekammer werden eine erste Metallkappe 60 und eine
normale elektrische Leitung 62 auf und um das erste axiale
Ende 14 und die supraleitfähigen Elemente 12 der Verbund
zuleitung 10 angeordnet. Wie in Fig. 3 gezeigt, ist diese
erste Metallkappe 60 vorzugsweise in ihrer Gesamtgestalt
zylindrisch, sie ist hohl in ihrer Konstruktion und so dimen
sioniert, daß sie eng über das erste axiale Ende 14 paßt; sie
besteht aus einem normalen elektrischen Leiter, wie etwa
Kupfer, und enthält eine Öffnung, durch die eine verflüssigte
Niedertemperatur-Lötlegierung 64 (wie sie etwa im US-Patent
Nr. 4 966 142 beschrieben ist) eingeführt worden ist, um das
innere leere Raumvolumen zwischen den supraleitfähigen Elemen
ten 12 und der ersten Metallkappe 60 zu füllen. Auf diese
Weise wird eine solide und sichere elektrische Verbindung
zwischen dem ersten axialen Ende 14 der Verbundzuleitung 10
und dem normalen elektrischen Leiter in der beabsichtigten 75-
80 K-Temperaturzone hergestellt und aufrechterhalten, die
ihrerseits selbst in elektrischer Verbindung mit der
Außenumgebung von etwa 20 K steht.
In ähnlicher Weise wird vor dem Eintauchen in das flüssige
Heliumbad von 4,5 K eine zweite Metallkappe 70 mit supraleit
fähigen Filamenten 72 (etwa NbTi) über und um das zweite
axiale Ende 16 und die supraleitfähigen Elemente 12 der
Verbundzuleitung 10 angeordnet. Wie in Fig. 3 erkennbar, ist
diese zweite Metallkappe 70 ebenfalls vorzugsweise in ihrer
Gesamtgestalt zylindrisch, sie ist ebenfalls hohl konstruiert
und so dimensioniert, daß sie eng über das zweie axiale Ende
16 paßt; sie besteht aus einem elektrischen Leiter wie etwa
Kupfer und enthält eine Öffnung, durch die eine verflüssigte
Tieftemperatur-Supraleiterlegierung 74 (wie sie etwa in der
US-Patentschrift Nr. 4 966 142 beschrieben ist) eingeführt
ist, um das innere leere Raumvolumen zwischen den supraleitfä
higen Elementen 12 und der zweiten Metallkappe 70 zu füllen.
Auf diese Weise wird eine solide und sichere supraleitfähige
elektrische Verbindung zwischen dem axialen Ende 16 der
Verbundzuleitung 10 und den supraleitfähigen Feindrähten 72
geschaffen und aufrechterhalten, um durch das flüssige Helium
bad auf Temperaturen von 4,5 K gehalten zu werden.
Die Verbundzuleitung
nach der Erfindung sei innerhalb einer alternativen
Baugruppe oder Anordnung angeordnet, die einen elektri
schen Strom durch drei verschiedene Temperaturzonen leitet und
optional eine Vorrichtung mit vier Hauptteilen enthält. Die
drei verschiedenen Temperaturzonen sowie die vier Hauptteile
der Baugruppe sind schematisch in Fig. 4 dargestellt.
Gemäß der Darstellung der Fig. 4 übertragen Kupfer
leitungen einen 100 Ampere starken elektrischen Strom von
einer Zimmertemperaturzone (300 K) in eine 75-80 K-Temperatur
zone einer Haltekammer. Die herkömmliche Kupferleitung selbst
ist mit der Vielzahl von Verbundzuleitungen verbunden, deren
jede ein erstes axiales Ende hat, das sich von der Stirnfläche
der integralen Einheit nach außen erstreckt. Die Kupferleitung
ist elektrisch und körperlich direkt mit den supraleitfähigen
Elementen 12 verbunden, die innerhalb der Kammer in der 75-
80 K-Temperaturzone vorhanden sind. Der ausgedehnte axiale
Körper 18 der Durchführungs-Verbundzuleitung 10 selbst reicht
dann von der 75-80 K-Temperaturzone in einen hergerichteten
Vakuumraum und -apparat bei etwa 20-25 K, der die 75-80 K-
Temperaturzone von der durch flüssiges Helium hergestellten
4,5 K-Temperaturzone physikalisch trennt. Die axiale Körper
länge der Verbundzuleitung führt dann von der 20-25 K-Vakuum
zone direkt über das zweite axiale Ende 16 der supraleitfähi
gen Elemente 12, die individuell die Durchführungs-Verbund
zuleitung bilden, in die 4,5 K-Zone des flüssigen Heliums. Das
besagte zweite axiale Ende 16 einer jeden Verbundzuleitung 10
ist körperlich mit den bei Tieftemperatur supraleitenden
Magnetzuleitungen (typischerweise bestehend aus NbTi) verbund
en, die innerhalb der 4,5 K-Temperaturzone verankert sind.
Jede Verbundzuleitung ist so mit ihrem einem axialen Ende
körperlich und elektrisch an Kupferzuleitungen aus 300 K-
Stromquellen angeschlossen, während das andere axiale Ende
körperlich und elektrisch in Verbindung mit den bei Tieftempera
tur supraleitenden Magnetleitungen verbunden ist, die
innerhalb der Zone der Temperatur von 4,5 K des flüssigen
Heliums verankert sind.
Mit der alternativen Anordnung nach Fig. 4 sind die vier
Hauptteile der Anordnung also folgende:
mindestens eine erfindungsgemäße Verbundzuleitung;
die physikalische Vorrichtung, die einen Vakuumraum und einen
Temperaturgradienten zwischen der 80 K-Temperaturzone und dem
4,5 K-Temperaturmilieu schafft; die elektri
sche Verbindung zwischen den normalen Kupferleitungen
innerhalb des 80 K-Temperaturmilieus und den ersten axialen
Enden der die Verbundzuleitung bildenden supraleitfähigen
Elemente, und die physikalische und elektrische Verbindung
zwischen den supraleitfähigen Magnetleitungen bei 4,5 K und
den zweiten axialen Enden der die Verbundzuleitung bildenden
supraleitfähigen Elemente in diesem 4,5 K-Temperaturmilieu.
Die in dieser Anordnung verwendete Verbundzuleitung ist
diejenige, die weiter oben beschrieben wurde und in Fig. 2
dargestellt ist. Um den thermischen Kontakt mit den 75-80 K-,
20 K- und 4,5 K-Temperaturmilieus zu erleichtern, liegen die
zuvor in das Epoxy-Füllmaterial der Verbundzuleitung
eingebetteten Kupferfolien so, daß sie sich in einer Ebene
senkrecht zur linearen Achse des Verbundkörpers selbst
innerhalb der Anordnung erstrecken. Laschen an den Kupfer
folien (nicht gezeigt) werden thermisch mit Laschen verankert,
deren Ausgangspunkte innerhalb der verschiedenen Temperaturzo
nen liegen. Diese Anordnung dürfte besser
geeignet sein für diejenigen Anwendungen, bei denen die
Kühlung mittels Kältemittelzirkulation durch Rohre anstatt
durch Eintauchen verschiedener Bauteile in eine Kälteflüssig
keit wie etwa Helium erfolgt. Diese Anordnung
verhindert außerdem den Verlust an
Heliumgas aus dem zirkulierenden Kältemittel in der 4,5 K-
Temperaturzone.
Wie schematisch in Fig. 4 gezeigt, ist es manchmal wünschens
wert, daß ein bestimmter Bereich und Raum
abgeschottet ist, um das 80 K-Temperaturmilieu oben in der
Kammer von dem 4,5 K-Temperaturmilieu unten in der Kammer zu
trennen. Um diesen Zweck zu erreichen, ist es
vorteilhaft, eine Vorrichtung zu bauen, die eine Vielzahl
verstärkter, temperaturresistenter Wände vorsieht und einen
bestimmten Raum zwischen den temperaturtrennen
den Wänden enthält, der durch mechanische Pumpen (oder
anderweitig) zu evakuieren ist, um ein Vakuum zu schaffen.
Eine Vorrichtung, die geeignet ist, sowohl die temperaturtren
nenden Wände als auch den inneren Vakuumraum zwischen dem
80 K-Temperaturmilieu und der 4,5 K-Temperaturzone zu
realisieren, ist durch die Fig. 5 dargestellt.
Wie mit Fig. 5 gezeigt, weist die Vorrichtung eine erste
temperaturtrennende Wand 100 und eine zweite temperaturtren
nende Wand 102 auf. Die Wand 102 trennt den inneren Vakuumraum
104 von der 80 K-Temperaturzone, während die Wand 102 den
inneren Vakuumraum 104 vom 4,5 K-Temperaturmilieu trennt.
Innerhalb des Vakuumraums 104 befindet sich ein Balg 110,
durch den der axiale Körper und die Länge der Verbundzuleitung
106 hindurchgreift. Der Balg 110 selbst besteht aus einer
Balgbasis 112 und den aufblasbaren und zusammendrückbaren
Balgfalten 114 und enthält zweckmäßigerweise zwei Stirnseiten
116, die eng in den Flansch (nicht gezeigt) eingepaßt sind,
der auf der axialen Länge der Verbundzuleitung 106 angeordnet
ist. Im Vakuumraum 104 wird ein Vakuum von mindestens 10-6
Torr durch herkömmliche mechanische Mittel (Diffusionspumpe,
Turbopumpe oder Ionenpumpe) aufrechterhalten. Außerdem befin
det sich in den Balg-Stirnseiten 116 eine Vielzahl von Löchern
oder Öffnungen 116 für den Durchgang einer jeden Verbund
zuleitung 106, und es sind die Metallflansche, die zuvor in
die Verbundzuleitung selbst vergossen wurden (wie in Fig. 2
gezeigt), die für eine robuste Befestigung der durch den Balg
gehenden Verbundzuleitungen sorgen und eine thermische Ausdeh
nung und Zusammenziehung der Verbundzuleitungen zulassen,
während jene das 80 K-Temperaturmilieu mit dem 4,5 K-
Temperaturmilieu verbinden.
Weil bekanntlich äußere Magnetfelder die Strombelastbarkeit
der Durchführungsleitung wesentlich reduzieren, können
außerdem ein oder mehrere magnetische Abschirmungen (nicht
gezeigt) angeordnet und verwendet werden, um das durch den
Balg geführte Durchführungs-Verbundstück zu umgeben. Diese
magnetischen Abschirmungen können aus Folien aus Mu-Metall
bestehen oder selbst supraleitfähige Stoffe mit hoher Sprung
temperatur sein.
Da sich die kritische elektrische Stromdichte der Verbund
zuleitung bei abnehmender Temperatur erhöht, wird außerdem die
zur Übertragung eines gegebenen elektrischen Stroms erforder
liche Querschnittsfläche der Verbundzuleitung geringer, wenn
die Leitungen Heliumtemperatur erreichen. Dieses Phänomen
gestattet es, die supraleitfähigen Elemente selbst in Gestalt
und Abmessungen zu verjüngen, je näher sie dem 4,5 K-Tempera
turmilieu kommen, womit gleichzeitig auch die Wärmeableitung
aus den wärmeren Temperaturzonen zum 4,5 K-Temperaturmilieu
vermindert wird.
Die Verbundzuleitungen
sollten folgende Eigenschaften haben: a) eine niedrige Stromwärme
kapazität nicht nur innerhalb der integralen Einheit, sondern
auch an den elektrischen Anschlüssen, mit denen die axialen
Enden verbunden sind; b) eine geringe Gesamt-Wärmeleitfähig
keit zwischen den verschiedenen Temperaturzonen und -milieus,
und c) eine mechanisch und elektrisch zuverlässige Konstruk
tion. Außerdem verwenden bevorzugte Ausführungsformen 6 bis 12
Paare von Verbundzuleitungen gleichzeitig, deren jede einzeln
in der Lage ist, elektrischen Strom von 100 Ampere zu übertra
gen. Bei der Organisation und Vorrichtungskonstruktion, wie
sie schematisch in den Fig. 3 bzw. 4 gezeigt sind, läuft
jede Verbundzuleitung typischerweise durch einen Raum von
7,5 cm im Durchmesser, hat typischerweise eine axiale
Länge von 25 cm und funktioniert in einem äußeren
Feld von 200 Gauß. Für eine repräsentative Baugruppe und
Anordnung stellt man sich vor, daß sie sechs Paare von
Verbundzuleitungen enthält, deren jede individuell elektri
schen Strom zwischen 75-80 K und 4,5 K leitet.
Die Art und Weise körperlicher und elektrischer Verbindungen
zwischen den ersten axialen Enden der Verbundzuleitung und den
normalen Kupferleitungen in der 75-80 K-Temperaturzone bei der
alternativen Anordnung und Baugruppe ist in Fig. 6 darge
stellt. Wie dort gezeigt, wird eine Verbindung zwischen der
normalen Kupferleitung 200 und dem ersten axialen Ende 14
eines jeden supraleitfähigen Elementes 12 hergestellt. Diese
Verbindung (die durch ein Kältesystem auf etwa 75-80 K
gehalten wird) sorgt für den elektrischen Anschluß zwischen
der Verbundzuleitung nach Fig. 2 und den normalen Leitungen,
die aus einem Zimmertemperatur-Milieu kommen. Die normalen
Leitungen bestehen aus Kupfer, sind zur Minimierung der
Wärmeleitung vom Zimmertemperatur-Milieu in das 80 K-Tempera
turmilieu ausgewählt und übertragen den elektrischen Strom aus
der auf Umgebungstemperatur liegenden elektrischen Quelle. Die
Kupferleitung selbst ist unter Verwendung herkömmlicher
Lotlegierungen 206 an eine ausgestemmte Kupferplatte 210
gelötet, welche die ersten axialen Enden 14 der supraleitfähi
gen Elemente 12 einzeln ergreift.
Die ausgestemmte Kupferplatte 210 wird im voraus wie folgt
hergestellt. Die Platte 210 hat solche Abmessungen, daß sie
auf die vom ersten axialen Ende des Durchführungs-Verbund
stückes gebildete Querschnittsfläche paßt und wird auf einer
Seite ausgestemmt, um die ersten axialen Enden 14 aller
supraleitfähiger Elemente 12, die von der Stirnfläche der
integralen Einheit vorstehen, einzeln aufzunehmen. Vorzugs
weise hat die ausgestemmte Seite der Kupferplatte 210 eine
Dicke von 1,5 cm. Sobald die ausgestemmte Seite an den ersten
axialen Enden der supraleitfähigen Elemente einzeln angreift,
wird die Gesamtheit der Kupferplatte 210 an die supraleitfähi
gen Elemente 12 in nachstehender Weise angelötet. Die
Kupferplatte 210 wird zunächst gleichmäßig auf die
Schmelztemperatur einer Niedrigtemperatur-Lotlegierung (wie
etwa solche, die im US-Patent Nr. 4 966 142 beschrieben sind)
erwärmt. Die warme Kupferplatte 210 wird dann verzinnt und auf
der ausgestemmten Seite mit der Niedrigtemperatur-Lotlegierung
220 gefüllt. Dann werden die ersten axialen Enden 14 der
supraleitfähigen Elemente 12, die zuvor mit dem niedrigschmel
zenden Lot metallisiert worden sind, in körperlichen Kontakt
mit der erwärmten Kupferplatte gebracht, auf die Schmelztempe
ratur der Lotlegierung 220 innerhalb der erhitzten Platte
gebracht und dann in die mit einer niedrigschmelzenden
Lotlegierung gefüllten Stemmlöcher der erhitzten Kupferplatte
eingesetzt. Anschließend wird die Wärme von der Kupferplatte
weggenommen und die gebildete Verbindung abkühlen gelassen.
Die körperliche Verbindung wird dann zweckmäßigerweise in
einem nichtleitenden Füllmaterial (nicht gezeigt), vorzugs
weise Epoxymaterial, in einer ähnlichen Weise verkapselt, wie
es weiter oben für die Herstellung des Durchführungs-Verbund
stückes beschrieben wurde, um sowohl mechanische Festigkeit
als auch elektrische Zuverlässigkeit für diese elektrische
Verbindung sicherzustellen.
Am anderen axialen Ende einer jeden, sich durch die Baugruppe
erstreckenden Verbundzuleitung befinden sich die einzelnen
zweiten axialen Enden 16, deren jedes körperlich und
elektrisch bei 4,5 K mit einem Tieftemperatur-Supraleiter zu
verbinden ist, typischerweise einem Magnetleiter aus NbTi-
Kupfer-Verbund. Wie in Fig. 7 gezeigt, ist die Art und Weise
der Verbindung folgende: Zuerst wird der Kupfermantel 300 vom
Magnetleiter unter Verwendung einer Salpetersäurelösung
entfernt, um den NbTi-Feindraht 302 am Ende freizulegen, und
es wird eine auf einer Seite mit Zapfenlöchern ausgestemmte
Kupferplatte 310 vorgesehen, erhitzt, verzinnt und mit einer
niedrigschmelzenden Lotlegierung 312 gefüllt, ähnlich wie es
oben für die ausgestemmte Platte an der 80 K-Verbindung
beschrieben wurde. Die an der 4,5 K-Verbindungsstelle verwen
dete niedrigschmelzende Lotlegierung 312 ist vorzugsweise eine
im US-Patent 4 926 142 beschriebene Legierung, die selbst
supraleitend ist, und sorgt für einen sehr niederohmigen
Zwischenschichtkontakt mit den Enden der NbTi-Litze. Auf diese
Weise wird die Joulesche Erwärmung an dieser Tieftemperatur-
Verbindungsstelle wesentlich reduziert. Dann werden die
freigelegten Feindrähte 302 der NbTi-Litze aufgefächert,
verzinnt und gegen die ausgestemmte Seite der Kupferplatte
310 gepreßt und in dieser Weise auf die Temperatur der
erhitzten Kupferplatte gebracht. In ähnlicher Weise werden die
zweiten axialen Enden 16 der die Verbundzuleitung bildenden
supraleitfähigen Elemente 12 ebenfalls gegen die
Oberfläche der aufgeheizten Kupferplatte 310 gedrückt und
dadurch auf deren erhöhte Temperatur gebracht. Dann werden die
zweiten axialen Enden 16 der supraleitfähigen Elemente selbst
sorgfältig in die ausgestemmten und mit Lotlegierung gefüllten
Zapfenlöcher der aufgeheizten Kupferplatte eingesetzt, wodurch
die NbTi-Litze zwischen sie und die Kupferplatte eingeschich
tet wird. Die so gebildete Verbindung wird dann abkühlen
gelassen und anschließend in einem Füllmaterial (nicht
gezeigt), vorzugsweise Epoxymaterial, vergossen, um die
mechanische Festigkeit und elektrische Zuverlässigkeit der
gebildeten Verbindung bei 4,5 K zu gewährleisten.
Um den Bereich und die Mannigfaltigkeit des erfindungsgemäßen
Durchführungs-Verbundstückes aufzuzeigen, werden einige
beispielhafte Experimente angeführt, welche die Charakteri
stiken und Eigenschaften des Erfindungsgegenstandes als Ganzes
aufzeigen.
Wie in Fig. 8 dargestellt, wurde ein DT-470-Diodenthermometer
(D1) an der Außenseite der oberen Kupferkappe montiert.
Hierbei handelt es sich um diejenige Kappe, welche die Lötver
bindung mit den auf der hohen Temperatur (75-80 K) liegenden
Enden der YBCO-Stäbe enthält. An diese Kappe ist außerdem ein
Spannungsabgriff (V1) angelötet. Um die Kappe ist eine
Widerstandsheizung gewickelt. Ein Thermoelement vom T-Typ
(TC1) ist im Epoxymaterial des Durchführungs-Verbundstückes
nahe der oberen Verbindungsstelle eingebettet, um die
Temperatur im Inneren des Verbundstückes zu überwachen. Etwa
auf dem halben Wege zwischen dem Hochtemperatur- und dem
Tieftemperatur-Ende des Verbundstückes ist ein Thermoelement
(TC3) eingebettet. Nahe dem Tieftemperatur-Ende (4,5 K) des
Verbundstückes ist ein Thermoelement (TC2) eingebettet. An der
Außenseite des Kupferrohrs, das die Tieftemperatur-Lötverbin
dung mit den YBCO-Stäben enthält, ist eine DT-470-Diode (D2)
befestigt, und ein Spannungsabgriff (V2) ist direkt in diese
Verbindungsstelle eingebettet.
Es sei bemerkt, daß diese Versuchsanordnung und -konstruktion
eine Mehrzahl verschiedener Informationen liefert. Die
festgestellte Probenspannung ist die Differenz V1-V2. Der
Probenstrom wird gemessen, indem die Spannung zwischen zwei
Abgriffen an den äußeren Stromzuleitungen abgelesen wird. Die
festgestellte Probenleistung ist das Produkt dieser Spannung
und dieses Stroms. Diese empirischen Daten sind in den Fig.
9 bis 12 angegeben.
Die Probenspannung und die Maximaltemperatur als Funktion des
elektrischen Stroms sind in Fig. 9 gezeigt, welche die
Temperaturstabilität der auch auf der hohen Temperatur
liegenden elektrischen Verbindung bei verschiedenen
Leitungsströmen zeigt. Wie man sieht, ist die Verbindung von
120 Minuten bis 160 Minuten selbsterwärmend und zeigt nur
einen vernachlässigbaren Temperaturanstieg. Bei 160 Minuten
wird der oberen Verbindung Heizleistung zugeführt, um die
Temperatur auf den normalen beabsichtigten Betriebswert von
70 K anzuheben.
Die Fig. 10 zeigt die Verlustleistung einer 100-A-Verbund
zuleitung als Funktion der Temperatur bei verschiedenen
Betriebsströmen. Im Vergleich hierzu zeigt die Fig. 11 den
Gesamtwiderstand einer 100-A-Verbundzuleitung als Funktion der
Temperatur für verschiedene Betriebsströme. Die Fig. 12 zeigt
den Gesamtwiderstand einer 100-A-Verbundzuleitung als Funktion
des Betriebsstroms bei einer einzigen, auf 60 K gehaltenen
Temperatur. Die Daten dieser graphischen Darstellung
veranschaulichen etwas, das für "Flußkriech"-Effekte in HTSC-
Elementen gehalten wird, die zu exponentiellen Erhöhungen des
Widerstandes bei oder nahe der normalen Betriebstemperatur für
die Verbundzuleitung führen.
Claims (5)
1. Verbundzuleitung zum Leiten eines elektrischen Stromes
zwischen einem Bereich auf einer Temperatur von 75 bis 80 K und
einem Bereich auf einer Temperatur von etwa 4,5 K, gekenn
zeichnet durch eine Vielzahl paralleler, mit Abstand vonein
ander angeordneter länglicher supraleitfähiger Elemente (12)
mit einer Sprungtemperatur von über 75 bis 80 K, die in einem
elektrisch nichtleitenden Füllmaterial (20) unter Bildung einer
Einheit (30) derart eingebettet sind, daß lediglich jeweils die
beiden axialen Enden (14, 16) der supraleitfähigen Elemente (12)
unbedeckt sind, wobei die Wärmeausdehnungskoeffizienten des
Füllmaterials (20) und der supraleitfähigen Elemente (12) mög
lichst gut übereinstimmen.
2. Verbundzuleitung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
mindestens eine in einer Ebene senkrecht zur Längsachse der
supraleitfähigen Elemente (12) angeordnete wärmeleitende Folie
(40), die im Füllmaterial (20) der Einheit (30) eingebettet ist
und sich von dort nach außen erstreckt.
3. Verbundzuleitung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
einen ersten und/oder zweiten leitenden Kontakt, der elektrisch
mit den ersten bzw. zweiten axialen Enden der supraleitfähigen
Elemente (12) verbunden ist.
4. Verbundzuleitung nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeich
net durch mindestens einen auf dem Füllmaterial (20) der Ein
heit (30) angeordneten Flansch (50).
5. Verbundzuleitung nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitfähigen Elemente (12)
aus Dünnfilm-Supraleitermaterial, Dickfilm-Supraleitermaterial
oder als Massiv-Supraleiter ausgebildet sind.
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