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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Wärmebehandlung einer Spule zur
Verwendung als supraleitende Spule und insbesondere Spulen, die
durch einen "Wicklung-
und Reaktions"-Prozess
zur Verwendung in einem supraleitenden Magneten hergestellt werden.
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Der "Wicklungs- und Reaktions"-Prozess, wie in
EP-A-0 741 912 offenbart, ist eine Technik, die bei supraleitenden
Materialien regelmäßig verwendet wird,
die in ihrem vollständig
reagierten Zustand so spröde
sind, dass diese zu einer Spule zu wickeln, einen Bruch verursachen
würde.
Um Probleme dieser Art zu vermeiden, werden die Spulen zuerst aus
dem supraleitenden Draht oder Spulenmaterial in einem nicht reagierten
Zustand, in dem das Material verformbar ist, gewickelt. Eine Reaktionswärmebehandlung
wird dann angewendet, um die gewünschten Reaktionen
in dem supraleitenden Material zu bewirken.
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Ein
häufig
beobachtetes Problem bei "Wicklungs-
und Reaktions"-Spulen,
die aus Materialien, wie z. B. Bismuth Strontium Kalzium Kupfer
Oxid (B2212), hergestellt sind, besteht darin, dass der kritische
Strom des supraleitenden Spulenmaterials in der Spule deutlich kleiner
ist, als er sein würde,
wenn das gleiche Spulenmaterial in Form eines kurzen Stücks wärmebehandelt
würde.
Dies wird durch Probleme verursacht, die die Diffusion von Wärme und die
Diffusion von Sauerstoff durch das Volumen der Spule hindurch betreffen.
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Die
Probleme, die mit der Diffusion von Wärme durch die Spule hindurch
verbunden sind, werden nun umrissen. 1 zeigt
einen typischen Reaktionswärmebehandlungszyklus
für den
Schmelzprozess von B2212. Diese Verarbeitung wird in einer Atmosphäre reinen
Sauerstoffs oder einer Sauerstoff-Stickstoff-Mischung durchgeführt. Während einer
ersten Stufe 1 des Prozesses, wird die Temperatur über einen
Zeitraum von einigen Stunden auf ein Niveau linear ansteigend angehoben,
das gerade ausreicht, um das B2212 zu schmelzen. Wie in 2 detaillierter
gezeigt, wird während
einer zweiten Stufe 2 die Temperatur im Wesentlichen auf
der Schmelztemperatur für
einige Minuten beibehalten, bevor die Temperatur während einer
dritten Stufe 3 um annäherungsweise
30°C linear
abgesenkt wird. Eine vierte Stufe 4 ist eine sehr langsame
lineare Absenkung, die dazu dient, das Material abzukühlen, wonach
die Temperatur während
einer fünften
Stufe 5 die Temperatur schnell auf Umgebungstemperatur abgesenkt
wird.
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Für optimale
supraleitende Eigenschaften ist es wesentlich, diese Wärmebehandlung
genau zu steuern. Insbesondere muss die Spitzenschmelztemperatur
von näherungsweise
885°C mit
einer Genauigkeit von 1°C
eingehalten werden. Ferner ist es für die Schmelzdauer wichtig,
dass sie mit einer Zeitgenauigkeit von wenigen Minuten gesteuert
wird.
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Diese
Zustände
können
für kurze
Leiterstücke
in einem Ofen mit einem genau gesteuerten Temperaturprofil einfach
erreicht werden. In Spulen ist die Temperatur innerhalb der Wicklungen
jedoch nicht gleichmäßig, weil
die Wärme
einen finiten Zeitraum benötigt,
um von der Außenseite
der Spule zu der Innenseite zu diffundieren.
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2 zeigt
Messungen der Temperatur innerhalb und außerhalb einer kleinen experimentellen Spule
während
der ersten, zweiten und dritten Stufen 1, 2, 3 der
Schmelzfolge. Es ist zu sehen, dass die Temperatur innerhalb der
Spule hinter der Temperatur außerhalb
der Spule zurück
bleibt, also dass die Spitzentemperatur 2–3 °C geringer ist. Der Zeitraum bei
Spitzentemperatur ist für
den inneren Bereich ebenfalls deutlich geringer als für den äußeren Bereich.
Es folgt, dass, wenn das Ofenprofil eingestellt ist, um für eine optimale
Wärmebehandlung
der äußeren Bereiche
der Spule zu sorgen, die inneren Bereiche suboptimal sind und vice
versa.
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Diese
Ergebnisse wurden für
eine kleine Spule mit einer Dicke von nur wenigen mm erhalten. Es
ist ein gut bekanntes Ergebnis der Diffusionstheorie, dass sich
thermische Diffusionszeiten als das Quadrat der kleinsten Abmessung
maßstäblich ändern. Daher
wäre die
thermische Diffusionszeit für eine
Spule vom 3-fachen der Dicke 9-mal länger sein und der Unterschied
zwischen den inneren und äußeren Temperaturen
würde mehr
als 20 °C
betragen.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung stellen wir ein Verfahren
zur Wärmebehandlung
einer Spule zur Verwendung als supraleitende Spule bereit, wobei
das Verfahren die Schritte umfasst:
Erwärmen der Spule in einem Ofen,
wobei die Temperatur des Ofens gesteuert wird, um einen vorbestimmten
Wärmezyklus
durchzuführen;
und
Leiten eines Stroms durch die Spule hindurch für wenigstens
einen Abschnitt des Wärmezyklus,
um die Spule durch Widerstandsheizung weiter zu erwärmen.
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Der
erste Aspekt der Erfindung stellt daher ein Verfahren bereit, die
Probleme einer Wärmeübertragung
durch die Spule hindurch mittels einer elektrischen Wärmeverstärkung auszugleichen.
Wenn alle Wicklungen in der Spule voneinander isoliert sind, kann
die elektrische Verstärkung
erreicht werden, indem einfach ein Strom durch das Spulenmaterial
hindurchgeführt
wird.
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Typischerweise
umfasst der vorbestimmte Wärmezyklus:
einen
ersten Erwärmungsabschnitt,
in dem die Temperatur der Spule auf eine vorbestimmte Temperatur erhöht wird;
einen
zweiten Abschnitt, in dem die Temperatur der Spule auf der ersten
vorbestimmten Temperatur gehalten wird;
einen dritten Kühlungsabschnitt,
in dem die Temperatur der Spule auf eine zweite vorbestimmte Temperatur
verringert wird;
einen vierten Kühlungsabschnitt, in dem die
Temperatur der Spule auf eine dritte vorbestimmte Temperatur verringert
wird; und
einen fünften
Kühlungsabschnitt,
in dem die Spule nicht erwärmt
wird und sich abkühlen
kann.
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Es
ist jedoch zu erkennen, dass in Abhängigkeit des Typs des Spulenmaterials,
der Spulenkonfiguration und anderer Faktoren verwendet andere geeignete
Wärmezyklen
werden können.
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Wenn
der oben genannte Wärmezyklus
verwendet wird, umfasst das Verfahren typischerweise, den Strom
durch die Spule während
wenigstens des ersten Wärmungsabschnitts
des Wärmezyklus
durch die Spule hindurch zu leiten. Dies gewährleistet, dass die Effekte
einer schlechten Wärmeübertragung durch
die Spule hindurch minimiert werden, wenn die maximale Temperatur
erreicht ist.
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Vorzugsweise
umfasst das Verfahren ferner, den Strom zu steuern, um die innere
Oberfläche
der Spule im Wesentlichen auf der gleichen Temperatur wie die äußere Oberfläche der
Spule zu halten.
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In
diesem Fall kann dies erreicht werden, indem der Strom gemäß der Gleichung
gesteuert wird: γC·dθ/dt = J2ρwobei:
- γ
- = mittlere Dichte
des Spulenmaterials
- C
- = mittlere spezifische
Wärmekapazität des Spulenmaterials
- dθ/dt
- = erforderliche Rate
einer Temperaturänderung
- J
- = mittlere Stromdichte
in dem Spulenmaterial
- ρ
- = mittlerer Leitungswiderstand
des Spulenmaterials
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Typischerweise
wird der vorbestimmte Wärmezyklus
in einer Atmosphäre
reinen Sauerstoffs oder einer Sauerstoff/Stickstoff-Mischung durchgeführt.
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Soweit
die mit einer Sauerstoffdiffusion zusammenhängenden Probleme betroffen
sind, treten während
des in 1 gezeigten Wärmebehandlungszyklus
chemische Änderungen
in dem supraleitenden Material auf, die bewirken, dass Sauerstoff freigesetzt
oder absorbiert wird. Dem entsprechend können Variationen in der Konzentration
von Sauerstoff in der Spule Variationen in der Wirksamkeit der Wärmebehandlung
verursachen.
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Ein
weiterer Effekt rührt
von dem Umstand her, dass der Schmelzpunkt von B2212 reduziert wird,
wenn der Partialdruck von Sauerstoff reduziert wird. Dem entsprechend
besteht für
eine eng gewickelte Spule dahingehend eine Gefahr, dass während der
Zeiträume,
wenn Sauerstoff absorbiert wird, der Partialdruck von Sauerstoff
in den innersten Bereichen der Spule reduziert wird. Diese Reduktion senkt
den Schmelzpunkt von B2212 ab, was zwei unerwünschte Effekte hervorruft:
- a) Die maximale Temperatur wird für die besten supraleitenden
Eigenschaften nicht optimal sein; und
- b) das B2212 wird vollständiger
geschmolzen und neigt daher mehr dazu, aus seiner Silberumhüllung auszutreten
und kurz geschlossene Wicklungen in der Spule zu verursachen (ein
gut bekanntes Problem schmelzbearbeiteter Spulen).
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Vorzugsweise
umfasst die Spule Lagen isolierenden Materials, die zwischen Lagen
der Spule eingefügt
sind, wobei das iso lierende Material eine Fasermatte umfasst, die
ausgelegt ist, Diffusion der oxidierenden Atmosphäre durch
die Spule hindurch zuzulassen.
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Dieser
Aspekt der Erfindung überwindet
die Probleme, die mit einer schlechten Sauerstoffdiffusion durch
die Spule hindurch verbunden sind, indem die Spule aufgebaut wird,
um eine freie Zirkulation von Sauerstoff durch die Wicklungen während der Wärmebehandlung
zu ermöglichen.
Diese Zirkulation wird erreicht, indem die Isolation zwischen jeder
Lage der Spulen porös
gemacht wird, so dass Sauerstoff einfach von den Enden der Spule
in die Mitte diffundieren kann.
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Typischerweise
umfasst die Fasermatte eine Gewebepapierschicht mit einer Anzahl
von beabstandeten, im Wesentlichen parallelen Fasern, die darauf
verklebt sind. Die Verwendung der parallelen beabstandeten Fasern
führt zu
der Bildung von Kanälen
zwischen den Spulenlagen, was dazu beiträgt, den Sauerstofffluss durch
die Spulen hindurch zu verbessern.
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Vorzugsweise
ist die Spule so konstruiert, dass die Fasern der Fasermatte im
Wesentlichen mit der Achse der Spule ausgerichtet sind. Dies stellt nicht
nur die oben genannten Kanäle
bereit, sondern gewährleistet
auch, dass die Kanäle
an den Enden der Spule enden. Dies erlaubt es, dass Sauerstoff in die
Enden der Kanäle
hinein fließt,
um die Spule zu durchsetzen, wobei gewährleistet wird, dass benachbarte
Schichten der Spule nicht betroffen werden.
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Typischerweise
sind die Fasern aus einer Keramik oder einem feuerbeständigen Oxid
hergestellt. Beispiele geeigneter Materialien umfassen Aluminium
oder Zirkonoxid, die in der Form von Fasern hergestellt sind, wie
zum Beispiel Nextel. Es kann jedoch jedes Material, das den hohen
Temperaturen in einer oxidierenden Atmosphäre widerstehen kann, verwendet
werden, auch wenn diese nicht mit dem Spulenmaterial während der
Reaktion chemisch reagieren müssen.
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Vorzugsweise
bewirkt der vorbestimmte Wärmezyklus,
dass das Papiergewebe verbrennt, was vorteilhafter Weise die Fasern übrig lässt, um
die Lagen der supraleitenden Spule zu isolieren.
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Typischer
Weise wird, wenn das Papier weg zu brennen ist, der erste Erwärmungsabschnitt
modifiziert, um eine Zeitdauer zu umfassen, während der die Temperatur im
Wesentlichen konstant gehalten wird, um dadurch ein vollständiges Entfernen
des Papiers zu gewährleisten.
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Wie
zu erkennen ist, verbessert die Erfindung das Isolierungsverfahren
und den Wärmebehandlungsprozess,
was bedeutsame Verbesserungen des Leistungsvermögens resultierender supraleitender
Spulen hervorruft. Auch wenn sie in erster Linie zur Verwendung
mit supraleitenden Spulenmaterialien vorgesehen ist, die durch den "powder in tube"-Prozess aus Silber
und dem supraleitenden Hochtemperaturmaterial Bismuth Strontium
Kalzium Kupfer Oxid B2212 hergestellt sind, könnte sie auch mit anderen supraleitenden
Materialien verwendet werden, die eine Reaktionswärmebehandlung
erfordern.
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Beispiele
der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben, in denen:
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1 eine
graphische Darstellung eines typischen Reaktionswärmebehandlungszyklus' für die Schmelzverarbeitung
von B2212 ist;
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2 eine
graphische Darstellung typischer Messungen von Temperaturen innerhalb
und außerhalb
einer kleinen experimentellen Spule während der Schmelzfolge von 1 ist;
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3 eine
graphische Darstellung typischer Messungen von Temperaturen innerhalb
und außerhalb
einer kleinen experimentellen Spule ist, die gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden
Erfindung wärmebehandelt
wird;
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4a eine
perspektivische Schnittansicht einer supraleitenden Spule ist, die
gemäß dem zweiten
Aspekt der vorliegenden Erfindung hergestellt ist;
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4b eine
vergrößerte Ansicht
eines Teiles von 4a ist; und
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5 eine
perspektivische Ansicht ist, die die Herstellung einer Fasermatte
gemäß des dritten Aspekts
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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In
dem Beispiel des ersten Aspekts der Erfindung ist die Wärmebehandlung
der supraleitenden Spule im Wesentlichen die gleiche wie bei der
unter Bezugnahme auf die 1 und 2 oben beschriebene,
bekannte Technik. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird jedoch
während
des Wärmebehandlungsprozesses
ein Strom an die Spule angelegt.
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In
diesem Fall wird der Wärmezyklus
des Ofens gesteuert, um die äußeren Bereiche
der Spule auf idealisierten Temperaturen zu halten. Wenn das Spulenmaterial
Strom in dem widerstandsbehafteten (abgeschreckten) Zustand überträgt, erzeugt
der Stromfluss durch die Spule Wärme,
die verwendet wird, um zu gewährleisten,
dass der innere Bereich der Spule während des Wärmezyklus ebenfalls das gewünschte Temperaturprofil
beibehält.
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Dies
wird erreicht, indem der Strom gesteuert wird, um eine Temperaturdifferenz
von Null zwischen den inneren und äußeren Bereichen der Spule aufrechtzuerhalten.
Vorausgesetzt, dass der Wärmestrom
gesteuert wird, um Temperaturgradienten von Null in der Spule aufrechtzuerhalten,
wird keine Wärmeübertragung
zwischen dem Ofen und dem Inneren der Spule stattfinden.
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Die
benötigte
Widerstandserwärmungsleistung
kann aus der erforderlichen Änderungsrate
der Temperatur und der spezifi schen Wärme des Spulenmaterials ermittelt
werden und ist durch die Gleichung unten angegeben: γC·dθ/dt = J2ρwobei:
- γ
- = mittlere Dichte
des Spulenmaterials
- C
- = mittlere spezifische
Wärmekapazität des Spulenmaterials
- dθ/dt
- = erforderliche Rate
einer Temperaturänderung
- J
- = mittlere Stromdichte
in dem Spulenmaterial
- ρ
- = mittlerer Leitungswiderstand
des Spulenmaterials
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Für eine typischerweise
benötigte
Temperaturanstiegsrate von näherungsweise
60°C/Stunde unter
Verwendung der Eigenschaften von Silber und B2212 bei näherungsweise
890°C finden
wir eine erforderliche Stromdichte von: J = 0,7
A.mm–2
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Für eine Spule,
die aus einem Spulenmaterial mit einem Querschnitt von 0,2 mm × 3,0 mm
hergestellt ist, entspricht dies einem Strom von 0,42 Ampere.
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Wie
oben erwähnt,
wird der Ofen so gesteuert, dass die äußere Oberfläche der Spule dem gewünschten
Temperaturprofil folgt. Der von dem Strom bereitgestellte, zusätzliche
Wärmeeffekt
wird nur verwendet, um zu gewährleisten,
dass der innere Bereich der Spule ebenfalls dem gleichen Temperaturprofil
folgt, und es ist dem entsprechend möglich, einfach den durch die
obige Gleichung angegebenen Strom anzulegen.
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Eine
Alternative besteht jedoch darin, den von der Gleichung spezifizierten
Strom anzulegen und entweder einen inneren oder einen äußeren Bereich
der Spule zu überwachen.
Wenn der überwachte
Bereich der Spule von dem idealen Temperaturprofil abweicht, wird,
weil der Ofen temperaturgesteuert ist, die Abweichung durch die
Widerstandserwärmung
verursacht. Dem entsprechend kann der Strom mittels eines Rückkopplungssystems
gesteuert werden, so dass, wenn die Temperatur der Spule die gewünschte Temperatur überschreitet,
der Strom und damit die Menge an Widerstandserwärmung reduziert wird. In vergleichbarer
Weise werden, wenn die Spule zu kühl ist, der Strom und damit
die Wirkung der Widerstandserwärmung
erhöht.
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Eine
weitere Alternative besteht darin, die Temperatur sowohl der inneren
als auch der äußeren Bereiche
der Spule zu messen. Der von der Widerstandserwärmung verursachte Wärmeeffekt
wird verwendet, um zu gewährleisten,
dass der innere Bereich der Spule dem Temperaturprofil des äußeren Bereichs
der Spule folgt. Dem entsprechend wird der Stromfluss erhöht, um den
Wärmeeffekt
zu erhöhen, wenn
der innere Bereich der Spule kühler
als der äußere Bereich
wird. In vergleichbarer Weise werden, wenn der innere Bereich der
Spule heißer
als der äußere Bereich
ist, der Stromfluss und damit der Widerstandserwärmungseffekt reduziert.
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Wie
von Fachleuten auf dem Gebiet zu erkennen, können die Temperaturen der Spulenbereiche
unter Verwendung eines geeignet positionierten Thermoelements gemessen
werden.
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Der
Strom wird nur während
der ersten Stufe 1 des Wärmebehandlungsprozesses angelegt,
wenn die Temperatur auf den Pegel angehoben wird, der gerade ausreicht,
um B2212 zu schmelzen. Sobald das Plateau am Anfang der zweiten
Stufe 2 erreicht ist, wird der Wärmestrom abgeschaltet, um der
Spule zu ermöglichen,
die Temperatur an die Umgebungstemperatur in dem Ofen anzugleichen.
Sobald die zweite Stufe 2 abgeschlossen ist, wird der Spule dann
ermöglicht,
auf normale Weise abzukühlen.
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Die
Ergebnisse, die Stromerwärmung
während
der ersten Erwärmungsperiode
zu betreiben, sind in 3 veranschaulicht.
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Dies
zeigt, dass der Temperaturunterschied zwischen den inneren und äußeren Bereichen
der Spule, verglichen mit den in 2 gezeigten,
durch das Verfahren des Standes der Technik erhaltenen Ergebnisse
verglichen, stark reduziert ist.
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Bei
einem Beispiel wird die Spule selbst modifiziert, indem poröse isolierende
Lagen zwischen den Lagen des Spulenmaterials vorgesehen sind.
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Bei
diesem Beispiel sind die porösen
isolierenden Lagen in der Form von Fasermatten, die zwischen jeder
Schicht der Spule angeordnet sind. Wie in den 4a und 4b gezeigt,
ist die Fasermatte 10 über
einer Schicht der Spule (nicht gezeigt), angeordnet, wobei keramische
Fasern 11 parallel zu der Spulenachse 12 ausgerichtet
sind. Räume 13 zwischen
den keramischen Fasern 11 gewährleisten, dass es einen freien
Durchgang von Sauerstoff zwischen den Lagen des Spulenmaterials
gibt. Sauerstoff kann daher von jedem Ende der Spule in alle der innersten
Bereiche diffundieren. Sobald die Fasermatte 10 positioniert
ist, wird die nächste
Schicht 14 der Spule hinzugefügt.
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Die
Fasermatten 10 können,
wie in 5 gezeigt, hergestellt werden. Zuerst wird ein
sehr dünnes Papiergewebe 20 um
einen glatten zylindrischen metallischen Formkern 21 gewickelt.
Als nächstes
wird eine einzelne wendelförmige
Lage einer keramischen Faser 22 auf das Papiergewebe 20 gewickelt, wobei,
wie in 5 gezeigt, einige Räume 23 zwischen benachbarten
Wicklungen freigelassen werden. Schließlich wird längs der
Linie AB in 5 ein Schnitt in das Papier 20 und
die Faser 22 gemacht, so dass das Papier von dem Formkern
entfernt und flach ausgelegt werden kann.
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Diese
Fasermatte 10 kann dann als Zwischenschicht zwischen jeder
Lage der Spule verwendet werden, wie z. B. in den 4a und 4b gezeigt.
Während
der Wärmebehandlung
wird das Gewebepapier vollständig
wegbrennen.
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Vorzugsweise
kann ein Plateau von mehreren Stunden bei einer Temperatur von zwischen 700°C und 800°C während der
ersten Stufe 1 des Wärmezyklus
vorgesehen sein, um eine vollständige Entfernung
jeglichen Kohlenstoffs von dem Gewebe zu gewährleisten.