DE60301064T2

DE60301064T2 - Herstellungsverfahren eines mantels für ein multifilament-supraleiterkabel sowie damit hergestellter mantel

Info

Publication number: DE60301064T2
Application number: DE60301064T
Authority: DE
Inventors: Franz Hauner; Andrew William Tenbury Wells ROBERTSON FERRIER
Original assignee: Metalor Technologies International SA
Current assignee: Metalor Technologies International SA
Priority date: 2002-03-21
Filing date: 2003-03-03
Publication date: 2006-06-01
Anticipated expiration: 2023-03-04
Also published as: AU2003205500A8; AU2003205500A1; EP1347467A1; EP1485926B1; EP1485926A2; WO2003081104A3; WO2003081104A2; DE60301064D1; JP2005527939A; US20050155785A1

Description

Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft die bei der Temperatur des flüssigen Stickstoffs (–196°C) zum Einsatz kommenden supraleitenden Kabel und Bänder, die im Unterschied zu den bei Temperaturen von nahezu –273°C funktionierenden, als Hochtemperaturkabel und -bänder bezeichnet werden.
Zur leichteren Lesbarkeit dieser Schrift gilt das Wort "Kabel" sowohl für eigentliche Kabel, als auch für Bänder, die durch Plattdrücken dieser Kabel erzielt werden.
Insbesondere betrifft die Erfindung einerseits einen Herstellungsprozess für einen Mantel, der als Matrize für die supraleitenden Adern eines Hochtemperatur-Multifilament-Supraleiterkabels dient, und andererseits einen nach diesem Verfahren erzielten Mantel.
Die Supraleiterkabel des obigen Typs bestehen in der Regel aus einem Bündel von supraleitenden Adern, die in eine Matrize eingebettet sind, die diese Adern zueinander sowie gegen außen isoliert.
Das supraleitende Material ist typisch ein Oxid, wie es z. B. die mit BSCCO 2223 und 2212 bezeichneten und als weitere Beispiele insbesondere im Patent US 6 188 921 erwähnten sind.
Genauer betrachtet ist jede der supraleitenden Adern in einen Mantel aus kompatiblem Material gebettet, der durch einen Ziehvorgang auf sein endgültiges Maß von ca. 1,5 mm gebracht wird. Diese Ader wird sodann, zusammen mit weiteren, identischen Adern, innerhalb eines Außenmantels zu einem Bündel vereint, das seinerseits auf einen Durchmesser von ca. 1,5 mm gezogen wird, um ein Multifilament-Kabel, bzw. nach entsprechendem Auswalzen ein Multifilament-Band zu bilden.
Die von den Ummantelungen gebildete Matrize ist in der Regel metallisch, wobei Silber und dessen Legierungen ein von Fachspezialisten bevorzugtes Material darstellt, da es ziehbar, gegenüber der supraleitenden Ader nicht kontaminierend, und relativ sauerstoffdurchlässig ist.
Leider hat Silber auch seine Nachteile. Bei Reinsilber bieten dessen Eigenschaften einerseits keine Möglichkeit zur Verstärkung des Supraleiters gegenüber den in starken elektromagnetischen Feldern auftretenden hohen elektromagnetischen Belastungen, und andererseits keinen Schutz gegen Aderbruch. Seine hohe elektrische Leitfähigkeit begünstigt zudem bedeutende Ohmsche Verluste (Querverluste) bei Wechselstrom-Anwendungen.
Um den Mangel an mechanischer Festigkeit wettzumachen, kommen üblicherweise robustere Legierungen zum Einsatz, insbesondere die in Fachkreisen wohlbekannte, durch interne Oxidation aushärtende Legierung AgMgNi. Diese Legierung ist jedoch ihrerseits nicht ohne Nachteil. So ist denn auch der in ihr enthaltene Nickel Gift für das supraleitende Material, und das oxidierte Magnesium stellt sich der gegenseitigen Adernverschweißung bei der Herstellung von Multifilament-Supraleitern entgegen.
Um den Nachteil der hohen elektrischen Leitfähigkeit von Silber wettzumachen, werden üblicherweise resistive Legierungen eingesetzt, insbesondere AgAu, eine Legierung, die ihrerseits nicht ohne Nachteile ist, und zwar weil Gold unter gewissen Bedingungen die Eigenschaften des Supraleiters beeinträchtigt.
Zur Umsetzung dieser Legierungskombinationen beschreibt z. B. das Patent US 5 017 553 ein Verfahren, das die Herstellung eines Mantels für eine supraleitende Ader gestattet, der aus zwei übereinander liegenden Schichten gebildet wird, deren eine aus einer Ag/Pd-Legierung, respektive deren andere aus Silber besteht. Gemäß dem Verfahren bilden die Schichten unabhängige ineinander geschobene Rohre, wobei die supraleitende Keramik nachträglich in diese Konstruktion eingebracht wird.
Diese Art von Verfahrenstechnik weist mehrere Nachteile auf. Zunächst einmal ist es schwierig, mehrere Rohre mit geringer Wandstärke aus verschiedenen Materialien miteinander zu verschachteln, wobei im Fall einer komplexen Struktur mit vielen Rohren eine bedeutende Anzahl von Arbeitsgängen erforderlich ist. Im Weiteren setzen die angewandten verfahrenstechnischen Lösungen die vorgängige Verfügbarkeit jedes Einzelrohrs voraus. Nun ist aber infolge der niedrigen mechanischen Festigkeit von Silber die Handhabung von dünnen Silberrohren, und damit die Erzielung eines Mantels mit einer dünnen Silberschicht schwierig.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Technologie, die keine der obgenannten Mängel aufweist und dennoch die den Verfahren des früheren Standes des Technik innewohnenden Vorteile genießt.
Näher betrachtet betrifft die Erfindung einen Mantel für Hochtemperatur-Supraleiterkabel, dadurch gekennzeichnet, dass dieser aus einem Rohr besteht, dessen mehrschichtige Wand durch Diffusionsschweißen untereinander verbundene Schichten umfasst, und zwar

– eine Innenschicht aus reinem Silber, und
– mindestens eine zweite Schicht aus einer Silberlegierung.

Die Wand kann zwei-, drei- oder vierschichtig ausgeführt sein.
Vorzugsweise handelt es sich bei den verwendeten Silberlegierungen um eine Legierung mit hoher mechanischer Festigkeit, eine Legierung mit hohem elektrischen Widerstand oder eine Legierung mit hoher mechanischer Festigkeit und hohem elektrischen Widerstand.
Die Erfindung betrifft ebenfalls einen Herstellungsprozess für einen Mantel für Hochtemperatur-Supraleiterkabel, dadurch gekennzeichnet, dass das Mantelrohr mit mehrschichtiger Wand durch Koextrusion eines durch mindestens zwei konzentrische Zylinder gebildeten zylindrischen Rohlings erhalten wird, der seinerseits erzeugt wird, indem mindestens zwei aus dem jeweils gewünschten Pulvermaterial bestehende Rohre durch isostatisches Kaltpressen im Innern eines Containers geformt und einer nachträglichen Sinterung unterzogen werden.
Weitere Eigenschaften der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung in Gegenüberstellung zur beigelegten Zeichnung hervor, auf welcher
die 1, 1a, 1b und 1c ein inneres Mantelrohr,
die 2, 2a, 2b und 2c ein äußeres Mantelrohr, und
die 3 den zur Erzeugung dieser Mantelrohre verwendeten Rohling darstellt.
In der 1 wird ein Rohr 10 dargestellt, das dazu bestimmt ist, den Mantel einer supraleitenden Ader zu bilden, der speziell für die Verwendung als Innenrohr geeignet ist. Dieses Rohr hat typisch einen Außendurchmesser von 20 mm und einen Innendurchmesser von 17 mm, bei einer Länge von 1 bis 3 m. Nach Auffüllen mit supraleitendem Material ist ein solches Rohr dazu bestimmt, bis auf einen Durchmesser von ca. 1,5 mm gezogen zu werden. In der Folge wird diese Ader zusammen mit anderen, identischen Adern zu einem supraleitenden Bündel im Innern eines Außenmantels zusammengefasst, der nun seinerseits samt inliegendem Bündel bis auf ca 1.5 mm Durchmesser gezogen wird, um ein Multifilament- Kabel, bzw. nach entsprechendem Auswalzen ein Multifilament-Band zu bilden. Diese mehrfache Ummantelung kann eventuell in einem mehrstufigen Verfahren unter Einbezug mindestens einer Zwischenummantelung erfolgen, deren Struktur gegebenenfalls gleich wie die der innersten Ummantelung ist.
Erfindungsgemäß kann die Wand des Rohrs 10 aus zwei, drei oder vier Schichten auf Silberbasis bestehen, wie jeweils in den 1a, 1b und 1c im vergrößerten Maßstab dargestellt.
Zur Ausbildung der Schichten werden vier verschiedene Materialien verwendet, und zwar

– reines Silber;
– Silber mit hoher mechanischer Festigkeit, so genanntes Hartsilber, das z. B. eine der Legierungen AgMgNi (99,55 – 0,25 – 0,20) oder AgMn (99 – 1) sein kann;
– Silber mit hohem elektrischen Widerstand, so genanntes Resistivsilber, das z. B. eine der Legierungen AgAu (96 – 4) bzw. AgSb (99 – 1) sein kann; und
– Silber mit hohem mechanischen und elektrischen Widerstand, so genanntes Hart-Resistivsilber, das z. B. AgAuMgNi (95,55 – 4 – 0,25 – 0,20) sein kann.

Gemäß der zweischichtigen Ausführungsart der 1a ist die Innenschicht 12 reines Silber und die Außenschicht 14 Resistivsilber.
Gemäß der dreischichtigen Ausführungsart der 1b ist die Innenschicht 16 reines Silber, die Zwischenschicht 18 Hart- oder Hart-Resistivsilber und die Außenschicht 20 reines Silber. Als Variante ist die Innenschicht 16 reines Silber, die Zwischenschicht 18 Hartsilber und die Außenschicht 20 Resistivsilber.
Schließlich ist gemäß der vierschichtigen Ausführungsart der 1c die Innenschicht 22 reines Silber, die erste Zwischenschicht 24 Hartsilber, die zweite Zwischenschicht 26 Resistivsilber und die Außenschicht 28 reines Silber. Als Variante ist die erste Zwischenschicht 24 Resistivsilber und die zweite Zwischenschicht 26 Hartsilber.
Die nunmehr betrachtete 2 stellt ein Rohr 30 dar, das zur Bildung des Außenmantels eines supraleitenden Kabels, wie vorgehend erwähnt, bestimmt ist. Das Rohr 30 unterscheidet sich von seinen Abmessungen her nicht von dem eben beschriebenen, nicht gezogenen Rohr 10. Wie bei diesem, kann seine Wand, wie jeweils auf den 2a, 2b und 2c im vergrößerten Maßstab dargestellt, durch zwei, drei oder vier Schichten auf Silberbasis gebildet werden, die zwar materialmäßig gleich, aber vom Schichtaufbau her unterschiedlich sind.
Gemäß der zweischichtigen Ausführungsart der 2a, ist die Innenschicht 32 reines Silber und die Außenschicht 34 Hart- oder Hart-Resistivsilber.
Gemäß der dreischichtigen Ausführungsart der 2b, ist die Innenschicht 36 reines Silber, die Zwischenschicht 38 Hart- oder Hart-Resistivsilber und die Außenschicht 40 Silber. In einer ersten Variante ist die Innenschicht 36 reines Silber, die Zwischenschicht 38 Hartsilber und die Außenschicht 40 Resistivsilber. In einer zweiten Variante ist die Innenschicht 36 reines Silber, die Zwischenschicht 38 Resistivsilber und die Außenschicht 40 Hartsilber.
Schließlich ist gemäß der vierschichtigen Ausführungsart der 2c die Innenschicht 42 reines Silber, die erste Zwischenschicht 44 Hartsilber, die zweite Zwischenschicht 46 Resistivsilber und die Außenschicht 48 reines Silber. Als Variante ist die erste Zwischenschicht 44 Resistivsilber und die zweite Zwischenschicht 46 Hartsilber.
Ungeachtet dessen, ob es sich um Rohre für den Innen- oder den Außenmantel handelt, ergeben sich die volumenmäßigen Anteile der jeweiligen Schichten wie folgt:

– Zweischichtiger Aufbau:
– Innenschicht: 10 bis 90%
– Außenschicht: 90 bis 10%
– Dreischichtiger Aufbau:
– Innen- und Außenschicht: 10 bis 40%
– Zwischenschicht: 80 bis 20%
– Vierschichtiger Aufbau:
– Innen- und Außenschicht: 10 bis 40%
– Zwischenschichten: 70 bis 10%

So erfolgt die Herstellung von als innen- oder Zwischenmantel dienenden Rohren, die dank ihres mehrschichtigen Aufbaus die Nutzung der qualitativen Vorteile von reinem Silber und verschiedener seiner (härteren und resistiveren) Legierungen unter gleichzeitiger Ausblendung von deren unerwünschten Auswirkungen gestatten. Aus diesen Ummantelungen lassen sich supraleitende Bänder von hervorragender Qualität herstellen.
Insbesondere ist festzuhalten, dass mit der vorgeschlagenen Struktur – und zwar dank dem Vorhandensein einer hochresistiven Silberlegierungsschicht – eine merkliche Verringerung der Ohmschen Verluste bei Wechselstrom-Anwendungen erzielt werden kann. Im Weiteren kann bei aus einer durch Oxidation ausgehärteten Legierung wie AgMgNi, AgAuMgNi oder AgMn bestehenden Rohren die Oxidation des Mg oder des Mn während der ersten Herstellungsphasen durch eine äußere Ummantelung mit einem diese beiden Metalle vor Umwelteinwirkung schützenden nicht oxidierenden Metall wie reines Ag oder AgAu vermieden und damit der Verschleiß der Ziehsteine stark eingeschränkt werden.
Die erfindungsgemäßen mehrschichtigen Mantelrohre werden vorzugsweise durch Koextrusion eines zylindrischen Rohlings 50 erzielt, der bei einem dreischichtigen Aufbau, wie der in der 3 gezeigte, aus drei konzentrisch zylindrischen Schichten 52, 54 und 56 gebildet wird. Dieser Rohling hat typisch einen Außendurchmesser von ca. 120 mm.
Die Vorbereitung des Rohlings 50 kann entweder durch Zusammensetzen von drei aus den jeweils gewünschten Materialien bestehenden Metallrohren mit geeignetem Innen- und Außendurchmesser erfolgen, oder indem durch isostatisches Kaltpressen im Innern eines Behälters drei Rohre aus Pulver dieser Materialien gebildet werden, die dann als Ganzes einem Sinterungsprozess bei einer Temperatur von typisch 850°C unterzogen und auf diese Weise durch Diffusionsschweißen untereinander verbunden werden.
Um die Umsetzung des Zusammenbaus zu vereinfachen, kann das Innenrohr eventuell durch einen Vollzylinder ersetzt werden, der nachträglich aufgebohrt wird.
Die Extrusion des Rohlings 50 wird hierauf nach irgendeinem, dem Fachmann bekannten Verfahren vollzogen, um schließlich das Rohr 10 oder 30 zu erhalten, dessen Außendurchmesser einer Verringerung des Ausgangsdurchmessers des Rohlings um einen Faktor 2 bis 10 entspricht. Bei einem ungesinterten Rohling führt die Extrusionsphase zu einer einige Atome tiefen Diffusionsverschweißung der diesen aufbauenden Schichten.

Claims

Herstellungsverfahren eines Mantels für ein Hochtemperatur-Multifilament-Supraleiterkabel, dadurch gekennzeichnet, dass der besagte Mantel durch Koextrusion eines zylindrischen Blocks (50) erhalten wird, der durch mindestens zwei konzentrische Zylinder (52, 54, 56) gebildet wird, wobei der besagte zylindrische Block (50) erzeugt wird, indem mindestens zwei aus dem jeweils gewünschten Pulvermaterial bestehende Rohre durch isostatisches Kaltpressen im Innern eines Containers geformt, und diese beiden Rohre nachträglich einer Sinterung unterzogen werden.
Mantel für Hochtemperatur-Multifilament-Supraleiterkabel, dadurch gekennzeichnet, dass dieser aus einem Rohr (10, 30) besteht, dessen Wand durch Diffusionsschweißen untereinander verbundene Schichten umfasst, und zwar: – eine Innenschicht aus reinem Silber, und – mindestens eine zweite, aus einer Silberlegierung bestehende Schicht.
Mantel für Hochtemperatur-Multifilament-Supraleiterkabel nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrwand aus mindestens zwei durch Diffusionsschweißen untereinander verbundenen Schichten gebildet wird, und zwar: – einer Innenschicht (12) aus reinem Silber, und – einer Außenschicht (14) aus Silberlegierung mit hohem elektrischen Widerstand.
Mantel für Hochtemperatur-Multifilament-Supraleiterkabel nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrwand aus drei durch Diffusionsschweißen untereinander verbundenen Schichten gebildet wird, und zwar: – einer Innenschicht (16) aus reinem Silber, – einer Zwischenschicht (18) aus Silberlegierung mit hoher mechanischer Festigkeit, und – einer Außenschicht (20) aus reinem Silber.
Mantel für Hochtemperatur-Multifilament-Supraleiterkabel nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrwand aus drei durch Diffusionsschweißen untereinander verbundenen Schichten gebildet wird, und zwar: – einer Innenschicht (16) aus reinem Silber, – einer Zwischenschicht (18) aus Silberlegierung mit hoher mechanischer Festigkeit und hohem elektrischen Widerstand, sowie – einer Außenschicht (20) aus reinem Silber.
Mantel für Hochtemperatur-Multifilament-Supraleiterkabel nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrwand aus drei durch Diffusionsschweißen untereinander verbundenen Schichten gebildet wird, und zwar: – einer Innenschicht (16) aus reinem Silber, – einer Zwischenschicht (18) aus Silberlegierung mit hoher mechanischer Festigkeit, und – einer Außenschicht (20) aus Silber mit hohem elektrischen Widerstand.
Mantel für Hochtemperatur-Multifilament-Supraleiterkabel nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrwand aus vier durch Diffusionsschweißen untereinander verbundenen Schichten gebildet wird, und zwar: – einer Innenschicht (22) aus reinem Silber, – einer ersten Zwischenschicht (24) aus Silberlegierung mit hoher mechanischer Festigkeit, – einer zweiten Zwischenschicht (26) aus Silberlegierung mit hohem elektrischen Widerstand, und – einer Außenschicht (28) aus reinem Silber.
Mantel für Hochtemperatur-Multifilament-Supraleiterkabel nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrwand aus vier durch Diffusionsschweißen untereinander verbundenen Schichten gebildet wird, und zwar: – einer Innenschicht (22) aus reinem Silber, – einer ersten Zwischenschicht (24) aus Silberlegierung mit hohem elektrischen Widerstand, – einer zweiten Zwischenschicht (26) aus Silberlegierung mit hoher mechanischer Festigkeit, und – einer Außenschicht (28) aus reinem Silber.
Mantel für Hochtemperatur-Multifilament-Supraleiterkabel nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrwand aus zwei durch Diffusionsschweißen untereinander verbundenen Schichten gebildet wird, und zwar: – einer Innenschicht (32) aus reinem Silber, und – einer Außenschicht (34) aus Silberlegierung mit hoher mechanischer Festigkeit.
Mantel für Hochtemperatur-Multifilament-Supraleiterkabel nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrwand aus zwei durch Diffusionsschweißen untereinander verbundenen Schichten gebildet wird, und zwar: – einer Innenschicht (32) aus reinem Silber, und – einer Außenschicht (34) aus Silberlegierung mit hoher mechanischer Festigkeit und hohem elektrischen Widerstand.
Mantel für Hochtemperatur-Multifilament-Supraleiterkabel nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrwand aus drei durch Diffusionsschweißen untereinander verbundenen Schichten gebildet wird, und zwar: – einer Innenschicht (36) aus reinem Silber, – einer Zwischenschicht (38) aus Silberlegierung mit hohem elektrischen Widerstand, und – einer Außenschicht (40) aus Silberlegierung mit hoher mechanischer Festigkeit.