DE69019308T3

DE69019308T3 - Anwendung eines Oxyd-Supraleiters.

Info

Publication number: DE69019308T3
Application number: DE69019308T
Authority: DE
Inventors: Kenichi Sato
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1989-11-14
Filing date: 1990-11-14
Publication date: 1998-06-18
Anticipated expiration: 2010-11-15
Also published as: US5340943A; JP2929622B2; CA2029744C; AU642681B2; EP0428993B1; EP0428993A2; EP0428993A3; DE69019308T2; CA2029744A1; AU6662790A; EP0428993B2; DE69019308D1; JPH03156809A

Description

Hintergrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Verwendung eines Oxid-Supraleiters.

Beschreibung des Standes der Technik

Oxid-Supraleiter haben kürzlich als supraleitendes Material, welches eine höhere kritische Temperatur aufweist, Beachtung gefunden. Nach dem Verfahren zur Verwendung solch eines Oxid-Supraleiters ist eine Untersuchung zum Kühlen des Leiters auf eine Temperatur unterhalb seiner kritischen Temperatur, ähnlich zu einem konventionellen Supraleiter aus einem Metall oder einer intermetallischen Verbindung, durchgeführt und ein Strom zum Beibehalten des supraleitenden Zustandes zugeführt worden. Ein Oxid-Supraleiter ist nämlich unter Zuführung eines Stroms unterhalb seines kritischen Stroms wie selbstverständlich verwendet worden. Daher wird ein Oxid-Supraleiter mit hoher kritischer Stromdichte erwartet, welcher den Wert des Speisestroms erhöhen kann.
EP-A-0 285 147 offenbart eine stromtragende Zuleitung, die zwischen eine Stromquelle und eine supraleitenden Vorrichtung geschaltet werden kann und die einen keramischen Supraleiter aufweist. Ein Ende der Zuleitung - das heiße Ende - wird mit der Stromversorgung verbunden, und das andere Ende der Zuleitung - das kalte Ende - wird mit der supraleitenden Vorrichtung verbunden.

Zusammenfassung der Erfindung

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verwendung eines Oxid-Supraleiters zur Verfügung zu stellen, welcher weiterhin den Wert des Speisestroms bei der gleichen konstanten kritischen Stromdichte erhöhen kann.
Die erfindungsgemäße Verwendung eines Oxid-Supraleiters ist dadurch gekennzeichnet, daß der Oxid-Supraleiter kontinuierlich in einem Übergangs-Flußfließ-Zustand zwischen einem supraleitenden Zustand und einem normalleitenden Zustand verwendet wird. Die Verwendung umfaßt das Kühlen des Leiters bei einer Temperatur, die beträchtlich niedriger ist als seine kritische Supraleitfähigkeitstemperatur, und die Versorgung des Leiters mit einem Strom, der seinen kritischen Strom überschreitet.
Die Erfinder hatten gefunden, daß der Übergangsbereich zwischen einem supraleitenden Zustand und einem normalleitenden Zustand, das heißt der Übergangs-Flußfließzustand eines Oxid-Supraleiters, stabil ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Oxid-Supraleiter in solch einem Zustand verwendet, derart, daß ein großer Strom in einem Zustand mit einem kleinen Widerstand zugeführt wird. Solch ein Übergangs-Flußfließ-Zustand verursacht zwar einen Widerstand, aber nur bei einem äußerst kleinen Wert. In einem Oxid-Supraleiter ist es möglich, solch einen Flußfließ-Zustand stabil zu halten, der in einem konventionellen Supraleiter aus einem Metall oder einer intermetallischen Verbindung nicht stabil gehalten werden kann.
Der Ausdruck "supraleitender Zustand" bezeichnet einen Zustand, welcher ein elektrisches Feld von nicht mehr als 1 µV/cm hervorruft, während der Ausdruck "normalleitender Zustand" einen Zustand bezeichnet, welcher einen gewöhnlichen Widerstand aufweist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise ein Oxid-Supraleiter in Kombination mit einem stablisierenden Material verwendet. Vorzugsweise besteht das stabilisierende Material mindestens teilweise aus Silber oder einer Silberlegierung.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es weiterhin möglich, den Oxid-Supraleiter mit einem flüssigen Kühlmittel und/oder einem Verdampfungsgas davon zu kühlen. Das flüssige Kühlmittel kann beispielsweise aus Helium hergestellt werden.
Der in der vorliegenden Verbindung verwendete Oxid- Supraleiter, der nicht speziell beschränkt ist, kann beispielsweise aus einem Oxid-Supraleitermaterial auf der Basis von Yttrium, Bismut oder Thallium hergestellt werden.
Die Oxid-Supraleiter auf der Basis von Yttrium, Bismut und Thallium besitzen jeweils kritische Supraleitfähigkeitstemperaturen von 90 K, 110 K und 120 K, welche höher als die Temperatur des flüssigen Stickstoffs bei 77,3 K sind. Die Erfinder haben herausgefunden, daß es möglich ist, solch einen Oxid-Supraleiter in einem Übergangs- Flußfließ-Zustand zwischen einem supraleitenden Zustand und einem normalleitenden Zustand stabil zu verwenden, indem man den Leiter bei einer Temperatur kühlt, die beträchtlich niedriger als seine kritische Supraleitfähigkeitstemperatur ist, und indem man denselben mit einem Strom versorgt, der seinen kritischen Strom übersteigt. Die Kühltemperatur zur Verwendung solch eines Supraleiters ist vorzugsweise nicht größer als beispielsweise ungefähr 50% der kritischen Supraleitfähigkeitstemperatur. Jedoch kann irgendeine Temperatur als Kühltemperatur ausgewählt werden, falls ein derartiger Supraleiter den erlaubten Widerstand zeigt.
Wenn ein Supraleiter von 50 cm Länge vertikal angeordnet ist, und sein unteres Ende beispielsweise in flüssiges Helium eintaucht, ist die Temperatur am unteren Ende 4,2 K und die am oberen Ende ungefähr 16 bis 50 K. Falls ein Oxid-Supraleiter in solch einem Zustand verwendet wird, ist es beispielsweise möglich, einen großen Speisestrom in einem Zustand konstant bzw. stabil zuzuführen, der einen Übergangsbereich zwischen einem supraleitenden Zustand und einem normalleitenden Zustand enthält. Der hervorgerufene Widerstand hat in diesem Fall einen äußerst kleinen Wert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, den Speisestromwert im Vergleich mit dem Stand der Technik durch Verwendung eines Oxid-Supraleiters in einem Zustand zu erhöhen, der einen Übergangsbereich zwischen einem supraleitenden Zustand und einem normalleitenden Zustand enthält. Da der in solch einem Flußfließ-Zustand hervorgerufene Widerstand äußerst klein ist, ist es möglich, den jouleschen Verlust außerordentlich zu reduzieren, welcher durch die Stromspeisung hervorgerufen wird, wodurch die Verdampfungsmenge des Kühlmittels herabgesetzt wird.
Diese und andere Ziele, Merkmale, Ausführungsformen und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende detallierte Beschreibung der vorliegenden Erfindung eindeutiger, wenn sie in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen ausgelegt wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 ist eine den Supraleiter 1 zeigende Schnittansicht zur Darstellung von Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung;
Figur 2 ist eine vergrößerte Schnittansicht des Supraleiterdrahtes 3, der in dem Supraleiter 1, wie in Figur 1 gezeigt wird, zur Verfügung gestellt wird; und
Figur 3 ist eine Schnittansicht, die den Supraleiter 8 zur Darstellung von Beispiel 2 der vorliegenden Erfindung zeigt.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Beispiel 1

Figur 1 ist eine den Supraleiter 1 zeigende Schnittansicht zur Darstellung von Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung.
Der Supraleiter 1 umfaßt ein Silberrohr 2, welches im Querschnitt einen kreisförmigen Aufbau hat, und 10 Paare doppelschichtiger Supraleiterdrähte von Bandtyp 3 sind auf dem äußeren Rand des Silberrohres 2 in einer punktsymmetrischen Weise im Querschnitt angeordnet. Jeder Supraleiterdraht 3 ist 0,5 mm dick und 3,8 mm breit. Aus der in Figur 2 gezeigten vergrößerten Schnittansicht ist verständ lich, daß jeder Supraleiterdraht 3 einen Oxid-Supraleiter 4 vom BiPbSrCaCuO-Typ umfaßt, der mit dem Silbermantel 5 eingefaßt ist, welcher als Stabilisierungsmaterial dient.
Der Supraleiter 1 hat einen Kühlraum 6 im Silberrohr 2 und legt einen anderen Kühlraum 7 fest, welcher mit einem Isolator (nicht gezeigt) entlang seines Außenrandes eingefaßt ist.
Um solch einen Supraleiter 1 zu erhalten, wurden die Supraleiterdrähte 3 so hergestellt, daß man zu einer kritischen Temperatur von 106 K, einer kritischen Stromdichte von 1000 A/cm² bei 77,3 K und einem kritischen Strom von 10,5 A gelangt. Diese Supraleiterdrähte 3 wurden so auf einem Silberrohr 2 angeordnet, daß sie sich entlang ihrer Längsrichtung linear erstrecken. Dann wurde eine Wärmebehandlung in der Atmosphäre bei 845ºC für 50 Stunden durchgeführt, um die Oxid-Supraleiter 4 zu sintern, die in den Supraleiterdrähten 3 zur Verfügung gestellt wurden, und um das Silberrohr 2 mit den Silbermänteln 5 der Supraleiterdrähte 3 zu integrieren, während des gleichzeitigen Integrierens der Silbermäntel 5 selbst miteinander durch Diffusionsschweißen. Nach der Wärmebehandlung wies der Supraleiter 1, der 50 cm lang war, einen kritischen Strom von 150 A (wie zum Erzeugen von 1 µV für 40 cm Länge festgelegt war) in flüssigem Stickstoff auf. In flüssigem Helium wies der Supraleiter 1 andererseits einen kritischen Strom von 950 A (wie zum Erseugen von 1 µV für 40 cm Länge festgelegt war) auf. Dieser Leiter wurde vertikal so angeordnet, daß sein unteres Ende in flüssiges Helium eingetaucht war, und sein oberer Teil wurde mit Helium als Verdampfungsgas gekühlt. Bei der Stromspeisung mit einem Strom von 1500 A wurde eine Spannung von 70 µV für 40 cm Länge erzeugt, und die Temperatur am oberen Ende des Leiters betrug 30 K.

Beispiel 2

Figur 3 ist eine Querschnittsansicht eines Supraleiters 8 zur Darstellung von Beispiel 2 der vorliegenden Erfindung.
Um solch einen Supraleiter 8 zu erhalten, wurde jeder der dreifachschichtigen Supraleiterdrähte von 0,37 mm Dicke, 3,7 mm Breite und 50 cm Länge unabhängig voneinander wärmebehandelt Diese Supraleiterdrähte wurden auf einer zehneckig gebildeten äußeren Randfläche eines FRP-Rohres 9 mit einem Klebstoff für eine niedrige Gebrauchstemperatur befestigt. Ein Kühlraum 10 wurde innerhalb des FRP-Rohres 9 festgelegt. Um die Wirksamkeit der Kühlung des Kühlraumes 10 zu verbessern, wurde das FRP-Rohr 9 mit Löchern (nicht gezeigt) von 2 mm Durchmesser mit Abständen von 10 min zur Verfügung gestellt. Die Supraleiterdrähte 3 wurden von einem anderen FRP-Rohr 12 eingefaßt, um einen anderen Kühlraum 11 auf der Außenseite der Supraleiterdrähte 3 festzulegen, welche in der vorher genannten Weise angeordnet waren. Das FRP-Rohr 12 wurde durch FRP-Abstandshalter (nicht gezeigt) an unterschiedlichen Abschnitten befestigt, um den Kühlraum 11 konstant zu halten.
Der flüssige Stickstoff wurde in die Kühlraume 10 und 11 des Supraleiters 8, welcher in der vorher genannten Weise erhalten wurde, eingeführt, um denselben unter Strom zu setzen. Zu diesen Zeitpunkt wies der Supraleiter 8 einen kritischen Strom von 170 A (wie zum Erzeugen von 1 µV für 40 cm Länge festgelegt war) auf.
Andererseits wies dieser Supraleiter einen kritischen Strom von 1000 A (wie zum Erzeugen von 1 µV für 40 cm Länge festgelegt war) in flüssigem Helium auf. Ähnlich zu Beispiel 1 wurde dieser Leiter vertikal angeordnet und sein unteres und oberes Ende wurden jeweils mit flüssigem Helium und Helium als Verdampfungsgas gekühlt. Als der Leiter mit einem Strom von 2000 A in diesem Zustand gespeist wurde, wurde eine Spannung von 320 µV für 40 cm Länge erzeugt, und die Temperatur am oberen Ende betrug 35 K. In diesem Fall wurde die Querschnittsfläche auf 30% derjenigen einer üblichen Stromzuführung verdichtend reduziert, die aus Kupfer zur Speisung mit einem Strom von 1800 A hergestellt wird. Weiterhin wurde festgestellt, daß es möglich ist, die Verdampfungsinenge von Helium um mindestens 20% zu reduzieren. Daher wird deutlich, daß die vorliegende Erfindung zur Verwendung einer Stromzuführung für einen Supraleiter magneten, welcher bei 4,2 K eingesetzt wird, eines Supraleiterkabels, das bei 77,3 K verwendet wird, oder ähnlichem von Nutzen ist, beispielsweise, da es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich ist, einen Zustand mit äußerst kleinem Verlust stabil aufrechtzuerhalten, obwohl ein kleiner Widerstand hervorgerufen wird.

Beispiel 3

Ein Silberrohr mit einem Außendurchmesser von 12 mm und einem Innendurchmesser von 8 mm wurde mit dem Pulver mit einem durchschnittlichen Partikeldurchinesser von 0,9 µm und der Zusammensetzung Bi1,8Pb0,4Sr&sub2;Ca&sub2;Cu&sub3;Oy gefüllt, die aus der Supraleiterphase bestand, die hauptsächlich aus der 2212-Phase und der nicht-supraleitenden Phase, ähnlich zu Beispiel 1, zusammengesetzt war. Dieses zusammengesetzte Material wurde zu 1 mm Durchmesser ausgezogen und zu 0,18 mm Dicke durch einen einzigen Walzvorgang gewalzt, und danach für 50 Stunden bei 845ºC gesintert. Weiterhin wurde es zu 0,15 mm Dicke gewalzt. Die resultierenden 4 Drähte vom Bandtyp mit einer Länge von 50 cm wurden übereinandergelegt und für 50 Stunden bei 840ºC gesintert, um miteinander durch Diffusionsschweißen zusammengefaßt zu werden. Der 50 cm lange Draht wies einen kritischen Strom von 40 A in flüssigem Stickstoff auf, als ein spezifischer Widerstand von 10&supmin;¹³ Ωm für 40 cm Länge zwischen den Spannungspolen erzeugt wurde. Bei einer Speisung mit einem Strom von 80 A, welcher der zweifache des kritischen Stroms in flüssigem Stickstoff war, wurde eine Spannung von 5 mV, jedoch konstant bzw. stabil ohne außerordentliche Spannungserhöhung, erzeugt.

Abänderungen

Obwohl die Supraleiterdrähte 3 aus silberummantelten Drähten vom BiPbSrCaCuO-Typ in den oben genannten Beispielen hergestellt wurden, können solche Supraleiterdrähte wahlweise aus einem Material hergestellt werden, dessen kritische Temperatur die Temperatur des flüssigen Stickstoffs überschreitet, beispielsweise ein YBaCuO-Material, ein BiSrCaCuO-Material, ein TlBaCaCuO-Material, ein TlBaSrCaCuO-Material, ein TlPbBaSrCaCuO-Material, ein TlPbSrCaCuO-Material oder ähnlichem. Anstatt der silberummantelten Drähte können weiterhin Oxid-Supraleiter, die mittels eines physikalischen Herstellungsverfahrens für dünnen Schichten wie zum Beispiel Sputtern, eines chemischen Herstellungsverfahrens für dünne Schichten wie zum Beispiel CVD, eines einseitig gerichteten Verfestigungsverfahrens, eines Spin- bzw. Schleuderverfahrens oder ähnlichem hergestellt wurden, kombiniert oder mit einem stabilisierenden Material umhüllt werden.

Claims

1. Kontinuierliche Verwendung eines Oxid-Supraleiters in einem Übergangs-Flußfließ-Zustand zwischen einem supraleitenden Zustand und einem normalleitenden Zustand, welche

das Kühlen des Leiters bei einer Temperatur, die beträchtlich niedriger ist als seine kritische Supraleitfähigkeitstemperatur und

die Versorgung des Leiters mit einem Strom, der seinen kritischen Strom überschreitet, umfaßt.

2. Verwendung eines Oxid-Supraleiters gemäß Anspruch 1, worin besagter Oxid-Supraleiter in Kombination mit einem stabilisierenden Material verwendet wird.

3. Verwendung eines Oxid-Supraleiters gemäß Anspruch 1 und/oder 2, worin besagter Oxid-Supraleiter mit einem flüssigen Kühlungsmedium und/oder einem Verdampfungsgas davon gekühlt wird.

4. Verwendung eines Oxid-Supraleiters gemäß Anspruch 3, worin besagtes flüssiges Kühlmedium Helium ist.

5. Verwendung eines Oxid-Sugraleiters gemäß Anspruch 3, worin besagtes flüssiges Kühlmedium Stickstoff ist.

6. Verwendung eines Oxid-Supraleiters gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, worin besagter Oxid-Supraleiter aus einem auf Yttrium, Bismut oder Thallium basierenden Material gebildet wird.

7. Verwendung eines Oxid-Supraleiters gemäß einem der Ansprüche 2 bis 6, worin besagtes stabilisierende Material mindestens teilweise aus Silber oder einer Silberverbindung besteht.

8. Kontinuierliche Verwendung eines Oxid-Supraleiters, die Schritte umfassend:

Herstellung eines Supraleiters, der eine kritische Temperatur aufweist, die den Siedepunkt von flüssigem Stickstoff überschreitet;

Eintauchen von mindestens einem Ende von besagtem Oxid- Supraleiter in flüssiges Helium und Kühlen des Leiters auf eine Temperatur, die beträchtlich niedriger als seine kritische Supraleitfähigkeitstemperatur ist; und

Kontinuierliches Versorgen von besagtem gekühlten Oxid- Supraleiter mit einem seinen höchsten kritischen Strom überschreitenden Strom, um denselben in einen Flußfließ- Zustand zu bringen.

9. Verwendung eines Oxid-Supraleiters gemäß Anspruch 8, worin besagter Oxid-Supraleiter als eine Stromleitung für einen supraleitenden Magneten verwendet wird.