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Hintergrund der Erfindung
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung
eines supraleitfähigen Oxidleiters
und insbesondere auf ein Verfahren zur Herstellung eines supraleitfähigen Oxidleiters,
der eine hohe kritische Stromdichte hat.
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Beschreibung des Hintergrundes
des Standes der Technik
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In
den letzten Jahren wurden keramische supraleitfähige Materialien, d. h. supraleitfähige Oxidmaterialien,
die höhere
kritische Temperaturen aufweisen, mit Interesse beobachtet. Insbesondere
weisen Yttrium-, Wismut- und Thalliumoxid-Supraleitmaterialien hohe
kritische Temperaturen von ungefähr 90
K, 110 K bzw. 120 K auf, so daß diese
bei Temperaturen, die höher
als die Temperatur des flüssigen Stickstoffs
liegt, in supraleitfähigen
Zuständen
verbleiben. Somit wird erwartet, daß solche supraleitfähigen Oxidmaterialien
bei supraleitfähigen
Hochtemperaturmaterialien mit dem Kühlmedium flüssiger Stickstoff praktisch
angewendet werden.
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In
bezug auf die praktische Verwendung eines solchen supraleitfähigen Oxidmaterials
werden nun Studien bezüglich
der Anwendung eines supraleitfähigen
Kabels ausgeführt,
das zum Beispiel mit flüssigem
Stickstoff gekühlt
wird. Wenn ein supraleitfähiges
Kabel, das supraleitfähiges
Oxidmaterial aufweist, in die Praxis umgesetzt wird, ist es möglich, das
Wärmeschutzsystem
zu vereinfachen und die Kühlkosten
zu verringern, da bei diesem Kabel keine Kühlung mit teurem flüssigen Helium
notwendig ist, wobei dieses ein Unterschied zum herkömmlichen supraleitfähigen Kabel
ist, bei dem ein supraleitfähiger
Metalleiter verwendet wird.
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Die
Erfinder haben einen supraleitfähigen Oxiddraht,
der eine vortreffliche Biegbarkeit hat, wobei ein Supraleiter mit
zum Beispiel Silber in einen Multifilamentzustand gebracht wurde,
als exemplarischen supraleitfähigen
Oxidleiter, der für
ein solches supraleitfähiges
Kabel verwendet wird, entwickelt. Die Erfinder haben herausgefunden,
daß es
möglich ist,
einen biegsamen supraleitfähigen
Oxidleiter zu erhalten, der eine hohe kritische Stromdichte hat,
indem eine Vielzahl solcher mit Silber bedeckten supraleitfähigen Multifilamentdrähte auf
einem biegsamen Rohr zusammengebracht wird, das als ein Kern dient,
der Aufbringkörper
genannt wird, wie es beschrieben ist in ”Advances in Superconductivity” von Y.
Bando und H. Yamauchi, Springer-Verlag Tokyo, Berlin, Heidelberg,
New York, 1993 im Kapitel ”5m/2kA
High-TC Cable Conductor” auf Seite 1251.
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Bei
einem gemäß Vorbeschreibung
erhaltenen supraleitfähigen
Oxidleiter besteht jedoch noch Bedarf bezüglich einer Verbesserung bei
der kritischen Stromdichte. Ein supraleitfähiger Oxidleiter, der auf ein
Kabel oder ähnliches
angewendet wird, muß eine
höhere
kritische Stromdichte haben.
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Die
EP-A-504895 offenbart
einen bandförmigen
supraleitfähigen
Draht, der vorgesehen wird, indem Kompressionsarbeit auf einen Draht,
der durch Ziehen hergestellt wird, aufgebracht wird, und offenbart
einen supraleitfähigen
Draht, der vorgesehen wird, indem ein Material, das der supraleitfähige Abschnitt
wird, in eine Metallhülle
eingebracht wird und auf diese Zugarbeit ausgeübt wird, woraufhin eine Baugruppe
dieser Drähte
in einer Metallhülle
gebündelt
wird und auf diese Zugarbeit ausgeübt wird. Die kritische Stromdichte
des Supraleiters verringert sich kaum, selbst wenn Biegearbeit ausgeübt wird.
Bei diesem Supraleiter sind die Litzen bezüglich der Längsrichtung des Supraleiters
gerade angeordnet.
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Zusammenfassung der Erfindung.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Prozeß zur Herstellung eines supraleitfähigen Oxidleiters
vorzusehen, der eine höhere
kritische Stromdichte hat.
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Die
Aufgabe wird durch einen Prozeß nach Anspruch
1 gelöst.
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Im
allgemeinen wurde ein Oxidsupraleiter, der Keramik aufweist, als
ein Material erkannt, das bezüglich
Biegen ebenfalls im leitfähigen
Zustand sehr schwach ist. Somit wurde es bezüglich der Umsetzung eines supraleitfähigen Kabels
als unausweichlich erachtet, einen supraleitfähigen Leiter zu implementieren,
der bezüglich
Biegen widerstandsfähig
ist und der mit einer hohen kritischen Stromdichte versehen ist.
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Durch
ihre speziellen Experimente haben die Erfinder herausgefunden, daß es möglich ist,
einen biegsamen supraleitfähigen
Oxidleiter mit hoher kritischer Stromdichte gemäß Vorbeschreibung vorzusehen,
indem eine Vielzahl von metallbeschichteten supraleitfähigen Multifilamentlitzen
auf einem Aufbringkörper
zusammengefaßt
werden.
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Bei
jedem dieser Experimente haben die Erfinder den Leiter zeitweilig
gebogen, im Anschluß diesen
in den linearen Zustand zurückversetzt
und ihn in flüssigem
Stickstoff getaucht, um die kritische Stromdichte des supraleitfähigen Leiters
im gebogenen Zustand zu messen.
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Andererseits
führten
die Erfinder ein neues Experiment durch, in dem ein Leiter, der
im gebogenen Zustand gehalten wurde, in flüssigen Stickstoff getaucht
wurde, um seine kritische Stromdichte zu messen. In diesem Fall
war eine Verbesserung von ungefähr
10% bei der kritischen Stromdichte im Vergleich zu dem Wert, der
im linearen Zustand gemessen wurde, erkennbar. Genauer gesagt haben
die Erfinder durch diese Experimente herausgefunden, daß die kritische
Stromdichte eines supraleitfähigen Leiters,
der aus einem Oxidsupraleiter besteht, im Vergleich mit dem linearen
Zustand in einem gebogenen Zustand verbessert ist, solange sich
der supraleitfähige
Leiter biegen läßt. Die
vorliegende Erfindung verwendet einen solchen Effekt.
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Der
supraleitfähige
Leiter, der gemäß der vorliegenden
Erfindung erhalten wurde, ist dadurch gekennzeichnet, daß dieser
gebogen wird. Somit wird die kritische Stromdichte gemäß Vorbeschreibung
verbessert.
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Entsprechend
der vorliegenden Erfindung ist die Biegung, die auf den supraleitfähigen Leiter
aufgebracht wird, zumindest 0,75 m im Krümmungsradius, stärker bevorzugt
zumindest 1,0 m und weniger als 3,0 m im Krümmungsradius, um eine effektive Verbesserung
beim kritischen Stromwert zu erhalten.
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Das
Metall zum Bedecken der supraleitfähigen Multifilamentlitzen,
die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, ist vorzugsweise
aus Silber oder einer Silberlegierung hergestellt. Der Oxidsupraleiter,
der ersichtlich aus einem Wismut-, Thallium- oder Yttrium-Supraleiter
hergestellt sein kann, wird unter Berücksichtigung der Einfachheit
der Längenzunahme,
der hohen kritischen Stromdichte und ähnlichem vorzugsweise aus einem
Wismutoxid-Supraleiter hergestellt. Ferner ist die Filamentanzahl von
jeder Multifilamentlitze zumindest 7 und nicht größer als
10 000.
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Wenn
auf den Aufbringkörper
in der vorliegenden Erfindung Drähte
spiralförmig
aufgewickelt werden, um ein Zusam menfügen vorzunehmen, ist es vorzuziehen,
die Drähte
in einer Vielzahl von Schichten zu wickeln, während die Wickelrichtung der
Schichten umgekehrt wird, damit die Adhäsion zwischen bandförmigen supraleitfähigen Multifilamentdrähten verbessert
wird, wobei ein Isoliermaterial aufgewickelt wird. Der deutlichste
Effekt tritt auf, wenn ein Gleichstrom an den supraleitfähigen Leiter angeschlossen
wird; der Leiter ist die effektivste Einrichtung, wenn er beim supraleitfähigen Gleichstromkabel
angewendet wird.
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Das
Isoliermaterial, das zumindest einen doppelt so großen Wärmekontraktionskoeffizienten wie
der der supraleitfähigen
Drähte
hat, wird auf die Fläche
des supraleitfähigen
Leiters gewickelt. Somit wird der Leiter beim Kühlen radial zusammengepreßt, wodurch
die Adhäsion
zwischen den supraleitfähigen
Drähten
verbessert wird, damit die kritische Stromdichte des Leiters verbessert
wird.
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Entsprechend
der vorliegenden Erfindung muß das
Isoliermaterial, das den Leiter beim Kühlen radial zusammenpressen
kann, einen Wärmekontraktionskoeffizienten
haben, der zumindest das Doppelte, vorzugsweise zumindest das Fünffache
von dem der supraleitfähigen
Litzen, wie diese verwendet werden, beträgt. Zum Beispiel weist ein
silberbedeckte supraleitfähige
Multifilament-Bi-Draht einen Wärmekontraktionskoeffizienten
von ungefähr
0,2% auf, wenn dieser von der Zimmertemperatur auf die Temperatur
von flüssigem
Stickstoff abgekühlt
wird. Daher wird das Isoliermaterial vorzugsweise aus PPLP-Papier
(Polypropylenlaminatpapier), einem PE-Film (Polyethylenfilm), EP-Gummi
(Ethylen-Propylengummi), einem festen PE-Isolator (fester Polyethylenisolator)
oder ähnlichem
hergestellt, das/der einen Wärmekontraktionskoeffizienten
von zumindest 1% hat.
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Entsprechend
einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Prozeß zur Herstellung
eines Oxidsupralei ters vorgesehen, bei dem ein supraleitfähiges Oxidkabel
ausgebildet wird, indem eine Vielzahl von supraleitfähigen Leitern,
die durch den Prozeß von
Anspruch 1 erhalten werden, verlitzt werden. Jeder der supraleitfähigen Leiter
weist eine Vielzahl von metallbedeckten Multifilamentlitzen auf, die
miteinander zusammengesetzt sind, während diese gebogen werden,
um ihre kritische Stromdichte zu verbessern.
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Genauer
gesagt wird das supraleitfähige
Kabel, erhalten gemäß der vorliegenden
Erfindung, durch eine Vielzahl von supraleitfähigen Leitern ausgebildet,
die miteinander verlitzt werden. Durch eine solche verlitzte Struktur,
die bei der Herstellung des supraleitfähigen Kabels verwendet wird,
bedingt, wird Biegung auf die Leiter aufgebracht, um die kritische
Stromdichte des supraleitfähigen
Kabels zu verbessern.
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Die
vorstehenden und andere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile
der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten
Beschreibung der Erfindung im Zusammenhang mit den beiliegenden
Zeichnungen deutlicher.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine perspektivische Ansicht, die drei Leiter zeigt, die aneinander
angenähert
sind, und
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2 ist
eine perspektivische Ansicht, die ein supraleitfähiges Kabel gemäß einem
Vergleichsbeispiel zeigt.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsbeispiele
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(Beispiel 1)
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Als
erstes wurden bandförmige
supraleitfähige
Multifilament-Drähte
als supraleitfähige
Litzen in der folgenden Weise hergestellt.
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Oxide
und Karbonate wurden miteinander gemischt, um eine Zusammensetzung
vorzusehen, die Bi, Pb, Sr, Ca und Cu im Verhältnis von 1,8:0,3:2,0:2,0:3,0
aufweist; die Mischung wurde wärmebehandelt,
um Pulver herzustellen, das im wesentlichen eine 2212-Phase und
eine nicht supraleitende Phase aufweist. Dieses Pulver wurde in
ein Silberrohr eingebracht und im Anschluß gezogen, um einen supraleitfähigen Draht
mit einem Kern herzustellen. 61 solcher supraleitfähigen Drähte mit
einem Kern wurden in einem Silberrohr in Eingriff gebracht, gezogen
und weiter gewalzt, um einen bandförmigen Multifilamentdraht zu
erzeugen. Dieser Draht wurde bei 845°C 50 Stunden lang wärmebehandelt
und im Anschluß Sekundärwalzen
ausgesetzt. Im Anschluß wurde
der Draht bei einer Sintertemperatur von 840°C 100 Stunden lang sekundär gesintert.
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Der
bandförmige
supraleitfähige
Multifilamentdraht, der in der vorstehend beschriebenen Weise erhalten
wurde, wies eine kritische Stromdichte von 20 000 A/cm2 in
flüssigem
Stickstoff über
eine Länge
von 5 m auf. Wenn dieser supraleitfähige Multifilamentdraht gebogen
wurde, wurde bei der kritischen Stromdichte bis zu einem Biegeverformungsfaktor
von 0,5% keine Verschlechterung verursacht.
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Ferner
erhöhte
sich nicht die kritische Stromdichte, als der supraleitfähige Multifilamentdraht
Biegeverformung ausgesetzt wurde.
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Dann
wurden supraleitfähige
Multifilamentdrähte,
die in der vorstehend beschriebenen Weise hergestellt wurden, auf
einem Spiralrohr von 1,4 m Länge,
19 mm Außendurchmesser
und 0,3 mm Dicke mit Nuten von 2 mm Tiefe und 4 mm Steigung zusammengesetzt.
Vor dem Zusammensetzen der Drähte wurde ein
Silberband mit 50 μm
Dicke auf den Aufnahmekörper
spiralförmig
gewickelt, damit die Nuten bedeckt werden, um effektiv zu verhindern,
daß die Litzen
beim Biegen in die Nuten eintreten. Dann wurden 75 Drähte (25
Drähte
und 3 Schichten) auf das Rohr mit einer Wickelsteigung von 250 mm
gewickelt, während
die Wickelrichtung bei jeder Lage umgedreht wurde. Der somit erhaltene
Leiter hatte einen Außendurchmesser
von 21 mm und wies einen kritischen Stromwert von 1400 A auf.
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Im
Anschluß wurden
die kritischen Stromwerte beim Anlegen von zahlreichen Biegewerten gemessen.
Die Resultate waren folgende:
Beim Biegen mit 3,0 m Krümmungsradius
konnte keine offensichtliche Änderung
beim kritischen Stromwert beobachtet werden, wobei mit dem Wert
im linearen Zustand verglichen wurde.
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Beim
Biegen mit 2,5 m Krümmungsradius wurde
eine Verbesserung von ungefähr
3% beim kritischen Stromwert im Vergleich zu dem im linearen Zustand
gemessenen beobachtet.
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Beim
Biegen mit 1,25 m Krümmungsradius wurde
eine Verbesserung von ungefähr
8% beim kritischen Stromwert im Vergleich zu dem im linearen Zustand
gemessenen beobachtet.
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Das
Biegen mit bis zu 0,75 m Krümmungsradius
wurde als minimales Biegen verwendet. Auch in diesem Fall trat eine
Verbesserung von ungefähr
5% beim kritischen Stromwert im Vergleich zu dem Wert auf, der im
linearen Zustand gemessen wurde.
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Bezüglich der
kritischen Stromdichte wurde eine Verbesserung von maximal ungefähr 8% durch das
Biegen erhalten.
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(Beispiel 2)
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Die
bandförmigen
supraleitfähigen
Multifilamentdrähte,
die im Beispiel 1 hergestellt wurden, wurden auf einem Spiralrohr
mit 5 m Länge,
19 mm Außendurchmesser
0,3 mm Dicke mit Nuten mit 2 mm Tiefe und 4 mm Steigung zusammengesetzt.
125 Drähte
(25 Drähte
und 5 Schichten) wurden auf das Rohr mit einer Wickelsteigung von
250 mm spiralförmig
gewickelt; die Wickelrichtung wurde bei jeder Lage umgedreht. Der
somit erhaltene Leiter hatte einen Außendurchmesser von 22 mm.
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Zum
Zweck der Isolierung/des Schutzes wurde dann PPLP-Papier (Polypropylenlaminatpapier)
mit einer Dicke von 140 μm
und einer Breite 30 mm auf eine Fläche dieses Leiters über drei
Lagen mit einer Steigung von 40 mm und mit Zwischenräumen von
1 mm spiralförmig
gewickelt. Die Richtung der Isolierwicklung wurde bei jeder Lage
umgedreht. Der Leiter, der mit dem PPLP-Papier versehen war, wies
einen kritischen Stromwert von 1800 A und eine kritische Stromdichte
von 130 000 A/cm2 auf.
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Im
Anschluß wurde
der kritische Stromwert beim Biegen gemessen.
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Wenn
mit einem Krümmungsradius
von 1,25 m gebogen wurde, verbesserte sich der kritische Stromwert
um ungefähr
10%, wobei mit dem im linearen Zustand gemessenen verglichen wurde
und 2000 A erreicht wurden. Die kritische Stromdichte betrug 14
000 A/cm2.
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(Vergleichsbeispiel)
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Drei
Leiter A, B und C wurden in gleicher Weise wie Beispiel 2 hergestellt.
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Die
drei Leiter A, B und C wurden, wie es in 1 gezeigt
ist, aneinander angenähert,
um ein superleitfähiges Kabel
in Parallelanordnung auszubilden, und wurden einem Erregungstest
ausgesetzt. Dieses supraleitfähige
Kabel wies einen kritischen Strom von 3500 A auf.
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Im
Anschluß wurden
die drei Leiter A, B und C verlitzt, wie es in 2 gezeigt
ist, um ein supraleitfähiges
Kabel einstückig
auszubilden, das dann erregt wurde. In diesem Fall verbesserte sich
die kritische Strom um ungefähr
8%, wobei 3800 A erreicht wurden.
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(Beispiel 3)
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Ein
superleitfähiger
Leiter mit 5 m Länge wurde
mit 8 Wicklungsschichten ähnlich
Beispiel 2 hergestellt.
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Drei
Schichten PPLP-Papier wurden auf die äußerste Schicht gewickelt.
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Bei
diesem Leiter wurde die Messung des kritischen Stromes Ic im linearen
Zustand vorgenommen, wobei ein Wert von 2750 A erzielt wurde.
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Wenn
der Leiter mit einem Krümmungsradius
von 1,3 m in flüssigem
Stickstoff gebogen wurde, verbesserte sich der kritische Strom Ic
auf 3000 A.
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Als
der Leiter im Anschluß in
den Linearzustand zurückgeführt wurde,
verblieb der kritische Strom Ic bei 3000 A.
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Im
Anschluß wurde
der Leiter in LN2 beim Biegen mit 1,3 m
Krümmungsradius
getaucht und der kritische Strom gemessen. Auch in diesem Zustand verblieb
der kritische Strom Ic bei 3000 A.
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Somit
wurde es als möglich
bewiesen, daß ein
ausreichender Effekt bei der Verbesserung des kritischen Stromes
erreicht wird, indem der Leiter nur einmal gebogen wird, während dieser
Effekt aufrecht erhalten wird, auch wenn der Leiter in den Linearzustand
zurückgeführt wird.
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Entsprechend
der vorliegenden Erfindung gemäß Vorbeschreibung
ist es möglich,
einen kompakten supraleitfähigen
Leiter zu implementieren, der eine höhere Kapazität hat, da
seine kritische Stromdichte durch Biegen verbessert ist.
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Entsprechend
der vorliegenden Erfindung ist es ferner möglich, einen supraleitfähigen Leiter
zu erhalten, der bezüglich
der kritischen Stromdichte weiter verbessert ist, indem ein Isoliermaterial
auf eine Fläche
des Leiters gewickelt wird.
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Entsprechend
der vorliegenden Erfindung ist es ferner möglich, ein supraleitfähiges Kabel
zu erhalten, das eine höhere
Kapazität
als ein Kabel mit einem Kern hat, indem eine verlitzte Struktur
verwendet wird, um das supraleitfähige Kabel zu erzeugen, da
der Leiter mit dieser Struktur gebogen wird, damit die kritische
Stromdichte des Kabels erhöht
wird.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung detailliert beschrieben und erläutert wurde,
ist es gut verständlich,
daß diese
nur illustrativen und beispielhaften Charakter hat und nicht begrenzend
wirken soll, wobei der Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung nur
durch den Inhalt der beiliegenden Patentansprüche begrenzt wird.