DE69830060T2

DE69830060T2 - Hochtemperatur - supraleitendes kabel und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE69830060T2
Application number: DE69830060T
Authority: DE
Inventors: Paola Caracino; Laura Gherardi; Piero Metra; Marco Nassi
Original assignee: Pirelli and C SpA
Current assignee: Prysmian Cavi e Sistemi Energia SRL
Priority date: 1997-08-05
Filing date: 1998-07-28
Publication date: 2006-01-12
Anticipated expiration: 2018-07-29
Also published as: DE69830060D1; CA2299245C; BR9811069A; EP1000428B1; WO1999008289A1; AR015717A1; AU9340298A; CN1266532A; AU724690B2; CN1154118C; JP2003526175A; CA2299245A1; EP1000428A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein supraleitendes Kabel des sogenannten Hochtemperatur-Typs und auf ein Herstellungsverfahren für dasselbe.
Der Begriff supraleitendes Material, wie er in der Beschreibung und in beigefügten Ansprüchen durchgehend verwendet wird, bezieht sich auf jegliches Material, wie z.B. keramische Materialien, die auf den gemischten Oxiden von Kupfer, Barium und Yttrium oder von Bismuth, Blei, Strontium, Kalzium, Kupfer, Thallium und Quecksilber basieren, welches einen supraleitenden Zustand mit einem Widerstand von fast Null bei Temperaturen unter einer sogenannten kritischen Temperatur Tc umfasst.
Auf dem Gebiet der Supraleiter und dementsprechend in der folgenden Beschreibung bezieht sich der Begriff hohe Temperatur auf jegliche Temperatur in der Nähe von oder höher als die Temperatur von flüssigem Stickstoff (ungefähr 77°K), verglichen mit der Temperatur von flüssigem Helium (ungefähr 4°K), welche gewöhnlich als niedrige Temperatur bezeichnet wird.
Hochtemperatursupraleitende Kabel sind z.B. aus der DE-A-38 11 050 und der EP-A-0 747 975 bekannt.
Es sind supraleitende Materialien bekannt, welche eine kritische Temperatur höher als 77°K aufweisen, d.h. welche mindestens bis zu einer solchen Temperatur herauf supraleitende Eigenschaften zeigen. Diese Materialien werden gewöhnlich als Hochtemperatursupraleiter bezeichnet. Solche Materialien sind natürlich von größerem technischen Interesse als Tieftemperatursupraleiter, da deren Funktionalität durch Kühlung mit flüssigem Stickstoff bei 77°K anstatt mit flüssigem Helium bei 4°K sichergestellt werden kann, mit viel niedrigeren Umsetzungsschwierigkeiten und Energiekosten.
Auf dem Gebiet der elektrischen Energieübertragung ist bekanntlich eines der am schwierigsten lösbaren Probleme jenes, die Verwendung von sogenannten supraleitenden Materialien sowohl unter technologischen als auch wirtschaftlichen Gesichtspunkten zunehmend vorteilhafter zu gestalten.
Obwohl diese Niedrigtemperaturmaterialien seit langer Zeit bekannt waren, war tatsächlich deren Verbreitung bis jetzt auf einige wohl definierte praktische Anwendungen beschränkt, wie z.B. auf die Herstellung von Magneten für NMR-Apparate oder von Hochfeldmagneten, bei denen die Kosten keinen diskriminierenden Faktor darstellen.
Tatsächlich sind die Kostenersparnisse aufgrund der geringeren von den Supraleitern umgewandelten (verschwendeten) Leistung immer noch mehr als ausgeglichen von den Kosten aufgrund der Kühlung mit flüssigem Helium, welche notwendig ist, um letzteres unter seiner kritischen Temperatur zu halten.
Um das oben genannte Problem zu lösen, wird die Forschung teilweise auf die Erforschung neuer hochtemperatursupraleitender Materialien gerichtet und versucht teilweise, sowohl die Eigenschaften der existierenden Materialien als auch die Leistungsfähigkeit von Leitern, die bereits erhältliche Materialien beinhalten, zu verbessern.
Mit Bezug auf die geometrischen Eigenschaften hat man herausgefunden, dass eine vorteilhafte Geometrie von dünnen Bändern mit einer allgemeinen Dicke von zwischen 0,05 und 1 mm dargestellt wird.
In der Tat erzielt in einem solchen Fall der das sehr spröde supraleitende keramische Material umfassende Leiter einerseits eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegen verschiedene Biegebelastungen, welchen er während jedem Herstellungs-, Verfrachtungs- und Installationsvorgang des ihn enthaltenden Kabels unterworfen ist, und andererseits stellt es eine bessere Leistung in Bezug auf die kritische Stromdichte aufgrund der vorteilhafteren Orientierung und dem Grad der Kompaktierung des supraleitenden Materials bereit.
Aus verschiedenen Gründen und insbesondere, um die mechanische Widerstandsfähigkeit zu verbessern, umfassen die oben genannten Leiter im Allgemeinen eine Vielzahl von Bändern, die jeweils von einem Kern aus supraleitendem Material umgeben von einer Metallhülle – im Allgemeinen aus Silber oder Silberlegierungen – gebildet sind, zusammengekoppelt um eine mehrfasrige Verbundstruktur zu erhalten.
Entsprechend einem weit verbreiteten Verfahren, dem Fachmann als „Pulver im Rohr" bekannt, wird diese mehrfasrige Struktur des Leiters ausgehend von kleinen Metallrohren erhalten, die mit einem geeigneten pulverförmigen Vorläufer gefüllt sind, wobei die Rohre ihrerseits in einem anderen externen Metallrohr oder einem Stangenrohling gehüllt sind, um so ein kompaktes Bündel von Rohren zu erhalten, welche erst mehreren aufeinanderfolgenden permanenten Verformungs-, Extrusions- und/oder Ziehbehandlungen, und dann Walz- und/oder Pressbehandlungen unterworfen werden, bis die gewünschte bandförmige Struktur erhalten wird. Siehe z.B. EP-A-0 627 773.
Zwischen einer Walzbehandlung und der nächsten, wird das bearbeitete Band einer oder mehreren Wärmebehandlungen unterzogen, um die Bildung des supraleitenden keramischen Materials ausgehend von seinem Vorläufer und vor allem dessen Syntherisation zu verursachen, d.h. das gegenseitige „Verschweißen" der Körnchen des pulverförmigen Supraleiters.
Die EP-A-0 785 783 bezieht sich auf ein hochleistungssupraleitendes Kabel mit mindestens einer Phase, die einen supraleitenden Kern umfasst, das einen Phasenleiter und einen neutralen Leiter beinhaltet. Jede Phase umfasst eine Vielzahl von magnetisch entkoppelten, leitenden Elementen und jedes der leitenden Elemente umfasst ein Paar von Phasen- und neutralen Koaxialleitern.
Die Bänder des Hochtemperatursupraleiters sind eher spröde, sowohl bei der Betriebstemperatur von 77°K als auch bei Zimmertemperatur, und sind ungeeignet, um mechanischen Belastungen, insbesondere Zugbelastungen zu widerstehen. Außer dem tatsächlichen mechanischen Brechen gefährdet das Überschreiten einer gegebenen Zugverformungsschwelle in der Tat irreversibel die Supraleitungseigenschaften des Materials. Daher ist die Verwendung dieser Materialien in Kabeln besonders komplex und empfindlich.
In der Tat ist die Herstellung und die Installation von Kabeln, die solche Materialien umfassen, mit verschiedenen Stadien verbunden, welche unausweichlich mechanische Belastungen mit sich bringen.
Ein erstes kritisches Stadium ist das Wickeln von mehreren Bändern auf einen flexiblen rohrförmigen Träger entsprechend einer spiralförmigen Anordnung, bis der gewünschte Abschnitt des supraleitenden Materials erhalten wird. Sowohl das Wickeln als auch das Ziehen verursachen Zug-, Biege- und Drehverformungen in den Bändern. Die auf das supraleitende Material aufgewendete resultierende Belastung ist hauptsächlich eine Zugbelastung. Außerdem ist der so gebildete Leiter (Träger + supraleitendes Material) von Wärme und elektrischen Isoliervorrichtungen umgeben und wird während diesen Vorgängen Zug- und Biegekräften unterworfen, welche weitere Belastungen in die supraleitenden Bänder einführen.
Ein zweites kritisches Stadium betrifft die Kabelinstallation. Das Kabel wird nämlich bei Zimmertemperatur installiert, so dass zusätzliche Zug- und Biegebelastungen zu erzeugt werden, und die mechanischen Verbindungen (Arretieren der Kabelköpfe), die elektrischen und hydraulischen Verbindungen (für flüssigen Stickstoff) werden bei Zimmertemperatur durchgeführt. Nach Vollendung der Installation wird das Kabel durch Zufuhr von flüssigem Stickstoff auf seine Betriebstemperatur gebracht und während einer derartigen Kühlung ist jede Kabelkomponente mechanischen Belastungen thermischen Ursprungs unterworfen, die entsprechend dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des bildenden Materials und der Eigenschaften der anderen Elemente verschieden sind.
Insbesondere können die Unterschiede der Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Träger und dem supraleitenden Band Belastungen in letzterem und daher im supraleitenden Material verursachen. Wenn das supraleitende Material nicht frei schrumpfen kann, weil es an einen weniger schrumpf-fähigen Träger gebunden ist, werden im supraleitenden Material Zugbelastungen erzeugt. Solche Zugbelastungen kommen zu jenen bereits aufgrund des Wickelns vorhandenen hinzu.
Um die Zugbelastungen zu verringern, wurde die Verwendung von Trägern vorgeschlagen, die aus einem Material mit einem höheren Ausdehnungskoeffizienten als dem des supraleitenden Materials ist (gewöhnlich gleich 10 bis 20 × 10^-6/K), d.h. in der Größenordnung von ungefähr 75 × 10^-6/K. Ein solches Material wäre kein Metall, da kein Metall solche Werte aufweist, sondern nur ein polymerisches Material, wie z.B. Teflon^®, Polyethylen und deren Derivate.
Es ist jedoch herausgefunden worden, dass die oben genannte Lösung, deren Ziel es ist, thermomechanische Belastungen auf die Bänder durch eine geeignete Verringerung im Durchmesser des Trägers zu reduzieren, einige wichtige Nachteile zeigt.
Insbesondere verursachen die unvermeidbar hohen Werte der Wärmeschrumpfung des Leiters (Träger + supraleitendes Material) die Bildung eines breiten radialen Hohlraums zwischen dem Leiter selbst und dem umgebenden Isolierelement (thermische und/oder elektrische Isolation). Dieser Hohlraum kann mit der Verformung oder dem Bruch der Isolation elektrische Schwierigkeiten bereiten, und/oder mechanische Schwierigkeiten bereiten, nämlich fehlende Kohäsion, Ausrichtungsfehler und das Abrutschen des Leiters.
Außerdem erlauben es die schlechten mechanischen Eigenschaften des polymerischen Materials nicht, das supraleitende Material ausreichend während der Kabelherstellungs- und Installationsphasen zu schützen: Aufgrund der hohen Verformbarkeit dieser Materialien verursacht jegliche auf die Leiter angewendete Belastung in der Tat auch im supraleitenden Material eine beachtliche Verformung.
Daher bezieht sich die Erfindung in einem ersten Aspekt auf ein hochtemperatursupraleitendes Kabel, umfassend einen rohrförmigen Träger, eine Vielzahl von supraleitenden Bändern, die ein supraleitendes Material beinhalten, welches in eine Metallumhüllung (z.B. Silber oder eine auf Silber basierende Legierung mit Magnesium und/oder Aluminium und/oder Nickel) gehüllt ist, wobei die Bänder spiralförmig um den Träger gewickelt sind, um so eine elektrisch isolierte, thermisch isolierte und gekühlte supraleitende Schicht zu bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die supraleitenden Bänder mindestens einen mit der Metallumhüllung gekoppelten Metallstreifen umfassen und eine maximale Zugverformung größer als 3 ‰ aufweisen.
Der oben genannte Wert ist so zu verstehen, als dass er auf das oben beschriebene Herstellungs- und Installationsverfahren bezogen ist, d.h.: das Wickeln und die Installation bei Zimmertemperatur, dann das Kühlen auf die Betriebstemperatur von ungefähr 77°K. Das gleiche gilt auch für die Verformungswerte, die im folgenden gegeben werden.
Auf diese Weise erhöht sich die Fähigkeit, Zugbelastungen zu ertragen. Es ist beobachtet worden, dass die von supraleitenden Materialien sicher tragbare Zugbelastung höchstens ungefähr 3 ‰ sein kann; diese Ziffer berücksichtigt die Tatsache, dass die supraleitenden Materialien bereits eine Druckverformung von ungefähr 1 bis 1,5 ‰ tragen, aufgrund der unterschiedlichen thermischen Schrumpfung des supraleitenden Materials in Bezug auf die Metallumhüllung während des Herstellungsstadiums des Bandes.
Aufgrund des Metallstreifens der Erfindung ist nicht nur eine geringere Verformung unter denselben angewandten Belastungen, sondern insbesondere eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegen Zugbelastungen beobachtet worden; Ausdehnungswerte von ungefähr 5,5 ‰ sind in der Tat ohne jegliche Beschädigung erreicht worden. Es wird angenommen, dass dieser Effekt auf eine gleichmäßigere Verteilung der Belastungen im supraleitenden Material zurückzuführen ist, welche es erlaubt, besser die mechanischen Eigenschaften des supraleitenden Materials auszunutzen.
Entsprechend jedem individuellen Fall kann nur ein mit der Metallumhüllung gekoppelter Streifen, oder zwei Streifen, die an entgegengesetzten Seiten des Bandes platziert sind, vorgesehen werden.
Bevorzugt wird der Metallstreifen mit der Metallumhüllung durch Schweißen, Hartlöten oder Verkleben gekoppelt.
Bevorzugt ist der Streifen aus nicht magnetischem Edelstahl mit einer niedrigen elektrischen Leitfähigkeit oder auch aus Bronze oder Aluminium hergestellt.
Bevorzugt ist der rohrförmige Träger des Kabels aus Metall hergestellt. Die größere Fähigkeit, Zugbelastungen zu ertragen, erlaubt es in der Tat, einen Träger aus Metall anstatt aus einem polymerischen Material zu verwenden, wie im Folgenden besser erklärt wird.
Verschiedene Arten von Metall können für den Träger verwendet werden; insbesondere wird für Anwendungen mit sehr hohen Strömen nicht magnetischer Stahl verwendet, vorzugsweise Edelstahl. Alternativ kann auch Kupfer oder Aluminium verwendet werden.
Die Struktur des rohrförmigen Trägers kann durchgehend sein, entweder glatt oder gerippt. Alternativ kann der rohrförmige Träger eine Struktur aufweisen, die aus einem spiralförmig gewickelten Metallband gebildet wird, oder kann eine sogenannte Kachelstruktur aufweisen, d.h. mit spiralförmig verbundenen benachbarten Sektoren.
In einem zweiten Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zu Herstellung von hochtemperatursupraleitenden Kabeln, umfassend die folgenden Schritte:

– Vorsehen eines rohrförmigen Trägers
– Einlegen eines supraleitenden Materials in eine Metallumhüllung, um so supraleitende Bänder zu bilden,
– Sprialförmiges Wickeln einer Vielzahl von supraleitenden Bändern auf den Träger, sodass mindestens eine supraleitende Schicht gebildet wird,
– Elektrisches Isolieren der supraleitenden Schicht,
– Thermisches Isolieren der supraleitenden Schicht,
– Vorsehen der Möglichkeit der Kühlung der supraleitenden Schicht unter eine vorbestimmte Arbeitstemperatur, wenn die Kabel benutzt werden,

– Verbinden mindestens eines Metallstreifens mit der Metallumhüllung der supraleitenden Bänder, und
– Kontrollieren der maximalen Zugverformung der supraleitenden Bänder, sodass sie größer als 3 ‰ ist.

Dieses Verfahren erlaubt es, Kabel entsprechend dem ersten Aspekt der Erfindung herzustellen.
Weitere Eigenschaften und Vorteile eines Kabels und eines Verfahrens entsprechend der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform klarer ersichtlich sein, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird. In den Zeichnungen ist:
1 eine schematische Ansicht eines hochtemperatursupraleitenden Kabels entsprechend der Erfindung, mit teilweise entfernten Teilen.
2 eine schematische Querschnittsansicht eines hochtemperatursupraleitenden Bandes, welches im Kabel der 1 verwendet wird.
Unter Bezug auf 1 bezeichnet 1 ein einphasiges supraleitendes Kabel 1 der sogenannten koaxialen Art als Ganzes. Das Kabel 1 umfasst einen supraleitenden Kern, insgesamt mit 2 bezeichnet, welcher mindestens ein leitendes Element 3 umfasst; das illustrierte Beispiel bezieht sich (entsprechend der zitierten EP-A-0 786 783) auf ein Kabel, in dem vier leitende Elemente vorgesehen sind, bezeichnet mit 3^I, 3^II, 3^III, 3^IV, welche – bevorzugt lose – innerhalb einer rohrförmigen Ummantelung 9, z.B. aus einem Metall wie Stahl, Aluminium oder Ähnlichem, untergebracht sind.
Jedes der leitenden Elemente 3 umfasst ein Paar von koaxialen Leitern, jeweils einen Phasenleiter 4 und einen neutraler Leiter 5, welche jeweils mindestens eine Schicht supraleitenden Materials beinhalten.
In dem genannten Beispiel ist das supraleitende Material in einer Vielzahl von übereinandergeschichteten supraleitenden Bändern 20 enthalten, welche spiralförmig auf die jeweiligen rohrförmigen Träger 6 und (gegebenenfalls 7) mit einem ausreichend niedrigen Wickelungswinkel α aufgewickelt sind; wenn der rohrförmige Träger aus Metall ist, ist der Winkel α bevorzugt kleiner als 40°, wie im Folgenden veranschaulicht wird.
Die koaxialen Phasenleiter 4 und neutralen Leiter 5 sind voneinander durch eine zwischengelagerte Schicht 8 aus dielektrischem Material elektrisch isoliert.
Das Kabel 1 umfasst auch eine geeignete Vorrichtung zur Kühlung des supraleitenden Kerns 3 auf eine Temperatur, die geeignet niedriger als die kritische Temperatur des gewählten supraleitenden Materials ist, welches im Kabel der 1 ein Kabel der sogenannten „Hochtemperatur"-Art ist.
Die genannte Vorrichtung umfasst geeignete, bekannte und daher nicht dargestellte Pumpvorrichtungen , deren Zweck es ist, eine geeignete Kühlflüssigkeit, z.B. flüssigen Stickstoff mit einer Temperatur von 65° bis 90°K, sowohl in das Innere jedes der leitenden Elemente 3 als auch in die Zwischenräume zwischen solchen Elementen und der rohrförmigen Ummantelung 9 zu führen.
Um Wärmeverluste an die Umgebung soweit wie möglich zu reduzieren, ist der supraleitende Kern 2 in eine Haltestruktur 10 oder einen Kryostat eingefasst, welche z.B. eine thermische Isolierung, die z.B. aus einer Vielzahl von übereinanderliegenden Schichten gebildet wird, und mindestens eine Schutzhülse umfasst.
Ein Kryostat, im Stand der Technik bekannt, ist z.B. in einem Artikel in der Zeitschrift IEEE TRRANSACTIONS ON POWER DELIVERY, Band 7, Nr. 4, Oktober 1992, Seiten 1745 bis 1753 beschrieben.
Insbesondere umfasst im genannten Beispiel der Kryostat 10 eine Schicht 11 aus isolierendem Material, welches z.B. aus mehreren Bändern (einigen Dutzend) aus oberflächlich metallisiertem Kunststoffmaterial (z.B. Polyesterharz) besteht, im Stand der Technik als „thermischer Superisolator" bekannt, die lose und gegebenenfalls mithilfe von zwischengeschobenen Abstandshaltern 13 gewickelt sind.
Solche Bänder werden in einem ringförmigen Hohlraum 12 untergebracht, der von einem rohrförmigen Element 14 begrenzt wird, indem durch bekannte Vorrichtungen ein Vakuum von ungefähr 10^-2 N/m² gehalten wird.
Das metallische rohrförmige Element 14 ist dazu geeignet, dem ringförmigen Hohlraum 12 die gewünschte Undurchlässigkeit zu geben, und ist von einer externen Hülse 15, z.B. aus Polyethylen, bedeckt.
Bevorzugt wird das metallische rohrförmige Element 14 von einem rohrförmig gewickelten und in Längsrichtung geschweißtem Band aus Stahl, Kupfer, Aluminium oder Ähnlichem oder von einem extrudierten Rohr oder Ähnlichem gebildet.
Wenn es für die Flexibilität des Kabels notwendig ist, kann das Element 14 gewählt werden.
Zusätzlich zu den beschriebenen Elementen können auch Kabelzugelemente vorhanden sein, die basierend auf dem Aufbau und den Verwendungsanforderungen derselben axial oder am Rand platziert sind, um eine Begrenzung der auf die supraleitenden Elemente 3 angewendeten mechanischen Belastungen sicherzustellen; solche Zugelemente, nicht gezeigt, können entsprechend den aus dem Stand der Technik bekannten Techniken von peripher platzierten Metallarmierungen dargestellt sein, z.B. von verzwirnten Stahldrähten, oder von einem oder mehreren axialen Metallbändern, oder von armierenden Faser aus dielektrischem Material, z.B. Aramidfasern.
Bevorzugt sind die rohrförmigen Träger 6 und 7 aus nicht magnetischem Edelstahl hergestellt und können eine durchgehende entweder glatte oder gewellte (gerippte) Struktur haben; alternativ können die rohrförmigen Träger 6 und 7 mit einem spiralförmig gewickelten Stahlstreifen oder mit einer Kachelstruktur realisiert werden. Von Stahl verschiedene Materialien können ebenso verwendet werden, wie z.B. Kupfer oder Aluminium.
Jedes supraleitende Band 20 umfasst, wie in 2 gezeigt, das supraleitende Material 23, eine Metallummantelung 24 (bevorzugt aus Silber oder aus Silberlegierungen mit Magnesium, Aluminium oder Nickel), wobei das supraleitende Material 23 umhüllt ist, und mindestens ein Metallstreifen (oder Band oder Laminat) 25 mit der Ummantelung 24 gekoppelt ist. Insbesondere weist die Ummantelung 24 einen im Wesentlichen rechteckigen abgeflachten Abschnitt mit zwei langen Seiten 26 und zwei kurzen Seiten 27 auf; ebenso weist der Streifen 25 einen im Wesentlichen rechteckigen abgeflachten Abschnitt mit zwei langen Seiten 28 auf, deren Länge den langen Seiten 26 der Ummantelung 24 fast gleich ist. Der Streifen 25 ist durch Schweißen, Hartlöten oder Verkleben an der Ummantelung 24 befestigt. Es ist anzumerken, dass zwei Streifen 25, entweder gleich oder verschieden, vorhanden sein können, die an entgegengesetzten Teilen der Ummantelung 24 befestigt sind.
BEISPIEL
Um die Erfindung umzusetzen, sind einige Kabel mit den folgenden Eigenschaften realisiert worden: Träger:
Metall oder Polymer
Wicklungsdurchmesser (externer Durchmesser des Trägers):
40 mm
Winkel α:
10 – 45°
Dicke des supraleitenden Bandes:
0,2 mm
Breite des supraleitenden Bandes:
4 mm
Zug auf die einzelnen Bänder während des Wickelns:
10 N
Arbeitstemperatur:
77°K
Kühlung mit arretierten Köpfen (Temperatursprung = 220°K)
Wärmeausdehnungskoeffizient des supraleitenden Bandes:
18,5·10^-6°C
Wärmeausdehnungskoeffizient des Polymerträgers:
80·10^-6°C
Wärmeausdehnungskoeffizient des Metallträgers:
15·10^-6°C
Die Verformungseffekte auf das supraleitende Material sind berücksichtigt worden, sowohl jene aufgrund der Wicklungsgeometrie, welche von der dem Band zugefügten Biegung abhängt und welche daher mit zunehmendem Winkel α ansteigt) als auch jene aufgrund des Zugs während des Wicklungsvorgangs (konstant) und jene mit arretierten Kabelköpfen aufgrund des Effekts der Wärmeänderung (welche mit zunehmendem Winkel α abnimmt, bis sie bei ausreichend großem α negativ wird). In den Tabellen sind positive Werte verwendet worden, um Zugverformungen zu bezeichnen, und negative Werte, um Druckverformungen zu bezeichnen.
Die Tabellen zeigen die Ausführbarkeit entweder mittels eines herkömmlichen supraleitenden Bandes mit einer maximalen tragbaren Zugbelastung gleich 3 ‰, und mittels eines supraleitenden Bandes entsprechend der Erfindung (versehen mit zwei Streifen 25, die entlang den Seiten 26 des Abschnitts platziert sind, mit einer Dicke von 0,045 mm und einer Länge von 3,8 mm, die aus Edelstahl hergestellt sind und mit der Ummantelung 24 des Streifens durch Zinnverlöten verbunden sind), mit einer maximalen tragbaren Zugverformung gleich 5,5 ‰, und daher mit einer Verbesserung von 2,5 ‰. Im letzteren Fall ist der minimale Wert der Erhöhung des Widerstands gegen Zugverformung, der notwendig ist, um die Ausführbarkeit zu gewährleisten, angegeben worden, unter der Annahme (wie oben aufgezeigt und praktisch bestätigt), dass das supraleitende nicht verstärkte Band eine Zugverformung von 3‰ ertragen kann. Doppelt unterstrichene Werte zeigen an, dass die 3‰-Grenze überschritten worden ist.
Tabelle 1 summiert den Zustand im Falle eines polymerischen Trägers, Tabelle 2 jene, die sich auf den Fall eines metallischen Trägers bezieht.
Das Beispiel zeigt in einem spezifischen Fall, dass die Erfindung allgemein eine größere Konzeptionsfreiheit in Bezug auf die Wickelungswinkel, den Trägerdurchmesser, den Wert des Wickelungszuges und bis zu einem gewissen Grade die Wahl des Materials für den Träger erlaubt.
Die Möglichkeit, ein Metall für den Träger zu verwenden, ist besonders vorteilhaft, da ein solcher Träger nicht nur dem Kabel eine größere Festigkeit verleiht und daher mit einem besseren Schutz für das supraleitende Material einhergeht, sondern es vor allem ermöglicht, die Nachteile der oben im Zusammenhang mit dem Stand der Technik erwähnten polymerischen Träger vermeidet; d.h., dass keine gefährlichen Hohlräume unter der Betriebstemperatur zwischen dem Leiter und den umgebenden Schichten aufgrund von Unterschieden im Wärmeausdehnungskoeffizient gebildet werden. Da im Kabel die in Bezug auf den Leiter äußeren Schichten – wie gesehen – hauptsächlich aus Metall bestehen, minimiert die Verwendung eines metallischen Trägers die Unterschiede in der Ausdehnung und verringert daher drastisch die Nachteile aufgrund der Hohlräume.
Außerdem verleiht ein metallischer Träger dem Leiter einen größeren mechanischen Widerstand, zu verstehen als die Gesamtheit des Trägers und des um denselben gewickelten supraleitenden Materials. Daher werden mögliche mechanische Belastungen auf den Leiter zu einem großen Maß nicht auf die supraleitenden Bänder übertragen (wie es mit polymerischen Trägern aufgrund ihrer hohen Verformbarkeit geschieht), sondern werden stattdessen fast gänzlich von demselben Träger aufgenommen.
Zudem ist die Möglichkeit der Erhöhung des Wickelzuges des supraleitenden Materials ein sehr wichtiger Vorteil. In der Tat hängt die Kompaktheit der Leiterwickelung und daher dessen Stabilität von dem genannten Zug ab.
Zusammenfassend erlaubt es die Erfindung, weniger empfindliche und resistentere supraleitende Kabel zu realisieren.
Tabelle 1 – polymerer Träger
Tabelle 2 – Metallträger

Claims

Hochtemperatur-supraleitendes Kabel (1), umfassend einen rohrförmigen Träger (6), eine Vielzahl von supraleitenden Bändern (20), die ein in eine Metallumhüllung (24) eingelegtes supraleitendes Material beinhalten und spiralförmig auf den rohrförmigen Träger (6) gewickelt sind, sodass sie mindestens eine elektrisch isolierte, thermisch isolierte und gekühlte supraleitende Schicht bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die supraleitenden Bänder (20) mindestens einen mit der Metallumhüllung (24) verbundenen Metallstreifen (25) umfassen und eine maximale Dehnungsverformung von größer als 3‰ aufweisen.
Kabel nach Anspruch 1, wobei die supraleitenden Bänder (20) zwei mit der Metallumhüllung (24) verbundene Metallstreifen (25) umfassen.
Kabel nach Anspruch 1, wobei die Metallumhüllung (24) aus Silber oder einer auf Silber basierenden Legierung mit Magnesium und/oder Aluminium und/oder Nickel hergestellt ist.
Kabel nach Anspruch 1, wobei der Metallstreifen (25) mit der Metallumhüllung (24) durch Verschweißen verbunden ist.
Kabel nach Anspruch 1, wobei der Metallstreifen (25) mit der Metallumhüllung (24) durch Hartlöten verbunden ist.
Kabel nach Anspruch 1, wobei der Metallstreifen (25) mit der Metallumhüllung (24) durch Verkleben verbunden ist.
Kabel nach Anspruch 1, wobei der Streifen (25) aus nichtmagnetischem Edelstahl mit niedriger elektrischer Leitfähigkeit hergestellt ist.
Kabel nach Anspruch 1, wobei der Streifen (25) aus Bronze hergestellt ist.
Kabel nach Anspruch 1, wobei der Streifen (25) aus Aluminium hergestellt ist.
Kabel nach Anspruch 1, wobei der rohrförmige Träger (6) aus Metall hergestellt ist.
Kabel nach Anspruch 10, wobei der metallische rohrförmige Träger (6) aus nichtmagnetischem Edelstahl hergestellt ist.
Kabel nach Anspruch 10, wobei der metallische rohrförmige Träger (6) aus Kupfer hergestellt ist.
Kabel nach Anspruch 10, wobei der metallische rohrförmige Träger (6) eine durchgehende Struktur, entweder glatt oder gewellt aufweist.
Kabel nach Anspruch 10, wobei der metallische rohrförmige Träger (6) einen Aufbau eines spiralförmig gewickelten Metallstreifens aufweist.
Kabel nach Anspruch 10, wobei der metallische rohrförmige Träger (6) eine Kachelstruktur aufweist.
Kabel nach Anspruch 10, wobei der Wicklungswinkel der supraleitenden Bänder (20) auf dem metallischen rohrförmigen Träger (6) kleiner als 40° ist.
Verfahren zur Herstellung von Hochtemperatursupraleitenden Kabeln, umfassend die Schritte: – Vorsehen eines rohrförmigen Trägers (6), – Einlegen eines supraleitenden Materials (23) in eine Metallumhüllung (24), um so supraleitende Bänder (20) zu bilden, – Spiralförmiges Wickeln einer Vielzahl von supraleitenden Bändern (20) auf den rohrförmigen Träger (6), sodass mindestens eine supraleitende Schicht gebildet wird, – Elektrisches Isolieren der supraleitenden Schicht, – Thermisches Isolieren der supraleitenden Schicht, – Vorsehen der Möglichkeit der Kühlung der supraleitenden Schicht unter eine vorbestimmte Arbeitstemperatur, wenn die Kabel benutzt werden, gekennzeichnet durch – Verbinden mindestens eines Metallstreifens (25) mit der Metallumhüllung (24) der supraleitenden Bänder (20), und – Kontrollieren der maximalen Zugverformung der supraleitenden Bänder (20), sodass sie größer als 3 ‰ ist.
Verfahren nach Anspruch 17 umfassend den Schritt: – Verbinden von zwei Metallstreifen (25) mit der Metallumhüllung (24) der supraleitenden Bänder (20).
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Schritt des Verbindens durch Schweißen ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Schritt des Verbindens durch Hartlöten ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Schritt des Verbindens durch Verkleben ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der rohrförmige Träger (6) aus Metall hergestellt ist und der Wicklungswinkel der supraleitenden Bänder (20) auf dem metallischen rohrförmigen Träger (6) kleiner als 40° ist.