DE7602005U1 - Superconductor - Google Patents
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Description
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SupraleiterSuperconductor
Die Erfindung betrifft einen stabilisierten Supraleiter, welcher zur Herstellung von Magnetspulen bestimmt ist·The invention relates to a stabilized superconductor, which is intended for the production of magnetic coils
Zum Beispiel zur Erzeugung der bei der Kernfusion benötigten Magnetfelder werden Supraleiter für hohe magnetische Feldstärken bis 12 Tesla und für elektrische Ströme bis zu 5O1OOC A und mehr benötigt· Die für solch hohe Felder und elektrische Ströme geeignetens aus einer intermetallischen Al5-Verbindung bestehenden supraleitenden Materialien wie zum Beispiel Nb3Sn, V3Ga oder V3Si weisen jedoch den grossen Nachteil auf, dass sie nach der Durchführung der Reaktionsglühung sehr spröde sind und nur wenigFor example, to generate the magnetic fields required in the nuclear fusion superconductors for high magnetic field strengths up to 12 Tesla and for electric currents up to 5O 1 OOC A and longer needed · The high for such fields and electric currents suitable s from an intermetallic Al5 connection existing Superconducting materials such as Nb 3 Sn, V 3 Ga or V 3 Si, however, have the major disadvantage that they are very brittle and only slightly after the reaction annealing has been carried out
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gebogen und gedehnt werden dürfen, wenn, ihre supraleitenden Eigenschaften nicht beeinträchtigt werden ■ollen.May be bent and stretched, if, their superconducting Properties are not to be impaired.
Ausserdem werden die bei solchen hohen Feldern und elektrischen Strömen auf den Supraleiter einwirkenden Kräfte wesentlich höher als bisher üblich sein, so dass gleichzeitig hohe Anforderungen an die mechanische Festigkeit des Supraleiters gestellt werden.In addition, at such high fields and electrical Currents acting on the superconductor forces are much higher than previously usual, so that at the same time high demands are placed on the mechanical strength of the superconductor.
Bei der Herstellung von aus Supraleitern bestehenden Magnetspulen existiert der grosse Nachteil, dass eine vor oder beim Wickeln der Magnetspule erfolgende Beschädigung der aus supraleitendem Material bestehenden Filamente erst an dem vollständig fertiggestellten Magneten und nach Abkühlen desselben auf dessen Betriebstemperatur festgestellt werden kann. Insbesondere bei der Verwendung von aus einer der sehr spröden intermetallischen Al5-Verbindungen bestehenden Supraleiterfilamenten ist die Gefahr einer Beschädigung der letzteren bei der Weiterverarbeitung des Supraleiters zu einer Magnetspule,das helsst bei dessen Biegungen, ausserordentlich hoch.In the production of magnet coils consisting of superconductors, there is the great disadvantage that a damage to the superconducting material before or during the winding of the magnet coil Filaments only on the completely finished magnet and after it has cooled down on it Operating temperature can be determined. Especially when using from one of the very brittle intermetallic Al5 compounds Superconductor filaments are at risk of damaging the latter during further processing of the superconductor to a magnetic coil, which helps with its bends, extremely high.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines stabilisierten jThe object of the invention is to create a stabilized j
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Supraleiters, welcher zur Herstellung von Magnetepulen bestimmt und dadurch gekennzeichnet ist, dass er mit in seiner Längsrichtung verlaufenden Veretä'rkungselementen gegen Biegung verstärkt ist, derart, dass er in der zu erwartenden Biegerichtung eine solche Biegefestigkeit aufweist, dass er bei den bei seiner Herstellung und Weiterverarbeitung höchsten zu erwartenden Biegemomenten nur so stark gebogen werden kann, dass keine Beschädigung der aus supraleitendem Material bestehenden Filamente auftritt, die zu einer Reduktion der elektrischen Supraleitereigenschaften im Betrieb des Leiters führt.Superconductor, which is used to manufacture magnetic coils is determined and characterized in that it is provided with reinforcement elements extending in its longitudinal direction against bending is reinforced in such a way that it is in the expected bending direction has such a flexural strength that it is used in its manufacture and further processing The highest bending moments to be expected can only be bent to such an extent that it does not damage the superconducting material existing filaments occurs, which leads to a reduction in electrical Superconductor properties in the operation of the conductor leads.
Es ist zweckmässig, wenn er gegen Biegung derart verstärkt ist, und die Filamente derart angeordnet sind, dass bei der Herstellung und Weiterverarbeitung des Supraleiters die Biegung derart begrenzt wird, dass die Dehnung der äussersten, am stärksten beanspruchten supraleitenden Filamente 2% nicht übersteigt. Die kritische Stromstärke der Supraleiterfilamente nimmt bekanntlich bereits bei einer Dehnung veη mehr als 0,2% merklich ab, so dass es zweckmässig ist, die Verstärkungsmaterialien so auszuwählen und ihren Querschnitt so zu bemessen, dass die supra-It is useful if it is reinforced against bending in this way and the filaments are arranged in this way are that during the manufacture and further processing of the superconductor, the bending is limited in such a way that that the elongation of the outermost, most heavily stressed superconducting filaments does not exceed 2%. As is well known, the critical current strength of the superconductor filaments already increases when stretched more than 0.2% noticeably, so that it is advisable to select the reinforcement materials in this way and to dimension their cross-section so that the supra-
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leitenden Filamente bei den bei der Herstellung, Weiterverarbeitung und den im Betrieb des Supraleiters zu erwartenden Beanspruchungen in ihrer Längsrichtung um nicht mehr als 0,2% gedehnt werden.Conductive filaments in the manufacture, processing and operation of the superconductor expected stresses are stretched in their longitudinal direction by no more than 0.2%.
Die Tatsache, dass bei einer Biegung des Leiters die äussersten Filamente bis zu 2% gedehnt werden dürfen, rührt von der Tatsache her, dass dabei der überwiegende Teil der weiter innen liegenden Filamente eine geringere Dehnung erfährt ©dar sogar einer Druckkraft ausgesetzt wird.The fact that when the conductor bends, the outermost filaments are stretched up to 2% allowed, stems from the fact that the majority of the filaments lying further inside © is less stretched and is even exposed to a compressive force.
In vielen Fällen kann es vorteilhaft sein, wenn der Supraleiter mit einer Vielzahl von ein Kabel bildenden Supraleiterdrähten, bei denen eine grosse Anzahl von Filamenten aus supraleitendem Material in eine aus elektrisch normalleitendem Material bestehende Matrix eingebettet ist, versehen ist. Zur Erzielung einerIn many cases it can be advantageous if the superconductor has a multitude of cables forming superconducting wires, in which a large number of filaments of superconducting material in one is embedded from an electrically normal conductive material matrix is provided. To achieve a
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geringen Flexibilität des Kabels beim Biegen des Supraleiters ist es zweckmässig, wenn die das Kabel bildenden Drähte untereinander und mit den übrigen angrenzenden Teilen des Supraleiters, zum Beispiel durch Weichverlöten, plastisch verbunden sind. .low flexibility of the cable when bending the superconductor, it is useful if the cable forming wires with each other and with the remaining adjacent parts of the superconductor, for example are plastically connected by soft soldering. .
Es ist ferner vorteilhaft, wenn die aus supraleitendem Material bestehenden Filamente von einer abstützenden Tragstruktur umgeben, und die festigkeitsmässig relevanten Verbindungen zwischen den verschiedenen Teilen der Tragstruktur durch eine Hartverlötung oder Verschwelssung gebildet sind.It is also advantageous if the filaments made of superconducting material are supported by a Surrounding support structure, and the strength-related relevant connections between the various Parts of the support structure are formed by hard soldering or welding.
Um bei einer Biegung des Supraleiters eine möglichst geringe mechanische Beanspruchung der aus supraleitendem Material bestehenden Filamente zu erhalten ist es zweckmässig, wenn die letzteren so nah wie möglich zu der bei Biegung des Supraleiters neutralen Schicht angeordnet sind·In order to minimize the mechanical stress on the superconductor when the superconductor bends To obtain material existing filaments, it is useful if the latter as close as possible to the when the superconductor is bent, the neutral layer is arranged
Zur Abkühlung des Supraleiters auf dessen Betriebstemperatur ist es vorteilhaft, wenn er mindestens ein längs seiner Längsachse verlaufendes, vorzugsweise nahtloses, Kühlrohr oder mindestens einen Kühlkanal aufweist.For cooling the superconductor to its operating temperature it is advantageous if it has at least one, preferably one that runs along its longitudinal axis seamless, cooling tube or at least one cooling channel.
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Zur elektrischen Stabilisierung des Supraleiters ist es zweckmässig, wenn er mindestens einen längs seiner Längsachse verlaufenden, aus bei Betriebstemperatur des Supraleiters elektrisch normal leitendein Material, wie Kupfer oder Aluminium, bestehenden Stabilisierungsteil aufweist, wobei es zur Minimalisierung der bei Einsatz des Supraleiters in sehr schnell sich ändernden Magnetfeldern entstehenden Wirbelstromverlusten vorteilhaft ist, wenn das Stabilisierungsmaterial in mehrere Drähte aufgeteilt ist und diese von einer zum Beispiel aus einer CuNi-Legierung bestehenden hochohmigen Schicht getrennt sind. Dabei kann es auch zweckmässig sein, wenn die Supraleiterdrähte von einer zum Beispiel aus einer CuNi-Legierung bestehenden hochohmigen Schicht umgeben sind.For the electrical stabilization of the superconductor, it is useful if it has at least one lengthwise its longitudinal axis, from normal electrical conductivity at the operating temperature of the superconductor Material, such as copper or aluminum, has existing stabilization part, it being used for minimization the eddy current losses that occur when the superconductor is used in very rapidly changing magnetic fields it is advantageous if the stabilizing material is divided into several wires and these are separated by a high-resistance layer consisting, for example, of a CuNi alloy. Included it can also be useful if the superconductor wires are made of a CuNi alloy, for example existing high-resistance layer are surrounded.
beispielsweise erläutert. Es zeigen:for example explained. Show it:
Fig. 1 einen Schnitt durch eine erste beispielsweise Ausführungsform eines erfindungsgemässen Supraleiters;1 shows a section through a first exemplary embodiment of an inventive Superconductor;
Fig. 2 einen Schnitt durch eine zweite beispielsweise Ausführungsform eines erfindungsgemässen Supraleiters; undFig. 2 is a section through a second example Embodiment of a superconductor according to the invention; and
Fig. 3 einen Schnitt durch eine dritte beispielsweise Ausführungsform eines erfindungsgemässen Supraleiters·3 shows a section through a third exemplary embodiment of an inventive Superconductor
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Bei der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform ist der Supraleiter mit einer Vielzahl von ein Kabel 1 bildenden Supraleiterdrähten 2 versehen, wobei bei den letzteren eine grosse Anzahl von aus einer spröden intermetallischen A15-Verbindung, zum Beispiel Nb-Sn, V Ga oder V Si, bestehende Filamente in eine aus <%i Betriebstemperatur des Supraleiters elektrisch normalleitendem Material bestehende Matrix aus einer Legierung wie Cu-Sn für Nb^Sn-Filamente oder Cu-Ga für V3Ga-FiIamente usw. eingebettet sind· Diese Matrix kann auch zur Stabilisierung hochleitfähiges Material wie zum Beispiel Kupfer oder Aluminium aufweisen.In the embodiment shown in FIG. 1, the superconductor is provided with a large number of superconductor wires 2 forming a cable 1, with the latter having a large number of a brittle intermetallic A15 compound, for example Nb-Sn, V Ga or V Si, existing filaments are embedded in a matrix made of an alloy such as Cu-Sn for Nb ^ Sn filaments or Cu-Ga for V 3 Ga filaments etc. This matrix can also be used for stabilization have highly conductive material such as copper or aluminum.
Zusätzlich zu den Supraleiterdrähten 2 enthält das Kabel 1 noch aus Stabilisierungsmaterial bestehende Drähte 3 und aus Stahl bestehende Verstärkungsdrähte 4.In addition to the superconductor wires 2, the cable 1 also contains stabilizing material Wires 3 and reinforcing wires 4 made of steel.
Zur elektrischen Stabilisation des Supraleiters sind längs dem Kabel 1 verlaufende, aus elektrisch gut leitendem Material, wie beispielsweise Kupfer oder Aluminium, .bestehende Stabilisierungs- und AbstützteileFor electrical stabilization of the superconductor, cables 1 running along the cable are electrically good conductive material such as copper or aluminum, existing stabilizing and supporting parts
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5 und 6 angeordnet.5 and 6 arranged.
Zur zusätzlichen Erhöhung der mechanischen Festigkeit ist die durch das Kabel 1 und die Stabilisierungs- und Abstützteile 5 und 6 gebildete Einheit von einem verschweissten Stahlmantel 7 vollständig umschlossen. Auf der Aussenseite des Stahlmantels 7 sind noch zwei weitere aus Kupfer oder Aluminium bestehende Stabilisierungs- und Abstützteile 8 und 9 angeordnet.To further increase the mechanical strength, the cable 1 and the stabilization and Support parts 5 and 6 completely enclosed by a welded steel jacket 7. on the outside of the steel jacket 7 are two more stabilizing elements made of copper or aluminum and support parts 8 and 9 are arranged.
Sämtliche Drähte 2,3 und 4 des Kabels 1 sind untereinander mittels einem Cu-Ag-Hartlot verbunden und bilden einen kompakten, gegen Verformung festen Bau-All wires 2, 3 and 4 of the cable 1 are connected to one another by means of a Cu-Ag hard solder and form a compact structure that is resistant to deformation
ο teil. Die Lötzeit und der im Bereich von etwa 700 C liegende Schmelzpunkt des verwendeten Hartlotes liegen dabei in einem solchen Bereich, dass die supraleitenden Eigenschaften der aus supraleitendem Material bestehenden Filamente nicht beeinträchtigt wird.ο part. The soldering time and the melting point of the brazing solder used, which is in the range of around 700 ° C. in such a range that the superconducting properties of the superconducting material Filaments is not affected.
Ferner sind das Kabel 1, die Stabilisierungs- und AbstUtzteile 5,6,8 und 9 und die Verstärkungseinlage 7 untereinander Über Hartlot fest miteinander verbunden und bilden derart einen mechanisch hochfesten Bauteil, der zur Herstellung von den für die Durchführung der Kernfusion benötigten Magnetspulen geeignet ist.Furthermore, the cable 1, the stabilizing and supporting parts 5, 6, 8 and 9 and the reinforcement insert 7 firmly connected to each other via hard solder and thus form a mechanically high-strength component, which is suitable for the production of the magnetic coils required to carry out the nuclear fusion.
Dieser Supraleiter ist mit den in seiner Längsrichtung verlaufenden c-förmigen Verstärkungseiementen 7 derart gegen Biegung verstärkt, dass er in der zu erwartenden Biegerichtung eine solche Biegefestigkeit aufweist, dass er bei den bei seiner Herstellung und Weiterverarbeitung höchsten zu erwartenden Biegemomenten, die einerseits durch die verwendeten Maschinen und anderseits durch die mit dem Supraleiter umgehenden Personen begrenzt sind, nur so stark gebogen werden kann, dass keine Beschädigung der aus supraleitendem Material bestehenden Filamente auftritt, die zu einer Reduktion der elektrischen Supraleitereigenschaften im Betrieb des Leiters führt. This superconductor is with the in its longitudinal direction extending c-shaped reinforcement elements 7 reinforced against bending in such a way that it has such a bending strength in the expected bending direction shows that it has the highest bending moments to be expected during its manufacture and further processing, on the one hand by the machines used and on the other hand by those with the superconductor bystanders are limited, can only be bent so strongly that no damage to the out Superconducting material existing filaments occurs, which leads to a reduction in the electrical superconductor properties during operation of the conductor.
Zn der Praxis hat es sich gezeigt, dass es genügt, wenn der Supraleiter derart verstärkt ist, dass bei seiner Herstellung und Weiterverarbeitung die Biegung derart begrenzt wird, dass die Dehnung der im Kabel 1 am weitesten von der neutralen Schicht sich befindenden und somit am stärksten beanspruchten supraleitenden Filamente 2% nicht übersteigt, da dann praktisch keine Reduktion der elektrischen Supraleitereigenschaften im Betrieb des Leiters festgestellt werden kann.In practice, it has been shown that it is sufficient if the superconductor is reinforced in such a way that the bending is limited during its manufacture and further processing so that the expansion of that located in the cable 1 is furthest from the neutral layer and is therefore strongest stressed superconducting filaments does not exceed 2% , since then practically no reduction in the electrical superconducting properties can be determined during operation of the conductor.
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Bei der in Figur 2 dargestellten AusfUhrungsform wird ebenfalls ein aus einer Vielzahl von Supraleiterdrähten 2 bestehendes Kabel 1 verwendet·In the embodiment shown in FIG. 2, one of a plurality of superconductor wires is also used 2 existing cable 1 used
Zur elektrischen Stabilisation des Supraleiters sind zwei symmetrisch ausgebildete, längs dem Kabel 1 verlaufende, aus elektrisch gut leitendem Material, wie beispielsweise Kupfer oder Aluminium, bestehende Stabilisierungs- und Abstutzteile 5 und 6 angeordnet, welche derart geformt sind, dass zwei symmetrisch zum Kabel 1 verlaufende, für ein Kühlmedium bestimmte Kühlrohre 10 und 11 in sie eingesetzt werden können·For the electrical stabilization of the superconductor, two symmetrically designed, running along the cable 1, made of a material with good electrical conductivity, such as copper or aluminum Arranged stabilization and support parts 5 and 6, which are shaped such that two cooling tubes 10 and 11 which run symmetrically to the cable 1 and are intended for a cooling medium are inserted into them can be
Auf der nach aussen gerichteten Oberfläche der beiden Stabilisierungs- und Abstutzteile 5 und 6 sind zur Verstärkung des Supraleiters gegen auf ihn einwirkende Biegekräfte zwei in seiner Längsrichtung verlaufende, gegeneinander zu gerichtete L-förmige Stahlverstärkungsprofile 12 und 13 über den Basisteil 12a bzw. 13a und Ober den einen Schenkel 12b bzw. 13b mit den Stabilisierungs- und Abstutzteilen 5 und 6 fest verbunden.On the outward-facing surface of the two stabilizing and supporting parts 5 and 6 are for Reinforcement of the superconductor against bending forces acting on it two in its longitudinal direction, L-shaped steel reinforcement profiles 12 and 13 facing each other over the base part 12a and 13a, respectively Firmly connected to the stabilizing and supporting parts 5 and 6 via the one leg 12b or 13b.
Bei dieser AusfUhrungsform des Supraleiters sind die das Kabel 1 bildenden Supraleiterdrähte 2 untereinander undIn this embodiment of the superconductor, the superconductor wires 2 forming the cable 1 are mutually and
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mit den angrenzenden Teilen 5 und 6 der Tragstruktur weichverlötet, so dass bei einer Biegung des Supraleiters die Supraleiterdrähte 2 gegeneinander und gegenüber den Teilen 5 und 6 geringfügig verschoben werden können, so dass die Gefahr einer Beschädigung der spröden ■ Supraleiterfllamente stark verringert wird.soldered to the adjacent parts 5 and 6 of the support structure, so that when the superconductor bends the superconductor wires 2 against each other and with respect to the parts 5 and 6 shifted slightly can be, so that the risk of damage to the brittle superconductor lamps ■ greatly reduced will.
Die Stabilisierung»- und Abstutzteile 5 und 6 sowie die Verstärkungsprofile 12 und 13 sind untereinander zur Erzielung einer genügenden Biegefestigkeit hartverlötet oder verschweisst.The stabilization »- and support parts 5 and 6 and the reinforcement profiles 12 and 13 are to each other Achieving sufficient flexural strength, brazed or welded.
Dieser Supraleiter ist in seiner Gesamtkonzeption derart bemessen und ausgebildet, dass er in der zu erwartenden Biegerichtung eine solche Biegefestigkeit aufweist, dass er bei den bei der Herstellung und Weiterverarbeitung höchsten zu erwartenden Biegemomenten nur so stark gebogen werden kann, dass keine Beschädigung der aus supraleitendem Material bestehenden Filamente auftritt, die zu einer Reduktion der elektrischen Supraleitereigenschaften im Betrieb des Leiters führt.The overall concept of this superconductor is dimensioned and designed in such a way that it is in the too expected bending direction has such a bending strength that it is in the manufacture and Further processing of the highest expected bending moments can only be bent to such an extent that none Damage to the filaments made of superconducting material occurs, which leads to a reduction in the leads electrical superconductor properties in the operation of the conductor.
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scheidet sich von der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform zur Hauptsache durch eine andere Ausbildung der verschiedenen Teile des Supraleiters.differs from the embodiment shown in Figure 2 mainly by a different training of the different parts of the superconductor.
Um bei Einsatz des Supraleiters in sich sehr schnell Ändernden Magnetfeldern ein Minimum an Wirbelstrom-In order to minimize eddy currents in rapidly changing magnetic fields when using the superconductor.
! Verlusten zu erhalten, sind die aus bei Betriebs-! To receive losses are those from operational
;'■ temperatur des Supraleiters elektrisch normal leitendem; '■ temperature of the superconductor electrically normally conductive
j Stabilisierungsmaterial wie zum Beispiel Kupfer oderj stabilization material such as copper or
Aluminium, bestehenden Abstütz- und Stabilisierungsteile 5 und 6 in mehrere, parallel zueinander verlaufende Drähte 5a, 5b, 5c und 5d sowie 6a, 6b, 6c und 6d unterteilt, und diese Drähte 5a bis 5d und 6a bis 6d einzeln mit einer zum Beispiel aus einer CuNi-Legierung bestehenden hochohmigen Schicht getrennt und miteinander hartverlötet.Aluminum, existing support and stabilization parts 5 and 6 in several, parallel to each other Wires 5a, 5b, 5c and 5d and 6a, 6b, 6c and 6d divided, and these wires 5a to 5d and 6a to 6d individually separated with a high-resistance layer consisting, for example, of a CuNi alloy and brazed together.
Zusätzlich können auch die einzelnen Supraleiterdrähte 2 des Kabels 1 von einer hochohmigen Schicht umgeben sein.In addition, the individual superconductor wires 2 of the cable 1 can also be surrounded by a high-resistance layer being.
Auch dieser Supraleiter ist mit Hilfe der aus Stahl bestehenden Kuhlrohre 14 und dem Stahlmantel 15 gegen Biegung derart verstärkt, dass er in der zu erwartenden Biegerichtung eine solche Biegefestigkeit aufweist, dass er bei den bei seiner Herstellung und Weiterver-This superconductor is also counteracted with the aid of the cooling pipes 14 made of steel and the steel jacket 15 Bending reinforced in such a way that it has such a bending strength in the expected bending direction, that it is involved in its manufacture and further distribution
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arbeitung normalerweise höchsten zu erwartenden Biegemomenten nur so stark gebogen werden kann, dass keine Beschädigung der aus supraleitendem Material bestehenden Filamente auftritt, die zu einer Reduktion der elektrischen Supraleitereigenschaften beim Betrieb des Leiters führen würdenormally the highest bending moments to be expected can only be bent so much that no damage to the superconducting material Filament occurs, which leads to a reduction in the electrical superconductor properties during operation of the head would lead
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