EP1273015A1 - VERFAHREN ZUR ISOLATION EINES HOCH-T c?-SUPRALEITERS SOWIE VERWENDUNG DES VERFAHRENS - Google Patents

VERFAHREN ZUR ISOLATION EINES HOCH-T c?-SUPRALEITERS SOWIE VERWENDUNG DES VERFAHRENS

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EP1273015A1
EP1273015A1 EP01909542A EP01909542A EP1273015A1 EP 1273015 A1 EP1273015 A1 EP 1273015A1 EP 01909542 A EP01909542 A EP 01909542A EP 01909542 A EP01909542 A EP 01909542A EP 1273015 A1 EP1273015 A1 EP 1273015A1
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EP
European Patent Office
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conductor
superconductor
sheathing
insulation
use according
Prior art date
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EP01909542A
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English (en)
French (fr)
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EP1273015B1 (de
Inventor
Cord Albrecht
Robert Greiner
Peter Kummeth
Peter Massek
Manfred OCHSENKÜHN
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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Publication of EP1273015A1 publication Critical patent/EP1273015A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1273015B1 publication Critical patent/EP1273015B1/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B13/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing conductors or cables
    • H01B13/06—Insulating conductors or cables
    • H01B13/14—Insulating conductors or cables by extrusion

Definitions

  • the subject of the unpublished WO 00/11684 is a method for producing an all-round sheathing from an electrical insulating material made of plastic around at least one superconductor with high-T c -supralite material. According to this proposed method, a continuous encapsulation process is to be carried out at a process temperature which practically does not impair the superconducting properties of the conductor
  • the conductor emerges from a guide channel extending in a direction of advance
  • melt tube made of a melted thermoplastic insulation material in the direction of advance is extruded from a nozzle, the opening of which surrounds the conductor with all-round spacing, - With the advance of the conductor, the melt tube is stretched and pulled onto the surface of the conductor and the melt tube thus applied to the surface of the conductor is pulled through Cooling are solidified.
  • This proposed method is intended in particular to be used to encase a ribbon-shaped superconductor with an aspect ratio of at least 3, preferably at least 10.
  • HTS conductors that have a wire shape (with a circular cross section) and in particular a ribbon shape (with rectangular cross-section), can be continuously provided with an insulating covering in a simple process. The method is intended to be used both for cell insulation and for the isolation of a HTS conductor structure in the form of a multiple
  • Conductor which is composed of superconducting individual conductors, or a composite conductor with superconducting and normally conducting parts.
  • the casting package In order to ensure reliable insulation in these areas either, the casting package needs to be potted with casting resin or the use of insulating foils that are so wide that a short circuit between the conductors is prevented by a lateral protrusion of the foil beyond the respective conductor edges.
  • the adjustment effort to enable parallel winding of the conductor and insulation film is relatively high.
  • a covering made of thermoplastic insulation material is applied in thin-film extrusion.
  • sion technology according to a so-called tube stretching process.
  • a melt hose is extruded from a nozzle, which is larger in dimension than the conductor to be encased, which runs through a central guide channel in the middle of the nozzle.
  • This creates a tube around the conductor which is stretched, ie stretched, by the advance of the conductor until the final, desired thickness (thickness) of the sheathing wall (insulation layer) is reached.
  • This hose is pulled onto the conductor surface.
  • Degree of stretching i.e. the stretching of the material, generally between 5 and 15.
  • the stretching can advantageously be carried out under the simultaneous action of a vacuum in the interior of the hose. Together with an advantageous preheating of the conductor in front of the run in the guide channel and / or while the conductor is being pulled through it, a particularly good and bubble-free adhesive fit of the sheath on the superconductor can be produced.
  • the slow Ah then z. B. in air causes freezing and stress-free solidification of the melt from the Isolationsmate ⁇ al on the conductor.
  • This method consequently enables relatively thin (of a minimum thickness of approximately 40 ⁇ m and / or a maximum thickness of 100 ⁇ m) and flawless sheathing layers to be realized on superconductors with any cross-sectional shape, but in particular with a ribbon shape.
  • Plastic material (cf. DE 26 38 763 A) is to be applied to wires by means of scraper nozzles, in pressure jacketing or in the tube stretching process (DE 24 09 655 A, 20 22 802 A, DE 21 10 934 A).
  • the wires can in particular be made of steel (see US Pat. No. 3,893,642), Al (see DE 24 09 655 A) or Cu
  • the proposed method is based on the knowledge that the aforementioned methods known per se are suitable for coating oxidic HTS conductors, the conductor-specific difficulties mentioned at the outset being able to be avoided. This is particularly important in the case of a ribbon shape of the superconductor.
  • a band shape is understood to be any rectangular shape with angular or rounded edges.
  • the rectangular shape can preferably have a relatively large aspect ratio generally above 10, as is particularly the case with known thin HTS strip conductors.
  • the proposed method a continuous coating of a HTS conductor is possible, since the insulation material can be requested from a storage container that can be refilled at any time.
  • the thickness of the insulating sheath can be varied over a wide range and with sufficient accuracy. put. Since, for example, each individual conductor can be completely insulated, double-layer insulation is provided for strip conductor windings because the conductors are separated by a double insulation layer.
  • the mechanical and thermal property profile of the casing can be adapted to the respective application by using different thermoplastic materials.
  • the proposed process is significantly faster than a conventional encapsulation or painting process previously used for metallic superconductors.
  • the lateral conductor edges are isolated in the proposed method, thus reducing the risk of short circuits in this area.
  • the insulation is particularly suitable for thin strip conductors with an unfavorable aspect ratio. This eliminates the fear of a so-called "edge alignment", i.e. an undesirable strong layer thinning in the area of edges with small edge radii, as is the case with thin conductor strips.
  • the HTS ladder need not be subjected to excessive mechanical loads in the proposed method.
  • the mechanical load is limited to the low forces generated by conductor unwinder or rewinder. A conductor deflection during the coating process can thus advantageously be avoided.
  • thermoplastic materials with a relatively low processing or melting temperature of below 200 ° C are to be used and only a relatively short-term heating of the conductors is to be provided in order to reduce the superconducting properties (with respect to the critical temperature T ⁇ , and in particular with respect. m A / m 2 to be measured critical current density J c) at least largely avoided.
  • Suitable thermoplastic materials for this are polyethylenes, Polystyrene-ethylene-3-butylene elastomers, polyurethane elastomers, ethylene / vinyl acetate copolymers or acrylic acid / acrylate copolymers are proposed.
  • insulation layer thicknesses of at least about 40 to 50 ⁇ m can be achieved.
  • the insulating layer should be less. It should be ensured that the insulation material adheres well to the conductor and that the corresponding insulation layer is well bonded to potion and casting resins. It turns out, however, that with the proposed insulation materials, for example, the production of so-called Roebel rods (cf. for example DE-PS 277012 or "Siemens Review", Vol.
  • the object of the present invention is therefore to improve the proposed method with the features mentioned at the outset in such a way that the aforementioned difficulties are reduced.
  • special uses of the method should be specified.
  • the task relating to the method is achieved with the measures according to claim 1. Accordingly, the method for producing an all-round sheathing from an electrical insulating material made of plastic around at least one superconductor with oxidic high-T c -supralite material provides for a continuous sheathing process at a process temperature that does not practically impair the superconducting properties of the conductor the conductor emerges from a guide channel extending in a direction of advance,
  • a melt tube is extruded from a melted thermoplastic insulation material in the tunneling direction from a nozzle, the opening of which surrounds the conductor with spacing from all sides,
  • melt tube is stretched and pulled onto the surface of the conductor, and - the melt tube applied to the surface of the conductor is solidified by cooling.
  • a thermoplastic material with a process temperature between 200 ° C and 500 ° C, preferably between 220 ° C and 450 ° C, should be provided as the insulation material.
  • a process temperature which practically does not impair the superconducting properties of the conductor is understood to mean a temperature which at most leads to a degradation of the critical current density J c [in A / m 2 ] of less than 10%.
  • thermoplastics include, in particular, special technical thermoplastics such as polyamides and polyesters, and in particular also high-temperature thermoplastics (HT thermoplastics) such as polyetherimide (PEI), polyether sulfone (PES), polysulfone (PSU), polyphenylene sulfone (PPSU) and polyether ether ketone ( PEEK).
  • HT thermoplastics high-temperature thermoplastics
  • PEI polyetherimide
  • PES polyether sulfone
  • PSU polysulfone
  • PPSU polyphenylene sulfone
  • PEEK polyether ether ketone
  • HTS strip conductors in particular with filaments made of bi-cup material and an embedding of the filaments m, can withstand an Ag-Mat ⁇ x temperature load of at least 500 ° C. for several minutes without their superconductor properties, in particular their current carrying capacity, being impaired.
  • the thermoplastics selected according to the invention in particular the HT thermoplastics PEI, PPSU and PEEK, have very good electrical and possess exceptionally good low-temperature properties, ie they are characterized by good flexibility and toughness at low temperatures. In contrast, other thermoplastics often show a strong tendency to become brittle at low temperatures.
  • thermoplastics proposed with the earlier application are an improved adhesion adhesion to ceramic and metallic substrates to be achieved in the claimed temperature range due to the pronounced polar character of these materials and the considerably better compatibility and application to epoxy (EP) ) and unsaturated polyester resins (UP resins), which are used as potting and drinking compounds for furnishings using such superconductors.
  • EP epoxy
  • UP resins unsaturated polyester resins
  • thermoplastics to be selected according to the invention advantageously have a high Young's modulus (> 3000 MPa), a high surface hardness (Rockwell hardness>120; R scale) and a low coefficient of friction ( ⁇ 0.6) at room temperature.
  • Young's modulus > 3000 MPa
  • a high surface hardness Rockwell hardness>120; R scale
  • a low coefficient of friction ⁇ 0.6
  • EVA ethylene vinylate
  • the insulating layer In the manufacture of tubular conductors, the insulating layer must ensure sufficient sliding capacity, since the individual conductors are combined to form a conductor assembly, for example by means of a bandage, with the individual conductors moving relative to one another. Due to the high coefficient of friction and the low surface hardness of the plastics listed in the earlier application, the individual conductors cannot slide against one another, and the insulation layer is deformed, which can lead to the insulation layer being torn open. A significant advantage of using the new insulation materials is the significant reduction in the insulation layer thickness.
  • the combination of good processing behavior and the above-mentioned mechanical and tribological property profile enables the safe and problem-free manufacture of preferably Roebeleiter with insulating layer thicknesses of 15 to 30 ⁇ m with high effective current density.
  • HTS leader to whom the method according to the invention is to be applied, is not only to be understood here as a single leader, but also as a composition / version of several such leaders or parts of them.
  • the conductor can contain at least one conductor core made of the superconductor material.
  • a superconductor transformed according to the invention with an insulating sheath can be used without an additional insulation film. This eliminates the manufacturing effort caused by winding insulation.
  • the method according to the invention can advantageously not only be used to form envelopes of approximately uniform thickness on all sides. Rather, one can be designed in this way Provide opening of the nozzle so that its spacing with respect to the conductor m is seen unevenly in the circumferential direction thereof. In this way, particular distances between adjacent conductors can be defined, for example, within a group of conductors or a winding.
  • the method according to the invention is particularly advantageously used for sheathing a ribbon-shaped superconductor with an aspect ratio of at least 3, preferably at least 10.
  • Superconductors of this type in particular which can also only have a small thickness, are difficult to coat with known coating methods and only at the risk of the edge alignment mentioned.
  • the method according to the invention can equally well be used for sheathing superconducting multiple or composite conductors.
  • Such conductors have a structure consisting of a plurality of superconducting conductor parts or conductor regions, at least one superconducting individual conductor or such a conductor core being provided.
  • a corresponding structure can be provided with the method according to the invention in a particularly simple and uniform manner with an insulating sheath without the risk of impairing the conductor properties of the superconductor material.
  • These types of conductors can also have a strip shape.
  • the heating temperature should preferably be at least approximately the process temperature (permissible deviation: +/- 50 ° C).
  • FIG. 1 and 2 each schematically show a nozzle of a system for carrying out the method according to the invention as a longitudinal section or m front view
  • FIG. 3 shows a system for extrusion coating an HTS conductor with a nozzle according to FIGS. 1 and 2.
  • a corresponding system (cf. FIG. 3) comprises a so-called extruder with an extrusion head which has an extrusion nozzle which is illustrated in FIGS. 1 and 2 in longitudinal section or in front view.
  • This nozzle generally designated 2 contains a guide channel 3 in the center.
  • a superconductor 5 m to be provided with an electrically insulating sheathing 4 is moved to a direction of advance indicated by an arrow v with the aid of propulsion means (not shown) (see FIG. 3) to lead.
  • the superconductor 5 is a band-shaped HTS conductor. This conductor can advantageously be preheated before being introduced into the guide channel 3. If necessary, the guide channel itself can be heated instead or in addition.
  • the insulating material of the casing 4 is melted in the extruder (not shown) (see FIG. 3), m the
  • Extrusion head with distributor system is required and a die gap 7 of the extrusion die 2 is printed as a melt 6 m.
  • the gap width of which is significantly larger than the final thickness d of the sheathing 4 around the strip conductor 5 a melt tube 9 emerges in the direction of advance v, which is in the form of a stretching cone due to a fixation of its cone tip stretched on the strip conductor and applied to the conductor with the layer thickness d required on the strip conductor.
  • a vacuum advantageously applied to the guide channel 3 generates a negative pressure in the interior of the stretching cone, which prevents the inclusion of air bubbles between the sheathing and the conductor and which, together with the preheating of the conductor, ensures that the sheathing 4 has a good fit on the conductor.
  • the wrapped strip conductor is designated 5 'in FIG.
  • the nozzle gap opening 8 advantageously has a shape adapted to the contour of the strip conductor 5.
  • the thus largely rectangular opening with roundings at the corners is spaced apart by distances a1 and a2 with respect to the areas of the strip conductor and is defined by gap widths w1 and w2 and by radii of curvature R1 and R2m in their corner regions.
  • the distances (a1, a2) of the nozzle gap opening 8 from the strip conductor 5, their geometric design (w1, w2, R1, R2) and the advance speed v of the conductor determine the contour of the sheathing 4 and its thickness d.
  • the geometric design of the extrusion nozzle can, as was assumed for the exemplary embodiment according to FIG.
  • the thickness d of the casing 4 is approximately the same on all sides.
  • a thickness d of less than 0.5 mm is generally planned, for example between 30 and 300 ⁇ m.
  • ne different design of the extrusion nozzle opening for example a2 ⁇ al and wl ⁇ w2 can cause side lips to form on the narrow sides of the conductor.
  • Such side lips can then be used as spacers in the manufacture of layer windings and thus make additional winding of special spacers such as glass twine unnecessary.
  • the contour of the opening 8 of the nozzle gap can also be structured such that a non-uniform thickness of the sheath results on at least one side of the conductor.
  • a web-like bead of the covering can be obtained, which can then serve as a spacer. Furthermore, it is also possible, if necessary, to dispense with an exactly centric guidance of the superconductor through the guide channel 3 in order to produce a sheath that is thicker on one or two sides.
  • Suitable insulating plastic materials for the sheathing 4 are all thermoplastic materials which on the one hand have a processing or melting temperature, which precludes impairment of the superconducting properties of the HTS conductor 5 to be sheathed, and yet a sufficient plasticity for the extrusion coating process
  • known HTS strip conductors with filaments made of bi-cup material, which are embedded in an Ag matrix can withstand temperature loads of over 500 ° C. for several minutes without their superconducting properties
  • a corresponding specific KTS standard ribbon conductor which is the basis for the following considerations, has been removed
  • thermoplastic materials are preferably chosen for such a HTS strip conductor, the processing temperature of which is above 200 ° C. and can be a maximum of 500 ° C. Materials which enable processing in a temperature range between 220 ° C. and 450 ° C., in particular between 240 ° C. and 420 ° C., preferably between 250 ° C. and 380 ° C., are advantageously selected. The selection of thermoplastics for this temperature range is particularly large.
  • suitable materials are, in particular, known technical thermoplastics from the family of polyamides or polyesters, which should preferably be provided for the lower part (approximately between 200 ° C. and 290 ° C.) of the temperature range mentioned.
  • HT high-temperature thermoplastics
  • PES polyether sulfone
  • PSU polysaleton
  • PPSU polyphenylene sulfone
  • PEEK polyether - etherketon
  • thermoplastic insulation materials are additionally carried out from the point of view that the thermoplastics used have sufficiently good low-temperature properties so that failures under operating conditions and / or during cooling and warming-up processes can be excluded.
  • the insulating sleeve can additionally be colored with dyes. This enables easy visual control of the casing.
  • the thin-layer extrusion coating method according to the invention is particularly suitable for covering tape-shaped HTS conductors whose conductor tape thickness is less than 1.5 mm, preferably less than 0.5 mm, and which have a high aspect ratio of at least 3, preferably at least 10 ,
  • a corresponding HTS ribbon conductor can, for example, have a width of 3.6 mm and a thickness of 0.25 mm, and in particular can be the aforementioned HTS standard ribbon conductor.
  • bi-cuprate materials that mainly include the so-called 2212 phase (80 K phase) or preferably the so-called 2223 phase (110 K-
  • the Bi-Cuprat material can additionally contain Pb (so-called "BPSCCO").
  • Band-shaped HTS conductors with envelopes sm ⁇ created in accordance with the invention mostly also provided with an additional ceramic surface coating, which prevent the actual metallic outer sides or surfaces of the conductor from becoming messy, which preferably consist of Ag or an Ag alloy such as AgMg, while preventing the need for reaction annealing should.
  • FIG. 3 A corresponding coating system is indicated in FIG. 3.
  • This system has the following parts in succession in the direction of tape guidance v, namely an unwinding device (so-called “unwinder”) 14, from which the HTS tape conductor 5 to be coated is unwound, a felt brake 15, an N 2 - Shielding gas purging 16 to avoid oxidation, a non-contact inductive conductor heating 17 to at least approximate the conductor to the processing temperature of the used thermoplastic insulation materials such as, for example, heating from a thermoplastic polyurethane elastomer, an extrusion coating device (so-called “extruder”) 18 with refill nozzle 19 for the thermoplastic insulating material, an extrusion head with built-in extrusion nozzle 2, an air shower 20, several guide rollers 21 ⁇ , a pore detector 22 for monitoring the applied covering,
  • the thickness d of the casing can also be influenced by the choice of a suitable tape pulling speed. For example, with a conductor throughput speed of approximately 5 m / mm, a sheath of approximately 30 ⁇ m thickness can be produced.
  • the conductor is ductile preheated by means of the conductor heater 17, in particular at least approximately at a temperature level close to the processing temperature (ie possibly slightly above or below it, for example +/- 50 ° C.).
  • This preheating of the conductor which is required only for a short time and therefore does not damage the superconductor material, is advantageously carried out under a protective gas atmosphere in order to avoid oxide formations on the conductor surface, which can have a negative effect on the adhesion of the insulating covering layer to the conductor.
  • a possible preheating of a conductor is indeed known in principle; however, the preheating temperatures used so far are significantly lower than the processing temperatures of the selected thermoplastics that are to be provided for HTS conductors. For a really good adhesive bond To ensure the insulation material on the conductor, it is advisable to preheat the conductor to a temperature as high as possible, at which HTS conductor damage with regard to its superconducting properties does not yet occur.
  • thermoplastic melt strikes an insufficiently preheated conductor, this could otherwise lead to undesired immediate freezing and solidification of the melt on the contact surface; and this would prevent adequate wetting of the conductor surface by the melt.
  • good wetting is a prerequisite for the formation of adhesion liability. This liability is supported by the negative pressure mentioned in the stretching cone.
  • the air nozzles of the air shower 20 attached behind the extruder 18, a countercurrent cooler which may still be present, and the blower 23j serve for faster cooling and solidification of the applied coating layer made of the thermoplastic insulating material.
  • a non-destructive pore detector 22 for example, a laser arrangement 24. Due to the rapid cooling and solidification of the sheath, the sheaths can stick together when the conductor 5 'is subsequently wound up the rewinder 26 can be prevented.
  • a separating layer for example made of paper, can be wound there with the conductor on the rewinder 26 serving as a supply spool, in order to prevent the conductor from sticking during storage there.
  • the coating of the conductor can be provided with a powder suitable for this purpose, for example of talc.
  • Example 1 Application of the insulating layer by the process described above with insulation from PEEK processing temperature melt: 380 ° C. Conductor preheating: 375 ° C insulation made of PEI
  • Processing temperature melt 375 ° C
  • Example 2 Layer thickness of the applied PEEK PEEK PEI PPSU EVA insulation
  • Head 1 Head 2 25 ⁇ m 15 ⁇ m 30 ⁇ m 25 ⁇ m 50 ⁇ m
  • Example 3 Adhesion of insulation potion resin (Stycast 1266) PEEK / Stycast 1266: Separation only possible by tearing the insulation off the conductor
  • PEI / Stycast 1266 Separation only possible by tearing off the insulation from the conductor
  • PPSU / Stycast 1266 Separation only possible by tearing off the insulating layer from the conductor
  • EVA / Stycast 1266 easy separation without destroying the line insulation
  • Example 4 electrical properties at 77 km of liquid nitrogen
  • EVA values listed above represent comparison values obtained within the scope of the method proposed with the WO document mentioned at the beginning.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Isolation eines Hoch-Tc-Supraleιters sowie Verwendung des Verfahrens
Gegenstand der nicht vorveroffentlichten WO 00/11684 ist ein Verfahren zur Herstellung einer allseitigen Umhüllung aus einem elektrischen Isolationsmateπal aus Kunststoff um mindestens einen Supraleiter mit Hoch-Tc-Supraleιtermaterιal . Gemäß diesem vorgeschlagenen Verfahren soll zu einem kontinuierlichen Umhullungsprozess bei einer die Supraleitungs- eigenschaften des Leiters praktisch nicht beeinträchtigenden Verfahrenstemperatur
- der Leiter aus einem sich m einer Vortriebsrichtung erstreckenden Fuhrungskanal austreten,
- ein Schmelzeschlauch aus einem geschmolzenen thermoplastischen Isolationsmaterial m der Vortriebsrichtung aus einer Düse extrudiert werden, deren Austπttsoffnung den Leiter unter allseitiger Beabstandung umgibt, - mit dem Vortrieb des Leiters der Schmelzeschlauch gedehnt und auf die Leiteroberflache gezogen werden sowie der so auf die Leiteroberflache aufgebrachte Schmelzeschlauch durch Abkühlung verfestigt werden. Dieses vorgeschlagene Verfahren soll insbesondere zum Umhüllen eines bandförmigen Supraleiters mit einem Aspektverhalt- nis von mindestens 3, vorzugsweise mindestens 10, verwendet werden.
Technische Supraleiter müssen für eine Verwendbarkeit m elektrischen Einrichtungen wie Wicklungen von Maschinen, Transformatoren, Magneten oder Kabeln im allgemeinen mit einer elektrischen Isolation versehen sein. Ein solches Erfordernis ist insbesondere auch bei Leitern mit oxidischem Hoch-Tc-Supraleιtermatenal (HTS-Material ) gegeben. Dabei sollen solche HTS-Leiter, die eine Drahtform (mit kreisförmigem Querschnitt) und insbesondere eine Bandform (mit rechteckigem Querschnitt) haben können, m einem einfach durchzuführenden Verfahren kontinuierlich mit einer isolierenden Umhüllung versehen werden können. Das Verfahren soll dabei sowohl für eine Emzelleiterisolation wie auch zur Iso- lation eines HTS-Leiteraufbaus m Form eines Mehrfach-
Leiters, der aus supraleitenden Einzelleitern zusammengesetzt ist, oder eines Verbundleiters mit supraleitenden und normal- leitenden Teilen geeignet sein.
Bisher sind keine m technischem Maßstab realisierten Verfahren bekanntgeworden, mit denen m einem kontinuierlichen Durchlauf ein Supraleiter oder -Leiteraufbau mit HTS-Material allseitig mit einer isolierenden Umhüllung zu versehen ist. Dies ist unter anderem darauf zurückzuführen, daß die zur Zeit verfolgten HTS-Leiterkonzepte eine Bandform mit einem im Hinblick auf m der Supraleitungstechnik praktizierte Isola- tionsverfahren ungunstig hohen Aspektverhalt is (= Verhältnis von Leiterbreite zu Leiterdicke) vorsehen. Solche Leiter rind nämlich mit den bekannten Verfahren nur schwer gleichmäßig und mit geringer Dicke eines Isolationsmaterials zu beschichten. Bei einem aus der EP 0 292 126 Bl zu entnehmenden HTS- Leiter ist deshalb die Umhüllung verhältnismäßig dick ausgeführt .
Klassische Lackierverfahren scheiden bisher für HTS-τ,pιter deshalb aus, weil sie zu einer Stromdegradation des Leiters fuhren können, die die Folge von den für diese Verfahren erforderlichen hohen Verfahrenstemperaturen und von überkritischen Biegebeanspruchungen ist, welche bei einem periodischen Fuhren des Leiters durch Tauchbader mit einem vielfachen Umlenken über entsprechende Umlenkrollen auftreten.
Um eine Anwendung bekannter bandförmiger HTS-Bandleiter z.B. im Magnetwicklungsbau zu ermöglichen, wurden bisher separate Isolationsfolien, z.B. aus einem speziellen aromatischen Polyamid, das unter dem Handelsnamen „Kaptonw bekannt ist und eine Dicke von beispielsweise 50 μ hat, zusammen mit dem Bandleiter gewickelt. Somit muß zur Herstellung von Wicklungen neben einer Abwickelvorrichtung für den Leiter zusätzlich eine entsprechende Vcr _ιchtung für die Isolationsfclie vorgesehen werden, um e.ne Isolation zwischen den einzelnen La- gen bzw. Windungen einer Wicklung zu erstellen. Dabei kann die Schwierigkeit auftreten, daß der Leiter nicht ganz durch die Isolationsfolie umhüllt wird. Außerdem ist jeweils nur eine Trennschicht zwischen den einzelnen Leiterlagen vorhanden, wobei die seitlichen Leiterkanten unisoliert bleiben. Um eine sichere Isolation auch in diesen Bereichen zu gewährleisten, ist entweder ein Verguß des Wickelpaketes mit Gießharz oder die Verwendung von so breiten Isolationsfolien notig, daß durch einen seitlichen Überstand der Folie über die jeweiligen Leiterkanten hinaus ein Kurzschluß zwischen den Leitern verhindert wird. Der Justieraufwand, um ein paralleles Wickeln von Leiter und Isolationsfolie zu ermöglichen, ist jedoch verhältnismäßig hoch.
Darüber hinaus ist aus der Isolationstechnik von Suprale1 ^^ mit sogenanntem klassischen Supraleitermaterial, die eine LHe-Kuhltechnik erforderlich machen, bekannt, einen z.B. bandförmigen Supraleiter mit einer entsprechenden Kunststofffolie zu umwickeln (vgl. die DE 23 45 779 A oder die DE 38 23 938 C2) . Auch diese Verfahren sind nur mit verhalt- nismaßig hohem Aufwand durchzufuhren. Außerdem müssen die verwendeten Folien eine hinreichende Dicke haben, um mechanische Beschädigungen bei dem Umwicklungsprozeß auszuscheiden.
Weiterhin ist es als äußerst schwierig anzusehen, die sehr geringen Querschnitte aktueller HTS-Bandleiter mit ihrem ty¬ pisch großen Aspektverhaltnis mit Isolationsband bzw. Isola¬ tionsfaden zu umspinnen.
Bei dem Verfahren gemäß der nicht-vorveroffentlichten WO 00/11684, für das die eingangs genannten Verfahrensmerkmale vorgeschlagen sind, erfolgt das Aufbringen einer Umhüllung aus thermoplastischem Isolationsmaterial m Dunnschichtextru- sionstechnik nach einem sogenannten Schlauch-Reckverfahren. Hierbei wird ein Schmelzeschlauch aus einer Düse extrudiert, der m seinen Dimensionen großer als der zu umhüllende Leiter ist, welcher durch einen zentralen Fuhrungskanal m der Du- senmitte lauft. Dadurch entsteht ein Schlauch um den Leiter herum, der durch den Vortrieb des Leiters verstreckt, d.h. gedehnt wird, bis die endgültige, erwünschte Dicke (Starke) der Umhullungswand (Isolationsschicht ) erreicht ist. Dieser Schlauch wird auf die Leiteroberflache gezogen. Abhangig vom eingesetzten Isolationswerkstoff liegt dabei der sogenannte
Reckgrad, d.h. die Verstreckung des Materials, im allgemeinen zwischen 5 und 15. Die Verstreckung kann vorteilhaft unter gleichzeitiger Einwirkung von Vakuum im Schlauchinneren erfolgen. Zusammen mit einer vorteilhaften Vorwarmung des Lei- ters vor dem Emlauf m den Fuhrungskanal und/oder wahrend des Hindurchziehens des Leiters durch diesen laßt sich so ein besonders guter und blasenfreier Haftsitz der Umh llung auf dem Supraleiter erzeugen. Die dann erfolgende langsame Ah lung z. B. an Luft bewirkt ein Einfrieren und eine spannungs- freie Verfestigung der Schmelze aus dem Isolationsmateπal auf dem Leiter.
Mit diesem Verfahren lassen sich folglich verhältnismäßig dünne (von einer Mindestdicke von etwa 40 μm und/oder einer maximalen Dicke von 100 μm) und fehlerfreie Umhullungsschicn- ten auf Supraleitern mit an sich beliebiger Querschnittsform, insbesondere aber mit Bandform realisieren.
Es sind prinzipiell Beschichtungsanlagen bekannt, mittels de- rer isolierende Umhüllungen aus einem thermoplastischen
Kunststoffmaterial (vgl. DE 26 38 763 A) durch Abstreifdusen, in Druckummantelung oder im Schlauch-Reckverfahren (DE 24 09 655 A, 20 22 802 A, DE 21 10 934 A) auf Drahte aufzubringen sind. Die Drahte können dabei insbesondere aus Stahl (vgl. US 3 893 642), AI (vgl. DE 24 09 655 A) oder Cu
(vgl. US 4 489 130 oder die genannte DE 21 10 934 A) bestenen und haben im allgemeinen kreisförmige Querschnittsflachen. Das mit solchen Anlagen auszuführende Beschichtungsverfahren wird auch als Extrusionsbeschichtung bezeichnet.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird von der Erkenntnis ausgegangen, dass die vorerwähnten, an sich bekannten Verfahren zur Beschichtung von oxidischen HTS-Leitern geeignet sind, wobei sich die eingangs genannten, leiterspezifischen Schwierigkeiten vermeiden lassen. Dies ist insbesondere bei einer Bandform des Supraleiters von Bedeutung. Unter einer Bandform sei in diesem Zusammenhang jede beliebige Rechteckform mit eckigen oder abgerundeten Kanten verstanden. Vorzugsweise kann aber die Rechteckform ein verhältnismäßig großes Aspektverhaltnis im Allgemeinen über 10 aufweisen, wie es insbesondere bei bekannten dünnen HTS-Bandleitern gegeben ist. Durch Beschichtung nach dem vorgeschlagenen Schlauch- Reckverfahren lassen sich porenfreie Isolierschichten realisieren, die auf den für HTS-Leiter typischen Oberflachen gut haften.
Die Anwendung dieses Verfahrens auf oxidische HTS-Leiter mit ihrer typischen thermischen und mechanischen Empfindlichkeit erschließt für diese Leitertypen ein erweitertes Anwendungsgebiet aufgrund der einfacheren Verwendbarkeit bereits vor- lsolierter Leiter. Außerdem sind beträchtliche Kostenem- sparungen gegenüber den bisher in der Supraleitungstechnik angewandten Verfahren zu erwarten. Neben den Einsparungen durch eine rationelle, schnelle Extrusionstechnik liegt ein erhebliches Ratiopotential m den verwendbaren Isolations- mateπalien, die im Vergleich zu bekannten Isolierfolien deutlich billiger sind.
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren ist eine kontinuierliche Beschichtung eines HTS-Leiters möglich, da das Isolations- material aus einem Vorratsbehalter gefordert werden kann, der sich jederzeit nachfüllen laßt. Außerdem ist mit dem Ver¬ fahren die Dicke der isolierenden Umhüllung m einem weiten Bereich variabel und mit hinreichender Genauigkeit emzu- stellen. Da z.B. jeder Einzelleiter vollständig isoliert sein kann, ist bei Bandleiterwicklungen eine doppelte Isolations- sicherheit gegeben, weil die Leiter durch eine zweifache Iso- lationsschicht getrennt sind. Ferner kann durch den Einsatz von verschiedenen thermoplastischen Kunststoffmaterialien das mechanische und thermische Eigenschaftsprofll der Umhüllung dem jeweiligen Anwendungsfall angepaßt werden. Darüber hinaus ist das vorgeschlagene Verfahren deutlich schneller als ein bei metallischen Supraleitern bisher angewandtes klassisches Umspmnungs- oder Lackierverfahren.
Außerdem werden bei dem vorgeschlagenen Verfahren auch die seitlichen Leiterkanten isoliert, womit die Gefahr von Kurzschl ssen m diesem Bereich verringert ist. Die Isolation ist insbesondere auch für dünne Bandleiter mit ungunstigem As- pektverhaltnis geeignet. Dabei entfallt die bei Lackierverfahren gefurchtete Gefahr einer sogenannte „Kantenflucht* , d.h. eine unerwünschte starke Schichtverdunnung im Bereich von Kanten mit kleinen Kantenradien, wie sie gerade bei dun- nen Leiterbandern gegeben sind.
Ferner braucht bei dem vorgeschlagenen Verfahren der HTS- Leiter mechanisch nicht zu stark belastet zu werden. Die mechanische Belastung beschrankt sich nämlich auf die durch Leiterabwickler bzw. -aufwickler erzeugten geringen Zuσ- krafte. Eine Leiterumlenkung wahrend des Beschichtungspro- zesses kann also vorteilhaft vermieden werden.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren sollen bekannte thermoplas- tische Werkstoffe mit verhältnismäßig niedriger Verarbei- tungs- bzw. Schmelztemperatur von unter 200°C eingesetzt werden und auch nur eine verhältnismäßig kurzfristige Erwärmung der Leiter vorgesehen werden, um so eine Degradation der Sup- raleitungseigenschaften (bzgl. der kritischen Temperatur T^ und insbesondere bzgl. der m A/m2 zu messenden kritischen Stromdichte Jc) zumindest weitgehend zu vermeiden. Als hierfür geeignete thermoplastische Materialien sind Polyethylene, Polystyrol-Ethylen-3utylen-Elastomere, Polyurethan- Elastomere, Ethylen/Vmylacatat-Copolymere oder Acrylsau- re/Acrylat-Copolymere vorgeschlagen .
Mit den vorstehend aufgeführten Thermoplasten können Isolier- schichtdicken von minimal etwa 40 bis 50 μm realisiert werden. Um eine möglichst hohe effektive Stromdichte m einem Hoch-Tc-Supraleιter und/oder einer mit solchen Leitern aufgebauten Einrichtung wie z.B. einer supraleitenden Wicklung zu erreichen, sollte jedoch die Isolierschicht demgegenüber geringer sein. Dabei sollte eine gute Haftung des Isolationsma- terials auf dem Leiter und e ne gute Anbmdung der entsprechenden Isolierschicht an Trank- und Gießharze zu gewährleisten sein. Es zeigt sich jedoch, dass mit den vorgeschlagenen Isolationsmaterialien z.B. die Herstellung von sogenannten Roebelstaben (vgl. z.B. DE-PS 277012 oder „Siemens Review" , Vol. 55, No.4, 1988, Seiten 32 bis 36 oder „IEEE Transactions on Applied Superconductivity* , Vol. 9, No . 2, Juni 1999, Seiten 111 bis 121) sich problematisch gestaltet, da diese Is^ lationsmateπalien bei Raumtemperatur verhältnismäßig weich sind und einen hohen Reibkoeffizienten besitzen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, das vorgeschlagene Verfahren mit den eingangs genannten Merkmalen da- hingehend zu verbessern, dass die vorerwähnten Schwierigkeiten vermindert sind. Außerdem sollen besondere Verwendungen des Verfahrens angegeben werden.
Die sich auf das Verfahren beziehende Aufgabe wird erfin- dungsgemaß mit den Maßnahmen gemäß Anspruch 1 gelost. Dementsprechend sieht das Verfahren zur Herstellung einer allseitigen Umhüllung aus einem elektrischen Isolationsmateπal aus Kunststoff um mindestens einen Supraleiter mit oxidischem Hoch-Tc-Supraleιtermaterιal vor, dass zu einem kontinuierli- chen Umhullungsprozess bei einer die Supraleitungseigenschaf- ten des Leiters praktisch nicht beeinträchtigenden Verfahrenstemperatur - der Leiter aus einem sich in einer Vortriebsrichtung erstreckenden Fuhrungskanal austritt,
- ein Schmelzeschlauch aus einem geschmolzenen thermoplastischen Isolationsmateπal m der Vortriebsπchtung aus einer Düse extrudiert wird, deren Austπttsoffnung den Leiter unter allseitiger Beabstandung umgibt,
- mit dem Vortrieb des Leiters der Schmelzeschlauch gedehnt und auf die Leiteroberflache gezogen wird sowie - der so auf die Leiteroberflache aufgebrachte Schmelzeschlauch durch Abkühlung verfestigt wird. Dabei soll als Isolationsmaterial ein thermoplastisches Material mit einer Verfahrenstemperatur zwischen 200°C und 500°C, vorzugsweise zwischen 220°C und 450°C, vorgesehen werden. Un- ter einer die Supraleitungseigenschaften des Leiters praktisch nicht beeinträchtigenden Verfahrenstemperatur wird m diesem Zusammenhang eine Temperatur verstanden, die höchstens zu einer Degradation der kritischen Stromdichte Jc [in A/m2] von unter 10 % fuhrt.
Als entsprechende Thermoplaste sind insbesondere spezielle technische Thermoplaste wie Polyamide und Polyester sowie insbesondere auch Hochtemperatur-Thermoplaste (HT-Thermoplaste) wie Polyetherimid (PEI), Polyethersulfon (PES), Poly- sulfon (PSU) , Polyphenylensulfon (PPSU) und Polyetheretherke- ton (PEEK) geeignet.
Es hat sich nämlich gezeigt, dass überraschenderweise HTS- Bandleiter insbesondere mit Filamenten aus Bi-Cupratmateπal und einer Einbettung der Filamente m eine Ag-Matπx Temperaturbelastungen von mindestens 500°C für mehrere Minuten aushalten, ohne dass ihre Supraleitereigenschaften wie insbesondere ihre Stromtragfahigkeit beeinträchtigt werden. Dies macht einen Einsatz der erfmdungsgemaß zu ahlenden Thermo- plaste möglich. Dabei ist darüber hinaus von Vorteil, dass die erfmdungsgemaß gewählten Thermoplaste, insbesondere die HT-Thermoplaste PEI, PPSU und PEEK, sehr gute elektrische und außergewöhnlich gute Tieftemperatureigenschaften besitzen, d.h. sich durch gute Flexibilität und Zähigkeit bei tiefen Temperaturen auszeichnen. Demgegenüber zeigen andere Thermoplaste bei tiefen Temperaturen oft starke Neigung zur Ver- sprodung. Ein weiterer Vorteil gegenüber den mit der alteren Anmeldung vorgeschlagenen Thermoplasten ist eine m dem beanspruchten Temperaturbereich zu erreichende verbesserte Adha- sionshaftung auf keramischen und metallischen Substraten aufgrund des ausgeprägt polaren Charakters dieser Werkstoffe und der wesentlich besseren Verträglichkeit und Anbmdung an Epo- xid- (EP-) und ungesättigte Polyesterharze (UP-Harze) , die als Verguss- und Trankmassen für Einrichtung unter Verwendung solcher Supraleiter eingesetzt werden.
Ferner haben die erfmdungsgemaß zu wahlenden Thermoplaste vorteilhaft bei Raumtemperatur einen hohen E-Modul (> 3000 MPa) , eine hohe Oberflachenharte (Rockwell-Harte > 120; R Skala) und einen niedrigen Reibkoe fizienten (< 0.6) . Als Vergleich seien die entsprechenden Werte für Ethylenvmylace- tat (EVA) genannt, das m der alteren Anmeldung aufgeführt ist: E-Modul < 400 Mpa, Oberflachenharte Shore-D < 40 und Reibkoeffizient > 1. Dieses mechanische und tribologische Eigenschaftsprofil der gewählten Thermoplaste ermöglicht auch eine problemlose Herstellung von Roebelleitern . Dies ist ein weiterer großer Vorteil gegenüber den der alteren Anmeldung aufgeführten Thermoplasten, mit denen die Herstellung von Roebelleitern nicht bzw. nur mit erheblichen Aufwand möglich ist. Bei der Roebelleiterherstellung muss nämlich die Isolierschicht ein ausreichendes Gleitvermogen sicherstellen, da die Einzelleiter zu einen Leiterverbund beispielweise mittels einer Bandagierung zusammengefasst werden, wobei es zu einer Relativbewegung der Einzelleiter gegeneinander kommt. Bedingt durch den hohen Reibkoeffizienten und der niedrigen Oberflachenharte der m der alteren Anmeldung aufgelisteten Kunststoffe können die Einzelleiter nicht gegeneinander abgleiten, es kommt zu Deformationen der Isolierschicht, die bis zu einem Aufreißen de Isolierschicht fuhren können. Ein erheblicher Vorteil der Verwendung der neuen Isolierwerk- stoffe liegt in der deutlichen Reduzierung der Isolier- schichtdicke . Durch die guten Verarbeitungseigenschaften die- ser Kunststoffe im Schlauchreckprozess lassen sich Isolier- schichtdicken der Umhüllung von unter 100 μm, vorzugsweise im Bereich 15 bis 30 μm und darunter realisieren, beispielweise mittlere Dicken von höchstens 30 μm. Dies ist wesentlich, um eine hohe effektive Stromdichte im Leiter zu erreichen. Ver- glichen mit den Materialien gemäß der alteren Anmeldung, wo bevorzugt mit einer Schichtdicke von ca. 50 μm gearbeitet wird, ist dies eine Verringerung der Schichtdicke von über 50 % . Die Kombination von gutem Verarbeitungsverhalten und dem oben erwähnten mechanischen und tribologischen Eigenschafts- profil ermöglicht die sichere und problemlose Herstellung vorzugsweise von Roebelleitern mit Isolierschichtdicken von 15 bis 30 μm mit hoher effektiver Stromdichte.
Unter einem HTS-Leiter, auf den das erf dungsgemaße Verfah- ren anzuwenden ist, sei hierbei nicht nur ein einzelner Leiter, sondern auch eine Zusammensetzung/-fassung aus mehrerer solcher Leiter oder Teilen von ihnen verstanden. Der Leiter kann dabei mindestens einen Leiterkern aus dem Supraleitermaterial enthalten.
Ein erfmdungsgemaß mit einer isolierenden Umhüllung umerzogener Supraleiter kann ohne zusatzliche Isolationsfolie eingesetzt werden. Somit entfallt der durch das Mitwickeln einer Isolation verursachte Fertigungsaufwand.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfmdungsgemaßen Verfahrens und der Verwendung dieses Verfahrens gehen aus den jeweils abhangigen Ansprüchen hervor.
So können mit dem erfmdungsgemaßen Verfahren vorteilhaft nicht nur Umhüllungen mit allseitig etwa gleichmäßiger Dicke ausgebildet werden. Vielmehr laßt sich eine derart gestaltete Austπttsoffnung der Düse vorsehen, daß deren Beabstandung bezuglich des Leiters m dessen Umfangsrichtung gesehen ungleichmäßig ist. Auf diese Weise können insbesondere bestimmte Abstände zwischen benachbarten Leitern z.B. innerhalb ei- nes Leiterverbundes oder einer Wicklung festgelegt werden.
Besonders vorteilhaft wird das erfmdungsgemaße Verfahren zum Umhüllen eines bandförmigen Supraleiters mit einem Aspektver- haltnis von mindestens 3, vorzugsweise mindestens 10, ver- wendet. Gerade derartige Supraleiter, die zudem noch nur eine geringe Dicke haben können, sind mit bekannten Beschichtungs- verfahren nur schwer und nur unter der Gefahr der erwähnten Kantenflucht zu beschichten.
Das erfmdungsgemaße Verfahren kann ebensogut auch zur Umhüllung von supraleitenden Mehrfach- oder -Verbundleitern verwendet werden. Derartige Leiter weisen einen Aufbau auo mehreren supraleitenden Leiterteilen oder -Leiterbereichen auf, wobei mindestens ein supraleitender Einzelleiter bzw eine solche Leiterader vorgesehen sind. Gerade ein entsprechender Aufbau laßt sich mit dem erfmdungsgemaßen Verfahren besonders einfach und gleichmaßig mit einer isolierenden Umhüllung ohne die Gefahr einer Beeinträchtigung der Leitereigenschaften des Supraleitermaterials versehen. Auch diese Leitertypen können eine Bandform aufweisen.
Vorteilhaft wird im Hinblick auf eine gute Haftung des ausgewählten thermoplastischen Isolationsmateπals auf dem HTS- Leiter dessen Aufheizung vor oder bei seiner Einfuhrung in den Fuhrungskanal vorgesehen. Die Aufheiztemperatur sollte dabei vorzugsweise zumindest annähernd die Verfahrenstemperatur (zulassige Abweichung: +/- 50°C) sein.
Vorteilhafte Verwendungen des erf dungsgemaßen Verfahrens sind in den Ansprüchen 13 und 16 angegeben. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfmdungsgemaßen Verfahrens und der Verwendung dieses Verfahrens gehen aus den übrigen, jeweils abhangigen Ansprüchen hervor.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausfuhrungsbeispie- len noch weiter erläutert. Dabei zeigen jeweils schematisch deren Figuren 1 und 2 eine Düse einer Anlage zur Durchfuhrung des erf dungsgemaßen Verfahrens als Längsschnitt bzw. m Frontansicht sowie deren Figur 3 eine Anlage zur Extrusionsbeschichtung eines HTS-Leiters mit einer Düse gemäß den Figuren 1 und 2.
In den Figuren sind sich entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen. Nicht dargestellte Teile sind allgemein bekannt.
Bei einer zur Durchfuhrung des erfmdungsgemaßen Verfahrens vorzusehenden Anlage wird von an sich bekannten Vorrichtungen ausgegangen, wie sie zur Ummantelung von nicht-supraleitenden Drahten mit Kunststoffmaterialien mittels Extrusionsbeschichtung nach dem sogenannten Schlauch-Reckverfahren verwendet werden (vgl. die genannte US 3 893 642 oder die genannten DE-A-Schπften 2 022 802 und 21 10 934) . Eine entsprechende Anlage (vgl. Figur 3) umfaßt einen sogenannten Extruder mit Extrusionskopf, der eine Extrusionsduse aufweist, welche den Figuren 1 und 2 im Längsschnitt bzw. in Frontansicht veranschaulicht ist. Diese allgemein mit 2 bezeichnete Düse enthalt mittig einen Fuhrungskanal 3. Durch diesen Kanal ist ein mit einer elektrisch isolierenden Umhüllung 4 zu versehender Supraleiter 5 m einer durch einen Pfeil v angedeuteten Vor- tπebsrichtung mit Hilfe von nicht dargestellten Vortriebsmitteln (vgl. Figur 3) zu fuhren. Gemäß dem angenommenen Aus- fuhrungsbeispiel handelt es sich bei dem Supraleiter 5 um einen bandförmigen HTS-Leiter. Dieser Leiter Kann vorteilhaft vor dem Einfuhren in den Fuhrungskanal 3 vorgeheizt werden. Gegebenenfalls ist statt dessen oder zusatzlich der Fuhrungskanal selbst aufheizbar.
Das Isoliermateπal der Umhüllung 4 wird m dem nicht dar- gestellten Extruder (vgl. Figur 3) aufgeschmolzen, m den
Extrusionskopf mit Verteilersystem gefordert und als Schmelze 6 m einen Dusenspalt 7 der Extrusionsduse 2 gedruckt. An einer Austrittsoffnung 8 des Dusenspalts 7, dessen Spaltweite dort deutlich großer ist als die endgültige Dicke d der Um- hullung 4 um den Bandleiter 5 , tritt m der Vortriebsrichtung v gesehen ein Schmelzeschlauch 9 aus, der in Form eines Reckkegels aufgrund einer Fixierung seiner Kegelspitze am Bandleiter verstreckt und mit der am Bandleiter geforderten Schichtdicke d auf den Leiter aufgebracht wird. Ein am Fuh- rungskanal 3 vorteilhaft angelegtes Vakuum erzeugt im Innern des Reckkegels einen Unterdruck, der einen Einschluß von Luftblasen zwischen der Umhüllung und dem Leiter verhindert und der zusammen mit der Vorwarmung des Leiters einen guten Haftsitz der Umhüllung 4 auf dem Leiter gewährleistet. D^ umh llte Bandleiter ist der Figur 1 mit 5' bezeichnet.
Wie aus Figur 2 hervorgeht, hat die Dusenspaltoffnung 8 vorteilhaft eine an die Kontur des Bandleiters 5 angepaßte Form. Die somit weitgehend rechteckige Öffnung mit Abrundungen an den Ecken ist bezuglich der Flachen des Bandleiters um Abstände al und a2 beabstandet und wird durch Spaltweiten wl und w2 sowie durch Krümmungsradien Rl und R2 m ihren Eckbereichen festgelegt. Die Abstände (al, a2) der Dusenspalt- offnung 8 vom Bandleiter 5, deren geometrische Gestaltung (wl, w2, Rl, R2 ) und die Vortriebsgeschwindigkeit v des Leiters bestimmen die Kontur der Umhüllung 4 und deren Dicke d. Die geometrische Gestaltung der Extrusionsduse kann dabei, wie für das Ausfuhrungsbeispiel nach Figur 2 angenommen wurde, so gewählt werden, daß die Dicke d der Umhüllung 4 auf allen Seiten etwa gleich groß ist. Dabei wird im allgemeinen eine Dicke d von weniger als 0, 5 mm eingeplant, beispielsweise zwischen 30 und 300 μm. Abweichend davon kann durch ei- ne andere Gestaltung der Extrusionsdusenoffnung, z.B. a2 < al und wl < w2, bewirkt werden, daß sich an den Schmalseiten des Leiters Seitenlippen bilden. Solche Seitenlippen können dann als Abstandshalter beim Herstellen von Lagenwicklungen Ver- wendung finden und machen somit em zusätzliches Mitwickeln von besonderen Abstandshaltern wie z.B. von Glaszwirn überflüssig. Auch kann die Kontur der Austπttsoffnung 8 des Du- senspalts dahingehend strukturiert sein, daß sich auf mindestens einer Seite des Leiters eine nicht-gleichmaßige Dicke der Umhüllung ergibt. Auf diese Weise ist z.B. mittels einer rinnenartigen Vertiefung m der Kontur der Öffnung 8 eine stegartige Wulst der Umhüllung zu erhalten, die dann als ein Abstandshalter dienen kann. Ferner kann man gegebenenfalls auch von einer exakt zentrischen Fuhrung des Supraleiters durch den Fuhrungskanal 3 absehen, um so eine em- oder zweiseitig stärkere Umhüllung zu erzeugen.
Als isolierende Kunststoffmaterialien für die Umhüllung 4 kommen alle thermoplastischen Werkstoffe in Frage, die ei"°r- seits eine Verarbeitungs- bzw. Schmelztemperatur haben, die eine Beeinträchtigung der Supraleitungseigenschaften des zu umhüllenden HTS-Leiters 5 ausschließt und dennoch eine hinreichende Piastizitat für das Extrusionsbeschichtungsverfah- ren gewährleistet. Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass bekannte HTS-Bandleiter mit Filamenten aus Bi-Cupratma- terial, die in eine Ag-Matπx eingebettet sind, Temperaturbe- lastungen von über 500°C für mehrere Minuten aushalten, ohne dass ihre Supraleitungseigenschaften beeinträchtigt werden. Em entsprechender, für die nachfolgenden Betrachtungen zu Grunde gelegter konkreter KTS-Standardbandleiter ist aus
„IEEE Transactions on Applied Superconductivity" , Vol. 9, No . 2, Juni 1999, Seiten 2480 bis 2485 bekannt. Er besitzt eine von einer AgMg-Hulle umgebene Ag-Matrix mit 55 darin eingelagerten, gegenseitig vertwisteten Leiterkernen bzw. -filamen- ten aus dem Hoch-T^-Supraleιtermaterιal (Bi, Pb) 2Sr-Ca?Cu30
(sogenanntes „BPSCCO-2223" -HTS-Material ) . Seme Außendimensi- onen (ohne Isolation) sind 3,6 x 0,26 mm2. Vorzugsweise für einen solchen HTS-Bandleiter werden erfm- dungsgemaß thermoplastische Materialien gewählt, deren Verarbeitungstemperatur über 200°C liegt und maximal 500°C betra- gen kann. Vorteilhaft werden solche Materialien ausgewählt, die eine Verarbeitung in einem Temperaturbereich zwischen 220°C und 450°C, insbesondere zwischen 240°C und 420°C, vorzugsweise zwischen 250°C und 380°C ermöglichen. Die Auswahl von Thermoplasten für diesen Temperaturbereich ist besonders groß. Entsprechend geeignete Materialien sind insbesondere an sich bekannte technische Thermoplaste aus der Familie der Polyamide oder Polyester, die bevorzugt für den unteren Teil (etwa zwischen 200°C und 290°C) des genannten Temperaturbereichs vorzusehen sind. Als weiterhin besonders geeignet ms- besondere für den oberen Teil des Temperaturbereichs sind spezielle Hochtemperatur (HT) -Thermoplaste wie em Polyetheri- mid (PEI) oder em Polyethersulfon (PES) oder em PolysαlTon (PSU) oder em Polyphenylensulfon (PPSU) oder em Polyether- etherketon (PEEK) anzusehen.
Die konkrete Auswahl der thermoplastischen Isolationsmateria- lien wird zusätzlich unter dem Gesichtspunkt vorgenommen, daß die eingesetzten Thermoplaste hinreichend gute Tieftemperatureigenschaften besitzen, um so Ausfalle unter Bet iebsbe- dmgungen und/oder bei Abkuhlungs- und Aufwarmvorgangen ausschließen zu können.
Bei Verwendung von transparenten Isoliermateπalien kann zusatzlich die Isolierhulle mit Farbstoffen emgefarbt werden. Dadurch ist eine leichte optische Kontrolle der Umhüllung möglich.
Das erfmdungsgemaße Dunnschicht-Extrusionsbeschichtungs- verfahren ist besonders zum Umhüllen von bandförmigen HTS- Leitern geeignet, deren Leiterbanddicke unter 1,5 mm, vorzugsweise unter 0,5 mm, liegt und die em hohes Aspektver- haltnis von mindestens 3, vorzugsweise mindestens 10, haben. Em entsprechender HTS-Bandleiter kann beispielsweise eine Breite von 3,6 mm und eine Dicke von 0,25 mm besitzen und insbesondere der vorerwähnte HTS-Standardbandleiter sein.
Als HTS-Mateπalien kommen prinzipiell alle bekannten oxidi- schen Supraleitermateπalien mit hoher Sprungtemperatur in Frage, die insbesondere eine LN2-Kuhltechnιk zulassen. Dabei sind jedoch als besonders geeignet Bi-Cupratmaterialien anzusehen, die hauptsächlich die sogenannte 2212-Phase (80 K- Phase) oder vorzugsweise die sogenannte 2223-Phase (110 K-
Phase) zumindest zu einem überwiegenden Teil enthalten (vgl. z.B. „IEEE Transactions on Applied Superconductivity* , Vol. 7, No. 2, Juni 1997, Seiten 355 bis 358) . Das Bi-Cuprat- material kann dabei zusatzlich Pb enthalten ( sogenanntes „BPSCCO" ) .
Bandförmige HTS-Leiter mit erf dungsgemaß erstellten Umhüllungen smα außerdem zumeist m t einer zusätzlichen keramischen Oberflachenbeschichtung versehen, die e Versmtern der eigentlichen, metallischen Außenseiten bzw. Oberflachen des Leiters, die bevorzugt aus Ag oder einer Ag-Legierun wie AgMg bestehen, wanrend erforderlicner Reaktionsgluhungen verhindern sollen.
Gemäß einem konkreten Ausfuhrungsbeispiel wurde e entsprechender 2223-BPSCCO/Ag-Standardbandleιter mit einem erf - dungsgemaßen thermoplastischen Material umhüllt. Eine entsprechende Beschichtungsanlage ist m Figur 3 angedeutet. Diese allgemein mit 12 bezeichnete Anlage weist m Bandfuh- rungsrichtung v gesehen hintereinander die folgenden Teile auf, nämlich eine Abwickelvorrichtung (sogenannter „Abwickler" ) 14, von der der zu beschichtende HTS-Bandleiter 5 abgewickelt wird, eine Filzbremse 15, eine N2-Schutzgasspulung 16 zur Vermeidung von Oxidation, eine beruhrungslose induktive Leiterheizung 17, um den Leiter zumindest annähernd auf die Verarbeitungstemperatur des ver- wendeten thermoplastischen Isolationsmateπals wie z.B. von einem thermoplastischen Polyurethan-Elastomer aufzuheizen, eine Extrusionsbeschichtungsvorrichtung (sogenannter „Extruder") 18 mit Nachfulltπchter 19 für das thermoplastische I- solier aterial, einem Extrusionskopf mit eingebauter Extru- sionduse 2, eine Luftdusche 20, mehrere Fuhrungsrollen 21ι, einen Porendetektor 22 zur Überwachung der aufgebrachten Um- hullung, mindestens em Kaltluftgeblase 23j, eine zerstörungsfreie Isolierschichtdickenuberwachung 24, einen Bandabzug 25 sowie eine kraftgesteuerte Aufwickelvorrichtung (sogenannter „Auf- Wickler") 26 zur Aufnahme des mit der Umhüllung aus dem verfestigten bzw. erkalteten thermoplastischen Polyurethan- Elastomer versehenen Bandleiters 5' .
Dabei kann auch durch die Wahl einer geeigneten Bandabzugs- geschwmdigkeit die Dicke d der Umhüllung beeinflußt werden. So kann z.B. bei einer Leiterdurchlaufgeschwmdigkeit von et- 5 m/mm eine Umhüllung von etwa 30 μm Dicke erzeugt werden. Zur Haftverbesserung der Umhüllung auf der Leiteroberflache wird der Leiter mittels der Leiterheizung 17 m- duktiv vorgeheizt, insbesondere zumindest annähernd auf e Temperaturniveau nahe der Verarbeitungstemperatur (d.h. gegebenenfalls geringfügig darüber oder darunter, z.B. +/- 50°C). Diese nur kurzfristig erforderliche und deshalb das Supraleitermaterial nicht schädigende Vorwarmung des Leiters erfolgt vorteilhaft unter Schutzgasatmosphare, um Oxidbildungen auf der Leiteroberflache zu vermeiden, die sich negativ auf die Haftung der isolierenden Umhullungsschicht auf dem Leiter auswirken können. Eine mögliche Vorwarmung eines Leiters ist zwar pπzipiell bekannt; allerdings liegen die bisher ange- wandten Vorwarmtemperaturen deutlich niedriger als die für HTS-Leiter vorzusehenden Verarbeitungstemperaturen der gewählten Thermoplaste. Um eine wirklich gute adhasive Bindung des Isoliermaterials auf dem Leiter sicherzustellen, ist eine Leitervorwar ung auf eine möglichst hohe Temperatur zweckmäßig, bei der eine HTS-Leiterschadigung bzgl. seiner supraleitenden Eigenschaften noch nicht auftritt. Beim Auftreffen ei- ner heißen Thermoplastschmelze auf einen unzureichend vorgewärmten Leiter konnte es sonst zu einem unerwünschten sofortigen Einfrieren und Erstarren der Schmelze an der Kontaktflache kommen; und damit wäre eine ausreichende Benetzung der Leiteroberflache durch die Schmelze verhindert. Eine gute Be- netzung ist aber Voraussetzung für die Ausbildung einer Adha- sionshaftung. Unterstutzt wird diese Haftung durch den erwähnten Unterdruck im Reckkegel. Beim anschließenden Be- schichtungsprozeß dienen die hinter dem Extruder 18 angebrachten Luftdusen der Luftdusche 20, em eventuell noch vor- handener Gegenstromkuhler sowie das Geblase 23j zur schnelleren Abkühlung und Verfestigung der aufgebrachten Umhullungs- schicht aus dem thermoplastischen Isoliermateπal . Weiterhin erfolgt eine on-lme Pr fung auf Isolationsfehler durch einen zerstörungsfrei arbeitenden Porendetektor 22 und eine Uberwa- chung der aufgebrachten Isolierschichtdicke z.B. mittels Laseranordnung 24. Aufgrund der schnellen Abkühlung und Verfestigung der Umhüllung kann em Verkleben der Umhüllungen beim anschließenden Aufwickeln des Leiters 5' auf dem Aufwickler 26 verhindert werden. Zusätzlich kann dort als Zwischenlage eine Trennschicht z.B. aus Papier mit dem Leiter auf der als Vorratsspule dienenden Aufwickler 26 gewickelt werden, um dort em Verkleben des Leiters wahrend der Lagerung auszuschließen. Statt dessen kann die Umhüllung des Leiters mit einem hierfür geeigneten Puder, beispielsweise aus Talkum, versehen werden.
Nachfolgend sind einige konkrete Ausfuhrungsbeispiele im Rahmen des erfmdungsgemaßen Verfahrens aufgeführt:
Beispiel 1: Aufbringen der Isolierschicht nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren mit Isolation aus PEEK Verarbeitungstemperatur Schmelze: 380 °C Leitervorwarmung: 375 °C Isolation aus PEI
Verarbeitungstempel a ur Schmelze: 370 °C
Leitervorwarmung: 370 °C Isolation aus PPSU
Verarbeitungstemperatur Schmelze: 375 °C
Leitervorwarmung: 370 °C
Beispiel 2: Schichtdicke der aufgebrachten Isolation PEEK PEEK PEI PPSU EVA
Leiter 1 Leiter 2 25 μm 15 μm 30 μm 25 μm 50 μm
Beispiel 3: Haftung Isolation-Trankharz (Stycast 1266) PEEK/Stycast 1266: Trennung nur durch Abreißen der Isolation vom Leiter möglich
PEI/Stycast 1266: Trennen nur durch Abreißen der Isolation vom Leiter möglich
PPSU/Stycast 1266: Trennen nur durch Abreißen der Isolier- schicht vom Leiter möglich
EVA/Stycast 1266: leichte Trennung ohne Zerstörung der Lei- teπsolation
Beispiel 4: elektrische Eigenschaften bei 77 K m flussigem Stickstoff
DC-Isolationstests
Teilentladung Durchschlag Teilentladung Durchschlag
Leiter/Leiter Leiter/Leiter Leiter/Kante Leiter/Kante
PEEK 5500 V 15000 V 3000 V 4000 V
(25 μm)
PPSU 3200 V 12000 V 2500 V 6300 V
(25 μm)
EVA 3000 V 8000 V 2700 V 3500 V
(50 μm)
AC-Isolationstests Durchschlag Durchschlag
Leiter/Leiter Leiter/Kante
PEEK 4,7 kVeff 3,2 kVeff
(25 μm)
PPSU 5,0 kVeff 3,5 kVeff (25 μm)
EVA 4,2 kVeff 2,8 kVeff
(50 μm)
Die vorstehend aufgeführten EVA-Werte stellen dabei im Rahmen des mit der eingangs genannten WO-Schrift vorgeschlagenen Verfahrens gewonnene Vergleichswerte dar.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer allseitigen Umhüllung aus einem elektrischen Isolationsmaterial aus Kunststoff um min- destens einen Supraleiter mit oxidischem Hoch-Tc-Supraleιter- material, wobei zu einem kontinuierlichen Umhullungsprozess bei einer die Supraleitungseigenschaften des Leiters praktisch nicht beeinträchtigenden Verfahrenstemperatur
- der Leiter aus einem sich in einer Vortriebsrichtung erstreckenden Fuhrungskanal austritt,
- em Schmelzeschlauch aus einem geschmolzenen thermoplastischen Isolationsmaterial m der Vortriebsrichtung aus einer Düse extrudiert wird, deren Austπttsoffnung den Leiter unter allseitiger Beabstandung umgibt, - mit dem Vortrieb des Leiters der Schmelzeschlauch gedehnt und auf die Leiteroberflache gezogen wird sowie der so auf die Leiteroberflache aufgebrachte Schmelzeschlauch durch Abkühlung verfestigt wird, bei welchem Verfahren als Isolationsmaterial em thermoplastisches Material mit einer Verfahrenstemperatur zwischen 200°C und 500°C, vorzugsweise zwischen 220°C und 450°C, vorgesehen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass em thermoplastisches Material mit einer Verfahrenstemperatur zwischen 240°C und 420°C, vorzugsweise zwischen 250°C und 380°C, vorgesehen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als Isolationsmaterial em Polyamid oder em Polyester vorgesehen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e - k e n n z e i c h n e t , dass als Isolationsmaterial em Polyetheπmid (PEI) oder em Polyethersulfon (PES) oder em Polysulfon (PSU) oder e Polyphenylensulfon (PPSU) oder em Polyetheretherketon (PEEK) vorgesehen wird.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Leiter (5) vor oder bei dem Einfuhren in den Fuhrungskanal (3) vorzugsweise zumindest annähernd auf die Verfahrenstemperatur aufgeheizt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Fuhrungskanal (3) aufgeheizt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Leiter (5) unter einer Schutzgasatmosphare aufgeheizt wird.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zum Aufbrm- gen des Schmelzeschlauchs (9) auf die Leiteroberflache der Innenraum des Schlauchs evakuiert wird.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Schmel- zeschlauch (9) um einen Reckgrad zwischen 5 und 15 gedehnt wird.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der aus der Düse (2) ausgetretene, mit der Umhüllung (4) versehene Leiter (5') einer Abkuhlungsbehandlung unterzogen wird.
11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine derart gestaltete Austrittsoffnung (8) der Düse (2) vorgesehen wird, daß deren Beabstandung bezuglich des Leiters (5) m dessen Umfangsπchtung gesehen ungleichmäßig ist.
12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine Umh llung (4) mit einer πittleren Dicke (d) von höchstens 100 μm, vorzugsweise höchstens 30 μm, ausgebildet wird.
13. Verwendung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche zum Umhüllen eines bandförmigen Supraleiters mit einem Aspektverhaltnis von mindestens 3, vorzugsweise mmdes- tens 10.
14. Verwendung nach Anspruch 13 zum Umhüllen eines bandförmigen Supraleiters mit einer Banddicke von höchstens 1,5 mm, vorzugsweise höchstens 0,5 mm.
15. Verwendung nach Anspruch 13 oder 14 zum Umhüllen eines Supraleiters mit mehreren m em normalleitendes Material eingebetteten Leiterkernen aus dem Hoch-Tc-Supraleιter- mateπal .
16. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche J. ÜIS 12 zum Umhüllen eines supraleitenden Mehrfach- oder Verbund- leiters, der mindestens einen supraleitenden Einzelleiter o- der -Leiterkern umfaßt.
17. Verwendung nach Anspruch 16 zum Umhüllen eines Mehrfachoder Verbundleiters mit einer Bandform.
18. Verwendung nach Anspruch 16 oder 17 zum Umhüllen eines Mehrfach- oder Verbundleiters mit mindestens einem Einzelleiter, der mehrere in em normalleitendes Material eingebettete Leiterkerne aus dem Hoch-Tc-Supraleιtermateπal enthalt .
19. Verwendung nach einem der Ansprüche 13 bis 18 zum Umhüllen eines bandförmigen Supraleiters (5) mit einer Umhüllung (4), deren Dicke (d) auf mindestens zwei Seiten des Leiters höchstens 0,03 mm betragt.
20. Verwendung nach einem der Ansprüche 13 bis 19 zum Umhul- len eines bandförmigen Supraleiters (5) mit einer Umhüllung
(4), deren Dicke (d) an den Schmalseiten des Leiters großer ist als an den Breitseiten.
21. Verwendung nach einem der Ansprüche 13 bis 20 zum Um- hüllen mindestens eines Supraleiters (5) mit Supraleitermaterial aus einem Bi-Cuprat, das m Ag zumindest enthaltendes normalleitendes Material eingebettet ist.
22. Verwendung nach einem der Ansprüche 13 bis 21 zum Umhul- len jedes einzelnen, zum Aufbau eines Roebelstab-Leiters dienenden bandförmigen Supraleiters (5).
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