DE1665087A1

DE1665087A1 - Supraleitendes Kabel und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE1665087A1
Application number: DE19661665087
Authority: DE
Inventors: Hans Benz
Original assignee: Werkzeugmaschinenfabrik Oerlikon Buhrle AG
Current assignee: Rheinmetall Air Defence AG
Priority date: 1966-01-13
Filing date: 1966-11-26
Publication date: 1971-02-11
Also published as: GB1130464A; CH450569A

Description

Maschinenfabrik Oerlikon, Zürieh-Oerlikon (Schweiz).

Supraleitendes Kabel und Verfahren zu dessen Herstellung.

Die Erfindung betrifft ein supraleitendes Kabel mit einem supraleitenden Kern und einem den Kern umgebenden Kontaktkörper und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Kabels.

In einem Supraleiter werden bekanntlich für das betreffende Material in charakteristischen und kritischen Feldgebieten durch

vorgenommene Feldstarke-bzw.StrOmstärkeänderungen quantisierte Flüssigund Flusgkriechen , ■ sprürige~Vausgeiöst. Die dabei erzeugten Verluste führen zu einer lokalen Temperaturerhöhung. Wird durch ein'e Kumulierung dieses Vorganges die kritische Temperatur des Supraleiters in einem Punkte des Leiters überschritten, so bildet sich sprungartig eine normalleitende Zone. Die in dieser Zone erzeugte Stromwärme und die schlechte radiale Wärmeleitung verursachen eine rasche Ausbreitung der normalleitenden Zone in .beiden Richtungen längs des Supraleiters. Tritt diese Erscheinung in einer supraleitenden Wicklung auf, so wird die gesamte darin freiwerdende magnetische Energie grösstenteils in der Spule in Wärme umgesetzt, was zu •einem Verlust von flüssigem Helium führt.. Zudem werden dabei in der Wicklung hohe, unerwünschte Spannungen erzeugt. Ein Supraleiter, bei dem durch besondere Massnahmen eine wesentliche Ausbreitung der normalleitenden Zone nicht auftritt, nennt man einen stabilisierten Supraleiter. Eine Stabilisierung kann erreicht werden durch gute Kühlung des Supraleiters und durch

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Verwendung eines normalleitenden Kontaktmateriaies. Dieses Material, aas elektrisch parallel zum Supraleiter geücru ist, wirkt als eleKtriscner Shunt über der nornjuileiteuu gewordenen Zone und entlastet niese vom Strom. Sin wesentlicher Nachteil bei der Verwendung von soicnen staDili^ierten supraleitenden Kaoeln für den Bau von Wicklungen bestens aarin, aass durch die Beifügung von Äontaktmaterial der Fülifaictor einer Wicklung verschlechtert wird.

Ein bekannter stabilisierter Supraleiter oder supraleitendes Kabel besteht aus eine.ü kreisförmigen Kern mit einer Anzahl zusammenverkabelter kupferplattierter Supraleiter, der, mit Inaiurc imprägniert, mit einer ebenfalls mit Indium imprägnierten zweiten Verkabelung aus parallel geführten Kupferdrähten umgeben ist. Die zweite Verkaoelung aus Kupferdrahten, auch Kontaktkörper

genannt, dient hierbei dem Wärmeentzug aus dem supraleitenden Kern und der Tiefhaltung dessen Temperatur; sie wirkt ausserdem als elektrisches Shuntmaterial. Die Indiumimprägnierung dient als thermisch und elektrisch leitende Veroindung zwischen den Supraleitern im Kern und zwischen dem Kern und dem Kont&Ktkörper. Die Imprägnierung dient weiter der mechanischen Bindung der Kabelelemente und wird daher wohl Bindemetall genannt.

Ein solches Kabel hat mehrere Nachteile. Der kreisförmige Querschnitt gibt dem Kabel ein ungünstiges Plächen-Volumen-Verhältnis, so dass die Kühlfläche eines Kabels als aucn der Füllfaktor einer Wicklung einen minimalen Wert haben. Infolge der beschränkten Zugfestigkeit der Kupferdrähte kann nur ein kleiner Kontaktdruck zwischen den Kupferdrähten und den Supra-

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leitern erzeugt weraen, so aass üei der gegebenen kleinen Kcntakti'iä« ehe üieaer linienfüruageri KontaKtstellen aer thermische una
elektrische Wiaerstana gro:;s sind,_w-ngie-ichformigkeiten in den DrahtSteigungen aer Kupferdrähte gegenüber denjenigen der Supraleiter verursachen Unterbrechungen ir, aen KontaKtiinien, welcne mit dicken Schichten aus Inaiurn, das thermisch una elektrisch scniecnter leitet axs tvupfer, ausgefüllt weraen. Das Resultat ist wieaer ein hoher thermischer uuu elektrischer Widerstand, bei der Imprägnierung aer zweiten Verkuüeiung inucs aas Indium durch uie linienfürmigen KontaKtstellen zwischen aen Kupferdranten dringen, fachen aie Kupferd-rähte eng Kontakt, so wird das Eindringen aes inaiu;r.s erscuwert una es können Hohlräume unter aev zweiten VerKaoeiüng verbleioen, aie wieaeruri» eine
verschlechterte thermische, ur.u eieKtrische Leitfähigkeit oedeute.'i. Bei der Biegung aes K&üels entsteinen in aen aussenliegenaen Indium-Trennschicnten grossere ScxnUb-spannungen, aurch welcne Oleitschichten verursacht werden könnenj diese wirken sich auf «aen thermischen una elektrischen Widerstand ungünstig aus.

Die Erfindung bezweckt diese Nacnteile zu verKieinern.
iiri'indungi-gemäes besteht der Kern eines supraleitenden Kaoels aus zumindest einem achsparallel verlaufenden Supraleiter,
während der Kontaktkörper gebildet wire durcn einen ua aen
Kern gefalteten Kante!.

Der Erfinaungsgegenst&nd weist «üehrere Vorteile auf, beaitngt

Aufbau
durch XaaarfeR«kiiaÄ und Herstellungsverfahren. Die Kontaktflächen zwischen den Supraleitern und dem Kontaktkörper sina nicht
unterDrochen. Die Kontaktflächen und Kontaktdrucke sina gross.

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Es befinden sich nur dünne und homogene Schichten des Bindemetalls zwischen den Supraleitern und dem Kontaktkörper; deren

-ist thermischer und elektrischer Widerstand siztd gering.Infolge des Pressens sind die Hohlräume vollständig mit Bindemetall ausgefüllt. Dies verbessert den elektrischen und thermischen ^Kontakt ebenfalls. Durch die Bandfornrhat das Kabel ein günstiges Flächen-Volumen-Verhältnis und die,Wärmeaustauschflache ist gross. Bei der Anwendung des Kabels im Bau von supraleitenden Wicklungen zeigen sich weitere Vorteile. Die im 'Bindemittel zwischen Supraleitern und Kontaktkörper beim ... Biegen des Kabels auftretenden Schub-'spunnungen sind

wegen
der kleinen KabeldiekeTklein und die Gefahr der Bildung von Gleitschichten im Bindemittel istgering. Der Füllfaktor einer Wicklung ist sehr günstig. Das Band weist ein grosses Tragheitsmoment gegen die axialen Komponenten der magnetischen Kräfte in der Wicklung auf; dadurch kann der Aufwand an Abstützmitteln klein sein.

Die Erfindung wird an Hand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele nachfolgend näher erläutert.

Das supraleitende Kabel 1 besteht aus einem Kern 2 mit einer Anzahl achsparallel angeordneter Supraleiter 3, der von einem, als Kontaktkörper dienenden Mantel 4 umgeben ist. Die Supraleiter sind mit einer plattierung 5» z.B. aus Kupfer oder Silber versehen. Der Mantel ist geformt aus einem Band von einem reinen, weichen, thermisch und eleKtrisch gut leitenden Material, z.B. Kupfer oder Silber, das um den Kern gefaltet Ist. Die Kaht 6 des Mantels kann offen bleiben wie in FIg. i gezeigt oder geschlossen werden/ z.B. durch Schweissea oder -Löten. Der zwischen Supraleitern und Mantel ver-«

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bleibende Baum ist mit einem Bindemetall 7'ausgefüllt. Das •Bindemetall, das aus einem thermisch und elektrisch verhält-

nismässig gut leitenden Stoff, z.B. Indium, Zinn oder Sie* einer Legierung .,-■".

X besteht, dient dazu den thermischen und elektri- .*

sehen Kontakt zwischen den Supraleitern und dem Mantel zu fördern, und zwischen diesen eine mechanisch "'-genügend gute-Verbindung herzustellen. Durch die Anwendung von Druck und eventuell Wärme beim Herstellungsverfahren des Kabels,ist ■ eine innere Profilierung 8 im Mantel entstanden, so dass die Wärmeaustauschfläche zwischen Supraleitern und Mantel gross ist. Auch ist das Bindemittel durch den Druck grösstenteils aus diesen Kontaktstellen in die Hohlräume verdrängt worden, so dass die verbleibenden BindenEballschichten 9 sehr dünn sind und den Wärmeübergang kaum beeinträchtigen. Die Abmessungen des Mantels werden dem gewünschten Verhältnis zwischen der Querschnittsfläche des Mantels und derjenigen der Supraleiter optimal angepasst. Nötigenfalls kann ein zweiter Mantel um den ersten angebracht sein.- Der zweite Mantel kann dann den ersten so umschliessen, dass seine Naht nicht zusammenfällt mit der Naht des ersten Mantels. Auch bei dieser Konstruktion kann ein Bindemetall zwischen beiden Mänteln eingebracht sein.

Zum Zwecke der Vergrösserung des Querschnittes des Koritaktkö'rpers kann den Supraleitern des Kerns ein oder mehrere Kontaktkörper zugeordnet sein. In Fig. 2 ist ein .solcher Kontaktkörper in der Form eines Drahtes 10, z.B. bestehend aus Kupfer oder Silber, zwischen'zwei Supraleitern angeordnet. Zur Ver-'bessertmg der mechanischen Eigenschaften des Kabels, besonders zur Erhöhung dei* Zugfestigkeit, kann den Supraleitern ein oder

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mehrere VerstärkungsKörper, z.B. in Form eines Drahtes aus anti- , magnetischem Stahl, zugeordnet sein.

Fig. 3 zeigt ein AaDeI mit einem Kern, bestehend aus zwei Schichten 11 und 12 von Supraleitern. Ber Mantel XjJ ist der Form des Δ-ernes angepasst. Der Mantel 14 des KaDeIs in Fig. 4 < ist zwecks Vergrösserung der Wärmeaustauschfläche-profiliert. Es kann vorteilhaft sein, die Naht des Mantels seitlich zu verlegen wie in Fig. 5 gezeigt. Fig. 6 zeigt ein Kabel, an welchem der Mantel mittels einer üeberlappungsnaht 15 geschlossen ist. Die Naht kann nachträglich, z.B. durch Rollschweissen verfestigt werden. Es ist hierbei vorteilhaft, den Kontakt- oder Verstärkungskörper 16 an die Stelle der Naht zu verlegen, so dass die mechanischen und thermischen Belastungen beim Schweissen der Naht grösstenteils von diesem Körper aufgenommen werden. Fig.7 zeigt ein Kabel, bei aem aie Üeberlappungsnaht 17 seitlich liegt. Auch hier liegt an Stelle der Naht ein Kontakt- oder ein Verst.ärkungskörper 18.

Es kann herstellungsmässig vorteilhaft sein, wenn der Mantel aus zwei Teilen 19 und 20 besteht (Fig. 8). Beide Teile des Mantels sind an den Seiten durch die Ueberlappungsnähte 21 und 22 miteinander verbunden. Wie aus Fig. 8 ersichtlich, liegt die Üeberlappungsnaht 21 oben, die Üeberlappungsnaht 22 unten, se dass zwei Aussparungen 25bzw. 24 entstehen. Dies hat den ; Vorteil, dass bei einer Spule die üeberlappungsnaht der einen '{ Windung in der Aussparung der vorangehenden Windung liegt ; (Fig.9). Es wird auf diese Weise in bezug auf mechanische

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Beanspruchung eine sehr feste Und kompakte Spule gebildet.

Für bestimmte Anwendungen kann es vorteilhaft uein, aen Querschnitt des Kubeis viereckig zu gestalten» Der ivern enthält vier, in den Ec*.en eines Vierecks angeordnete Supraleiter. , Selbstverständlich kann ein quadratischer Querschnitt des Kerns aucn durch mehr als vier Supraleiter gebildet werden.

Fig. 10 zeigt ein Kabel, dessen Kern durch einen einziger* Supraleiter 25 von recnteekigem Querschnitt get/iiuet wira. Der Supraleiter tragt eine Plattierung 26 und ist uneben von einen, Bindemetall 27* Der Kern des Kaöels von Fig.Ii enthält mehrere rechteckige Supraleiter 28, die paarweise nebeneinander und in zwei Schichten übereinander angeordnet sind» Jeaer Supraleiter trägt eine Kupferplattierun^ 2S und alle Supraleiter sind von einem Bindemetall 30 umgeben, Für die Ausführungsfarm der Fig. 10 und 11 gelten natürlich dieselben Bemerkungen hinsichtlich des fiantela, wie für die anderen Ausführungsformen dargetan* / "■".■""■■■■ '" . ■"- ■"■"■■"

Bin mögliches Verfahren zur Hersteilung aes beschriebenen supraleitenaen Kabels verläuft wie folgt (Fig. 13):

Ein Banct 31 geeigneter Abmessungen wird gereinigt und mit einer Schicht 32 (Fig.13a) aus z.B. Indium überzogen. Bas überzogene Band wird bei A zu einem, im wesentlichen ü-förmigen Profil (Fig. 13b) verformt; dies kann durch Rollen 33 oder durch Ziehen geschehen. Eine Anzahl ebenfalls gereinigte und mit Indium überzogene, kupferplattierte Supraleiter 34 wird «ei B in der gewünschten "Anordnung, z.B. in einer Ebene nebeneinander, liegend (Fig.13c), in achsparalleler Eiehtung in aas U-&rofil eingeführt. Bei.C wird das U-Profil durch einen Bördei-

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vorhang, z.B. mittels der Rollen 35 und '$6 (Fig.13d) geüchlouaen bei D wird das entstandene Kabel z.B. mittels einer Rolle 37 unter gleichzeitiger Zufuhr von Wärme mittels einer Heizwicklung 38 (Fig.l3e) verdichtet. Der Pressdruck wird so hoch gewählt, dass der Mantel teilweise deformiert wird, so dass eine innere Profilierung des Kanteis entsteht. Die Heizleistung wird so geregelt, dass der Schmelzpunkt des Indiums sicher erreicnt und aas flüssige J-ndrum in die Hohlräume gepresst wird. Durch sinngemäsae Profilierung der Rolle 37 kann der Kantel gleichzeitig äusserlicn profiliert werden.

Bekanntlicn können die supraleitenden äigehsehaften eines Supraleiters durch eine thermiscne Behandlung bei einer vom Material abhängigen Temperatur verbesöert werden. Diese tßeriaisehe Behandlung kann entweuer vor dem Einlegen an den einzelnen Supraleitern oder während dem Veraichtungsvorgang oder haeh aem Veräichtungsvorgang am ?vaoel vorgenommen werden.

Das Bindemetall kann statt durch Ueverziehen,- beim Einlegen aer. Supraleiter in den hantel eingebracht werden, z*B. in fltissiger oder drahtähniicher Form. Auch-kann es nachträglieh eihgecrächt werden durch Füllöi'fnungen 39 (Fig*l2), die zu aiesfem Zwecke in regelmässigen Abständen im Mantel arigibrseht sind. . .

Das Kabel kann sehliesslieh mit einer elektrischen isolation versenen weraen. ,

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BADORfGlMAL

Claims

/ * Supraleitendes Kabel mit einem supraleitenden Kern una einem den Kern umgebenden KontaKtkörper, dadurch geKennzeichnet, dass der Kern aus zumindest einem achsparallel verlaufenden Supraleiter besteht und der Kontaktkörper gebildet wird durch einen um den Kern gefalteten Kantel.
%. Kaoel Jiach Patentanspruch <£, dadurch geKennzeichnet, aass die Supraleiter in einer Ebene angeoranet sind.
£t Kabel nach Patentanspruch-^, daaureh gekexinzeichnet, dass die Supraleiter schichtweise angeordnet sina.
Jl. Kabel nach Patentanspruch·^, aaaurch geKennzeichnet, dass aie Supraleiter kreisförmigen Querschnitt haben··
%. Kabel nach Patentanspruch ^, dadurch geKennzeichnet, aass der Kern einen oder mehrere Supraleiter von rechteckigem Querschnitt enthält. . , . .-■-"-- . .
6. Kabel nachden -ife^e^Shspruchen 1-4, daaureh gekennzeichnet, aass die Supraleiter metallplattiert sind.

&. Kabelinach den flnsprüchen 1-6, dadurch gekennzeichnet·, dass die Supraleiter.tmit einem thermisch und eiektrisuh leitenden Bindemetall überzogen sind., . . - · :

y.Kaoel nach Patentanspruch -J und einem der finsprüche 1-e-, dadurch . .:;ekennzeichnet, dass der Kern einen oder mehrere .therraiscne una elektrische Leiter als Kontaktkörper enthält.· - ■--'

Q. Kabel nach Patentanspruch-ί und einein der fe^eapanspruche l-$~, aadurch gekennzeichnet, dass der Kern einen oder mehrere mechanische Verstärkungskörper enthält.

.Kabel nach Patentanspruch^» ^und einem der Snnsprüche ~ 1 - Qy dadurch gekennzeichnet, dass die *—— — *>

.-:.:: -^ . 00 9887/0412 _ba0

Naht des Mantels achsparallel und im wesentlichen zur Mitte des XaDeIs verläuft. " ·'" '"■- ^{: :iw}^·^

ff ^icr

1j i&. Kabel nach den wÄ4ei*gnsprüenen Jf und ^, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein Kontaktkörper an Stelle der Naht befindet. -'-"■

nd einera aer

lJL.Kabel nach Patentanspruch ΐΡί*'dadurch gekennzeichnet; dasü die Naht des Mantels acr.sparallel und seitlich des Kerna verläuft.

9 /Jt lä.Kaoel nach aen Jjntfrr-ffnsprüchen 6 und ±±-, dadurch -gekennzeichnet, dass sich ein VerstarKungskörper an Stelle eier Want oefinuet.

■_ Una einem aer ^

lit.KaDei nach Patentanspruch f}~, dadurcn gekennzeichnet, dass die Kantelnaht durch iSchweissen oaer Löten verschlossen ist.

. una einem aer. Wft£e-g/?nspr-Üehe l-%g .Kabel nach Patentanöpruch ^_n dadurcn gekennzeichnet, aäss die Mantelnaht eine Ueberiappungsnaht ist, die durch Roll- oder Punktschweissen verfestigt ist.

t_una einem der UaX^e^n Sprüche h i'dh i

1-^t

1$.Kabel nach Patentanspruch •iv'ciadürch geKennzeichnet, dass der Mantel aus zwei sich je an einer oeite des Kerns befiKdenaen Teilen besteht, die je an einer gegenüberliegenden Seite gebördelt sind und die Bördelung des einen Teils mit der nicht gebördelten Seite des anderen Teiles verfestigt ist.

_t und einem.der fe^er&nsprüche 1-16 / 11[.KaOeI nach Patentanspru.cn -JtJT dadurch gekennzeichnet, dass der im Mantel verbleibende Raum mit einem elektrisch und thermisch

leitenden Bindemittel ausgefüMt ist. » ^.

, und einem aer_¥B4»e4nsprüche 1-3^6 , ' l^.Kaoel nach Patentanspruch Ί/, dadurch' gekennzeichnet, "dass aer Xar.xel mit Einfüll öffnungen für ein Bindemetall vetiis_feheri ist.

. und eines der rßns Brüche '^J±-jJf ," lfl.Kaael nach Patentanspruch-i_v dadurch gekennzeichnet.,,.g^-ss aas

Material des,Mantels aus einem elektrisch und thermisch iei-

tenden JKater^al pesteht. „ ₅ . fs " ■

^und einem der fansprüche l-3r8 > .Kabel nach Patentanspruch J[Y₁ dadurch gekennzeichnet, dass der

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- IJ. -

«\antel an der Innenseite profiliert ist. 2O.KuoeI nach Patentanspruch 1', auuui'cxr gekennzeichnet , uuss der

Äantel an aer Aussenseite profiliert ii-t. ^4 i_una einem aer '&τήπττβ.ηΐ: ·. riuive 1—^€ kX.Kaoei nach PatentansprucivlV dadurch gekennzeichnet, dass uer Mantel mit einer elektrischen Isolation«versehen-ist.

—s

%Z, Verfahre;"* zur Kerütüllung eines supraleitenaen j\auels nach Patentani-pruOn -%, daaurcn gekennzeichnet, dasd ein Gandförmiges Kontakttüuterial zu eineu. i:r. vres-entliv-'nen u-fürinigen Profil vei'i'oi'is.t wird, aasö aie Supraleiter acnsparalxei in aus Profil eingeDraent weraen, aass "aas Profil üoer aie ouuralt.-ite geschlossen wird und aasa aas entstandene aaoei gepresst wird..

. Verfahreiinacn Patentanspruch i4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktniäterial v^r--deä-Verformen¹ mit einem Binuemittel üoerzogen wiret.

-<*■*■ ■ ■ ■■. '"...■ 2JT₁ Verfahren häcn Patentahspruch M, aaüurcn geKenhzeichnet, aaas die Supraleiter vor dem Einbringen mit einem Bindemetall Umerzogen Werden.

23 -%L,Verfahren nech Patentahspruöh-ΐΐ-, dadurch gekennzeichnet, aass dasSehiiessen des Profilö in einem Bördel- caer Pressvergang stattfindet.

"-■■■·■- M .

. Verfahren nach Patentanspruch Si, dadui'ch geKennzeichnet, dass

tias Sehliessen des Profils iti einem 2iehvörgang stattii.'idet. Z.%. Verfahren riaeh Patentänsprueh ΐί _i dadurch geKennzeicnnet, aass oeim Pressen des Kabels ein solcher üruck entwickelt v.ird, dass das Kontaktmaterial teilweise plastisch deforxiert wire

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und genügend grosse ßerührungsfiächen mit den Supraleitern entstenen.

Z3 . Verfahren nach Patentanspruch JT, αadurch gekennzeichnet, dass das Pressen des Kaueis unter Zufuhr von Wärme stattfindet. Verfahren nach Unteranspruch 4, qadurch gekennzeichnet, dass zumindest soviel Wärme zugeführt wird, dass das Bindemittel den Schmelzpunkt erreicht.

. Verfahren nach Patentanspruch K, dadurch gekennzeichnet, dass

_fcein ßinociaetiill

Jä&sxiiUi&efijfctoaiLl vor dem Schliessen des Kanteis aaririV eingefüllt wird.

' Verfahren nach Patentanspruch i-i, dadurch gekennzeichnet, dass

ein

XiX* Bindemetall durch Füllöffnungen in dem iiantel in das Kabel eingebracht wird.

.23 33*46.Verfahren nach Patentanspruch H, dadurch gekennzeicnnet, dass das Kabel an^chliessena an das Pressen thermisch behandelt wird. · '

nren nach Patentanspruch-Ji, dadurch gekennzeichnet, dass

das Kaoel während des Pressens thermisch behandelt wird.

353*2.Verfahren nach Patentanspruch H, dadurch geicennzeicnnet, dass die Supraleiter vor dem Einlegen thermisch behandelt werden.

^ASCKINSIiPABRIK OERLIKON

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