DE1947266A1

DE1947266A1 - Elektrischer Leiter

Info

Publication number: DE1947266A1
Application number: DE19691947266
Authority: DE
Inventors: Barber Anthony Clifford; Alan Woolcock
Original assignee: Imperial Metal Industries Kynoch Ltd
Current assignee: Imperial Metal Industries Kynoch Ltd
Priority date: 1969-09-18
Filing date: 1969-09-18
Publication date: 1971-10-07
Also published as: DE1947266B2

Description

Elektrischer Leiter Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Leiter mit Supraleitermaterial, durch das der Leiter bei kryogenen Tcmperaturen, d.h. Temperaturen in der Größenordnung von 4,2°K, einen vernachlässigbaren oder keinen elektrischen Widerstand hat.
Es wurde bereits vorgeschlagen, in Drahtzusammensetzungen oder Verbunddraht aus Supraleitermaterial und stabiiisierendem Material, das bei 4,20K nicht supraleitend ist, Verstärkungsfäden zu verwenden, damit der fertige Leiter ausreichende Festigkeit besitzt. Festigkeit ist deswegen von besonderer Wichtigkeit, weil derartige Verbunddrähte in der Hauptsache zur Verwendung in den Wicklungen von starken Magneten verwendet werden, in denen eine starke Reaktionskraft auf die Spulenwicklungen wirkt, die in den Verbunddrähten hohe Spannungen erzeugt.
Zwar haben sich derartige Leiter als zufriedenstellend erwiesen; aus den folgenden zwei Gründen verbleiben jedoch noch Möglichkeiten zur Verbesserung.
Der erste Grund hierfür liegt darin, daß das Verstärkungsfadenmaterial zusammen mit dem Supraleitermaterial und/oder stabilisierende") Material verarbeitet wird, so daß es die Eignung haben muß, in dieser Weise zusammen verarbeitet zu werden. Da starke Verlängerungen in Betracht zu ziehen sind, wenn die Querschnittsabmessungen des Supraleitermaterials auf bis zu 99% oder mehr verringert werden sollen, muß das Verstärkungsfadenmaterial generell derartige Verlängerungen zulassen. Dies bedeutet eine Einschränkung für das Fadenmaterial, das brauchbar ist.
Der zweite Grund liegt daran, daß eine spezielle Ilerstellungsanlage lediglich eine bestimmte maximale Kapazität besitzt, wodurch die maximale Länge des zusammenzuverarbeitenden herstellbaren Verbunddrahts durch die Kapazität und durch die Querschnittsabmessungen des endgültigen Drahts festgelegt werden.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Iter-Stellung eines elektrischen Leiters zu schaffen, das eine geringere Einschränkung in-bezug auf die wählbare Verstärkung und in bezug auf die maximale Länge des sich ergebenden Leiters liefert.
Erfindungsgemäß besteht ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines verstärkten elektrischen Leiters darin, daß man eine fortlaufende langgestreckte Lunge aus dehnbarem Supraleitermaterial herstellt und anschließend entlang diesem eine Länge aus Verstärkungsmaterial anbringt, um die Supraleitermateriallänge zu verstärken.
Das Verstärkungsmaterial kann auch ein stabilisierendes Material bilden das bei 4,2°K nicht supraleitend ist und gute thermische und elektrische Leitfähigkeit besitzt und das mit der Länge aus dehnbarem Supraleitermaterial in guten thermischen und elektrischen Kontakt gebracht wird; alternativ gehört zu dem Verfahren auch, daß man zusätzlich eine Länge aus einem stabilisierenden Material anbringt, das bei 4,2°K nicht supraleitend ist und das gute thermische und elektrische Leitfähigkeit besitzt und entlang der Länge das Supraleitermaterials in gutem thermischen und elektris-chen Kontakt steht.
Die oder jede Länge, die zur Erhöhung der Festigkeit oder zur Stabilisierung oder für beides an der Länge aus Supraleitermaterial befestigt wird, kann mehrere kürzere- Längen besitzen, die zur Erzielung der erforderlichen Länge miteinander verschweißt oder in sonstiger Weise miteinander verbunden sind. Solche Verbindungen sollten eine ausreichende Festigkeit und Leitfähigkeit besitzen, um dem Zweck der betroffenen Länge zu dienen.
Auf diese Weise wird das Verstärkungsmaterial dem Supraleitermaterial erst dann zugeführt, wenn es wirklich nötig ist, so daß es nicht dafür geeignet zu sein braucht, zusanmen mit dem Supraleitermaterial bearbeitet zu werden; es kann jedoch die Verstärkungsmateriallänge an der fortlaufenden Länge aus Supraleitermaterial vor der endgültigen Verlängerung letzteren tNaterials nach Bedarf befestigt werden. Darüberhinaus bestimmt sich die maximale Länge des endgültigen Leiters für eine beliebige gegebene maximale Anlagenkapazität lediglich aus den minimalen bearbeitbaren Querschnittsabmessungen des Supraleitermaterials.
Führt man das Verstärkungsmaterial - und das stabilisierende Material, falls sich dieses von dem Verstärkungsmaterial unterscheidet - nach dem Verlängern des Supraleitermaterials zu, kann der elektrische Leiter dann diesselben Querschnittsabmessungen wie ein zusammenbearbeiteter Leiter haben, obwohl es eine wesentlich größere Länge hat.
Die Erfindung wird'im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert.
Fig. 1 ist eine Schnittansicht eines Rohlings aus Supraleitermaterial in einer Strangpreßhülle aus stabilisierendem Material; Fig. 2 ist eine schaubildliche Darstellung eines zusammegesetzten fitabilisicrten Supralciterdrahts; Fig. 3 ist eine schaubildliche Ansicht eines genuteten Kupferstreifens; Fig. 4 ist eine Schnittansicht einer Vorrichtung für die Herstellung eines ersten erfindungsgemäßen Beispiels; Fig. 5 ist eine schaubildliche Darstellung, die eine Zwischenstufe bei der Herstellung des ersten erfindungsgemäßen Beispiels verdeutlicht; Fig. 6 ist eine schaubildliche Darstellung des ersten Beispiels der Erfindung; Fig. 7 ist eine Seitenansicht einer Vorrichtung für die Herstellung einer Abwandlung des ersten erfindungsgemäßen Beispiels; Fig. 8 bis 13 sind schaubildliche Darstellungen eines zweiten bis siebenten Beispiels der Erfindung.
Es sei zunächst auf die Fig. 1 bis 6 verwiesen; bei einem ersten erfindungsgemäßen Beispiel wird ein Rohling 20 aus einer Supraleiterlegierung aus Niobium mit 44 Gew.% Titan in eine Kupferhülle 21 aus hochreinem Kupfer gebrachte das bei kryogenen Temperaturen eine hohe Leitfähigkeit besitzt; die Hülle 21 wird evakuiert und durch eine Kupferscheibe 22 hermetisch abgeschlossen, um ein Strangpreßwerkstück gemäß Fig. 1 zu erhalten. Dieses Werkstück wird bei Temperaturen von 350 bis 550°C und vorzugsweise bei 450°C extrudiert oder stranggepreßt und dann in einer Reihe von Schritten oder Stufen bei Umgebungstemperatur gezogen, um den in Fig. 2 gezeigten zusammengesetzten Draht oder Verbunddraht 23 zu erzeugen. Die Kupfermenge wird auf die geringstmögliche Menge beschränkt, um zu gewährleisten, daß für die erwünschten Querschnittsabmessungen des Supraleitermaterials die größtmögliche Supraleitermateriallänge erzeugt werden kann.
Während der Herstellung kann die Supraleitermateriallänge nach Bedarf in Zwischenstufen wärmebehandelt werden, um die erwünschten supraleitenden Eigenschaften zu erzielen, z.B. 1 Stunde bei 400°C. Der Verbunddraht 23 besitzt eine Kupferhaut 24 und einen Supraleiterkern 25.
Hat der Verbunddraht 23 seine gewünschte Querschnittsabmessung erreicht, wird er zunächst mit einer Länge aus stabilisierendem Material versehen. Das stabilisierende Material wird in der Weise hergestellt, daß man einen Streifen aus Kupfer mit hoher Leitfähigkeit bei kryogenen Temperaturen nimmt, der die gleiche Länge wie die Supraleiterlänge besitzt und die erwünschten Querschnittsabmessungen hat.. Der Streifen aus Kupfer kann durch A.neinanderschweißen von Einzelstreifen nach Bedarf oder nach Diktat der Zufuhr oder des Vorrats hergestellt werden. Der Kupferstreifen wird auf seiner Oberseite und/oder Unterseite durch Ziehen durch eine geelgnete Form oder durch Walzen genutet, so daß der in Fig. 3 dargestellte Streifen 26 erhalten wird, der lediglich auf einer flachen Oberseite 28 Nuten 27 zeigt.
Gemäß Fig. 4 wird der Streifen in eine Schlitzmatrize oder Schlitzform 29 geführt, die genauso viele Kanäle 30 wie Nuten 27 besitzt, welche die Nuten 27 in dem Streifen 26 erzeugen.
Durch jeden Kanal 30 wird ein Verbunddraht 23 zugeführt, damit sich dieser in eine der Nuten 27 einlegt; der Streifen 26 wandert dann zu eier dritten Matrize, in der die Nuten 27 verschlossen werden, z.B. ein Paar von einander gegenhüberliegenden Walzen 31.
Auf diese Weise werden die Supraleiterlängen in dem Kupferstreifen eingebettet und bilden eine Zusammensetzung aus dem stabilisierenden Kupferstreifen 26 und den Verbunddrähten 23, die die gewünschte Form hat und in der die erforderliche Beziehung zwischen den Querschnittsflächen von Supraleiter und Kupfer vorliegt.
Zusätzlich befinden sich die Supraleiterkerne in gutem thermischen und elektrischen Kontakt mit dem Kupferstreifen 26, und zwar über die dünne Kupferhaut 24, die sich auf jeder Supraleiterlänge hauptsächlich für diesen Zweck befindet. Alternativ können anstelle von Verbunddrähten 23 blanke Supraleiterdrähte verwendet werden.
Der Streifen 26 wird dann in derselben Weise, wie ihm Supraleiterlängen zugeführt wurden, mit Verstärkungsmaterial verstehen, d.h. durch die Herstellung von Nuten, das Einsetzen von Verstärkungsdrähten und das nachfolgende Schließen der Nuten. Die Nuten werden geschlossen, um zu gewährleisten, daß zwischen den Verstärkungsdrähten und dem Kupfer eine feste Verbindung hergestellt wird. Die Fig. 5 zeigt den Streifen 26 nach dem Anbringen von Nuten 32 für Verstärkungsdrähte 33, während die Fig, 6 den Streifen 26 nach dem Schließen der Nuten 32 verdeutlicht.
Nach Bedarf können die Verstärkungsdrähte 33 und die Verbunddrähte 23 den Kupfer streifen 26 zur gleichen Zeit durch dieselbe Matrize 29 zugeführt werden.
Die Anzahl der Nuten 27 und 32 hängt von der Anzahl dcr Drähte 23 und 33 ab, die von diesen aufzunehmen sind.
Im Bedarfsfall kann die mechanische Verbindung zwischen den Verstärkungsdrähten 33 und dem Kupferstreifen 26 dadurch verbessert werden, daß die Oberflächen der Verstärkungsdrahte 33 aufgerauht werden, um eine Verkeilung oder Verhakung mit dem Kupferstreifen zu erzielen.
Bei einer Abwandlung des typischen Beispiels kann die vorbeschriebene Arbeitsweise zur Herstellung der Nuten, zur Aufnahme von Verbundrahtlängen und zum Schließen der Nuten dadurch vereinfacht werden, daß man einfach die Supraleiterdrähte in eine oder in beide flachen, einander gegenüberliegenden Oberflächen des- Kupferstre1ifens 26 einwalzt oder in anderer Weise einpreßt.
Alternativ können gemäß Fig. 7 die Verbunddrähte dadurch in die Nuten 27 eingelötet werden, daß man sie während des Durchlaufs des Streifens 26 unter der Oberfläche eines geschmolzenen Lötmittelbads 35 auf einer Walze in die Nuten 27 einführt.
Die Fig. 8 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Beispiel, bei dem die Verstärkungsdrähte 40 in der Mitte eines Supraleiterverbundkörpers angeordnet werden, indem man zwei Kupferstreifen 41, die Halbkreisquerschnitt haben können, mit Längen aus Verbunddraht 42 aus Supraleitermaterial und Kupfer versorgt, die in die die äußere Oberfläche abgebenden Oberflächen eingebettet sind, wonach z.B. drei Verstä.rkungsdrähte 40 zwischen den beiden Streifen 41 eingeschlossen werden.
Die Fig. 9 zeigt ein drittes Beispiel der Erfindung, bei dem in der Mitte des endgültigen Verbundleiters 45 Verstärkungsdrahte 44 angeordnet werden, indem man einen Kupferstreifen 46 mit nur in eine Oberfläche 48 eingebetteten Längen aus Verbunddraht 47 aus Supraleitermaterial und Kupfer herstellt und den Streifen um seine Längsmittellinie faltet, wobei die andere Oberfläche 49 um einen oder mehrere aufgerauhte Verstärkungsdrähte 44 herumgelegt wird.
Die Fig. 10 zeigt ein viertes Beispiel der Erfindung, bei dem zwei Streifen 50 aus hochleitfähigem Kupfer durch Einwalzen oder Verbinden eine Reihe von Verbunddrähten 51 aus Supraleitermaterial und Kupfer zusammen mit dazwischenliegenden Verstärkungsdrähten 52 zwischen sich sandwichartig aufnehmen. Alternativ (nicht gezeigt) können die Drähte 52 an den äußeren Oberflächen 53 der Streifen vorgesehen werden.
Die Fig. 11 zeigt ein fünftes Beispiel der Erfindung, bei dem Längen 55 aus Verbunddraht aus Supraleitermaterial und Kupfer in die Außenfläche 56 eines Kupferrohrs 57 eingebettet sind, das anschließend mit einer einzigen Drahtverstärkung 58 versehen wird, welche durch das Innere 59 des Rohrs 57 zugeführt wird.
Die Fig. 12 zeigt ein sechstes Beispiel der Erfindung, bei den eine Hebeneinanderanordnung von vier Längen 60 aus Kupfer streifen vorgesehen ist, von denen jeder mit einem Verstärkungs draht o; und vier Verbunddrähten 62 aus Supraleitermaterial und Kupfer versehen ist. Die Längen 60 können durch Löten, Hartlöten, Schweißen oder Kleben miteinander verbunden werden, Für das Verkleben kann ein elektrisch isolierenden Material wie z.B.
Epoxyharz verwendet werden. Diese Anordnung wird auf wenigstens einer Oberfläche eines Verstärkungsstreifens 63 ausgeführt.
Die Fig. 13 zeigt ein siebentes Beispiel der Erfindung, das eine Abwandlung des sechsten Beispiels nach Fig. 12 ist, wobei die Abwandlung darin besteht, daß die Verstärkungsdrähte 61 weggelassen sind und der Verstärkungsstreifen 63 in die Seitenwände 64 verlängert ist und C-Querschnitt besitzt, um teilweise die Längen 60 zu umschließen.
Bei einem weiteren nichtgezeigten Beispiel sind in dem Verstärkungsmaterial Längen aus blankem Supraleitermaterial angeordnet, wobei das Verstärkungsmaterial gleichzeitig als ein stabilisierendes Material wirkt. Anstelle der bei den vorgeschriebenen Beispielen verwendeten Kupferstreifen wird in diesem Beispiel eine Kupferlegierung wie Kupfer-Zirkonium, Kupfer-Beryllium oder Kupfer-Aluminium verwendet während man keine Verstärkungsdrähte benutzt.
Die in der Beschreibung erläuterten und in den Zeichnungen dargestellten Verstärkungsdrähte können aus den drei zuvor erwähnten Kupferlegierungen hergestellt werden; sie können auch aus stark nicht-ferromagnetischen Stählen mit einiger Dehnfähigkeit bei kryogenen Temperaturen, aus Glas, Wolfram, Titanium oder einer Titaniumlegierung hergestellt werden.
Bei einer weiteren Abwandlung der Erfindung wird anstelle von Kupfer Aluminium als das stabilisierende Material verwendet.
Bei der praktischen Verwirklichung der Erfindung kann jegliche dehnbare Supraleiterlegierung verwendet werden.
Gemäß einer weiteren Abwandlung wird der endgültige Leiter mit einem Oberzug aus isolierendem Material, z.B. aus Polyathylen oder aus einem herkömmlichen organischen Isoliermaterial versehen oder es wird die Isolierung durch einen Streifen aus Isolienmaterial auf jeder Oberfläche hergestellt, die von einer benachbarten Oberfläche; einer benachbarten Wicklung einer Supraleiterspule isoliert werden muß.

Claims

Patent ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines verstärkten elektrischen Leiters, dadurch gekennzeichnet, daß man eine fortlaufende langgestreckte Länge aus dehnbarem Supraleitermaterial (20) herstellt und anschließend entlang diesem eine Länge aus Verstärkungsmaterial zur Verstärkung der Länge aus Supraleitermaterial anbringt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungsmaterial auch ein stabilisierendes Material bildet, das bei 4,20K nicht supraleitend ist und gute thermische und elektrische Leitfähigkeit besitzt, wobei das VerstSrkungsmaterial in gutem thermischem und elektrischem Kontakt mit der Länge aus dehnbarem Supraleitermaterial verbunden wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da.t man zusätzlich eine Länge aus stabiliserendem Material anbringt, das bei 4,20K nicht supraleitend ist und gute thermische und elektrische Leitfähigkeit besitzt und sich in gutem thermischen und elektrischen Kontakt mit der Länge aus dehnbarem Supraleitermaterial befindet.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge aus Verstärkungsmaterial mehrere miteinander verbundene kurze Längen besitzt.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge aus einem stabilisierendem Material (26) mehrere miteinandere verbundene kürzere Längen besitzt.

6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge aus stabilisierendem Material (26) mit mehreren fortlaufenden langgestreckten Längen aus leitfähigem Supraleitermaterial (25) und wenigstens, einer Länge aus Verstärkungsmaterial (33) versehen ist.

7, Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die fortlaufenden langgestreckten Längen-aus dehnbarem Supraleitermaterial (25) jeweils in den Boden einer entsprechenden, in der Länge aus stabilisierendem Material (26) ausgebildeten Nut (27) eingelegt werden.

8. Verfahren -nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jede Nut (7) anschließend verschlossen wird, um die langgestreckten Längen aus dehnbarem Supraleitermaterial (25) in die Länge aus stabilisierendem Material einzubetten.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet3 du Jede fortlaufende langgestreckte Länge aus dehnbarem Supraleiterraterial (25) in die entsprechende ut (27) eingalötet ist.

10. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die fortlaufenden langgestreckten Längen aus dehnbarem Supraleitermaterial (25) in die Länge aus stabilisierendem Material (26) eingepreßt werden.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß jede langgestreckte Länge aus dehnbarem Supraleitermaterial (25) mit einer Haut (24) aus stabilisierendem Material auf einem Kern (25) aus Supraleitermaterial unter Herstellung eines Verbunddrahts (23) hergestellt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Lange aus Verstärkungsmaterial (33) in den Boden einer entsprechenden Nut (32) in der Länge aus stabilisierendem Material (26) eingelegt wird, daß diese Mut anschließend geschlossen wird, um die Länge aus Verstärkungsmaterial mit der Länge aus stabilisierendem Material zu verbinden

13. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge aus stabilisierendem Material (45) die Form eines Streifens hat, , der um seine sich in Längsrichtung erstreckende Mittellinie gefaltet ist, um mehrere Längen aus Verstärkungsmaterial (44) einzuschließen.

14. Verfahren nach Anspruch ó, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Langen aus stabilisierenden Material (41) vorgesehen werden, die jeweils mit mehreren fortlaufenden langgestreckten Langen aus Supraleitermaterial (42) versehen sind, wobei zwischen dIe einander gegenüberliegenden Flächen mehrere Längen aus Verstärkungsmaterial (40) eingebettet sind.

15. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge aus stabilisierendem Material die Form eines Rohrs (57) besitzt, das mit mehreren fortlaufenden langgestreckten Längen aus dehnbarem Supraleitermaterial (55) in seiner Wand versehen ist und in seinem hohlen Inneren mit wenigstens einer Länge aus Verstärkungsmaterial (58) versehen ist.

16. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf wenigstens einer Oberfläche eines Streifens aus Verstärkungsmaterial 63) nebeneinander mehrere Längen aus stabilisierendem Material (60) angeordnet sind.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Streifen (63) aus Verstärkungsmaterial mit hochstehenden Seitenwänden C6) versehen ist und etwa C-Querschnitt besitzt, um teilweise die Längen aus stabilisierendem Material (60) zu umschließen.

18. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,.

daß die Länge aus Verstärkungsmaterial und stabilisierendem Material mit mehreren Nuten versehen wird und in jede dieser Nuten eine fortlaufende langgestreckte Länge aus dehnbarem Supraleitermaterial eingelegt wird und daß die Nuten anschliessend verschlossen werden, um die Längen aus Supraleitermaterial in der Länge aus verstärkendem und stabilisierendem Material einzubetten.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das verstärkende und stabilisierende Material aus einer der Legierungen Kupfer-Zirkonium, Kupfer-Beryllium und Kupfer-Aluminium besteht.

20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der verstärkte elektrische Leiter mit einem isolierenden Überzug auf wenigstens einer Oberfläche versehen ist.

21. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß das stabilisierende Material aus hoch leitfähigem Kupfer besteht.

22. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß das stabilisierende Material Aluminium ist.

23. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungsmaterial aus den Werkstoffen Kupfer-Zirkonium, Kupfer-Beryllium, Kupfer-Aluminium, rostfreier Stahl, Messing, Wolfram, Titanium oder einer Titaniumlegierung gewählt wird.

24. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das dehnbare Supraleitermateral eine Supraleiterlegierung aus Niobium mit 44 Gew. % Titanium 25, Verstärkter elektrischer Leiter nach dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine fortlaufende langgestreckte Länge aus dehnbarem Supraleitermaterial (25), an dem eine Länge aus verstärkendem Material (26) befestigt ist, um die Länge aus Supraleitermaterial zu verstärken.