DE3045277C2

DE3045277C2 - Supraleiter

Info

Publication number: DE3045277C2
Application number: DE3045277T
Authority: DE
Inventors: Toshinari Ando; Yoshio Furoto; Ikuo Nikko Tochigi Ito; Shinichiro Tokyo Meguro; Masataka Nishi; Susumu Ibaragi Shimamoto; Takuya Suzuki
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 1979-05-18
Filing date: 1980-05-16
Publication date: 1984-05-30
Also published as: CH656481A5; JPS561411A; JPS6410887B2; WO1980002619A1; DE3045277T1; US4421946A

Description

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Die Erfindung betrifft einen Supraleiter, bei dem supraleitende Drähte in ein stabilisierendes Material eingebettet sind und diese Struktur von außen gekühlt wird oder diese Struktur wiederum in einem weiteren stabili-•|f sierenden Material eingebettet ist, die von außen geil kühlt wird.

H Es ist im allgemeinen nützlich, die Induktivität ei"es

jjjl großen supraleitenden Magneten, der verwendet wird

|j für Kernfusionsreaktoren, MHD-Generatoren, und su-

h;> praleitende magnetische Energiespeicher, auf einen ge-

iy eigneten Wert zu drücken. Folglich muß notwendiger-

>* weise der Nennstrom ein hoher Strom von über 10 kA

i"· sein. Bei einem derartig großen supraleitenden Magnete ten ist eine hohe Betriebssicherheit erforderlich, und der

.._* dafür verwendete Supraleiter muß so entworfen sein,

-'Ά daß er völlig stabil ist. Das heißt, der Leiter muß so

:.'■ entworfen sein, daß er in der Lage ist, zum supraleiten-

f-j den Zustand zurückzukehren, nachdem eine störende

if] Ursache eliminiert worden ist, durch die der supraleiten-

V de Zustand des Supraleiters unterborchen wurde, was

zu einem Übergang zu dem Widerstandszustand führt. Zu diesem Zweck ist eine große Menge eines stabilisierenden Metalls zusammen niii dem Supraleiter erforderlich. Ein derartig großer supraleitender Magnet muß ferner eine genügende Stabilität aufweisen, um der gro- t>o Ben auf die Spule ausgeübten elektromagnetischen Kraft zu widerstehen. Wenn ein großer Supraleiter einfach auf der Basis des Prinzips klein- oder mittelformatiger Supraleiter entworfen wird, welche bisher verfügwodurch die Menge des verwendeten stabilisierenden Metalls in gewissem Umfang reduziert und die Stromdichte vergrößert werden kann. Die Kühlcharakteristika werden verbessert, wenn derartige Rillen in dem stabilisierenden Metall ausgebildet sind zur Vergrößerung der Kühlfläche. Jedoch werden die Kühlcharakteristika nicht proportional zu der Vergrößerung der Kühlfläche verbessert sondern sie zeigen Sättigung. Die Ausbildung einer derartigen Anzahl von Rillen durch Verringerung der Entfernung zwischen den Rillen zur Vergrößerung der Kühlfläche erfordert eine spezielle Verfahrensausrüstung. Der Verlus^: ?n Verfahrenseffektivität führt zu einem Anstieg der Kosten.

Aus der DE-OS 26 54 924 sind verschiedene Strukturen eines supraleitenden Verbundkabels bekannt bei-, spielsweise auch eine Struktur, gemäß welcher supraleitende Drähte in einem stabilisierenden Grundmaterial eingebettet sind, und diese Struktur wiederum in einem weiteren stabilisierenden Material eingebettet ist. welches auch als Verstärkungs- oder Versteifungsmaterial dienen kann.

Aus der DE-AS 19 32 086 ist ein aus Supraleitermaterial und bei der Betriebstemperatur des Supraleitermaterials elektrisch normal leitendem Metall zusammengesetzter Hohlleiter bekannt, bei welchem das Supraleitermaterial an den Außenseiten eines aus normal leitenden Metall bestehenden Rohres mit etwa rechteckigem Querschnitt vorgesehen ist.

An wenigstens einer Außenseite dieses Rohres ist ein aus elektrisch normal leitenden Metall und Drähten aus Supraleiierrnaterial zusammengesetzter, bandförmiger

50 Leiter derart angeordnet und mit dem Rohr mechanisch verbunden, daß er mit einer Breitseite an der Außenseite des Rohres anliegt, wobei die Drähte aus Supraleitermaterial um die Längsachse des Leiters verdrillt angeordnet sind.

Diese bekannten Strukturen ergeben bei vorgegebe

bar waren, weist der Leiter eine extrem große leitende h5 nen Abmessungen eine maximal mögliche Stromkapazi-Fläche und eine niedrige Stromdichte auf, versagt aber tat und eine maximale bestimmte Stabilität,
bei seiner Anwendung bei

seiner Anwendung bei Kernfusionsrcaktoren, MHD-Generatoren, usw. wegen zu großen Formates Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, den Supraleiter der eingangs definierten Art hin-

sichtlich seiner Stromkapazität und hinsichtlich seiner Stabilität bei gegebenen Abmessungen gegenüber den bekannten Strukturen wesentlich zu verbessern.

Ausgehend von dem Supraleiter der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf der Oberfläche des stabilisierenden Materials bzw. des weiteren stabilisierenden Materials ein Film aus einer anorganischen Verbindung angeordnet ist und daß das Kühlmittel direkt in Kontakt mit diesem Film steht.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Ansicht zur Darstellung eines Beispieles eines Supraleiters mit hoher Stromleisiung mit Merkmalen nach der vorliegenden Erfindung;

Fig.2 einen Graphen zur Darstellung der Heizstromkurven der Oberfläche des stabilisierenden Metalls, der die Kühlcharakteristik des Supraleiters mit hoher Stromleistung mit Merkmalen nach der vorliegenden Erfindung in flüssigem Helium repräsentiert;

F i g. 3 eine perspektivische Ansicht eines Flachspulentyps von Rennbahnform, der den Supraleiter mit Merkmalen nach der vorliegenden Erfindung enthält;

F i g. 4 eine perspektivische Ansicht des in Beispiel 2 gewonnenen Supraleiters mit hoher Stromleistung;

F i g. 5 eine perspektivische Ansicht des in Beispiel 3 gewonnenen Supraleiters mit hoher Stromleistung, und

F i g. 6 eine Schnittansicht des in Beispiel 4 gewonnenen Supraleiters mit hoher Stromleistung, geschnitten entlang eines Abschnittes senkrecht zu der longitudinalen Richtung des Supraleiters.

F i g. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Supraleiters 1 mit hoher Stromleistung mit Merkmalen nach der vorliegenden Erfindung, in dem eine Anzahl von supraleitenden Drähten 2 in einen stabilisierenden Metallgrundkörper 3 eingebettet sind, und diese gesamte Struktur ist weiterhin eingebettet in ihrer longitudinalen Richtung in eine Seite eines stabilisierenden Metallstreifens 4. Ein Film einer anorganischen Verbindung 5 wird auf der Oberfläche des stabilisierenden Metallstreifens 4 ausgebildet Dieser Supraleiter mit hoher Stromleistiing ist von der Konstruktion her relativ einfach aufgebaut. Jedoch wird die thermische Leitfähigkeit in flüssigem Helium e::trem verbessert, so daß man hohe Stabilität und hohe Stromdichte erhält.

Die verwendeten supraleitenden Drähte sind Drähte oder Fäden von Legierungssupraleitern wie Nb-Ti oder Nb-Zr oder Verbindungssupraleiter wie NbsSn oder VaGa. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird eine Anzahl supraleitender Drähte verwendet zur Einbettung in einer Matrix eines stabilisierenden Metalls wie Kupfer oder Aluminium, längsseits des stabilisierenden Metallgrundkörpers. Zur Herstellung eines relativ kurzen Supraleiters wird ein durch Einbettung einer vorbestimmten Anzahl von supraleitenden Stangenkörpern in einen Block eines stabilisierenden Metalls erhaltener zusammengesetzter Block in einen kleinen Durchmesser gepreßt. Zur Gewinnung eines ausgestreckten Supraleiters wird ein ausgestreckter zusammengesetzter supraleitender Draht ausgebildet mit kleinem Durchmesser durch Pressen wie oben beschrieben. Drahtziehen, usw. Eine Mehrzahl solcher Drähte wird verlitzt und eventuell zusammengedrückt durch ein Walzverfahren oder ähnlichen. Sie werden an die stabilisierenden Metallstreifen angelötet, um integral mit diesen zu sein zur Schaffung des objektiv verlängerten Supraleiters.

Die Oberfläche des stabilisierenden Metalls des Supraleiters ist mit einem Film beziehungsweise einer Schicht einer anorganischen Verbindung wie ein Oxyd oder Sulfid des stabilisierenden Metalls bedeckt. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf begrenzt sondern das folgende Verfahren kann alternativ angewandt

ίο werden. Ein Metall, welches einen Film einer anorganischen Verbindung von vorzüglicher thermischer Leitfähigkeit bildet, wird auf der Oberfläche des stabilisierenden Metalls durch belegen oder ähnlichem ausgebildet Die Metalloberfläche wird daraufhin oxydiert oder chemisch behandelt zur Ausbildung eines Oxydes oder eines Sulfides. Insbesondere wird, falls das stabilisierende Metall Kupfer ist, eine Nickelschicht gebildet und ihre Oberfläche wird oxydiert zur Ausbildung eines Filmes aus Nickeloxyd. Wenn das stabilisierende Metall Aluminium ist. so wird ein Kupferfilm bzw. .=ine dünne Kupferschicht gebildet, und ihre Oberfläche wird oxydiert, zur Ausbildung eines Films aus Kupferoxyd.

Als Verfahren zur Ausbildung derartiger anorganischer Verbindungen sind chemische Behandlungsverfahren wie Chromsäurebehandlung, Kaliurnpermanganatbehanulung und Ebonolbehandlung vorgeschlagen worden zur Ausbildung eines Films, der aus einer Mischung von Kupferoxyd und Kupfersupoxyd besteht. Mit diesen Verfahren erhält man einen Oxydfilm mit einer gekörnten streifigen Struktur von 0,05 bis 1 μπι Teilchen Länge und 03 bis 3 μπι Schichtdicke. Mit dem elektrolytischen Verfahren erhält man ein Oxyd einer gekörnten streifigen Struktur mit größerer Teilchenlänge und Schichtdicke als man dies mit den chemischen Behandlungsverfahren erhalten kann. Das Elektrolyseverfahren ist vorzuziehen mit Rücksicht auf die Wärmetransportcharakteristika. Was einen Film aus einer Mischung von Kupfersulfid und Kupferoxyd anbetrifft erhält man einen Film von einigen 20 μπι Dicke durch die chemischen Behandlungsverfahren oder durch das elektroKtische Verfahren. Zur Ausbildung eines Alumit Films auf der Oberfläche von Aluminium ist die Verwendung elektrolytischer anodischer Oxydaiion bei hoher Spannung (50 bis 200 Volt) in einem Schwefelsäure- oder Oxalsäurebad vorzuziehen, was einen relativ großen Zelldurchmesser (etwa 1 μπι) und Schichtdicke (10 bis 50 μπι) liefert. Jedoch ist die im allgemeinen zur Verbesserung der Korrosionsfestigkeit und Spannungsfestigkeit ausgeführte Behandlung nicht vorzuziehen, da sie die Wärmeübergangscharakteristik herabsetzt. Bei dem Supraleiter mit Merkmalen nach der Erfindung ist die auf dem stabilisierenden Metall ausgebildete anorganische Verbindung vorzugsweise gekörnt in ihrer mikroskopischen Kristallstruktur mit einer geeigneten Teilchenlänge und weist eine derartige Strukfur auf, so daß die Teilchen zu einer geeigneten Dicke geschichtet sind.

Die Effekte des Films aus einer anorganischen Verbindung auf die Künlcharakteristik einer Oberfläche des stabilisierenden Metalls in flüssigem Helium wurden getestet und die Ergebnisse werden unter Bezug auf F i g. 2 beschrieben werden.

Der Test wurde in folgender Weise durchgeführt.
Als Probe wurde ein Kupferblock von 13 mm Dicke, 21 mm Breite und 50 mm Länge verwendet. Ein Heizer aus Nichrom-Draht und ein Ge-Thermometer wurden in die Probe eingebettet, und die Probe wurde in flüssiges Helium eingetaucht, wobei die longitudinal Rich-

turig der Probe senkrecht war. Die Heizleistung wurde mit einer konstanten Rate von 0 aus angehoben und der Temperaturanstieg der Probe wurde gleichzeitig mit dem Ge-Thermometer gemessen. Die erhaltenen Heizkurven sind in F i g. 2 dargestellt, in der der Heizstrom, erhalten durch Dividieren der Heizleistung durch den Oberflächenbereich des Wärmeübergangsbereiches, entlang der Ordinate aufgetragen ist, und die Differenz zwischen der Temperatur jeder Probe und der des flüssigen Heliums (4,2 K) wurde entlang der Abszisse aufgetragen.

Zwei Oberflächen von 21 mm Breite und 50 mm Länge wurden als Wärmeübertragungsoberflächen der Probe angenommen und die anderen vier Oberflächen wurden thermisch mit Bakelit isoliert. Als ein typisches Beispiel einer Oberfläche mit Rillen wurden auf einer Oberfläche 10 Rillen in Längsrichtung mit jeweils I mm Breite und 1,5 mm Tiefe in Intervallen von 1 mm ausgebildet,

if koi/Hon DKerflänhp

Probe ausgebildet wurden. Ebonolbehandlung wurde als chemische Behandlung zur Ausbildung eines Films von Kupferoxyd auf den wärmeübertragenden Oberflächen angewendet. In Fig. 2 ist der Übergangswärmestrom (qt) der Wärmestrom beim Übergang von der nuklearen Siedebedingung zu der Filnisiedebedingung des flüssigen Heliums. Der wiedergewonnene Wärmestrom (qr)'m der Wärmestrom beim Zurückkehren von der Filmsiedebedingung zu der nuklearen Siedebedingung. Sowohl qt als auch qr sind vorzugsweise hoch für die Kühlcharakteristika des Supraleiters.

Wie aus Fig.2 ersichtlich ist, steigt mit der Wärmestromkurve A, wenn der Film aus Kupferoxyd ausgebildet ist als das stabilisierende Metall auf der Oberfläche des Kupfergrundmaterials, der Übergangswärmestrom qt_a um über 20% über qt_h an, und der wiedergewonnene Strom qr_n ist geringfügig relativ zu qrb vergrößert, verglichen mit der Wärmestromkurve B. wenn der Film aus Kupferoxyd nicht ausgebildet ist.

Mit der Wärmestromkurve C. wenn Rillen ausgebildet werden auf der Oberfläche des Kupfergrundmaterials und der Film aus Kupferoxyd ausgebildet ist, steigt der Übergangswärmestrom qt,- um etwa 20% über qtu an und der wiedergewonnene Wärmestrom qr_c steigt um mehr als 60% über qr,i an, verglichen mit der Wärmestromkurve D, wenn die Rillen ausgebildet sind, aber der Film aus Kupferoxyd nicht ausgebildet ist.

Es wird angenommen, daß zu den synergetischen Effekten der Rillen und der anorganischen Filme beiträgt, daß der Übergangswärmestrom und der Wiedergewinnungswärmestrom extrem verbessert werden, wenn die Rillen auf der Oberfläche des stabilisierenden Metalls ausgebildet werden und der Film der anorganischen Verbindung ausgebildet wird vergleichbar mit dem Fall, in dem nur Rillen ausgebildet sind. Dies wird ferner unterstützt durch die Tatsache, daß die Anstiegsrate (etwa 60%) des Wiedergewinnungswärmestroms, den man erhält, wenn der Film der anorganischen Verbindung auf der Oberfläche des stabilisierenden Metalls mit Rillen ausgebildet ist, viel größer ist als die Anstiegsrate (etwa 10%) des Wiedergewinnungswärmestromes (qr), die man erhält, wenn der Film der anorganischen Verbindung auf der Oberfläche des stabilisierenden Metalls ausgebildet ist. Obwohl dieses Phänomen noch nicht geklärt ist. wird an diesem Punkt erwogen, daß der auf der Oberfläche dv.s stabilisierenden Metalls ausgebildele Film der anorganischen Verbindung eine gekörnte geschichtete mikroskopische .Struktur aufweist und daß der Übergangswarmcstrom (qt)ansteigt wegen des Anstieges in der Anzahl der Kernzentren am Kernsiedebereich. Es wird erwogen, den Anstieg im Wiedergewinnungswärmestrom (qr) der Trennung der Blasen von gasförmigem Helium von der Oberfläche des stabilisierenden Metalls zuzuschreiben, was durch die Wirkung des gekörnten geschichteten Materials und die Wirkung der Rillen beschleunigt wird.

Erstaunliche Effekte erhielt man durch Ausbildung von Strukturen einer Anzahl von Aushöhlungen wie

ίο Rillen und Erhebungen auf der Oberfläche des stabilisierenden Metalls und durch weiteres Ausbilden eines Films einer anorganischen Verbindung. Obwohl sowohl der Übergangswärmestrom (qt) als auch der Wiedergewinnungswärmestrom (qr) verbessert werden, ragt insbesondere die Verbesserung im Wiedergewinnungswärmestrom (qr) hervor, so daß dieses zur Verbesserung der Charakteristika des Supraleiters beiträgt. Wenn der Supraleiter vom supraleitenden Zustand zum Widerstandszustand wechselt, wird elektrischer Widerstand in dem Leiter induziert, so daß Joulsche Wärme erzeugt wird. Der Supraleiter kann zu seinem supraleitenden Zustand zurückkehren, wenn die Kühlgeschwindigkeit des flüssigen Heliums groß genug ist, das heißt, wenn der Betrag der Wärmedissipation größer ist als die der Wärmeerzeugung in dieser Art und Weise. Als eine Bedingung für die Wiedergewinnung des spuraleitenden Zustands ist die folgende Relation bekannt: Ir = ϊψΡΑ/ρ, wobei /rder Wiedergewinnungsstrom ist (der Supraleiter kann nicht zu dem supraleitenden Zu-

JO stand zurückkehren, wenn ein Strom größer als dieser fließt), qr der Wiedergewinnungswärmestrom wie oben beschrieben ist, P die Außenlänge des Bereiches senkrecht zu der longitudinalen Richtung des Supraleiters ist (gewöhlich Peripherie genannt), A die Schnittfläche eines Querschnittes senkrecht zur longitudinalen Richtung des Supraleiters ist, und ρ der elektrische Widerstand des Supraleiters in dem Widerstandszustand ist. Wie aus dieser Beziehung hervorgeht, steigt, wenn der Wiedergewinnungswärmestrom (qr) ansteigt, auch der Wiedergewinnungsstrom Ir an im Verhälntis zur Quadratwurzel von qr, so daß die Charakteristik des Supraleiters verbessert wird. Auf diese Weise ist es in Hinblick auf den Wiedergewinnungsstrom Jr möglich, die Leiterquerschnittsfläche A durch den Anstieg von qr kleiner zu machen, so daß die Menge des stabilisierenden Metalls reduziert werden und die Stromdichte des Leiters erhöht werden kann.

Obwohl die Form einer Anzahl von Aushöhlungen und Erhebungen, die auf der Oberfläche des stabilisierenden Metalls des Supraleiters ausgebildet sind, insbesondere nicht begrenzt sind, sind Rillen verschiedener Schnittformen, wirtschaftlich praktisch. Beispielsweise können rechtwinkelige Rillen, die keine spitzwinkeligen Vorsprünge aufweisen, wie sie in dem obigen Test verwendet wurden, die nicht bezüglich der Verbesserung der Wärmestromcharakteristik für effektiv gehalten wurden in Verbindung mit dem Film der anorganischen Verbindung erfolgreich verwendet werden. Da die Rillenform nicht komplex ist, können die Rillen ausgebildet werden mit einer für die Massenproduktion des verlängerten Leiters geeigneten Kunststoffbearbeitungs- bzw. Herstellungstechnik ohne Verwendung einer besonderen Rillcnherstellungstechnik. Da es ferner keine spitzwinkeligen Vorsprünge zwischen den Rillen gibt wird

κ-·, der Oberflächendriick, der durch den Isolationsabstand auf den Leiter ausgeübt wird, wenn die Spule erregt wird, durch eine ebene Oberfläche aufgenommen, so daß die Deformation der Rillen infolge dos Oberflächen-

druckes im wesentlichen eliminiert wird, wodurch eine Spule geschaffen wird, die stabil ist gegen die elektromagnetische Kraft. Obwohl es vorzuziehen ist, die Rillen entlang der longitudinalcn Richtung des Supraleiters zur Unterdrückung des elektrischen Widerslandes des stabilisierenden Metalls und zur Erleichterung der Herstellung des Supraleiters verlaufen zu lassen, können transv/^ale Rillen senkrecht oder schräg zu den longitudinalen Rillen ausgebildet werden, oder die Drähte können zur Vergrößerung der Oberflächen geriffelt bzw. aufgerauht sein.

Der Supraleiter mit hoher Stromleistung wird hauptsächlich in einer Spule für einen supraleitenden Magneten verwendet. Es ist daher notwendig, daß der auf der Oberfläche des stabilisierenden Metalls ausgebildete Film der anorganischen Verbindung in direktem Kontakt mit flüssigem Helium ist, um dadurch direkt gekühlt zu werden. Da der Supraleiter 1 beispielsweise, wie in Fig.3 dargestellt, als Fiacnspuieniyp uiii eiiiei Reiirtbahnform verwendet wird, müssen die Windungen und Schichten elektrisch isoliert sein. Wie in Fig.3 dargestellt sind elektrisch isolierende Abstandshalter 6 zwischen den Windungen der Spulen angeordnet und elektrisch isolierende Abstandshalter 7 sind zwischen den Schichten der Spule angeordnet. Da jedoch der auf der Oberfläche des stabilisierenden Metalls ausgebildete Film der anorganischen Schicht direkt mit dem flüssigen Helium in Kontakt kommen muß, um so effektiv wie möglich zu sein, ist es notwendig, den Anteil des durch die Abstandshalter bedeckten Films klein zu halten. Daher Said die Abstandshalter in geeigneten Intervallen angeordnet. Mit einer solchen Konstruktion bilden die Räume zwischen den entsprechenden Abstandshaltern Kanäle für das flüssige Helium, wenn die Flachspulen jeweils übereinander angeordnet werden (zur Vereinfachung sind in Fig.3 nur zwei Schichten dargestellt). Es ist vorzuziehen, diese Abstandshalter schräg, wie in F i g. 3 dargestellt, anzuordnen, so daß die Blasen von Helium, die auf der Oberfläche des Leiters erzeugt werden, in effizienter Weise abgesaugt werden können.

Es ist vorzuziehen, den Supraleiter mit hoher Stromleistung unter der Bedingung zu verwenden, daß er nicht in direktem Kontakt mit den benachbarten Supraleitern ist, so daß er Kontakt mit dem flüssigen Helium über die größtmögliche Fläche erfolgt. Es ist daher vorzuziehen, die Filme mit Abstandshaltern oder ähnlichem elektrisch zu isolieren, sogar, wenn die auf den Oberflächen des stabilisierenden Metalls ausgebildeten Filme der anorganischen Verbindung ausreichend elektrisch isolieren.

Die vorliegende Erfindung wird nun mit Bezug auf einige Beispiele beschrieben.

Beispiel 1

Das Format des Leiters betrug 7 mm - 7 mm. Das Querschnittsflächenverhältnis (Cu/SC) von Kupfer zu Nb-Ti im Querschnitt des Leiters betrug 8. Der supraleitende flache rechtwinkelige Draht wurde hergestellt mit 1,180 Nb-Ti Fäden von jeweils 80 μπι Durchmesser, eingebettet in einer Kupfermatrix. Einer Ebonolbehandlung (eintauchend in eine Lösung von 100 g/l NaClO2 und 100 g/l NaOH bei 70 bis 80°C für einige Minuten) wurde die Oberfläche des Kupfers des Leiters unterworfen. Eine Flachspule mit 14 Windungen mit 200 mm Innendurchmesser und 300 mm Außendurchmesser wurde hergestellt, ohne daß irgendein isolierender Streifen zwischen die Windungen des Leiters geklebt wurde. Die Spule wurde in einen vormagnetisiercndcn Magneten eingesetzt. Der kritische Strom wurde gemessen in einem vormagnclisiL'ienden Magnetfeld von 7 T und man erhielt einen Wert von 4,600 A. Dieser

•ι Weil korrespondiert zu dem kritischen Strom der kurzen Probe innerhalb eines l'chlcrhcrciclics von 1 bis 2%. Nach dem Einsetzen eines Heizers in die Flachspule und dem zwangsläufigen Übergang eines Teiles des Leiters in den Widerstandszustand, wurde als nächstes

ίο Strom durch die Flachspule hindurchgeschickt. Die Vergrößerung oder die Verkleinerung des Widerstandsteiles wurde gemessen. Der flächenbezogene Wärmestrom qc ergab sich zu 0,36 W/cm². Dies stellt eine 20 bis 40% Verbesserung gegenüber qc (0,25 bis 0,30 W/cm²) für den Fall der im allgemeinen unbchandelten Kupferoberfläche dar. Während dieses Tests wurde die Kühlung des Leiters über beide Seitenoberflächen des Leiters vorgenommen. Die mechanische Stabilität wurde nichi durch die ubono'behandlung beeinflußt; und war für die Bicgungs- bzw. Bruchfestigkeit 36,4 kg/mm² hoch und betrug 27,0 kg/mm²für 0,2% Belastungsstärke, bei Zimmertemperatur.

Beispiel 2

Fünfzehn zusammengesetzte supraleitende feine Drähte a (die Leiter weisen ein Cu/SC Verhältnis von 2,0 mit 2.300 Nb-Ti Fäden von 18 μπι Durchmesser eingebettet in sauerstofffreiem Kupfer auf) von 1,5 mm Durchmesser wurden verlitzt und gewalzt in eine ebene rechtwinkelige Form zur Schaffung eines ausgebildeten verlitzten Kabels b, dessen Oberfläche daraufhin mit Pb-Sn Lot beschichtet wurde, wie in F i g. 4 dargestellt. Auf einer Seite eines Kupferstreifens 4 von 5 mm · 20 mm Format als stabilisierendes Metall wurden 11 Rillen 9 ausgebildet von 0,7 mm Breite und 1 mm Tiefe in der longitudinalen Richtung und transversale Rillen tO von 0.7 mm Breite und I mm Tiefe in 1 min Intervallen senkrecht zu den longitudinalen Rillen in ähnlicher Weise. Eine chemische Behandlung (eintauchen in ein Bad von 8 g/l von Kaliumpermanganat und 60 g/l von Schwefelsäure bei 70 bis 80⁰C) wurde hinsichtlich der Rillenoberfläche zur Ausbildung eines Films von Kupferoxyd vorgenommen. Zwischen zwei derartigen Kupferstreifen 4 wurde das ausgebildete verlitzte Kabel b wie in Fig.4 eingelötet, um einen eingebetteten Supraleiter 1 zu bilden. Unter Verwendung des Leiters 1 wurde ein Abstandshalter 6 (der 50% der gesamten Oberflächenfläche bedeckt) mit schrägverlaufenden Kerben 11, wie in Fig.4 dargestellt, auf der gerillten Oberfläche des Leiters angeordnet Der Leiter wurde um eine FRPTrommel von 200 mm Außendurchmesser zur Bildung eines Selenoids gewickelt Diese Spule wurde in einen Vormagneten eingesetzt und es wurde Strom durch diesen hindurchgeleitet und zwar unter einem magnetischen Feld von 8 T. Man erhielt einen kritischen Strom von 5.600 A. Dies korrespondiert zu dem kritischen Strom der kurzen Probe mit einem Fehler innerhalb des Bereiches von 1 bis 2%. Daraufhin wurde ein Test entsprechend dem Übergang vom supraleitenden zum Widerstandszustand ausgeführt und zwar mit einem vorläufig in dem gebildeten verlitzten Draht eingebetteten Heizer. Man erhielt einen hohen flächenbezogenen Wärmestrom von qe = 0,92 W/cm².

Der Grund, warum man derartig hohe Kenndaten bzw. Charakteristika erhält, obwohl 50% der Wärmetransportfläche mit dem Abstandshalter bedeckt war, ist teilweise der Tatsache zuzuschreiben, daß die Wärme-

stromcharakteristika der Oberfläche des Leiters auf Grund der Kombination aus chemischer Behandlung und Herstellung von Rillen extrem verbessert werden. Zusätzlich zu diesem Grund sind die folgenden Gründe sehr plausibel. Der Wärmetransport der durch die Abstandshalter bedeckten Oberfläche ist im allgemeinen extrem verkleinert und zwar im Vergleich zu dem Wärmetransport '·εί freiliegender Obertläche. Da jedoch die Oberfläche dcb Leiters des Beispiels eine Anzahl von Rillen 9 aufweist, sind auch Kanäle für flüssiges und/ oder gasförmiges Helium unter dem Abstandshalter präsent.

Beispiel 3

Wie in Fig.5 dargestellt, wurden elf longitudinal Rillen 9 in jeder der beiden größeren Oberflächen des Kupferstreifens 4 als stabilisierendes Metall ausgebildet, und eine longitudinalc tiefe Ausnehmung 12 wurde auf einer der anderen Seilcnoberflächen ausgebildet. Die supraleitenden geformten verlitzten Kabel b aus Nb-Ti wurden in die Ausnehmung 12 durch löten eingebettet, um einen zusammengesetzten Supraleiter 1 von 200 m Länge zu bilden. Das aus Nb-Ti gebildete verlitzte Kabel Verhielt man durch verlitzen und zusammendrücken wie in Beispiel 2 durch fünfzehn der zusammengesetzten supraleitenden feinen Drähte a, die 1.270 Nb-Ti Fäden von 50 μΐη Durchmesser eingebettet in sauerstofffreiem Kupfer aufweisen. Der Kupferstreifen 4 als stabilisierendes Metall ist 27 mm breit und 12.8 mm dick und weist 22 longitudinale Rillen 9 von 1 mm Breite und 1,5 mm Tiefe auf den oberen und unteren Oberflächen auf. Der Kupferstreifen 4 weist ferner auf seiner Seitenoberfläche eine Rille 12 von 5 mm Breite und 17 mm Tiefe auf zur Einsetzung des ausgebildeten verlitzten Kabels b. Die gleiche chemische Behandlung wurde wie in Beispiel 2 ausgeführt, mit Ausnahme der Rille 12, zur Ausbildungeines Films vonKupferoxyd auf der Oberfläche des Kupferstreifens 4. Die lnnerioberfläche der Rille 12 des Kupferstreifens 4 wurde mit Lot plattiert, und die ausgebildeten verlitzten Kabel b wurden darin eingesetzt. Sie wurden integral durch kontinuierliches heizen und löten ausgebildet. Eine kurze Probe von 1 mm wurde von dem auf diese Weise erhaltenen Doppelmetallsupraleiters 1 weggenommen, und es wurden die Wärmctransportcharakteristika von der gerillten Oberfläche 9 zu dem flüssigen Helium gemessen. Man erhielt hohe Wärmeströme von 1,04 W/cm² für den Übergangswärmestrom (qt) und 0,77 W/cm² für den Wiedergewinnungswärmestrom (qr). Eine spezielle Besonderheit des Herstellungsverfahrens des Supraleiters 1 dieser Probe ist, daß, vor dem integralen Ausbilden der aus Nb-Ti gebildeten verlitzten Kabel b und des Kupferstreifens durch Löten, Ebonolbehandlung auf den Kupferstreifen 4 ausgeführt wird, jedoch nicht dort, wo löten notwendig ist. Deshalb werden die Wärmetransportcharakteristika verbessert, und die Haftung des Lötmittels an den Wärmetransportoberflächen während des Lötschrittes wird verhindert, so daß eine ausreichende Menge des Lötmättels zum löten zugeführt werden kann, und löten mit einer extrem kleinen Anzahl von Hohlräumen möglich ist. Ferner wird ein nachträgliches Entfernen von kleben gebliebenem Lötmittels durch beispielsweise Schleifen überflüssig so daß das gesamte Herstellungsverfahren verkürzt werden kann. Darauf wurden Messungen des kritischen Stromes für die kuree Probe ausgeführt. Die Messung des Supraleiters 1 erfordert eine starke Stromauelie von einer Kapazität von über 20 kA. Wegen der durch die Testausrüstung auferlegten Grenzen wurden Pivben von 50 cm von dem einzelnen zusammengesetzten supraleitenden feinen Draht a entfernt und bezüglich des kritischen Stromes gemessen.

Der mittlere kritische Strom betrug 1,36OA bei einem Magnetfeld von 8 T. Basierend auf diesem Ergebnis wurde der kritische Strom des Supraleiters 1 insgesamt als 20,400 A berechnet bei einem Magnetfeld von 8 T. Die mechanische Stabilität des Supraleiters 1 wurde mit den kurzen Proben gemessen. Die Bruchfestigkeit betrug 35,8 kg/mm², 0,2% Belastungsstärke ergab 25,7 kg/ mm², und die Dehnung betrug 18,3%. Daher wurde eine von der chemischen Behandlung herrührende Herabsetzung der mechanischen Stabilität nicht beobachtet.

Ii

Beispiel 4

Zwei Kupferprofilstreifen 4 als stabilisierendes Metall wurden mit Lötmittel 17 mit beiden Seiten eines jo flachen rechtwinkeligen Leiters 18 aus NbiSn. wie in Fig. b dargestellt verklebt zur Schaffung eines Supraleiters 1 von einem Format von 6,6 mm · 8,4 mm und 10 in Länge. Der Leiter wies die folgende Struktur auf. Der aus NbjSn bestehende flache rechtwinkelige Leiter 18 wies 8,4 mm Breite und 2 mm Dicke auf. Eingebettet in den flachen rechtwinkeligen Nb3Sn-Leiter 18 wurden 116,000 Nb-Fäden 15 von 5 μίτι Durchmesser, die von einer Nb)Sn Schicht, ausgebildet durch Diffusionswärmebchandlung, umgeben waren, wobei die Fäden verdrillt waren und zwar in einem Abstand von 90 mm in einer Matrix aus Cu-Sn Bronze 16. Der Leiter 18 wies ferner eine Kupferschicht 13 auf, die 15% der Schnittfläche außerhalb der Matrix bedeckte und zwar über eine Ta Schicht 14 von 120 μιτι Dicke, die einen Diffusions-J5 sperrwall schafft. Der Kupferstreifen 4 wies 8,4 mm Breite und 2,3 mm Dicke auf und wies einen abgestuften Teil 9 von den Dimensionen 1 mm · 1 mm an seinen beiden Enden auf, der sich kontinuierlich in iongitudinaler Richtung erstreckte. Auf diese Weise wurden durch Löten der Kupferstreifen (zwei) auf beide Seiten des flachen rechtwinkeligen NbjSn-Leiters 18 vier kontinuierliche Rillen 9 von 1 mm Breite und 1 mm Tiefe ausgebildet und zwar in longitudinaler Richtung zur Kühlung des Leiters. Ebonolbehandlung wurde in einem Bad kontinuierlich ausgeführt und zwar zur Ausbildung eines Films von Kupferoxyd auf der gesamten Oberfläche des Leiters. Unter Verwendung dieses Supraleiters 1 wurde eine Flachspule von 300 mm Innendurchmesser, 385 mm Außendurchmesser und zehn Windungen hergestellt und in einen Vormagneten eingesetzt. Es wurde ein magnetisches Feld von 1OT angelegt und der kritische Strom wurde zu 4,500 A gemessen. Unter Verwendung eines in die Lötmittelschicht 17 eingebetteten Heizers wurde ein Test ausgeführt entsprechend dem Obergang vom supraleitenden zum Widerstandszustand und man erhielt einen flächenbezogenen Wärmestrom (qe) von 0,55 W/cm².

Mit dem Supraleiter erhält man folgende Effekte:

ho I. Die Stabilität des Supraleiters und die gesamte Stromdichte als Spule wurden extrem verbessert, da die Wämnetransportcharakteristika zum flüssigen Helium ausgezeichnet sind. 2. Der Supraleiter kann mit extrem geringen Kosten

b5 hergestellt werden, da die Herstellung des stabilisierenden Metalls leicht ist, die Verarbeitung effizient ist, und die kontinuierliche chemische Behandlung mit einer einfachen Vorrichtung möglich

11

Für den Fall, daß der Leiter Rillen auf der Kühloberflä>.he aufweist, ist die Herabsetzung der Kühicharakteristika bzw. der Kühlkenndaten gering, daß die Rillen unterhalb der Abstandshalter als Transportkanäle des flüssigen und/oder gasförmigen Heliums dienen sogar, wenn der Abstandshalter die Wärmetransportoberflächen bedeckt.

4. Da die hohen Wärmetransportcharakteristika bei einer einfachen Rillenanordnung erhalten werden, werden ein ebener Kontakt mit den Abstandshaltern und eine größere Kontaktfläche geschaffen, und der Supraleiter ist gegen den Oberflächendruck gesichert.

5. Wenn die Rillen kontinuierlich in longitudinaler Richtung verlaufen, so ist der Anstieg im elektrischen Widerstand, der von der Reduzierung der Leiterquerschnittsfläche herrührt, verursacht durch die Ausbildung der Rillen, klein, wodurch ein bezüglich der Stabilität verbesserter Supraleiter geschaffer, wird.

6. Wenn ein Film der anorganischen Verbindung auf der Oberfläche des stabilisierenden Metalls ausgebildet wird, mit Ausnahme des zu lötenden Teils, und wenn danach die integrale Ausbildung durch Löten beim Herstellverfahren des Supraleiters ausgeführt wird, kann ein Haften des Lötmittels an der Kühloberfläche verhindert werden und man erhält die hohen Wärmetranspo-tcharakteristika, während das Herstellungsverfahren vereinfacht wird.

Es wird somit ein Supraleiter mit hoher Stromleistung geschaffen, der geeignet ist als ein Spulenleiter eines großen supraleitenden Magneten, der verwendet werden kann beispielsweise in einem Kernfusionsreaktor, einem MHD-Generator, einer supraleitenden magnetischen Energiespeichervorrichtung usw. Der Supraleiter mit hoher Stromleistung weist extrem verbesserte Kühlcharakteristika in flüssigem Helium auf, so daß die Menge bzw. der Betrag eines zu verwendenden stabilisierenden Metalls reduziert werden kann, und man eine höhere Stromdichte erhält

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen 45

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Claims

Patentansprüche:

1. Supraleiter, bei dem supraleitende Drähte in ein stabilisierendes Material eingebettet sind und diese Struktur von außen gekühlt wird oder diese Struktur wiederum in einem weiteren stabilisierenden Material eingebettet ist, die von außen gekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daßaufderOberflä- des in ihm enthaltenen supraleitenden Magnetes, und wird unwirtschaftlich und unpraktisch.

Es sind daher verschiedene andere Typen von Supraleitern vorgeschlagen worden, von denen alle eine hohe Stromdichte ermöglichen und hohe Widerstandskraft gegen Druck aufweisen. Es ist beispielsweise vorgeschlagen worden. Aluminium als ein stabilisierendes Metall zu verwenden, welches eine kleine magnetische Reluktanz in einem hohen Magnetfeld aufweis.:. Jedoch

ehe des stabilisierenden Materials bzw. des weiteren io ist Aluminium mechanisch niedrig belastbar und weist

hohe piezoelektrische Widerstandseffekte auf, so daß es notwendig wird, eine Aluminiumschicht mit einer großen Menge eines verstärkenden Materials zu verbinden, so daß die resultierende zusammengesetzte Struktur eine hohe Widerstandskraft gegen Druck erreicht. Die Verwendung von Aluminium als ein stabilisierendes Metall trägt jedoch nicht unbedingt zu einer höheren Stromdichte bei. Als ein anderes Verfahren ist vorgeschlagen worden, eine Anzahl von Vorsprüngen auf der

stabilisierenden Materials ein Film aus einer anorganischen Verbindung angeordnet ist und daß das Kühlmittel direkt in Kontakt mit diesem Film steht.

2. Supraleiter gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Films der anorganischen Verbindung so mit einem elektrisch isolierenden Abstandshalter bedeckt ist, daß er teilweise frei liegt

3. Supraleiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch

gekennzeichnet, daß das stabilisierende Material ei- 20 Oberfläche des stabilisierenden Metalls eines Supraleinc Anzahi vor. Aushöhlungen und Erhebungen auf ters auszubilden, beispielsweise parallele Rillen (longider Oberfläche aufweist. tudinale Rillen) entlang der iongitudinalen Richtung des

4. Supraleiter nach Anspruch 3, dadurch gekenn- Leiters auszubilden und eine Gruppe von transversalen zeichnet, daß die Aushöhlungen und Erhebungen pa- Rillen quer zu diesen Iongitudinalen Rillen auszubilden, rallele Rillen oder Rippen sind, die sich in der longi- 25 so daß die Kühlfläche, die mit dem Kühlmedium in Betudinalen Richtung des Leiters erstrecken. rührung kommt, anwächst und die Kühleffektivität der

Oberfläche des starilisierenden Metalls verbessert wird.

5. Supraleiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das stabilisierende Material aus Kupfer besteht und daß der Film der anorganischen Verbindung ein Film bzw. eine Schicht aus Kupferoxyd ist.