DE3245903A1

DE3245903A1 - Elektrischer supraleiter sowie verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE3245903A1
Application number: DE19823245903
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl.-Ing. 7700 Singen Mier
Original assignee: Aluminium Walzwerke Singen GmbH
Current assignee: Constellium Singen GmbH
Priority date: 1982-12-11
Filing date: 1982-12-11
Publication date: 1984-06-14
Also published as: GB8330640D0; GB2132002A; DE3245903C2; CH662203A5; FR2537770B1; IT8324063A0; FR2537770A1; GB2132002B; IT1233250B

Description

DIPL.- INGi GERHARD f. HiEBSCH 3245903

PATENTANWALT EUROPEAN PATENT ATTORNEY

Aluminium Walzwerke

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Singen GmbH Telex 793850

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Alusingenplatz 1 ⁶³⁰⁷⁶

7700 Singen -^{Mein Zeichen} AL-192

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Datum / Date

Elektrischer Supraleiter sowie Verfahren zu seiner Herstellung

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Supraleiter mit zumindest einem Niob-Titan, Nb-Sn od. dgl. Faden in einem Strang aus hochreinem Kupfer oder hochreinem Aluminium als Primärstabilisator, der mit einem Metallprofil als Sekundärstabilisator armiert ist. Darüber hinaus erfaßt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung dieses Supraleiters.

Miob-Legierungen, hochreines Kupfer und hochreines Aluminium verlieren ihren elektrischen Widerstand bei Temperaturen nahe dem absoluten Null-Punkt (-273⁰C) fast ganz, d.h. der elektrische Widerstand wird unmeßbar klein. Dieser-Effekt wird als elektrische Supraleitung bezeichnet. Man verwendet supraleitende Magnetspulen für Magnetschwebebahnen, supraleitende Kabel für verlustfreie bzw. verlustarme Erzeugung, Übertragung und Speicherung von elektrischer Energie und macht sich die Supraleitung auch in der Kerntechnik zur Erzeugung starker Magnetfelder für die Teilchenbeschleunigung zunutze. Der Supraleiter wird dazu in flüssiges oder siedendes Helium getaucht und auf eine Temperatur nahe dem absoluten Null-Punkt (-273 °C) abgekühlt.

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So können elektrische Ströme von vielen 1000 Ampere Stromstärke durch einen dünnen Faden aus Niob-Titan oder Nb^Sn geleitet werden, der zum mechanischen Schutz in hochreines; Kupfer oder Aluminium eingebettet ist. Einen solchen Strang von beispielsweise 0,5 bis 0,8 mm Dicke bezeichnet man als Primärstabilisa tor Dieser hat aber nicht nur die Funktion, supraleitende Fäden -- Filamente von z. B. 30 bis 50 jim j Durchmesser -- mechanisch zu schützen, sondern er übernimmt bei besonders hohen Stromstößen auch einen Teil des elektri schen Stromes.

Es ist bekannt, den supraleitenden Strang seinerseits mit Stahl oder Aluminium zu verbinden, um auch bei zeitweiligem Ausfall der zugeordneten Kälteanlage den Betrieb in gewissem Umfange aufrechterhalten zu können. Diese zweite Ummantelung bezeichnet man als Sekundärstabilisator. Das übliche Zusammenfügen von supraleitendem Strang und Sekundärstabilisator ist umständlich, zeitraubend und kostspielig und geschieht zumeist durch Auflöten des Stranges auf den Sekundärstabilisator. Sowohl der mechanische Schutz des Supraleiters als auch die elektrische Funktion des Sekundärstabilisators sind nicht optimal, da keine metallische d. h. atomare — Bindung zwischen beiden besteht und der elektrische übergangswiderstand zwischen dem supraleitenden Draht und dem Sekundärstabilisator relativ groß bleibt und letzterer mechanisch nicht genügend geschützt wird. Um den supraleitenden Draht auflöten zu können, muß vorher das als Sekundärstabilisator dienende Aluminiumprofil galvanisch verkupfert werden. Dabei ist wiederum darauf zu achten, daß die aufgalvanisierte Kupferschicht nicht zu dick wird. Im allgemeinen sind nicht mehr als.iOum zulässig, damit die unvermeidlichen Verunreinigungen den supraleitenden Effekt des Sekundärstabilisators nicht zu stark beeinträchtigen. Auch die Maßtoleranzen des supraleitenden Drahtes

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und des Aluminiumprofils erschweren die Herstellung und vermindern die Qualität des Endproduktes.

Angesichts dieser Gegebenheiten hat sich der Erfinder das Ziel gesetzt, einen Supraleiter und ein Verfahren der eingangs erwähnten Art so zu verbessern, daß zum einen der mechanische Schutz verbessert und der genannte Übergangswiderstand vermindert werden sowie zum anderen das Herstellen vereinfacht kostengünstiger wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe führt, daß der Niob-Titan,Nb^Sn od. dgl. Faden mit seinem Strang -- aus hochreinem Kupfer oder hochreinem Aluminium -- als Primärstabilisator von einem -stranggepreßten Aluminiumprofil ummantelt und mit diesem metallisch, d. h. durch"atomare Bindung, verbunden ist. Dabei soll das Aluminiumprofil mindestens 99,995 % Reinheit aufweisen.

In Anwendungsfällen mit geringeren Ansprüchen an den- Sekundärstabilisator kann es auch genügen, den supraleitenden Strang mit dem Aluminiumprofil (Sekundärleiter): bei niedriger Temperatur oder niedrigerem Preßdruck durch Verbundstrangpressen zu verbinden, ohne daß eine metallische, d. h. atomare Verbindung entsteht sondern nur ein enger mechanischer Kontakt gegeben ist.

Der Primärstabilisator wird also durch Verbundstrang-, pressen in einem einzigen Arbeitsgang in das Aluminiumprofil eingebettet und dann metallisch mit diesem verbunden, ohne daß die Supraleitfähigkeit beeinträchtigende galvanische Zwischenschichten aufgebracht werden müßten. Im Gegensatz zu bekannten Ausführungen, bei denen der Primärstabilisator einseitig offen liegt, ist er hier zudem vom Aluminiumprofil des Sekundärstabilisators voll ummantelt und daher optimal mechanisch geschützt.

Die Erfindung hat den weiteren Vorteil, daß der verbundstranggepreßte Supraleiter in vielen geometrischen Formen herstellbar ist, so daß er dem £weiligen Anwendungszweck angepaßt werden kann, was bei den bekannten Supraleitern keineswegs möglich ist. Flache Rechteck-

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querschnitte zum Wickeln von supraleitenden Spulen sind ebenso möglich, wie Profilquerschnitte mit großem Widerstandsmoment bei hohen mechanischen Beanspruchungen. So erfaßt die Erfindung auch Supraleiter mit axial durchlaufenden Kammern oder Kanälen für Kühlmittel, bevorzugt für flüssiges oder siedendes Helium; mit diesem werden Spulen aus dem erfindungsgemäßen Supraleiter bei etwa -269 °C gehalten.

Die Kammern oder Kühlmittelkanäle lassen sich in Form und Größe den technischen Erfordernissen im Hinblick auf Kühlmitteldurchsatz, Strömungsgeschwindigkeit und Druckabfall anpassen. Atmosphärischer Druck des Kühlmittels z. B. bis zu 15 bar ist zulässig.

Der verbundstranggepreßte Supraleiter nach dieser Erfindung wird allen obengenannten Anforderungen gerecht und wird trotzdem in einem Stück sowie in einem einzigen Arbeitsgang hergestellt, was bei den bisher bekannten Supraleitern nicht möglich war.

Die Herstellung, einschließlich des Einbringens der genannten Kühlmittelkanäle, in einem einzigen industriellen Arbeitsgang, ohne zusätzliche Handarbeit, hat neben wirtschaftlichen Vorteilen auch den Effekt einer außerordentlich gleichmäßigen und automatisch überwachbaren Qualität. Auch das ist bei den bekannten Supraleitern nicht gegeben.

Die Zusammensetzung der metallischen Verbundkomponenten wird im übrigen erfindungsgemäß so gewählt, daß sich der Supraleiter ohne weiteres spulen läßt.

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Wach dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt hier das indirekte Strangpressen -- unter niedrigerem Preßdruck als das direkte Strangpressen — bei einer Temperatur von maximal 350 C. Dabei wird der supraleitende Primärstabilisator durch einen speziellen Kanal im Preßdorn bis zum Formgebungsquerschnitt der Matrize bzw. des Strangpreßwerkzeuges geführt und kommt erst dort mit der Matrix des Bolzens in Berührung, wodurch die Kräfte, die von der Matrix auf den Primärstabilisator ausgeübt werden, so klein bleiben, daß dieser nicht reißt.

Bei mechanisch besonders empfindlichem Supraleiterdraht ■ lassen sich die Zerreißkräfte im Rahmen der Erfindung durch gleichzeitiges Pressen mehrerer Supraleiter aus einer einzigen Matrize noch weiter reduzieren. Dabei werden die Primärstabilsatoren nach Patentanspruch 9 als Bündel in eine Öffnung der Grundplatte für die Preßdorne eingeführt. Von dieser Öffnung abzweigend, laufen die Supraleitdrähte in die Kanäle der Preßdorne ein.

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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in

Fig. 1: eine geschnittene Schrägsicht auf einen erfindungsgemäßen Supraleiter in gegenüber der Natur stark vergrößerter Wiedergabe;

Fig. 2: den schematisierten Längsschnitt durch eine Vorrichtung zum Herstellen eines Supraleiters;

Fig. 3: eine der Fig. 2 entsprechende Darstellung einer anderen Vorrichtung.

Ein Supraleiter 1, bei dem der elektrische Widerstand bei Temperaturen nahe dem absolutem Nullpunkt nicht mehr in Erscheinung tritt und der beispielsweise für verlustfreie Energieübertragung herangezogen werden kann, besteht gemäß Fig. 1 aus einem Profilkörper 2 rechteckigen Querschnitts sowie einem in diesem vorgesehenen Leiterstrang 3 mit in der Zeichnung nicht verdeutlichten Fäden von Niob-Titan oder Nb-Sn, die in hochreines Aluminium, gegebenenfalls auch hochreines Kupfer, eingebettet sind. Dieser Leiterstrang 3 mit seinem als Primärstabilisator dienenden hochreinen Aluminium ist mit dem als Sekundärstabilisator wirkenden Profilkörper 2 aus Reinstaluminium oder einem anderen Aluminiumwerkstoff metallisch verbunden. Durch diese metallische Bindung übernimmt der Profilkörper bei elektrischer Stoßbeanspruchung oder bei Ausfall der Kälteanlage in optimaler Weise einen Teil des Stromes (sekundäre Stabilisierung).

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Im Profilkörper 2 sind beidseits des in Profilquerachse Q verlaufenden Leiterstranges 3 Kühlkanäle A zu erkennen, durch die während des Leiterbetriebes flüssiges oder siedendes Helium mit etwa 15 bar geschickt wird.

Die Herstellung dieses Supraleiters 1 erfolgt auf dem Wege des Strangpressens durch den Formgebungsquerschnitt 9- einer feststehenden Matrize 10 mit in Preßrichtung χ nachfolgendem — ebenfalls stehendem, hohlem Preßstempel 11--. Die Matrize 10 umgibt ein fahrbarer Rezipient 12, in dessen Rezipientenbohrung 13 ein in Längsachse gelochter Aluminiumbolzen 14 eingesetzt und die endwärts von einer Verschlußplatte 15 überdeckt ist. Durch eine zentrische Ausnehmung 16 der Verschlußplatte 15 ragt zum Forragebungsquerschnitt 9 hin ein Dorn 17, der von einer stehenden Grundplatte 18 ausgeht. Sowohl diese als auch ihr Dorn 17 weisen einen bei 19 gekrümmten Kanal 20 auf als Führung für den Leiterstrang 3 aus hochreinem Aluminium- oder Kupferdraht mit eingebettetem Niob-Titan- oder Nb-Sn-Filament. Die Dornteile für die Erzeugung der Kühlkanäle 4 sind aus Gründen der Übersichtlichkeit in der Zeichnung vernachlässigt.

Mit der Vorrichtung 30 nach Fig. 3 können mehrere Supraleiter 1 simultan geformt werden, und zwar durch mehrere Formgebungsquerschnitte 9 einer Matrize 10.

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Claims

PATENTANWALT DIPL-ING. HIEBSCH ■ D 77 SIMGEN. e'en a.Z. AL-192 Blatt -A 1- PATENTANSPRÜCHE

1./Elektrischer Supraleiter mit zumindest einem Niob-Titan, NboSn od. dgl. Faden in einem Strang aus hochreinem Kupfer oder hochreinem Aluminium als Primärstabilisator, der mit einem Metallprofil als Sekundärstabilisator verbunden ist,

dadurch gekennzeichnet,

daß der Niob-Titan, Nb₃Sn od. dgl. Faden mit seinem Strang (3) als Primärstabilisator von einem stranggepreßten Aluminiümprofil (2) ummantelt und mit diesem metallisch, d. h. durch atomare Bindung, verbunden ist.

2. Supraleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Aluminiumprofil (2) mindestens 99,995 % Reinheit aufweist.

3. Supraleiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Aluminiumprofil (2) wenigstens eine Kammer (4) od. dgl. als Führung für ein Kühlmittel aufweist.

4. Supraleiter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Primärstabilisator (3) wenigstens ein Kühlmittelkanal (4) parallel benachbart ist.

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5. Supraleiter nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Aluminiumprofil als Sekundärstabilisator (2) mit bis zu 20 bar, bevorzugt 15 bar druckfesten Kammern oder Kühlmittelkanälen (A) ausgestattet ist.

6. Supraleiter nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Sekundärstabilisator (2) und Primärstabilisator (3) zu einer Spule wickelbar ausgebildet sind.

7. Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Supraleiters mit zumindest einem Niob-Titan, Nb^Sn od. dgl. Faden in einem Strang aus hochreinem Kupfer oder hochreinem Aluminium als Primärstabilisator, der mit einem Metallprofil als Sekundärstabilisator verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Primärstabilisator bei einer Temperatur unter 350 ⁰C, bevorzugt 280 - 300 C, mit einer Aluminiummatrix zu einem Verbundprofil unter Bildung einer intermetallischen Phase zwischen beiden Verbundkomponenten stranggepreßt wird,

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Supraleiter als Verbundprofil auf dem Wege des Strangpressens über Dorn durch den Formgebungsquerschnitt einer Matrize hergestellt und dabei der in hochreines Kupfer oder Aluminium eingebettete Primärstabilisator durch einen Kanal der Strangpresse so geführt wird, daß er am Formgebungsquerschnitt mit der Matrix des Sekundärstabilisators in Berührung kommt.

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Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr Stränge gleichzeitig durch eine Matrize gepreßt und mehrere Sekundärstabilisatoren als Bündel durch Kanäle der Strangpresse dem Dorn so zugeführt werden, daß sie gleichzeitig an den Formgebungsquerschnitten der Matrize mit der Matrix des Sekundärstabilisators in Berührung kommen.