DE3245903C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein supraleitendes Kabel, beste
hend aus einem Niob-Titan, Niob-Zinn oder dgl. Faden,
der von einem Metallmantel als Primärstabilisator direkt
umgeben ist, und einer äußeren Hülle aus hochreinem,
stranggepreßten Aluminium als Sekundärstabilisator. Da
rüber hinaus erfaßt die Erfindung ein Verfahren zur Her
stellung dieses Supraleiters.
Einige Niob-Legierungen, z. B. Niob-Titan und Nb3Zn,
verlieren ihren elektrischen Widerstand bei Temperaturen
nahe dem absoluten Null-Punkt (-273°C) fast ganz, d. h.
der elektrische Widerstand wird unmeßbar klein. Dieser
Effekt wird als elektrische Supraleitung bezeichnet. Man
verwendet supraleitende Magnetspulen für Magnetschwebe
bahnen, supraleitende Kabel für verlustfreie bzw. ver
lustarme Erzeugung, Übertragung und Speicherung von
elektrischer Energie und macht sich die Supraleitung
auch in der Kerntechnik zur Erzeugung starker Magnetfel
der für die Teilchenbeschleunigung zunutze. Der Supra
leiter wird dazu in flüssiges oder siedendes Helium ge
taucht und auf eine Temperatur nahe dem absoluten Null-
Punkt (-273°C) abgekühlt.
So können elektrische Ströme von vielen 1000 Ampere
Stromstärke durch einen dünnen Faden aus Niob-Titan oder
Nb3Sn 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 Primärstabilisator. Denn die Supra
leitfähigkeit der Niob-Titan und dergl. Fäden ist sehr
labil, weil sie von der Höhe des elektrischen Stromes,
weiterhin von der Stärke des Magnetfeldes und von der
kritischen Temperatur (z. B. -269.2°C) abhängig ist. Wird
eine dieser drei kritischen Größen kurzzeitig über
schritten, dann verlieren die Niob-Titan und dergl.
Fäden ihre Supraleitfähigkeit. In diesem Falle übernimmt
der Primärstabilisator einen Teil des elektrischen
Stromes. Da jedoch der Primärstabilisator diese Funktion
nicht alleine bewältigen kann, muß er mit einem sog.
Sekundärstabilisator verbunden werden.
Es ist bekannt, den supraleitenden Strang seinerseits
mit Stahl, Kupfer oder Aluminium zu verbinden, um auch
bei zeitweiligem Ausfall der Supraleitfähigkeit den Be
trieb aufrechterhalten zu können. Das übliche Zusammen
fügen von supraleitendem Strang und Sekundärstabilisator
ist umständlich, zeitraubend und kostspielig und ge
schieht meist durch Auflöten des Stranges auf den Sekun
därstabilisator. Sowohl der mechanische Schutz des Su
praleiters als auch die elektrische Funktion des Sekun
därstabilisators sind nicht optimal, da keine metal
lische d. h. atomare - Bindung zwischen beiden besteht
und der elektrische Übergangswiderstand zwischen dem
supraleitenden Draht und dem Sekundärstabilisator rela
tiv groß bleibt und letzterer mechanisch nicht genügend
geschützt wird.
Um den supraleitenden Draht auflöten zu können, muß vor
her das als Sekundärstabilisator dienende Aluminiumpro
fil galvanisch verkupfert werden. Dabei ist wiederum da
rauf zu achten, daß die aufgalvanisierte Kupferschicht
nicht zu dick wird. Im allgemeinen sind nicht mehr als
10 µm zulässig, damit die unvermeidlichen Verunreini
gungen den supraleitenden Effekt des Sekundärstabilisa
tors nicht zu stark beeinträchtigen. Auch die Maßtole
ranzen des supraleitenden Drahtes und des Aluminiumpro
fils erschweren die Herstellung und vermindern die Qua
lität des Endproduktes.
Ein Supraleiter der eingangs genannten Art wird durch
die DE-AS 16 40 506 nahegelegt. Bei dem darin beschrie
benen Leiter handelt es sich um einen supraleitenden
Draht mit eingebetteten supraleitenden Fäden als Primär
stabilisator. Der Supraleiter mit einer Kupferschicht an
der Oberfläche wird zunächst mit einer Zinkschicht von
etwa 1 bis 15 µm Dicke überzogen und beim anschließenden
Ummanteln mit Aluminium etwa 10 bis 120 sec lang auf
Temperaturen von etwa 400 bis 500°C gehalten.
Der Supraleiter nach der DE-AS 19 15 270 muß zur Kühlung
auf etwa minus 270°C in einen Behälter mit flüssigem
oder gasförmigem Helium getaucht werden. Dieser Behälter
muß nicht nur druckfest ausgeführt sein, sondern er be
nötigt auch eine außerordentlich aufwendige Wärmeisola
tion.
Durch die Erfindung wird zum einen ein derartiger Kühl
behälter überflüssig. Zum anderen ist die Kühlung inner
halb des supraleitenden Stranges auch wesentlich besser,
weil sie sich dichter an den zu kühlenden Niob-Titan
oder dergleichen Fäden befindet.
Angesichts dieser Gegebenheiten liegt der Erfindung
die Aufgabe zugrunde, einen Supraleiter
der eingangs erwähnten Art so zu gestalten, 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 Primärstabili
sator aus hochreinem Kupfer oder hochreinem Aluminium
besteht und direkt vom Sekundärstabilisator umgeben ist
und daß der Übergangsbereich zwischen Primär- und Se
kundärstabilisator aus einer Diffusionszone beider Kom
ponenten (Kupfer-Aluminium bzw. Aluminium-Aluminium)
besteht.
Zudem soll der Profilkörper des Sekundärstabi
lisators wenigstens einen Kühlkanal od. dgl. als Führung
für ein Kühlmittel aufweisen; wobei bevorzugt dem
Leiterstrang mit seinem Primärstabilisator wenigstens
ein Kühlkanal parallel benachbart ist.
Beim erfindungsgemäßen Supraleiter ist eine galvanische
Verzinkung überflüssig. Des weiteren ist es - als sehr
wesentlicher Unterschied - überflüssig, den Supraleiter
etwa 10 bis 120 sec auf 400 bis 500°C zu halten. Viele
Supraleiter-Werkstoffe sind temperaturempfindlich, d. h.
die Strombelastbarkeit wird eingeschränkt, wenn der Su
praleiter auf Temperaturen über 350°C erhitzt wird.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß
der Primärstabilisator durch einen Kanal der Strang
presse so geführt wird, daß er erst am Formgebungsquer
schnitt des Strangpreßwerkzeuges mit der Matrix des Se
kundärstabilisators in Berührung kommt. Dadurch bleiben
die von der Matrix auf den Primärstabilisator ausgeübten
Kräfte so klein, daß dieser nicht reißt. Dies ist von
besonderer Bedeutung vorwiegend dann, wenn der Primär
stabilisator mechanisch sehr empfindliche, spröde Nb3Sn
- oder dgl. Fäden enthält, die bereits "reagiert", d. h.
durch eine spezielle Temperaturbehandlung supraleitfähig
gemacht, sind.
Auch der Aufbau des fertig ummantelten Supraleiters
sieht völlig anders aus als jener der DE-AS 19 15 270,
wonach dort die Kontaktzone zwischen Kupfer und Alumini
um nicht einphasig ist, sondern aus einer Reihe von
Phasen besteht.
An der Berührungsfläche des Zinks mit dem Kupfer ent
steht ein verhältnismäßig breiter Diffusionsraum aus
einem Kupfer-Zink-Mischkristall, an der Berührungsfläche
des Zinks mit dem Aluminium ein schmaler Diffusionsraum
aus einem Aluminium-Zink-Mischkristall von etwa 1 bis 2
µm Dicke. Zwischen den Mischkristallzonen liegen weitere
Phasen, die nach Angabe der Vorveröffentlichung noch
nicht eindeutig zugeordnet werden konnten, aber im we
sentlichen aus Zink bzw. Kupfer und Zink bestehen dürf
ten.
Im Gegensatz zu den so geschilderten Einzelheiten be
sitzt der erfindungsgemäße Supraleiter nicht eine ganze
Reihe von Kontaktphasen, vielmehr besteht zwischen dem
Supraleiterdraht und der Aluminiumhülle ein einphasiger
metallischer Kontakt. Damit ist der Übergangswiderstand
zwischen dem Supraleiterdraht und der Aluminiumhülle er
heblich vermindert und die elektrische Funktion des
stabilisierten Supraleiters wesentlich verbessert, d. h.
der elektrische Strom kann direkt vom Supraleiterdraht
auf die Aluminiumhülle übergehen, ohne erst eine Reihe
von Kontaktphasen durchwandern zu müssen. Der geringere
Übergangswiderstand hat zur Folge, daß die schädliche
Wärmeentwicklung beim Stromdurchgang stark vermindert
wird.
Auch wird durch die Erfindung ein Kühlbehälter über
flüssig, darüberhinaus ist die Kühlung innerhalb des
supraleitenden Stranges auch wesentlich besser als beim
Stande der Technik, da sich die Kühlzone dichter an den
zu kühlenden Niob-Titan- oder dgl. Fäden befindet.
Erfindungsgemäß wird der Primärstabilisator durch Ver
bundstrangpressen in einem einzigen Arbeitsgang in das
Aluminiumprofil eingebettet und dann metallisch mit
diesem verbunden, ohne daß die Supraleitfähigkeit beein
trächtigende galvanische Zwischenschichten aufgebracht
werden müßten. Der Primärstabilisator ist vom Aluminium
profil des Sekundärstabilisators voll ummantelt und
daher optimal mechanisch geschützt.
Die Erfindung hat den weiteren Vorteil, daß der verbund
stranggepreßte Supraleiter in vielen geometrischen
Formen herstellbar ist, so daß er dem jeweiligen Anwen
dungszweck angepaßt werden kann, was bei den bekannten
Supraleitern keineswegs möglich ist. Flache Rechteck
querschnitte zum Wickeln von supraleitenden Spulen sind
ebenso möglich, wie Profilquerschnitte mit großem Wider
standsmoment bei hohen mechanischen Beanspruchungen. So
erfaßt die Erfindung auch Supraleiter mit axial durch
laufenden 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 der Kühlmittelkanäle lassen sich in Form und
Größe den technischen Erfordernissen im Hinblick auf
Kühlmitteldurchsatz, Strömungsgeschwindigkeit und Druck
abfall anpassen. Atmosphärischer Druck des Kühlmittels
z. B. bis zu 15 bar ist zulässig.
Der verbundstranggepreßte Supraleiter nach dieser Erfin
dung wird allen obengenannten Anforderungen gerecht und
wird trotzdem in einem Stück sowie in einem einzigen Ar
beitsgang hergestellt, was bei den bisher bekannten
Supraleitern nicht möglich war.
Die Herstellung, einschließlich des Einbringens der ge
nannten Kühlmittelkanäle, in einem einzigen industriel
len Arbeitsgang, ohne zusätzliche Handarbeit, hat neben
wirtschaftlichen Vorteilen auch den Effekt einer außer
ordentlich 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.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt hier gemäß
Anspruch 6 und/oder 7 das Strangpressen - indirekt
unter niedrigerem Preßdruck als das direkte Strang
pressen - bei einer Temperatur von maximal 350°C. Da
bei wird der supraleitende Primärstabilisator durch
einen speziellen Kanal im Preßdorn bis zum Formgebungs
querschnitt 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 Primärstabilisatoren als Bündel in eine Öff
nung der Grundplatte für die Preßdorne eingeführt. Von
dieser Öffnung abzweigend, laufen die Supraleitdrähte
in die Kanäle der Preßdorne ein.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend
anhand der Zeichnung näher erläutert; diese zeigt in
Fig. 1 eine geschnittene Schrägsicht auf einen er
findungsgemäßen Supraleiter in stark ver
größerter Wiedergabe,
Fig. 2 einen schematisierten Längsschnitt durch
eine Vorrichtung zum Herstellen eines
Supraleiters, und
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 verlust
freie Energieübertragung herangezogen werden kann, be
steht 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 Nb3Sn, die in hochreines Alu
minium, gegebenenfalls auch hochreines Kupfer, einge
bettet sind. Der Leiterstrang 3 mit seinem als Primär
stabilisator 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 2 bei elektrischer Stoßbean
spruchung oder bei Ausfall der Kälteanlage in optimaler
Weise einen Teil des Stromes (sekundäre Stabilisierung).
Im Profilkörper 2 sind beidseits des in Profilquerachse
Q verlaufenden Leiterstranges 3 Kühlkanäle 4 zu er
kennen, 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 x
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
Formgebungsquerschnitt 9 hin ein Dorn 17, der von einer
stehenden Grundplatte 18 ausgeht. Sowohl diese als auch
ihr Dorn 17 weisen einen Kanal 20 mit Krümmung 19 auf,
als Führung für den Leiterstrang 3 aus hochreinem
Aluminium- oder Kupferdraht mit eingebettetem Niob-Titan-
oder Nb3Sn-Filament. Die Dornteile für die Erzeugung der
Kühlkanäle 4 sind aus Gründen der Übersichtlichtkeit in
der Zeichnung vernachlässigt.
Mit der Vorrichtung 30 nach Fig. 3 können mehrere Supra
leiter 1 simultan geformt werden, und zwar durch mehrere
Formgebungsquerschnitte 9 einer Matrize 10.
Claims (8)
1. Supraleitendes Kabel, bestehend aus einem Niob-Titan,
Niob-Zinn oder dgl. Faden, der von einem Metallmantel
als Primärstabilisator direkt umgeben ist,
und einer äußeren Hülle aus hochreinem, stranggepreßten
Aluminium als Sekundärstabilisator,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Primärstabilisator aus hochreinem Kupfer oder
hochreinem Aluminium besteht und direkt vom Sekundär
stabilisator umgeben ist und daß der Übergangsbereich
zwischen Primär- und Sekundärstabilisator aus einer
Diffusionszone beider Komponenten (Kupfer-Aluminium
bzw. Aluminium-Aluminium) besteht.
2. Supraleitendes Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß ein Profilkörper (2) des Sekundärstabili
sators wenigstens einen Kühlkanal (4) od. dgl. als Führung
für ein Kühlmittel aufweist.
3. Supraleitendes Kabel nach Anspruch 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß ein Leiterstrang (3) mit seinem Primär
stabilisator wenigstens ein Kühlkanal (4) parallel be
nachbart ist.
4. Supraleitendes Kabel nach Anspruch 2 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, daß der Profilkörper (2) des Sekun
därstabilisators mit bis zu 20 bar, bevorzugt 15 bar
druckfesten Kammern oder Kühlmittelkanälen (4) ausge
stattet ist.
5. Supraleitendes Kabel nach einem der Ansprüche
1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Sekundärstabili
sator und Primärstabilisator zu einer Spule wickelbar
ausgebildet sind.
6. Verfahren zur Herstellung eines Supraleiters nach An
spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Primär
stabilisator durch Strangpressen bei Temperaturen unter
350°C von einem Aluminiumprofil als Sekundärstabili
sator ummantelt wird, wobei im Übergangsbereich zwischen
Primär- und Sekundärstabilisator eine Zone aus Misch
kristallen beider Komponenten (Kupfer-Aluminium bzw.
Aluminium-Aluminium) entsteht.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
der Supraleiter als Verbundprofil auf dem Wege des
Strangpressens über Dorn durch den Formgebungsquer
schnitt einer Matrize hergestellt und dabei der in
hochreines Kupfer oder Aluminium eingebettete Primär
stabilisator durch einen Kanal der Strangpressen so
geführt wird, daß er erst am Formgebungsquerschnitt
mit der Matrix des Sekundärstabilisators in Berührung
kommt.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn
zeichnet, daß zwei oder mehr Stränge gleichzeitig durch
eine Matrize gepreßt und mehrere Primärstabilisatoren
als Bündel durch Kanäle der Strangpresse dem Dorn so
zugeführt werden, daß sie gleichzeitig an den Form
gebungsquerschnitten der Matrize mit der Matrix des
Sekundärstabilisators in Berührung kommen.
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