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Technisches Gebiet
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Diese
Erfindung betrifft einen supraleitenden Draht und insbesondere einen
ummantelten supraleitenden Draht, der eine hohe Durchschlagspannung
aufweist und sehr einfach anzuwenden ist.
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Technischer Hintergrund
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Supraleitende
Drähte
(SLD) werden heute für
viele praktische Zwecke als Spulenmaterial und dergleichen eingesetzt,
beispielsweise um ein starkes magnetisches Feld in einem NMR (kernmagnetische
Resonanz) CT-Scanner zu erzeugen, der mit vielen Funktionen für den Einsatz
als Tomographie-Vorrichtung für
medizinische Behandlungen des menschlichen Körpers ausgerüstet ist.
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Um
solch ein starkes magnetisches Feld zu erzeugen, ist es jedoch erforderlich,
einen hohen Strom zu erzeugen, weshalb ein elektrischer Draht benötigt wird,
der ausgezeichnete Isoliereigenschaften aufweist, wenn er in Form
einer Spule aufgewickelt ist, das heißt es wird ein ummantelter
supraleitender Draht benötigt, der
eine hohe Durchschlagspannung aufweist. Um einen starken Strom durch
die ganze Spule zu leiten, ist es außerdem erforderlich, daß der Strom
pro Querschnitts-Flächeneinheit,
also die Querschnittsfläche
des metallischen elektrischen Drahtes größer ist, das heißt, indem
die Dicke der Ummantelung um jeden supraleitenden Draht möglichst
dünn gemacht
wird, nimmt die Metallfläche
des Querschnitts zu. Je weiter die Querschnitts-Metallfläche zunimmt,
um so größer wird
der Strom, den man leicht zum Fließen bringen kann.
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Hier
wird beispielsweise ein supraleitender Draht hergestellt, indem
ein zuvor erzeugter supraleitender Draht mit einem Ummantelungsmaterial
ummantelt wird, und dann eine Wärmebehandlung
bei einer hohen Temperatur ausgeführt wird, die, entsprechend
dem Typ des supraleitenden Materials, normalerweise 650-950°C beträgt.
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Auf
diese Weise wird ein Ummantelungsmaterial für SLD in einem starken magnetischen
Feld verwendet, und es erfolgt während
der Herstellung des SLD ein Wärmebehandlungsschritt
bei einer hohen Temperatur, weshalb ein Ummantelungsmaterial für SLD stabile
Isolationseigenschaften und eine gute thermische Beständigkeit
aufweisen muß,
deshalb wird die Ummantelung gegenwärtig unter Verwendung von Glasgarn
ausgeführt.
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Insbesondere
ist das herkömmliche
Verfahren zur Ummantelung von SLD ein Ummantelungsverfahren, in
welchem die Ummantelung mittels Beflechtung mit Glasfasern ausgeführt wird
(nachfolgend als Beflechtungs-Bearbeitung oder B-Bearbeitung bezeichnet). Das für gewöhnlichen
elektrischen Draht verwendete Verfahren einschließlich Tränken mit
Lack und Aushärten
des Lacks kann wegen der oben erwähnten Wärmebehandlung bei hoher Temperatur
nicht verwendet werden, weshalb es erforderlich war, die B-Bearbeitung
zu verwenden, die ein Verfahren darstellt, welches eine isolierende
Ummantelungsschicht ohne Einsatz von Lack erzielen kann.
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Die
Bedingungen der B-Bearbeitung sind in 1(a) aufgezeigt.
Wie daraus ersichtlich ist, wird der Umfang eines supraleitenden
Drahtes 10 von einer Ummantelungsschicht 14 ummantelt,
die mittels B-Bearbeitung mit Glasfasern 12 gebildet wird.
In der Vergangenheit ergab sich infolge der Anwesenheit einer solchen mittels
B-Bearbeitung gebildeten Ummantelungsschicht 14 der Effekt,
daß Maschen
der Ummantelungsschicht selbst fest am Platz verankert waren.
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Das
Dokument
US 4,694,268 betrifft
eine supraleitende Magnetspule, welche folgendes aufweist: einen
Wickelrahmen, aus faserartigen Leitern gebildete Drähte, die
Supraleitfähigkeit
aufweisen und um den Wickelrahmen gewickelt sind, einen aus Aluminiumoxid-Fasermaterial
gebildeten, jeden der Drähte
ummantelnden Isolator und ein Harzmaterial, welches zwischen den
Wicklungen der Drähte
imprägniert
ist, um eine tragende Struktur zu bilden.
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Die
beschriebene supraleitende Magnetspule weist zwischen jedem der
Drähte
und dem Isolator eine eingefügte
Zwischenlage aus Glasfasern auf.
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Dieses
Dokument liefert keine Information bezüglich der Art, wie die zwei
Ummantelungsschichten um den Draht gewickelt sind.
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Der
einzige erwähnte
Zweck zur Verwendung der zwei den Draht ummantelnden Schichten,
ist die Senkung der Herstellungskosten.
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Offenbarung der Erfindung
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Gemäß dem Wissen
des gegenwärtigen
Erfinders tritt jedoch an den sich schneidenden Abschnitten von
Maschen eine Überlappung
der Fasern auf, und in diesen Bereichen können sich Spalten bilden, so
daß keine
stabilen Isolationseigenschaften erzielt werden können. Es
ist zwar denkbar, die Isolationseigenschaften durch die Erhöhung der
Dicke der Ummantelungsschicht zu verbessern, aber insbesondere unter
den neuen Bedingungen, bei denen es erforderlich ist, einen hohen
Strom durch die supraleitenden Drähte zu leiten, ist es nicht
möglich
das Problem zu lösen,
indem einfach die Dicke der Ummantelungsschicht erhöht wird,
und deshalb existiert ein starker Bedarf für eine andere Möglichkeit
zur Verbesserung der isolierenden Eigenschaften.
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Außerdem wird
SLD normalerweise für
den Einsatz zu einer Spule geformt, so daß wie oben beschrieben, bessere
Isolationseigenschaften von einer möglichst dünnen Ummantelungsschicht gefordert
werden, und es wird auch eine Ummantelung gefordert, die biegefest
und glatt ist. Für
den supraleitenden Draht werden insbesondere ausgezeichnet gute
Isolationseigenschaften gefordert, die ausgezeichnet sind bezüglich Biege-, Gleit-
und Glattheitseigenschaften und die eine Durchschlagspannung von
mindestens 500 Volt aufweisen können,
indem eine stabile dünne
Ummantelungsdicke von höchstens
einer vorgegebenen Dicke von höchstens
200 Mikrometer oder höchstens
130 Mikrometer verwendet wird. Ein solches ausgezeichnet gutes Isoliermaterial
existiert jedoch zur Zeit nicht.
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Das
Ziel dieser Erfindung ist es deshalb, einen ummantelten supraleitenden
Draht zur Verfügung
zu stellen, der die Wicklungen nicht mit Lack oder dergleichen sichert
und der Verbesserungen bezüglich
der Durchschlagspannung, Biegeeigenschaften, Gleiteigenschaften
und dergleichen anstrebt und dies mittels einer gleichmäßigen Ummantelung
hoher Dichte mit einem isolierenden Material, welches eine vorgegebene Ummantelungsdicke
aufweist.
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Konkreter
gesagt, ist es das Ziel der vorliegenden Erfindung, einen supraleitenden
Draht zur Verfügung
zu stellen, der eine vorgegebene Ummantelungsdicke aufweist, wie
beispielsweise eine Isolierschichtstärke von höchstens 200 Mikrometer oder
höchstens
130 Mikrometer, sowie eine Durchschlagspannung von mindestens 500
Volt und eine thermische Beständigkeit
bis wenigstens 700°C
aufweist, und der keine Sicherung der Wicklungen mit Lack oder dergleichen
erfordert.
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Wenn
die Wicklungen nicht mit Lack oder dergleichen gesichert werden,
müssen
die Wicklungen selbstverankernd ausgeführt werden.
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Arten
der ausführbaren
Wicklungsbearbeitung umfassen die oben beschriebene B-Bearbeitung
sowie die in 2 dargestellte DG (Doppelglas) Bearbeitung.
Dies ist ein Ummantelungsverfahren, in welchem zwei Glasgarne alternierend
spiralförmig
gewickelt werden. Im Gegensatz dazu ist die EG (Einzelglas) Bearbeitung eine
andere Art von Wicklungsbearbeitung, in welcher nur ein Glasgarn
spiralförmig
gewickelt wird. In dieser Beschreibung wird dies aus Zweckmäßigkeitsgründen mit
dem allgemeinen Begriff Spiralwicklungsbearbeitung oder G-Bearbeitung
bezeichnet, wobei dies nicht nur für Glasfasern, sondern auch
für Aluminiumoxidfasern
und weitere Fasern gilt.
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Indem
in dieser G-Bearbeitung feines Glasgarn verwendet und die Steigung
fein gemacht wird, ist es möglich,
die Ummantelungsdichte der Ummantelung zu erhöhen und stabile isolierende
Eigenschaften zu erzielen. Die G-Bearbeitung ist jedoch kein selbstverankerndes
Wicklungsverfahren und kann deshalb nicht verwendet werden.
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Der
Erfinder der vorliegenden Erfindung erdachte sich eine Kombinations-Ummantelung, in welcher eine
mittels B-Bearbeitung gebildete Ummantelungsschicht mit einer mittels
G-Bearbeitung gebildeten Ummantelungsschicht kombiniert wird.
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Wenn
jedoch im Fall eines SLD die B-Bearbeitung und die G-Bearbeitung
mit herkömmlichen
Fasern einfach miteinander kombiniert werden, wird nur die Gesamtdicke
der Ummantelung größer, und
es wurde festgestellt, daß die
Verbesserung der isolierenden Eigenschaften dieselbe war, wie die
einer dickeren Ummantelung.
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Außerdem war
sogar mit der gleichen Dicke wie in der Vergangenheit die Dichte
der Ummantelungsschicht selbst geringer als diejenige für den Fall,
in dem die G-Bearbeitung alleine ausgeführt wurde. Insbesondere wird
vorhergesagt, daß sich
der Isolationswiderstand um diesen Betrag vermindert. Hinzu kommt,
daß nur
eine geringe Verbesserung vorhergesagt wird verglichen mit dem Fall,
in welchem die herkömmliche
B-Bearbeitung alleine verwendet wird. Außerdem findet im Gegensatz
zur B-Bearbeitung im Fall der herkömmlichen G-Bearbeitung eine
dicke Wicklungsbearbeitung statt, und es ist denkbar, daß Probleme
in Bezug auf die Biegeeigenschaften entstehen können.
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Hierzu
hat der Erfinder der vorliegenden Erfindung die oben beschriebenen
Punkte insgesamt und einzeln studiert, um solche Probleme zu lösen. Zuerst
konzentrierte er sich auf die thermische Beständigkeit und die Isolationseigenschaften
der Ummantelungsfasern und strebte die Erfüllung der oben genannten Ziele
mittels Drahtummantelung an, und dann stellte er durch weitere Untersuchungen
folgendes fest.
- (1) Wenn eine nur mittels B-Bearbeitung
erzeugte Ummantelung, wie sie an herkömmlichen ummantelten Drähten zu
sehen ist, auf supraleitenden Drähten
angewendet wird, ist es schwierig, mit dem Ummantelungsgarn eine
Ummantelung hoher Dichte zu erzielen, denn es findet ein Überlappen
des Garns im Netzwerk statt, und an diesen Stellen können Spalten
gebildet werden. Folglich war es schwierig, gute isolierende Eigenschaften
zu erzielen.
- (2) Es ist nicht praktikabel, einfach die Gesamtdicke der Ummantelung
zu erhöhen,
um die isolierenden Eigenschaften zu verbessern. Wenn die Ummantelung
mit einem feineren Ummantelungsgarn ausgeführt wurde, entwickelte das
Ummantelungsgarn eine Flexibilität,
die im Fall von Garnen herkömmlicher
Dicke nicht festgestellt wurde, so daß auch beim Wickeln direkt
auf dem Draht die Ummantelung eine gute Anpassungsfähigkeit
an die Oberfläche
des supraleitenden Drahtes aufwies, und keine Lockerung der Wicklung
stattfand, und es wurde festgestellte, daß eine Erhöhung der Dichte möglich war.
Dies ist bei der DG-Bearbeitung
besonders wirksam, und es resultiert die Möglichkeit, Verminderungen der
Dicke der Ummantelungsschicht zu realisieren.
- (3) Wenn B-Bearbeitung unter Verwendung feinerer Garne dafür eingesetzt
wurde, war es einfach und zuverlässig,
die isolierende Ummantelungsschicht zu erzeugen, und auch wenn der
supraleitende Draht gebogen wurde, wurde er nicht freigelegt.
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Das
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, hier eine Ummantelung hoher
Dichte zu realisieren, mit Ummantelungsgarnen, die nicht zu dick
sind, indem die Ummantelungsdicke auf höchstens eine vorgegebene Dicke
heruntergesetzt wird, wie zum Beispiel höchstens 200 Mikrometer oder
höchstens
130 Mikrometer. Das Ergebnis hiervon ist ein ummantelter supraleitender
Draht vom Typ, der eine Ummantelungsschicht von höchstens
einer vorgegebenen Dicke aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ummantelungsschicht
gebildet wird aus einer ersten Ummantelungsschicht gebildet durch
spiralförmige
Wicklungsbearbeitung und einer zweiten Ummantelungsschicht, die
auf der ersten Ummantelungsschicht mittels Beflechtungsbearbeitung
gebildet wird, mit einer Wärmebehandlung
bei hoher Temperatur, die vorzugsweise nach der Ummantelung ausgeführt wird.
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Aus
einer anderen Sichtweise ist die vorliegende Erfindung außerdem ein
ummantelter supraleitender Draht vom Typ, der eine Ummantelungsschicht
von höchstens
einer vorgegebenen Dicke aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ummantelungsschicht
gebildet wird aus einer ersten Ummantelungsschicht, die aus Glasfasern
oder Aluminiumoxidfasern durch spiralförmige Wicklungsbearbeitung
gebildet wird, und einer zweiten Ummantelungsschicht, die aus Glasfasern
oder Aluminiumoxidfasern auf der ersten Ummantelungsschicht mittels
Beflechtungsbearbeitung gebildet wird, mit einer Wärmebehandlung
bei hoher Temperatur, die vorzugsweise nach der Ummantelung ausgeführt wird.
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In
der vorliegenden Erfindung kann das Ummantelungsgarn ein Einzelstrang
sein oder es kann ein Doppelstrang oder eine Vielzahl von Strängen oder
ein verdrilltes Garn sein. Vorzugsweise wird Doppelgarn für die spiralförmige Wicklungsbearbeitung
und verdrilltes Garn für
die Beflechtungsbearbeitung eingesetzt. In einer anderen Ausführungsform
werden in der Beflechtungsbearbeitung gemischte Fasern aus Glasfasern
und Aluminiumoxidfasern, vorzugsweise je zur Hälfte, verwendet.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird die durch die oben beschriebene
spiralförmige
Wicklungsbearbeitung gebildete erste Ummantelungsschicht mit hoher
Dichte mittels Doppelgarn-Spiralwicklungsbearbeitung
gewickelt, das heißt
mittels DG-Bearbeitung. In dieser Ausführungsform kann das eine der
zwei Garne aus Glasfasern bestehen und das andere kann aus Aluminiumoxidfasern
bestehen.
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In
einer zusätzlichen
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird die mittels der oben beschriebenen
spiralförmigen
Wicklungsbearbeitung gebildete erste Ummantelungsschicht aus Glasfasern
gebildet, und die mit der oben beschriebenen Beflechtungsbearbeitung
gebildete zweite Ummantelungsschicht wird aus Aluminiumoxidfasern
gebildet.
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Kurze Erläuterung der Zeichnung
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1(a) ist eine erläuternde Ansicht der herkömmlichen
Beflechtungsbearbeitung für
SLD, und 1(b) ist eine erläuternde
Ansicht des ummantelten SLD gemäß der vorliegenden
Erfindung, der mittels einer Kombination der Spiralwicklungsbearbeitung
und der Beflechtungsbearbeitung gebildet ist.
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2 ist
eine erläuternde
Ansicht der DG-Bearbeitung.
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3 ist
eine erläuternde
Ansicht der B-Bearbeitung.
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4 ist
eine erläuternde
Ansicht der Durchschlagspannungsmessung
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5 ist
eine erläuternde
Ansicht der Isolationswiderstandsmessung
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Beste Ausführungsform der Erfindung
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Indem
in der vorliegenden Erfindung eine Doppelstruktur verwendet wird,
wobei die B-Bearbeitung auf der G-Bearbeitung ausgeführt wird,
in welcher die Ummantelung durch spiralförmiges Wickeln von Glasgarn ausgeführt ist,
das beispielsweise einen Durchmesser von höchstens 0,06 mm hat, kann die
Ummantelungsdichte der Ummantelung erhöht werden und es können stabile
isolierende Eigenschaften erzielt werden. Die Unterschiede gegenüber der
Struktur einer herkömmlichen
Ummantelungsschicht, die nur mittels B-Bearbeitung gebildet wird
(1(a)), sind in 1(b) gezeigt.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung, wie in 1(b) dargestellt
ist, wird eine mittels spiralförmigem
Wickeln gebildete Schicht 22 aus Glasfasern oder Aluminiumoxidfasern
auf einem supraleitenden Draht 10 als erste Ummantelungsschicht 20 bereitgestellt
und auf dieser wird eine zweite Ummantelungsschicht 24 mittels B-Bearbeitung
mit Garn 23 aus Glas oder Aluminiumoxid gebildet. Verglichen
mit dem Fall von 1(a) ist zu bemerken,
daß die
Struktur so beschaffen ist, daß die
Dicke der Ummantelungsschicht von 1(a) und
die gesamte Ummantelungsschichtdicke der ersten Ummantelungsschicht
und der zweiten Ummantelungsschicht von 1(b) ungefähr gleich
sind.
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Bei
der G-Bearbeitung wird, wie mit der DG-Bearbeitung in 2 gezeigt
ist, mittels Wickeln mit feinem Glasgarn 16 mit einer feinen
Steigung auf einem supraleitenden Draht 10 durch G-Bearbeitung
die Ummantelungsdichte der Ummantelung erhöht und es können stabile isolierende Eigenschaften
erzielt werden. Wenn die DG-Bearbeitung als G-Bearbeitung eingesetzt
wird, indem als das eine Garn ein Aluminiumoxidgarn und als das
andere Garn ein Glasgarn verwendet wird, kann die Verschlechterung
durch Glasfasern durch die Aluminiumoxidfasern kompensiert und die
thermische Widerstandsfähigkeit
weiter erhöht
werden.
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Wie
in 3 gezeigt ist, wird in der B-Bearbeitung ein supraleitender
Draht 10 ummantelt, beispielsweise mittels Beflechtung
mit zwölf
ummantelnden Garnen 18, so daß die Ummantelungsdichte gering
aber die Stärke
der Ummantelung hoch ist, die Oberfläche glatt ist und die Ummantelung
selbstverankernde Eigenschaften aufweist.
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In
der B-Bearbeitung können
Glasgarn und Aluminiumoxidgarn gemischt werden, beispielsweise indem
die Beflechtung je zur Hälfte
mit diesen erfolgt. Die erreichbaren Auswirkungen sind, daß nicht
nur eine Widerstandsfähigkeit
gegenüber
hohen Temperaturen erzielt werden kann, indem die thermische Widerstandsfähigkeit
des Glases durch das Hinzufügen
der Aluminiumoxidfasern verstärkt
wird, sondern auch die Kosten der Aluminiumoxidfasern können durch
die Glasfasern reduziert werden.
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SLD
wird normalerweise in Spulenform verwendet, weshalb eine Ummantelung
benötigt
wird, die eine gute Biegefähigkeit
und eine glatte Oberfläche
aufweist. Bei der vorliegenden Erfindung wird die Gesamtdicke der
Ummantelungsschicht unterhalb einer vorgegebenen Dicke, wie etwa
höchstens
200 Mikrometer oder höchstens
130 Mikrometer, gehalten, und zuerst wird die G-Bearbeitung angewendet und auf dieser
wird die B-Bearbeitung ausgeführt,
um die Nachteile der G-Bearbeitung zu überwinden, womit eine glatte
Ummantelungsoberfläche
erzielt wird.
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In
Fall der vorliegenden Erfindung wird insbesondere eine mittels B-Bearbeitung gebildete
Ummantelungsschicht nicht einfach als eine isolierende Ummantelungsschicht
genutzt, sondern sie wird als Verankerungsmittel genutzt für die darunter
liegende, mittels G-Bearbeitung gebildete Ummantelungsschicht.
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Andererseits
verhindert eine mittels G-Bearbeitung gebildete Ummantelungsschicht,
ebenso wie die durch G-Bearbeitung gebildete Ummantelungsschicht,
das Verrutschen der mittels B-Bearbeitung gebildeten oberen Ummantelungsschicht,
und es wird der unerwartete Effekt erzielt, daß die Verankerung durch die
obere mittels B-Bearbeitung gebildete Ummantelungsschicht verstärkt und
die Ummantelung noch weiter verstärkt wird.
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Auch
in der Vergangenheit wurden Bereiche von Widerstandsdrähten und
Kompensationsdrähten
mittels einer Kombination von DG- und B-Bearbeitung ummantelt. Jedoch
hatte in diesen Fallen die Ummantelung eine ziemlich große Dicke
von 200-400 Mikrometer, es wurde Lack in die Ummantelungsschicht
eingebrannt und die Ummantelungsschicht wirkte nur als ein Abstandshalter.
Ferner wurden in herkömmlichen
Beispielen die isolierenden Eigenschaften von den Eigenschaften
des Lacks bestimmt.
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Bezüglich dieses
Punkts, werden im Fall der vorliegenden Erfindung die isolierenden
Eigenschaften nur durch die isolierende Schicht bestimmt, so daß mit einer
mittels G + B-Bearbeitung gebildeten Ummantelungsschicht eine stabile
Ummantelung hoher Dichte mit selbstverankernden Eigenschaften und
ausgezeichneten Biegeeigenschaften und einer glatten Oberfläche realisiert
wird.
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Wie
bereits erwähnt,
wird bei supraleitenden Drähten
kein Lack verwendet, weil Lack während
der Herstellung eines supraleitenden Magneten verkohlen würde und
somit die Ursache einer Verschlechterung der Isolationseigenschaften
wäre. Entsprechend
schließt
auch die vorliegende Erfindung, durch die Einschränkung der "Verwendung für supraleitenden
Draht", eine solche
Verwendung von Lack aus.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird eine erste Ummantelungsschicht mit
Glasgarn gebildet und eine zweite Ummantelungsschicht wird mittels
B-Bearbeitung und Verwendung von Aluminiumoxidgarn gebildet. Aluminiumoxidgarn
weist eine hohe thermische Beständigkeit
auf und insbesondere ausgezeichnet gute thermische Beständigkeit
bis 1200°C,
und insbesondere ist das Verhalten in Bezug darauf ausgezeichnet,
daß keine
Verschlechterung während
der Wärmebehandlung
bei hoher Temperatur bei der Herstellung von SLD beobachtet wird.
Insbesondere wenn die zweite Ummantelungsschicht mittels B-Bearbeitung
gebildet wird, entstehen keine Probleme beim erneuten Wickeln und
es entsteht der ausgezeichnete Effekt, daß das erneute Wickeln leicht
wird.
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Infolge
der doppelten Bewicklung wird auf diese Weise gemäß der vorliegenden
Erfindung die Haltbarkeit (Abnutzungsbeständigkeit) der isolierenden
Ummantelung erhöht.
Dies erleichtert die Handhabung für diejenigen, die sie einsetzen
müssen,
und es vereinfacht die Qualitätskontrolle.
Zusätzlich
war in der Vergangenheit hohe Sorgfalt bei der Handhabung und Bewicklung
des supraleitenden Drahtes erforderlich, wohingegen durch die Anwendung
einer Doppelbewicklungsstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung
es auch nicht schadet, wenn die Handhabung etwas grob ist, und die
zuvor nicht möglich
gewesene erneute Wicklung wurde ermöglicht. Ferner entsteht ein
ausgezeichneter Vorteil beim tatsächlichen Einsatz, indem Transportprobleme eliminiert
sind.
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Insbesondere
war in der Vergangenheit die Festigkeit der Ummantelung gering,
und beim Versuch, beim Aufspulen verschlissene Wicklungen neu zu
wickeln, wurde die Ummantelung zerrissen, so daß die nochmalige Bewicklung
schwierig war.
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Mit
supraleitenden Drähten
ist es nicht möglich,
leicht schlechte Bereiche auszuschneiden und zu ersetzen, wie dies
mit gewöhnlichen
elektrischen Drähten
möglich
ist. Beispielsweise können
bei einer 2000 Meter langen Spule mit einem Defekt an einer Stelle
entlang dieser Strecke die 2000 Meter nicht mehr verwendet werden.
Für eine
Reparatur sind eine besondere Technologie und Einschränkungen
erforderlich.
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Supraleitende
Drähte
weisen eine runde oder eine flache Querschnittsform auf. Insbesondere
im Fall eines flachen Drahtes berührt die Ummantelung die Ecken
des Leiters, und wegen des Abriebs und anderer solcher Effekte zwischen
benachbarten Leitern, die durch Vibrationen verursacht werden, entstehen
Problemfälle,
in denen die Ummantelung stark aufgerissen wird.
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Es
ist auch eine hohe Genauigkeit beim Aufspulen supraleitender Drähte erforderlich.
Wenn beispielsweise die Anzahl der Wicklungen einer Spule um nur
eins zu klein ist, sind die Eigenschaften am Ende verändert und
die Spule muß neu
gewickelt werden. Das Neuwickeln ist jedoch wie oben gesagt schwierig,
daher mußte
in vielen Fällen
die gesamte Länge
der Ummantelung abgestreift und die Ummantelung sowie die Wicklung
der Spule mussten nochmals ausgeführt werden.
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Entsprechend
der vorliegenden Erfindung sind solche Probleme des Stands der Technik
effektiv beseitigt.
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Beispiele
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Beispiel 1
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Um
den größten Vorteil
der vorliegenden Erfindung zu belegen, nämlich die stabilen Isolationseigenschaften,
wurde eine Prüfung
zur Bewertung der Isolationseigenschaften unter Standardbedingungen
mit einem elementaren Drahttyp ausgeführt: Cp-Draht, Glastyp: E-Glas,
wobei der elementare Drahtdurchmesser (D), der Faserdurchmesser
(d) und die Ummantelungsdicke (Δc)
die Werten D = 1,25 mm, d = 5 Mikrometer und Delta Δc = 75 Mikrometer
haben.
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Ummantelungsbedingungen
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(1) DG + B-Bearbeitung
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- DG-Bearbeitung: Vier Einzelgarne mit einem Strangdurchmesser
der Garnnummer 450 wurden verdoppelt und dann wurde spiralförmig von
oben nach unten gewickelt.
- B-Bearbeitung: Vier Einzelgarne mit einem Strangdurchmesser
der Garnnummer 900 wurden zu einem Strang verdoppelt und dann wurden
zwölf Stränge verflochten.
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(2) B-Bearbeitung
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Zwei
Einzelgarne mit einem Strangdurchmesser der Garnnummer 450 wurden
verdrillt, um einen Strang zu bilden, und dann wurden zwei solche
Stränge
verdoppelt, um einen neuen Strang zu bilden, und zwölf solche
Stränge
wurden verflochten.
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Durchschlagsspannung-Vergleichstest
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(1) Prüfverfahren
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Unter
Standardbedingungen und ummantelten Bedingungen, wie in 4 dargestellt,
wurde ein Prüfmaterial
in der Form eines SLD mit Aluminiumfolie umwickelt, der SLD und
die Aluminiumfolie wurden mit einer Durchschlagspannung-Meßvorrichtung
verbunden und die Durchschlagspannung jedes der Prüfmaterialien wurde
gemessen.
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(2) Prüfergebnisse
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Die
Prüfergebnisse
sind in der Tabelle 1 dargestellt.
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Da
eine erste Ummantelungsschicht mittels DG-Bearbeitung gebildet wurde,
verglichen mit einer herkömmlichen
Ummantelung, die nur mit B-Bearbeitung gebildet wird, wurde festgestellt,
daß die
resultierende, mittels DG + B-Bearbeitung gebildete Schicht eine
weitere Verbesserung bezüglich
der guten Isolationseigenschaften aufweist, die eine Stärke der
DG-Bearbeitung sind und die fast 1,5fach so groß wurden. Die Dicke der gesamten
Ummantelung hatte den gleichen Wert von 75 Mikrometer, so daß gesagt
werden kann, daß eine solche
Verbesserung der Isolationseigenschaften der synergetische Effekt
der DG + B-Bearbeitung
ist. Tabelle 1
| Aufbau
der Ummantelung | Durchschlagspannung
(V) |
| DG
+ B-Bearbeitung | 580-640 |
| B-Bearbeitung | 370-430 |
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Isolationswiderstand-Vergleichstest
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(1) Prüfverfahren
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Der
Isolations-Widerstand wurde unter Standardbedingungen und unter
ummantelten Bedingungen gemessen.
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Um
die Bedingungen während
des tatsächlichen
Einsatzes nachzubilden, wurden wie in 5 gezeigt zusätzlich Prüfmaterialien
in Form von zwei ummantelten SLD zubereitet, wobei der erste Draht
auf einen Spulenkörper
gewickelt wurde, um eine erste Schicht zu bilden, und der nächste Draht
auf diese gewickelt wurde, um eine zweite Schicht zu bilden, wobei
dann ein Strom zwischen den beiden isolierten ummantelten SLD angelegt
und der Wert des Isolationswiderstandes gemessen wurde.
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(2) Prüfergebnisse
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Die
Prüfergebnisse
sind in der Tabelle 2 dargestellt.
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Durch
die Verwendung einer ersten Ummantelungsschicht, die wie in der
vorliegenden Erfindung mittels DG-Bearbeitung gebildete wurde, nimmt
die Ummantelungsdichte der Ummantelung zu, wobei der Wert des Isolationwiderstandes
ungefähr
das zweifache des Wertes im herkömmlichen
Fall mit nur der B-Bearbeitung beträgt, und wobei außerdem stabile
Isolationseigenschaften erzielt werden. Durch die Verwendung der B-Bearbeitung
für die
zweite Ummantelungsschicht, wird außerdem der Verschleiß der Oberfläche der
Ummantelung, der ein Nachteil der DG-Bearbeitung ist, vermieden,
so daß auch
im Fall des Krümmens
zur Form einer Spule eine glatte Ummantelungsoberfläche erzielt
werden kann. Auch im vorliegenden Beispiel betrug die Gesamtdicke
der Ummantelung den gleichen Wert von 75 Mikrometer, so daß gesagt
werden kann, daß ein
solcher Effekt der synergetische Effekt der DG + B-Bearbeitung ist.
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R
1 ist die Differenz zwischen dem Maximalwert
und dem Minimalwert und zeigt die Streuung der Prüfwerte,
während
R
2 dies in Form eines Prozentsatzes zeigt. Tabelle 2
| | Einheit:
MΩ |
| Testlauf
Nr. | DG
+ B-Bearbeitung | B-Bearbeitung |
| 1
2
3 | 1033
1183
1183 | 584
469
508 |
| Mittelwert
R1
R2 (%) | 1133
150
14 | 520
115
25 |
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Vergleich der Funktionen der DG + B-Bearbeitung
in verschiedenen Anwendungen
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Eine
mittels Wickeln von Glasgarn erhaltene (G + B) Bearbeitung mit doppeltem
Aufbau wird bereits zur Ummantelung gewöhnlicher elektrischer Drähte, wie
Widerstandsdrähte
und Kompensationsdrähte,
verwendet, sie wurde jedoch bisher noch nicht zur Ummantelung von
SLD eingesetzt. Zusätzlich
gibt es einen großen
Unterschied in den Eigenschaften der Ummantelung im Vergleich zur
Doppelummantelungs-Bearbeitung für
SLD gemäß der vorliegenden
Erfindung. Die Unterschiede in den Eigenschaften einer mittels G
+ B-Bearbeitung erzeugten Ummantelung für SLD und für herkömmliche Teile sind in Tabelle
3 gezeigt.
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Wie
aus Tabelle 3 ersichtlich, ist der Unterschied in den Eigenschaften
einer mittels G + B-Bearbeitung gebildeten doppelten Ummantelungsstruktur,
wenn sie wie in der vorliegenden Erfindung auf SLD angewendet wird
und wenn sie auf Widerstandsdraht und Kompensationsdraht angewendet
wird, entsprechend der vorgesehenen Verwendung.
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Während der
Herstellung von SLD erfolgt ein Schritt mit Wärmebehandlung bei einer hohen
Temperatur, so daß eine
gute thermische Beständigkeit
vorliegen muß.
Außerdem
liegen Anwendungen in starken Magnetfeldern vor, so daß stabile
Isolationseigenschaften erforderlich sind. Die Herstellung ist jedoch
nicht besonders kompliziert, so daß keine besondere Bearbeitungsfähigkeit
erforderlich ist.
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Andererseits
ist die Herstellung herkömmlicher
Widerstandsdrähte
und Kompensationsdrähte
kompliziert, so daß eine
Ummantelung mit hoher Bearbeitungsfähigkeit erforderlich ist. Eine
Herstellung und ein Einsatz bei hohen Temperaturen finden jedoch
nicht statt, so daß keine
besondere thermische Beständigkeit
erforderlich ist.
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Entsprechend,
war es von einem realen Standpunkt aus nicht offensichtlich die
G + B-Bearbeitung zu kombinieren, um die Isolationseigenschaften
von SLD zu verbessern, und es kann gesagt werden, daß die oben
beschriebene Verbesserung der Isolationseigenschaften um einen Faktor
von 1,5 bis 2 bei gleicher Ummantelungsdicke ein unerwarteter Effekt
ist. Tabelle 3
| | Supraleitender
Draht | Herkömmliches
Produkt |
| Spiralförmige Wicklung
(DG) | Garantiert
isolierende Eigenschaften sowie die Fähigkeit, Abweichungen klein
zu halten | Das Ummantelungsgarn
wirkt als Abstandshalter, Isolationseigenschaften gegeben durch
gebrannte Beschichtung |
| Beflechtung
(B) | Schützt die
spiralförmige
Wicklung, garantiert Glattheit der Oberfläche |
| Thermische
Beständigkeit | Hoch,
nur wegen Glasfasern (wenigstens 800°C) | Niedrig
(um 150°C),
wegen Verwendung gebrannter Beschichtung |
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Beispiel 2
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In
diesem Beispiel wurde Beispiel 1 wiederholt, jedoch wurde bei der
Bildung der zweiten Ummantelungsschicht Glasgarn durch Aluminiumoxidgarn
mit der gleichen Garnnummer ersetzt.
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Die
Isolationseigenschaften eines in dieser Weise hergestellten ummantelten
SLD wurden ausgewertet, wobei die Ergebnisse jedoch gegenüber Beispiel
1 unverändert
waren.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird die zweite Ummantelungsschicht auf der unteren Schicht
vorgesehen, die mittels G-Bearbeitunggebildet wird, so daß wegen
des resultierenden Verankerungseffekts keine Lockerung oder Abtragung
der mittels B-Bearbeitung gebildeten oberen Schicht stattfindet,
so daß die
Häufigkit
der Notwendigkeit einer Neuwicklung während der Herstellung einer
Spule aus supraleitendem Draht deutlich verringert ist.
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Möglichkeit
des industriellen Einsatzes
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In
dieser Weise wird gemäß der vorliegenden
Erfindung, mit einer Ummantelungsdicke von höchstens 130 Mikrometer und
bei Verwendung eines ummantelten Drahtes von höchstens 0,06 Millimeter Durchmesser, eine
Wärmebeständigkeitstemperatur
von 800°C
erreicht und die Durchschlagspannung beträgt dabei mindestens 500 Volt.
Ein ummantelter supraleitender Draht mit solch ausgezeichneten Eigenschaften
war bisher nicht verfügbar. Legende zu den Figuren:
| | Englisch | Deutsch |
| Fig.
2 | | |
| | DG
Treatment | DG-Bearbeitung |
| | | |
| Fig.
3 | | |
| | B
Treatment | B-Bearbeitung |
| | | |
| Fig.
4 | | |
| | Aluminium
Foil | Aluminiumfolie |
| | Test
Material | Prüfmaterial |
| | Breakdown
Voltage Measuring Device | Meßvorrichtung
der Durchschlagspannung |
| | | |
| Fig.
5 | | |
| | Insulating
Resistance Measuring Device | Meßvorrichtung
des Isolationswiderstands |
| | Wire | Draht |
| | Coil
in section | Spule
im Querschnitt |
| | Second
layer | Zweite
Schicht |
| | First
layer | Erste
Schicht |