DE69204764T2 - Verfahren zur Verbindung von einem keramischen Supraleiter mit hoher kritischer Temperatur mit einem Supraleiter auf Niob-Titan Basis. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur mechanischen und elektrischen Verbindung zwischen einem supraleitenden Keramikteil mit hoher kritischer Temperatur und einem supraleitenden Leiter auf der Basis von Niobium-Titan, das insbesondere zur Herstellung von Stromzuführungen bestimmt ist.
• Die Verwendung von Supraleitern oder Hyperleitern mit sehr niedriger Temperatur (z.B. 4,2 K, Temperatur des flüssigen Heliums) erfordert, daß der Strom durch Stromzuführungen von dem Bereich mit Umgebungstemperatur (300 K) bis zum Bereich mit sehr niedriger Temperatur geführt wird.
• Im allgemeinen werden die Stromzuführungen mit Hilfe von Metalleitern hergestellt, die eventuell von den Dämpfen des Tiefsttemperaturfluids gekühlt werden.
• Die sich daraus ergebenden Tiefsttemperaturerfordernisse sind groß und können nicht unter eine bestimmte Schwelle reduziert werden aufgrund der bei einem Metall vorhandenen Verknüpfung zwischen der elektrischen Leitfähigkeit und der Wärmeleitfähigkeit (Gesetz von Wiedemann Franz). Eine Stromzuführung aus Kupfer, die zwischen 4,2 K und 300 K arbeitet und für 1000 A konzipiert ist, führt so 1W in das Helium ab und verwendet die erzeugten Dämpfe für ihre Kühlung. Die Kühl- und Verflüssigungsleistung dieser Dämpfe beträgt dann etwa 3 kWel.
• Nach der Erfindung supraleitender Keramikbauteile mit hoher kritischer Temperatur (Beispiel: 93 K für YBa&sub2;Cu&sub3;O&sub6;,&sub9;) wurde erwägt, gemischte Stromzuführungen herzustellen, die einen Supraleiter zwischen der sehr niedrigen Temperatur (Beispiel 4,2 K) und einer Zwischentemperatur (Beispiel: 77 K, Temperatur des flüssigen Stickstoffs), in Kombination mit einem Metalleiter zwischen der Zwischentemperatur und der Umgebungstemperatur aufweisen.
• Das supraleitende Keramikbauteil hat nämlich den Vorteil, im kontinuierlichen Betrieb keine Wärme durch Joule-Effekt zu erzeugen, und nur sehr wenig Wärme unter bestimmten Bedingungen bei variablem Betriebszustand. Zu diesem Vorteil kommt noch eine geringe Wärmeleitung.
• Die Veröffentlichung "YBaCuO current lead for liquid helium temperature applications" - F. Grivon et al - 1990, Applied Superconductivity Conference, Snowmass Colorado vom 24. bis 28. September 1990, beschreibt ein Beispiel für eine Stromzuführung, bei der man ein Teil aus YBaCuO in Form eines Stabs oder eines Rohrs verwendet.
• Zum Beispiel könnte man die Verwendung eines Stabs aus Keramikmaterial einer Querschnittsfläche von 20 mm² und einer Länge von 10 cm, der 1000 A transportiert, ins Auge fassen. Dieser Stab würde etwa 0,2 W im Helium verbrauchen, kompensiert durch einen Verbrauch von 100 elektrischen Watt in einem Heliumkühler. Dazu käme die Kühlleistung für die metallische Stromzuführung zwischen 77 K und 300 K, die etwa 400 elektrische Watt darstellt. Eine solche Lösung scheint sehr viel günstiger zu sein als die oben erwähnte metallische Stromzuführung zwischen 4,2 K und 300 K.
• Eine Einheit von massiven Stäben aus supraleitendem Keramikmaterial HTc wurde auch in dem Aufsatz von J.L. Wu et al und J.R. Hull et al - 1990 - Applied Superconductivity Conference - Snowmass, Colorado, vom 24. bis 28. September 1990 vorgestellt.
• In den obigen Veröffentlichungen wurde eine Lösung gefunden, um einen Kontakt zwischen dem Teil aus supraleitendem Keramikmaterial YBaCuO und einem Kupferleiter herzustellen. So wird in dem Aufsatz von F. Grivon et al vorgeschlagen, mit Hilfe eines Pinsels auf das Keramikmaterial YBaCuO eine Silber enthaltende Suspension aufzutragen, sie zu trocknen und anschließend bei hoher Temperatur (etwa 930ºC) zu behandeln. Man erhält dann einen niedrigen Kontaktwiderstand in der Größenordnung von 10&supmin;¹³ Ωm². Dann stellt man die Verbindung Silber-Kupfer her.
• Bisher wurde das Problem der Verbindung zwischen dem Keramikmaterial YBaCuO und einem aus mehrdrähtigen Supraleiteradern auf der Basis von Niobium-Titan bestehenden Leiter noch nicht gelöst. Man könnte jedoch in diesem Fall in Betracht ziehen, eine erste Verbindung Kupfer-YBaCuO und eine zweite Verbindung Kupfer-Mehrdrahtader getrennt herzustellen, die man anschließend aneinanderschweißt (das Kupfer kann durch jedes andere gut geeignete Metall ersetzt werden). Das Vorhandensein eines Zwischenteils aus einem Metall mit elektrischem Widerstand zwischen dem Keramikteil YBaCuO und der Mehrdrahtader verursacht jedoch Temperaturverluste des flüssigen Heliums.
• Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, ein Verbindungsverfahren vorzuschlagen, das es ermöglicht, die Verluste so weit wie möglich zu reduzieren und das trotzdem leicht anwendbar bleibt.
• Die vorliegende Erfindung hat ein Verbindungsverfahren zwischen einem supraleitenden Keramikteil mit hoher kritischer Temperatur und einem supraleitenden Leiter mit niedriger kritischer Temperatur zum Gegenstand, wie zum Beispiel einer Mehrdrahtader aus Niobium-Titan, wobei man einen Silberkontakt auf dem Keramikteil vorbereitet, dadurch gekennzeichnet, daß man auf den Kontakt die Mehrdrahtader mit einem Zwischen-Lötmaterial festlötet, dessen Schmelztemperatur unter 300ºC liegt, wobei dieses Material zum Beispiel aus den Blei-Zinn-Legierungen, den Silber- oder Kadmiumlegierungen und dem Wood-Metall ausgewählt wird.
• Diese Lötmaterialien werden bei solchen Temperaturen verwendet, daß die supraleitende Ader während des Verbindungsvorgangs nicht beschädigt wird.
• Es ist besonders vorteilhaft, das Wood-Metall zu wählen, da es bei 4,2 K supraleitend ist.
• Gemäß einer ersten Ausführungsvariante bohrt man ein Loch an einem Ende des Keramikteils, bringt in dieses Loch einen Silberkontakt, und führt anschließend die Mehrdrahtader mit dem Lötmaterial ein.
• Wenn das Lötmaterial das Wood-Metall ist, ist es vorteilhaft, die Ader schräg zu schneiden, um die Kontaktfläche zwischen dem Lot und den supraleitenden Drähte der Ader zu vergrößern. Der Kontaktwiderstand wird dadurch außerordentlich klein.
• Gemäß einer zweiten Ausführungsvariante stellt man den Silberkontakt auf einem Ring der zylindrischen oder parallelepipedischen Außenfläche des Keramikteils her und schlingt die Mehrdrahtader ganz um diesen Ring mit dem Zwischen-Lötmaterial herum.
• In diesem Fall vergrößert man die Übertragungslänge für den Strom zwischen dem Teil und der Ader, so daß daraus global ein geringerer Kontaktwiderstand entsteht. Außerdem vereinfacht die Tatsache, daß man auf der Außenfläche des Teils arbeitet, das Verfahren.
• In den beiden erwähnten Varianten, und insbesondere in dem Fall, in dem das Lot selbst supraleitend ist, ist es vorteilhaft, zum Beispiel durch eine chemische Methode die Matrix zu entfernen, in die die supraleitenden Drähte eingebettet sind. Das supraleitende Lot steht somit in direktem Kontakt mit den Drähten, und es ergibt sich auf diese Weise eine Verbindung Supraleiter-Supraleiter. Der Kontaktwiderstand kann dann Werte der Größenordnung von 10&supmin;¹³Ωm² erreichen.
• Wenn der supraleitende Leiter mehrere zusammengesetzte Drähte enthält, wendet man das erfindungsgemäße Verfahren natürlich auf jeden der Drähte an, unabhängig von der Ausführungsvariante. Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung von nicht beschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispielen hervor.
• Figur 1 zeigt eine teilweise schematische Schnittansicht eines Keramikteils mit einer erfindungsgemäßen Verbindung.
• Figur 2 ist eine schematische Teilansicht eines Keramikteils mit einer erfindungsgemäßen Verbindungsvariante.
• In Figur 1 sieht man das mit einem Loch 5 versehene Ende eines supraleitenden Keramikteils der Art YBaCuO, das sich in einem Milieu mit sehr niedriger Temperatur (4,2 K) befindet. Auf den Wänden dieses Lochs wird ein Silberkontakt 3 hergestellt, vorzugsweise in der in der vorgenannten Veröffentlichung von F. Grivon et al beschriebenen Weise.
• Man führt in das so vorbereitete Loch 5 eine Ader 2 ein, die eine Vielzahl von supraleitenden Drähten aus Niobium-Titan, eingebettet in eine Matrix aus einer Kupfernickellegierung, enthält. Das Ende 6 dieser Ader wurde vorher schräg abgeschnitten. Man führt die Lötung mit Wood-Metall durch, das das Bezugszeichen 4 trägt.
• In Figur 2 hat der Silberkontakt 13 auf der Außenfläche eines Stabs aus Keramik YbaCuO 11 die Form eines Rings. Die supraleitende Ader 12 wird auf diesen Ring gewickelt und mittels eines Lots, wie z.B. einer Legierung auf Silberbasis angelötet, deren Gebrauchstemperatur unter 300ºC liegt.
• Natürlich ist die Erfindung nicht auf die soeben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt.

Claims (5)

1. Verbindungsverfahren zwischen einem supraleitenden Keramikteil (1, 11) mit hoher kritischer Temperatur und einem supraleitenden Leiter (2) mit niedriger kritischer Temperatur, wie zum Beispiel einer Mehrdrahtader aus Niobium-Titan, wobei man einen Silberkontakt (3) auf dem Keramikteil (1, 11) vorbereitet, dadurch gekennzeichnet, daß man auf den Kontakt (3) den supraleitenden Leiter (2) mit einem Zwischen-Lötmaterial (4) festlötet, dessen Schmelztemperatur unter 300ºC liegt.

2. Verbindungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Zwischen-Lötmaterial (4) aus den Blei-Zinn-Legierungen, den Silber- oder Kadmiumlegierungen und dem Wood-Metall ausgewählt wird.

3. Verbindungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ader (2) in ein in das Keramikteil gebohrtes Loch (5) eingeführt wird.

4. Verbindungsverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ader in Bezug auf ihre Achse schräg abgeschnitten wird.

5. Verbindungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Silberkontakt gemäß einem Ring (13) auf der Außenfläche des Teils (11) hergestellt wird und daß die Ader (12) auf diesen Ring gewickelt wird.