DE1665554B2 - Kabeiförmiger Supraleiter - Google Patents
Kabeiförmiger SupraleiterInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen kabeiförmigen Supraleiter aus mehreren Drähten aus Hochfeidsupraleitermaterial
mit Überzügen aus einem bei der Betriebstemperatur des Supraleiters gut elektrisch normalleitenden
und gut wärmeleitenden Metall und weiteren Drähten aus einem bei der Betriebstemperatur des
Supraleiters elektrisch normalleitenden und gut wärmeleitenden Metall.
Die insbesondere beim Bau von Supraieitungsmagnetspulen
verwendeten drahtförmigen Hochfeldsupraleiter oder harten Supraleiter, die beispielsweise
aus den supraleitenden intermetallischen Legierungen Niob-Zirkon und Niob-Titan bestehen, weisen elektrische
Instabilitäten auf, die auf magnetische Flußsprünge zurückzuführen sind und örtliche kurzzeitige
a5 Übergänge des Supraleiters vom supraleitenden in
den normalleitendcn Zustand zur Folge haben können. Diese Instabilitäten führen besonders bei größeren
Magnetspulen zu einer starken Siromdegradation, d.h.,die Supraleiter der Spulenwicklung gehen bereits
bei einer wesentlich kleineren Stromdichte in den normalleitenden Zustand über als kurze Proben aus dem
gleichen Material bei gleichem Magnetfeld. Diese Stromdegradation hat einen erhöhten Materialaufwand
zur Erzeugung eines bestimmten Magnetfeldes
zur Folge. Durch Überziehen der Supraleiter mit einem gut elektrisch normalleitenden und gut wärmeleitenden
Metallüberzug kann der Degradationseffekt verringert werden. Ferner kann durch Parallelschaltung
mehrerer Supraleiter, die über ihre gut wärme-
leitenden Normalmetallüberzüge untereinander verbunden sind, zu einem kabeiförmigen Supraleiter
erreicht werden, daß ein kurzzeitig instabil gewordener Einzelleiter durch die Parallelleiter entlastet wird.
Ein solcher kabeiförmiger Supraleiter bleibt somit trotz der Instabilitäten in den Einzeldrähten für einen
fließenden Strom supraleitend. Eine Magnetspule mit einer aus kabeiförmigen Supraleitern aufgebauten
Wicklung geht daher erst bei höheren Stromdichten in den normalleitenden Zustand über als eine Magnetspule,
deren Wicklung aus Einzeldrähten besteht.
Derartige kabeiförmige Supraleiter, bei denen die
Einzeldrähte mit Kupferüberzügen versehen sind, sind bereits bekannt. Ferner ist es bekannt, daß die
Stromtragfähigkeit solcher Kabel weiter erhöht werden kann, wenn zusätzliche Kupferdrähte in das Kabel
eingebaut werden. (Review of Scientific Instruments 36 (1965), Nr. 6, Seiten 825 bis 830.)
Aufgabe der Erfindung ist es, einen kabeiförmigen Supraleiter der eingangs erwähnten Art weiter zu verbessern.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die elektrisch normalleitenden Drähte aus hochreinem
Aluminium mit einer Reinheit von wenigstens 99,99 Gewichtsprozent bestehen.
Die Verwendung von hochreinen Aluminiumdrähten an Stelle der bisher bekannten Kupferdrähte bei
kabeiförmigen Supraleitern ist mit zahlreichen Vorteilen verbunden. Hochreines Aluminium besitzt bei
tiefen Temperaturen, insbesondere bei den für Supraleiter üblichen Betriebstemperaturen von etwa 4,2"
Kelvin, eine höhere elektrische Leitfähigkeit als Kupfer von vergleichbarer Reinheit und eine mindestens
gleich gute Wärmeleitfähigkeit wie Kupfer und ist wesentlich leichter als Kupfer in höchstreiner Form herzustellen.
Ferner ist die magnetische Widerstandsänderung von Aluminium bei tiefen Temperaturen
wesentlich geringer als die von Kupfer, d. h., bei Einbringen in ein Magnetfeld von gleicher Stärke nimmt
der elektrische Widerstand von Aluminium weniger stark zu als der von Kupfer. Beim Übergang der supraleitenden
Drähte des Kabels in den kritischen Zustand durch Überschreiten des kritischen Stromes
kann daher der die Supraleiterdrähte durchfließende Strom von den in das Kabel eingelagerten Aluminiumdrähten
wesentlich leichter ganz oder teilweise übernommen werden als von Kupferdrähten, ohne
ciaß dabei das Supraleitermaterial über die kritische Temperatur beim vorhandenen Magnetfeld erwärmt
v. !.rd. Bei einer geringfügigen Verkleinerung des Stromes
kann dann der Supraleiter wieder den gesamten Strom übernehmen. Dadurch wird ein Abbau der maüiv..
tischen Feldenergie einer Spule, deren Wicklung au·> dem kabeiförmigen Supraleiter gemäß der Erfindung
besteht, verhindert. Die Spule stellt praktisch eme" Kombination aus Supraleitungs- und Kryomagnetspule
dar. Außerdem ist der kabeiförmige Supraleiter eemäß der Erfindung wesentlich leichter als ein
gleichartig aufgebauter kabeiförmiger Supraleiter mit Kupferdrähten, da das Aluminium ein wesentlich geriiiicres
spezifisches Gewicht besitzt als das Kupfer. BeT Verwendung des kabeiförmigen Supraleiters genii-Li
der Erfindung können daher die Gewichte von Supraleitungsmagnetspulen erheblich herabgesetzt
werden. Mit der Gewichtsersparnis geht eine erhebliche Ersparnis an Kühlenergie bzw. Kühlmittel konform.
Zur Abkühlung gleich großer Volumina von Kupfer und Aluminium von der Temperatur des flüssigen
Stickstoffs (etwa 78° K) auf die Temperatur des flüssigen Heliums (4,2° K) ist bei Aluminium etwa
nur die Hälfte der Heliummenge nötig, die bei Kupfer verbraucht wird.
Der entscheidende Vorteil des Aluminiums gegenüber dem Kupfer liegt jedoch in seiner niedrigen Rekristallisationstemperatur,
die mit zunehmender Reinheit abnimmt und je nach Reinheit des Aluminiums /wichen -75° C und +4000C liegt. Bei der
Hcr:.!ci!iing des kabeiförmigen Supraleiters, dessen
supraleitende und normalleitende Einzeldrähte zur Sicherung eines guten elektrisch normalleitenden
Kontaktes sowie eines festen mechanischen Zusammenhalts zwischen den einzelnen Drähten umeinander
verdrillt werden, treten nämlich Kaltverformungen auf. durch welche der elektrische Rest widerstand
der normalleitenden Drähte bei tiefen Temperaturen erhöht wird. Ähnliche Kaltverformungen treten ferner
beim Wickeln einer Supraleitungsspule aus dem kabeiförmigen Supraleiter auf. Wegen der niedrigen
Rekristallisationstemperatur des Aluminiums können beim kabeiförmigen Supraleiter gemäß der Erfindung
die durch die Kaltverformung hervorgerufenen Defekte durch Tempern des Kabels nach seiner Herstellung
oder nach dem Wickein der Supule ausgeheilt und die schädlichen Wirkungen der Kaltverformung
auf den elektrischen Widerstand des Aluminiums beseitigt werden. Bei :iner entsprechenden Behandlung
von kabeiförmigen Supraleitern, die Kupferdrähte enthalten, müßten dagegen wegen der hohen Rekristallisationstemperatur
des Kupfers Temperaturen oberhalb von 600° C gewählt werden. Ein Tempern
bei diesen Temperaturen ist jedoch nicht möglich, da es die Supraleitungseigenschaften der supraleitenden
Drähte des Kabels, die insbesondere aus den supraleitenden intermetallischen Legierungen Niob-Zirkon
oder Niob-Titan bestehen, äußerst nachteilig beeinflussen würde. Zudem heilt bei Aluminium höchster
ίο Reinheit ein wesentlicher Teil der Defekte bereits bei
Raumtemperatur aus, so daß sich ein Tempern gegebenenfalls überhaupt erübrigt.
Als Hochfeldsupraleitermaterial für die supraleitenden
Drähte beim kabeiförmigen Supraleiter gemäß
der Erfindung kommen insbesondere die intermetallischen Legierungen Niob-Zirkon und Niob-Titan in
Frage. Beispielsweise können handelsübliche Drähte aus diesen Materialien mit Kupferüberzügen verwendet
werden.
an Der kabeiförmige Supraleiter kann ferner vorteilhaft
derart ausgebildet sein, daß auch die elektrisch normalleitenden Überzüge der supraleitenden Drähte
aus hochreinem Aluminium bestehen. Bei dieser Ausführungsform besitzen auch die normalleitenden
«5 Überzüge die bereits geschilderten, mit der Verwendung
von Aluminium an Stelle von Kupfer verbundenen Vorteile.
Ferner können vorteilhaft die einander berührenden Aluminiumdrähte und gegebenenfalls die Aluminiumüberzüge
der supraleitenden Drähte durch einen Kaltpreßschweißvorgang metallisch verbunden sein.
Unter Ausnutzung der Weichheit des hochreinen Aluminiums wird dabei ein besonders inniger Kontakt
zwischen den einzelnen Drähten des Kabels erzielt.
Zur Verbindung der Drähte kann beispielsweise das fertige Kabel in geeigneter Weise gepreßt werden.
Dabei werden die Aluminiumdrähte mehr oder weniger stark deformiert.
Da die elektrische Leitfähigkeit und die Wärme-
«,o leitfähigkeit sowie die Duktilität des Aluminiums mit
abnehmendem Verunreinigungsgehalt weiter zunehmen, kann es vorteilhaft sein, für die normalleitenden
Drähte und Überzüge beim kabeiförmigen Supraleiter gemäß der Erfindung noch reineres Aluminium von
einer Reinheit von wenigstens 99,999 Gewichtsprozent zu verwenden.
Der kabeiförmige Supraleiter gemäß der Erfindung kann ferner mit einer elektrisch isolierenden Umhüllung
versehen sein. Diese kann den kabeiförmigen Supraleiter vollständig oder teilweise umgeben, beispielsweise
in Form eines in Abständen um oas Kabel gewickelten Bandes. Von Bedeutung ist dabei lediglich,
daß durch die Isolierung verhindert wird, daß verschiedene Windungen einer aus dem kabelförmigen
Supraleiter bestehenden Spulenwicklung miteinander in elektrisch leitender Verbindung stehen. Spulen
mit Wicklungen aus isolierten Kabeln können besonders schnell erregt werden. Die isolierende Umhüllung
besteht aus einem tieftemperaturbeständigen Isolierstoff, beispielsweise aus einer Folie aus PoIyäthylenterephthalat,
das unter dem Handelsnamen »Mylar« bekannt ist.
Besondere Vorteile besitzt jedoch eine Ausführungsform
des kabeiförmigen Supraleiters gemäß der Erfindung, bei welcher die elektrische Isolation aus
Äluminiumoxyd besteht. Aluminiumoxyd besitzt nämlich bei Zimmertemperatur eine Wärmeleitfähigkeit,
die etwa lOOmal größer ist als die der sonst übli-
:hen organischen Isolationsmaterialien. Bei liefen Temperaturen liegen ähnliche Verhältnisse vor. Der
kabeiförmige Supraleiter mit Aluminiumoxydisolation kann daher wesentlich besser gekühlt werden als
ein Supraleiter mit organischen Isolationsmaterialien. Ferner kann die gegebenenfalls im kabeiförmigen Supraleiter
beim teilweisen oder vollständigen Übergang des supraleitenden Materials in den normalleitenden
Zustand entstehende Wärme besser aus dem kabeiförmigen Supraleiter abgeführt werden. Außerdem
bringt die hohe Temperaturbeständigkeit <ics Aluminiumoxyds Vorteile beim Tempern des kabHförmigen
Supraleiters zur Ausheilung der beim Verkdbelungs- und Wickelprozeß aufgetretenen Kaltverformungen.
Trotz seiner sehr guten Wärmeleitungseigenschaften ist Aluminiumoxyd auch ein ausgezeichneter Isolator.
Beispielsweise können bei einer Temperatur von 20° C bei Aluminium-Eloxalschichten Durchschlagsfestigkeiten
von 90 Volt pro /<m erreicht werden. Die
Aluminiumoxydisolationsschichten können daher relativ dünn gehalten werden. Dicken zwischen wenigen
bis etwa 20 μτη sind ausreichend. Dies ist zur Erzielung
eines hohen Packungsfaktors beim Wickeln einer Magnetspule und für eine gute Wärmeableitung vorteilhaft.
Die isolierende Aluminiumoxydumhüllung kann verschiedenartig ausgebildet sein. Beispielsweise kann
der kabeiförmige Supraleiter mit einer bandförmigen Aluminiumfolie umwickelt sein, die ein- oder beidseitig
anodisch oxydiert ist. Ferner kann der kabeiförmige Supraleiter zunächst mit einem Aluminiumüberzug
versehen werden, der nach dem Aufbringen auf den kabelförmigen Supraleiter anodisch oxydiert
wird. Dieser Überzug kann durch Umwickein des kabelförmigen
Supraleiters mit einem Aluminiumband oder durch galvanische Abscheidung von Aluminium
auf dem kabeiförmigen Supraleiter hergestellt werden Bei der anschließenden anodischen Oxidation
wird der Überzug nur teilweise durchoxydiert, so daß eine Aluminiumschicht zum Schütze der unter dem
Überzug liegenden Drähte des Kabels erhalten bleibt.
Da die Isolationsfestigkeit und die Wärmeleitfähigkeit des Aluminiumoxyds mit wachsender Reinheit
zunehmen, ist es vorteilhaft, auch für die Aluminiumüberzüge, welche die Oxydschicht tragen, Aluminium
von einer Reinheit von wenigstens 99,99 Gewichtsprozent zu verwenden.
Die galvanische Abscheidung der hochreinen Aluminiumschichten kann vorteilhaft mit Hilfe von aluminiumorganischen
Komplexsalzelektrolytbädern erfolgen; hierfür wird ein Schutz nicht begehrt. Insbesondere eignen sich Bäder aus in geeigneten organischen
Lösungsmitteln, z.B. Xylol oder Toluol, gelösten quartären Oniumsalz-Komplexverbindungen
von Aluminiumtrialkylen. Derartige quartäre Oniumsalz-Komplexverbindungen des Aluminiums
sind in der Zeitschrift »Chemie-Ingenieur-Technik«, 1964, Nr. 6, Seite 616 bis 637, und in der deutschen
Patentschrift 1496993 näher beschrieben.
Als Beispiel für ein Aluminierungsbad sei die einen Trimethylbenzylammoniumchlorid-Komplex
des Aluminiumtriäthyls enthaltende Elektrolytflüssigkeit
[(CH3)3(C6H5CH2)Nj Cl-2,2 Al (C2H5V 6
genannt, die bei Temperaturen zwischen 80 und 120° C gute Abscheidungsergebnisse liefert.
Die anodische Oxydation des Aluminiumüberzugs kann vorteilhaft mit Hilfe bekannter Eloxierverfahren in wäßrigen Elektrolytbädern vorgenommen werden. Dabei wird zunächst beispielsweise in einem Oxalsäurebad die Oxydschicht elektrochemisch erzeugt. Darauf folgt ein Verdichtungsprozeß, bei dem die Poren der Oxydschicht geschlossen werden. Gegebenenfalls können die Poren der Oxydschicht zur Erhöhung der Durchschlagfestigkeit vor dem Verdichten mit einem anorganischen oder organischen Pigment oder Isolierlack ausgefüllt werden. Falls die kabeiförmigen Supraleiter für Spulen verwendet werden, bei denen nur geringe elektrische Spannungen auftreten, so daß es auf die Durchschlagfestigkeit nicht in erster Linie ankommt, kann vorteilhaft auf den Verdichtungspro-
Die anodische Oxydation des Aluminiumüberzugs kann vorteilhaft mit Hilfe bekannter Eloxierverfahren in wäßrigen Elektrolytbädern vorgenommen werden. Dabei wird zunächst beispielsweise in einem Oxalsäurebad die Oxydschicht elektrochemisch erzeugt. Darauf folgt ein Verdichtungsprozeß, bei dem die Poren der Oxydschicht geschlossen werden. Gegebenenfalls können die Poren der Oxydschicht zur Erhöhung der Durchschlagfestigkeit vor dem Verdichten mit einem anorganischen oder organischen Pigment oder Isolierlack ausgefüllt werden. Falls die kabeiförmigen Supraleiter für Spulen verwendet werden, bei denen nur geringe elektrische Spannungen auftreten, so daß es auf die Durchschlagfestigkeit nicht in erster Linie ankommt, kann vorteilhaft auf den Verdichtungspro-
J5 zeß verzichtet werden. Die Oxydschicht behält dadurch
ihre Porenstruktur, die wegen der besonders großen Oberfläche für eine gute Kühlung von Vorteil
ist.
Die einzelnen Drähte des kabeiförmigen Supraleiters gemäß der Erfindung können ferner zur Verbesserung
des elektrischen Kontaktes und des Wärmekontaktes zwischen den Drähten mit einer dünnen
Schicht aus einem gut wärmeleitenden Metall mit großer Wärmekapazität und niedrigem Schmelzpunkt
a5 versehen sein. Ferner können die Zwischenräume
zwisenen den einzelnen Drähten wenigstens teilweise mit einem derartigen Metall ausgefüllt sein. Dies kann
dadurch erfolgen, daß man den kabeiförmigen Supraleiter vor dem Aufbringen der Isolationsschicht bzw.
des Aluminiumüberzuges in eine Schmelze aus einem solchen Metall taucht. Als solche Metalle von niedrigem
Schmelzpunkt kommen beispielsweise Blei-Wismut-Legierungen oder Indium-Zinn-Legierungen in
Frage. Diese Legierungen sind zwar bei tiefen Temperaturen supraleitend, gehen jedoch schon in einem
kleinen Magnetfeld in den normalleitenden Zustand über, so daß sie beim Betrieb des kabeiförmigen
Hochfeldsupraleiters praktisch immer elektrisch normalleitend sind. Als besonders geeignet hat sich Indiumerwiesen,dessen
Schmelzpunkt bei 156° C liegt. Bei Indium von einer Reinheit von wenigstens 99,999
Gewichtsprozent ist der elektrische Restwiderstand bei tiefen Temperaturen besonders niedrig. Die Dicke
der dünnen Indiumschichten liegt vorteilhaft in der
Größenordnung von etwa 10~3 mm.
An Hand zweier Figuren soll die Erfindung noch näher erläutert werden.
Fig. 1 zeigt im Querschnitt schematisch und stark
vergrößert eine Ausführungsform des kabelförnitgev Supraleiters gemäß der Erfindung;
Fig. 2 zeigt im Querschnitt schematisch und star!
vergrößert eine weitere Ausführungsform des kabel förmigen Supraleiters gemäß der Erfindung.
Der Kern des in F i g. 1 dargestellten kabelf örmigei
Supraleiters besteht aus den supraleitenden Drähtei 11, beispielsweise aus Niob-Zirkon, die mit Überzü
gen 12 aus einem gut elektrisch normalleitenden uni gut wärmeleitenden Metall, beispielsweise Alumi
nium, überzogen sind. Der Kern des Kabels ist vo elektrisch normalleitenden Drähten 13 umgeben, di
aus hochreinem Aluminium bestehen. Alle Drähte d« Kabels stehen mit ihren Nachbarn in gut elektrisc
normalleitendem Kontakt und gutem Wärmekontak Der isolierende Überzug 14 besteht aus einer Pol]
äthylenterephthalatfolie.
Fig. 2 zeigt einen kabeiförmigen Supraleiter, de
ähnlich aufgebaut ist. Um den Kern des Kabels, d< aus supraleitenden Drähten 21 besteht, die mit gi
elektrisch normallütenden und gut wärmeleitenden Überzügen 22 versehen sind, sind Drähte 23 aus
hochreinem Aluminium angeordnet. Die Zwischenräume 24 zwischen den einzelnen Drähten sind mit
Indium ausgefüllt. Das Kabel ist mit einem Aluminiumüberzug 2S versehen. Dieser Aluminiumüberzug
ist teilweise durchoxydiert, so daß sich an seiner Ober-
fläche eine Aluminiumoxydisolationsschicht 26befin
det.
Die Form des kabeiförmigen Supraleiters gemäl der Erfindung kann von der in den Figuren dargestell
ten abweichen. Insbesondere kann die Anzahl der in Kabel vorgesehenen Drähte und deren geometrisch
Anordnung variiert werden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (14)
1. Kabeiförmiger Supraleiter aus mehreren Drähten aus Hochfeldsupraleitermateria! mit
Überzügen aus einem bei der Betriebstemperatur des Supraleiters gut elektrisch normalleitenden
und gut wärmeleitenden Metall und weiteren Drähten aus einem bei der Betriebstemperatur des
Supraleiters elektrisch normalleitenden und gut wärmeleitenden Metal!, dadurch gekennzeichnet.,
daß die elektrisch normalleitenden Drähte (13) auch hochreinem Aluminium mit einer
Reinheit von wenigstens 99,99 Gewichtsprozent bestehen.
2. Kabeiförmiger Supraleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch normalleitenden
Überzüge (12) der supraleitenden Drähte (11) a>.;s hochreinem Aluminium bestehen.
3. Kabeiförmiger Supraleiter nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die einander berührenden Aluminiumdrähte und gegebenenfalls die Aluminiumüberzüge der supraleitenden
Drähte durch einen Kaltpreßichweißvorgang metallisch verbunden sind.
4. Kabeiförmiger Supraleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
er wenigstens teilweise mit einer elektrisch isolierenden Umhüllung (14) versehen ist.
5. Kabeiförmiger Supraleiter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, da," die Isolation aus
Aluminiumoxyd besteht
6. Kabeiförmiger Supraleitei nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß er mit einer anodisch
oxydierten Aluminiumfolie umwickelt ist.
7. Kabeiförmiger Supraleiter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß er mit einem Aluminiumüberzug
(25) versehen und daß dieser überzug teilweise anodisch oxydiert ist.
8. Kabeiförmiger Supraleiter nach einem der
Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die in den durch anodische Oxydation erzeugten
Oxydschichten vorhandenen Poren vor dem Verdichten mit einem anorganischen oder organischen
Pigment oder Isolierlack gefüllt sind.
9. Kabeiförmiger Supraleiter nach einem der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß
die Oxydschicht Porenstruktur besitzt.
10. Kabeiförmiger Supraleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß
die einzelnen Drähte mit einer dünnen Schicht aus gut wärmeleitendem Metall mit großer Wärmekapazität
und niedrigem Schmelzpunkt versehen sind.
11. Kabeiförmiger Supraleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß
die Zwischenräume (24) zwischen den einzelnen Drähten wenigstens teilweise mit gut wärmeleitendem
Metall mit großer Wärmekapazität und niedrigem Schmelzpunkt ausgefüllt sind.
12. Kabeiförmiger Supraleiter nach einem der Ansprüche 10 und 11, dadurch gekennzeichnet,
daß als gut wärmeleitendes Metall von niedrigem Schmelzpunkt Indium verwendet ist.
13. Kabeiförmiger Supraleiter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Indium
eine Reinheit von wenigstens 99,999 Gewichtsprozent besitzt.
14. Kabeiförmiger Supraleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch seine
Verwendung für die Wicklung einer Supraleitungsmagnetspule.
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