DE1690075A1

DE1690075A1 - Zusammengesetzter elektrischer Leiter,insbesondere Supraleiter

Info

Publication number: DE1690075A1
Application number: DE19671690075
Authority: DE
Inventors: Thomas David Brynmor
Original assignee: Science Research Council
Current assignee: Science Research Council
Priority date: 1966-10-31
Filing date: 1967-10-25
Publication date: 1971-04-22
Also published as: US3594226A; CH471481A; FR1556235A; GB1203934A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf zusammengesetzte elektrische Leiter, insbesondere Supraleiter, mit einem nicht-supraleitenden Kern, der mit einer Supraleiterschicht überzogen ist.

Die ersten supraleitenden Spulen, die gebaut wurden, verwendeten Draht, der nur aus supraleitfähigem Material bestand. Eb hat sich jedoch herausgestellt, daß die Leistungsfähigkeit solcher Spulen durch unvorhersehbaren vorzeitigen Übergang des Supraleiters in den normalen (nicht-supraleitenden) Zustand erheblich herabgesetzt bzw. wertgemindert wird. Um dieB zu vermeiden, sind verschiedene Formen von zusammengesetzten elektrischen Leitern verwendet worden. Diese zusammengesetzten Leiter weisen einen Supraleiter auf, der über seine gesamte Länge in dichtem Kontakt mit einem Normalleiter hoher Leit-

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fähigkeit steht, wobei der Normalleiter als Nebenschluß wirkt, wenn eine vorübergehende Instabilität /transient instability/ ein Normalwerden eines Teils des Supraleiters bewirkt. Wenn der Übergangszustand sein Ende gefunden hat, dann wird der normale Teil des Supraleiters wieder supraleitend und der Strom kehrt in ihn zurück. Der Normalleiter ist gewöhnlich Kupfer oder Aluminium.

Wenn eine große Spule ein Magnetfeld von hoher Stärke, . beispielsweise etwa 50 Kilogauß oder mehr erzeugen soll, ist diese Anordnung nicht zufriedenstellend. Das Hauptproblem entsteht, weil das Magnetfeld mechanische Kräfte zur Folge hat, insbesondere Ring- bzw. Ummantelungsbeanspruchungen, die so groß sind, daß eine Deformation des Kupfers (oder Aluminiums) auftritt. Dies ist an sich schon bedenklich, aber noch bedenklicher ist der Umstand, daß der Supraleiter, der im Ver- . gleich zum Kupfer gewöhnlich entweder äußerst spröde bzw. brüchig oder äußerst fest ist, mit aller Wahrscheinlichkeit beschädigt wird oder bricht, wenn sich das Kupfer deformiert.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine neue oder verbesserte Form eines zusammengesetzten elektrischen Leiters zu schaffen.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß der -Erfindung weist der Kern eines zusammengesetzten elektrischen Leiters eine Paser auf, die einen Durchmesser von 5 bis 1 0 Mikron hat.

Vorzugsweise besteht die Faser aus Kohlenstoff, wenn sie

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auch aus Metall bestehen könnte, oder, falls die supraleitfähige Schicht in sich oder von Haus aus stabil ist und
keinen Nebenschluß benötigt, dann kann die Faser auch aus
irgendeinem festen nichtleitfähigen Material bestehen.

Ein erfindungsgemäßes Kabel kann eine Vielzahl bzw. Vielfalt solcher zusammengesetzter Leiter bzw. Verbundleiter aufweisen, welche beispielsweise parallelverlegt, verdrillt oder gewebt sein können, um ein Band bzw. einen Streifen, ein Blatt bzw. eine Fläche oder ein Rohr zu bilden. Die Supraleiter-Schicht kann vor oder nach dem Weben auf die Fasern aufgebracht werden. Wenn die Fasern zu einem Rohr gewebt werden, dann bildet dies zweckmäßig einen Durchgang, durch welchen das kryogene Kühlmittel, das notwendig ist, um den Supraleiter auf der erforderlichen niedrigen Temperatur zu halten, hindurchgeleitet wird.

Der Supraleiter kann aus Niob/Zinn (Hb^Sn) bestehen,
welches auf die Fasern aufgedampft werden kann.

Ausführungsformen der Erfindung

Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung werden nunmehr anhand von Beispielen näher erläutert.

Die Grund- bzw. Hauptausführungsform ist ein zusammengesetzter elektrischer Leiter, der eine mit einem Supraleiter
bedeckte bzw. überzogene Kohlenstoff-Faser aufweist. Eine bevorzugte Faser ist eine solche mit maximaler Zugfestigkeit
und Steifheit„ Solche Fasern bestehen aus kleinen Graphitkristalliten, die mit ihren "a"-Achsen parallel mit der Achse

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der Faser aneinander gebunden sind. Die Faser weist einen Durchmesser von 5 "bis 10 Mikron auf und wird durch·ein Aufdampfungsverfahren mit einer Schicht aUB Niobium/Zinn (Nb,Sn) versehen, die etwa 500 £ dick ist. Die Stärke der Beschichtung kann in weiten Grenzen variiert werden, praktische obere und untere Grenzen scheinen jedoch im Bereich von 10 000 α bzw. 50 A zu liegen.

Bei Gebrauch des zusammengesetzten Leiters bildet die ^ Kohlenstoffaser den Norinalleiter, nach welchem der Strom im Fall einer vorübergehenden Normalität bzw. eines kurzzeitigen Bormalwerdens des Supraleiters übergeht. Der besondere Vorteil einer Kohlenstoffaser ist ihre hohe Zugfestigkeit, ihr hoher Elastizitätsmodul und ihr niedriger spezifischer elektrischer Widerstand bei Temperaturen im Bereich von 4° K, selbst bei Vorhandensein hoher mechanischer Beanspruchung sowie eines Magnetfeldes von hoher Stärke.

Selbstverständlich bildet eine einzige belegte Faser im Normalfall noch keinen brauchbaren Leiter, und in der Praxis wird eine Vielzahl von Kohlenstoff-Fasern verwendet, um ein Kabel zu bilden. Je nach Erfordernis können die Fasern parallel ™ gelegt, verdrillt oder gewebt sein, wie bei einem Gewebe, um so ein Band, einen Schichtkörper oder ein Rohr zu bilden. In den Fällen, bei denen die Kohlenstoff-Fasern gewebt sind, kann die Supraleiter-Schicht vor oder nach dem Weben auf die Kohlenstoff-Fasern aufgebracht werden.

Beispielsweise wird ein Kabel in Form eines gewebten Bandes mit einer Breite von 5 cm und einer Dicke von 0.1 cm aus Kohlenstoff-Fasern von 10 Mikron hergestellt, die jeweils mit

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einer Schicht aus Niobium/Zinn, 500 £ dick, "bedeckt sind. Der Packungsfaktor Leiter/Kabel ist etwa 40$, und ein solches Kabel ist in der lage, einen dtrom von etwa 1 800 Ampere bei 100 Kilogauß oder größere Ströme bei niedrigeren Magnetfeldern zu führen.

Das Weben der Kohlenstoff-Fasern zu einem Rohr ist eine besonders zweckmäßige Anordnung, weil das Rohr den Durchgang bilden kann, durch welchen flüssiges Helium oder irgendein anderes geeignetes kryogenes Medium zirkuliert bzw. in Umlauf versetzt wird, um so den Supraleiter auf der erforderlichen niedrigen Temperatur zu halten. Um eine atarre Spule zu schaffen, wird das Rohr in ein warmaushärtendes polymeres Kunstharz eingekapselt oder eingebettet.

Die Erfindung ist weder auf die Verwendung von Niobium/Zinn als Supraleiter noch auf die Verwendung von Kohlenstoff als Faserstoff bzw. Fasermaterial beschränkt. Somit können die Fasern auch aus Metall bestehen, (wobei "Fasern¹* in diesem Fall sogenannte "whiskers" (Kontaktdrähte) einschließen), vorausgesetzt, daß die Faser geeignete mechanische Eigenschaften und, insbesondere, eine hohe Zugfestigkeit und eine höbe Zugfestigkeit und eine hohe Elastizitätsziffer oder -modul sowie einen niedrigen spezifischen elektrischen Widerstand unter Betriebsbedingungen aufweist. Darüber hinaus können die Fasern, wenn der Supraleiter in sich stabil ist und keinen Nebenschluß« weg benötigt, aus einem nichtleitfähigen Material hergestellt werden, vorausgesetzt, daß es vorgenannte mechische Eigenschaften besitzt.

Die Erfindung betrifft auch Abänderungen der im beiliegenden Patentanspruch 1 uinrissenen Ausführungsform und bezieht sich vor allem auch auf sämtliche Erfindungsmerkmale, die

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im einzelnen — oder in Kombination — in der gesamten Beschreibung und Zeichnung offenbart sind.

Patentansprüche

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Claims

PATENTANWÄLTE Telefon: (02 71)3 2409 DIPL-ING. ERICH SCHUBERT Telearomm-Adr.: Patschub, Siegen Postscheckkonten: DIPL-ING. DIPL-W.-ING. G. ZWIRNER κ 59 Siegen, Postfach 325 Bankkonten= r-. -. ο ΛΛ7 H Deutsche Bank AG., Eiserner Straße 227 A T Filiole Siegen 67 100 Kü/h. Science Research Council... -"— *"— Patentansprücheμ

1. Zusammengesetzter elektrischer Leiter, mit einem nichtsupraleitenden Kern, der mit einer Schicht eines Supraleiters überzogen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern eine Faser aufweist, die einen Durchmesser von 5 bis 10 Mikron hat.

2. Leiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser aus Kohlenstoff besteht.

3. Mehrfachanordnung aus elektrischen Leitern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter in Form eines -Bandes gewebt sind.

4. Mehrfachanordnung aus Leitern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter in Form eines Rohres gewebt sind.

5β Anordnung nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr in Harz eingebettet ist, um ein starres Rohr zu bilden.

•^Mei:C Unterlagen (An. 7 § l Abs. 2 Hr. l r.z_lZ 3 des /^derungsges. v.'- :

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