DE2040298A1 - Elektrische Leiter mit geringen Wechselstromverlusten - Google Patents

Description

• Elektrische Leiter mit geringen Wechselstromverlusten Die Erfindung betrifft elektrische Leiter für Spulen, Energieleitungen und dgl. mit einem flexiblen Träger auf dem sich mindestens eine dünne supraleitende Schicht befindet. Diese Leiter sollen bei zeitlich veränderlicher Strombelastung (gepulste Ströme oder niederfrequenter Wechselstrom) geringe Energieverluste aufweisen.
• Supraleiter können zwar einen Gleichstrom leiten, ohne daß ein elektrischer Widerstand auftritt, doch ist die Belastung mit einem zeitlich veränderlichen Strom mit einer Energiedissipation verbunden. Dies gilt insbesondere für die technisch wichtigen Hochfeldsupraleiter (S. L. Wipf in Proceedings of the 1968 Brookhaven Summer Study on Superconducting Devices and Accelerators Seite 511, herausgegeben von Brookhaven National Laboratory, Upton, New York 1197)) Die Energieverluste, die als Wärme an das zum Betrieb der supraleitenden Bauelemente als Kühlmittel erforderliche flüssige Helium abgegeben werden, bilden eine der Hauptschwierigkeiten für die technische Realisierung und die wirtschaftliche Rentabilität z.B. von großen gepulsten Spulen (P. 1. Smith, a.
• a. 0.> Seite 971).
• Gepulste Spulen werden z. B. für Teilchenbeschleuniger projekttert. Da im Niederfrequenzbereich die Energieverluste pro Periode konstant sind will man sich zunächst mit niedrigen Pulsfrequenzen von maximal 1 Hertz begnügen. Bei der Anwendung von Supraleitern im Bereich technischer Frequenzen ( 50 oder 60 Hz) stnd die Anforderungen bezüglich Minimalisierung der Wechselstromverluste dementsprechend hoher.
• Zum Wickeln von Spulen sind supraleltende Bänder bekannt, die ein normalleitendes Metall (rostfreier Stahl) oder einen Supraleiter (Niobium) der bei höheren rulagnetischen Feldstärken normalleitend wird als Trä#ermaterial verwenden, auf das man mit besonders entwickelten Verfahren supraleitende Schichten aus Nb5Sn aufbringt, das aufgrund seiner Materialeigenschaften sowie der verwendeten Herstellungsverfahren nicht geeignet ist, als Draht oder Band ohne Trägermaterial hergestellt und verarbeitet zu werden. ijber der Nb3Sn-Schicht trägt man noch eine Schicht aus einem Silber oder Kupfer auf, um den Supraleiter gegen FluB-sprünge zu stabilisieren (S. L. Wipf, a.a.O., Seite 595). Eine Abschätzung für projektierte gepulste Spulen ergab, daß die Verluste dieser Bänder um einen Faktor 25 - 50 zu groß sind.
• Neben diesen Nb5Sn-Bändern werden hauptsächlich Drähte aus duktilen Legierungen von Niobium mit Titan verwendet. Aus diesem Material werden insbesondere sogenannte Mehrfachleiter hergestellt Diese bestenen aus einem Litzenbündel das in einer Matrix aus Kupfer eingebettet ist. Zur Reduzierung der Wechselstromierluste hat es sich aufgrund theoretiscner Jberlegungen (P. I. Smith et al., a.a.O.. Seite 91») als vorteilhaft erwiesen, diese Mehrfacnleiter nach folgenden Gesichtspunkten herzustellen: a) Die supraleltenden Einzeldrähte sollen einen möglichst kleinen Durchmesser haben (kleiner 50 #m). Damit erreicht man neben der Reduzierung der Wechselstro,zluerluste auch das eigenstabile Verhalten des Leiters (P. I. Stith et al., a.a.O., Seite 9131.
• b) Das supraleitende Litzenbündel soll schraubenförmig in der Kupfermatrix verlaufen. Die Ganghöhe hängt dabei von dem elektrischen Widerstand zwischen den Einzeldrähten ab. Um größere Ganghöhen verwenden zu können, werden z.T. die Einzeldrähte noch mit einer dünnen Schicht einer schlecht leitenden Legierung überzogen. Bei isolierten Einzeldrähten könnte man theoretisch auf diese schraubenförmige Anordnung Verzichten, ohne die Wechselstromverluste zu erhöhen.
• c) Das Volumenverhältnis Kupfer/Supraleiter wird möglichst klein gemacht.
• Mit diesen Mehrfachleitern wurden relativ geringe Wechselstromverluste erzielt, wenngleich diese z.B. für die projektierten gepulsten Spulen noch immer zu groß sind. Eine Verbesserung dieser Leiter durch eine weitere Verkleinerung der Einzeldrahtdurchmesser (unter 10 #m) ist sehr aufwendig und sonwierig. Außerdem haben diese Mehrfachleiter den prinzipiellen Nachteil, daß man auf die Verwendung duktiler supraleitender Legierungen angewiesen ist. Die kritische Strondichte als Funktion des Magnetfeldes ist jedocn bei den bekannten duktilen Legierungen wesentlich geringer als bei den spröden Verbindungen wie Nb Sn, V Ga, V3S1, NbN.
• 5 Ebenso liegt das kritische Magnetfeld für den jbergang zur Normalleitung bei den duktilen Legierungen wesentlich unter dem der genannten spröden Materialien (R. B. Britton, a.a.0. Seite 449 und D. W. Deis et al., Journal of Applied Phvsics t*O,2155 (1969) 3.
• Außerden haben die bekannten Mehrfachleiter den Nachteil, daß Kupfer oder anderes normalleitendes Material mitverwendet wird und dessen Volumenanteil auch nicht beliebig klein gehalten werden kann. Bei Anwendung größerer Pulsfrequenzen oder von 50 Hz Wechselstrom treten somit neben den Verlusten im supraleitenden Material noch die Wirbelstromverluste im Normalleiter hinzu.
• Der vorlie#:enden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einerseits den vorteil eines Trsger;naterials zu nutzen, wodurch auch nichtdukttle supraleitende Lezierunzen zur Herstellung flexibler Leiter verwendet werden können. ohne daß im Tr germaterial Wechselfelderluste auftreten, andererseits durch geeignete Herstellungsverfahren Leiteranordnungen zu schaffen, die nach theoretischen Betrachtungen und den praktischen Erfahrungen mit den bekannten Mehrfachleitern wesentlich geringere Wechselstromverluste erwarten lassen. Diese Aufgabe wird getnäß der Erfindung dadurch gelöst, daß elektrisch isolierendes Material in Form dünner Fasern oder Bänder als Träger eines Hochfeldsupraleiters verwendet wird und daß das supraleitende Material, und wenn es zweckmäßig erscheint, auch normalleitendes und isolierendes Material in Form dünner Schichten in geeigneter Anordnung aufgebracht wird.
• Die Aufbringung der Schichten kann erfolgen a) durch Aufdampfen im Vakuum b) durch Kathodenzerstäubung c) durch Kathodenzerstäubung bei gleichzeit Ürner Reaktion des aufgestäubten Materials ,Lt der Gasatmosphäre (reactive #puttering), wie es zur Herstellung von supraleitenden Nitriden z. B. NbN, NbZrN, NbTiN verwendet wird, d) durch elektrolytische Abscheidung e) durch Eintauchen in eine metallische Schmelze i.B. zur Herstellung von Diifusionsschichten (Nb 5Sn, V5Ga) f) durch eine Gasphasenreaktion z.B. zur Herstellung von Nb Sn.
• 5 Bei Anwendung der Verfahren d), e), f) muß der Isolator zuvor mit einer metallischen Schicht nach Verfahren a), b), oder c) versehen werden.
• Die theoretischen Forderungen zur Minimalisierung der Wechselstromverluste können gemäß der Erfindung in technisch einfacher Weise erfüllt werden.
• 1) Die Schichtdicken können ohne Schwierigkeit beliebig klein gemacht werden. Auch der Querschnitt des supraleitenden Materials ist bei Verwendung dünner Fasern als Träger genügend klein, um ein eigenstabiles Verhalten des Supraleiters zu gewährleisten. Bei Verwendung eines ban#örmigen Trägers kann man auf diesen eine größere Zahl schmaler Streifen aufbringen.
• 2) Die Forderung nach Verdrillen der supraleitenden Schichten wird bei den Fasern dadurch gelöst, daß es zur praktischen Handhabung ohnehin erforderlich ist, eine Vielzahl solcher Fasern zu einem stärkeren Strang zu verdrillen oder zu verflechten. Für die Verwendung von Bändern werden hierzu unten entsprechende Ausführungsbeispiele beschrieben.
• 3) Auf die Verwendung von normalleitendem Material kann nach der Erfindung im Prinzip ganz verzichtet werden.
• Falls es sich als vorteilhaft erweist, kann das supraleitende Material mit verschiedenen normalleitenden Materialien sowie mit isolierenden Schichten zu Schichtpaketen kombiniert werden, wobei das Volumenverhältnis der einzelnen Schichten praktisch beliebig variiert werden kann.
• Um einen handlichen Leiter zum Wickeln von Spulen zu erhalten, wird man etwa 1000 beschichtete Fasern zu einem drahtförmigen Leiter zusammenfassen und diesen Leiter mit einer Isolierschicht überziehen, die auch die Funktion einer Schutzschicht hat. Verwendet man eine Isolierschicht, die den Leiter nicht vollkommen dicht umschließt, z.B. mittels eines porösen Isoliermaterials, so hat man beim Betrieb des Leiters in superfluidem Helium den weiteren Vorteil, daß die Ktihlflüssigkeit in die feinen Kanäle zwischen den gebündelten Fasern eindringen kann, wodurch eine ideale Wärmeabfuhr an das Kühlmittel erreicht wird.
• Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen bei der Verwendung von bandförmigen Trägern erläutert: Fig. 1: Das Trägermaterial 1 wird mit einer Anzahl schmaler supraleitender Streifen 2 (Dicke etwa 1 Breite ca. 1 mm) beschichtet. Bei gegeneinander isolierten supraleitenden Streifen ist keine Verdrillung zur Reduzierung der Wechselstromverluste erforderlich. Will man auch eine Kupferschicht auftragen, z. B. zur besseren Wärmeabfuhr, so kann man auf den Träger mit den supraleitenden Streifen als zweite Schicht eine dünne Isolierschicht 5 (Dicke ca. 0,1 em) und darüber als dritte Schicht die Kupferschicht 4 auftragen.
• Fig. 2: Die supraleitende Schicht wird in direkten Kontakt mit der normalleiteriden Schicht gebracht. Auf den Träger 1 wird als erstes supraleitendes Material in Form eines Systems schräger Streifen 12 aufgebracht. Darüber wird eine normalleitende Schicht 13 aufgetragen (diese ist nur durch Umrißlinien angedeutet), die sich nicht über die ganze Breite des Trägers erstreckt, sondern die Kontaktflächen 19 frei läßt. Auf diese normalleitende Schicht wird erneut ein supraleitendes Streifensystem 14 aufgebracht, und zwar spiegelbildlich zum Streifensystem 12.
• Damit ergibt sich ein System verdrillter supraleitender Bänder.
• Als Schichtträger für die Erfindung eignet sich ein elektrisch isolierendes Material, das als dünne flexible Faser (Durchmesser z. B. 5-10 turm) oder als dünnes Band (Dicke ca. lo Mm) hergestellt und verarbeitet werden kann. Außerdem ist es günstig, wenn das Trägermaterial einen, den Metallen ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat und eine hohe elastische Zugfestigkeit besitzt. Für einige der angeführten Techniken zur Auftragung von Schichten tritt noch die Forderung nach ausreichender Beständigkeit des Trägermaterials für hohe Temperaturen hinzu. Von den derzeit auf dem Markt erhältlichen Materialien kommen in erster Linie dünne Fasern aus Glas oder Quarzglas in Frage. Folien aus Polyimide und Polyterephthalate erscheinen für einige Herstellungsverfahren ebenfalls geeignet. Schließlich kommen auch Metallbänder als Träger in Frage, die allseitig oder mindestens auf der Seite auf der die supraleitende Schicht aufgebracht wird, isolierend ausgebildet sind.

Claims (14)

1. Patentansprüche

   Elektrischer Leiter für Spulen, Energieleitungen und dergleichen mit einem flexiblen Träger, auf dem sich mindestens eine dünne supraleitende Schicht befindet, d a d u r c h ge k e n n z e i c h n e t , d a ß der Träger elektrisch isolierend ausgebildet ist bzw.

   aus Isoliermaterial besteht.
2. 2) Elektrischer Leiter nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Träger aus einem Quarz- oder Glasfaden bestent.
3. ») Elektrischer Leiter nach Anspruch 1 dadurch #ekennze ichnet ~ daß der Träger aus einem Kunststoffband besteht.
4. 4) Elektrischer Leiter nach Anspruch 1) dadurch gekennzeichnet, daß der Träger aus einem isolierten Metallband besteht.
5. 5) Elektriscner Leiter nach Anspruch 5 oder 4 d a d u r c h g e k e n n z e i c n n e t , d a ß auf dem Träger mehrere getrennte, annähernd parallele Streuen dus Supraleitermaterial angeordnet sind.
6. 6) Elektrischer Letzter nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß sich auf den parallelen Leiterstreifer, eine, bei tiefen Temperaturen isolierende Schicht befindet, und daß sich auf dieser isolierenden Schicht eine normalleitende Schicht befindet.
7. 7) Elektrischer Leiter nach Anspruch f oder lt dadurch gekennzeichnet, daß auf der einen Seite des Bandes ein System von schräg zur Bandlängsrichtung verlaufender Leiterstücke angeordnet ist, daß sich auf dein rlittleren Bereich dieser Leiterstücke eine Trennscnicht aus nicht supraleitendem Material befindet, daß sich auf dieser Trennschicnt ein zweites System von Lelterstücken befindet, das in entgegengesetzten Sinne scarag verläuft wie die Leiterstücke des ersten Systems und daß die Enden der Leiterstücke beider Systeme so elektrisch miteinander verbunden sind, daß sich eine Anzahl verdrillter supraleitender Einzelleiter ergibt.
8. &) Elektrischer Leiter nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß sich auf oder unter der supraleitenden Schicht noch mindestens eine normalleitende Schicht befindet.
9. 9) Verfahren zur Herstellung eines Elektrischen Leiters nach einem der vorhergehenden Ansprüche d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a ß das Supraleitermaterial im Vakuum aufgedampft wird.
10. 10) Verfahren zur Herstellung eines Elektrischen Leiters nach einen der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet , daß das Supraleitermaterial durch Kathodenzerstäubung aufgedampft wird.
11. 11) Verfahren zur Herstellung eines Elektrischen Leiters nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß das Supraleitermaterial durch Kathodenzerstäubung bei gleichzeitiger Reaktion des zerstäub en Materials mit der Gasatmosphäre hergestellt wird.
12. 12) Verfahren zur Herstellung eines Elektriscnen Leiters nach einem der vorhergenenden Ansprüche d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a ß das Supraleitermaterial durch elektrolytische Abscheidung aufgetragen wird.
13. 13) Verfanren zur Herstellung eines Ele#trischen Leiters nach einem der vorhergehenden Ansprüche d a du r c h g en n z e i c h n e t daß das Supraleitermaterlal durch einen Difiusionsprozeß hergestellt wird, und zur in der Welse, daß eine Metallschicht (z. B. Niobium oder funadium) auf den Träger aufgebracht wird und daß man ein anderes Element (z. B. Zinn oder Gallium) in die zuerst außgebrachte Schicht eindiffundieren laBt.
14. 14) Verfahren zur Herstellung eines Leiters nach anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dj ß aus einer Anzahl von monofilen Leitern durch Verdrillen oder Verflechten ein Mehrfachleiter hergestells wird.