DE2218223C2

DE2218223C2 - Verbundleiter und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE2218223C2
Application number: DE2218223A
Authority: DE
Inventors: David John Warley Worcestershire Sambrook
Original assignee: IMI Kynoch Ltd
Current assignee: IMI Kynoch Ltd
Priority date: 1971-04-15
Filing date: 1972-04-14
Publication date: 1983-12-01
Also published as: JPS6010403B1; GB1387621A; NL7204878A; CA976279A; DE2218223A1; BE782155A; FR2133717A1; IT965634B; FR2133717B1

Description

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Die Erfindung betrifft einen Vcrbundleiter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung dieses Verbundleiters gemäß ^b5 dem Oberbegriff des Patentanspruchs 2.

Aus der DE-OS 19 17 084 und der GB-PS 11 78 115 sind Leiter bekannt, bei denen ein supraleitendes Metall in eine Matrix aus einem bei tiefen Temperaturen normal leitenden zweiten Metall mit sehr guter Leitfähigkeit eingebettet ist, wodurch erreicht werden soll, daß bei einem plötzlichen lokalen Zusammenbruch der Supraleitung die nunmehr schlecht leitende Stelle durch das zweite Metall kurzgeschlossen wird.

Aus der DE-OS 16 65 235 ist ein Leiterstab mit mehreren getrennten supraleitenden Leiteradern innerhalb eines aus normal leitendem Metall bestehenden Körpers bekannt, wobei der Leiterstab in Form einer Röhre vorliegen kann, bei der in einen Hohlzylinder aus normal leitendem Metall (Kupfer) dünne Drähte einer supraleitenden Legierung eingelagert sind.

Aus der DE-OS 15 40 536 ist ein Verfahren zur Herstellungeines kryoleitenden Bündeldrahtes bekannt, bei dem mehrere dünne, gegenseitig isolierte Fasern aus einem kyroleitenden Metall in eine benachbarte, schlecht leitende Metallschicht eingebettet werden. Die Fasern werden vor dem Einbetten in die schlecht leitende Metallschicht so geflochten und verdrillt, daß jede Faser im Verlauf der gesamten Länge des Bündeldrahtes etwa gleiche Strecken jeder Lage innerhalb des Bündeldrahtes einnimmt, und die Fasern und die benachbarten Metallschichten werden metallurgisch miteinander verbunden. Bei den bekannten Kryoleitern erfolgt die Kühlung üblicherweise dadurch, daß die Außenflächen der Kryoleiter gekühlt werden, was jeaoch für viele Anwendungszwecke noch nicht vollständig befriedigend ist.

Aus der DE-AS 14 90 527 ist ein supraleitender Verbunddraht bekannt, der aus dünnen, parallel zueinander und zur Längsachse des Verbunddrahtes verlaufenden, gegenseitig isolierten Fasern aus supraleitendem Metall, deren Durchmesser die Eindringtiefe magnetischer Felder in einen kompakten Körper aus dem supraleitenden Metall nicht wesentlich übersteigt, aufgebaut ist. Bei einem Supraleiter wird üblicherweise eine Anzahl von feinen Fasern aus supraleitendem Metall in eine Matrix aus einem normal leitenden Metall wie Kupfer eingebettet. Im wesentlichen wird der Strom in einem supraleitenden Verbunddraht durch die supraleitenden Fasern geführt, wenn sich der Verbunddraht im supraleitfähigen Zustand befindet. Das normal leitende Metall dient als Träger- oder Matrixmaterial der feinen supraleitenden Fasern und wirkt als Leiter, wenn der Verbunddraht vom supraleitenden in den nicht supraleitenden Zustand übergeht. Durch den Aufbau des aus der DE-AS 14 90 527 bekannten Verbunddrahtes sollen Wechselstromverluste so weit wie möglich vermieden werden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Verbundleiter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zur Verfügung zu stellen, der eine wirksame Kühlung von z. B. Spulenwindungen ermöglicht, bei dem Wirbel- bzw. Querströme über den gesamten Leiter wirksam verhindert werden können und bei dessen Herstellung eine besonders effektive Materialausnutzung möglich ist.

Diese Aufgabe wird durch den im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Verbundleiter mit Hohlleiterstruktur gelöst.

Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung besteht in dem im Patentanspruch 2 gekennzeichneten Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Verbundleite rs.

Die Wand der Röhre kann alternativ aus einer Anzahl von Fasern des ersten Metalls in einer Matrix aus dem zweiten Metall gebildet sein.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindvngsgemäßen Verfahrens wird eine Anzahl von Röhren aus dem zweiten Metall, die ein Bauelement aus dem ersten Metall enthalten, zu dem Verbundhohlleiter zusammengestapelL Bei dieser Ausfuhrupgsform haben die Röhren vorzugsweise hexagonale Form, und jedes Bauelement hat einen solchen Querschnitt, daß es in die entsprechende Röhre hineinpaßt.

Die Innen- und/oder die Außenseite des Verbundhohlleiters kau« mit einer Schicht eines Metalls mit höherem elektrischem Widerstand, vorzugsweise des zweiten Metalls, das mit der Hohlleiterwand metallurgisch verbunden wird, versehen werden.

Das zweite Metali kann ein nichtferromagnetisches Metall sein.

Der Anteil des zweiten Metalls in dem Verbundleiter beträgt vorzugsweise weniger als 5OGew.-°/o und insbesondere weniger als 10%.

Der Widerstand des zweiten Metalls betrag, vorzugsweise mindestens das lOfache und insbesondere mindestens das 40fache des Widerstandes des ersten Metalls. Diese Verhältnisse gelten bei Umgebungstemperaturen, während im Fall der Verwendung des Verbundleiters bei sehr niedrigen Temperaturen, beispielsweise bei Kühlung mit flüssigem Stickstoff oder flüssigem Helium, ein größeres Verhältnis zwischen den Widerstandswerten des zweiten und des ersten Metalls vorliegt. In einer solchen gekühlten Umgebung beträgt der Widerstand des zweiten Metalls vorzugsweise mindestens das 2000fache des Widerstandes des ersten Metalls.

Vorzugsweise ist ferner das erste Metall Kupfer und das zweite Metall eine Legierung aus Kupfer mit 2 bis 30Gew.-% Nickel, eine Titanlegierung oder eine Legierung aus Nickel mit 10 bis 30 Gew.-% Chrom und vorzugsweise mit 20 Gew.-% Chrom.

Vorzugsweise wird das Strecken in Längsrichtung am Anfang durch Strangpressen durchgeführt. Weiterhin wird das Strangpressen vorzugsweise bei einer erhöhten Temperatur, typischerweise zwischen 250 und 1000° C, du rchgef ü h rt.

Die Erfindung wird durch die nachstehenden Beispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

F i g. 1 zeigt einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Verbundhohlleiters.

F i g. 2 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines ^eMs des Verbundhohlleiters nach F i g. 1.

Fig.3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Verbundanordnung für die Herstellung der in Fig. 4 gezeigten Unteranordnung.

Fig.4 zeigt eine perspektivische Ansicht einer gestreckten, stabförmigen Unteranordnung.

Fig. 5 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Unieranordnung mit hexagonaler Form und

Fig. 6 zeigt einen Querschnitt eines weiteren erfindungsgemäßen Verbundhohlleiters.

In Fig. 1 und 2 ist ein Verbundhohlleiter veranschaulicht, der normalerweise verwendet werden würde, wenn es erwünscht ist, Spulenwindungen zu kühlen, beispielsweise bei Elektromagneten, Elektromotoren oder elektrischen Generatoren. Dieser Verbundhohlleiter wird folgendermaßen hergestellt:

In die Außenwand eines Kupferzylinders werden radiale Schlitze eingearbeitet, in die Streifen aus Kupfer-Nickel-Legierung eingesetzt werden. Die Anordnung wird dann in eine Röhre aus Kupfcr-Nickel-Lcgierung hineingebracht und evakuiert; die beiden Enden der Röhre werden mit einem Paar Kupferendplatten abgedichtet (von denen eine einen Nasenstopfen enthält), und die Anordnung wird auf 450 bis 370⁰C erhitzt und über einen Dorn extrudiert. Die Anordnung wird dann in Stücke mit etwa 60 cm Länge geschnitten, und die Mitte der Stücke wird durch maschinelle Bearbeitung entfernt, um die Streifen aus Kupfer-Nikkel-Legierung freizulegen. Eine innere Röhre aus Kupfer-Nickel-Legierung wird dann eingesetzt, und die

i<> Anordnung wird wieder evakuiert, abgedichtet, auf 450 bis 570⁰C erhitzt und wieder extrudieru

Die Endplatten werden dann entfernt, und die Anordnung wird zu einer Röhre mit den gewünschten Abmessungen unter Verwendung eines feststehenden oder losen Ziehstopfens gezogen. Gemäß Darstellung sind die Segmente 1 aus Kupfer die verbliebenen Teile des anfänglich verwendeten Kupferzylinders. Die Zwischenwände 2 sind somit aus den in die Schlitze in dem Zylinder eingesetzten Streifen aus Kupfer-Nickel-Legierung gebildet, und die innere und äußere Hülle 3 und 4 sind aus der anfänglich verwendeten inneren bzw. äußeren Röhre aus Kupfer-Nickel-Legierung gebildet.

Als erstes Metall kann auch Aluminium zusammen

mit bei Temperaturen von flüssigem Stickstoff »Isolato ren« bildenden Kupferlegierungen als zweitem Metall verwendet werden, und ein Beispiel eines Verbundhohlleiters, bei dem Aluminiumlitzen in einer 1% Zinn enthaltenden Kupfer-Zinn-Legierung verwendet werden, ist in Fig. 6 veranschaulicht. Dieser Verbundhohl-

J" leiter wird folgendermaßen! hergestellt: Ein Aluminiumbarren 5 wird in eine Röhre 6 aus der Kupfer-Zinn-Legierung hineingebracht (Fi g. 3); dann werden Endplatten aus Kupfer mit Elektronenstrahlen auf die Röhre 6 geschweißt, worauf der Innenraum unter Vakuum

s"' abgedichtet wird. Die Verbundanordnung wird dann auf 350—450⁰C erhitzt und zur Bildung einer metallurgischen Verbindung zwischen der AuBcnröhre 6 aus Kupfer-Zinn-Legierung und dem Aluminium 5 extrudiert. Die extrudierte Verbundanordnung wird dann zu einer stabförmigen Unteranordnung 7 gezogen (F i g. 4) und abschließend durch ein hexagonales Gesenk geführt, um eine Unteranordnung 8 mit hexagonalem Querschnitt zu bilden. Die stabförmige Unteranordnung 8 (Fig. 5) wird dann in kurze Stücke geschnitten und j innerhalb zweier konzentrischer Röhren 11 und 12 aus Kupfer-Zinn-Legierung gestapelt, wie dies in F i g. 6 gezeigt ist. Der innere Aluminiumdraht 9, der von einer Matrix aus Kupfer-Zinn-Legierung umgeben ist, die durch benachbarte Wände 10 aus Kupfer-Zinn-Legie-

"'" rung gebildet wird, ist daher zwischen der inneren und der äußeren Röhre 11 und 12 aus Kupfer-Zinn-L.egierung angeordnet. Die Anordnung wird wieder evakuiert, abgedichtet, auf 350 bis 450⁰C erhitzt und zur Bildung einer Röhre extrudiert. Die Röhre wird dann

" gezogen, wobei feststehende oder lose Ziehstopfen zur Bildung eines Verbundhohlleiters verwendet werden. Im Bedarfsfall kann dem Verbundhohlleiter bei seiner abschließenden Hindurchführung durch eine Reihe von Gesenken ein rechteckförmiger oder quadratischer

w äußerer Querschnitt gegeben werden. Der Vorteil der Verwendung von Aluminium als erstem Metall besteht darin, daß der erhaltene Verbundleiter einen sehr niedrigen Widerstand bei Temperaturen um den Siedepunkt von flüssigem Stickstoff hat. Dies bedeutet.

daß er bei Temperaturen vorteilhaft verwendet werden kann, die relativ· leicht durch übliche nussigluftgeräte aufrechterhalten werden können. Es ist natürlich weit einfacher, eine Temperatur von 7? K als eine Tempera-

tür von 4.2 K aufrechtzuerhalten, und flüssiger Stickstoff kann als Kühlmittel im großtechnischen Maßstab verwendet werden. Die Verwendung von Aluminiumfasern anstelle von Fasern aus hochreinem Kupfer ist auch dann besonders vorteilhaft, wenn der Verbundleiter bei sehr niedrigen Temperaturen zu verwenden ist, da der Widerstand von hochreinem Aluminium von Raumtemperatur bis etwa 4,2 K in stärkeren Maße abfällt als der Widerstand von hochreinem Kupfer in dem gleichen Temperaturbereich. ι

Weitere Beispiele für das zweite Metall sind Hüttentitan, eine Legierung aus Titan mit 6 Gew.-% Al und 4 Gew.-% V, eine Legierung aus Kupfer mit bis zu 50Gew.-% Nickel, eine Legierung aus Kupfer mit 5 bis 7 Gew.-% Zinn und 0,01 bis 0.02 Gew.% Phosphor, eine Legierung aus Kupfer mit 1 Gew.-ⁿ/o Mangan und J Gew.-% Silicium, eine Legierung aus Kupfer mit IOGcw.-% Mangan und 2Gew.-% Aluminium, eine Legierung aus Kupfer mit 2Gew.-% Nickel und 12Gew.-°/o Mangan, eine Legierung aus Kupfer mit 45 Gew.-% Nickel, 2 Gew.-% Mangan und 22 Gew.-% Zinn und eine Legierung aus Kupfer mit 27,7 Gew.-'Hi Zink, 1,02 Gew.-% Zinn und 0,02 Gew.-% Eisen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

1 Patentansprüche:

1. Verbundleiter mit einer Vielzahl von in Längsrichtung verlaufenden Fasern aus einem nichtferromagnetischen ersten Metall (ilupfer oder Aluminium) mit einem elektrischen Widerstand von weniger als 3 μ Ω/cm bei 0⁰C, wobei jede Faser von den anderen Fasern durch eine Schicht aus einem zweiten Metall getrennt ist, das bei Umgebungstemperatur einen höheren elektrischen Widerstand als das erste Metall hat, und wobei die Fasern mit den benachbarten Metallschichten und die benachbarten Metallschichten benachbarter Fasern metallurgisch miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundleiter die Form einer Röhre hat, deren Wand abwechselnd durch sich in Längsrichtung erstreckende Segmente aus dem ersten und dem zweiten Metall gebildet ist.

2. Verfahren zur Herstellung eines Verbundleiters nach Anspruch 1, bei dem eine Vielzahl von in Längsrichtung verlaufenden Fasern aus einem nichtferromagnetischen ersten Metall (Kupfer oder Aluminium), das bei 0°C einen elektrischen Widerstand von weniger als 3 μ Ω/cm hat, zusammengefügt wird, wobei jede Faser von den anderen Fasern durch eine Schicht aus einem zweiten Metall mit einem höheren elektrischen Widerstand als dem des ersten Metalls getrennt wird, wobei eine Faser aus dem ersten Metall mit einer Schicht aus dem zweiten Metall zur Bildung einer Unteranordnung umgeben so wird, wobei die benachbarten Metallschichten benachbarter Fasern miteinander metallurgisch verbunden werden und dann die Komponenten der Unteranordnung in Längsrichtung gestreckt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die gestreckte Unteranordnung in eine Anzahl von Stücken geschnitten wird und daß diese Stücke zu einem Verbundhohlleiter in der Weise ausgebildet werden, daß dessen Wand eine Vielzahl von abwechselnden Segmenten aus dem ersten Metall ur>d dem zweiten -»o Metall aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von Röhren aus dem zweiten Metall, die ein Bauelement aus dem ersten Metall enthalten, zu dem Verbundhohlleiter zusammengestapelt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Unteranordnung vor dem Strecken in Längsrichtung in einem Behälter untergebracht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter aus dem zweiten Metall gebildet ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Innen- und/oder die Außenseite des Verbundhohlleiters mit einer Schicht des zweiten Metalls, das mit der Hohlleiterwand metallurgisch verbunden w ird, versehen wird.