CH641290A5 - Verfahren zur herstellung einer supraleiterspule und nach diesem verfahren hergestellte spule. - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Supraleiterspule mit einem Spulenleiter, der einen Träger enthält, der im wesentlichen aus einem Stabilisierungsmaterial besteht und in dem ein Hauptkanal angeordnet ist, in dem wenigstens ein Supraleiterdraht oder ein Supraleiterkabel mit einem Verbindungsmaterial befestigt ist, und eine nach diesem Verfahren hergestellte Spule.
Zur Erzeugung hoher Magnetfelder mit Feldstärken über 10 Tesla, wie sie beispielsweise in der Fusionstechnik benötigt werden, sind Elektromagnetspulen aus supraleitendem Material von grosser Bedeutung, wobei die supraleitenden Spulen sowohl aus Drähten als auch aus Kabeln hergestellt sein können.
Aus der CH-PS 594961 ist ein Supraleiter bekannt, der stufenweise aus Einzelleitern und wenigstens zwei Verkabelungsstufen der Teilkabel besteht. Ein aus Teilkabeln bestehendes Endkabel wird in einen einseitig offenen oder zweiteiligen Kupferprofilleiter eingebettet und mit Lot vergossen. In dem Kupferprofilleiter ist ein Kühlkanal angeordnet, der von Helium durchflössen wird.
Für die Herstellung von für sehr hohe elektrische Ströme geeigneten Supraleitern wird als supraleitendes Material eine intermetallische A15-Verbindung, beispielsweise Nb3Sn, V3Ga oder V3Si, verwendet. Derartige Materialien weisen jedoch den Nachteil auf, dass sie nach Durchführung der Reaktionsglühung, bei der die A15-Verbindung entsteht, sehr spröde sind und nur wenig gebogen und gedehnt werden dürfen, wenn ihre supraleitenden Eigenschaften nicht beeinträchtigt werden sollen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Supraleiterspule gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine nach diesem Verfahren hergestellte Spule anzugeben, bei der nicht schon während des Herstellungsprozesses hohe mechanische Spannungen in den Supraleiterdrähten bzw. -kabeln eingebaut sind, die bei zusätzlicher Belastung durch die Feldkräfte zu einem Verlust der Supraleitereigenschaften führen. Die Aufgabe wird gemäss dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1 gelöst.
Mit dem Verfahren nach der Erfindung wird erreicht, dass Supraleiterdrähte bzw. -kabel, die bereits supraleitende Eigenschaften ohne eine Reaktionsglühung aufweisen, beispielsweise Werkstoffe vom Typ Nb-Ti, bei der Herstellung des Spulenleiters und beim Wickeln der Spule nicht überdehnt werden und infolgedessen selbst bei relativ hohen Stromstärken und den damit verbundenen Feldkräften der supraleitende Zustand erhalten bleibt. Dies gilt um so mehr, wenn noch nicht reaktionsgeglühte Drähte bzw. Kabel der A15-Supraleiter verwendet werden, welche erst nachdem sie in die Form einer Spule gebracht wurden, durch eine Reaktionsglühung ihre supraleitenden Eigenschaften erhalten.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen umschrieben.
Durch die Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 2 wird es ermöglicht, den Hauptkanal homogen und ohne Ausbildung von Hohlräumen mit Verbindungsmaterial zu füllen. Gemäss Anspruch 3 kann das Verbindungsmaterial mit gleichbleibender Viskosität ohne frühzeitiges Erstarren in den Hauptkanal eingebracht werden. Die Anordnung der Füllka2
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näle nach den Ansprüchen 11 und 12 erleichtert das Einbringen des Verbindungsmaterials in den Hauptkanal über die gesamte Länge des Trägers. Die Diffusionsbarriere nach Anspruch 7 verhindert ein Eindiffundieren von Verbindungsmaterial in das Stabilisierungsmaterial, was zu einer Veränderung der elektrischen Eigenschaften der Materialien führen würde. Durch die Ausführung des Trägers nach Anspruch 8 werden einerseits die Wirbelstromverluste im Wechselfeld reduziert, andererseits kann durch Einbringen von hochfestem Material die Zugfestigkeit des Spulenleiters verbessert werden. Durch die Kühlkanäle nach Anspruch 9 wird eine intensive Kühlung durch Kühlkanäle im Inneren des Trägers erreicht. Nach Anspruch 10 erfolgt die Kühlung durch an der Aussenseite des Trägers befestigte Kühlrohre. In den Ansprüchen 13 und 14 sind Stoffe angegeben, die als Verbindungsmaterial verwendet werden können und thermische und elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Sie können ohne Beschädigung der Spulenisolation in den Hauptkanal des Trägers eingebracht werden.
Die Erfindung wird im folgenden durch Ausführungsbeispiele anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert.
Gemäss Figur 1 sind mehrere Supraleiterdrähte 1 bzw. -kabel in ein Verbindungsmaterial 2 eingebettet. Die Supraleiterdrähte 1 bzw. -kabel bestehen aus einer intermetallischen A15-Verbindung, z.B. Nb3Sn, V3Ga oder V3Si. Das Verbindungsmaterial 2 ist thermisch und elektrisch leitend und kann z.B. ein Lot der Verbindung PbSn, SnAg oder ein mit Metallpulver durchsetztes Kunstharzbindemittel sein, dessen Aushärtetemperatur unterhalb der zulässigen Grenztemperatur der Spulenisolation liegt. Die Supraleiterdrähte 1 bzw. -kabel sind zusammen mit dem Verbindungsmaterial 2 in einem Hauptkanal A mit kreisförmigem Querschnitt eines Trägers 3, der einen quadratischen Querschnitt aufweist, angeordnet. Der Träger 3 besteht aus elektrisch und thermisch gut leitendem Material, z.B. Kupfer oder Aluminium. An der Innenwandung des Hauptkanals A ist eine Diffusionsbarriere 5 z.B. eine Tantalschicht angebracht.
Bei dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel befinden sich die supraleitenden Einzeldrähte 1 bzw. -kabel in dem Hauptkanal A eines Trägers 3 mit kreisförmigem Querschnitt. Die Diffusionsbarriere 5 ist in gleicher Weise wie in dem Ausführungsbeispiel gemäss Figur 1 angeordnet.
An der äusseren Oberfläche des Trägers 3 sind Kühlrohre 6 mit Kühlkanälen 7 befestigt.
Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem sich die Supraleiterdrähte 1 bzw. -kabel zusammen mit dem Verbindungsmaterial 2 in einem Hauptkanal A mit rechteckförmi-gem Querschnitt des Trägers 3 befinden. Der Hauptkanal A wird durch entsprechende Anordnung von Stabilisierungskörpern 3 und 4 gebildet. Die Stabilisierungskörper 4 sind mit Kühlkanälen 8 von kreisförmigem Querschnitt versehen. Zwischen Verbindungsmaterial 2 mit Supraleiterdrähten 1 bzw. -kabeln und den Stabilisierungskörpern 3,4 ist eine Diffusionsbarriere 5 angeordnet. Die Stabilisierungskörper 3, 4 weisen quadratischen Querschnitt auf und sind von einem U-förmigen Mantel 9 aus Stahl umgeben. Der U-förmige Mantel 9 ist mit einer Abdeckplatte 10 aus Stahl durch Schweissnähte 11 verschweisst.
In dem Ausführungsbeispiel nach Figur 4 wird der recht-eckförmige Hauptkanal A durch Stabilisierungskörper 4,4'
gebildet. Die Stabilisierungskörper 4,4' sind mit im Querschnitt rechteckförmigen Kühl- bzw. Füllkanälen 8 bzw. 12 versehen. Die Diffusionsbarriere 5 ist an den Öffnungen der , Füllkanäle 12 unterbrochen. Die Stabilisierungskörper 4, 4' sind von zwei U-förmigen Stahlmantelteilen 9 umgeben, die durch Schweissnähte 11 miteinander verbunden sind.
Der Hauptkanal A des in Figur 5 dargestellten Ausführungsbeispiels wird durch die Innenwandung eines Stahlmantels 13 sowie die Stabilisierungskörper 4, 4' gebildet. Die Stabilisierungskörper 4, 4' sind mit im Querschnitt kreisförmigen Kühlkanälen 8 bzw. mit im Querschnitt U-förmigen Füllkanälen 12 versehen. Die Diffusionsbarriere 5, die zwischen der Innenwandung des Stahlmantels 13, den Stabilisierungskörpern 4,4' und den Supraleiterdrähten 1 mit Verbindungsmaterial 2 angeordnet ist, ist an den Öffnungen der Füllkanäle 12 unterbrochen.
Das Verfahren nach der Erfindung wird im folgenden näher geschrieben:
Eine Vielzahl von Supraleiterdrähten 1 oder Supraleiterkabel, die in geflochtener oder verseilter Form vorliegen, werden locker in den Hauptkanal A des Trägers 3 eingelegt oder eingezogen. Die supraleitenden Drähte können vorverdichtet und teilweise verlötet sein. Nach Einbringen der Supraleiterdrähte 1 oder Supraleiterkabel in den Träger 3 wird der Supraleiter, im wesentlichen Träger und die Drähte bzw. Kabel enthaltend, zu einer Spule gewickelt. Anschliessend wird der Supraleiter isoliert, z.B. mittels Polyimidfolie oder durch Umbändelung mit Glasgewebebändern, die mit Epoxi-harz imprägniert werden. Der Hauptkanal A des Trägers 3 wird darauffolgend durch die Füllkanäle 12 mit dem Verbindungsmaterial 2 gefüllt, das beispielsweise ein niedrigschmelzendes metallisches Lot vorzugsweise mit einem Schmelzpunkt zwischen 80 °C und 250 °C oder ein thermisch und elektrisch leitendes Kunstharzbindemittel ist. Das Verbindungsmaterial 2 wird in die vorgewärmte Spule bei einer Temperatur eingebracht, die über der Schmelztemperatur des Verbindungsmaterials liegt, und zwar in dem der Hauptkanal an einem Ende evakuiert wird und das Verbindungsmaterial an dem anderen unter Druck eingepresst wird. Das Verbindungsmaterial kann auch durch Zwischenanzapfungen des Hauptkanals A eingebracht werden.
Das erfindungsgemässe Verfahren beschränkt sich nicht auf die in den Zeichnungen dargestellten und vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele. Es kann zur Herstellung aller Typen von Hochfeldspulen verwendet werden und ist nicht nur auf A15-Supraleiter beschränkt, sondern kann auf andere supraleitende Materialien angewendet werden.
Anstelle von reagierten Supraleiterdrähten oder reagierten Kabeln können auch nicht reagierte Drähte bzw. Kabel, z.B. Zinnbronzedrähte bzw. -kabel mit Nb-Filamenten, nach dem beschriebenen Verfahren in den Hauptkanal A des Trägers 3 eingebracht werden. Die Reaktionsglühung zur Herstellung des Supraleiters erfolgt vor oder nach dem Wickeln der Spule. Das Verbindungsmaterial 2 wird anschliessend an die Reaktionsglühung in den Hauptkanal A des Trägers 3 eingebracht.
Bei dieser Herstellungsvariante kann die Herstellung bis zur Reaktionsglühung mit Material durchgeführt werden, das keine Sprödigkeit aufweist.
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1 Blatt Zeichnungen
Claims (14)
1. Verfahren zur Herstellung einer Supraleiterspule mit einem Spulenleiter, der einen Träger enthält, der im wesentlichen aus einem Stabilisierungsmaterial besteht und in dem ein Hauptkanal angeordnet ist, in dem wenigstens ein Supraleiterdraht oder ein Supraleiterkabel mit einem Verbindungsmaterial befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Supraleiterdraht oder -kabel oder mindestens ein durch Reaktionsglühung noch in solche überführbarer Draht oder Kabel lose in den Hauptkanal (A) eingelegt wird, dass nach dem Einbringen des Supraleiterdrahtes oder -kabels in den Hauptkanal (A) der Träger (3) in die Form einer Spule gebracht wird und dass erst danach der Hauptkanal (A) mit dem Supraleiterdraht (1) oder -kabel mit dem Verbindungsmaterial (2) gefüllt wird, wobei bei Verwendung von mindestens einem noch durch Reaktionsglühung in solche überführbarer Draht bzw. Kabel die Reaktionsglühung vor dem Füllen des Hauptkanals mit dem Verbindungsmaterial (A) erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsmaterial (2) in den Hauptkanal (A)
unter Druck- und/oder Saugwirkung eingebracht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsmaterial (2) in den Hauptkanal (A) bei einer Temperatur des Verbindungsmaterials (2) und des den Hauptkanal (A) bildenden Stabilisierungsmaterials eingebracht wird, die über dem Schmelzpunkt des Verbindungsmaterials (2) liegt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsmaterial (2) in den Hauptkanal (A) durch wenigstens einen Füllkanal (12) gefüllt wird.
5. Supraleiterspule, hergestellt nach dem Verfahren gemäss Anspruch 1, bestehend aus einem Spulenleiter, gekennzeichnet durch a) Supraleiterdrähte (1) oder Supraleiterkabel, die im Hauptkanal (A) eines im wesentlichen aus Stabilisierungsmaterial bestehenden Trägers (3) angeordnet sind und b) ein die Supraleiterdrähte (1) oder Supraleiterkabel umhüllendes, den Hauptkanal vollständig ausfüllendes Verbindungsmaterial (2).
6. Supraleiterspule nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsmaterial (2) elektrisch und thermisch leitend ist.
7. Supraleiterspule nach Anspruch 5, hergestellt nach dem Verfahren gemäss Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den in dem Verbindungsmaterial (2) eingegossenen Supraleiterdrähten (1) oder Supraleiterkabeln und dem Träger (3) eine Diffusionsbarriere (5) angeordnet ist.
8. Supraleiterspule nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (3) aus mehreren Teilen (4,4', 9,10, 13) zusammengesetzt ist.
9. Supraleiterspule nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (3) mit wenigstens einem Kühlkanal (7) versehen ist.
10. Supraleiterspule nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die äussere Oberfläche des Trägers (3) mit Kühlrohren (6) versehen ist.
11. Supraleiterspule nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (3) mit wenigstens einem Füllkanal (12) versehen ist, wobei der Füllkanal (12) in den Hauptkanal (A) mündet.
12. Supraleiterspule nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllkanal (12) in der Wandung des Hauptkanals (A) verläuft.
13. Supraleiterspule nach Anspruch 5, mit einer Spulenisolation, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsmaterial (2) ein Lot ist, dessen Schmelztemperatur unterhalb der zulässigen Temperatur der Spulenisolation liegt.
14. Supraleiterspule nach Anspruch 5, mit einer Spulenisolation, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsmaterial (2) ein mit einem thermisch und elektrisch leitendem Pulver durchsetztes Kunstharzbindemittel ist, dessen Aushärtetemperatur unter der Schmelztemperatur der Spulenisolation liegt.
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