EP1023738A2 - Verfahren zur herstellung einer spule aus einem hochtemperatursupraleitermaterial und hochtemperatursupraleitende spule mit geringem wechselstromverlust - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer spule aus einem hochtemperatursupraleitermaterial und hochtemperatursupraleitende spule mit geringem wechselstromverlust

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EP1023738A2
EP1023738A2 EP98949001A EP98949001A EP1023738A2 EP 1023738 A2 EP1023738 A2 EP 1023738A2 EP 98949001 A EP98949001 A EP 98949001A EP 98949001 A EP98949001 A EP 98949001A EP 1023738 A2 EP1023738 A2 EP 1023738A2
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EP
European Patent Office
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coil
superconducting
superconducting coil
coils
reinforcement
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EP98949001A
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Jürgen EHRENBERG
Joachim Bock
Günter BROMMER
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Aventis Research and Technologies GmbH and Co KG
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    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49002—Electrical device making
    • Y10T29/49014—Superconductor

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a coil from a high-temperature superconductor material.
  • Superconducting coils are used for the assembly of transformers for high currents with a current strength of usually far more than 50 A, of magnets especially for research purposes, in high energy physics, in ore separators, in the manufacture of semiconductor materials and for medical purposes such as e.g. MRI scanners and resistive current limiters are required.
  • Coils that are constructed from wound superconducting wire usually have a coil length of 50 mm to 110 mm and a length of the superconducting wire from 40 mm to 80 m, for example a coil outer diameter of 49 mm and for example a coil inner diameter of 13 mm.
  • Low-temperature superconducting coils mostly contain niobium titanium, niobium tin or niobium aluminum. Today, such coils mostly serve as magnets at the temperature of the liquid helium of 4.2 K or of liquid nitrogen at 77 K.
  • These magnet systems can be used as high-temperature superconducting insert coils in superconducting magnets together with low-temperature superconducting coils in DC operation.
  • These magnet systems are preferably used to build up very homogeneous magnetic fields and are used in particular in MRI. They are also a prerequisite for building strong magnetic deflection fields in particle accelerators.
  • AC coils in transformers can also be used as AC coils in transformers to serve as secondary or primary coils in core or sheath transformers for AC voltage conversion.
  • Superconducting coils can also be used as resistive current limiters, especially with alternating current, in order to avoid the occurrence of high short-circuit currents, particularly in power plants, and to prevent destruction of system parts such as generators and transformers.
  • the extremely short response times are particularly advantageous here.
  • the fewest superconducting coils are used in practice today. They are wound from a high-temperature superconducting wire that was manufactured using the Oxide Powder-in-Tube (OPIT) process.
  • the metal sheathing usually consists of an alloy with an electrically conductive noble metal, which in use leads to the fact that a certain part of the transported current leads to the formation of shielding currents and thus leads to additional electrical losses, the alternating current losses.
  • AC power loss energy is converted into heat and must then by the Cooling can be removed.
  • the polarity of the alternating current also changes the magnetic self-fields constantly; the energy dissipated - called hysteretic losses - contributes significantly to the AC losses.
  • Thin wire filaments lead to lower AC losses than thick wall thicknesses. The AC losses are therefore essentially dependent on the frequency and the wall thickness or the diameter of the superconducting bodies or filaments.
  • Coils are usually produced with OPIT wire, which, due to the wire dimensions, can only carry relatively small currents of the order of up to 20 A, so that usually a large number of windings are required.
  • they can be manufactured with high-temperature superconducting wires that were manufactured using the OPIT process.
  • the OPIT process particularly fine-grained powders with the chemical composition of a superconductor are poured into a tube containing predominantly silver and reduced in cross-section, for example by rolling, compacted, textured, annealed and converted to the desired superconductor material or further crystallized.
  • These wires often have a diameter of 0.1 to 0.3 mm including their metal sheath. They are almost always covered with a silver-containing metal tube.
  • the process is comparatively complex and takes a very long time overall; the pure process time is usually more than 1 month today.
  • the coils made from this have the disadvantage that their production is very complex and - due to the quality of the superconductor powder used and the subsequent steps of the mechanical and thermal treatment - very large differences in performance occur up to the loss of superconducting properties at 77 K.
  • the superconductivity breaks down and the superconductor becomes the normal conductor. This is related to the increased heating of the conductor and possibly the melting of the superconducting material.
  • High-temperature superconductor materials based on YBCO would be particularly advantageous for use in coils because of their particularly favorable values of the critical current density and current carrying capacity; however, they have so far not been able to be drawn out to form wires.
  • US 4,970,483 describes a coil made of YBCO which i.a. was produced by isostatic pressing and sintering of a pipe section and subsequent sawing, no stabilization being used in the processing. Therefore, the handling and processing of such coils must be carried out with extreme caution and is subject to a high risk of irreparable damage being introduced.
  • the object was therefore to propose a method for producing superconducting coils with which it is possible to produce largely or completely crack-free superconducting coils from solid materials, and to further improve the coils with regard to their superconducting properties.
  • These coils should preferably have no metallic sheathing.
  • a shaped body made of a pre-fired, sintered or after-annealed superconducting material can be used.
  • the process steps of pre-baking such as calcining, Sintems and possibly the Afterglow, which are carried out in a single fire or in several, possibly repeated, sub-steps are carried out in order to obtain a high-quality superconductor material.
  • a high-quality superconducting material that has a high proportion of one or more superconducting phases can already be assumed at the beginning of the method according to the invention.
  • the superconducting material preferably contains at least one of the superconducting phases with a composition essentially based on (Bi.Pb) -Ea-Cu-O, (Y, SE) -Ea-Cu-O or (TI, Pb) - (Ea , Y) -Cu-0, where Ea stands for alkaline earth elements and in particular for Ba, Ca or / and Sr.
  • the phases that occur in particular have a composition of approximately (Bi, Pb) 2 (Sr, Ca) 2 C Ul O x , (Bi, Pb) 2 (Sr, Ca) 3 Cu 2 O x ., (Bi, Pb ) 2 (Sr, Ca) 4 Cu 3 O x ,, (Y, SE) 1 Ba 2 Cu 3 O y, (Ba Y.SE ⁇ ⁇ u ⁇ y., (TI, Pb) 2 (Ba Ca) 2 Cu 1 O z ,, (TI, Pb) 2 (Ca , Ba) 3 Cu 2 O 2 ,,
  • the superconducting material contains, in addition to the superconducting phase or phases, one or more compounds which only melt above 950 ° C and not below decompose at 950 ° C, especially on BaSO 4 , SrSO 4 and / or (Ba, Sr) SO 4 .
  • a superconductor material that textures as strongly as possible and is oriented as far as possible in such a way that the platelet planes which correspond to the plane of the best superconductivity are largely aligned in the direction of the course of the coil is particularly preferred. This is possible in particular if a molded body produced in the melt casting process, in particular a centrifugal casting process, is used. Shaped bodies which are produced by a process as described in DE-A-38 30 092, EP-A-0 451 532, EP-A-0 462 409 or / and EP-A-0 477 493 are particularly suitable; due to their quotation, these publications are considered to be fully included in the description.
  • the starting geometry of the superconducting molded body is a rod or a tube, a cuboid, a cuboid with strongly rounded edge areas or a similar geometry, especially with a substantially cylindrical outer geometry.
  • Solid bodies can be converted into corresponding hollow bodies by mechanical processing.
  • the molded body should possibly have a wall thickness that is as uniform as possible, in particular a cylindrical cavity concentric to the outer surface. In principle, however, other cross sections can also be used for the molded body and the cavity.
  • the cavity does not have to be concentric with the outer surface and does not have to have a uniform wall thickness.
  • the coil to be manufactured usually has a cylindrical or essentially cylindrical basic shape. This coil may have deviations in shape and angle, in particular with regard to the deviation from the roundness of a cylinder and the deviation from the right angle of the cylinder axis from the plane from which an angle of the coil path is determined.
  • the method according to the invention serves for the production of superconducting coils or spirals from hollow bodies, which can contain different superconducting materials and can have different geometries, but especially for the production of high-temperature superconducting coils (HTSL coils), e.g. based on bismuth strontium calcium copper oxide.
  • the coils can be made from tubes or similar hollow or solid bodies and preferably have contact surfaces at their ends, which are preferably formed from silver sheets. However, these contacts can also have burned-in metal contacts, sheet metal contacts based on metals other than silver or possibly no electrically conductive contact surfaces.
  • Superconducting bodies of the type and geometry described generally have a total electrical resistance of ⁇ 0.1 ohm, measured at room temperature, which should be checked by means of a 2-point measurement before starting the actual work. Since tubular bodies, which were made from oxide superconductor materials, have predominantly ceramic properties, they are in Usually susceptible to cracking and breakage, especially in the case of further mechanical processing. For this reason, it is necessary to stabilize the superconducting bodies or, in the case of further thermal treatment, superconducting bodies, preferably BSCCO tubes, at least on the outside, if necessary also on the inside, by appropriate measures.
  • an external stabilization is preferably applied to the surface of the superconductor tube before the introduction of incisions or averages to produce the coil turns.
  • This external stabilization can be achieved by wrapping the tubular body with suitable, self-adhesive tapes, with adhesive-soaked, organic or inorganic fabrics (e.g. cotton layers, glass fiber mats, hemp cord), with self-curing single or multi-component adhesive mixtures (e.g. styrene resins, epoxy resins), with composite materials based on organic - and / or inorganic adhesive and fabric components (e.g.
  • a holder can be fitted, which is mainly used to clamp the superconductor tube in appropriate tools or machine tools (e.g. Vice, lathe). It is preferably fitted into a cylindrical cavity.
  • the fitting of a bracket is particularly recommended for pipe diameters greater than approximately 30 to 120 mm outer diameter or for pipe wall thicknesses smaller than approximately 5 mm, but is dependent both on the raw breaking strength of the material, as well as the forces and geometry used. Since this holder has to absorb large forces, in particular shear forces caused by mechanical machining operations, it should expediently consist of a thick-walled metallic tube, a solid metal rod or a thick metallic threaded tube.
  • brackets should protrude at least 100 mm beyond the respective ends of the superconductor tube in order to be able to fulfill their function as a clamping aid.
  • connection of the superconducting tube with the holder located therein can be carried out, for example, as follows: a) by filling the space with self-curing single- and / or multi-component adhesive mixtures, with low-melting metals or / and metal alloys, with plastics, wax or / and - after Paint preparation or similar sealing - with inorganic binder systems, b) by wrapping the holder with self-adhesive tapes and / or composite systems made of organic or inorganic fabrics, preferably combined with self-curing organic or inorganic adhesives, until a precisely fitting cylinder has been created the superconducting pipe section can be glued on, c) by screwing on a cylinder section made of wood, metal, alloy or plastic with an internal bore, which can be pushed over the holder and is manufactured to fit the inside diameter of the superconducting pipe t, so that it can then be glued to it, d) by inserting a flexible cylinder section, for example made of soft foam plastic or polys
  • the intended thread course with a corresponding pitch can be recorded on the outer reinforcement or the outer surface of the molded body.
  • the superconducting material can either be cut immediately along the specified spiral course, e.g. by sawing, turning or milling or especially in the case of thin walls of the superconducting tube after removing the corresponding external reinforcement in the area of the spiral marking e.g. by dissolving the superconductor material in suitable acids or alkalis or - after filling the outer cuts and removing the inner core - by turning off the superconducting material until the filling compound applied from the outside becomes visible.
  • the superconducting material is susceptible to cracking and breakage, it is recommended that the incorporated cuts preferably decay immediately to stabilize the coil.
  • one of the following adhesive systems can be applied to the outer surfaces of the superconductor material. Both the filling of the incisions / averages, as well as the application on the outer surfaces is referred to below as external reinforcement.
  • the application on the inner surfaces of the cavity is called internal reinforcement.
  • These reinforcements are expediently carried out, for example, by using self-curing single- or multi-component adhesive systems, which can be mixed with fine ceramic powders such as aluminum nitride, silicon nitride, aluminum oxide and / or silicon dioxide.
  • organic adhesive systems such as glue can also be used mixed with wood flour or fine cotton or hemp cords, which are inserted or inserted into the cuts and then glued.
  • inorganic-based adhesive systems such as gypsum or cement mixtures can also be used, again provided that a lacquer impregnation or coating has been carried out beforehand, such as from plastic melts made of polyethylene PE or polyvinyl chloride PVC.
  • the holder located inside the tubular coil is removed and, if necessary, the internal reinforcement. If an indirect severing of the superconductor material by further internal twisting is provided, the filling of any cuts that are already free is not necessary. Otherwise, the cut gaps are preferably filled with appropriate materials, as has already been done with the outer cuts. If necessary, the outer reinforcement which projects beyond the outer diameter of the coil and / or the inner reinforcement which projects beyond the inner diameter of the coil is partially or completely processed. The (remaining) external and / or internal reinforcement can also be removed from the user if necessary.
  • the external reinforcement can connect the coil turns outside the incisions / averages between the coil turns or / and directly between the coil turns, and / or an internal reinforcement can mechanically reinforce.
  • the use of a reinforcement, in which the spaces between the adjacent coil turns are not filled, is favorable for better cooling. Conversely, it is favorable for the mechanical stability to have filled exactly these gaps between the adjacent coil courses, since coils in the alternating field generally vibrate and are therefore mechanically stressed. The filling of these gaps must, however, essentially be done with a non-conductive material in order not to increase eddy currents. However, the finished coil must be reinforced at least in the spaces, on the outside diameter or on the inside diameter.
  • the external stabilization can be removed from the surface of the superconducting coil or spiral - that is to say at the contact surfaces for the electrical connection - and the total electrical resistance value of the coil at room temperature can then be repeated using a 2- Point measurement can be determined in order to test them for impairment, in particular due to cracks and / or cracks. If necessary, it is recommended to reapply an external reinforcement afterwards, possibly on the metallized contact areas, for reasons of stability.
  • coils with correspondingly different diameters can be selected, the windings of which can be held at their ends at a sufficient distance - at least 0.1 mm, preferably at least 0.3 mm - from one another and can be connected without interrupting the superconducting material.
  • This can be done, for example, using a method as described in EP-A-0 442 289; due to its quotation, this publication is considered to be fully included in the description.
  • non-conductive or metallic reinforcements in particular in the area around the joints, can be advantageous in order to increase the mechanical stability.
  • mono-, bi- or multifilament coils can be produced by making incisions in a shaped body in such a way that the resulting shaped body has the geometry of a mono-, bi- or multifilament coil.
  • the incisions are advantageously made along the predetermined spiral course by means of mechanical separating processes such as sawing, milling, drilling, turning, etc. and then filled in with one of the adhesive combinations already described.
  • a coil end is preferably divided by sawing, milling, drilling, turning, etc. after the separation work described above has been carried out in such a way that - after the opposite coil end has been cut in at other points - opposing spiral paths are created.
  • incisions in a shaped body for bi- or multifilament coils is advantageous compared to the joining of monofilament or, for example, in a special case of two bifilar coils, that possible quality losses at the joint are avoided.
  • Rectangular cross sections of the bobbin courses do not interfere in principle. For mechanical reasons, however, it is advantageous if the edges of the coil turns are broken (chamfering or rounding). Because of the magnetic properties, round, preferably circular, or approximately octagonal cross-sections of the bobbin courses are preferred, but cause considerable additional effort in the production.
  • Bi- or multifilament coils mechanically machined out of a single molded body can be of advantage over assembled monofilar coils if, when joining, it is not possible to make the joint homogeneous and similar to the surrounding superconducting material. For example, non-high-temperature superconducting areas in the joint can be avoided.
  • Bifilar or multifilar coils which were produced by arranging the incisions in a shaped body or by joining coils of different sizes, have the advantage that the magnetic fields of the opposite coil sections can reduce or cancel each other; this can further reduce induction and AC loss.
  • bi- or multifilament coils in which at least one "monofilar” coil has a smaller inside and / or outside diameter than at least one other "monofilar” coil associated therewith and applies in particular to such bi- or multifilament coils in which at least one coil has an outer diameter that is smaller than the inner diameter of at least one other coil connected with it, as well as for bi- or multifilar coils in which the coil turns of several connected coils have the same or approximately the same inner or / and have an outside diameter and in which the coil turns of the various "monofilar” coils alternate regularly in the longitudinal direction of the coil. In the latter type, the same inside and outside diameters are preferred for manufacturing reasons.
  • a coil according to the invention can be used as a semifinished product for the production of high-temperature superconducting transformers, windings, magnets, current limits or current supplies.
  • Such coils can be used as transformer coils on the secondary side of a transformer or as current-limiting coils, also in e.g. bifilar version, can be used as resistive current limiters. They can also be used to reinforce the magnetic field of an external magnet, particularly in the center of the coil, as internal coils, while the outer sections of the coil can also be wound from wires, because the magnetic field generated by superconducting wire windings in the inner part of the coil leaves, may not be sufficiently strong.
  • Coils with cross sections other than 5 x 5 mm can also be used to measure the AC loss, since the cross sections can be converted accordingly.
  • a high-temperature superconducting BSCCO tube with an inner diameter of 103 mm, an outer diameter of 113 mm and a length of 100 mm was used to produce the HTSL coil.
  • Silver contacts with a height of 20 mm were located at the respective ends of the BSCCO tube.
  • the total electrical resistance of the tube determined by means of a 2-point measurement at room temperature, was 0.1 ohm. After this resistance measurement, the The outer surface of the BSCCO pipe is tightly wrapped with TESA 4651 insulating tape. Then the metal bracket was positioned and centered in the inner part of the tube. The entire tube interior was then foamed with a mixture of isocyanate and polyether polyol. After one hour, the resulting excess polyurethane rigid foam material was removed.
  • the saw cuts were also filled with a mixture of polystyrene investment and aluminum nitride powder 1: 1. After the inner saw cut filling had set, the insulating tape on the outside was removed and the total electrical resistance was measured again at room temperature. This had a final value of 1.6 ohms.
  • the critical current density of the coil was 476 A / cm 2 at 77 K.
  • a BSCCO tube with the specification as in Example 1 was again used to produce the HTSL coil.
  • the outer surface of the tube was now provided with a 5 mm thick jacket made of glass fiber fabric and epoxy resin.
  • the metal holder was attached, the interior of the pipe was foamed, the thread profile was recorded, the BSCCO material was sawn in and the saw cuts were filled with the styrene investment material.
  • Aluminum nitride powder mixture as described in Example 1. After the filling compound had hardened, the HTSL spiral test piece was clamped in a lathe and the epoxy glass fiber composite jacket and the protruding, hardened filling compound were removed. The metal holder and the hard foam core were then removed as described in Example 1. The measurement of the final resistance showed a value of 1.8 ohms.
  • a BSCCO tube was again used to produce the HTSL coil, as described in Example 1.
  • the interior of the pipe was coated with a layer of lacquer.
  • the metal bracket was positioned and centered.
  • the interior of the pipe was filled with a plaster of Paris.
  • the further processing was carried out as described in Example 1.
  • the hardened gypsum mass was removed from the interior of the spiral pipe using a small chisel.
  • the measured final resistance value of the coil was 1.6 ohms.
  • the critical current density of the coil was 778 548 A / cm 2 .
  • a BSCCO tube in accordance with the specification described under Example 1 was again used to produce the HTSL coil. Then the total resistance was measured and the tightly stretched insulating tape layer was applied to the outer surface of the BSCCO pipe. Then the positioning of the metal bracket was carried out, which was now additionally equipped with a thread and had a diameter of 30 mm. Now a cylindrical plastic flexible foam body was inserted in such a way that the cylinder provided with an inner opening was placed on the metal holder and lowered along it into the interior of the tube. The diameter of the inner opening of the plastic cylinder was equal to the outer diameter of the metal holder, whereas the outer diameter of the cylinder was 2 mm larger than the inner diameter of the BSCCO pipe.
  • the length of the flexible plastic foam body was 10 mm longer than the length of the superconducting tube.
  • the plastic flexible foam body was then pressed together by means of a nut which was passed through the thread of the metal holder, so that the BSCCO tube was stiffened from the inside by means of this process.
  • the processing according to Example 1 was continued. After the backfilling of the saw cuts had been completed, the flexible foam plastic body was removed from the interior of the coil so that the finishing work described in Example 1 could be carried out.
  • the final value of the total electrical resistance was 1.9 ohms.
  • a BSCCO tube was used again in accordance with the specification described in Example 1. The measurement of the total resistance and the processing were also carried out as listed under Example 1. However, the saw cuts in this example were backfilled with a mixture of styrene investment and aluminum oxide powder in a ratio of 1: 1. The final resistance of the HTSL coil was 1.8 ohms.
  • Example 5 but using an epoxy resin-aluminum nitride powder mixture in a ratio of 1: 1.
  • the final resistance value of the HTSL coil was 1.7 ohms.
  • Example 8 As described in Example 1, but without silver contact surfaces at the ends of the BSCCO tube. Final resistance value of the HTSL coil 1.9 ohms.
  • Example 8 As described in Example 1, but without silver contact surfaces at the ends of the BSCCO tube. Final resistance value of the HTSL coil 1.9 ohms.
  • Example 2 Corresponding to Example 1, but using a BSCCO tube with an inside diameter of 55 mm, an outside diameter of 70 mm and a length of 200 mm. The height of the silver contacts at the ends of the tube was 20 mm. The final resistance value after processing was 1.1 ohms.
  • the critical current density J c of the coils of the examples listed above was at least 100 A / cm 2 at 77 K, preferably at least 400 A / cm 2 and particularly preferably at least 500 A / cm 2 , at 64 K at least 400 A / cm 2 and at 4 K at least 2000 A / cm 2 or preferably at least 5000 A / cm 2 .

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer supraleitenden Spule, wobei ein Formkörper aus einem Material, das supraleitend ist oder bei weiterer thermischer Behandlung supraleitend wird, mit Verstärkungen beschichtet wird, und durch der Form der zukünftigen Spulengeometrie versehen wird. Ferner betrifft die Erfindung eine supraleitende Spule, die entsprechend hergestellt ist, die einen geringen Wechselstromverlust aufweist bzw. aus einem Supraleitermaterial ist, das stark texturiert und dabei so orientiert ist, dass die Plättchenebenen weitgehend in Richtung des Spulenverlaufes ausgerichtet sind, wobei die Spule aus einem supraleitenden Massivteil herausgearbeitet ist.

Description

Verfahren zur Hersteilung einer Spule aus einem Hochtemperatursupraleitermaterial und hochtemperatursupraleitende Spule mit geringem Wechselstromverlust
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Spule aus einem Hochtemperatursupraleitermaterial. Supraleitende Spulen werden zur Montage von Transformatoren für starke Ströme mit einer Stromstärke von üblicherweise weit mehr als 50 A, von Magneten insbesondere für Forschungszwecke, in der Hochenergiephysik, in Erzscheidem, in der Fertigung von Halbleitermaterialien sowie für medizinische Zwecke wie z.B. Kernspintomographen sowie für resistive Strombegrenzer benötigt.
Spulen aus einem Hochtemperatursupraleitermaterial z.B. auf Basis Wismut-(Blei)- Strontium-Calcium-Kupfer-Oxid (= BSCCO bzw. PbBSCCO) oder Seltenerdeiement(e)-Erdalkalielement(e)-Kupfer-Oxid (= YBCO) sind bereits bekannt. Da Yttrium bei der letzten genannten Werkstoffklasse üblicherweise und auch im Sinne dieser Anmeldung zu den Seltenerdelementen gezählt wird, da Yttrium meistens als das wichtigste oder alleinige Seltenerdelement bei dieser Werkstoffklasse angesehen wird und da Barium das wichtigste und oft einzige Erdalkalieiement ist (B für Barium), wird im folgenden die Bezeichnung "YBCO" für diese Werkstoffklasse verwendet.
Spulen, die aus gewickeltem supraleitenden Draht aufgebaut sind, weisen heute üblicherweise eine Spulenlänge von 50 mm bis 110 mm und eine Länge des supraleitenden Drahtes von 40 mm bis 80 m, beispielsweise einen Spulenaußendurchmesser von 49 mm und beispielsweise einen Spuleninnendurchmesser von 13 mm auf. Sie werden heute als Hochtemperatursupraleiter vorwiegend aus einem BSCCO-Material mit höheren Anteilen an den Phasen BSCCO 2212 bzw. BSCCO 2223 mit Umhüllung durch eine Silberlegierung gefertigt. Tieftemperatursupraleitende Spulen enthalten meistens Niob-Titan, Niob-Zinn oder Niob-Aluminium. Derartige Spulen dienen heute meistens bei der Temperatur des flüssigen Heliums von 4,2 K bzw. von flüssigem Stickstoff bei 77 K als Magnete.
Sie können als hochtemperatursupraleitende Einsatzspulen in Supraleitermagneten zusammen mit Tieftemperatursupraleiterspulen im Gleichstrombetrieb verwendet werden. Diese Magnetsystemen dienen vorzugsweise zum Aufbau von sehr homogenen Magnetfeldern und werden insbesondere in der Kernspintomographie MRI eingesetzt. Sie sind auch Voraussetzung, um starke Ablenkungsmagnetfelder in Teilchenbeschleunigern aufzubauen.
Sie können auch als Wechselstromspulen in Transformatoren Verwendung finden, um als Sekundär- bzw. Primärspule in Kern- oder Manteltransformatoren für die Wechselspannungsumformung zu dienen.
Supraleitende Spulen können auch als resistive Strombegrenzer, insbesondere bei Wechselstrom, eingesetzt werden, um die Entstehung hoher Kurzschlußströme, besonders in Kraftwerken, zu vermeiden und einer Zerstörung von Anlagenteilen wie Generatoren und Transformatoren vorzubeugen. Hierbei sind insbesondere die außerordentlich kurzen Ansprechzeiten von Vorteil.
Die wenigsten supraleitenden Spulen werden heute in der Praxis eingesetzt. Sie werden aus einem hochtemperatursupraleitenden Draht, der mit dem Oxide- Powder-in-Tube-Verfahren (OPIT) hergestellt wurde, gewickelt. Die Metallummantelung besteht üblicherweise aus einer Legierung mit einem elektrisch leitenden Edelmetall, das im Einsatz dazu führt, daß ein gewisser Teil des transportierten Stromes zur Ausbildung von Abschirmströmen führt und somit zu zusätzlichen elektrischen Verlusten, den Wechselstromverlusten, führt.
Wechselstromverlustenergie wird in Wärme umgewandelt und muß dann durch die Kühlung abtransportiert werden. Im Supraleitermaterial werden mit der Umpolung des Wechselstromes auch die magnetischen Eigenfelder ständig geändert; die dabei dissipierte Energie - hysteretische Verluste genannt - trägt wesentlich zu den Wechselstromverlusten bei. Dünne Drahtfilamente führen dabei zu geringeren Wechselstromverlusten als dicke Wandstärken. Die Wechselstromverluste sind daher wesentlich von der Frequenz und von der Wandstärke bzw. dem Durchmesser der supraleitenden Körper bzw. Filamente abhängig.
Die mit dem Wechselstrom verbundenen magnetischen Wechselfelder induzieren in einem konventionellen elektrischen Leiter wie metallischen Leitern, also etwa in Silberlegierungen, Wirbelströme. Aufgrund der normalleitenden Eigenschaften des metallischen Materials bedingt dies resistive Verluste entsprechend dem Ohm'schen Gesetz. Die Wechselstromverluste nehmen jedoch mit abnehmendem Widerstand des Normalleiters zu. Daher sind auch die Wechselstromverluste in Silberlegierungen bei 20 K deutlich größer als bei 77 K. Schließlich können auch Wechselstrom-Kopplungsveriuste bei nahe beieinanderliegenden Körpern wie z.B. in einem Filamentbündel auftreten. Alle drei Verlustmechanismen steigen exponentiell mit n = 3 und daher drastisch mit der Stromstärke und linear mit der Frequenz an. Die Werte des Wechselstromverlustes sind auch von der Probengeometrie und Leiteranordnung abhängig und können daher nur unter standardisierten Meßbedingungen verglichen werden.
Diese Stromverluste hat man zu verringern versucht, indem der Anteil des verwendeten Metalis verringert wurde und gegebenenfalls auch isolierende Zwischenschichten eingebracht oder elektrisch geringer leitende Legierungen gewählt wurden. Trotzdem ist der Anteil der Abschirmströme immer noch hoch geblieben.
Mit OPIT-Draht werden üblicherweise Spulen gefertigt, die auch aufgrund der Drahtabmessungen nur relativ kleine Ströme etwa in der Größenordnung von bis zu 20 A tragen können, so daß meistens sehr viele Wicklungen erforderlich sind. Sie können z.B. mit hochtemperatursupraleitenden Drähten, die nach dem OPIT- Verfahren gefertigt wurden, hergestellt werden. Bei dem OPIT-Verfahren werden besonders feinkörnige Pulver mit der chemischen Zusammensetzung eines Supraleiters in ein vorwiegend Silber enthaltendes Rohr eingefüllt und z.B. durch Walzen im Querschnitt verringert, verdichtet, texturiert, geglüht und zu dem gewünschten Supraleitermaterial umgesetzt bzw. weiter kristallisiert. Diese Drähte haben oft einen Durchmesser von 0,1 bis 0,3 mm einschließlich ihrer Metallummantelung. Sie sind fast immer mit einem Silber-haltigen Metallrohr ummantelt. Das Verfahren ist vergleichsweise aufwendig und dauert insgesamt sehr lange; die reine Prozeßzeit beträgt meistens heute mehr als 1 Monat. Die hieraus gefertigten Spulen haben den Nachteil, daß ihre Herstellung sehr aufwendig ist und - bedingt durch die eingesetzte Qualität des Supraleiterpulvers und die nachfolgenden Schritte der mechanischen und thermischen Behandlung - sehr große Leistungsunterschiede auftreten bis hin zum Verlust der supraleitenden Eigenschaften bei 77 K.
Aufgrund der heute oft noch zu geringen Stromtragfähigkeiten und zu hohen Wechselstromveriuste vieler supraleitender Bauteile ist deren Einsatz begrenzt. Eine Weiterentwicklung derartiger Bauteile ist erforderlich, damit noch größere Ströme durch diese Bauteile supraleitend und verlustarm bzw. verlustfrei fließen können.
Wenn die kritische Stromdichte Jc überschritten wird, bricht die Supraleitfähigkeit zusammen und der Supraleiter wird zum Normalleiter. Dies steht mit dem stärkeren Erwärmen des Leiters und gegebenenfalls mit dem Aufschmelzen des supraleitenden Materials in Zusammenhang.
Für die Herstellung von Hochtemperatursupraleitern geringer Wechselstromveriuste bzw. hoher kritischer Stromdichte ist es erforderlich, das supraleitende Material bezüglich Reinheit, Phasenreinheit, Phasenzusammensetzung, Kristallisationsgrad und Orientierung zu optimieren. Besonders große Querschnitte oder große Breiten bzw. große Wandstärken wären wegen der damit weitaus höheren kritischen Stromdichte und Stromtragfähigkeit vorteilhaft. Bei der Herstellung sind nichtsupraleitende Fremdkörper und Gaseinschlüsse im Querschnitt zu vermeiden, da sie die elektrischen Eigenschaften beeinträchtigen.
Hochtemperatursupraleitermaterialien auf Basis YBCO wären wegen ihrer besonders günstigen Werte der kritischen Stromdichte und Stromtragfähigkeit für die Verwendung in Spulen besonders vorteilhaft; jedoch lassen sie sich bisher nicht geeignet zu Drähten ausziehen.
US 4,970,483 beschreibt eine Spule aus YBCO, die u.a. durch isostatisches Pressen und Sintern eines Rohrabschnittes und anschließendes Sägen hergestellt wurde, wobei bei der Bearbeitung keine Stabilisierung verwendet wurde. Daher ist die Handhabung und Bearbeitung derartiger Spulen mit äußerster Vorsicht durchzuführen und unterliegt einem hohen Risiko, daß hierbei irreparable Beschädigungen eingebracht werden.
Es bestand daher die Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung von supraleitenden Spulen vorzuschlagen, mit dem es möglich ist, weitgehend oder gänzlich rißfreie supraleitende Spulen aus massiven Materialien herzustellen, und die Spulen bezüglich ihrer supraleitenden Eigenschaften weiter zu verbessern. Vorzugsweise sollten diese Spulen keine metallische Ummantelung aufweisen.
Die Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren entsprechend Anspruch 1 und mit einer Spule entsprechend Anspruch 9, 10 und 14.
Als Ausgangsmaterial für den Formkörper, der erfindungsgemäß behandelt wird, kommt ein Formkörper aus einem vorgebrannten, gesinterten oder nachgeglühten supraleitenden Material in Frage. Grundsätzlich müssen die Prozeßschritte des Vorbrennens wie z.B. Kalzinieren, des Sintems und gegebenenfalls des Nachglühens, die in einem einzigen Brand oder in mehreren, u.U. auch wiederholten, Teilschritten durchgeführt werden, durchlaufen werden, um zu einem hochwertigen Supraleitermaterial zu gelangen. Andererseits kann zu Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens auch bereits von einem hochwertigen supraleitenden Material ausgegangen werden, das einen hohen Anteil an einer oder mehreren supraleitenden Phasen aufweist.
Das supraleitende Material enthält vorzugsweise mindestens eine der supraleitenden Phasen mit einer Zusammensetzung im wesentlichen auf der Basis (Bi.Pb)-Ea-Cu-O, (Y,SE)-Ea-Cu-O oder (TI,Pb)-(Ea,Y)-Cu-0, wobei Ea für Erdalkalielemente und insbesondere für Ba, Ca oder/und Sr steht. Hierbei weisen die auftretenden Phasen insbesondere eine Zusammensetzung auf von annähernd (Bi,Pb)2(Sr,Ca)2CUlOx, (Bi,Pb)2(Sr,Ca)3Cu2Ox., (Bi,Pb)2(Sr,Ca)4Cu3Ox,, (Y,SE)1Ba2Cu3Oy ,, (Y.SE^Ba^u^y., (TI,Pb)2(Ba Ca)2Cu1Oz,, (TI,Pb)2(Ca,Ba)3Cu2O2,,
(TI,Pb)2(Ca Ba)4Cu3O2.., (TI.Pb Ca Ba)4Cu3Oz In manchen Fällen empfiehlt es sich, daß das supraleitende Material neben der oder den supraleitenden Phasen einen Gehalt an einer oder mehreren Verbindungen aufweist, die erst oberhalb von 950 °C schmelzen und sich nicht unterhalb von 950 °C zersetzen, insbesondere an BaSO4, SrSO4 oder/und (Ba,Sr)SO4.
Besonders bevorzugt ist ein Supraleitermaterial, das möglichst stark texturiert und dabei möglichst so orientiert ist, daß die Plättchenebenen, die der Ebene der besten Supraleitfähigkeit entsprechen, weitgehend in Richtung des Spulenverlaufes ausgerichtet sind. Das ist insbesondere dann möglich, wenn ein im Schmelzgußverfahren, insbesondere ein in einem Schleudergußverfahren hergestellter Formkörper verwendet wird. Insbesondere eignen sich Formkörper, die nach einem Verfahren wie in DE-A-38 30 092, EP-A-0 451 532, EP-A-0 462 409 oder/und EP-A-0 477 493 beschrieben hergestellt wurden; diese Publikationen gelten aufgrund ihres Zitats als vollständig in die Beschreibung einbezogen.
Als Ausgangsgeometrie des supraleitenden Formkörpers ist ein Stab oder ein Rohr, ein Quader, ein Quader mit stark verrundeten Kantenbereichen oder eine ähnliche Geometrie, vor allem mit im wesentlichen zylindrischer Außengeometrie, geeignet. Vollkörper können durch mechanische Bearbeitung in entsprechende Hohlkörper überführt werden. Der Formkörper sollte ggbfs. eine möglichst gleichmäßige Wandstärke, insbesondere einen zylindrischen Hohlraum konzentrisch zu der Außenfläche, aufweisen. Grundsätzlich können jedoch auch andere Querschnitte für den Formkörper und den Hohlraum verwendet werden. Der Hohlraum muß nicht konzentrisch zu der Außenfläche liegen und muß nicht eine gleichmäßige Wandstärke aufweisen. Die zu fertigende Spule weist üblicherweise eine zylindrische oder im wesentlichen zylindrische Grundform auf. Diese Spule kann ggbfs. Form- und Winkelabweichungen insbesondere bezüglich der Abweichung von der Rundheit eines Zylinders und der Abweichung vom rechten Winkel der Zylinderachse von der Ebene, von der aus ein Winkel des Spulenganges aus bestimmt wird, aufweisen.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Herstellung von supraleitenden Spulen bzw. Spiralen aus Hohlkörpern, die unterschiedliche Supraleitermaterialien enthalten können und unterschiedliche Geometrien aufweisen können, besonders aber zur Herstellung von hochtemperatursupraleitenden Spulen (HTSL-Spulen) wie z.B. auf Basis von Wismut-Strontium-Calcium-Kupfer-Oxid. Die Spulen können aus Rohren oder ähnlichen Hohl- oder Vollkörpern gefertigt werden und besitzen an ihren Enden bevorzugt Kontaktflächen, die vorzugsweise aus Silberblechen geformt werden. Diese Kontakte können aber auch über eingebrannte Metallkontakte, Blechkontakte auf Basis anderer Metalle als Silber oder gegebenenfalls über keinerlei elektrisch leitende Kontaktflächen verfügen.
Supraleitende Körper der beschriebenen Art und Geometrie besitzen in der Regel einen elektrischen Gesamtwiderstand < 0,1 Ohm, gemessen bei Raumtemperatur, der vor Beginn der eigentlichen Arbeiten mittels einer 2-Punkt-Messung überprüft werden sollte. Da rohrförmige Körper, die aus oxidischen Supraleitermaterialien hergestellt wurden, überwiegend keramische Eigenschaften aufweisen, sind sie im Regelfall riß- und bruchanfällig, insbesondere bei einer weiterführenden mechanischen Bearbeitung. Aus diesem Grund ist es erforderlich, die supraleitenden oder bei weiterer thermischer Behandlung supraleitenden Körper, vorzugsweise BSCCO-Rohre, durch entsprechende Maßnahmen zumindest außen, ggbfs. auch innen zu stabilisieren. Je nach der Handhabung kann es bei nur außen stabilisierten Körpern dazu kommen, daß die fertige Spule mehr An- oder/und Mikrorisse aufweist, die die Stromtragfähigkeit absenken, als eine auch innen stabilisierte Spule. Daher kann es vorteilhaft sein, auch die Schritte c) und f) des Patentanspruches 1 beim Herstellen zu nutzen.
Dazu wird vorzugsweise eine Außenstabilisierung auf die Oberfläche des Supraleiterrohres aufgebracht vor dem Einbringen von Ein- oder Durchschnitten zur Erzeugung der Spulengänge. Diese Außenstabilisierung kann durch Umwicklung des Rohrkörpers mit geeigneten, selbstklebenden Bändern, mit klebstoffgetränkten, organischen bzw. anorganischen Geweben (z.B. Baumwollagen, Glasfasermatten, Hanfkordel), mit selbsthärtenden Ein- oder Mehrkomponenten-Klebstoffgemischen (z.B. Styrolharze, Epoxidharze), mit Verbundmaterialien auf Basis organischer- oder/und anorganischer Kleber- und Gewebekomponenten (z.B. Textilgewebe und Gipsmasse), durch Einkleben des Supraleiterrohres in paßgenaue Metall-, Holzoder Kunststoffrohre bzw. durch Umgießen der Außenhülle des Supraleiterrohres mit niedrigschmelzenden Metallen, Metallegierungen, Kunststoffen oder/und anorganischen Bindern (z.B. auf Basis Zinn, Wood'sche Legierung, Wachs, Polyethylen PE, Gips, Zement) hergestellt werden. Bei Anwendung anorganischer Bindersysteme muß allerdings beachtet werden, daß diese meistens in wässriger Lösung suspensiert sind, so daß vor deren Einsatz das feuchtigkeitsempfindliche Supraleitermaterial mit einer Lackschicht oder anderen wasserbeständigen Beschichtungen zu versiegeln ist.
Nach dem Auftrag der Außenstabilisierung auf die Oberfläche des Supraleiterrohres kann eine Halterung eingepaßt werden, die hauptsächlich zum Einspannen des Supraleiterrohres in entsprechende Werkzeuge bzw. Werkzeugmaschinen (z.B. Schraubstock, Drehbank) dient. Sie wird vorzugsweise in einen zylinderförmigen Hohlraum eingepaßt. Das Einpassen einer Halterung empfiehlt sich insbesondere bei Rohrdurchmessern größer als etwa 30 bis 120 mm Außendurchmesser bzw. bei Rohrwandstärken kleiner als etwa 5 mm, ist aber sowohl von der Rohbruchfestigkeit des Materials, als auch den eingesetzten Kräften und der Geometrie abhängig. Da diese Halterung große Kräfte aufnehmen muß, insbesondere Scherkräfte, verursacht durch mechanische Bearbeitungsvorgänge, sollte sie zweckmäßigerweise aus einem dickwandigen metallischen Rohr, einer Vollmetallstange oder einem dicken metallischen Gewinderohr bestehen. Es können aber auch andere Materialien verwendet werden wie z.B. Holzstäbe, Vierkanthölzer, dickwandige Kunststoffrohre oder Vollstäbe aus Kunststoff. Alle Halterungen sollten bevorzugt, um ihre Aufgabe als Einspannhilfe erfüllen zu können, wenigstens 100 mm über die jeweiligen Enden des Supraleiterrohres hinausragen.
Die Verbindung des supraleitenden Rohres mit der darin befindlichen Halterung kann beispielsweise wie folgt vorgenommen werden: a) durch das Ausfüllen des Zwischenraumes mit selbsthärtenden Ein- oder/und Mehrkomponentenklebstoffmischungen, mit niedrigschmelzenden Metallen oder/und Metallegierungen, mit Kunststoffen, Wachs oder/und - nach Lackpräparation oder ähnlicher Abdichtung - mit anorganischen Bindersystemen, b) durch Umwicklung der Halterung mit selbstklebenden Bändern oder/und Verbundsystemen aus organischen- bzw. anorganischen Geweben, vorzugsweise kombiniert mit selbsthärtenden organischen- oder anorganischen Klebern, solange bis ein paßgenauer Zylinder entstanden ist, auf den das supraleitende Rohrstück aufgeklebt werden kann, c) durch Aufschrauben eines mit einer Innenbohrung versehenen Zylinderabschnitts aus Holz, Metall, Legierung oder Kunststoff, das über die Halterung geschoben werden kann und paßgenau zum Innendurchmesser des supraleitenden Rohres gefertigt ist, so daß dieses dann darauf aufgeklebt werden kann, d) durch Einführen eines flexiblen Zylinderabschnitts, z.B. aus Weichschaumkunststoff oder Styropor, in den Raum zwischen der Halterung und der Innenwandung des supraleitenden Rohres, das dann z.B. mittels geeigneter Schraubvorrichtungen - wie z.B. einer metallischen Halterung ausgeführt als Gewindestange, mit einer kreisförmigen metallischen Platte mit einem Durchmesser, der kleiner ist als der Innendurchmesser des supraleitenden Rohres, und einer Mutter auf der Gewindestange zum Niederdrücken der kreisförmigen Metallplatte - paßgenau in den auszufüllenden Zwischenraum hineingedrückt werden kann.
Wenn die Stabilisierungsmaßnahmen für das supraleitende Rohr abgeschlossen sind, kann auf der Außenverstärkung oder der Außenfläche des Formkörpers der vorgesehene Gewindeverlauf mit entsprechender Steigung aufgezeichnet werden. Danach kann entweder die sofortige Durchtrennung des supraleitenden Materials entlang des vorgegebenen Spiralverlaufs erfolgen z.B. mittels Sägens, Drehens oder Fräsens bzw. insbesondere im Fall geringer Wandstärken des supraleitenden Rohres nach Entfernen der entsprechenden Außenverstärkung im Bereich der Spiralkennzeichnung z.B. durch Auflösung des Supraleitermaterials in geeigneten Säuren bzw. Laugen oder - nach Verfüllung der Außenschnitte und Entfernens des Innenkerns - durch Abdrehen des supraleitenden Materials, bis die von außen aufgebrachte Füllmasse sichtbar wird.
Da das supraleitende Material riß- und bruchanfällig ist, empfiehlt es sich, die eingearbeiteten Schnitte vorzugsweise umgehend zur Stabilisierung der Spule zu Verfällen. Hierbei kann zusätzlich oder alternativ ein Auftrag z.B. eines der nachfolgenden Klebstoffsysteme auf den Außenflächen des Supraleitermaterials erfolgen. Sowohl die Verfüllung der Einschnitte/Durchschnitte, als auch der Auftrag auf den Außenflächen wird im folgenden als Außenverstärkung bezeichnet. Der Auftrag auf den Innenflächen des Hohlraumes wird als Innenverstärkung bezeichnet. Diese Verstärkungen erfolgen zweckmäßigerweise z.B. durch Verwendung von selbsthärtenden Ein- bzw. Mehrkomponentenklebstoffsystemen, die mit feinen Keramikpulvern wie z.B. Aluminiumnitrid, Siliciumnitrid, Aluminiumoxid oder/und Siliciumdioxid vermischt sein können. Es können aber auch Klebstoffsysteme auf rein organischer Basis verwendet werden wie z.B. Kleber vermischt mit Holzmehl oder feinen Baumwoll- bzw. Hanfschnüren, die in die Schnitte eingefügt bzw. eingelegt und dann verklebt werden. Alternativ können auch Klebstoffsysteme auf anorganischer Basis wie z.B. Gips- oder Zementmischungen verwendet werden, wiederum unter der Voraussetzung einer zuvor durchgeführten Lackimprägnierung oder Beschichtung wie z.B. aus Kunststoffschmelzen aus Polyethylen PE oder Polyvinylchlorid PVC.
Nach Abschluß der Herstellung der Außenverstärkung wird die im Inneren der rohrförmigen Spule befindliche Halterung entfernt und ggbfs. die Innenverstärkung. Ist eine indirekte Durchtrennung des Supraleitermaterials durch weiteres, innenseitiges Abdrehen vorgesehen, so entfällt die Verfüllung etwaiger, schon frei vorliegender Schnitte. Anderenfalls werden die Schnittspalten vorzugsweise, wie schon zuvor bei den Außenschnitten geschehen, mit entsprechenden Materialien ausgefüllt. Gegebenenfalls wird die Außenverstärkung, die über den Außendurchmesser der Spule hinausragt oder/und die Innenverstärkung, die über den Innendurchmesser der Spule hinausragt, teilweise oder gänzlich abgearbeitet. Die (restliche) Außen- oder/und Innenverstärkung kann gegebenenfalls auch beim Anwender entfernt werden.
Die Außenverstärkung kann die Spulengänge außerhalb der Einschnitte/ Durchschnitte zwischen den Spulengängen oder/und direkt zwischen den Spulengängen verbinden, oder/und eine Innenverstärkung kann mechanisch verstärken. Die Verwendung einer Verstärkung, bei der die Zwischenräume zwischen den angrenzenden Spulengängen nicht verfüllt sind, ist für eine bessere Kühlung günstig. Umgekehrt ist es für die mechanische Stabilität günstig, gerade diese Zwischenräume zwischen den angrenzenden Spulengängen verfüllt zu haben, da Spulen im Wechselfeld in der Regel vibrieren und somit mechanisch belastet sind. Die Verfüllung dieser Zwischenräume muß jedoch im wesentlichen mit einem nichtleitenden Material erfolgen, um Wirbelströme nicht zu verstärken. Die fertige Spule muß jedoch zumindest in den Zwischenräumen, am Außendurchmesser oder am Innendurchmesser verstärkt sein. Zum Abschluß kann die Außenstabilisierung in Abhängigkeit von ihrer Art und den Erfordernissen von der Oberfläche der supraleitenden Spule bzw. Spirale entfernt werden - also an den Kontaktflächen für den elektrischen Anschluß - und kann daran anschließend nochmals der elektrische Gesamtwiderstandswert der Spule bei Raumtemperatur mittels einer 2-Punkt-Messung bestimmt werden, um sie auf ein Beeinträchtigung insbesondere durch Anrisse oder/und Risse zu prüfen. Gegebenenfalls empfiehlt sich aus Gründen der Stabilität danach ein erneutes Aufbringen einer Außenverstärkung, evtl. auf die metallisierten Kontaktbereiche.
Um Spulen mit mehreren möglichst konzentrisch angeordneten Wicklungen fertigen zu können, können Spulen mit entsprechend unterschiedlichen Durchmessern gewählt werden, deren Wicklungen in ausreichendem Abstand - mindestens 0,1 mm, vorzugsweise mindestens 0,3 mm - voneinander gehalten werden können, an ihren Enden fest und ohne Unterbrechung des supraleitenden Materials verbunden werden. Das kann beispielsweise nach einem Verfahren wie in EP-A-0 442 289 beschrieben erfolgen; diese Publikation gilt aufgrund ihres Zitats als vollständig in die Beschreibung einbezogen. Hierbei können nichtleitende oder metallische Verstärkungen, insbesondere im Bereich um die Fügestellen, von Vorteil sein, um die mechanische Stabilität zu erhöhen.
Alternativ können mono-, bi- oder multifilare Spulen dadurch hergestellt werden, daß Einschnitte in einen Formkörper derart eingebracht werden, daß der resultierende Formkörper die Geometrie einer mono-, bi- oder multifilaren Spule aufweist. Die Einschnitte werden vorteilhaft entlang des vorgezeichneten Spiralverlaufs mittels mechanischer Trennvorgänge wie z.B. Sägen, Fräsen, Bohren, Drehen etc. eingebracht und anschließend mit einer der schon zuvor beschriebenen Klebstoffkombinationen ausgefüllt. Zur Herstellung der bi- bzw. multifilaren Spulengeometrie wird - nach Abschluß der oben beschriebenen Trennarbeiten - ein Spulenende mittels Sägen, Fräsen, Bohren, Drehen etc. bevorzugt so geteilt, daß - nach dem Einschneiden des gegenüberliegenden Spuienendes an weiteren Stellen - gegenläufige Spiralgänge entstehen. Das Einbringen von Einschnitten in einen Formkörper für bi- oder multifilare Spulen ist insoweit gegenüber dem Zusammenfügen von monofilaren oder z.B. in einem Sonderfall von zwei bifilaren Spulen von Vorteil, daß mögliche Qualitätseinbußen an der Fügestelle vermieden werden. Rechteckige Querschnitte der Spulengänge stören grundsätzlich nicht. Aus mechanischen Gründen ist es jedoch vorteilhaft, wenn die Kanten der Spulengänge gebrochen werden (Fasen oder Verrundungen). Wegen der magnetischen Eigenschaften sind runde, möglichst kreisrunde, oder annähernd oktagonale Querschnitte der Spulengänge zu bevorzugen, verursachen aber bei der Herstellung einen erheblichen Mehraufwand.
Aus einem einzigen Formkörper mechanisch herausgearbeitete bi- oder multifilare Spulen können gegenüber zusammengefügten monofilaren Spulen von Vorteil sein, wenn es beim Fügen nicht gelingt, die Fügestelle gegenüber dem umgebenden supraleitenden Material homogen und gleichartig zugestalten. Beispielsweise können nicht-hochtemperatursupraleitende Bereiche in der Fügestelle vermieden werden.
Bifilare oder multifilare Spulen, die durch entsprechende Anordnung der Einschnitte in einem Formkörper oder durch Fügen von unterschiedlich großen Spulen hergestellt wurden, weisen hierbei den Vorteil auf, daß sich die magnetischen Eigenfelder der gegenüber liegenden Spulenabschnitte gegenseitig verringern bzw. aufheben können; hierdurch können Induktionen und Wechselstromveriuste weiter verringert werden.
Dies gilt sowohl für bi- oder multifilare Spulen, bei denen mindestens eine "monofilare" Spule einen geringeren Innen- oder/und Außendurchmesser hat als mindestens eine andere "monofilare" hiermit zusammenhängende Spule und gilt insbesondere für solche bi- oder multifilare Spulen, bei denen mindestens eine Spule einen Außendurchmesser aufweist, der geringer ist als der Innendurchmesser von mindestens einer anderen hiermit zusammenhängenden Spule, als auch für solche bi- oder multifilaren Spulen, bei denen die Spulengänge mehrerer zusammenhängender Spulen den gleichen oder annähernd gleichen Innen- oder/und Außendurchmesser aufweisen und bei denen sich die in Längsrichtung der Spule die Spulengänge der verschiedenen "monofilaren" Spulen regelmäßig abwechseln. Bei letztgenanntem Typ sind aus Fertigungsgründen gleiche Innen- und Außendurchmesser zu bevorzugen.
Alle diese spiralförmigen Körper können als Spule oder auch in anderer Weise als supraleitende Spirale eingesetzt werden. Insbesondere kann eine erfindungsgemäße Spule als Halbzeug für die Herstellung von hochtemperatur-supraleitenden Transformatoren, Wicklungen, Magneten, Strombegrenzungen oder Stromzuführungen verwendet werden. Derartige Spulen können als Transformatorenspulen auf der Sekundärseite eines Transformators oder als strombegrenzende Spulen, auch in z.B. bifilarer Ausführung, als resistive Strombegrenzer eingesetzt werden. Sie können auch zur Verstärkung des Magnetfeldes eines äußeren Magneten, insbesondere im Zentrum der Spule, als Innenspulen eingesetzt werden, während die äußeren Abschnitte der Spule auch aus Drähten gewickelt sein können, weil das Magnetfeld, das sich durch supraleitende Drahtwicklungen im inneren Teil der Spule erzeugen läßt, ggbfs. nicht ausreichend stark ist.
Für die Vermessung des Wechselstromverlustes können auch Spulen mit anderen Querschnitten als 5 x 5 mm verwerdet werden, da sich die Querschnitte entsprechend hierauf umrechnen lassen.
Beispiele:
Beispiel 1 :
Zur Herstellung der HTSL-Spule wurde ein hochtemperatursupraleitendes BSCCO- Rohr mit einem Innendurchmesser von 103 mm, einem Außendurchmesser von 113 mm und einer Länge von 100 mm eingesetzt. An den jeweiligen Enden des BSCCO- Rohres befanden sich Silberkontakte mit einer Höhe von 20 mm. Der elektrische Gesamtwiderstand des Rohres, bestimmt mittels einer 2-Punkt-Messung bei Raumtemperatur, betrug 0,1 Ohm. Nach dieser Widerstandsmessung wurde die Außenfläche des BSCCO-Rohres straff mit Isolierband des Typs TESA 4651 umwickelt. Dann erfolgte die Positionierung und Zentrierung der Metallhalterung im Innenteil des Rohres. Im Anschluß daran wurde der gesamte Rohrinnenraum mit einer Mischung aus Isocyanat und Polyether-Polyol ausgeschäumt. Nach einer Stunde erfolgte die Beseitigung des resultierenden, überstehenden Polyurethan- Hartschaummaterials. Anschließend wurde auf die äußere Isolierbandschicht ein Gewindeveriauf aufgezeichnet, dessen Steigung mit 7 mm festgelegt worden war. Dann erfolgte das Einspannen des HTSL-Rohraufbaus in einen Schraubstock. Im Anschluß daran wurde mittels einer Eisensäge, in der sich ein Sägeblatt vom Typ LUX-PROFI-400780 befand, entlang des vorgezeichneten Gewindeverlaufs, das BSCCO-Material des Rohres vollständig durchtrennt. Nach Abschluß der Sägearbeiten erfolgte die Reinigung der Sägeschnitte und deren Verfüllung mit einer Mischung aus Styroleinbettmasse vom Typ SCANDIPLAST 9101 und Aluminiumnitridpulver im Verhältnis 1 : 1. Nachdem diese Mischung ausgehärtet war, wurde zuerst die Metallstange aus dem Hartschaumkern herausgezogen und dann der Hartschaumkern selbst mittels eines Messers aus dem Innenraum der Rohrspule herausgeschnitten. Die nun innen teilweise noch freiliegenden Sägeschnitte wurden ebenfalls mit einer Mischung aus Polystyroleinbettmasse und Aluminiumnitridpulver 1 : 1 verfüllt. Nach dem Abbinden der Innensägeschnitt- verfüllung erfolgte die Entfernung des außen aufliegenden Isolierbandes und die erneute Messung des elektrischen Gesamtwiderstands bei Raumtemperatur. Dieser wies einen Endwert von 1 ,6 Ohm auf. Die kritische Stromdichte der Spule betrug bei 77 K 476 A/cm2.
Beispiel 2:
Zur Herstellung der HTSL-Spule wurde wiederum ein BSCCO-Rohr mit der Spezifikation wie bei Beispiel 1 eingesetzt. Die Außenfläche des Rohres wurde nun mit einem 5 mm starken Mantel aus Glasfasergewebe und Epoxidharz versehen. Dann erfolgte das Anbringen der Metallhalterung, das Ausschäumen des Rohrinnenraumes, die Aufzeichnung des Gewindeverlaufs, das Einsägen des BSCCO-Materials und die Verfüllung der Sägeschnitte mit der Styroleinbettmasse- Aluminiumnitridpulver-Mischung, wie unter Beispiel 1 beschrieben. Nachdem die Füllmasse ausgehärtet war, wurde das HTSL-Spiral-probestück in eine Drehbank eingespannt und der Epoxid-Glasfaserverbundmantel sowie die überstehende, ausgehärtete Füllmasse abgedreht. Anschließend erfolgte die Entfernung der Metallhalterung und des Hartschaumkerns wie unter Beispiel 1 beschrieben. Die Messung des Endwiderstands ergab einen Wert von 1 ,8 Ohm.
Beispiel 3:
Erneut wurde zur Herstellung der HTSL-Spule ein BSCCO-Rohr eingesetzt wie unter Beispiel 1 beschrieben. Nach Messung des Gesamtwiderstandes und Aufbringen der Isolierbandwicklung wurde der Rohrinnenraum mit einer Lackschicht überzogen. Dann wurde die Metallhalterung positioniert und zentriert. Anschließend wurde der Rohrinnenraum mit einer Modellgipsmasse ausgegossen. Die weitere Verarbeitung erfolgte wie unter Beispiel 1 beschrieben. Die ausgehärtete Gipsmasse wurde mittels eines kleinen Stecheisens aus dem Spiralrohrinnenraum entfernt. Der gemessene Endwiderstandswert der Spule lag bei 1 ,6 Ohm. Die kritische Stromdichte der Spule betrug bei 77 K 548 A/cm2.
Beispiel 4:
Für die Herstellung der HTSL-Spule wurde wiederum ein BSCCO-Rohr gemäß der Spezifikation, beschrieben unter Beispiel 1 , verwendet. Dann erfolgte die Messung des Gesamtwiderstands und das Aufbringen der straff gespannten Isolierbandschicht auf die Außenfläche des BSCCO-Rohres. Anschließend wurde die Positionierung der Metallhalterung vorgenommen, die nun zusätzlich mit einem Gewinde ausgestattet war und einen Durchmesser von 30 mm besaß. Nun erfolgte das Einsetzen eines zylinderförmigen Kunststoffweichschaumkörpers in der Weise, daß der mit einer Innenöffnung versehene Zylinder durch selbige auf die Metallhalterung aufgesetzt und entlang dieser in den Innenraum des Rohres abgesenkt wurde. Der Durchmesser der Innenöffnung des Kunststoffzylinders war gleich dem Außendurchmesser der Metallhalterung, wohingegen der Außendurchmesser des Zylinders 2 mm größer war, als der Innendurchmesser des BSCCO-Rohres. Zudem war die Länge des Kunststoffweichschaumkörpers 10 mm größer, als die Länge des supraleitendes Rohres. Nach dem Einpassen des Kunststoffzylinders wurde eine Metallplatte (Materialstärke = 3 mm, Innenbohrung = 32 mm, Außendurchmesser = 100 mm) über die Metallhalterung auf die Stirnseite des Zylinders aufgelegt. Anschließend erfolgte das Zusammenpressen des Kunststoffweichschaumkörpers mittels einer Mutter, die durch das Gewinde der Metallhalterung geführt wurde, so daß sich eine Versteifung des BSCCO-Rohres von innen mittels dieses Vorgangs ergab. Dann wurde die Bearbeitung gemäß Beispiel 1 fortgeführt. Nachdem die Verfüllung der Sägeschnitte abgeschlossen war, erfolgte die Herausnahme des Weichschaumkunststoffkörpers aus dem Innenraum der Spule, so daß die unter Beispiel 1 beschriebenen Abschlußarbeiten vorgenommen werden konnten. Der Endwert des elektrischen Gesamtwiderstands betrug 1 ,9 Ohm.
Beispiel 5:
Erneut erfolgte der Einsatz eines BSCCO-Rohres gemäß der unter Beispiel 1 beschriebenen Spezifikation. Die Messung des Gesamtwiderstandes und die Verarbeitung wurden ebenfalls, wie unter Beispiel 1 aufgeführt, vorgenommen. Die Verfüllung der Sägeschnitte in diesem Beispiel erfolgte jedoch mit einer Mischung aus Styroleinbettmasse und Aluminiumoxidpulver im Verhältnis 1 : 1. Der Endwiderstand der HTSL-Spule betrug 1 ,8 Ohm.
Beispiel 6:
Gemäß Beispiel 5, jedoch unter Verwendung einer Epoxidharz- Aluminiumnitrid- Pulvermischung im Verhältnis 1 : 1. Der Endwiderstandswert der HTSL-Spule betrug 1 ,7 Ohm.
Beispiel 7:
Wie unter Beispiel 1 beschrieben, jedoch ohne Silberkontaktflächen an den Enden des BSCCO-Rohres. Endwiderstandswert der HTSL-Spule 1 ,9 Ohm. Beispiel 8:
Entsprechend Beispiel 1 , aber unter Verwendung eines BSCCO-Rohres mit einem Innendurchmesser von 55 mm, einem Außendurchmesser von 70 mm und einer Länge von 200 mm. Die Höhe der Silberkontakte an den Enden des Rohres betrug 20 mm. Der Endwiderstandswert lag nach der Bearbeitung bei 1 ,1 Ohm.
Beispiel 9:
Herstellung einer bifilaren Spule entsprechend der in Beispiel 1 beschriebenen Grundverfahrensweise und unter Verwendung eines BSCCO-Rohres mit einem Innendurchmesser von 55 mm, einem Außendurchmesser von 70 mm und einer Länge von 200 mm. Zur Schaffung eines gegenläufigen Spiralgangs wurde der einfach geschnittene Spiralgang mit Klebstoffmasse verfüllt und dann erneut mittels einer Säge in einen zweiten Spiralgang unterteilt. Durch entsprechende Einschnitte am gegenüberliegenden Ende der Spule wurden die notwendige Stromzuführungen hergestellt. Die Höhe der Silberkontakte an den jeweiligen Enden des Rohres betrug 20 mm, der Endwiderstandswert nach erfolgter Bearbeitung lag bei 1 ,7 Ohm.
Die kritische Stromdichte Jc der Spulen der oben aufgeführten Beispiele betrug bei 77 K mindestens 100 A/cm2, vorzugsweise mindestens 400 A/cm2 und besonders bevorzugt mindestens 500 A/cm2, bei 64 K mindestens 400 A/cm2 und bei 4 K mindestens 2000 A/cm2 bzw. vorzugsweise mindestens 5000 A/cm2.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer supraleitenden Spule, dadurch gekennzeichnet, a) daß ein Formkörper aus einem Material, das supraleitend ist oder bei weiterer thermischer Behandlung supraleitend wird, gegebenenfalls außen mit einer Verstärkung beschichtet wird, b) daß der Formkörper, soweit er nicht mit einem geeigneten Hohlraum versehen ist, zu einem geeigneten Hohlkörper bearbeitet wird, c) daß der gegebenenfalls außen verstärkte Hohlkörper gegebenenfalls innen mit einer als Innenverstärkung wirkenden Halterung fest verbunden wird, d) daß der Hohlkörper danach mit Einschnitten oder Durchschnitten im wesentlichen in der Form der zukünftigen Spulengeometrie versehen wird, e) daß die Ein- oder Durchschnitte, vorzugsweise von außen, mit einem verstärkenden Material verfüllt werden oder/und ein verstärkendes Material außen auf dem Formkörper aufgebracht wird, f) daß die gegebenenfalls vorhandene, als Innenverstärkung wirkende Halterung gegebenenfalls weitgehend oder gänzlich aus dem Hohlkörperinneπraum entfernt wird, g) daß im Falle von Einschnitten der Hohlkörper innen soweit abgearbeitet wird, daß aus den Einschnitten Durchschnitte werden, h) daß der Hohlkörper im Inneren danach gegebenenfalls mit einem verstärkenden Material beschichtet wird, i) wobei die Durchschnitte mit einem verstärkenden Material verfüllt werden können, j) daß die Verstärkung gegebenenfalls außen oder innen auf dem
Hohlkörper teilweise, weitgehend oder gänzlich entfernt wird, k) wobei die Verfüllung der Durchschnitte weitgehend oder gänzlich erhalten bleiben kann .
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das Supraleitermaterial mindestens eine der supraleitenden Phasen mit einer Zusammensetzung im wesentlichen auf der Basis (Bi,Pb)-Ea-Cu-O, (Y,SE)- Ea-Cu-O oder (TI,Pb)-(Ea,Y)-Cu-O enthält, wobei Ea für Erdalkalielemente und insbesondere für Ba, Ca oder/und Sr steht.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Supraleitermaterial neben der oder den supraleitenden Phasen einen Gehalt an einer oder mehreren Verbindungen aufweist, die erst oberhalb von 950 °C schmelzen und sich nicht unterhalb von 950 °C zersetzen, insbesondere an BaSO4, SrSO4 oder/und (Ba,Sr)SO4.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Anschlußflächen gegebenenfalls von einem verstärkenden Material befreit werden und mit einem metallischen, elektrisch leitenden Material, vorzugsweise einer Silberlegierung, beschichtet oder bedeckt werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Formkörper verwendet wird, der in Richtung des Stromverlaufs in der Spule texturiert ist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Formkörper verwendet wird, der nach einem Schmeizgußverfahren, insbesondere nach einem Schieudergußverfahren, hergestellt wurde.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Einschnitte in einen Formkörper derart eingebracht werden, daß der resultierende Formkörper die Geometrie einer mono-, bi- oder multifilaren Spule aufweist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei supraleitende Spulen mit unterschiedlichen Durchmessern auf Abstand ineinander gestellt und zu einer bi- oder multifilaren Spule supraleitend zusammengefügt werden.
9. Supraleitende Spule hergestellt nach einem Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8.
10. Supraleitende Spule aus einem Supraleitermaterial, das stark texturiert und dabei so orientiert ist, daß die Plättchenebenen, die der Ebene der besten Supraleitfähigkeit entsprechen, weitgehend in Richtung des Spulenverlaufes ausgerichtet sind, wobei die Spule aus einem supraleitenden Massivteil herausgearbeitet ist.
11. Supraleitende Spule nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Supraleitermateriai mindestens eine der supraleitenden Phasen mit einer Zusammensetzung im wesentlichen auf der Basis (Bi,Pb)-Ea-Cu-O, (Y,SE)- Ea-Cu-O oder (TI,Pb)-(Ea,Y)-Cu-O enthält, wobei Ea für Erdalkalielemente und insbesondere für Ba, Ca oder/und Sr steht.
12. Supraleitende Spule nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, daß das Supraleitermaterial neben der oder den supraleitenden Phasen einen Gehalt an einer oder mehreren Verbindungen aufweist, die erst oberhalb von 950 °C schmelzen und sich nicht unterhalb von 950 °C zersetzen, insbesondere an BaSO4, SrSO4 oder/und (Ba,Sr)SO4.
13. Supraleitende Spule nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem im Schmelzgußverfahren, vorzugsweise aus einem im Schleudergußverfahren, hergestellten Formkörper herausgearbeitet ist.
14. Supraleitende Spule mit geringem Wechseistromverlust mit einem Abstand von einer Windung bis zur nächsten Windung oder von einem Filament bis zum nächsten Filament von mindestens 0,15 mm.
15. Supraleitende Spule nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß ihre Kontaktflächen mit einem metallischen, elektrisch leitenden Material beschichtet oder mit einer Folie oder einem Blech aus diesem Material bedeckt sind.
16. Supraleitende Spule nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß sie keine ganzflächige metallische Ummantelung bzw. Bedeckung aufweist.
17. Supraleitende Spule nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens der mittlere Bereich der Spule frei von einer metallischen oder andersartigen elektrisch normalleitenden Ummantelung oder Bedeckung ist.
18. Supraleitende Spule nach einem der Ansprüche 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Außenverstärkung der Spulengänge aufweist, die die Spulengänge außerhalb der Einschnitte oder/und zwischen den Spulengängen verstärkt.
19. Supraleitende Spule nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenverstärkung ein organisches oder anorganisches Klebstoffsystem oder ein Mehrkomponentenklebstoffsystem, gegebenenfalls mit einem Füllstoff wie z.B. Aluminiumnitrid, Siliciumnitrid, Aluminiumoxid oder/und Siliciumdioxid verstärkt, enthält.
20. Verwendung einer supraleitenden Spule nach einem der Ansprüche 9 bis 19 als Halbzeug für die Herstellung von hochtemperatursupraleitenden Transformatoren, Wicklungen, Magneten, Innenspulen von Magneten, Strombegrenzern oder Stromzuführungen.
21. Verwendung einer supraleitenden Spule hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 8 als Halbzeug für die Herstellung von hochtemperatursupraleitenden Transformatoren, Wicklungen, Magneten, Innenspulen von Magneten, Strombegrenzern oder Stromzuführungen.
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