DE1590249B2

DE1590249B2 - Supraleitendes elektrisches Kabel

Info

Publication number: DE1590249B2
Application number: DE1590249A
Authority: DE
Inventors: Lucien Sevres Hauts-Deseine Donadieu (Frankreich)
Original assignee: Compagnie Generale dElectricite SA
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1965-08-03
Filing date: 1966-08-02
Publication date: 1974-08-29
Also published as: US3349169A; SE335162B; CH447324A; LU51669A1; BE684890A; FR1452825A; NL6610775A; ES329750A1; DE1590249C3; DE1590249A1; GB1144170A

Description

des Höchstroms I^ eines gewickelten Drahtes aus dem gleichen Material. Bekanntlich verlieren Supraleiter bei einer bestimmten Temperatur ihre supraleitenden Eigenschaften und verhalten sich dann wie Stoppel mit gewöhnlicher Leitfähigkeit, sofern der sie durchfließende Strom nicht eine kritische Stromstärke 11 übersteigt. Der Wert dieses kritischen Stromes I_L hängt vom magnetischen Fluß ab, der den Supraleiter durchfließt, wie das F i g. 1 zu entnehmen ist. Man hat festgestellt, daß der Strom in einer aus supra- ίο leitendem Draht hergestellten Spule einen Höchststrom I_M nicht überschreiten kann, der beträchtlich unter dem theoretischen Wert des kritischen Stroms I_L liegt. Der Unterschied zwischen dem kritischen Strom I_L und dem Höchststrom I_M ist darauf zurückzuführen, daß in Supraleitern interne elektromagnetische Störungen auftreten können, die ein stellenweises Verschwinden der Supraleitfähigkeit darstellen und mitunter »Löschung« genannt werden. Diese internen Störungen beruhen unter anderem auf ortlicher Erwärmung und Einwirkung eines äußeren Magnetfeldes sowie auf der Einwirkung des durch den Supraleiter selbst und die ihm benachbarten Windungen erzeugten Magnetfeldes. Aus diesem Grund muß der' Strom auf bedeutend unter dem theoretischen Wert liegende Werte begrenzt werden, was auch das durch eine Spule erzeugbare magnetische Feld begrenzt.

Die »Löschung« der supraleitenden Eigenschaften darf auf die Funktion des Leiters keine zu starke Auswirkung haben. Aus diesem Grund wird der Supraleiter mit einem Mantel aus einem Metall umgeben. Bekannt ist dafür Kupfer, es kann sich aber auch um Gold, Silber oder Aluminium handeln. Wesentlich ist, daß der Mantel aus einem bei normaler Temperatur gut elektrisch leitenden Stoff besteht (mindestens 2-10⁷mho/m) und ein Verhältnis der Leitfähigkeit bei einer Temperatur von einigen Grad Kelvin zur Leitfähigkeit bei etwa 2O⁰C und über 50 hat. Der Mantel hat die Wirkung, daß, sobald mikroskopisch kleine elektromagnetische Störungen die Supraleitfähigkeit örtlich aufheben, der durch den Supraleiter fließenden Strom über die Berührungspunkte zwischen Mantel und Supraleiter in den Mantel ausweichen und die Stelle im Mittelleiter umgehen kann, die nicht mehr die erforderliche Leitfähigkeit hat. Die Wirkung der »Löschung« bleibt so örtlich begrenzt und dehnt sich nicht aus, da eine Erwärmung infolge des durch den gestörten Teil fließenden Stromes verminderte Leitfähigkeit nicht eintritt.

F i g. 2 zeigt im Schnitt die Anordnung des Mittelleiters 1 und des Mantels 2, der mit der gesamten Oberfläche des Mittelleiters vollkommen und ständig in elektrischer Berührung steht. In F i g. 1 sind zahlreiche Berührungspunkte 30 angedeutet.

Dabei ist es nun entscheidend, daß der Mantel nicht durchlaufend, sondern unterbrochen ausgebildet wird.

F i g. 3 zeigt eine Ausführungsform, bei der der Mittelleiter 1 aus supraleitendem Material von einem Mantel 3 umgeben ist, der durch Aufwickeln eines Bandes aus einem Metall der obengenannten Gruppe hergestellt wird. Die Windungen des Bandes liegen aneinander an. Dennoch ergibt sich eine erhebliche Erhöhung des elektrischen Widerstandes für Induktionsströme im Mantel, dessen Funktion im übrigen erhalten bleibt. Ein spiralförmiges Band weist auch eine große Flexibilität auf, was für die Fertigung von Spulen aus Supraleitern wichtig ist.

F i g. 4 stellt eine weitere Ausführungsform dar, bei der der Mittelleiter 1 von einem Mantel umgeben ist, der aus spiralförmig gewickelten Bündeln dünner Drähte aus einem der Metalle der oben bezeichneten Gruppe besteht.

F i g. 5 zeigt noch ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung.

Der supraleitende Mittelteil 1 ist hier von einem Mantel 5 umgeben, der aus einer Vielzahl von verlitzten Drähten des oben bezeichneten Metalls besteht. Der verlitzte Mantel kann aus gleichartigen Drähten bestehen oder durch Verlitzen von Einzeldrähten mit durch Verflechten oder Verseilen einer' Vielzahl von Drähten erzielten, gemischten Drähten hergestellt werden.

Die Anzahl der verwendeten Drähte, deren Querschnitt und die Art der Verlitzung richtet sich nach den Kennwerten des herzustellenden Kabels. Insbesondere bestimmt die verwendete Metallmenge den Höchststrom des herzustellenden Kabels, und die Art der Verlitzung bestimmt die Anzahl der Berührungspunkte mit dem Mittelleiter sowie die Flexibilität des Kabels. Eine große Anzahl von Berührungspunkten wird somit ohne Verringerung der Flexibilität erzielt. Andererseits kann die Verlitzung des Mantels leicht an jedem vorgefertigten Supraleiter durchgeführt und die Spannung des Mantels auf jeden gewünschten Wert angepaßt werden. Es wurde festgestellt, daß der bei hoher Stabilität durch eine aus einem erfindungsgemäß hergestellten Kabel fließende Höchststrom bedeutend stärker als derjenige von herkömmlichen Kabeln und beträchtlich stärker als der Strom eines Kabels ist, das der »Lösch«-wirkung ausgesetzt ist.

Ein nicht ummantelter supraleitender Draht von 1 mm Querschnitt ist für einen konstanten Höchststrom von 84 A ausgelegt. Der gleiche, mit einem Mantel aus einer Litze von dünneren 16· 3 Kupferdrähten von 0,012 mm Querschnitt versehene Draht läßt einen Höchststrom von 260 A hindurch, der dreimal stärker ist.

Der Höchststrom kann noch erhöht werden, indem man einfach einen zweiten Mantel auf ein bereits einen ersten Mantel aufweisendes Kabel aufbringt. Die Aufbringung eines zweiten verlitzten Mantels aus 16-3 Drähten gleicher Art erhöht beispielsweise den Wert des konstanten Höchststroms um etwa das Doppelte auf 510A. Durch Hinzufügung weiterer Mäntel gelangt man zum theoretischen Wert des durch die obere Kurve in F i g. 1 definierten Anfangsstroms.

F i g. 6 zeigt ein gemischtes Kabel entsprechend der vorliegenden Erfindung. Dieses hat einen supraleitenden Mittelteil 1, der von einem wie oben bezeichneten ersten Mantel 6 und einem zweiten Mantel? umgeben ist. Letzterer ist entsprechend dem obenerwähnten Verfahren hergestellt, die verlitzten Drähte bestehen jedoch aus einem Metall mit guten ferromagnetischen Eigenschaften, z. B. Eisen, Nickel, Eisen-Nickel-Legierungen usw.

Im Vergleich zu den oben beschriebenen Kabeln bietet das Kabel nach F i g. 6 den zusätzlichen Vorteil, daß es von Änderungen des äußeren magnetischen Feldes unberührt bleibt, die einen der Gründe für die obengenannten, die »Lösch«-wirkung hervorrufenden internen Störungen bilden können.

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F i g. 7 stellt ein weiteres erfindungsgemäßes Kabel mechanische Eigenschaften aufweisendem Material dar, das —· ähnlich demjenigen in F i g. 6 — einen bestehen. Bei einem Kabel mit mehreren Mänteln weiteren Mantel 8 aufweist, der den Mantel 7 um- können zwei aufeinanderfolgende Mäntel aus untergibt und aus Isoliermaterial gefertigt ist. Wie aus schiedlichem Metall der Gruppe der — wie oben an-F i g. 7 ersichtlich, kann das erfindungsgemäße Kabel 5 gegeben — gute elektrische Eigenschaften aufweiseneinen Außenmantel wie 9, ebenfalls aus verlitzten den Metalle hergestellt werden.
Drähten, aufweisen, jedoch bestehen letztere aus Der supraleitende Mittelteil des erfindungsgemäßen einem Metall, das große Elastizität und hohe mecha- Kabels wird nicht notwendigerweise aus einem einnische Festigkeit, wie Eisen oder Stahl, aufweist. zelnen Draht hergestellt. Gewöhnlich besteht der Ein Außenmantel mit solchen Eigenschaften ist sehr io Mittelteil aus mehreren Litzen aus supraleitendem wichtig bei Verwendung von Kabeln in Spulen mit Stoff. In diese supraleitenden Litzen kann außerdem sehr intensivem Magnetfeld. Die Elastizität des ge- ein geschmeidiges Metall mit niedrigem Schmelzmischten Kabels ist wichtig, um es spulen zu kön- punkt, wie Blei, Zinn, Indium, Wismut oder eine nen, und der hohe mechanische Widerstand ist Legierung derselben, eingebracht werden. Diese Meerforderlich, um den starken, bei hohen Strömen auf 15 talle beeinträchtigen nicht die Flexibilität des Kabels, die Windungen wirkenden elektromechanischen und es kann vorteilhaft sein, den supraleitenden Kräften standzuhalten. Außerdem bietet ein Mantel Draht mit einer dünnen Außenschicht zu umgeben, wie 9 den Innenmänteln und dem Mittelleiter wirk- so daß auf Grund ihres niedrigen mechanischen samen Schutz. Widerstands die Drähte des verlitzten Mantels ein-

Es ist zu beachten, daß die Aufbringung mehrerer 20 gepreßt werden und dadurch den elektrischen Kon-Mäntel nicht die gleiche Wirkung hat wie ein einziger takt verbessern. Im übrigen können diese Metalle in Mantel mit der gleichen Menge Metall der oben be- einen oder mehrere verlitzte Mäntel eingebracht werzeichneten Gruppe. Mehrere Mäntel übereinander den, um die elektrische Gesamtleitfähigkeit zu ersind insofern vorteilhaft, als die Flexibilität einen höhen.

hohen Wert behält und jedes Kabel leicht dem ge- 25 Wie oben gesagt, bestehen die Drähte der Mäntel

wünschten Verwendungszweck angepaßt werden aus Metall mit guter elektrischer Leitfähigkeit bei

kann. So wie bei einer Spule der Druck der Innen- Normaltemperatur von 20° C, wie Kupfer, Silber,

Windungen zunimmt, wenn zusätzliche Außenwin- Aluminium oder Gold. In bestimmten Fällen kann

düngen gewickelt werden, so nimmt der Druck des der Draht einen Mittelleiter aus einem dieser Metalle

ersten verlitzten Mantels gegen den supraleitenden 30 z. B. Kupfer, sowie einen dünnen Überzug eines

Mittelteil durch Hinzufügen weiterer verlitzter Mäntel anderen Metalls, z.B. Gold, Zinn oder Silber, oder

zu, ganz gleich ob letztere aus dem gleichen Metall, auch eines sonstigen Metalls mit niedrigem Schmelz-

einem ferromagnetischen Material oder einem gute punkt aufweisen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Supraleitendes elektrisches Kabel, das einen zumindest teilweise aus supraleitendem Metall bestehenden Mittelleiter und zumindest einen den genannten Mittelleiter umgebenden Mantel hat, der eine große Anzahl elektrischer Berührungspunkte je Seitenflächeneinheit mit dem Mittelleiter aufweist und aus einem. Metall wie Kupfer besteht, das bei Raumtemperatur eine elektrische Leitfähigkeit von mehr als 2-10⁷mho/m besitzt und bei dem das Verhältnis der Leitfähigkeit bei einer Temperatur von einigen Grad Kelvin zur Leitfähigkeit bei Raumtemperatur mehr als 50 beträgt, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel aus einem spiralförmig, mit aneinanderstoßenden Windungen gewickelten Band aus spiralförmig gewickelten Bündeln dünner Drähte oder aus einer Vielzahl von verlitzten Drähten besteht.

2. Elektrisches Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Draht des Mantels einen Überzug aus einem Metall der Gruppe Zinn, Silber und Gold aufweist.

3. Elektrisches Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß. der aus einer Vielzahl von verlitzten Drähten gebildete Mantel und gegebenenfalls der aus einer Vielzahl von verlitzten, supraleitenden Drähten bestehende Mittelleiter ein geschmeidiges Metall enthält, das eine gute thermische und elektrische Leitfähigkeit und einen niedrigen Schmelzpunkt besitzt.

4. Elektrisches Kabel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Metall um eines aus der Gruppe Indium, Zinn, Wismut und Blei bzw. um eine Legierung mindestens zweier Metalle dieser Gruppe handelt.

5. Elektrisches Kabel nach einem der Ansprüehe 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel eine Umflechtung aus einer Vielzahl von Leitern, einschließlich Leitern aus mehreren verlitzten Drähten aufweist.

6. Elektrisches Kabel nach einem der Ansprüehe 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel aus einer Vielzahl von übereinander angeordneten verlitzten Mänteln besteht.

7. Elektrisches Kabel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß es mit einem Außenmantel aus verlitzten Drähten aus Metall versehen ist, das eine gute Elastizität und große mechanische Festigkeit aufweist.

8. Elektrisches Kabel nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß es einen zweiten Mantel aus einem gute ferromagnetische Eigenschaften besitzenden Metall aufweist.

9. Elektrisches Kabel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß es einen dritten Mantel aufweist, der den genannten zweiten Mantel umgibt und aus Isoliermaterial hergestellt ist, sowie von einem vierten Mantel umgeben ist, der, aus einem eine gute Elastizität und große mechanische Festigkeit aufweisenden Metall gefertigt ist.

65 Die Erfindung bezieht sich auf ein supraleitendes elektrisches Kabel, das einen zumindest teilweise aus supraleitendem Metall bestehenden Mittelleiter und mindestens einen den genannten Mittelleiter umgebenden Mantel hat, der eine große Anzahl elektrischer Berührungspunkte je Seitenflächeneinheit mit dem Mittelleiter aufweist und aus einem Metall wie Kupfer besteht, das bei Raumtemperatur eine elektrische Leitfähigkeit von mehr als 2 · 10⁷ mho/m besitzt und bei dem das Verhältnis der Leitfähigkeit bei einer Temperatur von einigen Grad Kelvin zur Leitfähigkeit bei Raumtemperatur mehr als 50 beträgt.

Es sind schon supraleitende elektrische Kabel bekannt (US-PS 3 115 612 und 3 109 963), bei. dem der aus supraleitendem Metall bestehende Mittelleiter mit einem Mantel aus Kupfer umgeben ist. Es handelt sich dabei um einen ununterbrochenen Mantel, der deshalb eine praktisch unendlich große Anzahl elektrischer Berührungspunkte mit dem Supraleiter aufweist. Supraleiter mit derartigen durchgehenden Mänteln sind jedoch für äußere elektromagnetische Störungen anfällig, weil sie nur einen geringen elektrischen Widerstand für Induktionsströme darstellen, die durch veränderliche Magnetfelder in den Mantel induziert werden. Dieser Nachteil wurde jedoch in Kauf genommen, weil der Mantel eine möglichst ununterbrochene.elektrische Berührung mit dem Mittelleiter, also dem eigentlichen Supraleiter, haben soll.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, das elektrische Kabel der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß sich eine hohe elektrische Stabilität gegenüber äußeren elektromagnetischen Störungen ergibt. Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.

Man erkennt zunächst als erfindungswesentlich, daß der Mantel nicht mehr durchlaufend, sondern unterbrochen ausgebildet ist. Auf diese Weise bietet er einen elektrischen Widerstand für Induktionsströme, der erheblich größer ist als beim massiv durchlaufenden Mantel. Dennoch ist es möglich, für eine ausreichend gute elektrische Berührung durch eine große Anzahl elektrischer Berührungspunkte zwischen Mantel und eigentlichem Supraleiter zu sorgen. Die Diskontinuität des elektrischen Kontaktes zwischen Mantel und Mittelleiter ist so von nur beschränkter Auswirkung und ohne wesentlichen Nachteil, während die Vergrößerung des elektrischen Widerstandes des Mantels gegenüber Induktionsströmen einen erheblichen Vorteil darstellt. Überdies kann das supraleitende elektrische Kabel mit dem unterbrochenen Mantel leicht hergestellt werden, weil zunächst der gegebenenfalls eine komplexe Struktur aufweisende Mittelleiter als eigentlicher Supraleiter hergestellt und der Mantel danach aufgebrachtwerdenkann.

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht, und zwar zeigt

F i g. 1 Kennlinien des Grenzstroms I_L und des Höchststroms I_M in Abhängigkeit vom magnetischen Fluß B,

F i g. 2 einen schematischen Schnitt durch eine Ausführungsform,

F i g. 3 bis 5 Ansichten von anderen Ausführungsformen und

F i g. 6 und 7 Ansichten ähnlich F i g. 2 von anderen Ausführungsformen.

F i g. 1 zeigt in Abhängigkeit von der Flußdichte die theoretische Kurve des kritischen Stromes I_L eines Supraleiters und die experimentell ermittelte Kurve