DE2129997A1

DE2129997A1 - Schaltbarer Supraleiter

Info

Publication number: DE2129997A1
Application number: DE19712129997
Authority: DE
Inventors: Hubert Croso; Gerard Prost; Andre Quefelles; Jean Sole
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1970-06-18
Filing date: 1971-06-16
Publication date: 1971-12-23
Also published as: BE768567A; US3715703A; GB1335423A; NL7108359A; FR2094354A5

Description

Ratentanwälte DIpl.-lng. R. B E E T Z «en. Dipl-Ing. K. LAMPRECHT

Dr.-lng. R. BEETZ Jr. ? 1 ? 9 9 9 7

β Mönehen 22, Siein«dorfetr. 10 *" ^! ^ ^- ^v

410-17.190P 16.6.1971

Commissariat ä I¹Energie Atomique 29» rue de la Federation, Paris 15e Prankreich

Schaltbarer Supraleiter

Die Erfindung bezieht sich auf einen schaltbaren Supraleiter mit mindestens einem supraleitenden Leiterelement, das aus zwei haarnadelförmig angeordneten Zweigen besteht, in denen der Strom in entgegengesetzter Richtung fließt.

Bei der Erfindung geht es um ein Leiterelement, das sich auch dann aus einem supraleitenden Zustand in einen Normalzustand, in dem seine supraleitenden Eigenschaften verschwunden sind, umschalten läßt, wenn die dabei zu schaltende elektrische Leitung selbst sehr hoch ist.

Das Grundprinzip für schaltbare Supraleiter mit Zustandsübergang ist an sich bekannt und besteht darin, daß man einen Abschnitt eines vom elektrischen Strom durchflossenen Supraleiters mit einer Einrichtung koppelt, die eine abrupte Erhöhung der Temperatur oder des Magnetfeldes für den Supraleiter bewirken

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kann. Bei den bisher üblichen schaltbaren Supraleitern ist jedoch die schaltbare Leistung stets begrenzt. Für den Sonderfall eines homogenen Materials läßt sich die Obergrenze für die schaltbare Leistung wiedergeben durch die Gleichung:

(1) R_mI² = ^²V,

in der R den Maximalwiderstand für das supra 1 eitende. Leiterelement im Normalzustand, I den das Leiterelement im supraleitenden Zustand durchfließenden Strom, <2 den spezifischen Widerstand des Materials für das Leiterelement im Normalzustand,

eTdie Stromdichte im Leiterelement im supraleitenden Zustand und ν das Volumen im supraleitenden Material für das betrachtete Leiterelement bedeuten. Liegt anstelle eines homogenen Materials ein zusammengesetztes Material im supraleitenden Leiterelement vor, so sind lediglich auf der zweiten Seite der obigen Gleichung die verschiedenen Größen durch ihre scheinbaren Werte entsprechend dem betrachteten zusammengesetzten Material zu ersetzen.

Damit die spezifische elektrische Leistung in dem supraleitenden Leiterelement, also die Leistung je Volumeneinheit des das Leiterelement bildenden Materials so groß wird wie möglich, muß der Ausdruck of auf der rechten Seite der Gleichung (1) ebenfalls so groß gemacht werden wie möglich. Nun hat jedoch der spezifische Widerstand α für ein gegebenes Material im Normalzustand einen festen und vorgegebenen Wert; umgekehrt ist auch die Stromdichte f , die man in dem supraleitenden Leiterei^ment während seines supraleitenden Zustandes ohne die Gefahr eines selbständigen Übergangs, also ohne die Gefahr einer Instabilität erzeugen kann, ebenfalls stets begrenzt. Insbesondere hat die zulässige Stromdichte eine Obergrenze in dem Wert für die stabile Stromdichte, die man in einem supraleitenden Leiterele-

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ment von begrenzter Länge aus dem betreffenden Material erzeugen kann, wobei dieses Leiterelement im folgenden als "kurze Probe" bezeichnet werden soll.

Für die Erhöhung des spezifischen Widerstands des Lfiterelements im Normalzustand sind bereits verschiedene Lösungen ins Auge gefaßt worden, von denen insbesondere eine darin besteht, die Hüllschicht aus normalleitendem Stabilisatormaterial zu vermindern oder sogar wogzulassen, die normalerweise mit einem supraleitenden Material gekoppelt und dazu bestimmt ist, für den Fall eines zufälligen und lokalen Zustandsüberganges im supraleitenden Material dieses Material kurzzuschließen und den darin fließenden Strom abzuleiten, damit sich der lokale Zustandsübergang nicht auf das gesamte supraleitende Leiterelement ausdehnt. Fine Verringerung oder gar Beseitigung dieser' äußeren Hülle begrenzt jedoch automatisch auch die Stabilität des supraleitenden Leiterelements insbesondere im Falle sehr hoher Stromdichte, was dem angestrebten Ziel gerade konträr zuwiderläuft.

Schließlich ist noch zu beachten, daß die obigen Überlegungen stets für ein supraleitendes Leiterelement von begrenzter Länge oder eine kurze Probe gelten; bei einem großen Teil der gedachten industriellen Anwendung ist es jedoch erforderlich, supraleitende Leitereleraente mit solcher Länge zu verwenden, daß die Bezeichnung kurze Probe auf sie nicht mehr angewandt werden kann. Aus diesen Bedingungen ergibt sich eine zweite Ursache für Verschlechterungen, die den zulässigen Wert für die stabile Stromdichte noch weiter reduzieren, die in dem jeweiligen supraleitenden Leiterelement aufrechterhalten werden kann. Diese Erscheinung einer doppelten Verschlechterung, die eine sehr erhebliche Verringerung der stabilen Stromdichte bedeuten kann, ist besonders nachteilig für den Bau von schaltbaren Supraleitern mit Zustandsübergängen, da deren spezifische Leistung

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mit dem Quadrat der Stromdichte variiert, wie dies die obige Gleichung (l) zeigt. Umgekehrt würde es die Möglichkeit zu einer Aufrechterhaltung von stabilen Stromdichten, die nahe bei den für eine kurze Probe geltenden Werten liegen, bei einem Material mit einem spezifischen Widerstand von normaler Höhe ermöglichen, schaltbare Supraleiter zu bauen, die sehr erhebliche spezifische Leistungen führen könnten.

Ziel der Erfindung ist daher die Schaffung eines schaltbaren Supraleiters, dessen Länge so groß wie immer gewünscht sein kann, | der den Durchgang einer sehr hohen Stromdichte zuläßt und der damit die Übertragung einer großen elektrischen Leistung gestattet, die insbesondere weit über den für bisher bekannte Supraleiter zulässigen Werten liegt.

Untersuchungen der Anmelderin über das Verhalten von Leiterelementen aus supraleitendem Material und insbesondere von durch Induktion gekoppelten supraleitenden Spulen haben nun gezeigt, daß die Instabilitäten, die sich bei solchen Spulen von einerseits erheblicher Länge und andererseits ohne äußeren stabilisierenden Überzug beobachten lassen, mit der Größe der zwischen den verschiedenen Teilen dieser Spulen und außerdem zwischen den verschiedenen Spulenwindungen bestehenden magnetischen Kopplung verbunden sind.

Die Erfindung beruht daher darauf, diese magnetischen Kopplungen zwischen einerseits den verschiedenen Leiterelementen mehrerer Spulen und andererseits den einzelnen Windungen dieser Spulen weitgehend zu vermindern.

Zu diesem Zwecke ist erfindungsgemäß für einen schaltbaren Supraleiter der eingangs erwähnten Art vorgesehen, daß der Abstand zwischen den beiden Zweigen eines supraleitenden Leiterelements klein ist gegen den Abstand zwischen zwei benachbarten Leiterelementen.

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Man hat bereits den Bau von supraleitenden Kreisen oder Leiterelementen vorgesehen, die auf sich selbst zurückgefaltet sind, um eine magnetische Kompensation zu erzielen. Bei diesen bekannten Lösungen wird jedoch eine solche Kompensation nur für Elemente großer Länge vorgesehen, die mit gleichem Abstand voneinander angeordnet sind. Damit ergibt sich dann lediglich eine globale Kompensation der entstehenden Felder. Sobald sich bei einem solchen Aufbau eine auch nur geringe Vergrößerung des Stromflusses in einem Leiterelement ergibt, führt diese Vergrößerung auch zu einer Beeinflussung der anderen Leiterelemente und läßt eine Pumpwirkung entstehen, die Oszillationen hervorruft, die rasch zur Auslösung von lokalen oder allgemeinen Zustandsänderungen führen können»

Die erfindungsgemäß besonders vorgesehene Haarnadelform für die Leiterelemente ermöglicht insbesondere eine lokale Kompensation der Magnetfelder für jedes Leiterelement der jeweiligen Spulen in der Weise, daß sich die gesarate Spule wie mehrere kurze Proben verhält, die jeweils magnetisch von den Nachbarproben unabhängig sind und sich daher zur Führung und auch zur Schaltung sehr hoher elektrischer Leistungen eignen. Dank der Verringerung des Abstandes d zwischen den Zweigen der einzelnen Leiterelemente verringert sich auch die magnetische Kopplung zwischen diesen haarnadelförmig angeordneten Zweigen, die vom Strom in entgegengesetzter Richtung durchflossen werden. Wenn außerdem der Abstand D zwischen benachbarten Leiterelementen groß wird, so ist jede Haarnadel von der benachbarten Haarnadel durch eine solche Strecke getrennt, daß das von der einen Haarnadel ausgehende Magentfeld ohne wesentlichen Einfluß auf die andere Haarnadel bleibt und umgekehrt.

Eine solche Konfiguration ermöglicht es, jeder Spule einen sehr geringen Selbstinduktionskoeffizienten zu geben, womit sich auch die gespeicherte Energie selbst verringert, was sich wiederum

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vorteilhaft auf die Geschwindigkeit für die Umschaltung und den Wirkungsgrad auswirkt. Zu beachten ist jedoch, daß die Schenkel der die supraleitenden Leiterelemente bildenden Haarnadeln so angeordnet werden müssen, daß eine Kompensation des magnetischen Effektes an einem Ende eines Zweiges durch das Ende des elektrisct zu weit entfernten anderen Zweiges vermieden bleibt, was im Gegenteil einer magnetischen Kopplung zwischen diesen beiden Zweigen entsprechen würde.

Die erfindungsgemäße Ausbildung des Supraleiters gestattet es auf diese Weise, durch Zerlegung in kurze Proben Leiterelemente ψ mit ausreichender Länge zu erhalten, die ggf. aus einem supraleitendem Material ohne StabilisatorhUlle bestehen, einer kurzen Probe analoge elektrische Eigenschaften zeigen und in sich einheitlich und stabil sind, da jede kurze Probe eine Kompensation durch die ihr benachbarten und davon unabhängigen weiteren kurzen Proben erfährt. Der erfindungsgemäße Aufbau ermöglicht insbesondere einen Umschaltbetrieb mit Zustandsänderung, bei dem mehrere Leiterelemente in Serie oder parallel geschaltet werden, wobei die Eigenschaften jedes dieser Leiterelemente so erhalten bleiben, als ob jedes Leiterelement allein im Einsatz wäre.

Für die weitere Erläuterung der Erfindung soll nunmehr auf die Zeichnung bezug genommen werden, in der einige bevorzugte Ausführungsbeispiele für die Erfindung veranschaulicht sind, In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein erfindungsgemäß ausgebildetes supraleitendes

Leiterelement von Haarnadelform in einfachster Ausführung;

Fig. 2a und 2b die Serienschaltung mehrerer supraleitender Leiterelemente nach Fig. Ij

Fig. 5 eine Variante für eine solche Schaltung;

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Pig. 4 eine weitere Ausführungsvariante, in der die Leiterelemente in Serie geschaltet und auf die Oberfläche eines zylindrischen Trägers aufgewickelt sind;

Pig. 5a und 5b weitere Varianten mit einem einzigen supraleitenden Leiterelement, dessen Länge seine kontinuierliche Aufwicklung auf die Oberfläche eines zylindrischen Trägers ermöglicht;

Fig. 6 eine Schaltungsvariante für die Ausführungsform von Fig. 5a;

Pig« 7 eine weitere AusfUhrungsmöglichtkeit, bei der Jedes supraleitende Leiterelement in Form eines Bandes vorliegt und seinerseits aus mehreren parallel geschalteten Drähten oder Kabeln besteht;und

Fig. 8 einen in größerem Maßstab dargestellten Ausschnitt aus einem supraleitenden Leiterelement gemäß der Ausführungsform von Fig. 7.

Das in Pig. 1 dargestellte supraleitende Leiterelement 1 besitzt zwei Zweige 2 und 3, die in bekannter Weise parallel zueinander angeordnet sind und gemeinsam eine Haarnadel bilden, wobei der Strom in den beiden Zweigen 2 und 5 in entgegengesetzter Richtung fließt. Dank dieses einfachen Aufbaus werden die Magnetfelder der beiden Zweige 2 und J5, die in unmittelbarer Nachbarschaft zueinander verlaufen, gegenseitig neutralisiert.

Pig. 2a veranschaulicht die Serienschaltung mehrerer erfindungsgemäß ausgebildeter Leiterelemente 4, 5 und 6, die jeweils entsprechend Pig. 1 ausgebildet sind und so zusammengeschaltet sind, daß der Abstand d zwischen den beiden Zweigen eines beliebigen Leiterelements klein ist gegen den Abstand D zwischen zwei benachbarten Leiterelementen.

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Bei dieser Ausführungsvariante liegen die supraleitenden Leiterelemente 4,5 und 6 alle in der gleichen Ebene, beispielsweise in der Zeichenebene. Bei der in Fig. 2b veranschaulichten Variante dagegen sind die Leiterelemente 4, 5 und 6 in zueinander parallelen Ebenen 4a, 5a bzw, 6a angeordnet, wobei die Relation zwischen den Abständen d für die Zweigpaare einerseits und D für benachbarte Leiterelemente andererseits wie in Fig. 2a gewählt ist. Bei dieser Sonderbauform kann jeweils ein Zweig jedes Leiterelements hinter und der entgegengesetzte Zweig davon vor k der Zeichenebene liegen, was die magnetische Entkopplung zwischen aufeinanderfolgenden Haarnadeln noch weiter verstärkt.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform, in der die aufeinanderfolgenden Leiterelement in ein und derselben Ebene liegen, jedoch gegeneinander winkelmäßig versetzt sind. In Fig. 3 sind außerdem die Abstände d und D eingezeichnet, und man sieht, daß wie bei den vorangehenden Beispielen die geforderte Beziehung zwischen den beiden Abständen d und D in dem Sinne, daß d klein ist gegen D, gewahrt bleibt.

Fig. 4 veranschaulicht eine Ausführungsform, die sich aus der Ausführungsform von Fig. 2a herleiten läßt, bei der jedoch die Leiterelemente 4, 5 und 6 auf einem zylindrischen Träger aufgewickelt sind.

Fig. 5a und 5b beziehen sich auf eine unterschiedliche Anordnung, bei der nur ein einziges Leiterelement 7 bzw. 7a von erheblicher Länge verwendet wird. In Fig. 5a bildet dieses Leiterelement 7 mit seinen beiden Zweigen 8 und 9 eine kontinuierliche Wicklung auf einem zylindrischen Träger 10, der seinerseits aus einem beliebigen isolierenden, leitenden oder supraleitenden Material bestehen kann. Zu beachten ist bei dieser Ausführungsvariante, daß die Länge des Leiterelements 7 nicht zu groß werden darf, um

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zu vermeiden, daß sich an den Enden der Zweige der Haarnadel die magnetische Kompensation zwischen zwei supraleitenden Leiterstücken vollzieht, die elektrisch zu weit voneinander entfernt sind, was einer Kopplung zwischen diesen Leiterstücken entsprechen würde.

Bei der Bauweise nach Fig. 5b vollzieht sich die magnetische Kompensation über die von dem einzigen auf den Zylinder 10 aufgewickelten Leiterelement 7a auf diesen Zylinder 10 ausgeübte magnetische Induktion, so daß in diesem Falle der Zylinder 10 notwendig aus supraleitendem Material bestehen muß. -Tedoch kann der Zylinder 10 sowohl massiv ausgeführt sein als auch aus einer einfachen supraleitenden Schicht bestehen. Diese letzte Anordnung ermöglicht es insbesondere, mit dem durch die Wicklung aus dem Leiter 7a gebildeten Leiterelement einen davon unabhängigen Stromkreis für die wiedergewinnung der freigesetzten Energie zu kombinieren, der in der Zeichnung nicht weiter dargestellt ist, jedoch mit dem Zylinder 10 zu koppeln und an eine äußere Nutzschaltung anzuschließen ist.

Bei der AusführungsVariante nach Fig. 6 liegen die beiden Zweige 8 und 9 des Leiterelements 7 nicht mehr an der Oberfläche des zylindrischen Trägers 10 an, sondern erstrecken sich längs einer dazu senkrechten Fläche. Gewünschtenfalls kann man bei diesem Beispiel anstelle eines haarnadelförmig geführten Doppelleiters einen aus einem dicken Band gebildeten Leiter verwenden, indem das supraleitende Material in Form von hin und zurück laufenden Zweigen für den Strom einander gegenübergestellt ist.

Fig. 7 und 8 veranschaulichen ein mehr bis ins einzelne dargestelltes Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäß ausgebildeten Supraleiter. In Fig. 7 besteht die leitende Wicklung aus mehreren Doppellagen 11, von denen in der Zeichnung vier darge-

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stellt sind, wobei jede Lage 11 mehrere B· ndspiralen enthält, die so angeordnet sind, daß sich Schleifen ergeben, in denen zwei Zweige 12 und 13 in umgekehrter Richtung vom Strom durchflossen werden. In der Zeichnung nicht dargestellte Keile verhindern ein gegenseitiges Quetschen der einzelnen Schleifen beim Aufwickeln. Fig. 8 veranschaulicht eine Einzelheit einer aufgewickelten Schicht 11 in größerem Maßstab. Das für die Schicht 11 verwendete Band 14 enthält mehrere parallel zueinander verlaufende supraleitende Drähte I5, von denen in dem dargestellten Beispiel sieben vorhanden sind. Dabei weisen die Drähte I5 einen gegenseitigen Abstand D von 2 mm auf, in dem sie durch zwei Klebebänder l6 und 17 mit unter 0,1 mm liegender Stärke und einander zugewandten Klebflächen oder durch eine rund um die supraleitenden Drähte 15 angeordnete elektrisch isolierende Masse gehalten werden. Die supraleitenden Drähte I5 selbst bestehen mit Vorteil aus einer Niobium-ianta!-Legierung und besitzen einen Durchmesser von etwa j500 Mikron, Das Band 14 hat eine Gesamtlänge von 400 m; der Abstand d zwischen den beiden Zweigen ein und desselben Drahtes liegt bei 0,2 mm. Der Abstand D zwischen zwei Drähten zweier verschiedener Haarnadeln beträgt bei den vorliegenden Bedingungen mindestens 2 mm, während der Abstand zwischen zwei Drähten in derselben Haarnadel, aber, auf zwei aufeinanderfolgenden Wicklungslagen ebenfalls in der Größenordnung 2 mm liegt.

Eine solche Wicklung ermöglicht im supraleitenden Zustand eine Stromdichte in den Drähten von 1,7 χ ΙΟ¹³ A/cm , was einem Gesamtstrom von 850 A entspricht, ohne daß sich Instabilitätserscheinungen zeigen. Im Normalzustand liegt der Widerstand der Wicklung bei 66Ο Ohm. Bei einem vergleichbaren Supraleiter üblicher Ausbildung mit einfachen Drähten und ohne deren haarnadelförmige Verdopplung beträgt die erzielbare Stromdichte nicht mehr als 10 A/

?■ Da die schaltbaren Leistungen bei gleichem spezifischen

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Widerstand im Normalzustand sich in beiden Fällen wie die Quadrate der im supraleitenden Zustand erzielbaren Stromdichten verhalten, ergibt sich also durch die Erfindung eine Leistungsverbesserung um einen Paktor von etwa 300.

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Claims

Patentansprüche

1. Schaltbarer Supraleiter mit mindestens einem supraleitenden Leiterelement, das aus zwei haarnadelfSrmig angeordneten Zweigen besteht, in denen der Strom in entgegengesetzter Richtung fließt, dadurch gekennzeichnet , daß der Abstand (d) zwischen den beiden Zweigen (z.B. 2 und 3) eines supraleitenden Leiterelements (z.B. l) klein ist gegen den Abstand (D) zwischen zwei benachbarten Leiterelementen.

2. Supraleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er mehrere in Serie oder parallel geschaltete Leiterelemente (z.B. 4, 5, 6) enthält (Fig. 2a, 2b).

3. Supraleiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterelemente (z.B. 4, 5, 6) in ein und derselben Ebene liegen (Fig. 2a, 3).

4. Supraleiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterelemente (z.B. 4,5,6) in zueinander parallelen Ebenen (4a, 5a, 6a)liegen (Fig. 2b).

5. Supraleiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterelemente (z.B. 4,5, 6; 7) auf die Oberfläche eines isolierenden, leitenden oder supraleitenden zylindrischen Trägers (z.B. 10) aufgewickelt sind (Fig. 4, 5a, 5b, 7).

6. Supraleiter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterelemente (z.B. 7) sich längs zur Trägeroberfläche senkrechten Flächen erstrecken (Fig. 6).

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7· Supraleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterelemente (z.B. Ij 4, 5, 6; 7) aus Drähten oder Bändern bestehen.

8. Supraleiter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die die Leiterelemente bildenden Drähte (I5) parallel zueinander zwischen zwei Klebefolien (16 bis I7) eingebracht sind.

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