Verfahren zur Isolation von Supraleitern in einer Magnetwicklung

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Isolation von Supraleitern in einer Magnetwicklung, bei dem auf hitzebeständigen Isolationsmitteln abgeschiedene, organische Substanzen enthaltende Schlichten und/oder Bindemittel vor einer zur Bildung der supraleitenden Eigenschaften der Leiter vorgesehenen in-situ-Glühung von Leitervorprodukten beseitigt werden.

[0002] Supraleitende intermetallische Verbindungen vom Typ A₃B mit A15-Kristallstruktur wie beispielsweise Nb₃Sn oder V₃Ga haben gute Supraleitungseigenschaften und zeichnen sich durch hohe kritische Werte aus. Leiter mit diesen Materialien sind deshalb besonders für Supraleitungsmagnetspulen zum Erzeugen starker Magnetfelder geeignet. Neben diesen Binärverbindungen sind auch Ternärverbindungen wie beispielsweise Niob-Aluminium-Germanium Nb₃Al_0,8Ge_0,2 für Leiter solcher Magnete besonders interessant.

[0003] Diese intermetallischen Verbindungen sind jedoch im allgemeinen sehr spröde, so daß ihre Herstellung in einer beispielsweise für Magnetspulen geeigneten Form mit Schwierigkeiten verbunden ist. Es sind deshalb besondere Verfahren entwickelt worden, mit denen Supraleiter mit dieser A15-Kristallstruktur in Form langer Drähte oder Bänder hergestellt werden können. Bei diesen Verfahren, die insbesondere eine Herstellung von sogenannten Vielkernleitern ermöglichen, wird im allgemeinen eine erste Komponente, die ein drahtförmiges duktiles Element der herzustellenden intermetallischen Verbindung ist, mit einer Hülle umgeben, die aus einem duktilen Trägermetall und einer die übrigen Elemente der Verbindung enthaltenden Legierung besteht. Beispielsweise wird ein Niob- oder Vanadium-Draht mit einer Hülle aus einer Kupfer-Zinn-Bronze bzw. einer Kupfer-Gallium-Bronze umgeben. Man kann auch eine Vielzahl solcher Drähte in eine Matrix aus der Legierung einlagern. Der so gewonnene Aufbau aus diesen beiden Komponenten wird dann einer querschnittsverringernden Bearbeitung unterzogen. Dadurch erhält man ein langes drahtförmiges Gebilde, wie es für Spulen benötigt wird, ohne daß Reaktionen auftreten, die den Leiter verspröden würden. Nach der Querschnittsverringerung wird dann das aus einem oder mehreren Drahtkernen und dem umgebenden Matrixmaterial bestehende Leitervorprodukt eines Supraleiters einer Glühbehandlung derart unterzogen, daß die gewünschte supraleitende Verbindung mit A15-Kristallstruktur durch eine. Reaktion des Kernmaterials mit dem in der umgebenden Matrix enthaltenen: weiteren Element der Verbindung gebildet wird. Das in der Matrix enthaltene Element diffundiert dabei in das aus dem anderen Element der Verbindung bestehende Kernmaterial ein (vgl. deutsche Offenlegungsschrift 20 44 660).

[0004] Supraleitende Magnetspulen aus solchen Supraleitern werden im allgemeinen nach zwei verschiedenen Verfahren hergestellt. Bei dem ersten Verfahren, das auch als "react first-wind then-Verfahren" bezeichnet wird, wickelt man auf einen provisorischen Wickelkörper das Leitervorprodukt des herzustellenden Supraleiters auf und setzt es dann der erforderlichen Glühbehandlung zur Bildung der gewünschten supraleitenden Verbindung aus. Daran anschließend wird der so hergestellte Supraleiter wieder von dem provisorischen Wickelkörper abgewickelt und kann weiterverarbeitet werden. Dabei besteht, insbesondere beim Wickeln von Magnetwicklungen, allgemein die Gefahr, daß die spröden intermetallischen Verbindungen des Leiters aufgrund unzulässiger Verformung des Leiters beschädigt und ihre supraleitenden Eigenschaften dementsprechend beeinträchtigt werden.

[0005] Diese Gefahren bestehen bei dem zweiten Verfahren zur Herstellung der supraleitenden Verbindung aus dem Leitervorprodukt nicht. Bei diesem Verfahren, das auch als "wind-and-react-Technik" bezeichnet wird, bewickelt man zunächst den Spulenkörper des mit der Wicklung zu versehenden Magneten mit dem noch nicht durchreagierten Leitervorprodukt des Supraleiters und setzt dann den gesamten so bewickelten Magneten der Diffusionsglühung aus. Diese Glühung wird auch als "in-situ"-Glühung bezeichnet. Bei dieser Verfahrensweise werden alle Schwierigkeiten der Verarbeitung eines spröden Leitermaterials vermieden. Auch ist es so möglich, Spulen mit kleinen Innendurchmessern mit noch verhältnismäßig dicken Leitern zu fertigen. Bei diesem Verfahren müssen jedoch alle zum Bau der Spule verwendeten Materialien die für die Diffusionsglühung erforderlichen hohen Temperaturen, die beispielsweise im Falle von Niob-Zinn bei 700°C liegen können, mehrere Stunden lang aushalten.

[0006] Aufgrund dieser Forderungen kommen als Isolationsmaterialien, die zur Isolation der Windungen und Lagen der Magnetwicklung dienen, praktisch nur Keramiken, Glas oder Quarz in Form von Fäden, Geweben oder Vliesen in Frage. Um diese im allgemeinen sehr spröden Materialien überhaupt handhaben zu können, sind auf ihnen schon bei der Herstellung sogenannte Schlichten und/oder spezielle Bindemittel aufgetragen, welche die Kerbempfindlichkeit herabsetzen und den Zusammenhalt dieser Isolationsmittel verbessern sollen.

[0007] Schlichten für Faserm aus den genannten Isoliermaterialien können aus einem Klebe- und Filmbildner, einem Gleitmittel und einem Netzmittel bestehen. Gegebenenfalls können noch Haftmittelzusätze vorgesehen sein. Diese Schlichten enthalten beispielsweise Stärke, Dextrin oder Polyvinylacetat (PVAC) als Klebe- und Filmbildner, in der Regel pflanzliche Fette oder Öle als Gleitmittel sowie oberflächenaktive Substanzen als Netzmittel. Bindemittel für Gewebe oder Vliese aus den genannten Isoliermaterialien enthalten im allgemeinen organische Substanzen auf Lack- oder Wachsbasis. Solche Bindemittel sind beispielsweise Polyurethan oder Polyvinylbutyral.

[0008] Die Leitervorprodukte werden im allgemeinen mit Glas- oder Quarzfäden umflochten oder umsponnen. Um die Widerstandsfähigkeit solcher Isolierungen gegen mechanische Beanspruchung zu vergrößern, werden die so erstellten Isolationen im allgemeinen' noch mit einem Bindemittel auf Lack- oder Wachsbasis imprägniert. Trotzdem bieten einfache Umspinnungen keine ausreichende Sicherheit gegen Windungsschlüsse. Es werden deshalb mehrfache Umspinnungen oder Umflechtungen vorgesehen, die jedoch eine wesentliche Dickenzunahme und damit, insbesondere bei dünnen Leitern, eine entsprechende Verminderung der Windungsdichte in der Wicklung mit sich bringen. Wegen der höheren Induktionsspannung zwischen den Lagen einer Wicklung sowie aus wickeltechnischen Gründen werden zusätzlich im allgemeinen Lagenisolationen aus Glasgeweben eingesetzt.

[0009] Um die organischen Bestandteile in der Wicklung, die von den Schlichten und Bindemitteln herrühren,. auszutreiben, werden die Magnetwicklungen im allgemeinen vor der Diffusionsglühung der Leitervorprodukte einer Reinigungsglühung bei Temperaturen zwischen beispielsweise 250°C und 400°C unterzogen. Im Vakuum oder unter Luft ausgeführt, können hierbei Verluste der leichter flüchtigen Anteile des Leitervorproduktes, beispielsweise an Zinn,auftreten, die die Stromtragfähigkeit des anschließend geglühten Supraleiters verschlechtern. Zusätzlich können sich auf dem Matrixmaterial Oxide bilden, die bei höheren Temperaturen, beispielsweise über 700°C, in das Glasmaterial diffundieren und zu einer völligen Versprödung sowie zu einer Schmelzpunktabnahme des Glases führen. Dabei besteht die Gefahr einer mechanischen Zerstörung der Isolation. Wird die Reinigungsglühung hingegen unter Schutzgas wie beispielsweise Argon vorgenommen, so werden die organischen Substanzen nur teilweise aus der Wicklung ausgetrieben; der Rest zersetzt sich bei der anschließenden Diffusionsglühung zu Graphit. Dadurch wird die Isolation verschlechtert und es kann so zu Kurzschlüssen in der Wicklung kommen.

[0010] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zur Isolation von in-situ-zuglühenden Supraleitern einer Magnetwicklung zu schaffen, bei dem diese Gefahren nicht auftreten.

[0011] Diese Aufgabe wird für das eingangs genannte Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zunächst die Schlichten und/oder Bindemittel von den Isolationsmitteln vollständig entfernt werden und stattdessen zumindest ein Teil der Isolationsmittel mit einem Schutzmaterial vorbestimmter Zusammensetzung versehen wird, daß dann die Magnetwicklung mit den Leitervorprodukten und den Isolationsmitteln aufgebaut wird und daß anschließend vor der in-situ-Glühung das Schutzmaterial rückstandslos aus der Magnetwicklung wieder entfernt wird.

[0012] Die Vorteile dieses Verfahrens bestehen insbesondere darin, daß bei geeigneter Wahl der Schutzmaterialien eine Graphitbildung aus den-organischen Substanzen der Schlichten und Bindemittel bei der in-situ-Glühung und damit eine Isolationsverschlechterung praktisch ausgeschlossen ist.

[0013] Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens nach der Erfindung sind als Isolationsmittel Teile zur Windungsisolation und Teile zur Lagenisolation vorgesehen und werden nach dem Entfernen der Schlichten und/oder Bindemittel nur die Teile zur Lagenisolation mit dem Schutzmaterial versehen. Insbesondere können als Teile zur Windungsisolation Glas-, Keramik- oder Quarzfäden vorgesehen werden, die parallel zu den Leitervorprodukten angeordnet werden. Der mit dem Entschlichtungsvorgang einhergehende Festigkeitsverlust der Glas-, Keramik- oder Quarzfäden ist nämlich nur von untergeordneter Bedeutung, da die parallelgelegten Quarz-, Keramik-oder Glasfäden mechanisch kaum belastet werden. Auf diese Weise lassen sich die Teile zur Windungsisolation von vornherein als Ursache für eine eventuelle Isolationsverschlechterung ausschließen.

[0014] Ferner kann vorteilhaft ein Schutzmaterial mit einem Farbstoffzusatz verwendet werden. Es läßt sich so auf einfache Weise die völlige Entfernung des Schutzmaterials aus der gewickelten, noch nicht geglühten Magnetspule mittels eines Lösungsmittels optisch feststellen.

[0015] Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren in den Unteransprüchen gekennzeichneten Weiterbildungen wird auf das nachfolgende Ausführungsbeispiel verwiesen.

[0016] Zur Herstellung von Magneten mit Supraleitern des A15-Typs, beispiel sweise aus der intermetallischen Verbindung Nb₃Sn, wird von einem Leitervorprodukt ausgegangen, wie es z.B. in der deutschen Offenlegungsschrift 20 44 660 beschrieben ist. Zur Bildung dieses Leitervorproduktes wird zunächst ein Niobdraht mit einer Hülle aus e'iner Kupfer-Zinn-Bronze umgeben. Man kann auch eine Vielzahl solcher Drähte in eine Matrix aus der Bronze einlagern. Dieser Aufbau wird dann einer querschnittsverringernden Bearbeitung unterzogen. Dadurch erhält man als Leitervorprodukt einen langen Draht, der ausreichend duktil ist.

[0017] Dieses drahtförmige Leitervorprodukt wird dann mit einem Glasfaden, dessen Stärke der Dicke des Leitervorproduktes entspricht, zusammen mit dem Leitervorprodukt auf den Wickelkörper der Magnetwicklung aufgebracht. Um eine Graphitbildung bei einer späteren Reaktionsglühung zu unterbinden, ist der Glasfaden zuvor durch ein etwa 30minütiges Glühen bei etwa 500°C unter Luft thermisch entschlichtet worden. Der damit einhergehende Festigkeitsverlust des Glasfadens ist von untergeordneter Bedeutung, da der zu dem Leitervorprodukt parallel gelegte Glasfaden mechanisch kaum belastet wird. Außerdem lassen sich eventuell auftretende Risse des Glasfadens durch ein einfaches Aneinanderlegen solcher Fäden ohne Isolationsverlust leicht reparieren.

[0018] Die Vorteile einer solchen Windungsisolation bestehen insbesondere darin, daß ein Umflechten bzw. Umspinnen und damit ein zusätzlicher Fabrikationsgang entfallen kann. Außerdem entfällt ein Bindemittelauftrag und damit eine Quelle für eine Graphitbildung in der Wicklung bei einem. späteren Glühprozeß. Außerdem werden mit der Glasfadentechnik, insbesondere bei Profilleitern, günstige Windungsdichten erreicht.

[0019] Zur Stromanpassung der Supraleiter kann neben der bekannten Anpassung mit unterschiedlichen Leiterquerschnitten bzw. mit Leitern unterschiedlicher Stromtragfähigkeit eine Anpassung durch Parallelschaltung mehrerer Leiter gleichen oder verschiedenen Typs vorgenommen werden. Die Leitervorprodukte können deshalb unisoliert nebeneinander in die Wicklung einlaufen, wobei Mehrfachwindungen durch einen Glasfaden voneinander isoliert werden. Es lassen sich so zusätzlich zur Stromanpassung die Seitenverhältnisse der Leiter vergrößern, ohne daß es zu einer Beeinträchtigung der Stromtragfähigkeit der Leiter aufgrund von Anisotropieeffekten kommt. Dabei wird eine günstige Wickeldichte erreicht.

[0020] Neben der Isolation der einzelnen Windungen ist in der Magnetspule eine Lagenisolation. erforderlich. Aufgrund ihrer verhältnismäßig geringen Glühversprödung werden vorteilhaft Quarz- oder Glasgewebe verwendet, die zuvor entweder thermisch oder auch mit Hilfe von Enzymen entschlichtet wurden. Die enzymatische Entschlichtung hat insbesondere den Vorteil einer geringeren Versprödung des Quarzes oder Glases. Trotzdem ist die Kerbanfälligkeit dieser so entschlichteten Quarz- oder Glasgewebe noch zu hoch, um beispielsweise dünne Rundleitervorprodukte mit einem Durchmesser unter 0,9 mm ohne Gefahr eines Isolationsdefektes auf dem Spulenträger der Magnetspule aufwickeln zu können. Gemäß der Erfindung wird deshalb die Gewebestabilität durch eine Tränkung des Gewebes mit einer geringen Menge eines geeigneten Lackes oder Wachses wesentlich erhöht. Geeignete Lacke sind z.B. solche, die das Quarz mit einem schützenden Film überziehen und sich anschließend wieder mit einem Lösungsmittel oder durch eine thermische Behandlung rückstandslos beseitigen lassen. Als Tränkungsmittel kann vorteilhaft eine Lösung vorgesehen werden, die 5 bis 20 g eines Polyvinylbutyrales (z.B. Firma Farbwerke Hoechst AG, Frankfurt-Hoechst:Mowital B 60 H) im Liter Aceton enthält. Durch einen Farbstoffzusatz (z.B. Firma E.Merck, Darmstadt: Victoriablau 4R) können die Tränkung und eine spätere Extraktion leicht kontrolliert werden. Das entschlichtete Gewebe wird also durch eine Lösung gezogen und anschließend, beispielsweise an Luft, getrocknet. Nach wenigen Minuten sind die so behandelten Quarzgewebe formstabil und werden selbst von Leitern mit 0,4 mm Durchmesser nicht mehr durchgedrückt.

[0021] Der mit dem Leitervorprodukt und den parallelgelegten, entschichteten Fäden sowie mit den präparierten Quarzgeweben fertiggestellte Spulenaufbau wird dann mit einigen Lagen einer Kunststoffolie (Firma Farbwerke Hoechst AG, Frankfurt-Hoechst: Hostaphan) umwickelt und mit einem beispielsweise selbstverschweißenden Wickelband provisorisch flüssigkeitsdicht bandagiert. Daran anschließend kann die Extraktion des Tränkungsmittels mit Hilfe eines Lösungsmittels vorgenommen werden. Geeignete Lösungsmittel des genannten Tränkungsmittels sind beispielsweise Ketone wie z.B. Aceton, Alkohole wie z.B. Methanol oder Äther wie z.B. Methylglykol. Die Auswaschung ist sehr erleichtert bei einem besonderen Aufbau eines Spulenkörper, der aus der DE-OS 27 09 300 bekannt ist. Dieser Spulenkörper hat ein integriertes Ein- und Auslaßsystem für eine formfreie Druckimprägnierung. Bei ihm muß das Lösungsmittel bei schräg- oder senkrechtstehendem Spulenkörper nur durch eine untere Schlauchtülle ein-und durch eine obere Schlauchtülle wieder abgeleitet werden. Mit einer besonderen Extraktionsapparatur läßt sich der Auswaschvorgang des Tränkungsmittels zweckmäßig kontinuierlich durchführen. Die Extraktion ist beendet, wenn das Lösungsmittel keinen Farbstoffzusatz mehr enthält, d.h. farblos aus der Spule wieder herauskommt. Der Auswaschvorgang kann beispielsweise 10 bis 15 Stunden in Anspruch nehmen.

[0022] Daran anschließend wird die Spule,beispielsweise unter Vakuum oder in einem Gasstrom,getrocknet. Nach einer Entfernung der provisorischen Bandage kann dann die Reaktionsglühung vorgenommen werden, bei der das Niob der Drahtkerne mit dem Zinn aus der Bronze durch Diffusion zu der intermetallischen Verbindung Nb₃Sn umgesetzt wird. Eine Graphitbildung in der Wicklung und damit eine Isolationsverschlechterung ist dabei ausgeschlossen, weil durch den vorherigen Auswaschvorgang alle organischen Bestandteile des Tränkungsmittels des Quarzgewebes ausgewaschen und mit dem Leitervorprodukt bereits vollständig entschlichtete Glasfäden auf den Wickelkörper aufgebracht wurden.

[0023] Schließlich kann die Spule noch-imprägniert werden. Als Imprägniermittel können vorteilhaft niedermolekulare Polyäthylene mit Mol-Gewichten zwischen 1000 und 8000 verwendet werden. Diese Polyäthylene haben ausreichend hohe Erstarrungstemperaturen zwischen 100°C und 120°C, sind schon bei Raumtemperatur mechanische verhältnismäßig fest und ver- s_chlechtern das Trainingsverhalten der Spulen nicht. Bei Verarbeitungstemperaturen zwischen 120°C und 160°_C liegen ihre Viskositäten zwischen etwa 0,03 und 3 Pas niedrig genug für eine Vakuumimprägnierung dicht gewickelter Magnete.

[0024] Im Ausführungsbeispiel wurde angenommen, daß das Schutzmaterial für die Isoliergewebe durch Auswaschen mit einem geeigneten Lösungsmittel aus der Magnetwicklung vollständig entfernt wird. Bei Verwendung besonderer Schutzmaterialien, die organische Substanzen enthalten, welche sich leicht und vollständig zu niedermolekularen, niedrig siedenden Bestandteilen zersetzen lassen, kann gegebenenfalls auch eine thermische Behandlung zum Austreiben dieser Materialien aus der Wicklung vorgesehen werden.

Ansprüche

1. Verfahren zur Isolation von Supraleitern in einer Magnetwicklung, bei dem auf hitzebeständigen Isolationsmitteln abgeschiedene, organische Substanzen enthaltende Schlichten und/oder Bindemittel vor einer zur Bildung der supraleitenden Eigenschaften der Leiter vorgesehenen in-situ-Glühung von Leitervorprodukten beseitigt werden, dadurch gekennzeichnet , daß zunächst die Schlichten und/oder Bindemittel von den Isolationsmitteln vollständig entfernt werden und stattdessen zumindest ein Teil der Isolationsmittel mit einem Schutzmaterial vorbestimmter Zusammensetzung versehen wird, daß dann die Magnetwicklung mit den Leitervorprodukten und den Isolationsmitteln aufgebaut wird und daß anschließend vor der in-situ-Glühung das Schutzmaterial rückstandslos aus der Magnetwicklung wieder entfernt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Isolationsmittel Teile zur Windungsisolation und Teile zur Lagenisolation vorgesehen und nach dem Entfernen der Schlichten und/oder Bindemittel nur die Teile zur Lagenisolation mit dem Schutzmaterial versehen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß als Teile zur Windungsisolation Glas-, Keramik- oder Quarzfäden vorgesehen werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Glas-, Keramik-oder Quarzfäden parallel zu den Leitervorprodukten

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß als Teile zur Lagenisolation Glas- oder Quarzgewebe vorgesehen werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine thermische Behandlung zum Entfernen der Schlichten und/oder Bindemittel.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine enzymatische Behandlung zum Entfernen der Schlichten und/oder Bindemittel.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß die von den Schlichten und/oder Bindemitteln befreiten Isolationsmittel zumindest teilweise durch Tränkung mit dem Schutzmaterial versehen werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß als Tränkungsmittel eine Lösung eines Polyvinylbutyrales in Aceton vorgesehen wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß das Schutzmaterial durch Lösung in Aceton oder Methanol aus der Magnetwicklung rückstandslos entfernt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet , daß ein Schutzmaterial mit einem Farbstoffzusatz ver-

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß das Schutzmaterial durch thermische Behandlung aus der Magnetwicklung rückstandslos entfernt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet , daß die Magnetwicklung nach der in-situ-Glühung mit einem Imprägniermittel versehen wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , daß als Imprägniermittel ein; niedermolekulares Polyäthylen verwendet wird.