Сверхпроводящий электрический кабель

Авторы патента:

ЗОЙКА Райнер (DE)

ШМИДТ Франк (DE)

H01B12/06 - пленки или провода на основаниях или сердечниках

Владельцы патента RU 2479055:

НЕКСАН (FR)

Изобретение относится к сверхпроводящему электрическому кабелю. Сверхпроводящий электрический кабель имеет по меньшей мере один сверхпроводящий проводник, состоящий из лент или проволок, которые намотаны по меньшей мере одним слоем на выполненное в виде трубы (2) основание. Труба (2) выполнена с возможностью упругой деформации и имеет проходящую по всей ее длине, ориентированную в осевом направлении щель (8). Изобретение обеспечивает компенсацию изменения длины кабеля, обусловленное температурой, наиболее простым образом. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к сверхпроводящему электрическому кабелю, который имеет по меньшей мере один сверхпроводящий проводник, состоящий из лент или проволок, которые намотаны по меньшей мере одним слоем на основание, выполненное в виде трубы (WO 03/052775 А1).

Сверхпроводящий кабель имеет согласно современному уровню техники электрические проводники из композиционного материала, содержащего керамический материал, который при достаточно низких температурах переходит в сверхпроводящее состояние. Электрическое сопротивление постоянному току соответствующим образом выполненного проводника равно нулю при достаточном охлаждении, пока не будет превышена определенная сила тока, критическая сила тока. Подходящими керамическими материалами являются, например, оксидные материалы на основе редких земель (ReBCO), в частности YBCO (оксид иттрия-бария-меди) или BSCCO (оксид висмута-стронция-кальция-меди). Достаточно низкие температуры для перевода таких материалов в сверхпроводящее состояние лежат, например, между 67К и 110К. Подходящими охлаждающими средствами являются, например, азот, гелий, неон и водород или смеси этих веществ.

Известный из упомянутого выше WO 03/052775 А1 кабель имеет сверхпроводящий проводник, скрученный по меньшей мере в один слой вокруг трубы. Кабель состоит и из других, окружающих проводник слоев. Кабель расположен с оставлением свободного пространства в криостате, состоящем из двух расположенных коаксиально друг другу металлических труб, между которыми находится вакуумная изоляция. Вызывающее сверхпроводящее состояние проводника охлаждающее средство может направляться через трубу и через свободное пространство криостата.

Проводник сверхпроводящего кабеля состоит согласно известному уровню техники из лент или проволок из сверхпроводящего материала, которые намотаны по меньшей мере одним слоем на основание, например трубу. За счет требуемого для работы кабеля охлаждения проводника от комнатной температуры до необходимой для сверхпроводящего состояния температуры сверхпроводящий материал проводника сжимается примерно на 0,25-0,3%. При длине кабеля, например, 600 м, это может приводить к укорачиванию проводника примерно на 1,5-1,8 м. Сверхпроводящий кабель и тем самым также его проводник фиксируется на своих концах в токоведущей арматуре. Значительное за счет охлаждения укорочение проводника приводит к значительной растягивающей нагрузке токоведущей арматуры. Кроме того, оно может легко приводить к чрезмерному растяжению проводника, соответственно его отдельных элементов и тем самым к повреждению, в результате которого проводник становится непригодным. Для предотвращения таких воздействий на исправное состояние проводника необходимо фиксировать его концы, например, согласно EP 1 821 380 B1, лишь после выполненного охлаждения и тем самым при соответствующей сверхпроводящему состоянию, укороченной длине внутри криостата. Затраты по осуществлению данной операции относительно высоки. Когда, например, в целях ремонта такой сверхпроводящий кабель нагревается до комнатной температуры, то токоведущая арматура подвергается дополнительно механической нагрузке за счет удлиняющегося кабеля.

В основу изобретения положена задача выполнения охарактеризованного в начале кабеля так, что обусловленные температурой изменения длины кабеля могут быть компенсированы простым образом.

Эта задача решена согласно изобретению тем, что труба выполнена с возможностью упругой деформации в радиальном направлении с изменяемым диаметром и имеет щель, проходящую по всей длине трубы и ориентированную прямолинейно вдоль ее образующей.

В этом кабеле труба, используемая в качестве основания проводника, выполнена с возможностью упругой деформации так, что ее диаметр может уменьшаться при воздействующей снаружи радиальной нагрузке сжатия. Это обеспечивается за счет проходящей в продольном направлении трубы щели, которая при комнатной температуре имеет достаточную ширину, с целью обеспечения возможности сужения соответственно максимально полного закрывания во время охлаждения проводника. Таким образом, происходящее во время охлаждения укорочение проводника сказывается по существу в радиальном направлении на его основании, так что к токоведущей арматуре на концах кабеля не прикладывается существенной растягивающей нагрузки. Поскольку труба выполнена с возможностью упругой деформации, то щель снова расширяется при уменьшении или в экстремальном случае при отсутствии радиальной нагрузки на трубу, так что диаметр трубы снова увеличивается. За счет этого проводник сверхпроводящего кабеля всегда прилегает независимо от своей длины при охлаждении или при нагревании к поверхности трубы, непрерывно выполняющей тем самым функции основания. Слова «с возможностью упругой деформации» означают согласно изобретению, что труба постоянно давит на окружающий ее проводник, т.е. имеет в расширенном смысле пружинные свойства.

Ширина щели при комнатной температуре в трубе, действующей упомянутым выше образом, может быть вычислена, соответственно задана в зависимости от диаметра трубы, от ее материала и от разницы между комнатной температурой и рабочей температурой кабеля в сверхпроводящем состоянии.

Примеры осуществления изобретения изображены на соответствующих чертежах:

Фиг.1 - поперечное сечение системы со сверхпроводящим кабелем;

Фиг.2 - используемая для сверхпроводящего кабеля согласно изобретению труба в качестве основания для проводника кабеля;

Фиг.3 - модификация показанного на Фиг.2 варианта выполнения трубы.

На Фиг.1 показана принципиальная конструкция расположенного в криостате KR сверхпроводящего кабеля SK. Кабель SK имеет сверхпроводящий проводник 1, скрученный вокруг выполненной в качестве основания трубы 2. Проводник 1 окружен диэлектриком 3, поверх которого расположен сверхпроводящий экран 4. Криостат KR состоит из двух расположенных коаксиально друг другу металлических труб 5 и 6, между которыми находится вакуумная изоляция 7. Криостат KR окружает кабель SK и свободное пространство FR, предназначенное для пропускания охлаждающего средства.

Трубы 5 и 6 криостата KR предпочтительно состоят из нержавеющей стали. Они могут быть волнистыми поперек их продольного направления. Проводник 1 и экран 4 могут состоять из обычных сверхпроводящих материалов, в частности из указанных выше материалов YBCO и BSCCO. Проводник 1 предпочтительно состоит из сверхпроводящих лент или проволок, которые намотаны по меньшей мере одним слоем на трубу 2. Диэлектрик 3 выполнен обычным образом. Кабель SK в показанном на Фиг.1 варианте выполнения является сверхпроводящим кабелем с холодным диэлектриком.

Применяемая в качестве основания для проводника 1 труба 2 выполнена с возможностью упругой деформации в упомянутом выше смысле, а именно с изменяемым в радиальном направлении диаметром. В предпочтительном варианте выполнения труба 2 состоит из нержавеющей стали, меди или алюминия, соответственно их сплавов. Она может предпочтительно состоять из сплава бериллия с медью. Она может быть выполнена волнистой поперек ее продольного направления, как показано на Фиг.3. Труба 2 имеет проходящую по всей ее длине щель 8, которая, как показано на Фиг.2 и 3, проходит по прямой линии вдоль образующей трубы.

Пример

Ширину щели 8 можно вычислить, например, следующим образом.

Когда проводник наматывается с шагом LS на стержень с диаметром D, то длина L проводника одного шага LS задана уравнением . Когда проводник охлаждается, то за счет усадки он становится, в частности, короче. Эту усадку можно компенсировать тем, что обеспечивается возможность уменьшения диаметра каркаса обмотки, состоящего из намотанного проводника. Это достигается, когда для длины LK холодного проводника справедливо: LK=•L, где • является коэффициентом, который зависит от тепловой усадки материала стержня. Например, металлические материалы сжимаются примерно на 0,3%, когда они охлаждаются с комнатной температуры до 77К. В таком случае •=1-0,003=0,997. Из приведенного выше уравнения следует, что для можно определить диаметр DK, до которого должно происходить сжатие каркаса обмотки подвергшегося усадке проводника в холодном состоянии.

В сверхпроводящем кабеле SK проводник должен наматываться, например, на состоящую из нержавеющей стали трубу 2 с диаметром 25 мм. Шаг LS должен в 10 раз превышать диаметр, т.е. LS=250 мм. В этом случае при коэффициенте •, равном 0,997, получается диаметр DK холодной трубы 2, равный 24,58 мм. Такой диаметр соответствует окружности трубы 2, равной 77,22 мм. В исходном состоянии окружность трубы при диаметре D=25 мм составляла 78,54 мм. Когда труба 2 также сжимается в радиальном направлении на 0,3%, то ее диаметр в охлажденном состоянии составляет 25 мм × 0,997 = 24,93 мм. Таким образом, ее окружность составляет 78,30 мм. В этом примере ширина щели 8 вычисляется равной 78,30-77,22=1,08 мм.

Применяемый в трубе 2 материал в идеальном случае выполнен так, что при сужении щели 8 за счет усадки не происходит или происходит лишь незначительная пластическая деформация. Этого можно достичь за счет подходящего выбора материалов с соответствующей толщиной стенок.

1. Сверхпроводящий электрический кабель, который имеет по меньшей мере один сверхпроводящий проводник, состоящий из лент или проволок, которые намотаны по меньшей мере одним слоем на выполненное в виде трубы основание, отличающийся тем, что труба (2) выполнена с возможностью упругой деформации в радиальном направлении с изменяемым диаметром и имеет проходящую по всей ее длине, ориентированную прямолинейно вдоль ее образующей щель (8).

2. Кабель по п.1, отличающийся тем, что труба (2) является волнистой поперек ее продольного направления.

3. Кабель по п.1 или 2, отличающийся тем, что труба (2) состоит из нержавеющей стали.

4. Кабель по п.1 или 2, отличающийся тем, что труба (2) состоит из меди, соответственно, медного сплава.

5. Кабель по п.4, отличающийся тем, что труба (2) состоит из сплава бериллия и меди.

6. Кабель по п.1 или 2, отличающийся тем, что труба (2) состоит из алюминия, соответственно, алюминиевого сплава.

Изобретение относится к способу изготовления оксидной сверхпроводящей тонкой пленки для применения при изготовлении сверхпроводящего провода посредством процесса нанесения покрытия пиролизом с использованием бесфтористого металлоорганического соединения в качестве исходного материала.

Сверхпроводящий тонкопленочный материал и способ его получения // 2395860

Изобретение относится к сверхпроводящему тонкопленочному материалу и способу получения сверхпроводящего тонкопленочного материала. .

Способ изготовления сверхпроводящего ленточного провода, сверхпроводящий ленточный провод и сверхпроводящее устройство // 2392677

Изобретение относится к области электротехники, в частности к сверхпроводящему ленточному проводу, сверхпроводящему устройству и к способу изготовления сверхпроводящего ленточного провода.

Способ получения двухстороннего сверхпроводника второго поколения // 2386732

Изобретение относится к области химической технологии получения покрытий так называемых сверхпроводящих проводников второго поколения. .

Сверхпроводящий тонкопленочный материал и способ его изготовления // 2384907

Изобретение относится к сверхпроводящему тонкопленочному материалу и способу его изготовления. .

Способ изготовления сверхпроводящего провода и сверхпроводящее устройство // 2366017

Изобретение относится к области электротехники, в частности к способу изготовления сверхпроводящего провода и к сверхпроводящему устройству с таким проводом. .

Тонкопленочный материал и способ его изготовления // 2353524

Изобретение относится к тонкопленочному материалу с монокристаллическим тонкопленочным слоем и способу его изготовления. .

Сверхпроводящий тонкопленочный материал, сверхпроводящий провод и способ их изготовления // 2338280

Проводник электрического тока и способ его изготовления // 2336585

Изобретение относится к проводникам электрического тока, в частности имеющим низкие и сверхнизкие значения сопротивления в широком интервале рабочих температур, сверхпроводникам.

Сверхпроводящий провод и способ его получения // 2332737

Изобретение относится к области электротехники, в частности к сверхпроводящим проводам и способам их получения. .

Способ получения керамического проводника, система для его получения и сверхпроводящий проводник с его применением // 2521827

Изобретение относится к керамическому проводнику. В предложенном способе керамическую пленку-предшественник осаждают на подложку проводника. Затем подложку проводника, на которую осаждена керамическая пленка-предшественник, подвергают термообработке. Для термообработки подложки проводника температуру подложки проводника и/или парциальное давление кислорода подложки проводника регулируют таким образом, что керамическая пленка-предшественник находится в жидком состоянии; и из жидкой керамической пленки-предшественника на подложке проводника образуется эпитаксиальная керамическая пленка. Изобретение обеспечивает быстрое получение толстого керамического слоя. 3 н. и 18 з.п. ф-лы, 13 ил.

Сверхпроводящий провод на основе nb3sn // 2522901

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при конструировании и изготовлении сверхпроводящих проводов на основе Nb3Sn по методу внутреннего источника олова, которые могут быть использованы для создания установок термоядерного синтеза, в импульсных магнитных системах или в других перспективных технологиях, в которых требуются сверхпроводники с высокой механической прочностью. Задачей предлагаемого изобретения является создание конструкции сверхпроводника с высокой механической прочностью (выше 700 МПа) для использования в крупных магнитных системах с полями выше 12 Тл. Для решения поставленной технической задачи сверхпроводящий провод на основе Nb3Sn включает многожильный сердечник, содержащий соединение Nb3Sn, размещенный на поверхности сердечника слой диффузионного барьера на основе ниобия и/или тантала и наружную оболочку из меди или сплава на основе меди, отличающийся тем, что между слоем диффузионного барьера и наружной оболочкой размещен слой из нанокомпозитного материала Cu-Nb, содержащий от 5 до 30% Nb и имеющий механическую прочность от 1000 до 2000 МПа, причем отношение площадей нанокомпозитного слоя и слоя наружной медной оболочки в поперечном сечении проводника составляет от 0,1 до 9. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Устройство для нанесения однородных гладких тонких пленок различных материалов на твердые подложки // 2529865

Изобретение относится к области технологии сверхпроводящих тонких пленок и может найти применение в производстве сверхпроводящих лент на основе высокотемпературных сверхпроводников для сверхпроводящих кабелей передачи электрической энергии, работающих при температуре жидкого азота. Устройство для нанесения однородных гладких тонких пленок различных материалов на твердые подложки методом импульсного лазерного испарения содержит мощный импульсный лазер, обычную оптическую систему, фокусирующую излучение на мишени, и вакуумную камеру. В вакуумной камере расположены узел мишени, скоростной фильтр и узел подложки. В качестве подложки использована длинномерная гибкая металлическая лента на катушке с механизмом протяжки, а скоростной фильтр выполнен в виде вращающегося диска с отверстием для прохождения испаренного вещества. Узел мишени выполнен с возможностью смены мишени в процессе нанесения пленки, что позволяет создавать многослойные структуры без вынесения подложки из вакуума на воздух. Изобретение обеспечивает получение однородных гладких тонких пленок различных материалов на длинномерных металлических лентах. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Идеальный проводник (его варианты) и способ изготовления идеального проводника (его варианты) // 2551421

Изобретение относится к электротехнике, а именно к проводникам, обладающим свойствами сверхпроводимости. Идеальный проводник содержит нормальный проводник с обычным сопротивлением и средство для придания нормальному проводнику свойства сверхпроводимости, при этом средство для придания нормальному проводнику свойства сверхпроводимости выполнено в виде предварительно нагретого при некритических температурах до расплавленного или полурасплавленного состояния ферромагнетика и впоследствии нанесенного на нормальный проводник или помещенного внутрь отвердевшего ионизированного ферромагнетика нормального проводника. Задача придания нормальному проводнику свойства сверхпроводимости решена за счет полного вталкивания магнитного поля, излучаемого нормальным обычным металлическим проводником при пропускании через него электрического тока, внутрь самого проводника без возможности его выхода за пределы проводника путем воздействия на нормальный проводник электромагнитным полем специальным образом подобранных вида и толщины слоя ионизированного ферромагнетика. В качестве ферромагнетика было выбрано соединение Fe2O3SrO. Заявлены два варианта выполнения проводника и способы получения проводника. Изобретение позволяет эксплуатировать проводник при некритических температурах и сохранять гибкие свойства, присущие обычному кабелю. 4 н. и 8 з.п. ф-лы, 7 ил.

Оксидный сверхпроводящий провод и способ изготовления оксидного сверхпроводящего провода // 2570047

Изобретение относится к сверхпроводникам и технологии их получения. Оксидный сверхпроводящий провод включает лентообразный оксидный сверхпроводящий слоистый материал 1, сформированный путем нанесения промежуточного слоя 4 на стороне передней поверхности металлической лентообразной подложки 3, оксидного сверхпроводящего слоя 5 на промежуточном слое 4 и защитного слоя 6 на оксидном сверхпроводящем слое 5, и покрытие, включающее металлическую ленту 2 и слой металла с низкой точкой плавления 7, при этом ширина металлической ленты 2 больше, чем ширина оксидного сверхпроводящего слоистого материала 1, и лента 2 закрывает поверхность защитного слоя 6 оксидного сверхпроводящего слоистого материала 1, обе боковые поверхности оксидного сверхпроводящего слоистого материала 1 и оба концевых участка 3а задней поверхности подложки 3 в поперечном направлении, причем оба концевых участка металлической ленты 2 в поперечном направлении закрывают оба концевых участка 3а задней поверхности подложки 3а, слой металла с низкой точкой плавления 7 заполняет щели между оксидным сверхпроводящим слоистым материалом 1 и металлической лентой 2, окружающей оксидный сверхпроводящий слоистый материал 1, и соединяет металлическую ленту 2 и оксидный сверхпроводящий слоистый материал 1 друг с другом, а часть 7с заполняющего слоя металла с низкой точкой плавления продолжается в область углубленного участка 2d, сформированного между обоими концевыми участками металлической ленты 2 в поперечном направлении. Полученная структура сверхпроводящего провода способна предотвращать проникновение влаги, в результате чего оксидный сверхпроводящий слой не разрушается. 4 н. и 11 з.п. ф-лы, 10 ил., 6 табл.

Провод на основе оксидного сверхпроводника и сверхпроводящая катушка // 2573645

Изобретение относится к области электротехники, а именно, к проводу на основе оксидного сверхпроводника, и сверхпроводящей катушке, образованной посредством наматывания указанного провода. Провод на основе оксидного сверхпроводника включает в себя слоистую структуру со сверхпроводником, которая содержит подложку, которая образована в форме ленты, и промежуточный слой, слой оксидного сверхпроводника и стабилизирующий слой металла, которые наслоены на подложку, и слой изолирующего покрытия, которым покрыта наружная поверхность слоистой структуры со сверхпроводником, при этом либо вся наружная поверхность, либо вся внутренняя поверхность слоя изолирующего покрытия покрыта слоем из фторкаучука, обеспечивающим снижение деформации сверхпроводящей катушки, вызванной отслаивающим напряжением на границе раздела между слоем покрытия из фторкаучука и пропитывающей смолой, что является техническим результатом изобретения. Достигнуто также улучшение сверхпроводимости провода в охлажденном состоянии. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 10 ил., 4 табл.

Текстурированная подложка для формирования эпитаксиальной пленки и способ ее изготовления // 2575286

Изобретение относится к текстурированной подложке для выращивания на ней эпитаксиальной пленки оксидного сверхпроводящего материала для использования в различных типах электросилового оборудования. Текстурированная подложка содержит слой текстурированного металла, по меньшей мере, на одной стороне, который включает в себя слой меди, имеющий кубическую текстуру, и слой никеля, имеющий толщину 100-20000 нм, сформированный на слое меди; слой никеля имеет слой оксида никеля, сформированный на его поверхности, имеющий толщину 1-30 нм, и слой никеля дополнительно включает в себя палладий-содержащую область, сформированную из палладий-содержащего никеля, на поверхности раздела со слоем оксида никеля. Верхний слой текстурированной подложки, т.е. слой оксида никеля, имеет шероховатость поверхности преимущественно 10 нм или менее. Ультратонкий слой оксида никеля оказывает улучшающее воздействие на ростовые свойства и адгезию эпитаксиальной пленки. Подложка имеет кристаллическую ориентацию, обеспечивающую возможность формирования высококачественной эпитаксиальной пленки на ее поверхности. 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 4 табл.

Сверхпроводящий провод и сверхпроводящая катушка // 2575664

Изобретение относится к области электротехники. Сверхпроводящий провод, содержащий cверхпроводящую слоистую структуру, включающую подложку и промежуточный слой, сверхпроводящий слой и металлический стабилизирующий слой, которые наслоены на подложку; и изолирующий покрывающий слой, покрывающий внешнюю поверхность сверхпроводящей слоистой структуры и сформированный посредством спекания материала смолы. При этом максимальная высота Rz по меньшей мере части внешней поверхности сверхпроводящей слоистой структуры, покрытой изолирующим покрывающим слоем, составляет 890 нм или меньше. Повышается проводимость провода за счет исключения расслаивания его структуры. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 5 ил., 3 табл.

Провод из оксидного сверхпроводника // 2597211

Изобретение относится к проводу из оксидного сверхпроводника, используемого для сверхпроводящего оборудования, такого как токоограничивающие устройства. Провод из оксидного сверхпроводника включает слоистый материал с оксидным сверхпроводником, содержащий подложку в виде ленты, промежуточный слой, нанесенный на подложку, слой оксидного сверхпроводника, нанесенный на промежуточный слой, и защитный слой, который сформирован из Ag или сплава Ag и нанесен на слой оксидного сверхпроводника; и упрочняющий слой, который выполнен из металлической ленты и сформирован на защитном слое слоистого материала со сверхпроводником посредством слоя металла с низкой температурой плавления, при этом толщина защитного слоя составляет 5 мкм или менее и объемное удельное сопротивление упрочняющего слоя при комнатной температуре составляет 3,8-15 мкОм·см. Изобретение обеспечивает предотвращение перегорания, стабильность токоограничивающих характеристик и возможность работы с ограниченной толщиной провода. 8 н. и 8 з.п. ф-лы, 8 ил., 3 табл.

Сверхпроводящий провод и способ его формирования // 2597247

Предоставлен способ формирования сверхпроводящего провода и сверхпроводящий провод. При реализации способа на подложке формируют пиннинговый затравочный слой. Затем на подложке, на которой сформирован пиннинговый затравочный слой, формируют исходную сверхпроводящую пленку. После чего подложку, на которой сформирована исходная сверхпроводящая пленка, нагревают, чтобы сформировать сверхпроводящую пленку, содержащую на подложке центры пиннинга магнитного потока. Центры пиннинга магнитного потока содержат по меньшей мере один элемент, который движется от пиннингового затравочного слоя во время термической обработки, и по меньшей мере один элемент, включенный в исходную сверхпроводящую пленку. Изобретение обеспечивает возможность легко сформировать центры пиннинга магнитного потока. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 13 ил.