Superconductor de NbTi con bloques de Al repartidos en la dirección circunferencial para la reducción de peso.

Alambre superconductor (1; 31) que contiene material superconductor de NbTi y Cu,

con

- al menos tres bloques de Al (3a-3c) que están dispuestos repartidos en la dirección circunferencial,

- y al menos tres secciones (4a-4c) que contienen NbTi que también están dispuestas repartidas en la dirección circunferencial y que separan los bloques de Al (3a-3c) entre sí en la dirección circunferencial, caracterizado por que el alambre superconductor (1; 31) tiene además

- un tubo de envoltura (2), en particular un tubo de envoltura de Cu,

estando las al menos tres secciones (4a-4c) que contienen NbTi dispuestas repartidas en la dirección circunferencial en el tubo de envoltura (2),

por que los bloques de Al (3a-3c) se apoyan respectivamente por una superficie grande en sus secciones (4a-4c) adyacentes que contienen NbTi, existiendo un contacto por una superficie grande entre las secciones (4a-4c) que contienen NbTi y los bloques de Al (3a-3c) en la sección transversal por al menos un 20 % del diámetro de alambre en superficies límite que discurren aproximadamente en la dirección radial de secciones (4a-4c) que contienen NbTi y bloques de Al (3a-3c),

y por que el alambre superconductor (1; 31) está configurado sin soldadura.

Tipo: Patente Europea. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: E13171785.

Solicitante: Bruker EAS GmbH.

Nacionalidad solicitante: Alemania.

Dirección: EHRICHSTRASSE 10 63450 HANAU ALEMANIA.

Inventor/es: SZULCZYK,ANDREAS.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • H01L39/14 SECCION H — ELECTRICIDAD.H01 ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS.H01L DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES; DISPOSITIVOS ELECTRICOS DE ESTADO SOLIDO NO PREVISTOS EN OTRO LUGAR (utilización de dispositivos semiconductores para medida G01; resistencias en general H01C; imanes, inductancias, transformadores H01F; condensadores en general H01G; dispositivos electrolíticos H01G 9/00; pilas, acumuladores H01M; guías de ondas, resonadores o líneas del tipo guía de ondas H01P; conectadores de líneas, colectores de corriente H01R; dispositivos de emisión estimulada H01S; resonadores electromecánicos H03H; altavoces, micrófonos, cabezas de lectura para gramófonos o transductores acústicos electromecánicos análogos H04R; fuentes de luz eléctrica en general H05B; circuitos impresos, circuitos híbridos, envolturas o detalles de construcción de aparatos eléctricos, fabricación de conjuntos de componentes eléctricos H05K; empleo de dispositivos semiconductores en circuitos que tienen una aplicación particular, ver la subclase relativa a la aplicación). › H01L 39/00 Dispositivos que utilizan la superconductividad o la hiperconductividad; Procedimientos o aparatos especialmente adaptados a la fabricación o al tratamiento de estos dispositivos o de sus partes constitutivas (dispositivos consistentes en una pluralidad de componentes de estado sólido formados en o sobre un sustrato común H01L 27/00; superconductores caracterizados por la técnica de formación o por la composición de las cerámicas C04B 35/00; conductores, cables o líneas de transmisión superconductores o hiperconductores H01B 12/00; bobinas o arrollamientos superconductores H01F; amplificadores que utilizan la superconductividad H03F 19/00). › Dispositivos de superconductividad permanente.

PDF original: ES-2533202_T3.pdf

 


Fragmento de la descripción:

Superconductor de NbTi con bloques de Al repartidos en la dirección circunferencial para la reducción de peso

La invención se refiere a un alambre superconductor que contiene material superconductor de NbTi y Cu.

El titanio de niobio (NbTi) es un material superconductor importante que se puede utilizar de múltiples maneras debido a su buena capacidad de deformación plástica (tanto en el material terminado como con respecto a precursores), por ejemplo, en bobinas magnéticas superconductoras o cables superconductores. El material superconductor de NbTi está integrado a este respecto típicamente en un alambre superconductor, discurriendo, en la mayoría de los casos, una pluralidad de filamentos de NbTi a lo largo de la dirección de extensión del alambre superconductor.

En el marco de la fabricación de alambre está previsto a menudo realizar en primer lugar una deformación plástica para obtener una sección transversal exterior hexagonal en el marco de un proceso de estiramiento para simplificar procesos de atado en filamentos individuales de NbTi (o también en otras estructuras y estructuras intermedias). Los elementos hexagonales correspondientes se pueden disponer entonces de manera muy compacta, por ejemplo, en un tubo de envoltura de Cu, véase el documento US 5.088.183 A mencionado al inicio.

Las propiedades superconductoras de NbTi se consiguen sólo en caso de una temperatura especialmente baja, por debajo de aproximadamente 9 K, de modo que el superconductor se debe refrigerar, por ejemplo, con helio líquido. Asimismo, ya no se mantiene el estado superconductor en caso de una intensidad demasiado elevada del campo magnético o también en caso de una densidad de corriente eléctrica demasiado elevada.

Alambres superconductores de NbTi están estabilizados típicamente con cobre (Cu), en la mayoría de los casos con grados de pureza elevados. El cobre discurre de manera paralela a filamentos superconductores en el alambre superconductor; por ejemplo, el cobre puede formar una matriz para filamentos de NbTi superconductores. El cobre constituye un conductor térmico bueno mediante el que se puede realizar una refrigeración eficaz de los filamentos de NbTi superconductores. Además, el cobre tiene una conductividad eléctrica elevada. En el caso de una pérdida local de la superconductividad en el alambre superconductor, el cobre proporciona un trayecto de corriente paralelo, por lo que se limita un aumento de la resistencia eléctrica y también una producción de calor asociada. Mediante la refrigeración eficaz, la zona local de conducción normal en el superconductor, finalmente, se puede volver de nuevo superconductor (función de estabilización). Aunque no sea posible una recuperación de la superconducción, el cobre protege frente a un daño ("fusión") del superconductor mediante una limitación del aumento de resistencia y, de este modo, una limitación de la producción de calor, y al mismo tiempo una evacuación eficaz del calor producido (protección frente a quenching). El cobre mejora además la resistencia mecánica del alambre superconductor.

Por un lado, el cobre es un material caro, y, por otro lado, es relativamente pesado con una densidad de aproximadamente 8,9 g/cm3, lo que no se desea en muchas aplicaciones. Por tanto se buscan materiales alternativos para la estabilización de superconductores de NbTi que puedan sustituir al menos en parte el cobre. Aluminio (Al) en forma pura sería un material adecuado con respecto a la conducción de calor y la resistencia eléctrica que es más económico que cobre y claramente más ligero con una densidad de 2,7 g/cm3.

En el documento WO 2008/121764 A1 se ha propuesto una estructura de superconductor de NbTi con un manguito de Cu, un núcleo de Al y varillas de NbTi de múltiples filamentos dispuestas de manera anular entre los mismos.

Mientras que Cu y NbTi son ambos relativamente duros y tienen un comportamiento similar en caso de una deformación plástica, Al es claramente más blando en comparación con NbTi y Cu. En el estiramiento de alambre se han observado grietas transversales a la dirección de extensión del alambre al utilizar estructuras de Al, en particular un núcleo de Al, en un alambre superconductor de NbTi. Un alambre con grietas es inútil para una aplicación de superconductor.

Por el documento US 5.189.386 se ha dado a conocer una estructura de superconductor en la que un núcleo de Al está dividido en seis sectores mediante capas de una aleación de Cu-Ni. Esta estructura es relativamente compleja.

En el documento US 4.652.697, que se considera como el estado de la técnica más próximo, se describe una estructura de superconductor en la que se han atado tres alambres de Al y cuatro alambres de múltiples filamentos, por ejemplo, con filamentos de NbTi y una matriz de cobre. Uno de los alambres de múltiples filamentos está dispuesto en el centro de la estructura de superconductor. La estructura se mantiene unida mediante una soldadura de PbSn. Una soldadura es difícil de procesar en la fabricación de alambre y como material adicional puede agravar adicionalmente la formación de grietas.

El documento JP 09 282953 A describe un alambre superconductor de Nb3AI en el que están integrados filamentos de Nb3AI en una matriz de cobre. Para el reforzamiento pueden estar previstas estructuras adicionales empotradas, por ejemplo, a partir de Nb o Ta. En una forma de realización se proponen estructuras adicionales con una varilla de Al en un tubo de Cu.

También se hace referencia al estado de la técnica en los documentos JPH03192611, EP0067591 y JPH06203653. Objetivo de la invención

La invención se basa en el objetivo de proponer un alambre superconductor de NbTi que tenga un peso ligero, siendo la fabricación de éste económica y teniendo el alambre superconductor una tendencia reducida a una formación de grietas (en particular en el estiramiento de alambre).

Breve descripción de la invención

Este objetivo se consigue mediante un alambre superconductor que contiene un material superconductor de NbTi y Cu según la reivindicación 1.

En el marco de la invención se sustituye parcialmente cobre por aluminio en el alambre superconductor para la estabilización, estando previstos al menos tres bloques de Al. Los bloques de Al están dispuestos repartidos en la dirección circunferencial en la sección transversal del alambre (de manera perpendicular a la dirección longitudinal del alambre) y están separados entre sí mediante secciones que contienen NbTi, es decir, los bloques de Al y las secciones que contienen NbTi alternan en la dirección circunferencial. Los bloques de Al son claramente más ligeros y también más económicos en comparación con material de cobre con el mismo volumen. En particular, el peso por metro (esto es, la masa del alambre superconductor por la longitud en la dirección de extensión) con respecto al uso exclusivo de cobre para la estabilización del material superconductor se puede reducir claramente.

Mediante un contacto por una superficie grande según la invención entre las secciones que contienen NbTi y los bloques de Al se garantiza una transición buena directa de calor y corriente eléctrica; típicamente, el contacto superficial existe con respecto a la sección transversal por al menos un 20 % del diámetro de alambre en superficies límite de secciones que contienen NbTi y bloques de Al que discurren aproximadamente en la dirección radial. De este modo, por un lado, se garantiza una función de estabilización muy buena, sin embargo, por otro lado, también se mantiene sencilla la estructura global del alambre superconductor.

El tubo de envoltura también puede mejorar la estabilización, en particular cuando éste está configurado como tubo de envoltura de Cu. Además, el tubo de envoltura puede mantener bien unidos los bloques de Al y las secciones que contienen NbTi.

El alambre superconductor según la invención se puede configurar sin soldadura (en particular sin una soldadura de PbSn). En particular no es necesaria una soldadura para producir un contacto de conducción de corriente eléctrica o de calor suficiente entre los bloques de Al y el material superconductor de NbTi en las secciones que contienen NbTi; tampoco es necesaria una soldadura para mantener unida la estructura global del alambre superconductor. Contaminaciones del alambre superconductor con partículas extrañas se pueden mantener muy reducidas en el marco de la invención.

Los bloques de Al están compuestos por material macizo de aluminio, típicamente con una pureza de un 99 % atómico o superior. La superficie de sección transversal de un alambre superconductor según la invención tiene típicamente una parte de al menos un 10 % de... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Alambre superconductor (1; 31) que contiene material superconductor de NbTi y Cu, con

- al menos tres bloques de Al (3a-3c) que están dispuestos repartidos en la dirección circunferencial,

- y al menos tres secciones (4a-4c) que contienen NbTi que también están dispuestas repartidas en la dirección circunferencial y que separan los bloques de Al (3a-3c) entre sí en la dirección circunferencial,

caracterizado por que el alambre superconductor (1; 31) tiene además

- un tubo de envoltura (2), en particular un tubo de envoltura de Cu,

estando las al menos tres secciones (4a-4c) que contienen NbTi dispuestas repartidas en la dirección circunferencial en el tubo de envoltura (2),

por que los bloques de Al (3a-3c) se apoyan respectivamente por una superficie grande en sus secciones (4a-4c) adyacentes que contienen NbTi, existiendo un contacto por una superficie grande entre las secciones (4a-4c) que contienen NbTi y los bloques de Al (3a-3c) en la sección transversal por al menos un 20 % del diámetro de alambre en superficies límite que discurren aproximadamente en la dirección radial de secciones (4a-4c) que contienen NbTi y bloques de Al (3a-3c),

y por que el alambre superconductor (1; 31) está configurado sin soldadura.

2. Alambre superconductor (1; 31) según la reivindicación 1, caracterizado por que las secciones (4a-4c) que contienen NbTi están formadas por uno o varios bloques de Cu (6; 6a-6c) con orificios profundos taladrados, estando estructuras de NbTi (8), que contienen respectivamente uno o varios filamentos de NbTi, introducidas en taladros (7) de uno o de varios bloques de Cu (6; 6a-6c).

3. Alambre superconductor (1; 31) según la reivindicación 2, caracterizado por que las secciones (4a-4c) que contienen NbTi están formadas mediante sólo un bloque de Cu (6; 6a-6c) con orificios profundos taladrados, teniendo el bloque de Cu (6) al menos tres ranuras (10) formadas radialmente hacia dentro que contienen respectivamente un bloque de Al (3a-3c).

4. Alambre superconductor (1; 31) según la reivindicación 2, caracterizado por que las secciones (4a-4c) que contienen NbTi están formadas respectivamente mediante un bloque de Cu (6a-6c) con orificios profundos taladrados, y por que está previsto un tubo de perfil de Cu (11) central al que son adyacentes los bloques de Al (3a- 3c) y los bloques de Cu (6a-6c), conteniendo el tubo de perfil (11) un bloque de Al (12) adicional.

5. Alambre superconductor (1; 31) según la reivindicación 1, caracterizado por que las secciones (4a-4c) que contienen NbTi están formadas respectivamente como una agrupación (34a-34c) de elementos hexagonales de NbTi (35) adyacentes unos a otros que contienen respectivamente uno o varios filamentos de NbTi.

6. Alambre superconductor (1; 31) según la reivindicación 5, caracterizado por que está previsto un tubo de perfil de Cu (32) al que son adyacentes los bloques de Al (3a-3c) y las agrupaciones (34a-34c), conteniendo el tubo de perfil (32) un bloque de Al (33) adicional, y teniendo el tubo de perfil de Cu (32) un perfilado (32a) exterior que es adecuado para el apoyo de los elementos hexagonales de NbTi (35), en particular en el que el tubo de perfil de Cu (32) tiene un perfilado (32a) exterior por todos los lados.

7. Alambre superconductor (1; 31) según la reivindicación 5 o 6, caracterizado por que el tubo de envoltura (2) contiene varias placas de relleno de Cu (36), teniendo las placas de relleno de Cu (36) un perfilado que es adecuado para un apoyo de los elementos hexagonales de NbTi (35) de las agrupaciones (34a-34c).

8. Alambre superconductor (1; 31) según una de las reivindicaciones 5 a 7, caracterizado por que los bloques de Al (3a-3c) tienen un perfilado que es adecuado para el apoyo de los elementos hexagonales de NbTi (35) de las agrupaciones (34a-34c), en particular en el que los bloques de Al (3a-3c) tienen un perfilado por todos los lados.

9. Alambre superconductor (1; 31) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que están previstos exactamente N bloques de Al (3a-3c) que están dispuestos repartidos en la dirección circunferencial en el tubo de envoltura (2), y por que están previstas exactamente N secciones (4a-4c) que contienen NbTi que también están previstas repartidas en la dirección circunferencial en el tubo de envoltura (2) y que separan los bloques de Al (3a-3c) entre sí en la dirección circunferencial, siendo N = 3, 4, 5 o 6.

10. Alambre superconductor (1; 31) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el alambre superconductor (1; 31) tiene una sección transversal circular.

11. Alambre superconductor (1; 31) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el alambre superconductor (1; 31) está configurado sin espacios huecos en la sección transversal.

12. Alambre superconductor (1; 31) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los bloques de Al (3a-3c) son directamente adyacentes al tubo de envoltura (2).


 

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