DE10113492A1 - Metallischer Leiter und kryogene Einrichtung - Google Patents

Abstract

Beschrieben wird ein metallischer Leiter, aufweisend einen Innenleiter und eine Beschichtung aus einem Edelmetall oder einer Legierung aus einem Edelmetall und mindestens einem Nebengruppenelement, wobei die Dicke des Innenleiters zwischen 1 mm und 0,01 mm beträgt und die Dicke der Beschichtung zwischen 1 mum und 1 nm beträgt. Ebenso wird eine kryogene Einrichtung mit einem solchen Leiter beschrieben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen metallischen Leiter, der ein Edelmetall enthält und eine kryogene Einrichtung, die mindestens einen solchen elektri­ schen Leiter aufweist.

Metallische Leiter, die ein Edelmetall in Form eines reinen Metalls oder einer Legierung enthalten, sind grundsätzlich bereits aus JP 52 05 18 57, JP 11 24 31 11 sowie aus EP 0 967 635 bekannt. In diesem Stand der Technik wird insbe­ sondere auch auf die Problematik des Bondens solcher metallischer Leiter ein­ gegangen, die durch geeignete Beschichtungen realisiert werden kann.

Ein spezielles Problem ergibt sich jedoch für solche metallische Leiter, die ei­ nerseits zwischen Komponenten unterschiedlicher Betriebstemperatur ange­ ordnet werden sollen und daher in der Regel eine geringe thermische Leitfä­ higkeit aufweisen müssen, andererseits trotzdem lötbar sein sollen. Ein Beispiel für solche Komponenten unterschiedlicher Betriebstemperatur sind kryogene Einrichtungen, in denen mindestens eine Komponente auf einem sehr tiefen Temperaturniveau gehalten wird. Werden nun beispielsweise Stahldrähte, insbesondere Edelstahl, verwendet, so weisen diese zwar eine geringe thermi­ sche Leitfähigkeit auf und korrodieren nicht, aber sie sind in der Regel nicht einfach lötbar, sondern können nur durch Schweissen mit den entsprechenden Komponenten verbunden werden. Soll eine Lötbarkeit von Edelstahldrähten erzielt werden, so wird bislang eine Behandlung des Edelstahldrahtes mit ei­ nem Flussmittel (Chlorid) und einem speziellen Lot vorgesehen. Durch diese Behandlung ist der Draht aber an den behandelten Stellen nicht mehr Korrosionsgeschützt, die Lotverbindung unterliegt damit einem hohen Verschleissrisi­ ko durch Korrosion.

Durch eine Beschichtung, wie im Stand der Technik aufgezeigt, kann zwar eine Lötbarkeit eines metallischen Leiters realisiert werden, jedoch tritt das Problem auf, dass durch die Beschichtung die thermische Leitfähigkeit des metallischen Leiters erhöht wird und so ein erhöhter Wärmefluss über den Leiter entsteht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen metallischen Leiter be­ reitzustellen, der einerseits eine gute Lötbarkeit ohne nachteilige Effekte, ins­ besondere hinsichtlich der Korrosionsbeständigkeit, aufweist, andererseits weiterhin eine möglichst geringe thermische Leitfähigkeit besitzt.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Dieser umfasst einen metallischen Leiter, der einen Innenleiter und eine Beschichtung aus einem Edlemetall oder einer Legierung aus einem Edelmetall und mindes­ tens einem Nebengruppenelement aufweist. Durch die Beschichtung wird die Lötbarkeit des metallischen Leiters erreicht. Die Beschichtung kann über die gesamte Ausdehnung des Leiters den Innenleiter bedecken, sie kann aber auch nur diejenigen Teilbereiche des Innenleiters bedecken, an denen eine Lötung erfolgen soll. Der Leiter ist dann an jeder beliebigen Stelle, die eine Be­ schichtung aufweist, lötbar ohne jegliche Zusatzbehandlung. Die Beibehaltung einer möglichst geringen thermischen Leitfähigkeit wird durch eine geeignete Wahl der Dickenverhältnisse von Leiter und Beschichtung erzielt, wobei die Dicke (d. h. bei runden Leitern der Durchmesser) des Innenleiters zwischen 1 mm und 0,01 mm beträgt und die Dicke der Beschichtung zwischen 1 µm und 1 nm beträgt. Durch die im Vergleich zum Leiter deutlich dünnere Beschich­ tung wird die thermische Leitfähigkeit des Leiters nur gering verändert. Insbesondere gilt dies, wenn statt einem reinen Edelmetall eine Legierung eines E­ delmetalls mit mindestens einem Nebengruppenelement verwendet wird, da eine solche Legierung gerade auch bei tieferen Temperaturen noch eine gerin­ ge thermische Leitfähigkeit aufweist.

Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Dicke des Innenleiters zwischen 0,5 mm und 0,05 mm beträgt und die Dicke der Beschichtung zwischen 100 nm und 1 nm beträgt. Es kann beispielsweise die Dicke des Innenleiters das 1000-fache bis 5000-fache der Dicke der Beschichtung betragen.

Als Edelmetall für die Beschichtung kann beispielsweise Gold vorgesehen werden, es sind grundsätzlich aber auch andere Edelmetalle denkbar. Es kann aber auch für die Beschichtung eine Legierung aus einem Edelmetall und min­ destens einem Element einer Nebengruppe, insbesondere der achten Neben­ gruppe (Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt) vorgesehen werden. In diesem Fall kann beispielsweise als Edelmetall-Legierung eine Goldlegierung vorgesehen sein, es sind grundsätzlich aber auch andere Edelmetall-Legierungen denkbar. Für den Innenleiter kann jedes geeignete Material verwendet werden, das eine geringe thermische Leitfähigkeit und eine ausreichende elektrische Leitfähig­ keit aufweist. Insbesondere kann der Leiter aus Stahl, z. B. Edelstahl bestehen.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine kryogene Ein­ richtung, aufweisend mindestens einen metallischen Leiter, wie er vorstehend im Rahmen der Erfindung beschrieben wurde. Eine solche kryogene Einrich­ tung, die beispielsweise im Bereich der Tieftemperaturphysik, der Raumfahrt­ technik, der Medizintechnik oder ähnlichem realisiert sein kann, weist zumin­ dest eine Komponente auf, die eine deutlich tiefere Temperatur besitzt als an­ dere Komponenten der Einrichtung. Beispiele dafür sind Einrichtungen, die flüssige Gase bei tiefer Temperatur als Betriebs- oder Kühlmedien verwenden. Das Einsatzgebiet der metallischen Leiter kann sich dabei auf Temperaturen der kälteren Komponenten unter 100 K, möglicherweise sogar auf Temparatu­ ren unter 50 K erstrecken. Gerade hier sind metallische Leiter mit einer gerin­ gen thermischen Leitfähigkeit besonders wichtig.

Ein spezielles Ausführungsbeispiel wird nachfolgend anhand der Fig. 1 be­ schrieben.

Es zeigt:

Fig. 1: Schematische, nicht maßstabsgetreue Darstellung eines Querschnit­ tes durch einen erfindungsgemäßen Leiter.

Ein metallischer Leiter 3, der schematisch in Fig. 1 in einer nicht maßstabsge­ treuen Darstellung gezeigt ist, ist speziell für Anwendungen ausgelegt, bei de­ nen Komponenten mit deutlich unterschiedlicher Betriebstemperatur vorlie­ gen, wie insbesondere in kryogenen Einrichtungen. Ein Beispiel hierfür sind Anwendungen in der Raumfahrttechnik, bei denen z. B. kryogene Satelliten­ nutzlasten oder Behälter für kryogene Treibstoffe eine Komponente eines Raumfahrzeuges bilden. Der Leiter 3 kann jedoch auch in anderen kryogenen Einrichtungen verwendet werden. Der Leiter 3 kann, wie in Fig. 1, rund ausge­ bildet sein, er kann aber auch jede andere geeignete Form besitzen, z. B. abge­ flacht sein.

Der Leiter 3 besitzt einen Innenleiter 1 aus Edelstahl. Edelstahl weist eine aus­ reichende elektrische Leitfähigkeit bei gleichzeitiger gerninger thermischer Leitfähigkeit auf. Um den Leiter 3 lötbar zu machen, ist eine Beschichtung 2 auf dem Innenleiter 1 vorgesehen, wobei die Beschichtung aus Gold oder einer Legierung aus Gold und einem Element der achten Nebengruppe besteht. Bis zu einer Temperatur von etwa 80 K ist der Einfluss einer Goldbeschichtung auf die thermische Leitfähigkeit des Leiters 3 gering, so dass bei Temperaturen in der kryogenen Einrichtung bis zu diesem Bereich statt einer Goldlegierung auch eine Beschichtung aus Gold gewählt werden kann. Sollen jedoch tiefere Temperaturen in der kryogenen Einrichtung realisiert werden, so ist zu berück­ sichtigen, dass die thermische Leitfähigkeit von Gold unter 80 K, insbesondere unter 40 K, zunimmt. Sollen solche Temperaturen realisiert werden, hat es sich als günstig erwiesen, Legierungen aus Gold und mindestens einem Neben­ gruppenelement vorzusehen, da diese eine geringere thermische Leitfähigkeit als reines Gold auch im Bereich unter 80 K aufweisen. Ein Beispiel für eine sol­ che Legierung ist eine Legierung aus Gold und Kobalt oder eines ähnlichen Nebengruppenelements, wobei die Legierung neben reinem Gold beispiels­ weise bis zu 5% des Nebengruppenelements, insbesondere maximal 1% des Nebengruppenelements enthält.

Die optimale Kombination aus Lötfähigkeit einerseits und geringer thermischer Leitfähigkeit andererseits wird durch die geschickte Wahl, der Dickenverhält­ nisse von Innenleiterdicke D und Dicke der Beschichtung d erreicht. Es ist ins­ besondere vorgesehen, dass der Innenleiter eine Dicke im Bereich von Zehntel Millimetern und die Beschichtung eine Dicke im Bereich von einigen Nano­ metern bis zu etwa hundert Nanometern aufweist. Es kann beispielsweise die Dicke des Innenleiters das 1000-fache bis 5000-fache der Dicke der Be­ schichtung betragen. So kann beispielsweise eine Innenleiterdicke von 0,1 mm und eine Dicke der Beschichtung von 30 nm bis 50 nm, speziell von 40 nm vorgesehen sein.

Der so ausgestaltete elektrische Leiter ist dann an jeder beliebigen Stelle, an der auf dem Innenleiter 1 eine Beschichtung 2 vorgesehen wurde, ohne zu­ sätzliche Behandlungsschritte lötbar, d. h. insbesondere ohne die bisherigen Korrosionsrisiken. Die Beschichtung 2 kann im einfachsten Fall den gesamten Innenleiter 1 bedecken. Sie kann aber auch nur in speziellen Abschnitten auf dem Innenleiter 1 vorgesehen sein, die dann zu einer Verlötung vorgesehen sind. Die Vorteile beim Einsatz eines solchen Leiters 3 sind insbesondere eine einfache Herstellung z. B. von Messverbindungen in kryogenen Apparaten wie beispielsweise der Medizintechnik sowie aufgrund der geringen thermischen Leitfähigkeit eine Verringerung von Betriebskosten, da z. B. eine geringere Er­ wärmung kryogener Flüssigkeiten in den kontaktierten Komponenten erfolgt, also ein geringerer Verbrauch der kryogenen Flüssigkeiten erzielt wird.

Claims (7)

1. Metallischer Leiter, aufweisend einen Innenleiter und eine Beschichtung aus einem Edlemetall oder einer Legierung aus einem Edelmetall und mindestens einem Nebengruppenelement, wobei die Dicke des Innen­ leiters zwischen 1 mm und 0,01 mm beträgt und die Dicke der Beschich­ tung zwischen 1 µm und 1 nm beträgt.

2. Metallischer Leiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Innenleiters zwischen 0,5 mm und 0,05 mm beträgt und die Dicke der Beschichtung zwischen 100 nm und 1 nm beträgt.

3. Metallischer Leiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus Gold besteht.

4. Metallischer Leiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bechichtung aus einer Legierung aus einem Edelmetall und min­ destens einem Element der achten Nebengruppe (Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt) besteht.

5. Metallischer Leiter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Edelmetall-Legierung eine Goldlegierung vorgesehen ist.

6. Metallischer Leiter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Innenleiter aus Stahl besteht.

7. Kryogene Einrichtung, aufweisend einen metallischen Leiter nach einem der Ansprüche 1 bis 6.