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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur im Wesentlichen
spannungsfreien Verbindung von Supraleiterkomponenten sowie nach
diesen Verfahren verbundene Supraleiterkomponenten.
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In
Abhängigkeit ihrer kritischen Temperatur Tc, d. h. der
Temperatur, bei der die Supraleiter in den supraleitenden Zustand übergehen,
werden grob zwei Klassen unterschieden, nämlich die so
genannten Tieftemperatur-Supraleiter, zu deren Kühlung
z. B. flüssiges Helium (4 K) benötigt wird, und
so genannte Hochtemperatur-Supraleiter, die eine kritische Temperatur
oberhalb der Temperatur von flüssigem Stickstoff (77 K)
haben, d. h. zu deren Kühlung flüssiger Stickstoff
ausreicht.
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Zu
den Hochtemperatursupraleitern zählen die oxidkeramischen
Supraleiter auf Basis von Wismut, Thallium, Yttrium und Quecksilber.
Typische Beispiele hierfür sind die oxidkeramischen Hochtemperatursupraleiter
basierend auf Bi-Ae-Cu-O, (Bi, Pb)-Ae-Cu-O, Y-Ae-Cu-O, (Y-Re)-Ae-Cu-O, Tl-Ae-Y-Cu-O
oder Hg-Ae-Cu-O. In den vorstehenden Formeln bedeutet Ae wenigstens
ein Erdalkalielement, insbesondere Ba, Ca und/oder Sr. Re bedeutet
wenigstens ein Selten Erdelement, insbesondere Y oder eine Kombination
aus zwei oder mehreren der Elemente Y, La, Lu, Sc, Se, Nd oder Yb.
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Konkrete
Beispiele für Thallium bzw. Quecksilber basierte Hochtemperatursupraleiter
sind Tl2Ba2Ca3Cu3O, Tl1Ba2Ca2Cu3O bzw. Hg1Ba2Ca2Cu3O
und Hg1Ba2Ca1Cu2O.
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Besondere
Beachtung haben die oxidkeramischen Hochtemperatursupraleiter gefunden,
die unter der Bezeichnung BSCCO-2212 (Tc ≈ 90 K) und BSCCO-2223
(Tc ≈ 110 K), wobei die Zahlenkombinationen 2212 und 2223
für das stochometische Verhältnis der Elemente
Bi, Sr, Ca und Cu stehen, insbesondere diejenigen, bei denen ein
Teil von Bi durch Pb substituiert ist; sowie diejenigen, die unter
der Bezeichnung YBCO-123 (Tc ≥ 92 K) und YBCO-211 bekannt
sind, wobei die Zahlenkombinationen 123 und 211 für das
stöichiometrische Verhältnis der Elemente Y, Ba
und Cu stehen.
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Supraleiter,
insbesondere Hochtemperatursupraleiter sind in verschiedensten Gebieten
der Technik einsetzbar, z. B. in Strombegrenzern, als Energiespeicher,
Hochfeldmagnete oder in Transformatoren, Kabeln und Motoren.
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Ein
vielversprechendes Einsatzgebiet ist die Verwendung in Strombegrenzern.
Strombegrenzer haben die Aufgabe, in Anlagen zur Energieversorgung
den in einem Fehlerfall entstehenden Kurzschlussstrom auf ein für
die Anlage zu beherrschendes Maß zu verringern und damit
die Anlage vor Beschädigung zu schützen.
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Je
nach Anwendung kann es erforderlich werden, zwei oder mehrere Supraleiterkomponenten miteinander
seriell und/oder parallel zu verbinden.
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Ein
Grund hierfür können fertigungstechnische Beschränkungen
sein.
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So
muss z. B. um einen Strombegrenzer für größere
elektrische Spannungen aufbauen zu können, der Supraleiter
eine der gewünschten Nennspannung entsprechende Länge
aufweisen.
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Hierfür
werden im Allgemeinen oxidkeramische Hochtemperatursupraleiter eingesetzt,
die in einem Gussverfahren hergestellt werden. Die Größe der
nach diesen Verfahren erhältlichen Supraleiterkomponenten
ist beschränkt. Daher ist es im Allgemeinen erforderlich,
mehrere derartiger Komponenten in Reihe elektrisch miteinander zu
verbinden, um die notwendige Länge zu erhalten.
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Die
Verbindung bzw. Verschaltung von zwei Supraleiterkomponenten kann über
so genannte Verbinder erfolgen.
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Verbinder
zum Verbinden von Supraleiterkomponenten müssen zwei Aufgaben
erfüllen. Sie sollen die Komponenten in ihrer Position
halten und dem Strom einen möglichst geringen Widerstand
bieten.
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Es
ist bekannt als Verbinder starre Klemmschellen einzusetzen, die
ein Ende einer ersten Supraleiterkomponente und ein Ende einer zweiten
Supraleiterkomponente umfassen und damit die beiden Supraleiterkomponenten
in Serie verbinden.
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Um
gleichzeitig die erforderliche elektrische Leitung zu gewährleisten,
bestehen diese Klemmschellen aus einem elektrisch gut leitfähigem
Material wie z. B. Kupfer oder einer Kupferlegierung.
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Ein
Problem ist jedoch die Temperaturdifferenz zwischen der Einbausituation
in einer Anlage und dem eigentlichen Betrieb. Die Supraleiterkomponenten
werden bei Raumtemperatur eingebaut und müssen, damit sie
supraleitend werden, auf eine entsprechend tiefe Temperatur (z.
B. auf 65 bis 77 K) abgekühlt werden. Das bedeutet einen
Temperaturunterschied von 228 bis 216 K zur Raumtemperatur. Durch
diesen Temperaturunterschied ziehen sich jedoch die Verbinder zusammen
und es entstehen Kräfte in bzw. an den Supraleiterkomponenten,
welche zum mechanischen Versagen der Supraleiterkomponenten führen
können.
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Dieses
Problem ist insbesondere für oxidkeramische Hochtemperatursupraleiter
schwerwiegend, da diese wie alle Keramikmaterialien spröde und
bruchanfällig sind.
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Es
war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Verbindung
von zwei oder mehr Supraleiterkomponenten zur Verfügung
zu stellen, dass eine Kompensation von Spannungen, insbesondere
thermischen Spannungen, erlaubt. Insbesondere war es Aufgabe der
vorliegenden Erfindung ein derartiges Verfahren zur Verfügung
zu stellen, dass neben einer physischen auch eine gute elektrische
Verbindung ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Verbindung
von zwei oder mehr Supraleiterkomponenten, wobei mindestens zwischen
einer ersten Supraleiterkomponente und einem Verbinder zum Verbinden
der ersten Supraleiterkomponente mit einer weiteren Supraleiterkomponente
ein Federelement angeordnet wird.
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Insbesondere
betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Verbinden von
zwei oder mehr Supraleiterkomponenten, wobei zwischen dem Verbindungsbereich
der ersten Supraleiterkomponente, der von dem Verbinder umfasst
wird, und dem Verbinder ein Federelement vorgesehen wird, und die
erste Supraleiterkomponente über diesen Verbindungsbereich
und über den Verbinder mit einer zweiten Supraleiterkomponente
verbunden wird, wobei der Verbinder über das Federelement
mit der ersten Supraleiterkomponente in Verbindung steht,
wobei
das Federelement eine Vielzahl von federartigen Lamellen aufweist,
die parallel zueinander und im Wesentlichen parallel zur Längsachse
der ersten Supraleiterkomponente angeordnet sind, und die federartigen
Lamellen eine Wölbung nach außen in Richtung des
Verbinders aufweisen und die Verbindung des Verbinders mit der ersten
Supraleiterkomponente über das Federelement erfolgt.
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Vorzugsweise
werden die Supraleiterkomponenten über ihre Endbereiche
miteinander verbunden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren beruht auf dem Federprinzip,
wobei durch die Zwischenschaltung eines Federelements eine elastische
Verbindung gebildet wird.
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Aufgrund
der Elastizität des Federelements können Spannungen,
wie sie z. B. aufgrund von Temperaturdifferenzen entstehen können,
ausgeglichen werden, da die elastischen Federelemente einerseits eine
bestimmte Bewegung der Komponenten erlauben und andererseits dennoch
eine feste Verbindung ermöglichen.
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Ohne
darauf beschränkt zu sein, eignet sich das erfindungsgemäße
Verfahren insbesondere für die Verbindung oxidkeramischer
Hochtemperatursupraleiterkomponenten, wie sie z. B. für
Strombegrenzer verwendet werden.
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Das
Federelement kann aus einem elektrisch leitfähigem Material
bestehen und zusätzlich zu einer physischen eine elektrische
Verbindung ermöglichen.
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Das
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren einsetzbare
Federelement weist eine Vielzahl von federartigen Lamellen (nachstehend
auch „Federn” bezeichnet) auf, wobei die Enden
der federartigen Lamellen, die auf der selben Seite liegen, miteinander
verbunden sind.
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Die
Federn weisen eine Wölbung auf, die einen Bogen über
die durch die Enden definierte Grundfläche aufspannen.
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Beispielsweise
kann das Federelement eine Bandform haben. Die Federn können
hier im Wesentlichen parallel zueinander und im Wesentlichen senkrecht
zur Längsachse des Bandes ausgerichtet sein.
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Die
Enden der Federn, die auf der selben Seite liegen, können
dabei in einem gemeinsamen Randstreifen, auch „Kontakt” genannt,
auslaufen.
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„Im
Wesentlichen parallel zueinander” bzw. „im Wesentlichen
senkrecht zur Längsachse des Bandes” bedeutet
im Sinne der vorliegenden Erfindung, dass Abweichungen von der exakten
parallelen bzw. senkrechten Ausrichtung zulässig sind,
soweit die Funktionsweise der Federelemente zur elastischen Verbindung
nicht beeinträchtigt wird.
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Insbesondere
können die Federn in einem Neigungswinkel zur Längsachse
des Bandes angeordnet sein.
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Das
Federelement kann an dem Verbindungsbereich z. B. dem Ende einer
Supraleiterkomponente befestigt sein, über das die Supraleiterkomponente
mit einer weiteren Supraleiterkomponente verbunden werden soll.
Für die Verbindung umgreift der Verbinder das Federelement,
so dass das Federelement zwischen Supraleiterkomponente und Verbinder
zu liegen kommt.
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Alternativ
kann das Federelement im Verbinder in dem Bereich vorgesehen sein
mit dem der Verbinder die Supraleiterkomponente im Verbindungsbereich
umfasst.
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Die
Elastizität des Federelements ermöglicht einerseits
Freiheitsgrade der Bewegung der Supraleiterkomponente und des Verbinders
und bewirkt andererseits dennoch eine feste Verbindung, bei der die
verbundenen Supraleiterkomponenten in ihrer Position relativ zueinander
gehalten werden können.
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Federelemente,
wie sie für die vorliegende Erfindung geeignet sind, sind
an sich bekannt.
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Geeignete
Federelemente sind z. B. in den europäischen Patentanmeldungen
EP 0 202 564 A2 und
EP 0 716 474 A1 der
Firma Multi Contact AG beschrieben und im Handel erhältlich.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren unterliegt im Prinzip
keinerlei Einschränkungen in Bezug auf Einsatzgebiet der
Supraleiterkomponenten sowie auf deren Herstellungsverfahren und äußerer
Form.
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Die
vorliegende Erfindung kann im Prinzip für jeder Art und
Form von Supraleiterkomponenten eingesetzt werden, für
die eine möglichst spannungsfreie Verbindung gewünscht
wird.
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Die
Supraleiterkomponente kann aus bandförmigen Supraleitern,
so genannten coated conducter, gebildet sein.
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Sie
kann ein Bauteil sein, bei dem ein Träger mit einer Schicht
aus supraleitendem Material versehen ist.
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Sie
kann eine Massiv-(Bulk-)Komponente sein, wie sie z. B. beim bekannten
Schmelzgussverfahren erhalten wird. Sie kann ein Voll- oder Hohlkörper
sein. Sie kann ein Stab, Rohr oder eine Spule sein.
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Prinzipiell
kann die Querschnittsfläche eine beliebige Form aufweisen,
z. B. rund, oval, polygonal, elliptisch etc.
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Beispielsweise
haben sich für Strombegrenzer zylinderförmige
Supraleiterkomponenten, wie sie z. B. nach dem bekannten Schmelzgussverfahren
erhalten werden können, als besonders geeignet erwiesen,
wobei sie vorzugsweise im Wesentlichen eine runde, elliptische oder
polygonale Querschnittsfläche aufweisen.
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Nachstehend
wird die vorliegende Erfindung anhand einer konkreten Einsatzform
unter Verweis auf die anliegenden Figuren näher erläutert.
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Es
zeigen
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1 einen
Ausschnitt aus einem Strombegrenzer mit insgesamt acht in Reihe
geschalteten Supraleiterkomponenten;
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2 einen
Verbinder in Form einer Klemmschelle, wie sie herkömmlich
zur Verbindung von Supraleiterkomponenten eingesetzt wird;
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3a,
b schematisch Kräfte wie sie zwischen zwei miteinander
verbundenen Strombegrenzerkomponenten bei einer herkömmlichen
starren Verbindung wirksam werden;
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4a,
b, c verschiedene Ansichten eines Federelementes wie es für
die vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann (3a: Seitenansicht;
3b: Draufsicht; 3c: Schrägansicht);
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5a eine
Supraleiterkomponente mit einer erfindungsgemäßen
Verbindung;
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5b einen
Schnitt durch die Supraleiterkomponente gemäß 4a entlang
der Linie A-A;
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6a die
Supraleiterkomponente gemäß 5a;
und
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6b eine
Detailansicht im Aufriss des durch den Kreis A in 5a gekennzeichneten
Bereichs.
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1 zeigt
einen Ausschnitt aus einem Strombegrenzer, bei dem acht zylinderförmige
Supraleiterkomponenten 1 in Reihe geschaltet sind. Die zylinderförmigen
Supraleiterkomponenten 1 sind als Spulen ausgebildet. Auf bekannte
Art und Weise sind die Enden mit Kontakten versehen und die Supraleiterkomponenten 1 über
die Enden miteinander verbunden.
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Jeweils
zwei Supraleiterkomponenten sind über ein rohrförmiges
Verbindungsstück 2 entlang der Längsachse
miteinander verbunden. Die gebildeten Bauteile sind aus Platzgründen
nebeneinander angeordnet, wobei die elektrische Kontaktierung über
eine starre Klemmschelle 3 aus elektrisch leitfähigem
Material wie Kupfer erfolgt, welches hier mit einer Trägerplatte 4 aus
isolierendem Material, z. B. GFK, verschraubt ist.
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Die
zur Kontaktierung verwendete starre Klemmschelle ist in 2 im
Detail gezeigt. Um eine serielle Schaltung zu erzielen kann die
Kontaktierung jeweils über zwei benachbarte Bauteile und
im Wechsel am oberen bzw. am unteren Ende der Bauteile erfolgen.
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Als
Verbindungsbereich wird der Bereich der Supraleiterkomponente bezeichnet,
den der Verbinder umgreift.
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Die
Klemmschelle 3 weist zwei nebeneinander angeordnete Öffnungen 9a,
b auf, die jeweils eine Supraleiterkomponente in dem Verbindungsbereich umfassen.
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Die Öffnungen 9a,
b haben im Wesentlichen eine Form, die der des Gegenstandes, den
sie umgreifen, sollen entspricht, hier rund-oval. Die Umrandung
der Öffnungen 9a, b weisen jeweils einen durchgängigen
Schlitz 10a, b auf. Durch Zusammendrücken des
Schlitzes 10a, b z. B. durch Schraubung, verengt sich der
Durchmesser der Öffnung 9a, b und der umgriffene
Gegenstand wird fest gehalten (verklemmt).
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3a und 3b zeigen
am Beispiel einer schematischen Darstellung eines Strombegrenzers wie
er in 1 gezeigt ist, die Kräfte bzw. Spannungen,
die durch die anwendungsbedingten Temperaturdifferenzen entstehen.
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Beim
Abkühlen verkürzen sich die Verbinder 3.
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Da
die starren Verbinder 3 fest verschraubt sind, wird beim
Abkühlen eine Biegekraft auf die Supraleiterkomponenten 1 ausgeübt,
und das Resultat der Längenänderung der Verbinder
zeigt 3b. In 3b ist
nur die Längenänderung berücksichtigt, die
die Verbinder 3 erfahren. Es ist jedoch darauf hinzuweisen,
dass die gesamte Vorrichtung in allen Dimensionen schrumpft. Die
dabei weiter auftretenden Kräfte sind nicht gezeigt.
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Erfindungsgemäß wird
nun in dem Bereich, in dem die Verbinder 3 der Supraleiterkomponenten 1,
umfassen, hier die Enden, ein Federelement vorgesehen, so dass das
Federelement zwischen den Kontaktflächen der Supraleiterkomponente 1 auf
der einen Seite und des Verbinders 3 auf der anderen Seite
zu liegen kommt.
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Erfindungsgemäß wird
zumindest an einem Ende der beiden Enden von Supraleiterkomponenten 1,
die miteinander zu verbinden sind, ein Federelement vorgesehen.
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Das
Federelement erstreckt sich vorzugsweise über den gesamten
Umfang der Supraleiterkomponente.
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Das
Federelement 3 kann auf der Supraleiterkomponente 1 selbst
oder im Verbinder im Kontaktbereich vorgesehen sein.
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Die
einzelnen Federn des Federelements sind vorzugsweise im Wesentlichen
parallel zur Längsachse der Supraleiterkomponente 1 so
angeordnet, dass sie ausgerichtet sind.
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Verschiedene
Ansichten eines Federelements, wie es für die vorliegende
Erfindung einsetzbar ist, sind in 4a bis 4c gezeigt.
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Das
gezeigte Federelement 5 hat im Wesentlichen eine Bandform
und weist im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse des
Bandes ausgerichtet, zahlreiche federartige Lamellen 6 auf.
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Die
Enden der federartigen Lamellen 6 sind jeweils über
einen Randbereich 7, 8 miteinander verbunden.
Die federartigen Lamellen 6 weisen jeweils eine Wölbung
auf, wobei die Wölbung über die durch die Randbereiche 7 und 8 aufgespannte
Grundfläche hinausragt. Die Ausrichtung der Wölbung
zeigt insbesondere 4b, die eine Draufsicht auf
das Federelement 5 gemäß 4a darstellt,
sowie 4c, die eine Schrägansicht
des Federelements gemäß 4a darstellt.
Wie gleichfalls aus den 4b und 4c ersichtlich
ist, kann der Wölbungsbereich der federartigen Lamellen
in eine Richtung geneigt ausgebildet sein, wodurch eine schuppenartige
Ausgestaltung bewirkt wird.
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Vorzugsweise
sind zumindest die Randbereiche 7, 8 und ggf.
auch die federartigen Lamellen 6 aus einem elektrisch leitfähigem
Material ausgebildet, wie z. B. Kupfer, um gleichzeitig eine elektrische Kontaktierung
(Verbindung) der Supraleiterkomponenten zu ermöglichen.
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5a zeigt
eine Supraleiterkomponente in Spulenform, die an den Enden jeweils
mit einem Verbinder 3 versehen ist. Dargestellt ist ein
Verbinder 3 mit Buchse, wobei die Buchse das Ende der Supraleiterkomponente
aufnimmt und umfasst.
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5b stellt
einen Schnitt entlang der Linie A-A gemäß 5a dar.
Wie aus 5b ersichtlich ist, befindet
sich zwischen der Supraleiterkomponente 1 und dem Verbinder 3,
der das Ende der Supraleiterkomponente 1 umfasst, jeweils
ein Federelement 5. Das Federelement 5 ist hier
ringförmig ausgestaltet und umfasst den vollständigen
Umfang der Supraleiterkomponente 1.
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Idealerweise
berühren die federartigen Lamellen 6 die Innenwand
des Verbinders 3 (hier nicht gezeigt).
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Eine
Detailansicht eines Endbereichs der Supraleiterkomponente 1 wie
sie in 5a und 6a dargestellt
ist, zeigt 6b. Auch hier ist deutlich die
Wölbung der federartigen Lamellen 7 erkennbar.
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Durch
das Vorsehen eines Federelements 5 zwischen Supraleiterkomponente 1 und
einem Verbinder 3 wird der Verbindung Elastizität
verliehen, durch die Spannungen, insbesondere thermische Spannungen
wie sie aufgrund von Temperaturdifferenzen auftreten, ausgeglichen
werden.
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Die
erfindungsgemäße Vorgehensweise eignet sich insbesondere
auch für eine starre Verbindung von Supraleiterkomponenten,
bei der die Supraleiterkomponenten im Wesentlichen fest in einer Position
zueinander gehalten werden sollen.
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Die
Art des Verbinders unterliegt im Prinzip keinerlei Beschränkungen.
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D.
h. die erfindungsgemäße Vorgehensweise eignet
sich prinzipiell für alle Verbinder, wie sie z. B. für
die vorstehend genannten Anwendungen eingesetzt werden.
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Beispielsweise
können dies die vorstehend beschriebenen Verbinder im Form
einer Klemmschelle sein, mit oder ohne Buchse, oder röhrenförmige
Verbinder 2 wie sie zur Verbindung von zwei Supraleiterkomponenten 1 eingesetzt
werden, um diese hintereinander, d. h. im Wesentlichen entlang einer
gemeinsamen Längsachse anzuordnen.
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- 1
- Supraleiterkomponente
- 2
- röhrenförmiger
Verbinder
- 3
- Verbinder,
Klemmschelle
- 4
- Trägerplatte
- 5
- Federelement
- 6
- federartige
Lamelle
- 7
- Randbereich
- 8
- Randbereich
- 9a,
b
- Öffnung
- 10a,
b
- Schlitz
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 0202564
A2 [0036]
- - EP 0716474 A1 [0036]