DE102014221335A1

DE102014221335A1 - Supraleitendes Leiterelement und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102014221335A1
Application number: DE102014221335.5A
Authority: DE
Inventors: Tabea Arndt; Stefan Denneler; Marijn Pieter Oomen
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-10-21
Filing date: 2014-10-21
Publication date: 2016-04-21
Also published as: WO2016062566A1

Abstract

Es wird ein supraleitendes Leiterelement (1) mit einem Substrat (3) und wenigstens einer supraleitenden Schicht (5) angegeben. Das Substrat (3) weist wenigstens eine Nut (7) auf mit einer Richtungskomponente entlang einer Längsrichtung (17) des Leiterelements (1), wobei die supraleitende Schicht (5) in die wenigstens eine Nut (7) eingebettet ist. Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Leiterelements (1) angegeben.

Description

Die Erfindung betrifft ein supraleitendes Leiterelement mit einem Substrat und mit wenigstens einer supraleitenden Schicht. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Leiterelementes.
Aus dem Stand der Technik sind supraleitende Bandleiter bekannt, die typischerweise durch Abscheidung eines Schichtstapels aus nichtleitenden, metallisch leitenden und supraleitenden Schichten auf einem meist metallischen Substratband gebildet werden. Bei solchen supraleitenden Bandleitern kommen meist oxidkeramische Supraleiter zum Einsatz, beispielsweise Materialien des Typs REBa₂Cu₃O_x, wobei RE für ein Element der seltenen Erden oder eine Mischung solcher Elemente steht. Alternativ kann die supraleitende Schicht des Bandleiters auch andere Materialien wie beispielsweise Magnesiumdiborid umfassen.
In der DE 10 2010 031 741 B4 wird ein Verfahren zur Herstellung von supraleitenden Schichten auf bandförmigen Substraten offenbart, bei dem eine Schicht aus Magnesiumdiborid in einem kontinuierlichen Prozess mittels Aerosol-Deposition abgeschieden wird. Mit diesem Verfahren wird die Abscheidung supraleitender Schichten mit einem relativ einfachen und kostengünstigen Verfahren ermöglicht, und es können lange supraleitende Leiterelemente hergestellt werden. Die nicht vorveröffentliche deutsche Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2014 211 569.8 beschreibt Aerosol-Deposition von Magnesiumdiborid auch auf nicht-bandförmigen Substraten.
Nachteilig bei den bekannten Bandleitern mit derartigen supraleitenden Schichten aus Magnesiumdiborid ist jedoch, dass diese Schichten relativ spröde sind und eine geringe mechanische Festigkeit aufweisen. Bei einer Berührung oder nachfolgenden Verarbeitungsschritten kann die supraleitende Schicht somit relativ leicht beschädigt werden. Die Magnesiumdiborid-Schicht kann zwar durch eine nachfolgende Schutzschicht abgedeckt werden, doch die Schicht bildet trotzdem eine mechanische Schwachstelle im resultierenden Leiterverbund. Durch Scherkräfte oder durch Zugspannungen senkrecht zur Leiterebene kann die vollflächige supraleitende Schicht leicht beschädigt werden und sich beispielsweise großflächig vom Substrat und/oder den direkt benachbarten Schichten ablösen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein supraleitendes Leiterelement anzugeben, welches die genannten Nachteile vermeidet. Insbesondere soll ein supraleitendes Leiterelement mit einer höheren mechanischen Festigkeit angegeben werden. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Leiterelements anzugeben.
Diese Aufgaben werden durch das in Anspruch 1 beschriebene Leiterelement und das in Anspruch 9 beschriebene Herstellungsverfahren gelöst.
Das erfindungsgemäße supraleitende Leiterelement umfasst ein Substrat und wenigstens eine supraleitende Schicht. Das Substrat weist wenigstens eine Nut auf mit einer Richtungskomponente entlang einer Längsrichtung des Leiterelements, wobei die supraleitende Schicht in die wenigstens eine Nut eingebettet ist.
Ein wesentlicher Vorteil eines solchen Leiterelementes liegt darin, dass es durch die Einbettung der supraleitenden Schicht in eine Nut mechanisch deutlich stabiler und belastbarer wird. Die supraleitende Schicht ist zweckmäßig nicht vollflächig auf der Oberfläche des Substrats ausgebildet. Insbesondere ist die supraleitende Schicht durch diese Ausgestaltung deutlich weniger anfällig für eine großflächige Delamination vom Substrat. Weiterhin ist die supraleitende Schicht weniger anfällig für eine Delamination von weiteren benachbarten Schichten wie beispielsweise von einer optional vorhandenen die Supraleitungsschicht abdeckenden Schutzschicht oder von einer zwischen Substrat und Supraleitungsschicht optional angeordneten Zwischenschicht. Durch die Einbettung der supraleitenden Schicht in eine Nut des Substrats kann insbesondere erreicht werden, dass die supraleitende Schicht auch an ihren seitlichen Begrenzungsflächen mechanisch geschützt ist. Die supraleitende Schicht ist durch die Anordnung in einer Nut seitlich weniger weit ausgedehnt als die Breite des Substrats. Hierdurch kann das Substrat einen Teil der auftretenden Scherkräfte und/oder Zugspannungen aufnehmen, wodurch die supraleitende Schicht besser geschützt ist.
Die Nuten weisen eine Richtungskomponente in Längsrichtung des Leiterelements auf, damit die in den Nuten gebildete supraleitende Schicht zweckmäßig den Strom in dieser Längsrichtung des Bandleiters leiten kann. Die Nuten müssen sich allerdings nicht exakt parallel zur Längsrichtung des Bandleiters erstrecken, sondern es genügt eine Richtungskomponente in Längsrichtung, um einen übergeordneten Stromfluss in dieser Richtung zu ermöglichen.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Herstellung eines supraleitenden Leiterelements mit einem Substrat und wenigstens einer supraleitenden Schicht, wobei das Substrat wenigstens eine Nut aufweist mit einer Richtungskomponente entlang einer Längsrichtung des Leiterelements. Dabei wird zur Bildung der supraleitenden Schicht ein supraleitendes Material in die wenigstens eine Nut hinein abgeschieden.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich analog zu den vorab beschriebenen Vorteilen des erfindungsgemäßen Leiterelements. Unter der Abscheidung eines supraleitenden Materials in die Nut soll dabei auch die Abscheidung eines Materialgemischs in die Nut verstanden werden, wobei sich das supraleitende Material dann auch erst nach dem eigentlichen Abscheidungsschritt aus diesem Materialgemisch bilden kann, beispielsweise durch eine Nachbehandlung, insbesondere eine thermische Nachbehandlung.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den von den Ansprüchen 1 und 10 abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei können die beschriebenen Ausgestaltungen des Leiterelements und des Herstellungsverfahrens allgemein vorteilhaft untereinander kombiniert werden.
Das Substrat kann ein bandförmiges Substrat sein. Auf solchen bandförmigen Substraten können auf besonders einfache Weise geometrisch gut definierte ebene supraleitende Schichten aufgebracht werden. Außerdem lassen sich aus den resultierenden bandförmigen Leiterelementen besonders einfach elektrische Spulenwicklungen herstellen. Beispielsweise können Flachspulen aus mehrlagigen Wicklungen solcher bandförmiger Leiterelemente hergestellt werden. Die Querschnittsform eines solchen bandförmigen Substrats kann beispielsweise ein flaches Rechteck oder ein flaches Rechteck mit abgerundeten Ecken sein.
Alternativ kann das Substrat des Leiterelements jedoch prinzipiell auch andere Querschnittsformen als die eines flachen Rechtecks aufweisen. Die Querschnittsform des Substrats kann beispielsweise quadratisch oder rund sein, wobei sich dann insbesondere auf allen Seiten der Außenfläche Nuten befinden können. Durch Aufbringung einer supraleitenden Schicht aus mehreren Richtungen und/oder durch Rotation des Substrats kann dann insbesondere in all diesen Nuten eine supraleitende Schicht aufgebracht werden. Besonders vorteilhaft ist ein quadratisches oder rundes rohrförmiges Substrat, welches auf der Außenseite Nuten für die supraleitende Schicht aufweist und auf der Innenseite einen Hohlraum für den Transport eines Kühlmittels aufweist.
Die supraleitende Schicht kann Magnesiumdiborid umfassen. Besonders vorteilhaft kann die supraleitende Schicht als Hauptbestandteil Magnesiumdiborid aufweisen oder sogar im Wesentlichen aus Magnesiumdiborid bestehen. Magnesiumdiborid weist eine Sprungtemperatur von etwa 39 K auf und gilt somit als Hochtemperatursupraleiter. Vorteilhaft kann das Leiterelement daher bei einer für Supraleiter vergleichsweise hohen Betriebstemperatur betrieben werden. Alternativ oder zusätzlich können mit einem derartigen Material vorteilhaft vergleichsweise hohe kritische Stromdichten und/oder hohe kritische Magnetfelder erreicht werden. Supraleitende Schichten aus oder mit Magnesiumdiborid lassen sich weiterhin vergleichsweise kostengünstig herstellen.
Die supraleitende Schicht kann eine mittels Aerosol-Deposition abgeschiedene Schicht sein. Unter einer Aerosol-Deposition soll im vorliegenden Zusammenhang die Abscheidung einer Schicht aus einem Aerosol, also aus einer Dispersion von Festkörperteilchen in einem Gas, verstanden werden. Insbesondere kann dazu ein Ausgangsstoff der supraleitenden Schicht als in einem Gas dispergiertes Pulver vorliegen. Eine solche aus einem Pulver-Aerosol abgeschiedene Schicht ist an der Teilchenstruktur des zugrundeliegenden Pulvers leicht von Schichten aus anderen bisher bekannten Beschichtungsverfahren, wie beispielsweise physikalischer oder chemischer Gasphasenabscheidung, zu unterscheiden. Eine solche aerosoldeponierte Schicht kann vorteilhaft besonders einfach in relativ hohen Schichtdicken abgeschieden werden. Vorteilhaft liegt dabei die Schichtdicke der supraleitenden Schicht bei wenigstens 1 µm, besonders vorteilhaft bei wenigstens 10 µm.
Beispielsweise ist die Abscheidung einer Magnesiumdiborid enthaltenden Schicht besonders gut aus einem Pulver-Aerosol möglich. Das im Aerosol dispergierte und als Ausgangsstoff dienende Pulver kann dabei entweder bereits als Magnesiumdiborid, oder als ein Pulvergemisch aus elementarem Magnesium und Bor oder als ein Gemisch aus allen drei Komponenten Magnesiumdiborid, Magnesium und Bor vorliegen.
Durch die Aerosol-Deposition kann supraleitendes Magnesiumdiborid in definierten Schichten von beispielsweise 1 µm bis zu 1000 µm hergestellt werden. Solche Schichten unterscheiden sich geometrisch grundsächlich von den nach dem herkömmlichen sogenannten „Powder in Tube“ (PIT) Verfahren hergestellten Leitern. Bei diesem PIT-Verfahren wird ein festes Pulvergemisch des Ausgangsmaterials (wiederum Magnesiumdiborid oder eine Mischung aus elementarem Magnesium und Bor) in einer typischerweise metallischen Reaktionsröhre unter Einwirkung von erhöhtem Druck und/oder Temperatur zu einem zusammenhängenden Draht reagiert. Im Unterschied ist ein durch Aerosol-Deposition abgeschiedener Magnesiumdiborid-Leiter eine flächige Schicht, die auf ein durch die wenigstens eine Nut vorstrukturiertes Trägersubstrat so abgeschieden werden kann, dass die Nut mit der supraleitenden Schicht gefüllt wird.
Allgemein kann die wenigstens eine Nut vorteilhaft vollständig mit der supraleitenden Schicht gefüllt sein. Alternativ kann die supraleitende Schicht aber auch so in die wenigstens eine Nut eingebettet sein, dass die Nut nur in einem Teilbereich ihrer Tiefe mit der supraleitenden Schicht gefüllt ist. Vorteilhaft kann die Nut beispielsweise zu wenigstens 70 % ihrer Tiefe, besonders vorteilhaft zu wenigstens 90 % ihrer Tiefe mit der supraleitenden Schicht aufgefüllt sein.
Die neben der wenigstens einen Nut verlaufenden Bereiche des Substrats können frei von der supraleitenden Schicht sein. Um dies zu erreichen, können diese Bereiche bei Einsatz eines flächigen Beschichtungsverfahrens (wie beispielsweise der Aerosol-Deposition) auch nachträglich von dem supraleitenden Material befreit werden. Eine Freilegung der neben den Nuten verlaufenden Bereiche des Substrats ist besonders vorteilhaft, da dann nur lokalisiert in der wenigstens einen Nut ein geometrisch definiert verlaufender Leiter verbleibt. Bei dieser Ausführungsform kann die supraleitende Schicht auch besonders effektiv durch eine sie überdeckende Schutzschicht geschützt werden. Nach der Freilegung der neben den Nuten verlaufenden Bereiche können diese Bereiche vorteilhaft zusammen mit der Oberfläche der supraleitenden Schicht zusammen eine im Wesentlichen ebene Oberfläche bilden.
Die supraleitende Schicht kann auf einer von dem Substrat abgewandten Seite von einer Schutzschicht bedeckt sein. Besonders vorteilhaft kann diese Schutzschicht eine flächige Schicht sein, die beispielsweise das Leiterelement auf seiner ganzen Breite bedeckt. Wenn die neben der Nut oder neben den Nuten verlaufenden Bereiche des Substrats frei von der supraleitenden Schicht sind, kann dabei die Schutzschicht vorteilhaft an dem Substrat oder an einer das Substrat bedeckenden Zwischenschicht haften. Vorteilhaft kann dann die supraleitende Schicht auf allen Seiten ihres Querschnitts gegen äußere Umgebungseinflüsse geschützt sein, da sie in die Nut des Substrats eingebettet ist und nach oben hin vollständig durch die Schutzschicht bedeckt wird.
Als Schutzschicht kann vorteilhaft ein elektrisch normalleitendes Material zum Einsatz kommen, beispielsweise Edelstahl, Kupfer oder ein Kupfer enthaltendes Material. Ein solches Material kann vorteilhaft zur elektrischen Stabilisierung des Supraleiters und zu dessen Kontaktierung an den Leiterenden beitragen.
Das Leiterelement kann als Multifilamentleiter ausgebildet sein, wobei die wenigstens eine supraleitende Schicht in mehrere Filamente unterteilt ist, die in mehreren Nuten eingebettet sind. Insbesondere kann dabei jeweils ein Filament in jeweils eine Nut eingebettet sein. Bei dieser Ausführungsform ist es besonders vorteilhaft, wenn wie vorab beschrieben die neben den Nuten verlaufenden Bereiche des Substrats, also die Stege zwischen den Nuten, frei von der supraleitenden Schicht sind. In diesem Fall können die einzelnen Filamente klar definiert und geometrisch voneinander getrennt verlaufen. Bei einer derartigen Ausgestaltung mit mehreren Filamenten kann das Leiterelement mechanisch besonders stabil ausgebildet werden, da jedes einzelne Filament durch die Einbettung in eine eigene Nut mechanisch von mehreren Seiten geschützt ist. Eine großflächige Delamination der supraleitenden Schicht vom Substrat oder von benachbarten Schichten kann so wirksam vermieden werden. Weiterhin können durch die Ausgestaltung als Multifilamentleiter auch elektrische Verluste verringert werden.
Das Leiterelement kann mehrere supraleitende Schichten aufweisen, die jeweils in wenigstens eine Nut eingebettet sind. Bezogen auf die Höhe des Schichtstapels des Leiterelements kann das supraleitende Material also in wenigstens zwei verschiedenen Lagen vorliegen. Hierbei kann insbesondere auch jede dieser Lagen jeweils mehrere Filamente aufweisen.
Bei einer Ausführungsform mit wenigstens zwei supraleitenden Schichtlagen und jeweils mehreren Filamenten pro Schichtlage kann wenigstens ein Filament einer ersten supraleitenden Schicht mit wenigstens einem Filament einer zweiten supraleitenden Schicht elektrisch leitend verbunden sein. Insbesondere können diese Filamente so miteinander verbunden sein, dass wenigstens ein spiralförmiger übergeordneter Strompfad vorliegt. Besonders vorteilhaft können mehrere Filamente der ersten supraleitenden Schicht jeweils so mit ihnen zugeordneten Filamenten der zweiten supraleitenden Schicht verbunden sein, dass mehrere zueinander parallel verlaufende spiralförmige Strompfade vorliegen. Zweckmäßig können dann alle Filamente der supraleitenden Schichten Teil dieser Mehrzahl von spiralförmigen Strompfaden sein.
Die elektrischen Verbindungen der Filamente der ersten supraleitenden Schicht und der Filamente der zweiten supraleitenden Schicht können besonders vorteilhaft ebenfalls supraleitend sein. Beispielsweise können die Filamente der ersten supraleitenden Schicht mit Filamenten der zweiten supraleitenden Schicht über supraleitende Verbindungsleiter verbunden sein, die sich zumindest teilweise in einer Richtung senkrecht zur Ebenennormalen des Substrats, insbesondere eines bandförmigen Substrats erstrecken. Alternativ sind aber auch normalleitende Verbindungen möglich.
Die beschriebenen Ausführungsformen des Leiterelements als Multifilamentleiter können allgemein so ausgestaltet sein, dass die Filamente transponiert sind. Ein solches transponiertes Leiterelement ist besonders vorteilhaft für eine verlustarme Stromleitung, da Wechselstromverluste verringert werden. Weiterhin kann durch eine solche Anordnung supraleitenden Abschirmströmen entgegengewirkt werden, die die Uniformität eines vom Supraleiter erzeugten Magnetfeldes beeinträchtigen würden. Mit herkömmlichen auf Magnesiumdiborid basierenden Drähten sind solche transponierten Leiter nur mit hohem Zusatz-Aufwand und hoher mechanischer Belastung der Drähte durch deren Verdrillung herstellbar.
Um den Multifilamentleiter als transponierten Leiter auszugestalten, ist es vorteilhaft, wenn die einzelnen Filamente in den einzelnen Nuten in einem von Null verschiedenen Winkel zur Längsrichtung des insbesondere bandförmigen Substrats verlaufen. Beispielsweise kann dieser Winkel vorteilhaft zwischen 5 und 45 Grad liegen. Bei der Ausbildung von spiralförmigen Strompfaden durch Verbindung von Filamenten einer ersten supraleitenden Schicht mit jeweils zugeordneten Filamenten einer zweiten supraleitenden Schicht ist es vorteilhaft, wenn die Winkel der Filamente der beiden unterschiedlichen Schichten mit der Längsrichtung des Bandleiters unterschiedliche Vorzeichen aufweisen.
Die Transpositionslänge eines derartigen transponierten Bandleiters kann vorteilhaft oberhalb von 0.2 cm, beispielsweise zwischen 1 cm und 10 cm liegen. Der Magnetfluss durch die Fläche zwischen zwei beliebigen parallelen Filamenten summiert sich dabei nach einem Umlauf nach einer Transpositionslänge jeweils zu Null. Die dazwischen induzierten Spannungen, und damit die verlusterzeugenden Wirbelströme, werden so unabhängig von der gesamten Länge des Multifilamentleiters wirksam verringert. Die optimale Transpositionslänge variiert allgemein je nach Anwendung, insbesondere abhängig von gewählter Feldamplitude und Frequenz, sowie abhängig von den Parametern des Bandleiters, beispielsweise dessen Breite und dessen Widerstand.
Bei einer Ausführungsform eines Multifilamentleiters mit einer elektrisch leitfähigen Schutzschicht führt diese Schutzschicht zu einer normalleitenden elektrischen Verbindung der einzelnen parallel verlaufenden supraleitenden Strompfade. Der Flächenwiderstand der Schutzschicht kann dann vorteilhaft bei mindestens 0.001 Ohm liegen, um die einzelnen supraleitenden Filamente elektrisch ausreichend zu entkoppeln, so dass die Wechselstromverluste trotzdem wirksam minimiert werden können.
Ein Multifilamentleiter mit zwei supraleitenden Schichten kann beispielsweise ein bandförmiges Substrat mit zwei Hauptflächen aufweisen, wobei jede der beiden Hauptflächen eine Mehrzahl von Nuten aufweist und wobei auf jeder dieser beiden Seiten eine supraleitende Schicht in Form von mehreren einzelnen Filamenten in diese Nuten eingebettet ist. Die elektrische Verbindung der einzelnen Filamente der unterschiedlichen supraleitenden Schichten kann dann vorteilhaft über eine supraleitende Beschichtung der Seitenflächen des Substrats bewirkt werden, wobei auch diese Seitenflächen durch Nuten so strukturiert sein können, dass jeweils nur die zueinander gehörigen Filamente elektrisch miteinander verbunden sind.
Um eine leichtere Verbindung der gegenüberliegenden supraleitenden Schichten über die seitlichen Ränder des Substrats zu ermöglichen, können diese seitlichen Ränder des Substrats einen Krümmungsradius von mindestens dem Doppelten der Schichtdicke der dünnsten supraleitenden Schicht aufweisen
Alternativ kann ein Multifilamentleiter mit zwei oder mehr supraleitenden Schichten auch mehrere Substratschichten aufweisen, wobei die Substratschichten jeweils auf einer Seite mit Nuten versehen sind und wobei die Substratschichten und die supraleitenden Schichten jeweils im Wechsel aufeinander aufgebracht werden. Optional können zwischen den Substratschichten und den supraleitenden Schichten, die in die Nuten eingebettet werden, noch weitere Zwischenschichten angeordnet sein.
Das Substrat oder die mehreren Substratschichten können allgemein vorteilhaft ein metallisches Material aufweisen. Beispielsweise kann das Substrat oder können die Substratschichten Edelstahl und/oder Kupfer aufweisen.
Bei dem Verfahren zur Herstellung des Leiterelements kann das supraleitende Material Magnesiumdiborid aufweisen.
Die Abscheidung des supraleitenden Materials kann mittels Aerosol-Deposition erfolgen. Die Aerosol-Deposition kann vorteilhaft mit einem Edelgas oder Stickstoff als Trägergas durchgeführt werden. Alternativ kann die Aerosol-Deposition unter Vakuum durchgeführt werden. Dabei kann allgemein das gesamte Substrat entweder in einem kontinuierlichen Prozess mit kontinuierlichem Substratvorlauf beschichtet werden, oder es können einzelne Abschnitte der supraleitenden Schicht in diskreten Schritten hergestellt werden. Das Beschichtungsverfahren kann bei relativ niedrigen Temperaturen beispielsweise in der Nähe der Raumtemperatur durchgeführt werden und ermöglicht damit auch die Verwendung von temperaturempfindlichen Substraten, beispielsweise von Substraten, die temperaturempfindliche Polymerstrukturen aufweisen. Zusätzlich kann bei ausreichender thermischer Stabilität des Substrats zur gezielten Einstellung der Eigenschaften der supraleitenden Schicht eine auf die eigentliche Beschichtung folgende thermische Nachbehandlung, beispielsweise bei Temperaturen um 600°C stattfinden.
Die neben der wenigstens einen Nut verlaufenden Bereiche des Substrats können nach der Abscheidung der supraleitenden Schicht von supraleitendem Material befreit werden. Das dort abgeschiedene supraleitende Material kann vorteilhaft durch mechanische Bearbeitung entfernt werden, beispielsweise durch Abschmirgeln oder Abschaben.
Die supraleitende Schicht kann nach ihrer Abscheidung und insbesondere auch nach der Entfernung von supraleitendem Material von den Bereichen neben der wenigstens einen Nut mit einer Schutzschicht bedeckt werden.
Bei einer Ausführungsform des Leiterelements als transponierter Multifilamentleiter mit mehr als einer supraleitenden Schicht in unterschiedlichen Lagen können die Filamente der unterschiedlichen Lagen über eine supraleitende Beschichtung auf den seitlichen Kanten des insbesondere bandförmigen Substrats verbunden werden. Diese Beschichtung kann vorteilhaft mittels Aerosol-Deposition mit mehreren Düsen aus unterschiedlichen Richtungen erreicht werden. In ähnlicher Weise können auch die gegenüberliegenden Hauptflächen des Substrats durch mehrere, insbesondere gegenüber angeordnete, Aerosol-Düsen beschichtet werden. Alternativ oder zusätzlich können die unterschiedlichen Seiten des Substrats auch durch ein Wenden des Substrats mit dem supraleitenden Material beschichtet werden.
Die wenigstens eine Nut des Substrats kann durch Profilwalzen oder Strangpressen oder auch durch ein abtragendes Verfahren wie beispielsweise Fräsen oder Ätzen gebildet werden.
Alternativ kann die wenigstens eine Nut durch Strukturierung einer auf einem planaren Grundsubstrat abgeschiedenen Polymerschicht gebildet werden. Das Grundsubstrat kann beispielsweise ein metallisches Substrat sein, auf dem eine Polymerschicht abgeschieden wird, wobei die Polymerschicht zusammen mit dem Grundsubstrat das eigentliche Substrat bildet. Die Polymerschicht kann nun auf einfachere Weise als das Grundsubstrat strukturiert werden, beispielsweise über photolithographische Verfahren oder Prägeverfahren. Alternativ zu dieser Vorgehensweise kann eine strukturierte Schicht, insbesondere eine strukturierte Polymerschicht, auch gleich auf einem Grundsubstrat in strukturierter Form aufgebracht werden, beispielsweise durch stereolithographische Verfahren und/oder 3D-Druck.
Bei den genannten Ausführungsformen mit einer strukturierten Polymerschicht auf einem Grundsubstrat können die neben der Nut oder neben den Nuten verbleibenden Stege dieser Schicht auch allgemein nach dem Abscheiden der supraleitenden Schicht wieder entfernt werden, so dass nur die ursprünglichen in den Nuten eingebetteten supraleitenden Filamente auf dem Grundsubstrat verbleiben.
Bei allen anderen Ausführungsformen, bei denen die neben den Nuten vorliegenden Stege aus demselben Material gebildet sind wie das übrige Substrat, verbleiben diese Stege vorteilhaft im fertig hergestellten Leiterelement.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 einen schematischen Querschnitt eines bandförmigen Substrats 3 nach einem ersten Ausführungsbeispiel zeigt,
2 einen Querschnitt desselben Substrats 3 nach einem ersten Beschichtungsschritt zeigt,
3 einen Querschnitt desselben Substrats 3 nach einer mechanischen Nachbehandlung zeigt,
4 einen Querschnitt desselben Substrats 3 nach einem weiteren Beschichtungsschritt zeigt,
5 einen schematischen Querschnitt eines Leiterelements 1 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt,
6 einen schematischen Querschnitt eines Leiterelements 1 nach einem dritten Ausführungsbeispiel zeigt,
7 eine schematische perspektivische Darstellung eines Substrats 3 nach einem vierten Ausführungsbeispiel zeigt,
8 eine schematische perspektivische Darstellung eines Substrats 3 nach einem fünften Ausführungsbeispiel zeigt und
9 eine schematische Aufsicht eines Leiterelements 1 nach einem sechsten Ausführungsbeispiel zeigt.
1 zeigt einen schematischen Querschnitt eines bandförmigen Substrats 3 für ein Leiterelement nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Substrat ist in diesem Beispiel ein bandförmiges Substrat aus Edelstahl, in das auf einer ersten Oberfläche eine Mehrzahl von Nuten 7 eingebracht wurde. Diese Nuten 7 erstrecken sich im gezeigten Beispiel entlang einer Längsrichtung des Substrats, die senkrecht zur Schnittebene verläuft. Gezeigt sind beispielhaft acht parallel zueinander verlaufende Nuten 7. Es können jedoch auch beliebige andere Anzahlen von Nuten vorliegen. Im Extremfall kann auch nur eine Nut vorliegen, durch die im Laufe der folgenden Prozessschritte ein Leiterelement mit nur einem Filament gebildet werden kann.
In 1 sind Nuten mit einem rechteckförmigen Querschnittsprofil gezeigt. Es sind jedoch auch andere Nutformen denkbar, auch mit abgerundeten Querschnittsprofilen, durch die sich dann andere Querschnittsformen der im Folgenden gebildeten supraleitenden Filamente ergeben können.
In 2 ist ein schematischer Querschnitt desselben Substrates 3 nach einem ersten Beschichtungsschritt gezeigt. In diesem ersten Beschichtungsschritt wurde eine supraleitende Schicht 5 aus Magnesiumdiborid so auf die in den Figuren oben liegende Substratoberfläche aufgebracht, dass die Nuten 7 vollständig aufgefüllt wurden. Weiterhin wurden die neben den Nuten 7 verlaufenden Bereiche 8 des Substrats, also hier die Stege zwischen den Nuten und die Randbereiche, ebenfalls mit der supraleitenden Schicht 5 beschichtet. Die Beschichtung wurde mit dem Verfahren der Aerosol-Deposition durchgeführt, wodurch eine Schichtdicke von insgesamt 10 µm erhalten wurde. Die Nuten sind im gezeigten Beispiel 5 µm tief.
In 3 ist ein Querschnitt desselben Substrats 3 nach einer auf den ersten Beschichtungsschritt folgenden mechanischen Nachbehandlung gezeigt. Durch diese Nachbehandlung wurde die supraleitende Schicht 5 in den neben den Nuten 7 verlaufenden Bereichen 8 des Substrats 3 wieder entfernt. Die Entfernung kann beispielsweise durch flächiges Abschleifen erfolgen. Durch diese Nachbehandlung werden in den Nuten 7 des Substrats 3 mehrere parallel zueinander verlaufende Filamente 9 erzeugt, die miteinander nicht mehr über supraleitendes Material verbunden sind. Sie können miteinander über das elektrisch normalleitende Substrat elektrisch verbunden sein, oder sie können alternativ durch eine zwischen dem Substrat und der supraleitenden Schicht angeordnete optionale Isolationsschicht elektrisch voneinander getrennt sein.
In 4 ist ein Querschnitt desselben Substrats 3 nach einem weiteren Beschichtungsschritt gezeigt. Bei diesem weiteren Beschichtungsschritt wurde eine flächige Schutzschicht 11 auf der die supraleitende Schicht tragenden Oberfläche des Substrats 3 aufgebracht. Diese Schutzschicht 11 kann beispielsweise ein metallisches Band aus Kupfer oder Edelstahl sein, welches mit dem darunterliegenden Schichtstapel beispielsweise durch Laminieren, Kleben oder Löten verbunden wurde. Die Schutzschicht 11 bedeckt die einzelnen Filamente 9 jeweils auf der nicht vom Substrat 3 bereits umschlossenen Seite und ist ebenfalls mit den neben den Nuten 7 verlaufenden Bereichen 8 des Substrats fest verbunden. Somit kann die Schutzschicht 11 die supraleitenden Filamente 8 wirksam sowohl gegen chemische als auch gegen mechanische Umgebungseinflüsse schützen. Durch die feste Verbindung der Schutzschicht 11 mit Teilen des Substrats 3 können insbesondere auch Scherkräfte und Zugspannungen wirksam aufgenommen werden, so dass eine Delamination der supraleitenden Schicht bei einer mechanischen Belastung vorteilhaft vermieden werden kann. 4 zeigt somit ein fertig hergestelltes supraleitendes Leiterelement 1 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
5 zeigt ein supraleitendes Leiterelement 1 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung im schematischen Querschnitt. Gezeigt ist ebenfalls ein erstes Substrat 3a mit mehreren Nuten, das analog zu den bis zur 3 abgelaufenen Prozessschritten mit einer ersten supraleitenden Schicht 5a beschichtet und mechanisch so nachbehandelt wurde, dass die supraleitende Schicht 5a nur in den Nuten 7, aber nicht auf den dazwischen und daneben verlaufenden Substratbereichen verbleibt. Auf dem so beschichteten Substrat 3a wurde anschließend ein weiteres metallisches Substratband 3b auflaminiert. Das zweite Substrat 3b ist analog zum ersten Substrat mit einer Mehrzahl von sich in Längsrichtung erstreckenden Nuten versehen. Diese Nuten des zweiten Substrats 3b wurden analog mit einer zweiten supraleitenden Schicht 5b gefüllt, wobei durch eine mechanische Nachbehandlung wiederum die neben den Nuten verlaufenden Bereiche des Substrats vom supraleitenden Material befreit wurden. Anschließend wurde wiederum eine Schutzschicht 11 auf den nun oben liegenden Teil des Leiterelements 1 aufgebracht. Auf diese Weise wurde ein Leiterelement 1 hergestellt, welches zwei supraleitende Schichten 5a und 5b in zwei verschiedenen Ebenen des Leiterelements 1 aufweist. Jede der beiden supraleitenden Schichten 5a und 5b ist in mehrere Filamente unterteilt, so dass sich insgesamt ein mehrlagiger Multifilamentleiter ergibt. Die einzelnen Filamente können dabei entweder genau parallel zur Längsrichtung des Leiterelements verlaufen, oder sie können gewinkelt zur Längsrichtung angeordnet sein. Bei einer elektrischen Verbindung der einzelnen Filamente der beiden unterschiedlichen Ebenen in den Randbereichen kann so ein transponiertes Leiterelement erhalten werden, wie weiter unten ausführlicher beschrieben.
6 zeigt ein supraleitendes Leiterelement 1 nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung im schematischen Querschnitt. Gezeigt ist wiederum ein Substrat 3, welches in diesem Beispiel auf seinen beiden Hauptflächen, oben und unten, mit einer Mehrzahl von Nuten versehen ist. Das Substrat wurde sowohl auf seiner Oberseite als auch auf seiner Unterseite jeweils mit einer supraleitenden Schicht 5a beziehungsweise 5b beschichtet. Durch mechanische Nachbehandlung wurde die supraleitende Schicht 5a bzw. 5b jeweils von den Bereichen neben den Nuten entfernt, und die verbleibenden Filamente wurden jeweils zusammen mit den benachbarten Substratbereichen mit einer flächigen Schutzschicht 11 versehen. Auch dieses Leiterelement des dritten Ausführungsbeispiels ist also ein Multifilamentleiter mit jeweils mehreren Filamenten 9 in zwei verschiedenen supraleitenden Schichtlagen 5a und 5b.
Analog zu dem in 6 gezeigten dritten Ausführungsbeispiel kann auch ein transponierter Multifilamentleiter hergestellt werden, bei dem jeweils Filamente der ersten supraleitenden Schicht 5a mit Filamenten der zweiten supraleitenden Schicht 5b so elektrisch miteinander verbunden sind, dass sich insgesamt spiralförmige Strompfade um das Substrat 3 herum ergeben. Insbesondere können durch die Mehrzahl an parallel zueinander verlaufenden Filamenten eine Mehrzahl von parallel zueinander verlaufenden spiralförmigen Strompfaden erhalten werden. Die elektrischen Verbindungen können wahlweise über normalleitende elektrische Kontakte oder besonders bevorzugt über supraleitende Verbindungen bewirkt werden.
In 7 ist ein Substrat 3 für einen solchen transponierten Multifilamentleiter nach einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung in schematischer perspektivischer Darstellung gezeigt. Gezeigt ist wiederum ein metallisches Substrat 3, welches mit sich spiralig um das Substrat 3 erstreckenden Nuten 7 versehen ist. Die Stege zwischen den Nuten 7 bestehen hier ebenfalls aus demselben metallischen Material wie der übrige Teil des Substrats. Durch eine Aerosol-Deposition einer supraleitenden Schicht in diese Struktur können die Nuten 7 mit supraleitendem Material gefüllt werden. Beispielsweise kann Magnesiumdiborid durch eine Aerosoldeposition mit mehreren Düsen aus mehreren Richtungen auf die verschiedenen Seiten des bandförmigen Substrats 3 aufgebracht werden. Mit anderen Worten kann die Beschichtung also um den ganzen Querschnitt des Substrats 3 umlaufend erfolgen. In ähnlicher Weise wie vorab beschrieben kann danach eine mechanische Nachbehandlung so erfolgen, dass auf dem ganzen Umfang des Querschnitts des Bandleiters die neben den Nuten 7 vorliegenden Bereiche des Substrats 3 wieder von der supraleitenden Schicht 5 befreit werden. Anschließend kann optional eine das so gebildete Leiterelement 1 auf seinem ganzen Umfang umhüllende Schutzschicht 11 aufgebracht werden. Für das resultierende fertige Leiterelement 1 ergibt sich dann ein ähnlicher Querschnitt wie der in der 6 gezeigte, mit dem Unterschied, dass auch in den seitlichen Randbereichen 21 mit supraleitendem Material gefüllte Nuten 7 vorliegen, und dass sich die Schutzschicht 11 ebenfalls über diese Randbereiche 21 erstreckt. Das resultierende Leiterelement 1 des vierten Ausführungsbeispiels ist dann ein transponierter Multifilamentleiter mit mehreren parallel verlaufenden und das bandförmige Substrat 3 jeweils spiralförmig umlaufenden Filamenten 9. Die Vorteile eines solchen transponierten Multifilamentleiters werden nachfolgend anhand eines weiteren Ausführungsbeispiels ausführlicher dargestellt.
8 zeigt ein weiteres Substrat 3 für einen weiteren transponierten Multifilamentleiter nach einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die spiralförmige Struktur der Nuten 7 ist analog zu der Struktur des in 7 gezeigten Substrats. Im Unterschied zu dem dortigen Ausführungsbeispiel umfasst das Substrat 3 hier jedoch ein metallisches Grundsubstrat 13, auf dem durch Aufbringung einer Polymerstruktur 15 Nuten 7 gebildet wurden. Die Nuten 7 sind also durch die zwischen den Polymerstegen liegenden Bereiche des Substrats 3 gegeben. Die Aufbringung der supraleitenden Schicht in die Bereiche der Nuten 7 kann in ähnlicher Weise wie beim vierten
Ausführungsbeispiel erfolgen. Auch die mechanische Nachbehandlung, bei der die supraleitende Schicht durch Entfernung der über die Nuten 7 überstehenden Anteile in einzelne Filamente unterteilt wird, kann in ähnlicher Weise erfolgen. Bei diesem fünften Ausführungsbeispiel ist es optional auch möglich, die dann zwischen den einzelnen Filamenten verlaufende Polymerstruktur in einem nachgelagerten Prozessschritt wieder zu entfernen. Die so gebildete Filamentstruktur kann dann beispielsweise wiederum mit einer Schutzschicht umhüllt werden.
In 9 ist eine schematische Aufsicht eines weiteren transponierten Leiterelements 1 nach einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Dieser transponierte Multifilamentleiter kann beispielsweise auf ähnliche Weise wie beim vierten und fünften Ausführungsbeispiel durch Aufbringen einer supraleitenden Schicht in ein bandförmiges Substrat spiralartig umlaufende Nuten hergestellt sein. Durch diese dreidimensionale Struktur sind die auf einer Oberseite des Substrats verlaufenden Filamente 9 jeweils mit auf einer Rückseite des Substrats verlaufenden Filamenten 9´ supraleitend verbunden. Die Filamente 9 auf der Oberseite des Substrats 3 verlaufen zueinander parallel und entlang einer ersten Richtung 19a, die in einem Winkel 23 zur Längsrichtung 17 des Substrats angeordnet ist. Die Filamente 9´ auf der Rückseite des Substrats verlaufen zueinander parallel und entlang einer zweiten Richtung 19b, die in diesem Beispiel einen entgegengesetzten Winkel mit der Längsrichtung 17 des Substrats einschließt. Der Winkel zwischen der ersten Richtung und der zweiten Richtung beträgt hier also dem Zweifachen des Winkels 23.
In der Aufsichtsdarstellung der 9 sind die auf der Oberseite des Substrats 3 verlaufenden Filamente 9 mit durchgezogenen Begrenzungslinien dargestellt, wobei die einzelnen Filamente 9 eine einheitliche Breite 27 aufweisen. Die auf der Rückseite des Substrats verlaufenden Filamente 9´ sind durch gestrichelte Begrenzungslinien dargestellt. Sie weisen dieselbe Breite 27 auf. Über ihre elektrische Verbindung an den Rändern 21 bilden die Filamente 9, 9´ auf dem Substrat einen verdrillten bzw. transponierten Multifilamentleiter. Die Filamente 9, 9´ umlaufen den Leiter insgesamt spiralförmig. Für die Verluste P_h durch eine zum Leiterelement 1 senkrechte Wechselfeldamplitude ΔB ist nicht mehr die gesamte Leiterbreite 25, wie es bei einem Leiter ohne Filamente 9, 9´ der Fall ist, sondern die Breite 27 der Einzelfilamente maßgebend. Der Anteil der Hystereseverluste verringert sich um einen Faktor, der etwa dem Verhältnis dieser Breiten entspricht. Durch die Transponierung der Filamente 9, 9´ sind auch Verluste durch Abschirmströme, welche zwischen den Filamenten 9, 9´ induziert werden, kleiner oder gleich Null, falls die Filamente zum Substrat bzw. zu einer eventuell vorliegenden leitfähigen Schutzschicht hinreichend isoliert sind. Der Magnetfluss durch die Fläche zwischen zwei beliebigen parallelen Filamenten 9 oder 9´ summiert sich nach einem Umlauf nach einer Transpositionslänge L jeweils zu Null. Die dazwischen induzierten Spannungen, und damit die verlusterzeugenden Wirbelströme, werden so unabhängig von der gesamten Länge des Multifilamentleiters wirksam verringert. Eine ähnliche Supraleiteranordnung ist in US 7756557 B1 gezeigt, wird dort jedoch mit einem grundsätzlich anderen Prozess hergestellt.
In 9 ist als Strich-Punkt-Linie beispielhaft eine Fläche A eingezeichnet, welche von zwei beliebigen Filamenten 9 an der Vorderseite oder 9´ an der Rückseite eingeschlossen wird. Die Fläche A wird bei einer zur Fläche A senkrechten Feldkomponente B von einem Magnetfluss B × A durchsetzt. Über jeden der zwei Kreuzungspunkte 27, 28 der Filamente 9, 9´ der Vorder- und Rückseite des Substrats steht eine induzierte Spannung U = ½A dB/dt an. Sie ist in der Leitermitte am höchsten und am Rand 21 Null. Durch eine elektrisch isolierende Zwischenschicht zwischen Substrat 3 und den jeweiligen Filamenten 9, 9´ können induzierte Ströme senkrecht durch das Substrat 3 zwischen Filamenten 9 und 9´ verhindert werden. Diese Ströme würden sich dem Transportstrom in den Filamenten 9, 9´ überlagern und die Filamente 20, 20´ in den resistiven, verlustbehafteten Bereich treiben sowie zusätzlich ohmsche Verluste in dem Substrat 3 erzeugen. Mit einer solchen hier nicht näher gezeigten elektrischen Isolation zwischen dem Substrat 3 und den jeweiligen Filamenten 9, 9´ kann eine magnetische Kopplung über das Substrat 3 verhindert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010031741 B4 [0003]
DE 102014211569 [0003]
US 7756557 B1 [0066]

Claims

Supraleitendes Leiterelement (1) mit einem Substrat (3) und mit wenigstens einer supraleitenden Schicht (5), dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (3) wenigstens eine Nut (7) aufweist mit einer Richtungskomponente entlang einer Längsrichtung (17) des Leiterelements (1), wobei die supraleitende Schicht (5) in die wenigstens eine Nut (7) eingebettet ist.
Leiterelement (1) nach Anspruch 1, bei dem das Substrat (3) ein bandförmiges Substrat ist.
Leiterelement (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem die supraleitende Schicht (5) Magnesiumdiborid umfasst.
Leiterelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die supraleitende Schicht (5) durch Aerosol-Deposition abgeschieden ist.
Leiterelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die neben der wenigstens einen Nut (7) verlaufenden Bereiche (8) des Substrats (3) frei von der supraleitenden Schicht (5) sind.
Leiterelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die supraleitende Schicht auf einer von dem Substrat (3) abgewandten Seite von einer Schutzschicht (11) bedeckt ist.
Leiterelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das als Multifilamentleiter ausgestaltet ist, wobei die wenigstens eine supraleitende Schicht (5) in mehrere Filamente (9) unterteilt ist, die in mehrere Nuten (7) eingebettet sind.
Leiterelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das mehrere supraleitende Schichten (5a, 5b) aufweist, die jeweils in wenigstens eine Nut (7) eingebettet sind.
Leiterelement (1) nach Anspruch 8, soweit dieser von 6 abhängt, wobei wenigstens ein Filament (9) einer ersten supraleitenden Schicht (5a) mit wenigstens einem Filament (9) einer zweiten supraleitenden Schicht (5b) elektrisch leitend verbunden ist.
Verfahren zur Herstellung eines supraleitenden Leiterelements (1) mit einem bandförmigen Substrat (3) und wenigstens einer supraleitenden Schicht (5), dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (3) wenigstens eine Nut (7) aufweist mit einer Richtungskomponente entlang einer Längsrichtung (17) des Leiterelements (1), wobei zur Bildung der supraleitenden Schicht (5) ein supraleitendes Material in die wenigstens eine Nut (7) hinein abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem das supraleitende Material Magnesiumdiborid aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, bei dem die Abscheidung des supraleitenden Materials mittels Aerosol-Deposition erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem die neben der wenigstens einen Nut (7) verlaufenden Bereiche des Substrats (3) nach der Abscheidung der supraleitenden Schicht (5) von supraleitendem Material befreit werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, bei die supraleitende Schicht (5) nach ihrer Abscheidung mit einer Schutzschicht (11) bedeckt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, bei dem die wenigstens eine Nut durch eine auf dem planaren Grundsubstrat aufgebrachte Polymerstruktur gebildet wird.