DE102015202391A1

DE102015202391A1 - Flexible electrical conductor, power supply and manufacturing process

Info

Publication number: DE102015202391A1
Application number: DE102015202391.5A
Authority: DE
Inventors: Stefan Denneler; Marijn Pieter Oomen; Carsten Schuh
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2015-02-11
Filing date: 2015-02-11
Publication date: 2016-08-11

Abstract

Es wird ein elektrischer Leiter angegeben, der ein Trägersubstrat und eine auf dem Trägersubstrat aufgebrachte supraleitende Schicht aufweist. Das Trägersubstrat weist wenigstens innerhalb einer Schnittebene ein wellenförmiges Querschnittsprofil auf. Weiterhin wird eine Stromzuführung für eine supraleitende Spuleneinrichtung angegeben, die einen ersten Leitungsabschnitt mit einem erfindungsgemäßen Leiter aufweist. Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung eines solchen elektrischen Leiters angegeben, bei dem die supraleitende Schicht durch Aerosol-Deposition abgeschieden wird.An electrical conductor is provided which has a carrier substrate and a superconducting layer applied to the carrier substrate. The carrier substrate has a wave-shaped cross-sectional profile at least within a sectional plane. Furthermore, a power supply for a superconducting coil device is specified which has a first line section with a conductor according to the invention. Furthermore, a method for producing such an electrical conductor is specified, in which the superconducting layer is deposited by aerosol deposition.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Leiter mit einem Trägersubstrat und einer auf dem Trägersubstrat aufgebrachten supraleitenden Schicht. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Stromzuführung mit einem solchen Leiter sowie ein Herstellungsverfahren dafür. The invention relates to an electrical conductor with a carrier substrate and a superconducting layer applied to the carrier substrate. Furthermore, the invention relates to a power supply with such a conductor and a manufacturing method thereof.

Bei herkömmlichen elektrischen Leitern mit supraleitenden Schichten werden diese Schichten typischerweise als ebene Schichten auf Trägersubstraten mit ebenen Oberflächen abgeschieden. Besonders verbreitet sind bandförmige elektrische Leiter, bei denen dünne hochtemperaturleitende Schichten auf einem bandförmigen Substrat aufgebracht sind. Hochtemperatur-Supraleiter sind solche supraleitenden Materialien, die eine Sprungtemperatur oberhalb von 25 K und bei einigen Materialklassen, beispielsweise den Cuprat-Supraleitern oberhalb von 77 K aufweisen. Bei solchen Hochtemperatur-Supraleitern kann die Betriebstemperatur durch Kühlung mit anderen kryogenen Materialien als flüssigem Helium erreicht werden. Hochtemperatur-supraleitende Materialien sind besonders attraktiv für die Herstellung von Magnetspulen, beispielsweise für die medizinische Bildgebung oder für die Anwendung in elektrischen Maschinen. Solche supraleitenden Spulenwicklungen können aus elektrischen Leitern mit dünnen supraleitenden Schichten gewickelt werden. Neben der Herstellung der eigentlichen Wicklungen kommen elektrische Leiter mit supraleitenden Schichten auch in Stromzuführungen zum Einsatz, die dazu dienen, elektrische Spulen mit einem äußeren Stromkreis leitend zu verbinden. Solche Stromzuführungen müssen geeignet sein, relativ hohe Ströme aus einem äußeren Stromkreis in eine elektrische Spule einzuspeisen. In conventional superconducting layer electrical conductors, these layers are typically deposited as planar layers on planar surface support substrates. Particularly widespread are band-shaped electrical conductors in which thin high-temperature-conducting layers are applied to a band-shaped substrate. High-temperature superconductors are those superconducting materials which have a transition temperature above 25 K and, for some classes of materials, for example, the cuprate superconductors above 77 K. In such high-temperature superconductors, the operating temperature can be achieved by cooling with cryogenic materials other than liquid helium. High temperature superconducting materials are particularly attractive for the manufacture of magnetic coils, for example for medical imaging or for use in electrical machines. Such superconducting coil windings can be wound from electrical conductors with thin superconducting layers. In addition to the production of the actual windings, electrical conductors with superconducting layers are also used in power supply lines, which serve to conductively connect electrical coils to an external circuit. Such power supply lines must be suitable for feeding relatively high currents from an external circuit into an electric coil.

Die meisten der bekannten elektrischen Leiter mit hochtemperatur-supraleitenden Schichten weisen metallische Trägersubstrate auf, bei denen die zu beschichtende Oberfläche als möglichst ebene und saubere Oberfläche ausgebildet ist. Die Beschaffenheit dieser Oberfläche ist entscheidend für das Erzielen guter Wachstumsbedingungen für die supraleitende Schicht bei ihrer Abscheidung aus der Gasphase. Oft sind zwischen dem metallischen Trägersubstrat und der supraleitenden Schicht noch eine oder mehrere zusätzliche Zwischenschichten angeordnet, die die Wachstumsbedingungen für die supraleitende Schicht verbessern. Die am weitesten verbreiteten hochtemperatur-supraleitenden Materialien sind Materialien des Typs REBa₂Cu₃O_x, wobei RE hier für ein Element der seltenen Erden oder eine Mischung solcher Elemente steht. Most of the known electrical conductors with high-temperature superconducting layers have metallic carrier substrates, in which the surface to be coated is formed as flat as possible and clean surface. The nature of this surface is critical to achieving good growth conditions for the superconducting layer as it is deposited from the gas phase. Often, one or more additional intermediate layers are arranged between the metallic carrier substrate and the superconducting layer, which improve the growth conditions for the superconducting layer. The most widely used high temperature superconducting materials are REBa ₂ Cu ₃ O _x type materials, where RE represents a rare earth element or a mixture of such elements.

Die meisten supraleitenden Materialien und insbesondere die genannten hochtemperatur-supraleitenden Materialien sind spröde und daher mechanisch empfindlich. Eine bekannte Schwierigkeit bei der Herstellung elektrischer Spulenwicklungen oder auch elektrischer Stromzuführungen aus solchen elektrischen Leitern ist daher die Reduzierung mechanischer Spannungen, insbesondere von Zug- oder Scherspannungen. Viele der bekannten elektrischen Leiter mit supraleitenden Schichten eignen sich für die Wicklung elektrischer Spulen innerhalb einer Ebene, sind jedoch empfindlich gegenüber der Torsion in anderen Raumrichtungen und gegenüber mechanischen Belastungen, insbesondere quer zur Schichtstruktur. Solche mechanischen Belastungen können sowohl beim Herstellen elektrischer Spulen als auch bei deren Kühlung auf die Betriebstemperatur durch differenzielle thermische Schrumpfung oder auch beim Betrieb der Spulen, insbesondere durch Zentrifugalkräfte bei schneller Rotation auftreten. Es besteht daher generell ein Bedarf an elektrischen Leitern mit supraleitenden Schichten, die geometrisch flexibel und daher mechanisch weniger empfindlich als bekannte elektrische Leiter sind. Most superconducting materials, and in particular the high-temperature superconducting materials mentioned, are brittle and therefore mechanically sensitive. A known difficulty in the production of electrical coil windings or electrical power supply from such electrical conductors is therefore the reduction of mechanical stresses, in particular tensile or shear stresses. Many of the known electrical conductors with superconducting layers are suitable for winding electrical coils within a plane, but are sensitive to torsion in other spatial directions and to mechanical loads, in particular transversely to the layer structure. Such mechanical stresses can occur both during the production of electrical coils and during their cooling to the operating temperature by differential thermal shrinkage or even during operation of the coils, in particular by centrifugal forces with rapid rotation. There is therefore a general need for electrical conductors with superconducting layers which are geometrically flexible and therefore less mechanically sensitive than known electrical conductors.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen elektrischen Leiter anzugeben, welcher die genannten Nachteile vermeidet. Insbesondere soll dieser elektrische Leiter mechanisch flexibler und weniger empfindlich gegenüber mechanischen Belastungen als bekannte elektrische Leiter mit supraleitenden Schichten sein. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Stromzuführung für eine supraleitende Spulenrichtung mit wenigstens einem solchen Leiter anzugeben. Schließlich soll ein Herstellungsverfahren für einen solchen elektrischen Leiter angegeben werden. The object of the invention is therefore to provide an electrical conductor which avoids the disadvantages mentioned. In particular, this electrical conductor should be mechanically more flexible and less sensitive to mechanical stresses than known electrical conductors with superconducting layers. Another object of the invention is to provide a power supply for a superconducting coil direction with at least one such conductor. Finally, a manufacturing method for such an electrical conductor to be specified.

Diese Aufgaben werden durch den in Anspruch 1 beschriebenen elektrischen Leiter, die in Anspruch 14 beschriebene Stromzuführung sowie das in Anspruch 15 beschriebene Herstellungsverfahren gelöst. These objects are achieved by the electrical conductor described in claim 1, the power supply described in claim 14 and the manufacturing method described in claim 15.

Der erfindungsgemäße elektrische Leiter weist ein Trägersubstrat und eine auf dem Trägersubstrat aufgebrachte supraleitende Schicht auf. Das Trägersubstrat weist wenigstens innerhalb einer Schnittebene ein wellenförmiges Querschnittsprofil auf. The electrical conductor according to the invention has a carrier substrate and a superconducting layer applied to the carrier substrate. The carrier substrate has a wave-shaped cross-sectional profile at least within a sectional plane.

Ein wesentlicher Vorteil eines solchen elektrischen Leiters ist die durch die gewellte Struktur des Trägersubstrats bedingte höhere mechanische Flexibilität des gesamten Leiteraufbaus. Dabei soll allgemein das wellenförmige Querschnittsprofil zumindest in einem Teilbereich des Trägersubstrats vorliegen. Auch beim Einsatz relativ starrer Materialien für das Trägersubstrat kann durch eine solche gewellte Struktur eine vergleichsweise hohe Flexibilität erreicht werden. Hierdurch werden mechanische Deformationen ermöglicht, bei denen nur geringe Zug- oder Scherkräfte auf die vom Trägersubstrat getragene supraleitende Schicht einwirken. Es kann somit ein mechanisch robusterer elektrischer Leiter zur Verfügung gestellt werden als dies bei einem Leiter mit planarer supraleitender Schicht möglich wäre. Ein solcher erfindungsgemäßer Leiter kann eine bessere Verarbeitbarkeit und eine höhere Lebensdauer aufweisen. Bei der Wicklung elektrischer Spulen aus solchen Leitern sowie bei der Herstellung von Stromzuführungen wird eine höhere geometrische Flexibilität ermöglicht. An essential advantage of such an electrical conductor is the higher mechanical flexibility of the entire conductor structure due to the corrugated structure of the carrier substrate. In general, the wave-shaped cross-sectional profile should be present at least in a partial area of the carrier substrate. Even with the use of relatively rigid materials for the carrier substrate can be achieved by such a corrugated structure, a comparatively high flexibility. As a result, mechanical deformations are made possible in which only low tensile or shear forces on the carrier substrate worn superconducting layer act. Thus, a mechanically more robust electrical conductor can be made available than would be possible with a conductor having a planar superconducting layer. Such a conductor according to the invention may have better processability and a longer service life. In the winding of electrical coils from such conductors as well as in the production of power supply lines, a higher geometric flexibility is made possible.

Die erfindungsgemäße Stromzuführung für eine supraleitende Spuleneinrichtung weist einen ersten Leitungsabschnitt mit einem erfindungsgemäßen Leiter auf. Die Vorteile einer solchen Stromzuführung ergeben sich analog zu den beschriebenen Vorteilen des erfindungsgemäßen elektrischen Leiters. Zusätzliche Vorteile ergeben sich aus der speziellen Anwendung des Leiters in einer Stromzuführung. So wird durch die gewellte Struktur des Trägersubstrats eine für den Wärmetransport in der Stromzuführung maßgebliche Weglänge durch das Gesamtsystem des elektrischen Leiters verlängert. So können bei einer derartigen Stromzuführung die thermischen Verluste bei der Anbindung der supraleitenden Spuleneinrichtung an einen äußeren Stromkreis verringert werden, ohne dabei den elektrischen Widerstand der Stromzuführung wesentlich zu erhöhen. The power supply according to the invention for a superconducting coil device has a first line section with a conductor according to the invention. The advantages of such a power supply are analogous to the described advantages of the electrical conductor according to the invention. Additional advantages result from the special application of the conductor in a power supply. Thus, a significant for the heat transfer in the power supply path length is extended by the overall system of the electrical conductor by the corrugated structure of the carrier substrate. Thus, in such a power supply, the thermal losses in the connection of the superconducting coil means can be reduced to an external circuit, without substantially increasing the electrical resistance of the power supply.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen elektrischen Leiters wird die supraleitende Schicht durch Aerosol-Deposition abgeschieden. In the method according to the invention for producing an electrical conductor according to the invention, the superconductive layer is deposited by aerosol deposition.

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. Ein wesentlicher Vorteil einer solchen aerosol-deponierten Schicht liegt darin, dass diese wesentlich leichter auf einem wellenförmigen Substrat abgeschieden werden kann als eine herkömmliche aus der Gasphase abgeschiedene Schicht. In the present context, the term "aerosol deposition" is understood to mean the deposition of a layer from an aerosol, that is to say from a dispersion of solid particles in a gas. In particular, a starting material of the superconductive layer may be present as a powder dispersed in a gas. An essential advantage of such an aerosol-deposited layer is that it can be deposited much more easily on a wave-shaped substrate than a conventional layer deposited from the gas phase.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen sowie der folgenden Beschreibung hervor. Dabei können die beschriebenen Ausgestaltungen des elektrischen Leiters, der Stromzuführung sowie des Herstellungsverfahrens vorteilhaft untereinander kombiniert werden. Advantageous embodiments and further developments of the invention will become apparent from the dependent claims of claim 1 and the following description. The described embodiments of the electrical conductor, the power supply and the manufacturing process can be advantageously combined with each other.

Die Schnittebene, innerhalb derer das Trägersubstrat ein wellenförmiges Querschnittsprofil aufweist, kann sich entlang einer Längsrichtung des Leiters erstrecken. Eine solche Ausführungsform ermöglicht vorteilhaft eine höhere Flexibilität des gesamten elektrischen Leiters bei einer Streckung und/oder Stauchung entlang der genannten Längsrichtung, also der Richtung mit der höchsten Ausdehnung des elektrischen Leiters. Weiterhin wird bei einer derartigen Ausführungsform die Flexibilität des Leiters bezüglich einer Biegung quer zur Längsrichtung des Leiters erhöht. Durch diese erhöhte Flexibilität des Leiters wird sowohl dessen Verarbeitung bei der Wicklung elektrischer Spulen als auch beispielsweise beim Einsatz in elektrischen Stromzuführungen erleichtert. The sectional plane within which the carrier substrate has a wave-shaped cross-sectional profile may extend along a longitudinal direction of the conductor. Such an embodiment advantageously makes possible a higher flexibility of the entire electrical conductor during a stretching and / or compression along said longitudinal direction, ie the direction with the highest extension of the electrical conductor. Furthermore, in such an embodiment, the flexibility of the conductor is increased with respect to bending transversely to the longitudinal direction of the conductor. This increased flexibility of the conductor facilitates both its processing during the winding of electrical coils and, for example, when used in electrical power supply lines.

Das wellenförmige Querschnittsprofil des Trägersubstrats kann eine regelmäßige, insbesondere eine periodische Struktur aufweisen. Bei einem solchen regelmäßigen Querschnittsprofil können die elektrischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften des Leiters über seine Längsausdehnung weitgehend gleichmäßig ausgebildet sein. Dies erleichtert die Herstellung von elektrischen Leitern mit langen Abmessungen, wie sie beispielsweise für die Herstellung von elektrischen Spulenwicklungen benötigt werden. Außerdem können regelmäßige, insbesondere periodische Querschnittsstrukturen fertigungstechnisch besonders leicht auf ein zuvor ebenes Trägersubstrat aufgebracht werden. Beispielsweise kann ein zuvor planares Trägersubstrat durch Prägen, Falten, Knicken und/oder Stauchen zu einem wellenförmigen Trägersubstrat umgeformt werden. Eine solche Umformung kann vorteilhaft in einem kontinuierlichen Prozess erfolgen. The wave-shaped cross-sectional profile of the carrier substrate may have a regular, in particular a periodic structure. In such a regular cross-sectional profile, the electrical, mechanical and thermal properties of the conductor over its longitudinal extent may be formed substantially uniform. This facilitates the production of electrical conductors with long dimensions, as required for example for the production of electrical coil windings. In addition, regular, in particular periodic, cross-sectional structures can be applied particularly easily to a previously planar carrier substrate. For example, a previously planar carrier substrate can be formed into a wave-shaped carrier substrate by embossing, folding, bending and / or swaging. Such a transformation can advantageously take place in a continuous process.

Die supraleitende Schicht des elektrischen Leiters kann vorteilhaft ein hochtemperatur-supraleitendes Material aufweisen. Bei der Verwendung solcher hochtemperatur-supraleitenden Materialien sind die Anforderungen an die Kühlung geringer als bei klassischen Tieftemperatur-Supraleitern. Außerdem können mit hochtemperatur-supraleitenden Materialien leichter hohe Magnetfelder erzeugt werden, und es können Spulenwicklungen mit höheren kritischen Stromdichten realisiert werden. Bei der Anwendung in Stromzuführungen liegt ein weiterer Vorteil in der geringen thermischen Leitfähigkeit vieler hochtemperatur-supraleitender Materialien. The superconductive layer of the electrical conductor may advantageously have a high-temperature superconducting material. When using such high-temperature superconducting materials, the cooling requirements are lower than with conventional low-temperature superconductors. In addition, with high-temperature superconducting materials, high magnetic fields can be more easily generated, and coil windings with higher critical current densities can be realized. When used in power supplies is another advantage in the low thermal conductivity of many high-temperature superconducting materials.

Die supraleitende Schicht kann eine durch Aerosol-Deposition abgeschiedene Schicht sein. Dies ist insbesondere bei der Herstellung einer hochtemperatur-supraleitenden Schicht vorteilhaft. Eine solche, beispielsweise aus einem Pulveraerosol abgeschiedene Schicht ist an der Körnchenstruktur des zugrundeliegenden Pulvers leicht von Schichten aus anderen bisher bekannten Beschichtungsverfahren, wie beispielsweise physikalischer oder chemischer Gasphasenabschaltung, zu unterscheiden. Mit den Verfahren der Aerosol-Deposition können supraleitende Schichten wesentlich leichter als mit herkömmlichen Verfahren auf nicht planaren Oberflächen abgeschieden werden. The superconductive layer may be a layer deposited by aerosol deposition. This is particularly advantageous in the production of a high-temperature superconducting layer. Such a layer, for example deposited from a powder aerosol, can easily be distinguished from the layer structure of the underlying powder by layers from other hitherto known coating methods, such as, for example, physical or chemical vapor phase shutdown. With the methods of aerosol deposition, superconducting layers can be deposited on non-planar surfaces much more easily than with conventional methods.

Die supraleitende Schicht kann vorteilhaft Magnesiumdiborid umfassen. Besonders vorteilhaft kann diese supraleitende Schicht als Hauptbestandteil Magnesiumdiborid aufweisen oder sogar im Wesentlichen aus Magnesiumdiborid bestehen. Eine Abscheidung einer Magnesiumdiboridschicht aus einem Pulveraerosol ist besonders gut möglich, wie beispielsweise in der DE 10 2010 031741 B4 beschrieben. 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. The superconducting layer may advantageously comprise magnesium diboride. This superconducting layer can particularly advantageously comprise magnesium diboride as the main constituent or even consist essentially of magnesium diboride. A deposition of a Magnesiumdiboridschicht from a powder aerosol is particularly well possible, such as in the DE 10 2010 031741 B4 described. The powder dispersed in the aerosol and serving as the starting material can be present either as magnesium diboride or as a powder mixture of elemental magnesium and boron or as a mixture of all three components magnesium diboride, magnesium and boron.

Durch die Aerosol-Deposition kann supraleitendes Magnesiumdiborid in definierten Schichten von beispielsweise 1 µm bis zu 100 µm hergestellt werden. Eine durch Aerosol-Deposition abgeschiedene Magnesiumdiboridschicht kann auch auf nichtplanaren Substraten unter Nachbildung deren Oberflächenstruktur als zusammenhängende Beschichtung aufgebracht werden. Im Unterschied zu den Methoden der Gasphasenabscheidung (wie beispielsweise chemischer Gasphasenabscheidung, Sputtern oder Verdampfen) können über die Aerosol-Deposition auf einfache Weise wesentlich dickere supraleitende Schichten abgeschieden werden. Vorteilhaft ist dabei die Schichtdicke der supraleitenden Schicht wenigstens 0,5 µm, besonders vorteilhaft sogar wenigstens 5 µm. As a result of the aerosol deposition, superconducting magnesium diboride can be produced in defined layers of, for example, 1 μm to 100 μm. A deposited by aerosol deposition Magnesiumdiboridschicht can also be applied to non-planar substrates with replication of their surface structure as a continuous coating. In contrast to the methods of vapor deposition (such as chemical vapor deposition, sputtering or evaporation) can be deposited via the aerosol deposition in a simple way much thicker superconducting layers. The layer thickness of the superconducting layer is at least 0.5 μm, particularly advantageously at least 5 μm.

Magnesiumdiborid weist eine Sprungtemperatur von etwa 39 K auf und gilt somit als Hochtemperatur-Supraleiter, allerdings ist die Sprungtemperatur im Vergleich zu anderen HTS-Materialien eher niedrig. die Vorteile dieses Materials im Vergleich zu oxidkeramischen Hochtemperatur-Supraleitern liegen bei seiner leichten Herstellbarkeit und dadurch bedingt bei einer besonders flexiblen Wahl von Substratmaterialien und Substratgeometrien. Magnesium diboride has a transition temperature of about 39 K and is thus considered a high-temperature superconductor, but the transition temperature is rather low compared to other HTS materials. The advantages of this material compared to high-temperature oxide-ceramic superconductors lie in its ease of manufacture and therefore in a particularly flexible choice of substrate materials and substrate geometries.

Alternativ oder zusätzlich kann die supraleitende Schicht einen oxidkeramischen Hochtemperatur-Supraleiter umfassen. Insbesondere kann es sich dabei um ein Material des Typs REBa₂Cu₃O_x handeln. Diese Materialklasse erlaubt vorteilhaft die Ausbildung von elektrischen Leitern mit höheren Betriebstemperaturen als beispielsweise mit Magnesiumdiborid. Alternatively or additionally, the superconducting layer may comprise a high-temperature oxide ceramic superconductor. In particular, this may be a material of the type REBa ₂ Cu ₃ O _x . This material class advantageously allows the formation of electrical conductors with higher operating temperatures than for example with magnesium diboride.

Ganz allgemein können zwischen dem Trägersubstrat und der supraleitenden Schicht eine oder mehrere Zwischenschichten angeordnet sein. Die supraleitende Schicht muss also nicht direkt auf dem Trägersubstrat abgeschieden sein, dies ist jedoch auch möglich. Alternativ oder zusätzlich kann der elektrische Leiter weitere Schichten oberhalb der supraleitenden Schicht und/oder auf der hiervon abgewandten Seite des Trägersubstrats umfassen. Beispielsweise kann es sich hierbei um eine Stabilisierungsschicht, eine Verkapselungsschicht und/oder eine Isolationsschicht handeln. In general, one or more intermediate layers can be arranged between the carrier substrate and the superconducting layer. The superconducting layer does not have to be deposited directly on the carrier substrate, but this is also possible. Alternatively or additionally, the electrical conductor may comprise further layers above the superconductive layer and / or on the side of the carrier substrate remote therefrom. For example, this may be a stabilization layer, an encapsulation layer and / or an insulation layer.

Das Trägersubstrat kann vorteilhaft wenigstens teilweise aus einem metallischen Material gebildet sein. Dies kann vorteilhaft sein, um einen normalleitenden Strompfad parallel zur supraleitenden Schicht zur Verfügung zu stellen. Auf diesem Pfad kann der Strom bei Überschreiten der kritischen Temperatur, der kritischen Stromdichte und/oder des kritischen Magnetfeldes zumindest lokal und/oder anteilig transportiert werden. Ein metallisches Trägersubstrat kann weiterhin vorteilhaft sein, um die supraleitende Schicht thermisch an ein Kühlsystem, beispielsweise einen Kaltkopf und/oder ein Kühlmittelreservoir anzukoppeln. Weiterhin können metallische Trägersubstrate sinnvoll sein, um vorgegebene mechanische Eigenschaften zu erfüllen. Geeignete metallische Materialien sind beispielsweise Stahl, Kupfer, Messing oder andere kupferenthaltende Legierungen sowie Nickel-Titan Superlegierungen. The carrier substrate can advantageously be formed at least partially from a metallic material. This can be advantageous in order to provide a normally conducting current path parallel to the superconducting layer. In this path, the current can be transported at least locally and / or proportionately when the critical temperature, the critical current density and / or the critical magnetic field are exceeded. A metallic carrier substrate can furthermore be advantageous for thermally coupling the superconducting layer to a cooling system, for example a cold head and / or a coolant reservoir. Furthermore, metallic carrier substrates may be useful to meet predetermined mechanical properties. Suitable metallic materials are for example steel, copper, brass or other copper-containing alloys and nickel-titanium superalloys.

Alternativ kann das Trägersubstrat auch aus einem nichtmetallischen Material, insbesondere einem thermisch schlecht leitenden Material gebildet sein. Beispielsweise kann das Trägersubstrat aus Glas, Keramik und/oder einem Polymer ausgebildet sein. Die spezifische Wärmeleitfähigkeit des Materials kann vorteilhaft unterhalb von 2 W/(m K) liegen. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass dann das Trägersubstrat nur wenig zum Wärmetransport entlang des elektrischen Leiters beiträgt. Dies ist insbesondere bei der Anwendung des Leiters in einer Stromzuführung günstig, da dann der gesamte Wärmeeintrag über die Stromzuführung besonders weitgehend reduziert werden kann. Im Gegensatz zur herkömmlichen Gasphasenabschaltung wird für die Aerosol-Deposition nicht notwendigerweise ein metallisches Substrat benötigt. Alternatively, the carrier substrate can also be formed from a non-metallic material, in particular a material having poor thermal conductivity. For example, the carrier substrate can be made of glass, ceramic and / or a polymer. The specific thermal conductivity of the material may advantageously be below 2 W / (m K). This embodiment has the advantage that then the carrier substrate contributes little to the heat transport along the electrical conductor. This is particularly favorable in the application of the conductor in a power supply, since then the entire heat input via the power supply can be particularly largely reduced. Unlike conventional gas phase shutdown, aerosol deposition does not necessarily require a metallic substrate.

Das Verhältnis einer Amplitude des wellenförmigen Querschnittsprofils für eine Oberfläche des Trägersubstrats zu einer Schichtdicke der supraleitenden Schicht kann vorteilhaft bei wenigstens 10 zu 1 liegen. Mit anderen Worten kann die Amplitude des Wellenprofils relativ hoch im Vergleich zu der Schichtdicke ausgebildet sein. Da die Schichtdicke der supraleitenden Schicht typischerweise sehr niedrig ist im Vergleich zur Dicke des Trägersubstrats, ist ein solches hohes Verhältnis zweckmäßig, um einen günstigen Einfluss des wellenförmigen Querschnittsprofils auf die Flexibilität der gesamten Leiteranordnung zu erreichen. Es soll also vorteilhaft nicht nur eine leichte Unebenheit, sondern eine im Verhältnis zur Dicke der supraleitenden Schicht starke Abweichung von einer planaren Geometrie der supraleitenden Schicht erreicht werden. Unter der genannten Amplitude der Wellenform soll dabei der senkrecht zur Substratoberfläche gemessene Abstand zwischen Wellental und Wellenkamm verstanden werden. Bei einer unregelmäßigen Wellenstruktur mit unterschiedlichen Amplituden soll hierunter die maximale Amplitude zwischen einem benachbarten Wellental und Wellenkamm verstanden werden. Bei einer Ausführungsform, bei der die Schichtdicke der supraleitenden Schicht entlang des elektrischen Leiters nicht konstant ist, soll unter der für das verhältnismaßgeblichen Schichtdicke die jeweils minimale Schichtdicke verstanden werden. The ratio of an amplitude of the wave-shaped cross-sectional profile for a surface of the carrier substrate to a layer thickness of the superconducting layer may advantageously be at least 10 to 1. In other words, the amplitude of the wave profile can be relatively high compared to the layer thickness. Since the layer thickness of the superconductive layer is typically very low compared to the thickness of the carrier substrate, such a high ratio is useful to achieve a favorable influence of the wavy cross-sectional profile on the flexibility of the entire conductor arrangement. It is therefore advantageous not only a slight unevenness, but a strong deviation in relation to the thickness of the superconducting layer from a planar geometry of the superconducting layer can be achieved. Under the said amplitude of the waveform is to be measured perpendicular to the substrate surface distance between Wellental and wave crest are understood. In the case of an irregular wave structure with different amplitudes, this is to be understood as the maximum amplitude between an adjacent wave valley and wave crest. In an embodiment in which the layer thickness of the superconducting layer is not constant along the electrical conductor, the respective minimum layer thickness should be understood as meaning the ratio of the relevant layer thickness.

Das Trägersubstrat kann Wellenkämme und/oder Wellentäler aufweisen, die sich im Wesentlichen senkrecht zu einer Längsrichtung des Leiters erstrecken. Dabei können die Wellenkämme und/oder Wellentäler insbesondere innerhalb einer Ebene senkrecht zur Längsrichtung des Leiters liegen. Alternativ können Wellenkämme und/oder Wellentäler jedoch auch schräg zur Längsrichtung des Substrats verlaufen. Die Schichtdicke der supraleitenden Schicht kann entlang der Längsrichtung des Leiters variieren. Dies kann insbesondere für die Anwendung in einer Stromzuführung vorteilhaft sein, um die durch einen thermischen Gradienten verursachten Änderungen der elektrischen Eigenschaften zu kompensieren. Insbesondere kann die Schichtdicke an einem wärmeren, mit einem äußeren Stromkreis verbindbaren Ende der Stromzuführung dicker ausgestaltet werden als in einem der elektrischen Spulenwicklung zugewandten Ende der Stromzuführung. Vorteilhaft kann die Schichtdicke am wärmeren Ende um wenigstens 50%, besonders vorteilhaft um wenigstens 200% dicker ausgebildet sein als in einem der übrigen Bereiche. Durch eine derartige Variation des Querschnitts der supraleitenden Schicht kann die bei der höheren Temperatur verminderte spezifische Stromtragfähigkeit zumindest teilweise ausgeglichen werden. Bei einem konstanten Querschnitt müsste die Dicke über die gesamte Länge hoch genug gewählt werden, um auch im Bereich des warmen Endes einen ausreichenden Stromtransport zu gewährleisten, auch wenn die Temperatur hier nur wenige K unter der kritischen Temperatur der supraleitenden Schicht liegen sollte. Bei einer konstanten Schichtdicke wäre dann aber auch der Wärmetransport über die gesamte Länge der Stromzuführung relativ hoch. Durch eine Anpassung der Schichtdicke an den tatsächlich im jeweiligen Bereich benötigten Querschnitt kann der Wärmeeintrag über die Stromzuführung vorteilhaft verringert werden. Bei einer mittels Aerosol-Deposition abgeschiedenen Schicht kann eine solche variierende Schichtdicke besonders leicht ausgebildet werden, beispielsweise über eine Variation der Beschichtungsdauer in Abhängigkeit von der Position des Trägersubstrats. The carrier substrate may have wave crests and / or wave troughs which extend substantially perpendicular to a longitudinal direction of the conductor. In this case, the wave crests and / or wave troughs can lie, in particular, within a plane perpendicular to the longitudinal direction of the conductor. Alternatively, however, wave crests and / or wave troughs can also run obliquely to the longitudinal direction of the substrate. The layer thickness of the superconducting layer may vary along the longitudinal direction of the conductor. This may be advantageous in particular for use in a power supply in order to compensate for the changes in the electrical properties caused by a thermal gradient. In particular, the layer thickness on a warmer, connectable to an outer circuit end of the power supply can be configured thicker than in one of the electrical coil winding end facing the power supply. Advantageously, the layer thickness at the warmer end can be made thicker by at least 50%, particularly advantageously at least 200%, than in one of the remaining regions. By such a variation of the cross section of the superconductive layer, the specific current carrying capacity reduced at the higher temperature can be at least partially compensated. With a constant cross-section, the thickness over the entire length would have to be selected high enough to ensure sufficient current transport even in the region of the warm end, even if the temperature here should be only a few K below the critical temperature of the superconducting layer. At a constant layer thickness but then the heat transfer over the entire length of the power supply would be relatively high. By adapting the layer thickness to the actual cross section required in the respective area, the heat input via the power supply can be advantageously reduced. In the case of a layer deposited by means of aerosol deposition, such a varying layer thickness can be formed particularly easily, for example via a variation of the coating duration as a function of the position of the carrier substrate.

Alternativ oder zusätzlich zu einer variierenden Schichtdicke der supraleitenden Schicht kann diese Schicht auf einem Trägersubstrat aufgebracht sein, dessen Dicke über die Längsausdehnung des elektrischen Leiters variiert. Auch hier kann es der Anwendung in einer Stromzuführung vorteilhaft sein, wenn die Substratdicke im Bereich des warmen Endes vergleichsweise groß ist, da in diesem Bereich ein Übergang des Stroms von der supraleitenden Schicht in einen normalleitenden Leiter stattfinden muss. In der Nähe eines Kontaktbereichs zwischen dem supraleitenden Leiter und einem angrenzenden normalleitenden Leiter kann auch ein normalleitendes Trägersubstrat den Strom wenigstens teilweise tragen und als Verbindungsglied zwischen supraleitender Schicht und den in Serie geschalteten angrenzenden Leitungsteil wirken. Wenn das normalleitende, typischerweise metallische Substrat auf der gesamten Länge der Stromzuführung die hierfür erforderliche Dicke hätte, dann wäre der Wärmeeintrag über das Trägersubstrat unnötig hoch. Ist der Querschnitt des Trägersubstrats aber nur in der Nähe des Kontaktbereichs erhöht, dann kann eine hohe Stromtragfähigkeit bei gleichzeitig niedriger Wärmeeinkopplung erreicht werden. As an alternative or in addition to a varying layer thickness of the superconducting layer, this layer may be applied to a carrier substrate whose thickness varies over the longitudinal extent of the electrical conductor. Again, it may be advantageous to use in a power supply, when the substrate thickness in the region of the warm end is comparatively large, since in this area a transition of the current must take place from the superconducting layer into a normal conducting conductor. Also, near a contact area between the superconducting conductor and an adjacent normal conducting conductor, a normally conductive supporting substrate may at least partially support the current and act as a connecting member between the superconductive layer and the series connected adjacent conducting portion. If the normal conducting, typically metallic substrate on the entire length of the power supply would have the thickness required for this, then the heat input through the carrier substrate would be unnecessarily high. However, if the cross-section of the carrier substrate is increased only in the vicinity of the contact region, then a high current carrying capacity can be achieved with simultaneously low heat input.

Das Trägersubstrat des elektrischen Leiters kann vorteilhaft als Rohr ausgebildet sein. Es kann sich also um ein sogenanntes Wellrohr handeln, welches entlang seiner Längsausdehnung gestreckt oder gestaucht werden kann oder quer zu dieser Längsausdehnung gebogen werden kann. Dieses Wellrohr kann beispielsweise auf der Außenseite und/oder auf seiner Innenseite mit einer supraleitenden Schicht beschichtet sein. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung eines rohrförmigen elektrischen Leiters bei der Anwendung in einer Stromzuführung, bei der gleichzeitig innerhalb des rohrförmigen Leiters ein Kühlmittel in den Bereich der anzuschließenden supraleitenden Spuleneinrichtung transportiert werden kann. Als Kühlmittel können beispielsweise flüssiges Helium, flüssiges Neon und/oder flüssiger Stickstoff zum Einsatz kommen. Das Trägersubstrat des rohrförmigen Leiters kann beispielsweise einen wellenförmig variierenden Querschnitt senkrecht zur Längsrichtung des Rohrs aufweisen. Insbesondere kann es sich um kreiszylindrisches Rohr handeln, dessen Durchmesser entlang der Längsrichtung des Rohrs wellenförmig variiert. Das Rohr kann insbesondere aus parallelen ringförmigen Abschnitten wechselnden Durchmessers gebildet sein. Alternativ kann das Wellrohr auch als ein rohrförmiges Substrat mit spiralförmig wechselndem Querschnitt gebildet sein. The carrier substrate of the electrical conductor can advantageously be formed as a tube. It may therefore be a so-called corrugated pipe, which can be stretched or compressed along its longitudinal extent or can be bent transversely to this longitudinal extent. This corrugated tube can be coated, for example, on the outside and / or on its inside with a superconducting layer. Particularly advantageous is the use of a tubular electrical conductor when used in a power supply, in which at the same time within the tubular conductor, a coolant can be transported in the region of the superconducting coil device to be connected. As a coolant, for example, liquid helium, liquid neon and / or liquid nitrogen can be used. The carrier substrate of the tubular conductor may, for example, have a wavy varying cross section perpendicular to the longitudinal direction of the tube. In particular, it may be a circular cylindrical tube whose diameter varies along the longitudinal direction of the tube wavy. The tube can in particular be formed from parallel annular sections of varying diameter. Alternatively, the corrugated tube may also be formed as a tubular substrate with a spirally changing cross section.

Alternativ zu der vorab beschriebenen rohrförmigen Ausführungsform kann der elektrische Leiter abgesehen von seinem wellenförmigen Querschnitt als flacher Leiter ausgebildet sein. Insbesondere kann es sich bei dem elektrischen Leiter um einen Bandleiter handeln, dessen im Wesentlichen flaches Trägersubstrat eine seiner flachen Grundstruktur überlagerte Wellenstruktur aufweist. Ein solcher wellenförmig strukturierter Bandleiter ist mechanisch flexibler als herkömmliche vollkommen flache Bandleiter. Ähnlich wie bei der Wicklung eines Kreppbandes können aus solchen wellenförmig strukturierten Bändern bei geringerer mechanischer Belastung der supraleitenden Schicht elektrische Wicklungen hergestellt werden. As an alternative to the above-described tubular embodiment, the electrical conductor can be formed apart from its wave-shaped cross section as a flat conductor. In particular, the electrical conductor may be a strip conductor whose substantially flat carrier substrate has a wave structure superimposed on its flat basic structure. Such a wave-shaped band conductor is mechanical more flexible than conventional completely flat band conductors. Similar to the winding of a masking tape, electrical windings can be produced from such wavy structured bands with less mechanical stress on the superconducting layer.

Alternativ zu der vorab beschriebenen Ausführungsform eines flachen Bandleiters kann der elektrische Leiter auch eine seitlich stärker ausgedehnte Geometrie aufweisen. Im Gegensatz zu einem schmalen Band kann es sich also bei dem Leiter alternativ auch um eine Art Wellblechstruktur handeln. Wesentlich ist nur, dass das Trägersubstrat einen wellenförmigen Querschnitt, insbesondere auch in Richtung seiner für den Stromtransport maßgeblichen Richtung aufweist. As an alternative to the previously described embodiment of a flat strip conductor, the electrical conductor can also have a laterally more extensive geometry. In contrast to a narrow band, the conductor can therefore also be a kind of corrugated iron structure. It is only essential that the carrier substrate has a wave-shaped cross section, in particular also in the direction of its direction relevant for the current transport.

Nachfolgend wird die Erfindung einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen: In the following, the invention of some preferred embodiments will be described with reference to the attached drawings, in which:

1 einen schematischen Längsschnitt eines elektrischen Leiters nach einem ersten Ausführungsbeispiel zeigt, 1 shows a schematic longitudinal section of an electrical conductor according to a first embodiment,

2 einen schematischen Längsschnitt eines elektrischen Leiters nach einem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt, 2 shows a schematic longitudinal section of an electrical conductor according to a second embodiment,

3 einen schematischen Längsschnitt eines rohrförmigen Leiters nach einem dritten Ausführungsbeispiel zeigt, 3 shows a schematic longitudinal section of a tubular conductor according to a third embodiment,

4 einen schematischen Querschnitt einer Spuleneinrichtung nach einem Ausführungsbeispiel einer Stromzuführung zeigt und 4 a schematic cross section of a coil device according to an embodiment of a power supply shows and

5 eine schematische Prinzipdarstellung einer beispielhaften Stromzuführung zeigt. 5 a schematic diagram of an exemplary power supply shows.

1 zeigt einen schematischen Längsschnitt eines elektrischen Leiters 1 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gezeigt ist ein Bandleiter mit einer hohen räumlichen Ausdehnung entlang einer Längsrichtung 9. Dieser Bandleiter weist ein Trägersubstrat 3 auf, auf dem eine flächige supraleitende Schicht 5 aufgebracht ist. Diese Schicht 5 ist eine hochtemperatur-supraleitende Schicht. Zwischen dem Trägersubstrat 3 und der supraleitenden Schicht 5 können hier nicht gezeigte weitere Zwischenschichten optional angeordnet sein. Bei einer solchen Zwischenschicht kann es sich beispielsweise um eine Haftvermittlungsschicht und/oder um eine Wachstumsschicht handeln. Das Trägersubstrat 3 ist ein im Wesentlichen flaches Substrat, dessen flacher Grundform ein wellenförmiges Querschnittprofil aufgeprägt ist. Dieses wellenförmige Querschnittprofil ist beispielsweise für die in der 1 vorne dargestellte Leiterkante gut zu erkennen. Auch für weitere Schnittebenen parallel zu dieser vorne dargestellten Leiterkante ergibt sich ein analoges wellenförmiges Querschnittsprofil. Das Trägersubstrat weist Wellenkämme 15 und Wellentäler 17 auf, die sich senkrecht zur Längsrichtung 9 des Bandleiters 1 erstrecken, also quer zur Bandrichtung angeordnet sind. Im gezeigten Beispiel weist das Querschnittsprofil eine periodische Struktur auf, die einer sinusartigen Wellenform entspricht. Die Periode dieser sinusartigen Welle ist in der 1 mit dem Bezugszeichen 18 gekennzeichnet. Die Amplitude der Wellenform, also der vertikale Abstand zwischen Wellenberg und Wellental einer gegebenen Oberfläche ist durch das Bezugszeichen 11 gekennzeichnet. Im gezeigten Beispiel weisen beide Oberflächen des Bandleiters 7 und 8 jeweils gewellte Querschnittformen auf. Auf der oben dargestellten Oberfläche 7 ist die supraleitende Schicht 5 aufgebracht, deren Kontur die Wellenform der Substratoberfläche ebenfalls nachbildet. Die Dicke der supraleitenden Schicht 13 ist wesentlich dünner als die Amplitude 11 des wellenförmigen Profils. Es handelt sich also nicht nur um eine geringe Unebenheit der Schicht, sondern um eine deutliche wellenförmige Modulation der Anordnung des supraleitenden Materials. Auch im Vergleich zur Schichtdicke 14 des Trägersubstrats 3 ist die Amplitude 11 hoch. Die Schichtdicke 14 des Trägersubstrats ist jedoch deutlich größer als die Schichtdicke 13 der supraleitenden Schicht 5. Beispielsweise kann die Dicke des Substrats zwischen 30 und 300 µm liegen, während die Dicke der supraleitenden Schicht 5 beispielsweise zwischen 500 nm und 20 µm liegen kann. Die Amplitude des Wellenprofils kann dagegen beispielsweise bis zu 10 mm betragen. Auch die Periode 18 des Wellenprofils ist vorteilhafterweise groß im Vergleich zu den genannten Dicken 13 und 14, beispielweise kann die Periode 18 oberhalb von 1 mm liegen, vorteilhaft zwischen 1 mm und 100 mm, insbesondere zwischen 1 mm und 20 mm. 1 shows a schematic longitudinal section of an electrical conductor 1 according to a first embodiment of the invention. Shown is a band conductor with a high spatial extent along a longitudinal direction 9 , This strip conductor has a carrier substrate 3 on top of which is a laminar superconducting layer 5 is applied. This layer 5 is a high-temperature superconducting layer. Between the carrier substrate 3 and the superconducting layer 5 not shown further intermediate layers may optionally be arranged. Such an intermediate layer may be, for example, an adhesion-promoting layer and / or a growth layer. The carrier substrate 3 is a substantially flat substrate whose flat basic shape is impressed on a wave-shaped cross-sectional profile. This wave-shaped cross-sectional profile is, for example, for in the 1 well visible lead edge shown. Also for further cutting planes parallel to this leading edge shown above results in an analogous wave-shaped cross-sectional profile. The carrier substrate has wave crests 15 and troughs 17 on, which is perpendicular to the longitudinal direction 9 of the tape conductor 1 extend, so are arranged transversely to the belt direction. In the example shown, the cross-sectional profile has a periodic structure that corresponds to a sinusoidal waveform. The period of this sinusoidal wave is in the 1 with the reference number 18 characterized. The amplitude of the waveform, that is, the vertical distance between wave crest and wave trough a given surface is denoted by the reference numeral 11 characterized. In the example shown, both surfaces of the strip conductor 7 and 8th each corrugated cross-sectional shapes. On the surface shown above 7 is the superconducting layer 5 applied, whose contour also simulates the waveform of the substrate surface. The thickness of the superconducting layer 13 is much thinner than the amplitude 11 of the undulating profile. It is therefore not only a slight unevenness of the layer, but a significant wave-shaped modulation of the arrangement of the superconducting material. Also in comparison to the layer thickness 14 of the carrier substrate 3 is the amplitude 11 high. The layer thickness 14 However, the carrier substrate is significantly larger than the layer thickness 13 the superconducting layer 5 , For example, the thickness of the substrate may be between 30 and 300 microns, while the thickness of the superconducting layer 5 for example, between 500 nm and 20 microns can be. By contrast, the amplitude of the wave profile can be up to 10 mm, for example. Also the period 18 the wave profile is advantageously large compared to the thicknesses mentioned 13 and 14 , for example, the period 18 above 1 mm, advantageously between 1 mm and 100 mm, in particular between 1 mm and 20 mm.

Die Amplitude 11 ist vorteilhaft klein im Vergleich zur Periode 18, beispielsweise kann sie kleiner als ein Fünftel der Periode 18 sein. Bei einer Herstellung der supraleitenden Schicht 5, beispielsweise über Aerosol-Deposition, kann die Aerosol-Düse meist der Orientierung des Wellenprofils nicht folgen und ist daher immer senkrecht zur Längsrichtung 9 des Substrats ausgerichtet. Bei einer zu großen Amplitude 11 würde der Winkel, unter dem die Düse auf die lokale Oberfläche des Substrats auftrifft, zu stark von einem 90° Winkel abweichen. Dann würden die Aerosolpartikel zumindest teilweise abprallen und nicht haften, auf jeden Fall ist die Energie des Aufschlagens der Partikel geringer. Muss z.B. der Winkel des Auftreffens für das Erreichen einer zuverlässigen Beschichtung größer sein als 70°, und die Welle ist sinusförmig, dann ist das Verhältnis der Amplitude 11 zur Periode 18 vorteilhaft kleiner als 0.057. The amplitude 11 is advantageously small compared to the period 18 For example, it may be less than one fifth of the period 18 be. In a production of the superconducting layer 5 , For example, via aerosol deposition, the aerosol nozzle usually can not follow the orientation of the wave profile and is therefore always perpendicular to the longitudinal direction 9 aligned with the substrate. If the amplitude is too large 11 For example, the angle at which the nozzle strikes the local surface of the substrate would deviate too much from a 90 ° angle. Then the aerosol particles would bounce off at least partially and not adhere, in any case, the energy of impact of the particles is lower. For example, if the angle of impact for achieving a reliable coating must be greater than 70 °, and the wave is sinusoidal, then the ratio of the amplitude 11 to the period 18 advantageously less than 0.057.

Der gezeigte Bandleiter des ersten Ausführungsbeispiels weist durch sein wellenförmiges Profil eine erhöhte Flexibilität auf. Durch diese erhöhte Flexibilität eignet sich der Bandleiter 1 besonders gut zur Wicklung supraleitender elektrischer Spulen, in denen die mechanische Belastung der eigentlichen supraleitenden Schicht 5 gering gehalten wird. Sowohl bei der Herstellung als auch im Betrieb solcher Spulen ist die supraleitende Schicht 5 durch die wellenförmige Struktur besser vor Zug-,Druck- oder Scherspannungen geschützt. Auch die beim Herunterkühlen einer solchen Spulenwicklung auf ihre kryogene Betriebstemperatur entstehenden thermisch bedingten Spannungen können durch die Flexibilität des Bandleiters 1 besser abgefangen werden und führen so nicht so leicht zu einer Degradation des Leiteraufbaus und der elektrischen Eigenschaften der supraleitenden Schicht. Durch die gewählte Struktur ist die mechanische Flexibilität des Bandleiters 1 ähnlich wie bei einem Kreppband in verschiedenen Raumrichtungen erfüllt. So kann der Bandleiter beispielsweise entlang seiner Längsrichtung 9 gestreckt oder gestaucht werden, ohne dass es zu einer übermäßigen Belastung der supraleitenden Schicht 5 kommt. Ebenfalls ist eine leichtere Biegung des Bandleiters 1 innerhalb der Leiterebene möglich. Damit können Spulenwicklungen mit einer höheren geometrischen Designflexibilität erzeugt werden. The strip conductor of the first embodiment shown has an increased flexibility due to its wave-shaped profile. This increased flexibility makes the strip conductor suitable 1 particularly good for winding superconducting electrical coils, in which the mechanical stress of the actual superconducting layer 5 is kept low. Both in the manufacture and in the operation of such coils, the superconducting layer 5 protected by the wavy structure better against tensile, compressive or shear stresses. Also, the thermally induced voltages arising during the cooling down of such a coil winding to its cryogenic operating temperature can be due to the flexibility of the strip conductor 1 be better intercepted and thus not easily lead to a degradation of the conductor structure and the electrical properties of the superconducting layer. The chosen structure is the mechanical flexibility of the strip conductor 1 Similar to a masking tape in different directions fulfilled. For example, the strip conductor can be along its longitudinal direction 9 be stretched or compressed without causing excessive stress on the superconducting layer 5 comes. There is also an easier bend of the strip conductor 1 possible within the ladder level. Thus, coil windings can be produced with a higher geometric design flexibility.

2 zeigt einen schematischen Längsschnitt eines weiteren supraleitenden Bandleiters 1 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Ähnlich wie beim ersten Ausführungsbeispiel ist auch hier der Bandleiter 1 im Wesentlichen als Flachleiter ausgebildet, dessen flacher Grundform ein wellenförmiges Querschnittsprofil überlagert ist. Auch hier ist diese Wellenform dem Trägersubstrat 3 aufgeprägt, und die darauf einseitig abgeschiedene supraleitende Schicht 5 bildet mit ihrer gesamten Fläche diese Wellenform nach. Beim zweiten Ausführungsbeispiel ist die Wellenform ebenfalls periodisch. Sie entspricht hier jedoch nicht einem sinusartigen Profil, sondern einem regelmäßig widerkehrenden Muster eines Polygonzuges, der für jede der beiden Oberflächen 7 und 8 des Trägersubstrates 3 aus vier Punkten P1 bis P4 besteht. Dieser Polygonzug wiederholt sich mit einer Periode 18, die auch hier größer ist als die Amplitude 11 der Wellenform und wesentlich größer ist als die Schichtdicke 14 des Trägersubstrats 3 sowie die hier nicht dargestellte Dicke der supraleitenden Schicht 5. 2 shows a schematic longitudinal section of another superconducting strip conductor 1 according to a second embodiment of the invention. Similar to the first embodiment, the band conductor is also here 1 essentially formed as a flat conductor whose flat basic shape is superimposed on a wave-shaped cross-sectional profile. Again, this waveform is the carrier substrate 3 imprinted, and the unilaterally deposited superconducting layer 5 Forms this waveform with its entire surface. In the second embodiment, the waveform is also periodic. However, it does not correspond here to a sinusoidal profile, but to a regularly recurring pattern of a polygonal traction for each of the two surfaces 7 and 8th of the carrier substrate 3 consists of four points P1 to P4. This traverse repeats with a period 18 , which is larger than the amplitude here as well 11 the waveform and is much larger than the layer thickness 14 of the carrier substrate 3 and the thickness of the superconducting layer, not shown here 5 ,

Ein solches, in 2 dargestelltes eckiges wellenförmiges Querschnittsprofil kann leichter als ein sinusartiges Profil durch Knicken, Stanzen oder auch Ätzen aus einem planaren Trägersubstrat 3 erzeugt werden. Bei dem Material des Trägersubstrats kann es sich beispielsweise vorteilhaft um ein normalleitendes metallisches Material handeln. Aus einem flachen metallischen Band kann relativ leicht durch mechanische Nachbearbeitung eine wellenförmige Struktur erzeugt werden. Es sind jedoch auch Trägersubstrate 3 aus nicht metallischen Materialien denkbar. Dies kann besonders vorteilhaft sein, beispielsweise wenn eine geringe thermische Leitfähigkeit des Trägersubstrats 3 erwünscht ist. Dann kann das Trägersubstrat beispielsweise aus Glas, Keramik und/oder einem Polymer ausgebildet sein. Gerade bei der Anwendung der Aerosol-Deposition als Abscheidungsverfahren für die supraleitende Schicht 5 wird nicht notwendiger Weise ein metallisches Substrat benötigt. Auch solchen nicht metallischen Substraten kann durch mechanische und/oder chemische Nachbearbeitung eine wellenförmige Struktur aufgeprägt werden. Such, in 2 illustrated angular wavy cross-sectional profile can be lighter than a sinusoidal profile by buckling, punching or etching from a planar carrier substrate 3 be generated. The material of the carrier substrate may, for example, advantageously be a normal-conducting metallic material. From a flat metallic band can be relatively easily generated by mechanical post-processing a wavy structure. However, they are also carrier substrates 3 made of non-metallic materials. This can be particularly advantageous, for example if a low thermal conductivity of the carrier substrate 3 is desired. Then, the carrier substrate may be formed for example of glass, ceramic and / or a polymer. Especially in the application of aerosol deposition as a deposition process for the superconducting layer 5 it is not necessary to use a metallic substrate. Even such non-metallic substrates can be impressed by mechanical and / or chemical post-processing a wavy structure.

Im Ausführungsbeispiel der 2 soll die supraleitende Schicht 5 als Hauptbestandteil Magnesiumdiborid aufweisen, welches über das Verfahren der Aerosol-Deposition aus einem Pulveraerosol abgeschieden ist. Diese Abschaltung kann beispielsweise in einem kontinuierlichen Prozess auf einem vorgeformten Substratband 3 erfolgen. Dabei kann beispielsweise je nach Anwendungsform auch die Schichtdicke der supraleitenden Schicht entlang der Längsrichtung 9 des Trägersubstrats 3 variieren. Sie kann beispielsweise über die Länge 9 des Bandleiters kontinuierlich ansteigen. Das Verfahren zur Herstellung der supraleitenden Schicht 5 mittels Aerosol-Deposition kann vorteilhaft mit Helium, Stickstoff und/oder Luft als Trägergas durchgeführt werden. Das Beschichtungsverfahren kann bei relativ niedrigen Temperaturen beispielsweise bei Raumtemperatur durchgeführt werden und ermöglicht damit die Verwendung von temperatursensitiven Materialien für das Trägersubstrat 3. In the embodiment of 2 should the superconducting layer 5 magnesium diboride as the main component, which is deposited by the process of aerosol deposition from a powder aerosol. This shutdown can, for example, in a continuous process on a preformed substrate tape 3 respectively. Depending on the application form, the layer thickness of the superconducting layer may also be along the longitudinal direction 9 of the carrier substrate 3 vary. You can, for example, over the length 9 of the stripline continuously increase. The method for producing the superconducting layer 5 By means of aerosol deposition can advantageously be carried out with helium, nitrogen and / or air as a carrier gas. The coating process may be carried out at relatively low temperatures, for example at room temperature, thereby enabling the use of temperature-sensitive materials for the support substrate 3 ,

3 zeigt einen weiteren schematischen Längsschnitt eines elektrischen Leiters 1 nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. In diesem Beispiel weist der Leiter 1 ein rohrförmiges Trägersubstrat 3 auf, welches in der Art eines flexiblen Wellrohres ausgebildet ist. Auch hier kann es sich beispielsweise um ein metallisches Trägersubstrat 3 handeln. Die Form des hier gezeigten Wellrohres entspricht einem Rohr mit wellenförmig wechselndem Durchmesser. Das hier gezeigte Rohr ist auf der Außenseite mit einer supraleitenden Schicht 5 beschichtet. Alternativ oder zusätzlich kann hier jedoch auch die Innenseite des Rohres beschichtet sein. Bei einem Betrieb des elektrischen Leiters 1 kann dieses Rohr vorteilhaft von einem Kühlmittel 23 durchströmt werden. Dies ist besonders dann zweckmäßig, wenn der elektrische Leiter 1 für eine Stromzuführung einer supraleitenden Spule verwendet wird, wobei sowohl die supraleitende Spule als auch die Stromzuführung auf eine kryogene Temperatur gekühlt werden sollen. Dann kann die im Inneren des Rohrs transportierte Kühlflüssigkeit 23 dazu genutzt werden, sowohl die supraleitende Schicht 5 auf einer Oberfläche des Rohrs wirksam zu kühlen, als auch Kühlmittel in den Bereich der Spulenwicklung zu transportieren. Auch hier ist der wellenförmige Querschnitt der Rohroberfläche sinusartig geformt, ähnlich wie beim ersten Ausführungsbeispiel, es sind jedoch auch andere Formen denkbar und zweckmäßig. Für die Verhältnisse der Abmessungen von Amplitude 11, Periode 18, Rohrwandstärke 14 und der Dicke der supraleitenden Schicht gelten ähnliche Erwägungen wie bei bereits für das erste Ausführungsbeispiel diskutiert. 3 shows a further schematic longitudinal section of an electrical conductor 1 according to a third embodiment of the invention. In this example, the leader points 1 a tubular carrier substrate 3 on, which is formed in the manner of a flexible corrugated tube. Again, this may be, for example, a metallic carrier substrate 3 act. The shape of the corrugated tube shown here corresponds to a tube with a wave-changing diameter. The tube shown here is on the outside with a superconducting layer 5 coated. Alternatively or additionally, however, the inside of the tube may also be coated here. During operation of the electrical conductor 1 This tube can be beneficial from a coolant 23 be flowed through. This is particularly useful when the electrical conductor 1 is used for a power supply of a superconducting coil, wherein both the superconducting coil and the power supply to be cooled to a cryogenic temperature. Then, the transported inside the tube cooling liquid 23 be used to both the superconducting layer 5 on effectively to cool a surface of the tube, as well as to transport coolant in the region of the coil winding. Again, the wavy cross-section of the tube surface is sinusoidal shaped, similar to the first embodiment, but other shapes are conceivable and useful. For the ratios of the dimensions of amplitude 11 , Period 18 , Pipe wall thickness 14 and the thickness of the superconducting layer, similar considerations apply as already discussed for the first embodiment.

4 zeigt einen schematischen Querschnitt einer Spuleneinrichtung 24 nach einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gezeigt ist eine zylindrische supraleitende Magnetspule 25 aus einem tieftemperatur-supraleitenden Material, beispielsweise Niob-Titan. Die Magnetspule 25 ist innerhalb eines Kühlmittelbehälters 31 angeordnet, der in diesem Beispiel als Helium-Badkryostat betrieben wird, um eine Betriebstemperatur der Magnetspule 25 in der Nähe von 5 K zu erreichen. Der Kühlmittelbehälter 31 ist an zwei Aufhängerohren 32 aufgehängt, durch die zwei Stromzuführungen 19 für die supraleitende Magnetspule 25 verlaufen. Um den Kühlmittelbehälter 31 ist ein äußerer Vakuumbehälter 29 angeordnet, durch den der Kühlmittelbehälter 31 gegenüber der warmen Umgebung thermisch isoliert ist. Die Aufhängerohre 32 sind dabei als Durchführungen durch den Vakuumbehälter 29 ausgestaltet. Über die Stromzuführungen 19 ist die Magnetspule 25 mit Versorgungsleitern 27 eines hier nicht gezeigten äußeren Stromkreises verbunden. Jede der Stromzuführungen 19 weist ein kaltes, spulenseitiges Ende 19a auf, dessen Temperatur nah bei der Betriebstemperatur der Magnetspule 25 liegt und ein davon abgewandtes warmes Ende 19b, dessen Temperatur nahe der äußeren Umgebungstemperatur liegt. 4 shows a schematic cross section of a coil device 24 according to a fourth embodiment of the invention. Shown is a cylindrical superconducting magnet coil 25 from a low-temperature superconducting material, such as niobium-titanium. The magnetic coil 25 is inside a coolant tank 31 arranged, which is operated in this example as a helium bath cryostat to an operating temperature of the solenoid 25 close to 5K. The coolant tank 31 is on two hanger ears 32 suspended by the two power supply lines 19 for the superconducting magnet coil 25 run. To the coolant tank 31 is an external vacuum container 29 arranged through which the coolant tank 31 is thermally insulated from the warm environment. The suspension tubes 32 are doing as passages through the vacuum tank 29 designed. About the power supply lines 19 is the magnetic coil 25 with supply conductors 27 connected to an external circuit, not shown here. Each of the power supply lines 19 has a cold, coil-side end 19a whose temperature is close to the operating temperature of the solenoid coil 25 lies and a warm end facing away from it 19b whose temperature is close to the outside ambient temperature.

In 5 ist eine schematische Prinzipdarstellung einer Stromzuführung 19 gezeigt, wie sie beispielsweise in der Spuleneinrichtung 24 der 4 zum Einsatz kommen kann. Die Stromzuführung 19 weist wiederum ein kaltes Ende 19a auf, das elektrisch mit der Magnetspule 25 verbunden ist und ein warmes Ende 19b, das elektrisch mit einem Versorgungsleiter 27 eines äußeren Stromkreises verbunden ist. Die Stromzuführung 3 umfasst in diesem Beispiel einen ersten supraleitenden Leitungsteil 20 und einen zweiten normalleitenden Leitungsteil 21, die miteinander elektrisch in Serie geschaltet sind. Hierbei ist der supraleitende erste Leistungsteil 20 auf der Seite des kalten Endes 19a angeordnet und der normalleitende zweite Leitungsteil 21 auf der Seite des warmen Endes 19b. Der supraleitende erste Leitungsteil 21 weist einen elektrischen Leiter mit einem Trägersubstrat und einer supraleitenden Schicht auf, wobei das Trägersubstrat zumindest auf einer Oberfläche wellenartig geformt ist. Im Beispiel der 5 handelt es sich dabei um ein flexibles Wellrohr, welches ähnlich wie in der 3 auf der Außenseite mit einer supraleitenden Schicht beschichtet ist. Das Trägersubstrat des Wellrohres ist dabei wiederum aus einem metallischen Material gebildet und ist der supraleitenden Schicht elektrisch parallel geschaltet. Durch die Serienschaltung der beiden Leiterteile 20 und 21 kann erreicht werden, dass mit der Stromzuführung 19 elektrischer Strom mit hoher Stromdichte in die supraleitende Spule 25 eingespeist werden kann und dass trotzdem der Wärmetransport über die Stromzuführung 19 gering gehalten werden kann. Dies ist dadurch möglich, dass das metallische Trägersubstrat des ersten Leitungsabschnitts 20 mit einer geringen Querschnittsfläche ausgebildet werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann jedoch auch ein nicht metallisches Material für das zugrunde liegende wellrohrförmige Trägersubstrat eingesetzt werden. Eine Abschaltung von supraleitenden Schichten auf solchen gewellten nicht metallischen Substraten ist durch Aerosol-Deposition besonders gut möglich. Insgesamt können dann Stromzuführungen mit besonders niedrigem Wärmeeintrag in den Bereich der supraleitenden Spule 25 ausgebildet werden. In 5 is a schematic diagram of a power supply 19 shown, for example, in the coil device 24 of the 4 can be used. The power supply 19 again has a cold end 19a on, that electrically with the magnetic coil 25 is connected and a warm end 19b that electrically with a supply conductor 27 an external circuit is connected. The power supply 3 in this example comprises a first superconducting line part 20 and a second normal conductive line part 21 , which are electrically connected in series with each other. Here is the superconducting first power part 20 on the side of the cold end 19a arranged and the normal conducting second line part 21 on the side of the warm end 19b , The superconducting first line part 21 has an electrical conductor with a carrier substrate and a superconducting layer, wherein the carrier substrate is wave-shaped at least on one surface. In the example of 5 it is a flexible corrugated tube, which is similar to the 3 coated on the outside with a superconducting layer. The carrier substrate of the corrugated tube is in turn formed from a metallic material and is connected in parallel to the superconducting layer. By the series connection of the two conductor parts 20 and 21 can be achieved with the power supply 19 high current density electric current into the superconducting coil 25 can be fed and that still the heat transfer via the power supply 19 can be kept low. This is possible because the metallic carrier substrate of the first line section 20 can be formed with a small cross-sectional area. Alternatively or additionally, however, it is also possible to use a non-metallic material for the underlying corrugated carrier substrate. A shutdown of superconducting layers on such corrugated non-metallic substrates is particularly well possible by aerosol deposition. Overall, then power supplies with particularly low heat input in the region of the superconducting coil 25 be formed.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102010031741 B4 [0017]

Claims

Electrical conductor ( 1 ) with a carrier substrate ( 3 ) and - one on the carrier substrate ( 3 ) applied superconducting layer ( 5 ), characterized in that the carrier substrate ( 3 ) has a wave-shaped cross-sectional profile at least within a sectional plane.

Electrical conductor ( 1 ) according to claim 1, in which the sectional plane extends along a longitudinal direction ( 9 ) of the leader ( 1 ).

Electrical conductor ( 1 ) according to one of claims 1 or 2, wherein the wave-shaped cross-sectional profile has a regular, in particular a periodic structure.

Electrical conductor ( 1 ) according to one of the preceding claims, in which the superconducting layer ( 5 ) has a high temperature superconducting material.

Electrical conductor ( 1 ) according to one of the preceding claims, in which the superconducting layer ( 5 ) is a deposited by aerosol deposition layer.

Electrical conductor ( 1 ) according to one of the preceding claims, in which the superconducting layer ( 5 ) Magnesium diboride.

Electrical conductor ( 1 ) according to one of claims 1 to 5, in which the superconducting layer ( 5 ) comprises a high temperature oxide ceramic superconductor.

Electrical conductor ( 1 ) according to one of the preceding claims, in which the ratio of an amplitude ( 11 ) of the wave-shaped cross-sectional profile to a layer thickness ( 13 ) of the superconducting layer ( 5 ) is at least 10: 1.

Electrical conductor ( 1 ) according to one of the preceding claims, in which the carrier substrate ( 3 ) Wave crests ( 15 ) and / or troughs ( 17 ) substantially perpendicular to a longitudinal direction (FIG. 9 ) of the leader ( 1 ).

Electrical conductor ( 1 ) according to one of the preceding claims, in which a layer thickness ( 13 ) of the superconducting layer ( 5 ) along a longitudinal direction ( 9 ) of the leader ( 1 ) varies.

Electrical conductor ( 1 ) according to one of the preceding claims, whose wave-shaped cross-sectional profile has a periodic structure with a period length ( 18 ) along a longitudinal direction ( 9 ) of the leader ( 1 ) between 1 mm and 100 mm.

Electrical conductor ( 1 ) according to one of the preceding claims, the carrier substrate ( 3 ) is designed as a tube.

Electrical conductor ( 1 ) according to one of claims 1 to 11, which apart from its wave-shaped cross-sectional profile as a flat conductor ( 1 ) is trained.

Power supply ( 19 ) for a superconducting coil device, wherein the power supply ( 19 ) at least a first line section ( 20 ) with a ladder ( 1 ) according to one of claims 1 to 13.

Method for producing an electrical conductor ( 1 ) according to one of claims 1 to 13, characterized in that the superconducting layer ( 5 ) is deposited by aerosol deposition.