DE102016109503A1

DE102016109503A1 - Füllstandssensor für kryogene Flüssigkeiten

Info

Publication number: DE102016109503A1
Application number: DE102016109503.6A
Authority: DE
Inventors: Claus Hanebeck; Stefan Huwer; Wolfgang Reiser
Original assignee: Vision Electric Super Conductors GmbH
Current assignee: Vision Electric Super Conductors GmbH
Priority date: 2016-05-24
Filing date: 2016-05-24
Publication date: 2017-11-30

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Füllstandssensor für kryogene Flüssigkeiten umfassend ein längliches Sensorelement 9 mit einer Hochtemperatursupraleitschicht 3, wobei das Sensorelement 9 eine elektrisch leitende Substratschicht 1 umfasst, die durch eine wärmeleitende aber elektrisch isolierende Pufferschicht 2 mit der Hochtemperatursupraleitschicht 3 verbunden ist, so dass ein an die Substratschicht 1 angeschlossener Heizstromkreis 12 die Hochtemperatursupraleitschicht 3 erwärmen kann und ein Füllstand durch einen an die Hochtemperatursupraleitschicht 3 angeschlossen Messstromkreis 11 ermittelt werden kann. Eine besonders zuverlässige und störungsunanfällige Füllstandsmessung mit besonders hoher Messauflösung kann so ermöglicht werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Füllstandssensor für kryogene Flüssigkeiten, ein Verfahren zur Herstellung desselben sowie eine Verwendung desselben.
In der Kryotechnik besteht häufig der Bedarf, den Füllstand von kryogenen Flüssigkeiten in Kryostaten oder Lagerbehältern zu messen. Häufig werden dazu Sensoren auf Basis von Supraleitern eingesetzt, deren Sprungtemperatur knapp über der Siedetemperatur des zu messenden Mediums liegt. Ein elektrischer Füllstandssensor mit einem Hochtemperatur-Supraleiter (HTSL) aus Yttrium-Barium-Kupferoxid (YBCO) oder GdBa₂Cu₃O₇ (GdBCO) ist aus der Druckschrift US 2003/0177826 A1 bekannt und ein weiterer Füllstandssensor aus Magnesiumdiborid (MgB₂) aus der Druckschrift US 7841235 B2 .
Ausgenutzt wird bei diesem Messprinzip die große Widerstandsänderung des Supraleiters beim Übergang vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand. Die Temperatur im Gasraum, also dem mit gasförmigen kryogenen Medium gefüllten Bereich eines Kryogentanks oder Kryogenbehälters oberhalb des flüssigen kryogenen Mediums, liegt in der Regel niedriger als die Sprungtemperatur des Supraleiters.
Um das Messprinzip nutzen zu können, muss der Supraleiter in diesem Gasraum zunächst „gequencht“, d.h. über seine Sprungtemperatur erwärmt werden. Das geschieht mittels eines Heizwiderstands, der üblicherweise im Gasraum am oberen Ende des Supraleiters angebracht ist (siehe 5). Dieser Widerstand ist in der Regel zum supraleitenden Messdraht elektrisch in Reihe geschaltet. Nachdem der Messstrom eingeschaltet ist, erwärmt der Widerstand das obere Ende des Supraleiters und der Quench propagiert entlang des Leiters nach unten bis zur Flüssigkeitsoberfläche infolge der elektrischen Widerstandserwärmung des normalleitenden Messdrahtabschnitts in Verbindung mit dessen Wärmeleitfähigkeit.
Unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche des flüssigen kryogenen Mediums ist die kühlende Wirkung des flüssigen kryogenen Mediums üblicherweise stärker als die Messdrahterwärmung durch das Quenchen, so dass der Messdraht dort unter die Sprungtemperatur abgekühlt wird und supraleitend bleibt, also näherungsweise widerstandsfrei den Messstrom weiterleiten kann.
Wenn dieser Vorgang abgeschlossen ist, kann ein stabiler Widerstand gemessen und somit der Füllstand anhand des Gesamtwiderstands berechnet werden. Denn je größer der sich unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche befindlicher Messdrahtabschnitt ist, desto geringer ist der Gesamtwiderstand, welcher sich aus dem normalleitenden Messdrahtabschnitt oberhalb der Flüssigkeitsoberfläche und dem supraleitenden Messdrahtabschnitt unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche zusammensetzt.
Die bestehenden Füllstandssensorsysteme weisen jedoch regelmäßig eine geringe Messauflösung auf. Zudem verursacht der grundsätzlich hohe Energieeintrag in das Kryogen eine teilweise Vergasung des flüssigen Kryogens. Schließlich sind die bestehenden Systeme häufig besonders störempfindlich auf äußere Einflüsse.
Die vorgenannten, aus dem Stand der Technik bekannten Merkmale können einzeln oder in beliebiger Kombination mit einem der nachfolgend beschriebenen erfindungsgemäßen Gegenstände kombiniert werden.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen weiterentwickelten Füllstandssensor, ein Verfahren zur Herstellung desselben sowie eine Verwendung desselben bereitzustellen.
Zur Lösung der Aufgabe dient ein Füllstandssensor für kryogene Flüssigkeiten gemäß Hauptanspruch sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung und Verwendung nach den Nebenansprüchen. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Zur Lösung der Aufgabe dient ein Füllstandssensor für kryogene Flüssigkeiten umfassend ein längliches Sensorelement mit einer Hochtemperatursupraleitschicht, wobei das Sensorelement eine elektrisch leitende Substratschicht umfasst, die durch eine wärmeleitende aber elektrisch isolierende Pufferschicht mit der Hochtemperatursupraleitschicht verbunden ist, so dass ein an die Substratschicht angeschlossener Heizstromkreis die Hochtemperatursupraleitschicht erwärmen kann und ein Füllstand durch einen an die Hochtemperatursupraleitschicht angeschlossen Messstromkreis ermittelt werden kann.
Das Sensorelement bezeichnet insbesondere den Teil eines Füllstandssensors, welcher eine Umgebungseigenschaft unmittelbar detektieren und einer Auswertung zugänglich machen kann wie z.B. eine Quecksilbersäule in einem Glasrohr, die sich abhängig von der Umgebungstemperatur ausdehnt und diese Ausdehnung an einer Skala am Glasrohr abgelesen werden kann. Dabei ist grundsätzlich mit diesem Teil des Füllstandssensors der gesamte Vorrichtungsabschnitt bzw. die gesamte Sonde gemeint, also im obigen Beispiel nicht nur das Quecksilber selbst, sondern auch das Glasrohr. Übertragung auf den Füllstandssensor bedeutet das, dass mit Sensorelement nicht nur etwa ein Supraleiter alleine, sondern sämtliche durch die äußere Oberfläche des Sensorelementes umschlossenen Bestandteile im Querschnitt betrachtet gemeint sind.
Als Hochtemperatursupraleiter, abgekürzt HTSL, werden in der Regel Materialien bezeichnet, deren Supraleitfähigkeit – anders als bei konventionellen Supraleitern – nicht durch die Elektron-Phonon-Wechselwirkung zustande kommt.
Messstromkreis bedeutet insbesondere ein Stromkreis insbesondere zum Bereitstellen einer elektrischen Spannung und/oder Stroms durch das Sensorelement zur Messung einer elektrischen Messgröße.
Heizstromkreis bedeutet insbesondere ein Stromkreis insbesondere zum Bereitstellen einer elektrischen Spannung und/oder Stroms durch das Sensorelement für ein Generieren von Wärmeenergie infolge eines elektrischen Widerstands.
Den Füllstand durch den Messstromkreis ermitteln bedeutet vorzugsweise durch Messen einer Spannung bei Anlegen eines in der Regel konstanten Messstroms den elektrischen Widerstand ermitteln und daraus wiederum unter Berücksichtigung insbesondere der Länge und/oder Anordnung des Sensorelements in dem Kryogenbehälter die Position oder Höhe der Flüssigkeitsoberfläche des kryogenen Mediums in flüssiger Phase zu berechnen.
Durch das Vorsehen eines Füllstandssensors mit einer elektrisch leitenden Substratschicht, die durch eine wärmeleitende aber elektrisch isolierende Pufferschicht mit einer Hochtemperatursupraleitschicht verbunden ist, kann ein störunempfindlicher Füllstandssensors mit einer hohen Messauflösung bei geringem Energieeintrag in das Kryogen bereitgestellt werden.
Besonders vorteilhaft wird die ohnehin bestehende, mit niedrigem Aufwand herstellbare Substratschicht nicht nur wie sonst üblich zur mechanischen Stabilisierung des Sensorelements, sondern gleichzeitig als Heizelement genutzt.
Dadurch kann nicht nur eine sonst zusätzlich notwendige Heizeinrichtung eingespart werden, sondern ein besonders vorteilhaft homogenes, schnelles Erwärmen über das gesamten Sensorelements erzielt werden.
Im Übrigen kann so ein besonders kompaktes Sensorelement mit einfachem Aufbau und geringem Erstellungsaufwand bereitgestellt werden.
Insbesondere ist bei dem Sensorelement unmittelbar auf der Hochtemperatursupraleitschicht eine Stabilisierungsschicht angeordnet.
Eine Stabilisierungsschicht ist in der Regel eine elektrisch leitende Schicht, vorzugsweise aus Metall.
Durch die Stabilisierungsschicht kann dem Risiko eines Durchbrennens der Hochtemperatursupraleitschicht im normalleitenden Zustand entgegengewirkt werden.
Vorzugsweise ist der Heizstromkreis und der Messstromkreis voneinander elektrisch getrennt. Das bedeutet, dass der Heizstromkreis und der Messstromkreis daher unabhängig voneinander eingestellt und optimiert werden können. Eine elektrische Trennung bedeutet hier nicht eine völlige elektrische Isolierung, da eine elektrische Verbindung, z. B. über eine gemeinsame elektrische Masse, durchaus möglich ist. Diese elektrische Trennung der beiden Stromkreise ist nicht zu verwechseln mit der Isolierung zwischen der Substratschicht und Hochtemperatursupraleiterschicht, die immer gegeben sein muss.
Alternativ sind der Heizstromkreis und der Messstromkreis in Reihe elektrisch geschaltet, so dass der Strom beide Stromkreise hintereinander durchfließt. Dadurch kann ein Netzgerät entfallen, aber es besteht dann nicht mehr die Option, den Messstrom und den Heizstrom unabhängig voneinander einzustellen.
In einer Ausführungsform weist das Sensorelement eine durch eine Mikrostruktur begrenzte Hochtemperatursupraleitmessstrecke auf.
Mit Mikrostruktur ist insbesondere eine durch Abtragung erzeugte, geometrische Struktur im Mikrometerbereich gemeint, wie zum Beispiel eine Nut mit einer Breite und/oder Tiefe im Mikrometerbereich, welche eine gerade und/oder gebogene Linienkontur in ein Material einbringt, wobei die Länge dieser Linienkontur grundsätzlich größer als im Mikrometerbereich sein kann.
Hochtemperatursupraleitmessstrecke meint insbesondere die zurückzulegende Weglänge des Messstroms durch das Sensorelement. In der Ausführungsform mit Stabilisierungsschicht ist mit Hochtemperatursupraleitmessstrecke ein Bereich der Hochtemperatursupraleitschicht insbesondere mit dem darüber liegenden Bereich der Stabilisierungsschicht gemeint.
Eine durch eine Mikrostruktur begrenzte Hochtemperatursupraleitmessstrecke meint insbesondere, dass ein flächiger Bereich einer oder mehrerer übereinander liegender Materialschichten, z.B. die Hochtemperatursupraleitschicht und insbesondere die darüber angeordnete Stabilisierungsschicht durch die Mikrostruktur etwa in Form einer Nut herausgeschnitten wird oder werden, so dass die Hochtemperatursupraleitmessstrecke auf einer Schichtebene durch einen Spalt von dem durch die Mikrostruktur abgetrennten Bereich derselben Schicht oder Schichten, also der Hochtemperatursupraleitschicht und insbesondere der Stabilisierungsschicht, getrennt sind.
Lediglich durch die nicht von der Mikrostruktur durchtrennten Materialschichten, wie z.B. der Substratschicht, werden beide durch die Mikrostruktur voneinander getrennten Bereiche, also dem Bereich der Hochtemperatursupraleitmessstrecke und dem Rest derselben Schicht oder Schichten, in der ursprünglichen Position zueinander gehalten. Dadurch kann ein durch die Mikrostrukturierung erzeugter Spalt z.B. einer Nut im Betrieb eine konstante Spaltweite aufweisen und beibehalten.
Durch ein Sensorelement mit einer durch eine Mikrostruktur begrenzte Hochtemperatursupraleitmessstrecke kann die Länge der Hochtemperatursupraleitmessstrecke bei gleichbleibender Sensorelementgröße vergrößert und damit eine besonders hohe Messauflösung erhalten werden.
In einer Ausführungsform kann das Sensorelement durch die Substratschicht erwärmt werden.
Dadurch kann nicht nur eine sonst zusätzlich notwendige Heizeinrichtung eingespart, sondern ein besonders vorteilhaft homogenes, schnelles Erwärmen über das gesamte Sensorelement erzielt werden.
In einer Ausführungsform ist durch die Mikrostruktur ein elektrisch isolierender Spalt in die Hochtemperatursupraleitschicht eingebracht, der sich vorzugsweise nicht in die Pufferschicht und/oder die Substratschicht erstreckt, jedoch bei der Ausführungsform mit Stabilisierungsschicht ebenfalls die Stabilisierungsschicht wie ein Sandwich mit der darunterliegenden Hochtemperatursupraleitschicht durchtrennen kann.
Durch die Mikrostruktur, welche die Hochtemperatursupraleitschicht und insbesondere die Stabilisierungsschicht durch einen Spalt in mindestens zwei Bereiche in Schichtebene teilt, kann ermöglicht werden, dass eine von der Substratschicht elektrisch isolierte Hochtemperatursupraleitmessstrecke mit kleinerer Fläche als die Substratschicht erzeugt werden kann. Eine besonders hohe Messauflösung bei gleichzeitig mechanisch stabilem und besonders einfach aufheizbaren Sensorelement kann so bereitgestellt werden. Dies kann auch ermöglicht werden, wenn der Spalt teilweise oder entlang der gesamten Mikrostruktur in die Pufferschicht reicht und/oder die Pufferschicht in Querschnittsrichtung teilweise oder komplett durchtrennt. Ebenfalls kann der Spalt in die Substratschicht reichen. Durch die letzten beiden Ausführungsformen kann ein Füllstandssensor mit besonders geringem Herstellungsaufwand hergestellt werden, weil eine größere Toleranz hinsichtlich der Tiefe der Mikrostruktur gewährt werden kann. Der Spalt genügt auch dann als elektrisch isolierende Barriere zwischen der Substratschicht und der Hochtemperatursupraleitschicht.
In einer Ausführungsform ist die durch die Mikrostruktur erzeugte oder ausgeschnittene Hochtemperatursupraleitmessstrecke U-förmig ausgebildet. Insbesondere kann dazu eine Mikrostruktur vorgesehen werden, die eine U-Form über den gesamten, zweidimensionalen Umriss eines „U“s als Konturlinie aufweist.
Vorzugsweise sind an einem oder beiden Enden des „U“s, die insbesondere in Gravitationsrichtung oben z.B. in einem Kryogenbehälter angeordnet sind, quer abstehenden Seitenstegen angeordnet, insbesondere mit einer „L“-Form an einem Ende einer „U“-Form. Diese können besonders einfach als Lötstellen zum Verbinden mit einer Zuleitung oder Ableitung verwendet werden. Eine Anordnung der Enden des „U“s oben vereinfacht den Anschluss und die Leitungslänge zur Stromquelle und/oder Auswertungseinrichtungen.
In einer Ausführungsform ist die Hochtemperatursupraleitmessstrecke geschlängelt, S-förmig und/oder verschachtelt und insbesondere durch geradlinige und/oder jeweils nur zu einer Seite in einen Außenrand des Sensorelements auslaufende Mikrostrukturen erzeugt.
Zu einem Außenrand des Sensorelements auslaufend meint, dass z.B. eine Nut bis zum Ende der Materialschicht in Längs- oder Querrichtung führt und dadurch zwei voneinander durch einen Spalt und/oder elektrisch isolierte Bereiche geschaffen werden, die selbst am äußeren Rand keine Verbindungsstelle aufweisen.
Eine S-Form und/oder U-Formen, die gespiegelt ineinander greifend eine verschachtelte Mikrostruktur ausbilden können, werden in der Regel sowohl durch eine grade und/oder gebogene Mikrostruktur und/oder einem äußeren Rand des Sensorelements gebildet.
Durch diese geschlängelte, S-förmige und/oder verschachtelte Hochtemperatursupraleitmessstrecke kann eine besonders große Länge der Hochtemperatursupraleitmessstrecke und damit eine besonders hohe Messauflösung bei gleichbleibender Größe des Sensorelements erzielt werden.
Insbesondere weist die Mikrostruktur eine größere Tiefe als Breite auf und eine größere Länge als Tiefe. Breite ist dabei in Querrichtung zur Längserstreckung des Sensorelements gemessen und Tiefe senkrecht zur flächigen Ebene einer Materialschicht, z.B. der Substratschicht, des Sensorelements.
In einer Ausführungsform wird die Mikrostruktur durch einen Laserstrahl erzeugt. Hierdurch kann eine sehr präzise Mikrostruktur oder Nut mit einer Breite und Tiefe im Mikrometerbereich erzielt werden, darunter auch Nuten mit einer größeren Tiefe als Breite.
In einer Ausführungsform sind die Substratschicht, die Pufferschicht und/oder die Hochtemperatursupraleitschicht insbesondere in genau der eingangs genannten Reihenfolge des erfindungsgemäßen Füllstandssensors vorzugsweise unmittelbar aufeinander abgeschieden, also durch ein Abscheidungsverfahren grundsätzlich eine Schicht nach und auf der anderen erzeugt.
Eine besonders zuverlässige Funktion und eine kompakte Bauweise kann so ermöglicht werden.
Insbesondere ist das Sensorelement bandförmig, d.h. länger als breit und breiter als dünn. Breite ist dabei in Querrichtung zur Längserstreckung des Sensorelements gemessen und die Dicke senkrecht zur flächigen Ebene einer Materialschicht, z.B. der Substratschicht, des Sensorelements.
Ein bandförmiges Sensorelement ermöglicht ein einfaches Handling und ein platzsparendes Anbringen in einem Kryogenbehälter.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Füllstandssensors, bei dem die Substratschicht, die Pufferschicht und/oder die Hochtemperatursupraleitschicht insbesondere in genau dieser Reihenfolge vorzugsweise unmittelbar aufeinander abgeschieden wird, insbesondere mittels Sputtern.
Ein Füllstandssensor kann so mit besonders geringem Herstellungsaufwand und zuverlässiger Funktionsweise bereitgestellt werden.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird anschließend eine Mikrostruktur durch einen Laserstrahl in die Hochtemperatursupraleitschicht – vorzugsweise aber nicht in die Pufferschicht oder Substratschicht – eingebracht.
Das Laserstrahlabtragungsverfahren oder Laserablationsverfahren zum Einbringen einer Mikrostruktur durch einen Laserstrahl in die Hochtemperatursupraleitschicht wird vorzugsweise so durchgeführt, dass der Laserstrahl nur bis zur Oberfläche der Pufferschicht Material der darüber liegenden Schichten abträgt. Eine besondere hohe Isolierungswirkung zwischen Hochtemperatursupraleitschicht und Substratschicht kann so ermöglicht werden.
Insbesondere kann die Mikrostruktur jedoch nicht nur durch die Hochtemperatursupraleitschicht, sondern auch – insbesondere zum Teil, einem geringen Teil, einem überwiegenden Teil oder entlang der gesamten Mikrostruktur bzw. Mikrostrukturkontur – in oder durch die Pufferschicht reichen, d.h. die Pufferschicht kann grundsätzlich teilweise oder komplett in Querschnittsrichtung durch die Mikrostruktur durchtrennt sein bzw. durch den Laserstrahl durchtrennt werden. Eine zuverlässige Funktion des Sensors kann auch in dieser Ausführungsform gewährleistet werden, insbesondere selbst dann, wenn die Mikrostruktur bzw. der Laserstrahl bis in die Substratschicht hinein reicht. Ein Füllstandssensor kann so mit besonders geringem Herstellungsaufwand bereitgestellt werden. Besonders vorteilhaft kann diese Ausführungsform in Verbindung mit einer dünnen Pufferschicht, typischerweise im einstelligen Mikrometerbereich, z.B. näherungsweise 1 µm, umgesetzt werden.
Ein getrenntes Betreiben eines Heizstromkreises und eines Messstromkreises kann so ermöglicht werden und gleichzeitig eine besonders hohe Messauflösung erzielt werden.
Ein weiterer Aspekt betrifft eine Verwendung des erfindungsgemäßen Füllstandssensors zur Messung des Füllstandes insbesondere in einem Kryogenbehälter von flüssigem Stickstoff insbesondere mit einem Siedepunkt von 77 K, flüssigem Argon insbesondere mit einem Siedepunkt von 87 K und/oder flüssigem Sauerstoff insbesondere mit einem Siedepunkt von 90 K.
Eine besonders zuverlässige und störungsunanfällige Füllstandsmessung mit besonders hoher Messauflösung kann so ermöglicht werden.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Merkmale des Ausführungsbeispiels können einzeln oder in einer Mehrzahl mit dem beanspruchten Gegenstand kombiniert werden.
Es zeigt:
1: Schematische Querschnittsdarstellung des Schichtaufbaus eines Sensorelements eines exemplarischen erfindungsgemäßen Füllstandssensors.
2: Schematische Darstellung eines exemplarischen erfindungsgemäßen Füllstandssensors mit Heizstromkreis und Messstromkreis sowie einem Sensorelement mit Mikrostruktur.
3: Schematische Darstellung eines exemplarischen erfindungsgemäßen Füllstandssensors mit U-förmigem Sensorelement und U-förmig mikrostrukturierter Hochtemperatursupraleitmessstrecke mit getrenntem Heizstromkreis und Messstromkreis.
4: Schematische Darstellung eines exemplarischen erfindungsgemäßen Füllstandssensors mit U-förmigem Sensorelement und geschlängelt mikrostrukturierter Hochtemperatursupraleitmessstrecke.
5: Schematische Darstellung eines Kryogenbehälters mit Füllstandssensor nach dem Stand der Technik.
6: Schematische Darstellung eines exemplarischen erfindungsgemäßen Füllstandssensors mit U-förmigem Sensorelement und U-förmig mikrostrukturierter Hochtemperatursupraleitmessstrecke mit elektrisch in Reihe geschaltetem Heizstromkreis und Messstromkreis.
Die 1 zeigt den Aufbau des vorzugsweise bandförmigen Sensorelements 9. In diesem Ausführungsbeispiel ist als erste Schicht eine Substratschicht 1 als Trägerschicht vorzugsweise aus einem insbesondere hochfesten Edelstahl oder Eisen-Nickel-Legierungen eingesetzt. Dieses Substrat hat primär die Aufgabe, die mechanische Stabilität der Hochtemperatursupraleitschicht 3 und des gesamten Sensorelements 9 zu gewährleisten.
Auf die Substratschicht 1 wird grundsätzlich unmittelbar eine dünne Pufferschicht 2 aufgebracht und zwar insbesondere mittels eines Abscheidungsverfahrens. Die Pufferschicht 2 kann optional zwei unterschiedliche, aufeinanderliegende Schichten mit unterschiedlichen Materialien umfassen oder daraus bestehen, die in der Regel in gleicher Weise durch ein Abscheidungsverfahren erzeugt werden.
Auf diese Pufferschicht 2, grundsätzlich unmittelbar darauf, wird vorzugsweise mit einem Abscheidungsverfahren und in der Regel anschließendem Tempern die Hochtemperatursupraleitschicht 3 aufgebracht, die vorzugsweise ein keramisches Material umfasst oder daraus besteht.
Auf die Hochtemperatursupraleitschicht 3, grundsätzlich unmittelbar darauf, wird vorzugsweise mit einem Abscheidungsverfahren eine dünne elektrisch leitfähige Stabilisierungsschicht, insbesondere eine Metallschicht, vorzugsweise eine Silberschicht 4, aufgebracht oder abgeschieden. Diese trägt zur Stabilisierung der Hochtemperatursupraleitschicht 3 bei Temperaturen oberhalb der Sprungtemperatur bei. Denn oberhalb der Sprungtemperatur befindet sich die Hochtemperatursupraleitschicht 3 im normalleitenden Zustand und weist daher einen hohen elektrischen Widerstand auf. Eine elektrisch leitfähige Stabilisierungsschicht kann den Messstrom aufgrund des grundsätzlich geringeren Widerstands der Stabilisierungsschicht gegenüber der Hochtemperatursupraleitschicht 3 im normalleitenden Zustand weiterleiten und so der Gefahr eines Durchbrennens der Hochtemperatursupraleitschicht 3 an dieser Stelle entgegenwirken. Der Messstrom kann also gewissermaßen auf die Stabilisierungsschicht ausweichen.
Während üblicherweise bei HTSL-Leitern für supraleitende Magnete oder zum Stromtransport eine in der Regel dicke Kupferschicht zusätzlich zu einer regelmäßig dünnen Silberschicht bei dem Sensorelement 9 zur Stabilisierung erforderlich ist, kann durch Vorsehen eines von einem Heizstrom I_H unabhängigen Messstroms I_M, insbesondere eines geringen Messstroms, eine solche Kupferschicht bei dem erfindungsgemäßen Füllstandssensor eingespart werden, weil dann die Silberschicht zur Stabilisierung ausreichen kann.
Insbesondere kann durch das vorsehen einer Stabilisierungsschicht mit einer Dicke kleiner als die übrigen Schichten des Sensorelements 9, vorzugsweise kleiner als 1 µm, ein elektrischer Widerstand der Stabilisierungsschicht oder eine Widerstandsänderung pro Längeneinheit erhalten werden, welcher hinreichend groß ist, um ein besonders präzises Messen des Füllstandes zu ermöglichen.
Insbesondere kann bei dem Sensorelement 9 eine vorzugsweise nutförmige Mikrostruktur 5 eingebracht werden, um die Querschnittsfläche der Stabilisierungsschicht zu verringern und dadurch eine Widerstandsänderung pro Längeneinheit so zu vergrößern, dass eine besonders präzise Messung des Füllstands ermöglicht werden kann.
Wie in 2 gezeigt kann eine solche Mikrostruktur 5, die sich insbesondere nur in die Stabilisierungsschicht und die Hochtemperatursupraleitschicht 3 erstreckt (siehe 1), eine Hochtemperatursupraleitmessstrecke 8 erzeugen, die elektrisch von der Substratschicht 1 isoliert ist und eine geringere, durch die Mikrostruktur 5 abgetrennte Oberfläche aufweist als die Gesamtoberfläche des Sensorelements 9 oder der Stabilisierungsschicht.
Daher ermöglicht das Vorsehen einer Mikrostruktur 5, die sich von der Substratschicht 1 gegenüberliegenden Oberfläche bis zur isolierenden Pufferschicht 2 erstreckt (siehe 1), aber diese nicht durchtrennt, das Erzeugen verschieden geformter und/oder langer Hochtemperatursupraleitmessstrecken 8. Beispiele hierfür sind in den 3 und 4 dargestellt und werden im Folgenden ebenfalls näher erläutert.
Vorzugsweise wird eine Mikrostruktur durch einen Laserstrahl erzeugt, insbesondere mit einem Faserlaser. Eine Schnittbreite von mindestens 10 µm und/oder höchstens 30 µm, vorzugsweise ungefähr 20 µm, erlauben nutenförmige Mikrostrukturen 5 zu erzeugen, welche die durch die Mikrostruktur 5 getrennten Bereiche der Hochtemperatursupraleitschicht 3 und/oder der Stabilisierungsschicht elektrisch voneinander isolieren können.
Die so erzeugte Mikrostruktur 5 weist vorzugsweise eine Tiefe von mindestens 10 µm und/oder höchstens 100 µm auf.
Insbesondere beträgt die Breite einer mikrostrukturierten Hochtemperatursupraleitmessstrecken 8, also in Querrichtung 7 gemessen, mindestens 30 µm, bevorzugt mindestens 40 µm, besonders bevorzugt mindestens 50 µm, und/oder höchstens 500 µm, bevorzugt höchstens 300 µm, besonders bevorzugt höchstens 100 µm.
Alternativ kann auch ein Ätzverfahren zur Mikrostrukturierung eingesetzt werden. Das Einbringen einer thermischen Energie wie etwa bei der Laserablation kann so vermieden werden.
Die 3 zeigt ein längliches, bandförmiges Sensorelement 9, welches in Längsrichtung 6 geschlitzt ist, vorzugsweise mittig in Querrichtung 7. Dadurch kann besonders einfach Heizstrom durch die Substratschicht 1 geleitet werden, um den Supraleiter im Gasraum 16 oberhalb des Flüssigkeitsspiegels des kryogenen Mediums zu quenchen. Der materialspezifische elektrische Widerstand der Substratschicht 1 ermöglicht eine flächige, gleichmäßige und schnelle Erwärmung des Sensorelements 9 über die gesamte Länge. Die Störanfälligkeit kann so reduziert werden. Eine Reduzierung der eingebrachten Energie und somit eine Verringerung der Verluste an kryogener Flüssigkeit kann ferner ermöglicht werden.
Durch die isolierende Pufferschicht 2 können der Heizstromkreis 12 und der Messstromkreis 11 unabhängig voneinander eingestellt und optimiert werden. Die Zuleitungen für den Messstrom werden auf der Stabilisierungsschicht, insbesondere Silberschicht 4, vorzugsweise mittels Lötfahnen 10 kontaktiert. Die Zuleitungen für den Heizstrom werden auf der gegenüberliegenden Substratseite, also der Oberfläche der Substratschicht 1, kontaktiert.
Die 6 zeigt das bandförmige Sensorelement 9 aus 3 in einer Abwandlung, bei welcher der Heizstromkreis 12 und der Messstromkreis 11 in Reihe geschaltet sind und der Strom zunächst den Heizstromkreis 12 durchfließt und an der Lötfahne 10 auf den Messstromkreis 11 übergeht und anschließend diesen durchfließt. Es wird daher nur eine einzige Stromquelle I statt der beiden Stromquellen I_M und I_H aus 3 benötigt.
Die 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem ein bandförmiges Sensorelement 9 durch einen mittigen Schlitz U-förmig ist und mittig entlang des U-förmigen, bandförmigen Sensorelements 9 eine ebenfalls U-förmig mikrostrukturierte Hochtemperatursupraleitmessstrecke 8 eingebracht ist. Verglichen zur einfachen Länge des Sensorelements 9, d.h. der äußere Abstand in Längsrichtung 6, kann die Länge der Hochtemperatursupraleitmessstrecke 8 durch die U-Form vergrößert und damit die Auflösung des Messergebnisses verbessert werden.
Die 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem ein bandförmiges Sensorelement 9 insbesondere durch einen mittigen Schlitz vorzugsweise U-förmig ist und durch in Querrichtung 7 beabstandete Längsnuten als Mikrostruktur 5, die in Längsrichtung 6 kürzer sind als die insbesondere einfache Länge des Sensorelements 9 und abwechselnd an gegenüberliegenden Seiten des Sensorelements 9 angrenzen, eine geschlängelte Hochtemperatursupraleitmessstrecke 8 bilden. Eine besonders lange Hochtemperatursupraleitmessstrecke 8 in Relation zur Gesamtoberfläche des Sensorelements 9 und damit eine besonders präzise Messgenauigkeit kann so erzielt werden.
Die Mikrostruktur 5 der 5 kann insbesondere auch derart beschrieben werden, dass durch die Mikrostruktur 5, insbesondere gerade Längsnuten, gespiegelt ineinander verschachtelte oder gespiegelt ineinandergreifende U-Formen eine S-förmige oder schlangenförmige Hochtemperatursupraleitmessstrecke 8 erzeugen. Insbesondere werden die U-Formen durch einen äußeren Rand des Sensorelements 9 und/oder der Mikrostruktur 5, insbesondere gerade Längsnuten, gebildet.
Wie in 5 in der Vergrößerung illustriert kann so ein Messstrom um längsverlaufende Mikrostrukturen 5 herumgeführt werden und so die Länge der von dem Messstrom zu durchfließenden Hochtemperatursupraleitmessstrecke 8 vergrößert werden. Ebenfalls wird so ein flexibles und einfaches Festlegen der Länge der Hochtemperatursupraleitmessstrecke 8 ermöglicht.
Das Sensorelement 9 weist in der Regel eine Breite von mindestens 2 mm, bevorzugt mindestens 4 mm, besonders bevorzugt mindestens 8 mm, und/oder höchstens 50 mm, bevorzugt 30 mm, besonders bevorzugt 16 mm auf. Ein robuster Füllstandssensor kann so bereitgestellt werden.
Insbesondere weist die Substratschicht 1 die größte Schichtdicke verglichen mit der Pufferschicht, Hochtemperatursupraleitschicht 3 und Stabilisierungsschicht auf. Ein mechanisch stabiles Sensorelement 9 kann so bereitgestellt werden.
Vorzugsweise umfasst oder besteht die Substratschicht aus Edelstahl oder Eisen-Nickel-Legierungen, z.B. Hastelloy^®. Ein einfach beheizbares, einfach herstellbares und mechanisch elastisch stabiles Sensorelement 9 kann so bereitgestellt werden.
Die Pufferschicht 2 ist dünner als die Substratschicht 1 und vorzugsweise dünner als die Hochtemperatursupraleitschicht 3. Die Schichtdicke der Pufferschicht 2 ist mindestens 0,2 µm, bevorzugt mindestens 0,5 µm, besonders bevorzugt mindestens 0,8 µm, und/oder höchstens 10 µm, bevorzugt höchstens 5 µm, besonders bevorzugt höchstens 2 µm. In einer Ausführungsform beträgt die Schichtdicke der Pufferschicht 2 ungefähr 1 µm. Eine hinreichende Wärmeleitung bei gleichzeitig hinreichender elektrischer Isolation kann so ermöglicht werden.
Insbesondere umfasst oder besteht die Pufferschicht 2 aus einem keramischen Material, vorzugsweise MgO. Eine hinreichende Wärmeleitung bei gleichzeitig hinreichender elektrischer Isolation kann so ermöglicht werden.
Die Hochtemperatursupraleitschicht 3 weist eine Dicke von mindestens 0,2 µm, bevorzugt mindestens 0,5 µm, besonders bevorzugt mindestens 1 µm, und/oder höchstens 10 µm, bevorzugt höchstens 5 µm, besonders bevorzugt höchstens 3 µm auf. Eine zuverlässige Messung und einfache Herstellbarkeit kann so ermöglicht werden.
Insbesondere umfasst oder besteht die Hochtemperatursupraleitschicht 3 vorzugsweise aus Yttrium-Barium-Kupferoxid (YBCO), vorzugsweise mit einer Sprungtemperatur von ungefähr 92 K oder GdBa₂Cu₃O₇ (GdBCO) vorzugsweise mit einer Sprungtemperatur von ungefähr 93 K. Ein Messen des Füllstands der kryogenen Flüssigkeiten Stickstoff mit einem Siedepunkt von ungefähr 77 K, Argon mit einem Siedepunkt von ungefähr 87 K und/oder Sauerstoff mit einem Siedepunkt von ungefähr 90 K kann so besonders zuverlässig und präzise mithilfe des erfindungsgemäßen Füllstandssensors ermöglicht werden.
Insbesondere umfasst oder besteht die Stabilisierungsschicht aus Silber oder einer Silberschicht 4. Eine präzise Messung und robuste Funktionsweise des Füllstandssensors kann so erzielt werden.
Vorzugsweise ist die Stabilisierungsschicht mindestens 5 µm, besonders bevorzugt 10 µm, und/oder höchstens 30 µm, bevorzugt höchstens 20 µm, dick. Eine präzise Messung und robuste Funktionsweise des Füllstandssensors kann so erzielt werden.
Insbesondere sind die Substratschicht 1, Pufferschicht 2, Hochtemperatursupraleitschicht 3 und/oder Stabilisierungsschicht mittels eines Abscheidungsverfahrens, vorzugsweise Sputtern, hergestellt. Bei der Pufferschicht 2 und/oder der Hochtemperatursupraleitschicht 3 ist vorzugsweise ein anschließendes Tempern vorgesehen.
Mit Abscheidungsverfahren ist insbesondere ein physikalisches Gasphasenabscheidungsverfahren gemeint. Alternativ kann grundsätzlich auch ein chemisches Gasphasenabscheidungsverfahren eingesetzt werden.
Bevorzugt wird jedoch als physikalisches Gasphasenabscheidungsverfahren Sputtern eingesetzt, um die Schichten des Sensorelements 9 zu erzeugen bzw. abzuscheiden. Möglich wäre ebenfalls eine Herstellung mittels Verdampfungsverfahren wie z.B. thermisches Verdampfen, Elektronenstrahlverdampfen, Laserstrahlverdampfen, Lichtbogenverdampfen oder Molekularstrahlepitaxie.
In einer Ausführungsform weist das Sensorelement 9 eine zusätzliche Trägerschicht umfassend oder bestehend aus Glasfaserverstärktem Kunststoff auf. Ein besonders robustes und dennoch leichtes Sensorelement 9 kann so bereitgestellt werden.
In einer Ausführungsform umfasst das Sensorelement 9 ein Trägerrohr umfassend oder bestehend aus Glasfaserverstärktem Kunststoff. Ein besonders robustes und nach außen geschütztes Sensorelement 9 kann so erhalten werden.
Insbesondere ist die Trägerschicht oder das Trägerrohr vorzugsweise unmittelbar unterhalb der Substratschicht 1 angeordnet. Ein kompaktes Sensorelement 9 kann so bereitgestellt werden.
Insbesondere ist die äußere Oberfläche der Hochtemperatursupraleitschicht 3 die äußerste Schicht des Sensorelements 9, welche grundsätzlich unmittelbar mit der Umgebung in Kontakt tritt. Dadurch kann die Hochtemperatursupraleitschicht 3 unmittelbar vom flüssigen Kryogen umspült und besonders zuverlässig trotz eines Heizens supraleitend sein oder bleiben.
In einer alternativen Ausgestaltung kann zum Schutz der Hochtemperatursupraleitschicht 3 und/oder einer anderen Schicht das Sensorelement 9 teilweise, vorzugsweise im unteren Drittel oder der unteren Hälfte, oder an der gesamten Außenoberfläche oder die Hochtemperatursupraleitschicht 3 bedeckend zusätzlich mit einer Schutzschicht versehen sein.
Insbesondere kommt bei dem erfindungsgemäßen Füllstandssensor eine 4-Draht-Methode zur Eliminierung der Widerstände der Zuleitung und Ableitung des Messstromkreises 11 zum Einsatz. Dazu kann die Hochtemperatursupraleitschicht 3 elektrisch über eine Vierleiter-Verdrahtung angeschlossen werden. Dies erfolgt grundsätzlich derart, dass vorzugsweise im Anfangsbereich der Hochtemperatursupraleitmessstrecke 8 genau zwei Zuleitungen oder zwei Drähte an die Hochtemperatursupraleitschicht 3 elektrisch angeschlossen werden und/oder im Endbereich der Hochtemperatursupraleitmessstrecke 8 genau zwei Ableitungen oder zwei weitere Drähte an die Hochtemperatursupraleitschicht 3 elektrisch angeschlossen werden.
Über die zwei Zuleitungen bzw. zwei Drähte wird der Messstrom I_M der Hochtemperatursupraleitschicht 3 zugeführt, während die zwei Ableitungen bzw. zwei weiteren Drähte zur Messung der Spannung U_M bzw. des Spannungsabfalls und damit zur Messung des elektrischen Widerstands der Hochtemperatursupraleitmessstrecke 8 genutzt werden. Durch die Vierleiter-Verdrahtung kann so störenden Einflüssen der Zuleitungen entgegengewirkt oder diese gänzlich ausgeschaltet werden.
Ein elektrisches Anschließen der Zuleitung und Ableitung bzw. eines Drahts und eines weiteren Drahts an der Hochtemperatursupraleitschicht 3 kann auch indirekt durch ein unmittelbares Anschließen oder Anlöten an der Stabilisierungsschicht, insbesondere Silberschicht 4, erfolgen. Alternativ ist auch ein unmittelbares Anschließen oder Anlöten an der Hochtemperatursupraleitschicht 3 grundsätzlich möglich.
Insbesondere erfolgt die Messung wie folgt:
Um die Lage der Flüssigkeitsoberfläche des Kryogens in flüssiger Phase zu bestimmen, wird das Sensorelement 9 oder genauer die Substratschicht 1 durch einen Heizstrom beheizt und gleichzeitig oder zeitlich versetzt ein insbesondere konstanter Messstrom an die Hochtemperatursupraleitmessstrecke 8 angelegt. Infolge dessen wird die Hochtemperatursupraleitschicht 3 über die Gesamtlänge 18 des Sensorelements 9 beheizt.
Jedoch führt dieses Beheizen lediglich in dem im Gasraum befindlichen Teil des Sensorelements 9 zu einer effektiven Temperaturerhöhung der Hochtemperatursupraleitschicht 3 infolge der Wärmeleitung durch die Pufferschicht 2, wodurch die Hochtemperatursupraleitschicht 3 in diesem Teil normalleitend wird und der Messstrom in der Regel auf die Stabilisierungsschicht aufgrund dessen geringeren Widerstands verglichen mit der normalleitenden Hochtemperatursupraleitschicht 3 ausweicht. Grundsätzlich kann also der messbare elektrische Widerstand in diesem Teil ausschließlich oder näherungsweise ausschließlich von der Stabilisierungsschicht abhängen.
Da der Eintauchteil 17, also der Abschnitt des Sensorelements 9 im Flüssigkeitsbereich 15, d.h. der von flüssigem Kryogen unmittelbar umgebene Abschnitt des Sensorelements 9, durch das flüssige Kryogen jedoch trotz des Beheizens durch die Substratschicht 1 unter die Sprungtemperatur der Hochtemperatursupraleitschicht 3 gekühlt wird, ist die Hochtemperatursupraleitschicht 3 supraleitend. Der elektrische Widerstand in diesem Abschnitt ist daher sehr gering oder nahezu Null gegenüber dem sich im Gasraum befindlichen Teil des Sensorelements 9. Der Messstrom fließt im Eintauchteil 17 nahezu ausschließlich über die Hochtemperatursupraleitschicht 3.
Der über den Messstromkreis 11 ermittelte Gesamtwiderstand kann daher als ein Maß für die Länge des Eintauchteil 17 bzw. den im Flüssigkeitsbereich 15 befindlichen Teil der Hochtemperatursupraleitmessstrecke 8 zur Berechnung der Position der Flüssigkeitsoberfläche im Kryogenbehälter 19 herangezogen und ausgewertet werden.
Dabei kann in der Regel ein lineares Verhältnis zwischen der Länge des Eintauchteils 17 zum Gesamtwiderstand erhalten werden, was ein besonders einfaches und zuverlässiges Ermitteln des Füllstandes ermöglicht.
Das Sensorelement ist vorzugsweise im Wesentlichen vertikal oder zumindest von einem oberen Bereich zu einem unteren Bereich in einem Kryogenbehälter 19 angeordnet, wobei die Richtungen oben und unten in Gravitationsrichtung gemeint sind.
In den 2, 3 und 4 sind jeweils eine erste Stromquelle für den Heizstrom I_H des Heizstromkreises 12 und eine zweite Stromquelle zum Generieren des Spannungsabfalls der Messspannung U_M über die Hochtemperatursupraleitschicht 3 des Messstromkreis 11 mit dem Messstrom I_M schematisch abgebildet.
Die 5 zeigt einen Kryogenbehälter 19 mit einem Füllstandssensor nach dem Stand der Technik, bei dem ein Heizelement 14 im Gasraum 16 im oberen Bereich eines Sensorelements 9 angeordnet ist, um den sich von oben nach unten vollziehenden Quench-Prozess zur Erwärmung eines Supraleiters einzuleiten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2003/0177826 A1 [0002]
US 7841235 B2 [0002]

Claims

Füllstandssensor für kryogene Flüssigkeiten umfassend ein längliches Sensorelement (9) mit einer Hochtemperatursupraleitschicht (3), dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (9) eine elektrisch leitende Substratschicht (1) umfasst, die durch eine wärmeleitende aber elektrisch isolierende Pufferschicht (2) mit der Hochtemperatursupraleitschicht (3) verbunden ist, so dass ein an die Substratschicht (1) angeschlossener Heizstromkreis (12) die Hochtemperatursupraleitschicht (3) erwärmen kann und ein Füllstand durch einen an die Hochtemperatursupraleitschicht (3) angeschlossenen Messstromkreis (11) ermittelt werden kann.
Füllstandssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizstromkreis (12) und der Messstromkreis (11) voneinander elektrisch getrennt sind.
Füllstandssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizstromkreis (12) und der Messstromkreis (11) elektrisch in Reihe angeordnet sind.
Füllstandssensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (9) eine durch eine Mikrostruktur (5) begrenzte Hochtemperatursupraleitmessstrecke (8) aufweist und/oder durch die Substratschicht (1) erwärmt werden kann.
Füllstandssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostruktur (5) einen elektrisch isolierenden Spalt in die Hochtemperatursupraleitschicht (3) einbringt.
Füllstandssensor nach einem der zwei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die durch eine Mikrostruktur (5) erzeugte oder ausgeschnittene Hochtemperatursupraleitmessstrecke (8) U-förmig ist.
Füllstandssensor nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine geschlängelte, S-förmige und/oder verschachtelte Hochtemperatursupraleitmessstrecke (8) insbesondere durch geradlinige und/oder jeweils nur zu einer Seite in einen Außenrand des Sensorelements auslaufende Mikrostrukturen (5) erzeugt wurde.
Füllstandssensor nach einem der vier vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostruktur (5) durch einen Laserstrahl erzeugt wurde.
Füllstandssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Substratschicht (1), die Pufferschicht (2) und/oder die Hochtemperatursupraleitschicht (3) insbesondere in genau der in Anspruch 1 genannten Reihenfolge vorzugsweise unmittelbar aufeinander abgeschieden wurden.
Verfahren zur Herstellung eines Füllstandssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Substratschicht (1), die Pufferschicht (2) und/oder die Hochtemperatursupraleitschicht (3) insbesondere in genau dieser Reihenfolge vorzugsweise unmittelbar aufeinander abgeschieden wird, insbesondere mittels Sputtern.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mikrostruktur (5) durch einen Laserstrahl in die Hochtemperatursupraleitschicht (3) eingebracht wird.
Verwendung des Füllstandssensors nach einem der vorherigen Ansprüche 1–9 zur Messung des Füllstandes von flüssigem Stickstoff, flüssigem Argon und/oder flüssigem Sauerstoff.