DE102017206810A1

DE102017206810A1 - Leiterelement mit supraleitendem Bandleiter sowie Spuleneinrichtung

Info

Publication number: DE102017206810A1
Application number: DE102017206810.8A
Authority: DE
Inventors: Anne Bauer; Hans-Peter Krämer; Peter Kummeth; Manfred Wohlfart
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2017-04-24
Filing date: 2017-04-24
Publication date: 2018-10-25
Also published as: WO2018197426A1

Abstract

Es wird ein supraleitendes Leiterelement (1) angegeben, umfassend
- einen langgestreckten Bandleiter (3) mit wenigstens einem ersten Trägersubstrat (17a) und einer auf einer ersten Oberfläche (30) des ersten Trägersubstrats (17a) aufgebrachten ersten supraleitenden Schicht (19a) und
- wenigstens eine aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildete Hülse (5), welche den Bandleiter (3) in einem Endbereich (7) umgibt,
- wobei die Hülse (5) durch ein elektrisch leitfähiges Verbindungsmittel (9) fest mit dem Bandleiter (3) verbunden ist
- und wobei die Hülse (5) zusammen mit dem leitfähigen Verbindungsmittel (9) den Endbereich (7) des Bandleiters (3) im Wesentlichen vollständig umschließt.
Weiterhin wird eine supraleitende Spuleneinrichtung (11) mit einer Spulenwicklung (13) aus einem derartigen supraleitenden Leiterelement (1) angegeben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein supraleitendes Leiterelement, welches einen langgestreckten Bandleiter mit wenigstens einem ersten Trägersubstrat und einer auf einer ersten Oberfläche des ersten Trägersubstrats aufgebrachten ersten supraleitenden Schicht umfasst. Weiterhin betrifft die Erfindung eine supraleitende Spuleneinrichtung mit einer Spulenwicklung aus einem derartigen supraleitenden Leiterelement.
Bei herkömmlichen supraleitenden Spuleneinrichtungen, welche mit Wicklungen aus supraleitenden Bandleitern gebildet sind, werden die elektrischen Kontaktierungen zur Verbindung mit einem übergeordneten elektrischen Stromkreis typischerweise in den Endbereichen der langgestreckten Bandleiter angebracht. Zur Ausbildung einer solchen elektrischen Kontaktierung werden typischerweise Kontaktelemente beispielsweise in Form von festen Kupferblöcken in einem endnahen Bereich des Bandleiters gegen eine seiner Hauptoberflächen gedrückt.
Der supraleitende Bandleiter weist typischerweise eine vergleichsweise dünne supraleitende Schicht mit einer Schichtdicke im Mikrometerbereich auf, welche auf einem metallischen Substrat abgeschieden ist. Dieses Trägersubstrat bestimmt wesentlich die mechanischen Eigenschaften des Bandleiters, da es einen großen Teil des Volumens des Bandleiters ausmacht. Zwischen Trägersubstrat und supraleitender Schicht können hierbei optional weitere Zwischenschichten vorgesehen sein, beispielsweise eine oder mehrere oxidische Pufferschichten, welche das Wachstum der Supraleiterschicht positiv beeinflussen können. Zusätzlich kann der Aufbau aus Trägersubstrat und supraleitender Schicht von einer normalleitenden Schicht abgedeckt oder umhüllt sein. Eine solche Schicht wird in der Fachwelt oft auch als Shuntschicht bezeichnet und kann der elektrischen und/oder thermischen Stabilisierung dienen. Allgemein (und unabhängig von dem optionalen Vorliegen von Zwischenschicht(en) und/oder Shuntschicht(en)) handelt es sich also um einen laminierten Bandleiter, wobei unter dem Begriff „laminiert“ hier verstanden werden soll, dass der Bandleiter wenigstens zwei flächige Schichten aufweist, welche flächig fest miteinander verbunden sind - es liegt also ein Laminat aus wenigstens dem Trägersubstrat und der Supraleiterschicht vor.
Wenn ein solcher Bandleiter wie oben beschrieben über ein Kontaktelement elektrisch kontaktiert wird, kann entweder eine freiliegende supraleitende Schicht direkt kontaktiert werden oder es kann - was häufiger vorkommt - eine Kontaktierung der außen liegenden Shuntschicht durch das Kontaktelement erfolgen. In jedem Fall liegt typischerweise eine flächige Verbindung zwischen einer planen Oberfläche des Kontaktelements und einer außenliegenden Schicht des laminierten Schichtsystems vor. Wie oben beschrieben, wird ein solcher Kontakt meist in der Nähe eines Leiterendes angebracht. Das Leiterende selbst wird meist dadurch geschaffen, dass ein längerer Bandleiter (z.B. von einer Vorratsrolle) auf eine gewünschte Länge zugeschnitten wird. Die so gebildete Schnittkante stellt dann den äußersten endseitigen Bereich des Bandleiters dar.
Um den supraleitenden Bandleiter beim Betrieb auf eine Temperatur unterhalb der Sprungtemperatur des supraleitenden Materials zu kühlen, wird häufig ein fluides und insbesondere flüssiges kryogenes Kühlmittel eingesetzt. Hierbei kann es sich beispielsweise um flüssigen Stickstoff, flüssigen Wasserstoff, flüssiges Neon oder flüssiges Helium handeln. Für eine besonders effektive Kühlung kann hierzu der supraleitende Bandleiter direkt von dem flüssigen Kühlmittel umspült werden.
Es hat sich als problematisch bei dieser Art von Kühlung herausgestellt, dass beim Betrieb der supraleitenden Einrichtung häufig Schädigungen des Bandleiters im Bereich der von Kühlmittel umspülten Schnittkante auftreten. Dies liegt daran, dass im Bereich der Schnittkante des Laminats besonders leicht Kühlmittel zwischen die Schichten des laminierten Schichtsystems eindringen kann. Durch das Zuschneiden eines vorgefertigten längeren Leiterbandes wird nämlich der Schichtverbund im Bereich der Schnittkante geschwächt. Hierdurch ist im Bereich der Schnittkante ein leichteres Eindringen von Kühlmittel zwischen die laminierten Schichten möglich als im Bereich der Seitenkanten des Bandleiters. Insbesondere beim Vorliegen einer umhüllenden Shuntschicht kann diese im Bereich der Seitenkanten das Schichtsystem vor dem Eindringen von Kühlmittel schützen, während im Bereich der Schnittkante der Schichtstapel offen liegt und nicht durch die Shuntschicht geschützt ist. Wenn flüssiges Kühlmittel dann von der Schnittkante aus in den Schichtstapel eindringt, kann es hier innerhalb des Schichtsystems zu einer Verdampfung des Kühlmittels und dadurch zu einer Blasenbildung kommen, durch die der Schichtaufbau geschädigt wird. Mit anderen Worten kann es durch diesen Effekt in den Endbereichen des Bandleiters leicht zu einer Delamination des Schichtsystems kommen. Hierdurch können die mechanischen und/oder elektrischen - und vor allem die supraleitenden - Eigenschaften des Bandleiters dauerhaft beeinträchtigt werden. Die Schnittkanten des Bandleiters sind also besonders empfindlich gegenüber vorzeitigem Verschleiß. Eine weitere Ursache für diesen vorzeitigen Verschleiß kann neben dem Eindringen von flüssigem Kühlmittel in das Schichtsystem auch das Entweichen von Material aus dem Schichtsystem in die Umgebung sein. Beispielsweise kann bei einem oxidischen Supraleiter eine Schädigung durch das Entweichen von Sauerstoff auftreten.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein supraleitendes Leiterelement anzugeben, welches die genannten Nachteile überwindet. Insbesondere soll ein Leiterelement zur Verfügung gestellt werden, welches besonders robust gegenüber einer Degradation seiner elektrischen Eigenschaften ist. Eine weitere Aufgabe ist es, eine supraleitende Spuleneinrichtung mit den erwähnten Vorteilen anzugeben.
Diese Aufgaben werden durch das in Anspruch 1 beschriebene supraleitende Leiterelement und die in Anspruch 14 beschriebene supraleitende Spuleneinrichtung gelöst.
Das erfindungsgemäße supraleitende Leiterelement umfasst einen langgestreckten Bandleiter mit wenigstens einem ersten Trägersubstrat und einer auf einer ersten Oberfläche des ersten Trägersubstrats aufgebrachten ersten supraleitenden Schicht. Es umfasst ferner wenigstens eine aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildete Hülse, welche den Bandleiter in einem Endbereich umgibt. Dabei ist die Hülse durch ein elektrisch leitfähiges Verbindungsmittel fest mit dem Bandleiter verbunden. Die Hülse umschließt zusammen mit dem leitfähigen Verbindungsmittel den Endbereich des Bandleiters im Wesentlichen vollständig.
Mit anderen Worten liegt bei dem erfindungsgemäßen supraleitenden Leiterelement eine einseitig geschlossene Hülse vor, welche mit ihrer offenen Seite über den Endbereich des Bandleiters gesteckt ist. Dabei ist die Form und Größe der Hülse so ausgebildet, dass sie den Bandleiter umschließen kann. Der beim Aufstecken der Hülse verbleibende Zwischenraum zwischen Hülse und Bandleiter ist dann nachträglich mit dem elektrisch leitfähigen Verbindungsmittel so aufgefüllt, dass sich insgesamt eine Kapselung des Bandleiters in seinem Endbereich ergibt. Wesentlich im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist, dass diese Kapselung mit leitfähigem Material erfolgt, dass also sowohl die Hülse als auch das Verbindungsmittel elektrisch leitfähig sind.
Durch die Kapselung des Bandleiters in seinem Endbereich wird erreicht, dass ein hier offen liegender Schnittbereich vor dem Eindringen von Kühlmittel und/oder vor dem Entweichen von Bestandteilen des Schichtsystems geschützt wird. Durch die elektrisch leitfähige Ausgestaltung von Hülse und Verbindungsmittel werden dabei weitere Vorteile erzielt. Insbesondere können durch die elektrisch leitfähige Kapselung Feldüberhöhungen und damit elektrische Durchschläge im Endbereich des Bandleiters vermieden werden.
Diese beiden Vorteile - nämlich die Vermeidung von Materialaustausch sowie die Vermeidung von elektrischen Durchschlägen - werden bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung durch nur eine Maßnahme gemeinsam erzielt.
Die erfindungsgemäße supraleitende Spuleneinrichtung weist eine Spulenwicklung aus einem erfindungsgemäßen supraleitenden Leiterelement auf. Mit anderen Worten ist hier aus dem supraleitenden Bandleiter des erfindungsgemäßen supraleitenden Leiterelements eine Wicklung gebildet, wobei wenigstens ein Endbereich des Bandleiters auf die beschriebene Weise mittels Hülse und Verbindungsmittel gekapselt ist. Die Vorteile der erfindungsgemäßen Spuleneinrichtung ergeben sich dabei analog zu den beschriebenen Vorteilen des erfindungsgemäßen Leiterelements.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den von den Ansprüchen 1 und 14 abhängigen Ansprüchen sowie der folgenden Beschreibung hervor. Dabei können die beschriebenen Ausgestaltungen des Leiterelements und der Spuleneinrichtung vorteilhaft miteinander kombiniert werden.
So ist es prinzipiell im Rahmen der vorliegenden Erfindung ausreichend, wenn nur ein Leiterende des Bandleiters auf die beschriebene Weise mittels Hülse und Verbindungsmittel gekapselt ist. Es ist jedoch besonders vorteilhaft für die Vermeidung von Schädigungen, wenn sogar beide Endbereiche des Bandleiters auf die beschriebene Weise gekapselt sind. So können vor allem die nachträglich hergestellten Schnittkanten des Bandleiters besonders wirksam geschützt werden.
Bevorzugt weist die Hülse des Leiterelements eine abgerundete Außenkontur auf. Mit anderen Worten weist die Hülse in ihrem Außenbereich keine scharfen Kanten, sondern höchstens abgerundete Kanten auf. Insbesondere weist die Außenkontur der Hülse nur Kantenradien von wenigstens 0,3 mm auf. Ein wesentlicher Vorteil der beschriebenen abgerundeten Außenkontur ist, dass hierdurch Feldüberhöhungen und somit elektrische Durchschläge besonders wirksam vermieden werden können.
Beispielsweise kann der Bandleiter als solches im Längsprofil im Bereich seiner Schnittkante sehr scharfe Kanten aufweisen. Die innenliegende Aussparung der Hülse ist dann zweckmäßig auf diese Form des Bandleiters angepasst. Auf der Außenseite weist die Hülse dann aber vorteilhaft im Längsprofil nur abgerundete Kanten auf.
Der Bandleiter kann bevorzugt ein im Wesentlichen rechteckiges Querschnittsprofil aufweisen. Auch hier ist die innenliegende Aussparung der Hülse dann zweckmäßig an diese Querschnittsform des Bandleiters angepasst. Auch in Bezug auf das Querschnittsprofil weist die Hülse dann bevorzugt auf ihrer Außenseite nur abgerundete Kanten auf. Sie kann also beispielsweise auf ihrer äußeren Oberfläche ein rechteckiges Querschnittsprofil mit abgerundeten Ecken aufweisen.
Das Leiterelement kann bevorzugt so ausgestaltet sein, dass das elektrisch leitfähigen Verbindungsmittel im flüssigen Zustand zwischen der Hülse und dem Endbereich des Bandleiters eingebracht worden ist. Dies ist im fertigen Leiterelement daran erkennbar, dass im gesamten Innenraum der Hülse eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Verbindungsmittel und Hülse sowie auch zwischen Verbindungsmittel und Leiterende vorliegt. Im fertigen Zustand des Leiterelements ist das Verbindungsmittel dann fest. Durch die beschriebene Herstellung mit einem bei der Herstellung flüssigen Verbindungsmittel wird eine besonders feste Versiegelung der Kanten des Bandleiters im Endbereich erreicht.
Ein erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren zur Herstellung des Leiterelements umfasst also den Schritt des Einbringens von flüssigem Verbindungsmittel zwischen Bandleiter und Hülse sowie den nachfolgenden Schritt des Härtens des Verbindungsmittels.
Bevorzugt ist hierbei das elektrisch leitfähige Verbindungsmittel ein Lotmaterial. Mit einem metallischen Lot kann so auf besonders einfache Weise eine elektrisch leitfähige Verbindung mit einem bei der Herstellung verflüssigten Verbindungsmittel hergestellt werden.
Besonders bevorzugt ist ein solches Lotmaterial ein unterhalb von 250 °C schmelzendes Lot. Ein derart niedrigschmelzendes Lot ist zur Versiegelung von supraleitenden Bandleitern besonders vorteilhaft, da in diesem Temperaturbereich eine Schädigung des Supraleiters durch den Lötprozess vermieden werden kann. Besonders bevorzugt kann das Lotmaterial sogar unterhalb von 150 °C schmelzbar sein. Hierzu kann das Lotmaterial besonders bevorzugt eine niedrigschmelzende metallische Legierung, insbesondere eine indium- und/oder zinnhaltige Legierung sein. Besonders bevorzugt sind hierfür beispielsweise InSn-Legierungen und InAg-Legierungen.
Alternativ zu den genannten Lotmaterialien ist es jedoch auch möglich und unter Umständen vorteilhaft, wenn das elektrisch leitende Verbindungsmittel ein elektrisch leitfähiges Klebemittel ist. Ein solches Klebemittel kann beispielsweise ein gefüllter Epoxidklebstoff mit Silber oder ein Silberleitlack sein.
Das Material der Hülse weist bevorzugt eine spezifische elektrische Leitfähigkeit von wenigstens 10⁵ S/m auf. Besonders bevorzugt liegt die spezifische elektrische Leitfähigkeit sogar bei wenigstens 10⁶ S/m. Ein wesentlicher Vorteil von einem derart hoch leitfähigen Material der Hülse ist zum einen, dass hiermit Feldüberhöhungen besonders wirksam vermieden werden können. Ein weiterer Vorteil kann darin liegen, dass durch eine solche besonders leitfähige Hülse eine zusätzliche niederohmige Kontaktierung zwischen den beiden Hauptflächen des laminierten Bandleiters vermittelt werden kann. Dieser letztgenannte Vorteil ist insbesondere im Zusammenhang mit den weiter unten beschriebenen Laminaten mit wenigstens zwei supraleitenden Schichten relevant.
Besonders bevorzugt umfasst das Material der Hülse Kupfer. Dabei kann die Hülse insbesondere im Wesentlichen aus Kupfer oder einer kupferhaltigen Legierung bestehen. Vor allem hoch leitfähiges Kupfer eignet sich besonders für eine Kapselung, mit der zusätzlich eine elektrische Verbindung zwischen einzelnen Schichten des Schichtsystems geschaffen werden soll.
Die Hülse weist bevorzugt eine Wandstärke von wenigstens 1 mm auf. Besonders bevorzugt liegt die Wandstärke sogar bei wenigstens 2 mm, insbesondere zwischen 2 mm und 5 mm. Bei derart dicken Wandstärken, die insbesondere über die ganze Ausdehnung der Hülse derart hoch sind, kann besonders vorteilhaft eine niederohmige Verbindung zwischen einzelnen Schichten des Bandleiters mittels einer normalleitenden Hülse geschaffen werden. Dies ist insbesondere bei Supraleitern mit zwei supraleitenden Schichten vorteilhaft, bei denen sich die Substrate in der Mitte des Schichtaufbaus befinden.
Die supraleitende Schicht weist bevorzugt ein hochtemperatursupraleitendes Material auf. Hochtemperatursupraleiter (HTS) sind supraleitende Materialien mit einer Sprungtemperatur oberhalb von 25 K und bei einigen Materialklassen, beispielsweise den Cuprat-Supraleitern, oberhalb von 77 K, bei denen die Betriebstemperatur durch Kühlung mit anderen kryogenen Materialien als flüssigem Helium erreicht werden kann. HTS-Materialien sind auch deshalb besonders attraktiv, da diese Materialien abhängig von der Wahl der Betriebstemperatur sehr hohe kritische Stromdichten aufweisen können.
Insbesondere kann das hochtemperatursupraleitende Material Magnesiumdiborid umfassen. Besonders vorteilhaft kann die supraleitende Schicht als Hauptbestandteil Magnesiumdiborid aufweisen oder sogar im Wesentlichen aus Magnesiumdiborid bestehen. Magnesiumdiborid weist eine Sprungtemperatur von etwa 39 K auf und gilt somit als 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 und somit kostengünstigen Herstellbarkeit. Auf Magnesiumdiborid basierende Leiter können besonders einfach und günstig durch Aerosoldeposition oder durch das sogenannte Powder-in-Tube-Verfahren hergestellt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann die supraleitende Schicht aber auch andere hochtemperatursupraleitende Materialien umfassen, beispielsweise HTS-Materialien der zweiten Generation, also Verbindungen des Typs REBa₂Cu₃O_x (kurz REBCO), wobei RE für ein Element der seltenen Erden oder eine Mischung solcher Elemente steht. REBCO-Supraleiter können aufgrund ihrer hohen Sprungtemperaturen auch mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden und weisen vor allem bei tieferen Temperaturen als 77 K eine besonders hohe Stromtragfähigkeit auf.
Andere vorteilhafte Materialien sind HTS-Materialien der ersten Generation, beispielsweise die verschiedenen Varianten des Bismut-Strontium-Calcium-Kupferoxids. Alternativ können auch supraleitende Pnictide zum Einsatz kommen. Aufgrund ihrer eher niedrigen Sprungtemperatur kommen supraleitende Pnictide für eine Betriebstemperatur von etwa 20 bis 30 K in Frage.
Das Substrat des Bandleiters kann vorteilhaft Stahl oder eine nickelhaltige Legierung wie beispielsweise Hastelloy aufweisen. Es kann sich allgemein unabhängig von der genauen Materialwahl um ein elektrisch normalleitendes Substrat handeln, welches insbesondere mit der supraleitenden Schicht elektrisch leitend in Verbindung stehen kann. Eine solche elektrisch leitende Verbindung kann beispielsweise durch die beschriebene elektrisch leitfähige Kapselung vermittelt oder zumindest zusätzlich unterstützt werden.
Die hochtemperatursupraleitende Schicht kann von einer elektrisch normalleitenden Kontaktschicht bedeckt sein, wobei eine solche Schicht auch als Shuntschicht bezeichnet wird. Hierbei kann es sich entweder um eine einseitige flächenhafte Deckschicht oder aber auch um eine den Bandleiter insgesamt umhüllende Schicht handeln. Geeignete Materialien für eine solche Shuntschicht sind beispielsweise Silber oder Kupfer.
Besonders bevorzugt weist der supraleitende Bandleiter zusätzlich zur ersten wenigstens eine zweite supraleitende Schicht auf, wobei das erste Trägersubstrat zwischen der ersten und der zweiten supraleitenden Schicht angeordnet ist. Mit anderen Worten kann es sich bei dem laminierten Schichtsystem um eine Art Sandwich mit zwei supraleitenden Schichten handeln, welche auf unterschiedlichen Seiten des Substrats angeordnet sind. Sie müssen jedoch nicht notwendigerweise beide auf demselben Substrat abgeschieden sein. Ein wesentlicher Vorteil der Ausführungsformen mit wenigstens zwei solchen supraleitenden Schichten ist, dass die Stromtragfähigkeit gegenüber einem Bandleiter mit nur einer supraleitenden Schicht um etwa einen Faktor zwei erhöht ist. Wenn die Stromflussrichtung in diesen beiden supraleitenden Schichten beim Betrieb gleich gewählt ist, können sich weitere Vorteile daraus ergeben, dass das innenliegende Substrat von elektromagnetischen Feldern abgeschirmt wird, wie beispielsweise in der EP2843721B1 beschrieben. Dies kann insbesondere für Anwendungen in supraleitenden Strombegrenzern relevant sein.
Bevorzugt weist der supraleitende Bandleiter neben einer zweiten supraleitenden Schicht auch ein zweites Trägersubstrat auf. Dies kann insbesondere die zweite supraleitende Schicht tragen, und die erste supraleitende Schicht kann entsprechend auf dem ersten Trägersubstrat aufgebracht sein. Besonders bevorzugt können bei einer solchen Ausführungsform beide Trägersubstrate so Rücken an Rücken zueinander angeordnet sein, dass beide Substrate zwischen den beiden supraleitenden Schichten liegen. Eine solche doppelsandwich-artige Ausführung ist in der Fachwelt bekannt und wird beispielsweise von der Firma American Superconductors unter dem Namen „Amperium® Stainless Steel Laminated Wire, Type 8612“ vertrieben.
Bei einer Ausführungsform mit zwei supraleitenden Schichten auf zwei separaten Trägersubstraten können diese Substrate insbesondere fest miteinander verbunden sein. So können die Substrate beispielsweise durch Löten und/oder durch Kleben, insbesondere Rücken an Rücken, miteinander verbunden sein. Allgemein und unabhängig von der Anzahl der Schichten im Schichtsystem können das wenigstens eine Trägersubstrat und die wenigstens eine supraleitende Schicht gemeinsam von einem normalleitenden Material umhüllt sein. Dies kann beispielsweise eine metallische Shuntschicht sein. Eine solche normalleitende Schicht kann insbesondere elektrisch stabilisierend wirken. Außerdem kann eine elektrische Kontaktierung der supraleitenden Schicht durch die Anbringung von Kontakten im Bereich dieser umhüllenden Shuntschicht erfolgen.
Insbesondere können auch Bandleiter mit wenigstens zwei supraleitenden Schichten eine solche normalleitende Umhüllungsschicht aufweisen. Eine elektrische Kontaktierung kann dann entweder nur auf einer Oberfläche oder auch auf beiden Oberflächen erfolgen. Bei nur einseitiger Kontaktierung ist der apparative Aufwand zur Schaffung des elektrischen Kontakts niedriger. Die elektrische Verbindung zwischen dem Kontaktelement und der davon abgewandten supraleitenden Schicht ist dann jedoch unter Umständen relativ hochohmig, da sowohl das Substrat als auch die umhüllende normalleitende Schicht nur einen relativ hochohmigen Kontakt zwischen den beiden supraleitenden Schichten bewirken.
Im Zusammenhang mit den Ausführungsformen mit wenigstens zwei supraleitenden Schichten in einem Bandleiter entsteht ein weiterer Vorteil der Erfindung dadurch, dass mittels der elektrisch leitfähigen Hülse ein niederohmigerer Kontakt zwischen den beiden supraleitenden Schichten des Bandleiters geschaffen wird. Hierdurch wird die elektrische Kontaktierung von einem solchen zweischichtigen Bandleiter wesentlich erleichtert, ohne dass ein zusätzliches Kontaktelement auf einer zweiten Oberfläche des Bandleiters benötigt wird.
Die supraleitende Spuleneinrichtung kann bevorzugt ein Kontaktelement zur elektrischen Kontaktierung der wenigstens einen supraleitenden Schicht des Leiterelements aufweisen.
Ein solches Kontaktelement kann in einem dem Endbereich des Bandleiters benachbarten Bereich mit dem Bandleiter in Verbindung gebracht sein. Mit anderen Worten wird der elektrische Kontakt hier nicht durch die elektrisch leitende Hülse genau im Endbereich des Bandleiters geschaffen, sondern etwas daneben über ein zusätzliches flächig an dem Bandleiter anliegendes Kontaktelement. Ein solches Kontaktelement kann beispielsweise ein Kontaktblock aus Kupfer sein. Das Kontaktelement kann beispielsweise mechanisch an den Bandleiter gepresst werden. Alternativ oder zusätzlich kann ein solches Kontaktelement beispielsweise auch angelötet sein.
Wie oben im Zusammenhang mit dem doppelschichtigen Bandleiter beschrieben, kann die elektrisch leitfähige Hülse bei einer solchen Ausführungsform die Kontaktierung der von dem Kontaktelement abgewandten supraleitenden Schicht deutlich verbessern.
Um allgemein eine Kontaktierung zwischen einer Oberseite und einer Unterseite des Bandleiters zu erleichtern, kann die Hülse so ausgebildet sein, dass zwischen ihrer oben liegenden Innenfläche und ihrer unten liegenden Innenfläche ein elektrischer Widerstand von höchstens 5 µOhm ausgebildet ist.
Bei der supraleitenden Spuleneinrichtung kann es sich allgemein vorteilhaft um eine Strombegrenzereinrichtung handeln. Alternativ kann es sich jedoch auch vorteilhaft um eine Magnetspule oder um eine Spulenwicklung eines Stators oder Rotors einer elektrischen Maschine handeln. Allgemein kann es sich beispielsweise um eine Mittelspannungs- oder auch um eine Hochspannungs-Spuleneinrichtung handeln. Vor allem für den Einsatz im höheren Spannungsbereich, beispielsweise oberhalb von 5 kV, ist der Vorteil der Vermeidung von Feldüberhöhungen durch die Hülse besonders relevant.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Spuleneinrichtung kann diese eine Kühlvorrichtung aufweisen, durch die der supraleitende Bandleiter auf eine Temperatur unterhalb der Sprungtemperatur des Supraleiters gekühlt wird. Hierzu kann der Bandleiter in direkten Kontakt mit einem flüssigen kryogenen Kühlmittel stehen. Dazu kann die Spuleneinrichtung insbesondere einen Badkryostaten aufweisen, in welchem ein den Bandleiter umgebendes flüssiges Kühlmittel vorliegt.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen:

1 eine schematische Schnittdarstellung eines supraleitenden Leiterelements in einer Spuleneinrichtung nach einem ersten Beispiel der Erfindung zeigt,
2 einen schematischen Längsschnitt des Leiterelements der 1 zeigt,
3 einen schematischen Querschnitt eines supraleitenden Leiterelements im Bereich des Bandleiters nach einem zweiten Beispiel der Erfindung zeigt,
4 einen schematischen Querschnitt des supraleitenden Leiterelements der 3 im Bereich der Hülse zeigt,
5 einen schematischen Querschnitt eines supraleitenden Leiterelements im Bereich des Bandleiters nach einem dritten Beispiel der Erfindung zeigt und
6 einen schematischen Querschnitt des supraleitenden Leiterelements der 5 im Bereich der Hülse zeigt.

In 1 ist eine schematische Schnittdarstellung eines supraleitenden Leiterelements 1 einer Spuleneinrichtung nach einem ersten Beispiel der Erfindung gezeigt. Gezeigt ist eine Aufsicht auf die flache Oberfläche eines Bandleiters 3 in einem seiner Endbereiche, wobei sich diese Aufsicht auf den Bandleiter 3 im links dargestellten Teil als Schnitt durch die Hülse 5 fortsetzt. Die endseitige Schnittkante 4 des Bandleiters 3 ist hierbei im linken Teil der Zeichnung angeordnet. Zum rechten Teil der Zeichnung hin setzt sich der Bandleiter 3 noch über eine längere Strecke fort und geht dort in eine hier nicht näher dargestellte Spulenwicklung über. Der unmittelbar an die Schnittkante 4 des Bandleiters angrenzende Endbereich 7 ist in eine einseitig offene Hülse 5 eingebettet, die hier als Kupferhülse ausgestaltet ist. Im links dargestellten Bereich der Hülse ist diese Hülse 5 geschlossen, sodass sie den Bandleiter 3 in seinem Endbereich 7 einseitig umschließt. Die Hülse 5 ist so ausgestaltet, dass sie in Form und Größe auf den in ihren Innenraum einzuschiebenden Bandleiter 3 angepasst ist. Der sich bei einem Aufstecken der Hülse 5 auf den Bandleiter 3 ergebende Zwischenraum ist hier vollständig durch ein Verbindungsmittel 9 gefüllt. In dem gezeigten ersten Ausführungsbeispiel ist dieses Verbindungsmittel 9 als niedrigschmelzendes Lot ausgestaltet. Bei der Herstellung des supraleitenden Leiterelements wird das Lot aufgeschmolzen, sodass der Bandleiter im Endbereich 7 durch das Lot 9 und die umgebende Hülse 5 im Wesentlichen vollständig eingekapselt ist. Die so erzeugte Kapselung mittels Hülse 5 und Verbindungsmittel 9 bewirkt einen Schutz der Schnittkante 4 des Bandleiters vor dem Eindringen von einem den Bandleiter 3 umgebenden Kühlmittel. Ebenso verhindert diese Kapselung ein Austreten von Material aus dem Bereich der Schnittkante des Bandleiters.
Das Material der Hülse 5 ist hier aus elektrisch gut leitfähigem Kupfer gebildet und das Lotmaterial 9 ist ebenfalls elektrisch gut leitfähig. Durch diese leitfähige Kapselung wird zum einen eine niederohmige Verbindung zwischen Oberseite und Unterseite des Bandleiters geschaffen. Zum anderen werden Feldüberhöhungen im Endbereich 7 des Bandleiters vermieden. Hierzu weist die Hülse auf ihrer Außenseite abgerundete Ecken 25 auf.
Zur elektrischen Kontaktierung der supraleitenden Spuleneinrichtung, die eine Wicklung aus dem supraleitenden Leiterelement 1 umfasst, ist der Bandleiter 3 in einem an den unmittelbaren Endbereich 7 angrenzenden Bereich 8 mit einem Kontaktelement 15 verbunden.
Im gezeigten Beispiel handelt es sich bei dem Kontaktelement 15 um einen Kupferblock, der hier beispielsweise mechanisch gegen eine Hauptfläche des Bandleiters 3 gedrückt wird. So kann der Bandleiter 3 (und damit auch eine supraleitende Schicht des Bandleiters) mit einem äußeren Stromkreis kontaktiert werden.
2 zeigt einen schematischen Längsschnitt des Leiterelements der 1 in Seitenansicht. Gezeigt ist also ein Blick auf die schmale längsseitige Fläche des Bandleiters 3 in dem Leiterelement 1, welcher sich im linken Teil der Zeichnung wiederum als Schnitt durch die Hülse 5 fortsetzt. Wie in 2 ersichtlich, dient das Kontaktelement 15 dazu, den Bandleiter 3 auf seiner Oberseite 30 elektrisch zu kontaktieren. Im rechten Teil der Zeichnung ist schematisch angedeutet, dass aus dem Bandleiter 3 in seinem weiteren Verlauf eine elektrische Spulenwicklung 13 gebildet ist. Insgesamt liegt hier eine supraleitende Spuleneinrichtung 11 vor, bei der es sich beispielsweise um eine supraleitende Strombegrenzereinrichtung handeln kann. Je nach Art der Anwendung der supraleitenden Spuleneinrichtung 11 kann die Art der Wicklung 13 hierbei sehr unterschiedlich ausgebildet sein. Es kann sich beispielsweise um eine Flachspule handeln und/oder es kann sich um eine spiralförmige Spulenwicklung handeln und/oder es kann sich um eine bifilare Wicklung handeln. Das in den 1 und 2 nur schematisch dargestellte Leiterende 7 kann beispielsweise ein Leiterende in einem radial außen liegenden oder in einem radial innen liegenden Randbereich der Spulenwicklung sein. Anders als in den 1 und 2 der Übersichtlichkeit halber dargestellt, kann also auch der Endbereich 7 auf den übrigen Windungen der Wicklung aufliegen. Es ist auch nicht zwingend notwendig, dass der auf die beschriebene Weise eingekapselte Endbereich 7 tatsächlich einen außen liegenden oder innen liegenden Randbereich der Wicklung darstellt. Es ist vielmehr grundsätzlich auch möglich, dass eine solche Schnittkante 4 beziehungsweise eine solche Kontaktstelle im Endbereich 7 eines Bandleiters im Inneren einer solchen Wicklung (also zwischen den Windungen eingebettet) ausgebildet ist.
Der Bandleiter 3 des Ausführungsbeispiels der 1 und 2 kann prinzipiell auf vielfältige Weise ausgestaltet sein. So kann es sich beispielsweise um einen Bandleiter mit nur einer supraleitenden Schicht oder aber auch um einen Bandleiter mit zwei oder mehr supraleitenden Schichten handeln. Dies wird im Folgenden im Zusammenhang mit den 3 bis 6 näher erläutert.
So zeigt 3 einen schematischen Querschnitt des supraleitenden Leiterelements 1 nach einem zweiten Beispiel der Erfindung in einem innenliegenden Bereich des Bandleiters 3, der daher nicht auf die oben beschriebene Weise eingekapselt ist. Der Bandleiter 3 umfasst ein Trägersubstrat 17a, auf dem eine hochtemperatursupraleitende Schicht 19a aufgebracht ist. Die supraleitende Schicht ist jedoch nicht direkt auf dem Trägersubstrat abgeschieden, sondern es befindet sich dazwischen noch eine Pufferschicht 18, die beispielsweise auch aus mehreren Teilschichten gebildet sein kann. Das Trägersubstrat 17a kann beispielsweise ein 50 µm dickes Substrat aus einer Nickel-Wolfram-Legierung sein. Es sind hier auch vorteilhaft Stahlbänder oder Bänder aus einer Legierung wie z.B. Hastelloy verwendbar. Die Pufferschicht 18 ist beispielsweise eine 0.5 µm dicke Schicht, die die oxidischen Materialien CeO₂ und Y₂O₃ enthält. Darüber folgt die eigentliche supraleitende Schicht 19a, hier beispielsweise eine 1 µm dicke Schicht aus YBa₂Cu₃O_x.
Der so gebildete Schichtaufbau wird im gezeigten Beispiel von einer normalleitenden Schicht 21 umhüllt. Bei dieser Stabilisierungsschicht kann es sich beispielsweise um eine 20 µm dicke Schicht aus Kupfer oder Silber handeln. Alternativ zu der hier gelöscht dargestellten vollständigen Umhüllung kann eine solche normalleitende Deckschicht prinzipiell auch nur auf einer Hauptfläche oder beiden Hauptflächen des Bandleiters (ohne die Seitenkanten) ausgebildet sein. Der in 3 dargestellte Bandleiter kann beispielsweise in einem supraleitenden Leiterelement zum Einsatz kommen, welches ähnlich wie in den 1 und 2 dargestellt aufgebaut ist.
4 zeigt einen schematischen Querschnitt des gleichen supraleitenden Bandleiters 3 wie in der 3. Allerdings ist hier ein Schnitt durch den Endbereich 7 dargestellt, in dem der Bandleiter 3 von der elektrisch leitfähigen Hülle 5 umhüllt ist. Der Zwischenraum zwischen dem Material der Hülle 5 und dem Bandleiter 3 ist auch hier vollständig durch ein Verbindungsmittel 9 aufgefüllt, welches ebenfalls elektrisch leitfähig ist. Neben der beschriebenen hermetisch dichten Kapselung wird durch die Hülse 5 und das leitfähige Verbindungsmittel 9 erreicht, dass Oberseite und Unterseite des Bandleiters elektrisch zusätzlich niederohmig miteinander verbunden werden. Für den in den 3 und 4 dargestellten Aufbau des Bandleiters kann diese zusätzliche Verbindung der beiden Hauptflächen beispielsweise einer verbesserten elektrischen Kontaktierung zwischen supraleitender Schicht 19a und Trägersubstrat 17a dienen. Dies ist insbesondere dann nützlich, wenn die durch Verbindungsmittel 9 und Hülse 5 zusätzlich geschaffene elektrische Verbindung einen geringeren elektrischen Widerstand aufweist als die Verbindung über die normalleitende Schicht 21. Dies ist besonders dann der Fall, wenn die normalleitende Schicht 21 vergleichsweise dünn ist und/oder wenn die Schichtqualität im Bereich der Seitenkanten nicht gut ausgebildet ist.
Die 5 und 6 zeigen ähnliche Schnittdarstellungen für einen Bandleiter 3 in einem supraleitenden Leiterelement 1 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. So zeigt 5 wiederum eine Querschnittsansicht aus dem Bereich des Bandleiters 3, der nicht durch die Hülse 5 eingekapselt ist. 6 zeigt ähnlich wie 4 eine entsprechende Querschnittsansicht des Endbereichs 7.
5 zeigt hier eine Querschnittsdarstellung eines Bandleiters 3, welcher in diesem Beispiel als ein doppelschichtiger Bandleiter mit zwei supraleitenden Schichten 19a und 19b gebildet ist. Diese supraleitenden Schichten sind jeweils auf einem eigenen zugehörigen Trägersubstrat 17a beziehungsweise 17b aufgebracht. Diese beiden Trägersubstrate sind in der Art eines Doppelsandwiches Rücken an Rücken zueinander orientiert und fest miteinander verbunden. Die beiden supraleitenden Schichten 19a und 19b, welche jeweils auf Pufferschichten 18 auf den außen liegenden Oberflächen der Substrate angebracht sind, ermöglichen in diesem vielschichtigen Leiteraufbau einen nahezu verlustfreien Stromtransport mit gegenüber dem Beispiel der 3 und 4 ungefähr verdoppelter Stromtragfähigkeit. Ähnlich wie bei dem vorhergehenden Beispiel ist auch bei dem Bandleiter 3 der 5 das Schichtsystem mit den supraleitenden Schichten und den Trägersubstraten gemeinsam von einer normalleitenden Schicht 21 umhüllt.
6 zeigt wiederum einen schematischen Querschnitt des Bandleiters der 5 in seinem eingekapselten Endbereich. Die elektrisch leitende Hülse 5 und das zwischen Hülse und Bandleiter angeordnete Verbindungsmittel 9 sind hier ähnlich ausgestaltet wie beim Beispiel der 4. Ein besonderer Vorteil der hier dargestellten Ausführungsform ist, dass durch die Hülse 5 und das Verbindungsmittel 9 hier ein niederohmiger Kontakt geschaffen ist, welcher die Oberseite 30 und die Unterseite 31 des Bandleiters 3 miteinander verbindet. Es wird so also insgesamt auch eine niederohmige Verbindung zwischen den beiden supraleitenden Schichten 19a und 19b geschaffen, welche insbesondere einen niedrigeren Widerstand aufweisen kann als die Verbindung durch die seitlichen Bereiche der normalleitenden Schicht 21. So kann besonders vorteilhaft erreicht werden, dass beide supraleitenden Schichten eines solchen doppelschichtigen Bandleiters ähnlich wie in 2 dargestellt mit einem einseitig auf die Oberseite 30 angebrachten Kontaktelement 15 niederohmig kontaktiert werden können.
Im Zusammenhang mit den 1 bis 6 sei hier besonders darauf hingewiesen, dass diese Figuren nicht maßstabsgetreu sind und nur als äußerst schematische Darstellungen zu verstehen sind. Insbesondere sind die Unterschiede zwischen den Schichtdicken der einzelnen Schichten der Bandleiter 3 in Wirklichkeit deutlich extremer als in den 3 bis 6 dargestellt. Auch das Aspektverhältnis zwischen Breite und Dicke der Bandleiter 3 ist in Wirklichkeit sehr viel extremer. Beispielsweise kann die Dicke der Bandleiter im Bereich von einigen 10 µm bis einigen 100 µm liegen, während die Breite der Bandleiter im Bereich einiger mm bis einiger 10 mm liegen kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2843721 B1 [0033]

Claims

Supraleitendes Leiterelement (1), umfassend - einen langgestreckten Bandleiter (3) mit wenigstens einem ersten Trägersubstrat (17a) und einer auf einer ersten Oberfläche (30) des ersten Trägersubstrats (17a) aufgebrachten ersten supraleitenden Schicht (19a) und - wenigstens eine aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildete Hülse (5), welche den Bandleiter (3) in einem Endbereich (7) umgibt, - wobei die Hülse (5) durch ein elektrisch leitfähiges Verbindungsmittel (9) fest mit dem Bandleiter (3) verbunden ist - und wobei die Hülse (5) zusammen mit dem leitfähigen Verbindungsmittel (9) den Endbereich (7) des Bandleiters (3) im Wesentlichen vollständig umschließt.
Leiterelement (1) nach Anspruch 1, bei welchem die Hülse (5) eine abgerundete Außenkontur aufweist.
Leiterelement (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei welchem das elektrisch leitfähige Verbindungsmittel (9) im flüssigen Zustand zwischen dem Endbereich (7) des Bandleiters (3) und der Hülse (5) eingebracht ist.
Leiterelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das elektrisch leitfähige Verbindungsmittel (9) ein Lotmaterial ist.
Leiterelement (1) nach Anspruch 4, bei welchem das Lotmaterial (9) ein unterhalb von 250°C schmelzendes Lot ist, wobei das Lotmaterial insbesondere eine Indium-haltige metallische Legierung umfasst.
Leiterelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem das elektrisch leitende Verbindungsmittel (9) ein elektrisch leitfähiges Klebemittel ist.
Leiterelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Material der Hülse (5) eine spezifische elektrische Leitfähigkeit von wenigstens 10⁵ S/m aufweist.
Leiterelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Material der Hülse (5) Kupfer umfasst.
Leiterelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Hülse (5) eine Wandstärke von wenigstens 1 mm, insbesondere eine Wandstärke im Bereich zwischen 2mm und 5mm, aufweist.
Leiterelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die supraleitende Schicht (19a) ein hochtemperatursupraleitendes Material, insbesondere Magnesiumdiborid und/oder ein Material des Typs REBCO umfasst.
Leiterelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der supraleitende Bandleiter (3) wenigstens eine zweite supraleitende Schicht (19b) aufweist, wobei das erste Trägersubstrat (17a) zwischen erster (19a) und zweiter (19b) supraleitender Schicht angeordnet ist.
Leiterelement (1) nach Anspruch 11, bei welchem der supraleitende Bandleiter (3) ein zweites Trägersubstrat (17b) aufweist, welches die zweite supraleitende Schicht (19b) trägt.
Leiterelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das wenigstens eine Trägersubstrat (17a) und die wenigstens eine erste supraleitende Schicht (19a) gemeinsam von einem normalleitenden Material (21) umhüllt sind.
Supraleitende Spuleneinrichtung (11) mit einer Spulenwicklung (13) aus einem supraleitenden Leiterelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Spuleneinrichtung (11) nach Anspruch 14, welche ein Kontaktelement (15) zur elektrischen Kontaktierung der wenigstens einen supraleitenden Schicht (19a) des Leiterelements (1) aufweist, wobei das Kontaktelement (15) in einem dem Endbereich (7) des Bandleiters benachbarten Bereich (8) mit dem Bandleiter (3) in Verbindung gebracht ist.