-
1. Technisches Gebiet
-
Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Vorrichtung zum Leiten von Strom mit einem Supraleiter, beispielsweise
einem Supraleiter aus einer Dünnschicht
eines Hochtemperatursupraleiters.
-
2. Der Stand der Technik
-
Dünnschichten
aus Hochtemperatursupraleitern werden für Anwendungen in der Energietechnik entwickelt.
Dabei fließen
in der Regel hohe Ströme, so
dass mit dem Überschreiten
der kritischen Stromdichte und dem Übergang in die Normalleitung
(einem sogenannten "Quench") gerechnet werden muss.
Es besteht daher die Gefahr der Zerstörung des Supraleiters durch
punktuelle Erhitzungen, sogenannte Hot Spots. Dies sind Bereiche,
in denen auf Grund von Inhomogenitäten lokal die kritische Stromdichte überschritten
wird, so dass der einsetzende Normalleitungswiderstand an diesen
Stellen zur Entwicklung von Joulescher Wärme führt, die die Temperatur erhöht. Daraufhin
erhöht
sich der Widerstand weiter, woraufhin sich die Wärmeentwicklung erneut verstärkt, usw.,
bis letztendlich die Schmelztemperatur des Supraleiters überschritten
wird. Es sind daher Maßnahmen
erforderlich, die die Zerstörung
des Supraleiters verhindern.
-
Eine solche Maßnahme ist die Stabilisierung des
Supraleiters durch einen normalleitenden Nebenschluss. Wie in IEEE
Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 9 (1999) S. 656
von Gromoll et al. offenbart, kann dazu beispielsweise eine Goldschicht
auf dem Supraleiter abgeschieden werden. Im Falle eines Quenchs
wird der Strom in die Goldschicht umgeleitet, da diese einen wesentlich geringeren
Widerstand besitzt. Die Wärmeentwicklung wird
dadurch reduziert und entsprechend die Gefahr der Zerstörung.
-
Ein anderes Beispiel, das aus der
DE 198 36 860 A1 und
aus der
WO 99/33122 bekannt
ist, ist die Verwendung eines Metallsubstrats für die Supraleiterschicht, wobei
zwischen den beiden Schichten ein flächiger Kontakt oder zumindest
ein fortlaufender Kontakt am Rand hergestellt wird. Noch günstiger
ist es, wenn der normalleitende Nebenschluss vom Supraleiter räumlich getrennt
wird, wie in der
JP 11 204 845 beschrieben,
so dass beide nicht in Wärmekontakt
stehen. Dann kann die sich im Nebenschluss entwickelnde Wärme nur
den Normalleiter, nicht aber den Supraleiter aufheizen.
-
Die Umleitung des Stroms in einen
normalleitenden Nebenschluss stellt jedoch nur eine Möglichkeit
zur Stabilisierung des Supraleiters gegen Hot Spots dar. Eine weitere
Schutzmaßnahme
besteht darin, dass Vorkehrungen getroffen werden, die bewirken,
dass beim ersten Auftreten einer normalleitenden Stelle möglichst
schnell der gesamte Supraleiter normalleitend wird, d.h. dass sich
der Quench möglichst
rasch ausbreitet. Dadurch entsteht ein maximaler Widerstand, der
bei geeigneter äußerer Beschaltung
in der Lage ist, den Strom nicht nur umzuleiten, sondern ihn insgesamt
zu reduzieren, so dass eine Zerstörung des Leiters nicht mehr
möglich
ist. Die Erwärmung
ist dann nicht nur geringer, sondern auch gleichmäßiger, so
dass mechanische Spannungen durch eine inhomogene Wärmeausdehnung
vermieden werden, die erfahrungsgemäß zum Bruch des Substrats führen können.
-
Ideal ist demnach die Verwendung
beider Maßnahmen,
sowohl des normalleitenden Nebenschlusses als auch der schnellen
Quenchausbreitung. Als Maßnahme
zur Beschleunigung der Quenchausbreitung ist bisher allein bekannt
die Verwendung eines Substrats mit hoher Wärmeleitfähigkeit, z.B. eines Saphir-Einkristall-Wafer. Die Joulesche Wärme kann
sich im Saphir bei tiefer Temperatur durch Wärmediffusion schnell ausbreiten
und damit die noch supraleitenden Bereiche erwärmen, so dass diese ebenfalls
normalleitend werden. Saphir-Einkristall-Substrate sind jedoch sehr teuer und
eignen sich außerdem
nur für
die wenigen Anwendungsfälle, in
denen starre Substratplatten verwendet werden können, wie z.B. bei resistiven
Strombegrenzern. Als kostengünstigere
Substratplatten kommen Keramik oder Glas in Frage, jedoch haben
diese Materialien nur eine geringe Wärmediffusivität und damit
eine schlechte Quenchausbreitung. Als flexible Leiter für Anwendungen
in der Energietechnik werden derzeit weltweit sehr lange Metallbänder entwickelt,
die mit Hochtemperatur-Supraleitern, z. B. aus YBa2Cu3O7 (YBCO) oder verwandten
Materialien, beschichtet sind. Diese Metallbänder bestehen aus Festigkeitsgründen in
der Regel aus Legierungen wie Edelstahl oder Hastelloy, die aber
ebenfalls nur eine relativ geringe Wärmediffusivität zeigen.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt
somit das Problem zugrunde, auch ohne ein Substrat mit hoher Wärmediffusivität die Quenchausbreitung
im Supraleiter zu beschleunigen, um den Supraleiter wirksam gegen
Beschädigungen
zu schützen,
wobei gleichzeitig die bekannte Stabilisierung durch Stromumleitung
in einen normalleitenden Nebenschluss beibehalten wird.
-
3. Zusammenfassung der
Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Vorrichtung zum Leiten von Strom mit einem Supraleiter und
einem als Nebenschluss angeordneten Normalleiter, wobei der Supraleiter
und der Normalleiter durch eine Mehrzahl voneinander beabstandeter Kontaktstellen
elektrisch miteinander verbunden sind.
-
Im Gegensatz zum Stand der Technik
besteht zwischen Supraleiter und Normalleiter nicht ein flächiger oder
fortlaufender Kontakt, sondern es sind vielmehr nur separate, räumlich begrenzte
Kontakte vorgesehen. Der Abstand der Kontaktstellen liegt vorzugsweise
im Bereich einiger Zentimeter. Wenn beispielsweise der Supraleiter
als ein Band mit einer Breite von ungefähr 1 cm ausgebildet ist, beträgt der Abstand
der Kontaktstellen bevorzugt 1–2cm.
Allgemein sollte der Abstand bevorzugt der einfachen bis doppelten
Breite des Bandes entsprechen.
-
Der Normalleiter kann unterhalb und/oder oberhalb
des Supraleiters angeordnet sein, wobei die Kontakte als Durchkontaktierungen
auf der Fläche des
Supraleiters angeordnet sind.
-
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind
die Kontaktstellen als im wesentlichen kreisförmige oder halbkreisförmiger Kontakte
ausgebildet und weisen vorzugsweise eine Größe von ca. 1/5 der Breite des
Supraleiters auf.
-
In einem weiteren Ausführungsbeispiel
verlaufen ein oder zwei Normalleiter im wesentlichen parallel zum
Supraleiter und die Kontakte kontaktieren den Supraleiter alternierend
von der einen und der anderen Seite.
-
Gemäß eines weiteren Aspekts betrifft
die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung mit einem ersten Supraleiter
und einem ersten Normalleiter so wie oben beschrieben, wobei die
Vorrichtung ferner einen zweiten Supraleiter und einen als Nebenschluss
zum zweiten Supraleiter angeordneten zweiten Normalleiter aufweist,
wobei der zweite Supraleiter und der zweite Normalleiter ebenfalls
durch eine Mehrzahl voneinander beabstandeter Kontaktstellen elektrisch
miteinander verbunden sind und wobei der erste und der zweite Supraleiter
sowie der erste und der zweite Normalleiter elektrisch in Serie
geschaltet sind.
-
Diese Anordnung ermöglicht eine
Quenchausbreitung auch über
das Ende eines einzelnen Supraleiters hinaus auf einen weiteren,
elektrisch in Serie verbundenen, zweiten Supraleiter.
-
Vorzugsweise weist die Vorrichtung
einen ersten Endkontakt des ersten Supraleiters und einem zweiten
Endkontakt des zweiten Supraleiters auf, wobei die nächstliegende
Kontaktstelle des ersten Supraleiters und die nächstliegende Kontaktstelle des
zweiten Supraleiters vom jeweiligen Endkontakt einen Abstand aufweist,
der im wesentlichen die Hälfte
des gewöhnlichen
Abstands zwischen zwei Kontaktstellen der ersten oder zweiten Supraleiters
beträgt.
-
Gemäß einer weiteren Abwandlung
der vorliegenden Erfindung ist zumindest ein weiterer Supraleiter
mit einem zugehörigen,
im Nebenschluss dazu angeordneten Normalleiter, der durch beabstandete
Kontaktstellen mit dem zumindest einen weiteren Supraleiter verbunden
ist, parallel zum zweiten Supraleiter und zum zweiten Normalleiter geschaltet,
um eine Verzweigung zu bilden.
-
Schließlich betrifft die vorliegende
Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer oben beschriebenen
Vorrichtung mit den Schritten des Bereitstellens zumindest eines
Supraleiters und des Bereitstellens zumindest eines Normalleiters
sowie der Erzeugung einer wiederholten, räumlich beabstandeten Kontaktierung
zwischen dem zumindest einen Supraleiter und dem zumindest einen
Normalleiter.
-
Vorzugsweise wird der Normalleiter
als ein flächiges
Substrat bereitgestellt, auf dem der Supraleiter in Form einer Dünnschicht
angeordnet wird, wobei die Erzeugung der Kontaktierung durch eine
Metallisierung einer Kante des flächigen Substrats erfolgt. Der
Normalleiter wird dabei bevorzugt als ein Metallband bereitgestellt,
auf dem über
einer Isolierschicht die Dünnschicht
des Supraleiters angeordnet ist. Das Metallband ist dabei vorzugsweise
zu einer Bandrolle aufgerollt und die Seitenfläche der Bandrolle wird in einem
geeigneten Muster metallisiert. Die Metallisierung kann beispielsweise
durch Bedrucken der Kante mit einer Leitpaste erfolgen.
-
4. Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
-
Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele
der Erfindung im Detail beschrieben mit Bezug auf die folgenden
Figuren, die zeigen:
-
1:
Eine Aufsicht auf eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
-
2:
Ein Schaubild zur Erläuterung
der Potenzialdifferenzen zwischen Supraleiter und Normalleiter während des
Quenchens;
-
3:
Eine Aufsicht auf eine weitere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
-
4:
Eine schematische Darstellung der Anordnung von Kontaktstellen mit
einer Durchkontaktierung zwischen Supraleiter und darunter liegendem
metallischen Substrat;
-
5:
Ein Schnitt durch die Anordnung aus 4,
jedoch bei Verwendung einer Kontaktierung an einer Kante;
-
6:
Eine Serienschaltung von zwei Vorrichtungen aus 1; und
-
7:
Eine Verzweigungsschaltung mit drei Vorrichtungen aus 1.
-
5. Detaillierte Beschreibung
bevorzugter Ausführungsbeispiele
-
Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf einen Hochtemperatursupraleiter,
insbesondere einen Hochtemperatursupraleiter aus einer Dünnschicht
beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die vorliegende Erfindung
nicht auf einen bestimmten Typ von Supraleiter beschränkt ist
und somit auch im Zusammenhang mit klassischen Supraleitern verwendet
werden kann.
-
1 zeigt
eine Draufsicht auf eine Supraleiterschicht 1 mit einem
normal leitendem Nebenschluss 10. Der Supraleiter 1 und
der Normalleiter 10 verlaufen vorzugsweise parallel und
sind z.B. durch räumlich
begrenzte Metallisierungen an den Kontaktstellen 11, 12, 13, 14,
miteinander elektrisch in Kontakt gebracht. Im Normalfall trägt der Supraleiter 1 den
gesamten Strom, da er keinen Widerstand hat, und der Normalleiter 10 ist
stromlos. Steigt der Strom genügend
stark an, so wird der Supraleiter 1 an irgendeiner Stelle
erstmals resistiv. Diese Stelle ist durch Inhomogenitäten des
Materials, der Temperatur oder des Magnetfelds bedingt.
-
Es sei angenommen, dass dieser anfängliche
Quench 20 zwischen den Kontaktstellen 12 und 13 auftritt.
Der beim Quench 20 entstehende Widerstand des Supraleiters 1 hat
einen Spannungsabfall zur Folge, der wiederum einen Stromfluss im
Normalleiter-Segment zwischen den Kontakten 12 und 13 zur
Folge hat. Wie in 1 skizziert,
führt der Übergang
des Stroms in den Normalleiter 10 zu einer Einschnürung der
Stromlinien 2 im Supraleiter 1 in der Nähe der Kontaktstellen 12 und 13.
Dies bedeutet eine lokale Überhöhung der
Stromdichte im Supraleiter 1, so dass dort die kritische
Stromdichte überschritten
wird. Es entstehen also zwei neue Quench-Bereiche an den dem ursprünglichen Quench 20 nächst gelegenen
Kontaktstellen 12, 13, die ihrerseits resistiv
werden.
-
Die neuen Quench-Bereiche entwickeln
ihrerseits Widerstand, so dass nahe den Kontaktstellen 12 und 13 zusätzliche
Spannungsabfälle
auftreten, die nun bewirken, dass auch die Kontakte 11 und 14 Strom übernehmen.
Gleichzeitig erhöht
sich der Widerstand des Supraleiters 1 durch die vergrößerte gequenchte
Fläche,
so dass insgesamt noch mehr Strom in den Nebenschluss 10 umgeleitet
wird. Der ursprüngliche
Quench 20 springt auf diese Weise in Vorwärts- und
Rückwärtsrichtung
von Kontakt zu Kontakt über
und breitet sich so aus. Jeder neue Quench bildet sich zwar zunächst nahe
der jeweiligen Kontaktstelle, bildet aber dadurch eine Engstelle für den übrigen Supraleiter 1,
so dass der Quench sehr schnell auf den ganzen Querschnitt des Supraleiters übergreift.
Experimentell konnte nachgewiesen werden, dass dadurch der Supraleiter 1,
insbesondere auch auf einem Metallbandsubstrat, gleichmäßig auf
seiner ganzen Länge
in den normalleitenden Zustand durchschaltet.
-
Da der Vorgang nur auf dem Spannungsabfall
am quenchenden Supraleiter basiert und nicht wie im Stand der Technik
auf Wärmeleitung,
läuft die Quenchausbreitung
sehr schnell ab.
-
Der Abstand der Kontaktstellen 11, 12, 13, 14 sollte
einerseits groß sein,
damit der Quench weit springen kann und sich somit möglichst
schnell ausbreitet. Andererseits wächst dann der Widerstand des
normalleitenden Segments zwischen den Kontaktstellen, so dass weniger
Strom in den Normalleiter 10 umgeleitet wird. Experimente
zeigen, dass bei einer Breite des Supraleiters von ca. 8 mm ein
Abstand der Kontakte von ca. 16 mm günstig ist.
-
Ein anderer Gesichtspunkt, der den
Abstand der Kontakte 11, 12, 13, 14 begrenzt,
ist die Isolation zwischen dem Normalleiter 10 und dem
Supraleiter 1. Handelt es sich beispielsweise bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
um ein mit einem Supraleiter beschichtetes Metallband (vgl. auch 5), so befindet sich zwischen
dem Substrat (= Normalleiter 10) und dem Supraleiter 1 zwar
in der Regel eine isolierende "Pufferschicht" 30 als Diffusionssperre
bei der Beschichtung, aber durch die unterschiedliche Potenzialverteilung
im Supraleiter 1 und im Normalleiter 10 beim Quench
können
hohe Spannungen zwischen den beiden Leitern auftreten, Dieses Verhalten ist
in 2 erläutert: Im
Normalleiter 10 fällt
das Potenzial zwischen den zwei Kontaktstellen 12 und 13 gleichmäßig ab,
im Supraleiter 1 ist das Potenzial konstant und fällt nur
dort ab, wo dieser normalleitend geworden ist (Quench). Die möglichen
Potenzialdifferenzen sind umso größer, je weiter die Kontaktstellen 12, 13 voneinander
entfernt sind und je hochohmiger der Normalleiter 10 ist.
Falls Supraleiter 1 und Normalleiter 10 nur durch
eine dünne
Pufferschicht 30 voneinander isoliert sind, können die
Potenzialdifferenzen zum elektrischen Durchschlag führen. Die
Erfahrung zeigt, dass ein Abstand von einigen Zentimetern ohne Durchschläge leicht
erreichbar ist.
-
Die Größe der Kontaktstellen 11, 12, 13, 14, ist
ebenfalls zu optimieren. Zu kleine Kontaktstellen führen zu
einer zu starken lokalen Einschnürung
der Stromlinien 2 in einem nur kleinen Quenchgebiet. Zu große Kontaktstellen 11, 12, 13, 14 haben
zu wenig Einschnürung
zur Folge. Bewährt
hat sich eine Größe der Kontaktstellen
von ca. 1/5 der Breite des Supraleiterbands 1.
-
Auch die Form der Kontaktstellen 11, 12, 13, 14 kann
variiert werden. Sie hat erst einen Einfluss, wenn der Supraleiter 1 unter
dem Kontakt gequencht ist. Dann sollte der Strom möglichst
homogen vom Supraleiter 1 zum Normalleiter 10 übergehen,
damit keine lokale Überhitzung
entsteht. Dafür
ist insbesondere ein kreisförmiger
(vgl. 4) oder halbkreisförmiger (vgl. 1, 3) Kontakt auf dem Supraleiter 1 geeignet.
Ebenfalls Einfluss auf den Stromübergang
hat der Flächenwiderstand
des Kontaktmaterials sowie ein möglicher Übergangswiderstand
zwischen dem Supraleiter 1 und der jeweiligen Kontaktstelle 11, 12, 13, 14 und
zwischen einer Kontaktstelle 11, 12, 13, 14 und
dem Normalleiter 10.
-
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit
höherer
Symmetrie ist in 3 gezeigt.
Dabei kann es sich bei den beiden gezeigten Normalleitern 10 in
Realität
um ein und denselben Leiter handeln, dessen mögliche Ausbildungen weiter
unten beschrieben werden.
-
Der normalleitende Nebenschluss 10,
zu dem die Kontaktstellen 11, 12, 13, 14 hergestellt
werden, kann viele Formen annehmen, z.B. eine Deckschicht auf dem
Supraleiter oder ein leitfähiges
Substrat oder ein vom Substrat räumlich
getrennter Leiter in der Form von Band, Draht oder Litze, oder eine Kette
von diskreten Widerständen.
Speziell bei einem metallisch leitendem Substrat ist auch die räumlich begrenzte
Durchkontaktierung auf der Fläche des
Supraleiters 1 möglich,
wie in 4 schematisch dargestellt.
-
Die Metallisierung kann beispielsweise
durch physikalische oder chemische Dampfabscheidung im Vakuum (PVD/CVD),
durch Besprühen,
Aufbürsten, Auf bringen
von Leitpaste mittels Verfahren der Drucktechnik, Kleben mit Leitkleber,
Aufdrücken
von weichem Metall (z.B. Indium) oder durch Löten mit niedrig schmelzendem
Lot erzeugt werden. Insbesondere bei Metallsubstraten ist auch eine
Kontaktierung über
die Seitenkante des Substrates und des Films vorteilhaft, siehe 5. Wird ein Band als normalleitendes
Metallsubstrat 10 verwendet, kann diese Kontaktierung insbesondere
dadurch angebracht werden, dass das Band aufgerollt wird und die
Seitenfläche
der Bandrolle beispielsweise mittels Leitpaste mit einem geeigneten
Muster bedruckt oder unter Verwendung einer Maske besprüht wird
(nicht dargestellt).
-
Ein besonderes Problem stellt die
Quenchausbreitung dar, wenn zwei oder mehr Supraleiter auf verschiedenen
Substraten verschaltet werden sollen. Dies ist immer notwendig,
wenn hohe Leistungen geschaltet werden müssen, für die die Fläche eines
einzelnen Supraleiters nicht ausreicht. Zwischen den verschiedenen
Supraleitern besteht in der Regel kein nennenswerter Wärmekontakt.
Die Selbstschutzwirkung durch Strombegrenzung kann für die gesamte
Anordnung aber nur eintreten, wenn der Quench von einem Substrat
zum anderen überspringen
kann. Auch dieses Problem kann mit der vorgelegten Erfindung gelöst werden.
Dazu ist eine Fallunterscheidung der grundlegenden Verschaltungsarten notwendig.
-
Die Parallelschaltung von zwei Supraleitern stellt
kein Problem dar. Sobald einer der beiden quencht, wird dessen Strom
in den anderen Supraleiter umgeleitet so dass auch dieser überlastet
wird. Nach dem Stand der Technik kann jedoch bei einer Serienschaltung
der Quench von einem zum anderen Supraleiter nicht überspringen.
Daher musste bislang eine Serienschaltung vermieden werden. Sollen
dennoch viele Substrate zusammengeschaltet werden, um z. B. bei
Strombegrenzern die Schaltleistungsdichte zu erhöhen, so muss dies durch Parallelschaltung
erreicht werden. Dazu werden auf jedem Substrat lange schmale Supraleiterbahnen
strukturiert, so dass jede die gesamte Schaltspannung tragen kann,
aber nur einen kleinen Anteil des Stroms. Dann genügt die Parallelschaltung
der Wafer, um den gewünschten
Schaltstrom zu erreichen. Dies Verfahren stößt naturgemäß an Grenzen, wenn die Schaltspannung
sehr hoch wird (5 kV und mehr), da dann die Gefahr eines elektrischen
Durchschlags auf dem Substrat besteht.
-
Die erfindungsgemäße beabstandete Kontaktierung
des Supraleiters 1 mit einem normalleitenden Nebenschluss 10 kann
auch im Falle der Serienschaltung die Quenchausbreitung von einem
Substrat zum andern vermitteln, da sie nicht auf Wärmeleitung
oder körperlichem
Kontakt beider Substrate beruht. Es ist dazu erforderlich, nicht
nur die Supraleiterbahnen, sondern auch die Normalleiterbahnen elektrisch
miteinander zu verbinden.
-
Ein Beispiel zeigt 6: Gezeigt ist eine Serienschaltung von
zwei Supraleitern 1, 1' durch einen elektrischen Verbinder 50 mit
gleichzeitiger Verbindung 51 der Normalleiter-Nebenschlüsse 10, 10'. Die Kontaktstellen 14 und 11' müssen von
den Endkontakten 5 bzw. 5' einen gewissen Abstand haben, vorteilhaft
etwa die Hälfte
des normalen Abstands zwischen zwei Kontaktstellen auf einem der
beiden Supraleiter 1, 1'. Die Verbindung 50 der Supraleiter 1, 1' muss ferner
genügend
niederohmig sein, so dass ohne Quench nur wenig Strom über die
Kontaktstellen 14 und 11' in den Normalleiter 10, 10' umgeleitet wird.
Bevorzugt wird ein Band aus Kupferlitze verwendet. Dann bewirkt
die Stromumleitung zum Normalleiter 10, 10' zwischen den
Kontaktstellen 14 und 11' ein Überspringen des Quench 19 zur
Bildung des Quench 19'.
-
Anstelle der Verbindung 51 der Normalleiter 10, 10' an ihren Enden
können
auch die beiden Kontaktstellen 14 und 11' direkt miteinander
verbunden werden, wobei die Stromaufteilung zwischen den Supraleitern 1, 1' und den Normalleitern 10, 10' vorteilhaft
durch einen geeigneten Verbindungswiderstand kontrolliert werden
kann.
-
Vollkommen analog wie bei der Serienschaltung
kann auch bei Verzweigungen (siehe 7)
das Quenchüberspringen
bewirkt werden. Dies ist insbesondere für eine Sternschaltung bei 3-Phasen-Wechselstrom
von Bedeutung.