DE10230083B3 - Current limiting device with improved heat dissipation - Google Patents

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Abstract

Um bei einer Strombegrenzungseinrichtung (1) zur resistiven Begrenzung eines Stromes mit einem aus einem Isolierstoff bestehenden Trägersubstrat (2) und einem an dem Trägersubstrat (2) angeordneten Leiterverbund, der eine durch ein Kühlmittel in einen supraleitenden Zustand überführbare Supraleitschicht (3) sowie eine Kommutierungsschicht (4) aufweist, und mit einer keramischen Isolatorschicht (5) in thermischem Kontakt zum Leiterverbund, die auf der vom Trägersubstrat (2) abgewandten Seite des Leiterverbundes angeordnet ist, auch bei längeren Kurzschlussströmen eine thermische Beschädigung des Verbundleiters zu vermeiden, wird vorgeschlagen, dass auf der Isolatorschicht (5) eine äußere metallische Wärmeleiterschicht (6) vorgesehen ist, die zum Abführen von Wärme aus der Isolatorschicht (5) zum Kühlmittel hin eingerichtet ist.In order to provide a current limiting device (1) for resistively limiting a current with a carrier substrate (2) consisting of an insulating material and a conductor assembly arranged on the carrier substrate (2), the superconducting layer (3), which can be converted into a superconducting state by a coolant, and a commutation layer (4), and with a ceramic insulator layer (5) in thermal contact with the conductor assembly, which is arranged on the side of the conductor assembly facing away from the carrier substrate (2), to avoid thermal damage to the composite conductor even with longer short-circuit currents, it is proposed that on the insulator layer (5) an outer metallic heat conductor layer (6) is provided, which is designed to dissipate heat from the insulator layer (5) to the coolant.

Description

Die Erfindung betrifft eine Strombegrenzungseinrichtung zur resistiven Begrenzung eines Stromes mit einem aus einem Isolierstoff bestehenden Trägersubstrat, mit einem an dem Trägersubstrat angeordneten Leiterverbund, der eine durch ein Kühlmittel in einen supraleitenden Zustand überführbare Supraleitschicht sowie eine Kommutierungsschicht aufweist, und mit einer keramischen Isolatorschicht in thermischem Kontakt zum Leiterverbund, die auf der vom Trägersubstrat abgewandten Seite des Leiterverbundes angeordnet ist.The invention relates to a current limiting device for resistive limitation of a current with one made of an insulating material existing carrier substrate, with one arranged on the carrier substrate Conductor assembly, the one through a coolant into a superconducting Convertible superconducting layer and has a commutation layer, and with a ceramic Insulator layer in thermal contact with the conductor assembly on that of the carrier substrate opposite side of the conductor assembly is arranged.

Eine solche Strombegrenzungseinrichtung ist aus der DE 199 58 727 A1 bereits bekannt. Die dort offenbarte Strombegrenzungseinrichtung weist einen auf einem Trägersubstrat angeordneten Leiterverbund aus einem polykristallinen Supraleiter sowie aus einer Kommutierungsschicht auf, wobei auf dem Leiterverbund eine keramische Isolatorschicht als Wärmespeicher vorgesehen ist.Such a current limiting device is from the DE 199 58 727 A1 already known. The current limiting device disclosed there has a conductor assembly made of a polycrystalline superconductor and a commutation layer arranged on a carrier substrate, a ceramic insulator layer being provided as a heat store on the conductor assembly.

Weitere Strombegrenzungseinrichtungen mit einer wärmeleitenden Isolatorschicht sind in der DE 199 09 266 A1 sowie der DE 199 29 277 A1 beschrieben.Further current limiting devices with a thermally conductive insulator layer are in the DE 199 09 266 A1 as well as the DE 199 29 277 A1 described.

Um die Supraleitschicht einer Strombegrenzungseinrichtung der vorgenannten Art in den supraleitenden Zustand zu überführen, sind diese in einem mit flüssigem Helium oder flüssigem Stickstoff gefüllten Kryostaten angeordnet und über zweckmäßige Anschlüsse, beispielsweise mit einem Energieverteilernetz elektrisch verbunden. Überschreitet die Stromdichte der Supraleitschicht eine sogenannte kritische Dichte, wird die Supraleitschicht in den normalleitenden Zustand überführt. Deshalb steigt die Temperatur der Supraleitschicht aufgrund der durch die Stromleitung erzeugten Jouleschen Wärme Weiter an. Die Stromleitung des Verbundleiters erfolgt dann im Wesentlichen durch die Kommutierungsschicht. In Abhängigkeit der Höhe der fließenden Stromdichten kann es zu einer beträchtlichen Wärmeentwicklung innerhalb des Verbundleiters kommen. Zur Vermeidung einer wärmebedingten Zerstörung ist auf dem Verbundleiter eine Isolatorschicht angeordnet. Die Isolatorschicht verringert aufgrund ihrer guten Wärmeleitfähigkeit die thermische Belastung des Verbundleiters, indem sie die bei hohem Stromfluss entstehende Joulesche Wärme aufnimmt und den Verbundleiter somit entlastet.Around the superconducting layer of a current limiting device of the aforementioned type are to be converted into the superconducting state these in one with liquid Helium or liquid Nitrogen filled Cryostats arranged and over expedient connections, for example electrically connected to a power distribution network. exceeds the current density of the superconducting layer is a so-called critical density, the superconducting layer is converted into the normal conducting state. Therefore the temperature of the superconducting layer increases due to the Power line continued to generate Joule heat. The power line of the composite conductor then essentially takes place through the commutation layer. Dependent on the height the flowing current densities can be a considerable one heat generation come within the interconnector. To avoid heat-related destruction an insulator layer is arranged on the composite conductor. The insulator layer reduces thermal stress due to its good thermal conductivity of the composite conductor by taking the result of a high current flow Joule heat takes up and thus relieves the composite conductor.

Den vorbeschriebenen Strombegrenzungseinrichtungen haftet der Nachteil an, dass die Wirkung der Isolatorschicht aufgrund eines schlechten Wärmeüberganges zwischen der Isolatorschicht und dem an diese angrenzenden Kühlmedium im Wesentlichen auf eine Wärmespeicherung beschränkt bleibt, so dass insbesondere bei länger andauernden Kurzschlussströmen eine Beschädigung des Verbundleiters eintreten kann.The current limiting devices described above has the disadvantage that the effect of the insulator layer is due poor heat transfer between the insulator layer and the cooling medium adjacent to it essentially on heat storage remains restricted, so especially at longer continuous short-circuit currents damage of the interconnector can occur.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Strombegrenzungseinrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei der auch bei längeren Kurzschlussströmen eine thermische Beschädigung des Verbundleiters vermieden wird.The invention has for its object a To provide current limiting device of the type mentioned at the outset, where even with longer short-circuit currents thermal damage to the Compound conductor is avoided.

Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass auf der Isolatorschicht eine äußere metallische Wärmeleitschicht angeordnet die zum Abführen von Wärme aus der Isolatorschicht zum Kühlmittel hin eingerichtet ist.The invention solves this problem in that an outer metallic heat-conducting layer on the insulator layer arranged the for draining of warmth from the insulator layer to the coolant is set up.

Durch das Anordnen einer metallischen Wärmeleitschicht, die im thermischen Kontakt zu der als Wärmespeicher wirkenden Isolatorschicht steht, kann die Wärmeleitung von dem Verbundleiter in das Kühlmittel beträchtlich verbessert werden. Dabei gilt zu berücksichtigen, dass der Supraleiter in der Regel nicht vollständig, sondern unter Ausbildung von sogenannten „Hot spots" nur an bestimmten Stellen quencht. Die Wärmeleitung ist in erster Linie in einer Verteilung der an bestimmten Punkten entstehenden Joulschen Wärme auf eine vergrößerte, das Kühlmittel begrenzenden Fläche zu sehen. Die Isolatorschicht stellt die notwendige Isolierung zwischen der metallischen Wärmeleitschicht und dem Verbundleiter dar. Die Wärmeleitschicht stellt somit eine weitere Wärmesenke zusätzlich zur Isolatorschicht bereit, wobei sie aus einem Material besteht, das bezogen auf das Material der Isolatorschicht einerseits sowie dem flüssigen Stickstoff andererseits insofern eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, so dass die Wärme zum Übergang in das Kühlmittel auf eine größere Wärmeaustauschfläche verteilt wird.By arranging a metallic thermally conductive, those in thermal contact with the insulator layer acting as a heat accumulator stands, the heat conduction from the composite conductor into the coolant considerably be improved. It should be noted that the superconductor usually not completely, but only quenched at certain points with the formation of so-called "hot spots". The heat conduction is primarily in a distribution of at certain points resulting Joule heat on an enlarged, that coolant delimiting area to see. The insulator layer interposes the necessary insulation the metallic heat conducting layer and the composite conductor. The heat conducting layer thus represents another heat sink additionally ready for the insulator layer, which consists of a material, based on the material of the insulator layer on the one hand and the liquid On the other hand, nitrogen has a high thermal conductivity, so that the Heat to transition in the coolant spread over a larger heat exchange surface becomes.

Vorteilhafterweise ist die Kommutierungsschicht zwischen der Supraleitschicht und der Isolatorschicht angeordnet. Da beim Quenchen des Supraleiters, also beim Übergang vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand, die Stromführung im Wesentlichen durch die Kommutierungsschicht übernommen wird, ist insbesondere in dieser Schicht eine starke Wärmeentwicklung zu beobachten. Diese Wärmeentwicklung im Quenchfall kann somit unmittelbar an die Isolatorschicht mit ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit abgegeben werden und gelangt von dieser über die Wärmeleitschicht auf effiziente Weise zum Kühlmittel.The commutation layer is advantageous arranged between the superconductor layer and the insulator layer. Because when quenching the superconductor, i.e. when transitioning from the superconductor in the normal conducting state, the current flow essentially through the commutation layer is taken over there is a strong heat development, especially in this layer to observe. This heat development in the case of a quench, the insulator layer can thus be directly connected their high thermal conductivity are emitted and from there it reaches efficient through the heat conducting layer Way to coolant.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht der keramische Isolator aus Al2O3, wobei die metallische Wärmeleit schicht aus Kupfer gefertigt ist. Bei den so bestimmten Materialien konnten die effizientesten Wärmeübergänge beobachtet werden. Andere keramische Materialien sind beispielsweise Magnesiumoxid, Siliziumkarbid, Siliziumnitrid oder Aluminiumnitrid.According to a preferred embodiment, the ceramic insulator consists of Al 2 O 3 , the metallic heat-conducting layer being made of copper. The most efficient heat transfers could be observed with the materials determined in this way. Other ceramic materials are, for example, magnesium oxide, silicon carbide, silicon nitride or aluminum nitride.

Gemäß einer diesbezüglichen Weiterentwicklung besteht das Trägersubstrat aus Al2O3. Bei dieser Weiterentwicklung sind somit die keramische Isolatorschicht und das Trägersubstrat aus dem gleichen Material gefertigt, so dass auch seitens des Trägersubstrats eine Wärmesenke ausgebildet ist.According to a further development in this regard, the carrier substrate consists of Al 2 O 3 . In this further development, the ceramic ones Insulator layer and the carrier substrate made of the same material, so that a heat sink is also formed on the part of the carrier substrate.

Gemäß einer diesbezüglichen Weiterentwicklung ist die Wärmeableitschicht beidseitig des Trägersubstrats angeordnet.According to a related Further development is the heat dissipation layer on both sides of the carrier substrate arranged.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung unter Bezug auf die Figur der Zeichnung, wobeiEmbodiments of the invention are the subject of the following description with reference to the Figure of the drawing, wherein

1 eine Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Strombegrenzungseinrichtung zeigt. 1 shows a cross-sectional view of an embodiment of a current limiting device according to the invention.

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Strombegrenzungseinrichtung 1, die ein mit zwei Flachseiten ausgebildetes Trägersubstrat 2 aufweist, das aus thermisch gut leitendem Aluminiumoxid hergestellt ist. Auf dem keramischen Trägersubstrat 2 ist flächig eine Supraleitschicht 3 aufgebracht. Selbstverständlich ist es auch möglich, zwischen der Supraleitschicht und dem Trägersubstrat 2 weitere Zwischenschichten aufzubringen, die im Hinblick auf den jeweils vorliegenden Anwendungsfall vorteilhaft sind. 1 shows an embodiment of the current limiting device according to the invention 1 which is a carrier substrate formed with two flat sides 2 has, which is made of thermally highly conductive aluminum oxide. On the ceramic carrier substrate 2 is a superconducting layer 3 applied. Of course, it is also possible between the superconducting layer and the carrier substrate 2 to apply further intermediate layers which are advantageous with regard to the respective application at hand.

Auf der Supraleitschicht 3 ist eine Kommutierungsschicht 4 angeordnet die im Quenchfall der Supraleitschicht die Stromführung eines aus der Supraleitschicht 3 und der Kommutierungsschicht 4 bestehenden Verbundleiters übernimmt. Um im Quenchfall hohe Temperaturgradienten innerhalb des Leiterverbundes zu vermeiden, ist auf der Kommutierungsschicht 4 eine Isolatorschicht 5 aus einem keramischen Material und in dem gewählten Ausführungsbeispiel aus Aluminiumoxid vorhanden die einer äußeren Wärmeleitschicht 6 benachbart angeordnet ist. An der von der Supraleitschicht 3 abgewandten Seite des Trägersubstrats 2 ist eine zusätzliche Wärmeableitschicht 6 vorgesehen.On the superconducting layer 3 is a commutation layer 4 arranged that in the case of quenching the superconducting layer the current conduction from the superconducting layer 3 and the commutation layer 4 existing network manager. In order to avoid high temperature gradients within the conductor network in the case of quenching, is on the commutation layer 4 an insulator layer 5 made of a ceramic material and in the selected exemplary embodiment made of aluminum oxide, that of an outer heat-conducting layer 6 is arranged adjacent. At that of the superconducting layer 3 opposite side of the carrier substrate 2 is an additional heat dissipation layer 6 intended.

Nach dem Eintauchen der Strombegrenzungseinrichtung in flüssigen Stickstoff, der bei einer als Hochtemperaturleiter ausgebildeten Supraleitschicht ausreichend tiefe Temperaturen erzeugt, um die Supraleitschicht 3 in den supraleitenden Zustand zu überführen, wird die Wärmeleitschicht 6 ebenfalls von flüssigem Stickstoff begrenzt. Aufgrund ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit, die Wärmeleitschicht ist im Ausführungbeispiel aus Kupfer hergestellt, kann in dem Verbundleiter 3, 4 entstehende Wärme effizienter an das umgebende Kühlmittel abgeführt werden. Dabei wird die zunächst nur an bestimmten örtlich begrenzten Stellen entstehende Wärme zum Wärmeaustausch mit dem flüssigen Stickstoff auf eine größere Fläche verteilt.After immersing the current limiting device in liquid nitrogen, which generates sufficiently low temperatures around the superconducting layer in a superconducting layer designed as a high-temperature conductor 3 to convert into the superconducting state is the heat conducting layer 6 also limited by liquid nitrogen. Due to their high thermal conductivity, the thermal conductivity layer is made of copper in the exemplary embodiment, can in the composite conductor 3 . 4 any heat generated is dissipated more efficiently to the surrounding coolant. The heat that is initially generated only at certain localized points is distributed over a larger area for heat exchange with the liquid nitrogen.

Die Wärmeleitschicht kann durch beliebige Verfahren, beispielsweise durch Aufdampfen oder kostengünstige Fügeverfahren aufgebracht werden.The heat conducting layer can be made by any method, for example by vapor deposition or inexpensive joining processes.

Claims (6)

Strombegrenzungseinrichtung (1) zur resistiven Begrenzung eines Stromes mit einem aus einem Isolierstoff bestehenden Trägersubstrat (2), mit einem an dem Trägersubstrat (2) angeordneten Leiterverbund (3, 4), der eine durch ein Kühlmittel in einen supraleitenden Zustand überführbare Supraleitschicht (3) sowie eine Kommutierungsschicht (4) aufweist, und mit einer keramischen Isolatorschicht (5) in thermischem Kontakt zum Leiterverbund (3, 4), die auf der vom Trägersubstrat (2) abgewandten Seite des Leiterverbundes angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Isolatorschicht (5) eine äußere metallische Wärmeleitschicht (6) angeordnet ist, die zum Abführen von Wärme aus der Isolatorschicht (5) zum Kühlmittel hin eingerichtet ist.Current limiting device ( 1 ) for resistive limitation of a current with a carrier substrate consisting of an insulating material ( 2 ), with a on the carrier substrate ( 2 ) arranged conductor network ( 3 . 4 ) which has a superconducting layer which can be converted into a superconducting state by a coolant ( 3 ) and a commutation layer ( 4 ) and with a ceramic insulator layer ( 5 ) in thermal contact with the conductor network ( 3 . 4 ), which on the from the carrier substrate ( 2 ) facing away from the conductor assembly, characterized in that on the insulator layer ( 5 ) an outer metallic heat conducting layer ( 6 ) is arranged, which is used to remove heat from the insulator layer ( 5 ) is set up towards the coolant. Strombegrenzungseinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommutierungsschicht (4) zwischen der Supraleitschicht (3) und der Isolatorschicht (5) angeordnet ist.Current limiting device ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the commutation layer ( 4 ) between the superconducting layer ( 3 ) and the insulator layer ( 5 ) is arranged. Strombegrenzungseinrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere metallische Wärmeleitschicht (6) aus Kupfer besteht.Current limiting device ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the outer metallic heat-conducting layer ( 6 ) is made of copper. Strombegrenzungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Isolatorschicht aus Al2O3 besteht.Current limiting device ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the ceramic insulator layer consists of Al 2 O 3 . Strombegrenzungseinrichtung (1) nach einem, der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägersubstrat (2) aus Al2O3 besteht.Current limiting device ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the carrier substrate ( 2 ) consists of Al 2 O 3 . Strombegrenzungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Wärmeleitschicht (6) an beiden Seiten des Trägersubstrats (2) angeordnet ist.Current limiting device ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that at least the heat-conducting layer ( 6 ) on both sides of the carrier substrate ( 2 ) is arranged.
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