EP2223355A1 - Mit einer kühlschicht versehener hochtemperatursupraleitender bandleiterverbund - Google Patents
Mit einer kühlschicht versehener hochtemperatursupraleitender bandleiterverbundInfo
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- EP2223355A1 EP2223355A1 EP08863823A EP08863823A EP2223355A1 EP 2223355 A1 EP2223355 A1 EP 2223355A1 EP 08863823 A EP08863823 A EP 08863823A EP 08863823 A EP08863823 A EP 08863823A EP 2223355 A1 EP2223355 A1 EP 2223355A1
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Classifications
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- H10N60/20—Permanent superconducting devices
- H10N60/203—Permanent superconducting devices comprising high-Tc ceramic materials
Definitions
- the invention relates to a high-temperature superconducting strip conductor composite comprising a substrate layer, a buffer layer lying thereon, an HTSC layer lying thereon, and a cover layer, and to be assigned to the field of superconductive current limiters in electrical power engineering.
- the substrate, the carrier tape, a superconducting tape conductor is used as a cold reservoir.
- the previous solutions for energy absorption reduce the electrical Banleiterwi- resistance, making it unattractive or unusable for use in the superconducting current limiter technology.
- the invention has for its object to reduce the temperature after a certain time in the current-carrying, normal conducting state in order not to damage the HTSC layer or to prevent the melting of strip conductors, in which a low-melting solder is used.
- the cooling layer is a metal layer to poor to non-conductive oxide layer of alkali, alkaline earth and rare earths and their compounds or ceramic materials.
- the cooling layer has a thickness of 20 microns to about 200 microns.
- the coating is an electrically poor or non-conductive cooling layer with good thermal conductivity and heat capacity.
- the cooling layers are thus metal oxides but also alloyed and unalloyed metals or ceramic materials.
- the poor or non-electrically conductive thin oxide layer is applied as a cooling layer.
- the oxide layer may be partially applied to the tape conductor or completely enclose the tape conductor.
- the additional layer does not affect the electrical properties of the stripline during normal operation of superconducting current transport. The job does not damage the tape conductor.
- the special effect is, on the one hand, that the temperature in the superconductor can be kept low during the limiting process, and, on the other hand, the recooling time after the limiting process is shortened by the layer itself. This is due to the good thermal conductivity and the small layer thickness, combined with the large and rough surface in contact with the coolant LN 2 .
- the layer fulfills the function of an electrical insulation layer and replaces insulation foils interposed therebetween with poor contact with the strip conductor.
- the strip conductor is represented by a piece in the single FIGURE 1.
- Figure 1 shows a section of the strip conductor, which is covered with the oxide layer as a cooling layer.
- the layer thickness ratios and the rest of the geometry are not drawn to scale. Only the layer sequence should be expressed in the detail sketch.
- the substrate is immediately covered by the buffer layer or layers, which may be an oxide layer or may be different oxide layers. This situation is followed by the superconductor, here for example YBCO. This superconductor layer follows the cap layer. Until then, the existing superconductor tape is present. This band is now covered with the oxide layer as a cooling layer. In order to give a dimension idea, the dimension specification for the substrate thickness is made here: it is up to 200 ⁇ m.
- Such superconductor tape is cooled by liquid nitrogen, LN 2 , or gaseous nitrogen, GN 2 , depending on the transition temperature.
- the different expansion coefficients of the cooling layer and the strip conductor are a a technical challenge.
- a metal such as aluminum
- This additionally applied metal is subsequently oxidized.
- the aluminum layer is stable and firmly bonded to the residual aluminum, which in turn has a solid metallic bond with the strip conductor.
- the so-structured band conductor increases the possible switching energy in current limiters, which consist of such superconducting band conductors - coated conductors or 2G wires in technical language.
- the high electrical resistance of the additional layer causes no increase in the limited short-circuit current.
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract
Ein mit einer Kühlschicht versehener, hochtemperatursupraleitender Bandleiterverbund hat eine Metallschicht oder schlecht bis nicht leitende Oxidschicht aus Alkalie, Erdalkalie und aus Seltenen Erden sowie deren Legierungen als Kühlschicht. Die Kühlschicht weist eine Dicke von 20 µm bis etwa 200 µm auf.
Description
Mit einer Kühlschicht versehener hochtemperatursupraleitender Bandleiterverbund
Die Erfindung betrifft einen mit einer Kühlschicht versehener, hoch- temperatursupraleitender Bandleiterverbund aus einem Substratband, einer darauf liegenden Pufferschicht, einer darauf liegenden HTSL- Schicht und einer Deckschicht und ist dem Bereich supraleitender Strombegrenzer in der elektrischen Energietechnik zuzuordnen.
Bisher wird hauptsächlich das Substrat, das Trägerband, eines supraleitenden Bandleiters als Kältereservoir genutzt. Die bisherigen Lösungen zur Energieaufnahme senken den elektrischen Banleiterwi- derstand, wodurch er unattraktiv bis unbrauchbar für die Anwendung in der supraleitenden Strombegrenzertechnologie wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Temperatur nach einer bestimmten Zeit im stromdurchflossenen, normalleitenden Zustand zu mindern um die HTSL-Schicht nicht zu beschädigen oder das Aufschmelzen von Bandleitern, bei denen ein niedrig schmelzendes Lot verwendet wird, zu verhindern.
Die Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst. Die Kühlschicht ist eine Metallschicht bis schlecht bis nicht leitende Oxidschicht aus Alkalie, Erdalkalie und aus Seltene Erden sowie deren Verbindungen oder keramische Werkstoffe. Die Kühlschicht weist eine Dicke von 20 μm bis etwa 200 μm auf. Die Beschichtung ist eine elektrisch schlecht oder nicht leitende Kühlschicht mit guter Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität. Die Kühlschichten sind somit Metalloxide aber auch legierte und unlegierte Metalle oder keramische Werkstoffe .
Auf den Bandleiter wird die schlecht oder nicht elektrisch leitende dünne Oxidschicht als Kühlschicht aufgebracht. Die Oxidschicht kann teilweise auf den Bandleiteraufgebracht werden oder den Bandleiter komplett umschließen. Durch die Steigerung der Masse des Bandleiters wird die absolute Wärmekapazität erhöht und dadurch die maximal erreichte Temperatur im Bandleiter bzw. in der Supraleiterschicht wäh-
rend eines Quenches (Übergang in die NormmalIeitung) gesenkt . In der Rückkühlphase sorgt die raue und deshalb vergrößerte Oberfläche der Kühlschicht zudem für eine größere Kühlleistung des umgebenden, flüssigen Stickstoffs, wodurch die Rückkühlzeit verkürzt wird.
Die zusätzliche Schicht beeinträchtigt die elektrischen Eigenschaften des Bandleiters im Normalbetrieb des supraleitenden Stromtransports nicht. Durch den Auftrag wird der Bandleiter nicht beschädigt.
Die besondere Wirkung ist zum einen, dass die Temperatur im Supraleiter während des Begrenzungsvorgangs niedrig gehalten werden kann, zum andern wird die Rückkühlzeit nach dem Begrenzungsvorgang durch die Schicht selbst verkürzt. Dies liegt an der guten Wärmeleitfähigkeit und der geringen Schichtdicke, verbunden mit der großen und rauen O- berläche im Kontakt mit dem Kühlmittel LN2. Die Schicht erfüllt zusätzlich die Funktion einer elektrischen Isolationsschicht und ersetzt dazwischen gelegte Isolationsfolien mit schlechtem Kontakt zum Bandleiter.
Der Bandleiter ist durch ein Stück in der einzigen Figur 1 dargestellt. Figur 1 zeigt einen Ausschnitt des Bandleiters, der mit der Oxidschicht als Kühlschicht bedeckt ist. Die Schichtdickenverhältnisse und die übrige Geometrie sind nicht maßstäblich gezeichnet. Es soll in der Ausschnittskizze lediglich die Schichtenfolge zum Ausdruck kommen. Das Substrat ist unmittelbar von der Bufferschicht oder den Bufferschichten bedeckt, die eine Oxidschicht sein kann oder verschiedene Oxidschichten sein können. Dieser Situation folgt der Supraleiter, hier beispielsweise YBCO. Dieser Supraleiterschicht folgt der Cap-Layer. Bis dahin liegt das vorhandene Supraleiterband vor. Diese Band wird nun mit der Oxidschicht als Kühlschicht bedeckt. Um eine Dimensionsvorstellung zu geben, sei hier die Dimensionsangabe zur Substratdicke gemacht: sie beträgt bis zu 200 μm. Gekühlt wird ein solches Supraleiterband durch flüssigen Stickstoff, LN2, oder gasförmigen Stickstoff, GN2, je nach Sprungtemperatur.
Beim Aufbringen einer haltbaren Beschichtung sind die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der Kühlschicht und des Bandleiters ei-
ne technische Herausforderung. Bei der Aufbringung eines Metalls, beispielsweise Aluminium, entsteht eine sehr haltbare Verbindung mit dem Bandleiter. Dieses zusätzlich aufgebrachte Metall wird anschleißend oxidiert . Die Aluminiumschicht ist stabil und fest mit dem Restaluminium verbunden, das wiederum eine feste metallische Verbindung mit dem Bandleiter hat .
Der so strukturierter Bandleiter steigert die mögliche Schaltenergie in Strombegrenzern, die aus solchen supraleitenden Bandleitern - coa- ted conductors oder 2G Wires in der Fachsprache -bestehen. Der hohe elektrische Widerstand der zusätzlichen Schicht verursacht keine Vergrößerung des begrenzten Kurzschlussstromes.
Claims
1. Mit einer Kühlschicht versehener hochtemperatursupraleitender Bandleiterverbund aus einem Substratband, einer darauf liegenden Pufferschicht, einer darauf liegenden HTSL-Schicht und einer Deckschicht,
dadurch gekennzeichnet, dass:
die Kühlschicht eine Metallschicht oder schlecht bis nicht leitende Oxidschicht aus Alkalie, Erdalkalie und aus Seltene Erden sowie deren Verbindungen ist,
die Oxidschicht eine Dicke von 20 μm bis etwa 200 μm aufweist.
2. Bandleiterverbund nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlschicht einerseits den Bandleiterverbund über seine Länge völlig, um seinen Umfang höchstens, immer jedoch die Deckschicht über ihre Breite mindestens teilweise bedeckt und andrerseits in die Umgebung exponiert ist.
3. Bandleiterverbund nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlschicht eine Schicht aus einer Oxidkeramik ist.
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