ES2609634T3 - Elemento superconductor en forma de banda, con autoprotección mejorada en caso de transición superconductora - Google Patents

Elemento superconductor en forma de banda, con autoprotección mejorada en caso de transición superconductora Download PDF

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ES2609634T3 ES14178335.7T ES14178335T ES2609634T3 ES 2609634 T3 ES2609634 T3 ES 2609634T3 ES 14178335 T ES14178335 T ES 14178335T ES 2609634 T3 ES2609634 T3 ES 2609634T3
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Abstract

Elemento superconductor (1), que comprende un sustrato metálico (2), una capa aislante (3), una capa superconductora (5) y una capa protectora metálica (6), estando dispuesta la capa aislante (3) entre el sustrato (2) y la capa superconductora (5), extendiéndose la capa aislante (3) en una sección transversal del elemento superconductor (1) por ambos extremos más allá de la zona (BSL) del sustrato (2) cubierta por la capa superconductora (5), y separando galvánicamente la capa aislante (3) la capa superconductora (5) y la capa protectora metálica (6) del sustrato (2), caracterizado por que un grosor D de la capa aislante (3) se elige de tal forma que el elemento superconductor (1) presenta una tensión disruptiva transversal del sustrato (2) metálico con respecto a la capa superconductora (5) y con respecto a la capa protectora metálica (6) de al menos 25 V, y por que la capa aislante (3) cubre en sección transversal también los lados cortos (16) del sustrato (2) completamente.

Description

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DESCRIPCION
Elemento superconductor en forma de banda, con autoproteccion mejorada en caso de transicion superconductora
La invencion se refiere a un elemento superconductor, que comprende un sustrato metalico, una capa aislante, una capa superconductora y una capa protectora metalica, disponiendose la capa aislante entre el sustrato y la capa superconductora, extendiendose la capa aislante en una seccion transversal del elemento superconductor, por ambos extremos mas alla de la zona del sustrato cubierta por la capa superconductora, y separando galvanicamente la capa aislante, la capa superconductora y la capa protectora metalica, del sustrato.
Un elemento superconductor de este tipo ha llegado a conocerse del documento US 2009/0131262 A1.
Los materiales superconductores pueden soportar grandes corrientes electricas sin perdidas ohmicas. Se usan por ejemplo, en bobinas magneticas o tambien en delimitadores de corrientes de falla, resistivos o inductivos.
Las propiedades superconductoras se dan particularmente solo en el caso de temperaturas comparativamente bajas, que requieren un enfriamiento, tfpicamente con helio lfquido. Los superconductores de alta temperatura (HTSL, del aleman Hochtemperatursupraleiter) como YBCO presentan en este caso temperaturas de transicion y capacidades de carga de corriente mas altas que los superconductores metalicos convencionales como NbTi o Nb3Sn. Los HTSL son no obstante diffciles de procesar debido a sus fragiles propiedades de material; se fabrican por ello normalmente en forma de banda, depositandose una capa HTSL fina sobre un sustrato flexible.
Un riesgo principal al usar superconductores, es una transicion repentina al estado de conduccion normal (“Quench", transicion superconductora). La corriente soportada hasta el momento de forma superconductora en el superconductor, intenta entonces continuar fluyendo a traves del material de conduccion normal. En este caso pueden generarse tensiones electricas notables en el superconductor en el cual se ha producido transicion de conduccion, y se produce desarrollo de calor debido a perdidas ohmicas. En este caso, el superconductor puede quedar tambien danado irreversiblemente (“Burnout", recalentamiento).
En general se desea que un superconductor supere una transicion superconductora sin danos. Para ello se conoce la proteccion de superconductores mediante circuitos de corriente de conduccion normal, paralelos, con resistencia reducida (“Shunt", derivacion). La corriente soportada anteriormente de forma superconductora puede fluir entonces en caso de transicion superconductora a traves del circuito de corriente paralelo, debido a lo cual se reducen las tensiones electricas y el calentamiento. Como circuitos de corriente de conduccion normal, paralelos, se usan en el caso de estructuras superconductoras en forma de banda, particularmente revestimientos de derivacion, por ejemplo, de cobre, y tambien se utilizan sustratos metalicos, comparese para ello el documento US 7,774,035 B2. Ademas, se conocen sistemas de derivacion externos, los cuales estan acoplados a traves de elementos de puente, comparese por ejemplo, el documento EP 2 117 056 B1.
El documento de solicitud de patente europea EP 2 672 537 A1 republicada, propone escoger relativamente alta la resistencia de derivacion interna en caso de superconductores en forma de banda relativamente cortos en relacion con la anchura, para reducir el riesgo de un recalentamiento. Un sustrato metalico se separa en este caso de una pelfcula superconductora mediante una capa intermedia aislante electricamente, dispuesta entre ellos. Una capa protectora delgada de metal noble se dispone sobre la pelfcula superconductora.
Del documento EP 2 192 629 A1 se conoce un delimitador de corriente de falla con una disposicion de superconductor, en el que las pelfculas superconductoras de elementos superconductores estan unidas electricamente entre sf, los sustratos con capacidad de conduccion electrica de los elementos superconductores estan aislados no obstante, unos de otros. Entre las pelfculas superconductoras y los sustratos con capacidad de conduccion de los elementos superconductores hay dispuestas respectivamente capas intermedias aislantes.
Del documento US 2012/0040100 A1 se conoce proporcionar a un sustrato metalico, mediante planarizacion por deposicion en solucion (Solution Deposition Planarization, SDP) incluyendo un revestimiento por inmersion (en ingles Dip coating) y un tratamiento termico, una capa Y2O3, aplicar a continuacion una capa intermedia MgO, y disponer sobre la capa intermedia una pelfcula YBCO. Mediante este tratamiento SDP del sustrato, puede reducirse su rugosidad y mejorarse la calidad de la pelfcula YBCO.
El documento DE 10 2004 048 439 B4 describe un alambre superconductor con un aislamiento electrico a partir de una banda, que esta enrollado a modo helicoidal alrededor del alambre superconductor. El alambre superconductor puede estar configurado particularmente como alambre de capa fina HTS con un revestimiento YBCO y la banda como lamina de poliester con 2 pm de grosor y 50 % de superposicion.
El documento US 2011/0319271 A1 describe un superconductor de multifilamento, habiendo dispuestas sobre el lado superior de un sustrato metalico, una paca de amortiguador y varias tiras de superconductor alternas con tiras aislantes. Las tiras de superconductor estan provistas de una capa protectora y de una capa de estabilizacion para la estabilizacion electrica.
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El documento JP 2012 028263 A describe un procedimiento para la fabricacion de un superconductor oxfdico, en forma de banda, aplicandose tiras de superconductor en forma de lrnea, diferentes, con una tecnica de fotorresistencia, sobre un sustrato que porta capas intermedias.
El documento US 2009/0131262 A1 describe un superconductor de alta temperature multifilamento, disponiendose sobre el lado superior de un sustrato, una capa de amortiguacion y varias tiras HTS. Sobre las tiras HTS hay dispuestas una placa de proteccion de metal noble y una capa de estabilizacion, rodeando la capa protectora y la capa de estabilizacion, el sustrato, tambien lateralmente y desde abajo. En otra forma de realizacion, dos tiras HTS son rodeadas a modo de cubierta por la capa de revestimiento y por la capa de estabilizacion. En otra forma de realizacion, se propone aplicar la capa de amortiguacion, el material HTS y la capa protectora, sobre ambos lados del sustrato.
El documento US 2009/0302282 A1, el documento US 2005/0019615 A1 y el documento US 2010/0197506 A1, describen respectivamente superconductores, los cuales presentan capas aislantes producidas mediante revestimiento por inmersion.
Tarea de la invencion
La invencion se basa en la tarea de poner a disposicion un elemento superconductor, en el cual se reduzca el riesgo de un dano en caso de transicion superconductora.
Breve descripcion de la invencion
Esta tarea se soluciona mediante un elemento superconductor del tipo mencionado inicialmente, el cual esta caracterizado por que un grosor D de la capa aislante se elige de tal forma que el elemento superconductor presenta una tension disruptiva transversal del sustrato metalico con respecto a la capa de superconductor y con respecto a la capa protectora metalica, de al menos 25 V, y que la capa aislante tapa completamente en seccion transversal tambien los lados cortos del sustrato.
El elemento superconductor segun la invencion preve mejorar la autoproteccion del elemento superconductor mediante una amplia supresion de la salida de energfa en caso de transicion superconductora. Mediante el aislamiento del sustrato metalico de buena conduccion electrica, de la capa de superconductor, se mantiene alta la resistencia de derivacion. Mediante la alta resistencia ohmica en la zona de la capa superconductora en el caso de transicion superconductora, se limita por su parte el flujo de corriente mediante el elemento superconductor y debido a ello se reduce el desarrollo de calor en el elemento superconductor. El elemento superconductor puede volver a enfriarse entonces tras una transicion de superconduccion, mas rapidamente a por debajo de la temperatura de transicion, y devolverse correspondientemente de forma mas rapida de nuevo al funcionamiento normal; ademas, se reduce el riesgo de un sobrecalentamiento danino.
Segun la invencion, se utiliza una capa protectora metalica sobre la capa de superconductor. La capa metalica bloquea o dificulta procesos de difusion en el lado superior de la capa de superconductor o en general cambios qmmicos en la capa superconductora que parten del lado superior de la capa superconductora, y asegura de esta manera, las propiedades ffsicas de la capa superconductora, y con ello su funcion como superconductor. La capa protectora metalica, la cual consiste tfpicamente en un metal noble o en una aleacion de metal noble, si bien representa un circuito de corriente de conduccion normal paralelo a la capa de superconductor, presenta no obstante, debido al reducido grosor de la capa protectora metalica (tfpicamente 0,5 pm o menos), ohmiaje elevado, de manera que un desarrollo de calor correspondiente en caso de transicion superconductora, se mantiene reducido, o puede mantenerse reducido mediante la eleccion correcta del grosor de capa de la capa protectora metalica.
Para evitar un desarrollo de calor no deseado o incluso altamente danino para el elemento superconductor, la invencion preve sobresalir con la seccion de aislamiento en seccion transversal (perpendicular a la direccion longitudinal/direccion de flujo de corriente del elemento superconductor) a ambos lados de la capa de superconductor, mas alla de esta y cubrir tambien los lados cortos del sustrato completamente. Una capa protectora metalica, la cual cubre completamente la capa de superconductor, particularmente tambien sus lados cortos en seccion transversal, puede terminar entonces facilmente sobre la capa aislante (en la zona de su solapamiento por encima de la capa de superconductor), sin tocar el sustrato metalico. Debido a que la capa de superconductor presenta una anchura menor que la capa aislante, puede evitarse de manera segura tambien un contacto directo no intencionado con el sustrato metalico, mediante la capa de superconductor. Segun la invencion, esta previsto que la capa aislante cubra en seccion transversal completamente tambien los lados cortos del sustrato. Debido a ello, puede evitarse de manera aun mejor un contacto directo no intencionado del sustrato metalico en el caso de una deposicion de la capa superconductora o tambien de la capa protectora metalica en el lado superior del sustrato, y puede hacerse menos probable una disrupcion de la tension.
Segun la invencion, se utiliza una capa aislante con una tension disruptiva transversal alta. Una disrupcion de tension transversal (perpendicular con respecto a la direccion longitudinal del elemento superconductor), tfpicamente
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perpendicular con respecto a la superficie Ifmite de la capa aislante con respecto al sustrato, unina la capa metalica directa o indirectamente a traves de la capa protectora metalica, con la capa superconductora y de esta manera abrina un circuito de corriente de conduccion normal paralelo, de resistencia reducida, el cual tendna como consecuencia un notable calentamiento del elemento superconductor en caso de transicion superconductora. Debe tenerse en cuenta, que la capa de superconductor y la capa protectora metalica se encuentran esencialmente en la misma potencia electrica, y se produce una disrupcion de tension, allf donde (i) la capa aislante es mas debil debido al grosor variable (“weak spot", punto debil) y/o (ii) el campo electrico esta maximizado debido por ejemplo, a la rugosidad de la superficie, lo cual dependiendo de la geometna del elemento superconductor, puede darse tanto para la capa superconductora como para la capa protectora metalica.
Debido a una alta tension disruptiva transversal, la cual puede ajustarse mediante la seleccion de material adecuada y la seleccion adecuada del grosor de la capa aislante y en caso necesario comprobarse experimentalmente, puede evitarse de manera efectiva una disrupcion de este tipo. El grosor de la capa aislante es tipicamente unitario en el elemento superconductor. Se recomienda elegir de tal forma el uso del elemento superconductor segun la invencion, que en caso de transicion superconductora, a traves del elemento superconductor, cae como maximo una tension, la cual se encuentra por debajo de la tension disruptiva.
El elemento superconductor segun la invencion puede utilizarse de diversas maneras, particularmente en conducciones de corriente, bobinas magneticas y delimitadores de corriente de falla superconductores. Pueden hacer frente sin danos a transiciones de superconduccion repetidas o tambien de larga duracion, por ejemplo, debido a sobreintensidades en un delimitador de corriente de falla.
Para la capa superconductora puede utilizarse por ejemplo, YBCO u otro material superconductor de tipo ReBCO (Re: elemento de tierras raras). El sustrato es habitualmente de acero o de Hastalloy. El sustrato tiene habitualmente una configuracion en forma de banda, habitualmente con una anchura entre 0,5 cm y 8 cm, preferiblemente entre 2,5 cm y 5 cm, y con un grosor entre 0,05 mm y 0,5 mm, preferiblemente entre 0,1 mm y 0,2 mm.
Formas de realizacion preferidas de la invencion
En una forma de realizacion preferida del elemento superconductor segun la invencion, la capa protectora metalica toca la capa aislante. La capa aislante impide en este caso tambien, una disrupcion de la tension de sustrato a capa protectora metalica. La deposicion de la capa protectora metalica en este caso se ha simplificado, y la capa superconductora puede sellarse bien tambien por los lados mediante la capa metalica. En este caso, la capa aislante se extiende preferiblemente tambien a ambos lados mas alla de la zona cubierta por la capa superconductora y la capa protectora metalica, del sustrato metalico, para evitar de forma sencilla un contacto directo involuntario con el sustrato metalico.
Tambien es preferida una forma de realizacion, en la cual la capa protectora metalica rodea a modo de cubierta la capa superconductora en seccion transversal. Debido a ello se da un sellado bueno por todos los lados, de la capa superconductora, particularmente en sus superficies laterales, de manera que se bloquean o se minimizan modificaciones qmmicas en la capa superconductora.
Es ventajosa tambien una forma de realizacion, en la cual la capa aislante cubre tambien un lado inferior del sustrato alejado de la capa superconductora. En determinadas circunstancias, el lado inferior, debido a su gran superficie, es tambien una zona de contacto a tener en cuenta durante una union con la capa superconductora con material de mala conduccion. Mediante la disposicion de la capa aislante tambien en el lado inferior del sustrato, pueden bloquearse de forma efectiva circuitos de corriente, los cuales pasan por el lado inferior del sustrato. Una disrupcion de la tension es aun menos probable. En esta forma de realizacion, la capa aislante rodea en seccion transversal el sustrato por todos los lados. De esta manera se excluye de una forma muy fiable un uso del sustrato metalico como circuito de corriente en caso de transicion superconductora. Ademas, es posible de manera facil en este caso, la deposicion de la capa aislante mediante una ruta de precursor o la deposicion a partir de la fase lfquida, con revestimiento por inmersion y temple posterior. Debido a los grosores de capa necesarios segun la invencion, para la capa aislante, puede llevarse a cabo en este caso un revestimiento repetido.
Es preferida tambien una forma de realizacion en la que, adicionalmente a la capa aislante, esta prevista una capa de planarizacion, la cual esta depositada sobre el sustrato. Con una capa de planarizacion puede reducirse la rugosidad de la superficie del sustrato metalico, y de esta manera mejorarse la calidad de la capa superconductora. Alternativamente la capa aislante puede servir tambien al mismo tiempo como capa de planarizacion. La capa de planarizacion presenta preferiblemente un grosor de 0,2 a 5 pm, preferiblemente de 0,5 a 2 pm. La capa de planarizacion es preferiblemente de oxido de itrio o de oxido de circonio, y puede rodear por todos los lados el sustrato.
En una forma de realizacion preferida, el grosor D de la capa aislante se elige de tal forma que el elemento superconductor presenta una tension disruptiva transversal de sustrato metalico con respecto a la capa superconductora y con respecto a la capa protectora metalica, de al menos 50 V, de preferiblemente al menos 100 V, de manera muy particularmente preferida de 300 V. Debido a ello, el elemento superconductor puede usarse en el
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caso de tensiones externas altas, sin que en el caso de la transicion superconductora se de un calentamiento excesivo del elemento superconductor. La tension disruptiva transversal se encuentra en general entre 25 y 1500 V, y preferiblemente entre 50 y 500 V.
Es ventajosa una forma de realizacion, en la cual la capa aislante presenta un grosor D de al menos 0,2 pm, preferiblemente de al menos 2,0 pm, de manera particularmente preferida de al menos 3,5 pm, de manera muy particularmente preferida de al menos 5,0 pm. En general, unos grosores de capa mayores, conducen a tensiones disruptivas mayores. Unos grosores de capa reducidos, de por ejemplo, menos de 1 pm, pueden lograrse normalmente solo con materiales altamente aislantes, particularmente con fosfato de aluminio u oxido de aluminio. El grosor de la capa aislante es tipicamente de como maximo 10 pm, eventualmente se preve tambien un grosor de capa de como maximo 3 pm. Ha de tenerse en cuenta, que la capa aislante puede presentar generalmente tambien una estructura de capa; la capa aislante esta configurada no obstante, preferiblemente de forma unitaria (homogenea).
En una forma de realizacion preferida, la capa aislante contiene uno o varios oxidos de metal, particularmente oxido de circonio estabilizado mediante itrio, oxido de circonio, oxido de itrio, titanato de estroncio, oxido de aluminio, oxido de cerio, circonato de gadolinio, circonato de bario y/u oxido de magnesio. Los oxidos metalicos son materiales de facil deposicion y con buen aislamiento electrico. La capa aislante puede contener oxidos sencillos o multiples, particularmente de elementos del segundo o del tercer grupo principal del sistema periodico de los elementos o mezclas de ellos.
Tambien es preferida una forma de realizacion, en la cual la capa aislante contiene fosfato de aluminio, conteniendo particularmente la capa aislante una mezcla de fosfato de aluminio con oxido de silicio, oxido de germanio, oxido de circonio, oxido de itrio, titanato de estroncio, oxido de aluminio, oxido de cerio, circonato de gadolinio, circonato de bario y/u oxido de magnesio. El fosfato de aluminio ha resultado ser en la practica un aislante electrico particularmente eficiente.
Se prefiere tambien una forma de realizacion, en la que el elemento superconductor contiene una capa intermedia, disponiendose la capa intermedia entre la capa aislante y la capa superconductora, conteniendo particularmente la capa intermedia, al menos una subcapa dielectrica. Con una capa intermedia puede ponerse a disposicion - independientemente de las propiedades de la capa aislante - una superficie optima para la deposicion de la capa superconductora, y de esta manera lograrse una calidad particularmente alta de la capa superconductora (de la lamina superconductora). Ha de tenerse en cuenta, que la capa intermedia puede contener tambien al menos una subcapa metalica. Son materiales que pueden usarse tipicamente en la capa intermedia, CeO2, MgO e InSn. La capa intermedia se deposita tfpicamente mediante IBAD (Ion beam assisted deposition, deposicion asistida por haz de iones). De forma alternativa a esta forma de realizacion, puede usarse tambien como capa intermedia, la capa aislante o una parte superior de esta.
Es ventajosa, ademas, una forma de realizacion en la que en la seccion longitudinal del elemento superconductor hay configurada aproximadamente en el centro de la capa aislante una union electricamente conductora entre el sustrato metalico y la capa superconductora. Debido a ello, la tension o la intensidad de campo Effl que llega en caso de transicion superconductora a traves de la capa aislante, puede aproximadamente reducirse a la mitad.
Se prefiere ademas una forma de realizacion, la cual preve, que la capa protectora metalica presente un grosor de entre 0,07 pm y 3 pm, y/o que la capa protectora metalica contenga Ag, Au, Rt, Pd, Cu, Ni, Cr, Al, Y o sus mezclas o aleaciones. Estos grosores y materiales han resultado ventajosos en la practica. Ha de tenerse en cuenta, que el grosor de la capa protectora metalica se elige preferiblemente con 0,5 pm o menos, para poder mantener correspondientemente baja la resistencia a la derivacion interna, y tambien para mantener bajos los costes de produccion sobre todo al usar materiales caros como oro y plata en la capa protectora metalica.
Se prefiere ademas una forma de realizacion, en la cual la capa protectora metalica presenta una resistencia longitudinal en direccion longitudinal del elemento superconductor de entre 5 y 100 ohmios por metro de longitud y por cada centfmetro de anchura del elemento superconductor, preferiblemente entre 15 y 40 ohmios por metro de longitud y por cada centfmetro de la anchura del elemento superconductor. Con estos valores de resistencia ha resultado en la practica un buen comportamiento en caso de transicion superconductora, particularmente con un calentamiento solo reducido del elemento superconductor.
Se encuentra tambien en el marco de la presente invencion, el uso de un elemento superconductor segun la invencion, descrito mas arriba, en una fuente de tension exterior, mediante la cual llega al elemento superconductor en caso de transicion superconductora del elemento superconductor, una tension externa Vextelem, eligiendose la longitud L del elemento superconductor de tal forma que el campo electrico E» resultante en caso de transicion superconductora, a lo largo del elemento superconductor, que se obtiene con E» = Vextelem/L es menor que un campo electrico cntico E»crit, el cual puede soportar la capa conductora todavfa sin danos, eligiendose el grosor D de la capa aislante del elemento superconductor de tal forma que es valido:
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D > k ■
g|| -L
m ■ EcLTit
imagen1
l
£i ' dj
con i: variable de cantidad de capas dielectricas del elemento superconductor respectivamente tanto entre sustrato y capa superconductora como entre sustrato y capa protectora metalica sin la capa aislante, £i: constante dielectrica de la iesima capa electrica, £is0: constante dielectrica de la capa aislante, di: grosor de la iesima capa dielectrica, E±crit: intensidad de campo disruptiva transversal en la capa aislante; m: parametro geometrico con m = 2 para con y m = 1 para sin una union electricamente conductora configurada en la seccion longitudinal aproximadamente en el centro de la capa aislante, entre el sustrato metalico y la capa superconductora, y k: parametro de seguridad con k > 1. Con esta eleccion de L y D puede asegurarse, que el elemento superconductor supera bien varias y tambien duraderas transiciones superconductoras. E»crit puede determinarse para un determinado tipo de capa superconductora, de manera sencilla experimentalmente, igualmente puede determinarse de manera sencilla experimentalmente E±crit para un material de capa aislante. Mediante la eleccion del parametro de seguridad k > 1 puede configurarse una reserva para cargas inesperadas (picos de tension); k es de preferiblemente al menos 3.
En una variante preferida del uso segun la invencion es valido:
0,5 V/cm < E»cnt < 10 V/cm, y/o
2 ■ 103 V/cm < E±crit < 5 ■ 105 V/cm. Con estos rangos de valores puede trabajarse bien en la practica.
Es ventajosa tambien una variante, la cual prevea que L > 50 cm, preferiblemente L > 150 cm, de manera particularmente preferida L > 200 cm. Estas longitudes aun pueden fabricarse bien en la practica. Unas longitudes mayores reducen en principio la intensidad de campo E» paralela a la direccion longitudinal del sustrato superconductor.
Es particularmente preferida tambien una variante del uso segun la invencion, la cual preve, que el elemento superconductor este incorporado en una conexion en serie de otros elementos superconductores, cuyas capas superconductoras estan unidas electricamente entre sf y cuyos sustratos estan aislados electricamente unos de otros, y que la tension exterior Vextelem que llega a este en caso de conduccion superconductora del elemento superconductor, resulte a partir de Vextelem = Vext ■ L / Ltot, con Vexttot: tension total que llega mediante la fuente de tension exterior a traves de la conexion en serie del elemento superconductor y los demas elementos superconductores, y Ltot: suma de la longitud del elemento superconductor y de las longitudes de los demas elementos superconductores. Mediante la conexion en serie de los elementos superconductores, puede distribuirse la tension exterior Vexttot exterior que llega en total, a los elementos superconductores (tfpicamente iguales). Mediante una cantidad lo suficientemente grande o una longitud lo suficientemente grande de los elementos superconductores adicionales, puede distribuirse hasta tal punto particularmente la tension exterior Vextelem que llega al elemento superconductor, que no se supera E»crit (ni tampoco E±crit).
En un perfeccionamiento de esta variante es valido: Vexttot > 10 kV. Particularmente en el caso de tensiones externas altas, se dan en particular las ventajas de la alta fuerza dielectrica de la capa aislante en el elemento superconductor.
Es preferida tambien una variante, en la cual el elemento superconductor esta montado en un delimitador de corriente de falla superconductor. En el caso de delimitadores de corriente de falla, se requieren elementos superconductores particularmente resistentes a la transicion superconductora, dado que la transicion superconductora forma parte en este caso de la funcion deseada del delimitador de corriente de falla. El delimitador de corriente de falla puede ser de tipo resistivo o capacitivo.
Otras ventajas de la invencion resultan de la descripcion y del dibujo. Ademas, las caractensticas mencionadas anteriormente y las que seran explicadas, pueden usarse segun la invencion respectivamente de forma individual o varias de ellas en combinaciones cualesquiera. Las formas de realizacion mostradas y descritas no han de entenderse como una enumeracion cerrada, sino que tienen mas bien un caracter a modo de ejemplo para la explicacion de la invencion.
Descripcion detallada de la invencion y del dibujo
La invencion se representa en el dibujo y se explica con mayor detalle mediante ejemplos de realizacion. Muestran:
La Fig. 1 una representacion en seccion transversal esquematica de un primer elemento superconductor como explicacion general;
La Fig. 2 una representacion en seccion transversal esquematica de un segundo elemento superconductor como explicacion general;
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La Fig. 3a
La Fig. 3b La Fig. 3c La Fig. 4
una representacion en seccion transversal esquematica de una forma de realizacion de un elemento superconductor segun la invencion;
una seccion longitudinal esquematica del elemento superconductor de la Fig. 3a;
una vista en perspectiva, esquematica, del elemento superconductor de la Fig. 3a,
una representacion esquematica de una conexion en serie con un elemento superconductor y otros elementos superconductores segun la invencion.
Ha de tenerse en cuenta, que en las figuras que se describen a continuacion, las estructuras se representan en su mayor parte de manera exagerada, para aclarar las caractensticas de la invencion. Las figuras no han de entenderse por lo tanto a escala.
La Fig. 1 muestra un primer elemento superconductor 1 en seccion transversal (perpendicularmente con respecto a la direccion de carga de corriente/direccion longitudinal) como explicacion general. El elemento superconductor 1 presenta esencialmente una estructura en forma de banda.
Sobre un sustrato metalico 2, por ejemplo, de acero, se ha depositado una capa aislante 3, por ejemplo, de fosfato de aluminio. La capa aislante 3 presenta un grosor D, y la capa aislante 3 no se ha depositado en este caso solo sobre el lado superior del sustrato 2, sino tambien en una zona superior OB en los lados cortos 16 del sustrato 2.
Sobre la capa aislante 3 se ha depositado en este caso una capa intermedia 4 con dos subcapas 4a, 4b. La subcapa inferior 4a es en el ejemplo mostrado, electricamente conductora (por ejemplo, una aleacion CrNi), y la subcapa superior 4b es aislante electricamente (por ejemplo, CeO2).
Sobre la capa intermedia 4 se ha depositado una capa superconductora 5 (preferiblemente de material superconductor de alta temperatura con una temperatura de transicion de 40 K o superior, particularmente YBCO). La extension longitudinal (anchura) Bsl de la capa superconductora 5 es en este caso menor que la extension longitudinal (anchura) Biso de la capa aislante 3, y la capa aislante 3 sobresale por ambos extremos (a izquierda y derecha) de la capa superconductora 5 o de la zona cubierta por ella del sustrato 2.
Sobre la capa superconductora 5 se ha depositado por su parte una capa protectora metalica 6 (por ejemplo, una aleacion AuAg) con el grosor DS. La capa protectora metalica 6 cubre en este caso a modo de cubierta la capa superconductora 5 y en este caso tambien la capa intermedia 4. Con sus flancos FL laterales la capa protectora metalica 6 sella tambien las superficies laterales de la capa superconductora 5, de manera que esta en seccion transversal esta protegida por todos los lados frente a ataques qmmicos. Los flancos FL de la capa protectora metalica 6 tocan por el lado inferior la capa aislante 3, de manera que la capa aislante 3 impide un contacto electrico entre la capa protectora metalica 6 y el sustrato metalico 2. Los flancos FL tocan en este caso la capa aislante 3 particularmente en la zona que sobresale lateralmente frente a la capa superconductora 5. Los flancos FL aprovechan preferiblemente en este caso solo aproximadamente la mitad o menos de la zona sobresaliente lateralmente de la capa aislante 3 como superficie de apoyo.
El grosor D de la capa aislante 3 es suficiente para evitar una disrupcion de la tension DSL transversal entre el sustrato metalico 2 y la capa superconductora 5, y tambien una disrupcion de la tension DMS transversal entre el sustrato metalico 2 y la capa protectora metalica 6 hasta una tension de al menos 25 V, preferiblemente de al menos 50 V. Dicho con otras palabras, en el caso de una diferencia de tension de 25 V, preferiblemente 50 V, entre el sustrato metalico 2 por un lado y la capa protectora metalica 6 y la capa superconductora 5 (que normalmente presentan un potencial aproximadamente igual) por otro lado, aun no se da una disrupcion de la tension. Ha de tenerse en cuenta, que el grosor D necesario depende en este caso particularmente del material de la capa aislante 3. La tension disruptiva aumenta al aumentar el grosor D.
En general, para la deposicion de las capas 3, 4, 5, 6 pueden usarse respectivamente procedimientos conocidos en sf, por ejemplo, deposicion por fase de gas qmmica (CVD) y deposicion por vapor ffsica (PVD), incluyendo deposicion por laser pulsado, o tambien deposicion a partir de la fase lfquida (deposicion por solucion qmmica CSD o deposicion organica de metal MOD, tfpicamente con revestimiento por inmersion, revestimiento por pulverizacion o impresion y posterior templado, sobre todo, para la capa aislante, habitualmente en un proceso de deposicion de varias fases).
La Fig. 2 muestra otro elemento superconductor 1 en seccion transversal como explicacion general.
El sustrato metalico 2 esta rodeado en este caso por todos lados por una capa de planarizacion 7, la cual se aplico por ejemplo, mediante revestimiento por inmersion y templado. La capa de planarizacion 7 es no obstante, con su grosor d, relativamente delgada, por ejemplo, de aproximadamente 0,3 pm, y tiene por tanto solo una fuerza dielectrica reducida.
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En el lado superior del elemento superconductor 1 hay aplicada por lo tanto, una capa aislante 3 con el grosor D, con la que se pone a disposicion una tension disruptiva de al menos 25 V, preferiblemente al menos 50 V, del sustrato metalico 2 a una capa superconductora 5, la cual esta dispuesta sobre una capa intermedia 4 dielectrica, y con respecto a una capa protectora metalica 6. La capa protectora metalica 6 recubre en este caso por su parte a modo de cubierta la capa superconductora 5 y tambien la capa intermedia 4.
La capa aislante 3 sobresale por su parte lateralmente de la capa superconductora 5 claramente, no se proporciona sin embargo en este ejemplo, ninguna capa aislante en los lados cortos 16 del sustrato 2.
La Fig. 3a muestra en seccion transversal una forma de realizacion de un elemento 1 superconductor segun la invencion.
El sustrato metalico 2 esta rodeado en este caso en seccion transversal por todos lados por una capa aislante 3, de manera que tambien el lado inferior 15 y los lados cortos 16 del sustrato 2, dispuestos a izquierda y derecha, quedan rodeados por la capa aislante 3. Sobre la capa aislante 3 se ha depositado una capa intermedia 4 dielectrica, y sobre esta, por su parte, una capa superconductora 5. Una capa protectora metalica 6 rodea a modo de cubierta la capa superconductora y tambien la capa intermedia. Los flancos FL de la capa protectora metalica 6 estan dispuestos respectivamente sobre zonas de la capa aislante 3, las cuales sobresalen lateralmente de la capa superconductora 5 o de la zona del sustrato 2 rodeada por la capa superconductora 5.
La capa aislante 3 puede depositarse en este caso facilmente mediante revestimiento por inmersion y templado, pudiendo llevarse a cabo para lograr una tension disruptiva segun la invencion entre sustrato metalico 2 por un lado y capa protectora metalica 6 y capa superconductora 5 por otro lado, de al menos 25 V, preferiblemente de al menos 50 V, varias iteraciones de deposicion para el establecimiento del grosor de capa D requerido.
La Fig. 3b muestra una seccion longitudinal (a lo largo de la direccion de carga de la corriente) a traves del elemento superconductor 1 de la Fig. 3a. Aproximadamente a la mitad de la extension longitudinal del elemento superconductor 1 se proporciona una conexion electricamente conductora 8, por ejemplo, de un metal noble o de una aleacion de metal noble, que une el sustrato metalico 2 con la capa superconductora 5. Debido a ello, se reduce aproximadamente a la mitad de forma efectiva, en caso de transicion superconductora, la tension externa que llega a traves de la longitud L del elemento 1 superconductor, en lo que se refiere a la diferencia de tension entre el sustrato 2 y la capa superconductora 5, y de esta manera se reduce el riesgo de una disrupcion de la tension a traves de la capa aislante 3 de forma correspondiente.
La Fig. 3c muestra una vista inclinada esquematica del elemento 1 superconductor de las Figs. 3a y 3b; el plano de seccion transversal de la Fig. 3a esta marcado con IIIa, y el plano de seccion longitudinal de la Fig. 3b esta marcado con IIIb.
El elemento 1 superconductor sirve para cargar de manera superconductora una corriente que fluye en direccion de la flecha 10 (direccion longitudinal). El elemento superconductor tiene la longitud L y la anchura B. En el caso de transicion superconductora, esta a disposicion como circuito de corriente de conduccion normal para la capa superconductora, solo la capa protectora metalica 6, esta tiene no obstante, una configuracion solo relativamente delgada, de manera que se obtiene una resistencia longitudinal de preferiblemente entre 5 y 100 ohmios por 1 cm de anchura (la resistencia longitudinal se determina a partir de la superficie de seccion transversal de la capa protectora metalica 6 y la resistencia espedfica del material de la capa protectora). En el caso de una longitud L de por ejemplo, 1,50 m, una anchura B de 4 cm y una resistencia longitudinal de 20 ohmios por cada m de longitud y cada cm de anchura, se obtiene, por ejemplo, una resistencia absoluta de la capa protectora metalica 6 entre los lados frontales del elemento 1 superconductor de
R = (20 Ohmios * cm/m) * 1,50 m / 4 cm = 7,5 ohmios.
En la Fig. 4 se representa una conexion en serie de un elemento 1 superconductor segun la invencion y de otros elementos superconductores 11, 12, en este caso de igual construccion. A pesar de que en general solo se muestran tres elementos superconductores 1, 11, 12, la conexion en serie puede comprender tambien mas elementos superconductores, aproximadamente 50 o mas. Esta conexion en serie puede usarse por ejemplo como delimitador de corriente de falla resistivo para un consumidor conectado en serie, no representado con mayor detalle.
La conexion en serie esta expuesta por una fuente de tension externa 13 a una tension Vexttot, que cae en caso de transicion superconductora distribuida por los elementos superconductores 1, 11, 12. Ha de tenerse en cuenta, que en este caso los sustratos 2 metalicos estan separados galvanicamente por la capa aislante 3 de las capas superconductoras 5 y de las capas de proteccion metalica 6s. A traves del elemento 1 superconductor cae una proporcion Vextelem de Vexttot*L/Ltot, representando Ltot la suma de las longitudes L de los elementos 1, 11, 12 superconductores individuales; por norma, los espacios intermedios entre los elementos 1, 11, 12 superconductores insignificantemente pequenos en comparacion con Ltot, aunque los sustratos 2 estan aislados electricamente entre sf. Ha de tenerse en cuenta, que las capas superconductoras 5 estan unidas entre sf de forma superconductora y en
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caso de transicion superconductora con conduccion normal.
La tension Vextelem que llega al elemento superconductor 1, cae de manera uniforme por la capa superconductora 5; se obtiene un campo electrico E» de Vextelem/L en la capa superconductora 5. Mediante una distribucion suficiente (particularmente una cantidad suficiente de elementos superconductores) puede mantenerse en este caso la intensidad de campo por debajo de una intensidad de campo cntica Encnt, por encima de la cual se danan danos en la capa superconductora 5.
Dado que el sustrato 2 conduce electricamente, predomina allf en todos los lugares el mismo potencial electrico. Dado que los dos extremos de la capa superconductora 5 estan expuestos no obstante, a Vextelem, puede predominar entre el sustrato 2 y la capa superconductora 5 una diferencia de tension local de hasta Vextelem, que no puede dar lugar a una disrupcion de la tension perpendicular a traves de la capa aislante 3, cuando ha de evitarse una participacion del sustrato 2 en la conduccion de la corriente en caso de transicion superconductora. En correspondencia, la intensidad de campo Effl transversal es en este caso en la capa aislante 3 Vextelem/D, describiendo D el grosor de capa de la capa aislante 3. Ha de tenerse en cuenta, que en caso de uso con una union electrica central (vease la Fig. 3b), la tension que llega se reduce de forma efectiva a la mitad en lo que se refiere a Effl.
La intensidad de campo disruptiva E±crit transversal es una propiedad de material del material incorporado en la capa aislante 3. Si esta se conoce, y tambien se conoce la tension externa que llega Vextelem, puede determinarse con ello, el grosor D requerido, preferiblemente con una distancia de seguridad. En caso de proporcionarse adicionalmente a la capa aislante 3 otras capas dielectricas entre el sustrato 2 y la capa superconductora 5, y entre el sustrato 2 y la capa protectora metalica 6 (por ejemplo, una capa de planarizacion o una capa intermedia dielectrica), estas pueden reducir el grosor de capa D requerido de la capa aislante 3. Solo una capa dielectrica de este tipo, que separa tanto el sustrato 2 y la capa superconductora 5 como el sustrato 2 y la capa protectora metalica 6 por la totalidad de las correspondientes anchuras, puede contribuir en este caso a la reduccion del grosor de capa D requerida (en la forma de construccion de la Fig. 1, la capa intermedia 4a dielectrica no puede contribuir, dado que lateralmente no llega hasta por debajo de la totalidad de la capa protectora metalica 6. En la Fig. 2 solo puede contribuir la capa de planarizacion 7. En la Fig. 3a por su parte, no puede contribuir la capa intermedia 4 dielectrica, dado que no alcanza lo suficiente lateralmente). En este caso, puede aproximarse el aporte de las otras capas dielectricas a traves de su grosor d y la proporcion de las constantes dielectricas de la capa aislante 3 y de una correspondiente capa i dielectrica adicional, como se indica en la reivindicacion 15.
Los elementos 1, 11, 12 superconductores presentan segun la invencion tensiones disruptivas de 25 V o mas, preferiblemente de 50 V o mas. Debido a ello, pueden manejarse tambien tensiones externas en el rango kV, que se requieren para delimitadores de corriente de falla superconductores, con un numero controlable de elementos superconductores 1, 11, 12, conectados en serie.
Un elemento superconductor tfpico segun la invencion, presenta como sustrato una banda de acero inoxidable con un grosor de entre 50 pm y 200 pm, de forma preferida aproximadamente 100 pm y una anchura de 20 a 80 mm, de forma preferida aproximadamente 40 mm, ademas una capa aislante, preferiblemente de circonio estabilizado con itrio, con un grosor de entre 1,5 pm y 10 pm (siendo suficiente el grosor, dependiendo de la calidad de material, para garantizar una tension disruptiva de al menos 25 V), ademas opcionalmente una capa intermedia, por ejemplo, de CeO2, con un grosor de entre 0,05 pm y 0,2 pm, preferiblemente 0,1 pm, ademas, una capa superconductora, preferiblemente una capa superconductora de alta temperatura, por ejemplo, de YBCO, con un grosor de entre 0,8 pm y 4 pm, preferiblemente entre 1 pm y 2 pm, y ademas, una capa protectora metalica, por ejemplo, de una aleacion Ag-Au (50% en peso/ 50 % en peso). Un elemento superconductor puede presentar en este caso una longitud de 0,5 m o mas. En el caso de una estructura de este tipo se superaron multiples transiciones superconductoras con una duracion de respectivamente 300 segundos de duracion.
Ha de tenerse en cuenta, que en este caso pueden determinarse magnitudes indicadas cuantitativamente, dependientes de propiedades de material, particularmente una resistencia longitudinal de la capa protectora metalica y la tension disruptiva transversal, a temperatura ambiente (20 °C).
La invencion describe en resumen un conductor de banda superconductor, particularmente conductor de banda HTSL, estando cubierta su capa superconductora (pelfcula superconductora) con una capa protectora metalica, y separando electricamente una capa aislante su sustrato metalico (banda de sustrato) de la capa superconductora y de la capa protectora metalica. En este caso, la capa aislante supera en seccion transversal perpendicularmente con respecto a la direccion longitudinal (direccion de carga de corriente) del conductor de banda, por ambos lados, la zona de superficie cubierta por la capa superconductora y preferiblemente tambien por la capa aislante metalica, del sustrato metalico (tfpicamente con una proyeccion de respectivamente al menos 1 mm, preferiblemente al menos 2 mm) y la capa aislante cubre tambien completamente los lados cortos del sustrato, o rodea incluso completamente el sustrato metalico. La capa aislante tiene un grosor tal, que impide una disrupcion de la tension transversal o una disrupcion de la tension perpendicularmente a traves de la capa aislante hasta al menos 25 V, preferiblemente hasta al menos 50 V. La tension que llega en caso de transicion superconductora, entre el sustrato metalico por un lado y por otro lado la capa superconductora (o la capa protectora metalica, que esencialmente esta en el mismo potencial electrico que la capa superconductora) produce en este caso un campo electrico, que se extiende esencialmente en
perpendicular a traves de la capa aislante (y en particular esencialmente en perpendicular a traves de las superficies de Kmite de la capa aislante con el sustrato metalico y con la capa superconductora o la capa protectora metalica). En el caso de transicion superconductora, el sustrato metalico economico y de buen manejo no contribuye entonces al flujo de corriente de conduccion normal, debido a lo cual, se reduce un calentamiento del conductor de banda, y 5 de esta forma se facilita y se acelera un retorno al estado superconductor.

Claims (15)

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    REIVINDICACIONES
    1. Elemento superconductor (1), que comprende un sustrato metalico (2), una capa aislante (3), una capa superconductora (5) y una capa protectora metalica (6), estando dispuesta la capa aislante (3) entre el sustrato (2) y la capa superconductora (5),
    extendiendose la capa aislante (3) en una seccion transversal del elemento superconductor (1) por ambos extremos mas alla de la zona (Bsl) del sustrato (2) cubierta por la capa superconductora (5),
    y separando galvanicamente la capa aislante (3) la capa superconductora (5) y la capa protectora metalica (6) del sustrato (2), caracterizado por que
    un grosor D de la capa aislante (3) se elige de tal forma que el elemento superconductor (1) presenta una tension disruptiva transversal del sustrato (2) metalico con respecto a la capa superconductora (5) y con respecto a la capa protectora metalica (6) de al menos 25 V,
    y por que la capa aislante (3) cubre en seccion transversal tambien los lados cortos (16) del sustrato (2) completamente.
  2. 2. Elemento superconductor (1) segun la reivindicacion 1, caracterizado por que la capa protectora metalica (6) toca la capa aislante (3).
  3. 3. Elemento superconductor (1) segun la reivindicacion 1 o 2, caracterizado por que la capa protectora metalica (6) rodea en seccion transversal a modo de cubierta la capa superconductora (5).
  4. 4. Elemento superconductor (1) segun una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la capa aislante (3) tambien cubre un lado inferior (15), dirigido en sentido opuesto a la capa superconductora (5), del sustrato (2).
  5. 5. Elemento superconductor (1) segun una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que, adicionalmente a la capa aislante (3), esta prevista una capa de planarizacion (7), que se ha depositado sobre el sustrato (2).
  6. 6. Elemento superconductor (1) segun una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el grosor D de la capa aislante (3) se elige de tal forma que el elemento superconductor (1) presenta una tension disruptiva transversal del sustrato metalico (2) con respecto a la capa superconductora (5) y con respecto a la capa protectora metalica (6) de al menos 50 V, preferiblemente de al menos 100 V, de manera particularmente preferida de al menos 300 V.
  7. 7. Elemento superconductor (1) segun una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la capa aislante (3) contiene uno o varios oxidos de metal,
    particularmente oxido de circonio estabilizado mediante itrio, oxido de circonio, oxido de itrio, titanato de estroncio, oxido de aluminio, oxido de cerio, circonato de gadolinio, circonato de bario y/u oxido de magnesio.
  8. 8. Elemento superconductor (1) segun una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el elemento superconductor (1) contiene una capa intermedia (4), estando dispuesta la capa intermedia (4) entre la capa aislante (3) y la capa superconductora (5), conteniendo particularmente la capa intermedia (4) al menos una subcapa (4a) dielectrica.
  9. 9. Elemento superconductor (1) segun una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que en la seccion longitudinal del elemento superconductor (1) hay configurada aproximadamente en la mitad de la capa aislante (3) una union electricamente conductora (8) entre el sustrato metalico (2) y la capa superconductora (5).
  10. 10. Elemento superconductor (1) segun una de las reivindicaciones anteriores,
    caracterizado por que la capa protectora metalica (6) presenta una resistencia longitudinal en la direccion longitudinal del elemento superconductor (1) de entre 5 y 100 ohmios por cada m de longitud (L) y por cada cm de anchura (B) del elemento superconductor (1), preferiblemente entre 15 y 40 ohmios por cada m de longitud (L) y por cada cm de anchura (B) del elemento superconductor (1).
  11. 11. Uso de un elemento superconductor (1) segun una de las reivindicaciones anteriores, en una fuente de tension (13) exterior, a traves de la cual llega, en caso de transicion superconductora del elemento superconductor (1), una tension exterior Vextelem al elemento superconductor (1),
    eligiendose la longitud L del elemento superconductor (1) de tal forma que el campo electrico E» resultante en caso de transicion superconductora a lo largo del elemento superconductor (1), que se obtiene con E» = Vextelem/L es menor que un campo electrico critico E»crit, el cual puede soportar la capa conductora (5) todavfa sin danos, y eligiendose el grosor D de la capa aislante (3) del elemento superconductor (1) de tal forma que es valido:
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    con i: variable de cantidad de capas dielectricas del elemento superconductor (1) respectivamente tanto entre sustrato (2) y capa superconductora (5) como entre sustrato (2) y capa protectora metalica (6) sin la capa aislante (3), £i: constante dielectrica de la iesima capa electrica, £is0: constante dielectrica de la capa aislante (3), di: grosor de la iesima capa dielectrica, E±crit: intensidad de campo disruptiva transversal en la capa aislante (3); m: parametro geometrico con m = 2 para con y m = 1 para sin una union electricamente conductora (8) configurada en seccion longitudinal aproximadamente en el centro de la capa aislante (3), entre el sustrato metalico (2) y la capa superconductora (5), y k: parametro de seguridad con k > 1.
  12. 12. Uso segun la reivindicacion 11, caracterizado por que es valido:
    0,5 V/cm < E»cnt< 10 V/cm,
    y/o
    2 103 V/cm < E±crit < 5 105 V/cm.
  13. 13. Uso segun la reivindicacion 11 o 12, caracterizado por que L > 50 cm, preferiblemente L > 150 cm, de manera particularmente preferida L > 200 cm.
  14. 14. Uso segun una de las reivindicaciones 11 a 13, caracterizado por que
    el elemento superconductor (1) esta integrado en una conexion en serie de mas elementos superconductores (11, 12), cuyas capas superconductoras (5) estan unidas electricamente entre sf y cuyos sustratos (2) estan aislados electricamente entre sf,
    y por que la tension exterior Vextelem que llega al elemento superconductor (1) en caso de transicion superconductora del mismo, se obtiene a partir de
    Vextelem = Vexttot ■ L / Ltot,
    con Vexttot: tension total que llega mediante la fuente de tension exterior (13) a traves de la conexion en serie del elemento superconductor (1) y los demas elementos superconductores (11, 12), y Ltot: suma de la longitud del elemento superconductor (1) y de las longitudes de los demas elementos superconductores (11, 12).
  15. 15. Uso segun la reivindicacion (14), caracterizado por que es valido:
    Vexttot> 10 kV.
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