WO2004006347A1 - Current limiter comprising a superconductive layer - Google Patents

Current limiter comprising a superconductive layer Download PDF

Info

Publication number
WO2004006347A1
WO2004006347A1 PCT/DE2003/001996 DE0301996W WO2004006347A1 WO 2004006347 A1 WO2004006347 A1 WO 2004006347A1 DE 0301996 W DE0301996 W DE 0301996W WO 2004006347 A1 WO2004006347 A1 WO 2004006347A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
layer
superconductor
commutation
current
limiting unit
Prior art date
Application number
PCT/DE2003/001996
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Ralf-Reiner Volkmar
Ursus KRÜGER
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
Publication of WO2004006347A1 publication Critical patent/WO2004006347A1/en

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N60/00—Superconducting devices
    • H10N60/30—Devices switchable between superconducting and normal states

Definitions

  • the invention relates to a current limiter unit for the resistive limitation of an electrical current with a superconductor connected in parallel to a coil section of a commutation conductor, the coil section being set up to generate a magnetic field which passes through the superconductor.
  • Such a current limiting unit is already known from EP 0 406 636 AI.
  • the current limiting unit disclosed there has a superconductor which is arranged in a coil connected in parallel with the superconductor.
  • a resistor is also provided which, in normal operation, in which the superconductor is in the superconducting state, provides a sufficiently high resistance to withstand a current flowing through the current limiter almost exclusively via the superconductor respectively.
  • the invention solves this problem in that the superconductor is at least one superconducting layer arranged on a carrier substrate and the commutation conductor is at least one commutation layer having conductor tracks and in that the coil section is formed by winding sections of the conductor tracks which are arranged on one or both sides of the superconductor layer.
  • the commutation layer advantageously consists of copper, silver, gold or an electrically conductive alloy which is applied by any method such as, for example, electroplating, vapor deposition or the like.
  • a metal oxide high-temperature superconductor which can already be kept in the superconducting state by liquid nitrogen can advantageously be used as the high-temperature conductor.
  • the superconducting layer is, for example, flat. Deviating from this, however, it can extend in the form of conductor tracks on the carrier substrate, so that the current is conducted on predetermined current paths. For example, the conductor tracks are meandering.
  • a layer which is applied to a superconducting layer forming conductor tracks then necessarily has a corrugated, non-planar structure.
  • the winding sections are connected in series and in parallel. Circuit arranged to each other. This results in a network-like distribution of the winding sections.
  • the magnetic field generated by the windings is evenly distributed over the superconductor layer, so that large areas of the superconductor can be quenched at the same time.
  • the parallel connection also increases the current carrying capacity of the commutation layer.
  • the carrier substrate is advantageously designed in the form of a plate, two commutation layers being provided, which are arranged on both sides of the carrier substrate and are electrically connected to one another by means of a plated-through hole.
  • the arrangement of the winding sections on both sides reinforces the magnetic field passing through the superconducting layer. It should be ensured here that the current flow through the winding sections arranged on both sides of the carrier substrate is in the same direction, since otherwise the effect of the magnetic fields is neutralized.
  • the carrier substrate can be a flexible carrier tape.
  • the plated-through hole has surface sections that delimit the outside of the current limiting unit.
  • the surface sections have an enlarged heat exchange surface compared to the rest of the plated-through hole, which for example flows to a liquid that delimits the outside of the current limiting unit
  • Cooling medium is adjacent, so that the cooling of the via is improved.
  • Figure 1 shows an embodiment of an inventive
  • Figure 2 shows a current limiting unit according to Figure 1 in a cross-sectional view.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of the current limiter unit 1 according to the invention, which has a carrier substrate 2 made from an insulating material, such as, for example, from a suitable ceramic.
  • a composite conductor 3 is arranged on the carrier substrate 2 and has a superconducting layer 4 and a commutation layer 5 which is provided above the superconducting layer 4.
  • the superconducting layer 4 and the Commutation layer 5 are electrically connected to a contacting layer 6, on which a current conductor, such as a current strip, can be fastened by conventional joining methods.
  • the commutation layer 5 is not flat, but in the form of conductor tracks 7, which form winding sections 8, in which a current to be limited is guided on a curved track.
  • the winding sections 8 arranged in one plane therefore generate a magnetic field which is oriented at right angles to the plane of the winding section and passes through the parallel superconducting layer 4 at a right angle.
  • the winding sections 8 are connected both in parallel and in series with one another.
  • a further commutation layer 5 with conductor tracks 7 forming winding sections 8 is provided on the side of the carrier substrate 2 facing away from the superconducting layer 4.
  • the two commutation layers 5 are connected by a via 9, which is shown only schematically in FIG. 1 and extends both through the superconducting layer 4 and through the carrier substrate 2.
  • the winding sections 8 are designed and connected to one another in such a way that a winding current 8 flows through the winding sections 8 lying one above the other in the same direction. In this way, the magnetic fields generated by winding sections 8 arranged one above the other have the same orientation, so that the magnetic field passing through the superconducting layer 4 is strengthened.
  • Figure 2 shows the current limiting unit 1 in a cross-sectional view.
  • This view shows in particular the layer structure of the current limiting unit 1.
  • a diffusion barrier layer 10 is provided between the upper commutation layer 5 and the superconducting layer 4, which prevents the diffusion of particles of the commutation layer 5 advantageously made of silver, gold, copper or a metallic alloy into the superconducting layer 4.
  • the diffusion barrier layer 10 consists in the selected embodiment of cerium oxide.
  • the through contact 9 is dumbbell-shaped in cross section and has two opposite surface sections 12 and a conductor section 13 extending between these surface sections 12, which extends through the diffusion barrier layer 10 and the carrier substrate 2.
  • the surface sections 12 provide an enlarged surface area of the plated-through hole, so that cooling is improved by a cooling medium delimiting the current limiting unit 1.
  • the commutation layer 5 can, for example, also be formed only in one plane above the superconducting layer 4, wherein, for example, in addition to circular winding sections, two straight supply sections arranged parallel to one another are formed, in which the current is conducted in opposite directions. Since the magnetic fields generated by these straight supply sections neutralize themselves as a result of the parallel and opposite current flow, they should be briefly designed with regard to the strongest possible magnetic field compared to the dimensioning of the winding sections. Asymmetric spiral windings are also conceivable, but it must be ensured that a sufficiently strong magnetic field is generated in order to bring about a behavior of the superconducting layer that is as homogeneous as possible. For this purpose, the magnetic fields generated must not cancel each other out.

Landscapes

  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)

Abstract

The invention relates to a current limiting unit (1) for the resistive limitation of an electrical current by means of a superconductor (4) which is mounted in parallel in relation to a coil section (8) of a commutation conductor (5), said coil section (8) being used to generate a magnetic field crossing the superconductor (4). The aim of the invention is to carry out a quenching process which is as homogeneous as possible throughout the superconductive layer. To this end, the superconductor is a superconductive layer (4) arranged on a carrier substrate (2), the commutation conductor is a commutation layer (5) comprising at least one strip conductor (7), and the coil section is formed by winding sections (8) of the strip conductors (7), which are arranged on one side, or on both sides, of the superconductive layer (4).

Description

Beschreibungdescription
Strombegrenzer mit SupraleitschichtCurrent limiter with superconducting layer
Die Erfindung betrifft eine Strombegrenzereinheit zur resistiven Begrenzung eines elektrischen Stromes mit einem Supraleiter in Parallelschaltung zu einem Spulenabschnitt eines Kommutierungsleiters, wobei der Spulenabschnitt zur Erzeugung eines Magnetfeldes eingerichtet ist, das den Supraleiter durchsetzt.The invention relates to a current limiter unit for the resistive limitation of an electrical current with a superconductor connected in parallel to a coil section of a commutation conductor, the coil section being set up to generate a magnetic field which passes through the superconductor.
Eine solche Strombegrenzungseinheit ist aus der EP 0 406 636 AI bereits bekannt. Die dort offenbarte Strombegrenzungseinheit weist einen Supraleiter auf, der in einer parallel zum Supraleiter geschalteten Spule angeordnet ist. In Reihenschaltung zur Spule und ebenfalls in Parallelschaltung zum Supraleiter ist ferner ein Widerstand vorgesehen, der im Normalbetrieb, in dem sich der Supraleiter im supraleitenden Zustand befindet, einen ausreichend hohen Wider- stand bereitstellt, um einen durch den Strombegrenzer fließenden Strom nahezu ausschließlich über den Supraleiter zu führen. Überschreitet der durch den Supraleiter geführte Strom, beispielsweise im Kurzschlussfall, einen Schwellenwert, kommt es aufgrund der in dem Supraleiter erzeugten Jouleschen Wärme zu einem Temperaturanstieg über die Sprungtemperatur des Supraleitermaterials hinweg, so dass der Supraleiter quencht und somit in den normalleitenden Zustand ü- berführt wird. Der Strom fließt nun nahezu ausschließlich ü- ber die parallel geschaltete Spule, in der ein dem Stromfluss entsprechendes Magnetfeld erzeugt wird. Der Supraleiter ist aus einem oxidischen HochtemperaturSupraleiter hergestellt, dessen Quenchverhalten neben anderen Einflussgrößen auch von einem äußeren Magnetfeld abhängig ist. Das äußere Magnetfeld wird daher zur Unterstützung oder Herbeiführung eines Quenchen des Supraleiters eingesetzt. Durch die Parallelschaltung wird das Magnetfeld erst beim ersten Einsetzen des Quenchens des Supraleiters erzeugt. Es beeinflusst den Supraleiter da- hin, vollständig in den supraleitenden Zustand überführt zu werden, und ermöglicht ein schärferes auf eine bestimmte Stromdichte abgestimmtes gleichmäßiges Begrenzungsverhalten.Such a current limiting unit is already known from EP 0 406 636 AI. The current limiting unit disclosed there has a superconductor which is arranged in a coil connected in parallel with the superconductor. In series connection to the coil and also in parallel connection to the superconductor, a resistor is also provided which, in normal operation, in which the superconductor is in the superconducting state, provides a sufficiently high resistance to withstand a current flowing through the current limiter almost exclusively via the superconductor respectively. If the current passed through the superconductor, for example in the event of a short circuit, exceeds a threshold value, the Joule heat generated in the superconductor causes the temperature to rise above the transition temperature of the superconductor material, so that the superconductor is quenched and thus converted into the normally conductive state , The current now flows almost exclusively via the coil connected in parallel, in which a magnetic field corresponding to the current flow is generated. The superconductor is made of an oxidic high-temperature superconductor, the quenching behavior of which depends not only on other influencing factors but also on an external magnetic field. The external magnetic field is therefore used to support or induce quenching of the superconductor. Due to the parallel connection, the magnetic field is only generated when quenching of the superconductor begins. It influences the superconductor to be completely converted into the superconducting state and enables a sharper, more uniform limiting behavior that is matched to a specific current density.
Der vorbekannten Strombegrenzungseinrichtung haftet der Nach- teil an, dass das erzeugte magnetische Feld parallel zurThe known current limiting device has the disadvantage that the generated magnetic field is parallel to the
Stromführungsrichtung im Supraleiter ausgerichtet ist . Durch die parallele Ausrichtung ist die Beeinflussung des Supraleiters durch das Magnetfeld jedoch verringert, so dass es trotz der Anordnung des Supraleiters in der Spule ein gleichmäßiges Quenchen des gesamten Supraleiters und somit ein homogenes Begrenzungsverhalten erschwert ist.Current direction is aligned in the superconductor. Due to the parallel alignment, however, the influence of the magnetic field on the superconductor is reduced, so that despite the arrangement of the superconductor in the coil, uniform quenching of the entire superconductor and thus homogeneous limiting behavior are made more difficult.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Strombegrenzungseinrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, die ein gleichmäßiges oder homogenes Quenchverhalten des Supraleiters ermöglicht.The invention has for its object to provide a current limiting device of the type mentioned that enables a uniform or homogeneous quench behavior of the superconductor.
Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass der Supraleiter wenigstens eine auf einem TrägerSubstrat angeordnete Sup- raleitschicht und der Kommutierungsleiter wenigstens eine Leiterbahnen aufweisende Kommutierungsschicht ist und dass der Spulenabschnitt durch Windungsabschnitte der Leiterbahnen ausgebildet ist, die einseitig oder beidseitig der Supraleitschicht angeordnet sind.The invention solves this problem in that the superconductor is at least one superconducting layer arranged on a carrier substrate and the commutation conductor is at least one commutation layer having conductor tracks and in that the coil section is formed by winding sections of the conductor tracks which are arranged on one or both sides of the superconductor layer.
Die erfindungsgemäße Strombegrenzungseinheit ist schichtweise aufgebaut . Dabei wird das zur Triggerung des Supraleiters eingesetzte magnetische Feld durch Windungsabschnitte er- zeugt, die von Leiterbahnen einer KommutierungsSchicht ausgebildet sind. Die Windungsabschnitte sind schleifen- oder bogenförmig, beispielsweise kreisförmig, elliptisch oder spiralförmig, ausgebildet, wobei ein durch die Windungsabschnit- te geführter Strom bezüglich eines zentralen Punktes im Innern des Windungsabschnittes einen Winkel überstreicht, der größer ist als 180 Grad. Auf Grund der gewählten Leitergeometrie kommt es im Innern der Windungsabschnitte im Vergleich zu über weite Strecken gerade verlaufenden Leiterstrukturen zu einer beträchtlichen Verstärkung des Magnetfeldes. Bedingt durch den Aufbau in Schichten sind die Windungsabschnitte o- berhalb und/oder unterhalb der Supraleitschicht angeordnet und erstrecken sich vollständig in der Kommutierungsschicht. Dabei erzeugen die Windungen der Leiterbahnen ein rechtwink- lig oder jedenfalls spitzwinklig bezüglich der Kommutierungsschicht und somit auch bezüglich der Supraleitschicht ausgerichtetes magnetisches Feld. Erfindungsgemäß ist daher ein parallel zur Stromführungsrichtung ausgerichtetes Magnetfeld zur Triggerung der Supraleitschicht vermieden. Die Sup- raleitschicht wird daher mit Beginn des Quenchens des Supraleiters und damit mit Beginn eines elektrischen Stromflusses über die KommutierungsSchicht einem das Quenchen besonders fördernden Magnetfeld ausgesetzt, das beispielsweise quer zur Stromleitungsrichtung der Supraleitschicht ausgerichtet ist. Auf diese Weise wird ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Begrenzungsverhalten erzeugt.The current limiting unit according to the invention is built up in layers. The magnetic field used to trigger the superconductor is generated by winding sections. testifies that are formed by conductor tracks of a commutation layer. The winding sections are loop-shaped or arc-shaped, for example circular, elliptical or spiral-shaped, a current passed through the winding sections sweeping over an angle which is greater than 180 degrees with respect to a central point in the interior of the winding section. Due to the selected conductor geometry, there is a considerable increase in the magnetic field inside the winding sections compared to conductor structures that run straight over long distances. Due to the structure in layers, the winding sections are arranged above and / or below the superconducting layer and extend completely in the commutation layer. In this case, the turns of the conductor tracks generate a magnetic field oriented at right angles or in any case at an acute angle with respect to the commutation layer and thus also with respect to the superconducting layer. According to the invention, a magnetic field for triggering the superconducting layer, which is aligned parallel to the current carrying direction, is therefore avoided. The superconducting layer is therefore exposed to a magnetic field which promotes quenching and which is oriented, for example, transversely to the direction of current conduction of the superconducting layer, when the superconductor begins to quench and thus when an electric current flows through the commutation layer. In this way, an improved limiting behavior compared to the prior art is generated.
Das homogene Verhalten vermeidet die Beschädigung des Supraleiters an sogenannten Hot-Spots, also örtlich begrenzten Stellen, an denen der ansonsten supraleitenden Supraleiter in den normal leitenden Zustand überführt wird, so dass punkför- mige Wärmequellen mit einer hohen Energiedichte entstehen, die eine irreversible Zerstörung des Supraleitermaterials bewirken können.The homogeneous behavior avoids damage to the superconductor at so-called hot spots, that is to say localized locations at which the otherwise superconducting superconductor is converted into the normally conductive state, so that punk-shaped heat sources with a high energy density arise. which can cause irreversible destruction of the superconductor material.
Im Rahmen der Erfindung ist es keineswegs notwendig, dass die KommutierungsSchicht und die Supraleitschicht unmittelbar benachbart zueinander angeordnet sind. Vielmehr können einzelne oder mehrere zusätzliche, sich möglicherweise wiederholende Schichten zwischen diesen angeordnet sein. So ist es beispielsweise auch möglich, dass die Strombegrenzereinheit ne- ben der Windungsabschnitte aufweisenden Kommutierungsschicht eine weitere Kommutierungsschicht ohne Windungsabschnitte aufweist. Als zusätzliche Schichten kommen ferner Isolierschichten aus einer geeigneten Keramik in Betracht, die als Wärmesenke dienen.In the context of the invention, it is in no way necessary for the commutation layer and the superconducting layer to be arranged directly adjacent to one another. Rather, one or more additional, possibly repeating layers can be arranged between them. For example, it is also possible for the current limiter unit to have, in addition to the commutation layer having winding sections, a further commutation layer without winding sections. Insulating layers made of a suitable ceramic, which serve as a heat sink, can also be considered as additional layers.
Die Kommutierungsschicht besteht vorteilhafterweise aus Kupfer, Silber, Gold oder einer elektrisch leitenden Legierung, welche durch beliebige Verfahren wie beispielsweise Galvanisieren, Aufdampfen oder dergleichen aufgebracht wird. Als Hochtemperaturleiter ist vorteilhafterweise ein metalloxidi- scher Hochtemperatursupraleiter einsetzbar, der bereits durch flüssigen Stickstoff im supraleitenden Zustand gehalten werden kann. Die Supraleitschicht ist beispielsweise flächig ausgebildet. Abweichend hierzu kann sie sich jedoch in Form von Leiterbahnen auf dem Trägersubstrat erstrecken, so dass der Strom auf vorgegebenen Stromwegen geführt ist. So sind die Leiterbahnen beispielsweise mäanderförmig ausgebildet. Eine Schicht, die auf eine Leiterbahnen ausbildende Supraleitschicht aufgebrachte ist, hat dann zwangsläufig eine ge- wellte nicht ebene Struktur.The commutation layer advantageously consists of copper, silver, gold or an electrically conductive alloy which is applied by any method such as, for example, electroplating, vapor deposition or the like. A metal oxide high-temperature superconductor which can already be kept in the superconducting state by liquid nitrogen can advantageously be used as the high-temperature conductor. The superconducting layer is, for example, flat. Deviating from this, however, it can extend in the form of conductor tracks on the carrier substrate, so that the current is conducted on predetermined current paths. For example, the conductor tracks are meandering. A layer which is applied to a superconducting layer forming conductor tracks then necessarily has a corrugated, non-planar structure.
Bei einer zweckmäßigen Weiterentwicklung der Erfindung sind die Windungsabschnitte in Reihenschaltung und in Parallel- Schaltung zueinander angeordnet. Auf diese Weise kommt es zu einer netzartigen Verteilung der Windungsabschnitte. Das durch die Windungen erzeugte Magnetfeld verteilt sich gleichmäßig über die Supraleitschicht hinweg, so dass weite Berei- ehe des Supraleiters gleichzeitig zum Quenchen gebracht werden können. Durch die Parallelschaltung wird ferner die Stromtragfähigkeit der Kommutierungsschicht erhöht.In an expedient further development of the invention, the winding sections are connected in series and in parallel. Circuit arranged to each other. This results in a network-like distribution of the winding sections. The magnetic field generated by the windings is evenly distributed over the superconductor layer, so that large areas of the superconductor can be quenched at the same time. The parallel connection also increases the current carrying capacity of the commutation layer.
Vorteilhafterweise ist zwischen der Supraleitschicht und der KommutierungsSchicht eine Diffusionsbarrierenschicht ausgebildet. Die Diffusionsbarrierenschicht ist aus einem isolierenden Material, beispielsweise einer oxidischen Keramik wie Ceroxid gefertigt und verhindert eine insbesondere wärmebedingte Diffusion von Materialteilchen, aus der Kommutie- rungsschicht in die Supraleitschicht hinein.A diffusion barrier layer is advantageously formed between the superconducting layer and the commutation layer. The diffusion barrier layer is made of an insulating material, for example an oxidic ceramic such as cerium oxide, and prevents in particular heat-induced diffusion of material particles from the commutation layer into the superconducting layer.
Vorteilhafterweise bilden die Windungsabschnitte Teilkreisbögen aus. Das sich infolge dieser geometrischen Ausgestaltung des Windungsabschnitts ergebende magnetische Feld ist hin- sichtlich seiner Stärke und Homogenität besonders vorteilhaft zur Herbeiführung eines gleichmäßigen Quenchens der Supraleitschicht.The winding sections advantageously form partial arcs. The magnetic field resulting from this geometrical configuration of the winding section is particularly advantageous with regard to its strength and homogeneity in order to bring about a uniform quenching of the superconducting layer.
Vorteilhafterweise ist das TrägerSubstrat plattenförmig aus- gestaltet, wobei zwei Kommutierungsschichten vorgesehen sind, die beidseitig des Trägersubstrats angeordnet und mittels einer Durchkontaktierung elektrisch miteinander verbunden sind. Die beidseitige Anordnung der Windungsabschnitte verstärkt das die Supraleitschicht durchsetzende magnetische Feld. Hierbei ist darauf zu achten, dass der Stromfluss durch die auf beiden Seiten des Trägersubstrats angeordneten Windungsabschnitte gleichsinnig ist, da sich ansonsten die Magnetfelder hinsichtlich ihrer Wirkung neutralisieren. Alternativ dazu kann das Trägersubstrat ein flexibles Trägerband sein.The carrier substrate is advantageously designed in the form of a plate, two commutation layers being provided, which are arranged on both sides of the carrier substrate and are electrically connected to one another by means of a plated-through hole. The arrangement of the winding sections on both sides reinforces the magnetic field passing through the superconducting layer. It should be ensured here that the current flow through the winding sections arranged on both sides of the carrier substrate is in the same direction, since otherwise the effect of the magnetic fields is neutralized. Alternatively, the carrier substrate can be a flexible carrier tape.
Gemäß einer diesbezüglich zweckmäßigen Weiterentwicklung weist die Durchkontaktierung die Strombegrenzungseinheit außen begrenzende Flächenabschnitte auf . Die Flächenabschnitte weisen eine gegenüber der restlichen Durchkontaktierung vergrößerte Wärmeaustauschfläche auf, die beispielsweise an ein die Strombegrenzungseinheit außen begrenzendes flüssigesAccording to a further development that is expedient in this regard, the plated-through hole has surface sections that delimit the outside of the current limiting unit. The surface sections have an enlarged heat exchange surface compared to the rest of the plated-through hole, which for example flows to a liquid that delimits the outside of the current limiting unit
Kühlmedium angrenzt, so dass die Kühlung der Durchkontaktie- rung verbessert ist.Cooling medium is adjacent, so that the cooling of the via is improved.
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfin- düng sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezug auf die Figuren der Zeichnungen, wobei sich entsprechende Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind undFurther expedient refinements and advantages of the invention are the subject of the following description of exemplary embodiments of the invention with reference to the figures of the drawings, corresponding components being provided with the same reference symbols and
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßenFigure 1 shows an embodiment of an inventive
Strombegrenzungseinheit in einer perspektivischen Ansicht undCurrent limiting unit in a perspective view and
Figur 2 eine Strombegrenzungseinheit gemäß Figur 1 in einer Querschnittsansicht zeigen.Figure 2 shows a current limiting unit according to Figure 1 in a cross-sectional view.
Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Strombegrenzereinheit 1, die aus einem isolierenden Material, wie beispielsweise aus einer geeigneten Keramik hergestelltes Trägersubstrat 2 aufweist. Auf dem Trägersubstrat 2 ist ein Verbundleiter 3 angeordnet, der eine Supraleitschicht 4 sowie eine Kommutierungsschicht 5 aufweist, die oberhalb der Supraleitschicht 4 vorgesehen ist. Die Supraleitschicht 4 und die KommutierungsSchicht 5 sind elektrisch mit einer Kontaktie- rungsschicht 6 verbunden, auf der ein Stromleiter, wie beispielsweise ein Stromband, durch übliche Fügeverfahren befestigbar ist.FIG. 1 shows an exemplary embodiment of the current limiter unit 1 according to the invention, which has a carrier substrate 2 made from an insulating material, such as, for example, from a suitable ceramic. A composite conductor 3 is arranged on the carrier substrate 2 and has a superconducting layer 4 and a commutation layer 5 which is provided above the superconducting layer 4. The superconducting layer 4 and the Commutation layer 5 are electrically connected to a contacting layer 6, on which a current conductor, such as a current strip, can be fastened by conventional joining methods.
Die Kommutierungsschicht 5 ist nicht flächig, sondern in Form von Leiterbahnen 7 ausgebildet, die Windungsabschnitte 8 ausbilden, in denen ein zu begrenzender Strom auf einer gekrümmten Bahn geführt wird. Durch die in einer Ebene angeordneten Windungsabschnitte 8 wird daher ein rechtwinklig zu der Windungsabschnittsebene ausgerichtetes Magnetfeld erzeugt, das die parallele Supraleitschicht 4 rechtwinklig durchsetzt.The commutation layer 5 is not flat, but in the form of conductor tracks 7, which form winding sections 8, in which a current to be limited is guided on a curved track. The winding sections 8 arranged in one plane therefore generate a magnetic field which is oriented at right angles to the plane of the winding section and passes through the parallel superconducting layer 4 at a right angle.
Wie in Figur 1 deutlich gezeigt ist, sind die Windungsab- schnitte 8 sowohl parallel als auch in Reihe zueinander geschaltet.As is clearly shown in FIG. 1, the winding sections 8 are connected both in parallel and in series with one another.
Zur Verstärkung des Magnetfeldes ist an der von der Supraleitschicht 4 abgewandten Seite des Trägersubstrats 2 eine weitere Kommutierungsschicht 5 mit Windungsabschnitte 8 ausbildenden Leiterbahnen 7 vorgesehen. Dabei sind die beiden Kommutierungsschichten 5 durch eine in Figur 1 nur schematisch dargestellte Durchkontaktierung 9 verbunden, die sich sowohl durch die Supraleitschicht 4 als auch durch das Trä- gersubstrat 2 hindurch erstreckt. In dem in Figur 1 gezeigten Beispiel sind die Windungsabschnitte 8 so ausgebildet und miteinander verbunden, dass übereinander liegende Windungsabschnitte 8 gleichsinnig von einem zu begrenzenden Strom durchflössen werden. Auf diese Weise weisen die von überein- ander angeordneten Windungsabschnitten 8 erzeugten Magnetfelder eine gleiche Ausrichtung auf, so dass es zu einer Verstärkung des die Supraleitschicht 4 durchsetzenden Magnetfeldes kommt . Figur 2 zeigt die Strombegrenzungseinheit 1 in einer quer geschnittenen Ansicht. In dieser Ansicht ist insbesondere der Schichtaufbau der Strombegrenzungseinheit 1 verdeutlicht . Weiterhin ist erkennbar, dass zwischen der oberen Kommutierungsschicht 5 und der Supraleitschicht 4 eine Diffusionsbarrierenschicht 10 vorgesehen ist, die die Diffusion von Teilchen der vorteilhafterweise aus Silber, Gold, Kupfer oder einer metallischen Legierung hergestellten Kommutierungsschicht 5 in die Supraleitschicht 4 verhindert. Die Diffusionsbarrierenschicht 10 besteht in dem gewählten Ausführungsbeispiel aus Ceroxid. Darüber hinaus ist es selbstverständlich auch möglich, weitere Isolierstoffe auch als Kombinationsschichten einzusetzen. Diese weisen dann beispielsweise einen möglichst hohen Wärmeleitkoeffizienten auf, um die im Quenchfall auftretende heftige Erwärmung der Supraleitschicht möglichst schnell an ein die Strombegrenzungseinheit umgebenes flüssiges Kühlmedium abzugeben.To strengthen the magnetic field, a further commutation layer 5 with conductor tracks 7 forming winding sections 8 is provided on the side of the carrier substrate 2 facing away from the superconducting layer 4. The two commutation layers 5 are connected by a via 9, which is shown only schematically in FIG. 1 and extends both through the superconducting layer 4 and through the carrier substrate 2. In the example shown in FIG. 1, the winding sections 8 are designed and connected to one another in such a way that a winding current 8 flows through the winding sections 8 lying one above the other in the same direction. In this way, the magnetic fields generated by winding sections 8 arranged one above the other have the same orientation, so that the magnetic field passing through the superconducting layer 4 is strengthened. Figure 2 shows the current limiting unit 1 in a cross-sectional view. This view shows in particular the layer structure of the current limiting unit 1. Furthermore, it can be seen that a diffusion barrier layer 10 is provided between the upper commutation layer 5 and the superconducting layer 4, which prevents the diffusion of particles of the commutation layer 5 advantageously made of silver, gold, copper or a metallic alloy into the superconducting layer 4. The diffusion barrier layer 10 consists in the selected embodiment of cerium oxide. In addition, it is of course also possible to use further insulating materials as combination layers. These then have, for example, the highest possible coefficient of thermal conductivity in order to deliver the violent heating of the superconducting layer which occurs in the case of a quench as quickly as possible to a liquid cooling medium surrounding the current limiting unit.
Zur elektrischen Verbindung der oberen Kommutierungsschicht 5 mit der unterhalb des Trägersubstrats 2 angeordneten Kommutierungsschicht 5 sind in der Supraleitschicht 4 Ausnehmungen 11 vorgesehen, in denen die Diffusionsbarrierenschicht 10 direkt auf dem Trägersubstrat 2 angeordnet ist. Die Durchkon- taktierung 9 ist im Querschnitt hanteiförmig ausgebildet und weist zwei einander gegenüberliegende Flächenabschnitte 12 sowie einen sich zwischen diesen Flächenabschnitten 12 erstreckenden Leiterabschnitt 13 auf, der sich durch die Diffusionsbarrierenschicht 10 und das Trägersubstrat 2 hindurch erstreckt. Durch die Flächenabschnitte 12 wird eine vergrößerte Oberfläche der Durchkontaktierung bereitgestellt, so dass die Kühlung durch ein die Strombegrenzungseinheit 1 begrenzendes Kühlmedium verbessert ist. Im Rahmen der Erfindung ist es keineswegs notwendig, dass beidseitig der Supraleitschicht 4 eine Kommutierungsschicht 5 vorgesehen ist. Die KommutierungsSchicht 5 kann beispielswei- se auch lediglich in einer Ebene über der Supraleitschicht 4 ausgebildet sein, wobei beispielsweise neben kreisförmigen Windungsabschnitten zwei parallel zueinander angeordnete gerade Zuleitungsabschnitte ausgebildet sind, in denen der Strom gegensinnig geführt ist. Da sich die durch diese gera- den Zuleitungsabschnitte erzeugten Magnetfelder auf Grund der parallelen und gegensinnigen Stromführung weistestgehend neutralisieren, sollten sie im Hinblick auf ein möglichst starkes Magnetfeld im Vergleich zur Dimensionierung der Windungsabschnitte kurz ausgestaltet werden. Weiterhin sind a- symmetrische spiralförmigen Wicklungen vorstellbar, wobei jedoch gewährleistet sein muss, dass ein ausreichend starkes Magnetfeld erzeugt wird, um ein möglichst homogenes Verhalten der Supraleitschicht herbeizuführen. Dazu dürfen sich die erzeugten Magnetfelder in ihrer Wirkung nicht gegenseitig auf- heben. For the electrical connection of the upper commutation layer 5 to the commutation layer 5 arranged below the carrier substrate 2, recesses 11 are provided in the superconducting layer 4, in which the diffusion barrier layer 10 is arranged directly on the carrier substrate 2. The through contact 9 is dumbbell-shaped in cross section and has two opposite surface sections 12 and a conductor section 13 extending between these surface sections 12, which extends through the diffusion barrier layer 10 and the carrier substrate 2. The surface sections 12 provide an enlarged surface area of the plated-through hole, so that cooling is improved by a cooling medium delimiting the current limiting unit 1. In the context of the invention, it is in no way necessary for a commutation layer 5 to be provided on both sides of the superconducting layer 4. The commutation layer 5 can, for example, also be formed only in one plane above the superconducting layer 4, wherein, for example, in addition to circular winding sections, two straight supply sections arranged parallel to one another are formed, in which the current is conducted in opposite directions. Since the magnetic fields generated by these straight supply sections neutralize themselves as a result of the parallel and opposite current flow, they should be briefly designed with regard to the strongest possible magnetic field compared to the dimensioning of the winding sections. Asymmetric spiral windings are also conceivable, but it must be ensured that a sufficiently strong magnetic field is generated in order to bring about a behavior of the superconducting layer that is as homogeneous as possible. For this purpose, the magnetic fields generated must not cancel each other out.

Claims

Patentansprüche claims
1. Strombegrenzereinheit (1) zur resistiven Begrenzung eines elektrischen Stromes mit einem Supraleiter (4) in Paral- lelschaltung zu einem Spulenabschnitt (8) eines Kommutierungsleiters (5) , wobei der Spulenabschnitt (8) zur Erzeugung eines Magnetfeldes eingerichtet ist, das den Supraleiter (4) durchsetzt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Supraleiter wenigstens eine auf einem Trägersubstrat (2) angeordnete Supraleitschicht (4) und der Kommutierungsleiter wenigstens eine Leiterbahnen (7) aufweisende Kommutierungsschicht (5) ist und dass der Spulenabschnitt durch Windungsabschnitte (8) der Leiterbahnen (7) ausge- bildet ist, die einseitig oder beidseitig der Supraleitschicht (4) angeordnet sind.1. Current limiter unit (1) for resistive limitation of an electrical current with a superconductor (4) in parallel with a coil section (8) of a commutation conductor (5), the coil section (8) being set up to generate a magnetic field which is the superconductor (4), characterized in that the superconductor is at least one superconductor layer (4) arranged on a carrier substrate (2) and the commutation conductor is at least one commutation layer (5) having conductor tracks (7) and that the coil section is formed by winding sections (8) of the conductor tracks ( 7) is formed, which are arranged on one or both sides of the superconducting layer (4).
2. Strombegrenzungseinheit (1) nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Windungsabschnitte (8) elektrisch in Reihe und parallel zueinander geschaltet sind.2. Current limiting unit (1) according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the winding sections (8) are electrically connected in series and parallel to each other.
3. Strombegrenzungseinheit (1) nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass zwischen der Supraleitschicht (4) und der Kommutierungsschicht (5) eine Diffusionsbarrierenschicht (10) ausgebildet ist.3. Current limiting unit (1) according to claim 1 or 2, so that a diffusion barrier layer (10) is formed between the superconducting layer (4) and the commutation layer (5).
4. Strombegrenzungseinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Windungsabschnitt (8) einen Teilkreisbogen beschreibt. 4. Current limiting unit (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the winding section (8) describes a partial arc.
5. Strombegrenzungseinheit (1) nach einem der vorhergehenden5. current limiting unit (1) according to one of the preceding
Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Trägersubstrat (2) plattenförmig ausgestaltet ist, wo- bei zwei Kommutierungsschichten (5) vorgesehen sind, die beidseitig des Trägersubstrats (2) angeordnet und mittels einer Durchkontaktierung (9) elektrisch miteinander verbunden sind.Claims that the carrier substrate (2) is designed in the form of a plate, two commutation layers (5) being provided on both sides of the carrier substrate (2) and being electrically connected to one another by means of a plated-through hole (9).
6. Strombegrenzungseinheit (1) nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Durchkontaktierung (9) die Strombegrenzungseinheit (1) außen begrenzende Flächenabschnitte (12) aufweist. 6. current limiting unit (1) according to claim 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the plated-through hole (9) the current limiting unit (1) has outer boundary surface sections (12).
PCT/DE2003/001996 2002-07-09 2003-06-12 Current limiter comprising a superconductive layer WO2004006347A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE10231916A DE10231916C1 (en) 2002-07-09 2002-07-09 Current limiter has superconductor for resistive current positioned in magnetic field provided by parallel coil section of commutating conductor
DE10231916.2 2002-07-09

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2004006347A1 true WO2004006347A1 (en) 2004-01-15

Family

ID=27798313

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/DE2003/001996 WO2004006347A1 (en) 2002-07-09 2003-06-12 Current limiter comprising a superconductive layer

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE10231916C1 (en)
WO (1) WO2004006347A1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11211158B1 (en) 2020-08-31 2021-12-28 Kpn Innovations, Llc. System and method for representing an arranged list of provider aliment possibilities
US11289206B2 (en) 2020-06-02 2022-03-29 Kpn Innovations, Llc. Artificial intelligence methods and systems for constitutional analysis using objective functions

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0406636A1 (en) * 1989-07-04 1991-01-09 Asea Brown Boveri Ag Current limiter with superconductor
US6043731A (en) * 1995-03-24 2000-03-28 Oxford Instruments Plc Current limiting device
EP1030428A1 (en) * 1999-01-28 2000-08-23 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Fault current limiter

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0406636A1 (en) * 1989-07-04 1991-01-09 Asea Brown Boveri Ag Current limiter with superconductor
US6043731A (en) * 1995-03-24 2000-03-28 Oxford Instruments Plc Current limiting device
EP1030428A1 (en) * 1999-01-28 2000-08-23 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Fault current limiter

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11289206B2 (en) 2020-06-02 2022-03-29 Kpn Innovations, Llc. Artificial intelligence methods and systems for constitutional analysis using objective functions
US11211158B1 (en) 2020-08-31 2021-12-28 Kpn Innovations, Llc. System and method for representing an arranged list of provider aliment possibilities

Also Published As

Publication number Publication date
DE10231916C1 (en) 2003-10-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE7602014U1 (en) Superconductor
DE102012209936A1 (en) Electric heating device for a motor vehicle
WO2006077163A2 (en) Wire-printed circuit board or card comprising conductors with a rectangular or square cross-section
EP0773562A2 (en) Current limiter
DE102006032973B3 (en) Superconductive current limiter device of resistive type with holding element
DE9214940U1 (en) Temperature monitor
WO2007073979A1 (en) Superconductive magnet coil having a circuit for quenching protection and an mrt device therewith
AT408299B (en) HEATING DEVICE FOR ELECTRIC HEATING PLATES, IGNITION DEVICES, TEMPERATURE SENSORS OD. DGL.
WO2004006347A1 (en) Current limiter comprising a superconductive layer
DE60014176T2 (en) ELECTRIC HEATING ELEMENTS FOR EXAMPLE SILICON CARBIDE
WO2004006345A2 (en) Bifilar conductor strip structure of a high-temperature superconductor for current limiting
WO1992011647A1 (en) Hollow electrical conductor coolable to extremely low temperatures, and a method of using it
DE10225935C5 (en) Device for conducting electricity
EP3459110B1 (en) Cooling box unit and power electronics device having a cooling box unit
DE1564701C3 (en) Superconducting winding with metal bridges
EP1759426A1 (en) Current limiting device having a superconductive switching element
DE2811050A1 (en) ELECTRIC WINDING
DE19808025A1 (en) Method for producing a PTC thermistor arrangement and use of the PTC thermistor arrangement as a current limiter
DE2410148A1 (en) Super conductive protective resistance - is made from stack of laminar disc stampings with super conductive coating
EP0793399A2 (en) Selfregulating heating element
EP1309014B1 (en) Superconducting resistive current limiter
DE10163008A1 (en) Resistive current limiter with conducting track(s) with superconducting and normally conducting material has intermediate layer giving resistance between 0.01/100 Ohms per square cm
WO2003107447A1 (en) Resistive type current-limiter comprising a superconducting strip conductor and a shunt part
DE102020208904A1 (en) PLANAR MAGNETIC DEVICES WITH IMPROVED THERMAL PERFORMANCE
EP1282142B1 (en) Electrical winding assembly

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): JP KR US

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HU IE IT LU MC NL PT RO SE SI SK TR

DFPE Request for preliminary examination filed prior to expiration of 19th month from priority date (pct application filed before 20040101)
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
122 Ep: pct application non-entry in european phase
NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: JP

WWW Wipo information: withdrawn in national office

Country of ref document: JP