WO2018197426A1 - Leiterelement mit supraleitendem bandleiter sowie spuleneinrichtung - Google Patents

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WO2018197426A1
WO2018197426A1 PCT/EP2018/060361 EP2018060361W WO2018197426A1 WO 2018197426 A1 WO2018197426 A1 WO 2018197426A1 EP 2018060361 W EP2018060361 W EP 2018060361W WO 2018197426 A1 WO2018197426 A1 WO 2018197426A1
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superconducting
sleeve
layer
strip conductor
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PCT/EP2018/060361
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Anne Bauer
Hans-Peter KRÄMER
Peter Kummeth
Manfred Wohlfart
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R4/00—Electrically-conductive connections between two or more conductive members in direct contact, i.e. touching one another; Means for effecting or maintaining such contact; Electrically-conductive connections having two or more spaced connecting locations for conductors and using contact members penetrating insulation
    • H01R4/58—Electrically-conductive connections between two or more conductive members in direct contact, i.e. touching one another; Means for effecting or maintaining such contact; Electrically-conductive connections having two or more spaced connecting locations for conductors and using contact members penetrating insulation characterised by the form or material of the contacting members
    • H01R4/68—Connections to or between superconductive connectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R12/00—Structural associations of a plurality of mutually-insulated electrical connecting elements, specially adapted for printed circuits, e.g. printed circuit boards [PCB], flat or ribbon cables, or like generally planar structures, e.g. terminal strips, terminal blocks; Coupling devices specially adapted for printed circuits, flat or ribbon cables, or like generally planar structures; Terminals specially adapted for contact with, or insertion into, printed circuits, flat or ribbon cables, or like generally planar structures
    • H01R12/70—Coupling devices
    • H01R12/77—Coupling devices for flexible printed circuits, flat or ribbon cables or like structures
    • 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
    • H10N60/20—Permanent superconducting devices
    • H10N60/203—Permanent superconducting devices comprising high-Tc ceramic materials

Definitions

  • the present invention relates to a superconducting conductor ⁇ element comprising an elongated strip conductor having at least a first carrier substrate and, applied on a first surface of the first carrier substrate first superconducting layer. Furthermore, the invention relates to a superconducting coil device with a coil winding of such a superconducting conductor element.
  • the electrical contacts for connection to a higher-level electrical circuit are typically mounted in the end regions of the elongate strip conductors.
  • contact elements for example in the form of solid copper blocks in a near-end area of the strip conductor, are typically pressed against one of its main surfaces.
  • the superconducting strip conductor typically has a comparatively thin superconducting layer having a Schichtdi ⁇ blocks in the micrometer range on which is deposited on a metallic substrate.
  • This carrier substrate we determined ⁇ sentlich the mechanical properties of the strip conductor, since it accounts for a large portion of the volume of the strip conductor.
  • additional intermediate layers can be provided here, for example, one or more oxidic buffer layers, which inhibits the growth of the superconductor layer can positively beeinflus ⁇ sen.
  • the structure of carrier substrate and superconducting layer can be covered or covered by a normal-conducting layer.
  • Such a layer is often referred to in the art as a shunt layer and can serve the electrical and / or thermal stabilization.
  • Alles- Common (and regardless of the optional presence of intermediate layer (s) and / or shunt layer (s)) is thus a laminated strip conductor, wherein the term "laminated" is to be understood here that the strip conductor has at least two planar layers
  • a laminate of at least the support substrate and the superconductor layer is present If such a strip conductor is electrically contacted via a contact element as described above, either an exposed superconducting layer can be directly contacted or it can - what more common -..
  • a contacting of the shunt lying outside through the Kunststoffele- carried ment in each case is typically a sur fa ⁇ CHIGE connection between a flat surface of the contact element and an outer layer of the laminated layer system before As described above, such a Contact mostly in de Attached near a conductor end.
  • the conductor end itself is usually created by cutting a longer strip conductor (eg from a supply roll) to a desired length.
  • Cut edge then represents the outermost end region of the strip conductor.
  • a fluid and in particular liquid cryogenic coolant is frequently used.
  • These may be liquid What ⁇ serstoff, liquid neon or liquid helium for example, be liquid nitrogen.
  • the superconducting belt conductor can be lapped directly by the liquid coolant for this purpose.
  • Layer composite weakened in the area of the cutting edge.
  • ⁇ by a easier penetration of coolant between the laminated layers is possible than in the region of the side edges of the strip conductor in the region of the cut edge.
  • this can in the presence of an enveloping shunt layer, this can in
  • Area of the side edges protect the layer system from the ingress of coolant, while in the region of the cutting edge of the layer stack is open and is not protected by the shunt ⁇ layer. If liquid coolant then penetrates from the cutting edge into the layer stack, evaporation of the cooling medium can occur here within the layer system and, as a result, bubbles can form, which damage the layer structure. In other words, this effect can easily lead to delamination of the layer system in the end regions of the strip conductor. As a result, the mechanical and / or electrical - and especially the superconducting - properties of the strip conductor can be permanently impaired.
  • the cut edges of the Bandlei ⁇ ters are therefore particularly susceptible to premature wear. Another cause of this premature wear Ver ⁇ also the escape of material from the layer system into the environment may be adjacent to the penetration of liquid coolant in the layer system. For example, in the case of an oxide superconductor, damage can occur due to the escape of oxygen.
  • the object of the invention is therefore to provide a superconducting Lei ⁇ terelement which overcomes the disadvantages mentioned above ⁇ .
  • a semiconductor element is to be provides overall available, which is particularly robust against a de ⁇ gradation of its electrical properties.
  • Another object is to provide a superconducting coil device with the mentioned advantages.
  • Layer It further comprises at least one formed from an electrically conductive material sleeve which surrounds the band ⁇ conductor in an end portion.
  • the sleeve is connected by an electrically conductive connecting means fixed to the band conductor.
  • the sleeve, together with the conductive connection means, substantially completely surrounds the end region of the strip conductor.
  • the superconducting conductor element in the case of the superconducting conductor element according to the invention, there is a sleeve closed on one side, which is inserted with its open side over the end region of the ribbon conductor.
  • the shape and size of the sleeve is designed so that it can enclose the band conductor.
  • the gap between the sleeve and the strip conductor remaining when the sleeve is attached is then subsequently filled with the electrically conductive connecting means in such a way that, overall, an encapsulation of the strip conductor results in its end region. It is essential in connection with the present invention that this encapsulation is carried out with a conductive material, so that both the sleeve and the connection ⁇ medium are electrically conductive.
  • the encapsulation of the strip conductor in its end region ensures that a cut area exposed here is protected against the penetration of coolant and / or against the escape of components of the layer system. Due to the electrically conductive design of sleeve and connecting means further advantages are achieved. Insbeson ⁇ particular, by the electrically conductive enclosure field Elevations and thus electrical breakdown in the end of the strip conductor can be avoided.
  • the superconducting coil device has a coil winding made of a superconducting conductor element according to the invention.
  • a winding is formed here from the superconducting band conductor of the superconducting conductor element according to the invention, wherein at least one end region of the band conductor is encapsulated in the manner described by means of sleeve and connecting means.
  • the pre ⁇ parts of the coil device according to the invention thereby arise analogously to the described advantages of erfindungsge ⁇ MAESSEN conductor element.
  • Advantageous embodiments and further developments of the invention will become apparent from the dependent claims 1 and 14 claims and the following description.
  • the described embodiments of the conductor element and of the coil device can advantageously be combined with one another.
  • the sleeve of the conductor element has a rounded outer contour.
  • the sleeve has no sharp edges in its outer area, but at the most rounded edges.
  • the outer contour of the sleeve has only edge radii of at least 0.3 mm. Is a Wesent ⁇ advan- tage of the rounded outer contour described that hereby field increases and thus electrical breakdown can be particularly effectively prevented.
  • the strip conductor as such may have very sharp edges in the longitudinal profile in the region of its cutting edge.
  • the inner recess of the sleeve is then suitably adapted to this shape of the strip conductor.
  • the sleeve then advantageously only in the longitudinal profile from ⁇ rounded edges.
  • the strip conductor may preferably have a substantially rectangular cross-sectional profile.
  • the innenlie ⁇ constraining recess of the sleeve is then suitably adapted to this cross-sectional shape of the strip conductor ⁇ .
  • the sleeve then preferably has only rounded edges on its outer side. For example, it may have a rectangular cross-sectional profile with rounded corners on its outer surface.
  • the conductor element may preferably be designed so that the electrically conductive connection means has been introduced in the liquid state between the sleeve and the end region of the strip conductor. This can be seen in the finished conductor element in that there is a cohesive connection between the connection means and the sleeve as well as between the connection means and the conductor end in the entire interior of the sleeve. In the finished state of the conductor element, the Ver ⁇ binding agent is then fixed. The described preparation with a liquid in the manufacture of connecting means, a particularly tight seal of the edges of the tape ⁇ conductor is achieved in the end region.
  • An inventive manufacturing method for producing the conductor element thus includes the step of introducing liquid bonding agent between the strip conductor and the sleeve and the subsequent step of curing the compound ⁇ means.
  • the electrically conductive connection medium is preferably a solder material.
  • a metal solder may be fabricated with a liquefied in the manufacture of connection means in a particularly simple manner, an electrically conductive Ver ⁇ bond.
  • Such a solder material is particularly preferably a solder which melts below 250 ° C.
  • Such a low-melting solder is particularly advantageous for sealing superconducting strip conductors, since damage to the superconductor by the soldering process can be avoided in this temperature range.
  • the solder material may even be meltable below 150 ° C.
  • the Lotma ⁇ TERIAL can particularly preferably a low-melting metalli ⁇ specific alloy, in particular an indium and / or zinnhalti ⁇ ge be alloy.
  • a low-melting metalli ⁇ specific alloy in particular an indium and / or zinnhalti ⁇ ge be alloy.
  • Particularly preferred for this purpose are, for example, InSn alloys and InAg alloys.
  • the electrically conductive connection means is an electrically conductive adhesive.
  • an adhesive may be, for example, a filled epoxy adhesive with silver or a silver conductive paint.
  • the material of the sleeve preferably has a specific electrical conductivity of at least 10 5 S / m.
  • Specifics ⁇ DERS preferably, the specific electric conductivity ⁇ ness is as high as at least 10 6 S / m.
  • An essential advantage of such a highly conductive material of the sleeve is, on the one hand, that it can be used to effectively avoid field peaks.
  • a further advantage may be that an excessively ⁇ additional low-resistance contact between the two main faces of the laminated strip conductor are mediated by such particularly conductive sleeve can. This latter advantage is particularly relevant in together ⁇ menhang with the laminates described below, with at least two superconducting layers.
  • the material of the sleeve comprises copper.
  • the sleeve may in particular consist essentially of copper or a copper-containing alloy.
  • highly conductive copper is particularly suitable for encapsulation with which an additional electrical connection between individual layers of the layer system is to be created.
  • the sleeve preferably has a wall thickness of at least 1 mm. Particularly preferably, the wall thickness is even as we ⁇ institus 2 mm, in particular between 2 mm and 5 mm. At such wall thicknesses, which are so high, in particular over the entire From ⁇ expansion of the sleeve, can be especially advantageous ⁇ way of a low impedance connection between the individual layers of the strip conductor by means of a normal conducting sleeve are ge ⁇ create. This is particularly advantageous in superconductors with two superconducting layers, in which the substrates are located in the middle of the layer structure.
  • the superconductive layer preferably comprises a high-temperature superconducting material.
  • High-temperature superconductors are superconducting materials with a transition temperature above 25 K and in some classes of materials, such as cuprate superconductors, above 77 K, where the operating temperature can be reached by cooling with cryogenic materials other than liquid helium. HTS materials are also particularly attractive because of these
  • the high temperature superconducting material may comprise magnesium diboride.
  • the superconducting layer may comprise magnesium diboride as the main constituent or may even consist essentially of magnesium diboride.
  • Magnesium diboride has a transition temperature of about 39 K and is therefore considered a high-temperature superconductor, but the transition temperature is rather low compared to other HTS materials. The advantages of this material compared to oxide ceramic high-temperature superconductors are its light and therefore cost-effective
  • the superconducting layer can take other high temperature superconducting materials to ⁇ , for example, HTS materials of the second generation, that compounds of the type REBa 2 CU30 x (short REBCO), wherein RE is a rare earth element or a mixture of such elements stands. Due to their high transition temperatures, REBCO superconductors can also be cooled with liquid nitrogen and, especially at temperatures lower than 77 K, have a particularly high current carrying capacity.
  • HTS materials of the first generation for example the different variants of bismuth strontium calcium copper oxide.
  • superconducting pnictides can also be used. Due to their rather low transition temperature, superconducting ones are used
  • Pnictide for an operating temperature of about 2 0 to 30 K in question Pnictide for an operating temperature of about 2 0 to 30 K in question.
  • the substrate of the strip conductor can advantageously be steel or a nickel-containing alloy such as Hastelloy aufwei ⁇ sen. It may be generally independent of the exact choice of materials for an electrically conductive substrate normal, which can stand elec tric ⁇ conductively connected in particular with the superconducting layer. Such an electrically conductive connection may be mediated for example by ⁇ be required electrically conductive enclosure or at least additionally supported.
  • the high-temperature superconductor layer may be covered by an elec tric ⁇ normal conducting contact layer, such a layer is also referred to as a shunt. This may be either a one-sided planar cover layer or else a layer that envelops the strip conductor as a whole. Suitable materials for such a shunt layer are, for example, silver or copper.
  • the superconducting band conductor has, in addition to the first, at least one second superconducting one
  • the laminated layer system may be a kind of sandwich having two superconducting layers disposed on different sides of the substrate. However, they do not necessarily have to be both deposited on the same substrate.
  • a significant advantage of the embodiments with at least two sol ⁇ chen superconducting layers the current carrying capability is increased over a strip conductor with only one superconductive layer by about a factor of two.
  • the power ⁇ flow direction is chosen to be equal in these two superconducting layers during operation, further advantages may arise as ⁇ out that the inner substrate is shielded from electromagnetic fields, for example as described in EP2843721B1. This may be particularly relevant for applications in superconducting current limiters.
  • the superconducting band conductor preferably also has a second carrier substrate in addition to a second superconducting layer.
  • This can in particular bear the second superconducting layer, and the first superconducting layer may be ent ⁇ speaking applied to the first carrier substrate.
  • Be ⁇ Sonders preferably may be both carrier substrates back to back to each other so angeord ⁇ net that both substrates between the two supralei ⁇ Tenden layers are in such an embodiment.
  • Such a double sandwich type design is known in the art and is, for example, se he drove ⁇ from American Superconductors under the name "Amperium® Stainless Steel Laminated Wire, Type 8612".
  • these substrates can be particularly firmly bonded together.
  • the substrates can, for example, by Soldering and / or by gluing, in particular back to back, be connected to each other and regardless of the number of layers in the
  • the at least one carrier substrate and the at least one superconducting layer may be wrapped together by a normal conductive material.
  • a normal conductive material This can ⁇ example, be a metal shunt.
  • Such a normally conductive layer can in particular have an electrically stabilizing effect.
  • an electrical contacting of the superconducting layer can take place by the attachment of contacts in the region of this enveloping shunt layer.
  • strip conductor with at least two sup ⁇ ra istden layers may have such a normal-conducting sheath ⁇ layer. An electrical contact can then take place either only on one surface or on both surfaces. With only one-sided contacting the equipment required to create the electrical contact is lower.
  • the electrical connection between the contact element and the superconducting layer remote therefrom may be relatively high-impedance since both the substrate and the enveloping normal-conducting layer cause only relatively high-resistance contact between the two superconducting layers.
  • a further advantage of the invention results from the fact that a lower-resistance contact between the two superconducting layers of the strip conductor is created by means of the electrically conductive sleeve.
  • the superconducting coil device may preferably have a contact element for electrically contacting the at least one superconducting layer of the conductor element.
  • Such a contact element may be connected to the band conductor in a region adjacent to the end region of the band conductor.
  • the electrical contact is not created here by the electrically conductive sleeve exactly in the end region of the strip conductor, but rather by an additional flat contact element lying flat against the strip conductor.
  • Such a contact element may for example be a contact block made of copper.
  • the contact ⁇ element can for example be mechanically pressed to the strip conductor. Alternatively or additionally, such a contact element, for example, also be soldered.
  • the electrically conductive sleeve can significantly improve the contacting of the superconducting layer facing away from the contact element.
  • the sleeve may be formed so that between its upper inner surface and its lower inner surface an elekt ⁇ cal resistance of at most 5 yOhm is formed.
  • the superconducting coil device may generally be advantageously a current limiting device. Alternatively, however, it may also advantageously be a solenoid or a coil of a stator or Ro ⁇ tors of an electrical machine. In general, it may, for example, a medium voltage or to a high voltage coil device act. Especially for use in the higher voltage range, for example, above 5 kV, the advantage of avoiding Feldschreibhö ⁇ ments through the sleeve is particularly relevant.
  • this may have a cooling device through which the superconducting band conductor to a temperature below the
  • the band conductor may be in direct contact with a liquid cryogenic coolant.
  • the coil device can in particular have a bath cryostat in which there is a liquid coolant surrounding the band conductor.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of a supralei ⁇ Tenden conductor element in a coil device according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 2 shows a schematic longitudinal section of the conductor element of FIG. 1,
  • Figure 3 is a schematic cross section of a superconducting
  • Figure 4 is a schematic cross section of the superconducting
  • Figure 5 is a schematic cross section of a superconducting
  • Figure 6 is a schematic cross section of the superconducting
  • FIG. 1 shows a schematic sectional illustration of a superconducting conductor element 1 of a coil device a first example of the invention. Shown is a plan view of the flat surface of a strip conductor 3 in one of its end regions, this plan being continued on the strip conductor 3 in the part shown on the left as a section through the sleeve 5.
  • Strip conductor 3 is in this case in the left part of the drawing is arranged ⁇ . Towards the right part of the drawing, the strip conductor 3 continues for a longer distance and goes there in a coil winding, not shown here.
  • the directly adjacent to the cutting edge 4 of the strip conductor end portion 7 is embedded in a sleeve 5 open on one side, which is designed here as a copper sleeve.
  • this sleeve 5 ge ⁇ closed so that it encloses the strip conductors 3 in its end region 7 on one side.
  • the sleeve 5 is designed so that it is adapted in shape and size to theêt ⁇ ⁇ in their interior strip belt 3.
  • this Ver ⁇ binding agent 9 is designed as a low-melting solder.
  • the solder is melted, so that the band conductor in the end region 7 is substantially completely encapsulated by the solder 9 and the surrounding sleeve 5.
  • the encapsulation thus produced with ⁇ means sleeve 5 and connecting means 9 causes a protection of the cutting edge 4 of the strip conductor before the penetration of a belt 3 surrounding coolant. Likewise, this encapsulation prevents leakage of material from the region of the cutting edge of the strip conductor.
  • the material of the sleeve 5 is formed here from good electrical leitfä ⁇ Higem copper and the solder material 9 is also good electrical conductivity.
  • This conductive enclosure a low impedance connection between Obersei ⁇ te and bottom of the strip conductor is provided for a.
  • field elevations in the end area 7 of the strip conductor are avoided.
  • the sleeve has on its outer side torun ⁇ finished corners 25.
  • the strip conductor 3 For electrically contacting the superconducting coil device, which comprises a winding of the superconducting conductor element 1, the strip conductor 3 is connected to a contact element 15 in a region 8 adjoining the immediate end region 7.
  • the contact element 15 is a copper block, which is pressed here mechanically, for example, against a main surface of the strip conductor 3.
  • the strip conductor 3 (and thus also a superconducting layer of the strip conductor) can be contacted with an external circuit.
  • Figure 2 shows a schematic longitudinal section of the Leiterele ⁇ ment of Figure 1 in side view. Shown is a view of the narrow longitudinal surface of the strip conductor 3 in the conductor element 1, which in the left part of the
  • the contact element 15 serves to electrically contact the strip conductor 3 on its upper side 30.
  • an electrical coil winding 13 is formed from the strip conductor 3 in its further course.
  • IMP EXP ⁇ including here is a superconducting coil means 11 in front, which is, for example, superconducting about an
  • the type of winding 13 can be designed very differently. It may, for example, be a flat coil and / or it may be a helical coil winding and / or it may be a bifilar winding.
  • the conductor end 7 is illustrated only schematically in Figures 1 and 2 can be for example a conductor end in a ⁇ r a dial outer or radially inward at a peripheral portion of the coil winding. Unlike in the figures Ren 1 and 2 shown for clarity, so the end portion 7 can rest on the remaining turns of the winding. It is also not absolutely necessary that the end region 7 encapsulated in the manner described actually be
  • the strip conductor 3 of the embodiment of Figures 1 and 2 can be configured in principle in many ways.
  • it can be a strip conductor with only one superconducting layer or even a strip conductor with two or more superconducting layers. This will be explained in more detail below in connection with FIGS. 3 to 6.
  • Figure 3 shows a schematic cross section of the superconducting conductor ⁇ conducting element 1 according to a second embodiment of the invention in an inner region of the stripline 3, which is therefore not encapsulated in the above described manner.
  • the strip conductor 3 comprises a carrier substrate 17a, on which a high-temperature superconducting layer 19a is applied.
  • the superconducting layer is not deposited directly on the carrier substrate, but there is still a buffer layer 18 therebetween, which may for example also be formed of several partial layers.
  • the support substrate 17a may be a 50-ym thick nickel-tungsten alloy substrate.
  • steel bands or bands of an alloy such as
  • the buffer layer 18 is, for example, a 0.5 .mu.m thick layer containing the oxidic materials
  • Ce02 and Y2O 3 contains.
  • the actual supralei ⁇ tend layer 19a here, for example, a 1 .mu.m thick
  • the layer structure formed in this way is enveloped in the example shown by a normal-conducting layer 21.
  • This stabilization layer may be, for example, a 20 ⁇ m thick layer of copper or silver.
  • a normally conductive cover layer can in principle also be formed only on one main surface or on both main surfaces of the strip conductor (without the side edges).
  • the DAR asked in Figure 3 strip conductors, for example, come in a supralei ⁇ Tenden conductor element is used, which has a similar structure as shown in Figures 1 and 2.
  • FIG. 4 shows a schematic cross section of the same superconducting strip conductor 3 as in FIG. 3. However, a section through the end region 7 is shown here, in which the strip conductor 3 is enveloped by the electrically conductive shell 5. The gap between the material of the shell 5 and the strip conductor 3 is also completely filled by a connecting means 9, which is also electrically conductive. In addition to the described hermetically sealed enclosure is achieved by the sleeve 5 and the conductive connec ⁇ tion means 9 that the top and bottom of the strip conductor are electrically connected in addition low resistance. For the construction of the strip conductor illustrated in FIGS. 3 and 4, this additional connection of the two main surfaces can serve, for example, an improved electrical contact between superconducting layer 19a and carrier substrate 17a.
  • Figures 5 and 6 show similar sectional views of a strip conductor 3 in a superconducting conductor element 1 according to a further embodiment of the invention.
  • FIG 5 again a cross sectional view of the loading area of the ribbon conductor 3, which is not ⁇ encapsulates through the sleeve.
  • Figure 6 is similar to Figure 4, a entspre ⁇ sponding cross-sectional view of the end portion. 7
  • Figure 5 here shows a cross-sectional view of a ribbon conductor 3, which is formed in this example as a doppel füri ⁇ ger strip conductor with two superconducting layers 19a and 19b. These superconducting layers are each applied to their own associated carrier substrate 17a or 17b. These two carrier substrates are oriented in the manner of a double sandwich back to back to each other and firmly connected.
  • the two superconducting layers 19a and 19b which are each mounted on buffer layers 18 on the outer surfaces of the substrates, allow in this multilayered conductor structure a virtually lossless current transport with approximately twice the current carrying capacity compared to the example of FIGS. Similar to the previous example, in the case of the strip conductor 3 of FIG. 5 too, the layer system comprising the superconducting layers and the carrier substrates is jointly enveloped by a normal-conducting layer 21.
  • FIG. 6 again shows a schematic cross section of the strip conductor of FIG. 5 in its encapsulated end region.
  • the electrically conductive sleeve 5 and the connection means 9 arranged between the sleeve and the strip conductor are configured similarly here as in the example of FIG. 4.
  • a particular advantage of the embodiment shown here is that a low-impedance contact is created by the sleeve 5 and the connecting means 9 is, which the top 30 and the bottom 31 of the strip conductor 3 together ⁇ det.
  • both superconducting layers of such a double-layered strip conductor can be contacted with a contact element 15 mounted on one side on the top side 30 in a low-resistance manner, similar to that shown in FIG.
  • the thickness of the band conductors may be in the range of several tens of ym to several hundreds of ym, while the width of the band conductors may be in the range of several mm to several tens of mm.

Abstract

Es wird ein supraleitendes Leiterelement (1) angegeben, um- fassend - einen langgestreckten Bandleiter (3) mit wenigstens einem ersten Trägersubstrat (17a) und einer auf einer ersten Oberfläche (30) des ersten Trägersubstrats (17a) aufge- brachten ersten supraleitenden Schicht (19a) und - wenigstens eine aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildete Hülse (5), welche den Bandleiter (3) in einem Endbereich (7) umgibt, - wobei die Hülse (5) durch ein elektrisch leitfähiges Ver- bindungsmittel (9) fest mit dem Bandleiter (3) verbunden ist - und wobei die Hülse (5) zusammen mit dem leitfähigen Ver- bindungsmittel (9) den Endbereich (7) des Bandleiters (3) im Wesentlichen vollständig umschließt. Weiterhin wird eine supraleitende Spuleneinrichtung (11) mit einer Spulenwicklung (13) aus einem derartigen supraleitenden Leiterelement (1) angegeben.

Description

Beschreibung
Leiterelement mit supraleitendem Bandleiter sowie Spuleneinrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein supraleitendes Leiter¬ element, welches einen langgestreckten Bandleiter mit wenigstens einem ersten Trägersubstrat und einer auf einer ersten Oberfläche des ersten Trägersubstrats aufgebrachten ersten supraleitenden Schicht umfasst. Weiterhin betrifft die Erfindung eine supraleitende Spuleneinrichtung mit einer Spulenwicklung aus einem derartigen supraleitenden Leiterelement.
Bei herkömmlichen supraleitenden Spuleneinrichtungen, welche mit Wicklungen aus supraleitenden Bandleitern gebildet sind, werden die elektrischen Kontaktierungen zur Verbindung mit einem übergeordneten elektrischen Stromkreis typischerweise in den Endbereichen der langgestreckten Bandleiter angebracht. Zur Ausbildung einer solchen elektrischen Kontaktie- rung werden typischerweise Kontaktelemente beispielsweise in Form von festen Kupferblöcken in einem endnahen Bereich des Bandleiters gegen eine seiner Hauptoberflächen gedrückt.
Der supraleitende Bandleiter weist typischerweise eine ver- gleichsweise dünne supraleitende Schicht mit einer Schichtdi¬ cke im Mikrometerbereich auf, welche auf einem metallischen Substrat abgeschieden ist. Dieses Trägersubstrat bestimmt we¬ sentlich die mechanischen Eigenschaften des Bandleiters, da es einen großen Teil des Volumens des Bandleiters ausmacht. Zwischen Trägersubstrat und supraleitender Schicht können hierbei optional weitere Zwischenschichten vorgesehen sein, beispielsweise eine oder mehrere oxidische Pufferschichten, welche das Wachstum der Supraleiterschicht positiv beeinflus¬ sen können. Zusätzlich kann der Aufbau aus Trägersubstrat und supraleitender Schicht von einer normalleitenden Schicht abgedeckt oder umhüllt sein. Eine solche Schicht wird in der Fachwelt oft auch als Shuntschicht bezeichnet und kann der elektrischen und/oder thermischen Stabilisierung dienen. All- gemein (und unabhängig von dem optionalen Vorliegen von Zwischenschicht (en) und/oder Shuntschicht (en) ) handelt es sich also um einen laminierten Bandleiter, wobei unter dem Begriff „laminiert" hier verstanden werden soll, dass der Bandleiter wenigstens zwei flächige Schichten aufweist, welche flächig fest miteinander verbunden sind - es liegt also ein Laminat aus wenigstens dem Trägersubstrat und der Supraleiterschicht vor . Wenn ein solcher Bandleiter wie oben beschrieben über ein Kontaktelement elektrisch kontaktiert wird, kann entweder eine freiliegende supraleitende Schicht direkt kontaktiert werden oder es kann - was häufiger vorkommt - eine Kontaktie- rung der außen liegenden Shuntschicht durch das Kontaktele- ment erfolgen. In jedem Fall liegt typischerweise eine flä¬ chige Verbindung zwischen einer planen Oberfläche des Kontaktelements und einer außenliegenden Schicht des laminierten Schichtsystems vor. Wie oben beschrieben, wird ein solcher Kontakt meist in der Nähe eines Leiterendes angebracht. Das Leiterende selbst wird meist dadurch geschaffen, dass ein längerer Bandleiter (z.B. von einer Vorratsrolle) auf eine gewünschte Länge zugeschnitten wird. Die so gebildete
Schnittkante stellt dann den äußersten endseitigen Bereich des Bandleiters dar.
Um den supraleitenden Bandleiter beim Betrieb auf eine Temperatur unterhalb der Sprungtemperatur des supraleitenden Materials zu kühlen, wird häufig ein fluides und insbesondere flüssiges kryogenes Kühlmittel eingesetzt. Hierbei kann es sich beispielsweise um flüssigen Stickstoff, flüssigen Was¬ serstoff, flüssiges Neon oder flüssiges Helium handeln. Für eine besonders effektive Kühlung kann hierzu der supraleiten¬ de Bandleiter direkt von dem flüssigen Kühlmittel umspült werden .
Es hat sich als problematisch bei dieser Art von Kühlung herausgestellt, dass beim Betrieb der supraleitenden Einrichtung häufig Schädigungen des Bandleiters im Bereich der von Kühl- mittel umspülten Schnittkante auftreten. Dies liegt daran, dass im Bereich der Schnittkante des Laminats besonders leicht Kühlmittel zwischen die Schichten des laminierten Schichtsystems eindringen kann. Durch das Zuschneiden eines vorgefertigten längeren Leiterbandes wird nämlich der
Schichtverbund im Bereich der Schnittkante geschwächt. Hier¬ durch ist im Bereich der Schnittkante ein leichteres Eindringen von Kühlmittel zwischen die laminierten Schichten möglich als im Bereich der Seitenkanten des Bandleiters. Insbesondere beim Vorliegen einer umhüllenden Shuntschicht kann diese im
Bereich der Seitenkanten das Schichtsystem vor dem Eindringen von Kühlmittel schützen, während im Bereich der Schnittkante der Schichtstapel offen liegt und nicht durch die Shunt¬ schicht geschützt ist. Wenn flüssiges Kühlmittel dann von der Schnittkante aus in den Schichtstapel eindringt, kann es hier innerhalb des Schichtsystems zu einer Verdampfung des Kühl¬ mittels und dadurch zu einer Blasenbildung kommen, durch die der Schichtaufbau geschädigt wird. Mit anderen Worten kann es durch diesen Effekt in den Endbereichen des Bandleiters leicht zu einer Delamination des Schichtsystems kommen. Hierdurch können die mechanischen und/oder elektrischen - und vor allem die supraleitenden - Eigenschaften des Bandleiters dauerhaft beeinträchtigt werden. Die Schnittkanten des Bandlei¬ ters sind also besonders empfindlich gegenüber vorzeitigem Verschleiß. Eine weitere Ursache für diesen vorzeitigen Ver¬ schleiß kann neben dem Eindringen von flüssigem Kühlmittel in das Schichtsystem auch das Entweichen von Material aus dem Schichtsystem in die Umgebung sein. Beispielsweise kann bei einem oxidischen Supraleiter eine Schädigung durch das Ent- weichen von Sauerstoff auftreten.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein supraleitendes Lei¬ terelement anzugeben, welches die genannten Nachteile über¬ windet. Insbesondere soll ein Leiterelement zur Verfügung ge- stellt werden, welches besonders robust gegenüber einer De¬ gradation seiner elektrischen Eigenschaften ist. Eine weitere Aufgabe ist es, eine supraleitende Spuleneinrichtung mit den erwähnten Vorteilen anzugeben. Diese Aufgaben werden durch das in Anspruch 1 beschriebene supraleitende Leiterelement und die in Anspruch 14 beschrie¬ bene supraleitende Spuleneinrichtung gelöst. Das erfindungsgemäße supraleitende Leiterelement umfasst einen langgestreckten Bandleiter mit wenigstens einem ersten Trägersubstrat und einer auf einer ersten Oberfläche des ers¬ ten Trägersubstrats aufgebrachten ersten supraleitenden
Schicht. Es umfasst ferner wenigstens eine aus einem elek- trisch leitfähigen Material gebildete Hülse, welche den Band¬ leiter in einem Endbereich umgibt. Dabei ist die Hülse durch ein elektrisch leitfähiges Verbindungsmittel fest mit dem Bandleiter verbunden. Die Hülse umschließt zusammen mit dem leitfähigen Verbindungsmittel den Endbereich des Bandleiters im Wesentlichen vollständig.
Mit anderen Worten liegt bei dem erfindungsgemäßen supraleitenden Leiterelement eine einseitig geschlossene Hülse vor, welche mit ihrer offenen Seite über den Endbereich des Band- leiters gesteckt ist. Dabei ist die Form und Größe der Hülse so ausgebildet, dass sie den Bandleiter umschließen kann. Der beim Aufstecken der Hülse verbleibende Zwischenraum zwischen Hülse und Bandleiter ist dann nachträglich mit dem elektrisch leitfähigen Verbindungsmittel so aufgefüllt, dass sich insge- samt eine Kapselung des Bandleiters in seinem Endbereich ergibt. Wesentlich im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist, dass diese Kapselung mit leitfähigem Material erfolgt, dass also sowohl die Hülse als auch das Verbindungs¬ mittel elektrisch leitfähig sind.
Durch die Kapselung des Bandleiters in seinem Endbereich wird erreicht, dass ein hier offen liegender Schnittbereich vor dem Eindringen von Kühlmittel und/oder vor dem Entweichen von Bestandteilen des Schichtsystems geschützt wird. Durch die elektrisch leitfähige Ausgestaltung von Hülse und Verbindungsmittel werden dabei weitere Vorteile erzielt. Insbeson¬ dere können durch die elektrisch leitfähige Kapselung Feld- Überhöhungen und damit elektrische Durchschläge im Endbereich des Bandleiters vermieden werden.
Diese beiden Vorteile - nämlich die Vermeidung von Material- austausch sowie die Vermeidung von elektrischen Durchschlägen - werden bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung durch nur eine Maßnahme gemeinsam erzielt.
Die erfindungsgemäße supraleitende Spuleneinrichtung weist eine Spulenwicklung aus einem erfindungsgemäßen supraleitenden Leiterelement auf. Mit anderen Worten ist hier aus dem supraleitenden Bandleiter des erfindungsgemäßen supraleitenden Leiterelements eine Wicklung gebildet, wobei wenigstens ein Endbereich des Bandleiters auf die beschriebene Weise mittels Hülse und Verbindungsmittel gekapselt ist. Die Vor¬ teile der erfindungsgemäßen Spuleneinrichtung ergeben sich dabei analog zu den beschriebenen Vorteilen des erfindungsge¬ mäßen Leiterelements. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den von den Ansprüchen 1 und 14 abhängigen Ansprüchen sowie der folgenden Beschreibung hervor. Dabei können die beschriebenen Ausgestaltungen des Leiterelements und der Spuleneinrichtung vorteilhaft miteinander kombiniert wer- den.
So ist es prinzipiell im Rahmen der vorliegenden Erfindung ausreichend, wenn nur ein Leiterende des Bandleiters auf die beschriebene Weise mittels Hülse und Verbindungsmittel gekap- seit ist. Es ist jedoch besonders vorteilhaft für die Vermei¬ dung von Schädigungen, wenn sogar beide Endbereiche des Bandleiters auf die beschriebene Weise gekapselt sind. So können vor allem die nachträglich hergestellten Schnittkanten des Bandleiters besonders wirksam geschützt werden.
Bevorzugt weist die Hülse des Leiterelements eine abgerundete Außenkontur auf. Mit anderen Worten weist die Hülse in ihrem Außenbereich keine scharfen Kanten, sondern höchstens abge- rundete Kanten auf. Insbesondere weist die Außenkontur der Hülse nur Kantenradien von wenigstens 0,3 mm auf. Ein wesent¬ licher Vorteil der beschriebenen abgerundeten Außenkontur ist, dass hierdurch Feldüberhöhungen und somit elektrische Durchschläge besonders wirksam vermieden werden können.
Beispielsweise kann der Bandleiter als solches im Längsprofil im Bereich seiner Schnittkante sehr scharfe Kanten aufweisen. Die innenliegende Aussparung der Hülse ist dann zweckmäßig auf diese Form des Bandleiters angepasst. Auf der Außenseite weist die Hülse dann aber vorteilhaft im Längsprofil nur ab¬ gerundete Kanten auf.
Der Bandleiter kann bevorzugt ein im Wesentlichen rechtecki- ges Querschnittsprofil aufweisen. Auch hier ist die innenlie¬ gende Aussparung der Hülse dann zweckmäßig an diese Quer¬ schnittsform des Bandleiters angepasst. Auch in Bezug auf das Querschnittsprofil weist die Hülse dann bevorzugt auf ihrer Außenseite nur abgerundete Kanten auf. Sie kann also bei- spielsweise auf ihrer äußeren Oberfläche ein rechteckiges Querschnittsprofil mit abgerundeten Ecken aufweisen.
Das Leiterelement kann bevorzugt so ausgestaltet sein, dass das elektrisch leitfähigen Verbindungsmittel im flüssigen Zu- stand zwischen der Hülse und dem Endbereich des Bandleiters eingebracht worden ist. Dies ist im fertigen Leiterelement daran erkennbar, dass im gesamten Innenraum der Hülse eine Stoffschlüssige Verbindung zwischen Verbindungsmittel und Hülse sowie auch zwischen Verbindungsmittel und Leiterende vorliegt. Im fertigen Zustand des Leiterelements ist das Ver¬ bindungsmittel dann fest. Durch die beschriebene Herstellung mit einem bei der Herstellung flüssigen Verbindungsmittel wird eine besonders feste Versiegelung der Kanten des Band¬ leiters im Endbereich erreicht.
Ein erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren zur Herstellung des Leiterelements umfasst also den Schritt des Einbringens von flüssigem Verbindungsmittel zwischen Bandleiter und Hülse sowie den nachfolgenden Schritt des Härtens des Verbindungs¬ mittels .
Bevorzugt ist hierbei das elektrisch leitfähige Verbindungs- mittel ein Lotmaterial. Mit einem metallischen Lot kann so auf besonders einfache Weise eine elektrisch leitfähige Ver¬ bindung mit einem bei der Herstellung verflüssigten Verbindungsmittel hergestellt werden. Besonders bevorzugt ist ein solches Lotmaterial ein unterhalb von 250 °C schmelzendes Lot. Ein derart niedrigschmelzendes Lot ist zur Versiegelung von supraleitenden Bandleitern besonders vorteilhaft, da in diesem Temperaturbereich eine Schädigung des Supraleiters durch den Lötprozess vermieden werden kann. Besonders bevorzugt kann das Lotmaterial sogar unterhalb von 150 °C schmelzbar sein. Hierzu kann das Lotma¬ terial besonders bevorzugt eine niedrigschmelzende metalli¬ sche Legierung, insbesondere eine indium- und/oder zinnhalti¬ ge Legierung sein. Besonders bevorzugt sind hierfür bei- spielsweise InSn-Legierungen und InAg-Legierungen .
Alternativ zu den genannten Lotmaterialien ist es jedoch auch möglich und unter Umständen vorteilhaft, wenn das elektrisch leitende Verbindungsmittel ein elektrisch leitfähiges Klebe- mittel ist. Ein solches Klebemittel kann beispielsweise ein gefüllter Epoxidklebstoff mit Silber oder ein Silberleitlack sein .
Das Material der Hülse weist bevorzugt eine spezifische elektrische Leitfähigkeit von wenigstens 105 S/m auf. Beson¬ ders bevorzugt liegt die spezifische elektrische Leitfähig¬ keit sogar bei wenigstens 106 S/m. Ein wesentlicher Vorteil von einem derart hoch leitfähigen Material der Hülse ist zum einen, dass hiermit Feldüberhöhungen besonders wirksam ver- mieden werden können. Ein weiterer Vorteil kann darin liegen, dass durch eine solche besonders leitfähige Hülse eine zu¬ sätzliche niederohmige Kontaktierung zwischen den beiden Hauptflächen des laminierten Bandleiters vermittelt werden kann. Dieser letztgenannte Vorteil ist insbesondere im Zusam¬ menhang mit den weiter unten beschriebenen Laminaten mit wenigstens zwei supraleitenden Schichten relevant. Besonders bevorzugt umfasst das Material der Hülse Kupfer. Dabei kann die Hülse insbesondere im Wesentlichen aus Kupfer oder einer kupferhaltigen Legierung bestehen. Vor allem hoch leitfähiges Kupfer eignet sich besonders für eine Kapselung, mit der zusätzlich eine elektrische Verbindung zwischen ein- zelnen Schichten des Schichtsystems geschaffen werden soll.
Die Hülse weist bevorzugt eine Wandstärke von wenigstens 1 mm auf. Besonders bevorzugt liegt die Wandstärke sogar bei we¬ nigstens 2 mm, insbesondere zwischen 2 mm und 5 mm. Bei der- art dicken Wandstärken, die insbesondere über die ganze Aus¬ dehnung der Hülse derart hoch sind, kann besonders vorteil¬ haft eine niederohmige Verbindung zwischen einzelnen Schichten des Bandleiters mittels einer normalleitenden Hülse ge¬ schaffen werden. Dies ist insbesondere bei Supraleitern mit zwei supraleitenden Schichten vorteilhaft, bei denen sich die Substrate in der Mitte des Schichtaufbaus befinden.
Die supraleitende Schicht weist bevorzugt ein hochtemperatur- supraleitendes Material auf. Hochtemperatursupraleiter (HTS) sind supraleitende Materialien mit einer Sprungtemperatur oberhalb von 25 K und bei einigen Materialklassen, beispielsweise den Cuprat-Supraleitern, oberhalb von 77 K, bei denen die Betriebstemperatur durch Kühlung mit anderen kryogenen Materialien als flüssigem Helium erreicht werden kann. HTS- Materialien sind auch deshalb besonders attraktiv, da diese
Materialien abhängig von der Wahl der Betriebstemperatur sehr hohe kritische Stromdichten aufweisen können.
Insbesondere kann das hochtemperatursupraleitende Material Magnesiumdiborid umfassen. Besonders vorteilhaft kann die supraleitende Schicht als Hauptbestandteil Magnesiumdiborid aufweisen oder sogar im Wesentlichen aus Magnesiumdiborid bestehen. Magnesiumdiborid weist eine Sprungtemperatur von etwa 39 K auf und gilt somit als Hochtemperatur-Supraleiter, allerdings ist die Sprungtemperatur im Vergleich zu anderen HTS-Materialien eher niedrig. Die Vorteile dieses Materials im Vergleich zu oxidkeramischen Hochtemperatur-Supraleitern liegen bei seiner leichten und somit kostengünstigen
Herstellbarkeit. Auf Magnesiumdiborid basierende Leiter kön¬ nen besonders einfach und günstig durch Aerosoldeposition oder durch das sogenannte Powder-in-Tube-Verfahren hergestellt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann die supraleitende Schicht aber auch andere hochtemperatursupraleitende Materialien um¬ fassen, beispielsweise HTS-Materialien der zweiten Generation, also Verbindungen des Typs REBa2Cu30x (kurz REBCO) , wobei RE für ein Element der seltenen Erden oder eine Mischung solcher Elemente steht. REBCO-Supraleiter können aufgrund ihrer hohen Sprungtemperaturen auch mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden und weisen vor allem bei tieferen Temperaturen als 77 K eine besonders hohe Stromtragfähigkeit auf.
Andere vorteilhafte Materialien sind HTS-Materialien der ersten Generation, beispielsweise die verschiedenen Varianten des Bismut-Strontium-Calcium-Kupferoxids . Alternativ können auch supraleitende Pnictide zum Einsatz kommen. Aufgrund ih- rer eher niedrigen Sprungtemperatur kommen supraleitende
Pnictide für eine Betriebstemperatur von etwa 2 0 bis 30 K in Frage .
Das Substrat des Bandleiters kann vorteilhaft Stahl oder eine nickelhaltige Legierung wie beispielsweise Hastelloy aufwei¬ sen. Es kann sich allgemein unabhängig von der genauen Materialwahl um ein elektrisch normalleitendes Substrat handeln, welches insbesondere mit der supraleitenden Schicht elek¬ trisch leitend in Verbindung stehen kann. Eine solche elek- trisch leitende Verbindung kann beispielsweise durch die be¬ schriebene elektrisch leitfähige Kapselung vermittelt oder zumindest zusätzlich unterstützt werden. Die hochtemperatursupraleitende Schicht kann von einer elek¬ trisch normalleitenden Kontaktschicht bedeckt sein, wobei eine solche Schicht auch als Shuntschicht bezeichnet wird. Hierbei kann es sich entweder um eine einseitige flächenhafte Deckschicht oder aber auch um eine den Bandleiter insgesamt umhüllende Schicht handeln. Geeignete Materialien für eine solche Shuntschicht sind beispielsweise Silber oder Kupfer.
Besonders bevorzugt weist der supraleitende Bandleiter zu- sätzlich zur ersten wenigstens eine zweite supraleitende
Schicht auf, wobei das erste Trägersubstrat zwischen der ers¬ ten und der zweiten supraleitenden Schicht angeordnet ist. Mit anderen Worten kann es sich bei dem laminierten Schichtsystem um eine Art Sandwich mit zwei supraleitenden Schichten handeln, welche auf unterschiedlichen Seiten des Substrats angeordnet sind. Sie müssen jedoch nicht notwendigerweise beide auf demselben Substrat abgeschieden sein. Ein wesentlicher Vorteil der Ausführungsformen mit wenigstens zwei sol¬ chen supraleitenden Schichten ist, dass die Stromtragfähig- keit gegenüber einem Bandleiter mit nur einer supraleitenden Schicht um etwa einen Faktor zwei erhöht ist. Wenn die Strom¬ flussrichtung in diesen beiden supraleitenden Schichten beim Betrieb gleich gewählt ist, können sich weitere Vorteile da¬ raus ergeben, dass das innenliegende Substrat von elektromag- netischen Feldern abgeschirmt wird, wie beispielsweise in der EP2843721B1 beschrieben. Dies kann insbesondere für Anwendungen in supraleitenden Strombegrenzern relevant sein.
Bevorzugt weist der supraleitende Bandleiter neben einer zweiten supraleitenden Schicht auch ein zweites Trägersubstrat auf. Dies kann insbesondere die zweite supraleitende Schicht tragen, und die erste supraleitende Schicht kann ent¬ sprechend auf dem ersten Trägersubstrat aufgebracht sein. Be¬ sonders bevorzugt können bei einer solchen Ausführungsform beide Trägersubstrate so Rücken an Rücken zueinander angeord¬ net sein, dass beide Substrate zwischen den beiden supralei¬ tenden Schichten liegen. Eine solche doppelsandwich-artige Ausführung ist in der Fachwelt bekannt und wird beispielswei- se von der Firma American Superconductors unter dem Namen „Amperium® Stainless Steel Laminated Wire, Type 8612" er¬ trieben . Bei einer Ausführungsform mit zwei supraleitenden Schichten auf zwei separaten Trägersubstraten können diese Substrate insbesondere fest miteinander verbunden sein. So können die Substrate beispielsweise durch Löten und/oder durch Kleben, insbesondere Rücken an Rücken, miteinander verbunden sein. Allgemein und unabhängig von der Anzahl der Schichten im
Schichtsystem können das wenigstens eine Trägersubstrat und die wenigstens eine supraleitende Schicht gemeinsam von einem normalleitenden Material umhüllt sein. Dies kann beispiels¬ weise eine metallische Shuntschicht sein. Eine solche normal- leitende Schicht kann insbesondere elektrisch stabilisierend wirken. Außerdem kann eine elektrische Kontaktierung der supraleitenden Schicht durch die Anbringung von Kontakten im Bereich dieser umhüllenden Shuntschicht erfolgen. Insbesondere können auch Bandleiter mit wenigstens zwei sup¬ raleitenden Schichten eine solche normalleitende Umhüllungs¬ schicht aufweisen. Eine elektrische Kontaktierung kann dann entweder nur auf einer Oberfläche oder auch auf beiden Oberflächen erfolgen. Bei nur einseitiger Kontaktierung ist der apparative Aufwand zur Schaffung des elektrischen Kontakts niedriger. Die elektrische Verbindung zwischen dem Kontaktelement und der davon abgewandten supraleitenden Schicht ist dann jedoch unter Umständen relativ hochohmig, da sowohl das Substrat als auch die umhüllende normalleitende Schicht nur einen relativ hochohmigen Kontakt zwischen den beiden supraleitenden Schichten bewirken.
Im Zusammenhang mit den Ausführungsformen mit wenigstens zwei supraleitenden Schichten in einem Bandleiter entsteht ein weiterer Vorteil der Erfindung dadurch, dass mittels der elektrisch leitfähigen Hülse ein niederohmigerer Kontakt zwischen den beiden supraleitenden Schichten des Bandleiters geschaffen wird. Hierdurch wird die elektrische Kontaktierung von einem solchen zweischichtigen Bandleiter wesentlich erleichtert, ohne dass ein zusätzliches Kontaktelement auf einer zweiten Oberfläche des Bandleiters benötigt wird. Die supraleitende Spuleneinrichtung kann bevorzugt ein Kontaktelement zur elektrischen Kontaktierung der wenigstens einen supraleitenden Schicht des Leiterelements aufweisen.
Ein solches Kontaktelement kann in einem dem Endbereich des Bandleiters benachbarten Bereich mit dem Bandleiter in Verbindung gebracht sein. Mit anderen Worten wird der elektrische Kontakt hier nicht durch die elektrisch leitende Hülse genau im Endbereich des Bandleiters geschaffen, sondern etwas daneben über ein zusätzliches flächig an dem Bandleiter an- liegendes Kontaktelement. Ein solches Kontaktelement kann beispielsweise ein Kontaktblock aus Kupfer sein. Das Kontakt¬ element kann beispielsweise mechanisch an den Bandleiter ge- presst werden. Alternativ oder zusätzlich kann ein solches Kontaktelement beispielsweise auch angelötet sein.
Wie oben im Zusammenhang mit dem doppelschichtigen Bandleiter beschrieben, kann die elektrisch leitfähige Hülse bei einer solchen Ausführungsform die Kontaktierung der von dem Kontaktelement abgewandten supraleitenden Schicht deutlich ver- bessern.
Um allgemein eine Kontaktierung zwischen einer Oberseite und einer Unterseite des Bandleiters zu erleichtern, kann die Hülse so ausgebildet sein, dass zwischen ihrer oben liegenden Innenfläche und ihrer unten liegenden Innenfläche ein elekt¬ rischer Widerstand von höchstens 5 yOhm ausgebildet ist.
Bei der supraleitenden Spuleneinrichtung kann es sich allgemein vorteilhaft um eine Strombegrenzereinrichtung handeln. Alternativ kann es sich jedoch auch vorteilhaft um eine Magnetspule oder um eine Spulenwicklung eines Stators oder Ro¬ tors einer elektrischen Maschine handeln. Allgemein kann es sich beispielsweise um eine Mittelspannungs- oder auch um eine Hochspannungs-Spuleneinrichtung handeln. Vor allem für den Einsatz im höheren Spannungsbereich, beispielsweise oberhalb von 5 kV, ist der Vorteil der Vermeidung von Feldüberhö¬ hungen durch die Hülse besonders relevant.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Spuleneinrichtung kann diese eine Kühlvorrichtung aufweisen, durch die der supraleitende Bandleiter auf eine Temperatur unterhalb der
Sprungtemperatur des Supraleiters gekühlt wird. Hierzu kann der Bandleiter in direkten Kontakt mit einem flüssigen kryogenen Kühlmittel stehen. Dazu kann die Spuleneinrichtung insbesondere einen Badkryostaten aufweisen, in welchem ein den Bandleiter umgebendes flüssiges Kühlmittel vorliegt.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Figur 1 eine schematische Schnittdarstellung eines supralei¬ tenden Leiterelements in einer Spuleneinrichtung nach einem ersten Beispiel der Erfindung zeigt,
Figur 2 einen schematischen Längsschnitt des Leiterelements der Figur 1 zeigt,
Figur 3 einen schematischen Querschnitt eines supraleitenden
Leiterelements im Bereich des Bandleiters nach einem zweiten Beispiel der Erfindung zeigt,
Figur 4 einen schematischen Querschnitt des supraleitenden
Leiterelements der Figur 3 im Bereich der Hülse zeigt,
Figur 5 einen schematischen Querschnitt eines supraleitenden
Leiterelements im Bereich des Bandleiters nach einem dritten Beispiel der Erfindung zeigt und
Figur 6 einen schematischen Querschnitt des supraleitenden
Leiterelements der Figur 5 im Bereich der Hülse zeigt .
In Figur 1 ist eine schematische Schnittdarstellung eines supraleitenden Leiterelements 1 einer Spuleneinrichtung nach einem ersten Beispiel der Erfindung gezeigt. Gezeigt ist eine Aufsicht auf die flache Oberfläche eines Bandleiters 3 in einem seiner Endbereiche, wobei sich diese Aufsicht auf den Bandleiter 3 im links dargestellten Teil als Schnitt durch die Hülse 5 fortsetzt. Die endseitige Schnittkante 4 des
Bandleiters 3 ist hierbei im linken Teil der Zeichnung ange¬ ordnet. Zum rechten Teil der Zeichnung hin setzt sich der Bandleiter 3 noch über eine längere Strecke fort und geht dort in eine hier nicht näher dargestellte Spulenwicklung über. Der unmittelbar an die Schnittkante 4 des Bandleiters angrenzende Endbereich 7 ist in eine einseitig offene Hülse 5 eingebettet, die hier als Kupferhülse ausgestaltet ist. Im links dargestellten Bereich der Hülse ist diese Hülse 5 ge¬ schlossen, sodass sie den Bandleiter 3 in seinem Endbereich 7 einseitig umschließt. Die Hülse 5 ist so ausgestaltet, dass sie in Form und Größe auf den in ihren Innenraum einzuschie¬ benden Bandleiter 3 angepasst ist. Der sich bei einem Aufstecken der Hülse 5 auf den Bandleiter 3 ergebende Zwischenraum ist hier vollständig durch ein Verbindungsmittel 9 gefüllt. In dem gezeigten ersten Ausführungsbeispiel ist dieses Ver¬ bindungsmittel 9 als niedrigschmelzendes Lot ausgestaltet. Bei der Herstellung des supraleitenden Leiterelements wird das Lot aufgeschmolzen, sodass der Bandleiter im Endbereich 7 durch das Lot 9 und die umgebende Hülse 5 im Wesentlichen vollständig eingekapselt ist. Die so erzeugte Kapselung mit¬ tels Hülse 5 und Verbindungsmittel 9 bewirkt einen Schutz der Schnittkante 4 des Bandleiters vor dem Eindringen von einem den Bandleiter 3 umgebenden Kühlmittel. Ebenso verhindert diese Kapselung ein Austreten von Material aus dem Bereich der Schnittkante des Bandleiters.
Das Material der Hülse 5 ist hier aus elektrisch gut leitfä¬ higem Kupfer gebildet und das Lotmaterial 9 ist ebenfalls elektrisch gut leitfähig. Durch diese leitfähige Kapselung wird zum einen eine niederohmige Verbindung zwischen Obersei¬ te und Unterseite des Bandleiters geschaffen. Zum anderen werden Feldüberhöhungen im Endbereich 7 des Bandleiters ver- mieden. Hierzu weist die Hülse auf ihrer Außenseite abgerun¬ dete Ecken 25 auf.
Zur elektrischen Kontaktierung der supraleitenden Spulenein- richtung, die eine Wicklung aus dem supraleitenden Leiterelement 1 umfasst, ist der Bandleiter 3 in einem an den unmittelbaren Endbereich 7 angrenzenden Bereich 8 mit einem Kontaktelement 15 verbunden. Im gezeigten Beispiel handelt es sich bei dem Kontaktelement 15 um einen Kupferblock, der hier beispielsweise mechanisch gegen eine Hauptfläche des Bandleiters 3 gedrückt wird. So kann der Bandleiter 3 (und damit auch eine supraleitende Schicht des Bandleiters) mit einem äußeren Stromkreis kontak- tiert werden.
Figur 2 zeigt einen schematischen Längsschnitt des Leiterele¬ ments der Figur 1 in Seitenansicht. Gezeigt ist also ein Blick auf die schmale längsseitige Fläche des Bandleiters 3 in dem Leiterelement 1, welcher sich im linken Teil der
Zeichnung wiederum als Schnitt durch die Hülse 5 fortsetzt. Wie in Figur 2 ersichtlich, dient das Kontaktelement 15 dazu, den Bandleiter 3 auf seiner Oberseite 30 elektrisch zu kontaktieren. Im rechten Teil der Zeichnung ist schematisch an- gedeutet, dass aus dem Bandleiter 3 in seinem weiteren Verlauf eine elektrische Spulenwicklung 13 gebildet ist. Insge¬ samt liegt hier eine supraleitende Spuleneinrichtung 11 vor, bei der es sich beispielsweise um eine supraleitende
Strombegrenzereinrichtung handeln kann. Je nach Art der An- wendung der supraleitenden Spuleneinrichtung 11 kann die Art der Wicklung 13 hierbei sehr unterschiedlich ausgebildet sein. Es kann sich beispielsweise um eine Flachspule handeln und/oder es kann sich um eine spiralförmige Spulenwicklung handeln und/oder es kann sich um eine bifilare Wicklung han- dein. Das in den Figuren 1 und 2 nur schematisch dargestellte Leiterende 7 kann beispielsweise ein Leiterende in einem ra¬ dial außen liegenden oder in einem radial innen liegenden Randbereich der Spulenwicklung sein. Anders als in den Figu- ren 1 und 2 der Übersichtlichkeit halber dargestellt, kann also auch der Endbereich 7 auf den übrigen Windungen der Wicklung aufliegen. Es ist auch nicht zwingend notwendig, dass der auf die beschriebene Weise eingekapselte Endbereich 7 tatsächlich
einen außen liegenden oder innen liegenden Randbereich der Wicklung darstellt. Es ist vielmehr grundsätzlich auch möglich, dass eine solche Schnittkante 4 beziehungsweise eine solche Kontaktstelle im Endbereich 7 eines Bandleiters im In- neren einer solchen Wicklung (also zwischen den Windungen eingebettet) ausgebildet ist.
Der Bandleiter 3 des Ausführungsbeispiels der Figuren 1 und 2 kann prinzipiell auf vielfältige Weise ausgestaltet sein. So kann es sich beispielsweise um einen Bandleiter mit nur einer supraleitenden Schicht oder aber auch um einen Bandleiter mit zwei oder mehr supraleitenden Schichten handeln. Dies wird im Folgenden im Zusammenhang mit den Figuren 3 bis 6 näher erläutert .
So zeigt Figur 3 einen schematischen Querschnitt des supra¬ leitenden Leiterelements 1 nach einem zweiten Beispiel der Erfindung in einem innenliegenden Bereich des Bandleiters 3, der daher nicht auf die oben beschriebene Weise eingekapselt ist. Der Bandleiter 3 umfasst ein Trägersubstrat 17a, auf dem eine hochtemperatursupraleitende Schicht 19a aufgebracht ist. Die supraleitende Schicht ist jedoch nicht direkt auf dem Trägersubstrat abgeschieden, sondern es befindet sich dazwischen noch eine Pufferschicht 18, die beispielsweise auch aus mehreren Teilschichten gebildet sein kann. Das Trägersubstrat 17a kann beispielsweise ein 50 ym dickes Substrat aus einer Nickel-Wolfram-Legierung sein. Es sind hier auch vorteilhaft Stahlbänder oder Bänder aus einer Legierung wie z.B.
Hastelloy verwendbar. Die Pufferschicht 18 ist beispielsweise eine 0.5 ym dicke Schicht, die die oxidischen Materialien
Ce02 und Y2O3 enthält. Darüber folgt die eigentliche supralei¬ tende Schicht 19a, hier beispielsweise eine 1 ym dicke
Schicht aus YBa2Cu30x. Der so gebildete Schichtaufbau wird im gezeigten Beispiel von einer normalleitenden Schicht 21 umhüllt. Bei dieser Stabilisierungsschicht kann es sich beispielsweise um eine 20 ym di- cke Schicht aus Kupfer oder Silber handeln. Alternativ zu der hier gelöscht dargestellten vollständigen Umhüllung kann eine solche normalleitende Deckschicht prinzipiell auch nur auf einer Hauptfläche oder beiden Hauptflächen des Bandleiters (ohne die Seitenkanten) ausgebildet sein. Der in Figur 3 dar- gestellte Bandleiter kann beispielsweise in einem supralei¬ tenden Leiterelement zum Einsatz kommen, welches ähnlich wie in den Figuren 1 und 2 dargestellt aufgebaut ist.
Figur 4 zeigt einen schematischen Querschnitt des gleichen supraleitenden Bandleiters 3 wie in der Figur 3. Allerdings ist hier ein Schnitt durch den Endbereich 7 dargestellt, in dem der Bandleiter 3 von der elektrisch leitfähigen Hülle 5 umhüllt ist. Der Zwischenraum zwischen dem Material der Hülle 5 und dem Bandleiter 3 ist auch hier vollständig durch ein Verbindungsmittel 9 aufgefüllt, welches ebenfalls elektrisch leitfähig ist. Neben der beschriebenen hermetisch dichten Kapselung wird durch die Hülse 5 und das leitfähige Verbin¬ dungsmittel 9 erreicht, dass Oberseite und Unterseite des Bandleiters elektrisch zusätzlich niederohmig miteinander verbunden werden. Für den in den Figuren 3 und 4 dargestellten Aufbau des Bandleiters kann diese zusätzliche Verbindung der beiden Hauptflächen beispielsweise einer verbesserten elektrischen Kontaktierung zwischen supraleitender Schicht 19a und Trägersubstrat 17a dienen. Dies ist insbesondere dann nützlich, wenn die durch Verbindungsmittel 9 und Hülse 5 zu¬ sätzlich geschaffene elektrische Verbindung einen geringeren elektrischen Widerstand aufweist als die Verbindung über die normalleitende Schicht 21. Dies ist besonders dann der Fall, wenn die normalleitende Schicht 21 vergleichsweise dünn ist und/oder wenn die Schichtqualität im Bereich der Seitenkanten nicht gut ausgebildet ist. -
Die Figuren 5 und 6 zeigen ähnliche Schnittdarstellungen für einen Bandleiter 3 in einem supraleitenden Leiterelement 1 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. So zeigt Figur 5 wiederum eine Querschnittsansicht aus dem Be- reich des Bandleiters 3, der nicht durch die Hülse 5 einge¬ kapselt ist. Figur 6 zeigt ähnlich wie Figur 4 eine entspre¬ chende Querschnittsansicht des Endbereichs 7.
Figur 5 zeigt hier eine Querschnittsdarstellung eines Bandleiters 3, welcher in diesem Beispiel als ein doppelschichti¬ ger Bandleiter mit zwei supraleitenden Schichten 19a und 19b gebildet ist. Diese supraleitenden Schichten sind jeweils auf einem eigenen zugehörigen Trägersubstrat 17a beziehungsweise 17b aufgebracht. Diese beiden Trägersubstrate sind in der Art eines Doppelsandwiches Rücken an Rücken zueinander orientiert und fest miteinander verbunden. Die beiden supraleitenden Schichten 19a und 19b, welche jeweils auf Pufferschichten 18 auf den außen liegenden Oberflächen der Substrate angebracht sind, ermöglichen in diesem vielschichtigen Leiteraufbau einen nahezu verlustfreien Stromtransport mit gegenüber dem Beispiel der Figuren 3 und 4 ungefähr verdoppelter Stromtragfähigkeit. Ähnlich wie bei dem vorhergehenden Beispiel ist auch bei dem Bandleiter 3 der Figur 5 das Schichtsystem mit den supraleitenden Schichten und den Trägersubstraten gemeinsam von einer normalleitenden Schicht 21 umhüllt.
Figur 6 zeigt wiederum einen schematischen Querschnitt des Bandleiters der Figur 5 in seinem eingekapselten Endbereich. Die elektrisch leitende Hülse 5 und das zwischen Hülse und Bandleiter angeordnete Verbindungsmittel 9 sind hier ähnlich ausgestaltet wie beim Beispiel der Figur 4. Ein besonderer Vorteil der hier dargestellten Ausführungsform ist, dass durch die Hülse 5 und das Verbindungsmittel 9 hier ein nie- derohmiger Kontakt geschaffen ist, welcher die Oberseite 30 und die Unterseite 31 des Bandleiters 3 miteinander verbin¬ det. Es wird so also insgesamt auch eine niederohmige Verbin¬ dung zwischen den beiden supraleitenden Schichten 19a und 19b geschaffen, welche insbesondere einen niedrigeren Widerstand aufweisen kann als die Verbindung durch die seitlichen Bereiche der normalleitenden Schicht 21. So kann besonders vorteilhaft erreicht werden, dass beide supraleitenden Schichten eines solchen doppelschichtigen Bandleiters ähnlich wie in Figur 2 dargestellt mit einem einseitig auf die Oberseite 30 angebrachten Kontaktelement 15 niederohmig kontaktiert werden können .
Im Zusammenhang mit den Figuren 1 bis 6 sei hier besonders darauf hingewiesen, dass diese Figuren nicht maßstabsgetreu sind und nur als äußerst schematische Darstellungen zu ver¬ stehen sind. Insbesondere sind die Unterschiede zwischen den Schichtdicken der einzelnen Schichten der Bandleiter 3 in Wirklichkeit deutlich extremer als in den Figuren 3 bis 6 dargestellt. Auch das Aspektverhältnis zwischen Breite und Dicke der Bandleiter 3 ist in Wirklichkeit sehr viel extre¬ mer. Beispielsweise kann die Dicke der Bandleiter im Bereich von einigen 10 ym bis einigen 100 ym liegen, während die Breite der Bandleiter im Bereich einiger mm bis einiger 10 mm liegen kann.

Claims

Patentansprüche
1. Supraleitendes Leiterelement (1), umfassend
- einen langgestreckten Bandleiter (3) mit wenigstens einem ersten Trägersubstrat (17a) und einer auf einer ersten
Oberfläche (30) des ersten Trägersubstrats (17a) aufge¬ brachten ersten supraleitenden Schicht (19a) und
- wenigstens eine aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildete Hülse (5) , welche den Bandleiter (3) in einem Endbereich (7) umgibt,
- wobei die Hülse (5) durch ein elektrisch leitfähiges Ver¬ bindungsmittel (9) fest mit dem Bandleiter (3) verbunden ist
- und wobei die Hülse (5) zusammen mit dem leitfähigen Ver- bindungsmittel (9) den Endbereich (7) des Bandleiters (3) im Wesentlichen vollständig umschließt.
2. Leiterelement (1) nach Anspruch 1, bei welchem die Hülse (5) eine abgerundete Außenkontur aufweist.
3. Leiterelement (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei welchem das elektrisch leitfähige Verbindungsmittel (9) im flüssigen Zustand zwischen dem Endbereich (7) des Bandleiters (3) und der Hülse (5) eingebracht ist.
4. Leiterelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das elektrisch leitfähige Verbindungsmittel (9) ein Lotmaterial ist.
5. Leiterelement (1) nach Anspruch 4, bei welchem das Lotma¬ terial (9) ein unterhalb von 250°C schmelzendes Lot ist, wo¬ bei das Lotmaterial insbesondere eine Indium-haltige metalli¬ sche Legierung umfasst.
6. Leiterelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem das elektrisch leitende Verbindungsmittel (9) ein elektrisch leitfähiges Klebemittel ist.
7. Leiterelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Material der Hülse (5) eine spezifische elektrische Leitfähigkeit von wenigstens 105 S/m aufweist.
8. Leiterelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Material der Hülse (5) Kupfer umfasst.
9. Leiterelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Hülse (5) eine Wandstärke von wenigstens 1 mm, insbesondere eine Wandstärke im Bereich zwischen 2mm und 5mm, aufweist.
10. Leiterelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, bei welchem die supraleitende Schicht (19a) ein hochtem- peratursupraleitendes Material, insbesondere Magnesiumdiborid und/oder ein Material des Typs REBCO umfasst.
11. Leiterelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, bei welchem der supraleitende Bandleiter (3) wenigstens eine zweite supraleitende Schicht (19b) aufweist, wobei das erste Trägersubstrat (17a) zwischen erster (19a) und zweiter (19b) supraleitender Schicht angeordnet ist.
12. Leiterelement (1) nach Anspruch 11, bei welchem der supraleitende Bandleiter (3) ein zweites Trägersubstrat (17b) aufweist, welches die zweite supraleitende Schicht (19b) trägt .
13. Leiterelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, bei welchem das wenigstens eine Trägersubstrat (17a) und die wenigstens eine erste supraleitende Schicht (19a) gemein¬ sam von einem normalleitenden Material (21) umhüllt sind.
14. Supraleitende Spuleneinrichtung (11) mit einer Spulenwicklung (13) aus einem supraleitenden Leiterelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
15. Spuleneinrichtung (11) nach Anspruch 14, welche ein Kontaktelement (15) zur elektrischen Kontaktierung der wenigstens einen supraleitenden Schicht (19a) des Leiterelements (1) aufweist, wobei das Kontaktelement (15) in einem dem End- bereich (7) des Bandleiters benachbarten Bereich (8) mit dem Bandleiter (3) in Verbindung gebracht ist.
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