Title:
Flexibler elektrischer Leiter, Stromzuführung und Herstellungsverfahren
Kind Code:
A1


Abstract:

Es wird ein elektrischer Leiter angegeben, der ein Trägersubstrat und eine auf dem Trägersubstrat aufgebrachte supraleitende Schicht aufweist. Das Trägersubstrat weist wenigstens innerhalb einer Schnittebene ein wellenförmiges Querschnittsprofil auf. Weiterhin wird eine Stromzuführung für eine supraleitende Spuleneinrichtung angegeben, die einen ersten Leitungsabschnitt mit einem erfindungsgemäßen Leiter aufweist. Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung eines solchen elektrischen Leiters angegeben, bei dem die supraleitende Schicht durch Aerosol-Deposition abgeschieden wird.




Inventors:
Denneler, Stefan (81371, München, DE)
Oomen, Marijn Pieter (91056, Erlangen, DE)
Schuh, Carsten (85598, Baldham, DE)
Application Number:
DE102015202391A
Publication Date:
08/11/2016
Filing Date:
02/11/2015
Assignee:
Siemens Aktiengesellschaft, 80333 (DE)
International Classes:
Domestic Patent References:
DE102010031741B4N/A2012-09-20



Claims:
1. Elektrischer Leiter (1) mit
– einem Trägersubstrat (3) und
– einer auf dem Trägersubstrat (3) aufgebrachten supraleitenden Schicht (5),
dadurch gekennzeichnet, dass
das Trägersubstrat (3) wenigstens innerhalb einer Schnittebene ein wellenförmiges Querschnittsprofil aufweist.

2. Elektrischer Leiter (1) nach Anspruch 1, bei dem sich die Schnittebene entlang einer Längsrichtung (9) des Leiters (1) erstreckt.

3. Elektrischer Leiter (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem das wellenförmige Querschnittsprofil eine regelmäßige, insbesondere eine periodische Struktur aufweist.

4. Elektrischer Leiter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die supraleitende Schicht (5) ein hochtemperatursupraleitendes Material aufweist.

5. Elektrischer Leiter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die supraleitende Schicht (5) eine durch Aerosol-Deposition abgeschiedene Schicht ist.

6. Elektrischer Leiter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die supraleitende Schicht (5) Magnesiumdiborid umfasst.

7. Elektrischer Leiter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die supraleitende Schicht (5) einen oxidkeramischen Hochtemperatursupraleiter umfasst.

8. Elektrischer Leiter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Verhältnis einer Amplitude (11) des wellenförmigen Querschnittsprofils zu einer Schichtdicke (13) der supraleitenden Schicht (5) bei wenigstens 10:1 liegt.

9. Elektrischer Leiter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Trägersubstrat (3) Wellenkämme (15) und/oder Wellentäler (17) aufweist, die sich im Wesentlichen senkrecht zu einer Längsrichtung (9) des Leiters (1) erstrecken.

10. Elektrischer Leiter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Schichtdicke (13) der supraleitenden Schicht (5) entlang einer Längsrichtung (9) des Leiters (1) variiert.

11. Elektrischer Leiter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dessen wellenförmiges Querschnittsprofil eine periodische Struktur mit einer Periodenlänge (18) entlang einer Längsrichtung (9) des Leiters (1) zwischen 1 mm und 100 mm aufweist.

12. Elektrischer Leiter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dessen Trägersubstrat (3) als Rohr ausgebildet ist.

13. Elektrischer Leiter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, der abgesehen von seinem wellenförmigen Querschnittsprofil als flacher Leiter (1) ausgebildet ist.

14. Stromzuführung (19) für eine supraleitende Spuleneinrichtung, wobei die Stromzuführung (19) wenigstens einen ersten Leitungsabschnitt (20) mit einem Leiter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 aufweist.

15. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Leiters (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die supraleitende Schicht (5) durch Aerosol-Deposition abgeschieden wird.

Description:

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Leiter mit einem Trägersubstrat und einer auf dem Trägersubstrat aufgebrachten supraleitenden Schicht. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Stromzuführung mit einem solchen Leiter sowie ein Herstellungsverfahren dafür.

Bei herkömmlichen elektrischen Leitern mit supraleitenden Schichten werden diese Schichten typischerweise als ebene Schichten auf Trägersubstraten mit ebenen Oberflächen abgeschieden. Besonders verbreitet sind bandförmige elektrische Leiter, bei denen dünne hochtemperaturleitende Schichten auf einem bandförmigen Substrat aufgebracht sind. Hochtemperatur-Supraleiter sind solche supraleitenden Materialien, die eine Sprungtemperatur oberhalb von 25 K und bei einigen Materialklassen, beispielsweise den Cuprat-Supraleitern oberhalb von 77 K aufweisen. Bei solchen Hochtemperatur-Supraleitern kann die Betriebstemperatur durch Kühlung mit anderen kryogenen Materialien als flüssigem Helium erreicht werden. Hochtemperatur-supraleitende Materialien sind besonders attraktiv für die Herstellung von Magnetspulen, beispielsweise für die medizinische Bildgebung oder für die Anwendung in elektrischen Maschinen. Solche supraleitenden Spulenwicklungen können aus elektrischen Leitern mit dünnen supraleitenden Schichten gewickelt werden. Neben der Herstellung der eigentlichen Wicklungen kommen elektrische Leiter mit supraleitenden Schichten auch in Stromzuführungen zum Einsatz, die dazu dienen, elektrische Spulen mit einem äußeren Stromkreis leitend zu verbinden. Solche Stromzuführungen müssen geeignet sein, relativ hohe Ströme aus einem äußeren Stromkreis in eine elektrische Spule einzuspeisen.

Die meisten der bekannten elektrischen Leiter mit hochtemperatur-supraleitenden Schichten weisen metallische Trägersubstrate auf, bei denen die zu beschichtende Oberfläche als möglichst ebene und saubere Oberfläche ausgebildet ist. Die Beschaffenheit dieser Oberfläche ist entscheidend für das Erzielen guter Wachstumsbedingungen für die supraleitende Schicht bei ihrer Abscheidung aus der Gasphase. Oft sind zwischen dem metallischen Trägersubstrat und der supraleitenden Schicht noch eine oder mehrere zusätzliche Zwischenschichten angeordnet, die die Wachstumsbedingungen für die supraleitende Schicht verbessern. Die am weitesten verbreiteten hochtemperatur-supraleitenden Materialien sind Materialien des Typs REBa2Cu3Ox, wobei RE hier für ein Element der seltenen Erden oder eine Mischung solcher Elemente steht.

Die meisten supraleitenden Materialien und insbesondere die genannten hochtemperatur-supraleitenden Materialien sind spröde und daher mechanisch empfindlich. Eine bekannte Schwierigkeit bei der Herstellung elektrischer Spulenwicklungen oder auch elektrischer Stromzuführungen aus solchen elektrischen Leitern ist daher die Reduzierung mechanischer Spannungen, insbesondere von Zug- oder Scherspannungen. Viele der bekannten elektrischen Leiter mit supraleitenden Schichten eignen sich für die Wicklung elektrischer Spulen innerhalb einer Ebene, sind jedoch empfindlich gegenüber der Torsion in anderen Raumrichtungen und gegenüber mechanischen Belastungen, insbesondere quer zur Schichtstruktur. Solche mechanischen Belastungen können sowohl beim Herstellen elektrischer Spulen als auch bei deren Kühlung auf die Betriebstemperatur durch differenzielle thermische Schrumpfung oder auch beim Betrieb der Spulen, insbesondere durch Zentrifugalkräfte bei schneller Rotation auftreten. Es besteht daher generell ein Bedarf an elektrischen Leitern mit supraleitenden Schichten, die geometrisch flexibel und daher mechanisch weniger empfindlich als bekannte elektrische Leiter sind.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen elektrischen Leiter anzugeben, welcher die genannten Nachteile vermeidet. Insbesondere soll dieser elektrische Leiter mechanisch flexibler und weniger empfindlich gegenüber mechanischen Belastungen als bekannte elektrische Leiter mit supraleitenden Schichten sein. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Stromzuführung für eine supraleitende Spulenrichtung mit wenigstens einem solchen Leiter anzugeben. Schließlich soll ein Herstellungsverfahren für einen solchen elektrischen Leiter angegeben werden.

Diese Aufgaben werden durch den in Anspruch 1 beschriebenen elektrischen Leiter, die in Anspruch 14 beschriebene Stromzuführung sowie das in Anspruch 15 beschriebene Herstellungsverfahren gelöst.

Der erfindungsgemäße elektrische Leiter weist ein Trägersubstrat und eine auf dem Trägersubstrat aufgebrachte supraleitende Schicht auf. Das Trägersubstrat weist wenigstens innerhalb einer Schnittebene ein wellenförmiges Querschnittsprofil auf.

Ein wesentlicher Vorteil eines solchen elektrischen Leiters ist die durch die gewellte Struktur des Trägersubstrats bedingte höhere mechanische Flexibilität des gesamten Leiteraufbaus. Dabei soll allgemein das wellenförmige Querschnittsprofil zumindest in einem Teilbereich des Trägersubstrats vorliegen. Auch beim Einsatz relativ starrer Materialien für das Trägersubstrat kann durch eine solche gewellte Struktur eine vergleichsweise hohe Flexibilität erreicht werden. Hierdurch werden mechanische Deformationen ermöglicht, bei denen nur geringe Zug- oder Scherkräfte auf die vom Trägersubstrat getragene supraleitende Schicht einwirken. Es kann somit ein mechanisch robusterer elektrischer Leiter zur Verfügung gestellt werden als dies bei einem Leiter mit planarer supraleitender Schicht möglich wäre. Ein solcher erfindungsgemäßer Leiter kann eine bessere Verarbeitbarkeit und eine höhere Lebensdauer aufweisen. Bei der Wicklung elektrischer Spulen aus solchen Leitern sowie bei der Herstellung von Stromzuführungen wird eine höhere geometrische Flexibilität ermöglicht.

Die erfindungsgemäße Stromzuführung für eine supraleitende Spuleneinrichtung weist einen ersten Leitungsabschnitt mit einem erfindungsgemäßen Leiter auf. Die Vorteile einer solchen Stromzuführung ergeben sich analog zu den beschriebenen Vorteilen des erfindungsgemäßen elektrischen Leiters. Zusätzliche Vorteile ergeben sich aus der speziellen Anwendung des Leiters in einer Stromzuführung. So wird durch die gewellte Struktur des Trägersubstrats eine für den Wärmetransport in der Stromzuführung maßgebliche Weglänge durch das Gesamtsystem des elektrischen Leiters verlängert. So können bei einer derartigen Stromzuführung die thermischen Verluste bei der Anbindung der supraleitenden Spuleneinrichtung an einen äußeren Stromkreis verringert werden, ohne dabei den elektrischen Widerstand der Stromzuführung wesentlich zu erhöhen.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen elektrischen Leiters wird die supraleitende Schicht durch Aerosol-Deposition abgeschieden.

Unter einer Aerosol-Deposition soll im vorliegenden Zusammenhang die Abscheidung einer Schicht aus einem Aerosol, also aus einer Dispersion von Festkörperteilchen in einem Gas, verstanden werden. Insbesondere kann dazu ein Ausgangsstoff der supraleitenden Schicht als in einem Gas dispergiertes Pulver vorliegen. Ein wesentlicher Vorteil einer solchen aerosol-deponierten Schicht liegt darin, dass diese wesentlich leichter auf einem wellenförmigen Substrat abgeschieden werden kann als eine herkömmliche aus der Gasphase abgeschiedene Schicht.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen sowie der folgenden Beschreibung hervor. Dabei können die beschriebenen Ausgestaltungen des elektrischen Leiters, der Stromzuführung sowie des Herstellungsverfahrens vorteilhaft untereinander kombiniert werden.

Die Schnittebene, innerhalb derer das Trägersubstrat ein wellenförmiges Querschnittsprofil aufweist, kann sich entlang einer Längsrichtung des Leiters erstrecken. Eine solche Ausführungsform ermöglicht vorteilhaft eine höhere Flexibilität des gesamten elektrischen Leiters bei einer Streckung und/oder Stauchung entlang der genannten Längsrichtung, also der Richtung mit der höchsten Ausdehnung des elektrischen Leiters. Weiterhin wird bei einer derartigen Ausführungsform die Flexibilität des Leiters bezüglich einer Biegung quer zur Längsrichtung des Leiters erhöht. Durch diese erhöhte Flexibilität des Leiters wird sowohl dessen Verarbeitung bei der Wicklung elektrischer Spulen als auch beispielsweise beim Einsatz in elektrischen Stromzuführungen erleichtert.

Das wellenförmige Querschnittsprofil des Trägersubstrats kann eine regelmäßige, insbesondere eine periodische Struktur aufweisen. Bei einem solchen regelmäßigen Querschnittsprofil können die elektrischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften des Leiters über seine Längsausdehnung weitgehend gleichmäßig ausgebildet sein. Dies erleichtert die Herstellung von elektrischen Leitern mit langen Abmessungen, wie sie beispielsweise für die Herstellung von elektrischen Spulenwicklungen benötigt werden. Außerdem können regelmäßige, insbesondere periodische Querschnittsstrukturen fertigungstechnisch besonders leicht auf ein zuvor ebenes Trägersubstrat aufgebracht werden. Beispielsweise kann ein zuvor planares Trägersubstrat durch Prägen, Falten, Knicken und/oder Stauchen zu einem wellenförmigen Trägersubstrat umgeformt werden. Eine solche Umformung kann vorteilhaft in einem kontinuierlichen Prozess erfolgen.

Die supraleitende Schicht des elektrischen Leiters kann vorteilhaft ein hochtemperatur-supraleitendes Material aufweisen. Bei der Verwendung solcher hochtemperatur-supraleitenden Materialien sind die Anforderungen an die Kühlung geringer als bei klassischen Tieftemperatur-Supraleitern. Außerdem können mit hochtemperatur-supraleitenden Materialien leichter hohe Magnetfelder erzeugt werden, und es können Spulenwicklungen mit höheren kritischen Stromdichten realisiert werden. Bei der Anwendung in Stromzuführungen liegt ein weiterer Vorteil in der geringen thermischen Leitfähigkeit vieler hochtemperatur-supraleitender Materialien.

Die supraleitende Schicht kann eine durch Aerosol-Deposition abgeschiedene Schicht sein. Dies ist insbesondere bei der Herstellung einer hochtemperatur-supraleitenden Schicht vorteilhaft. Eine solche, beispielsweise aus einem Pulveraerosol abgeschiedene Schicht ist an der Körnchenstruktur des zugrundeliegenden Pulvers leicht von Schichten aus anderen bisher bekannten Beschichtungsverfahren, wie beispielsweise physikalischer oder chemischer Gasphasenabschaltung, zu unterscheiden. Mit den Verfahren der Aerosol-Deposition können supraleitende Schichten wesentlich leichter als mit herkömmlichen Verfahren auf nicht planaren Oberflächen abgeschieden werden.

Die supraleitende Schicht kann vorteilhaft Magnesiumdiborid umfassen. Besonders vorteilhaft kann diese supraleitende Schicht als Hauptbestandteil Magnesiumdiborid aufweisen oder sogar im Wesentlichen aus Magnesiumdiborid bestehen. Eine Abscheidung einer Magnesiumdiboridschicht aus einem Pulveraerosol ist besonders gut möglich, wie beispielsweise in der DE 10 2010 031741 B4 beschrieben. Das im Aerosol dispergierte und als Ausgangsstoff dienende Pulver kann dabei entweder bereits als Magnesiumdiborid oder als ein Pulvergemisch aus elementarem Magnesium und Bor oder als ein Gemisch aus allen drei Komponenten Magnesiumdiborid, Magnesium und Bor vorliegen.

Durch die Aerosol-Deposition kann supraleitendes Magnesiumdiborid in definierten Schichten von beispielsweise 1 µm bis zu 100 µm hergestellt werden. Eine durch Aerosol-Deposition abgeschiedene Magnesiumdiboridschicht kann auch auf nichtplanaren Substraten unter Nachbildung deren Oberflächenstruktur als zusammenhängende Beschichtung aufgebracht werden. Im Unterschied zu den Methoden der Gasphasenabscheidung (wie beispielsweise chemischer Gasphasenabscheidung, Sputtern oder Verdampfen) können über die Aerosol-Deposition auf einfache Weise wesentlich dickere supraleitende Schichten abgeschieden werden. Vorteilhaft ist dabei die Schichtdicke der supraleitenden Schicht wenigstens 0,5 µm, besonders vorteilhaft sogar wenigstens 5 µm.

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 Herstellbarkeit und dadurch bedingt bei einer besonders flexiblen Wahl von Substratmaterialien und Substratgeometrien.

Alternativ oder zusätzlich kann die supraleitende Schicht einen oxidkeramischen Hochtemperatur-Supraleiter umfassen. Insbesondere kann es sich dabei um ein Material des Typs REBa2Cu3Ox handeln. Diese Materialklasse erlaubt vorteilhaft die Ausbildung von elektrischen Leitern mit höheren Betriebstemperaturen als beispielsweise mit Magnesiumdiborid.

Ganz allgemein können zwischen dem Trägersubstrat und der supraleitenden Schicht eine oder mehrere Zwischenschichten angeordnet sein. Die supraleitende Schicht muss also nicht direkt auf dem Trägersubstrat abgeschieden sein, dies ist jedoch auch möglich. Alternativ oder zusätzlich kann der elektrische Leiter weitere Schichten oberhalb der supraleitenden Schicht und/oder auf der hiervon abgewandten Seite des Trägersubstrats umfassen. Beispielsweise kann es sich hierbei um eine Stabilisierungsschicht, eine Verkapselungsschicht und/oder eine Isolationsschicht handeln.

Das Trägersubstrat kann vorteilhaft wenigstens teilweise aus einem metallischen Material gebildet sein. Dies kann vorteilhaft sein, um einen normalleitenden Strompfad parallel zur supraleitenden Schicht zur Verfügung zu stellen. Auf diesem Pfad kann der Strom bei Überschreiten der kritischen Temperatur, der kritischen Stromdichte und/oder des kritischen Magnetfeldes zumindest lokal und/oder anteilig transportiert werden. Ein metallisches Trägersubstrat kann weiterhin vorteilhaft sein, um die supraleitende Schicht thermisch an ein Kühlsystem, beispielsweise einen Kaltkopf und/oder ein Kühlmittelreservoir anzukoppeln. Weiterhin können metallische Trägersubstrate sinnvoll sein, um vorgegebene mechanische Eigenschaften zu erfüllen. Geeignete metallische Materialien sind beispielsweise Stahl, Kupfer, Messing oder andere kupferenthaltende Legierungen sowie Nickel-Titan Superlegierungen.

Alternativ kann das Trägersubstrat auch aus einem nichtmetallischen Material, insbesondere einem thermisch schlecht leitenden Material gebildet sein. Beispielsweise kann das Trägersubstrat aus Glas, Keramik und/oder einem Polymer ausgebildet sein. Die spezifische Wärmeleitfähigkeit des Materials kann vorteilhaft unterhalb von 2 W/(m K) liegen. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass dann das Trägersubstrat nur wenig zum Wärmetransport entlang des elektrischen Leiters beiträgt. Dies ist insbesondere bei der Anwendung des Leiters in einer Stromzuführung günstig, da dann der gesamte Wärmeeintrag über die Stromzuführung besonders weitgehend reduziert werden kann. Im Gegensatz zur herkömmlichen Gasphasenabschaltung wird für die Aerosol-Deposition nicht notwendigerweise ein metallisches Substrat benötigt.

Das Verhältnis einer Amplitude des wellenförmigen Querschnittsprofils für eine Oberfläche des Trägersubstrats zu einer Schichtdicke der supraleitenden Schicht kann vorteilhaft bei wenigstens 10 zu 1 liegen. Mit anderen Worten kann die Amplitude des Wellenprofils relativ hoch im Vergleich zu der Schichtdicke ausgebildet sein. Da die Schichtdicke der supraleitenden Schicht typischerweise sehr niedrig ist im Vergleich zur Dicke des Trägersubstrats, ist ein solches hohes Verhältnis zweckmäßig, um einen günstigen Einfluss des wellenförmigen Querschnittsprofils auf die Flexibilität der gesamten Leiteranordnung zu erreichen. Es soll also vorteilhaft nicht nur eine leichte Unebenheit, sondern eine im Verhältnis zur Dicke der supraleitenden Schicht starke Abweichung von einer planaren Geometrie der supraleitenden Schicht erreicht werden. Unter der genannten Amplitude der Wellenform soll dabei der senkrecht zur Substratoberfläche gemessene Abstand zwischen Wellental und Wellenkamm verstanden werden. Bei einer unregelmäßigen Wellenstruktur mit unterschiedlichen Amplituden soll hierunter die maximale Amplitude zwischen einem benachbarten Wellental und Wellenkamm verstanden werden. Bei einer Ausführungsform, bei der die Schichtdicke der supraleitenden Schicht entlang des elektrischen Leiters nicht konstant ist, soll unter der für das verhältnismaßgeblichen Schichtdicke die jeweils minimale Schichtdicke verstanden werden.

Das Trägersubstrat kann Wellenkämme und/oder Wellentäler aufweisen, die sich im Wesentlichen senkrecht zu einer Längsrichtung des Leiters erstrecken. Dabei können die Wellenkämme und/oder Wellentäler insbesondere innerhalb einer Ebene senkrecht zur Längsrichtung des Leiters liegen. Alternativ können Wellenkämme und/oder Wellentäler jedoch auch schräg zur Längsrichtung des Substrats verlaufen. Die Schichtdicke der supraleitenden Schicht kann entlang der Längsrichtung des Leiters variieren. Dies kann insbesondere für die Anwendung in einer Stromzuführung vorteilhaft sein, um die durch einen thermischen Gradienten verursachten Änderungen der elektrischen Eigenschaften zu kompensieren. Insbesondere kann die Schichtdicke an einem wärmeren, mit einem äußeren Stromkreis verbindbaren Ende der Stromzuführung dicker ausgestaltet werden als in einem der elektrischen Spulenwicklung zugewandten Ende der Stromzuführung. Vorteilhaft kann die Schichtdicke am wärmeren Ende um wenigstens 50%, besonders vorteilhaft um wenigstens 200% dicker ausgebildet sein als in einem der übrigen Bereiche. Durch eine derartige Variation des Querschnitts der supraleitenden Schicht kann die bei der höheren Temperatur verminderte spezifische Stromtragfähigkeit zumindest teilweise ausgeglichen werden. Bei einem konstanten Querschnitt müsste die Dicke über die gesamte Länge hoch genug gewählt werden, um auch im Bereich des warmen Endes einen ausreichenden Stromtransport zu gewährleisten, auch wenn die Temperatur hier nur wenige K unter der kritischen Temperatur der supraleitenden Schicht liegen sollte. Bei einer konstanten Schichtdicke wäre dann aber auch der Wärmetransport über die gesamte Länge der Stromzuführung relativ hoch. Durch eine Anpassung der Schichtdicke an den tatsächlich im jeweiligen Bereich benötigten Querschnitt kann der Wärmeeintrag über die Stromzuführung vorteilhaft verringert werden. Bei einer mittels Aerosol-Deposition abgeschiedenen Schicht kann eine solche variierende Schichtdicke besonders leicht ausgebildet werden, beispielsweise über eine Variation der Beschichtungsdauer in Abhängigkeit von der Position des Trägersubstrats.

Alternativ oder zusätzlich zu einer variierenden Schichtdicke der supraleitenden Schicht kann diese Schicht auf einem Trägersubstrat aufgebracht sein, dessen Dicke über die Längsausdehnung des elektrischen Leiters variiert. Auch hier kann es der Anwendung in einer Stromzuführung vorteilhaft sein, wenn die Substratdicke im Bereich des warmen Endes vergleichsweise groß ist, da in diesem Bereich ein Übergang des Stroms von der supraleitenden Schicht in einen normalleitenden Leiter stattfinden muss. In der Nähe eines Kontaktbereichs zwischen dem supraleitenden Leiter und einem angrenzenden normalleitenden Leiter kann auch ein normalleitendes Trägersubstrat den Strom wenigstens teilweise tragen und als Verbindungsglied zwischen supraleitender Schicht und den in Serie geschalteten angrenzenden Leitungsteil wirken. Wenn das normalleitende, typischerweise metallische Substrat auf der gesamten Länge der Stromzuführung die hierfür erforderliche Dicke hätte, dann wäre der Wärmeeintrag über das Trägersubstrat unnötig hoch. Ist der Querschnitt des Trägersubstrats aber nur in der Nähe des Kontaktbereichs erhöht, dann kann eine hohe Stromtragfähigkeit bei gleichzeitig niedriger Wärmeeinkopplung erreicht werden.

Das Trägersubstrat des elektrischen Leiters kann vorteilhaft als Rohr ausgebildet sein. Es kann sich also um ein sogenanntes Wellrohr handeln, welches entlang seiner Längsausdehnung gestreckt oder gestaucht werden kann oder quer zu dieser Längsausdehnung gebogen werden kann. Dieses Wellrohr kann beispielsweise auf der Außenseite und/oder auf seiner Innenseite mit einer supraleitenden Schicht beschichtet sein. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung eines rohrförmigen elektrischen Leiters bei der Anwendung in einer Stromzuführung, bei der gleichzeitig innerhalb des rohrförmigen Leiters ein Kühlmittel in den Bereich der anzuschließenden supraleitenden Spuleneinrichtung transportiert werden kann. Als Kühlmittel können beispielsweise flüssiges Helium, flüssiges Neon und/oder flüssiger Stickstoff zum Einsatz kommen. Das Trägersubstrat des rohrförmigen Leiters kann beispielsweise einen wellenförmig variierenden Querschnitt senkrecht zur Längsrichtung des Rohrs aufweisen. Insbesondere kann es sich um kreiszylindrisches Rohr handeln, dessen Durchmesser entlang der Längsrichtung des Rohrs wellenförmig variiert. Das Rohr kann insbesondere aus parallelen ringförmigen Abschnitten wechselnden Durchmessers gebildet sein. Alternativ kann das Wellrohr auch als ein rohrförmiges Substrat mit spiralförmig wechselndem Querschnitt gebildet sein.

Alternativ zu der vorab beschriebenen rohrförmigen Ausführungsform kann der elektrische Leiter abgesehen von seinem wellenförmigen Querschnitt als flacher Leiter ausgebildet sein. Insbesondere kann es sich bei dem elektrischen Leiter um einen Bandleiter handeln, dessen im Wesentlichen flaches Trägersubstrat eine seiner flachen Grundstruktur überlagerte Wellenstruktur aufweist. Ein solcher wellenförmig strukturierter Bandleiter ist mechanisch flexibler als herkömmliche vollkommen flache Bandleiter. Ähnlich wie bei der Wicklung eines Kreppbandes können aus solchen wellenförmig strukturierten Bändern bei geringerer mechanischer Belastung der supraleitenden Schicht elektrische Wicklungen hergestellt werden.

Alternativ zu der vorab beschriebenen Ausführungsform eines flachen Bandleiters kann der elektrische Leiter auch eine seitlich stärker ausgedehnte Geometrie aufweisen. Im Gegensatz zu einem schmalen Band kann es sich also bei dem Leiter alternativ auch um eine Art Wellblechstruktur handeln. Wesentlich ist nur, dass das Trägersubstrat einen wellenförmigen Querschnitt, insbesondere auch in Richtung seiner für den Stromtransport maßgeblichen Richtung aufweist.

Nachfolgend wird die Erfindung einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen:

1 einen schematischen Längsschnitt eines elektrischen Leiters nach einem ersten Ausführungsbeispiel zeigt,

2 einen schematischen Längsschnitt eines elektrischen Leiters nach einem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt,

3 einen schematischen Längsschnitt eines rohrförmigen Leiters nach einem dritten Ausführungsbeispiel zeigt,

4 einen schematischen Querschnitt einer Spuleneinrichtung nach einem Ausführungsbeispiel einer Stromzuführung zeigt und

5 eine schematische Prinzipdarstellung einer beispielhaften Stromzuführung zeigt.

1 zeigt einen schematischen Längsschnitt eines elektrischen Leiters 1 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gezeigt ist ein Bandleiter mit einer hohen räumlichen Ausdehnung entlang einer Längsrichtung 9. Dieser Bandleiter weist ein Trägersubstrat 3 auf, auf dem eine flächige supraleitende Schicht 5 aufgebracht ist. Diese Schicht 5 ist eine hochtemperatur-supraleitende Schicht. Zwischen dem Trägersubstrat 3 und der supraleitenden Schicht 5 können hier nicht gezeigte weitere Zwischenschichten optional angeordnet sein. Bei einer solchen Zwischenschicht kann es sich beispielsweise um eine Haftvermittlungsschicht und/oder um eine Wachstumsschicht handeln. Das Trägersubstrat 3 ist ein im Wesentlichen flaches Substrat, dessen flacher Grundform ein wellenförmiges Querschnittprofil aufgeprägt ist. Dieses wellenförmige Querschnittprofil ist beispielsweise für die in der 1 vorne dargestellte Leiterkante gut zu erkennen. Auch für weitere Schnittebenen parallel zu dieser vorne dargestellten Leiterkante ergibt sich ein analoges wellenförmiges Querschnittsprofil. Das Trägersubstrat weist Wellenkämme 15 und Wellentäler 17 auf, die sich senkrecht zur Längsrichtung 9 des Bandleiters 1 erstrecken, also quer zur Bandrichtung angeordnet sind. Im gezeigten Beispiel weist das Querschnittsprofil eine periodische Struktur auf, die einer sinusartigen Wellenform entspricht. Die Periode dieser sinusartigen Welle ist in der 1 mit dem Bezugszeichen 18 gekennzeichnet. Die Amplitude der Wellenform, also der vertikale Abstand zwischen Wellenberg und Wellental einer gegebenen Oberfläche ist durch das Bezugszeichen 11 gekennzeichnet. Im gezeigten Beispiel weisen beide Oberflächen des Bandleiters 7 und 8 jeweils gewellte Querschnittformen auf. Auf der oben dargestellten Oberfläche 7 ist die supraleitende Schicht 5 aufgebracht, deren Kontur die Wellenform der Substratoberfläche ebenfalls nachbildet. Die Dicke der supraleitenden Schicht 13 ist wesentlich dünner als die Amplitude 11 des wellenförmigen Profils. Es handelt sich also nicht nur um eine geringe Unebenheit der Schicht, sondern um eine deutliche wellenförmige Modulation der Anordnung des supraleitenden Materials. Auch im Vergleich zur Schichtdicke 14 des Trägersubstrats 3 ist die Amplitude 11 hoch. Die Schichtdicke 14 des Trägersubstrats ist jedoch deutlich größer als die Schichtdicke 13 der supraleitenden Schicht 5. Beispielsweise kann die Dicke des Substrats zwischen 30 und 300 µm liegen, während die Dicke der supraleitenden Schicht 5 beispielsweise zwischen 500 nm und 20 µm liegen kann. Die Amplitude des Wellenprofils kann dagegen beispielsweise bis zu 10 mm betragen. Auch die Periode 18 des Wellenprofils ist vorteilhafterweise groß im Vergleich zu den genannten Dicken 13 und 14, beispielweise kann die Periode 18 oberhalb von 1 mm liegen, vorteilhaft zwischen 1 mm und 100 mm, insbesondere zwischen 1 mm und 20 mm.

Die Amplitude 11 ist vorteilhaft klein im Vergleich zur Periode 18, beispielsweise kann sie kleiner als ein Fünftel der Periode 18 sein. Bei einer Herstellung der supraleitenden Schicht 5, beispielsweise über Aerosol-Deposition, kann die Aerosol-Düse meist der Orientierung des Wellenprofils nicht folgen und ist daher immer senkrecht zur Längsrichtung 9 des Substrats ausgerichtet. Bei einer zu großen Amplitude 11 würde der Winkel, unter dem die Düse auf die lokale Oberfläche des Substrats auftrifft, zu stark von einem 90° Winkel abweichen. Dann würden die Aerosolpartikel zumindest teilweise abprallen und nicht haften, auf jeden Fall ist die Energie des Aufschlagens der Partikel geringer. Muss z.B. der Winkel des Auftreffens für das Erreichen einer zuverlässigen Beschichtung größer sein als 70°, und die Welle ist sinusförmig, dann ist das Verhältnis der Amplitude 11 zur Periode 18 vorteilhaft kleiner als 0.057.

Der gezeigte Bandleiter des ersten Ausführungsbeispiels weist durch sein wellenförmiges Profil eine erhöhte Flexibilität auf. Durch diese erhöhte Flexibilität eignet sich der Bandleiter 1 besonders gut zur Wicklung supraleitender elektrischer Spulen, in denen die mechanische Belastung der eigentlichen supraleitenden Schicht 5 gering gehalten wird. Sowohl bei der Herstellung als auch im Betrieb solcher Spulen ist die supraleitende Schicht 5 durch die wellenförmige Struktur besser vor Zug-,Druck- oder Scherspannungen geschützt. Auch die beim Herunterkühlen einer solchen Spulenwicklung auf ihre kryogene Betriebstemperatur entstehenden thermisch bedingten Spannungen können durch die Flexibilität des Bandleiters 1 besser abgefangen werden und führen so nicht so leicht zu einer Degradation des Leiteraufbaus und der elektrischen Eigenschaften der supraleitenden Schicht. Durch die gewählte Struktur ist die mechanische Flexibilität des Bandleiters 1 ähnlich wie bei einem Kreppband in verschiedenen Raumrichtungen erfüllt. So kann der Bandleiter beispielsweise entlang seiner Längsrichtung 9 gestreckt oder gestaucht werden, ohne dass es zu einer übermäßigen Belastung der supraleitenden Schicht 5 kommt. Ebenfalls ist eine leichtere Biegung des Bandleiters 1 innerhalb der Leiterebene möglich. Damit können Spulenwicklungen mit einer höheren geometrischen Designflexibilität erzeugt werden.

2 zeigt einen schematischen Längsschnitt eines weiteren supraleitenden Bandleiters 1 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Ähnlich wie beim ersten Ausführungsbeispiel ist auch hier der Bandleiter 1 im Wesentlichen als Flachleiter ausgebildet, dessen flacher Grundform ein wellenförmiges Querschnittsprofil überlagert ist. Auch hier ist diese Wellenform dem Trägersubstrat 3 aufgeprägt, und die darauf einseitig abgeschiedene supraleitende Schicht 5 bildet mit ihrer gesamten Fläche diese Wellenform nach. Beim zweiten Ausführungsbeispiel ist die Wellenform ebenfalls periodisch. Sie entspricht hier jedoch nicht einem sinusartigen Profil, sondern einem regelmäßig widerkehrenden Muster eines Polygonzuges, der für jede der beiden Oberflächen 7 und 8 des Trägersubstrates 3 aus vier Punkten P1 bis P4 besteht. Dieser Polygonzug wiederholt sich mit einer Periode 18, die auch hier größer ist als die Amplitude 11 der Wellenform und wesentlich größer ist als die Schichtdicke 14 des Trägersubstrats 3 sowie die hier nicht dargestellte Dicke der supraleitenden Schicht 5.

Ein solches, in 2 dargestelltes eckiges wellenförmiges Querschnittsprofil kann leichter als ein sinusartiges Profil durch Knicken, Stanzen oder auch Ätzen aus einem planaren Trägersubstrat 3 erzeugt werden. Bei dem Material des Trägersubstrats kann es sich beispielsweise vorteilhaft um ein normalleitendes metallisches Material handeln. Aus einem flachen metallischen Band kann relativ leicht durch mechanische Nachbearbeitung eine wellenförmige Struktur erzeugt werden. Es sind jedoch auch Trägersubstrate 3 aus nicht metallischen Materialien denkbar. Dies kann besonders vorteilhaft sein, beispielsweise wenn eine geringe thermische Leitfähigkeit des Trägersubstrats 3 erwünscht ist. Dann kann das Trägersubstrat beispielsweise aus Glas, Keramik und/oder einem Polymer ausgebildet sein. Gerade bei der Anwendung der Aerosol-Deposition als Abscheidungsverfahren für die supraleitende Schicht 5 wird nicht notwendiger Weise ein metallisches Substrat benötigt. Auch solchen nicht metallischen Substraten kann durch mechanische und/oder chemische Nachbearbeitung eine wellenförmige Struktur aufgeprägt werden.

Im Ausführungsbeispiel der 2 soll die supraleitende Schicht 5 als Hauptbestandteil Magnesiumdiborid aufweisen, welches über das Verfahren der Aerosol-Deposition aus einem Pulveraerosol abgeschieden ist. Diese Abschaltung kann beispielsweise in einem kontinuierlichen Prozess auf einem vorgeformten Substratband 3 erfolgen. Dabei kann beispielsweise je nach Anwendungsform auch die Schichtdicke der supraleitenden Schicht entlang der Längsrichtung 9 des Trägersubstrats 3 variieren. Sie kann beispielsweise über die Länge 9 des Bandleiters kontinuierlich ansteigen. Das Verfahren zur Herstellung der supraleitenden Schicht 5 mittels Aerosol-Deposition kann vorteilhaft mit Helium, Stickstoff und/oder Luft als Trägergas durchgeführt werden. Das Beschichtungsverfahren kann bei relativ niedrigen Temperaturen beispielsweise bei Raumtemperatur durchgeführt werden und ermöglicht damit die Verwendung von temperatursensitiven Materialien für das Trägersubstrat 3.

3 zeigt einen weiteren schematischen Längsschnitt eines elektrischen Leiters 1 nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. In diesem Beispiel weist der Leiter 1 ein rohrförmiges Trägersubstrat 3 auf, welches in der Art eines flexiblen Wellrohres ausgebildet ist. Auch hier kann es sich beispielsweise um ein metallisches Trägersubstrat 3 handeln. Die Form des hier gezeigten Wellrohres entspricht einem Rohr mit wellenförmig wechselndem Durchmesser. Das hier gezeigte Rohr ist auf der Außenseite mit einer supraleitenden Schicht 5 beschichtet. Alternativ oder zusätzlich kann hier jedoch auch die Innenseite des Rohres beschichtet sein. Bei einem Betrieb des elektrischen Leiters 1 kann dieses Rohr vorteilhaft von einem Kühlmittel 23 durchströmt werden. Dies ist besonders dann zweckmäßig, wenn der elektrische Leiter 1 für eine Stromzuführung einer supraleitenden Spule verwendet wird, wobei sowohl die supraleitende Spule als auch die Stromzuführung auf eine kryogene Temperatur gekühlt werden sollen. Dann kann die im Inneren des Rohrs transportierte Kühlflüssigkeit 23 dazu genutzt werden, sowohl die supraleitende Schicht 5 auf einer Oberfläche des Rohrs wirksam zu kühlen, als auch Kühlmittel in den Bereich der Spulenwicklung zu transportieren. Auch hier ist der wellenförmige Querschnitt der Rohroberfläche sinusartig geformt, ähnlich wie beim ersten Ausführungsbeispiel, es sind jedoch auch andere Formen denkbar und zweckmäßig. Für die Verhältnisse der Abmessungen von Amplitude 11, Periode 18, Rohrwandstärke 14 und der Dicke der supraleitenden Schicht gelten ähnliche Erwägungen wie bei bereits für das erste Ausführungsbeispiel diskutiert.

4 zeigt einen schematischen Querschnitt einer Spuleneinrichtung 24 nach einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gezeigt ist eine zylindrische supraleitende Magnetspule 25 aus einem tieftemperatur-supraleitenden Material, beispielsweise Niob-Titan. Die Magnetspule 25 ist innerhalb eines Kühlmittelbehälters 31 angeordnet, der in diesem Beispiel als Helium-Badkryostat betrieben wird, um eine Betriebstemperatur der Magnetspule 25 in der Nähe von 5 K zu erreichen. Der Kühlmittelbehälter 31 ist an zwei Aufhängerohren 32 aufgehängt, durch die zwei Stromzuführungen 19 für die supraleitende Magnetspule 25 verlaufen. Um den Kühlmittelbehälter 31 ist ein äußerer Vakuumbehälter 29 angeordnet, durch den der Kühlmittelbehälter 31 gegenüber der warmen Umgebung thermisch isoliert ist. Die Aufhängerohre 32 sind dabei als Durchführungen durch den Vakuumbehälter 29 ausgestaltet. Über die Stromzuführungen 19 ist die Magnetspule 25 mit Versorgungsleitern 27 eines hier nicht gezeigten äußeren Stromkreises verbunden. Jede der Stromzuführungen 19 weist ein kaltes, spulenseitiges Ende 19a auf, dessen Temperatur nah bei der Betriebstemperatur der Magnetspule 25 liegt und ein davon abgewandtes warmes Ende 19b, dessen Temperatur nahe der äußeren Umgebungstemperatur liegt.

In 5 ist eine schematische Prinzipdarstellung einer Stromzuführung 19 gezeigt, wie sie beispielsweise in der Spuleneinrichtung 24 der 4 zum Einsatz kommen kann. Die Stromzuführung 19 weist wiederum ein kaltes Ende 19a auf, das elektrisch mit der Magnetspule 25 verbunden ist und ein warmes Ende 19b, das elektrisch mit einem Versorgungsleiter 27 eines äußeren Stromkreises verbunden ist. Die Stromzuführung 3 umfasst in diesem Beispiel einen ersten supraleitenden Leitungsteil 20 und einen zweiten normalleitenden Leitungsteil 21, die miteinander elektrisch in Serie geschaltet sind. Hierbei ist der supraleitende erste Leistungsteil 20 auf der Seite des kalten Endes 19a angeordnet und der normalleitende zweite Leitungsteil 21 auf der Seite des warmen Endes 19b. Der supraleitende erste Leitungsteil 21 weist einen elektrischen Leiter mit einem Trägersubstrat und einer supraleitenden Schicht auf, wobei das Trägersubstrat zumindest auf einer Oberfläche wellenartig geformt ist. Im Beispiel der 5 handelt es sich dabei um ein flexibles Wellrohr, welches ähnlich wie in der 3 auf der Außenseite mit einer supraleitenden Schicht beschichtet ist. Das Trägersubstrat des Wellrohres ist dabei wiederum aus einem metallischen Material gebildet und ist der supraleitenden Schicht elektrisch parallel geschaltet. Durch die Serienschaltung der beiden Leiterteile 20 und 21 kann erreicht werden, dass mit der Stromzuführung 19 elektrischer Strom mit hoher Stromdichte in die supraleitende Spule 25 eingespeist werden kann und dass trotzdem der Wärmetransport über die Stromzuführung 19 gering gehalten werden kann. Dies ist dadurch möglich, dass das metallische Trägersubstrat des ersten Leitungsabschnitts 20 mit einer geringen Querschnittsfläche ausgebildet werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann jedoch auch ein nicht metallisches Material für das zugrunde liegende wellrohrförmige Trägersubstrat eingesetzt werden. Eine Abschaltung von supraleitenden Schichten auf solchen gewellten nicht metallischen Substraten ist durch Aerosol-Deposition besonders gut möglich. Insgesamt können dann Stromzuführungen mit besonders niedrigem Wärmeeintrag in den Bereich der supraleitenden Spule 25 ausgebildet werden.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • DE 102010031741 B4 [0017]