DE10230086A1

DE10230086A1 - Strombegrenzer zum Begrenzen elektrischer Ströme

Info

Publication number: DE10230086A1
Application number: DE10230086A
Authority: DE
Inventors: Ursus Kruger; Ralf-Reiner Volkmar
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2002-06-27
Filing date: 2002-06-27
Publication date: 2004-01-22
Also published as: WO2004004075A3; WO2004004075A2

Abstract

Um bei einem Strombegrenzer (1) zum Unterbrechen eines elektrischen Stromflusses mit einem Trägersubstrat (2), auf dem eine aus einem supraleitenden Material bestehende Supraleitschicht (3) aufgebracht ist, sowie wenigstens einer Kontaktstelle zum Befestigen eines Strombandes (6), mit dem der Strom zu- und/oder abführbar ist, den Kontaktwiderstand zu erniedrigen, wird vorgeschlagen, dass jede Kontaktstelle auf einer Kontaktierungsschicht (5) angeordnet ist, die stirnseitige Endflächen (3b) und/oder seitliche Endflächen (3c) der Supraleitschicht (3) kontaktiert, wobei der Stromfluss zwischen der Kontaktstelle und der Supraleitschicht (3) über die stirnseitigen Endflächen (3b) und/oder seitlichen Endflächen (3c) erfolgt.

Description

Strombegrenzer zum Begrenzen elektrischer Ströme
Strombegrenzer zum Unterbrechen eines elektrischen Stromflusses mit einem Trägersubstrat, auf dem eine aus einem supraleitenden Material bestehende Supraleitschicht aufgebracht ist, sowie wenigstens einer Kontaktstelle zum Befestigten eines Strombandes, mit dem ein Strom zu- und/oder abführbar ist.

Ein solcher Strombegrenzer ist beispielsweise aus der DE 195 20 205 bekannt. Der dort offenbarte Strombegrenzer weist eine flächig auf ein Trägersubstrat aufgebrachte Hochtemperatursupraleitschicht auf, die bei Kühlung mit flüssigem Stickstoff im Bereich von 77 K in einem supraleitenden Zustand gehalten wird. Die Stromführung im supraleitenden Zustand findet nahezu widerstandslos statt. Zur Kontaktierung mit einem metallischen Leiter sind auf der Supraleitschicht großflächige Kontaktflächen aus Silber durch Beschichtungsverfahren wie Sputtern oder Aufdampfen oder durch Einbrennen einer Silber-Paste aufgebracht. Diese Kontaktflächen sind über Löt-, Press- oder Federkontakte mit elektrischen Zuleitungen verbunden.

Aus der US 4,961,066 ist ein Strombegrenzer bekannt, der eine auf einem isolierenden Trägersubstrat aufgebrachte Supraleitschicht aufweist. Auch der dort offenbarte Strombegrenzer weist Kontaktflächen auf, die vollflächig auf der Supraleitschicht aufgebracht sind.

Den vorbekannten Strombegrenzern haftet der Nachteil an, dass die Stromzuführung in die Supraleitschicht senkrecht zum Stromfluss innerhalb des Supraleiters erfolgt. Eine solche Stromzuleitung zeichnet sich durch einen hohen Kontaktwiderstand aus, da das Material des Supraleiters für einen Stromfluss optimiert ist, der bezüglich der Richtung des eingeleiteten Stromes rechtwinklig ausgerichtet ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Strombegrenzer der eingangs genannten Art bereitzustellen, dessen Kontaktwiderstand gegenüber dem Stand der Technik erniedrigt ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass jede Kontaktstelle auf einer Kontaktierungsschicht angeordnet ist, die eine stirnseitige Endfläche und/oder seitliche Endflächen der Supraleitschicht kontaktiert, wobei der Stromfluss zwischen der Kontaktstelle und der Supraleitschicht über die stirnseitige Endfläche und/oder die seitlichen Endflächen erfolgt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein zu- oder abzuführender Strom nicht mehr quer zur Stromleitrichtung in die Supraleitschicht eingeführt. Das Stromband ist vielmehr über eine elektrisch leitende Kontaktierungsschicht elektrisch leitend mit einer Supraleitschicht verbunden. Erfindungsgemäß liegen die Supraleitschicht und die Kontaktierungsschicht mit einer stirnseitigen und/oder seitlichen Endfläche aneinander an, so dass über diese Kontaktflächen ein Stromfluss von der Kontaktierungsschicht in die Supraleitschicht ermöglicht ist. Der Strom tritt somit über die Kontaktierungsschicht in die stirnseitigen und/oder die seitlichen Endflächen in die Supraleitschicht ein. Die Stromzuleitung erfolgt erfindungsgemäß im Wesentlichen in Richtung der Stromleitung der Supraleitschicht. Auf diese Weise wird ein besonders geringer Kontaktübergangswiderstand der Kontaktstelle erreicht.

Das Stromband kann mittels eines geeigneten Fügeverfahrens, beispielsweise durch Löten oder mittels Press- oder Federkontakte, mit der Kontaktstelle der Kontaktierungsschicht verbunden werden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann der bei der Kontaktierung des Strombegrenzers durch das Stromband zu betreibende Aufwand erheblich reduziert werden, da die Kontaktierung nicht mehr direkt an der im Hinblick auf mechanische oder thermische Beschädigungen anfälligen Supraleitschicht, sondern an der separaten Kontaktierungsschicht stattfindet. Darüber hinaus ist eine Diffusion von störenden Fremdpartikeln in die Supraleitschicht, die insbesondere bei hohen Temperaturen und beispielsweise beim Löten auftreten kann, vermieden.

Vorteilhafterweise ist die Kontaktierungsschicht in Endbereichen des Strombegrenzers angeordnet.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterentwicklung ist die Supraleitschicht durch eine Kommutierungsschicht begrenzt, die bündig mit der stirnseitigen Endfläche und/oder den seitlichen Endflächen der Supraleitschicht abschließt. Die Kommutierungsschicht erlaubt im Quenchfalle des Supraleiters, das heißt beim Übergang von dem supraleitenden Zustand in den normal leitenden Zustand, eine vom Widerstand der Kommutierungsschicht abhängige Stromführung des Strombegrenzers. Dabei ist die Kommutierungsschicht aus einem metallischen Leiter, beispielsweise Gold, Silber oder einer metallischen Legierung, hergestellt.

Gemäß einer diesbezüglichen Weiterentwicklung ist oder sind die stirnseitige Endfläche und/oder die seitlichen Endflächen der Supraleitschicht gegenüber der Oberfläche des Trägersub strats abgeschrägt ausgebildet. Dies gilt gegebenenfalls auch für die benachbart zur Supraleitschicht angeordnete Kommutierungsschicht. Durch die Abschrägung wird die stirnseitige und/oder jede seitliche Endfläche der Supraleitschicht als Kontaktfläche der Supraleitschicht vergrößert und kann, begrenzt von der Dicke der Schichten, über den Schrägungswinkel auf die durch die jeweilige Anwendung bestimmten Erfordernisse angepasst werden.

Vorteilhafterweise ist der Supraleiter ein Hochtemperaturleiter. Hochtemperatursupraleiter weisen eine so hohe Sprungtemperatur T_c auf, dass sie durch Eintauchen in flüssigen Stickstoff also bereits bei 77 K im supraleitenden Betriebszustand gehalten werden. Im supraleitenden Zustand setzen sie einem Stromfluss praktisch keinen Widerstand entgegen. Bei hohen Stromdichten über einen kritischen Wert (J_c) des Supraleitermaterials kommt es durch Joulesche Wärme in dem Supraleiter zu einem Anstieg der Temperatur der Supraleitschicht über die Sprungtemperatur, so dass die Supraleitschicht normal leitend wird und den Stromfluss begrenzt.

Die Herstellung solcher Hochtemperatursupraleiter ist beispielsweise aus der DE-OS 38 30 029 bekannt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Kontaktstelle in einer Draufsicht in Verlängerung zur Richtung der Stromführung innerhalb des supraleitenden Materials mit Abstand zur stirnseitigen Endfläche und/oder jeden seitlichen Endfläche angeordnet. Durch die Beabstandung der Kontaktstelle von der stirnseitigen oder jeder seitlichen Endfläche ist sichergestellt, dass die Stromzuführung in den Supraleiter nahezu vollständig in Richtung der supraleitenden Kristallebenen erfolgt, wodurch der Kontaktwiderstand zwi schen Kontaktierungsschicht und Supraleitschicht weiter reduziert ist. Darüber hinaus ist die Supraleitschicht weiter von der Kontaktstelle beabstandet, an der bei Stromfluss eine für die unvorteilhafte Wärmeentwicklung erfolgt.

Vorteilhafterweise ist die Kontaktierungsschicht aus einem Edelmetall mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit hergestellt. Als Edelmetalle eignen sich insbesondere Gold oder Silber. Darüber hinaus ist auch die Verwendung von Kupfer möglich.

Weitere nutzbringende Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung mit Bezug auf die Figuren der Zeichnungen, wobei sich entsprechende Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind und

1 eine geschnittene Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Strombegrenzers und
2 den Strombegrenzer gemäß 1 in einer Draufsicht zeigen.
1 zeigt einen Strombegrenzer 1 in einer geschnittenen Seitenansicht. Der Strombegrenzer 1 weist ein vorzugsweise aus elektrisch nicht leitenden Materialien bestehendes Trägersubstrat 2 mit Flachseiten 2a auf. Als elektrisch nicht leitende Materialien für das Trägersubstrat 2 kommen beispielsweise fein kristallines dichtes Ythrium, stabilisiertes Zirkoniumoxid, Aluminiumoxid, Magnesiumoxid oder dergleichen in Betracht, also Materialien, die ein texturiertes Wachstum eines supraleitenden Materials auf dem Trägersubstrat 2 ermöglichen. In diesem Zusammenhang ist auch Glas verwendbar, das mit einer dünnen polykristallinen Schicht, beispielsweise aus Zirkoniumoxid, belegt ist.
Auf dem Trägersubstrat 2 ist eine kristalline Hochtemperaturleitschicht 3 in einer Weise aufgebracht, dass zumindest eine der figürlich angedeuteten Basisvektoren a, b, c des in Kristallform vorliegenden Supraleiters parallel zur Flachseite 2a des Trägersubstrates 2 ausgerichtet ist.
Auf der Hochtemperatursupraleitschicht 3 ist eine elektrisch gut leitende, beispielsweise aus Gold, Silber oder einer leitenden Legierung bestehende Kommutierungsschicht ausgebildet, die im Vergleich zur Hochtemperatursupraleitschicht 3, wenn diese sich im normal leitenden Zustand befindet, einen geringeren Ohmschen Widerstand aufweist. Im Quenchfall wird die Stromführung daher durch die Kommutierungsschicht übernommen, wobei die Gefahr einer Beschädigung der Hochtemperatursupraleitschicht 3 aufgrund einer zu hohen Wärmeentwicklung verringert ist.
Die Hochtemperatursupraleitschicht 3 und die Kommutierungsschicht 4 sind an ihren stirnseitigen Endflächen 3b und 4b gegenüber der Flachseite 2a abgeschrägt ausgebildet, wobei die stirnseitige Endfläche der Hochtemperatursupraleitschicht 3b und die stirnseitige Endfläche der Kommutierungsschicht 4b zueinander fluchtend ausgebildet sind. Die stirnseitigen Endflächen 3b, 4b kontaktieren eine Kontaktierungsschicht 5, die im Randbereich des Strombegrenzers 1 vorgesehen ist. Auf der Kontaktierungsschicht 5 ist eine Kontaktstelle ausgebildet, auf der ein Stromband 6 elektrisch leitend befestigt ist. Das Stromband 6 ist vorteilhafterweise ein metallischer vorzugsweise aus Kupfer hergestellter Leiter, der über geeignete Fügeverfahren beispielsweise durch Löten, Laserschweißen oder dergleichen an der Kontaktstelle mit der Kontaktierungsschicht 5 elektrisch leitend verbunden ist.
Die Kontaktierungsschicht 5 kann durch beliebige Verfahren, beispielsweise epitaktisch, durch Sputtern oder galvanisch auf den Trägersubstrat 2 aufgebracht werden.
Das Stromband 6 ist in Richtung des Basisvektors a des Supraleiterkristalls gegenüber den stirnseitigen Endflächen 3b und 4b versetzt angeordnet. Bei einem Stromfluss, der in 1 schematisch durch Pfeile angedeutet ist, fließen Ladungsträger daher nicht mehr wie beim Stand der Technik quer zu einem der Basisvektoren, in 1 Basisvektor a, durch die Kommutierungsschicht 4 in die Hochtemperatursupraleitschicht 3, sondern von dem Stromband 6 in die Kontaktierungsschicht 5 und von dort aus über die stirnseitige Endfläche 3b parallel zum Basisvektor a und in Richtung der Stromleitung innerhalb der Hochtemperaturleitschicht 3 in diese ein. Entsprechendes gilt für den Kommutierungsleiter 4, wobei der Stromtransport aufgrund der widerstandslosen Leitung der Hochtemperatursupraleitschicht 3 im tiefgekühltem Zustand nahezu ausschließlich über die Hochtemperaturleitschicht 3 stattfindet.
2 zeigt den Strombegrenzer 1 gemäß 1 in einer Draufsicht. In dieser Ansicht ist erkennbar, dass die Hochtemperatursupraleitschicht 3 und die Kommutierungsschicht 4, die übereinander angeordnet sind, ein Leitungsband 7 ausbilden. Ferner ist erkennbar, dass die Kontaktierungsschicht nicht nur die stirnseitigen Endfläche 3b, 4b, sondern auch seitliche Endflächen 3c, 4c kontaktiert und auch hier für ei ne verbesserte Stromzuführung in die Kommutierungsschicht 4 und die Supraleitschicht 3 sorgt. Selbstverständlich können die seitlichen Endflächen 3c, 4c im Rahmen der Erfindung abgeschrägt ausgebildet sein. Darüber hinaus sind gemäß der vorliegenden Erfindung nicht nur ein Stromband 6, sondern mehrere nebeneinander angeordnete Strombänder 6 auf mehreren Kontaktstellen der Kontaktierungsschicht 5 einsetzbar.

Claims

Strombegrenzer (1) zum Unterbrechen eines elektrischen Stromflusses mit einem Trägersubstrat (2), auf dem eine aus einem supraleitenden Material bestehende Supraleitschicht (3) aufgebracht ist, sowie wenigstens einer Kontaktstelle zum Befestigten eines Strombandes (6), mit dem der Strom zu- und/oder abführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass jede Kontaktstelle auf einer Kontaktierungsschicht (5) angeordnet ist, die eine stirnseitige Endfläche (3b) und/oder seitliche Endflächen (3c) der Supraleitschicht (3) kontaktiert, wobei der Stromfluss zwischen der Kontaktstelle und der Supraleitschicht (3) über die stirnseitige Endfläche (3b) und/oder die seitlichen Endflächen (3c) erfolgt.
Strombegrenzer (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Supraleitschicht (3) durch eine Kommutierungsschicht (4) begrenzt ist, die bündig mit der stirnseitigen Endfläche (3b) und/oder den seitlichen Endflächen (3c) der Supraleitschicht (3) abschließt.
Strombegrenzer (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Supraleitschicht (3) bezüglich der Oberfläche (2a) des Trägersubstrats (2) abgeschrägt ist.
Strombegrenzer (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Supraleitschicht (3) eine Hochtemperatursupraleitschicht ist.
Strombegrenzer (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktstelle in einer Draufsicht in Verlängerung zur Richtung der Stromführung innerhalb des supraleitenden Materials mit Abstand zur stirnseitigen Endfläche (3c) und/oder seitlichen Endfläche (4c) angeordnet ist.
Strombegrenzer (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierungsschicht (5) aus einem Edelmetall hergestellt ist.