DE19909266A1 - Thin film high temperature superconductor arrangement - Google Patents
Thin film high temperature superconductor arrangementInfo
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der technischen Anwendung von Hochtemperatursupraleitern. Sie geht aus von einer Dünnschicht-Hochtemperatursupraleiter anordnung welcher eine auf einem tragenden Substrat aufge brachte supraleitende Schicht umfasst.The present invention relates to the field of technical application of high temperature superconductors. she assumes a thin-film high-temperature superconductor arrangement which one placed on a supporting substrate brought superconducting layer comprises.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Dünnschicht-Hochtempe ratursupraleiteranordnung, wie sie aus dem Artikel von B. Gromoll et al., "Resistive Current Limiters with YBCO Films", IEEE Transactions on Applied Superconductivity Vol. 7 No. 2, 1997, p 828-831, bekannt ist. Ein Substrat dient dabei als Unterlage für eine dünne Schicht aus einem keramischen Hoch temperatursupraleitermaterial. Derartige Anordnungen finden beispielsweise Verwendung in supraleitenden Strombegrenzern für ein elektrisches Energieverteilungsnetz. Bei einem sol chen Strombegrenzer wird ausgenutzt, dass ein Supraleiter bei entsprechend tiefer Temperatur seine Supraleitfähigkeit nur solange beibehält, als die Stromdichte eines ihn durchflies senden Stromes unterhalb eines gewissen Grenzwertes bleibt. Dieser Grenzwert wird herkömmlich als kritische Stromdichte (jc) bezeichnet und ist grundsätzlich abhängig von der Tempe ratur des Supraleiters und dem ihn durchsetzenden Magnetfeld.The invention relates to a thin-film high-temperature superconductor arrangement, as described in the article by B. Gromoll et al., "Resistive Current Limiters with YBCO Films", IEEE Transactions on Applied Superconductivity Vol. 2, 1997, p 828-831. A substrate serves as a base for a thin layer of a ceramic high-temperature superconductor material. Such arrangements are used, for example, in superconducting current limiters for an electrical power distribution network. Such a current limiter takes advantage of the fact that a superconductor maintains its superconductivity at a correspondingly low temperature only as long as the current density of a current flowing through it remains below a certain limit value. This limit value is conventionally referred to as critical current density (j c ) and is fundamentally dependent on the temperature of the superconductor and the magnetic field penetrating it.
Dünnschicht-Hochtemperatursupraleiteranordnungen wie die ein gangs erwähnte umfassen ein normalerweise polykristallines, untexturiertes Substrat, eine qualitativ hochwertige dünne supraleitende Schicht und dazwischen eine möglicherweise texturierte Pufferschicht. Die Pufferschicht stimmt in ihren thermomechanischen Eigenschaften, insbesondere dem Wärmeaus dehnungskoeffizienten, mit dem Hochtemperatursupraleiter gut überein. Im eingangs genannten Artikel wird als Hochtempera tursupraleitermaterial insbesondere eine Verbindung mit der chemischen Formel YBa2Cu3O7-x mit einer kritischen Stromdichte von 106 A/cm2 in Betracht gezogen. Als Pufferschicht für Hochtemperatursupraleiter bewährt hat sich vollstabilisiertes Zirkonoxid, in welchem einige Mol% Yttriumoxid zu reinem Zirkonoxid beigefügt werden. Als Substrat kommen metallische Legierungen (z. B. Hastelloy), teilstabilisiertes Zirkonoxid oder Saphir in Frage.Thin-film high-temperature superconductor arrangements such as the one mentioned above comprise a normally polycrystalline, untextured substrate, a high-quality thin superconducting layer and, in between, a possibly textured buffer layer. The thermomechanical properties of the buffer layer, in particular the coefficient of thermal expansion, are in good agreement with the high-temperature superconductor. In the article mentioned at the outset, a high-temperature superconductor material, in particular a compound with the chemical formula YBa 2 Cu 3 O 7-x with a critical current density of 10 6 A / cm 2 is considered. Fully stabilized zirconium oxide, in which a few mol% of yttrium oxide is added to pure zirconium oxide, has proven to be a buffer layer for high-temperature superconductors. Metallic alloys (e.g. Hastelloy), partially stabilized zirconium oxide or sapphire are suitable as substrates.
Zur Aufbringung der Pufferschicht und der supraleitenden Schicht werden spezielle PVD (Physical Vapor Deposition) oder CVD (Chemical Vapor Deposition) Prozesse verwendet. Dabei wird durch Bestrahlung mit Ionen, Elektronen oder einem Laser aus einem Target Material in Form einer Plasmawolke heraus gelöst. Die gegebenenfalls ionisierten Atome oder Moleküle gelangen zum Substrat und scheiden sich dort ab. Bevorzugte Verfahren zur Abscheidung der Pufferschicht sind Sputterver fahren, bei denen das Target durch Ionen bombardiert wird. Das Aufwachsen der supraleitenden Schicht erfolgt durch ther mische Co-Verdampfung (co-evaporation) oder mittels eines Laserablationsverfahrens. Die Dicke der dergestalt präparier ten supraleitenden Schicht beträgt bis 5 µm.For applying the buffer layer and the superconducting Special PVD (Physical Vapor Deposition) or CVD (Chemical Vapor Deposition) processes are used. Here is by irradiation with ions, electrons or a laser from a target material in the form of a plasma cloud solved. The optionally ionized atoms or molecules reach the substrate and deposit there. Preferred Methods for depositing the buffer layer are sputterers drive where the target is bombarded by ions. The superconducting layer is grown by ther mix co-evaporation (co-evaporation) or by means of a Laser ablation procedure. Prepare the thickness of this th superconducting layer is up to 5 microns.
Verfahren zur Herstellung von Diamantbeschichtungen haben in letzter Zeit enorme Fortschritte gemacht. So ist es bereits möglich, mittels CVD (chemical vapor deposition) Verfahren dicke Schichten aus Diamant abzuscheiden, und dies bei Wachs tumsgeschwindigkeiten von über 100 µm/h. Die CVD-Diamant schichten lassen sich auf einer Vielzahl von Substraten aufbringen, welche dazu allerdings auf Temperaturen zwischen 700°C und 1100°C geheizt werden müssen. Eine Übersicht über verschiedene CVD Techniken ist in H. Liu and D. S. Dandy, "Diamond chemical vapor deposition", noyes publications, Park Ridge NJ, 1995, p. 14-19, gegeben.Processes for the production of diamond coatings have in Enormous progress has been made recently. It already is possible, using CVD (chemical vapor deposition) process to deposit thick layers of diamond, and this with wax speeds of over 100 µm / h. The CVD diamond can be layered on a variety of substrates apply, which, however, to temperatures between 700 ° C and 1100 ° C must be heated. An overview of different CVD techniques is in H. Liu and D. S. Dandy, "Diamond chemical vapor deposition", noyes publications, Park Ridge NJ, 1995, p. 14-19.
Die Eigenschaften dieser, im folgenden CVD-Diamant genannten Schichten sind vergleichbar mit denjenigen von Diamant-Ein kristallen. Eine CVD-Diamantschicht weist beispielsweise ebenfalls eine herausragende Wärmeleitfähigkeit auf. Der Wärmeleitkoeffizient beträgt bei Raumtemperatur λ(300 K) = 2000 W/mK (zum Vergleich λAg = 420 W/mK) und bei den im Wei teren interessierenden Temperaturen sogar λ(77 K) = 3400 W/mK (zum Vergleich λSL = 2 W/mK).The properties of these layers, called CVD diamond in the following, are comparable to those of diamond single crystals. A CVD diamond layer, for example, also has excellent thermal conductivity. The thermal conductivity coefficient is λ (300 K) = 2000 W / mK at room temperature (for comparison λ Ag = 420 W / mK) and even λ (77 K) = 3400 W / mK at temperatures of interest (for comparison λ SL = 2 W / mK).
Für Anwendungen von Supraleitern bei hohen elektrischen Leistungen, beispielsweise in einem Kurzschluss-Strombegren zer, muss die Problematik der sogenannten "Hot-Spots" gebüh rend berücksichtigt werden. Infolge von unvermeidlichen Mate rialinhomogenitäten im Supraleiter oder wegen lokalen ther mischen Fluktuationen ist die kritische Stromdichte nicht über den ganzen Supraleiter konstant. Folglich wird im Kurz schlussfall bei der anfänglichen Zunahme des Kurzschlussstro mes die Stromdichte an der schwächsten Stelle des Supralei ters die lokale kritische Stromdichte zuerst überschreiten. An dieser Stelle des Supraleiters beginnt sich also ein Span nungsabfall aufzubauen. Dabei wird Joule'sche Wärme erzeugt, welche den Supraleiter in einem kleinen Bereich aufheizt und die Supraleitung lokal zusammenbrechen lässt. Wird die dissi pierte Energie nicht rasch genug weggeführt, entsteht ein Hot-Spot welcher letztendlich zu einer Zerstörung des Supra leiters führt.For applications of superconductors with high electrical Services, for example in a short-circuit current limit zer, the problem of the so-called "hot spots" must be paid be taken into account. As a result of inevitable mate rial inhomogeneities in the superconductor or due to local ther mix fluctuations is not the critical current density constant over the whole superconductor. Consequently, in short in the event of an initial increase in the short-circuit current mes the current density at the weakest point of the suprali ters first exceed the local critical current density. A chip therefore begins at this point of the superconductor build up waste. This generates Joule heat which heats up the superconductor in a small area and the superconductivity breaks down locally. If the dissi energy is not carried away quickly enough Hot spot which ultimately leads to the destruction of the Supra leader leads.
Bei einem idealen Strombegrenzer mit perfekt konstanter kri tischer Stromdichte jc und uniformer Stromverteilung im Supraleiter wird letzterer im Kurzschlussfall homogen über seine ganze Länge "quenchen", d. h. in den resistiven Zustand übergehen. Dadurch fällt die am entsprechenden Netzabschnitt anliegende Spannung über die ganze Länge des Supraleiters ab, was zu kleinen elektrischen Feldern und entsprechend unter kritischen Energiedichten führt. Bei realen Strombegrenzern auf Supraleiterbasis stellt sich also die Frage, wie Hot- Spots vermieden werden können beziehungsweise ein homogener Quench herbeigeführt werden kann.With an ideal current limiter with a perfectly constant critical current density j c and a uniform current distribution in the superconductor, the latter will "quench" homogeneously over its entire length in the event of a short circuit, that is to say pass into the resistive state. As a result, the voltage applied to the corresponding network section drops over the entire length of the superconductor, which leads to small electrical fields and, accordingly, to critical energy densities. In the case of real current limiters based on superconductors, the question arises as to how hot spots can be avoided or how a homogeneous quench can be brought about.
Erste Abhilfe bietet zumindest ein elektrischer Bypass, wie er beispielsweise aus dem eingangs genannten Artikel bekannt ist. Dieser elektrische Bypass steht über die ganze Länge eines Hochtemperatursupraleiters mit diesem in elektrischem Kontakt und liegt somit parallel zu jedem potentiellen Hot- Spot. Der elektrische Bypass stellt einen alternativen Strom pfad dar, durch welchen der Kurzschlussstrom den Hot-Spot umgehen kann, wodurch die Spannungsverteilung homogenisiert wird.The first remedy is at least an electrical bypass, such as he is known for example from the article mentioned at the beginning is. This electrical bypass runs the entire length a high temperature superconductor with this in electrical Contact and is therefore parallel to every potential hotel Spot. The electrical bypass provides an alternative current path through which the short-circuit current makes the hot spot can handle, which homogenizes the voltage distribution becomes.
Der elektrische Bypass ist typischerweise eine Schicht aus einem auch bei Wärmebehandlungen gegenüber dem Hochtempera tursupraleiter inerten Edelmetall wie Silber oder Gold. Um die Begrenzungseigenschaften des betrachteten Strombegrenzers nicht einzuschränken, darf der Bypasswiderstand pro Länge nicht zu klein sein. Die genannte Schicht darf also nicht zu gut leiten oder muss einen entsprechend geringen Querschnitt aufweisen. Der vom Hot-Spot übernommene Kurzschlussstrom wird auch im Bypass Joule'sche Wärme erzeugen, wodurch sich auch der elektrische Bypass mehr oder weniger schnell aufheizt und letztendlich Schaden nimmt.The electrical bypass is typically a layer of one also with heat treatments compared to the high temperature superconductor inert inert metal such as silver or gold. Around the limiting properties of the current limiter under consideration the bypass resistance per length must not be restricted not be too small. The layer mentioned must not be allowed to conduct well or must have a correspondingly small cross-section exhibit. The short-circuit current taken over by the hot spot becomes also generate Joule heat in the bypass, which also causes the electrical bypass heats up more or less quickly and ultimately damaged.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei einer Dünn schicht-Hochtemperatursupraleiteranordnung der eingangs ge nannten Art die Ausbildung von Hot-Spots zu verhindern. The object of the present invention is for a thin Layer high-temperature superconductor arrangement of the entry named kind to prevent the formation of hot spots.
Die Aufgabe wird durch eine Dünnschicht-Hochtemperatursupra leiteranordnung mit den Merkmalen des ersten Patentanspruchs gelöst.The task is accomplished through a thin film high temperature super conductor arrangement with the features of the first claim solved.
Kern der Erfindung ist es, die lokal konzentrierte Energie dissipation im Bereich eines potentiellen Hot-Spots möglichst schnell zu unterbinden indem die dort erzeugte Wärme in ande re Bereiche der supraleitenden Schicht geleitet wird und diese sich grossflächig erwärmt und homogen zum Quenchen gebracht wird. Da die Wärmeleitfähigkeit der supraleitenden Schicht selbst dazu nicht ausreicht, wird ein thermischer Bypass mit einer effizienten Wärmeleitfähigkeit in guten thermischen Kontakt mit der supraleitenden Schicht gebracht. In Verbindung mit einem hinreichend geringen thermischen Widerstand zwischen der supraleitenden Schicht und dem ther mischen Bypass wird lokal entstehende Wärmeenergie durch den Bypass an benachbarte Abschnitte der supraleitenden Schicht weitergeleitet. Temperaturunterschiede innerhalb der supra leitenden Schicht werden somit verringert und ein lokales Quenchen verhindert.The essence of the invention is the locally concentrated energy dissipation in the area of a potential hot spot if possible quickly to prevent by the heat generated there in other re areas of the superconducting layer is conducted and this heats up over a large area and is homogeneous for quenching brought. Because the thermal conductivity of the superconducting Layer itself is insufficient for this, a thermal Bypass with an efficient thermal conductivity in good brought thermal contact with the superconducting layer. In connection with a sufficiently low thermal Resistance between the superconducting layer and the ther The bypass is generated by the locally generated heat energy Bypass to adjacent sections of the superconducting layer forwarded. Temperature differences within the supra conductive layer are thus reduced and a local Quenching prevented.
Eine erste Ausführungsform der erfindungsgemässen Dünn schicht-Hochtemperatursupraleiteranordnung zeichnet sich dadurch aus, dass der thermische Bypass direkt auf die supraleitende Schicht aufgebracht ist.A first embodiment of the thin according to the invention Layer high-temperature superconductor arrangement stands out characterized in that the thermal bypass directly on the superconducting layer is applied.
Eine zweite bevorzugte Ausführungsform sieht eine Zwischen schicht zwischen der supraleitenden Schicht und dem thermi schen Bypass vor. Diese Zwischenschicht kann sowohl (analog zur erwähnten Pufferschicht) das Aufbringen des thermischen Bypasses unterstützen oder auch als elektrische Bypassschicht dienen.A second preferred embodiment provides an intermediate layer between the superconducting layer and the thermi bypass. This intermediate layer can both (analog to the mentioned buffer layer) the application of the thermal Support bypasses or as an electrical bypass layer serve.
Infolge seiner exzellenten Wärmeleitfähigkeit und seiner er probten Herstellungsverfahren bietet sich eine Schicht aus CVD-Diamant als thermischer Bypass an. As a result of its excellent thermal conductivity and its rehearsed manufacturing process offers a layer CVD diamond as a thermal bypass.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispie len im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen jeweils im Schnitt den Aufbau einer Dünnschicht- Hochtemperatursupraleiteranordnung, nämlichThe invention is described below with reference to exemplary embodiments len explained in connection with the drawings. These each show the structure of a thin-film High temperature superconductor assembly, namely
Fig. 1 gemäss einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem thermischen Bypass, welcher unmittelbar auf der supraleitenden Schicht aufliegt, Fig. 1, according to a first embodiment of the invention with a thermal bypass, which rests directly on the superconducting layer
Fig. 2 gemäss einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem sich zwischen zwei supraleitenden Schichten befindlichen thermischen Bypass, Fig. 2 located according to a second embodiment of the invention is a superconducting between two layers of thermal bypass,
Fig. 3 gemäss einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer Zwischenschicht zwischen Supraleiter und thermischem Bypass. Fig. 3 according to a third embodiment of the invention with an intermediate layer between superconductor and thermal bypass.
Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen sind in der Bezugszeichenliste zusammengefasst. Grundsätzlich sind gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.The reference numerals used in the drawings are in the List of reference symbols summarized. Are basically Identify the same parts with the same reference numerals.
In Fig. 1 ist ein Ausschnitt aus einer Dünnschicht-Hochtem peratursupraleiteranordnung nach der Erfindung gezeigt. Diese umfasst eine dünne supraleitende Schicht 3, die mittels eines der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren auf ein Substrat 1 aufgebracht wurde. Zwischen dem Substrat 1 und der supraleitenden Schicht 3 befindet sich eine Pufferschicht 2, und auf der supraleitenden Schicht 3 ist ein schichtartiger thermischer Bypass 5 aufgebracht.In Fig. 1 a section of a thin-film high temperature superconductor arrangement according to the invention is shown. This comprises a thin superconducting layer 3 , which was applied to a substrate 1 using one of the methods known from the prior art. There is a buffer layer 2 between the substrate 1 and the superconducting layer 3 , and a layer-like thermal bypass 5 is applied to the superconducting layer 3 .
Die Pufferschicht 2 ist einerseits texturiert ist und ande rerseits in ihrem thermischen Ausdehnungskoeffizienten an denjenigen der supraleitenden Schicht 3 angeglichen. Die Puf ferschicht 2 kann auch die Aufgabe haben, eine chemische Reaktion zwischen der supraleitenden Schicht 3 und dem Sub strat 1 zu verhindern oder die supraleitende Schicht 3 elekt risch von einem metallischen Substrat 1 zu isolieren. Es ist auch durchaus denkbar, die Pufferschicht 2 als thermischen Bypass vorzusehen, d. h. den thermischen Bypass zwischen Sub strat 1 und supraleitender Schicht 3 einzubauen. Es versteht sich, dass die Erfindung unabhängig ist vom Aufbau und der Herstellung der supraleitenden Schicht 3 und insbesondere nicht auf das Vorhandensein einer oder gar mehrerer Puffer schichten 2 angewiesen ist.The buffer layer 2 is textured on the one hand and on the other hand, its thermal expansion coefficient is matched to that of the superconducting layer 3 . The buffer layer 2 can also have the task of preventing a chemical reaction between the superconducting layer 3 and the substrate 1 or electrically isolating the superconducting layer 3 from a metallic substrate 1 . It is also quite conceivable to provide the buffer layer 2 as a thermal bypass, ie to install the thermal bypass between substrate 1 and superconducting layer 3 . It goes without saying that the invention is independent of the structure and manufacture of the superconducting layer 3 and in particular does not depend on the presence of one or even more buffer layers 2 .
Der thermische Bypass 5 ist als Schicht ausgebildet, deren erste Hauptfläche 51 unmittelbar auf der supraleitenden Schicht 3 aufliegt. Der thermische Bypass 5 steht also in flächenhaftem Kontakt zur supraleitenden Schicht 3, wobei dieser Kontakt einen geringen Wärmeübergangswiderstand auf weist. Die in der supraleitenden Schicht 3 (oder in einem allfällig vorhandenen elektrischen Bypass, siehe unten) er zeugte Joulsche Wärme muss effizient in den thermischen By pass 5 übergehen können. Der thermische Bypass 5 ist elekt risch nichtleitend, da die Strombegrenzungseigenschaft der supraleitenden Schicht 3 nicht durch einen dazu parallelge schalteten guten elektrischen Leiter unwirksam gemacht werden soll.The thermal bypass 5 is designed as a layer, the first main surface 51 of which lies directly on the superconducting layer 3 . The thermal bypass 5 is thus in extensive contact with the superconducting layer 3 , this contact having a low heat transfer resistance. The Joule heat generated in the superconducting layer 3 (or in an electrical bypass, if any, see below) must be able to pass efficiently into the thermal bypass 5 . The thermal bypass 5 is electrically non-conductive, since the current limiting property of the superconducting layer 3 is not to be rendered ineffective by a good electrical conductor connected in parallel therewith.
Sobald nun die Kurzschlussstromdichte an der schwächsten Stelle der supraleitenden Schicht 3 die lokale kritische Stromdichte überschreitet, baut sich ein Spannungsabfall auf und Joulsche Wärme wird erzeugt. Diese Energie tritt in den benachbarten thermischen Bypass 5 über und wird dort weiter geleitet. Dadurch werden auch andere Bereiche der supralei tenden Schicht 3, in denen die kritische Stromdichte noch nicht erreicht ist, erwärmt und treten in den resistiven Zu stand über (sie "quenchen"). Dadurch fällt die am Strombe grenzer anliegende Spannung nicht nur lokal an einer einzigen Stelle ab und die Energiedissipation führt nicht zu seiner thermischen Zerstörung. As soon as the short-circuit current density at the weakest point of the superconducting layer 3 exceeds the local critical current density, a voltage drop builds up and Joule heat is generated. This energy passes into the adjacent thermal bypass 5 and is passed on there. As a result, other areas of the superconducting layer 3 , in which the critical current density has not yet been reached, are heated and pass into the resistive state (they "quench"). As a result, the voltage applied to the current limiter not only drops locally at a single point and energy dissipation does not lead to its thermal destruction.
In Fig. 2 ist eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Er findung dargestellt, bei welcher von der elektrischen Isola tionsfestigkeit des thermischen Bypasses 5 profitiert wird. Eine weitere supraleitende Schicht 3' ist auf der der ersten supraleitenden Schicht 3 gegenüberliegenden Seite des ther mischen Bypass 5 vorgesehen und kontaktiert diesen über seine zweite Hauptfläche 52. In dieser zweiten supraleitenden Schicht 3' fliesst der Strom I vorzugsweise in die zur Strom richtung in der ersten supraleitenden Schicht 3 entgegenge setzten Richtung. In dieser Anordnung wird auch die Wärme leitfähigkeit des thermischen Bypass 5 senkrecht zur Ebene der supraleitenden Schicht 3 optimal ausgenützt.In Fig. 2, a further advantageous embodiment of the invention is shown, in which the electrical insulation resistance of the thermal bypass 5 is benefited. Another superconducting layer 3 'is provided on the side of the thermal bypass 5 opposite the first superconducting layer 3 and contacts it via its second main surface 52 . In this second superconducting layer 3 ', the current I preferably flows in the opposite direction to the current direction in the first superconducting layer 3 . In this arrangement, the thermal conductivity of the thermal bypass 5 perpendicular to the plane of the superconducting layer 3 is optimally used.
Solange der Wärmeübergang in den thermischen Bypass 5 gewähr leistet bleibt, können, wie in Fig. 3 dargestellt, zwischen der supraleitenden Schicht 3 und dem thermischen Bypass 5 eine oder mehrere Zwischenschichten 4 vorgesehen sein. Eine solche Zwischenschicht 4 kann sich zur Aufbringung des ther mischen Bypass 5 als vorteilhaft erweisen und eine Funktion analog zur Rolle, welche die Pufferschicht 2 für die supra leitende Schicht 3 spielt, übernehmen. Oder sie können als elektrische Bypassschicht ausgebildet sein zwecks elektri scher Stabilisierung der supraleitenden Schicht 3. Gute elektrische und somit auch thermische metallische Leiter sind wie eingangs dargelegt relativ dünn und bilden somit nur einen kleinen thermischen Übergangswiderstand, selbst sind sie aber als thermischer Bypass nicht geeignet.As long as the heat transfer into the thermal bypass 5 is guaranteed, one or more intermediate layers 4 can be provided between the superconducting layer 3 and the thermal bypass 5 , as shown in FIG. 3. Such an intermediate layer 4 can prove advantageous for the application of the thermal bypass 5 and assume a function analogous to the role played by the buffer layer 2 for the superconducting layer 3 . Or they can be designed as an electrical bypass layer for the purpose of electrical stabilization of the superconducting layer 3 . Good electrical and thus also thermal metallic conductors are, as stated at the beginning, relatively thin and therefore only form a small thermal contact resistance, but they are themselves not suitable as a thermal bypass.
Als thermischer Bypass 5 geeignet ist insbesondere eine CVD- Diamantschicht, wie sie eingangs erwähnt wurde und welche sich durch eine herausragende Wärmeleitfähigkeit auszeichnet. Das Aufwachsen einer CVD-Diamantschicht auf einer Hochtempe ratursupraleiter-Dünnschicht geschieht mittels einer der bekannten CVD-Techniken. Die Temperatur, auf welche das Sub strat inklusive des Hochtemperatursupraleiters dazu erwärmt wird, muss unterhalb der Zersetzungstemperatur des letzteren bleiben, sollte also für die Hochtemperatursupraleiter der YBa2Cu3O7-x-Familie 900°C nicht übersteigen. Dies ist bei einigen der bekannten CVD Diamant-Beschichtungstechniken bereits gewährleistet und wird bei weiterentwickelten Verfahren eine immer geringere Anforderung bilden. Die Supraleiteranordnung kann vor oder nach dem Aufbringen der CVD-Diamantschicht noch einer Wärmebehandlung unterzogen werden.A CVD diamond layer, as mentioned at the beginning and which is distinguished by an outstanding thermal conductivity, is particularly suitable as a thermal bypass 5 . A CVD diamond layer is grown on a high-temperature superconductor thin layer by means of one of the known CVD techniques. The temperature to which the substrate, including the high-temperature superconductor, is heated must remain below the decomposition temperature of the latter, and should therefore not exceed 900 ° C for the high-temperature superconductors of the YBa 2 Cu 3 O 7-x family. This is already guaranteed with some of the well-known CVD diamond coating techniques and will become less and less of a requirement with further developed processes. The superconductor arrangement can also be subjected to a heat treatment before or after the CVD diamond layer has been applied.
Zur Dimensionierung können die folgenden Angaben gemacht wer den. Die Dicke der supraleitenden Schicht 3 reicht vorzugs weise bis zu 5 µm, diejenige einer als elektrischer Bypass konzipierten Zwischenschicht 4 liegt vorzugsweise zwischen 10 nm und einigen 100 nm. Für den thermischen Bypass 5 gilt, dass die Wärmeleitung parallel zur Ebene der supraleitenden Schicht 3 umso besser ist, je dicker der thermische Bypass 5 ist. Vorzugsweise 10 µm-50 µm sind daher ausreichend.The following information can be given for dimensioning. The thickness of the superconducting layer 3 is sufficient preference, up microns to 5, that of a designed as an electrical bypass intermediate layer 4 is preferably between 10 nm and several 100 nm. The following applies to the thermal bypass 5 that the heat conduction to the plane of superconducting layer 3 more parallel is better, the thicker the thermal bypass 5 . Therefore, preferably 10 µm-50 µm is sufficient.
Man beachte dass bei angewandten Tieftemperatursupraleitern die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines Hot-Spots sehr gross ist (einige hundert m/s), da dort die supraleitenden Filamen te in einer Matrix mit hoher Wärmeleitfähigkeit eingebaut sind. Weiter sei bemerkt dass der gelegentlich als Substrat 1 zur Anwendung gelangende Saphir eine stark anisotrope Wärme leitfähigkeit aufweist, welche viel ausgeprägter ist in einer Richtung senkrecht zur supraleitenden Schicht 3 als in einer Ebene parallel dazu.It should be noted that when low-temperature superconductors are used, the speed of propagation of a hot spot is very high (a few hundred m / s), since the superconducting filaments are built into a matrix with high thermal conductivity. It should also be noted that the sapphire occasionally used as substrate 1 has a highly anisotropic thermal conductivity, which is much more pronounced in a direction perpendicular to the superconducting layer 3 than in a plane parallel to it.
Insgesamt ergibt sich unter Verwendung eines erfindungsgemäs sen thermischen Bypasses 5 ein wirksamer Schutz einer Hoch temperatursupraleiter-Dünnschicht 3 gegen die Bildung von Hot-Spots und der ihrer darauffolgenden thermischen Zerstö rung. Die ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit des thermischen Bypasses 5 ermöglicht die Verteilung von lokal erzeugter Joulscher Wärme auf einen grossen Bereich, verringert somit Temperaturgradienten in der supraleitenden Schicht 3 und favorisiert ein homogenes Quenchen.Overall, using a thermal bypass 5 according to the invention results in effective protection of a high-temperature superconductor thin layer 3 against the formation of hot spots and their subsequent thermal destruction. The excellent thermal conductivity of the thermal bypass 5 enables the locally generated Joule heat to be distributed over a large area, thus reducing temperature gradients in the superconducting layer 3 and favoring homogeneous quenching.
11
Substrat
Substrate
22nd
Pufferschicht
Buffer layer
33rd
Supraleitende Schicht
Superconducting layer
44th
Zwischenschicht
Intermediate layer
55
Thermischer Bypass
Thermal bypass
5151
1. Hauptfläche
1. Main area
5252
2. Hauptfläche
2. Main area
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10230083B3 (en) * | 2002-06-27 | 2004-02-05 | Siemens Ag | Current limiting device with improved heat dissipation |
| WO2006037740A1 (en) * | 2004-10-04 | 2006-04-13 | Siemens Aktiengesellschaft | Device for limiting current of the resistive type with a strip-shaped high tc superconductor |
| DE102004048644B4 (en) * | 2004-10-04 | 2006-08-10 | Siemens Ag | Device for resistive current limiting with band-shaped high-Tc superconducting track |
| DE102017221129A1 (en) * | 2017-11-27 | 2019-05-29 | Siemens Aktiengesellschaft | Superconducting band conductor with flat protective layer |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5828291A (en) * | 1994-09-29 | 1998-10-27 | Abb Research Ltd. | Multiple compound conductor current-limiting device |
| DE19825564A1 (en) * | 1997-06-12 | 1998-12-17 | Siemens Ag | Resistive current limiter especially for short-circuits |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4994435A (en) * | 1987-10-16 | 1991-02-19 | The Furukawa Electric Co., Ltd. | Laminated layers of a substrate, noble metal, and interlayer underneath an oxide superconductor |
| US5132283A (en) * | 1987-12-28 | 1992-07-21 | Ford Motor Company | Thin film superconductor assembly and method of making the same |
| AU1308200A (en) * | 1998-08-11 | 2000-03-06 | Abb Transmission & Distribution Technologies Ltd | Superconducting conductors and their method of manufacture |
-
1999
- 1999-03-03 DE DE19909266A patent/DE19909266A1/en not_active Withdrawn
-
2000
- 2000-02-24 WO PCT/CH2000/000103 patent/WO2000052767A1/en not_active Ceased
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5828291A (en) * | 1994-09-29 | 1998-10-27 | Abb Research Ltd. | Multiple compound conductor current-limiting device |
| DE19825564A1 (en) * | 1997-06-12 | 1998-12-17 | Siemens Ag | Resistive current limiter especially for short-circuits |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 08161983 A * |
| JP Patents Abstracts of Japan: 5-251762 A.,E-1486,Jan. 7,1994,Vol.18,No. 8 * |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10230083B3 (en) * | 2002-06-27 | 2004-02-05 | Siemens Ag | Current limiting device with improved heat dissipation |
| WO2004004019A3 (en) * | 2002-06-27 | 2004-05-06 | Siemens Ag | Current limiting device with improved heat dissipation |
| WO2006037740A1 (en) * | 2004-10-04 | 2006-04-13 | Siemens Aktiengesellschaft | Device for limiting current of the resistive type with a strip-shaped high tc superconductor |
| DE102004048648B4 (en) * | 2004-10-04 | 2006-08-10 | Siemens Ag | Resistive current-limiting device with high-Tc superconductor band |
| DE102004048644B4 (en) * | 2004-10-04 | 2006-08-10 | Siemens Ag | Device for resistive current limiting with band-shaped high-Tc superconducting track |
| US7772158B2 (en) | 2004-10-04 | 2010-08-10 | Siemens Aktiengesellschaft | Device for resistively limiting current, comprising a strip-shaped high-to-super conductor path |
| DE102017221129A1 (en) * | 2017-11-27 | 2019-05-29 | Siemens Aktiengesellschaft | Superconducting band conductor with flat protective layer |
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