專利名稱：具有帶狀高越變溫度超導(dǎo)印制導(dǎo)線的電阻式限流裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電阻式超導(dǎo)限流裝置，其印制導(dǎo)線(Leiterbahn)由帶狀超導(dǎo)體構(gòu)成，帶狀超導(dǎo)體的氧化高Tc超導(dǎo)材料為AB2Cu3OX類型的，其中A為至少一種包含釔的稀有土族金屬以及B為至少一種堿土金屬。
背景技術(shù)：
歐洲專利申請EP0523374A1公開了一種相應(yīng)的限流裝置。
自1986年以來已公知一些具有可超過77K的高越變溫度Tc的超導(dǎo)金屬氧化物，這些超導(dǎo)金屬氧化物因此也稱為高Tc超導(dǎo)材料或HTS材料，并尤其允許采用液態(tài)氮(LN2)冷卻技術(shù)。這樣的金屬氧化物尤其包括以特殊的材料族、例如AB2Cu3OX類型為基的銅酸鹽，其中A為至少一種包含釔的稀有土族金屬而B為至少一種堿土金屬。該所謂1-2-3-HTS類型的材料族的主要代表是所謂的YBCO(Y1Ba2Cu3Ox，其中，6.5≤x≤7)。
人們嘗試將這些已知的HTS材料為不同的用途沉積在不同的基底上，同時通常力求盡可能相純的超導(dǎo)材料。由此對于導(dǎo)體應(yīng)用尤其采用金屬的基底(例如參見EP0292959A1)。
在相應(yīng)的導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中HTS材料通常不是直接沉積在用作基底的載體帶上，而是首先用至少一個薄的也稱為緩沖層的中間層覆蓋該襯帶。該具有在1μm數(shù)量級內(nèi)厚度的緩沖層應(yīng)該一方面能防止金屬原子從襯帶擴(kuò)散到HTS材料中，另一方面該緩沖層應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)HTS材料的織構(gòu)結(jié)構(gòu)。相應(yīng)的緩沖層通常由金屬、例如鋯、鈰、釔、鋁、鍶或鎂的氧化物或多種這些金屬的混合晶體構(gòu)成并因此是絕電的。由此只要超導(dǎo)材料過渡到普通導(dǎo)電狀態(tài)(所謂的“Quenchen”)，在相應(yīng)的導(dǎo)電的印制導(dǎo)線中就會出現(xiàn)問題。在此超導(dǎo)體首先成段地具有阻抗并因此具有電阻R，例如超導(dǎo)體通過其超導(dǎo)材料超過躍變溫度Tc(在所謂的“熱點(diǎn)(Hot Spots)”或局部驟冷區(qū)域內(nèi))而加熱，并且多數(shù)情況下會繼續(xù)加熱，致使層燒斷。
基于這樣的問題已知，直接在HTS導(dǎo)電層上敷設(shè)一層額外的由導(dǎo)電性能良好的可承載HTS材料的材料、例如Au或Ag的金屬覆蓋層，作為防燒斷的分路(Shunt)。這樣的話，該HTS材料與所述金屬覆蓋層保持導(dǎo)電的平面式接觸(參見DE4434819C)。
在由文本開頭所述的歐洲專利申請文件EP0292959A1中所獲知的限流裝置中采用了另一種類型的帶狀超導(dǎo)體。在此印制導(dǎo)線由一種具有確定尺寸的超導(dǎo)板材制成，為此這樣加工出側(cè)向的縫隙，使得形成蛇曲形形狀。因為在這種結(jié)構(gòu)中未設(shè)有普通導(dǎo)電的覆蓋層，因此在那里始終存在在熱點(diǎn)區(qū)域內(nèi)燒斷的危險。
由于還與分路一起存在熱點(diǎn)或局部驟冷區(qū)域，因此電壓不均勻地沿超導(dǎo)層分布。而只要端部被附加的電壓隔絕，在帶有超導(dǎo)層的襯帶中在端部附加的電壓U就均勻地沿整個長度降低或者位于一個不確定的中間電位上，其結(jié)果或許可能是從印制導(dǎo)線經(jīng)過緩沖層到基底的電壓差。由于該層厚度微小而不可避免地導(dǎo)致電擊穿并進(jìn)而導(dǎo)致逐點(diǎn)地?fù)p壞緩沖層并損壞超導(dǎo)層。典型的處于20至100伏特數(shù)量級內(nèi)的電壓就足以對1μm厚度的緩沖層造成電擊穿。那么特別在要通過相應(yīng)的導(dǎo)體帶建立電阻式限流裝置時，就產(chǎn)生了相應(yīng)的問題。確切地說，在這樣的裝置中將從超導(dǎo)狀態(tài)到普通導(dǎo)電狀態(tài)的過渡用于在短路時限流。在此并不能順利地實現(xiàn)，使緩沖層對于這樣裝置通常采用的在kV范圍內(nèi)的工作電壓達(dá)到足夠耐壓。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，在具有本文開頭所述特征的電阻式超導(dǎo)限流裝置中不僅要避免在熱點(diǎn)區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)燒斷的危險，而且在采用緩沖層時要排除在限流情況下驟冷時發(fā)生電擊穿。
上述技術(shù)問題通過在權(quán)利要求1中給出的措施得以解決。據(jù)此，具有本文開頭所述特征的限流裝置具有帶狀超導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)至少包含由普通導(dǎo)電的基底金屬構(gòu)成的襯帶、由高溫超導(dǎo)材料構(gòu)成的超導(dǎo)層、至少一個設(shè)置在所述襯帶與超導(dǎo)層之間的由絕緣的氧化緩沖材料構(gòu)成的緩沖層以及在所述超導(dǎo)層上敷設(shè)的由普通導(dǎo)電的覆蓋金屬構(gòu)成的覆蓋層。此外，在所述帶狀超導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的至少一個縱側(cè)上在所述覆蓋層與襯帶之間設(shè)有至少一個由普通導(dǎo)電的接觸材料制成的接觸元件，其中，對于所述限流裝置的普通導(dǎo)電的限流狀態(tài)適用于下列關(guān)系式RK＞3·RL，其中，RL為不帶有接觸元件的導(dǎo)體結(jié)構(gòu)沿所述印制導(dǎo)線全長的電阻，以及RK為所述至少一個接觸元件沿印制導(dǎo)線全長的電阻。
在此，可以將帶狀超導(dǎo)體供限流裝置在超導(dǎo)與普通導(dǎo)電狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換過程所用的長度理解為所述全長。其中，RL由襯帶、覆蓋層的電阻以及超導(dǎo)層在其普通導(dǎo)電情況下最大可能的電阻的并聯(lián)電路組成。如果采用多個接觸元件，則這些電阻同樣構(gòu)成了一個具有總電阻RK的并聯(lián)電路。該數(shù)值RK可以以已知的方式通過對所述至少一個接觸元件的材料選擇或其材料的電阻率ρ以及通過厚度或可供使用的導(dǎo)電橫截面來進(jìn)行調(diào)整。
與限流裝置的這種構(gòu)成相關(guān)的優(yōu)點(diǎn)尤其在于，所述金屬的襯帶和普通導(dǎo)電的覆蓋層以及進(jìn)而還有與其電鍍相連的超導(dǎo)層沿電流方向看至少在部分區(qū)域內(nèi)沿結(jié)構(gòu)的長度處于相互的電接觸中并且因此即便在驟冷的情況下也能位于一個唯一確定的電位上。以此方式防止通過緩沖層發(fā)生擊穿。
在所建議的限流裝置中還可以單獨(dú)或者組合地附加采用下列措施-對于在至少一個縱側(cè)在所述覆蓋層與襯帶之間的至少一個接觸元件而言可以適用于下列關(guān)系式ρK/dK＞3·(dS/ρS+d6/ρ6)-1其中，ρK、ρ6以及ρS為所述接觸元件、覆蓋層或襯帶的材料的電阻率，以及dK、d6及dS為所述接觸元件、覆蓋層或襯帶的材料的厚度。在此基于下述思想，即，所述襯帶對(不帶有接觸元件的)導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的電阻RL有主要貢獻(xiàn)。通常該電阻必須足以實現(xiàn)有效地限流。
-通常所述至少一個接觸元件的平均厚度小于1μm，優(yōu)選小于0.5μm。確切地說，相應(yīng)薄的層對于充分電連接而言已有利地足以滿足，因為通過這些層只實現(xiàn)電連接，而不導(dǎo)通較大的電流。
-尤其可以采用Au、Ag或具有所述各元素或至少另一種合金成分的合金作為所述至少一個接觸元件的材料。相應(yīng)的接觸元件可以例如通過焊接方法設(shè)置在所述導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的縱側(cè)或借助于釬料制成。因為只在側(cè)面實施焊接，因此相應(yīng)地降低了損壞HTS材料的危險。
-所述接觸元件尤其優(yōu)選地可以設(shè)計為全方位地環(huán)繞所述導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的包封元件。
-一種這樣的包封元件可以設(shè)計為編織物或纏繞形式或包裹形式。
-取而代之，也可以將包封元件設(shè)計為電鍍層。這樣的涂層因為只要求較小的厚度，因此可以以特別簡單及有利于保護(hù)HTS材料的方式制造。
本發(fā)明限流裝置的其他有利的擴(kuò)展設(shè)計可以從上文未述及的從屬權(quán)利要求中獲知。


下面參照附圖借助于本發(fā)明限流裝置的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)闡述。在此分別以極為簡化的形式在附圖中示出圖1以傾斜俯視圖示出所述限流裝置的YBCO帶狀導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)；圖2以橫截面視圖示出具有第一種實施方式的接觸元件的該帶狀導(dǎo)體；以及圖3以橫截面視圖示出具有另一種實施方式的接觸元件的該帶狀導(dǎo)體。
其中在附圖中對對應(yīng)的構(gòu)件采用相同的附圖標(biāo)記。
具體實施例方式
在圖1中示出的共同以附圖標(biāo)記2表示的帶狀導(dǎo)體從所謂的YBCO帶狀導(dǎo)體或“有YBCO外包皮的導(dǎo)體(YBCOcoated Conductor)”本身已公知的實施方式出發(fā)。在附圖1中以附圖標(biāo)記3表示由厚度d3或dS的普通導(dǎo)電的基底金屬構(gòu)成的襯帶，4表示由厚度d4的絕緣氧化緩沖材料構(gòu)成的、敷設(shè)于其上的緩沖層，5表示由厚度d5的YBCO構(gòu)成的HTS層，6表示作為保護(hù)和/或接觸層由厚度d6的普通導(dǎo)電的覆蓋金屬構(gòu)成的覆蓋層，其也可以由多個緊密接觸的層構(gòu)成，以及7表示由這四個部分構(gòu)成的導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。
當(dāng)然所述導(dǎo)體結(jié)構(gòu)還可以包括其他本身已公知的層。
在此上述導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的各部分如下構(gòu)成-由鎳、鎳合金或優(yōu)質(zhì)鋼構(gòu)成的具有大約20至250μm的厚度d3的金屬襯帶3，-至少一個由一層或多層氧化物、例如CeO2或YSZ構(gòu)成的具有大約0.1至1.5μm厚度d4的緩沖層或緩沖層系統(tǒng)，
-至少一個由YBCO構(gòu)成的具有界于大約0.3至3μm之間厚度d5的HTS層，以及-至少一個由Ag、Au或Cu構(gòu)成的具有界于大約0.1μm至1mm之間厚度d6的金屬覆蓋層。尤其從穩(wěn)定和強(qiáng)化的角度考慮，必要時該覆蓋層也可以由多個金屬層組成。
相應(yīng)的帶狀導(dǎo)體具有幾毫米至幾厘米的寬度。其超導(dǎo)的導(dǎo)電性由YBCO層5決定，亦即由YBCO層5的臨界電流密度決定，而熱、機(jī)械及普通導(dǎo)電性能由于更大的厚度d3＝dS而由襯帶3和覆蓋層6起主導(dǎo)作用。其中襯帶與緩沖層一起共同構(gòu)成了一個用于YBCO近似單晶增長的底層。襯帶材料和緩沖層材料允許在熱膨脹系數(shù)和其結(jié)晶學(xué)的晶格常數(shù)方面與YBCO沒有太大的不同。匹配性越好，無裂紋的層厚就越大以及YBCO的結(jié)晶性就越好。此外，對于在MA/cm2范圍內(nèi)的高臨界電流密度期望盡可能平行地定向在相鄰晶體中的晶軸。這要求至少在最上面的緩沖層內(nèi)這樣一種平面的定向，由此YBCO能夠異質(zhì)外延地增長。優(yōu)選通過下述三種方法達(dá)到制造這樣的近似單晶的柔性基質(zhì)-緩沖系統(tǒng)-大多為YSZ或MgO在無織構(gòu)(untextriert)的金屬帶上的所謂的“離子束輔助沉積(Ion Beam Assisted Deposition(IBAD))”；-YSZ或MgO在無織構(gòu)的金屬帶上的所謂的“傾斜基底沉積(inclinedSubstrate Deposition(ISD))”；-所謂的“旋轉(zhuǎn)輔助雙軸向織構(gòu)基底(Rolling Assisted Biaxially texturedSubstrates(RABiTS))”，亦即通過軋制和退火處理成為立方形狀態(tài)的帶有異質(zhì)外延緩沖系統(tǒng)的基底。
在襯帶上沉積的功能層4至6以本身公知的方式通過真空涂層方法(PVD)、氣相的化學(xué)沉積(CVD)或化學(xué)溶液的化學(xué)沉積(CSD)制成。
當(dāng)然導(dǎo)體結(jié)構(gòu)7的各層之間還可以設(shè)有相對更薄的在制造該結(jié)構(gòu)及沉積所述各層時尤其通過擴(kuò)散和/或反應(yīng)過程形成的中間層。
與對YBCO-薄層-限流器已知的陶瓷片狀導(dǎo)體相比，在上述類型的帶狀導(dǎo)體中的襯帶3是具有導(dǎo)電能力的，亦即其能夠攜載受限電流并起分路作用。但是在上面圖3中所示的導(dǎo)體結(jié)構(gòu)7中，在通常狀態(tài)下使HTS層與襯帶3通過至少一個緩沖層4相互絕緣。只要限流裝置過渡到其邊界狀態(tài)，亦即成為普通導(dǎo)電的并沿印制導(dǎo)線建立起電壓，就會快速地超過已知緩沖層材料的處于100kV/mm＝10V/0.1μm的擊穿場強(qiáng)，亦即緩沖層4可能會不可控制地被擊穿?；谠搯栴}，優(yōu)選在整個導(dǎo)體長度上在超導(dǎo)層5與金屬襯帶3之間設(shè)置足夠好的電接觸對于在本發(fā)明限流器中使用帶狀導(dǎo)體是有利的。
從圖2的實施方式中可以看到一種通常相應(yīng)的沿全長的貫穿接觸。在此圖1所示的導(dǎo)體結(jié)構(gòu)7在至少一個縱側(cè)設(shè)有接觸元件9和/或10。該接觸元件由導(dǎo)電性能良好的材料、如Ag、Au或Cu或具有所述各元素的合金制成。本發(fā)明所要解決的問題是，在各縱側(cè)或縱邊一方面確保超導(dǎo)層5和與其導(dǎo)電連接的普通導(dǎo)電的覆蓋層6之間的電連接，以及另一方面確保超導(dǎo)層5與下方的普通導(dǎo)電的襯帶3之間電連接。以此方式所述各部分在限流裝置的各種運(yùn)行狀態(tài)下由于相互間的電連接而處于同一電位上。
有利地這樣設(shè)計接觸元件的材料橫截面，即，使得該接觸元件實際上并不作為用于受限電流的分路。這一點(diǎn)可以通過對接觸元件的材料選擇和/或平均厚度得以確保。適用尺寸設(shè)計規(guī)則RK＞3·RL、優(yōu)選RK＞10·RL。其中，RL為沿印制導(dǎo)線全長測量的不帶有接觸元件9、10的整個導(dǎo)體結(jié)構(gòu)7的電阻。在此該電阻RL由襯帶3、覆蓋層6的電阻以及超導(dǎo)層3在其普通導(dǎo)電情況下最大可能的電阻的并聯(lián)電路組成。RK為在全長上所有并聯(lián)連接的接觸元件9、10的電阻。
該數(shù)值RK可以以已知的方式通過對至少一個接觸元件的材料選擇或其材料的電阻率ρK以及通過厚度dK或可供使用的導(dǎo)電橫截面來進(jìn)行調(diào)整。通常應(yīng)該符合ρK/dK＞3·(dS/ρS+d6/ρ6)-1其中，ρK、ρ6以及ρS為接觸元件9和10、覆蓋層6或襯帶3的材料的電阻率，以及dK、d6及dS為所有接觸元件、覆蓋層6或襯帶的材料的整體平均厚度。但是對于ρK/dK還可以有利地選擇更高的數(shù)值，使得其大小至少是ρS/dS及ρ6/d6的五倍，優(yōu)選至少是十倍。
在考慮上述關(guān)系式時，厚度dK通常小于1μm，優(yōu)選小于0.5μm。
優(yōu)選借助于焊接方法將相應(yīng)的接觸元件9和10設(shè)置到導(dǎo)體結(jié)構(gòu)7的側(cè)面上。當(dāng)然在此也可以如在圖2中所表示的那樣，使相應(yīng)的接觸元件一起覆蓋覆蓋層6的上表面和/或襯帶3的下表面的一部分。
按照圖3，如果所述接觸元件設(shè)計成全方位地包圍所述導(dǎo)體結(jié)構(gòu)7的包封元件，則也是可行的并且是特別有利的。一種相應(yīng)的包封元件例如可以由金屬絲編織物或金屬絲纏繞或金屬絲包裹制成或制成金屬絲網(wǎng)。當(dāng)然為此目的也可以采用金屬帶來替代金屬絲。尤其有利的是，也可以借助于電鍍涂層工序制成包封的接觸元件11。具有上述數(shù)量級的較小厚度dK的相應(yīng)各層可以以簡單的方式并尤其在不損害超導(dǎo)層5的超導(dǎo)性能的情況下形成。
在上述實施方式中將YBCO作為用于超導(dǎo)層5的HTS材料的基礎(chǔ)。當(dāng)然也可以采用其他具有不同稀有土族金屬和/或不同堿土金屬的所謂1-2-3類型的HTS材料。這些材料的各組成成分也可以以本身公知的方式部分地通過其他不同的成分來代替。
權(quán)利要求
1.一種電阻式超導(dǎo)限流裝置，其印制導(dǎo)線(2)由帶狀超導(dǎo)體構(gòu)成，該帶狀超導(dǎo)體的氧化高越變溫度超導(dǎo)材料為AB2Cu3Ox類型的，其中A為至少一種包含釔的稀有土族金屬以及B為至少一種堿土金屬，其特征在于，所述帶狀超導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)(7)至少包含-由普通導(dǎo)電的基底金屬構(gòu)成的襯帶(3)，-由高越變溫度超導(dǎo)材料構(gòu)成的超導(dǎo)層(5)，-至少一個設(shè)置在所述襯帶(3)與超導(dǎo)層(5)之間的由絕緣氧化緩沖材料構(gòu)成的緩沖層(4)，以及-在所述超導(dǎo)層(5)上敷設(shè)的由普通導(dǎo)電的覆蓋金屬構(gòu)成的覆蓋層(6)，至少在所述帶狀超導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)(7)的一個縱側(cè)上在所述覆蓋層(6)與襯帶(3)之間設(shè)有至少一個由普通導(dǎo)電的接觸材料制成的接觸元件(9，10，11)，其中，對于所述限流裝置的普通導(dǎo)電的限流狀態(tài)適用于下列關(guān)系式RK＞3·RL其中，RL為不帶有接觸元件的導(dǎo)體結(jié)構(gòu)(7)在所述印制導(dǎo)線(2)全長上的電阻，以及RK為所述至少一個接觸元件(9，10，11)沿全長的電阻。
2.按照權(quán)利要求1所述的限流裝置，其特征在于，對于所述至少一個在至少一個縱側(cè)上在所述覆蓋層(6)與襯帶(3)之間的接觸元件(9，10，11)適用于下列關(guān)系式ρK/dK＞3·(dS/ρS+d6/ρ6)-1其中，ρK、ρ6以及ρS為所述至少一個接觸元件、覆蓋層或襯帶的材料的電阻率，以及dK、d6及dS為所述至少一個接觸元件、覆蓋層或襯帶的材料的厚度。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的限流裝置，其特征在于，以下關(guān)系式成立RK＞10·RL。
4.按照權(quán)利要求2所述的限流裝置，其特征在于，以下關(guān)系式成立ρK/dK＞10·(dS/ρS+d6/ρ6)-1。
5.按照權(quán)利要求1至4中任一項所述的限流裝置，其特征在于，所述至少一個接觸元件(9，10，11)的平均厚度(dK)小于1μm，優(yōu)選小于0.5μm。
6.按照權(quán)利要求1至5中任一項所述的限流裝置，其特征在于，采用Ag、Au或Cu或具有所述各元素的合金作為所述至少一個接觸元件(9，10，11)的材料。
7.按照權(quán)利要求1至6中任一項所述的限流裝置，其特征在于，至少一個接觸元件(9，10，11)借助于焊接方法設(shè)置或制造。
8.按照權(quán)利要求1至7中任一項所述的限流裝置，其特征在于，所述接觸元件(9，10，11)設(shè)計為全方位地環(huán)繞所述導(dǎo)體結(jié)構(gòu)(7)的包封元件(11)。
9.按照權(quán)利要求8所述的限流裝置，其特征在于，采用編織物或纏繞或包裹作為所述包封元件(11)。
10.按照權(quán)利要求8所述的限流裝置，其特征在于，采用電鍍層作為所述包封元件(11)。
11.按照權(quán)利要求1至10中任一項所述的限流裝置，其特征在于，所述覆蓋層(6)由多個金屬層組成。
全文摘要
限流裝置包括具有帶狀超導(dǎo)體的印制導(dǎo)線(2)，其結(jié)構(gòu)(7)包含襯帶(3)、由AB
文檔編號H01L39/16GK101036242SQ200580033794
公開日2007年9月12日 申請日期2005年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月4日
發(fā)明者漢斯-彼得·克雷默, 沃爾夫?qū)な┟滋?申請人:西門子公司