專利名稱：高溫超導(dǎo)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高溫超導(dǎo)領(lǐng)域。尤其涉及一種具有由超導(dǎo)層和電氣旁路層組成導(dǎo)體復(fù)合物的高溫超導(dǎo)裝置。
在德國公布的文獻(xiàn)(Offenlegungsschrift)DE19634424A1中提出了用于電流限制器中的一種高溫超導(dǎo)裝置。該裝置包括一個超導(dǎo)層，一個構(gòu)成為電氣旁路的、與超導(dǎo)層形成導(dǎo)體復(fù)合物的一個銀層，和一個纖維復(fù)合層。后者含有由環(huán)氧樹脂和作為增強的載體材料的玻璃纖維或碳纖維制成的基體。此基體用于導(dǎo)體復(fù)合物的機(jī)械穩(wěn)定，并且通過真空浸漬將基體敷設(shè)在導(dǎo)體復(fù)合物的至少一個主面上。
將基于高溫超導(dǎo)體上的電流限制器浸入冷卻介質(zhì)，優(yōu)先是浸入液氮LN2中。如果在短路情況下超導(dǎo)體由于過電流而過渡到有電阻的狀態(tài)的話，則耗散能量和超導(dǎo)體有可能很強烈地發(fā)熱，以及需要至少某段時間以便重新冷卻到作業(yè)溫度。因此必須盡可能有效地導(dǎo)散在短路情況下短時產(chǎn)生的焦耳熱。在上述裝置中垂直于纖維復(fù)合層地進(jìn)行向冷卻介質(zhì)方向的熱傳導(dǎo)。一旦液氮開始蒸發(fā)和在應(yīng)冷卻的表面上形成氣泡或氣狀的膜，進(jìn)入液氮LN2中的傳熱效率卻下降，因為氮氣的比熱比LN2的蒸發(fā)熱小。后果是導(dǎo)體復(fù)合物的不受歡迎的發(fā)熱，直到高溫超導(dǎo)的不可恢復(fù)的損傷。
因此本發(fā)明的任務(wù)是創(chuàng)造一種高溫超導(dǎo)裝置，在此高溫超導(dǎo)裝置上在通過過電流引起的負(fù)荷情況下保護(hù)超導(dǎo)體免受過量的發(fā)熱。此項任務(wù)通過具有由一個超導(dǎo)層和一個電氣旁路層組成的導(dǎo)體復(fù)合物和一個儲熱層與此導(dǎo)體復(fù)合物的一個主面相接觸的高溫超導(dǎo)裝置解決。
本發(fā)明的核心在于，在開始所述方式的高溫超導(dǎo)裝置上安排與超導(dǎo)體接觸的一種儲熱層。此層吸納通過短時的過電流在超導(dǎo)體中生成的熱量，并且然后將熱量輸出到冷卻介質(zhì)上。超導(dǎo)體因此較少強烈地發(fā)熱，并且相應(yīng)較快地重新冷卻到超導(dǎo)體的作業(yè)溫度。
按照一種第一實施形式在高溫超導(dǎo)裝置上原先為了機(jī)械穩(wěn)定引入的，由纖維復(fù)合材料制的一個層是構(gòu)造為儲熱器的。
按照一種第二實施形式為了提高熱容量給此層增加具有高比熱的充填材料。將此充填材料與聚合物基體混合和穿透復(fù)合材料的載體織物。
在一種另外的實施形式中，如此選擇載體材料和充填材料，使得產(chǎn)生的纖維復(fù)合材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)是盡可能大的。以此來實現(xiàn)，在超導(dǎo)體中局部和短時生成的熱量在設(shè)計為儲熱器的層中同時就稍微分散，即可以從其生成地點導(dǎo)散。
在一種其它的實施形式中如下地優(yōu)化載體材料和充填材料，使得產(chǎn)生的纖維復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)是盡可能小的。因此可以在冷卻到復(fù)合材料的作業(yè)溫度時，減少整個復(fù)合材料的熱收縮和因此減少作用到超導(dǎo)體上的應(yīng)力。
從專利文獻(xiàn)EP0257466B1中已經(jīng)公開了具有類似以上所述構(gòu)造的纖維復(fù)合材料。在那里公開了由一個金屬層和由固化聚合物基體復(fù)合材料制的一個層組成的一種層壓材料，該層壓材料例如用于冷卻安置在印刷電路板上的電子構(gòu)件。顆粒、纖維或織物形式的，微小熱膨脹的一種增強和導(dǎo)熱材料是置入復(fù)合材料層中的。該層用于在熱源(電子構(gòu)件)和熱漏(金屬層)之間的熱傳導(dǎo)，以及用于補償印刷電路板和金屬層的熱膨脹系數(shù)。與此相反地在本發(fā)明中采用這樣的纖維復(fù)合材料本身作為儲熱器，并且不僅作為熱導(dǎo)體和/或電絕緣體起作用。
以下結(jié)合附圖借助實施例譯述本發(fā)明。


圖1a展示通過按現(xiàn)有技術(shù)的高溫超導(dǎo)裝置的剖面，而圖1b展示按本發(fā)明的一個這樣的剖面。
圖2展示按本發(fā)明一種優(yōu)先實施形式的纖維復(fù)合材料的透視圖。
在參考符號表中匯總了圖中采用的參考符號。相同部分原則上配備了相同的參考符號。
圖1a中表示了取自通過按現(xiàn)有技術(shù)的，例如像在電流限制器中得到采用的超導(dǎo)裝置一個截面中的局部剖視圖。高溫超導(dǎo)體10是與電氣旁路層11成面地連接的，并且與此旁路層形成導(dǎo)體復(fù)合物1。由用于導(dǎo)體復(fù)合物1機(jī)械穩(wěn)定的纖維復(fù)合材料2制的一個層是毗連地敷設(shè)到導(dǎo)體復(fù)合物1一個主面上的。整個裝置又是浸入液氮LN23O中的，或是由一種另外的冷卻介質(zhì)3包圍的。
由于載體織物纖維的取向，在織物平面中的纖維復(fù)合材料2的導(dǎo)熱能力常常是突出的。在如圖1a中所示的裝置上需要的都是，在超導(dǎo)體10中垂直于纖維復(fù)合物2導(dǎo)散相應(yīng)的焦耳熱。此外在纖維復(fù)合材料2和毗連其上的液氮LN23O之間的過渡處，由于提及的液氮的微少蒸發(fā)熱形成的氣態(tài)氮31的氣泡，由此再次妨礙熱的繼續(xù)傳導(dǎo)，并且導(dǎo)體復(fù)合物1在準(zhǔn)絕熱地變熱。
圖1b展示按本發(fā)明的超導(dǎo)裝置，此超導(dǎo)裝置具有一個導(dǎo)體復(fù)合物1和與導(dǎo)體復(fù)合物1的一個主面以及與冷卻介質(zhì)3處于面接觸中的，構(gòu)成為儲熱器的一個層4。在此實施例中儲熱的層4是布置在導(dǎo)體復(fù)合物1的旁路面上的。通過暫時地由儲熱器4吸納在導(dǎo)體復(fù)合物1的短時過載期間耗散熱量的至少一部分的辦法，解決上述問題。在短路結(jié)束之后，即在少數(shù)交流周期之后，將在導(dǎo)體復(fù)合物1過載期間未導(dǎo)散到冷卻介質(zhì)3中的和暫存(緩沖)在儲熱器4中的熱量釋放到冷卻劑3中。因此在相同的熱生成的情況下，超導(dǎo)體較少強烈地變熱，并且相應(yīng)較迅速地重新冷卻到作業(yè)溫度。
導(dǎo)體復(fù)合物1當(dāng)然還可以具有附加層，或者可以安排通過電絕緣層與第一導(dǎo)體復(fù)合物1分開的其它導(dǎo)體復(fù)合物。例如在導(dǎo)體復(fù)合物1的位于一個第一熱漏4對面上的外加儲熱層4’當(dāng)然也是可能的。
儲熱層4是由纖維復(fù)合材料形成的。這樣的纖維復(fù)合材料由固化的聚合物基體和用于機(jī)械增強的纖維網(wǎng)組成。當(dāng)今通常采用單向敷設(shè)纖維或交織纖維形式的玻璃纖維，碳纖維或芳綸(Aramid)纖維作為增強的組分?；w系統(tǒng)優(yōu)先是三維交聯(lián)的熱固性塑料，并且例如是以環(huán)氧樹脂，硅樹脂或聚酯樹脂為基礎(chǔ)的。所謂的預(yù)浸帶是用這樣的樹脂構(gòu)成(Formulierung)預(yù)浸漬的，并且也許是預(yù)固化的纖維結(jié)構(gòu)(兩維或三維的載體材料)，這些材料結(jié)構(gòu)可以簡單成形和隨后在壓力和溫度下完全固化。
圖2中以剖視圖表示了這樣的纖維復(fù)合材料。載體織物20是由基體21包圍的，小顆粒形式的填料22是置入此基體中的。該纖維復(fù)合材料2本身在合適地選擇載體20和填料22時是可用作例如層壓材料形式的儲熱器的。
充填材料22為此必須具有高的熱容量(比熱)和尤其是也具有高的導(dǎo)熱率?！案摺痹诖岁P(guān)聯(lián)中意味著，生成的復(fù)合物4的熱容量和導(dǎo)熱能力相對于沒有加混充填材料22的它的性能必須是提高了的。此外充填材料22在聚合物基體21中必須是可以良好地分散的。它尤其不具有太大的顆粒直徑，以便基體充填材料混合物良好地浸潤和潤濕載體材料20，并且不產(chǎn)生氣孔。尤其容積份額是比較高的，以便可以有效地提高復(fù)合物的熱容量。載體材料和充填材料的總含量優(yōu)先是大于0.5的。在利用滲濾效應(yīng)的條件下，從某個顆粒深度起可以外加地提高導(dǎo)熱能力。按復(fù)合物的所希望的性能不同，由不同纖維類型的無論載體材料還是充填材料可由各自的粉末材料混合組成。
由玻璃或碳制的纖維可以用作用于復(fù)合材料2的機(jī)械加強的和因此用于導(dǎo)體復(fù)合物1的機(jī)械穩(wěn)定的載體材料。這些纖維有可能僅在一個方向是取向的，或者形成一種織物20，或者甚至形成一種三維的網(wǎng)絡(luò)。在復(fù)合體上載體材料的容積份額合計在0.1和0.5之間。為了支持復(fù)合物的所希望的熱性能，尤其選擇由氧化鋁(Al2O3)或碳化硅(SiC)制的纖維。
在室溫下將纖維復(fù)合材料與導(dǎo)體復(fù)合物粘接，然后固化，并且隨后冷卻到超導(dǎo)體的工作溫度。當(dāng)纖維復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)是盡可能小時，則減小在此通過不同收縮產(chǎn)生的，對超導(dǎo)陶瓷的壓應(yīng)力。通過有針對性地選擇載體材料和充填材料實現(xiàn)這一點，有些載體材料和充填材料為此目的應(yīng)具有微小的熱膨脹系數(shù)。
主要以薄板形式使用纖維復(fù)合材料。通過給聚合物基體混入所希望的充填材料和因此浸漬載體織物的辦法，將這些板準(zhǔn)備成所謂的預(yù)浸板。預(yù)浸板是已經(jīng)預(yù)固化的，但是還保持可良好地成形的，并且按聚合物基體的種類不同在壓力和/或熱的條件下以預(yù)浸板的最終有效的形狀固化預(yù)浸板。在此在纖維復(fù)合材料和毗連其上的材料，即在本發(fā)明下的導(dǎo)體復(fù)合物之間形成卓越的粘結(jié)連接。
例如具有在室溫下比熱C為3.35J/Kcm3的氧化鋁Al2O3是適合于作為填料的。復(fù)合物的比熱通過添加這種粉末提高到1.3J/Kcm3?？梢钥紤]的其它粉狀充填材料是碳化硅SiC(c=3.35J/Kcm3)，或者具有高份額Al2O3的硅酸鋁(c=3J/Kcm3)。如果應(yīng)同時改善熱導(dǎo)率的話，則也出現(xiàn)具有在室溫時的導(dǎo)熱系數(shù)為180W/Km的碳C或氮化鋁AlN。通過添加足夠的AlN，將聚合物的熱導(dǎo)率由0.25W/Km提高到超過1W/Km。
電流限制器一般包括有限寬度的多個互相平移導(dǎo)帶或線段形式的、在此介紹方式的超導(dǎo)裝置。為了均勻化或削弱在兩個超導(dǎo)體線段之間的或者在一個超導(dǎo)體和一個接地屏蔽之間的電場，將具有相對于基體材料為高的電介常數(shù)的粉狀填料埋入聚合物的基體中。例如煙灰(炭黑)是很適合于此的，通過炭黑可以賦與復(fù)合物半導(dǎo)電的性能。
在采用合適充填材料條件下因此產(chǎn)生以其機(jī)械強度和提高的熱容量為特點的一種纖維復(fù)合材料。此纖維復(fù)合材料因此是適合于在低溫下的用途，尤其是適合于高溫超導(dǎo)體的熱穩(wěn)定的。
參考符號表1 導(dǎo)體復(fù)合物10 超導(dǎo)體11 旁路2 纖維復(fù)合材料20 載體織物21 聚合物基體22 充填材料3 冷卻介質(zhì)30 液氮LN231 氣態(tài)氮4 儲熱器
權(quán)利要求
1．具有由一個超導(dǎo)層(10)和一個電氣旁路層(11)組成導(dǎo)體復(fù)合物(1)的高溫超導(dǎo)裝置，其特征在于，一個儲熱層(4)與導(dǎo)體復(fù)合物(1)的一個主面相接觸。
2．按權(quán)利要求1的高溫超導(dǎo)裝置，其特征在于，儲熱層(4)是由具有聚合物基體(21)和機(jī)械增強載體材料(20)的纖維復(fù)合材料(2)形成的。
3．按權(quán)利要求2的高溫超導(dǎo)裝置，其特征在于，給聚合物基體(21)混入具有比聚合物基體(21)的熱容量較高熱容量的充填材料(22)。
4．按權(quán)利要求3的高溫超導(dǎo)裝置，其特征在于，載體材料(20)和充填材料(22)具有比聚合物基體(21)的導(dǎo)熱系數(shù)較高的導(dǎo)熱系數(shù)。
5．按權(quán)利要求3的高溫超導(dǎo)裝置，其特征在于，載體材料(20)和充填材料(22)具有比聚合物基體(21)的熱膨脹系數(shù)較小的熱膨脹系數(shù)。
6．按權(quán)利要求3的高溫超導(dǎo)裝置，其特征在于，給聚合物基體(21)混入具有比聚合物基體(21)的介電常數(shù)較高介電常數(shù)的充填材料。
7．按權(quán)利要求3至6之一的高溫超導(dǎo)裝置，其特征在于，復(fù)合物中載體材料(20)的容積份額合計在0.1到0.5之間。
8．按權(quán)利要求7的高溫超導(dǎo)裝置，其特征在于，復(fù)合物中載體材料和充填材料的容積份額至少為0.5。
9．按權(quán)利要求3于6之一的高溫超導(dǎo)裝置，其特征在于，充填材料包含具有至少為3J/Kcm3比熱的陶瓷顆粒。
10．按權(quán)利要求9的高溫超導(dǎo)裝置，其特征在于，充填材料包含一種粉末，此粉末由氧化鋁Al2O3，氮化鋁AlN，碳化硅SiC，或碳C，或具有高Al2O3份額的硅酸鋁組成。
11．采用一種纖維復(fù)合材料，此纖維復(fù)合材料具有聚合物基體、機(jī)械增強的載體材料和作為儲熱層壓材料的，用于提高復(fù)合物比熱而混入聚合物基體的充填材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及補充了儲能器(4)的一種高溫超導(dǎo)裝置,并且在此高溫超導(dǎo)裝置上超導(dǎo)體(10)因此是短時受到過量發(fā)熱保護(hù)的。按本發(fā)明的裝置尤其是適合用于超導(dǎo)的電流限制器中的。建議一種纖維復(fù)合材料作為儲熱器(4),纖維復(fù)合材料的聚合物基本具有高熱容量的合適充填材料。這種纖維復(fù)合材料因此既用于超導(dǎo)裝置的機(jī)械穩(wěn)定也用于超導(dǎo)裝置的熱穩(wěn)定。
文檔編號H01L39/16GK1287053SQ0011876
公開日2001年3月14日 申請日期2000年6月26日 優(yōu)先權(quán)日1999年6月25日
發(fā)明者M·陳, W·保羅 申請人:Abb研究有限公司