Conductor multifilamentario y método para su producción.

Conductor multifilamentario (1) con un sustrato (2) en forma de cinta y con al menos una capa superconductora

(3), donde al menos una capa superconductora (3) está conformada en, al menos, una superficie del sustrato (2) en forma de cinta y se encuentra subdividida en filamentos (20, 20'), y donde el sustrato (2) en forma de cinta presenta una primera dirección (21) paralelamente con respecto a su extensión longitudinal y al menos un filamento (20, 20') presenta una segunda dirección (22) paralelamente con respecto a su extensión longitudinal, caracterizado porque la primera dirección (21) del sustrato (2) en forma de cinta conforma un ángulo con la segunda dirección (22) de, al menos, un filamento (20, 20'), caracterizado porque dicho ángulo se ubica entre 1 y 5 grados.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/EP2010/062285.

Solicitante: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT.

Nacionalidad solicitante: Alemania.

Dirección: WITTELSBACHERPLATZ 2 80333 MUNCHEN ALEMANIA.

Inventor/es: RIES,GUNTER, NEUMÜLLER,HEINZ-WERNER.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES; DISPOSITIVOS ELECTRICOS... > Dispositivos que utilizan la superconductividad o... > H01L39/24 (Procesos o aparatos especialmente adaptados a la fabricación o el tratamiento de los dispositivos cubiertos por H01L 39/00 de sus partes constitutivas)
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES; DISPOSITIVOS ELECTRICOS... > Dispositivos que utilizan la superconductividad o... > H01L39/14 (Dispositivos de superconductividad permanente)

PDF original: ES-2536998_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

Conductor multifilamentario y método para su producción La presente invención hace referencia a un conductor multifilamentario con un sustrato en forma de cinta y con al menos una capa superconductora. Al menos una capa superconductora está conformada sobre al menos una superficie del sustrato en forma de cinta y se encuentra subdividida en filamentos. El sustrato en forma de cinta, paralelamente con respecto a su extensión longitudinal, presenta una primera dirección y al menos un filamento, paralelamente con respecto a su extensión longitudinal, presenta una segunda dirección. La presente invención hace referencia además a un método para producir un conductor multifilamentario de esa clase.

Los conductores multifilamentarios con capas superconductoras, entre otras cosas, se utilizan como conductores en instalaciones superconductoras. A modo de ejemplo, dichos conductores pueden emplearse en bobinados superconductores de tomógrafos de resonancia magnética, en motores, en generadores o en limitadores de corriente. En particular al utilizar materiales superconductores de alta temperatura (HTS) , como por ejemplo Y2BaCu3O7 (YBCO) , ya a la temperatura del nitrógeno líquido se alcanzan propiedades superconductoras de los conductores. De este modo pueden realizarse instalaciones superconductoras fiables y favorables en cuanto a costes.

Los conductores de técnica HTS de segunda generación (2G) presentan una película delgada HTS monocristalina como capa portadora de corriente, en especial de YBCO cerámico, la cual está conformada sobre un soporte metálico en forma de una cinta. Para colocar la película delgada HTS monocristalina sobre el soporte, este último se encuentra recubierto con una capa de amortiguación texturada constituida por varias capas, sobre la cual se aplica la capa HTS a través de procedimientos de separación, como por ejemplo evaporación, deposición por láser o descomposición química.

Sobre la capa HTS se aplica adicionalmente una capa conductora convencional de protección o de estabilización que puede puentear eléctricamente puntos defectuosos y secciones cortas que se han transformado en conductoras convencionales en la capa HTS, donde dicha capa protege a la capa HTS frente a daños mecánicos. Por lo general la capa conductora convencional se compone de plata y/o de cobre. El soporte en forma de cinta en donde se aplica la pila de capas, constituida por la capa de amortiguación, la capa HTS y la capa de estabilización, presenta generalmente una anchura dentro del rango de milímetros o centímetros.

En la utilización de corriente alterna, transversalmente con respecto al soporte en forma de cinta, se presenta con frecuencia un componente de campo variable en el tiempo. Debido a lo mencionado, en la capa HTS, y en menor medida también en la capa de estabilización, se inducen corrientes circulantes de blindaje que se superponen a la corriente de transporte. Esas corrientes de blindaje conducen a pérdidas eléctricas que se liberan en forma de calor, donde éste debe ser disipado desde los conductores HTS mediante un dispositivo de enfriamiento. Debido a ello, las ventajas económicas a través del ahorro energético que se alcanzan mediante la utilización de conductores HTS en comparación con los conductores óhmicos clásicos, se reducen o no se logra en absoluto.

Las pérdidas por longitud Ph/L son proporcionales con respecto a la amplitud del campo alternante B, a la frecuencia f, a la corriente crítica IC y a la anchura efectiva del conductor df, verticalmente con respecto al campo magnético:

** (Ver fórmula) **

En los superconductores NbTi-y Nb3Sn las pérdidas se reducen repartiendo la sección transversal en muchos filamentos delgados con una df reducida, donde dichos filamentos están colocados en una matriz de metal, por ejemplo de cobre. No obstante, esta medida sólo es eficaz cuando el conductor es trenzado o cableado.

Se logra transferir este principio a los conductores HTS mediante conductores Roebel. Por la solicitud WO 03/100875 A2 se conoce un conductor Roebel de este tipo que está estructurado en base a varios soportes paralelos en forma de cinta, revestidos con HTS. En una estructura correspondiente de un conductor HTS las pérdidas se calculan a través de la anchura de la cinta individual. Para minimizar aún más las pérdidas, por la solicitud US 2007/0191202 A1 se conoce el hecho de subdividir en filamentos la capa superconductora y la capa de estabilización de cobre a través de surcos longitudinales, de forma paralela con respecto a la dirección longitudinal del soporte en forma de cinta. Los métodos para conformar las acanaladuras longitudinales o surcos que llegan hasta el soporte comprenden el tratamiento mecánico, la corrosión química, el mecanizado por haz láser, las técnicas de fotorresistencia y la descomposición local de órdenes cristalinas. De este modo, un filamento se subdivide en un soporte en muchos filamentos individuales que se extienden de forma paralela con respecto al eje longitudinal del soporte. Como anchura efectiva del conductor df se mantiene la anchura de los filamentos

individuales sobre el soporte, en contraposición a la anchura del soporte revestido de forma superconductora como filamento.

En muestras cortas de conductores puede comprobarse una reducción de las pérdidas, pero en piezas largas de conductores, por ejemplo en arrollamientos de bobinas, el acoplamiento magnético entre los filamentos no se suprime y un campo alternante externo, como el que existe por ejemplo en las bobinas, induce además grandes corrientes de blindaje. Las corrientes de blindaje pueden exceder la densidad de corriente crítica del material superconductor, debido a lo cual el superconductor pasa al área resistiva. Se producen así considerables pérdidas eléctricas que nuevamente deben ser disipadas en forma de calor.

En otros conductores multifilamentarios superconductores conocidos, las secciones del filamento se encuentran dispuestas en un ángulo distinto de cero, con respecto a la dirección longitudinal del sustrato. En los conductores multifilamentarios de ese tipo se reducen aún más las pérdidas inductivas de corriente alterna. Conductores multifilamentarios correspondientes se revelan en "IEEE Transactions on Applied Superconductivity", volumen 15, 2005, páginas 2827 a 2830, así como en las solicitudes US 2006/0040830 A1 y WO 01/008169. En los conductores multifilamentarios de este tipo, el ángulo entre los filamentos y la dirección longitudinal del sustrato se ubica dentro de un rango de 30 y 60 grados, por lo general aproximadamente en 45 grados, de manera que en una extensión longitudinal relativamente reducida puede alcanzarse un entrecruzamiento de los filamentos.

Es objeto de la presente invención proporcionar un conductor multifilamentario que, en comparación con los conductores multifilamentarios conocidos por el estado del arte, presente una disminución adicional de las pérdidas eléctricas. En particular, es objeto de un conductor multifilamentario acorde a la invención minimizar la inducción de corrientes en el conductor multifilamentario en campos alternantes externos. Otro objeto de la presente invención consiste en proporcionar un método para producir un conductor multifilamentario que presente pérdidas eléctricas mínimas en el caso de una inducción minimizada de corrientes en el conductor multifilamentario en campos alternantes externos.

El objeto mencionado con respecto al conductor multifilamentario se alcanzará con las características de la reivindicación 1 y, con respecto al método para producir el conductor multifilamentario, a través de las características de la reivindicación 11.

En las reivindicaciones dependientes respectivamente asociadas se indican variantes... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Conductor multifilamentario (1) con un sustrato (2) en forma de cinta y con al menos una capa superconductora (3) , donde al menos una capa superconductora (3) está conformada en, al menos, una superficie del sustrato (2) en forma de cinta y se encuentra subdividida en filamentos (20, 20) , y donde el sustrato (2) en forma de cinta presenta una primera dirección (21) paralelamente con respecto a su extensión longitudinal y al menos un filamento (20, 20) presenta una segunda dirección (22) paralelamente con respecto a su extensión longitudinal, caracterizado porque la primera dirección (21) del sustrato (2) en forma de cinta conforma un ángulo con la segunda dirección (22) de, al menos, un filamento (20, 20) , caracterizado porque dicho ángulo se ubica entre 1 y 5 grados.

2. Conductor multifilamentario (1) según la reivindicación 1, caracterizado porque al menos un filamento (20, 20) se encuentra conformado completamente a lo largo de la segunda dirección (22) , en especial sin un componente longitudinal de forma paralela con respecto a la primera dirección (21) .

3. Conductor multifilamentario (1) según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el sustrato

(2) en forma de cinta presenta una primera superficie sobre un lado anterior (9) y una segunda superficie opuesta sobre un lado posterior (10) , y tanto sobre la primera, así como también sobre la segunda superficie, se encuentra conformada una pluralidad de filamentos (20, 20) , donde en particular los filamentos (20) de la primera superficie presentan una segunda dirección (22) que no es igual a una tercera dirección (23) , paralelamente con respecto a la dirección longitudinal de los filamentos (20) de la segunda superficie.

4. Conductor multifilamentario (1) según la reivindicación 3, caracterizado porque al menos un filamento (20) del lado anterior (9) se encuentra conectado de forma eléctricamente conductora con al menos un filamento (20) del lado posterior (10) , en particular mediante al menos una capa (19) que está conformada sobre al menos una tercera superficie, sobre una o dos caras laterales del sustrato (2) en forma de cinta.

5. Conductor multifilamentario (1) según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque entre al menos dos filamentos (20, 20) contiguos, sobre una superficie, se encuentra conformado al menos un puente eléctrico (23) a través del que se forma una conexión eléctrica de al menos dos filamentos contiguos (20, 20) .

6. Conductor multifilamentario (1) según la reivindicación 5, caracterizado porque al menos un puente eléctrico (23) está dispuesto centrado en una de las superficies, en particular con una dirección longitudinal del puente (23) , de forma paralela con respecto a una primera dirección (21) del sustrato (2) en forma de cinta.

7. Conductor multifilamentario (1) según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el conductor multifilamentario (1) presenta una pila de capas constituidas por material soporte (16, 17) en forma de cinta, al menos una capa de amortiguación (4) , al menos una capa superconductora (3) , en particular una capa superconductora de alta temperatura (HTS) y/o al menos una capa de estabilización (5) .

8. Conductor multifilamentario (1) según la reivindicación 7, caracterizado porque el material soporte (16, 17) se compone de un metal, en especial de acero y/o al menos una capa de amortiguación (4) comprende al menos un material del grupo constituido por Al (11) , óxido de itrio (12) , IBAD MgO (13) , Homo-epi MgO (14) , LMO (15) , o combinaciones y/o pilas de capas de esos materiales, y/o al menos una capa superconductora (3) se compone de YBCO y/o al menos un puente (23) se compone de YBCO, en particular de YBCO de, al menos, una capa HTS, y/o al menos una capa de estabilización (5) se compone de cobre o de plata o comprende una pila de capas con al menos una capa de cobre (5b) y/o al menos una capa de plata (5a) , y/o al menos un puente (23) se compone del material de, al menos, una capa de estabilización (5) o comprende dicho material.

9. Conductor multifilamentario (1) según la reivindicación 7 u 8, caracterizado porque el material soporte (16, 17) presenta un grosor dentro del rango de 50 a 100 µm y una anchura dentro del rango de 10 mm, y/o al menos una capa de amortiguación (4) presenta un grosor dentro del rango de 100 nm y/o al menos una capa superconductora

(3) presenta un grosor dentro del rango de 1 µm, y/o al menos un filamento (20, 20) presenta una anchura dentro del rango de 0, 5 mm, y/o al menos una capa de estabilización (5) presenta un grosor dentro del rango de 3 µm.

10. Conductor multifilamentario (1) según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los filamentos (20, 20) están en una transposición, en especial con una longitud de transposición dentro del rango de 20 cm.

11. Método para producir un conductor multifilamentario (1) según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque dos materiales soporte (16, 17) en forma de cinta son llevados a una conexión mecánica el uno con el otro a través de lados opuestos, en particular de forma coincidente, donde respectivamente sobre un lado de un material soporte (16, 17) en forma de cinta, el cual se encuentra situado de forma opuesta con respecto al lado de la conexión mecánica (18) , se aplica una capa superconductora (3) y sobre la capa superconductora (3) se aplica una capa de estabilización (5) , donde la capa de estabilización (5) de un primer material soporte (16) en forma

de cinta se encuentra aplicado de forma superpuesta con la capa de estabilización (5) de un segundo material soporte (17) en forma de cinta en los bordes (19) de los dos materiales soporte (16, 17) en forma de cinta, de manera que tiene lugar una conexión eléctrica de las capas de estabilización (5, 5) mediante los bordes (19) , y las capas superconductoras (3) y las capas de estabilización (5, 5) se subdividen en filamentos (20, 20) .

12. Método según la reivindicación 11, caracterizado porque la aplicación de capas se efectúa a través de electrólisis, soldadura, evaporación en vacío, pulverización catódica y/o descomposición térmica de compuestos de metal en la fase de vapor, y/o la subdivisión de las capas superconductoras (3) y la subdivisión de las capas de estabilización (5, 5) en filamentos (20, 20) se efectúa a través de tratamiento con láser y/o corrosión, en especial corrosión química, de surcos (6) que respectivamente atraviesan una capa.

13. Método según la reivindicación 12, caracterizado porque los surcos (6) están conformados en un ángulo de entre 1 y 5 grados entre la primera dirección (21) del sustrato (2) en forma de cinta y la segunda dirección (22) de, al menos, un filamento (20, 20) , y los filamentos (20, 20) están conectados eléctricamente en los dos materiales soporte (16, 17) en forma de cinta mediante los bordes (19) , de manera que se forman rutas de corriente en forma de espiral.

14. Método según la reivindicación 11, caracterizado porque la aplicación de capas se efectúa a través de estampado a presión, contracolado, soldadura, evaporación en vacío, pulverización catódica y/o descomposición térmica de compuestos de metal en la fase de vapor, donde una estructura del filamento (20, 20) se conforma de forma directa.

15. Método según una de las reivindicaciones 11 a 14, caracterizado porque los dos materiales soporte (16, 17) en forma de cinta se encuentran separados uno del otro a través de un estrato intermedio (29) resistente al calor, aislante y/o a través de un hueco de aire, en particular a través de la soldadura (25) de dos materiales soporte (16, 17) en forma de cinta, a través del plegado de una banda soporte en forma de cinta en dos bandas (16, 17) situadas una sobre la otra, o a través del laminado de un tubo (24) , en particular antes de un paso de laminación de texturizado de los materiales soporte (16, 17) en forma de cinta.

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