Superconductor de alta temperatura de enfriamiento rápido controlado.

Componente superconductor de alta temperatura, en el que el componente superconductor de alta temperatura es un componente voluminoso,

en el que sobre la superficie del componente (1) superconductor de alta temperatura se proporciona al menos una zona con un espesor de pared reducido para formar un punto débil predeterminado y en el que se proporciona una derivación (6) eléctrica en la zona con espesor de pared reducido.

Superconductor de alta temperatura de enfriamiento rapido controlado.

La presente invención se refiere a componentes superconductores de alta temperatura (hts) que son capaces de enfriarse rapidamente de una manera controlada y protegerse frente a una fusión local.

Los superconductores de alta temperatura se caracterizan por su propiedad de transportar corriente sin perdidas cuando se enfrian por debajo de una temperatura especifica para el respectivo material superconductor de alta temperatura, denominandose dicha temperatura la temperatura critica. Debido a esta singular propiedad los superconductores de alta temperatura se pueden utilizar ventajosamente en una amplia gama de aplicaciones, por ejemplo, en la fabricación de transformadores superconductores de alta temperatura, bobinados, imanes, limitadores de corriente o conductores electricos.

El aumento de temperatura somete el material superconductor de alta temperatura a una transición a su estado normal de conductividad, denominandose dicha transición "enfriamiento rapido". En su estado de conductividad normal un material superconductor tiene altas propiedades 6hmicas. Este efecto se utiliza en limitadores de corrientes de defecto.

Se puede lograr el mismo efecto si un campo magnetico o corriente aplicados a un material superconductor de alta temperatura enfriado se mejoran con respecto al valor critico (campo magnetico critico (Bc) y corriente critica (Ic) , respectivamente) en el cual el material superconductor de alta temperatura tambien se enfria rapidamente y alcanza la conductividad normal.

Estos efectos o una combinación de estos efectos se pueden utilizar, por ejemplo, para disefar un limitador de corrientes de defecto auto-controlador basado en material superconductor de alta temperatura.

Sin embargo, experimentos con corriente de alta intensidad aplicada a materiales superconductores de alta temperatura han mostrado que, con frecuencia, surgen problemas termo-mecanicos que pueden conducir a la destrucción de los componentes superconductores de alta temperatura.

Los materiales superconductores de alta temperatura, normalmente de naturaleza ceramica, en la practica no son perfectamente homogeneos sino que presentan faltas de homogeneidad en el material tales como orificios de soplado, ampollas y poros, respectivamente, fases con propiedades no superconductoras (fases secundarias) o pequefas fisuras (micro-fisuras) . La extensión geometrica de estas faltas de homogeneidad pueden ir desde el tamafo de alrededor de una micra hasta un milimetro.

Las zonas de estas faltas de homogeneidad difieren en relación a las propiedades superconductoras tales como la temperatura critica, la corriente critica y el campo magnetico critico de las zonas sin defectos.

En consecuencia, en caso de flujo de corriente a traves de un superconductor de alta temperatura refrigerado las zonas con materiales no homogeneos pueden cambiar localmente al estado de conductividad normal. El incremento local de resistencia en estas zonas se traduce en un excesivo incremento del flujo de corriente en las areas circundantes superconductoras del material superconductor de alta temperatura. El citado incremento local de la corriente se asocia con la generación de calor.

A su vez, las areas calientes empiezan a enfriarse rapidamente debido al incremento de temperatura. Este proceso es auto-desencadenante y produce avalanchas y finalmente se traduce en la formación de fisuras en el material superconductor de alta temperatura debido al esfuerzo termo-mecanico. En la fase final puede saltar un arco electrico en las fisuras (alrededor de 10.000 OK) , lo que conduce a la destrucción de la totalidad del area alrededor de la zona caliente (punto caliente) debido a la fusión local.

Todo el proceso es extraordinariamente breve y tiene lugar en unos sesenta milisegundos solamente.

Para evitar la formación de estos puntos calientes se sabe cómo proporcionar al componente superconductor de alta temperatura un by-pass electrico denominado derivador de corriente (shunt) . Este by-pass puede ser una capa de un metal conductor electrico como la plata (Ag) aplicado en la superficie del componente superconductor de alta temperatura. En caso de sobreintensidad, cuando el material superconductor de alta temperatura o una parte del mismo empieza a enfriarse rapidamente y a presentar resistencia se deriva la corriente excesiva hacia el derivador de corriente y en consecuencia se evita la formación de puntos calientes.

Sin embargo, por ejemplo en componentes superconductores de alta temperatura voluminosos, como varillas o tubos, para proporcionar una protección eficaz de la totalidad del componente superconductor de alta temperatura frente a la formación de puntos calientes el by-pass debe cubrir toda la superficie del componente superconductor de alta temperatura y rodear todo el perimetro. De lo contrario, en zonas no cubiertas por el by-pass permanece el riesgo de formación de puntos calientes.

Por otra parte, si se cubre la totalidad del perimetro mediante un derivador de corriente se pueden inducir corrientes circulares en el material del derivador. Estas corrientes inducidas no son deseables ya que, a su vez, generan un

campo magnetico y calor que pueden perjudicar el funcionamiento de los componentes superconductores de alta temperatura y de la aplicación, respectivamente, de la que forme parte el componente superconductor de alta temperatura.

Ademas de componentes superconductores de alta temperatura voluminosos se conocen componentes superconductores de pelicula fina.

Tipicamente, los superconductores de pelicula fina son cables o cintas compuestos de un sustrato sobre el que se aplica una capa fina de material superconductor. De forma similar a las estructuras voluminosas para derivar una corriente excesiva la capa superconductora de alta temperatura se puede cubrir con un derivador de corriente.

La patente EP 1 383 178 se refiere a este limitador de corrientes de defecto de superconductores de pelicula fina disefado para enfriarse rapidamente de forma controlada sin formación de puntos calientes en caso de una situación de fallo.

A lo largo de la longitud de las zonas de cinta de menor anchura se incluyen las denominadas restricciones, que se separan por zonas de anchura original de la cinta. Mediante la selección adecuada de la longitud y la sección transversal de la capa superconductora en la restricción en un lado y en las zonas entre las mismas se consigue un enfriamiento rapido simultaneo de las restricciones durante el periodo inicial de una situación de fallo, evitando asi una concentración de energia disipada en solamente una zona. Ademas, variando el espesor de la capa del by-pass de las restricciones y de las zonas entre las mismas se puede ajustar la resistencia para permitir a las restricciones empezar a disipar ya en el periodo inicial mientras las zonas entre las mismas adquieren conductividad normal solamente en tiempos mas largos

Aqui, la capa de derivación cubre la capa superconductora de alta temperatura en toda su anchura.

De forma similar, la patente JP 5022855 sugiere proporcionar una pluralidad de zonas con sección transversal reducida a lo largo de la extensión de un superconductor de una manera regular. En el caso de corrientes de defecto, estas zonas de sección transversal reducida se enfrian ya simultaneamente con rapidez en el periodo inicial de la situación de fallo, limitando por lo tanto el exceso de corriente. Durante el curso del fallo el calor generado en dichas zonas de sección transversal reducida se expande a la zona entre las mismas y provoca un enfriamiento rapido uniforme de estas zonas. No se describe el derivador de corriente.

Tambien la patente DE 100 14 197 se refiere a los limitadores de corriente de defecto de superconductores de pelicula fina y al fomento del enfriamiento rapido uniforme. De nuevo, se distribuyen puntos debiles artificiales sobre toda la superficie de la capa superconductora. Estos puntos debiles se pueden generar por la reducción del espesor de la capa o por reducción de la densidad de la corriente critica mediante, por ejemplo, dopaje con impurezas.

Para derivar una corriente excesiva y promover la expansión del calor generado se cubre la totalidad de la superficie de la cinta con un material de derivación.

En ninguno de estos documentos se tratan los problemas... [Seguir leyendo]

1. Componente superconductor de alta temperatura, en el que el componente superconductor de alta temperatura es un componente voluminoso, en el que sobre la superficie del componente (1) superconductor de alta temperatura se proporciona al menos una zona con un espesor de pared reducido para formar un punto debil predeterminado y

en el que se proporciona una derivación (6) electrica en la zona con espesor de pared reducido.

2. Componente superconductor de alta temperatura de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la al menos una zona con espesor de pared reducido es una depresión (5) en la superficie del componente (1) superconductor de alta temperatura.

3. Componente superconductor de alta temperatura de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado porque

una pluralidad de depresiones (5) se distribuye sobre toda la superficie del componente (1) superconductor de alta temperatura.

4. Componente superconductor de alta temperatura de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la al menos una depresión (5) tiene una extensión lineal, redonda, ovalada o cubierta.

5. Componente superconductor de alta temperatura de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, 15 caracterizado porque la derivación (6) electrica se cubre con una derivación (7) termica.

6. Componente superconductor de alta temperatura de acuerdo con la reivindicación 5, en el que sobre la superficie de la derivación (7) termica se proporcionan medios (9) para aumentar el area superficial.

7. Componente superconductor de alta temperatura de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado porque los medios (9) para aumentar el area superficial de la derivación (7) termica son hendiduras.

8. Componente superconductor de alta temperatura de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el componente (1) superconductor de alta temperatura es un tubo o una varilla.

9. Componente superconductor de alta temperatura de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el componente se puede obtener por compresión o por un proceso de fundición.

10. Componente superconductor de alta temperatura, de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones

precedentes, caracterizado porque la al menos una depresión (5) se extiende a lo largo del perimetro del componente (1) superconductor de alta temperatura.

11. Utilización de un componente superconductor de alta temperatura de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes en la fabricación de transformadores superconductores de alta temperatura, bobinados, imanes, limitadores de corriente o conductores electricos.