Die Erfindung betrifft einen isolierten Hochtemperatur-Bandsupraleiter und ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Supraleiter sind Materialien, die unterhalb einer kritischen

Temperatur T _c keinen messbaren Widerstand aufweisen. Supraleitende Materialien besitzen außerdem einen kritischen Strom I _c , oberhalb dessen das Material normalleitend und unterhalb dessen das Material supraleitend ist. I _c hängt von der Temperatur und dem externen magnetischen Feld ab.

Materialien mit einer kritischen Temperatur > 20 K werden als

Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) bezeichnet. Wegen des dünnen Aufbaus sind Hochtemperatur-Supraleiter der 2. Generation (2G HTS) für diese Isolierung besonderes geeignet. Diese weisen supraleitende Schichten mit eine Dicke von 1-10 ym auf, bevorzugt aus Yttrium-Barium-Kupferoxid (YBCO) , die auf ein 10-200 pm dickes, elektrisch leitfähiges Substrat, insbesondere aus einer Nickel-Chrom-Molybdän-Legierung, bekannt als Hastelloy C216, oder aus einer Nickel-Wolfram-Legierung, aufgebracht sind. Die Fa. SuperPower Inc., zeigt den Aufbau eines 2G HTS-Bands auf seiner Internet-Seite http : //www . superpower- inc . com/content/2g-hts-wire .

In den supraleitenden Komponenten resistiver Strombegrenzer erfolgt die Anordnung der Hochtemperatur-Bandsupraleiter der 2. Generation typischerweise in flachen bifilaren pancake Spiralen, wie von W.

Schmidt und H.-P. Krämer im IV. Braunschweiger Seminar für Hochtemperatursupraleiter-Anwendungen, 2009, vorgetragen; siehe Seite 12 des Vortrags unter http : //www . tu-braunschweig . de/Medien-DB/iot/8- supraleitende-strombegrenzer-aus-ybco-bandleitern-h-p-kraeme r . pdf Bei einer Konzipierung der Isolation dieser bifilaren Spiralen sind die folgenden physikalischen Effekte zu beachten:

- Bei Stromfluss durch Windungen der Spiralen wirken Lorentz-Kräfte, die in radialer Richtung symmetrierend wirken. In axialer Richtung wirken unvermeidbare kleinste Asymmetrien im Aufbau der Spirale jedoch destabilisierend (Kraftwirkung bei benachbarten Leitern in entgegengesetzte axiale Richtung), wobei gilt: Je größer die

Asymmetrie, desto größer die Kraft.

- Beim Einsatz einer Wechselfrequenz vibriert der Leiter mit der doppelten Frequenz, d.h. bei einer angelegten Netzfrequenz von 50 Hz treten 100 Hz-Vibrationen im Leiter auf.

- Beim Quenchen im Stickstoffbad wirken zusätzlich Gasbildung und Druckaufbau auf den Leiter. Beim Verdampfen von flüssigem Stickstoff entsteht das ca. 700-fache Volumen an Gas, d.h. die unter die

Isolierung eingedrungene Flüssigkeit kann beim Quenchen die

Isolierung aufblasen und schädigen.

In bifilaren Spiralen ist eine Hochspannungsisolierung mit einer den Spannungsangaben angepassten Nutzdicke erforderlich. Bekannte

Isolationsverfahren für die Hochtemperatursupraleiter sind Umwicklung, Lackierung oder Koextrusion, die jedoch insgesamt Probleme mit der scharfen Kante des 2G HTS aufweisen. Aufgrund der genannten 100 Hz-Vibrationen bewirken scharfe Kanten die Gefahr des Aufscheuerns mit Beschädigung der dünnen Isolationsschicht im Bereich der Kante.

Umwicklungen sind wegen des scharfen Knicks an der Kante eines Bands nur mit sehr dünnen Isolationslagen möglich. Überlappungen sind unvermeidlich, wodurch ein Leiter mit unregelmäßiger Dicke erhalten wird. Dies zeigt sich beispielhaft auf dem Datenblatt Amperium Wire Insulation (09/2010) der Fa. American Superconductor, das im Internet erhältlich ist unter

http : //www . amsc . com/products/htswire/InsulatedWire . html .

Auch eine Isolierung durch Lackierung ist schwierig herzustellen, da z.B. bei einem 100 pm dicken Leiter eine 100 μπι dicke Lack-Schicht nicht realisierbar ist.

Koextrusion für Hochtemperatur-Supraleiter ist bekannt aus WO

01/61712 AI und WO 03/073439 AI.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, die

Nachteile und Einschränkungen des Stands der Technik zu überwinden.

Insbesondere soll sich eine Isolierung für ein Band eines Hochtemperatur-Bandsupraleiters der 2. Generation aus einer einzigen, ausreichend dicken, glatten und homogenen Isolationsschicht herstellen lassen, die die notwendige Spannungsfestigkeit besitzt und die sich im Rahmen einer Qualitätskontrolle vor einer Auftragung auf ihre Hochspannungsfestigkeit in Bezug auf Risse, Poren, Defekte durch Fremdeinschlusse testen lässt. Mit einer derartigen Isolierung sollten die Ränder (Kanten) des Hochtemperatur-Bandsupraleiters besser geschützt werden, insbesondere sollten sie nicht direkt den genannten axialen Lorentz-Kräften ausgesetzt sein.

Diese Aufgabe wird im Hinblick auf den isolierten Hochtemperatur- Bandsupraleiter durch die Merkmale des Anspruchs 1 und im Hinblick auf ein Verfahren zu seiner Herstellung durch den Schritt des

Anspruchs 7 gelöst .

Erfindungsgemäß weist ein isolierter Hochtemperatur-Bandsupraleiter ein Band aus einem nicht isolierten Hochtemperatur-Bandsupraleiter auf, dessen Breite mindestens das 10-fache seiner Dicke beträgt und worin ein Hochtemperatur-Supraleiter in eine Matrix eingebracht oder auf ein Substrat aufgebracht ist, das beidseitig mit einer elektrisch nicht leitenden Isolationsschicht, bevorzugt einer polymeren Folie, besonders bevorzugt aus Polyinmid versehen, vorzugsweise laminiert, ist . Im Folgenden bezeichnen:

B Breite des isolierten Hochtemperatur-Bandsupraleiters;

D Dicke des isolierten Hochtemperatur-Bandsupraleiters;

b Breite des Bands aus dem nicht isolierten Hochtemperatur- Bandsupraleiter; und

d Dicke des Bands aus dem nicht isolierten Hochtemperatur- Bandsupraleiter .

Die beiden Isolationsschichten sind derart auf das Band aus dem nicht isolierten Hochtemperatur-Bandsupraleiter aufgebracht, dass bei geforderter Hochspannungsfestigkeit die in Bezug auf das Band

überstehende Isolationsrandbreite (B-b) ausreicht, um einen

Überschlag über einen Kriechweg auszuschließen, und zwar auch dann noch, wenn die Verklebung des Überstandes durch Gasentwicklung geschädigt oder völlig gelöst sein sollte.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung sind die beiden

Isolationsschichten derart auf das Band aus dem nicht isolierten Hochtemperatur-Bandsupraleiter aufgebracht, dass bei geforderter Hochspannungsfestigkeit

- die Dicke der beiden Isolationsschichten (D-d) zwischen zwei benachbarten Bändern ausreicht, damit kein Durchschlag durch zwei benachbarten Isolationsschichten auftritt;

- die Adhäsion (Verklebung) zwischen der Isolationsschicht und dem Band so gewählt ist, dass weder das Band noch die Isolationsschicht durch die Ablösung der Isolierung durch ein Quenchen degradieren kann; und

- die überstehenden doppelten Isolationsränder in der Lage sind, die oben genannten Lorentz-Kräfte sicher zu beherrschen.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung nimmt die gemeinsame Dicke (D-d) der beiden Isolationsschichten (2, 2 ^λ ) einen Wert im

Bereich von 20 μιη bis 2 mm an.

Die die in Bezug auf das Band überstehende Isolationsrandbreite von 2 mm bis 200 mm, bevorzugt von 2 mm bis 40 mm, kann in Bezug auf das Band symmetrisch, d.h. gleich breit auf jeder Seite, oder asymmetrisch, d.h. unterschiedlich breit auf jeder Seite, sein. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist die die in Bezug auf das Band überstehende Isolationsrandbreite symmetrisch in Bezug auf das Band und die Größe (B-b) /2 weist auf jeder Seite einen Wert im Bereich von 1 mm bis 100 mm, bevorzugt von 1 bis 20 mm auf.

Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur

Herstellung des erfindungsgemäßen isolierten Hochtemperatur- Bandsupraleiters. Hierzu wird jeweils eine elektrisch nicht leitende Isolationsschicht auf beide Seiten eines Bands aus einem nicht isolierten Hochtemperatur-Bandsupraleiters aufgebracht, dessen Breite mindestens das 10-fache seiner Dicke beträgt und worin ein

Hochtemperatur-Supraleiter in eine Matrix eingebracht oder auf ein Substrat aufgebracht ist.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung wird eine Isolationsschicht auf eine Seite des Bands oder jeweils eine Isolationsschicht auf jede Seite des Bands auflaminiert . In einer

bevorzugten Ausgestaltung erfolgt das Laminieren mit einem Heißkleber oder einem Heißsiegelkleber bei einer Reaktionstemperatur im Bereich von 100 °C bis 250 °C, die jeweils auf die dem Band zugewandten Seite der mindestens einen Isolationsschicht als Schicht aufgebracht wird.

Die vorliegende Erfindung weist insbesondere die folgenden Vorteile und besonderen Wirkungen auf.

- Die erfindungsgemäß isolierten Hochtemperatur-Bandsupraleiter sind ausreichend gegen Durchschlag und gegen Überschlag gesichert;

- die empfindlichen Oberflächen des Bands sind jeweils mit einer Isolationsschicht versiegelt und gegen Abscheuern sowohl am Rande als auch auf der Fläche geschützt;

- die Laminierung trägt homogen auf und fängt daher etwaige Kräfte in axialer Richtung besser ab;

- im Unterschied zur Isolations-Bewicklung ist es möglich, mit nur einer einzigen Isolationsschicht pro Fläche eine genügend hohe

Isolierung zu erhalten;

- anders als bei Umwicklungen treten hier keine mechanischen

Restspannungen auf, die den Leiter verformen können;

- eine Laminierung ist gegenüber einer Koextrusion weniger aufwändig und lässt sich einfacher auch bei dünnen scharfkantigen Bändern aufbringen.

In bestimmten Anwendungen wie z.B. in Zwillingsanodnung ist eine Isolation nur in einer Richtung erforderlich. Deshalb müssen die auf beiden Seiten des Bands aufgebrachten Folien hier nicht identisch sein, insbesondere nicht bzgl. ihres Materials und ihrer Dicke.

In einer besonderen Ausgestaltung haftet die Isolationsschicht nicht auf dem Band. In diesem Fall genügt es, nur eine der beiden Folien mit einer Schicht aus einem Kleber zu belegen.

Erfindungsgemäß lässt sich auch ein Band aus einem nicht isolierten Hochtemperatur-Bandsupraleiter der 1. Generation einsetzen, das eine wesentlich höherer Dicke aufweist. In dieser Ausgestaltung sind die Isolationsschichten bevorzugt mit einer für den Leiter vorgesehenen Nut vorstrukturiert.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels und den Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen im Einzelnen:

Fig. 1 Schematische Darstellung eines isolierten Hochtemperatur- Bandsupraleiters ;

Fig. 2 Querschnitt durch einen isolierten Hochtemperatur- Bandsupraleiter;

Fig. 3 Querschnitt durch zwei aufeinander gelegte isolierte Hochtemperatur-Bandsupraleiter mit Darstellung eines Hochspan- nungs-Durchschlags ;

Fig. 4 Querschnitt durch zwei aufeinander gelegte isolierte Hochtemperatur-Bandsupraleiter mit Darstellung eines Kriechweg bei einem Überschlag. Fig. 1 zeigt in schematischer Schrägaufsicht einen erfindungsgemäß isolierten Hochtemperatur-Bandsupraleiter, bei dem auf beide Seiten eines Bands (1) aus einem nicht isolierten Hoch-temperatur-Bandsupra- leiter jeweils eine Isolationsschicht (2, 2 ^Λ ) aufgebracht ist. Zur Illustration ist hierbei eine der beiden Isolationsschichten (2) ein Stück weit vom Band (1) abgelöst dargestellt.

Das eingesetzte Band (1) war 50-150 μπι dick und wies eine 1-3 μπι dünne Schicht aus supraleitendem Yttrium-Barium-Kupferoxid (YBCO) auf, die auf ein elektrisch leitfähiges Substrat aus der Nickel- Chrom-Molybdän-Legierung Hastelloy C276 aufgebracht war. Als

Isolationsschicht (2, 2 ) diente das Polymer Polyimid, das mit einem Polyesterharz-Heißsiegelkleber beschichtet war. Als Reaktionstemperatur für die Laminierung wurde ein Wert von ca. 130 °C gewählt.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch einen isolierten Hochtemperatur- Bandsupraleiter. Das Band (1) aus dem nicht isolierten

Hochtemperatur-Bandsupraleiter ist auf jeder seiner beiden Seiten mit einer Isolationsschicht (2, 2 ) in Form einer Folie versehen. Die Tatsache, dass dass hier mindestens eine der beiden

Isolationsschichten (2, 2 ) auf der dem Band (1) zugewandten Seite mit einer Schicht aus einem Kleber belegt ist, ist aufgrund der geringen Dicke dieser Schicht nicht dargestellt.

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch zwei aufeinander gelegte

isolierte Hochtemperatur-Bandsupraleiter. Die gemeinsame Dicke (D-d) der beiden Isolationsschichten (2, 2 ) ist so gewählt, um einen

Durchschlag (3) durch zwei benachbarte Isolationsschichten (2 2 ) bei der eingesetzten Hochspannung auszuschließen.

Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch zwei aufeinander gelegte

isolierte Hochtemperatur-Bandsupraleiter. Die in Bezug auf das Band (1) überstehende symmetrische Randbreite (B-b) /2 jeder Isolationsschicht (2, 2 ^Λ ) auf jeder der beiden Seiten betrug 4 mm. Dieser Wert wurde so gewählt, um einen Überschlag durch Ausbildung eines Kriechwegs (4) mit einer Länge (B-b) zwischen den beiden benachbarten Bändern (1, 1') auszuschließen, und zwar auch dann noch, wenn die Verklebung der überstehenden Randbreite durch Gasentwicklung geschädigt oder völlig gelöst sein sollte.