專利名稱：限流裝置的制作方法
技術領域：
根據權利要求1的總構思，本發明涉及一種限流裝置。
背景技術：
根據權利要求1的總構思，本發明涉及的技術背景已在US-A-4,961,066中公開發表。在該專利中給出一種短路時快速限流的限流器，這種限流器具有棒形、管形和平面形的多層結構，它們各有一個絕緣載體，一個在其表面上制備的超導薄層以及一個在此薄層表面上制備的普通導體的電阻薄層。后面這兩層可以連續多次重復。其中非超導電阻的電阻值小于正常導電狀態下超導體的電阻。這種結構的缺點是在交流工作時有大的功耗以及有較長的導線。
另外，就有關的技術背景還可參閱專利EP-A1-0 406 636，在該專利中為了限制一個交流回流電路中的過電流，例如由于短路，設置一個限流器，其中在與高溫超導體并聯的支路中接入一個扼流圈。超導體安裝在扼流圈內，此外還與一個非超導體的分流電阻并聯。
發明簡述如權利要求1所述，本發明要解決的問題在于，進一步開發本文開始所述類型的限流裝置，使其作為電阻型限流既適于直流也適于交流使用。該裝置應能把短路時的過電流限制在預先設定的額定電流的若干倍以內。
本發明其它適用結構在有關從屬權利要求中闡述。
本發明的優點在于該限流裝置結構簡單、緊湊。限流器的超導部分具有模塊化結構，就是說超導體分成若干個單元，這些單元必要時可以單獨去掉和更換。
按照本發明的一種實用結構，限流器中用的導體復合體是由超導體和普通導體組成的，電感很小。通過適當的布線，在交流應用中可以大大減小所產生的交流損耗。
把限流裝置放入一個外部磁場，則該裝置也可以作為有源開關器件使用。其中利用了這樣的事實，即在磁場中臨界電流大大減小。因此，通過接入外部磁場可以使超導體中的電流降低到額定電流的若干分之一。
附圖簡述下面借助實施例進一步闡述本發明。下列附圖有

圖1為磁場線圈內限流器模塊式裝置的橫截面圖，圖2為圖1所示限流器橫截面圖，
圖3為圖2所示具有回形紋導體路徑的限流器超導體橫截面圖，圖4為限流器交流損耗曲線，和圖5-8為幾種不同薄層排列順序的限流器。
實施本發明的途徑附圖中相同部分用相同符號表示。
圖1示出在一個灌溉液氫的低溫恒溫槽(7)中4個相互平行排列的限流器以及限流器模塊(5)，在電路中它們彼此串聯并與導線(6)連接。工作時，導線(6)中有電流(I)，在過電流的情況下，例如由于短路，通過限流器模塊(5)該電流被限制在預先設定的額定電流(IN)的3-5倍范圍內。低溫恒溫槽(7)放置在磁場線圈(8)內。
圖2示出圖1所示限流器模塊(5)薄層結構。厚度為(d1)的圓盤狀陶瓷片或絕緣片(1)的第一主平面(1a)及其對面的第二主平面(1b)上各淀積一層薄的由銀構成的緩沖層(2)，其厚度在1-5μm范圍內。絕緣片(1)的材料可以考慮用可以買到的片狀絕緣材料，這種材料有足夠的熱穩定性，并在室溫與77k之間具有熱長時變化，該變化與超導體(3、3′)的變化是可比擬的。這里優先使用玻璃纖維增強的澆鑄樹脂片或MgO-陶瓷片。它們制備在緩沖層(2)上的最簡單的方法是用市場上通常銷售的膠粘劑。這步工藝對用銀質模具熔煉過而后去掉模具的超導體薄片(3、3′)是必要的；在鎳基合金或陶瓷上使用熔煉襯底時此片工藝可以省掉，鎳基合金和陶瓷在制成超導體(3、3′)后不必去掉，并可用作超導體片的機械穩定層。
在兩個緩沖層(2)上，以與這兩個緩沖層面接觸的形式制備圖3所示具有矩形橫截面和回形紋狀各厚dSL的高溫超導體或超導體片。其中，為了保證各超導體(3、3′)的電穩定性，其第一主平面(3a)與相應的緩沖層(2)要有良好的電接觸。兩個超導體(3、3′)有一相對層面間距或導體間距(Δ)。
為了保證各超導體(3、3′)的電學和熱學穩定性，其第二主平面與厚dNL的各非超導電阻以及普通導體(4、4′)的第一主平面(4a)應保持整個平面的良好導電接觸。在普通導體(4、4′)第一主平面(4a)對面的第二主平面用(4b)表示。適于用作普通導體(4、4′)的金屬主要是一些室溫電阻率＞10μΩcm、在-200℃還可延展的金屬。其中可優選考慮的金屬有錫、鋅、鉍與其合金以及鋼基或鎳基非磁性金屬。普通導體(4、4′)可以用電鍍法、火焰噴涂法、等離子體噴涂法、導電膠粘貼法、焊接法或燒結冷噴涂上的金屬粉法固定在超導體(3、3′)上。所選用的普通導體薄層(4、4′)的厚度應使其電阻約等于相鄰超導體薄層(3、3′)在非超導狀態下的電阻，例如層厚50μm普通導體的電阻相當于層厚dSL為1mm的超導體(3、3′)的電阻。在超導體(3、3′)的第二主平面(3b)與普通導體(4、4′)的第一主平面(4a)之間的平面接觸電阻率應該＜1mΩcm2，優選≤10μmΩcm2。
圖3所示為垂直切入圖2所示分層圖穿過其超導體(3)的截面圖。通過在一矩形、優先為一正方形超導體片內刻槽或刻出回形紋間隙(9)制成一個帶狀導體。為了與其實現電接觸，在這種導體的末端制造銀接觸區(10、11)。相鄰的回形紋間隙(9)有垂直距離(b)，它相當于一個回形紋路徑的寬度。制造回形紋最簡單的方法是用銑或鋸或激光切割或用水射流切割法從一側和另一側交替刻入。該項工藝可以在淀積普通導體(4、4′)之前也可以在作上機械穩定片、即絕緣體(1)之前進行。
在限流模塊(5)中回形紋狀超導體(3、3′)在絕緣體(1)的兩側是如此排列的，即在各相對的回形紋的路徑中電流(I)流動方向相反，所以固有磁場垂直于帶狀導體平面的分量相互抵消。從而實現限流器模塊(5)的低電感和低損耗。
圖4用回形紋路經寬度(b)與超導體(3、3′)厚度dSL的不同比值與交流損耗的關系曲線(12)及(13)示出在上述相反方向流動電流情況下出現的交流損耗。其中橫軸是以mm表示的導體距離(Δ)，縱軸是以mw/m交流功耗(p)與超導體(3、3′)的長度(1)之比。由交流損耗曲線(12)可以看到，對于b/dSL＝2交流損耗隨導體距離(Δ)的增加而減小，然而該損耗在b/dSL＝15時隨著導體距離(Δ)的增加而增加，見交流損耗曲線(13)。在限流模塊(5)中電流反向流動的結構只有在這樣的情況下才導致交流損耗隨導體距離(Δ)的增加而減小，即超導體(3、3′)的回形紋帶足夠薄，就是說比值b/dSL足夠大，直到該比值上升至臨界值3.5。對于b＜3.5×dSL的超導體回形紋帶電流反向流動將增加交流功耗而不是降低功耗。
圖5-8簡化示出不同薄層的順序，這些薄層順序可以代替圖2的薄層結構使用。其中用(NL)表示普通導體(4、4′、14、15)而用(SL)表示超導體(3、3′)。
根據圖5由一個普通導體(4、4′)和一個超導體(3、3′)組成的導體復合體或薄層復合體是這樣與絕緣體(1)或與各緩沖層(2)平面式連接的，即普通導體(4、4′)總是靠近絕緣體一側。
根據圖6由一個普通導體(4、4′)和一個超導體(3、3′)組成的導體復合體是這樣與絕緣體(1)或與各緩沖層(2)平面式連接的，即絕緣體(1)以其主平面之一與超導體(3)建立平面接觸，與圖2的結構相當，并以其另一主平面與普通導體(4′)連接，與圖5的結構相當。此外，可以設置另一個絕緣體(1′)，該絕緣體經一緩沖層(2)與超導體(3′)建立平面式連接。
圖1示出圖5所示的一種薄層結構，在這種結構中超導體(3、3′)的外表面與附加的普通導體(14)及(15)以導電良好的平面式接觸連接。
圖8示出一種限流器模塊(5)，該模塊在絕緣體(1)的一側具有圖7所示的薄層結構，而在另一側具有圖2所示的薄層結構。
在圖1所示限流器模塊(5)中，超導體(3、3′)電阻性地接入電路中。在某臨界電流密度(jc)下超導體(3、3′)處于超導狀態并且實際上沒有電阻。如果例如由于短路而超過臨界電流強度，那么超導體(3、3′)就過渡到其普通導電狀態。由此形成的電阻把電流限制在比短路電流小很多的數值。
重要的是超導體(3、3′)的幾何尺寸，其電的、熱的和機械的穩定性，工作時產生的交流損耗以及限流器模塊(5)之間的連接。
電和熱的穩定性用至少一個普通導體(4、4′、14、15)作為并聯導體來實現，該導體必須局部與超導體(3、3′)有良好的電和熱的接觸。這個旁路電阻(4、4′、14、15)在需要時可以局部地承受一部分超導體(3、3′)的電流并且從而防止該超導體過熱和毀壞。為了能夠有效地減輕超導體(3、3′)的負荷，旁路電阻(4、4′、14、15)不得大于超導體(3、3′)的普通電阻值。所以旁路電阻(4、4′、14、15)的厚度(dNL)必須滿足關系式dNL≥dSL×ρNL/ρSL，其中ρNL和ρSL表示旁路電阻(4、4′、14、15)及超導體(3、3′)的電阻率。因為旁路電阻(4、4′、14、15)應該承受盡可能多的熱量，所以人們對大的熱質量并因此而對高的電阻率ρNL感興趣。
在工作狀態下超導體(3、3′)必須能承受額定電流(IN)，此電流根據下式給出超導體橫截面積F的下限F≥1.414×IN/jc在限流狀態下，電流(I)應該最高上升到額定電流(IN)的n-倍，其中在實際應用時要求n的數值介于3和5之間。由這個要求得到超導體(3、3′)的最小導體長度(l)，其數值計算可根據l≥b×(dSL/ρSL+dNL/ρNL)×1.414×UN/(n×IN)其中UN表示一個未示出的電源的額定電壓，b表示由旁路電阻(4、4′、14、15)和超導體(3、3′)組成的導體復合體的條寬。
電流流過超導體(3、3′)引起的交流損耗強烈地依賴于局部磁場強度(固有磁場和可能的外部磁場)。在帶狀超導體(3、3′)的情況下，如圖1所用超導體，主要是垂直于帶狀導體平面的磁場分量對交流(p)有很不利的影響。所以導體的幾何尺寸必須是如此設計，即在超導體(3、3′)中的磁場主要與帶狀導體平面平行。在單個的通過電流的薄帶狀導體中，磁場在導體中大部分垂直于帶狀導體平面，其中交流功耗(p)對實際應用似乎是不可接受的。磁場垂直分量的有效減小可借助導體的幾何形狀予以實現，該幾何形狀由成對的垂直于帶狀導體平面并相距很近的具有僅平行于電流(I)的導體段組成。對于每個這樣的導體對，在導體中的磁場大部分平行于帶狀導體平面，這樣可以得到很小的交流功耗(p)。每個長度(l)的導體的交流功耗可由下式給出；p/l＝4×jc×[-A(Xez)×F+∫A(x)df]其中A(x)表示最大電流時的矢量勢，Xez表示所謂的帶狀超導體電中心，在該中心電場總是等于0，F表示帶狀導體的橫截面積。該積分包括整個導體截面F。上式表明當超導體(3、3′)帶狀平面的垂直間距(Δ)遠小于回形紋路經寬度(b)時電流逆向通導的方案是有效的。當Δ＞＞b時超導體(3、3′)就像兩個分立的、具有高交流功耗(p)的導體。當b＝2mm和dSL＝0.5mm時，采用逆向電流流動的方向可以使得交流功耗(p)下降2倍。反向電流的方案可采用回形紋狀或螺旋狀帶狀導體結構予以實現，見圖3。其中導體間距(Δ)優先選用Δ＜10mm。
圖2所示薄層結構示例1額定功率PN20kw，額定電壓UN200V，額定電流IN100A，最大電流Imax300A，臨界電流密度jc 1KA/cm2，導體寬度b 1.4cm，回形紋間隙(9)的寬度 1mm，每個模塊(5)的導體長度(l)126cm，總導體長度 8.8m，模塊(5)數量 7，77k時的交流功耗p0.62w。
以Bi∶Sr∶Ca∶Cu＝2∶2∶1∶2為基質的模塊狀結構高溫超導體(3、3′)厚(dSL)1mm，被制備在一個面積為10cm×10.4cm和厚(d1)為1mm的陶瓷片(1)的兩側。在陶瓷片(1)與超導體(3、3′ )之間有一個厚為2μm的銀層(2)。銀層同時作為電學穩定器(旁路電阻)和超導體(3、3′)與陶瓷襯底(1)之間的化學隔離層。在超導體(3、3′)的另一側淀積厚度(dNL)為10μm的鉛層(4、4′)，該鉛層同樣對電學穩定作出貢獻。
根據圖3，對陶瓷片兩側的超導體層切割出回形紋間隙(9)。在陶瓷片(1)兩側的的兩個導體路徑(3、3′)電學上是如此連接的，即直接相對著的分帶狀導體中的電流(I)逆方向平行流動。從而實現減小交流功耗(p)的反向電流效應。
示例2圖1所示裝置的開關功能。
如圖1所示，當把示例1的限流器模塊(5)放入一個環繞它的磁場線圈(8)時，本發明裝置可以作為有源開關器件使用。當接通磁場時在超導體(3、3′)中的臨界電流密度(jc)減少，從而使超導體(3、3′)過渡到電阻性狀態。這樣可使電流(I)減少到額定電流(IN)的若干分之一。根據超導體(3、3′)的具體結構臨界電流密度(jc)在如下情況下減少的最多，即所加磁場垂直于帶狀超導體平面，如圖1所示。
超導體薄片(1)的制造成分為BiaSrbCacCudOe的超導體粉末，其中a、b、d＝1.8-2.2，c＝0.8-1.2，e＝7.5-8.5，該粉末以干燥的形式或作為某種液體的懸浮液灌入一個適當的扁平模具中。在一優選的實施方法中該超導體粉末混入濃度范圍為0.5％～5％的銀粉和/或Bi2O3粉，這些摻雜物對粉末的熔化和熔體的致密性有良好的影響。作為熔體的模具可采用這樣的材料，即該材料在粉末熔化期間不與粉末反應并且溫度在900℃左右時模具形狀保持不變。已用過的模具有銀片制成的，還有用具有銀和陶瓷片保護層的鎳合金制成的，該陶瓷片由氧化鎂和起穩定作用的氧化鋯構成。金屬模具可以容易地，例如采用深度拉伸或折疊，作上一個約10mm高的邊緣。緩沖層(2)或粘合劑曾使用了導電銀膏。填料高度是這樣選擇的，即在100％粉末的致密性情況下經熔化而得到0.3mm-3mm的厚度(dSL)。為了獲得所需電流密度和均勻性，使用盡可能高的所謂的粉末綠色密度是有益的，該密度是經對疏松的粉末制片經單軸再擠壓得到的。為此10MPa的壓力是足夠的。關于熔化方法在專利DE-A1-4 234 311中已有敘述。
電穩定層的制備人們給在銀或陶瓷模具中制成的超導體薄片(1)作上起電穩定層作用的金屬化層(4、4′、14、15)。為此超導體薄片(1)的銀必須去掉，這可以在金屬化之前或作上一個機械穩定層之后進行。
在使用鍍銀的鎳基合金熔煉模具時，如果銀-鎳基合金組合體的電阻已經相當于超導體(3、3′)的電阻，則可以不需要另外的電穩定層。
示例3由一塊厚100μm的銀片用手折疊成邊高6mm的100mm×100mm大小的正方形熔煉模具。該熔煉模具每次灌入含60g粉末狀Bi2Sr2Ca2Cu2O8+δ的乙醇懸浮液，其中0≤δ≤0.3。在液體揮發之后的粉末制片用2GPa的壓力單軸擠壓增密。然后將該樣品在氧氣氛下熱處理，該熱處理是由在900℃下持續時間在20h-80h范圍內的熔煉工藝組成的。結果曾得到均勻、致密的約1mm厚的超導體薄片(3、3′)，從這些片上可以容易地把銀剝落。在這些超導體薄片(3、3′)上曾借助火焰噴涂法為了電穩定性而淀積厚為50μm的錫層。然后曾把這些超導體薄片貼在一塊鋁片上并用水射流切割法切割出回形紋，借此得到截面為14mm×1mm和長約70cm的導體。在從鋁片上取下之后每兩個超導體薄片(3、3′)是這樣相互對準的，即其在陶瓷片(1)的正面和反面的導電路徑相互平行而且其末端與銀接觸(10、11)重疊放置。銀接觸(10、11)是用加銀的環氧樹脂粘合劑粘貼的；用這些銀接觸可使導體末端低阻串聯。加銀的環氧樹脂粘貼的接觸電阻率為0.05μΩcm2。在電流(I)為1KA時限流器模塊(5)形成一個5Ω的電阻。
選擇限流器模塊(5)的導體間距(Δ)與回形紋路經寬度(b)之比＜0.5，優選小于0.1，是有利的。
符號表1、1′絕緣體、陶瓷片1a、1b1、1′的第一及第二主平面2 緩沖層、銀層3、3′超導體、高溫超導體3a、3b3、3′的第一及第二主平面4、4′、14、15非超導電阻、與3、3′并聯的分流電阻4a、4b4、4′的第一及第二主平面5 限流器模塊、限流器6 電流導線7 低溫恒溫器8 磁場線圈9 回形紋間隙10、11銀接觸區12、13交流損耗曲線b 回形紋路徑寬度、3、3′的導帶寬度、導體復合體的條寬dNL4、4′、14、15的厚度dSL3、3′的厚度d11的厚度I 電流l 導體長度NL普通導體P 交流功耗SL超導體Δ導體的距離、SL薄層的間距
權利要求
1.限流裝置a)具有至少一個超導體(3、3′)和b)具有至少一個非超導分路電阻(4、4′、14、15)與超導體(3、3′)并聯，c)其中超導體(3、3′)經至少第一主平面(3b)與分路電阻(4、4′、14、15)的第一主平面(4a)形成平面接觸并與此組成一導體復合體和d)絕緣片(1、1′)的至少第一主平面(1a)與導體復合體平面接觸，其特征在于，e)絕緣片(1)的第二主平面也與由超導體(3、3′)和分路電阻(4、4′、14、15)組成的導體復合體平面接觸。
2.根據權利要求1所述裝置，其特征在于，a)超導體(3、3′)與分路電阻(4、4′、14、15)間的面接觸電阻率＜1mΩcm2，b)特別是，超導體(3、3′)和分路電阻之間的接觸電阻率＜10μΩcm2。
3.根據上述權利要求之一所述裝置，其特征在于，絕緣片(1、1′)的至少一個主平面(1a、1b)經一分路電阻(4、4′、14、15)的第一主平面(4b)與由一超導體(3、3′)和一分路電阻(4、4′、14、15)組成的導體復合體平面接觸。
4.根據權利要求3所述裝置，其特征在于，超導體(3′)經其兩主平面其中之一與另一絕緣片(1′)的一主平面平面接觸。
5.根據上述權利要求之一的裝置，其特征在于，絕緣片(1、1′)的至少一主平面(1a、1b)經一導電的和起化學隔離作用的緩沖層(2)與這種導體復合體處于平面接觸。
6.根據權利要求5所述裝置，其特征在于，緩沖層(2)是一厚度在1μm-5μm范圍內的銀層。
7.根據上述權利要求其中之一所述裝置，其特征在于，a)每個導體復合體都制成帶狀并且b)在絕緣片(1)的兩個主平面(1a、1b)上排列的導體復合體是如此相互電學連接的，即導體復合體直接相對的帶狀導體中的電流(I)反向平行流動。
8.根據權利要求7所述裝置，其特征在于，a)每個導體復合體都制成回形紋狀，b)回形紋路徑寬度b＞3.5×dSL，c)特別是，b＞10×dSL，dSL等于超導體(3、3′)的厚度。
9.根據上述權利要求其中之一所述裝置，其特征在于，a)限流器模塊(5)的兩個超導體(3、3′)之間的間距(Δ)與超導體(3、3′)的任一個或指定的一個回形紋路徑寬度(b)之比＜0.5，b)特別是該比值＜0.1。
10.根據上述權利要求其中之一所述裝置，其特征在于，a)分路電阻(4、4′、14、15)的電阻值不大于與其連接的處于其非超導狀態的超導體(3、3′)的電阻值，并且b)超導體(3、3′)的最小長度(l)滿足l≥b×(dSL/ρSL+dNL/ρNL)×1.414×UN/(n×IN)其中dSL是超導體(3、3′)的厚度，dNL是分路電阻(4、4′、14、15)的厚度，ρSL和ρNL是超導體(3、3′)及分路電阻(4、4′、14、15)的電阻率，IN是額定電流，n是最大容許電流與IN之比值，UN是電源額定電壓和b是旁路電阻(4、4′、14、15)與超導體(3、3′)組成的導體復合體的條寬。
全文摘要
為了限制在電路中、例如由短路產生的過電流，在電路中接入一個限流器，該限流器可把過電流限制在預先設定的額定電流的若干倍以內。本發明的結構簡單而緊湊的限流器在一個片狀絕緣體(1)的兩側各有一個由高溫超導體(3、3′)和普通導體(4、4′)組成的、并用導電良好的平面接觸相互連接在一起的導體復合體。在此導體復合體與絕緣體(1)之間具有一個起化學隔離作用的、2μm厚的銀緩沖層。該導體復合體可以用超導體一側或用普通導體一側與絕緣體實現平面接觸。分路電阻(4、4′)的電阻值不應大于與其相連接的超導體(3、3′)的電阻值。每個導體復合體都制成回形紋狀，并且相互如此電氣連接，即位置直接相對的導體復合體各分段中電流反向平行流動。
文檔編號H01L39/20GK1138389SQ95191180
公開日1996年12月18日 申請日期1995年9月25日 優先權日1994年9月29日
發明者T·包曼, W·保羅, J·萊納 申請人:Abb研究有限公司