ES2281009T3 - Banda superconductora de material compuesto y el correspondiente metodo de fabricacion. - Google Patents
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Abstract
Una banda superconductora de material compuesto (1) superconductor comprendiendo un sustrato (2) y una capa (5) hecha de material superconductor, comprendiendo dicha capa de material superconductor (5) una multitud de filamentos superconductores 11, que son sustancialmente paralelos entre sí y paralelos a un eje longitudinal (A) de la banda, y que están separados entre sí, estando la banda caracterizada porque comprende un recubrimiento (30) hecho de un material de recubrimiento conductor, estando los filamentos (11) empotrados en el recubrimiento (30), y porque cada filamento (11) está limitado por una pareja de paredes laterales (15) dotadas de barreras resistivas (25).
Description
Banda superconductora de material compuesto y el
correspondiente método de fabricación.
La presente invención se refiere a una banda
superconductora de material compuesto y a un método para la
fabricación de la misma.
Las bandas superconductoras de material
compuesto (también llamadas "conductores recubiertos") tienen
considerable interés industrial. En general, las bandas
superconductoras de material compuesto están formadas por un
sustrato metálico flexible, una o más capas intermedias de barrera
o tampón y una capa hecha de material superconductor, por ejemplo
RE-Ba_{2}Cu_{3}O_{7-d} (REBCO)
ó YB_{2}Cu_{3}O_{7-d} (YBCO).
Las bandas superconductoras de material
compuesto actualmente disponibles, sin embargo no son plenamente
satisfactorias en cuanto a estabilización eléctrica y térmica, y
además presentan una disipación de energía relativamente alta en
presencia de campos eléctricos y/o magnéticos que varíen a lo largo
del tiempo. Estos inconvenientes son especialmente importantes para
aplicaciones en el sector de la energía.
El documento DE 40 04 908 A1 muestra una banda
superconductora de material compuesto en el que unas tiras de capa
YBCO formadas sobre un sustrato metálico están empotradas en y
recubiertas por un revestimiento metálico, tal como plata.
El artículo "La importancia de la resistencia
de la barrera interfilamental en un conductor recubierto de YBCO
para reducir al mínimo las pérdidas en corriente alterna", de
C.E. Oberly et al., International Cryogenics Materials
Conference, Actas de la Conferencia AIP nº 614B, 2002, págs.
621-630 (XP2311092) describe una banda
superconductora de conductor recubierto de YBCO de material
compuesto multifilamental similar, con un material resistivo tal
como plata o un dieléctrico, que rellena las ranuras
interfilamentales.
Una de las finalidades de la presente invención
es, por consiguiente, proporcionar una banda superconductora de
material compuesto y el correspondiente método de fabricación que
permita salvar los inconvenientes del arte conocido al que se hace
referencia arriba.
Un objetivo particular de la invención es el de
proporcionar una banda superconductora de material compuesto que
tenga buenas características de estabilización eléctrica y térmica y
una reducida disipación de energía en presencia de campos
eléctricos y/o magnéticos que varíen a lo largo del tiempo.
Otro de los objetivos de la invención es el de
proporcionar un método para obtener dicha banda superconductora de
material compuesto de una forma relativamente sencilla, rápida y
económicamente ventajosa.
De acuerdo con dichos objetivos, la presente
invención se refiere a una banda superconductora de material
compuesto y a un método de fabricación de la misma, tal como se
define en las reivindicaciones 1 y 12 anexas, respectivamente.
De acuerdo con la invención, se proporciona por
lo tanto una banda superconductora de material compuesto en la cual
la capa de material superconductor está dividida en delgados
filamentos superconductores, separados entre sí. El hecho de
dividir el material superconductor en filamentos delgados permite no
sólo la estabilización eléctrica y térmica sino también reducir de
disipación de energía en presencia de campos eléctricos y/o
magnéticos que varíen a lo largo del tiempo.
La cinta de material compuesto superconductor
con una estructura multifilamental conforme a la invención es por
lo tanto adecuada para una aplicación especialmente ventajosa en el
sector de la energía.
Otras características y ventajas de la presente
invención surgirán claramente de la descripción de los siguientes
ejemplos de realización, no limitadores, con referencia a las
figuras de los dibujos anexos, en los cuales:
- la Figura 1 es una ilustración esquemática de
un paso del método de fabricación de una banda superconductora de
material compuesto según la invención;
- las Figuras 2 y 3 son vistas esquemáticas en
sección transversal de una banda superconductora de material
compuesto en dos pasos consecutivos del método de fabricación según
la invención; y
- la Figura 4 ilustra una realización preferida
de la banda superconductora de material compuesto, hecha según la
invención.
En la Figura 1, está designada por la referencia
1 una banda superconductora de material compuesto, que comprende un
sustrato 2, en particular un sustrato metálico flexible en forma de
cinta (por ejemplo, una aleación de Ni, Cu, etc.) sobre una
superficie 3, sobre la que está depositada por lo menos una capa
tampón intermedia 4, hecha por ejemplo, de un óxido metálico, y una
capa 5 de un material superconductor, por ejemplo REBCO o YBCO.
El sustrato 2 está dotado de la capa tampón 4 y
de la capa 5 mediante técnicas de deposición conocidas.
El método según la invención contempla la
formación en la capa 5 de una multitud de filamentos
superconductores 11, sustancialmente paralelos entre sí y a un eje
longitudinal A de la banda, y lateralmente distanciados entre
sí.
En particular, los filamentos 11 están formados
en una fase de grabado, ilustrada esquemáticamente en la Figura 1.
La banda 1 se alimenta de forma continua en un sentido de avance D
paralelo al eje A, a un aparato de micrograbado 12, por ejemplo un
aparato de grabado láser, situado encima de una cara 13 de la banda
1, definida por una superficie exterior de la capa 5. El aparato 12
excava una multitud de ranuras 14 a través de la capa 5, a través
de todo el grueso de la capa 5 con el fin de delimitar así los
filamentos 11. Cada filamento 11 tiene una pareja de paredes
laterales
15.
15.
Las gargantas 14 pueden ser continuas, es decir
pueden extenderse sustancialmente a lo largo de toda la longitud de
la banda 1, o por otra parte pueden estar constituidas por unos
tramos discontinuos 16, de tal manera que cada ranura 14 queda
interrumpida por una serie de puentes transversales 17 de material
superconductor (de los cuales solamente está representado uno de
ellos en la Figura 1 por razones de simplicidad), destinados a la
conexión de filamentos adyacentes 11. La presencia de los puentes 17
tiene efectos positivos en cuestión de estabilización eléctrica y
reduce las fugas debidas al acoplamiento de los filamentos 11.
En cualquier caso, y tal como está ilustrado con
detalle en la Figura 2, la banda 11 se graba hasta alcanzar el
sustrato 2, y por lo tanto hasta dejar al descubierto la superficie
3. Las ranuras 14 están formadas a través de la capa 5 y de la capa
tampón 4 y posiblemente penetren ligeramente en el sustrato 2,
debajo de la superficie 3.
En el ejemplo ilustrado en la Figura 1, el
aparato 12 comprende una fuente láser 20 que trabaja la gama visible
y/o en la ultravioleta, y un sistema óptico 21 que intercepta el
haz 23 emitido por la fuente 20 y lo divide, por ejemplo mediante
placas 22 debidamente orientadas, formando una multitud de haces
paralelos 24, sustancialmente ortogonales a la cara 13, cada uno de
los cuales graba una ranura 14, arrancando el material con el cual
interactúa.
El diámetro, la potencia, la duración y la
longitud de onda de los haces 23, 24 se eligen de tal manera que se
obtengan ranuras 14 con las dimensiones requeridas. Por ejemplo las
ranuras tienen una anchura de aproximadamente 10-50
\mum y una profundidad de 0,1 - 3 \mum (y en cualquier caso, una
profundidad tal que deje al descubierto el sustrato 2).
Si se contempla la existencia de los puentes 17,
éstos se obtienen convenientemente interrumpiendo el grabado de las
ranuras a intervalos predeterminados durante el avance de la banda
1.
Se da por supuesto que las ranuras 14 se pueden
grabar con técnicas distintas al grabado láser, utilizando equipos
de micromecanizado de cualquier tipo conocido.
El método según la invención comprende también
una fase de aplicar sobre las paredes laterales 14 de los filamentos
11 unas barreras resistivas 25.
En el caso presente, las barreras resistivas 25
están definidas por las respectivas partes 26 de pequeño espesor de
las paredes laterales 15. Las partes 26 se extienden a lo largo de
los filamentos 11 y dentro de cada filamento 11. En cada parte 26,
el material superconductor tiene una estructura modificada con
respecto al cuerpo de la capa 5 (es decir, de los filamentos 11), y
por lo tanto define una barrera resistiva 25.
En este caso, las barreras resistivas 25 se
obtienen convenientemente durante la fase de grabado, modificando
para ello la estructura del material superconductor de las paredes
laterales 15. En general, las características del haz 23 y los
parámetros del proceso de la fase de grabado se eligen de tal manera
que evitan cualquier calentamiento excesivo de la zona que rodea
las ranuras producidas por los haces 24, con el fin de evitar la
excesiva degradación de los materiales de la capa 5, de la capa
tampón 4 y del sustrato 2. Sin embargo, una limitada degradación
térmica de dichos materiales, y específicamente del material
superconductor en las inmediaciones rigurosas de las paredes
laterales y en una zona limitada a las partes 26 trae consigo la
deseada formación de las barreras resistivas 25.
Gracias a la presencia de las barreras
resistivas 25, los filamentos 11 quedan desacoplados
electromagnéticamente entre sí.
De acuerdo con una de las realizaciones de la
invención, ilustrada esquemáticamente en la Figura 3, el método
según la invención comprende entonces un paso de recubrimiento en el
que los filamentos 11 se empotran en un material de recubrimiento,
en particular en un material metálico que es altamente conductor,
tanto desde el punto de vista eléctrico como desde el punto de
vista térmico (por ejemplo Cu, Ag, Au, etc.), que forma una capa 30
de un espesor de unas pocas micras sobre la banda 1.
Durante el paso de recubrimiento, el material de
recubrimiento se introduce en las ranuras 14 y rellena completamente
las ranuras 14, y además queda depositado sobre la cara 13 para
recubrir los filamentos 11.
Cada filamento individual 11 queda por lo tanto
empotrado en una matriz metálica 31, estando cada filamento 11
rodeado por tres caras por el material de recubrimiento, que a su
vez está en contacto directo con el sustrato metálico subyacente
2.
De esta manera se obtiene una estructura
altamente estabilizada.
Una realización preferida, ilustrada
esquemáticamente en la Figura 4, contempla que la banda 11, ya
dotada de las ranuras 14 que delimitan los filamentos 11 y con el
recubrimiento 30 (representado por una línea de trazos en la Figura
4), se lleva a una fase de enrollado en la que la banda 1 se enrolla
sobre sí misma alrededor del eje A en dirección transversal, de
manera que forme un hilo superconductor 33 con una estructura
multifilamental, en la que los filamentos 11 están sustancialmente
paralelos entre sí y al eje A.
Alternativamente se considera una fase de
torsionado de la banda 1 sobre sí misma a lo largo del eje A con el
fin de formar un hilo 33 semejante a un torzal, en el que los
filamentos 11 están sustancialmente enrollados en espiral los unos
respecto a los otros.
Preferentemente, la banda 1 se enrolla
primeramente sobre sí misma alrededor del eje A para formar un hilo
33 con filamentos paralelos 11, y a continuación se torsiona el hilo
33 sobre sí mismo para formar un torzal a lo largo del eje A. De
este modo se consigue un efecto ventajoso de reducción de las
fugas.
Claims (21)
1. Una banda superconductora de material
compuesto (1) superconductor comprendiendo un sustrato (2) y una
capa (5) hecha de material superconductor, comprendiendo dicha capa
de material superconductor (5) una multitud de filamentos
superconductores 11, que son sustancialmente paralelos entre sí y
paralelos a un eje longitudinal (A) de la banda, y que están
separados entre sí, estando la banda caracterizada porque
comprende un recubrimiento (30) hecho de un material de
recubrimiento conductor, estando los filamentos (11) empotrados en
el recubrimiento (30), y porque cada filamento (11) está limitado
por una pareja de paredes laterales (15) dotadas de barreras
resistivas (25).
2. La banda según la reivindicación 1,
caracterizada porque las barreras resistivas (25) están
definidas por respectivas partes (26) de las paredes laterales (15)
en las que el material superconductor tiene la estructura
modificada con respecto al cuerpo de la capa de material
superconductor (5).
3. La banda según la reivindicación 1 ó
2, caracterizada porque los filamentos (11) están separados
entre sí por ranuras (14), formadas a través de dicha capa de
material superconductor (5) atravesando el espesor total de dicha
capa de material superconductor (5).
4. La banda según la reivindicación 3,
caracterizada porque las ranuras (14) están interrumpidas por
unos puentes transversales (17) para establecer la conexión entre
filamentos adyacentes (11).
5. La banda según la reivindicación 3 ó
4, caracterizada porque las ranuras (14) se extienden en
profundidad hasta el sustrato (2).
6. La banda según cualquiera de las
reivindicaciones 3 a 5, caracterizada porque comprende por lo
menos una capa tampón (4) interpuesta entre el sustrato (2) y la
capa de material superconductor (5), extendiéndose las ranuras (14)
a través de la capa de material superconductor (5) y a través de la
capa tampón (4) hasta el sustrato (2).
7. La banda según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el material
de recubrimiento es un material metálico.
8. La banda según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el
recubrimiento (30) rellena las ranuras (14) y recubre los
filamentos (11).
9. La banda según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizada porque está
enrollada sobre sí misma alrededor de dicho eje (A) para formar un
hilo (33) en el que dichos filamentos (11) quedan sustancialmente
paralelos a dicho eje (A).
10. La banda según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizada porque está
torsionada sobre sí misma a lo largo de dicho eje (A) para formar
un hilo a modo de torzal (33), en el cual los filamentos (11)
quedan enrollados sustancialmente en espiral los unos respecto a los
otros.
11. La banda según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizada porque los
filamentos (11) están conectados entre sí mediante puentes
transversales (17) de material superconductor.
12. Un método de fabricación de una banda
superconductora de material compuesto, comprendiendo un paso de
proporcionar una banda superconductora de material compuesto (1) con
una capa de material superconductor (5) posicionado sobre un
sustrato (2), y un paso de formación de una multitud de filamentos
superconductores (11) en la capa de material superconductor (5),
delimitados por respectivas parejas de paredes laterales (15),
siendo los filamentos (15) sustancialmente paralelos entre sí y
paralelos a un eje longitudinal (A) de la banda, y estando
separados unos de otros, estado el método caracterizado
porque comprende además un paso de dotar a las paredes laterales
(15) de los filamentos (11) de unas barreras resistivas (25), y una
fase de recubrimiento en la que los filamentos (11) quedan
empotrados en un material de recubrimiento conductor que forma un
recubrimiento (30) de la banda (1).
13. El método según la reivindicación 12,
caracterizado porque comprende un paso de grabado en el que
se excavan multitud de ranuras (14) a través de la capa de material
superconductor (5), a través de todo el espesor de dicha capa de
material superconductor (5), con el fin de delimitar los filamentos
(11); estando formadas dichas barreras resistivas (25) durante
dicho paso de grabado, al modificar la estructura del material
superconductor de dichas paredes laterales (15).
14. El método según la reivindicación 13,
caracterizado porque durante el paso de grabado, las ranuras
(14) se excavan en tramos discontinuos, de tal manera que cada
ranura (14) queda interrumpida por unos puentes transversales (17)
que conectan entre sí filamentos adyacentes.
15. El método según la reivindicación 13 ó
14, caracterizado porque durante el paso de grabado, la banda
(1) se excava hasta el sustrato (2).
16. El método según cualquiera de las
reivindicaciones 13 a 15, caracterizado porque la banda (1)
comprende por lo menos una capa tampón (4) situada entre el
sustrato (2) y la capa de material superconductor (5), efectuándose
el paso de grabado a través de la capa de material superconductor
(5) y a través de la capa tampón (4) hasta el sustrato (2).
17. El método según cualquiera de las
reivindicaciones 12 a 16, caracterizado porque el material de
recubrimiento es un material metálico.
18. El método según cualquiera de las
reivindicaciones 12 a 17, caracterizado porque durante dicho
paso de recubrimiento el material de recubrimiento rellena dichas
ranuras (14) y recubre dichos filamentos (11).
19. El método según cualquiera de las
reivindicaciones 12 a 18, caracterizado porque comprende un
paso de enrollar la banda (1) sobre sí misma alrededor de dicho eje
(A) para formar un hilo (33) en el cual los filamentos (11) son
sustancialmente paralelos a dicho eje (A).
20. El método según cualquiera de las
reivindicaciones 12 a 19, caracterizado porque comprende un
paso de torsionar la banda (1) sobre sí misma a lo largo de dicho
eje (A) para formar un hilo a modo de torzal (33) en el cual dichos
filamentos (11) están sustancialmente arrollados en espiral los unos
respecto a los otros.
21. El método según cualquiera de las
reivindicaciones 12 a 20, caracterizado porque comprende un
paso de conectar los filamentos (11) entre sí mediante puentes
transversales (17) hechos de material superconductor.
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