Способ изготовления электрического контактного соединения

Изобретение относится к способам получения электрических контактных соединений ВТСП проводников второго поколения с другими электрическими контактными элементами, в том числе и со сверхпроводниками, и может быть использовано для получения электрических устройств, обеспечивающих такие соединения, например, для изготовления токоограничивающих устройств, двигателей на основе сверхпроводников, трансмиссий и пр. Способ изготовления электрического контактного соединения ВТСП проводника второго поколения с контактным элементом предусматривает последовательное подсоединение ВТСП проводника к медной шине и подсоединение медной шины к контактному элементу, в котором перед подсоединением ВТСП проводника к шине на упомянутый ВТСП проводник в месте контакта наносят электрохимическим осаждением слой меди, а подсоединение ВТСП проводника к медной шине в месте контакта проводят путем их механического соединения через слой фольги из индия. Предложенный способ позволяет получить компактное электрическое контактное соединение с уменьшенными габаритами и увеличенной длиной ВТСП проводника. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Область техники.

Изобретение относится к способам получения электрических контактных соединений ВТСП проводников второго поколения с другими электрическими контактными элементами, в том числе, и со сверхпроводниками, и может быть использовано для получения электрических устройств, обеспечивающих такие соединения, например, для изготовления токоограничивающих устройств, двигателей на основе сверхпроводников, трансмиссий и пр.

Предшествующий уровень техники.

Для создания лент 2-го поколения обычно применяют ленты-подложки на основе сплавов никеля и/или железа, на которые наносят буферные слои, ВТСП слой и защитные слои, предохраняющие от механических повреждений и от прямого контакта ВТСП с другими материалами.

В качестве ВТСП слоя распространение получили два высокотемпературных сверхпроводника -YВа₂Сu₃O_7-х (YBCO, Y123) и Вi₂Sr₂Са₂Сu₃О_10+х (BSCCO, Bi-2223). Также применяются схожие с YBCO материалы, в которых иттрий заменен иным редкоземельным элементом, например, гадолинием, их общее обозначение - ReBCO.

В качестве защитных слоев (покрытий) могут быть использованы такие, как цинковые, латунные, серебряные или медные покрытия или защитный слой может быть получен путем лужения ВТСП проводника припоем.

Основное преимущество лент 2-го поколения заключается в их высокой токонесущей способности при температуре жидкого азота.

Соединение ВТСП проводников второго поколения, выполненных в виде тонких лент, между собой, а также подключение их к внешним источникам тока через токовводы из несверхпроводящих материалов, требует создания новых технических решений в данной области.

Например, в заявке JP2018055990 (А) раскрывается способ изготовления электрического контактного соединения, который осуществляется следующим образом.

ВТСП проводник второго поколения присоединяется непосредственно к клеммам токов-вода. На ВТСП проводник в месте его контакта с клеммой токоввода пайкой наносят дополнительный защитный слой из серебра, а клемму изготавливают с выемкой, в которую впаивают ВТСП проводник.

Как сообщается в данной заявке, выполнение электрического контактного соединения таким образом позволяет избежать выделения тепла в месте контакта и проблем, связанных с этим: проводник не подвержен изгибам, возникающим из-за разницы коэффициента теплового расширения, а также происходит ухудшение токонесущих характеристик с появлением изгиба.

Частично эти проблемы устраняются применением для изготовления контактных соединений ВТСП проводников с контактными элементами переходного проводника в виде медной шины.

Так, из патента RU2639316 на сверхпроводящий ограничитель тока короткого замыкания следует, что способ изготовления электрического контактного соединения ВТСП проводника с контактным элементом включает подсоединение ВТСП проводника сначала к медной шине и последующее подсоединение медной шины к контактному элементу.

Однако, данный способ также не является идеальным для получения контактных электрических соединений, поскольку высокий ток, протекающий по ВТСП проводнику и достигающий 3000А, требует установки большой медной шины, через которую заводится электрический ток.

Увеличение размеров шин приводит к увеличению габаритов сверхпроводящих устройств. Так, например, при монтаже токоограничивающих устройств негибкие медные шины сильно бы выступали за пределы корпуса и требовали сложных технологических решений для сборки, что, соответственно, приводит к увеличению затрат на монтаж и транспортировку устройств к месту эксплуатации. Все вышеизложенное создает определенные технические проблемы.

Раскрытие сущности изобретения.

Предложенное изобретение направлено на устранение всех перечисленных технических проблем.

Способ изготовления электрического контактного соединения ВТСП проводника второго поколения с контактным элементом, включает последовательное подсоединение ВТСП проводника к медной шине и подсоединение медной шины к контактному элементу, в соответствии с которым перед подсоединением ВТСП проводника к шине на упомянутый ВТСП проводник в месте контакта наносят электрохимическим осаждением слой меди, а подсоединение ВТСП проводника к медной шине в месте контакта проводят путем их механического соединения через слой фольги из индия.

В частных воплощениях изобретения слой электрохимически осажденной меди наносят с двух сторон ВТСП проводника.

В других частных воплощениях изобретения механическое соединение осуществляют путем резьбового соединения с использованием прижимного элемента.

Контактным элементом может быть ВТСП проводник второго поколения с нанесенным на него слоем электрохимически осажденной меди в месте контакта с шиной.

В иных воплощениях изобретения контактным элементом может быть токоподводящий несверхпроводящий кабель.

Либо контактным элементом может быть токоподводящий стержень

Сущность изобретения состоит в следующем.

Высокий ток, протекающий по ВТСП проводнику, требует установки большой медной шины, через которую заводится электрический ток. Необходимость установки медной шины столь большого размера определяется большой величиной тока - величина тока может достигать 3000 А.

Размеры соединяющих шин, как указывалось выше, могут оказывать существенное влияние на габариты сверхпроводящих устройств. Кроме того, проблемы могут возникнуть при соединении ВТСП проводников, у которых толщина не превышает 0,5 мм с относительно массивными шинами, которые могут вызвать механические повреждения. Решение этой проблемы заключается в нанесении на ВТСП проводник в месте его контакта с медной шиной слоя меди в виде тонкой пленки методом электрохимического осаждения, а подсоединение ВТСП проводника к медной шине в месте контакта проводят путем их механического соединения через слой фольги из индия.

Данная технология применима к ВТСП проводнику с любым защитным покрытием: цинковым, латунным, серебряным, медным или припоем.

Наносимый медный слой на ВТСП проводник стабилизирует распределение тока по сверхпроводнику и несколько увеличивает толщину проводника в месте контакта, что позволяет избежать механических напряжений и повышает прочность и износостойкость изделия в месте контакта.

Особенность предлагаемой технологии состоит также в том, что для нанесения слоя меди мы используем метод электрохимического осаждения из электролита. Процесс электро- химического осаждения меди, в отличие от других технологий получения покрытий, позволяет получить сплошные покрытия в диапазоне от 0,5 до 100 мкм в виде тонкой и очень гладкой пленки.

Покрытие из меди, полученное электрохимическим осаждением, способствует стабилизации распределения тока, как мы полагаем, из-за высокого качества поверхности получаемого слоя без пор, полостей и включений всякого рода, что улучшает электрический контакт.

Существенным является также следующее.

В известной технологии ВТСП медная шина, зачастую большой длины, припаивается к ВТСП проводнику, то есть электрический контакт осуществляется через дополнительный слой материала со своим сопротивлением, к тому же в подобном процессе важную роль играют качество поверхности (чистота, шероховатость), что делает процесс припаивания медной шины трудоемким и в большой степени зависящим от оператора.

В способе в соответствии с изобретением шина соединяется с ВТСП проводником с шиной механическим путем через слой фольги из индия, что делает процесс менее трудоемким и более надежным. Фольга из индия, с одной стороны, не препятствует стабилизации распределения тока в месте в электрическом контактном соединении, а с другой стороны, надежно скрепляет ВТСП проводник с шиной. Фольга из индия является мягким материалом, что позволяет более плотно прижимать контакт к ВТСП проводнику, а также индий является проводником, что уменьшает контактное сопротивление и приводит к меньшему нагреву ВТСП проводника.

Фольга из индия в данном случае соприкасается с одной своей стороны с медной шиной, а с другой - с гладким слоем меди, нанесенным электрохимическим осаждением. При поджатии ВТСП проводника к шине получается достаточно прочное механическое соединение.

Такое механическое соединение может быть получено путем резьбового соединения с использованием прижимного элемента. Иными словами, в качестве прижимного элемента может быть использована пластинка, например, из меди или нержавеющей стали, которая устанавливается с противоположной стороны ВТСП проводника и поджимает проводник к шине. Само резьбовое соединение может быть получено, например, при поджатии пластины к ВТСП проводнику и шине с помощью болтов.

Самый простой способ электрохимического осаждения меди предусматривает погружение конца ленты в месте контакта в электролит, например, раствор медного купороса с заданным значением тока. В этом случае медное покрытие наносится на обе стороны ВТСП проводника, что дополнительно улучшает его прочность.

Необходимо отметить универсальность предложенной технологии - способ пригоден для образования электрического контакта ВТСП проводника с разными контактными изделиями, как сверхпроводящими, так и например, со вторым ВТСП проводником или с токовводом.

В случае соединения двух ВТСП проводников в месте контакта обоих ВТСП проводников с шиной наносят покрытие из меди и соединяют концы с медью шиной.

Так в токоограничивающих устройствах ВТСП проводники могут быть уложены с образованием монофиляра, бифиляра, меандра или в виде комбинации этих типов с использованием одного или нескольких отдельных ВСТП проводников, соединенных между собой с применением данной технологии.

Контактным элементом может быть токоподводящий несверхпроводящий кабель или стержень. Подсоединение к несверхпроводящему кабелю или стержню (например, в токовводе) осуществляется также через медную шину, а к медной шине -через индиевую фольгу.

Изобретение иллюстрируется следующим примером.

В качестве ВТСП проводника использовалась лента с шириной 12 мм. Лента включала подложку из сплава Hastelloy С276, последовательно расположенные буферные слои Al203, Y2O3, IBAD-MgO, LaMnO3, СеO2, сверхпроводящий слой GdBCO и защитные слои с обеих сторон из серебра, меди, которые были дополнительно покрыты слоем припоя на основе олова.

Экспериментально была установлена длина места контакта ВТСП проводника, составляющая 14,5 см и толщина медного покрытия 45 мкм.

Закрепленный конец ВТСП проводника данной длины при помощи линейного привода погружался в раствор электролита, пропускался ток 1,6 А.

Для нанесения на ВТСП проводник медного покрытия использовался электролит следующего состава: медный купорос пятиводный CuSO₄ * 5 Н₂О (180-240 г/л), серная кислота (60-75 г/л) и хлорид ионы (70-150 мг/л).

Процесс электрохимического осаждения меди проводился при постоянно погруженном в электролит проводнике и продолжался 27 мин. Толщина медного покрытия составила 45 мкм. После извлечения ВТСП проводника из электролита поверхность промывалась дистиллированной водой и обрабатывалась спиртом.

Далее ВТСП проводник присоединяли к медной шине.

Схема соединения ВТСП проводника второго поколения приведена на фиг. 1.

Как следует из данной схемы, конец ВТСП проводника (1) с нанесенным на него медным слоем (2) укладывали на прижимную пластину (3). Сверху в месте контакта укладывали индиевую фольгу (4), а на нее - медную шину (5). Затем полученный пакет стягивали болтами (6).

Второй конец медной шины (5) скрепляли в соответствии с вышеописанным со вторым ВТСП проводником (не показан).

При равномерном распределении плотности тока и сонаправленности ее с нормалью к поверхности, через которую протекает ток, для величины вектора плотности тока выполняется:

где I - сила тока через поперечное сечение проводника площадью 5.

Имея данные о геометрических параметрах медного электрохимически осажденного слоя и плотности тока, протекаемой через 1 мм² медной шины, можно рассчитать, что длина медного осажденного слоя в 38 раз меньше длины медной шины, которая, в свою очередь, будет достигать почти - 6 метров.

Так, в нашем примере длина меднения места контакта составляла 14,5 см, а толщина - 45 мкм. Площадь сечения медного контактного слоя: S₁=145* 0,045=- 6,52 мм². В свою очередь, пользуясь формулой (1) для медной шины получим: где 2500А - среднее значение тока, протекающего по ВТСП проводнику.

Таким образом, зная геометрические параметры медного слоя и ширину ВТСП проводника, получим объем меди, необходимый для покрытия 14,5 см провода. V_{медного слоя} =145*-12*-0,045=-78,3 мм³.

Тогда масса электрохимически осажденного слоя меди: m_{медногослоя}=0,00892*-78,3=0,7 г. Приняв толщину электрохимически осажденного медного слоя за константу, через формулу объема получим: V_шины=250*-12=3000-м³.

Тогда m_шины=0,00892*3000=26,76 - г.

Взяв соотношение m₂/m₁ получим - 38.

Пользуясь формулой объема найдем длину медной шины: L_шины=V/h*a=-5,6 м. Отношение длины медной шины к длине электрохимически осажденного слоя меди. L₂/L₁=38. Получилось, что медная шина в 38 раз больше длины электрохимически осажденного слоя меди.

Таким образом, предложенный способ позволяет получить компактное электрическое контактное соединение с уменьшенными габаритами. А, поскольку, медь в виде тонко нанесенного электрохимическим осаждением слоя обладает высокой гибкостью и достаточно высокой механической прочностью, то это свойство позволяет увеличить длину ленты, например, в модуле токоограничивающего устройства, при тех же типоразмерах, что и при традиционной технологии изготовления контактов.

1. Способ изготовления электрического контактного соединения ВТСП проводника второго поколения с контактным элементом, включающий последовательное подсоединение ВТСП проводника к медной шине и подсоединение медной шины к контактному элементу, отличающийся тем, что перед подсоединением ВТСП проводника к шине на упомянутый ВТСП проводник в месте контакта наносят электрохимическим осаждением слой меди, а подсоединение ВТСП проводника к медной шине в месте контакта проводят путем их механического соединения через слой фольги из индия.

2. Способ по п. 1, в котором слой электрохимически осажденной меди наносят с двух сторон ВТСП проводника.

3. Способ по п. 1, в котором механическое соединение осуществляют путем резьбового соединения с использованием прижимного элемента.

4. Способ по п. 1, в котором контактным элементом является ВТСП проводник второго поколения с нанесенным на него слоем электрохимически осажденной меди в месте контакта с шиной.

5. Способ по п. 1, в котором контактным элементом является токоподводящий несверхпроводящий кабель.

6. Способ по п. 1, в котором контактным элементом является токоподводящий стержень.