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Dokumentenidentifikation DE10113492B4 01.12.2005
Titel Elektrisch leitender Draht für Anwendungen in Tieftemperaturbereichen
Anmelder EADS Astrium GmbH, 81667 München, DE
Erfinder Grasl, Andreas, 83101 Rohrdorf, DE;
Kameter, Rudolf, 83620 Feldkirchen-Westerham, DE
DE-Anmeldedatum 19.03.2001
DE-Aktenzeichen 10113492
Offenlegungstag 02.10.2002
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 01.12.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 01.12.2005
IPC-Hauptklasse H01B 1/02
IPC-Nebenklasse H01B 5/02   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrisch leitenden Draht aus einem metallischen Innenleiter aus Edelstrahl mit einer Beschichtung aus Edelmetallen mit vorgegebenen Dickenverhältnissen von Innenleiter und Beschichtung.

Metallische Leiter mit den vorbezeichneten Merkmalen sind aus der JP 56 11 83 44 A sowie aus EP 0 967 635 bekannt. In diesem Stand der Technik wird auf die Problematik des Bondens solcher metallischer Leiter eingegangen, die durch geeignete Beschichtungen realisiert werden kann. Mit Edelmetallen bzw. -legierungen beschichtete Innenleiter sind auch aus der JP 62 09 73 60 A oder aus JP 56 02 13 54 A bekannt.

Ein spezielles Problem ergibt sich für solche metallische Leiter, die einerseits zwischen Komponenten unterschiedlicher Betriebstemperatur angeordnet werden sollen und daher in der Regel eine geringe thermische Leitfähigkeit aufweisen müssen, andererseits trotzdem lötbar sein sollen. Ein Beispiel für solche Komponenten unterschiedlicher Betriebstemperatur sind kryogene Einrichtungen, in denen mindestens eine Komponente auf einem sehr tiefen Temperaturniveau gehalten wird.

Durch eine Beschichtung, wie im Stand der Technik aufgezeigt, kann zwar eine Lötbarkeit eines metallischen Leiters realisiert werden, jedoch tritt das Problem auf, dass durch die Beschichtung die thermische Leitfähigkeit des metallischen Leiters erhöht wird und so ein erhöhter Wärmefluss über den Leiter entsteht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen metallischen Leiter bereitzustellen, der einerseits eine gute Lötbarkeit ohne nachteilige Effekte, insbesondere hinsichtlich der Korrosionsbeständigkeit, aufweist, andererseits weiterhin eine möglichst geringe thermische Leitfähigkeit besitzt.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Durch die Beschichtung wird die Lötbarkeit des metallischen Leiters erreicht. Die Beschichtung kann über die gesamte Ausdehnung des Leiters den Innenleiter bedecken, sie kann aber auch nur diejenigen Teilbereiche des Innenleiters bedecken, an denen eine Lötung erfolgen soll. Der Leiter ist dann an jeder beliebigen Stelle, die eine Beschichtung aufweist, lötbar ohne jegliche Zusatzbehandlung. Die Beibehaltung geringer thermischer Leitfähigkeit wird durch die erfindungsgemäße Wahl der Dickenverhältnisse von Leiter und Beschichtung erzielt. Durch die im Vergleich zum Leiter deutlich dünnere Beschichtung wird die thermische Leitfähigkeit des Leiters nur gering verändert, was durch die Verwendung einer Legierung eines Edelmetalls mit maximal 5 % Legierungselement mindestens eines Elements der 8. Nebengruppe begünstigt wird, da eine solche Legierung gerade auch bei tieferen Temperaturen noch eine geringe thermische Leitfähigkeit aufweist.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann als Edelmetall-Legierung eine Goldlegierung vorgesehen sein. Für den Innenleiter kann jedes geeignete Material verwendet werden, das eine geringe thermische Leitfähigkeit und eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit aufweist. Insbesondere kann der Leiter aus Stahl, z.B. Edelstahl bestehen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe der vorliegenden Erfindung auch gelöst durch einen elektrisch leitenden Draht aus einem metallischen Innenleiter aus Edelstahl mit einer Beschichtung aus Edelmetall mit vorgegebenen Dickenverhältnissen von Innenleiter und Beschichtung, bei dem die Beschichtung aus Gold besteht und die Dicke des Innenleiters zwischen 0,5 mm und 0,05 mm und die Dicke der Beschichtung zwischen 100 nm und 1 nm beträgt. Auch ein solcherart ausgebildeter elektrischer Leiter ist gut lötbar und hat geringe thermische Leitfähigkeit.

Beispiele für eine bevorzugte Anwendung eines erfindungsgemäßen Leiters sind Einrichtungen, die flüssige Gase bei tiefer Temperatur als Betriebs- oder Kühlmedien verwenden. Das Einsatzgebiet der metallischen Leiter kann sich dabei auf Temperaturen der kälteren Komponenten unter 100 K, möglicherweise sogar auf Temperaturen unter 50 K erstrecken. Gerade hier sind metallische Leiter mit einer geringen thermischen Leitfähigkeit besonders wichtig.

Ein spezielles Ausführungsbeispiel wird nachfolgend anhand der 1 beschrieben.

Es zeigt:

1: Schematische, nicht maßstabsgetreue Darstellung eines Querschnittes durch einen erfindungsgemäßen Leiter.

Ein metallischer Leiter 3, der schematisch in 1 in einer nicht maßstabsgetreuen Darstellung gezeigt ist, ist speziell für Anwendungen ausgelegt, bei denen Komponenten mit deutlich unterschiedlicher Betriebstemperatur vorliegen, wie insbesondere in kryogenen Einrichtungen. Ein Beispiel hierfür sind Anwendungen in der Raumfahrttechnik, bei denen z.B. kryogene Satellitennutzlasten oder Behälter für kryogene Treibstoffe eine Komponente eines Raumfahrzeuges bilden. Der Leiter 3 kann jedoch auch in anderen kryogenen Einrichtungen verwendet werden. Der Leiter 3 kann, wie in 1, rund ausgebildet sein, er kann aber auch jede andere geeignete Form besitzen, z.B. abgeflacht sein.

Der Leiter 3 besitzt einen Innenleiter 1 aus Edelstahl. Edelstahl weist eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit bei gleichzeitiger gerninger thermischer Leitfähigkeit auf. Um den Leiter 3 lötbar zu machen, ist eine Beschichtung 2 auf dem Innenleiter 1 vorgesehen, wobei die Beschichtung aus Gold oder einer Legierung aus Gold und einem Element der achten Nebengruppe besteht. Bis zu einer Temperatur von etwa 80 K ist der Einfluss einer Goldbeschichtung auf die thermische Leitfähigkeit des Leiters 3 gering, so dass bei Temperaturen in der kryogenen Einrichtung bis zu diesem Bereich statt einer Goldlegierung auch eine Beschichtung aus Gold gewählt werden kann. Sollen jedoch tiefere Temperaturen in der kryogenen Einrichtung realisiert werden, so ist zu berücksichtigen, dass die thermische Leitfähigkeit von Gold unter 80 K, insbesondere unter 40 K, zunimmt. Sollen solche Temperaturen realisiert werden, hat es sich als günstig erwiesen, Legierungen aus Gold und mindestens einem Nebengruppenelement vorzusehen, da diese eine geringere thermische Leitfähigkeit als reines Gold auch im Bereich unter 80 K aufweisen. Ein Beispiel für eine solche Legierung ist eine Legierung aus Gold und Kobalt oder eines ähnlichen Nebengruppenelements, wobei die Legierung neben reinem Gold beispielsweise bis zu 5 % des Nebengruppenelements, insbesondere maximal 1 % des Nebengruppenelements enthält.

Die optimale Kombination aus Lötfähigkeit einerseits und geringer thermischer Leitfähigkeit andererseits wird durch die geschickte Wahl, der Dickenverhältnisse von Innenleiterdicke D und Dicke der Beschichtung d erreicht. Es ist insbesondere vorgesehen, dass der Innenleiter eine Dicke im Bereich von Zehntel Millimetern und die Beschichtung eine Dicke im Bereich von einigen Nanometern bis zu etwa hundert Nanometern aufweist. Es kann beispielsweise die Dicke des Innenleiters das 1000-fache bis 5000-fache der Dicke der Beschichtung betragen. So kann beispielsweise eine Innenleiterdicke von 0,1 mm und eine Dicke der Beschichtung von 30 nm bis 50 nm, speziell von 40 nm vorgesehen sein.

Der so ausgestaltete elektrische Leiter ist dann an jeder beliebigen Stelle, an der auf dem Innenleiter 1 eine Beschichtung 2 vorgesehen wurde, ohne zusätzliche Behandlungsschritte lötbar, d.h. insbesondere ohne die bisherigen Korrosionsrisiken. Die Beschichtung 2 kann im einfachsten Fall den gesamten Innenleiter 1 bedecken. Sie kann aber auch nur in speziellen Abschnitten auf dem Innenleiter 1 vorgesehen sein, die dann zu einer Verlötung vorgesehen sind. Die Vorteile beim Einsatz eines solchen Leiters 3 sind insbesondere eine einfache Herstellung z.B. von Messverbindungen in kryogenen Apparaten wie beispielsweise der Medizintechnik sowie aufgrund der geringen thermischen Leitfähigkeit eine Verringerung von Betriebskosten, da z.B. eine geringere Erwärmung kryogener Flüssigkeiten in den kontaktierten Komponenten erfolgt, also ein geringerer Verbrauch der kryogenen Flüssigkeiten erzielt wird.'


Anspruch[de]
  1. Elektrisch leitender Draht aus einem metallischen Innenleiter aus Edelstahl mit einer Beschichtung aus Edelmetallen mit vorgegebenen Dickenverhältnissen von Innenleiter und Beschichtung, dadurch gekennzeichnet, dass

    – die Beschichtung aus Edelmetall-Legierungen mit max. 5 % Legierungselementen mind. eines Elements aus der 8. Nebengruppe (Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt) besteht und

    – die Dicke des Innenleiters zwischen 0,5 mm und 0,05 mm und die Dicke der Beschichtung zwischen 100 nm und 1 nm beträgt,

    für Anwendungen in Tieftemperaturbereichen.
  2. Elektrisch leitender Draht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Edelmetall-Legierung eine Goldlegierung ist.
  3. Elektrisch leitender Draht aus einem metallischen Innenleiter aus Edelstahl mit einer Beschichtung aus Edelmetallen mit vorgegebenen Dickenverhältnisse von Innenleiter und Beschichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus Gold besteht und die Dicke des Innenleiters zwischen 0,5 mm und 0,05 mm und die Dicke der Beschichtung zwischen 100 nm und 1 nm beträgt, für Anwendungen in Tieftemperaturbereichen.
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