CN101447549A - 一种具有快速开断和快速恢复能力的超导开关 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超导开关，所述超导开关由超导材料与热电材料连接而成，是利用超导材料的超导态—正常态的转变来实现电路由接通到断开的目的；目前的超导开关技术方案主要是针对超导材料的超导态-正常态转变的，而当需要超导开关由正常态转变到超导态时，去掉外加的热、磁等条件。对于要求超导开关快速动作或者快速恢复的场合应用时受一定的限制。本发明即针对超导开关的这一不足，通过引入具有热电效应的材料，来实现超导开关的超导态-正常态和正常态-超导态转变全面可控，实现一种具有快速开断和快速恢复能力的超导开关。
Description
技术领域
本发明属于电力系统超导电工技术领域，具体涉及一种具有快速开断和快速恢复能力的超导开关。
背景技术
实用超导器件需要工作在极低的温度条件下，工作时通常都需要由室温电源通过电流引线供电。电流引线跨越室温区和超导装置工作的低温区，会向低温系统中引入漏热，是低温系统的主要热源，从而导致系统运行稳定性的降低和运行费用的升高。为了解决这一问题，主要可以从以下两方面考虑：
在电流引线的制造方面，可以通过引入高温超导材料制成高温超导电流引线，当高温超导电流引线进入超导态以后，直流电阻为零，消除了焦耳热；另一方面，高温超导带材的热导率较铜等金属材料低很多，沿电流引线的传导热比常规电流引线小得多，同时结合引线结构优化设计及冷却方式的优化设计，达到降低漏热的目的。
另一方面，对于那些励磁条件不需要频繁变换的应用场合，超导开关技术也是一个有效的解决方案。超导磁体励磁以后，通过闭合超导开关，电流在低温系统内部形成一个超导的闭合回路，这时就可以断开超导磁体与室温电源之间的回路，甚至可以将电流引线从系统中取出，彻底消除低温磁体稳定工作时沿电流引线引入低温系统的漏热。
超导开关一般是利用超导材料的超导态—正常态的转变来实现超导开关的无阻到有阻的转变，达到使电路由接通到断开的目的；与之相对应利用超导材料的正常态—超导态的转变来实现电路的接通。目前的超导开关技术，主要是通过加热的方法(直接加热或者用激光照射等技术)、附加一个外加磁场的方法等来实现超导开关由超导态到正常态的转变。这些所采用的技术方法，主要是用于超导材料的超导态—正常态转变的，即通过使超导材料失超来实现将电路断开的目的，当需要电路闭合时，去掉外加的条件(热、磁场等)，实现超导材料正常态—超导态的转变。
这些超导开关技术对一般应用可以满足，但是其不足之处是超导开关的正常态—超导态转变要视超导开关的工作条件、冷却条件确定，可控性差，对于要求超导开关快速动作或者快速恢复的场合受一定的限制。
发明内容
本发明为了克服现有超导开关的正常态—超导态转变要视超导开关的工作条件、冷却条件确定，可控性差，对于要求超导开关快速动作或者快速恢复的场合受一定的限制的缺陷，通过引入具有热电效应的材料，来实现超导开关的超导态—正常态和正常态—超导态转变全面可控，实现一种具有快速开断和快速恢复能力的超导开关。
本发明提供的一种具有快速开断和快速恢复能力的超导开关由超导材料与热电材料连接而成，将所述热电材料的一极紧贴超导开关中的所述超导材料，在需要所述超导开关由超导态向正常态转变时，在所述热电材料构成的回路中通入电流使得热电材料中连接超导材料的电极发热，加速所述超导材料由超导态向正常态转变，在需要所述超导开关由正常态向超导态转变时，改变所述热电材料构成的回路中的电流方向，使热电材料中连接超导材料的电极制冷，从而快速实现所述超导材料由正常态向超导态的转变，从而最终实现所述超导开关的全面可控和快速开关功能。
在本发明中所述超导材料和所述热电材料之间电连接的方式包括焊接、使用导电胶胶接和/或机械连接。
在本发明中所述热电材料包括金属热电材料和/或半导体热电材料。
在本发明中所述超导开关可以直接使用，或与使用加热、加外磁场来实现超导开关由超导态到正常态转变的方式结合使用，也即通过加热的方法(直接加热或者用激光照射等技术)、附加一个外加磁场的方法来实现超导开关由超导态到正常态的转变。
本发明的优点是：
1、通过引入热电材料，实现超导开关的超导态—正常态和正常态—超导态转变全面可控。
2、实现一种具有快速开断和快速恢复能力的超导开关。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1是依据本发明的超导开关的第一实施例的结构示意图；
图2是依据本发明的超导开关的第二实施例的结构示意图。
具体实施方式
本发明提出的具有快速开断和快速恢复能力的超导开关。是将热电材料引入超导开关中，如图1和图2所示。热电材料的热电效应(也称作Peltier效应)是指当电流通过热电偶时，其中一个结点散发热量而另一个结点吸收热量的现象。同常规金属材料相比，半导体材料的Peltier效应更显著，具有较高的热电势可以成功地用来做成小型热电制冷器。如果用铜板(图2中的4、5)和铜导线将N型半导体(图2中的2)和P型半导体(图2中的3)连接成一个回路，铜板和铜导线只起导电的作用。N型材料有多余的电子，有负温差电势。P型材料电子不足，有正温差电势；当电子从P型穿过结点至N型时，结点的温度降低，其能量必然增加，而且增加的能量相当于结点所消耗的能量。相反，当电子从N型流至P型材料时，结点的温度就会升高。本发明中，将热电材料的一极紧贴超导开关中的超导材料，可以在原超导开关功能的基础上，利用热电材料的Peltier效应，在需要超导开关由超导态向正常态转变时，在半导体热电回路通入电流使得连接超导材料的电极发热，加速超导态—正常态的转变；在需要超导开关由正常态向超导态的转变时，只需要简单的改变半导体热电回路的电流方向，就可以使连接超导材料的电极制冷，快速实现超导材料正常态—超导态的转变，最终实现超导开关的全面可控和快速开关能力。
实施例1：如图1所示，热电材料为热电偶。(1为超导材料；2为热电偶)
实施例2：如图2所示，热电材料为半导体热电材料。(1为超导材料；2、3为半导体材料；4、5为铜板)
此处已经根据特定的示例性实施例对本发明进行了描述。对本领域的技术人员来说在不脱离本发明的范围下进行适当的替换或修改将是显而易见的。示例性的实施例仅仅是例证性的，而不是对本发明的范围的限制，本发明的范围由所附的权利要求定义。
Claims (4)
1、一种具有快速开断和快速恢复能力的超导开关，其特征在于所述超导开关由超导材料与热电材料连接而成，将所述热电材料的一极紧贴超导开关中的所述超导材料，在需要所述超导开关由超导态向正常态转变时，在所述热电材料构成的回路中通入电流使得热电材料中连接超导材料的电极发热，加速所述超导材料由超导态向正常态转变，在需要所述超导开关由正常态向超导态转变时，改变所述热电材料构成的回路中的电流方向，使热电材料中连接超导材料的电极制冷，从而快速实现所述超导材料由正常态向超导态的转变，从而最终实现所述超导开关的全面可控和快速开关功能。
2、根据权利要求1所述的超导开关，其特征在于所述超导材料和所述热电材料之间电连接的方式包括焊接、使用导电胶胶接和/或机械连接。
3、根据权利要求2所述的超导开关，其特征在于所述热电材料包括金属热电材料和/或半导体热电材料。
4、根据权利要求3所述的超导开关，其特征在于所述超导开关可以直接使用，或与使用加热、加外磁场来实现超导开关由超导态到正常态转变的方式结合使用。
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