DE2521328A1

DE2521328A1 - Schalter

Info

Publication number: DE2521328A1
Application number: DE19752521328
Authority: DE
Inventors: Kooji Kuwabara; Takao Miyashita; Hiroyuki Sugawara
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1974-05-15
Filing date: 1975-05-13
Publication date: 1975-11-27
Also published as: JPS50146884A; US4021633A; JPS5533579B2; DE2521328B2

Description

Schalter

Die Erfindung betrifft einen Schalter für Dauerströme mit mindestens einein ausserordentlich gut leitenden Elektrodenpaar aus einem hochreinen Metall, wobei das Elektrodenpaar einander gegenüberliegend so angeordnet ist, dass es geöffnet und geschlossen werden kann, mit Elektrodenhaltern, die die Elektroden tragen, und mit einem luftdichten, auf Hochvakuum evakuiertem Gehäuse, das die Elektroden im geöffneten Zustand elektrisch voneinander isoliert.

Die Erfindung betrifft also einen für Dauerstrombelastung ausgelegten Vakuumschalter, dessen Schaltkontakte im Hochvakuum liegen.

Schalter der genannten Art werden insbesondere als Speicherstromschalter in Verbindung mit supraleitenden Spulen eingesetzt. Sie müssen im geschlossenen Zustand einen ausserordentlich kleinen Widerstand besitzen. Die Kontaktoberflächen solcher Speicherstrom-Vakuumschalter müssen absolut frei von Verunreinigungen, insbesondere Oberflächenoxidschichten, sein. Dies ist ein wesentlicher Grund dafür, dass die Elektrodenkontakte dieser Schalter in Hochvakuumkammern untergebracht sind. Der Widerstand R eines geschlossenen Vakuumspeicherstrom-

Ct

schalters ist

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In dieser Gleichung ist R der Einschnürungswiderstand und R-. der Widerstand der Halterung. Der Einschnürungswiderstand -ist definiert als

R^ = rho/2a .

In der vorstehenden Gleichung ist rho der spezifische elektrische Widerstand des Kontaktmaterials und a der Radius der tatsächlichen wirksamen Kontaktfläche.

Das Verhältnis des Einschnürungswiderstandes R zum Halterungswiderstand R₁₁ beträgt etwa 10 : 1. Der Schalterwiderstand R kann also durch eine Verringerung des Einschnürungswiderstandes

R verkleinert werden.
c

Wenn die Schalterkontakte aus supraleitendem Werkstoff bestehen, ist der spezifische elektrische Widerstand rho des Werkstoffs praktisch Null. Damit ist auch der Einschnürungswiderstand R praktisch Null. Der Wert des Widerstandes R^

C ei

sinkt dadurch auf etwa ein Zehntel des sonst üblichen Schalterwider Standes . Mit Kupfer kontakt en kann ein Widerstand von 0,13/uOhm erhalten werden, während Kontakte identischer Konfiguration aus supraleitendem Werkstoff einen Widerstand von nur 0,025 /uOhm besitzen. Durch die Verwendung, von supraleitendem Werkstoff für die Kontakte von Speicher stromschal tern kann zwar der Schalterwiderstand R wesentlich erniedrigt wer-

3.

den, jedoch treten durch die Verwendung eines supraleitenden Werkstoffs neue Probleme auf.

Das bei der Verwendung supraleitender Werkstoffe auftretende Hauptproblem ist eine Stromgrenzbelastbarkeit der Speicherstromschalter. Beim Auftreten von Strömen, die grosser als der kritische Strom sind, geht der Werkstoff aus dem supraleitenden Zustand mit rho = 0 in den normal leitenden Zustand mit einem relativ grossen Wert des spezifischen elektrischen

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Widerstandes über. Dieser Übergang aus dem supraleitenden Zustand in den normal leitenden Zustand ist im folgenden als SN-Übergang bezeichnet. Der Wert für den kritischen Strom- ist dabei eine Funktion der Temperatur und des Magnetfeldes. Der Schalterwiderstand R eines Speicherstromschalters mit Kontakten

aus supraleitendem Werkstoff ist dann nicht mehr 0,025 /uOhm, sondern liegt für Ströme über dem kritischen Strom um einen

g
Faktor von 10 höher. Für Speicherstromschalter mit Kontakten aus supraleitendem Werkstoff ist es daher unerlässlich, dass sie bei Strömen kleiner als deirikr !tischen Strom betrieben werden. Der maximal zulässige Strom für Speicherstromschalter der genannten Art ist im folgenden als Stromgrenzbelastbarkeit oder kurz als Strombelastbarkeit bezeichnet.

In Abwesenheit eines äusseren Magnetfeldes ist die Strombelastbarkeit für einen SpeicherStromschalter mit einem Widerstand von R = 0,025 /UOhm immerhin 350 A, jedoch ist selbst dieser

Wert für grosse Supraleitungsspulen, deren Anregungsströme um ein Mehrfaches höher liegen, zu klein.

Gebräuchliche Kontakte für Speicherstromschalter werden aus einem Block aus supraleitendem Werkstoff ausgeschnitten. Da solche Werkstoffe in der Regel mechanisch nur schlecht zu bearbeiten sind, ist die Anzahl der irregulären Dichtepunkte klein, so dass also auch der kritische Stromwert relativ klein ist. Ausserdem weisen supraleitende Werkstoffe eine nur schlechte Wärmeleitfähigkeit auf. Wenn daher die Elektroden eines Speicherstromschalters ausschliesslich aus supraleitendem Werkstoff hergestellt werden, treten lokale Temperaturerhöhungen im Kontaktbereich auf, die den kritischen Strom in unerwünschter Weise weiter erniedrigen. Diese lokalen Temperaturerhöhungen sind darauf zurückzuführen, dass die während des Stromflusses auftretenden Magnetfluss Sprünge in den Elektroden zu einer Wärmeentwicklung führen und diese Wärme nicht schnell genug dissipiert werden kann.

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Ein Ziel der Erfindung ist daher die Schaffung eines Speicherstrom- Vakuumschalters mit stabilen Kenndaten und sehr kleinem Widerstand.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Speichel strom-Vakuumschalters mit wesentlich erhöhter Stromgrenzbelastbarkeit bei kleinsten Widerstandswerten.

Angesichts des Standes der Technik liegt der Erfindung also die Aufgabe zugrunde, einen Schalter für Dauerströme, insbesondere Supraleitungsspeicherströme, zu schaffen, die bei sehr kleinen Widerständen über den geschlossenen Schalter eine gegenüber dem Stand der Technik um ein Vielfaches grössere Stromgrenzbelastbarkeit aufweisen. '

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Schalter der genannten Art vorgeschlagen, der erfindungsgernäss dadurch gekennzeichnet ist, dass jede der Elektroden einen Kontakt mit hoher elektrischer Leitfähigkeit aus einem hochreinen Metall mit einem sehr kleinen spezifischen elektrischen Widerstand bei extrem tiefen Temperaturen und einen supraleitenden Kontakt aus einem supraleitenden Werkstoff enthält, so dass beim Schliessen der beiden Elektroden gleichzeitig parallele Strompfade über den elektrisch sehr gut leitenden Kontakt und über den supraleitenden Kontakt herstellbar sind.

Zusammenfassend schafft die Erfindung also einen Speicherstromschal ter, der die Enden einer Supraleitungsspule durchschalten und öffnen kann und in einer Vakuumkammer mindestens ein Elektrodenpaar aufweist, das sich einander gegenüberliegt. Jede der Elektroden weist einen elektrisch ausserordentlich gut leitenden Kontakt aus einem hochreinen Metall mit sehr kleinen spezifischen elektrischen Widerstand bei extrem tiefen Temperaturen und mindestens einen supraleitenden Kontakt aus einem supraleitenden Werkstoff auf, ao dass parallele Strompfade

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über die elektrisch ausserordentiich gut leitenden Kontakte und über die supraleitenden Kontakte gleichzeitig erstellbar sind, sobald die Elektroden miteinander in Berührung gebracht werden. Der Speicherstrom fliesst dann unter normalen Betriebsbedingungen über die supraleitenden Kontakte, springt jedoch augenblicklich auf die elektrisch ausserordentlich gut leitenden Kontakte über, sobald ein SN-Übergang durch eine Verschlechterung des kritischen Stromwertes für den Supraleiter eintritt. Ein solches Absinken des kritischen Stromwertes kann beispielsweise durch eine abrupte Änderung des Leitungsstromes oder die Einwirkung eines externen Magnetfeldes herbeigeführt werden. Durch das Überspringen der Leitung auf den elektrisch ausserordentlich gut leitenden Kontakt unter solchen Bedingungen wird eine rasche Abschwächung des Speicherstromes vermieden.

Der Schalter der Erfindung ermöglicht durch die Erstellung zweier paralleler Strompfade beim Schliessen eines ausserordentlich hohe effektive Stromgrenzbelastbarkeit.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird als Werkstoff für die Elektrodenkontakte des Speicherstromschalters ein hoch- ' reines Metall mit ausserordentlich guter elektrischer Leitfähigkeit verwendet, das insbesondere bei extrem tiefen Temperaturen einen sehr kleinen spezifischen elektrischen Widerstand aufweist. In jedem der-Kontakte ist in diesem Elektrodenmaterial zumindest ein Draht aus einem supraleitenden metallischen Werkstoff, der in Richtung des Stromflusses eine ausreichende Länge aufweist, in der Weise eingebettet, dass die Stirnfläche des supraleitenden Drahtes in der Kontaktfläche freiliegt. Beim Schliessen der Kontakte erstellen bei dieser Ausbildung sowohl die ausserordentlich gut leitende metallische Kontaktkomponente als auch die supraleitende metallische Kontaktkomponente parallele Strompfade. Durch eine relativ lange Ausbildung des supraleitenden Drahtes in Richtung des Stromflusses kann der Kontaktwiderstand zwischen dem elektrisch gut leitenden Metall und dem supraleitenden Metall sehr klein gehalten werden. Ausserdem kann durch Magjietflußsprünge

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entwickelte Wärme mit hohem Wirkungsgrad in kurzer Zeit abgeführt werden.

Als supraleitender Werkstoff können prinzipiell beliebige an sich bekannte supraleitende Werkstoffe eingesetzt werden. Vorzugsweise werden Niob-Titan-Yttrium-Legierungen oder Niob-Titan-Zirkon-Legierungen verwendet. Als Werkstoff mit hoher elektrischer Leitfähigkeit und hoher Wärmeleitfähigkeit für die andere Kontaktkomponente ("ausserordentlieh gut leitender Werkstoff") werden vorzugsweise Aluminium oder Kupfer verwendet.

Die Einbettung des supraleitenden Materials in den gut leitenden metallischen Werkstoff kann beispielsweise so erfolgen, dass man das gut leitende Metall bohrt, den supraleitenden Werkstoff in die Bohrung einsetzt und die so erhaltene Struktur einem Drahtziehverfahren unterwirft.

Ein Elektrodenmaterial, das einen auf diese Weise eingelagerten supraleitenden Werkstoff enthält, dessen Stirnflächen in beiden axialen Stirnflächen des Elektrodenmaterials freiliegen, kann durch Schneiden des in der zuvor beschriebenen Weise hergestellten gezogenen Elementes auf die gewünschte Länge erhalten werden.

Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung sind die Elektroden vorzugsweise so ausgebildet, dass mehradrige Litzen oder Kabel aus supraleitendem Draht in den reinen gut leitenden Werkstoff eingearbeitet werden. Sowohl bei monofiler als auch multifiler Ausbildung der supraleitenden Drahtkomponenten können ein oder mehrere Stränge des supraleitenden Drahtmaterials im hochreinen gut leitenden Werkstoff oder Metall eingebettet sein.

Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung besteht solch ein zusammengesetzter supraleitender Draht vorzugsweise aus einem reinen Kupferdraht mit einem Durchmesser von 0,5 bis 1 mm,

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in dem 200 bis 300 feine Supraleiterdrähte mit einem Durchmesser von je 25 bis 50 yum eingelagert sind*

"Die Erfindung ist im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung im Längsschnitt ein Ausführungsbeispiel eines SpeicherStromschalters der Erfindung;

Fig. 2 im Längsschnitt eine Elektrodenausbildung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 3 im Längsschnitt eine.weitere Elektrodenausbildung;

Fig. 4 einen Speicherstromschalter nach einem

weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung im Längsschnitt;

Fig. 5 im Längsschnitt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Speicherstromschalters der Erfindung;

Fig. 6 im Querschnitt eine Elektrode, wie sie . in dem in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel verwendet ist;

Fig. 7 im Querschnitt eine weitere Ausbildung

einer Elektrode, wie sie in dem in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel verwendbar isti

. 8 im Querschnitt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Elektrode, wie sie in dem

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in Fig. 5 gezeigten Schalter verwendbar ist und

Figuren 9

bis 11 perspektivische Darstellungen der Elektrodenausbildungen, wie sie im Schalter nach Fig. 5 verwendbar sind.

Ein Ausführungsbeispiel des Speicherstromschalters der Erfindung ist in Fig. 1 dargestellt. Eine bewegliche Elektrode 1 und eine ortsfeste Elektrode 2 bestehen beide aus einem ausserordentlich gut leitenden Werkstoff mit einem sehr kleinen spezifischen elektrischen Widerstand bei extrem tiefen Temperaturen, beispielsweise mit einem Widerstand von 0,01 /uOhiri'cm. Als Werkstoff für diese normal leitenden Kontakte dienen vorzugsweise reines Aluminium oder reines Kupfer. Die Elektroden 1 und 2 sind starr mit Elektrodenhaltern 3a bzw. 4a aus ausserordentlich gut leitendem Metall, wie beispielsweise Kupfer, verbunden. Diese Elektroden dienen als besonders gut leitender Kontakt. Eine bewegliche Elektrode und eine ortsfeste Elektrode 5 bestehen beide aus supraleitendem Werkstoff, vorzugsweise aus einer Niob-Yttrium-Legierung oder einer Niob-Titan-Zirkon-Legierung. Sie können auch aus anderen an sich bekannten supraleitenden Werkstoffen bestehen. Diese Elektroden bilden den supraleitenden Kontakt. Die Elektroden 4 und 5 sind starr und fest mit Elektrodenhaltern 3b bzw. 4b verbunden. Die Elektrodenhalter bestehen ebenfalls aus sehr gut leitendem Metall, wie beispielsweise Kupfer. Die Halter 4a und 4b sind fest und hermetisch dichtend in Metallplatten 6 eingearbeitet, an die ebenfalls hermetisch dichtend und fest ein Über gangs element 7 nach Art einer Zarge angearbeitet ist. Diese Zarge ist wiederum hermetisch dichtend mit einem Rand eines isolierenden Zylinders 8 aus keramischem Material verbunden. Die Elektrodenhalter 3a und 3b sind hermetisch dichtend in Federbälge 9a und 9b eingearbeitet,

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die ihrerseits hermetisch dichtend über Übergangselemente 10 und 11 mit dem anderen Rand des Isolatorzylinders 8 verbunden sind. Auf diese Weise sind die Elektroden 1, 2, 4 und 5 in einem vakuumdichten Gehäuse eingeschlossen. Das Gehäuse wird auf ein Vakuum von weniger als 1,33·10~ mbar evakuiert. Die beweglichen Halter 3a und 3b und die ortsfesten Halter 4a und 4b sind jeweils parallel zueinander geschaltet und mit den einander gegenüberliegenden Anschlüssen einer Supraleitungsspule 15 über elektrische Leiter 12 und 13 in der in Fig. 1 gezeigten Weise verbunden. Für den Speicherstrombetrieb werden der Speicherstromschalter 14 und die Supraleitungsspule 15 in ein in den Figuren nicht gezeigtes extrem kaltes Medium, beispielsweise in flüssiges Helium, getaucht. Durch Schliessen des Schalters 14 beginnt der Speicherstrom zu fliessen. Wenn der Speicherstrom kleiner als der kritische Strom der supraleitenden Kontakte der Elektroden 4 und 5 ist, fliesst praktisch der gesamte Strom über den beweglichen Elektrodenhalter 3b in die bewegte Elektrode 4, von dieser in die ortsfeste Elektrode 5 und über diese in den Halter 4b ab. Der Kontaktwiderstand ist praktisch Null. Es findet praktisch keine Abschwächung des Speicherstromes statt. Für die Supraleitungsspule 15 kann über einen erstaunlich langen Zeitraum der stabile Betrieb aufrechterhalten werden. Wenn, beispielsweise durch Einwirkung eines äusseren Magnetfeldes, der kritische Strom kleiner als der Speicher strom wird, so tritt im supraleitenden Werkstoff der Elektroden ein SN-Übergang auf. Der Widerstand der aus dem supraleitenden Werkstoff hergestellten Kontakte der beweglichen Elektrode und der ortsfesten Elektrode 5 springt von einem Wert im. Bereiche von praktisch Null auf einen vergleichsweise sehr grossen Widerstand im Bereich von beispielsweise einigen Ohm.

In dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind parallel zu der ortsfesten und der beweglichen Elektrode 4 und 5 aus supraleitendem Material eine bewegliche · Elektrode 1 und eine

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ortsfeste Elektrode 2 aus normal leitendem Metall vorgesehen. Der Speicherstrom springt also auf den durch den beweglichen Elektrodenhalter 3a, die bewegliche Elektrode 1, die ortsfeste Elektrode 2 und den beweglichen Elektrodenhalter 4a gekennzeichneten Pfad um. Wie zuvor beschrieben, besitzt dieser Pfad einen Widerstand von etwa 0,1 ,uOhm, so dass keine abrupte Dämpfung des Speicherstromes eintritt. Die Supraleitungsspule 15 kann ohne Unterbrechung weiter betrieben werden. Wenn die externe Störung nur vorübergehend ist, wird der supraleitende Zustand des Elektrodenpaares 4,5 durch das Kühlmittel wieder hergestellt, so dass der Speicherstrom seinen Weg wiederum durch die supraleitenden Kontakte nimmt.

In dem in Fig. 1 beschriebenen Beispiel sind die normal leitenden Elektroden 1 und 2 sowie die supraleitenden Elektroden 4 und 5 in einem hermetisch und vakuumdicht abgeschlossen Gehäuse angeordnet. Gleiche Ergebnisse werden selbstverständlich jedoch auch erhalten, wenn das normal leitende Elektrodenpaar und das supraleitende Elektrodenpaar in voneinander getrennten Gehäusen untergebracht sind.

In der Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es ist nur eine Teilelektrode des in Fig. 1 dargestellten SpeicherStromschalters beschrieben. Eine bewegliche Elektrode 22 und eine ortsfeste Elektrode 23 aus supraleitendem Material sind in einem Teilbereich einer be wsglichen Elektrode 20 und einer ortsfesten Elektrode 2! aus ausserordentlich gut leitendem Material, wie beispielsweise aus hochreinem Kupfer, angeordnet, wobei die Elektroden 22 und 23 als supraleitende Kontakte dienen. Auf der anderen Seite ist ein Teil der ortsfesten Elektrode 21 aufwärts gezogen und mit Kontakt element en 24 versehen, die den. Kontakt zur beweglichen Elektrode 20 herstellen und als normal leitende Kontakte dienen. Die Kontakte werden durch Aufwärts-verschieben der beweglichen Elektrode in die in Fig. 2 mit unterbrochenen

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Linien dargestellte Stellung geöffnet und durch ein vollständiges Ineinanderstecken in der in Fig. 2 mit ausgezogenen Linien dargestellten Stellung geschlossen. Nach diesem Ausführung sbeispiel werden durch die einzige mechanische auf- und abfuhrbare bewegliche Elektrode 20 parallele Leiterpfade normal leitender Kontakte und supraleitender Kontakte hergestellt, so dass nicht nur die gleichen Ergebnisse, wie mit dem in Fig. 1 gezeigten Schalter erhältlich sind, sondern darüber hinaus auch noch die Vorteile einer einfacheren konstruktiven Ausgestaltung ins Gewicht fallen.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der im Schalter nach Fig. verwendbaren Elektroden ist in Fig. 3 gezeigt. Eine bewegliche Elektrode 32 und eine ortsfeste Elektrode 33 aus supraleitendem Werkstoff stehen in gleitendem Kontakt zueinander und nicht, wie in der in Fig. 2 gezeigten Anordnung, auf Stoss. Die bewegliche Elektrode 32 und die ortsfeste Elektrode 33 sind an Teilen einer beweglichen Elektrode und einer ortsfesten Elektrode 31 ausausserordentlich gut leitendem Metall, die im wesentlichen die gleiche Form wie in Fig. 2 haben, angeformt. Die Elektroden 32 und 33 dienen als supraleitende Kontakte. Die übrigen Bereiche der beweglichen Elektrode 30 mit dem ortsfesten Schleifkontakt 34 bilden den normal leitenden Kontakt. Der supraleitende und der normal leitende Kontakt werden in der in Fig. 2 beschriebenen Weise geöffnet und geschlossen. In Fig. 3 ist die geöffnete Stellung des Schalters durch die unterbrochen dargestellte Linie angedeutet, während der geschlossene Zustand bei eingefahrenem beweglichem Kontakt in Fig. 3 durch die ausgezogenen Linien dargestellt ist. Die in den Figuren 2 und 3 dargestellten Elektroden können mit mehreren Kontakten in der an sich bekannten Tulpensteckerform ausgebildet sein.

Die in Fig. 3 gezeigte Elektrodenausbildung entsprxcht in ihrem Grundaufbau der in Fig. 2 gezeigten Ausbildung. Parallele

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Strompfade können über normal leitende Kontakte und über supraleitende Kontakte durch Verschieben eines einzigen beweglichen Elementes 30 geschlossen und geöffnet werden. Mit der in Fig. 3 gezeigten Ausbildung können also die im wesentlichen gleichen Ergebnisse wie mit der in Fig. 2 gezeigten Anordnung erzielt werden.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Speicherstromschalters der Erfindung ist in Fig. 4 gezeigt. Eine bewegliche Elektrode 40 und. eine ortsfeste Elektrode 41 bestehen aus einem der zuvor beschriebenen normal leitenden Metalle und bilden die normal leitenden Kontakte. In bestimmten Teilbereichen dieser normal leitenden Elektroden 40 und 41 sind supraleitende Elektroden 42 und 43, die supraleitende Kontakte herstellen, eingelegt. Die ortsfeste Elektrode 41 ist hermetisch dichtend mit einer Metallplatte 44 verbunden, die ebenfalls hermetisch dichtend an ihrem Rand ein Übergangselement 45 trägt, das nach Art einer Zarge ausgebildet ist. Das Übergangselement ist vakuumdicht mit einem Rand eines isolierenden Zylinders aus keramischem Material verbunden. Die bewegliche Elektrode 40 ist hermetisch dichtend über ein Übergangs element 47 aus Metall und einen Balg 48 sowie Übergangselemente 49 und 50 aus Metall mit dem anderen Rand des Isolator Zylinders 46 verbunden. Der auf diese Weise definierte abgeschlossene Raum wird auf ein Hochvakuum von kleiner als 1,33*10~ mbar evakuiert. Die gesamte Schaltereinheit wird in ein extrem kaltes Kühlmedium, beispielsweise Helium getaucht (in der Figur nicht ausgeführt). Mit der in Fig. 4 gezeigten Schalteranordnung werden sowohl der normal leitende als auch der supraleitende Kontakt gleichzeitig geöffnet und geschlossen, wenn die bewegliche Elektrode 40 aufwärts- bzw. abwärtsgeführt wird. Mit dieser Anordnung sind die gleichen Ergebnisse erzielbar, wie sie anhand der Figuren 2 und 3 dargestellt sind.

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In der Fig. 5 ist ein Längsschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel des SpeicherStromschalters der Erfindung gezeigt. Eine bewegliche Elektrode 50 und eine ortsfeste Elektrode enthalten Bereiche 52 und 53 aus hochreinem Metall, in das supraleitende Elemente 54 und 55 in Richtung des Stromflusses bei geschlossenen Elektroden eingelagert sind. Die Enden bzw. Stirnflächen der supraleitenden Elemente 54 und 55 liegen in der in Fig. 5 gezeigten Weise in der Kontaktfläche frei. Bei geschlossenen Elektroden werden prallele Strompfade über normal leitende Kontakte und über supraleitende Kontakte hergestellt. Die Elektroden 50 und 51 sind an Haltern 56 und 57 befestigt. Diese Halter bestehen ebenfalls aus ausserordentlich gut leitendem Metall, vorzugsweise aus Kupfer. Der Elektrodenhalter 57 ist hermetisch dichtend über ein Metallübergangselement 58 und 59 mit einem Rand eines Isolatorzylinders 60 aus keramischem Material verbunden. Der Elektrodenhalter 56 ist hermetisch dichtend über ein Metallübergangselement 61, einen Balg 62 und Metallübergangselemente 63 und 64 mit dem anderen Rand des IsolatorZylinders verbunden. Das auf diese Weise definierte vakuumdichte und hermetisch schliessende Gehäuse wird auf ein Hochvakuum

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von kleiner als 1,33*10 mbar evakuiert und dann in ein in der Figur nicht dargestelltes Kühlmittel von extrem tiefer Temperatur, beispielsweise flüssiges Helium, getaucht. Je nachdem, ob die bewegliche Elektrode abwärts- oder aufwärtsgeführt wird, werden im Speicherstromschalter gleichzeitig und parallel zueinander ein normal leitender und ein supraleitender Kontakt für zwei parallele Strompfade erstellt.

Nach diesem Ausführungsbeispiel sind die supraleitenden Elemente 54 und 55 in hochreinen Metallen 52 und 53 der beweglichen und der ortsfesten Elektroden 50 und 51 eingelagert und erstrecken sich in Richtung des Stromflusses bei geschlossenen Kontakten. Auf diese Weise wird nicht nur der Kontaktwiderstand

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zwischen dem hochreinen Metall und dem supraleitenden Element verringert, sondern kann auch die durch Flußsprünge erzeugte Wärme mit hohem Wirkungsgrad und rasch dissipiert werden.

In der Fig. 6 ist ein horizontaler Querschnitt durch eine bewegliche Elektrode 50 des in Fig. 5 gezeigten Speicherstromschalters dargestellt. Die ortsfeste Elektrode 51 weist den gleichen Querschnitt auf. In der in Fig. 6 gezeigten Weise sind die supraleitenden Elemente 54a mit jeweils angenähert rechteckigem Querschnitt ringförmig über die Kontaktfläche zwischen der beweglichen Elektrode· 50 und der ortsfesten Elektrode 51 (Fig. 5) verteilt. Bei dieser Anordnung wird beim Schliessen der beiden Elektrodenkontakte 50,51 gewährleistet, dass gleichzeitig die supraleitenden und die normal leitenden Bereiche der Elektrode Kontakte zueinander herstellen, so dass die parallelen Strompfade erhältlich sind. Mit diesem Ausführungsbeispiel werden die im Zusammenhang mit der Fig. 5 bereits beschriebenen Vorteile erreicht.

In der Fig. 7 ist ein Querschnitt der in Fig. 6 gezeigten Art durch eine modifizierte Ausbildung der beweglichen Elektrode dargestellt. Im Elektrodenkörper 52b aus ausserordentlich gut leitendem Metall sind zahlreiche supraleitende Drähte mit relativ kleiner Querschnittfläche in Längsrichtung eingebettet. Auf der ringförmigen Kontaktfläche der beweglichen Elektrode 50b liegen diese mit der Stirnfläche frei. Sowohl die normal leitenden Kontakte als auch die supraleitenden Kontakte werden gleichzeitig geöffnet und geschlossen, wenn die Elektroden 50 und 51 voneinander fort oder aufeinander zu bewegt werden. Die in Fig. 7 gezeigte Konfiguration entspricht in dieser Hinsicht der in Fig. 6 gezeigten Konfiguration.

Die in den Figuren 1 bis 7 gezeigten Ausführungsbeispiele weisen zahlreiche Vorteile auf, die im folgenden noch einmal unter Bezug auf Fig. 5 dargelegt sind.

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Während des Betriebs des SpeicherStromschalters 65 werden die supraleitenden Elemente 54 und 55 unter deren Sprungtemperatur gekühlt. Die Kühlung erfolgt durch ein extrem kaltes Kühlmedium, wie beispielsweise flüssiges Helium, über den beweglichen Elektrodenhalter 56 und das hochreine Metall 52 sowie über den ortsfesten Elektrodenhalter 57 und das hochreine Metall 53. Im supraleitenden Zustand unterhalb der Sprungtemperatur ist der spezifische elektrische Widerstand der supraleitenden Elemente 54 und 55 Null. Der Einschnürungswiderstand R , der über 90 % des Schalterwiderstandes verursacht·., ist auf den Wert Null reduziert. Da weiterhin die Elektroden 50 und 51 unter Vakuum gehalten und betätigt werden, sind die Elektrodenoberflächen frei von jeder Verunreinigung. Die VakuumschaIterkammer wird im wesentlichen durch den Balg 62 und den keramischen Zylinder 60 begrenzt. Mit der in Fig. gezeigten Struktur werden Schalterwiderstände im Bereich von etwa 0,02 bis 0,04 /UOhm gemessen. Der Widerstand des Speicherstromschalters im geschlossenen Zustand ist also überraschend klein. Der Nachteil der bekannten mechanischen Speicherstromschalter, der in einem relativ grossen Schalterwiderstand liegt, ist also behoben.

Da weiterhin die Supraleiter 54 und 55 in Richtung des Stromflusses ausgedehnt verlaufen und im hochreinen Metall 52 und 53 eingebettet sind, ist auch der Kontaktwiderstand zwischen dem Supraleiter 54 und dem Metall 52 sowie zwischen dem Supraleiter 55 und dem Metall 53 spürbar erniedrigt.

Der Kontaktwiderstand zwischen einem Supraleiter und sauerstofffreiera Kupfer ist eine Funktion der Länge des eingelagerten Supraleiterdrahtes. Für einen supraleitenden Draht aus einer Legierung aus 67 % Niob und 33 % Zirkon mit einem Durchmesser von 0,25 mm in einer sauerstofffreien Kupfermatrix wird bei einer Länge von 25,4 mm ein Kontakt-widerstand von 0,27 /UOhm gemessen, bei einer Länge von 12,7 mm ein Kontaktwiderstand von 0,31 /UOhm und bei einer Länge von 6,4 mm ein

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Kontaktwider stand von 1,0 ,uOhm. Diese Werte werden in Abwesenheit eines äusseren Magnetfeldes gemessen. In Gegenwart eines äusseren Magnetfeldes -mit einer magnetischen Flussdichte von 5 T werden für die entsprechenden Längen Kontakt wider stände von 0,39, 0,5 und 1,5 ,uOhm gemessen.

Die genannten Werte sind zu gross für einen Speicherstromschalter, in dem ein Widerstand von 0,01 ruOhm bereits zu Problemen führt. Der Kontaktwiderstand kann in einfacher Weise durch eine Vergrösserung der Kontaktfläche zwischen dem Supraleiter und dem sauerstofffreien Kupfer erniedrigt werden. Wenn beispielsweise der Durchmesser des supraleitenden Drahtes auf 0,25 cm vergrössert wird, so führt das zu einer Zunahme der Kontaktflache, die eine Abnahme der Widerstandswerte für Einbettungslängen von 25,4, 12,7 bzw. 6,4 mm von 3,1*10 ,

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2,7*10 und 1,05*10 ,uOhm unter Zugrundelegung der vorgenannten Daten bewirkt.

Wie zuvor beschrieben, ist der gesamte Widerstand eines Speicherstromschalters mit Supraleiterkontalcten im geschlossenen Zustand 0,02 bis 0,04 /UÖhm. Selbst im Fall eingebetteter Supraleiter mit einem Durchmesser von 0,25 cm und einer Kontaktlänge von 6,4 mm kann kein ausreichend niedriger Kontaktwiderstand erzielt werden.

Aus den vorgenannten Daten ist bekannt, dass die Längenausdehung des Supraleiters zumindest grosser oder gleich 12,4 mm sein muss. Für die Praxis geeignete Elektroden 50 und 51 für Speicherstromschalter können also dadurch erhalten werden, dass man die Kontaktfläche erhöht und dadurch den Kontaktwiderstand zwischen den Supraleitern 54 und 55 und den hochreinen Metallen 52 und 53 durch Verlängerung der Längenabmessung der in die hochreinen Metallein Längsrichtung des Stromflusses in den Elektroden eingebetteten Supraleiter erzielen kann.

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Drittens sind die Supraleiter 54 und 55 nach einer Weiterbildung der Erfindung so in Bereichen der Elektroden 50 und

51 eingebettet, dass sie im geschlossenen Zustand des Schalters auf einander sto ssen. Durch, ihre Einbettung in die hochreinen Metalle 52 und 53, die eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit besitzen, kann die in den Supraleitern 54 und 55 durch Flußsprünge erzeugte Wärme rasch in den und durch die Metalle

52 und 53 abgeleitet werden. Eine weitere Ableitung der in den Suprleitern entwickelten Wärme erfolgt durch den beweglichen Elektrodenhalter 56 und den ortsfesten Elektrodenhalter 57. Dadurch ist der Speicherstromschalter stabil gegen durch die Elektroden fliessenden Strom und weist eine hohe Stromgrenzbelastbarkeit auf. Eine Vergrösserung der Kontaktfläche bewirkt dabei selbstverständlich eine schnellere Ableitung und Dissipation der durch die Flußsprünge erzeugten Wärme.

Viertens weisen die Kontaktflächen vorzugsweise Ringstruktur auf. Die Kontaktfläche ist dadurch im Vergleich zu Punktkontakten relativ gross, so dass auch dadurch die Stromgrenzbelastbarkeit des Speicher stromschalt er s erhöht werden kann. In Schaltern, die supraleitende Kontakte verwenden, hängt die Stromgrenzbelastbarkeit von der für die Kontaktoberflächen zulässigen Stromdichte ab. ^uch in dieser Hinsicht bewirkt eine Vergrösserung der Kontaktfläche eine Erhöhung der Strombelastbarkeit.

Nach einem wesentlichen Merkmal der Erfindung werden ausserdem sowohl die supraleitenden Kontakte als auch die normal leitenden Kontakte gleichzeitig geöffnet und geschlossen, so dass der Strom über die supraleitenden Kontakte fliesst, wenn er kleiner als der kritische Strom der Supraleiter 54 und 55 ist, während er durch die normal leitenden Kontakte fliesst, wenn er grosser als der kritische Strom der Supraleiter ist. Da der spezifische elektrische Widerstand hochreiner Metalle bei extrem tiefen Temperaturen sehr

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klein ist, liegt der Schalterwiderstand bei Stromfluss über die normal leitenden Kontakte im Bereich von etwa nur 0,1 /uOhm. Durch die zuvor beschriebene Sehalterstruktur der Erfindung kann die Stromgrenzbelastbarkeit des Schalters ohne Nachteile bis dicht an den kritischen Stromwert der Supraleiter 54 und 55 erhöht werden.

In der Fig. 8 ist im Querschnitt eine weitere Abänderung der in den Figuren 6 und 7 gezeigten Elektroden dargestellt. Die in Fig.. 8 gezeigte Elektrode wird höchsten Anforderungen der Praxis gerecht. Mehrere multifile Supraleiterkabel 80 sind in einem hochreinen Metall 81 eingebettet. Die multifilen Supraleiterdrähte 80 erstrecken sich in Richtung des Stromflusses. Die Enden bzw. Stirnflächen der Kabel 80 bilden in der Kontaktoberfläche eine ringförmige Kontaktfläche. Dadurch werden gleichzeitig eine Vielzahl supraleitender Kontakte und ein normal leitender Kontakt hergestellt. Bei dieser Ausbildung kann selbstverständlich kein exakter supraleitender Kontakt erwartet werden, jedoch ist die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten bzw. für die Herstellung supraleitender Kontakte oder normal leitender Kontakte 0,25 und ist die Wahrscheinlich für das Auftreten sowohl supraleitender als auch normal leitender Kontakte 0,5, wenn das Verhältnis der Querschnittflächen des Kupfers zur Gesamtquerschnittfläche der multifilen SupraMter, also jedes multifilen supraleitenden Kabels 80, gleich 1:1 ist. Unter diesen Umständen kann also der Schalterwiderstand auf einen Wert von 50 % oder niedriger unter den für gebräuchliche normal leitende Kontakte gesenkt werden. Bei Verwendung hochreiner Metalle als normal leitendes Kontaktmaterial kann ausserdem der Laststrom bis dicht an den kritischen Stromwert für die Supraleiter erhöht werden, wie bereits im Zusammenhang mit den in den Figuren 6 und 7 gezeigten Ausführungsbeispielen erwähnt.

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In den zuvor beschriebenen Ausfuhrungsbeispielen sind die Kontaktoberflächen ring- oder streifenförmig ausgebildet. Jedoch kann die Kontäc toberflache der ortsfesten Elektrode durchaus auch flächig ausgebildet sein, während die dieser gegenüberstehende bewegliche Elektrode 90 eine konvex ausgebildete Kontaktoberfläche aufweist (Fig. 9). Mehrere Supraleiter 94 und 95 sind in hochreinen Metallen 92 und 93 eingebettet. Diese Strukturen bilden sowohl die bewegliche Elektrode 90 als auch die ortsfeste Elektrode 91. Auch bei dieser Ausbildung der Elektroden werden die supraleitenden Kontakte und die normal leitenden Kontakte gleichzeitig geöffnet und geschlossen, wenn die Elektroden 90 und 91 voneinander fort oder bis zum Anschlag aufeinander zu geführt werden.

In der Fig. 10 ist ein weiteres BeispM für eine Elektrodengeometrie gezeigt. Die bewegliche Elektrode 100 und die ortsfeste Elektrode 110 sind selbstzentrierend mit einer im Querschnitt kreisbogenförmigen konvexen Oberfläche der beweglichen Elektrode und einer V-förmig gekerbten Oberfläche der ortsfesten Elektrode ausgebildet. Mehrere Supraleiter 104 und 105 sind in je zwei Reihen in hochreinen Metallen und 103 der beweglichen Elektrode 100 und der ortsfesten Elektrode 101 so eingebettet, dass die Supraleiter 104 und und die hochreinen Metalle 102 und 103 gleichzeitig bei Annäherung der Elektroden miteinander in Kontakt treten.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Elektrodenkonfiguration ist in der Fig. 11 in perspektivischer Darstellung gezeigt. Eine bewegliche Elektrode 110 und eine ortsfeste Elektrode sind ebenfalls selbstzentrierend ausgebildet. Die eine Kontaktoberfläche ist mit kreisbogenförmigem Querschnitt konvex ausgebildet, während die andere Kontaktoberfläche V-förmig konkav gekerbt ausgebildet ist. Der Unterschied der in Fig. gezeigten Elektrode zu der in Fig. 10 gezeigten Elektrode besteht darin, dass in den in Fig. 11 gezeigten Elektroden

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scheibenförmige Supraleiter 114 und 115 in hochreinen Metallen 112 bzw. 113 eingebettet sind, die eine bewegliche Elektrode 110 und eine ortsfeste Elektrode 111 bilden. Diese Elektroden 110 und 111 werden in der im Zusammenhang mit der in Fig. 10 beschriebenen Konfiguration betätigt und zeigen die gleichen Wirkungen.

Wie zuvor beschrieben, werden erfindungsgemäss hochreine Metalle mit ausserordentlich hoher Leitfähigkeit als Werkstoff für die Kontaktelektroden des Speicherstromschalters verwendet. In diese Werkstoffe ist jeweils mindestens ein Supraleiter eingebettet. Die Lange des Supraleiters erstreckt sich in Richtung des Stromflusses und liegt mit einer Stirnfläche in der Kontaktoberfläche frei, so dass parallele Strompfade über die hochreinen Metallkontakte und die Supraleiterkontakte beim Schliessen des Schalters gleichzeitig hergestellt werden. Dadurch kann die Kontaktfläche zwischen dem hochreinen Metall und dem Supraleiter erhöht werden und kann gleichzeitig die Stromgrenzbelastbarkeit der Kontakte erhöht werden, so dass ein Speicherstromschalter mit unerwartet hoher Strombeiastbarkeit erhalten wird.

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Claims

Pa t enta η sprüche

Ί./Schalter für Dauerströme mit mindestens einem ausserordentlich gut leitenden Elektrodenpaar aus einem hochreinen Metall, wobei das Elektrodenpaar einander gegenüberliegend so angeordnet ist, dass es geöffnet und geschlossen werden kann, mit Elektrodenhaltern, die die Elektroden tragen, und mit einem luftdichten,auf Hochvakuum evakuiertem Gehäuse, das die Elektroden im geöffneten Zustand elektrisch voneinander isoliert, dadurch gekennzeichnet , dass jede der Elektroden einen Kontakt mit hoher elektrischer Leitfähigkeit aus einem hochreinen Metall mit einem sehr kleinen spezifischen elektrischen Widerstand bei extrem tiefen Temperaturen und einen supraleitenden Kontakt aus einem supraleitenden Werkstoff enthält, so dass beim Schliessen der beiden Elektroden gleichzeitig parallele Strompfade über den elektrisch sehr gut leitenden Kontakt und über den supraleitenden Kontakt herstellbar sind.
2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennz eichnet , dass die ausserordentlich gut leitfähigen Kontakte und die supraleitenden Kontakte voneinander getrennte Elektroden bilden und in dem vakuumdichten Gehäuse angeordnet sind und dass die parallelen Strompfade über die ausserordentlich gut leitfähigen Kontakte und die supra leitenden Kontakte gleichzeitig herstellbar sind.

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3. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ausserordentlich gut leitfähigen Kontakte und die supraleitenden Kontakte an zwei voneinander getrennten Elektrodenpaaren in verschiedenen jeweils hermetisch gedichteten Gehäusen angeordnet sind.
4. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichne, t , dass die supraleitenden Kontakte so in den hochreinen Metallen der ausserordentlich gut leitenden Kontakte eingebettet sind, dass die Stirnflächen der Supraleiter in den Kontaktoberflächen der ausserordentlich gut leitenden Kontakte freiliegen, und dass die parallelen Strompfade über die ausserordentlich gut leitenden Kontakte und die supraleitenden Kontakte beim Inberührungsbringen der Elektroden gleichzeitig schliessbar sind.
5. SpeicherStromschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass eine der Elektroden des mindestens vorgesehenen einen Elektrodenpaares einen ausserordentlich gut leitenden Kontakt und einen supraleitenden Kontakt getrennt voneinander enthält, während die Gegenelektrode einen ausserordentlich gut leitenden Kontakt aus einem hochreinen Metall mit einem sehr kleinen spezifischen elektrischen Widerstand bei extrem tiefen Temperaturen und einen supraleitenden Kontakt hat, der aus einem Supraleiter besteht, der in der Weise in dem hochreinen Metall eingebettet ist, dass ein Ende dieses supraleitenden

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Kontaktes in der Kontaktoberfläche'der Gegenelektrode freiliegt, und dass die parallelen Strompfade über die ausserordentlich gut leitenden Kontakte und die supraleitenden Kontakte gleichzeitig hergestellt werden, wenn die Elektroden miteinander in Berührung gebracht werden.
6. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Elektroden einen ausserordentlich gut leitenden Kontakt aus einem hochreinen Metall mit einem sehr kleinen spezifischen elektrischen Widerstand bei extrem tiefen Temperaturen enthält, und dass mindestens ein supraleitender Werkstoff in Richtung des Stromflusses bei geschlossenen Elektroden in dem hochreinen Metall eingebettet ist, wobei ein Ende bzw.· eine Stirnfläche des supraleitenden Werkstoffs in der Kontaktoberfläche des ausserordentlich gut leitenden Kontaktes freiliegt, und dass die parallelen Strompfade über die ausserordentlich gut leitenden Kontakte und über die supraleitenden Kontakte gleichzeitig herstellbar sind, wenn die Elektroden miteinander in Berührung gebracht werden.
7. SpeicherStromschalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , dass der supraleitende Werkstoff so in das hochreine Metall eingebettet ist, dass er in beiden Stirnoberflächen des hochreinen Metalls freiliegt und sich in der bei geschlossenen Elektrodenkontakten einstellenden Richtung des Stromflusses erstreckt.

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8. Speicher Stromschalter mit mindestens einem Paar ausserordentlich gut leitender Elektroden aus einem hochreinen Metall, wobei diese Elektroden einander gegenüberliegend so angeordnet sind, dass sie durch Aufeinandsrzuführen miteinander in Berührung gebracht und durch Voneinanderabführen getrennt werden können, mit Elektrodenhaltern, die die Elektroden tragen, und einem hermetisch abgedichteten, vakuumdichten Gehäuse, das auf Hochvakuum abpumpbar ist, wobei das Gehäuse die Elektroden im voneinander getrennten Zustand elektrisch voneinander isoliert, dadurch gekennz eichnet, dass zusammengesetzte mehrkernige Supraleiter, von denen jeder aus einem hochreinen Metall mit sehr hoher Leitfähigkeit als Substrat und mehreren sehr dünnen supraleitenden Drähten, die in das MetaIlsubstrat eingebettet sind, besteht, in jede der Elektroden so eingebettet sind, dass sie sich in Richtung des Stromflusses, der beimiteinander in Berührung gebrachten Elektroden in den Elektroden fliesst, erstrecken, wobei die Enden der mehrkernigen Supraleiter in der Kontaktoberfläche der Elektroden freüiegen, und die Elektroden, wenn sie miteinander in Berührung gebracht werden, so ausgerichtet sind, dass die in ihnen eingelagerten zusammengesetzten Supraleiter aufeinanderstossen.
9. Speicher Stromschalter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , dass jeder der zusammengesetzten mehr-

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kernigen Supraleiter so in jeder der Elektroden eingebettet ist, dass sie an beiden Enden jeder der Elektroden freiliegen und sich zwischen diesen beiden Enden in Richtung des Stromflusses in der Elektrode erstrecken, der sich einstellt, wenn die Elektroden miteinander in Berührung gebracht werden.

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