DE3525938A1

DE3525938A1 - Schalter

Info

Publication number: DE3525938A1
Application number: DE19853525938
Authority: DE
Inventors: Yen Hwa Solana Beach Calif. Hsu; John Russell San Diego Calif. Purcell
Original assignee: GA Technologies Inc
Current assignee: GA Technologies Inc
Priority date: 1984-07-20
Filing date: 1985-07-19
Publication date: 1986-01-30
Also published as: GB2162712A; JPS6140070A; US4602231A; FR2568051A1; GB2162712B; GB8518247D0; JPH0624254B2; NL8502031A

Description

Schalter

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schalter, der zwischen einem geschlossenen Zustand, in dem er einen sehr niedrigen Widerstandsweg für den elektrischen Strom aufweist, und einem geöffneten Zustand umschalt- C bar ist, in dem er einen Stromweg mit einem relativ hohen Widerstand bildet.

Beispielsweise ist der erfindungsgemäße Schalter im Zusammenhang mit supraleitenden Magnetspulen verwendbar. Derartige Spulen werden typischerweise in Bädern „._ auf einer sehr niedrigen Temperatur gehalten, die in geschlossenen Gefäßen, wie beispielsweise Dewar-Gefäßen, flüssiges Helium enthalten. Für bestimmte Anwendungsfälle ist es wünschenswert, selektiv einen Stromweg zwischen zwei Punkten in dem Dewar-Gefäß herzustellen, der einen sehr niedrigen Widerstand von beispielsweise 10 Ohm aufweist. Herkömmliche Schalter sind nicht in der Lage, Stromwege zu bilden, die einen derartig niedrigen Widerstand aufweisen.

__ Supraleitende Materialien weisen bei sehr niedrigen 35

Temperaturen einen sehr niedrigen elektrischen Widerstand auf. Typischerweise besitzt ein supraleitendes

Material eine Übergangstemperatur zwischen 10⁰K und 20⁰K. Oberhalb der Übergangstemperatur stellt dieses Material einen normalen Leiter dar, der einen relativ

großen Widerstand besitzt.
5

Früher wurde vorgeschlagen, Supraleiter dadurch als Schalter anzuwenden, daß ihre Temperaturen geändert werden. Derartige Schalter enthalten jedoch typischerweise ununterbrochene bzw. kontinuierliche Stabilisie-10

rungsmatrizes mit einem relativ niedrigen Widerstand.

Typischerweise konnten derartige Schalter auch nicht Stromwege mit einem hohen Widerstand schaffen, wenn sie sich im geöffneten Zustand befanden.

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schalter, der eine Länge eines supraleitenden Materiales und eine Stabilisierungseinrichtung enthält, die die Instabilität der Länge des supraleitenden Materiales ohne eine

übermäßig große Verringerung des Widerstandes des 20

Schalters in seinem geöffneten Zustand verringert. Bei der bevorzugten Ausfuhrungsform ist eine Heizeinrichtung vorgesehen, die die Temperatur des supraleitenden Materiales über seine Übergangstemperatur anhebt, um

den Schalter zu öffnen. Eine Isolation umgibt im 25

wesentlichen das supraleitende Material und die Heizeinrichtung, um eine Temperaturdifferenz zwischen dem supraleitenden Material und der Umgebung aufrechtzuerhalten.

Die Stabilisierungseinrichtung umfaßt vorzugsweise eine Mehrzahl von Kupfersegmenten bzw. Kupferabschnitten, die in einem Kontakt zu dem supraleitenden Material stehen. Die Segmente sind voneinander beabstandet, so daß sie nicht einen ununterbrochenen Stromweg durch

das Kupfer bilden.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen verbesserten Schalter anzugeben, der in seinem geschlossenen Zustand wie ein Supraleiter und in

seinem geöffneten Zustand wie ein normaler Leiter 5

funktioniert.

Ein wesentlicher Vorteil besteht darin, daß der erfindungsgemäße Schalter in seinem geschlossenen' Zustand wie ein Supraleiter funktioniert und in seiner geöffneten Position einen relativ hohen Widerstand zwischen seinen Anschlüssen bildet.

Weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung und den 15

Figuren hervor. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Schalters;

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung entlang der

Linie 2-2 der Figur 1, wobei die

Blickrichtung durch die Pfeile angegeben ist; und
Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung im

wesentlichen entlang der Linie 3-3 der 25

Figur 2, wobei die Blickrichtung durch die

Pfeile angegeben ist.

Allgemein verkörpert sich die vorliegende Erfindung in

einem Schalter, der in der Figur 1 allgemein mit dem 30

Bezugszeichen 10 bezeichnet ist. Der Schalter 10

enthält einen ersten Anschluß 12 und einen zweiten Anschluß 14. Der Schalter weist eine Länge 16 aus einem supraleitenden Material 16 auf, das sich zwischen dem ersten Anschluß 12 und dem zweiten Anschluß 35

14 erstreckt. Die Länge des supraleitenden Materials 16 ist hier auf einem schraubenförmigen Weg um ein

Kernelement 18 gewickelt. Das dargestellte Kernelement 18 besteht aus einer Länge eines Aluminiumrohres, das mit einem thermischen Isolator, wie beispielsweise

einem synthetischen Schaummaterial, gefüllt ist. 5

Wenn die Temperatur des supraleitenden Materials 16 auf einer extrem niedrigen Temperatur gehalten wird, funktioniert es wie ein Supraleiter, d.h. es leitet

den Strom mit einem extrem niedrigen Widerstand. Bei 10

höheren Temperaturen funktioniert das supraleitende

Material 16 wie ein normaler Leiter und leitet den Strom mit einem relativ hohen Widerstand. Die Übergangstemperatur, bei der das Material Übergänge zwischen dem Zustand der normalen Leitung und dem supra-15

leitenden Zustand erfährt, liegt typischerweise zwischen 10°K und 20°K.

Der Schalter 10 wird dadurch geschlossen, daß die Temperatur des supraleitenden Materials 16 unter die

Übergangstemperatur abgesenkt wird. Der Schalter 10 wird dadurch geöffnet, daß die Temperatur des supraleitenden Materials über die Übergangstemperatur angehoben wird.

Während Einrichtungen zur Änderung der Temperatur des supraleitenden Materials 16 eine Heizeinrichtung, eine Kühleinrichtung oder beides enthalten können, ist der dargestellte Schalter so entworfen, daß er in einer

Umgebung verwendbar ist, deren Umgebungstemperatur 30

unter der Übergangstemperatur des supraleitenden Materials liegt. Dementsprechend ist eine Heizeinrichtung 22 vorgesehen, um den Schalter durch Anheben der Temperatur des Materials über seine Übergangstemperatur zu öffnen. Wenn die Heizeinrichtung 22 nicht

in Betrieb ist, überträgt das supraleitende Material 16 Wärme an die Umgebung und ändert seinen Zustand,

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wenn seine Temperatur ausreichend niedrig wird. Dabei wird der Schalter 10 geschlossen.

Die dargestellte Heizeinrichtung 22 umfaßt ein Heiz-5

element 24 mit einem relativ hohen elektrischen Widerstand, so daß es bei einem Stromdurchfluß Wärme erzeugt. Der elektrische Strom fließt durch die Heizleitungen 26 und 28 zum Heizelement. Bei dem Heizelement

24 kann es sich um einen herkömmlichen Widerstand 10

handeln.

Um zu verhindern, daß eine übermäßig große Wärmeübertragung von der Heizeinrichtung 22 zur Umgebung erfolgt, umgibt eine thermische Isolation 30 im wesent-15

liehen die Länge des supraleitenden Materiales 16 und die Heizeinrichtung 22. Die Isolation kann durch eine Wicklung eines Epoxyglas-Bandes realisiert werden.

Das supraleitende Material umfaßt hier einen mehradri-20

gen Draht 16, der aus einer Mehrzahl von Niob-Titan-Drähten bzw. -Fäden 32 besteht, die parallel zueinander verbunden sind. Während des supraleitenden Betriebes kann eine relativ kleine mechanische oder thermische Strömung in einem Faden 32 Wärme erzeugen und die ..

Temperatur eines Bereiches des Fadens über die Übergangstemperatur anheben. Wenn ein relativ kleiner Bereich eines einzigen Fadens 32 über die Übergangstemperatur angehoben wird, erzeugt der sich ergebende

elektrische Widerstand in diesem Bereich Wärme, die die 30

Temperatur der benachbarten Bereiche des Fadens anhebt.

Um zu verhindern, daß eine derartige Erscheinung den gesamten Draht 16 in den normalen Zustand bringt, d.h. seine Temperatur über die Übergangstemperatur anhebt, wird typischerweise ein stabilisierendes Material auf

den supraleitenden Fäden vorgesehen, um um Bereiche der supraleitenden Fäden, die zeitweise mit einem relativ

hohen Widerstand leiten, einen Stromweg vorzusehen. Das stabilisierende Material kann auch Wärme von diesen Bereichen wegleiten bzw. führen.

Ein supraleitendes Kabel wird typischerweise durch einen ununterbrochenen, normalen Leiter stabilisiert, der das supraleitende Material enthält und sich zusammen mit diesem erstreckt. Der normale Leiter weist typischerweise einen höheren elektrischen Widerstand auf als das supraleitende Material unter der Übergangstemperatur. Er weist aber auch einen niedrigeren elektrischen Widerstand auf als das supraleitende Material über der Übergangstemperatur.

Das stabilisierende Material weist typischerweise die Form einer Kupfermatrix auf, die die Fäden bzw. Drähte individuell und kollektiv umgibt. Ein durch Kupfer stabilisierter supraleitender Draht weist selbst über der Übergangstemperatur einen relativ niedrigen Widerstand auf, weil die Kupfermatrix über der Ubergangstemperatur einen relativ niedrigen elektrischen Widerstand besitzt. Dadurch wird ein in dieser Weise stabilisierter Draht für die Verwendung in einem Schalter

ungeeignet, bei dem gewünscht wird, daß der Schalter 25

durch Anheben der Temperatur des Drahtes über seine Übergangstemperatur geöffnet wird, d.h. einen hohen Widerstand zwischen den Enden des supraleitenden Drahtes erzeugt.

In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung sind Stabilisierungseinrichtungen 34 vorgesehen, die den supraleitenden Draht 16 stabilisieren, während sie es ermöglichen, daß ein relativ hoher Widerstand zwischen

entgegengesetzten Enden des Drahtes 16 bei Temperatu-35

ren aufrechterhalten wird, die über der Übergangstemperatur des supraleitenden Materiales liegen. In der

dargestellten Ausführungsform umfaßt die Stabilisierungseinrichtung 34 eine Mehrzahl von Segmenten bzw. Abschnitten eines normalleitenden Materials. Die Segmente 34 sind entlang der Länge des Drahtes 16 vonein-5

ander beabstandet und jedes Segment berührt alle Fäden

32. Die Segmente 34 verbinden daher die Fäden bzw. Drähte 32 parallel. Dadurch wird die Wiederverteilung eines Stromes um Bereiche der einzelnen Fäden bzw. Drähte ermöglicht, die zeitweise über der Übergangstemperatur liegen. Neben ihren elektrischen Funktionen können die Segmente 34 auch die Wärmeausbreitung entlang der Fäden 32 verzögern. Dadurch wird die Aufrechterhaltung der Stabilität weiter unterstützt. Die

Segmente 34 bestehen vorzugsweise aus Kupfer. 15

Die Charakteristiken des Schalters 10 hängen in großem Maße von der Länge und dem Abstand der Kupfersegmente 34 ab. Wenn die Längen der Intervalle zwischen den Kupfersegmenten 34 zu groß sind, ist die Stabilisie-

rung nicht ausreichend. Die Wirksamkeit der Stabilisierungssegmente liegt hauptsächlich in ihrer Fähigkeit, abwechselnde Stromwege zu schaffen, wenn besondere Bereiche der Fäden zeitweise über die Umgebungstemperatur erwärmt werden. Wenn die Längen der Inter-

valle zunehmen, nimmt die" Wahrscheinlichkeit zu, daß zu irgendeinem Zeitpunkt die Anzahl der Fäden, die derartige Bereiche zwischen zwei benachbarten Segmenten aufweisen, so groß wird, daß die restlichen Fäden nicht

den gesamten Strom führen können. Wenn dies eintreten 30

würde, würde der Draht 16 in den normalen Zustand gezogen. Wenn jedoch die gesamte bzw. kumulative Länge der Intervalle zu kurz ist, kann der Widerstand des Schalters 10 in der geöffneten Position unerwünscht

niedrig sein.
35

Eine andere Betrachtung besteht darin, daß die Segmen-

I·* «4

te 34 lang genug sein sollte, so daß der Widerstand für den durch die Segmente zwischen den Fäden 32 fließenden Strom vernachlässigbar ist. Wenn die Segmente 34 zu

kurz sind, kann der Flächenkontakt zwischen einem 5

Segment 34 und den Fäden 32 so klein sein, daß der elektrische Widerstand für den zwischen den Fäden 32 und dem Segment 34 fließenden Strom zu groß ist.

Außerdem wird, wenn die Kupfersegmente 34 relativ lang sind, die Wärmeübertragung zu den Bereichen der supraleitenden Fäden 32 in den Kupfersegmenten 34 geringfügig verzögert und diese Bereiche bleiben während einer kurzen Zeitperiode nach dem Aktivieren bzw. Einschalten der Heizeinrichtung 22 supraleitend. In einer ähnlichen Weise wird dann, wenn gewünscht wird, daß der Schalter 10 geschlossen wird, die Wärmeübertragung von diesen Bereichen durch die Kupfersegmente 34 verzögert. Derartige Verzögerungen sind unerwünscht.

Für eine annehmbare Funktion kann der supraleitende Draht 16 einen mehradrigen supraleitenden Draht mit 20.000 Adern (20 mil) und mit einer Länge von 121,92 m (400 foot)umfassen, wobei die Kupfersegmente 34 etwa

2,54 cm (1 inch)pro 30,48 cm (1 foot) des supraleiten-25

den Drahtes bedecken.

Der stromführende Bereich des Schalters 10, d.h. der Draht 16 und die Segmente 34, können aus einem stabilisierten supraleitenden Draht dadurch hergestellt 30

werden, daß Bereiche des stabilisierenden Materials

von diesem Draht entfernt werden. Der stabilisierte, supraleitende Draht wird typischerweise durch einen Koextrusions-Prozeß bzw. durch ein gemeinsames Strangpreßverfahren hergestellt, bei dem eine Mehrzahl von 35

supraleitenden Fäden in einer Kupfermatrix enthalten sind. Ein derartiger Draht weist entlang seiner gesam-

ten Länge den in der Figur 3 dargestellten Querschnitt auf. Der Koextrusions-Prozeß bewirkt einen guten elektrischen Kontakt zwischen der Kupfermatrix und den

supraleitenden Fäden entlang der gesamten Länge des 5

Drahtes.

In der dargestellten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der leitende Bereich des Schalters 10

durch chemisches Ätzen einer Länge des 20.000 (20 mil) 10

Adern umfassenden, kupferstabilisierten, supraleitenden Drahtes hergestellt werden, wobei bei dem Ätzvorgang bis auf etwa 2,54 cm (1 inch) pro 30,48 cm (1 foot) von der stabilisierenden Kupfermatrix entlang beinahe dem

gesamten Draht entfernt wird. Die Endbereiche 36 der 15

Matrix bleiben lediglich in der Nähe der Enden der Schalteranschlüsse 12, 14 intakt. Auf diese Weise weist der gewickelte Bereich 38 des Drahtes 16 nach dem Ätzvorgang eine Mehrzahl von 2,54-cm-Segmenten 34 auf, die etwa 30,48 cm voneinander beabstandet sind. Bei

dieser Ausführungsform der Erfindung beträgt der Widerstand im normalen Zustand, d.h. der Widerstand in der geöffneten Position, etwa 1060 Ohm und kann der Schalter 10 etwa 80 Ampere führen, wenn er sich im supraleitenden Zustand oder in der geschlossenen Position

befindet.

Ein besonderer Anwendungsfall für den oben beschriebenen Schalter 10 besteht darin, einen fortdauernden Betrieb einer supraleitenden Magnetspule zu ermögli-

chen. Im fortdauernden Betrieb wird die Magnetspule geladen, d.h., es fließt ein hoher Strom in ihr, und die gegenüberliegenden Enden der Spule werden dann miteinander verbunden, um es zu ermöglichen, daß der Strom ununterbrochen durch die Spule fließt, ohne daß

eine Spannungsquelle zur Aufrechterhaltung des Stromes erforderlich ist. Um eine den erfindungsgemäßen Schal-

-4Z-

ter 10 verwendende Magnetspule zu laden, wird der Schalter über die mit den entgegengesetzten Anschlüssen der Spannungsquelle verbundenen Anschlüsse des Magnetes geschaltet, und in seinen normalen oder geöffneten 5

Zustand gebracht. Die Spannungsquelle wird dann zur Ladung der Spule eingeschaltet. Wenn die Spule geladen ist, fließt ein relativ kleiner Strom durch den Schalter 10 im geöffneten Zustand. Dieser Strom erzeugt

eine ausreichend große Wärme, um den Schalter in 10

seinem geöffneten Zustand während des Ladens der Spule zu halten.

Wenn der Strom in der Spule sich seinem gewünschten

Pegel annähert, nähert sich die Spannung am Schalter 15

dem Wert "Null". Wenn dies eintritt, nähert sich der Strom durch den Schalter dem Wert "Null", wodurch die Wärmeerzeugung in dem Schalter unter den Pegel abgesenkt wird, der erforderlich ist, um den Schalter im

geöffneten Zustand zu halten. Dadurch wird es ermög-20

licht, daß der Schalter schnell durch das Heliumbad gekühlt und geschlossen wird. Dadurch wird ein Stromfluß durch den Schalter bei einem extrem niedrigen Widerstand ermöglicht.

Die elektrische Verbindung zwischen den gegenüberliegenden Enden 12, 14 des supraleitenden Drahtes und den Anschlüsse des Magneten können durch Löten oder Punktschweißen hergestellt werden. Die Anschlüsse des

Magneten bestehen typischerweise aus einem kupfersta-30

bilisierten, supraleitenden Draht. Durch das Löten wird eine Verbindung zwischen dem Kupfer auf den Draht 16 des Schalters und den Anschlüssen hergestellt. Das Punktschweißen liefert einen direkten Kontakt zwischen den supraleitenden Fäden 32 des Schalters 10 und

denjenigen der Anschlüsse des Magneten. Ein Punktschweißverfahren wird im allgemeinen als weniger

zuverlässig betrachtet, da die auf diese Weise verschweißten Verbindungen zerbrechlich sind. Das Punktschweißen weist jedoch den Vorteil auf, daß es die

Herstellung einer Verbindung mit einem niedrigen 5

Widerstand ermöglicht.

Aus der vorangehenden Beschreibung geht hervor, daß die vorliegende Erfindung einen neuen und verbesserten Schalter schafft, der wie ein Supraleiter funktioniert, wenn er sich in seiner geschlossenen Position befindet, und der einen relativ hohen Widerstand für den elektrischen Strom bietet, wenn er sich in der geöffneten Position befindet. Der Schutzbereich der

vorliegenden Erfindung ist nicht auf die beschriebene, 15

bevorzugte Ausführungsform oder auf irgendeine andere besondere Ausführungsform beschränkt.

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- Leerseite

Claims

San Diego, Calif. 92138, Y.St.A.

Schalter

Patentansprüche

Schalter, gekennzeichnet durch eine Länge eines supraleitenden Materials (16), das eine Mehrzahl von Drähten (32) aufweist und eine Übergangstemperatur besitzt, eine Stabilisierungseinrichtung (34), die eine Mehrzahl von Segmenten aus einem normal leitenden Material aufweist, die entlang der Länge des supraleitenden Materials voneinander beabstandet sind und mit diesem in Berührung stehen, um die Drähte (32) parallel miteinander zu verbinden, und eine Einrichtung (22) zur Veränderung der Temperatur des supraleitenden Materials (16) zwischen einer oberhalb der Übergangstemperatur liegenden Temperatur und einer unterhalb der Übergangstemperatur liegenden Temperatur.
2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß jedes Segment (34) etwa 2,54 cm lang ist und daß die Segmente (34) entlang der Länge des

supraleitenden Materials (16) derart verteilt sind,
b

daß Zwischenräume von etwa 30,48 cm bestehen.
3. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß als supraleitendes Materials (16) Niob-Titan und als normalleitendes Material Kupfer vorgesehen sind.
4. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (22) zur Veränderung der

Temperatur des supraleitenden Materiales (16) eine
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isolierende Umhüllung, die im wesentlichen die Länge

des supraleitenden Materiales (16) enthält, und eine j Heizeinrichtung (22) umfaßt, die in der Umhüllung (30)

angeordnet ist, um Wärme zu dem supraleitenden Mate-

rial (16) zu übertragen.
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5. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des supraleitenden Materials (16) schraubenförmig gewickelt ist.

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6. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des supraleitenden Materials (16) einen mehradrigen supraleitenden Draht umfaßt.
7. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekenn-

zeichnet, daß die Länge des supraleitenden Materials

(16) etwa 121,92 m beträgt.
8. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekenn-

zeichnet, daß er ein isoliertes Kernelement (18)

umfaßt, auf dem das supraleitende Material (16)

aufgewickelt ist.