JPH0624254B2 - スイツチ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、電流に対して非常に低い抵抗経路を提供する
「閉路」状態と、比較的高い抵抗の電流経路を提供する
「開路」状態との間で切換えることができるスイツチに
関する。

本発明のスイツチの１つの用途は、超伝導磁石コイルに
関する。このようなコイルは、典型的には、デユワー瓶
の如き閉鎖状態の容器内の液体ヘリウム浴中に非常に低
い温度に維持される。ある用途においては、デユワー瓶
内の２つの点間の１０^-9オームの如き非常に低い抵抗を
有する電流経路を選択的に提供できることが望ましい。
従来のスイツチは、このような低い抵抗を有する電流経
路を提供することができない。

超伝導材料は、非常に低い温度において非常に低い電気
的抵抗を提供する。典型的には、超伝導材料は１０乃至
２０゜K間の遷移温度を有し、この温度以上ではこの材
料は比較的高い抵抗を有する通常の導体となる。

過去においては、その温度を変化させることによりスイ
ツチの如き超伝導体を使用することが提起されてきた。
しかし、このようなスイツチは一般に比較的低い抵抗の
連続的な安定マトリツクスを含み、開路状態にある時は
一般に高い抵抗の電流経路を提供することができなかつ
た。

本発明は、開路状態にあるスイツチの抵抗を過度に低す
ることなくある長さの超伝導材料の不安定性を低減され
る超伝導材料と安定装置を含むスイツチを提供するもの
である。望ましい実施態様においては、超伝導材料の温
度をその遷移温度以上に上昇させてスイツチを開路させ
るヒータが提供される。絶縁で超伝導材料およびヒータ
を実質的に密閉して、超伝導材料と周囲の環境との間の
温度差の維持を可能にする。

この安定化装置は、超伝導材料と接触状態に置かれる複
数の銅片からなることが望ましい。これら銅片は、銅内
の連続的な電流経路を提供することのないように相互に
隔てられている。

従つて、本発明の一般的な目的は、その閉路状態におい
ては超伝導体として、またその開路状態においては通常
の導体として機能する改善されたスイツチを提供するこ
とにある。

本発明の別の目的は、その閉路状態においては超伝導体
として機能して、その開路位置におけるターミナル間に
比較的高い抵抗を提供するスイツチの提供にある。

本発明の更に別の目的および利点については、以下の記
述および図面において記載されている。

本発明は、第１図において番号１０で全体的に示される
スイツチにおいて実施される。このスイツチ１０は、第
１と第２のターミナル１２，１４を含んでいる。このス
イツチは、第１と第２のターミナル１２，１４間に延在
するある長さの超伝導材料１６を含む。これにおいて
は、長い超伝導材料１６は、コア素子１８の周囲の螺線
状経路に巻付けられている。例示されたコア素子１８
は、合成発泡材の如き断熱材で充填されたある長さのア
ルミニウム管である。

超伝導材料１６の温度が非常に低い温度に維持される
時、この材料は超伝導体として機能し、即ち非常に低い
抵抗で電流を通す。比較的高い温度においては、この超
伝導材料１６は通常の導体として機能して、比較的高い
抵抗で電流を通す。この材料が通常の状態と超伝導体の
状態の間を遷移する遷移温度は、一般に１０乃至２０゜
Kの範囲内である。

スイツチ１０は、前記超伝導材料１６の温度をこの遷移
温度よりも低下させることによつて閉路される。このス
イツチ１０は、超伝導材料の温度を遷移温度より高く上
昇させることによつて開路される。

超伝導材料１６の温度を変化させる手段はヒータ，クー
ラもしくはその両者を含み得るが、例示したスイツチは
超伝導材料の遷移温度より低い周囲温度を有する環境内
で使用するように設計され、従つてこの材料の温度をそ
の遷移温度より高い温度に上昇させることによつてこの
スイツチを開路させるためヒータ２２が設けられてい
る。ヒータ２２が作動状態にない場合は、超伝導材料１
６は熱を周囲に転移させ、その温度が充分に低くなる時
状態を変化してスイツチ１０を閉路させる。

例示したヒータ２２は、電流が流れる時熱を生じるよう
に比較的高い電気的抵抗を有する加熱素子２４を含んで
いる。ヒータ線２６，２８によつて加熱素子に対して電
流が提供される。この加熱素子２４は従来周知の抵抗で
よい。

ヒータ２２から環境に対する過度の熱伝達を防止するた
め、断熱材３０が長い超伝導材料１６とヒータ２２を実
質的に密閉している。この断熱材は、エポキシ・ガラス
・リボンを巻いたものにより提供することができる。

本例における超伝導材料は、並列に接続された複数本の
ニオブチタン・フイラメント３２からなる多重フイラメ
ント・ワイヤ１６である。超伝導作用の間、比較的小さ
な熱的な擾乱がフイラメント３２内に熱を生じてフイラ
メントの一部の温度を遷移温度より高く上昇させ得る。
一本のフイラメント３２の比較的小さな部分が遷移温度
より高温に上昇させられると、この部分においてその結
果生じた電気的抵抗が熱を生じ、これがフイラメントの
隣接部分の温度を上昇させる。このような状態がワイヤ
１６全体を常態に付勢すること、即ちその温度を遷移温
度より高く上昇させることを防止するため、一般に安定
材料が超伝導フイラメント上に設けられて、比較的高い
抵抗で一時的に導通する超伝導フイラメントの各部の周
囲に電流経路を提供する。この安定材料はまた、熱をこ
れらの部分から遠去かるように伝達することもできる。

超伝導ケーブルは、一般に、その超伝導材料と共存する
連続する通常の導体によつて安定化される。この通常の
導体は、遷移温度より低い温度の超伝導材料よりも高い
電気的抵抗を有するが、遷移温度より高い温度における
超伝導材料よりも低い電気的抵抗を有するのが一般であ
る。

安定材料は、一般に、前記フイラメントを個々にかつ全
体的に囲撓する銅の母材（マトリツクス）の形態を呈す
る。この銅マトリツクスは遷移温度より高い温度では比
較的低い電気的抵抗を有するため、銅で安定化させた超
伝導ワイヤは遷移温度よりも高い温度でも比較的低い抵
抗を有する。このため、このような安定化ワイヤの温度
をその遷移温度より高く上昇させることによつてスイツ
チを開路させる。即ち超伝導ワイヤの両端部間に高い抵
抗を生じることが要求されるスイツチに使用するために
は、このような安定化ワイヤを不安定なものにする。

本発明によれば、前記超伝導材料の遷移温度より高い温
度において前記超伝導ワイヤ１６の両端部間に比較的高
い抵抗を維持することを可能にしながら、このワイヤ１
６を安定化させるための安定化装置３４が提供される。
例示した実施態様においては、この安定化装置３４は、
複数本の常態の導体片からなつている。この導体片３４
は、前記ワイヤ１６の全長に沿つて相互に隔てられ、各
導体片は全フイラメント３２と接触する。この導体片３
４はこのようにフイラメント３２を並列に接触させ、こ
のため一時的に遷移温度より高い温度にある個々のフイ
ラメントの各部の周囲に電流を再分布させることができ
る。この電気的な機能に加えて、導体片３４はまたフイ
ラメント３２に沿つた熱の伝播を遅れさせることがで
き、このため更に安定性の維持を助長する。導体片３４
は銅から作られることが望ましい。

スイツチ１０の特性は、銅片３４の長さおよび間隔に大
きく依存する。もし銅片３４間の間隔の大きさが大き過
ぎるならば、安定化作用は不充分なものとなる。安定化
片の有効度は、フイラメントの特定の部分が一時的に遷
移温度より高い温度に加熱される時、主として別の電流
経路を提供する能力にある。この間隔の大きさが増加す
るにつれて、ある点において２つの特定の導体片間のこ
のような部分を有するフイラメントの本数が多過ぎるた
め残りのフイラメントが全電流を流すことができなくな
る可能性が増大する。このような状態が生じるならば、
ワイヤ１６は常態に付勢されることになる。しかし、も
し前記間隔の累積的な大きさが小さ過ぎると、開路位置
にあるスイツチ１０の抵抗は低くなり過ぎるおそれがあ
る。

別の考察は、フイラメント３２間において流れる電流に
対する抵抗が無視できる程銅片３４が充分に長くなけれ
ばならないことである。もし銅片３４が短過ぎると、銅
片３４とフイラメント３２間の接触域は抵抗が小さくな
るためフイラメント３２と銅片３４間の電流に対する電
気的抵抗は大きくなり過ぎる。

また、もし銅片３４が比較的長ければ、銅片３４内の超
伝導フイラメント３２の各部に対する熱の伝達が僅かに
遅れ、ヒータ２２が付勢された後これらの部分は短い期
間超伝導状態を維持することになる。同様に、スイツチ
１０を閉路する必要がある時、これらの部分からの熱伝
導は銅片３４によつて遅らされることになる。

このような遅れは望ましくない。

本例において望ましい特性を提供するために、超伝導材
料１６は約１２２ｍ（４００フイート）の長さの２０ミ
ル（約0.51mm）の多重フイラメントの超伝導ワイヤから
なり、銅片３４が超伝導ワイヤの約１２分の１（１フイ
ート当たり約１インチ）を覆つている。

スイツチ１０の電流が流れる部分、即ちワイヤ１６と銅
片３４は、安定化材料の部分をこれから取り去ることに
より安定化措置を施した超伝導ワイヤから作ることがで
きる。安定化措置を施した超伝導ワイヤは、一般に共有
押出し成形法によつて製造され、これにより複数本の超
伝導フイラメントが１つの銅のマトリツクス内に密閉さ
れる。このようなワイヤは、その全長に沿つて第３図に
示される如き断面を有する。この共有押出し成形法は、
ワイヤの全長に沿つて銅マトリツクスと超伝導フイラメ
ントとの間に良好な電気的接触を提供する。

本発明の例示された実施態様においては、スイツチ１０
の導電部分は、２０ミル（約0.51mm）の多重フイラメン
トの銅で安定化措置を施した長い超伝導ワイヤを化学的
に食刻して、このワイヤのほとんど全てを覆う安定化措
置を施した銅マトリックスを１フイート当たり約１イン
チ除いて全て除去するも、マトリツクスの端部３６をス
イツチのターミナル１２，１４に対する端部に隣接した
状態のままに残すことによつて作ることができる。この
ように、食刻工程の後、ワイヤ１６の巻付けられた部分
３８は１インチ（約25.4mm）の複数の銅片３４が約30cm
（１フイート）の間隔で離間された状態で残される。本
発明の本実施態様においては、通常の状態の抵抗、即ち
開路位置における抵抗は約1,060オームとなり、スイツ
チ１０は超伝導状態即ち閉路位置にある時は約８０アン
ペアを流すことができる。

上記のスイツチ１０の１つの特定の用途は、超伝導磁石
コイルの持続モード動作を可能にすることにある。持続
モード動作においては、磁石コイルは励起され、即ち高
い電流がコイル内に確保され、次いでコイルの両端部が
相互に接続されて、電流を維持するための給電を必要と
することなく電流がコイル内を流れ続けることを許容す
る。本発明のスイツチ１０を用いて磁石コイルを付勢す
るためには、このスイツチを両側の電源ターミナルに接
続される磁石のリード線の両側に接続されて、その常態
即ち開路状態に付勢される。給電ターミナルはコイルの
励起のため付勢される。コイルが励起されると、比較的
小さな電流が開路状態のスイツチ１０に流れる。この電
流は、コイルの励起の間スイツチをその開路状態に維持
するに充分な熱を生じる。

コイル内の電流がその望ましいレベルに達すると、スイ
ツチにまたがる電圧が零に近づく。この状態が生じる
と、スイツチに流れる電流が零に近づき、このためスイ
ツチにおける熱の発生をスイツチの開路状態の維持に必
要なレベルより低下させ、ヘリウム浴によりこのスイツ
チを急速に冷却させ、これにより非常に低い抵抗におけ
る電流の流れを可能にする。

超伝導ワイヤの両ターミナル１２，１４および磁石のリ
ード線間の電気的接続は、はんだ付けもしくはスポツト
溶接によつて提供することができる。前記磁石リード線
は、一般に銅による安定化措置を施した超伝導ワイヤか
ら作られる。はんだ付けは、スイツチのワイヤ１６と前
記リード線間の接続を確保する。スポツト溶接は、スイ
ツチ１０の超伝導フイラメント３２と磁石リード線のそ
のとの間に直接的な接触を提供する。スポツト溶接は、
一般にこのような溶接された接続部が脆いため信頼性が
低いと考えらている。しかし、スポツト溶接は抵抗が比
較的低い接続部を提供する点で有利である。

以上のことから、本発明は、閉路位置にある時超伝導体
として機能し、開路位置にある時は電流に対して比較的
高い抵抗を提供する斬新かつ改善されたスイツチを提供
することが判るであろう。本文において望ましい実施態
様を示して記述したが、本発明の範囲をこのような実施
態様もしくは他のどんな実施態様にも限定するものでは
ない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるスイツチの概略図、第２図は第１
図における線２−２に関して矢印方向に見た拡大断面
図、および第３図は第２図の線３−３に関して矢印方向
に見た拡大断面図である。 １０……スイツチ、１２……ターミナル １４……ターミナル、１６……超伝導材料 １８……コア素子、２２……ヒータ ２４……加熱素子、２６，２８……ヒータ線 ３０……断熱材、３２……フイラメント ３４……導体片、３６……マトリツクス端部 ３８……巻付け部分

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数本のフイラメントからなり遷移温度を
   有する長い超伝導材料と、該超伝導材料の全長に沿って
   相互に隔てられかつ前記フイラメントを並列に接続する
   ようにこれと接触する常電導性の部材の複数の小片から
   なる安定化手段と、前記超伝導材料の遷移温度より高い
   温度と該遷移温度より低い温度間の各々の温度で該材料
   の温度を変化させるための手段とを設けることを特徴と
   するスイッチ。
2. 【請求項２】前記の常電導性材料の各小片が約２５．４
   ｍｍ（１インチ）の長さであり、前記小片が前記超伝導
   材料の全長に沿って約３０ｃｍ（１フイート）の間隔で
   分布されることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   のスイッチ。
3. 【請求項３】前記超伝導材料がニオブチタンであり、前
   記の常電導性の部材が銅であることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載のスイッチ。
4. 【請求項４】前記の超伝導材料の温度を変化させる前記
   手段が、前記の長い超伝導材料を実質的に密閉する絶縁
   部材と、前記超伝導材料に対して熱を伝導するように前
   記絶縁部材内に配置されたヒータとからなることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載のスイッチ。
5. 【請求項５】前記の長い超伝導材料が螺旋状の経路内に
   巻付けられることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載のスイッチ。
6. 【請求項６】前記の長い超伝導材料が多重フイラメント
   の超伝導ワイヤであることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載のスイッチ。
7. 【請求項７】前記の長い超伝導材料が１２２ｍ（４００
   フイート）の長さであることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載のスイッチ。
8. 【請求項８】絶縁されたコア素子を更に設け、前記超伝
   導材料がその上に巻付けられていることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載のスイッチ。