JPS6140070A - スイツチ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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ヶ提供する
「開路」状態との間で切換えることができるスイッチに
関する。

本発明のスイッチの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−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
い温度忙維搏される。ある用途においては、デユワ−瓶
内の２つの点間の１０″″＋１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。従来のスイッチは、このような低い抵抗を有する
電流経路乞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’に間の遷移温度以上し、この温度以上ではこの
材料は比較的高い抵抗ン有する通常の導体となる。

過去においては、その温度を変］ヒさせることによりス
イッ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、このようなスイッチは一般に比較的低い抵抗
の連続的な安定マトリックスを含み、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
った。

本発明は、開路状態にあるスイッチの抵抗を過度に低減
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
せる超伝導材料と安定装置を含むスイッチを提供するも
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ッチヶ開路さ
せるヒータが提供される。絶縁で超伝導材料およびζ−
夕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
数の銅片かうなることが望ましい。これら銅片は、鋼内
の連続め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。

従って１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ッチを提供するこ
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
比較的高い抵抗な提供するスイッチの提供にある。

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
スイッチにおいて実施される。このスイッチ１０は、第
１と第２のターミナル１２．１４　Ｙ含んでいる。この
スイッチは、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乃室２０°に
の範囲内である。

スイッチ１０は、前記超伝導材料１６の温度乞・この遷
移温度よりも低下させることによって閉路される。この
スイッチ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って開路される。

超伝導材料１６の温度を変ｆヒ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、例示したスフイン
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、従ってこの材料の温度
ンその遷移温度より高い温度に上昇させることに上って
このスイッ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
１６は熱を周囲に転移させ、その温度が充分に低（なる
時状態を変化してスイッチ１０を閉路させる。

例示したヒータ２２）’！、、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ヶ有する加熱素子２４を
含んでいる。ヒータ線２６．２８によって加熱素子に対
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・フィラメント５２からなる多重フィラメ
ント・ワイヤ１６である。超伝導作用の間、比較的小さ
な物理的即ち熱的な擾乱がフィラメントろ２内に熱馨生
じてフィ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。一本のフィラメント５２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７・
イラメントの隣接部分の温度な上昇させる。

このような状態がワイヤ１６全体乞常態に付勢すること
、即ちその温度を遷移温度より冒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ィラメント上に
設けられてξ比較的高い抵抗で一時的に導通する超伝導
フィ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って安定化される。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、前記フィラメントヲ個々にかつ全
体的に囲繞す芯鋼の母材（マトリックス）の形態を呈す
る。この銅マトリッ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ｒヒさせた
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χ有する。このため、このような安定ｆヒワイヤの
温度をその遷移温度より高（上昇させることによってス
イッチを開路させる、即ち超伝導ワイヤの両端部間に高
い抵抗音生じることか要求されるスイッチに使用するた
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１６０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’に安定化させるための安定化装置５４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５４は
、複数本の常態の導体片からなっている。この導体片５
４は、前記ワイヤ１６の全長に沿って相互に隔てられ、
各導体片は全フィラメント５２と接触する。この導体片
５４はこのようにフィラメント５２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
ィ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。その電気的な機能に加えて、導体片５４はまたフ
ィラメント５２に沿っ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５４
は銅から作られることが望ましい。

スイッチ１０の特性は、銅片呂４の長さおよび間隔に太
き（依存する。もし銅片５４間の間隔の大きさが大き過
ぎるならば、安定１１作用は不充分なものとなる。安定
化片の有効度は、フィ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
このような部分乞有するフィラメントの本数が多過ぎる
ため残りのフィ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
置にあるスイッチ１０の抵抗は低くなり過ぎるおそれが
ある。

別の考察は、フィラメント５２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５４が充分に長（なけれ
ばならないことである。もし銅片５４が短過ぎると、銅
片５４とフィラメント５２間の接触域は抵抗が小さくな
るためフィラメント５２と銅片５４間の電流に対する電
気的抵抗は太き（なり過ぎる。

また、もし銅片５４が比較的長ければ、銅片５４内の超
伝導フィラメント５２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
間超伝導状態ケ維持することになる。同様に、スイッチ
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５４によっ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ビ提供するために、超伝導材
料１６は約１２２ｍ（４００フィート）の長さの２０ミ
ル（約０．５１ｍｍ）の多重フィラメントの超伝導ワイ
ヤからなり、銅片５４が超伝導ワイヤの約１２分の１（
１フィート当たり約１インチ）を覆っている。

スイッチ１０の電流が流れる部分、即ちワイヤ１６と銅
片５４は、安定「ヒ材料の部分をこれから取り去ること
により安定【ヒ装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１出し成形法によって製造され、これにより複数
本の超伝導フィラメントが１つの銅のマトリックス内に
密閉される。

このようなワイヤは、その全長に沿って第５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１．ワイ
ヤの全長に沿って銅マトリックスと超伝導フィラメント
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、スイッチ１０
の導電部分は、２ｏミル（約０．５１ｉｉ）　Ｉ）多重
フィラメントの銅で安定ｒヒ装置を施した長い超伝導ワ
イヤを「ヒ学的に食刻して、このワイヤのほとんど全て
を覆う安定「ヒ措置ン施した銅マトリックスンワイヤの
約１２′分の１（１フィート当たり約１インチ）を除い
て全てを除去するも、マトリックスの端部５６馨スイツ
チのターミナル１２゜１４に対する端部に隣接した林態
のままに残すことによっ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５日
は１インチ（約２５．４＋ｍ）の複数の銅片５４が約３
０ｃｒＩＬ（１フィート）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１通常の状態の
抵抗、即ち開路位置忙おける抵抗は約１，０６０オーム
となり、スイッチ１０は超伝導状態即ち閉路位置にある
時は約８０アンペアン流すことができる。

上記のスイッチ１００１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。本発明のスイッチ１０を用いて磁石コイルビ付勢す
るためには、このスイッ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ッチ１０に流れる。この電
流は、コイルの励起の間スイッチをその開路状１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
ッチにまたがる電圧が零に近づく。この状態が生じると
、スイッチに流れる電流が零に近づき、゛このためスイ
ッチにおける熱の発生をスイッ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ッ
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
ポット溶接によ′つて提供することかできる。

前記磁石リード線は、一般に銅による安定化措置ケ施し
た超伝導ワイヤから作られる。はんだ付けは、スイッチ
のワイヤ１６と前記リード線間の接続を確保する。スポ
ット溶接は、スイッチ１０の超伝導フィラメント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。

スポット溶接は、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れている。しかし、スポ
ッ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
高い抵抗ビ提供する斬新かつ改善されたスイッチを提供
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ッチの概略図、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５図は第２図の線ろ−６に関して矢印方向に
見た拡大断面図である。 １０・・・・・・スイッチ　　　　１２・・・・・・タ
ーミナル１４・・・・・・ターミナル　　　１６・・・
・・・超伝導材料１８・・・・・・コア素子　　　　２
２・・・・・・ヒ　−　タ２４・・・・・・加熱素子　
　　　２６　、２８・・・ヒータ線３０・・・・・・断
熱　材５２・・・・・・フィラメント５４・・・・・・
導　体　片　　　　５６・肩・・マトリックス端部５８
・・・・・・巻付は部分

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、複数本のフィ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つて相互に隔
   てられかつ前記フィラメントを並列に接続するようにこ
   れと接触する常態の導電性材料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くかつこ
   れより低い各々の温度間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、前記の導電性材料の各小片が約２５．４ｍｍ（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
   に沿つて約３０ｃｍ（１フィート）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、前記超伝導材料がニオブチタンであり、前記の常態
   の導電性材料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、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筐体と、
   前記超伝導材料に対して熱を伝導するように前記筐体内
   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、前記の長い超伝導材料が螺線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、前記の長い超伝導材料か多重フィラメントの超伝導
   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、前記の長い超伝導材料が約１２２ｍ（４００フィー
   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、絶縁されたコア要素を更に設け、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。