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    • 专利摘要:

    公开号:WO1989005044A1
    申请号:PCT/EP1988/001050
    申请日:1988-11-18
    公开日:1989-06-01
    发明作者:Peter Ehrhart；Andreas GRÜNDEL；Götz Heidelberg；Werner Weck
    申请人:Heidelberg Motor Gesellschaft Für Energiekonverter；
    IPC主号:H01L39-00
    专利说明:
    [0001] -4-
    [0002] Hochstromschalter
    [0003] Beschreibung
    [0004] Die Erfindung bezieht sich auf einen Hochstromschalter.
    [0005] Bekannte Schalter zum Schalten hoher Ströme sind auf¬ wendige Bauteile mit bewegten Teilen. Insbesondere die zur Lichtbogenlöschung erforderliche Zusatzeinrichtung macht die Schalter kompliziert. Der Schaltvorgang nimmt einige Zeit in Anspruch, und es ist nicht möglich, einen kompletten Schaltzyklus aus Einschalten und Ausschalten innerhalb sehr kurzer Zeit durchzuführen.
    [0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hoch¬ stromschalter verfügbar zu machen, der ohne das mecha¬ nische T-rennen oder Zusammenbringen von den zu schal¬ hohen Strom führenden Kontakten auskommt.
    [0007] Zur Lösung dieser Aufgabe ist der Hochstromschalter erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß er mit Supraleitmaterial als Schaltmedium aufgebaut ist und eine Einrichtung aufweist, mit der das Supraleitmaterial vom supraleitenden Zustand in den nicht-supraleitenden Zustand und umgekehrt überführbar ist.
    [0008] Die Erfindung lehrt also das Prinzip, den von außen her¬ beigeführten Übergang von Supraleitmaterial vom supralei¬ tenden Zustand in den nicht-supraleitenden Zustand zum Schalten hoher Ströme auszunutzen. Der Schalter eignet sich besonders zum Schalten von Gleichströmen hoher Stromstärke, ganz besonders in induktiven Stromkreisen bei hoher Gegenspannung. Das Fehlen von unter dem hohen, zu schaltenden Strom stehenden Schaltkontakten führt dazu, daß kein Kontaktverschleiß oder Kontaktabbrand stattfindet.. Besondere Zusatzeinrichtungen zur Licht¬ bogenlöschung sind nicht notwendig. Der Schalter kann in sehr kurzen Zeiten schalten und insbesondere sehr kurze Schaltzyklen, bestehend aus Einschalten und kurz danach anschließendem Ausschalten, liefern, insbesondere Schalt¬ zyklen kürzer als 10 ms, vorzugsweise kürzer als 5 ms, höchst vorzugsweise kürzer als 1 msbzw. Schaltfrequenzen in kHz-Bereich. Der Schalter kann mit hoher spezifischer Stromtragfähigkeit und/oder in sich induktivitätsarm ge¬ baut werden.
    [0009] *
    [0010] Als Einrichtung zur Bewerkstelligung des Übergangs vom supraleitenden in den nicht-supraleitenden Zustand eignet sich prinzipiell eine Temperaturänderungseinrichtung, vorzugsweise in Form der Einstrahlung von Wärmeenergie, da Supraleitmaterial bekanntlich oberhalb der sogenannten Sprungtemperatur die Supraleitfähigkeit verliert. Ferner sind als Einrichtung zur Überführung des Supraleitmate- rials vom supraleitenden Zustand in den nicht-supralei¬ tenden Zustand die Aufbringung bzw. das Einwirkenlassen eines Magnetfelds, eines Hochfrequenzfelds, eines Laser¬ strahls, eines Maserstrahls oder eines genügend hohen Stromimpulses auf das Supraleitmaterial bevorzugt. Durch Einsatz derartiger Mittel wird die Energie im Supraleit¬ material so stark erhöht, daß dort die Supraleitfähigkeit zusammenbricht. Im Fall der Hochfrequenzeinstrahlung wird ein zusätzlicher Strom im Supraleitmaterial induziert. Hier wird, wie bei der Einleitung eines zusätzlichen Stroms in den Schalter, der Effekt ausgenutzt, daß ein Supraleiter ab einer Schwellen-Stromstärke plötzlich seine Supraleitfähigkeit verliert. Verschiedene Einrich¬ tungen der genannten Art können miteinander kombiniert sein.
    [0011] Wenn die Einwirkung der vorstehend genannten Mittel be¬ endet wird, kehrt das Supraleitmaterial in den supral- leitenden Zustand zurück, selbstverständlich unter der Voraussetzung, daß eine Temperatur unterhalb der Sprung¬ temperatur des verwendeten Supraleitmaterials herrscht.
    [0012] Es ist günstig, den Schalter nahe bei der Sprungtempe¬ ratur des verwendeten Supraleitmaterials zu halten, so daß zum Trennen des Schalters eine möglichst geringe Energiemenge einzubringen ist.
    [0013] Der technische Aufwand für Bau und Betrieb des Schalters verringert sich, wenn - wie bevorzugt - als Supraleit¬ material ein Hochtemperatur-Supraleitmaterial eingesetzt wird, wiewohl der Einsatzh von herkömmlichem Supraleit¬ material ebenfalls mgölich ist. Unter Hochtemperatur- Supraleitmaterialien versteht man solche, die noch bei erheblich höheren Temperaturen, als man es bis vor eini¬ ger Zeit für grundsätzlich möglich gehalten- hat, supra¬ leitend sind. Als griffige Grenze kann man für diese Materialien eine Sprungtemperatur, also Temperatur des Übergangs vom supraleitenden in den normalleitenden Zu¬ stand, von 80 βK angeben. Typisch ist, daß Hochtempera¬ tur-Supraleiter bei einer Temperatur knapp unterhalb des Siedepunktes von flüssigem Stickstoff noch supraleitend sind. Typische Materialien für Hochtemperatur-Supraleiter - -
    [0014] sind ABa-CuO- (mit A = Y, La, Nd, S , Eu, Gd, Ho, Er, Lu) sowie Y. _ BaQ -CuO.. Als weiteres Beispiel sei La_ a5 Sr 0 i5 Du0 e-rwähnt, das eine Sprungtempe¬ ratur von ca 40 °K aufweist und in obiger Definition kein Hochtemperatur-Supraleiter ist. Diese Materialien sind in der Regel sogenannte Schichtleiter oder zweidimensionale Supraleiter. Hochtemperatur-Supraleiter sind an sich be¬ kannt, wie auch herkömmliche Supraleiter, deren Sprung¬ temperatur im Bereich von einigen Grad Kelvin liegt, wofür konkretere Beispiele, weil allgemein bekannt, nicht angegeben werden müssen.
    [0015] Das Supraleitmaterial kann als keramisches oder oxidi¬ sches Pulver vorgesehen sein, in der Regel als Gemenge mehrerer Oxide. Das Pulver kann in eine nichtleitende Matrix eingebettet sein. Man kann aber auch mit aufge¬ dampften oder sonstwie aufgebrachten Dünnschichten arbei¬ ten. Diese Maßnahmen führen dazu, daß die beim Schalten des Schalters induzierten Wirbelströme möglichst klein gehalten werden und somit die Schaltverluste minimal sind. Die Schichtdicke der Dünnschicht ist vorzugsweise kleiner als 20 m, höchst vorzugsweise kleiner als 10 . Die Pulverteilchen haben vorzugsweise eine noch kleinere Größe.
    [0016] Da das Supraleitmaterial für den supraleitenden Zustand auf eine Temperatur unterhalb der Sprungtemperatur ge¬ bracht bzw. dort gehalten werden muß, ist es günstig, den Matrix/Pulver-Aufbau oder den bzw. die Träger für die Supraleit-Dünnschicht(en) auf hohe Wärmeleitfähigkeit hin auszulegen. Außer der hierfür sinnvollen geometrisch¬ konstruktiven Auslegung des Schalters kommt insbesondere die Wahl von Materialien mit hoher spezifischer Wärme¬ leitfähigkeit für die Matrix oder den Dünnschichtträger in Betracht.
    [0017] Man kann die Korngröße des Pulvers oder die Schichtdicke der Dünnschicht(en) an die gewünschte Flankensteilheit des Schaltvorgangs des Schalters anpassen. Dabei gilt generell die Abhängigkeit, daß kleinere Pulverkorngröße und kleinere Schichtdicke Schaltvorgänge mit größerer Flankensteilheit erlauben.
    [0018] Der erfindungsgemäße Hochstromschalter eröffnet ferner die Möglichkeit, durch selbstgesteuerte Überschreitung eines für das verwendete Supraleitmaterial kritischen Stromwerts das öffnen bzw. Trennen des Schalters auszu¬ lösen. Man kann also einen ansteigenden Strom selbst¬ tätig oberhalb eines bestimmten Schwellwerts abschalten. Wenn der Strom anschließend erneut ansteigt, kommt man ' zu einer periodischen bzw. zyklischen Abschaltung mit dazwischen jeweils wieder bis zum Schwellwert ansteigen¬ der Stromstärke. Dies kann hochfrequent geschehen.
    [0019] Der erfindungsgemäße Hochfrequenzschalter eignet sich ganz besonders für Schaltvorgänge, die beim Zuführen von jeweils sehr kurzen, elektrischen Energiepulsen zu einem Verbraucher erforderlich sind. Als ein typisches Beispiel seien Hochtemperatur-Werkstückbearbeitungsmaschinen ge¬ nannt. Ganz besonders bevorzugt ist der erfindungsgemäße Hochstromschalter für Schaltvorgänge beim Entladen einer supraleitendenSpeicherspule. Diese kann mit Supraleitern sehr kleinen Durchmessers oder sehr kleiner Schichtdicke aufgebaut sein. Der Durchmesser bzw. die Schichtdicke ist vorzugsweise kleiner als 20 μm oder kleiner als 10 μm. -l-
    [0020] Die Er indung und Ausgestaltungen der Erfindung werden im folgenden anhand schematisiert zeichnerisch darge¬ stellter Ausführungsbeispiele noch näher erläutert. Es zeigt:
    [0021] Fig. 1 einen Längsschnitt eines Hochstromschalters;
    [0022] Fig. 2 einen .Querschnitt des Schalters gemäß Fig. 1;
    [0023] Fig. 3 eine Seitenansicht des Schalters gemäß Fig. 1, jedoch versehen mit einer Magnetspule;
    [0024] Fig. 4 ein Strom-Zeit-Diagramm eines Hochstromschalters, der durch Zusatzstromimpuls geschaltet wird;
    [0025] Fig. 5 ein Strom-Zeit-Diagramm eines Hochstromschalters, der mit ansteigendem Strom selbsttätig schaltet.
    [0026] Der in Fig. 1 und 2 dargestellte Hochstromschalter 2 weist ein im wesentlichen zylindrisches Gehäuse 4 mit leitenden Endscheiben 6 auf. Sowohl von der linken End¬ scheibe 6 als auch von der rechten Endscheibe 6 geht ein Stromleiter 8 ab. Mit dem Schalter 2 kann der Strom¬ fluß zwischen den Enden der beiden Stromleiter 8 entweder geschlossen oder getrennt werden.
    [0027] Im Inneren des Gehäuses 4 sind stapelartig übereinander acht Anordnungen jeweils aus einem dünnen, plattenarti¬ gen, isolierenden Träger 10 und darauf aufgedampft einer sehr dünnen Schicht 12 aus hochtemperatur-supraleitendem Material angeordnet. Die Halterung dieser Anordnungen 10, 12 im Gehäuse 4 ist nicht gesondert zeichnerisch darge¬ stellt. Zwischen zwei benachbarten derartigen Anordnungen 10, 12 befindet sich jeweils ein flacher Kühlmittelraum 14, der beidseits in einen zylinderschichtförmigen Kühl¬ mittelraum 16 ausmündet. Dieser Kühlmittelraum 16 ist oben an eine Kühlmittelzuleitung 18 und unten an eine Kühlmittelableitung 20 angeschlossen. Als Kühlmittel dient flüssiges Helium, oder - im Fall von Hoσhtempera- tur-Supraleitern - flüssiger Stickstoff. Das Kühlmittel wird laufend durch den Schalter 2 hindurchgepumpt, und durch geeignete Kühlmittelleiteinrichtungen ist dafür gesorgt, daß das Kühlmittel ordnungsgemäß durch sämtliche Kühlmittelräume 14, 16 strömt.
    [0028] Statt die Dünnschichten 12 jeweils auf einen Träger 10 aufzudampfen kann man auch eine andere geeignete Art der Aufbringung des supraleitenden Materials auf geeig¬ nete Substrate vorsehen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, das Gehäuse 4 mit einem supraleitenden, kerami¬ schen oder oxidischen Pulver, ggf. eingebettet in einer Matrix aus isolierenden Pulverteilchen, zu füllen, wobei man Kühlmittelkanäle bzw. -räume geeigneter Konfiguration zur Wärmeabfuhr bzw. zum Halten des supraleitenden Mate¬ rials auf der erforderlichen, tiefen Temperatur vorsehen kann.
    [0029] Die einzelnen Dünnschichten 12 sind axial an beiden Enden elektrisch leitend mit den Endplatten 6 verbunden. Die einzelnen Dünnschichten 12 sind so dünn, daß mög¬ lichst geringe Wirbelströme erzeugt werden. Die einzelnen Dünnschichten 12 sind infolge des vorstehend geschilder¬ ten Aufbaus elektrisch voneinander isoliert. Es versteht sich, daß die Schaltverlustleistung durch das Kühlmedium abgeführt werden muß. Dementsprechend ist die Durchflußmenge des Kühlmediums auf die Größe der Schalt¬ verlustleistung und die Häufigkeit von Schaltvorgängen abgestimmt.
    [0030] Der entsprechend der Größe des zu schaltenden Stroms er¬ forderliche, elektrische Widerstand bzw. die gewünschte Spannungsfestigkeit des Schalters 2 hängt außer vom spezifischen elektrischen Widerstand des Supraleitmate¬ rials im nicht-supraleitenden Zustand und vom Gesamtquer¬ schnitt des Supraleitmaterials noch von der Länge des Schalters 2 zwischend den Endplatten 6 ab. Diese Länge kann entsprechend den jeweiligen Erfordernissen festge¬ legt bzw. von Einsatzzweck zu Einsatzzweck variiert werden. Es ist möglich, in einem Schalter mehrere, einzeln kontaktierte Schalterabschnitte hintereinander zu haben und je nach erforderlicher Spannungsfestigkeit die Anzahl tatsächlich benutzter Schalterabschnitte zu variieren.
    [0031] In Fig. 3 ist eine der weiter vorn genannten Möglich¬ keiten zum überführen des Supraleitmaterials vom supra¬ leitenden Zustand in den nicht-supraleitenden Zustand, also zum öffnen des Schalters 2, dargestellt. Es handelt sich um eine um das zylindrische Gehäuse 4 herumgelegte, koaxiale Spule 22. Diese H-Spule oder Magnetspule er¬ zeugt, wenn sie eingeschaltet wird, im Supraleitmaterial 12 ein derart hohes Magnetfeld, daß dort die Supraleitung zusammenbricht und daher der um mehrere Größenordnungen größere "Normalwiderstand*1 dieses Materials zum Tragen kommt. Die Spule 22 muß nicht koaxial zum Gehäuse 4 ange¬ ordnet sein, sondern könnte sich beispielsweise mit -3
    [0032] ihrer Achse auch rechtwinklig zur Achse des Schalters 2 erstrecken. Wenn der Strom durch die Spule 22 abgeschal¬ tet wird, und demzufolge deren Magnetfeld nicht mehr auf das Supraleitmaterial 12 einwirkt, stellt sich sofort wieder der supraleitende Zustand des Supraleitmaterial 12 ein.
    [0033] In Fig. 4 ist schematisch dargestellt, wie man durch Aufschalten eines zusätzlichen Stromimpulses auf einen der Stromleiter 8 den durch den Schalter 2 fließenden Strom bis zu einer kritischen Höhe des Stroms I. er¬ höhen kann, bei dem der supraleitende Zustand des Supra¬ leitmaterials 12 zusammenbricht. Dadurch schaltet der Schalter 2 schlagartig ab.
    [0034] In Fig. 5 ist alternativ die Möglichkeit schematisch dargestellt, daß durch den Schalter 2 ein zeitlich zu¬ nehmender Strom I fließt. Wenn dieser Strom den kriti- sehen Stromwert Ik erreicht, schaltet der Schalter 2 schlagartig ab. Das geschilderte Arbeitsspiel beginnt von neuem. Diese Vorgänge können hochfrequent im kHz- Bereich ablaufen.
    [0035] Auch die zuletzt abgehandelte Möglichkeit soll mit der Begriffsbildung "Einrichtung, mit der das Supraleitmate¬ rial vom supraleitenden Zustand in den nicht-supralei¬ tenden Zustand und umgekehrt überführbar ist" umfaßt sein, da auch das Zuleiten eines derartigen, immer wieder bis zum kritischen Wert I. ansteigenden Stroms zum Schalter 2 eine derartige Einrichtung im weitesten Sinne darstellt. - •iσ-
    [0036] Bei der zuletzt beschriebenen Art des Schaltens des Schalters 2 hängt die "Erholzeit" bis zum erneuten Ab¬ schalten im nächsten Schaltzyklus auch von den thermischen Verhältnissen im Schalter 2 ab. Je besser die Wärmeabfuhr aus den Bereichen des Supraleitmaterials ist, desto kürzer ist die Erholzeit. Man hat also die Möglichkeit, durch die Auslegung der Kühlungsbedingungen oder durch gezielte Ver¬ änderung der Kühlungsbedingungen die Schaltfrequenz des Schalters 2 einzustellen.
    [0037] Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, daß das Supra¬ leitmaterial auch in Form von dünnen Drähten, vorzugsweise mit einem Durchmesser kleiner als 20 μm oder kleiner als 10 μm, vorgesehen sein kann. Vorzugsweise sind Kühlpassagen zwischen den einzelnen Drähten oder zwischen Gruppen supra¬ leitender Drähte vorhanden.
    权利要求:
    Claims-±iHochstromschalterP a t e n t a n s p r ü c h e
    1. Hochstromschalter, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß er mit Supraleitmaterial (12) als Schaltmedium aufge¬ baut ist und eine Einrichtung (22) aufweist, mit der das Supraleitmaterial (12) vom supraleitenden Zustand in den nicht-supraleitenden Zustand und umgekehrt überführbar ist. -•Ü-
    2. Schalter nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Einrichtung eine Magnetfeldquelle (22) aufweist.
    3. Schalter nach Anspruch 1 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Einrichtung eine Hochfrequenzfeldquelle aufweist.
    4. Schalter nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Einrichtung eine Laserstrahlquelle aufweist.
    5. Schalter nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Einrichtung eine Maserstrahlquelle aufweist.
    6. Schalter nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Einrichtung eine Zusatzstromimpulsquelle aufweist.
    7. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Supraleitmaterial ein Hochtemperatur-Supraleit- material ist.
    8. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Supraleitmaterial als keramisches oder oxidisches Pulver vorgesehen ist.
    9. Schalter nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Pulver in eine nichtleitende Matrix eingebettet ist.
    10. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Supraleitmaterial (12) in Form einer oder mehre¬ re Dünnschichten auf einem oder mehreren zugeordneten Trägern (10) vorgesehen ist.
    11. Schalter nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß mehrere Träger/Dünnschicht-Anordnungen (10, 12) stapelartig aufeinander, vorzugsweise mit dazwischen angeordneten Kühlräumen (14) , vorgesehen ist.
    12. Schalter nach einem der Ansprüche 9 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Matrix/Pulver-Aufbau oder der bzw. die Träger (10) auf hohe Wärmeleitfähigkeit ausgelegt sind.
    13. Schalter nach einem der Ansprüche 9 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Korngröße des Pulvers oder die Schichtdicke der Dünnschicht(en) an die gewünschte Flankensteilheit des Schaltervorgangs des Schalters angepaßt (2) ist.
    14. Schalter nach einem der Ansprüche 7 bis 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zur, vorzugsweise periodischen, Abschaltung eines ansteigenden Stroms der Schalter (2) so ausgelegt ist, daß er bei Überschreitung eines Schwellwerts (1^) des -l -
    ansteigenden Stroms selbsttätig öffnet.
    15. Schalter nach einem der Ansprüche 1 oder 7 bis 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Einrichtung eine Warmeenergiestrahlungs quelle ist.
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    优先权:
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