СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ КЛЮЧ Советский патент 1994 года по МПК H01L39/16 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при разработке и создании сверхпроводящих коммутаторов энергетического назначения, например в индуктивных накопителях энергии.

Цель изобретения - повышение быстродействия и надежности работы сверхпроводящего ключа путем одновременного воздействия управляющего магнитного поля на весь объем сверхпроводящего токонесущего элемента.

На фиг. 1 изображен сверхпроводящий ключ, разрез; на фиг. 2 - вид сверхпроводящего токонесущего элемента сверху; на фиг. 3 - развертка сверхпроводящего токонесущего элемента.

Сверхпроводящий ключ содержит соленоид 1, создающий и отключающий магнитное поле управления. Соленоид 1 изготовлен из сверхпроводящей проволоки. Сверхпроводящий токонесущий элемент 2 изготовлен из сверхпроводящей фольги, уложенной гармошкой 3 через изоляцию 4. Выводные концы 5 и 6 сверхпроводящего токонесущего элемента 2 подключены к токовводам. Внутренний короткозамкнутый контур сверхпроводящего токонесущего элемента 2 образован единой прорезью 7 по длине токонесущего элемента, замкнутой с разных его сторон выводными концами 5 и 6. Выводные концы 5 и 6 размещены перпендикулярно плоскости гармошки 3, а сгибы гармошки перпендикулярны направлению магнитного поля управления, создаваемого соленоидом 1. С целью увеличения сопротивления сверхпроводящего токонесущего элемента 2 в нормальном соединении с поверхности сверхпроводящей фольги стравливается стабилизирующее например, медное покрытие за исключением выводных концов 5 и 6.

Работа сверхпроводящего ключа осуществляется следующим образом.

Для перевода сверхпроводящего токонесущего элемента 2, по которому через токовводы течет ток (I_спк), из сверхпроводящего в нормальное состояние в соленоид 1 заводится ток управления (I_упр), который создает в объеме сверхпроводящего ключа управляющее магнитное поле. Во внутреннем короткозамкнутом контуре сверхпроводящего токонесущего элемента 2 наводится при этом ток (I_н). Выполнение внутреннего короткозамкнутого контура единой прорезью 7 по длине токонесущего элемента, замкнутой с его разных сторон выводными концами 5 и 6, позволяет наведенному току (I_н) циркулировать одновременно во всем объеме сверхпроводящего токонесущего элемента. В результате одновременного воздействия на весь объем сверхпроводящего токонесущего элемента 2 наведенного тока (I_н) и управляющего магнитного поля соленоида 1 во всех слоях гармошки возникают одновременно нормальные зоны, так как одновременно в каждом слое протекает наведенный ток (I_н) и на каждый сгиб гармошки действует магнитное поле управления, создаваемое соленоидом 1. Быстродействие сверхпроводящего ключа увеличивается не только за счет одновременного воздействия управляющего магнитного поля на весь объем сверхпроводящего токонесущего элемента, но и за счет уменьшения суммарной индуктивности цепи управления. Если через соленоид 1 индуктивностью (L) протекает ток I₁, то он создает магнитный поток Ф₁ = LI₁. При выполнении сверхпроводящего токонесущего элемента с внутренним короткозамкнутым контуром в нем возникает наведенный ток I₂снижающий магнитный поток Ф₁ до величины Ф₁ = LI₁ - MI₂, где М - взаимоиндуктивность соленоида 1 с внутренним короткозамкнутым контуром. С увеличением тока I₁ увеличивается и магнитный поток Ф₁¹. Это увеличение идет до тех пор, пока I₂ не достигнет критического значения I_2кр. Сверхпроводящий токонесущий элемент 2 при токе I_2кр переходит в нормальное состояние и его сопротивление резко увеличивается до нормального состояния R_макс. Если продолжать увеличивать ток I₁, то поток начнет нарастать со значением Ф_пер до значения Ф_макс, где Ф_пер - значение потока, при котором произошел переход петли в нормальное состояние: Ф_макс - максимальное значение потока, создаваемое соленоидом. Ток в петле при этом не может быть меньше, чем I_2кр, так как при меньшем токе восстанавливается сверхпроводимость петли. Больше он также не может быть поскольку дополнительные переходные токи в петле, вызванные возрастанием тока I₁. быстро затухают из-за наличия активного сопротивления петли. Таким образом нарастание потока Ф идет, как в случае разомкнутой петли, но с наличием противодействующих ампервитков, равных постоянной величине I₂ . В течение изменения потока в пределах Ф_пер. - Ф_макс. в активном сопротивлении петли выделяются потери, энергию которых можно выразить
E_пот= t= I_2крdt=I_2кр(Ф_макс-Ф_пер) Эта энергия выделится в объеме петли. В результате ее температура увеличится на величину ΔТ, согласно соотношению Е = с˙m˙ΔТ. За счет теплоотдачи в жидкий гелий петля возвратится в сверхпроводящее состояние за время t_ост= где α - коэффициент теплоотдачи; S - площадь поверхности, через которую происходит теплоотдача; Δ Т - перегрев петли свыше критической температуры. Здесь возможны два режима. Первый режим, это когда время возврата в сверхпроводящее состояние t_оcтменьше времени t_Фо уменьшения потока от Ф_макс до 0, т.е. t_ост < t_Ф. В этом случае после того, как петля перейдет в сверхпроводящее состояние магнитный поток захватывается в замкнутом контуре петли и в нем наводится циркулирующий ток. В результате уменьшается токонесущая способность ключа. Второй режим, это когда время возврата в сверхпроводящее состояние t_ост больше времени t_Ф уменьшения потока от Ф_макс до 0, т.е. t_ост < t_Ф. В этом случае при уменьшении потока до 0 ток I₂ в петле затухает на ее активном сопротивлении до нулевого значения, т.е. I₂ = 0, что не вызывает уменьшения токонесущей способности ключа.

Таким образом, для более надежной работы ключа должно выполняться условие t_ост > t_Ф, что достигается соответствующим выбором условий охлаждения петли и скоростью уменьшения магнитного потока от Ф_макс до 0.

Изобретение относится к электротехнике. Преимущественной областью применения изобретения являются электрофизические установки, например индуктивные накопители энергии, ускорители со сверхпроводящими магнитами и др. Цель изобретения - повышение быстродействия и надежности работы сверхпроводящего ключа путем одновременного воздействия на весь объем сверхпроводящего токонесущего элемента. Сверхпроводящий ключ переключается из сверхпроводящего в нормальное состояние магнитным полем управления соленоида 1. Переключаемый магнитным полем управления сверхпроводящий токонесущий элемент 2, изготовленный из уложенной гармошкой сверхпроводящей фольги, содержит единую прорезь 7 по всей длине токонесущего элемента, замкнутую с его сторон выводными концами 5 и 6, образующими внутренний короткозамкнутый контур. При воздействии магнитного поля управления во внутреннем короткозамкнутом контуре наводится ток, который одновременно протекает в каждом слое гармошки, а на каждый сгиб гармошки действует магнитное поле управления, создаваемое соленоидом 1. Для более надежной работы сверхпроводящего ключа его токонесущий элемент, нагретый во время перехода в нормальное состояние, должен возвращаться в сверхпроводящее состояние медленнее, чем уменьшается магнитный поток управления. Это позволяет избежать захват магнитного потока во внутреннем короткозамкнутом контуре, что достигается соответствующим выбором условий охлаждения и скоростью уменьшения магнитного потока управления. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ КЛЮЧ, состоящий из соленоида управления и переключаемого сверхпроводящего токонесущего элемента, уложенного гармошкой и содержащего внутренний контур, причем выводные концы сверхпроводящего токонесущего элемента подключены к токовводам, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия и надежности работы сверхпроводящего ключа путем одновременного воздействия управляющего магнитного поля на весь объем сверхпроводящего токонесущего элемента, внутренний короткозамкнутый контур образован единой прорезью по длине токонесущего элемента, замкнутой с его разных сторон выводными концами, причем выводные концы размещены перпендикулярно плоскости гармошки токонесущего элемента, а сгибы гармошки перпендикулярны направлению магнитного поля управления. 2. Ключ по п.1, отличающийся тем, что постоянная времени соленоида при отключении магнитного поля управления меньше постоянной времени токонесущего элемента при возврате в сверхпроводящее состояние.