特表 2015-512146 機械式超伝導スイッチ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】特表2015-512146(P2015-512146A)

(43)【公表日】2015年4月23日

(54)【発明の名称】機械式超伝導スイッチ

(51)【国際特許分類】

   H01L 39/14 20060101AFI20150327BHJP

   H01F 6/00 20060101ALI20150327BHJP

【ＦＩ】

   H01L39/14 A

   H01F7/22 Z

【審査請求】未請求

【予備審査請求】有

【全頁数】21

(21)【出願番号】特願2014-555142(P2014-555142)

(86)(22)【出願日】2013年1月18日

(85)【翻訳文提出日】2014年8月19日

(86)【国際出願番号】EP2013050992

(87)【国際公開番号】WO2013113573

(87)【国際公開日】20130808

(31)【優先権主張番号】1201818.0

(32)【優先日】2012年2月2日

(33)【優先権主張国】GB

(81)【指定国】 AP(BW,GH,GM,KE,LR,LS,MW,MZ,NA,RW,SD,SL,SZ,TZ,UG,ZM,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,RU,TJ,TM),EP(AL,AT,BE,BG,CH,CY,CZ,DE,DK,EE,ES,FI,FR,GB,GR,HR,HU,IE,IS,IT,LT,LU,LV,MC,MK,MT,NL,NO,PL,PT,RO,RS,SE,SI,SK,SM,TR),OA(BF,BJ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GQ,GW,ML,MR,NE,SN,TD,TG),AE,AG,AL,AM,AO,AT,AU,AZ,BA,BB,BG,BH,BN,BR,BW,BY,BZ,CA,CH,CL,CN,CO,CR,CU,CZ,DE,DK,DM,DO,DZ,EC,EE,EG,ES,FI,GB,GD,GE,GH,GM,GT,HN,HR,HU,ID,IL,IN,IS,JP,KE,KG,KM,KN,KP,KR,KZ,LA,LC,LK,LR,LS,LT,LU,LY,MA,MD,ME,MG,MK,MN,MW,MX,MY,MZ,NA,NG,NI,NO,NZ,OM,PA,PE,PG,PH,PL,PT,QA,RO,RS,RU,RW,SC,SD,SE,SG,SK,SL,SM,ST,SV,SY,TH,TJ,TM,TN,TR,TT,TZ,UA,UG,US,UZ,VC

(71)【出願人】

【識別番号】509272285

【氏名又は名称】シーメンス ピーエルシー

(74)【代理人】

【識別番号】100108453

【弁理士】

【氏名又は名称】村山 靖彦

(74)【代理人】

【識別番号】100089037

【弁理士】

【氏名又は名称】渡邊 隆

(74)【代理人】

【識別番号】100110364

【弁理士】

【氏名又は名称】実広 信哉

(72)【発明者】

【氏名】ムハメド・ラクリミ

(72)【発明者】

【氏名】エイドリアン・マーク・トーマス

【テーマコード（参考）】

4M114

【Ｆターム（参考）】

4M114AA02

4M114AA18

4M114AA30

4M114BB04

4M114CC03

4M114DB36

4M114DB39

4M114DB42

4M114DB43

4M114DB46

(57)【要約】

機械式作動超伝導スイッチは、２つの超伝導ワイヤー（１０，１２）と、超伝導材料のそれぞれのブロック（１３，１４；４２，５２）に組み込まれる各超伝導ワイヤーのそれぞれの端部とを備える。機械的な装置（２４，１６，１８，２０；６０）が、物理的に互いに接触し、かつ離れるように２つのブロックのそれぞれの接触面（１５）を駆動するために設けられている。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

２つの超伝導ワイヤー（１０，１２）と、超伝導材料のそれぞれのブロック（１３，１４；４２，５２）に組み込まれた各超伝導ワイヤーのそれぞれの端部と、前記２つのブロックのそれぞれの接触面（１５）を互いに物理的に接触し、かつ分離させるよう駆動するための機械的な装置（２４，１６，１８，２０；６０）と、を備える機械式作動超伝導スイッチ。

【請求項2】

前記超伝導ワイヤーが超伝導磁石を形成しているコイルの端部である、請求項１に記載の機械式作動超伝導スイッチ。

【請求項3】

前記機械的な装置が、前記２つのブロックを互いに機械的に接触させ、かつ分離させるよう駆動するための直線的な作動を提供する、請求項１に記載の機械式作動超伝導スイッチ。

【請求項4】

前記機械的な装置が、前記２つのブロックを互いに機械的に接触させ、かつ分離させるよう駆動するための回転作動を提供する、請求項１に記載の機械式作動超伝導スイッチ。

【請求項5】

少なくとも１つの前記ブロックが超伝導材料を用いて形成され、該超伝導材料に対応する超伝導ワイヤーが組み込まれ、前記少なくとも１つのブロックの前記超伝導材料が前記超伝導ワイヤーの前記超伝導材料の延性以上の延性を有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の機械式作動超伝導スイッチ。

【請求項6】

相補的な突出部および凹部がそれぞれの接触面（１５）に設けられている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の機械式作動超伝導スイッチ。

【請求項7】

少なくとも１つの前記ブロックが、対応するブロックの材料の硬さ以上の硬さを有する超伝導材料の粒子またはビーズ（１４０）を含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の機械式作動超伝導スイッチ。

【請求項8】

前記スイッチの開閉を制御するための制御装置がさらに設けられている、請求項１〜７のいずれか一項に記載の機械式作動超伝導スイッチ。

【請求項9】

上部（１６）および下部（１８）筐体部品が、それぞれのブロックを保持し、かつ、高さが可変のシールされた筐体（２２）を提供するためにじゃばら（２０）が前記上部および下部筐体部品を接続する、請求項３に記載の機械式作動超伝導スイッチ。

【請求項10】

電気絶縁体（２２）が設けられ、前記筐体の一部を形成して、前記筐体の材料を通る前記ワイヤー（１０，１２）間の電気伝導を防ぐ、請求項９に記載の機械式作動超伝導スイッチ。

【請求項11】

− 第１の前記ブロック（４２）が、その中に実質的に筒状の空洞（４６）を含む実質的に筒状の壁（４４）を有し、かつ少なくとも１つの突出部（４８）が前記空洞の壁に設けられ；
− 第２の前記ブロック（５２）が実質的に筒状の壁（５４）を有し、かつ少なくとも１つの突出部（５８）が前記壁に設けられ；
− それぞれの突出部（４８；５８）が円周方向において重なるように、前記第２のブロックが前記第１のブロックの前記空洞内に少なくとも部分的に位置し；かつ
− 前記機械的な装置が、前記第１および第２のブロックの前記筒状の壁の軸に位置合わせされた軸（６２）回りに、一方のブロック（４２；５２）を他方に対して回転させる手段（６０）を備える、
請求項４に記載の機械式作動超伝導スイッチ。

【請求項12】

前記第１のブロック（４２）は、前記第２のブロックの突出部の数に等しい数の突出部（４８）を有する、請求項１１に記載の機械式作動超伝導スイッチ。

【請求項13】

一方または両方の前記ブロック（４２，５２）の前記突出部の特定の面が電気的絶縁層によって覆われている、請求項１１または請求項１２に記載の機械式作動超伝導スイッチ。

【請求項14】

前記突出部（４８；５８）が前記軸（６２）と平行に通っている、請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の機械式作動超伝導スイッチ。

【請求項15】

前記突出部は、らせんまたは円錐のネジの相補的なネジ山面として形成されている、請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の機械式作動超伝導スイッチ。

【請求項16】

前記ネジ山面がセグメント化されている、請求項１５に記載の機械式作動超伝導スイッチ。

【請求項17】

前記ブロックの周囲に真空または不活性雰囲気が設けられている、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の機械式作動超伝導スイッチ。

【請求項18】

使用時に前記ブロックの追加的な機械式作動のための振動形式の装置が設けられている、請求項１〜１７のいずれか一項に記載の機械式作動超伝導スイッチ。

【請求項19】

− 第１の前記ブロック（８４；９４）が中に空洞（８６；９６）を有し；
− 第２の前記ブロック（８０；９０）が前記第１のブロックの前記空洞内に少なくとも部分的に位置し、前記空洞内で軸（８２；９２）回りに回転するよう構成され；かつ
− 前記機械的な装置が一方のブロック（８０；９０）を他方に対して前記軸回りに回転させる手段を備える、
請求項４に記載の機械式作動超伝導スイッチ。

【請求項20】

２つの超伝導ワイヤー（１０，１２）と、超伝導材料のそれぞれのブロック（１０２，１０４）内に組み込まれる各超伝導ワイヤーそれぞれの端部とを備える機械式作動超伝導スイッチであって、使用時に、前記ブロック（１０２，１０４）が互いに対して静止したままであり、かつネジ付き超伝導カラー（１０６）が相対的な回転によって前記２つのブロックの間を接触し、かつ離れるように駆動される、機械式作動超伝導スイッチ。

【請求項21】

前記カラーが前記ブロック間の電気的接触の外に回転した場合に前記ブロック（１０２，１０４）の機械的な位置合わせが保証されるように、前記ネジ付き超伝導カラーの電気的絶縁拡張部（１０８）が設けられている、請求項２０に記載の機械式作動超伝導スイッチ。

【請求項22】

直列に電気的に接続され、かつ前記コイルを冷却するように構成されたクライオスタット内に収容された超伝導ワイヤーの複数のコイルを備える超伝導磁石構造であって、前記コイルの電気的端部からの超伝導ワイヤーが請求項１〜２１のいずれか一項に記載のスイッチに接続されていることを特徴とする、超伝導磁石構造。

【請求項23】

前記スイッチの一部を形成している前記超伝導ワイヤー（１０，１２）が、前記コイルの端部である、請求項２２に記載の超伝導磁石構造。

【請求項24】

前記スイッチが前記クライオスタット内に設けられ、かつ前記スイッチの開閉を制御するための制御装置が設けられ、かつ前記クライオスタットの外部から制御可能である、請求項２２または請求項２３に記載の超伝導磁石構造。

【請求項25】

前記機械式超伝導スイッチが前記磁石を冷却するために使用される同じ冷却装置によって冷却されるよう構成されている、請求項２２〜２４のいずれか一項に記載の超伝導磁石構造。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

超伝導ＭＲＩ磁石は、電気的に直列に接続され、かつ極低温冷凍機を有するクライオスタット内に通常収容された超伝導ワイヤーのいくつかのコイルによって形成され、極低温冷凍機は、磁石をコイル材料の超伝導転移温度以下に冷却する。

【背景技術】

【0002】

多くの従来の設計は、極低温冷凍機によってその沸点以下に保持される例えば液体ヘリウムなどの液体寒剤槽を含む。

【0003】

しかし、より最近の設計は、例えば冷却ループ、または液体寒剤が使用されない寒剤フリー磁石と呼ばれる「ドライ」磁石を使用することによって、ヘリウムなどの寒剤の消費を低減、または削減することが模索されている。コイルの直列接続の端子間のスイッチを提供する必要がある。１つの状態（「オン」状態）において、スイッチは、コイルを通る超伝導回路を完結させるように超伝導であるべきであり、その結果電流が磁石内に持続的に流れることができる。別の状態（「オフ」状態）においては、スイッチは、抵抗となるべきであり、その目的のために磁石に接続された電源ユニットによって電流がコイルに導入される、または除去されることができる。通常、全ての超伝導スイッチは、スイッチング操作をもたらすために使用される補助超伝導コイルの製造が必要である。補助コイルは、抵抗性ＣｕＮｉ合金から通常作られるマトリックスを有するワイヤーで通常形成される。これにより、スイッチは、温度およびワイヤー不安定性の影響を受けやすくなる。ワイヤーおよびフィラメントの大きさは、磁束の飛びに対するスイッチの安定性において重要な役割を担い、そこでは、フィラメント間で電流を伝導するマトリックス材料における抵抗消失により、単一フィラメント内の小さいクエンチがワイヤー内の他のフィラメントに伝播する。

【0004】

従来の超伝導スイッチは、限られた開回路抵抗を有しており、したがって、磁石の通電、および遮断中に達成可能な傾斜率（ｒａｍｐ ｒａｅｔ）を制限し、かつ熱を消散させる。従来のスイッチは、補助超伝導コイルに熱接触する熱ヒーターを用いて開閉される。このヒーターは、クライオスタットへの熱負荷および放熱に寄与する。例えば、ある従来設計は、約５〜５０Ωの「オフ」抵抗を有する補助コイルを含む。これは、ランプアップおよびランプダウン中に電力を消散させる。スイッチのヒーター自体は、ランプアップ又はダウン中にエネルギーをさらに消散させる。このようなレベルの加熱は、典型的な４．２Ｋ極低温冷凍機の冷却力をはるかに超えている。液体寒剤槽を有するクライオスタットにおいて、所望の冷却は、液体槽にスイッチを沈めることによって提供される。

【0005】

４．２Ｋの冷却力は、通常は１．２Ｗと非常に制限されるため、ドライ磁石の駆動は、超伝導スイッチへの異なる手法を求めている。

【0006】

以下の文献は、本発明の背景に関連する技術情報を含んでいる。「Electric Characteristics of Contact Junctions Between NbTi Multifilamentary Wires」 Makoto Takayasu著，IEEE Transactions on Applied Superconductivity，Vol. 9, No. 3，1999年９月（非特許文献１）。

【0007】

Makoto Takayasu, Toshiaki Matsui, and Joseph V. Minervini 著，「Negative-Resistance Voltage-Current Characteristics of Superconductor Contact Junctions for Macro- Scale Applications」 IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 13, No. 2, 2003年６月（非特許文献２）。

【0008】

S. Ohtsuka, H. Ohtsubo, T. Nakamura, J. Suehiro, and M. Hara著，「Characteristics of NbTi mechanical persistent current switch and mechanism of superconducting connection at contact」 Cryogenics 38 (1998) 1441-1444（非特許文献３）。

【0009】

２００２年１２月１９日付の特許文献１「Persistent Current switch and method for the same」。

【0010】

１９９５年８月２９日付の特許文献２，超伝導マグネット株式会社；古河電気工業株式会社：例えばリニアモーターカーの永久電流スイッチの試験方法が、両端に接続した第３の電源によって周回電流及び同じ方向の直流電流を永久電流スイッチに流すことが含まれている。

【0011】

特許文献３，株式会社日立製作所，エネルギーを貯蔵するための永久電流超伝導装置は、超伝導ワイヤー、電流リード、および永久電流機械式スイッチを組み合わせる。1996年６月２日付の特許文献４、中部電力株式会社、株式会社日立製作所、「Superconductive energy storage device for the same」。E M Pavao 著「Critical Temperatures of Superconducting Solders」MIT，２００７年６月（非特許文献４）

【0012】

特許文献５、中国科学院

【先行技術文献】

【特許文献】

【0013】

【特許文献1】米国特許出願公開第２００２／０１９０８２４号明細書

【特許文献2】特開平７−２３１１２５号公報

【特許文献3】特開平６−３５０１４８号公報

【特許文献4】米国特許第５，５３２，６３８号明細書

【特許文献5】中国特許第１００５９５８５６号明細書

【非特許文献】

【0014】

【非特許文献1】Makoto Takayasu著，「Electric Characteristics of Contact Junctions Between NbTi Multifilamentary Wires」，IEEE Transactions on Applied Superconductivity，Vol. 9, No. 3，1999年９月

【非特許文献2】Makoto Takayasu, Toshiaki Matsui, およびJoseph V. Minervini 著，「Negative-Resistance Voltage-Current Characteristics of Superconductor Contact Junctions for Macro- Scale Applications」 IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 13, No. 2, 2003年６月

【非特許文献3】S. Ohtsuka, H. Ohtsubo, T. Nakamura, J. Suehiro, and M. Hara著，「Characteristics of NbTi mechanical persistent current switch and mechanism of superconducting connection at contact」 Cryogenics 38 (1998) 1441-1444

【非特許文献4】E M Pavao 著「Critical Temperatures of Superconducting Solders」MIT，２００７年６月

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0015】

したがって本発明は、上述の課題に対するものであり、かつ高い放熱および制限された「オフ」抵抗の課題に悩まされない超伝導磁石を使用する超伝導スイッチに設けることを目的とする。したがって、本発明は、特許請求の範囲に定義されるような装置を提供する。

【0016】

上述の、およびさらなる本発明の目的、特徴、および利点は、一例として添付の図面と共に提供されたある例の以下の説明からより明らかになるだろう。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明による直線的に作動する機械式超伝導スイッチの例を示す。

【図2】本発明の実施形態に有用な、接触面を有するブロックの代替のタイプを示す。

【図3】本発明の実施形態に有用な、接触面を有するブロックの代替のタイプを示す。

【図4】本発明の実施形態に有用な、接触面を有するブロックの代替のタイプを示す。

【図5】本発明の実施形態に有用な、接触面を有するブロックの代替のタイプを示す。

【図6】図７のラインＶＩ−ＶＩに沿った部分的切断面を示す。

【図7】本発明による回転作動する機械式超伝導スイッチの例を示す。

【発明を実施するための形態】

【0018】

本発明によると、超伝導スイッチのために個別の補助コイルが必要ではない。その代り、スイッチは、超伝導磁石自体を形成しているコイルのワイヤー端部を用いて作られている。本発明のスイッチは、超伝導磁石自体を形成するコイルのワイヤー端部の間の電気伝導を提供するために機械的に動作するスイッチ接触を提供する。

【0019】

磁石コイルに使用される超伝導ワイヤーは、通常銅マトリックスを有し、したがって従来の超伝導スイッチに典型的なＣｕＮｉマトリックスワイヤーよりも良好な安定性を提供する。

【0020】

スイッチの開閉状態は、機械的な動作を使用するため、熱ヒーターを必要とせず、および実質的に無限大の「オフ」抵抗を有することができる。これは、任意の放熱を最小化し、かつ磁石の通電および遮断のための達成可能な傾斜率を増加させる。したがって、極低温冷凍機の冷却力は、磁石を冷却するため、かつ磁石への他の熱負荷を保証するために利用可能である。

【0021】

例において、本発明の機械式超伝導スイッチは、以下のように構成することができる。

【0022】

磁石コイルの「始点」からの引出しワイヤーは、それ自体に、または他の超伝導体に接合される。「それ自体に接合される」とは、ワイヤー内の超伝導フィラメントが露出し、ねじれ、編まれた、またはそうでなければ共に保持され、かつ接合部が別の超伝導ワイヤーで作られているが、この単一のワイヤーのみを含んでいるかのように扱われることを意味している。例示のプロセスにおいて、フィラメントは、インジウムを含んでいる。同様に、磁石コイルの「終点」からの引出しワイヤーはまた、それ自体に接合している。任意に、コイルの「始点」または「終点」および接合部の間に超伝導ワイヤーの他の部分を介在させることができる。

【0023】

各引出しワイヤーの端部は、それぞれの型に配置される。各引出しワイヤーの端部に超伝導材料のブロックを形成するために、許容できる融点を有するＢｉＰｂまたは類似の超伝導材料が型に注がれる。本発明の機械式スイッチは、これらのブロックを物理的な接点に押すことによって、かつ物理的に分離することによって作動する。２つのブロックが一緒になる場合にスイッチが閉じられ、適切な温度で磁石の持続性を達成することができる。ブロックが互いに離れる場合、スイッチは開き、したがって磁石の通電および遮断が可能となる。

【0024】

本発明の態様によると、磁石の始点および終点を形成するワイヤーは、スイッチを形成することに使用され、または少なくとも、従来の構造のワイヤーが使用される。これらのワイヤーは、安定性および性能に関して最適化され、かつそれらを非常に安定させる銅マトリックスを通常有する。本発明のスイッチは、超伝導スイッチの製造のために特別なワイヤーが必要なく、かつ証明された接合技術に依存している。

【0025】

本発明によるスイッチの操作は実証されている。例において、銅マトリックスにＮｂＴｉフィラメントをそれぞれ含むＢｉＰｂブロックを共に押すために数Ｎｍの締め付けトルクが使用される。持続性は、１．２Ｔ以下のバックグラウンドフィールドにおいて１０００Ａで１０^−１３Ωより良いことが実証された。この結果は、多くの従来の磁石装置における超伝導スイッチとして使用するのに十分以上である。指で締めるのみの締め付け力による他の試験においては、バックグラウンドフィールドが０Ｔ、３００Ａで、および０．８Ｔ以下５０Ａで１０^−１３Ωより良い持続性が達成された。

【0026】

これは、非特許文献３によって達成された結果よりもかなり優れているように見える。０Ｔバックグラウンドフィールドにおいて、ＮｂＴｉブロックを使用し、著者らは、１０〜９Ωの抵抗で最良で２０Ａを達成した。１ｍΩの接触抵抗では、著者らは４００Ｎ以上の押圧力で２００Ａを達成した。

【0027】

スイッチの開口を制御するために外部制御装置が要求され、それは、磁石を有するクライオスタット内に配置される。制御は、クライオスタットの外部から行使可能にする必要がある。好ましくは、制御信号をクライオスタット内に伝える従来の構造のシールされた電流リードスルーを用いる、電気的に動作する機構が使用される。あるいは、機械式、液圧式、空気式、または圧電式装置等を使用することができる。

【0028】

したがって本発明は、機械式に作動する超伝導スイッチを提供し、超伝導デバイス、特に磁石において持続回路を作るために接点が共に押される。好ましくは、スイッチされる主超伝導ワイヤーと化学的または冶金的に結合されるＢｉＰｂ，ＮｂＴｉ，Ｎｂなどの延性超伝導材料を用いて少なくとも１つの接点が形成される。スイッチされる超伝導ワイヤーは、それ自体ＮｂＴｉ，ＮｂｓＳｎ，ＭｇＢ２，または高温超伝導体などの任意の適切な材料の超伝導フィラメント含むことができる。

【0029】

接点、または少なくとも接触面は、表面状態を保つために真空内、または不活性雰囲気内に収容されることができる。真空または不活性雰囲気は、磁石の動作環境とすることができ、または個別に密閉され、好ましくは製造時点から接点を汚染から保護する。雰囲気の保護を補助するためにカーボンなどの化学ゲッターを筐体に組み込むことができる。

【0030】

添付図面を参照していくつかの特定の装置を説明する。

【0031】

図１は、接触面１５を提供する超伝導材料の上部１３および下部１４ブロック内に超伝導ワイヤー１０，１２がそれぞれ組み込まれた第１例を示す。好ましくは、少なくとも１つのブロックの材料は、ＢｉＰｂ，ＮｂＴｉ，Ｎｂなどの延性超伝導材料である。上部１６および下部１８筐体部品は、ブロックと、高さが可変の密封された筐体２１を提供するじゃばら部２０とを保持する。必要であれば、筐体材料を通じたワイヤー１０，１２間の電気伝導を防ぐために、筐体の一部を形成する電気絶縁体２２を設けることができる。機械式作動３０は、電気的に接触し、かつ再び分離するように接触面１５を駆動することができる。機械式作動装置２４が図式的に示されているが、スイッチの開閉を提供するために、２つの筐体部品１６，１８を互いに向かって、および再び分離するよう駆動する任意の適切な手段を使用することができる。例えば、ある圧力の気体を筐体２１内に密封することができ、筐体自体は、別の容器内に配置され、接触面１５を合わせる、または離すよう駆動するために、ある圧力より高いまたは低い圧力の気体を含むことができる。上部１３および下部１４ブロックを互いに位置合わせして接触させるようガイドするために、絶縁体のアライメントチューブ２３を設けることができる。

【0032】

図２は、接触面１５を設けた分離した超伝導材料の上部１３および下部１４ブロックを示す。

【0033】

図３は、超伝導材料の代替の上部１３１および下部１４１ブロックのセットを通る断面を示す。この例において、相補的な円錐台形の突出部および凹部がそれぞれの接触面１５に設けられている。矢印３０方向にかかる力が加えられる場合、円錐接触面の間に作用する圧力は、平面接触面の場合よりもさらに高くなり、「オン」位置でのスイッチの電気特性が向上する。

【0034】

図４は、超伝導材料の代替の上部１３２および下部１４２ブロックのセットを通る断面を示す。この例においては、相補的な部分球状の突出部および凹部がそれぞれの接触面１５に設けられている。矢印３０方向にかかる力が加えられる場合、部分球状接触面の間に作用する圧力は、平面接触面の場合よりもある場所においてさらに高くなり、「オン」位置でのスイッチの電気特性が向上する。相補的な凹部および突出部の他の形を適切に設けることができる。

【0035】

図５は、超伝導材料の代替の上部１３３および下部１４３ブロックのセットを通る断面を示す。この例において、比較的硬い超伝導材料の粒子またはビーズ１４０が少なくとも１つのブロック１３３に含まれる。例えば矢印３０方向に作用する力によってブロック１３３および１４３が共に押される場合、これらの粒子またはビーズ１４０は、他のブロック１４３のより弾性的な材料に対して押し付けられ、対応する空洞１４４を作る。粒子またはビーズ１４０およびブロック１４３の間の接点に作用する非常に高い圧力は、有効な電気接点を保証する。

【0036】

図１〜図５に示す直線的な作動装置を用いて当業者は他の類似の構成を考案するだろう。

【0037】

図６は、回転作動が用いられる実施形態の別のタイプを示す。この実施形態において、第１超伝導ワイヤー４０が超伝導材料の第１ブロック４２に組み込まれる。このブロックは、比較的複雑な形であり、実質的に筒状の空洞４６が内部に含まれる実質的に筒状の壁４４を有する。少なくとも１つの突出部４８が空洞の壁に設けられる。閉端部４９を設けることができる。第２超伝導ワイヤー５０が超伝導材料の第２ブロック５２に組み込まれる。この第２ブロックはまた、比較的複雑な形であり、中に実質的に筒状の空洞５６を有することができる、または中実な実質的に筒状の壁５４を有する。少なくとも１つの突出部５８が壁５４に設けられる。閉端部５９を設けることができる。それぞれの突出部（４８，５８）が円周方向において重なるように、第２ブロックは、第１ブロックの空洞内に少なくとも部分的に位置する。

【0038】

第１および第２ブロックの筒状の壁の軸に位置合わせされた軸６２回りに、他方に対して一方が回転するように、一方、または他方、または両方の第１および第２ブロック４２，５２に作動装置６０を設けることができる。好ましくは、第１ブロック４２は、第２ブロックの突出部５８の数に等しい数の突出部４８を有する。

【0039】

この実施形態の機械式スイッチは、２つのブロックの軸６２回りの相対的な回転により作動する。図示された位置において、２つのブロックは、分かれて保持されており、電気接触していない。一方または他方、または両方のブロックを互いに対して軸６２回りに駆動することにより、第２ブロックの少なくとも１つの突出部５８が第１ブロックの対応する突出部４８に機械的かつ電気的に接触するように駆動され、スイッチが「オン」位置になる。反対の軸６２回りの相対的な回転によって、突出部は、再び互いに離れ、スイッチは、「オフ状態」に入る。真空または不活性雰囲気がブロックの周囲に好ましく設けられる。ブロックは、例えば電気機械式、機械式、液圧式、空気式、または圧電式の適切な手段によって軸６２回りに駆動されることができる。

【0040】

任意に、一方、または両方のブロック４２，５２の突出部の特定の面を電気的絶縁層で覆うことができる。したがって、反対方向に駆動された場合に２つのブロックの突出部間の任意の接触を防ぐために電気絶縁層が設けられている場合、ブロックは、スイッチを閉じるために軸６２回りに一方向に最大限に駆動されることができ、かつ、スイッチを開くために反対方向に最大限に駆動されることができる。

【0041】

代替の装置において、軸６２に平行な突出部４８，５８ではなく、らせん、または円錐ネジの相補的なネジ山面によって第１および第２ブロックの間の接触面を設けることができる。図７は、第１および第２ブロックの突出部４８，５８がネジ付きである実施形態のラインＶＩ−ＶＩに沿った断面である。これらのネジ山面は、図６を参照して説明された動作と同様に限られた回転によって開閉動作を与えるためにセグメント化されている。ネジ山は、図７に示す実施形態において、２つのブロックの間の限られた回転、および堅い嵌合を確実にするためにテーパー状とすることができる。隣接するネジ山面１５は、ブロック間の電気接点を提供するために、互いに支承することができ、ブロックは、ブロックを離すために反対の相対的な方向に回転することができ、スイッチを「オフ」状態にする。

【0042】

図８に示すような別の実施形態のセットにおいて、第１ブロック８０は、第２ブロック８４の空洞内に形成された軸８２回りに回転するよう構成されている。この実施形態においては、ブロック８０および空洞８６の両方は断面が楕円形である。ブロック８０が軸８２回りに回転することにより、ブロックおよび空洞の面１５が電気的に接触することができ、かつ反対方向への回転によって離れることができる。図９に示すような他の実施形態は、同様の方法で作動する。空洞内のブロックを卵形の断面にする必要はない。図９の実施形態は、ブロックおよび空洞の両方が長方形断面を有する例を示す。断面の組み合わせが使用され、ブロックは、空洞の壁と接触し、離れる限られた範囲の回転を提供することができる。

【0043】

図１０は、本発明のさらなるタイプの実施形態の例を示す。ここで、ブロック１０２，１０４は、互いに対して静止したままであり、かつネジ付き超伝導カラー１０６が設けられ、相対的な回転によって２つのブロックの間と接触し、かつ接触しないように駆動されることができる。好ましくは、カラーがブロックの間の電気的接触の外に回転した場合に機械的な位置合わせを保証するように、電気的絶縁拡張部１０８が設けられている。この実施形態は、ブロック自体が移動せず、接続超伝導部品が２つのブロックの間と接触し、かつ接触しないように動くような実施形態シリーズの１例である。この実施形態の変形例は、当業者には明らかである。

【0044】

特定の実施形態において、図３〜図５に関して説明された改善点を適用することができる。接触面１５が図６〜図１０に示されており、これらは、図３に関して説明された円錐台の凹部および突出部、または図４に関して説明された部分球状の凹部および突出部を設けることによって改善される。

【0045】

図５に関して説明されたように、比較的硬い超伝導材料の粒子またはビーズ１４０をブロック４２，５２の１つに含むことができる。粒子またはビーズ１４０および他方のブロックの間の接点に非常に高い圧力がかかることにより、有効な電気接触を確実にする。接点の変形を起こすことができるように、他のタイプの異なる硬さの材料の複合混合物を使用することができる。

【0046】

超伝導材料のブロック間の接触を向上させるために、動作中に、振動の形の追加的な機械式作動を適用することができる。

【0047】

機械式スイッチを用いた大きい誘導負荷を通る高電流のスイッチングによって生じる可能性がある高電圧損傷の問題に対応するために、損傷に対して保護するように適切なタイプのスナバに基づいた半導体を好ましく設けることができる

【0048】

各場合において、本発明の機械式超伝導スイッチは、磁石の冷却に使用される同じ冷却装置によって好ましく冷却される。あるいは、スイッチを冷却するために個別の冷却装置を設けることができる。

【0049】

ここに述べられた材料が一例としてのみ示されただけであり、適切な物理的特性を有する他の材料を使用することができることを当業者は理解するだろう。特許請求の範囲内でスイッチのための代替の機械式装置を設けることができる。

【符号の説明】

【0050】

１０，１２ 超伝導ワイヤー
１３ 上部
１４ 下部
１５ 接触面
１６，１８ 筐体部品
２０ じゃばら部
２１ 筐体
２２ 電気絶縁体
２３ アライメントチューブ
２４ 機械式作動装置
４０ 第１超伝導ワイヤー
４２，５２ ブロック
４４，５４ 壁
４６，５６ 空洞
４８，５８ 突出部
４９，５９ 閉端部
５０ 第２超伝導ワイヤー
６０ 作動装置
６２ 軸

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【手続補正書】

【提出日】2014年2月25日

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

２つの超伝導ワイヤー（１０，１２）と、超伝導材料のそれぞれのブロック（１３，１４；４２，５２）内に鋳込まれた各超伝導ワイヤーのそれぞれの端部と、前記２つのブロックのそれぞれの接触面（１５）を互いに物理的に接触し、かつ分離させるよう駆動するための機械的な装置（２４，１６，１８，２０；６０）と、を備える機械式作動超伝導スイッチ。

【請求項2】

前記超伝導ワイヤーが超伝導磁石を形成しているコイルの端部である、請求項１に記載の機械式作動超伝導スイッチ。

【請求項3】

前記機械的な装置が、前記２つのブロックを互いに機械的に接触させ、かつ分離させるよう駆動するための直線的な作動を提供する、請求項１に記載の機械式作動超伝導スイッチ。

【請求項4】

前記機械的な装置が、前記２つのブロックを互いに機械的に接触させ、かつ分離させるよう駆動するための回転作動を提供する、請求項１に記載の機械式作動超伝導スイッチ。

【請求項5】

少なくとも１つの前記ブロックが鋳造法を用いて形成され、対応する超伝導ワイヤーが超伝導材料のブロック内に鋳込まれ、前記少なくとも１つのブロックの前記超伝導材料が前記超伝導ワイヤーの前記超伝導材料の延性以上の延性を有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の機械式作動超伝導スイッチ。

【請求項6】

相補的な突出部および凹部がそれぞれの接触面（１５）に設けられている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の機械式作動超伝導スイッチ。

【請求項7】

少なくとも１つの前記ブロックが、対応するブロックの材料の硬さ以上の硬さを有する超伝導材料の粒子またはビーズ（１４０）を含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の機械式作動超伝導スイッチ。

【請求項8】

前記スイッチの開閉を制御するための制御装置がさらに設けられている、請求項１〜７のいずれか一項に記載の機械式作動超伝導スイッチ。

【請求項9】

上部（１６）および下部（１８）筐体部品が、それぞれのブロックを保持し、かつ、高さが可変のシールされた筐体（２２）を提供するためにじゃばら（２０）が前記上部および下部筐体部品を接続する、請求項３に記載の機械式作動超伝導スイッチ。

【請求項10】

電気絶縁体（２２）が設けられ、前記筐体の一部を形成して、前記筐体の材料を通る前記ワイヤー（１０，１２）間の電気伝導を防ぐ、請求項９に記載の機械式作動超伝導スイッチ。

【請求項11】

− 第１の前記ブロック（４２）が、その中に実質的に筒状の空洞（４６）を含む実質的に筒状の壁（４４）を有し、かつ少なくとも１つの突出部（４８）が前記空洞の壁に設けられ；
− 第２の前記ブロック（５２）が実質的に筒状の壁（５４）を有し、かつ少なくとも１つの突出部（５８）が前記壁に設けられ；
− それぞれの突出部（４８；５８）が円周方向において重なるように、前記第２のブロックが前記第１のブロックの前記空洞内に少なくとも部分的に位置し；かつ
− 前記機械的な装置が、前記第１および第２のブロックの前記筒状の壁の軸に位置合わせされた軸（６２）回りに、一方のブロック（４２；５２）を他方に対して回転させる手段（６０）を備える、
請求項４に記載の機械式作動超伝導スイッチ。

【請求項12】

前記第１のブロック（４２）は、前記第２のブロックの突出部の数に等しい数の突出部（４８）を有する、請求項１１に記載の機械式作動超伝導スイッチ。

【請求項13】

一方または両方の前記ブロック（４２，５２）の前記突出部の特定の面が電気的絶縁層によって覆われている、請求項１１または請求項１２に記載の機械式作動超伝導スイッチ。

【請求項14】

前記突出部（４８；５８）が前記軸（６２）と平行に通っている、請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の機械式作動超伝導スイッチ。

【請求項15】

前記突出部は、らせんまたは円錐のネジの相補的なネジ山面として形成されている、請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の機械式作動超伝導スイッチ。

【請求項16】

前記ネジ山面がセグメント化されている、請求項１５に記載の機械式作動超伝導スイッチ。

【請求項17】

前記ブロックの周囲に真空または不活性雰囲気が設けられている、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の機械式作動超伝導スイッチ。

【請求項18】

使用時に前記ブロックの追加的な機械式作動のための振動形式の装置が設けられている、請求項１〜１７のいずれか一項に記載の機械式作動超伝導スイッチ。

【請求項19】

− 第１の前記ブロック（８４；９４）が中に空洞（８６；９６）を有し；
− 第２の前記ブロック（８０；９０）が前記第１のブロックの前記空洞内に少なくとも部分的に位置し、前記空洞内で軸（８２；９２）回りに回転するよう構成され；かつ
− 前記機械的な装置が一方のブロック（８０；９０）を他方に対して前記軸回りに回転させる手段を備える、
請求項４に記載の機械式作動超伝導スイッチ。

【請求項20】

２つの超伝導ワイヤー（１０，１２）と、超伝導材料のそれぞれのブロック（１０２，１０４）内に鋳込まれる各超伝導ワイヤーそれぞれの端部とを備える機械式作動超伝導スイッチであって、使用時に、前記ブロック（１０２，１０４）が互いに対して静止したままであり、かつネジ付き超伝導カラー（１０６）が相対的な回転によって前記２つのブロックの間を接触し、かつ離れるように駆動される、機械式作動超伝導スイッチ。

【請求項21】

前記カラーが前記ブロック間の電気的接触の外に回転した場合に前記ブロック（１０２，１０４）の機械的な位置合わせが保証されるように、前記ネジ付き超伝導カラーの電気的絶縁拡張部（１０８）が設けられている、請求項２０に記載の機械式作動超伝導スイッチ。

【請求項22】

直列に電気的に接続され、かつ前記コイルを冷却するように構成されたクライオスタット内に収容された超伝導ワイヤーの複数のコイルを備える超伝導磁石構造であって、前記コイルの電気的端部からの超伝導ワイヤーが請求項１〜２１のいずれか一項に記載のスイッチに接続されていることを特徴とする、超伝導磁石構造。

【請求項23】

前記スイッチの一部を形成している前記超伝導ワイヤー（１０，１２）が、前記コイルの端部である、請求項２２に記載の超伝導磁石構造。

【請求項24】

前記スイッチが前記クライオスタット内に設けられ、かつ前記スイッチの開閉を制御するための制御装置が設けられ、かつ前記クライオスタットの外部から制御可能である、請求項２２または請求項２３に記載の超伝導磁石構造。

【請求項25】

前記機械式超伝導スイッチが前記磁石を冷却するために使用される同じ冷却装置によって冷却されるよう構成されている、請求項２２〜２４のいずれか一項に記載の超伝導磁石構造。

【手続補正書】

【提出日】2014年10月22日

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

２つの超伝導ワイヤー（１０，１２）と、超伝導材料のそれぞれのブロック（１３，１４；４２，５２）内に鋳込まれた各超伝導ワイヤーのそれぞれの端部と、前記２つのブロックのそれぞれの接触面（１５）を互いに物理的に接触し、かつ分離させるよう駆動するための機械的な装置（２４，１６，１８，２０；６０）と、を備える機械式作動超伝導スイッチ。

【請求項2】

前記超伝導ワイヤーが超伝導磁石を形成しているコイルの端部である、請求項１に記載の機械式作動超伝導スイッチ。

【請求項3】

前記機械的な装置が、前記２つのブロックを互いに機械的に接触させ、かつ分離させるよう駆動するための直線的な作動を提供する、請求項１に記載の機械式作動超伝導スイッチ。

【請求項4】

前記機械的な装置が、前記２つのブロックを互いに機械的に接触させ、かつ分離させるよう駆動するための回転作動を提供する、請求項１に記載の機械式作動超伝導スイッチ。

【請求項5】

少なくとも１つの前記ブロックが鋳造法を用いて形成され、対応する超伝導ワイヤーが超伝導材料のブロック内に鋳込まれ、前記少なくとも１つのブロックの前記超伝導材料が前記超伝導ワイヤーの前記超伝導材料の延性以上の延性を有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の機械式作動超伝導スイッチ。

【請求項6】

相補的な突出部および凹部がそれぞれの接触面（１５）に設けられている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の機械式作動超伝導スイッチ。

【請求項7】

少なくとも１つの前記ブロックが、対応するブロックの材料の硬さ以上の硬さを有する超伝導材料の粒子またはビーズ（１４０）を含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の機械式作動超伝導スイッチ。

【請求項8】

前記スイッチの開閉を制御するための制御装置がさらに設けられている、請求項１〜７のいずれか一項に記載の機械式作動超伝導スイッチ。

【請求項9】

上部（１６）および下部（１８）筐体部品が、それぞれのブロックを保持し、かつ、高さが可変のシールされた筐体（２２）を提供するためにじゃばら（２０）が前記上部および下部筐体部品を接続する、請求項３に記載の機械式作動超伝導スイッチ。

【請求項10】

電気絶縁体（２２）が設けられ、前記筐体の一部を形成して、前記筐体の材料を通る前記超伝導ワイヤー（１０，１２）間の電気伝導を防ぐ、請求項９に記載の機械式作動超伝導スイッチ。

【請求項11】

− 第１の前記ブロック（４２）が、その中に略筒状の空洞（４６）を含む略筒状の壁（４４）を有し、かつ少なくとも１つの突出部（４８）が前記空洞の壁に設けられ；
− 第２の前記ブロック（５２）が略筒状の壁（５４）を有し、かつ少なくとも１つの突出部（５８）が前記壁に設けられ；
− それぞれの突出部（４８；５８）が円周方向において重なるように、前記第２のブロックが前記第１のブロックの前記空洞内に少なくとも部分的に位置し；かつ
− 前記機械的な装置が、前記第１および第２のブロックの前記筒状の壁の軸に位置合わせされた軸（６２）回りに、一方のブロック（４２；５２）を他方に対して回転させる手段（６０）を備える、
請求項４に記載の機械式作動超伝導スイッチ。

【請求項12】

前記第１のブロック（４２）は、前記第２のブロックの突出部の数に等しい数の突出部（４８）を有する、請求項１１に記載の機械式作動超伝導スイッチ。

【請求項13】

一方または両方の前記ブロック（４２，５２）の前記突出部の特定の面が電気的絶縁層によって覆われている、請求項１１または請求項１２に記載の機械式作動超伝導スイッチ。

【請求項14】

前記突出部（４８；５８）が前記軸（６２）と平行に通っている、請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の機械式作動超伝導スイッチ。

【請求項15】

前記突出部は、らせんまたは円錐のネジの相補的なネジ山面として形成されている、請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の機械式作動超伝導スイッチ。

【請求項16】

前記ネジ山面がセグメント化されている、請求項１５に記載の機械式作動超伝導スイッチ。

【請求項17】

前記ブロックの周囲に真空または不活性雰囲気が設けられている、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の機械式作動超伝導スイッチ。

【請求項18】

使用時に前記ブロックの追加的な機械式作動のための振動形式の装置が設けられている、請求項１〜１７のいずれか一項に記載の機械式作動超伝導スイッチ。

【請求項19】

− 第１の前記ブロック（８４；９４）が中に空洞（８６；９６）を有し；
− 第２の前記ブロック（８０；９０）が前記第１のブロックの前記空洞内に少なくとも部分的に位置し、前記空洞内で軸（８２；９２）回りに回転するよう構成され；かつ
− 前記機械的な装置が一方のブロック（８０；９０）を他方に対して前記軸回りに回転させる手段を備える、
請求項４に記載の機械式作動超伝導スイッチ。

【請求項20】

２つの超伝導ワイヤー（１０，１２）と、超伝導材料のそれぞれのブロック（１０２，１０４）内に鋳込まれる各超伝導ワイヤーそれぞれの端部とを備える機械式作動超伝導スイッチであって、使用時に、前記ブロック（１０２，１０４）が互いに対して静止したままであり、かつネジ付き超伝導カラー（１０６）が相対的な回転によって前記２つのブロックの間を接触し、かつ離れるように駆動される、機械式作動超伝導スイッチ。

【請求項21】

前記ネジ付き超伝導カラーが前記ブロック間の電気的接触の外に回転した場合に前記ブロック（１０２，１０４）の機械的な位置合わせが保証されるように、前記ネジ付き超伝導カラーの電気的絶縁拡張部（１０８）が設けられている、請求項２０に記載の機械式作動超伝導スイッチ。

【請求項22】

直列に電気的に接続され、かつコイルを冷却するように構成されたクライオスタット内に収容された超伝導ワイヤーの複数のコイルを備える超伝導磁石構造であって、前記コイルの電気的端部からの超伝導ワイヤーが請求項１〜２１のいずれか一項に記載のスイッチに接続されていることを特徴とする、超伝導磁石構造。

【請求項23】

前記スイッチの一部を形成している前記超伝導ワイヤー（１０，１２）が、前記コイルの端部である、請求項２２に記載の超伝導磁石構造。

【請求項24】

前記スイッチが前記クライオスタット内に設けられ、かつ前記スイッチの開閉を制御するための制御装置が設けられ、かつ前記クライオスタットの外部から制御可能である、請求項２２または請求項２３に記載の超伝導磁石構造。

【請求項25】

前記機械式超伝導スイッチが磁石を冷却するために使用される同じ冷却装置によって冷却されるよう構成されている、請求項２２〜２４のいずれか一項に記載の超伝導磁石構造。

【国際調査報告】