(57)【要約】電気コネクターは、第１および第２の伝導性部材を含み、これらは、互いに回動可能に取り付けられる。この回動取り付けの遠位方向の第１および第２の伝導性部材の一部分は、電極との電気的接触を形成する。この第１および第２の伝導性部材は、電力供給源に作動可能に連結されるとき、この電源から電極への電流のための平行電流経路を提供する。この接点は前負荷される。さらに、この第１および第２の伝導性部材は、電流に応答して電極との接点でさらなる力を提供するような形態であり、このさらなる力は、電流の値が予備選択された値を有するとき、少なくとも所定の値を有する。例えば、このさらなる力の予備選択された値は、電流が予備選択された値に到達するとき、この接触が失敗しないことを確実にするように、電気接点の公知の性質を用いて決定され得る。
2008501212.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極への接点を提供する電気コネクターであって：
（ａ）少なくとも２つの電気伝導性部材；
（ｂ）該電気伝導性部材に電気的に連結される第１の電圧；および
（ｃ）該電気伝導性部材に電気的に接触する電極を備え、
ここで、（ｉ）該電気伝導性部材が、該電極に第１の前負荷力を付与し、そして（ｉｉ）該電気伝導性部材が、該電極に電流を伝導するとき、第２の力を、（Ａ）該第１の前負荷力および該第２の力が組み合わさって該接点がアーク放電することを防ぎ、そして（Ｂ）該第２の力が、電流が該電極に高電流で伝導されるとき、該接点がアーク放電することを防ぐために要求されるように提供する形態である、電気コネクター。
【請求項２】
前記電気伝導性部材が、該電気伝導性部材内を流れる電流から生成される磁場の相互作用によって前記第２の力が引き起こされるような形態である、請求項１に記載の電気コネクター。
【請求項３】
厳密に２つの電気伝導性部材がある、請求項１に記載の電気コネクター。
【請求項４】
前記第１の前負荷力が、前記電極と前記接点との相対移動を、該電極への損傷なくして可能にする、請求項１に記載の電気コネクター。
【請求項５】
前記第１の前負荷力が、前記電極と前記接点との相対移動を、該電極を擦りむくことなく、該電極を曲げることなく、またはその両方で可能にする、請求項１に記載の電気コネクター。
【請求項６】
前記電気コネクターが、動的接点を提供する、請求項４に記載の電気コネクター。
【請求項７】
前記電気伝導性部材の少なくとも１つの一部分が、前記電極との電気的接触を形成する転位可能な接触ブロックを含む、請求項１に記載の電気コネクター。
【請求項８】
前記転位可能な接触ブロックが、銅、銀、ニッケル、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される金属を含む、請求項７に記載の電気コネクター。
【請求項９】
前記転位可能な接触ブロックが、金属含浸グラファイトを含む、請求項７に記載の電気コネクター。
【請求項１０】
前記金属含浸グラファイトが、銅、銀、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される金属を含む、請求項９に記載の電気コネクター。
【請求項１１】
前記電気伝導性部材の少なくとも１つに作動可能に連結されたスプリングをさらに備え、ここで、該スプリングが、少なくとも一部分、前記第１の前負荷力を提供する、請求項１に記載の電気コネクター。
【請求項１２】
前記電気伝導性部材の少なくとも１つに作動可能に連結されたピストンを含む水力シリンダーをさらに備え、ここで、該水力シリンダーが、少なくとも一部分、前記第１の前負荷力を提供する、請求項１に記載の電気コネクター。
【請求項１３】
前記高電流が、パルス電力送達システムから伝導される、請求項１に記載の電気コネクター。
【請求項１４】
前記パルス電力送達システムが：
（ａ）少なくとも約１０４Ａのピーク電流で；
（ｂ）多くても約１０ｍｓのパルス長さについて；
（ｃ）少なくとも約０．１Ｈｚの繰り返し速度で；および
（ｄ）約１０５より多いサイクルについて、サイクルされる、請求項１３に記載の電気コネクター。
【請求項１５】
電極に接点を提供する電気コネクターであって：
（ａ）少なくとも２つの電気伝導性部材；
（ｂ）該電気伝導性部材に電気的に連結される第１の電圧；および
（ｃ）該電気伝導性部材に電気的に接触する電極を備え、
ここで、（ｉ）該電気伝導性部材が、該電極に第１の前負荷力を付与し、そして（ｉｉ）該電気伝導性部材が、該電極に電流を伝導するとき、第２の力を、（Ａ）該第１の前負荷力および該第２の力が組み合わさって該接点がアーク放電することを防ぎ、そして（Ｂ）該第２の力が、電流が該電極に高電流密度で伝導されるとき、該接点がアーク放電することを防ぐために要求されるように提供する形態である、電気コネクター。
【請求項１６】
前記高電流密度が、少なくとも約１０，０００Ａ／ｃｍ２である、請求項１５に記載の電気コネクター。
【請求項１７】
電極に接点を提供する電気コネクターであって：
（ａ）少なくとも１つの電気伝導性部材；
（ｂ）該電気伝導性部材に電気的に連結される第１の電圧；および
（ｃ）該電気伝導性部材に電気的に接触する電極を備え、
ここで、（ｉ）該電気伝導性部材が、該電極に第１の前負荷力を付与し、そして（ｉｉ）該電気伝導性部材が、該電極に電流を伝導するとき、第２の力を、（Ａ）該第１の前負荷力および該第２の力が組み合わさって該接点がアーク放電することを防ぎ、そして（Ｂ）該第２の力が、電流が該電極に高電流で伝導されるとき、該接点がアーク放電することを防ぐために要求されるように生成するために磁場と相互作用する形態である、電気コネクター。
【請求項１８】
前記磁場を生成するための磁性デバイスをさらに備える、請求項１７に記載の電気コネクター。
【請求項１９】
（ａ）第１の前負荷力を少なくとも１つの電気伝導性部材に付与する工程であって、該電気伝導性部材を電極に接触する工程；および
（ｂ）該電気伝導性部材を通じて該電極に電流を付与する工程であって、第２の力を、（ｉ）該第１の前負荷力および該第２の力が、電流が付与されるときに該電気伝導性部材および該電極がアーク放電することから接点を防ぎ、そして（ｉｉ）該第２の力が、該電流が該電極に高電流で伝導されるとき、アーク放電することを防ぐために要求されるように提供する工程、を包含する、方法。
【請求項２０】
（ａ）前記第１の前負荷力を付与する工程が、第１の前負荷力を、少なくとも２つの電気伝導性部材に付与することを包含し；そして（ｂ）前記電流を付与する工程が、該２つの電気伝導性部材を通じて、電流を、前記電極に、（ｉ）該第１の前負荷力および該第２の力が、電流が付与されるときに該電気伝導性部材および該電極がアーク放電することから接点を防ぎ、そして（ｉｉ）該第２の力が、該電流が該電極に高電流で伝導されるとき、アーク放電することから該接点を防ぐために要求されるように提供すること、を包含する、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記電気伝導性部材中を流れる電流から生成される磁場と相互作用するために磁場を付与する工程をさらに包含し、前記第２の力を提供する、請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
前記高電流が、パルス電力送達システムから伝導される、請求項１９に記載の方法。
【請求項２３】
前記パルス電力送達システムが：
（ａ）少なくとも約１０４Ａのピーク電流で；
（ｂ）多くても約１０ｍｓのパルス長さについて；
（ｃ）少なくとも約０．１Ｈｚの繰り返し速度で；および
（ｄ）約１０５より多いサイクルについて、サイクルされる、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
（ａ）第１の前負荷力を少なくとも１つの電気伝導性部材に付与する工程であって、該電気伝導性部材を電極に接触する工程；および
（ｂ）該電気伝導性部材を通じて該電極に電流を付与する工程であって、第２の力を、（ｉ）該第１の前負荷力および該第２の力が、電流が付与されるときに該電気伝導性部材および該電極がアーク放電することから接点を防ぎ、そして（ｉｉ）該第２の力が、該電流が該電極に高電流密度で伝導されるとき、アーク放電することから該接点を防ぐために要求されるように提供する工程、を包含する、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（技術分野）
本発明は、一般に、電気連結に、そして詳細には、自励（ｓｅｌｆ−ｅｎｅｒｇｉｚｉｎｇ）接点に関し、それによって、電気接触を動的に形成する電気コンダクター間の接触の力が、これら接触を通る電流に適合し、そして接触前負荷が、接触する面間の相対運動をこれら接触を損なうことなく許容する。
【背景技術】
【０００２】
（背景）
電気連結は、多くの設計の重要な局面である。代表的な電気連結は、はんだ付け、クランピングおよびラグを含む。信頼性ある長期間連結を提供するために、電気コンダクター間の良好な物理的接触が存在しなければならない。はんだ付けは、これを、電気的に伝導性の材料でコネクターを湿らせ、そして結合することにより達成する。クランピングおよびラグは、緊密な接触を保証するためにコンダクター間に物理的力を提供する。コンダクター間に十分な接触がない場合、局在化したアーク放電および／または表面の酸化が起こり得、信頼性のない連結が生じる。低電流静的連結には、信頼性のある連結を提供するために必要な接触力は小さく、そして容易に達成され得る。
【０００３】
中間および高電流の静的連結には、必要な接触力は比例してより高い（本明細書で用いられるとき、「高電流」は、一般に、少なくとも約１０００Ａの電流である）。その結果、この接触により緊密な注意を払わなければならない。なぜなら、アーク放電の可能性のため、この連結に物理的損傷を引き起こし、そしてそれを使用不能にするからである。代表的には、これらのタイプの連結は、一緒にボルト留めされるか、または機械的にクランプされ、そして接触表面は、腐食を最小にするように処理される。
【０００４】
高電流パルスの電気連結には、この電流から生じる連結に対する負荷は、周期的であり、そして疲労およびクリープの影響が考慮されなければならない。経時的に、適切に維持されない場合、一定の力が減少し、そしてアークが連結中に生じ、永久的な損傷が生じる。
【０００５】
パルス電力−−ここでは、電気が、高電圧、高電流（すなわち、高電力）で変調され、そして短い時間スケールに亘ってそのようになされる−−の分野では、これらのタイプの問題は、大いに増幅される。短い時間スケールは、熱的、機械的および磁気的影響が、放電の間に定常状態に接近しない方式として規定される（例えば、一般に、約１００ｍｓ未満、そしてより一般的には約１０ｍｓ未満）。連結で生成される力は大きく、そして疲労およびクリープという主要な問題を起こす。高電流電気接触には、２つの面の間に電流のアンペアあたり最小で１ｇの力が付与され（１ｇ／Ａ）るか（これは、一般に、「Ｍａｒｓｈａｌｌの法則」と称されている）、またはこれら表面間にアークが自然に形成され、そしてそれらを破壊することが、一般に、経験的に理解されている。例えば、１００，０００Ａの電流が通る２つの表面間に必要な最小の力は、１００ｋｇまたは約２２０ポンド（ｌｂｓ．）の力であろう。当業者は、Ｍａｒｓｈａｌｌの法則が、パルス化電力産業内で用いられる経験に基づく方法であることを理解し得る。連結が、不十分な接触力に起因して失敗すると、電気アークがこれら２つの表面間に形成される。このアークの抵抗は、一般に、これら表面間の接触抵抗より高い。電流流れに起因してレジスター中に蓄積されるエネルギーは、電流の平方に比例するので、界面には、比例して、より多くのエネルギーが蓄積される。このアーク中に蓄積された電力が十分に高いと、接触（接点）材料表面は、この界面間で高圧プラズマを形成するには十分に高く加熱され得る。この高圧は、爆発的にこの界面を離し、それを電気的連結として有効でないようにする。さらに、その周辺が損傷され得る。このプロセスは、爆発に似ている。産業システムには、これは、設備の損失、顕著な設備停止時間を生じ、そして作業者を害する可能性があり得る。
【０００６】
これら環境における電気連結の信頼性は、これら表面間の接触抵抗を、銀のような高度に伝導性の材料で接触表面を被覆すること、またはこれら表面に腐食阻害剤を付与することなどで最小にすることによって増加される。適切な接触力は、Ｂｅｌｌｅｖｉｌｌｅワッシャーを備えたボルトによって提供されるもののような協力的前負荷を用いることによってより信頼性あるものになされ得る。これらの解決法は、これら連結が、修理なくして長時間続くことが意図されるとき、一般に、良好に作用する。１つのこのような一体的解決法は、Ｍｕｌｔｉｌａｍ（登録商標）のブランド名によって知られ（Ｓａｎｔａ  Ｒｏｓａ、ＣａｌｉｆｏｒｎｉａのＭｕｌｔｉ−Ｃｏｎｔａｃｔ  ＵＳＡから入手可能）、これは、２つの表面の間に複数の協力的接触点を提供することによりこれらの間の接触抵抗を最小にする。それは、これら表面間に挟持されるスプリング材料から作製される多くの小さなルーバー板を含む。各ルーバー板は、各表面のための単一の接触点として作用する。各ルーバー板は、その他とはある程度独立に作用し、従って、それは、表面不完全性、クリープおよび付与されたクランプ力に対してかなりより耐性である。何十または何百さえの接触点が小接触領域に提供され得るので、Ｍｕｌｔｉｌａｍ（登録商標）は、２つの平坦な表面が一緒にクランプされるとき、３つを超えない電気接触点が保証され得ることを述べるａ−ｓｐｏｔ理論によって予見される接触抵抗および信頼性を改善する。しかし、各ルーバー板は、本質的に、線接触または点接触を形成するので、高い接触圧が与えられ、そしてしばしば嵌合する接触表面を損傷する。この問題は、Ｍｕｌｔｉｌａｍ（登録商標）が、嵌合表面が繰り返されることを基礎に互いに対して移動される高電流密度適用に対して信頼性良く用いられることを制限している。（本明細書で用いられるとき、この「電流密度」は、一般に、少なくとも約１０，０００Ａ／ｃｍ２である。）
上記の論議は、静的電気連結をほぼ中心にしている。接触を維持しながら、一方の表面が他方に対して移動される（滑動または回転など）動的連結には、接点間でアーク放電を防ぐために適切な前負荷を、この前負荷が、静的摩擦を表面が互いに対して移動することを防ぐようには高くできないという事実と合わせて有するというさらなる問題と直面する。（このような動的連結はまた、「動的接触」と称される。）さらに、これら表面間の小さな不完全性は、それらを、可動でない接触表面よりもアーク放電し易くする傾向にする。この問題は、接点の表面領域が、アーク放電を防ぐために必要な前負荷が、これら表面をほぼ変形し、それによって、それらの寿命を減少し、そしてそれらをアーク放電する傾向にするように小さくなるとき、悪化する。この問題はまた、電力が連結されることが所望されるコンダクターの断面積が、それを曲げることなくカプラーを通じてそれを押すことが困難になるように小さくなるとき、悪化する。
【０００７】
要するに、動的高電流適用には、表面を互いに対して滑動することを可能にするが、電流がこれらを通ってパルスされるときにのみ、これら表面に付与される必要なクランプ力を有して頻繁にこれら表面を有することが所望される。電流が接点を通ってパルスされる毎に十分なクランプする力が付与されることを確実にするために極度の注意が払わなければならない。１つの失敗は、破局的である。
【０００８】
これら連結のすべては、共通して１つの因子を有している：それらは、破局的失敗を防ぐために良好に維持されなければならない高い前負荷力を必要とする。このために、パルス化電力適用における可動電気接点におけるそれらの適用は限られる。さらに、この接続が、その設計されたクランプ力を超える電流に会うとき、そのときは、この連結は失敗する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従って、当該技術分野には、高電流が流れる間に接点における破局的アーク放電を防ぐために十分な可動電気接点においてクランプ力を提供するが、電流がほとんど流れないか、または流れないとき、接触するコンダクターの相対的にスライドする動きの自由度を許容する機構に対する必要性がある。さらに、当該技術分野には、上記接点によって運ばれる電流に適合するクランプ力に対する必要性がさらに存在する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
（要約）
開示されるのは、カプラーに対して繰り返しまたは連続的に指標付けられる高電圧、パルス化電力送達システムを電気的に連結するためのシステムおよび方法である。例えば、このシステムは、多くのサイクルについて（約１０５より大きい、そしてより一般的には約１０６より大きい）、高繰り返し速度で（約０．１Ｈｚより大きい、そしてより一般的には、約１Ｈｚより大きい）、適度なパルス長について（〜１０ｍｓ以下、より一般的には、〜１ｍｓ以下）、高ピーク電流（〜１０５Ａ以上）でサイクルされ得る。
【００１１】
本発明は、高電圧、バルス化電力を、カプラーに対して指標付けられる小コンダクターに連結する一般的問題を取り扱う。カプラーを通じて押される小断面コンダクターを通って大電流を通すことが所望されるとき、問題が生じる；小コンダクターとカプラーとの間の非アーク放電電気連結を維持するために必要な最小の前負荷力は、コンダクターが曲がるか、または接触表面が機械的に変形されるか、または擦りむかれるように大きい。本発明は、この問題を以下によって取り扱う：
Ａ．接触表面間に小さな静的力（すなわち、一般に、最大作動電流に対するＭａｒｓｈａｌｌの法則によって必要な力より少ない）を付与すること。コンダクターは滑動し得、そしてこのコンダクターの厚みには小さな変形があり得るので、この静的な力は、常に力が、そしてそれ故、上記表面間に非アーク放電電気連結が存在することを保証するように協力的であるに違いない。これは、電流が最初に流れはじめるとき、アーク放電が生じないようになされる。すなわち、この力は、スプリング、水力などによって提供される力のようであるに違いない：クランプの寸法における小さな変化は、付与される力に有意に影響しない。
Ｂ．上記連結を通って流れる電流とともに増加する動的自励力を付与すること。本発明の実施形態では、この力は、カプラーを通る電流とその自己磁場との相互作用によって提供されるローレンツ（Ｌｏｒｅｎｔｚ）力である。電流の平方に比例するこの力は、カプラーが電流放電の間にのみコンダクターをクランプすることを引き起こす。
【００１２】
前述は、以下の本発明の詳細な説明がより良好に理解され得るために、本発明の特徴および技術的利点をむしろ広範に概観している。本発明のさらなる特徴および利点は、本明細書で以後説明され、これは、本発明の請求項の主題を形成する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明、およびその利点のより完全な理解のために、添付の図面と組み合わせて考慮し、以下の説明にここで参照がなされる。
【００１４】
（詳細な説明）
本発明は、自励クランプ力を取り込むことにより、これらの問題を取り扱う。連結は、適度の前負荷を必要とし、そして破局的失敗を防ぐために必要な力の残りを付与するＬｏｒｅｎｔｚ力を生成するために付与される電流を用いる。この適度の前負荷は、２つの接触表面が、構成要素を損傷することなく互いに対して移動され得、その一方、この自励特徴は、電流が付与されるとき、非アーク放電電気連結を維持するために十分なクランプ力を提供する。さらに、この自励力は、付与された電流の平方に比例するので、上記連結は、過剰電流状態にかなりより耐性である。
【００１５】
以下の説明では、多くの特定の詳細が提示され、本発明の完全な理解を提供する。しかし、本発明は、このような特定の詳細なくして実施され得ることは当業者に自明である。その他の例では、周知の回路が、本発明を不必要な詳細で不明瞭にしないために、ブロック図で示されている。主として、タイミングの考慮などに関する詳細は、本発明の完全な理解を得るために必ずしも必要ではなく、そして当業者の技術内であるので、省略されている。
【００１６】
ここで、図面を参照して、ここでは、描写された要素は、必ずしもスケール通りではなく、そしてここで、同様または類似の要素は、いくつかの図面を通じて同じ参照番号によって指定されている。
【００１７】
図１は、本発明の実施形態による自励電気カプラーを示す。このカプラーは、高電流パルス化電力を指標可能な消耗電極１に提供するために用いられ得る。（電極１は、例えば、本明細書によって本明細書中に参考として援用される同一人に所有される米国特許第６，７７７，６３９号に記載される方法に従って、ナノ材料を作製するための供給原料として用いられる。）
しかし、このカプラーは、接点を形成する接触する電気コンダクター間の相対的移動を可能にする電気接触を必要とする任意のシステムにおける動的接触を提供するために用いられ得る。
【００１８】
高電流パルス化電力システムは、主要電気連結点２で、および接地コネクターアセンブリ３でカプラーに電気的に連結される。この電極１は、連結点５に取り付けられた供給機構（示さず）を用いてチェックバルブ４を通じて指標付けられる。上記のナノ粉末の産生にこのカプラーを適用することにおいて、チェックバルブ４は、電極１の取り外し、または置換を可能にし、その一方、このカプラーは、これは、代表的には、大気圧よりわずかに大きい圧力で作動される産生システム中でその場に残る。電極１は、コンダクター／冷却剤マニフォールド６および絶縁体アセンブリ７を通り、そしてグリッパーアセンブリ８まで通過する。このコンダクター／冷却剤マニフォールド６は、入口冷却材ポート９ａおよび出口冷却材ポート９ｂを有し、高電流および電力によって生成される熱を能動的に冷却および除去する。このコンダクター／冷却剤マニフォールド６は、主要絶縁体１０によって接地コネクターアセンブリ３から電気的に絶縁される。コンダクター／冷却剤マニフォールド６は、主要絶縁体に対して軸方向に移動し得、グリッパーアセンブリ８の位置を調節する。このコンダクター／冷却剤マニフォールド６の位置は、絶縁体クランプ１１ａおよび重負荷ホースクランプ１１ｂ（示さず）によりロックされる。主要絶縁体１０は、絶縁体−フランジクランプウェッジ１３によってフランジ１２に取り付けられる。絶縁体１０は、カプラーの実施形態では、共通ＭＤＳ−ナイロン充填から製作され得る。絶縁体−フランジクランプウェッジ１３は、主要絶縁体１０そしてその結果、アセンブリの残りをフランジ１２に対して移動することを可能にし、そしてそれをその場にロックする。重負荷ホースクランプ（示さず）は、クランプウェッジ１３に対しクランプ力を提供するために用いられ得る。これは、電極先端部の正確な位置決めを可能にする。フランジ１２は、１５０ｌｂステンレスＡＮＳＩフランジであり得る。１つの実施形態では、カプラーフランジ１２は、１４インチ（１４’’）の直径を有するが、フランジ１２の特徴は、本発明の原理には関係せず、そしてカプラーの適用環境を反映し得る。
【００１９】
図２は、主要絶縁体１０および周辺構成要素の切取図を示す。後部電極シールカートリッジ２０は、電極１がコンダクター／冷却剤マニフォールド６に入る場所に位置決めされ、そして主要シールカートリッジ２２は、このコンダクター／冷却剤マニフォールド６とともに位置決めされ、電極の周りに圧力シールを提供する。前記の方法を用いるナノ粒子生産のような加圧下環境で用いられる本発明の実施形態では、反応チャンバー内側に任意のガスが維持される。（前述の同一人に所有される米国特許番号第６，７７７，６３９号に記載される方法に従って、ナノ粒子の生産で用いられる反応チャンバーは、大気圧のわずかに上で作動する。）同様に、チェックバルブアセンブリ２１は、電極がコンダクター／冷却剤マニフォールド６から取り外されるとき能動化される。このコンダクター／冷却剤マニフォールド６は、次いで、Ｏリング２３を経由して主要絶縁体１０にシールされる。このコンダクター／冷却剤マニフォールド６は、同心チューブアセンブリを含み、冷却剤チャネル２４を提供し、このアセンブリを能動的に冷却し、そして冷却材がグリッパーアセンブリに供給されることを可能にする。さらに、この主要絶縁体１０は、パージガス通路２５を含み、清澄なガスがこのシステム中に注入されること可能にする。ここで再び、自励電気カプラーの実施形態のナノ粒子生産への適用では、パージガスは、カプラー中の隙間を不注意に侵入したかも知れない粒子状物質の除去を行うために導入され得る。このような粒子状物質のこのような除去は、特に、電気伝導性材料のナノ粒子の生産と組み合わせて上記カプラーを用いるとき有利である。
【００２０】
図３は、前部絶縁体アセンブリ３００の断面図をさらに詳細に示す。前部絶縁体アセンブリ３００の目的は、グリッパーアセンブリをフランジ１２から電気的に絶縁することである。内側絶縁体チューブ３０は、主要絶縁体１０に連結され、そしてコネクター／冷却剤マニフォールド６を覆う。本発明の実施形態では、内側絶縁体チューブは、ポリカーボネートから作成され得る。この内側絶縁体チューブ３０とコネクター／冷却剤マニフォールド６との間に形成される環状領域は、パージガス流れチャネル３１を提供し、これは、パージガス出口穴３２に連結する。このパージガス流れチャネル３１は、Ｏリング３４を備えた絶縁体フランジブッシング３３によって端部上でシールされ、これは、パージガスが出口穴３２を出ることを確実にする。一旦パージガスが出口穴３２を出ると、それには、外側絶縁体シールドチューブ３５が含まれ、これはまた、パージガスをフランジ１２に向かって再び方向付ける。本発明の実施では、外側絶縁シールドチューブ３５はポリカーボネートから作製され得る。先に論議されたように、金属ナノ粒子生産の間に、これは特に有利であり得る。なぜなら、それは、伝導性粒子が絶縁体を覆い、そしてこのシステムに有害であり得る伝導性電気通路を形成することを防ぐからである。外側絶縁体シールドチューブ３５は、前部絶縁体フランジ３６によってその場に保持され、そしてＯリング溝３４に保持されたＯリング（示さず）によってシールされる。本発明の実施形態では、この絶縁体シールドチューブ３５は、Ｏリングによって軸方向に固定される。さらに、前部絶縁体３６は、内部絶縁体チューブ３０に連結される。本発明の１つの実施形態では、この前部絶縁体フランジ３６は、ＭＤＳ−ナイロン充填から作製される。
【００２１】
ナノ粒子の生産の間に、熱プラズマが、図１に示されるような電極１のような電極の先端部で形成される。ナノ粒子の生産で用いられる実施形態では、絶縁体熱シールド３７がこの前部絶縁体フランジ３６を、プラズマの熱照射から保護するために用いられ得る。絶縁体熱シールドプレート３７は、ボルト３８によってその場に保持され、そしてＴｅｆｌｏｎ（ＰＴＦＥ）孤立ブッシング３９によって前部絶縁体フランジ３６からずれている。
【００２２】
図４は、グリッパーアセンブリ８の外からの側面図を描写している。このグリッパーアセンブリは、電流が、コネクター／冷却剤マニフォールド６から消耗電極１まで通過する場所である。回動プレート５１は、グリッパーアセンブリを、コネクター／冷却剤マニフォールド６にボルト５０を用いて取り付ける。このグリッパーアセンブリは、２つのグリッパーアーム５２（「グリッパーウェッジ」とも呼ばれる）、２つの置換可能な接触挿入物５３および２つの水力シリンダー５４から構成される。作動において、コネクター／冷却剤マニフォールド６を通過する電流は、２つのグリッパーアーム５２の間で分割され、そして次に、置換可能な挿入物５３を電極１まで通過する。置換可能な挿入物３５は、（Ｐｏｃｏ  Ｇｒａｐｈｉｔｅ  ｏｆ  Ｄｅｃａｔｕｒ、Ｔｅｘａｓによって製造されるもののような）金属含浸グラファイトから製作され得る。さらなる詳細は、図５および６に記載される。グリッパーアーム５２は、ピボットピンシールドカバー９６の下に配置された２つの回動ピン（示さず）上で回動する。このようにして、動的に適合された接触力が、コネクターを通る電流が増加するとき、挿入物５３と電極１との間で付与され得る。これは、図６と組み合わせて本明細書の以下でさらに説明される。
【００２３】
高電流にともなうオーム加熱のため、そしてナノ粒子の生産で用いられる本発明の実施形態では、構成要素の加熱は、プラズマからの照射に起因して問題となる。この問題を取り扱うため、グリッパーアーム５２は能動的に冷却される。冷却剤は、コネクター／冷却剤マニフォールド６から、圧縮金具５５を用いて連結される冷却剤ホース５６を通って通過する。
【００２４】
図５は、グリッパーアセンブリ８の切取図であり、そこでは、回動プレート５１および下にある回動機構の一部、ならびに内部電極支持構造は、グリッパーアセンブリ８内の電極の配置をさらに詳細に示すために除去されている。さらに、グリッパーアーム５２の一部もまた、グリッパーアセンブリ内を冷却剤チャネル７０の流れ経路を示すために除去されている。これらチャネルは、上部からグリッパーアームの本体中に穿孔され得、そして次に、両方の穴を通って交差穿孔される。この交差穿孔穴は、次いで、パイププラグ７１を用いて塞がれ、グリッパーアーム５２を通る循環流れを提供する。
【００２５】
グリッパーアセンブリ内の置換可能接触挿入物５３を保持するための機構もまた図５中に観察される。グリッパーアームは、置換可能な接触挿入物５３上のありつぎに一致する、ありつぎ溝７２を含む。挿入物を置換するために、この置換可能接触挿入物５３は、グリッパーアームの前部から開始してありつぎ溝７２中に滑動される。接触保持ブロック７９は、次いで、この置換可能挿入物５３とグリッパーアームとの間を滑動し、そしてスプリングプランジャー７３によってその場に保持される。さらに、ありつぎ溝の内側には、フェルト金属（Ｔｅｃｈｎｅｔｉｃｓ  Ｃｏｒｐ．、ＤｅＬａｎｄ、Ｆｌｏｒｉｄａからの材料のような、代表的なフェルトに似ているが、銅から作製される）で裏打ちされる。このフェルト金属は、これら２つの構成要素間により大きな表面分散を許容する複数の迎合的な接触点があることを確実にする。先に述べられたように、この置換可能な接触挿入物５３は、銅または銀のような良好な電気伝導性の金属で含浸されたグラファイトから作製される。これらの粒子状材料は、良好な潤滑性および電気伝導性を有する。
【００２６】
図１０は、接触挿入物の拡大図を示す。各接触挿入物５３は、電極の直径上で約１５０度の接触を有している。これは、これら挿入物が磨耗するとき、それらが他を超えて滑動し得るようになされる。結果として、大量の磨耗が耐えられ得る。接触挿入物が、それらが磨耗するにつれて互いを超えて滑動しないとき、それらは、最終的には互いに接触する。これは、次に、この設計を有効でなくし得る。接触領域は、好ましい実施形態については、１５０度であるが、当業者は、その他の角度が用いられ得、そしてこの設計の思想からそそれることなく、その他の設計が、これら接触挿入物が互いと接触するようになることを防ぐことを認識し得る。
【００２７】
図５はまた、グリッパーアセンブリを通る電極１の通過を描写する。この電極が、コネクター／冷却材マニフォールド６を通過するとき、それは、電極案内チューブ７６によって絶縁され、そして案内される。この電極案内チューブ７６の端部に取り付けられるのは、この電極が置換可能接触挿入物５３に入る正確な位置にあることを確実にする、絶縁性案内ブッシング７７である。本発明の実施形態では、絶縁性電極案内ブッシング７７は、Ｇａｒｏｌｉｔｅ  Ｇ−１０のような良好な絶縁性材料から作製され、そしてステンレス鋼から構成され得る電極熱シールド７８による高熱負荷から保護される。
【００２８】
図６は、グリッパーアセンブリ８の切取図を示す。図６では、回動プレート５１は取り除かれ、グリッパーアセンブリの回動機構が剥き出ている。各グリッパーアーム５２は、グリッパーアーム５２に押し付けられる回動ピン９０と回動する。２つのグリッパーセンタリングギア９１が、この回動ピン９０の周りに位置決めされ、そしてボルト９２によってグリッパーアーム５２に連結される。このグリッパーセンタリングギア９１は、グリッパーアーム５２が中心にとどまり、そして電極１に対して等しく動くことを確実にする。回動Ｏリング９３および回動Ｏリングカバーリング９４は、この回動連結からほこりおよびその他の外来物質をシールする。ナノ材料の生産で用いられる実施形態では、回動連結のそのようなシールが有利であり得る。同様に、このグリッパーセンタリングギアは、ギアシールドプレート９５による熱プラズマから保護される。ボルト９７によってその場に保持される回動ピンシールドカバー９６は、この回動ピン連結をシールするために用いられる。図６はまた、グリッパーを作動するため、そして電極１に初期前負荷を付与するために用いられる水力シリンダー５４の１つの切取図を示す。この水力シリンダーは、ボルト１００によってその場に保持され、そしてその周りを回動する。この水力シリンダーの内側には、Ｏリング１０２およびＴｅｆｌｏｎ（ＰＴＦＥ）バックアップリング１０３を用いてシールする水力ピストン１０１がある。水力圧力ライン（示さず）が、水力連結１０４を経由して水力シリンダー５４に連結される。この水力シリンダーに圧力が付与されるとき、力がグリッパーアーム上に与えられ、これは、それらを回動ピン９０の周りに回転させる。さらに、この力は、非アーク電気接触のために、回動ピンと回動プレートとの間の緊密な接触があることを確実にする。グリッパーアーム上に生成されるトルクは、置換可能接触挿入物５３と電極１との間の接触力に変えられる。
【００２９】
作動において、水力圧力が水力シリンダー５４に付与される。本発明の実施形態では、約４０〜８０ポンドの接触力がそれによって維持され得る。この力の範囲は例示であり、しかも、その他の値が代替の実施形態で用いられ得ることを当業者は認識し得る。特に、初期前負荷を与えるには十分であるが、電極が接触挿入物５３を通って移動できないほど大きくない力が提供される。大きすぎる水力圧力が付与される場合、この電極は、この挿入物中に結合または摩損し得るか、それがグリッパーアセンブリに供給されるとき、曲がりさえする。当業者に認識され得るように、摩損が起こる力は、電極材料および挿入物材料に依存する。例えば、アルミニウムのようなより柔軟な材料の電極は、チタンのようなより堅い材料より低い前負荷で摩損する。摩損する傾向に影響し得るその他の因子は、電極の直径、表面仕上げ、挿入物材料、および電極供給速度である。一旦、前負荷がグリッパーアームに付与されると、パルス化電力電流がコネクター／冷却剤マニフォールド６に付与される。この電流が上昇するとき、それは、コネクター／冷却剤マニフォールド６から、そして回動ピン９０を通って通過し、そこでそれは２つの流れ経路に分割される。電流は、次いで、置換可能接触挿入物５３を通って電極１に通過する。電流が２つのグリッパーアームを通過するとき、誘引性Ｌｏｒｅｎｔｚ力が２つのグリッパーアームを一緒に引く。このさらなる力は、電極に対する接触力が接触挿入物５３中のアーク放電を防ぐに十分であることを確実にする。一旦、電流パルスが通過すると、電極に対して残存する唯一の接触力は、水力前負荷であり、そして電極は、損傷することなく指標付けられ得る。
【００３０】
図７は、高電流電気接触のために非アーク放電連結を維持するために必要なＭａｒｓｈａｌｌの法則に従うアンペアあたり１グラムの力（１ｇ／Ａ）のグラフを示す。図７のグラフ上にまた示されるのは、本発明の実施形態について、初期理論的水力前負荷力＋電流の関数としての理論的Ｌｏｒｅｎｔｚ力である。（このグラフは、２つのグリッパーアームをもつ実施形態についてグリッパーアームあたりの力を反映する。）Ｌｏｒｅｎｔｚ力が、他方を通って流れる電流によって生成される磁場と相互作用するグリッパーアームの一方中の電流から生じることを思い起こすこと。このＬｏｒｅｎｔｚ力は、電流の平方に比例し、そしてその結果、低電流では、本明細書に開示される実施形態について非アーク放電電気連結を維持するために必要な力に多く寄与しないことに注意のこと。しかし、より高い電流では、その寄与は、非アーク放電電気連結を維持するためには十分にあまりある。Ｌｏｒｅｎｔｚ力に直接付加する前負荷を用いることにより、この設計は、すべての電流に対し十分な力を維持する。
【００３１】
考慮されなければならないこの設計の別の局面は、グリッパーの応答時間である。パルスは持続時間が短く、そして上記の力は比較的高いので、グリッパーアームはＬｏｒｅｎｔｚ力に迅速に応答できなければならない。好ましくは、これらグリッパーアームは、高剛直性および低慣性質量を有している。好ましい実施形態には、これらグリッパーアームの三角形形状が、質量を最小にしながら、高剛直性を提供する。さらに、銅が用いられ得る。なぜなら、それは、良好な電気伝導性および高弾性率を有するからである。
【００３２】
図８および９は、本発明の代替実施形態の外面図および断面図をそれぞれ示す。図９では、電極２０１はコンダクターチューブ２０６を通過し、これは、パルス化電力システムに連結される。このコンダクターチューブ２０６は、絶縁体ハウジング２１０内に含まれ、これは、次に、Ｏリング２１１によってグリッパーアセンブリ２０４に対してシールされる。絶縁体２０７、２０８および２０９は、電極をコンダクターチューブ２０６から電気的に絶縁する。シール２０５は、電極に対して水圧によりシールし、そしてリアクター中のガスが逃げるのを防ぐ。コンダクターチューブ２０６の端部は、グリッパーアセンブリ２０４の２つの半分体に電気的に連結される。グリッパーアセンブリのこの２つの半分体は、ガータースプリング２０３によって一緒に保持される。このグリッパーアセンブリの各半分体は置換可能挿入物２０２を有し、これは、電極への電気連結を提供する。ガータースプリング２０３はまた、電気連結のための前負荷力を提供し、その一方、なお、電極が挿入片を通って滑動することを可能にする。操作において、この前負荷は、電流パルスの初期立ち上がりの間に非アーク放電電気接触を可能にする。電流が増加するとき、Ｌｏｒｅｎｔｚ力は、グリッパーアセンブリの両方の分割半分体を通過する電流に起因して増加し、そして非アーク放電電気連結を維持するための残りの力を提供する。
【００３３】
本発明およびその利点を詳細に記載したが、種々の変更、置換および改変が、添付の請求項によって規定されるような本発明の思想および範囲から逸脱することなく本明細書においてなされ得ることが理解されるべきである。例えば、本発明は、互いと相互作用する複数アーム、またはＬｏｒｅｎｔｚ力を生成するために磁場と相互作用する単一のアームを用い得る。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】図１は、本発明の実施形態による自励電気連結の斜視図を示す。
【図２】図２は、図１の実施形態による自励電気連結の後部絶縁アセンブリ部分の切取図を示す。
【図３】図３は、図１の実施形態による自励電気連結の前部絶縁アセンブリ部分の切取図を示す。
【図４】図４は、図１の実施形態による自励電気連結のグリッパー部分をさらに詳細に示す。
【図５】図５は、図４のグリッパー部分の切取図を示す。
【図６】図６は、図５のグリッパー部分の別の切取図を示す。
【図７】図７は、本発明の原理による連結器によって運ばれる電流の関数として、接触力をグラフにより示す。
【図８】図８は、本発明の代替の実施形態の外面図を示す。
【図９】図９は、図８に示される本発明の代替の実施形態の断面図を示す。
【図１０】図１０は、図４に示された接触挿入物の詳細を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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