(57)【要約】交流伝送によって生成された磁場が磁気熱量材料に磁気熱量効果を示させるように、送電線導体に含めるための磁気熱量材料を組み込んだ磁気熱量構造体。また、高電圧交流電力を伝送するように構成された少なくとも１つの電気導体の束と、電気導体に物理的支持を提供するために電気導体に束ねられた少なくとも１つの強化構造体と、磁気熱量材料を含む少なくとも１つの磁気熱量構造体とを含む送電線導体が提供される。少なくとも１つの導体を介して高電圧の交流電力を伝送することによって生成される変化する磁場は、磁気熱量材料組成物に磁気熱量効果を発揮させて、送電線導体の動作温度を調整する。送電線温度を調整するために磁気熱量効果を利用する送電線導体設計の方法も提供される。
2019512145.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送電線導体であって、
高電圧の交流電力を伝送するように構成された少なくとも１つの電気導体と、
前記電気導体を物理的に支持するために、前記電気導体と束ねられた少なくとも１つの強化構造体と、
磁気熱量材料を含む少なくとも１つの磁気熱量構造体であって、前記少なくとも１つの磁気熱量構造体は、前記電気導体及び前記強化構造体の束に含まれる、前記磁気熱量構造体と
を含み、
前記磁気熱量構造体は、前記少なくとも１つの電気導体を介して高電圧交流電力を伝送することによって生成される変化する磁場内に位置するように前記束内に配置され、それによって磁気熱量材料組成物が磁気熱量効果を発揮して前記送電線導体の動作温度を調整するようになっている、送電線導体。
【請求項２】
前記磁気熱量効果は、前記送電線導体の動作温度を調整して、動作温度を氷結が起こる範囲よりも高温に維持するように動作する、請求項１に記載の送電線導体。
【請求項３】
前記磁気熱量効果は、前記送電線導体の動作温度を調整して、動作温度を高温閾値未満に維持するように動作する、請求項１に記載の送電線導体。
【請求項４】
前記磁気熱量効果は、前記送電線導体の動作温度を調整して、動作温度を目標動作範囲に維持するように動作する、請求項１に記載の送電線導体。
【請求項５】
各磁気熱量構造体のための前記磁気熱量材料組成物が、目標温度範囲内で前記磁気熱量効果を奏するように調整されている、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の送電線導体。
【請求項６】
各磁気熱量構造体は、前記磁気熱量材料を含む細長いワイヤとして構成され、前記ワイヤは、前記電気導体及び前記強化構造体と共に前記束に組み込まれる、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の送電線導体。
【請求項７】
各磁気熱量構造体は、前記磁気熱量材料を含む前記細長いワイヤを形成するためにパウダーインチューブ法を用いて形成されている、請求項６に記載の送電線導体。
【請求項８】
１つ以上の磁気熱量構造体が、磁気熱量効果を発揮して氷結閾値温度未満の温度で送電線導体の加温を引き起こすように構成された磁気熱量材料を含む、請求項２又は請求項４に記載の送電線導体。
【請求項９】
前記磁気熱量材料は、Ｌａ０．７（Ｃａ１−ｘＡｇｘ）０．３ＭｎＯ３、Ｌａ０．７Ｃａ０．３ＭｎＯ３、ＬａＭｎＯ３、ＭｎＣｏＧｅ、ＭｎＡｓ、Ｍｎ１-ｘＦｅｘＡｓ、ＭｎＣｏＧｅ、ＬａＦｅ１１．６Ｓｉ１．４、Ｌａ（ＦｅＳｉ）１３、Ｌａ０．８Ｎｄ０．２Ｆｅ１１．５Ｓｉ１．５、Ｎｉ４３Ｍｎ４６Ｓｎ１１、（Ｍｎ１−ｘＮｉｘ）３Ｓｎ２、及びＲＭｎＯ３のうちのいずれか１つ以上を含む材料組成物を有する、請求項８に記載の送電線導体。
【請求項１０】
前記磁気熱量材料組成物は、Ａｇ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｂ、Ｈ、又はＧｄのうちのいずれか１以上を用いてドーピングすることにより、氷結閾値温度未満の磁気熱量効果を示すように調整される、請求項９に記載の送電線導体。
【請求項１１】
前記氷結閾値温度は、５℃〜０℃の範囲から選択される温度である、請求項８から請求項１０までのいずれか１項に記載の送電線導体。
【請求項１２】
前記磁気熱量材料は、前記送電線導体を加温して、５℃〜−５０℃の範囲の周囲温度において前記動作温度を５℃〜０℃の範囲に調整する磁気熱量効果を示すように構成される、請求項８から請求項１１までのいずれか１項に記載の送電線導体。
【請求項１３】
１以上の磁気熱量構造体が、高熱閾値温度よりも高温で送電線導体の冷却を引き起こす磁気熱量効果を示すように構成された磁気熱量材料を含む、請求項３又は請求項４に記載の送電線導体。
【請求項１４】
前記磁気熱量材料は、ＺｎをドープしたＦｅ３Ｏ４、Ｎｉ０．５０Ｍｎ０．５０-ｘＳｎｘ合金、Ｎｉ０．５０Ｍｎ０．５０-ｘＩｎｘ合金、Ｎｉ０．５０Ｍｎ０．５０-ｘＳｂｘ合金、及びＬａＣｒＯ３のうちのいずれか１以上を含む、請求項１３に記載の送電線導体。
【請求項１５】
前記磁気熱量材料組成物は、金（Ａｇ）、コバルト（Ｃｏ））、銅（Ｃｕ）、ホウ素（Ｂ）、水素（Ｈ）、又はガドリニウム（Ｇｄ）のうちのいずれか１以上を用いてドーピングすることにより、前記高熱閾値温度よりも高温で磁気熱量効果を示すように調整される、請求項１３又は請求項１４に記載の送電線導体。
【請求項１６】
前記高熱閾値温度は、４０℃〜１００℃の範囲から選択される温度である、請求項１３から請求項１５までのいずれか１項に記載の送電線導体。
【請求項１７】
前記磁気熱量材料は、前記送電線導体を冷却して、３０℃〜６０℃の範囲の周囲温度において前記動作温度を４０℃〜１００℃の範囲に調整する磁気熱量効果を示すように構成される、請求項１３から請求項１６までのいずれか１項に記載の送電線導体。
【請求項１８】
送電線導体の設計の方法であって、
前記送電線導体の予測される動作温度範囲を決定し、低温閾値及び高温閾値のうちの少なくとも１つを選択するステップと、
前記選択された低温閾値又は高温閾値周辺で磁気熱量効果を示す１以上の磁気熱量材料を選択するステップと、
少なくとも１つの電気導体、少なくとも１つの強化構造体、及び導体束内の１以上の磁気熱量構造体の配置を決定するステップであって、前記磁気熱量構造体の位置は、前記束
内の導体を介した交流送電によって生成される変化する磁場と一致することを保証するように選択されるステップと
を含む方法。
【請求項１９】
前記１以上の磁気熱量材料を選択するステップは、前記選択された低温閾値又は高温閾値と一致するように磁気熱量効果を示すために温度を調整するステップを含む、請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の技術分野は、送電線保守技術に関し、とりわけ極度な温度環境における送電線の保守に係るものである。
【背景技術】
【０００２】
電力網は、国家の安全かつ経済的なライフラインである。それはインフラストラクチャの重要な要素である。高緯度の多くの国や地域では、頭上にある送電線の氷被覆は、電力網システムを潜在的に破壊し、寒い冬に大きな財務損失を引き起こす可能性のある大きなリスクである（いくつかの例が図１に示されている）。例えば、２００８年の冬に中国南東部の送電線凍結災害の間の１週間、電力無しの２５００万人以上の家族が２００億元の直接損失を引き起こした。この災害では、約４０〜６０ｍｍ厚の氷が送電線を覆い、１７の州とおよそ１億の人々に影響を与えた。１９９８年には、北米とカナダの境界で高電圧送電線の塔が故障し、数週間の間、２００万人以上の人々が電力無しの状態であった。この災害の結果は、２５人の死者と数十億ドルの被害が含まれた。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
このような災害を避けるために、いくつかの異なる送電線の除氷技術が開発されている。機械的又はロボットによる除氷、ＤＣ除氷、ＡＣ短絡除氷及び過負荷除氷などは、この長年にわたる深刻な問題の解決を試みるために使用されてきた。熱を発生させるために従来の磁性材料を使用することは、送電線を脱氷するための別の公知の技術である。しかしながら、この技術は周囲温度に関係なく熱２４／７を発生させ、夏に大きなエネルギー損失と送電線の垂下を引き起こす。問題は、これらの技術のすべてが巨大なエネルギーと人的資源を浪費することである。遠隔地では、除氷が非常に困難になる。
【０００４】
別の問題は、緯度が低い国又は地域では、夏のピーク時に頭上の送電線の動作温度がしばしば１２０℃を超え、電力線の深刻な垂下を招くことである。極度の熱が頭上の送電線に影響を及ぼして「垂下」を引き起こす程度は、図２に示されている。例えば、ある垂下２１０は、通常、約７５℃の通常の春／夏の動作温度で予想される。動作温度に寄与するのは、日射吸収と、送電線の電気抵抗に起因する廃熱である（熱は送電線のエネルギー損失の一種である）。しかしながら、周囲温度が高い非常に晴れた日には、送電線の動作温度は、極度の熱条件では１２０℃以上、更には１５０℃〜２１０℃にまで上昇する。芝生や茂みの火災などの事象は、動作温度を更に上昇させる可能性がある。送電線の熱膨張による高温状態では、いくらかの追加の垂下２２０が予想され、典型的に送電線は、最小クリアランス閾値２３０を超える前に若干の付加的な熱誘導垂下を許容するように設置される。最小クリアランス閾値は、例えば、送電線と樹木、地形、インフラなどとの間の安全な距離を維持するために、安全性を考慮して設定されるのが一般的である。
【０００５】
電力網の安全性は、厳しい気象変化（特に、極度の温度）によって著しく脅かされている。低温及び高温地域の電気グリッドシステムの極度の温度条件に関連する問題を効率的に緩和することができる送電線技術を開発する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様は、送電線導体であって、
高電圧の交流電力を伝送するように構成された少なくとも１つの電気導体と、
電気導体を物理的に支持するために電気導体と束ねられた少なくとも１つの強化構造体と、
磁気熱量材料を含む少なくとも１つの磁気熱量構造体であって、少なくとも１つの磁気熱量構造体は、電気導体及び強化構造体との束に含まれる磁気熱量構造体とを含み、
磁気熱量構造体は、少なくとも１つの導体を介して高電圧交流電力を伝送することによって生成される変化する磁場内に位置するように束内に配置され、それによって磁気熱量材料組成物が磁気熱量効果を発揮して送電線導体の動作温度を調整する送電線導体を提供する。
【０００７】
一実施形態では、磁気熱量効果は、送電線導体の動作温度を調整して、動作温度を氷結が起こる範囲よりも高温に維持するように動作する。
【０００８】
一実施形態では、磁気熱量効果は、送電線導体の動作温度を調整して、動作温度を高温閾値未満に維持するように動作する。
【０００９】
一実施形態では、磁気熱量効果は、送電線導体の動作温度を調整して、動作温度を目標動作範囲に維持するように動作する。
【００１０】
各磁気熱量構造体用の磁気熱量材料組成物は、目標温度範囲内で磁気熱量効果を示すように調整することができる。
【００１１】
送電線導体のいくつかの実施形態では、各磁気熱量構造体は、磁気熱量材料を含む細長いワイヤとして構成され、ワイヤは、電気導体及び強化構造体と共に束に組み込まれる。例えば、各磁気熱量構造体は、磁気熱量材料を含む細長いワイヤを形成するためにパワーインチューブ法を用いて形成することができる。
【００１２】
送電線導体のいくつかの実施形態では、１以上の磁気熱量構造体は、磁気熱量効果を示して氷結閾値温度未満の温度で送電線導体の加温を引き起こすように構成された磁気熱量材料を含む。磁気熱量材料の例は、Ｌａ０．７（Ｃａ１−ｘＡｇｘ）０．３ＭｎＯ３、Ｌａ０．７Ｃａ０．３ＭｎＯ３、ＬａＭｎＯ３、ＭｎＣｏＧｅ、ＭｎＡｓ、Ｍｎ１-ｘＦｅｘＡｓ、ＭｎＣｏＧｅ、ＬａＦｅ１１．６Ｓｉ１．４、Ｌａ（ＦｅＳｉ）１３、Ｌａ０．８Ｎｄ０．２Ｆｅ１１．５Ｓｉ１．５、Ｎｉ４３Ｍｎ４６Ｓｎ１１、（Ｍｎ１−ｘＮｉｘ）３Ｓｎ２、及びＲＭｎＯ３のうちのいずれか１以上を含む材料組成を有する。磁気熱量材料組成物は、金（Ａｇ）、コバルト（Ｃｏ）、銅（Ｃｕ）、ホウ素（Ｂ）、水素（Ｈ）、又はガドリニウム（Ｇｄ）のうちのいずれか１以上を用いてドーピングすることにより、氷結閾値温度未満で磁気熱量効果を示すように調整することができる。
【００１３】
氷結閾値温度は、５℃〜０℃の範囲から選択される温度とすることができる。送電線導体の実施形態は、送電線導体の加温を引き起こして、５℃〜−５０℃の範囲内の周囲温度において動作温度を５℃〜０℃の範囲に調整する磁気熱量効果を示すように構成される磁気熱量材料を含むことができる。
【００１４】
送電線導体のいくつかの実施形態では、１以上の磁気熱量構造体は、高熱閾値温度よりも高温で送電線導体の冷却を引き起こす磁気熱量効果を示すように構成された磁気熱量材料を含む。例えば、磁気熱量材料は、ＺｎをドープしたＦｅ３Ｏ４、Ｎｉ０．５０Ｍｎ０．５０-ｘＳｎｘ合金、Ｎｉ０．５０Ｍｎ０．５０-ｘＩｎｘ合金、Ｎｉ０．５０Ｍｎ０．５０-ｘＳｂｘ合金、及びＬａＣｒＯ３のうちのいずれか１以上を含むことができる。他の材料もまた好適であると見なすことができる。磁気熱量材料組成物は、Ａｇ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｂ、Ｈ、又はＧｄのうちのいずれか１以上を用いてドーピングすることにより、高熱閾値温度よりも高温で磁気熱量効果を示すように調整することができる。
【００１５】
高熱閾値温度は、４０℃〜１００℃の範囲から選択される温度とすることができる。送電線導体の実施形態は、送電線導体の冷却を引き起こして、３０℃〜６０℃の範囲の周囲温度において動作温度を４０℃〜１００℃の範囲に調整する磁気熱量効果を示すように構成された磁気熱量材料を含むことができる。
【００１６】
本発明の別の態様は、送電線導体の設計の方法であって、
送電線導体の予測される動作温度範囲を決定し、低温閾値及び高温閾値のうちの少なくとも１つを選択するステップと、
選択された低温閾値又は高温閾値周辺で磁気熱量効果を示す１以上の磁気熱量材料を選択するステップと、
少なくとも１つの電気導体、少なくとも１つの強化構造体、及び導体束内の１以上の磁気熱量構造体の配置を決定するステップであって、磁気熱量構造体の位置は、束
内の導体を介した交流（ＡＣ）送電によって生成される変化する磁場と一致することを保証するように選択されるステップとを含む方法。
【００１７】
１以上の磁気熱量材料を選択するステップは、選択された低温閾値又は高温閾値と一致するように磁気熱量効果を示すために温度を調整するステップを含むことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
本発明の全ての態様を組み込んだ実施形態を、添付の図面を参照した単なる例として以下に説明する。
【００１９】
【図１ａ】送電線の氷結の影響の例を示す。
【図１ｂ】送電線の氷結の影響の例を示す。
【図２】極度の温度での垂下の影響を示す。
【図３】磁気熱量効果の基本的な加熱／冷却サイクルの原理を示す。
【図４】温度自己制御型送電線導体のＡＣ磁場下での磁気熱サイクル加熱／冷却の原理の説明図である。
【図５】ＴＣの調整及びＬａ０．７Ｃａ０．３ＭｎＯ３の磁気熱量効果値を示す。
【図５ａ】Ｃａ、Ｓｒ、及びＡｇをドープしたサンプル（例えば、Ｌａ０．７Ｃａ０．３ＭｎＯ３（ＳＭ１）、Ｌａ０．７Ｃａ０．２７Ｓｒ０．０３ＭｎＯ３（ＳＭ２）、Ｌａ０．７Ｃａ０．２５Ｓｒ０．０５ＭｎＯ３（ＳＭ３）、Ｌａ０．７Ｃａ０．２３Ｓｒ０．０７ＭｎＯ３（ＳＭ４）、Ｌａ０．７Ｃａ０．２１Ｓｒ０．０６Ａｇ０．０３ＭｎＯ３（ＳＭ５）、Ｌａ０．７Ｃａ０．２Ｓｒ０．１ＭｎＯ３（ＳＭ６））におけるＴｃ。
【図５ｂ】異なる磁場間隔に対する温度の関数としての試料ＳＭ２の磁気エントロピー変化（−ΔＳｍ）。
【図５ｃ】磁場冷却時の選択された試料ｘ＝０〜０．５の（Ｍｎ１−ｘＮｉｘ）３Ｓｎ２材料に対する磁化の温度依存性。これはＴＣ調整を示す。
【図５ｄ】磁場変化ΔＴが５Ｔまでの（Ｍｎ１−ｘＮｉｘ）３Ｓｎ２材料のｘ＝０及び１．０の試料に対する−ΔＳｍの温度依存性。
【図６】本発明の一実施形態に係る電力導体を製造するプロセスを示す。
【図７】磁場Ｈ０及びＨ１（Ｈ１＞Ｈ０）における全エントロピーを示す強磁性固体のＳ−Ｔ線図である。
【図８】Ｌａ０．７Ｃａ０．２６４Ｓｒ０．０５６ＭｎＯ３（ＳＭ７）、Ｌａ０．７Ｃａ０．２６４Ｓｒ０．０５６Ａｇ０．０３ＭｎＯ３（ＳＭ８）、Ｌａ０．７Ｃａ０．２５４Ｓｒ０．０４６ＭｎＯ３（ＳＭ９）、Ｌａ０．７Ｃａ０．２５４Ｓｒ０．０４６Ａｇ０．０３ＭｎＯ３（ＳＭ１０）の試料に対する、１００Ｏｅにおける磁化の温度依存性を示す。
【図９ａ】Ｌａ０．７Ｃａ０．３ＭｎＯ３試料のいくつかの温度での印加磁場の関数としての磁化を示す：（ａ）Ｌａ０．７Ｃａ０．２７Ｓｒ０．０３ＭｎＯ３（ＳＭ２）
【図９ｂ】（ｂ）Ｌａ０．７Ｃａ０．２３Ｓｒ０．０７ＭｎＯ３（ＳＭ４）
【図９ｃ】（ｃ）ｘ＝０．７Ｌａ０．７（Ｃａ１−ｘＡｇｘ）０．３ＭｎＯ３試料。
【図９ｄ】（ｄ）ｘ＝であるＬａ０．７（Ｃａ１−ｘＡｇｘ）０．３ＭｎＯ３試料。
【図１０】ゼロ及び１．５Ｔの磁場に対するＬａ０．７Ｃａ０．３ＭｎＯ３試料の熱容量の温度依存性を示す。
【図１１ａ】Ｈ＝０．０５Ｔ及び０．１Ｔの印加磁場におけるＬａ０．７Ｃａ０．２３Ｓｒ０．０７ＭｎＯ３（ＳＭ４）の磁気エントロピー変化の温度依存性を示す。
【図１１ｂ】Ｈ＝１Ｔ及び２Ｔの印加磁場におけるＬａ０．７Ｃａ０．２３Ｓｒ０．０７ＭｎＯ３（ＳＭ４）の磁気エントロピー変化の温度依存性を示す。
【図１１ｃ】ｘ＝０．７での異なる磁場間隔に対する温度の関数としてのＬａ０．７（Ｃａ１−ｘＡｇｘ）０．３ＭｎＯ３の磁気エントロピー変化を示す。
【図１１ｄ】ｘ＝１での異なる磁場間隔に対する温度の関数としてのＬａ０．７（Ｃａ１−ｘＡｇｘ）０．３ＭｎＯ３の磁気エントロピー変化を示す。
【図１２】０から１、２、５Ｔへの磁場変化に対する試料の断熱温度変化の温度依存性を示す。
【図１３】２つの異なる粒径を有するＬａ０．７Ｃａ０．２５４Ｓｒ０．０４６ＭｎＯ３（ＳＭ９）の試料に対して、１００Ｏｅでの印加磁場における磁化の温度依存性の比較を示す。
【図１４ａ】５０μｍ超の粒径を有するＬａ０．７Ｃａ０．２５４Ｓｒ０．０４６ＭｎＯ３（ＳＭ９）の試料の形態を示す。
【図１４ｂ】２５８±６ｎｍの粒径を有するＬａ０．７Ｃａ０．２５４Ｓｒ０．０４６ＭｎＯ３（ＳＭ９）の試料の形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
磁気熱量材料は、変化する磁場の存在下で磁気熱力学現象を示すことが判明した材料のタイプであり、この現象は磁気熱量効果（ＭＣＥ）と呼ばれる。
【００２１】
磁気熱量効果（ＭＣＥ）は、磁気熱力学的現象であり、それによって、（磁気熱量特性を有する）材料の温度を、変化する磁場を印加することによって操作することができる。例えば、磁気熱量材料の一実施形態では、磁気熱量材料の温度は、磁場の印加に応答して、磁区の無秩序状態から秩序状態への変化（磁化）によって生じる熱によって増加する。磁場が除去されると、温度が低下し、磁区が秩序状態から無秩序状態に変わること（消磁）によって材料は熱を吸収する。
【００２２】
本発明は、送電線の温度を調節するための磁気熱量効果の応用である。送電線導体束に磁気熱量材料を組み込むことによって、高電圧の交流送電により生成される変化する磁場は、送電線の動作温度を調節する磁気熱量効果（例えば、磁気熱量効果に氷結を低減させる熱を発生させる磁気熱量材料への変化磁場の効果）を引き起こすことができ、逆に、磁気熱量材料は、極度の周囲熱の場合に送電線を冷却する磁気熱量効果を有することができる。
【００２３】
送電線の温度を調整する方法は、高電力交流電力送電によって生成される変化する磁場に応答して磁気熱量効果を示す磁気熱量材料を送電線に組み込むことを含む。磁気熱量材料は、高危険条件が発生する傾向がある周囲温度範囲内で所望の温度調節効果を示すように選択することができる。例えば、磁気熱量材料は、典型的な氷結温度で送電線を加温するように動作するように選択されてもよく、あるいはまた、磁気熱量材料は、極度の熱条件で冷却効果を有するように選択されてもよい。２以上の組成の磁気熱量材料を使用して、１つの送電線によって冷却効果と加熱効果の両方を発揮させてもよい。
【００２４】
本発明の一実施形態は、送電線導体束を提供し、導体束は、高電圧の交流電力を伝送するように構成された少なくとも１つの電気導体と、電気導体に物理的支持を提供するために電気導体と束ねられた少なくとも１つの強化構造体と、電気導体及び強化構造体の束に含まれる少なくとも１つの磁気熱量構造体とを含む。磁気熱量構造体は、少なくとも１つの導体を介して高電圧交流電力を伝送することによって生成される変化する磁場に応答して、送電線導体の動作温度を調整するための磁気熱量効果を示すように構成される。
【００２５】
磁気熱量効果（ＭＣＥ）は、送電線導体の動作温度を調整して、動作温度を、氷結が発生する範囲を上回る、高温閾値未満、又は目標動作範囲内に維持するように動作することができる。
【００２６】
磁気熱量材料の磁気秩序温度は、ドーピング濃度に基づいて動作温度範囲内で磁気秩序転移を示すように調整することができる。更なる一次磁気相転移磁気熱量材料は、自己加熱／冷却効果を最大にするために磁気相転移潜熱を加えることによって、加熱性能を高めるために選択することができる。
【００２７】
本発明の有利な実施形態は、磁気熱量効果及び材料の加熱／冷却サイクルの熱力学的効率を高めることによって自動気候制御された送電線のための磁気熱技術の応用を提供し、こうして冬季の氷結防止や夏期の垂下防止のために、所望の範囲内（例えば、２℃〜８０℃）に動作を維持するように動作温度を安定化させる。動作温度範囲は、想定される気候条件に従って設計することができる。例えば、いくつかの地域では、氷結は懸念されないかもしれないが、過熱は可能性があり、高温（必要ならば、例えば、４０℃〜１００℃の間）での冷却磁気熱量効果のみ必要とされ、この冷却機能は垂下を減らし、高温動作により引き起こされる送電の非効率性を潜在的に低減するように機能する。典型的には、例えば、送電線への日照の影響や線路抵抗に起因する熱のため、送電線の動作温度は周囲の空気温度よりも高くなるだろう。従って、周囲温度が約３０℃〜４０℃の高温範囲にあるとしても、送電線は追加の発熱要因（例えば、太陽光）のために、過熱条件（例えば、８０℃を超える）を経験する可能性がある。茂みの火災などの事象では、周囲温度は１５０℃を超えることがある。したがって、周囲温度及び動作温度の広い範囲での冷却温度調節を考慮することが有利である。
【００２８】
あるいはまた、除氷は、特に重要である可能性があり、磁気熱量効果は、５℃〜−５０℃の範囲の周囲温度に対して、０℃〜５℃の間に送電線の動作温度を維持するために望ましい。
【００２９】
動作温度を目標範囲内に維持するように磁気熱量効果を達成するために、熱力学的ポテンシャルエネルギー及び磁気熱量材料の一次相転移の動的処理が特に注目される。これには、結晶学的／磁気的相転移、磁化過程における磁気熱挙動、平衡及び非平衡過程、磁気秩序、可逆的及び不可逆的パラメータ、格子歪み、及び異方性効果の最適化が含まれる。これは、特に高電圧交流送電によって生成される交番電磁場（ＡＣ磁場）条件に応答して、磁気熱量材料における一次相転移の熱力学的サイクル効率を高めることができる。
【００３０】
一実施形態では、電力線導体は、導電性材料を有する複合磁気熱量材料を使用して構成される。一実施形態では、これは、得られる電力線の機械的特性に対する影響を最小限に抑えて、電気導体及び強化ワイヤと束ねることができる磁気熱量材料を組み込んだワイヤを製造するための（以下に更に詳述する）パウダーインチューブ技術を用いて達成される。パウダーインチューブ技術の使用は、この用途において、磁気材料又は磁気熱量材料の困難な成形上の問題を回避する。更に、本発明の実施形態は、磁気熱量効果を最大にするために、磁気熱量材料の様々な配合による様々な導体設計が、導体の自己磁場の最大利用のためにこれらを配置することを可能にする。
【００３１】
（磁気熱量効果の基礎）
加熱及び冷却プロセスを使用する温度制御は、工業的用途において一般的である。従来の蒸気サイクル熱伝達は、工業的用途において最も一般的な技術である。この技術では、大量の冷媒ガスを非常に小さな容積に圧縮することによって加熱を実現することができる。圧縮の効果は、大きなエントロピーを有する無秩序状態から小さなエントロピーを有する秩序状態に系を移動させ、こうして熱を放出する。圧縮ガスが膨張を許容されると、系は冷却のための熱を吸収する。気相サイクル熱伝達と同様に、磁気熱量効果熱伝達は、無秩序状態と秩序状態との間で変化する系に応答したエントロピーの変化に基づく。しかしながら、蒸気サイクル機構とは異なり、磁気熱量効果は、印加磁場を利用して、加熱のために無秩序状態から秩序状態に、冷却のために秩序状態から無秩序状態に磁区を整列させる。
【００３２】
図３は、磁気熱量冷凍機の例を用いて、磁気熱量効果の基本的な加熱／冷却サイクルの原理を示す。最初に（３１０）、系は、電磁場を印加することなく、周囲温度で無秩序状態にある。電磁場を印加すること（３２０）に応答して、系は、無秩序状態から秩序状態に移行し（３３０）、等温プロセスで磁気熱量材料から環境に熱を放出させる（３４０）系内のエントロピーを減少させ、周囲領域に熱を放出する（３５０）。電磁場がオフにされる（３６０）と、系は断熱プロセスで系内のエントロピーを増加させて無秩序状態に戻り（３７０）、これによって系内の熱負荷から（図３の例では、熱負荷として作用する冷凍庫から）熱が吸収される（３８０）。
【００３３】
磁気熱量効果サイクルでは、印加された電磁場の増加に伴い、磁気エントロピーが減少し、等温プロセスにおいて熱が磁気熱量材料から環境に放出される。印加磁場が減少すると、磁気エントロピーが増加し、断熱過程で熱が系から磁気熱量材料に吸収される。
【００３４】
等温プロセスは、一定温度で行われるプロセスであり、それにより一定温度を維持するためには、熱を放出又は外部環境から獲得しなければならない。断熱的なプロセスとは、系がエネルギーを失うことも獲得することなく、系内で起こるプロセスである。
【００３５】
磁気熱量技術は、現在広く使用されている蒸気サイクル熱伝達技術に取って代わる新たなエネルギー効率的で環境に優しい技術であると考えられてきたが、その使用は現在、冷却用途（例えば、天然ガス及び水素液化装置、大規模ビル空調装置、冷凍／冷凍食品加工工場、スーパーマーケットチラー、及び高温超伝導電気装置クライオクーラー）に限定されている。
【００３６】
冷凍用途を考えると、磁性材料の磁気エントロピー密度が冷媒ガスの磁気エントロピー密度よりもはるかに大きいので、磁気熱システムはコンパクトにすることができる。磁気熱用の磁場は、電磁石によって提供することができる。したがって、可動部品、大きな回転速度、機械的振動、騒音、悪い安定性、及び短い作動寿命を有するコンプレッサーは必要ない。冷凍機の磁気熱交換器部品は可動部品を有さないことが可能であることを理解されたい。磁気熱サイクルの効率は、カルノーサイクルの３０〜６０％に達することができ、一方、蒸気圧縮冷凍の効率は、カルノーサイクルのわずか５〜１０％である。本発明の実施形態は、例えば、氷結及び／又は過熱を防止するために、送電線の動作温度を調整するための磁気熱量効果を利用するために、磁気熱システムを送電線に組み込むための磁気熱システムのこれらの特性を利用する。
【００３７】
冷媒の用途では、磁区を整列及び非整列させる交番磁場（ＡＣ磁場）は通常、交番電力に外部から電力を供給することによって電磁石によって生成される。しかしながら、本発明の応用例では、交番電流を運ぶ送電線内に交流電磁場が存在する。このように、送電線に組み込まれた磁気熱システムは、追加の電力供給又は外部から印加される磁場を必要とするのではなく、ＡＣ送電によって生成される磁場を利用する。従って、他の先行技術の除氷技術と比較して、送電線内の温度制御に対して磁気熱量効果を用いることによるエネルギー損失は非常に限られている。
【００３８】
いくつかの材料は、比較的大きな磁気熱量効果を示すことが示されており、これらの効果は、「巨大（ｇｉａｎｔ）」又は「巨大（ｃｏｌｏｓｓａｌ）」磁気熱量効果とも呼ばれ、「大（ｌａｒｇｅ）」、「巨大（ｇｉａｎｔ）」及び「巨大（ｃｏｌｏｓｓａｌ）」という用語は、いくつかの文脈で大きな磁気熱量効果の異なる範囲を示すために使用される。用語「巨大」が本明細書を通して使用されているが、「大（ｌａｒｇｅ）」又は「巨大（ｃｏｌｏｓｓａｌ）」も互換的に使用することができる。この効果は温度依存性であり、材料の格子構造の構造エントロピー、特に一次相転移材料の磁気秩序温度に関連する材料の固有特性である。
【００３９】
本発明の実施形態は、送電線の設置のためのターゲット環境内の氷結温度付近の磁気オーダー温度を有する磁気熱量効果材料（いくつかの実施形態では、巨大磁気熱量効果材料と呼ばれるもの）を使用する。例えば、いくつかの環境では約２℃未満の温度から氷結が発生する可能性があるため、したがって送電線の表面に氷が形成されないように最低動作温度を２℃以上に制御する送電線を設計することが望ましい。氷結温度以下での磁気熱量効果サイクルにおけるより効率的な加熱処理は、一次相転移材料の磁気熱量効果を有する材料内で生じる。そのようなプロセスは、交番する電磁場（ＡＣ場）によって引き起こされる磁気ヒステリシス及び磁気緩和損失の加熱を利用する。
【００４０】
あるいはまた、過熱された送電線を高温で冷却するために、大きな磁気熱量効果材料（例えば、８０℃の過熱温度付近の転移温度（ＴＮ）を有する反強磁性磁気熱量材料）が選択される。これらの材料は、ＴＮより高い温度で熱を吸収し始める。したがって、エネルギー損失はなく、磁気熱量効果はＴＮ未満の温度では機能しない。
【００４１】
加熱及び冷却の両方の特性を示す磁気熱量材料又は複合材料の組み合わせを利用して製造された同一の送電線内で、加熱及び冷却の二重機能もまた実現することができる。例えば、導体束に含まれる異なるワイヤ内に２つの異なる種類の磁気熱量材料を使用することによって、又は束内の同一のワイヤ内に２つの異なる種類の磁気熱量材料を組み込むことによって、実現することができる。
【００４２】
加熱及び冷却のための磁気熱量効果の効率は、材料の性能に依存する。本発明の送電線に適用するために、磁気エントロピー（ΔＳｍ）の大きな値を有する有利な磁気熱量材料が開発されている。磁気熱量材料の組成の更なる操作は、磁気オーダー温度の調整を可能にし、開発された材料システムにおける磁気熱量効果を高めることができる。
【００４３】
（磁気熱量効果の評価）
材料の磁気熱量性能を評価することができる３つの測定方法がある。
（１）等温磁化法：異なる温度（Ｔ）で異なる磁場（Ｂ）の下での磁化（Ｍ）を測定し、マクスウェル方程式を通して、磁気エントロピー変化（ΔＳｍ）を計算する。
（２）イソ磁場熱容量測定法：異なる温度及び磁場（Ｂ）での熱容量（ＣＢ）を測定し、マックスウェル方程式を通して、磁気エントロピー変化（ΔＳｈ）を計算する。
（３）断熱温度変化（ΔＴａｄ）の直接測定。
【００４４】
（現在の磁気熱量材料の開発）
一次相転移中のエントロピーの変化は、磁気熱量効果の基本原理である。最近の磁気熱量材料の進歩により、ＭｎＡｓ（静圧下）及びＭｎ１−ｘＦｅｘＡｓ（周囲圧力下）のエントロピー変化が理論値よりも遥かに大きく、巨大磁気熱量効果を示すことが示されている。また、ＬａＦｅ１１．６Ｓｉ１．４、Ｌａ０．８Ｎｄ０．２Ｆｅ１１．５Ｓｉ１．５、及びＮｉ４３Ｍｎ４６Ｓｎ１１の一次相転移付近の磁気熱量効果を比較すると、ＬａＦｅ１１．６Ｓｉ１．４及びＬａ０．８Ｎｄ０．２Ｆｅ１１．５Ｓｉ１．５の材料では、測定したΔＳｍ＝ΔＳｈであり、一方、Ｎｉ４３Ｍｎ４６Ｓｎ１１の材料では、ΔＳｍ＞ΔＳｈである。これは、ΔＳｈが磁気熱量材料における一次相転移の実際のエントロピーを示すのに対し、ΔＳｍは二次相転移又は常磁性から強磁性への転移の測定にのみ適していることを示している。Ｌａ０．７Ｃａ０．３ＭｎＯ３材料の発明者らの研究は、常磁性から強磁性への一次相転移材料を扱ったので、測定されたΔＳｍ＝ΔＳｈの点を立証した。
【００４５】
冷却のために利用される磁気熱量効果への応用は、「逆磁気熱量効果」と呼ばれ、特に送電線に対して、加熱と冷却の熱サイクルプロセスが磁気熱量熱サイクルと反対の「逆磁気熱量効果」を示す巨大反強磁性磁気熱量材料が使用される。これらのタイプの材料はまれであり、送電線の冷却に潜在的に適していることが現在知られている材料は、
（１）Ｎｉ０．５０Ｍｎ０．５０−ｘＳｎｘ、Ｎｉ０．５０Ｍｎ０．５０−ｘＩｎｘ、Ｎｉ０．５０Ｍｎ０．５０−ｘＳｂｘなどの合金。
（２）ＺｎをドープしたＦｅ３Ｏ４など
（３）ＬａＣｒＯ３などを含む。
【００４６】
温度自己調整型送電線を開発するための課題は、磁気熱量材料が、典型的には、熱を分散させるために低い磁気熱変換効率及び低い熱伝導率を有することである。自己温度制御送電線を開発するためには、適切な磁気熱量材料の要件は、十分なＴＣ（キュリー温度）、加熱力ポテンシャル、及び大きな磁気熱量効果を示すことを含む。適切な材料は、影響因子を分析し、異なる一次相転移磁気熱量材料を用いて磁気熱量の効率を計算することによって特定することができる。
【００４７】
高機能な送電線の応用では、磁気熱量材料は、図４に示すように、印加されたＡＣ磁場の下で能動的非平衡磁気熱力学サイクルを行う。簡単に説明すると、低温条件では、磁気熱量効果は、巨大磁気熱量効果により、磁化の減少ΔＭ２に応答する温度ΔＴ２の減少よりも、磁化の増加ΔＭ１に応答する系のより大きな温度の増加ΔＴ１を引き起こす磁気熱量材料が選択される。更に、過熱範囲においては、磁気熱力学サイクルの増加よりも温度のより大きな低下を引き起こす特性を示す磁気熱量材料が選択される。
【００４８】
課題は、氷結範囲４４５及び／又は過熱範囲４５５内で、大きな磁気熱量効果を達成し、例えば、磁化の大きな変化ΔＭ４１０又は図４に示すようにΔＴ１−ΔＴ２  ４３０，４３５の値と直接関連している大きな差分値ΔＭ１−ΔＭ２  ４２０，４２５を達成するのと組み合わせて、氷結点４４０と過熱点４５０との間の範囲内で磁気熱量効果４６０無しで動作するように、送電線内の磁気熱量材料の転移温度を調整するために材料を選択して調整することである。加熱力及び冷却力のバランスをとるために、磁気熱量材料の効果的な合成を決定すること、及び送電線導体の設計を最適化することが望ましい。例えば、高ＡＣ磁場下での磁気熱量効果を最大限にするために、送電線の典型的な動作範囲（例えば、１０Ａ〜１００００Ａ又はそれ以上）に対する磁場内の材料の特性としての磁気熱量効果の効率を高めるために望ましい。
【００４９】
本発明者らは、送電線に適用するための（転移温度、ＭＣＥ効率、製造コストに依存する）適切な磁気熱量材料の選択を可能にする広範囲の磁気熱量材料を研究した。Ｔｃ調整と磁気熱量効果の証拠を図５に示す。
【００５０】
図５のグラフは、特に、材料特性を調整するためにドーピング技術を使用した、磁気熱量効果に関する材料特性の操作の例を示す。図５ａは、Ｃａ、Ｓｒ、及びＡｇドーピングを用いたＬａＭｎＯ３のドーピングが磁気相転移温度に及ぼす影響の結果を示す。これは、ドーピングを用いて磁気相転移温度をどのように調節することができるかを示す。提示された試験結果は、ＳＭ２とＳＭ４の化学量論比が原子比率である材料の約２℃での磁気転移を示し、送電線の防氷用途への適用にこれらの材料が適していることを示している。Ｃｏ及びＧｄがドープされたＬａＭｎＯ３材料についても、摂氏０度を超える転移温度が達成されている。図５（ｂ）は、異なる磁場間隔に対して温度の関数としてのＬａ０．７Ｃａ０．２３Ｓｒ０．０７ＭｎＯ３（ＳＭ４）の磁気エントロピー変化（−ΔＳｍ）を示す。本発明者らはまた、ＬａＭｎＯ３のバルク及び単結晶における磁気相転移及び磁気熱量特性に及ぼす異方性及び歪みの影響も調査した。（Ｍｎ１−ｘＮｉｘ）３Ｓｎ２材料に対して、図５（ｃ）はまた、磁場冷却時のｘ＝０〜０．５を有する選択された試料に対する磁化の温度依存性を示す、ＮｉドーピングによるＭｎ３Ｓｎ２の結果を示し、これはＴｃ調整を示す。図５（ｄ）は、磁場変化ΔＴが５Ｔまでの（Ｍｎ１−ｘＮｉｘ）３Ｓｎ２材料のｘ＝０及び１．０の試料に対する−ΔＳｍの温度依存性を示す。これらの結果は、磁気熱量効果を制御するために材料特性を調整する能力を実証し、それによって、ターゲット動作環境において予測可能な磁気熱量効果を示す磁気熱量材料を生成することを可能にする。
【００５１】
本発明者らはまた、ＭｎＣｏＧｅ系において、磁気相転移温度Ｔｍが結晶構造転移温度Ｔｓｔと等しくないことを見出した。本発明の実施形態は、磁気熱量効果を更に高めるために、Ｔｍ又はＴｓｔを互いにより近くに調節することによって、２つの転移温度を調整することにアプローチする。Ｌａ（ＦｅＳｉ）１３に対するＬａ、Ｆｅ、又はＳｉ部位へのＢ、Ｈ、Ｇｄ、及びＣｕの格子間ドーピング及び置換は、Ｌａ（ＦｅＳｉ）１３のヒステリシス損失を有意に減少させることが示されている。これらの発見は、自動気候制御された送電線の適用のための新しい磁気熱量材料を開発するための基本的原則への洞察を提供する。
【００５２】
最適化された材料系における磁気熱効果の顕著な改善を伴う材料への調査は、ここで高度な磁気熱量材料の研究の重要な側面となっている。新しい材料における磁気熱現象の理解は、良好な磁気特性を効率的な熱力学的サイクルに組み込み、磁気熱性能を改善する手段を提供することができる。このような改善は、一次相転移材料の磁気熱効率を評価することによって達成することができた。自動気候制御可能な送電線の応用のための磁気熱効果の将来の進展は、主に材料の進歩によって推進される。
【００５３】
磁気熱量材料を利用することにより、送電線の自動気候制御を実現するために、設定温度での加熱及び冷却の機能を有することができる複合材料の設計及び開発が可能になる。このアプローチは、送電線の防氷及び垂下防止（冷却）機能を可能にすることができる。これは、現在の従来技術を用いて効率的に達成することはできない。
【００５４】
（自動気候制御送電線の製作）
本発明の一態様は、パウダーインチューブ技術を用いて、金属被覆（例えば、アルミニウム被覆された）磁気熱量材料コア又はマルチフィラメントコアを有するワイヤの製造である。例えば、このようなワイヤは、自動気候制御のためのメインコンポーネントとして作用するために、送電線の導体束の最外層内又は内部で使用されてもよい。製造プロセスの一例が図６に示されており、最初に電気導体が設計され、導体設計は、既知の技術（例えば、導電性コアワイヤの周囲に強化ワイヤを束ねるアルミニウム導体鋼強化（ＡＣＳＲ）及び全アルミニウム合金導体（ＡＡＡＣ）技術、強化構造体が導体コア（例えば、炭素及びガラス繊維のコア）であり、電力を運ぶためのワイヤが支持コアの周りに束ねられているＡＣＣＲ及びＡＣＣＣなどの複合コア導体）に基づいていることが想定される。
【００５５】
これらの設計技術のそれぞれは、磁気熱量材料を組み込んだ構成要素を含むように変更することができる。磁気熱量材料を送電線に組み込む好ましい方法は、１以上の電気導体及び支持構造体に束ねられることができる磁気熱量材料を組み込んだワイヤを製造するためのパウダーインチューブ技術を使用することである。
【００５６】
送電線用の磁気熱量材料は、以下に更に詳細に説明する技術を使用して選択され、オプションで調整することができる。次に、送電線導体内の磁気熱量構造体の配置が設計される。特に、導体束内の磁気熱量構造体の位置は、磁気熱量構造体の位置が、束内の導体を介した交流送電によって生成される交流磁場と確実に一致するように選択することができる。更に、磁気熱量構造体の位置の選択は、磁気熱量構造体と束内の他の要素との間の等温熱伝達を最大にするために、束内の要素（導電体及び強化構造体）の熱伝達特性によって影響されることができる。製造プロセスの一例を図６に示し、導電体束構造体を設計するステップをステップ６１０として示す。
【００５７】
パウダーインチューブ技術を用いる送電線製造プロセスの一例は、一次相転移材料の製造から始まり、その例は、合金（例えば、ＲＭｎＯ及びＺｎをドープしたＦｅ３Ｏ４化合物）を含む。合金は元素インゴットで作製することができ、一方、ＲＭｎＯ３及びＺｎをドープしたＦｅ３Ｏ４は固相反応によって合成される。材料を処理して粉末を生成することができる（図６のステップ６２０）。その後、調製したままの加熱材料（例えば、（Ｍｎ１−ｘＮｉｘ）３Ｓｎ２、ＲＭｎＯ３）または冷却材料（ＺｎをドープしたＦｅ３Ｏ４）がアルミニウムチューブ内に充填され、封入される（６３０）。一例では、以下の寸法を有するアルミニウムチューブ（純度＞９９．６％）を使用してワイヤを製作した：外径８ｍｍ、内径４ｍｍ。パウダーインチューブ法を使用することにより、アルミニウムチューブは、（例えば、１２％の変形率で）一組の延伸ダイを通して複数の延伸ステップと合間のアニーリング処理（例えば、２回のパス毎に３７５°で１０〜３０分間、延伸されたままの材料をアニールした）を使用して細いワイヤ６４０に引き伸ばされる（６４０）。次いで、ワイヤは、従来のワイヤ組み立てプロセス６５０を使用して束ねられて、送電線導体束６６０を形成する。例えば、これは、図６に模式的に示すように、アルミニウムクラッドセラミックスコアを有する１キロメートルの長さのワイヤを製造することができる。試験例は、長さ２．０ｍのアルミニウムチューブを用いて、直径３．０７ｍｍ、長さ１３５８ｍｍのアルミニウムクラッドセラミックス（磁気熱量材料）のコアワイヤ１２本を製造した。これらの磁気熱量ワイヤを発熱体として用いて、５４０Ａの電流による除氷試験のための７本の鋼製コアワイヤ（補強材）を備えた５４本のアルミニウムワイヤからなるケーブルの最外殻にある１２本のアルミニウムワイヤを交換した。
【００５８】
送電線内で加熱と冷却の２つの機能を実現できる２つのアプローチがある。第１のアプローチは、所望の加熱及び冷却特性を有する材料の組み合わせを含む磁気熱量材料を調製し、この組み合わせ材料を磁気熱量構造体に使用することである。例えば、ＲＭｎＯ３とＺｎをドープしたＦｅ３Ｏ４との混合物をアルミニウムチューブに入れて、複合送電線を製造する。第２のアプローチは、冷却及び加熱のために別々の磁気熱量構造体を準備し、両方のタイプの構造体を導体束内に含めることである。例えば、ＲＭｎＯ３／ＡｌワイヤとＺｎをドープしたＦｅ３Ｏ４ワイヤを純アルミニウムワイヤの束内に混合して送電線を形成する。第１のアプローチでは、製造コストはより低いが、ＲＭｎＯ３とＺｎをドープしたＦｅ３Ｏ４との間の抵抗率と熱膨張係数の差が、第２のアプローチと比較して送電線の温度調整性能を低下させる可能性がある。
【００５９】
製造された送電線における比熱交換の磁場及び温度依存性は、実験室又は試験環境における性能を確認するために、−５０℃〜１５０℃の温度アレンジで試験することができる。例えば、冷凍庫とオーブンを使用して、送電線導体の防氷及び垂下の能力を試験する。垂下防止実験では、ワイヤの中央部に錘を掛けて加熱中のワイヤに引っ張り力として作用させることができる。実験データは、送電線導体の工業生産を通知し、最適化するために使用することができる。
【００６０】
上述したように、ターゲット動作温度範囲のみにおいて磁気熱量効果を示す磁気熱量組成物の選択及び開発は、温度自己調整型送電線の効率にとって有利である。発明者らは、材料を最適化するために、磁気熱量結晶のサイズ、欠陥、ドーパント、及び加工技術を磁気熱変換効率及び動作温度と相関させる重要な研究を行った。これにより、送電線の氷結防止及び垂下防止（冷却）用途の材料の完全な可能性及び基本的な限界の評価が可能になる。磁気熱量エントロピーの既存の測定システムを調べることによって磁気熱量効果を評価する方法論も開発されている。これは、磁気熱量効果の応用における基礎研究の重要な問題に対処し、磁気熱変換効率を大幅に改善するための指針を提供する普遍的な測定基準を確立する。
【００６１】
（磁気熱量効果の現象の理解、その可能性と限界の評価）
実験手順による磁気熱量効果：一般的に、潜熱交換は、磁気熱量材料の磁気相転移温度で非常に大きい。磁気熱量効果は、温度が相転移温度から逸脱すると減少する。この場合、磁気熱量効果の大きさは、分子場近似計算と実験測定の両方で決定することができる。磁気エントロピー変化（ΔＴａｄ）の直接的な磁気熱量測定は、試料に熱接触したセンサによる従来の方法を用いて行うことができる。間接的な測定は、等温磁化と磁場依存熱容量の実験データを使用して、マクスウェル関係を用いた計算によって実施することができる。
【００６２】
ΔＳｍ、ΔＳｈ、及びΔＴａｄなどの測定方法にかかわらず、磁気熱量材料の理論磁気エントロピー変化（ΔＳｔｈｅｏｒｙ）を比較すると、すべてが二次相転移磁気熱量材料のΔＳｔｈｅｏｒｙよりも小さく、一次相転移巨大磁気熱量材料の場合でさえ小さい。
【００６３】
（外圧及び内部ドーピング化学圧力下での）５巨大磁気熱量材料において、測定された磁気エントロピーのΔＳｍは、理論磁気エントロピーのΔＳｔｈｅｏｒｙより大きく、ΔＳｍ＞ΔＳｔｈｅｏｒｙである。しかしながら、ΔＳｈとΔＴａｄの他の方法論で測定された巨大磁気熱量材料の磁気エントロピー変化の結果は、まだ利用可能ではない。したがって、自動気候制御可能な送電線の適用のための磁気熱量材料を開発する前に、巨大ＭＣＥ材料のΔＳｍ、ΔＳｈ、及びΔＴａｄによって測定された磁気エントロピー変化を評価し、比較することが不可欠である。事実、各方法には自然な限界があり、それゆえ２つの問題がある。すなわち、（１）一次相転移材料の実際の磁気熱量効果をいかに特定し、分析するか。（２）磁気熱力学サイクルにおける一次相転移材料の磁気熱量効果をいかに十分に利用するか。
【００６４】
遍在する磁性材料を取り扱う場合、格子と電子の寄与の磁場独立性に関する仮定は、電子−フォノン相互作用が非常に小さい場合にのみ有効である。しかしながら、電子及び格子項の磁場独立性は、通常、すべての材料について実際に採用される。遵って、モルエントロピー変化の上限は、磁気寄与によって与えられることもまた、通常受け入れられている。つまり、ΔＳｔｈｅｏｒｙ＝ΔＳｍａｘＭ＝Ｒｌｎ（２Ｊ＋１）。ここで、Ｒは気体定数であり、Ｊは磁気イオンの全角度モーメントである。系のエントロピー変化が転移の潜熱によって支配される場合、系が一次転移を受けるときにＪを超えることができる。実際の磁気熱量効果を決定するための普遍的な評価システムを確立するためには、磁気状態のタイプ、磁気及び熱ヒステリシス、異方性及び格子歪み、熱力学的及び動的プロセスなどからの寄与を物理的に考慮する必要がある。以下の材料の特性を通してそれらの寄与を明らかにすることができる。
【００６５】
（材料特性）
磁気特性、熱容量、及び熱伝導率を含む熱物性は、物理的及び磁気的特性測定システム（ＰＰＭＳ及びＭＰＭＳ）及び振動試料磁力計（ＶＳＭ）などの広範囲の機器によって測定することができる。特に、磁気熱量材料の一次相転移における温度の関数としての熱容量の磁場依存性は、１４テスラＰＰＭＳシステムに取り付けられた熱容量プローブを用いて測定することができる。示差走査熱量測定（ＤＳＣ）及びレーザーフラッシュ分析を用いて、周囲環境における磁気熱量材料の比熱及び熱拡散率を測定することもできる。Ｘ線回折（ＸＲＤ）、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＸ）、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）、及び高分解能ＴＥＭ（ＨＲＴＥＭ）を用いて、調製された材料の結晶構造及び組成を特徴付けることができる。
【００６６】
（磁気熱量材料の物理的特性のサイズ依存性）
相転移温度（ＰＴ）、磁化（Ｍ）、磁気エントロピー変化及び熱／冷却サイクルの電力容量を含む磁気熱量材料の物理的特性及び性能は、磁気熱量粉末の粒子及び粒子サイズに大きく依存する。本発明者らは、特に、ナノスケール寸法の粒子において、粒子サイズが減少するにつれてＰＴが減少することを示した。ΔＳＭのピーク値も粒子サイズとともに減少するが、ピーク温度範囲は広がる。したがって、加熱／冷却の電力容量は増加する。自動気候制御された送電線に磁気熱量効果を適用するためには、大きな電力容量を有する、より高いＰＴを有する必要がある。これは、磁気熱量材料の最適化を困難にし、この材料系のサイズに依存する物理的性質を理解することが不可欠である。例えば、迅速ゾル沈殿技術を使用して、様々なサイズの磁気熱量粉末の高品質かつ大量の収量を生成することができる。あるいはまた、ボールミル粉砕を使用して、酸化物材料を超微粒子に物理的に分割することができる。サイズは、粉砕時間を操作することによって制御することができる。材料の物理的特性を測定することによって、磁気熱量効果に対するサイズ効果のロードマップを確立して、所望の設定温度で大きな電力容量を有する材料を最適化することができる。
【００６７】
粒子サイズはまた、延伸プロセス中の粒子の流動特性に影響を与える。粗い粒子（例えば、手で粉砕された材料）は、悪い流動特性を示す。これは、ワイヤ製造時に問題（例えば、ワイヤの延伸時にワイヤが容易に破損する）を引き起こす可能性がある。しかしながら、このような製造上の問題は、より良好な流動特性を示す微粉を使用することによって著しく改善され得る。一例では、タングステンカーバイド粉砕媒体を有するＲＥＴＳＣＨ（登録商標）遊星ボールミルＰＭ４００システムを用いて磁気熱量材料を調製し、３００ｒｐｍの速度で２時間粉砕した。この例では、材料は、手で粉砕して生成した５０μｍより大きい平均粒子サイズを最初に有し、ボールミル粉砕を用いて粒子サイズを約２５８ｎｍに減少させた。本発明者らの試験によれば、この技術を用いて加工された材料の一次磁気相転移温度（ＴＣ）は、図１３に示すように、マイクロメートルスケールでその対応するものから変化しなかったことが示された。図１３は、平均粒子サイズが＞５０ｕｍ及び２５８．８±６．００ｎｍであるＬａ０．７Ｃａ０．２５４Ｓｒ０．０４６Ａｇ０．０３ＭｎＯ３（ＳＭ１０）の試料に対する１００Ｏｅにおける磁化の温度依存性を示している。図１３は、相転移温度１３３０が両方の試料について同じであることを示しており、一方は＞５０μｍの平均粒子サイズ１３１０を有し、他方は２５８．８±６．０ｎｍの粒子サイズ１３２０をそれぞれ有する。
【００６８】
（温度調節型送電線用組成物の最適化）
一次相転移の場合、反強磁性から強磁性への磁気転移は熱放出をもたらし、その逆はまた熱吸収を引き起こす。本発明者らは、除氷及び防氷のための設定温度での加熱効果を実証した。執筆時点では、８０℃の設定温度で冷却するための材料の開発が進められている。ＺｎをドープしたＦｅ３Ｏ４は、温度上昇に伴う反強磁性から強磁性への一次相転移を示す。これらの材料では、非磁性のＺｎ２＋が磁性のＦｅ２＋を置換するために使用される。スピネル構造では、磁気モーメントの方向はＦｅ３＋の方向とは反対である。これらの２つのイオンの同様の半径（Ｚｎ２＋  −０．０７４ｎｍ及びＦｅ２＋  −０．０７７ｎｍ）は、ドーピングプロセスをより容易に実現する。より高いレベルのＺｎドーピングは、より高い反強磁性及びより高い転移温度をもたらすが、ある程度の磁歪を誘発して磁区の回転を妨げる。
【００６９】
設定温度での冷却効果を実現するためには、Ｚｎのドーピングレベルを増やすことにより、反強磁性／強磁性転移温度を高くすることができる。しかしながら、磁気熱効率に対するその影響を最小にするために、磁歪を低減することが望ましい。磁気熱量特性のＺｎドーピングレベル依存性を調べて、材料を最適化することができる。磁気熱量材料の物理的性質はＺｎドーピングレベルと相関させることができ、送電線の垂下防止の用途に対してこの材料系の性能を最適化することができる。
【００７０】
新材料の開発は引き続きこの技術の開発の主要部分であることが明らかであり、これは、保守及び交換コストを大幅に削減するなど、国家グリッドにおける従来の送電線を漸進的に改善し、並びに技術要員の厳しい作業状態及び安全性のみならず、大電力の節約及び自動温度制御の実現などの新しい機能ももたらすことが予想されている。本発明の実施形態は、極度の気象事象の間に、電力損失の危険性又は電力伝達インフラへの致命的な損傷を低減する可能性を提供する。経済的な利点に加えて、電力損失のリスクを低減することはまた、重大な健康及び安全の利点を有し、例えば、極度の気象事象の間に、（加熱又は冷却の損失を引き起こし、病院の操作性を制限する）電力の損失に起因する死亡又は疾病のリスクを低減する。
【００７１】
付録１：基礎となる技術と磁気熱量効果の概要
（ギブス自由エネルギー）
所与の量の特定の材料から所与の初期状態で、プロセスの終了時などを除いて、その全体積を増加させることなく、又は外部物体との間で熱を通過させることなく得ることができる最大の機械的仕事量は、それらの初期状態に委ねられている。技術的には、ギブス自由エネルギーは、閉じた系から抽出できる非膨張仕事の最大量であり、この最大値は、完全に可逆的なプロセスでのみ達成することができる。
【００７２】
系の熱力学的特性は、系のギブス自由エネルギー又は自由エンタルピーによって完全に決定される。ここで考察する系は、圧力ｐの下の温度Ｔで磁場Ｂの磁性材料からなる。この系のギブス自由エネルギーＧは、次式で与えられる。
【数１】
2019512145.tif 000003
【００７３】
ここで、Ｕは系の内部エネルギーであり、Ｓは系のエントロピーであり、Ｍは磁性材料の磁化である。材料の体積Ｖ、磁化Ｍ、及びエントロピーＳは、以下のようにギブス自由エネルギーの一次導関数によって与えられる。
【数２】
2019512145.tif 000004
【００７４】
材料の比熱は、温度に対するギブス自由エネルギーの二次導関数によって与えられる。
【数３】
2019512145.tif 000005
【００７５】
定義上、ギブス自由エネルギーの一次導関数が相転移時に不連続である場合、相転移は一次である。したがって、磁性材料の体積、磁化、及びエントロピーは、一次相転移において不連続である。ギブス自由エネルギーの一次導関数が相転移において連続的であるが二次導関数が不連続である場合、相転移は二次である。
【００７６】
（磁気エントロピー）
エントロピーはエネルギーの自発的な分散（ある特定の温度で、どれくらいのエネルギーがプロセス内に広がっているか、又はどれくらい広くそれが広がっているか）を評価する。それはまた、系がより高い組織の状態から最も低い組織の状態に分子レベルで移行する傾向についても説明する。物理学において、エントロピーは、熱力学の第２法則に関連して、より大きなポテンシャルエネルギーからより小さなポテンシャルエネルギーへの変化の数学的測定値である。
【００７７】
磁気が局所的な磁気モーメントに起因する磁性材料の全エントロピーは、次式で表される。
【数４】
2019512145.tif 000006
【００７８】
ここで、Ｓｌは格子サブシステムのエントロピーを表し、Ｓｅは伝導電子サブシステムのエントロピーであり、ＳＭは磁気エントロピー、すなわち磁気モーメントのサブシステムのエントロピーである。遍歴電子磁気を示す磁性固体では、３ｄ電子（３ｄ電子軌道を指す）が遍歴電子磁気を生じさせ、伝導にも参加するため、全エントロピーに対するこれらの３つの寄与の分離は、一般的に単純ではない。格子エントロピーの分離は、電子−フォノン相互作用が考慮されていない場合にのみ可能である。
【００７９】
エントロピーは状態関数であるので、閉じた系の全エントロピーの完全微分は、次式で与えられる。
【数５】
2019512145.tif 000007
【００８０】
これらの３つの寄与のうち、磁気エントロピーは強磁場依存性であり、電子エントロピー及び格子エントロピーは磁場依存性がはるかに小さい。
【００８１】
したがって、等圧等温（ｄｐ＝０；ｄＴ＝０）プロセスでは、全エントロピーの微分は、次式で与えることができる。
【数６】
2019512145.tif 000008
【００８２】
初期磁場Ｂｉから最終磁場Ｂｆへの磁場変化の場合、数式（６）の積分が、全エントロピー変化に対して行われる。
【数７】
2019512145.tif 000009
【００８３】
ここで、ΔＢ＝  Ｂｆ−Ｂｉである。これは、磁場変化ΔＢに応答する磁性材料の等温−等圧全エントロピー変化が、等温−等圧磁気エントロピー変化によっても示されることを意味する。
【００８４】
磁気エントロピー変化は、マックスウェルの関係を介して、バルク磁化、磁場、及び温度に関連する。
【数８】
2019512145.tif 000010
【００８５】
積分を行う。
【数９】
2019512145.tif 000011
【００８６】
一方、熱力学の第２法則によると、以下のようになる。
【数１０】
2019512145.tif 000012
【００８７】
積分を行う。
【数１１】
2019512145.tif 000013
【００８８】
構成エントロピーがない場合、エントロピーはＴ＝０Ｋでゼロになるので、Ｓ０の値は通常ゼロになるように選択される。したがって、磁場変化ΔＢに応答したエントロピー変化は、次式で与えられる。
【数１２】
2019512145.tif 000014
【００８９】
ここで、ｃｐ（Ｔ’，Ｂｆ）及びｃｐ（Ｔ’，Ｂｉ）は、一定圧力ｐ及びそれぞれ磁場Ｂｆ及びＢｉにおける比熱を表す。
【００９０】
（比熱測定からの磁気熱量効果の決定）
比熱測定は、ある材料の熱影響を決定する最も正確な方法である。磁性材料の全エントロピー変化は、数式（１２）を用いることにより、比熱から求めることができる。数式（７）によると、このエントロピー変化は等圧等温過程の磁気エントロピー変化に等しい。これは、数式（１２）を用いることにより、比熱測定の磁場依存性から磁気エントロピー変化もまた得ることができることを意味する。
【００９１】
異なる磁性材料における断熱温度変化の絶対値の決定は、かなり複雑な作業である。数式（６）、（８）、（１０）を組み合わせて、断熱定圧過程に対する微小断熱温度変化は、以下のようになる。
【数１３】
2019512145.tif 000015
【００９２】
式（３．１４）の積分により、ＢｉからＢｆへの磁場変化に対する断熱温度変化は、
以下のようになる。
【数１４】
2019512145.tif 000016
【００９３】
Ｄｅｂｙｅ温度より上では、固体の格子比熱は、Ｄｕｌｏｎｇ−Ｐｅｔｉｅ限界の３Ｒに近づく。したがって、より高い温度では、比熱は温度に弱くしか依存しないと考えられ、温度によるＴ／ｃｐ（Ｔ，Ｂ）の変化が温度による磁化の変化に比べて遅い場合、数式（１５）を簡略化すると、以下のようになる。
【数１５】
2019512145.tif 000017
【００９４】
明らかに、小さな温度変化で（ｄＭ｜ｄＴ）Ｂ，ｐが大きく、ｃｐ（Ｔ，Ｂ）が小さいとき、磁気熱量効果は大きい。（ｄＭ｜ｄＴ）Ｂ，ｐは磁気秩序温度付近でピークを持つため、磁気相転移温度近傍で大きな磁気熱量効果が期待される。
【００９５】
磁化、比熱、又は組み合わせた磁化及び比熱データからの磁気熱量効果の決定は、磁気冷媒材料の磁気熱量特性を特徴付けるために使用することができる。磁化データは、磁気エントロピー変化ΔＳＭ（Ｔ，ΔＢ）を提供する。一定の磁場における比熱は、磁気エントロピー変化ΔＳＭ（Ｔ，ΔＢ）及び断熱温度変化ΔＴａｄ（Ｔ，ΔＢ）の両方を提供する。
【００９６】
図７は、強磁性固体のＳ−Ｔ（エントロピー−温度）図であり、磁場ＨＩ及びＨＦ（ＨＦ＞ＨＩ）における全エントロピーを示す。この図はまた、磁気秩序温度（キュリー温度ＴＣ）７３０の近傍のΔＴａｄ７１０又はΔＳＭ７２０によって表される磁気熱量効果を示す。垂直矢印７２０は、等温磁気エントロピー変化ΔＳＭを示し、水平矢印７１０は、断熱温度変化ΔＴａｄを示す。
【００９７】
付録ＩＩ．材料の例
（磁気測定）
図８〜図１１は、磁気熱量材料の磁気測定の異なる態様を示す。
【００９８】
図８は、磁化（Ｍ）と温度（Ｔ）との間の関係の一例を示しており、Ｌａ０．７Ｃａ０．２６４Ｓｒ０．０５６ＭｎＯ３（ＳＭ７）、Ｌａ０．７Ｃａ０．２６４Ｓｒ０．０５６Ａｇ０．０３ＭｎＯ３（ＳＭ８）、Ｌａ０．７Ｃａ０．２５４Ｓｒ０．０４６ＭｎＯ３（ＳＭ９）、Ｌａ０．７Ｃａ０．２５４Ｓｒ０．０４６Ａｇ０．０３ＭｎＯ３（ＳＷＭ１０）に対する１００Ｏｅでの磁化の温度依存性を示している。
【００９９】
図９は、Ｌａ０．７Ｃａ０．３ＭｎＯ３ベースの材料のいくつかの温度での磁化進展（Ｍ）対磁性印加場（Ｈ）を示し、（ａ）Ｌａ０．７Ｃａ０．２７Ｓｒ０．０３ＭｎＯ３（ＳＭ２）、（ｂ）Ｌａ０．７Ｃａ０．２３Ｓｒ０．０７ＭｎＯ３（ＳＭ４）、及びＬａ０．７（Ｃａ１−ｘＡｇｘ）０．３ＭｎＯ３ベースの材料であって、（ｃ）ｘ＝０．７、（ｄ）ｘ＝１である。
【０１００】
熱容量（Ｃｐ−Ｔ）は、図１０に示されており、０及び１．５Ｔの磁場に対するＬａ０．７Ｃｏ０．３ＭｎＯ３試料の熱容量の温度依存性を示す。
【０１０１】
図１１は、（ａ）Ｈ＝０．０５Ｔ及び０．１Ｔ、（ｂ）Ｈ＝１Ｔ及び２Ｔの磁場内でのＬａ０．７Ｃａ０．２３Ｓｒ０．０７ＭｎＯ３（ＳＭ４）の磁気エントロピー変化を示し、Ｌａ０．７（Ｃａ１−ｘＡｇｘ）０．３ＭｎＯ３ベースの材料であって、（ｃ）ｘ＝０．７及び（ｄ）ｘ＝１の試料を異なる磁場間隔に対する温度の関数として示す。
【０１０２】
２３０〜２７５Ｋの温度範囲におけるＬａ０．７Ｃａ０．３ＭｎＯ３の断熱温度変化（ΔＴａｄ）を図１２に示す。推定されたΔＴａｄ値は、２．０２，２．６９，３．６２Ｋであり、磁場変化は、０からそれぞれ１、２、５Ｔである。
【０１０３】
これらの実験結果は、以下を実証している。
（１）開発された材料は巨大磁気熱量効果を有する。
（２）所望の動作温度範囲内にとどまるように動作温度を調整するための送電線への適用に適するように、これらの材料の磁気転移温度を調整する能力。
（３）これらの材料の磁気熱量効果（ΔＳＭ及びΔＴａｄ）が大きく、送電線の防氷／除氷に有効な加熱挙動を示す。
（４）天候適応型送電線の適用のために新しい巨大磁気熱量材料を更に評価するためのいくつかの磁気測定方法論。
【０１０４】
本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく多くの変更がなされ得ることは、本発明の当業者には理解されるであろう。
【０１０５】
以下の特許請求の範囲及び本発明の先の説明において、文脈が明示的な説明又は必要な示唆のためにそうでないことを要求する場合を除いて、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」又はその変形後（例えば、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」又は「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」）は、包括的な意味で使用され、すなわち、記載された構成の存在を特定するが、本発明の様々な実施形態における更なる構成の存在又は追加を排除するものではない。
【０１０６】
従来技術の刊行物が本明細書で参照されている場合、そのような参考文献は、刊行物が、オーストラリア又は他の国において、当該技術分野における共通の一般的な知識の一部を形成することを認めるものではないことを理解されたい。
【図１ａ】
2019512145.tif 000018
【図１ｂ】
2019512145.tif 000019
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図５ｃ】
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【図５ｄ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図９ｃ】
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【図９ｄ】
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【図１０】
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【図１１ａ】
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【図１１ｂ】
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【図１１ｃ】
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【図１１ｄ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４ａ】
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【図１４ｂ】
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【国際調査報告】
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