(57)【要約】  障害電流制限器は、入力ノード、出力ノード（１１）、出力ノード（１２）、入力ノードと出力ノードとの間に接続された可変インピーダンス素子（１３）及びマルチサイクル冷蔵システムを備え、マルチサイクル冷蔵システムは、可変インピーダンス素子を冷却するための第１冷却サイクル（３０、４４）と、第１冷却剤を冷却するために第１冷却サイクルと熱的に結合された第２冷却サイクル（３２、４６）とを備え、可変インピーダンス素子はマグネシウム・ジボライドからなる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力ノード（１１）、出力ノード（１２）、及び、前記入力ノード（１１）と前記出力ノード（１２）との間に接続された可変インピーダンス素子（１３）を備えた障害電流制限器（１０）であって、
前記可変インピーダンス素子（１３）を冷却するための第１冷却部（４８）と、前記第１冷却部（４８）を冷却するために前記第１冷却部（４８）に熱的に結合された第２冷却部（４９）とを備えたマルチサイクル冷蔵システム（１４）を具備し、前記可変インピーダンス素子（１３）が２０Ｋ〜６０Ｋの範囲の転移温度を持つ超伝導材料である
ことを特徴とする障害電流制限器。
【請求項２】
前記可変インピーダンス素子（１３）がホウ化物をベースとする金属超伝導材料からなることを特徴とする、請求項１に記載の障害電流制限器（１０）。
【請求項３】
前記可変インピーダンス素子（１３）がマグネシウム・ジボライドから作られることを特徴とする、請求項２に記載の障害電流制限器（１０）。
【請求項４】
前記第１冷却部（４８）が、前記可変インピーダンス素子（１３）が浸される第１冷却剤を備える、請求項１〜３のうちにいずれか一つに記載の障害電流制限器（１０）。
【請求項５】
前記第１冷却剤が５Ｋ〜７６Ｋの温度範囲にあることを特徴とする、請求項４に記載の障害電流制限器（１０）。
【請求項６】
前記第１冷却剤が液体ネオンであることを特徴とする、請求項５に記載の障害電流制限器（１０）。
【請求項７】
前記入力ノード（１１）に与えられた電流が閾値を越えたとき、前記可変インピーダンス素子（１３）の電流密度が転移電流密度を超え、且つ、前記可変インピーダンス素子（１３）が低インピーダンスの超伝導状態から高インピーダンスの通常状態へ切り換わるように、前記可変インピーダンス素子（１３）が構成されていることを特徴とする、請求項１〜６のうちのいずれか一つに記載の障害電流制限器（１０）。
【請求項８】
前記遷移電流密度が２７Ｋにおいて１０３〜１０６Ａ／ｃｍ２の範囲にあることを特徴とする、請求項７に記載の障害電流制限器（１０）。
【請求項９】
前記可変インピーダンス素子（１３）における磁束密度が転移磁束密度を越えたとき、前記可変インピーダンス素子（１３）が低インピーダンスの超伝導状態から高インピーダンスの通常状態へ切り換わるように、前記可変インピーダンス素子（１３）が構成されることを特徴とする、請求項１〜８のうちのいずれか一つに記載の障害電流制限器。
【請求項１０】
少なくとも１つの高温超伝導接続体（４２、４３）を第１の可変インピーダンス素子（１３）に直列に接続することを特徴とする、請求項１〜９のうちのいずれか一つに記載の障害電流制限器（１０）。
【請求項１１】
第１の高温超伝導接続体（４２）及び第２の高温超伝導接続体（４３）が前記障害電流制限器において前記可変インピーダンス素子に接続されることを特徴とする、請求項１０に記載の障害電流制限器。
【請求項１２】
前記高温超伝導体接続体（４２、４３）が前記第２冷却部（４９）における冷却剤に浸されることを特徴とする、請求項１０又は１１に記載の障害電流制限器（１０）。
【請求項１３】
前記第２冷却部（４９）における前記冷却剤が液体窒素である、請求項１〜１２のうちのいずれか一つに記載の障害電流制限器。
【請求項１４】
前記可変インピーダンス素子（１３）に並列に抵抗（１７）を接続したことを特徴とする、請求項１〜１３のうちのいずれか一つに記載の障害電流制限器（１０）。
【請求項１５】
前記抵抗（１７）を前記マルチサイクル冷蔵システム（１４）の外部に配置し、前記可変インピーダンス素子（１３）を前記マルチサイクル冷蔵システム（１４）の内部に配置することを特徴とする、請求項１４に記載の障害電流制限器。
【請求項１６】
前記可変インピーダンス素子（１３）が抵抗性の形状に配置されることを特徴とする、請求項１〜１５のうちのいずれか一つに記載の障害電流制限器（１０）。
【請求項１７】
前記可変インピーダンス素子（１３）が誘導性の形状に配置されることを特徴とする、請求項１〜１６のうちのいずれか一つに記載の障害電流制限器（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明の実施の形態は傷害電流制限器（ＦＣＬ）に関し、特に、電気分配網のためのＦＣＬに関する。
電気分配網は電流を発生源から負荷へ伝送するために使用される。こうした分配網において電気的な傷害が発生すると、負荷に損傷を生じ得る大電流が発生する。傷害が発生すると、障害電流制限器はインピーダンスを変え、電流を低減する。
【０００２】
超伝導材料は低インピーダンスの超伝導状態と高インピーダンスの通常状態とを有するので、障害電流制限器において可変インピーダンス素子として用いることができる。通常の動作状態の下では、超伝導素子はほぼゼロのインピーダンスを持つので、ＦＣＬにおいて電圧降下は生じない。傷害が発生して大電流が流れ始めると、超伝導素子はその超伝導状態から通常状態へ切り換わり、分配網にインピーダンスを導入する。その結果、ＦＣＬにおいて大きな電圧降下が生じる。
【０００３】
低温超伝導体（ＬＴＳ）は２３．２Ｋよりも低い転移温度を有する。転移温度（Ｔｃ）は、それより低い温度で材料が超伝導を行う温度である。材料が超伝導するのは、印加される磁界と電流密度と温度との全部が、材料の種類に依存する閾値よりも低いときである。ＬＴＳをその転移温度（Ｔｃ）よりも低く冷却するために液体ヘリウムを使用しなければならないが、液体ヘリウムは極めて高価であり、効率のよい冷却剤ではない。このため、ＦＣＬで使うとき、ＬＴＳは高価になる。
【０００４】
セラミックをベースとする高温超伝導（ＨＴＳ）材料が１９８０年代に開発された。ＨＴＳ材料は液体窒素の使用によって達成可能な温度（７７Ｋ）で超伝導することができる。液体窒素は液体ヘリウムよりもほぼ２０倍ほど冷却効率がよく、１０倍安価である。しかし、ＨＴＳ材料は機械的に弱くて壊れやすい性質のために製造が困難である。
【０００５】
したがって、冷却剤として液体窒素を使用することができ且つＨＴＳ材料よりも大きな機械的強度を有する超伝導障害電流制限器を提供することが望ましい。
本発明によると、入力ノード、出力ノード、これら入力ノードと出力ノードとの間に接続された可変インピーダンス素子、及びマルチサイクル冷蔵システムを具備する障害電流制限器が提供され、該障害電流制限器は、可変インピーダンス素子を冷却するための第１冷却部と、第１冷却部を冷却するために第１冷却部に熱的に結合された第２冷却部とを備えており、可変インピーダンス素子は２０Ｋ〜６０Ｋの範囲の転移温度を持つ超伝導材料で構成される。
【０００６】
ＦＣＬの可変インピーダンス素子は、入力ノードでの電流が閾値を越えるとき、超伝導状態から通常状態へ切り換わるよう構成される。超伝導状態においては、ＦＣＬでの電圧降下は最小である。通常状態では、ＦＣＬでの電圧降下は大きく、出力ノードによって提供される電流は制限される。
【０００７】
可変インピーダンス素子はマグネシウム・ジボライドのようなホウ化物をベースとする金属超伝導体からなることが好ましい。
マグネシウム・ジボライドの使用により、幾つかの利点が提供される。マグネシウム・ジボライドは製造が容易であり、容易に大量処理することができる。また、種々の物理的形状に形成することができる。これにより、ＦＣＬに設計上の柔軟性が与えられる。マグネシウム・ジボライド材料は任意の合理的な形状に容易に製造することができるので、ＦＣＬの設計を任意の所与の用途に対して最適化することができる。また、製造プロセスは高温超伝導体（ＨＴＳ）材料のサンプルが一貫性に欠けるのに対して、信頼性が高く均一で反復可能なサンプルをもたらす。さらに、原材料（粉状）のコストと処理コストとに関して、ＭｇＢ２材料のコストはＨＴＳ材料のコストよりもかなり低いし、低く維持される傾向にある。ＭｇＢ２はＨＴＳ材料のほぼ２０倍の熱伝導度を持つ。これにより、超伝導体を急速且つ均一に冷却することができ、機械的及び熱的衝撃による損傷を受けることがなくなる。電気供給網での傷害に起因する電流の増加は大きく、典型的には数１００アンペアから数１０００アンペアであるが、ＭｇＢ２は傷害時に電磁気的に発生する極めて大きな力に耐えるだけの機械的強度を有する。
【０００８】
可変インピーダンス素子は５Ｋ〜７６Ｋの温度範囲を持つ第１冷却剤に浸される。例えば、第１冷却剤は液体ネオンであり、第２冷却剤は液体窒素であってよい。ＦＣＬのこの設計は、冷却剤として液体ヘリウムの代わりに液体ネオンを用いる。液体ネオンは液体ヘリウムの約４０倍の比熱容量を有する。
【０００９】
マグネシウム・ジボライドで構成された可変インピーダンス素子の消滅時間は迅速である。消滅時間は、超伝導材料が超伝導状態から通常状態へ移るのに要する時間である。この迅速な消滅時間は特別の利点を提供する。可変インピーダンス素子は電力網に負荷を課すよう迅速に切り換わる。これによって、電力網から供給される負荷が損傷される可能性が低減される。加えて、可変インピーダンス素子の抵抗加熱が低減されるので、冷却が少なくて済む。
【００１０】
可変インピーダンス素子は分岐抵抗に並列に電気的に接続される。可変インピーダンス素子内の電流が閾値を越えると、可変インピーダンス素子は低インピーダンスの超伝導状態から高インピーダンスの通常状態へ切り換わるので、電流は分岐抵抗を流れるようになる。分岐抵抗はその熱エネルギーを環境へ移す。
【００１１】
閾値電流は、超伝導素子の転移電流密度を越えることになる電流である。代わりに、電流が閾値電流を越えるときに、印加される磁界が転移磁界を超えるように、超伝導素子を構成してもよい。
【００１２】
転移電流密度は液体ネオン温度（２７Ｋ）及び自己電磁界（self-field）において１０３〜１０６Ａ／ｃｍ２の範囲にある。転移電流密度は超伝導材料の質の関数である。電流密度の上限は高いので、可変インピーダンス素子を小さくすることができる。これは、スペース要件が重要である用途において有益である。こうした用途の一つは電気的海洋推進システムである。こうしたシステムにおいては、スペースが限られる故にＦＣＬが小さいことが望ましい。
【００１３】
本発明の理解を一層深めるために、単なる例として添付図面を参照する。
図は、入力ノード１１、出力ノード１２、これら入力ノード１１と出力ノード１２との間に接続された可変インピーダンス素子１３、及び、マルチサイクル冷蔵システム１４を具備する障害電流制限器１０を示しており、冷蔵システム１４は、可変インピーダンス素子１３を冷却する（１８）第１冷却剤サイクル３０と、この第１冷却剤サイクル３０に熱的に結合されていて第１冷却剤４４を冷却するための第２冷却剤サイクル３２とを有しており、可変インピーダンス素子１３はマグネシウム・ジボライドからなる。
【００１４】
より詳細には、図１は、電流Ｉが閾値を越えたときに、負荷へ提供される電流Ｉ（１５）を制限するための障害電流制限器１０の概略回路図である。障害電流制限器１０は可変インピーダンス素子１３と入力ノード１１と出力ノード１２とマルチサイクル冷蔵システム１４と分路抵抗１７とを備えている。可変インピーダンス素子１３は入力ノード１１と出力ノード１２との間に電気的に接続される。抵抗１７は入力ノード１１と出力ノード１２との間に且つ可変インピーダンス素子１３と並列に電気的に接続される。負荷１６は出力ノード１２に電気的に接続される。可変インピーダンス素子１３はマルチサイクル冷蔵システム１４に熱的に結合される（１８）。熱は可変インピーダンス素子１３からマルチサイクル冷蔵システム１４へ移される。
【００１５】
通常の動作時においては、電流Ｉが傷害のための閾値を越えなかったとき、可変インピーダンス素子１３は超伝導体として動作し、有効にゼロのインピーダンスを持つ。抵抗１７は大きな一定の抵抗値を有する。したがって、（典型的には数百アンペアの）電流Ｉは入力ノード１１から可変インピーダンス素子１３を通して出力ノード１２へ流れ、負荷１６に提供される。入力ノード１１と出力ノード１２との間で降下する電圧は最小である。
【００１６】
傷害が発生すると、入力ノード１１での電流Ｉは（典型的には数千アンペアの）閾値よりも大きくなり、可変インピーダンス素子１３は低インピーダンスの超伝導状態から高インピーダンスの通常状態へ切り換わる。熱エネルギが可変インピーダンス素子１３からマルチサイクル冷蔵システム１４へ移され（１８）、熱的衝撃によって傷害が可変インピーダンス素子１３に生じる可能性を低減する。可変インピーダンス素子１３がその低インピーダンスの超伝導状態から高インピーダンスの通常状態へ切り換わると、電流Ｉは抵抗１７を通って流れるように切り換えられる。電流によって抵抗１７に発生した熱エネルギは環境へ移される。したがって、傷害が発生すると、障害電流制限器１０は（ほぼゼロの）低インピーダンスを持つ状態から抵抗１７の抵抗値と同じ又はそれに近い高インピーダンスを持つ状態へ変わる。抵抗１７は、回路に流れる電流を全負荷電流（負荷の最大動作電流）の３倍以下に制限するように選択されるのがよい。
【００１７】
傷害時には可変インピーダンス素子１３がＦＣＬ１０のインピーダンスを提供するのではなく、抵抗１７が提供し、熱エネルギは環境へ移される。可変インピーダンス素子１３の消滅時間は短い。これにより、可変インピーダンス素子１３はその低インピーダンスの超伝導状態から高インピーダンスの通常状態へ迅速に切り換わることができる。
【００１８】
図１の障害電流制限器は可変インピーダンス素子１３と負荷１６への電流路に接続された抵抗１７との並列接続を有する。代替の実施の形態においては、入力ノード１１と出力ノード１２との間の電流路に一次インダクタを接続し、並列に接続された可変インピーダンス素子１３と抵抗１７とは、一次インダクタに磁気的に結合された二次インダクタに直列に接続される。一次インダクタを通る電流が増すと、二次インダクタに誘導される電流が上昇する。この二次電流によって可変インピーダンス素子の状態を切り換え、一次インダクタを流れる電流を制限する。
【００１９】
図２は、可変インピーダンス素子１３からの熱が環境３７へ移動されるようにマルチサイクル冷蔵システム１４に熱的に結合された可変インピーダンス素子１３を示している。マルチサイクル冷蔵システム１４は第１冷却剤サイクル３０、第２冷却剤サイクル３２、第１熱結合３４及び第２熱結合３８を有する。第１冷却剤サイクル３０は第１冷却剤を循環させ、第１熱結合３４によって第２冷却剤サイクル３２から物理的に分離されている。第２冷却剤サイクル３２は第２冷却剤を循環させ、第２熱結合３８によって環境３７から物理的に分離されている。第１冷却剤サイクル３０と第２冷却剤サイクル３２とは閉サイクルであって、環境３７に対して開いていない。
【００２０】
熱エネルギは可変インピーダンス素子１３から第１冷却剤サイクル３０へ移動される（１８）。次いで、熱エネルギは第１冷却剤サイクル３０から第２冷却剤サイクル３２へ第１熱結合３４を介して移動される。最後に、熱エネルギは第２冷却剤サイクル３２から環境３７へ第２熱結合３８を介して移動される（３６）。熱エネルギの結果的な移動は矢印３９によって示される。こうして、熱エネルギは可変インピーダンス素子１３から環境３７へ、閉じた冷却剤サイクルを介して移動される。図では２つの閉じたサイクルの使用を示しているが、直列に接続された３つ以上の閉じたサイクルを用いることができる。
【００２１】
図３は、入力ノード１１と出力ノード１２と可変インピーダンス素子１３とマルチサイクル冷蔵システム１４とを備えた障害電流制限器１０を示している。可変インピーダンス素子１３は入力ノード１１と出力ノード１２との間に接続され、マルチサイクル冷蔵システム１４は、可変インピーダンス素子１３を冷却するための第１冷却剤４４と、第１冷却剤４４を冷却するための第２冷却剤４６とを備える。可変インピーダンス素子１３は、転移温度が２０Ｋから６０Ｋの範囲内にある超伝導材料からなり、第２冷却剤４６は液体窒素である。これにより、可変インピーダンス素子１３の電気的インピーダンスは、入力ノード１１に与えられる電流１５が閾値を越えると変化し、可変インピーダンス素子１３を超伝導状態から通常状態へ転移させる。
【００２２】
より詳細には、図３において、障害電流制限器１０は入力ノード１１、出力ノード１２、可変インピーダンス素子１３、固定抵抗１７、第１接続部４２、第２接続部４３及びマルチサイクル冷蔵システム１４を備える。マルチサイクル冷蔵システム１４は、第１冷却剤４４を内蔵した第１の閉じた収容部４８と、第２冷却剤４６のバスに浸された第１の閉じた収容部を内蔵した第２の閉じた収容部４９と、熱交換部４１とを備える。
【００２３】
第１接続部４２は可変インピーダンス素子の一端を入力ノード１１に電気的に接続し、第２接続部４３は可変インピーダンス素子の他端を出力ノード１２に接続する。抵抗１７は、第１接続部４２と可変インピーダンス素子１３と第２接続部４３との直列の組み合わせに平行に、且つ、入力ノード１１と出力ノード１２との間に接続される。
【００２４】
可変インピーダンス素子１３は第１の閉じた収容部４９内の第１冷却剤４４に浸される。可変インピーダンス素子１３は第１接続部４２及び第２接続部４３に第１収容部の壁において物理的に接続される。第１接続部４２及び第２接続部４３は、第２冷却剤４６を通過してから第２の閉じた収容部４９の壁を通って外に現れ、抵抗１７の対向端に電気的に接続される。こうして、可変インピーダンス素子１３は第１冷却剤１３に完全に浸され、抵抗１７はマルチサイクル冷蔵システム１４の外部にある。
【００２５】
第１冷却剤４４は、熱交換器４１内の第１熱結合３４（図示せず）によって第２冷却剤４６から物理的に分離されており、第１冷却剤サイクル３０を形成するよう対流によって移動する。第２冷却剤は、熱交換器４１内の第２熱結合３８（図示せず）によって環境３７から物理的に分離されており、第２冷却剤サイクル３２を形成するよう対流によって移動する。熱交換器は熱エネルギを第１冷却剤サイクル３０から第２冷却剤サイクル３２へ、次いで環境３７へ移動させる。第２の閉じた収容部４９はクリオスタットであり、第１の閉じた収容部４８はガラス容器である。
【００２６】
好ましい実施の形態においては、上記可変インピーダンス素子はマグネシウム・ジボライド超伝導素子である。マグネシウム・ジボライド（ＭｇＢ２）は製造が容易であり、任意の量だけ任意の形態で生産することができる。また、ＨＴＳに比べて熱的及び機械的な衝撃に対して感受性が低い。ＭｇＢ２のＴｃは約３０Ｋである。第１冷却剤は液体ネオン（〜２７Ｋ）であり、第２冷却剤は液体窒素（〜７７Ｋ）である。転移電流密度（Ｊｃ）は液体ネオン温度（２７Ｋ）及び自己電磁界において１０３〜１０６Ａ／ｃｍ２の範囲にある。
【００２７】
第２冷却剤を通過する第１接続部及び第２接続部の部分は高温超伝導体（ＨＴＳ）から形成され得る。ＨＴＳは低い熱伝導度を持つが、超伝導状態においては高い電気伝導度を有する。したがって、接続体の部分としてＨＴＳを使用することにより、第１冷却剤４４の冷却に必要な作業を低減することができるので、障害電流制限器１０を小型化することができる。可変インピーダンス素子１３が、高温超伝導体接続部４２、４３の状態を切り換えることのない電流閾値において、低インピーダンスの超伝導状態から高インピーダンスの通常状態へ切り換えられるように、ＨＴＳの接続部は構成される。
【００２８】
可変インピーダンス素子の断面積及び超伝導材料の転移電流密度は、可変インピーダンス素子が低インピーダンス状態から高インピーダンス状態へ切り換わる閾値電流を決定する。つまり、異なる電面積の可変インピーダンス素子１３は異なる閾値電流に対して使用される。可変インピーダンス素子１３の長さは、高インピーダンス状態でのインピーダンスが抵抗１７よりも遙かに大きいように選択される。これにより、第１冷却剤４４の抵抗加熱が最小になる。図３の蛇行した又は折り返し型の形状は、こうした電流切り換え型可変インピーダンス素子に好適である。
【００２９】
マグネシウム・ジボライドは種々の形態を持ち、消滅伝搬が導体の長さ方向又は交叉方向に生じるようになされるので、極めて多様な消滅時間を作ることができる。図３の蛇行した又は折り返し型の形状により、熱的には近接するが電気的には離間した超伝導可変インピーダンス素子の各部分は複数の消滅開始点をトリガーすることができることになる。
【００３０】
代替の実施の形態においては、可変インピーダンス素子は、該可変インピーダンス素子を流れる電流が増すにつれて増大する磁界を受けるように構成され得る。増大する磁界自体を用いて、又は、増大する磁界と増大する電流との組み合わせを用いて、可変インピーダンス素子１３を低インピーダンス状態から高インピーダンス状態へ切り換えることができる。例えば、可変インピーダンス素子はソレノイドとして構成され得る。
【００３１】
Ｊｃに対して磁束密度が持つ影響は、材料製造手順及び添加物に依存する（自己電磁界から０．３Ｔへの磁束密度の増加は些細であり、Ｊｃを５０分の１まで低減する）。
ＭｇＢ２材料は任意の合理的な形状に容易に製造することができるので、ＦＣＬ設計を任意の所与の用途に対して適正化することができる。また、製造プロセスは、高温超伝導体（ＨＴＳ）材料のサンプルが一貫性に欠けるのに対して、信頼性の高い均一で反復可能なサンプルをもたらす。更に、原材料（粉状）のコスト及び処理コストの面において、ＭｇＢ２のコストはＨＴＳ材料のコストよりもかなり低く、低い状態を維持する傾向にある。
【００３２】
これまでのパラグラフで本発明の実施の形態を種々の例を参照しながら記述してきたが、理解されるように、与えられた例に対する修正は、特許請求された範囲から逸脱することなく可能である。例えば、マルチサイクル冷蔵システム１４は、第１冷却サイクル３０と第２冷却サイクル３２との間に置かれる１つ以上の中間冷却サイクルを持つことができる。加えて、可変インピーダンス素子１３の超伝導素子として、ＭｇＢ２を必ずしも使用しなくてよい。転移温度、電流密度、磁束密度及び冷却時間に対して同じ特性であれば、他の超伝導材料も適している。ホウ化物をベースとする材料、すなわち、非超伝導状態において従来の実質的な金属結合及び電気伝導度を持つ金属超伝導体として記述される超伝導材料も使用に適している。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の一つの実施の形態に係る障害電流制限器の概略的な回路図を示す図である。
【図２】マルチサイクル冷蔵システムを介して可変インピーダンス素子から環境へ移動する熱エネルギを概略的に示す図である。
【図３】本発明の一つの実施の形態に係る障害電流制限器を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
2007527682.tif 000005
2007527682.tif 000006
2007527682.tif 000007