(57)【要約】【課題】超電導複合材漏電制限システムを提供する。【解決手段】漏電制限システム。漏電制限構成要素は、１５Ｋでｎ値が少なくとも１５である超電導体金属マトリクス材料から製造される。【選択図】図１０【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷凍システムと、
第１及び第２のリードと、
極低温温度に維持されるように前記冷凍システムに熱的に接続され、かつ前記第１及び第２のリードの端部にそれぞれ接続した対向する端子を有し、少なくとも１５Ｋの温度でｎ値が少なくとも１５である超電導体材料から製造される漏電制限構成要素と、
を含むことを特徴とする漏電制限システム。
【請求項２】
前記超電導体材料は、複数の超電導体粒子と該超電導体粒子の近傍の金属とを含み、該超電導粒子によって超電導状態に駆動されて、前記第１のリードから前記第２のリードへの超電導経路を形成することを特徴とする請求項１に記載の漏電制限システム。
【請求項３】
前記超電導体粒子は、第ＩＩ種超電導体材料から製造され、前記金属は、第Ｉ種超電導体材料から製造されることを特徴とする請求項２に記載の漏電制限システム。
【請求項４】
前記超電導体粒子は、マグネシウムであり、前記金属は、ガリウムであることを特徴とする請求項３に記載の漏電制限システム。
【請求項５】
前記漏電制限構成要素は、蛇行超電導経路を形成することを特徴とする請求項１に記載の漏電制限システム。
【請求項６】
前記漏電制限構成要素には、蛇行超電導経路を形成する複数の交互スリットが形成されていることを特徴とする請求項５に記載の漏電制限システム。
【請求項７】
前記スリットは、３次元蛇行経路が形成されるような方法で形成されることを特徴とする請求項６に記載の漏電制限システム。
【請求項８】
前記ＦＣＬ構成要素は、各々に複数の交互スリットが形成された複数のプレートを含むことを特徴とする請求項７に記載の漏電制限システム。
【請求項９】
前記ＦＣＬ構成要素と並列に前記第１及び第２のリードの間に接続されたインピーダンスを有する分路を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の漏電制限システム。
【請求項１０】
前記冷凍システムは、前記第１及び第２のリードが延びて入る極低温筐体と、該極低温筐体内に位置する極低温流体と、該極低温流体を極低温温度に維持するために該極低温筐体に接続された冷凍モジュールとを含み、前記ＦＣＬ構成要素は、該極低温流体内に位置していることを特徴とする請求項１に記載の漏電制限システム。
【請求項１１】
第１の極低温流体が第２の極低温流体よりも温度が低い第１及び第２の極低温流体を含み、前記ＦＣＬ構成要素は、該第１の極低温流体に位置しており、前記第１及び第２のリードは、各々が高温超電導体区分及び金属区分を含む混成リードであり、該高温超電導体区分の下端は、該第１の極低温流体に位置しており、該高温超電導体区分の上端及び該金属区分の下端は、該第２の極低温流体に位置していることを特徴とする請求項１に記載の漏電制限システム。
【請求項１２】
冷凍システムと、
第１及び第２のリードと、
極低温温度に維持されるように前記冷凍システムに熱的に接続され、かつ前記第１及び第２のリードの端部にそれぞれ接続した対向する端子を有し、更に、複数の超電導体粒子と該超電導体粒子の近傍の金属とを含み、該超電導体粒子によって超電導状態に駆動されて該第１のリードから該第２のリードへの超電導経路を形成する漏電制限構成要素と、
を含むことを特徴とする漏電制限システム。
【請求項１３】
少なくとも１５Ｋの温度でｎ値が少なくとも１５である超電導体材料から製造されることを特徴とする漏電制限構成要素。
【請求項１４】
複数の超電導体粒子と該超電導体粒子の近傍の金属とを含み、該超電導体粒子によって超電導状態に駆動されて構成要素の対向する端子間に超電導経路を形成することを特徴とする漏電制限構成要素。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願への相互参照
本出願は、２００４年１０月２６日出願の米国特許仮出願第６０／６２２，４７６号、２００４年１１月１８日出願の米国特許仮出願第６０／６２９，０７９号、２００４年１２月１７日出願の米国特許仮出願第６０／６３７，１７６号、及び２００５年７月２９日出願の米国特許仮出願第６０／７０３，６６０号からの優先権を請求するものであり、これらの全ては、本明細書においてその全内容が引用により組み込まれている。
【０００２】
１）発明の分野
本発明は、超電導複合材漏電制限システムに関する。
【背景技術】
【０００３】
２）関連技術の説明
漏電制限器（ＦＣＬ）システムは、落雷、樹枝の倒壊、送電線の交差などの結果として発生する場合がある電力網における高電流サージ（すなわち、漏電）の振幅を低減する。超電導材料は、材料の抵抗が、臨界磁場よりも弱い磁場においてかつ臨界電流（ＩC）よりも弱い電流を搬送する場合に臨界温度（ＴC）よりも低い温度においてゼロであるために、原理的に理想的なＦＣＬである。電流制限用途では、超電導体は、ＩCよりも弱い電流に対してゼロ抵抗を有し、ＩCを超える電流では高い抵抗を有するようになる。超過配電網の電流に対する材料の抵抗の急激な上昇は、実質的に漏電を減衰させ、従って、高価な送電及び配電機器を損傷から保護する。
【０００４】
【特許文献１】米国特許仮出願第６０／６２２，４７６号
【特許文献２】米国特許仮出願第６０／６２９，０７９号
【特許文献３】米国特許仮出願第６０／６３７，１７６号
【特許文献４】米国特許仮出願第６０／７０３，６６０号
【特許文献５】米国特許第６，５８６，３７０号
【非特許文献１】Ｍ．Ｔｉｎｋｈａｍ著「超電導性序論」
【非特許文献２】Ｍ．Ｊ．Ｈｏｌｃｏｍｂ著「二ホウ化マグネシウム／金属複合ワイヤにおける超電流」、Ｐｈｙｓｉｃａ、Ｃ４２３、２００５年、１０３−１１８
【発明の開示】
【０００５】
本発明は、冷凍システムと、第１及び第２のリードと、極低温温度に維持されるように冷凍システムに熱的に接続され、かつ第１及び第２のリードの端部にそれぞれ接続した対向する端子を有するＦＣＬ構成要素とを含む漏電制限システムを提供する。
【０００６】
ＦＣＬ構成要素は、好ましくは、少なくとも１５Ｋの温度においてｎ値が少なくとも１５である超電導体材料から製造される。
【０００７】
ＦＣＬ構成要素は、好ましくは、少なくとも５００Ａの電流を搬送することができる。
【０００８】
ＦＣＬ構成要素は、好ましくは、超電導粒子によって超電導状態へと駆動されて第１のリードから第２のリードへの超電導経路を形成するように複数の超電導体粒子と超電導体粒子の近傍の金属とを含む超電導材料から製造される。
【０００９】
ＦＣＬ構成要素は、蛇行超電導経路を形成することができる。
【００１０】
ＦＣＬ構成要素には、好ましくは、蛇行超電導経路を形成するために複数の交互スリットが形成されている。
【００１１】
スリットは、３次元蛇行経路が定められるような方法で形成することができる。
【００１２】
ＦＣＬ構成要素は、各々に複数の交互スリットが形成された複数のプレートを有することができる。
【００１３】
ＦＣＬシステムは、ＦＣＬ構成要素と並列に第１及び第２のリードの間に接続されたインピーダンスを有する分路を更に含むことができる。
【００１４】
冷凍システムは、第１及び第２のリードが延びて入っている極低温筐体と、極低温筐体内に位置する極低温流体と、極低温流体を極低温温度に維持するために極低温筐体に接続した冷凍モジュールとを含むことができ、ＦＣＬ構成要素は、極低温流体内に位置している。
【００１５】
ＦＣＬシステムは、第１及び第２の極低温流体を含むことができ、第１の極低温流体は、第２の極低温流体よりも低い温度であり、ＦＣＬ構成要素は、第１の極低温流体に位置しており、第１及び第２のリードは、各々がＨＴＳ区分及び金属区分を含む混成リードであり、ＨＴＳ区分の下端は、第１の極低温流体に位置しており、ＨＴＳ区分の上端及び金属区分の下端は、第２の極低温流体に位置している。
【００１６】
本発明はまた、ＦＣＬ構成要素を提供する。ＦＣＬ構成要素は、少なくとも１５Ｋの温度においてｎ値が少なくとも１５である超電導体材料から作ることができる。ＦＣＬ構成要素は、超電導粒子によって超電導状態へと駆動されて超電導経路をその対向する端子間に設けるように複数の超電導体粒子と超電導体粒子の近傍の金属とを含むことができる。
【００１７】
添付図面を参照して例示的に本発明を更に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
ＦＣＬの機能及びパラメータ
電流制限システムは、システムを通過する電流の関数である電気抵抗率を有する。超電導材料（例えば、ワイヤ、ロッド、チューブ等）は、超電導体の抵抗率が材料を通過する電流に強く依存するので電流制限システムである。
【００１９】
図１は、超電導体の電流対電圧毎センチメートル（ＶC／ｃｍ）の一般的なグラフである。電流を搬送する超電導材料は、臨界電流よりも弱い印加電流に対してセンチメートル毎の電圧降下ゼロを示す。臨界電流（ＩC）は、臨界電界（又はサンプルに沿って測定した電圧）に関する値を仮定することによって判断される。一般的に、１μＶ／ｃｍの臨界電界が、「高温超電導（ＨＴＳ）」セラミック及び金属ホウ化物超電導材料の臨界電流を判断するために用いられる。
【００２０】
ＩCを超える電流については、超電導体にわたる電界が次式の公知の指数法則表現に従うことが公知である。
Ｖ＝ＶC（Ｉ／ＩC）n
ＩCよりも強い電流に対して、「ｎ値」は、超電導体内で電圧が増加する方法、又は同義的に材料がゼロ抵抗の超電導状態から抵抗性常伝導金属状態に遷移する方法を説明する。超電導材料を通過する増加電流の所定の速度に対するより大きなｎ値は、常伝導金属状態の均等物への遷移を材料がより迅速に起こすことになることを示唆する。
【００２１】
有効な電流制限システムは、電流増加と共にゼロ抵抗超電導状態から高抵抗性常伝導状態に敏速に切り換えなければならない。言い換えれば、有効な電流制限システムは、大きなｎ値（すなわち、ｎ＞５）を有するべきである。
【００２２】
図２は、一般的なＦＣＬモジュールの同等回路図を例示している。このシステムは、２つの並列電流経路から成っており、一方は超電導経路であり、他方は電流制限分路である。超電導経路のインピーダンス（ＺFCL）は、電流の関数である。一般的に次式が成り立つ。
ＺFCL＝ＲFCL＋ωＬFCL
ここで、Ｒ及びＬは、それぞれ超電導構成要素の抵抗及びインダクタンスである。非導電ＦＣＬ構成要素については、超電導経路のインピーダンスへの反応性寄与は無視することができ、超電導経路のインピーダンスは抵抗を有し、この構成要素を通過する電流の関数である。臨界電流よりも弱い電流に対しては、ＺFCLはゼロである。システムの臨界電流を十分に超える電流に対しては、ＺFCLは、ＲFCLに近づく。超電導経路に並列して電流制限分路がある。分路は、故障状態中に電流の大部分を搬送するように設計されており、すなわち、ＦＣＬ構成要素を損傷から保護し、これは、一般的に、抵抗性及び／又は誘導性構成要素から成る。一般的に次式が成り立つ。
Ｚshunt＝Ｒshunt＋ωＬshunt
ここで、Ｒshunt及びＬshuntは、それぞれ分路の抵抗及びインダクタンスである。
【００２３】
図３は、図２のＦＣＬモジュールのインピーダンスを電流の関数として示している。この例では、臨界電流（ＩC）よりも弱い電流に対してＺFCLはゼロであり、ＩCを十分に超える電流に対して、ＺFCLは、Ｚshuntよりも非常に高いと仮定している。「遷移領域」を最小にするＦＣＬモジュールは、高速スイッチング特性を有することになる。「遷移領域」は、ＦＣＬ構成要素内の急速な超電導性の損失によって特徴付けられる。常伝導金属状態の均等物へのこの急速な遷移は、「急冷」として公知である。一般的に、急冷の継続時間及び急冷中にＦＣＬ構成要素内で消散する電力は、以下のことによって最小にすることができる。
・ＦＣＬ構成要素のｎ値を増大させる。
・ＦＣＬ構成要素の常伝導状態抵抗ＲFCLを増大させる。
【００２４】
高温超電導（ＨＴＳ）セラミック材料は、ロッド、薄膜、コイル、チューブ、ワイヤのような形態でＦＣＬ構成要素として用いることができる。これらの材料は、この用途における使用にとって魅力的なある一定の特性を有する。これらの特性は、以下のものを含む。
・７７Ｋに近い温度でのＦＣＬシステムの作動を可能にする高い超電導臨界温度（ＴC）。
・１００Ｋで１００μΩｃｍの程度の高い常伝導状態抵抗率。
・急冷中に材料がかなりの熱量を吸収し、著しい温度上昇を伴わないことを可能にする大きな熱容量。
ＨＴＳセラミックはまた、ＦＣＬシステムにおける使用とっては不十分なある一定の物理的特性を有する。特に、以下のことが挙げられる。
・ＨＴＳ材料は、脆性セラミックである。急冷中に必然的に発生する熱及び機械的応力は、材料中に微小亀裂を発生させる可能性がある。これらの微小亀裂は、ＦＣＬ構成要素内で超電流の流れを著しく阻害し、すなわち、システムの作動を劣化させる。
・７７Ｋにおける０．０１Ｗ／（ｃｍＫ）の程度の低熱伝導性。熱は、これらの材料の中を迅速には流れないために、これらの材料は、その低熱伝導性によって「ホットスポット」形成を受け易くなる。「ホットスポット」における熱暴走は、ＦＣＬ構成要素の壊滅的障害を引き起こす場合がある。
・ＨＴＳ材料は、第ＩＩ種超電導体である。従って、磁束は、高電流状態の下でこの材料に侵入し、常伝導のコアを有する渦を発生させる。これらの渦の動きは、急冷中に材料内で抵抗性加熱を発生させる。この結果、ＦＣＬのスイッチング中に大きな熱負荷を生じる。
【００２５】
二ホウ化マグネシウム（ＭｇＢ2）は、低温で超電導特性を示す。ＨＴＳセラミック材料と同様に、ＭｇＢ2は、ロッド、薄膜、コイル、チューブ、ワイヤのような形態でＦＣＬ構成要素として用いることができる。二ホウ化マグネシウムは、この用途における使用に対して魅力的なある一定の特性を有する。この特性は、以下のものを含む。
・４０Ｋよりも小さい温度におけるＦＣＬシステムの作動を可能にする比較的高い超電導臨界温度（ＴC）。
・ＨＴＳ材料よりも約１０倍大きい熱伝導性。
【００２６】
二ホウ化マグネシウムはまた、ＦＣＬシステムにおける使用に対して不十分なある一定の物理特性を有する。特に以下のものが挙げられる。
・４０Ｋで２μΩの程度の比較的低い常伝導状態抵抗率。これは、ＦＣＬ構成要素において高いＲFCLを維持するために、ＨＴＳセラミックと比較して長さが非常に長い材料を用いなければならないことを意味する。
・低熱容量。これは、急冷の最中の熱入力に伴って材料の温度が著しく上昇することになることを意味する。
・ＭｇＢ2は、ＨＴＳ材料同様に脆性セラミックであり、従って、熱及び機械的応力からの亀裂を受け易い。しかし、ＭｇＢ2内の超電流の流れは、亀裂によって著しく低減しないことは公知である。
・ＭｇＢ2は、ＨＴＳ材料と同様に第ＩＩ種超電導体であり、急冷の最中の渦の動きは、材料中に抵抗性加熱を発生させることになる。
【００２７】
ＦＣＬシステムにおける有効ＦＣＬ構成要素としての使用に対して、ＨＴＳ材料及び二ホウ化マグネシウムは、両方ともにある一定の利点及び欠点を有する。
【００２８】
ＦＣＬシステムにおける使用に対して特に有用な超電導材料は、以下の特性を有することになる。
【００２９】
１）材料は、高いｎ値（例えば、＞１０）を有することになる。好ましくは、ｎ値は、特定用途のために調整することができ、材料の適切な選択を通じて修正することができる。
【００３０】
２）極めて僅かな抵抗性加熱のみを発生させる急冷機構。
【００３１】
３）漏電を主にＦＣＬモジュール内の分路によって搬送することができるような高抵抗率の常伝導状態。
【００３２】
４）急冷中に発達するあらゆる「ホットスポット」における熱暴走を阻止するような高熱伝導性。
【００３３】
５）熱及び機械的応力に対する高い耐性。材料は、容易に亀裂又は劣化してはならない。
【００３４】
材料及び組成
「超電導体金属マトリクス複合材（ＳＭＭＣ）」構成要素は、超電導粉末を金属（粉末又は液体）と混合し、冷間又は熱間等方圧プレス法のような公知の技術によって複合混合物をバルク構成要素（バー、ロッド、プレート、コイル等）に形成することによって加工される。ＳＭＭＣの詳細は、米国特許第６，５８６，３７０号に示されており、これは、本明細書に引用によって組み込まれている。
【００３５】
超電導体粒子と金属の間の緊密な接触の結果、超電導体粒子の超電導臨界温度よりも小さい温度においてバルク超電導特性を有する複合材料を生じる。金属が超電導体の臨界温度よりも低い温度において大きな電子−音量子相互作用及び大きな電子平均自由行程を有する場合には、複合材の超電導特性は改善する。
【００３６】
ＳＭＭＣ内で延性及び展性を有する金属を用いることにより、複合材料の機械特性は、脆性超電導体材料の機械的特性に比較して改善することができる。
【００３７】
ＦＣＬシステムにおけるＳＭＭＣの使用は、ＨＴＳセラミック構成要素及び二ホウ化マグネシウム構成要素の両方を超える利点をもたらす。特に以下のことが挙げられる。
【００３８】
（１）ＳＭＭＣの「ｎ値」操作
図４は、直径が１から５０ミクロンの範囲にある超電導体粒子を有するＳＭＭＣ材料において見られる一般的な挙動を示している。これらの複合材のｎ値は、複合材内の金属の体積％に強く依存し、金属体積％が１０％から３０％の間に最大値を有する傾向にある。所定のＳＭＭＣのピークｎ値は、超電導体粒子の粒子サイズ分布、並びに金属の電子−音量子相互作用及び電子平均自由行程に依存する。
【００３９】
ＳＭＭＣの臨界電流における変化が複合材内の金属体積％の関数であるという点で、同様の依存性が見られる。図５にこれを示している。一般的に、所定の複合材におけるｎ値及び臨界電流は、同じ金属体積％の近傍のピークを有する傾向がある。
【００４０】
特定の超電導用途は、超電導構成要素においてある一定の最小ｎ値を必要とする。ＳＭＭＣの使用により、システムに対して適切なｎ値を有する超電導材料の設計が可能になる。例えば、ＦＣＬシステムは、高速のスイッチング特性を得るために高いｎ値を必要とする。従って、ＦＣＬシステムは、金属体積％が１５％と４０％の間にあるＳＭＭＣを用いて加工することができる。しかし、超電導モータは、様々な負荷条件下でのシステム安定性を得るために低いｎ値を必要とする可能性がある。これらの低いｎ値は、例えば、ＳＭＭＣ内の金属体積％を上昇させることにより得ることができる。
【００４１】
（２）ＳＭＭＣ急冷機構
第Ｉ種及び第ＩＩ種の超電導は、印加磁場内で劇的に異なる挙動を示している。ギンズバーグ・ランダウ（ＧＬ）理論は、超電導体の磁気特性を適切に説明する超電導性の準現象学的説明である。ＧＬ理論では、κ＝λL／ξであり、λLはロンドンの侵入長、ξは超電導クーパー対の干渉長である。第Ｉ種及び第ＩＩ種の挙動は、次式によって特徴付けられる。
【００４２】
κ＜２-0.5  第Ｉ種
κ＞２-0.5  第ＩＩ種
【００４３】
超電導体内の超電導干渉長に対するロンドンの侵入長の比率のマグニチュードは、印加磁場内での材料の特性に深く影響を与える。例えば、第Ｉ種超電導がゼロ磁場内でＴCよりも低く冷却された場合には、材料内の表面電流はゼロである。サンプルに外部磁場が印加された場合には、超電導表面電流が材料内で誘発され、この超電導表面電流は、印加磁場を的確に遮蔽する。臨界磁場ＨCよりも弱い磁場強度に対しては超電導体内の磁場は、距離λLにわたって減衰する。高い磁場強度においては、誘発された電流は、材料の臨界電流を超え、材料を常伝導金属状態に駆動する突然遷移が発生する。この遷移は、第Ｉ種超電導体のＨCにおいて発生する。
【００４４】
第ＩＩ種超電導性においては、低印加磁場における材料の挙動は、第Ｉ種の挙動と同様であり、表面電流は、印加磁場を実質的に遮蔽する。しかし、磁場強度が上昇する時に、磁束線は、超電導体の大部分に侵入し始める。この磁束侵入が発生する磁場強度はＨC1、第１の臨界磁場である。上述のように、ＨC1よりも弱い印加磁場においては、材料は、より第Ｉ種超電導体に近似した挙動をする。しかし、印加磁場がＨC1を上回って上昇する時に、材料は、超電導状態のままに留まり、磁束渦が材料に侵入することができるようになる。磁場強度が上昇する時に、材料内の磁束渦密度も上昇する。これらの渦は、循環超電流によって囲まれた常伝導金属コアのような特性を有する。これらの渦の動きは「磁束流れ」と呼ばれ、そうでなければ超電導である材料内で有限抵抗を発生させる。
【００４５】
磁場強度の上昇と共に、磁気渦密度は、更に別の渦が材料に侵入することができないレベルまで上昇する。その第２の臨界磁場ＨC2において、第ＩＩ種超電導体は、常伝導金属状態に復帰する。
【００４６】
ＦＣＬ構成要素では、構成要素の応答時間は、超電導体の磁場挙動に強く依存する。電流搬送用途では、サンプルにおいて電流自体が磁場を発生させ、すなわち、バルク超電流内の表面電流を誘発する。これは、急冷中に常伝導金属抵抗が材料内で出現し始める方法に深い影響を与える。図６は、第Ｉ種及び第ＩＩ種の超電導体の抵抗を電流の関数として示している（図６は、Ｍ．Ｔｉｎｋｈａｍ著「超電導性序論」から翻案した）。第Ｉ種挙動では、材料の抵抗は、ＩCに上昇するまで本質的にゼロであり、この点ＩCにおいて、抵抗は突然上昇し、材料の常伝導金属状態ＲNに接近する。第ＩＩ種超電導体では、ＩC1において有限抵抗が出現し、それと同時に磁束線が材料に侵入し、流れ始める。この磁束流れ抵抗の出現は、ＦＣＬ構成要素内で更に別のｉ2Ｒを発生させ、システムの熱暴走に寄与する。明らかに、第Ｉ種挙動は、ＦＣＬシステムの高速スイッチング特性に対して望ましい。
【００４７】
超電導体の第Ｉ種及び第ＩＩ種特性は、一般的に、材料の本質的な特性である。第Ｉ種材料は、低臨界磁場及び温度を有する元素超電導体である傾向がある。第Ｉ種材料は、これに不純物又は他の電子散乱核を付加することによって第ＩＩ種に作り変えることができる。高臨界磁場及び更に高臨界温度を有する第ＩＩ種材料は、工学の観点から最も実用的である。残念ながら、高臨界電流及び高磁場特性を維持しながら第ＩＩ種超電導体において第Ｉ種挙動を操作することは不可能である。
【００４８】
ＨＴＳセラミック超電導体及び二ホウ化マグネシウムは、両方とも第ＩＩ種超電導体である。従って、これらは、ＦＣＬ構成要素の急冷中に壊滅的な抵抗性磁束流れ加熱を受け易い。
【００４９】
ＳＭＭＣ構成要素は、第Ｉ種及び第ＩＩ種超電導体の混合物を用いて加工することができる。ＳＭＭＣを構成する超電導体粒子は、高臨界温度及び臨界磁場を有するために、一般的に第ＩＩ種超電導体である。ＳＭＭＣの導電金属構成要素は、通常は十分に低い温度において第Ｉ種挙動を有する延性金属材料である。
【００５０】
これらの複合材内の超電流は、第Ｉ種金属の特性によって制限されることが公知である（Ｍ．Ｊ．Ｈｏｌｃｏｍｂ著「二ホウ化マグネシウム／金属複合ワイヤにおける超電流」、Ｐｈｙｓｉｃａ、Ｃ４２３、２００５年、１０３−１１８）。しかし、ＳＭＭＣの高臨界温度は、第ＩＩ種材料の高臨界温度によって判断される。すなわち、高いＴCの第ＩＩ種超電導体及び第Ｉ種超電導体の混合物を用いることにより、高臨界温度及び急冷の最中の高スイッチング速度の両方を有するＦＣＬ構成要素の加工が可能である。
【００５１】
例えば、ＦＣＬ構成要素は、ＳＭＭＣにおいて第ＩＩ種材料として二ホウ化マグネシウム粒子を用い、第Ｉ種材料としてガリウムを用いることによって加工することができる。大きな電子−音量子相互作用及び長い電子平均自由行程を有する他の第Ｉ種材料候補には、Ｂｉ、Ｐｂ、Ｎｂ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｈｇ、及びこれらの材料のある一定の合金が含まれる。
【００５２】
必要な特性によっては、ＳＭＭＣのＦＣＬ構成要素は、専ら第ＩＩ種材料のみを用いても加工することができる。例えば、ＦＣＬ構成要素は、ＳＭＭＣにおいて高いＴCの第ＩＩ種材料として二ホウ化マグネシウム粒子を用い、延性第ＩＩ種金属材料としてＢｉＰｂ合金金属を用いて加工することができる。大きな電子−音量子相互作用及び長い電子平均自由行程を有する他の第ＩＩ種材料候補には、Ｂｉ、Ｐｂ、Ｇａ、Ｎｂ、Ｉｎ、Ｓｎ、及びＨｇが含まれる。
【００５３】
ＳＭＭＣにおける使用に対する金属材料候補は、超電導体粒子との化学的親和性、常伝導金属状態における材料の抵抗率、常伝導状態における電子平均自由行程長、電子−音量子相互作用、材料の担体密度、材料原価、及び他の因子を基準にして評価される。
【００５４】
一般的に、第ＩＩ種超電導体粉末の第Ｉ種金属との混合の結果、システムの急冷状態の最中のスイッチング特性が大幅に改善されたＦＣＬ構成要素を生じる。
【００５５】
（３）ＳＭＭＣの高抵抗性常伝導状態特性
図２に示しているＦＣＬモジュールでは、電流は、漏電のマグニチュードに依存して並列回路の異なる分岐を通じて導かれる。ＩCよりも弱い電流においては、本質的に全ての電流は、超電導ＦＣＬ構成要素を通過する。電流がＩCを超えると同時に、電流は、ＦＣＬモジュールの分流経路を通じるように経路変更される。この電流経路変更は、ＦＣＬ構成要素が常伝導金属状態の均等物への急冷を受ける時に発生する。この電流経路変更を発生させるために、ＦＣＬ構成要素の常伝導金属状態のインピーダンスは、分路の電流制限インピーダンスよりも極めて大きくなければならない。この場合には、漏電の大部分が分路を通過することになり、従って、ｉ2Ｒ加熱によってＦＣＬ構成要素を損傷しない。
【００５６】
ＨＴＳセラミック材料は、ＴCを超える温度の常伝導金属状態において極めて高い抵抗を有する。一般的に、これらの材料は、１００Ｋを超える温度において１００μΩｃｍを超える抵抗率を有する。比較すると、金属は、一般的に、これらの温度において０．０１から１．０μΩｃｍの程度の抵抗率を有する。
【００５７】
二ホウ化マグネシウムは、ＨＴＳセラミックよりも非常に低い固有抵抗率を有する。４０Ｋにおいて、ＭｇＢ2の常伝導状態の金属抵抗率における一般的な値は、０．３μΩｃｍの程度である。ＨＴＳセラミック材料を用いて加工されたＦＣＬ部品と同じ常伝導状態抵抗を得るためには、長さがより長いか（又は断面がより小さいか）、又はいずれかの二ホウ化マグネシウムを用いることが必要である。
【００５８】
定義により、理想的な幾何学形状（すなわち、バー、ロッド、プレート等）を有する導電構成要素の抵抗Ｒは、以下のように与えられる。
Ｒ＝（ρｌ）／Ａ
ここで、ρは材料の抵抗率、ｌは構成要素の長さであり、Ａは構成要素の断面積である。導電構成要素の抵抗を上昇させるための便利な方法は、これをより長く（ｌを増加）、より薄く（Ａを減少）することである。
【００５９】
導電構成要素が超電導体である場合には、断面積Ａは、構成要素の最大臨界電流を決め、ｌ及びＡは、急冷に伴う構成要素の常伝導金属状態抵抗を決める。一般的に、ＦＣＬ構成要素は、要求されるＩCが得られるまでＡを調節し、適切なＲNに到達する長さまでｌを増加することによって設計される。
【００６０】
二ホウ化マグネシウムは、ＨＴＳセラミックよりも非常に低いρを有するために、ＨＴＳセラミック及び二ホウ化マグネシウムが同程度の臨界電流密度を有すると仮定すると、全てがＨＴＳセラミックのＦＣＬ構成要素と同じ常伝導状態抵抗を有するためには、ＦＣＬ構成要素において長さが極めて長い二ホウ化マグネシウム材料を加工することが必要である。
【００６１】
代替的に、高い常伝導金属状態抵抗を有するＳＭＭＣのＦＣＬ構成要素は、超電導体粒子を高抵抗性金属と混合することによって加工することができる。一般的に、これは、超電導体粒子を純元素金属の代わりに金属合金と混合することによって得られる。しかし、ＳＭＭＣ内の金属マトリクスとしての合金の使用は、金属内の電子平均自由行程を低減することになるので、均衡を維持すべきである。この電子平均自由行程の低減によって、ＳＭＭＣの臨界電流密度のマグニチュードが低減される可能性がある。
【００６２】
特に新しいＦＣＬ構成要素の設計は、ある一定の材料の抵抗率が印加磁場に直面すると劇的に上昇するという事実を利用する。この現象は、磁気抵抗と呼ばれる。磁気抵抗性ＦＣＬ構成要素を加工するために用いられる特定のＳＭＭＣは、高度の磁気抵抗率を示す導電材料と混合された超電導粒子から構成される。図７は、ＳＭＭＣ内の導電金属マトリクスの磁気抵抗を利用したＦＣＬ構成要素２０の概略を示している。この場合、ＦＣＬ構成要素２０は、ソレノイド２２のコア内に設けられ、このソレノイド２２は、ＦＣＬ構成要素２０の並列分流経路である。ＩCよりも弱い電流に対しては、全ての電流は、超電導ＦＣＬ構成要素２０を通じて流れる。電流レベルがＩCを超えると同時に、電流は、ソレノイド２２を通じて流れ始め、磁場を発生させる。上昇する電流と共に既に急冷を受けているＦＣＬ構成要素２０は、高磁場内に浸され、続いてこの高磁場は、マトリクス金属の高磁気抵抗によってＦＣＬ構成要素２０の常伝導状態抵抗を更に上昇させる。一部の場合では、ＦＣＬ構成要素２０に対するソレノイド２２の方向は、ＦＣＬ構成要素２０の抵抗を更に上昇させることができる。
【００６３】
材料候補には、全ての磁気抵抗導電材料及び大きなホール係数を有する金属材料が含まれる。更に、これらの材料は、超電導体金属マトリクス複合材の導電金属構成要素として用いるための最小限の特性（すなわち、大きな電子−音量子結合及び長い電子平均自由行程）も有するべきである。
【００６４】
大きな電子−音量子結合、長い電子（正孔）平均自由経路、及び強い磁気抵抗特性を有するビスマス金属は、二ホウ化マグネシウムベースＳＭＭＣ材料におけるマトリクス金属として特に良好な選択である。
【００６５】
（４）ＳＭＭＣの高熱伝導性
ＦＣＬ構成要素の急冷中に、システムが漏電を並列の抵抗性分路に経路変更する時に構成要素内で消散するある一定量のｉ2Ｒ電力が存在する。この電力の結果、ＦＣＬ構成要素への著しい熱入力が生じ、その結果、ＦＣＬ構成要素の著しい温度上昇が生じる可能性がある。続くＦＣＬ構成要素の冷却は、ＳＭＭＣ材料の熱伝導率κに依存する。低い熱伝導率は、急冷の最中の過剰の熱の蓄積につながり、これは、ＦＣＬ構成要素内での熱的な「ホットスポット」の形成をもたらす可能性がある。これらの「ホットスポット」は、材料内に高い熱及び機械的応力を発生させ、これが亀裂の形成、更に最終的にはＦＣＬ構成要素の壊滅的障害をもたらす可能性がある。
【００６６】
表Ｉを参照すると、ＨＴＳ材料は、７７Ｋで比較的低い熱伝導率を有することが分る。これと上述の磁束流れ抵抗により、これらの材料は、ＦＣＬ構成要素の急冷中に局所的な「ホットスポット」の形成を受け易い。二ホウ化マグネシウムは、ＨＴＳ材料よりもほぼ１桁マグニチュードが大きな熱伝導率を有し、従って、ＦＣＬ構成要素から熱を迅速に伝導して逃がすことができる。残念ながら、表Ｉに見られるように、二ホウ化マグネシウムの固有の熱容量ＣPは、ＨＴＳセラミックよりも約３０倍少なく、従って、二ホウ化マグネシウム−ＦＣＬ構成要素に入力された熱により、ＨＴＳセラミックと比べてより大きな構成要素の温度上昇が生じる。理想的には、ＦＣＬ構成要素は、高い熱伝導率（急冷中に熱を伝導して逃がす）、及び高い熱容量（急冷の最中の不可避の熱による温度上昇を最小にする）の両方を有するべきである。
【００６７】
（表Ｉ）
2008518581.tif 000002
【００６８】
表Ｉに示しているように、ＳＭＭＣ材料の熱容量及び熱伝導率は、超電導体粒子の材料特性と導電性金属マトリクスの両方の関数である。例えば、３０体積％のガリウム金属を有するＭｇＢ2／Ｇａ−ＳＭＭＣは、純粋な二ホウ化マグネシウムよりも５倍大きな熱容量を有し、ＨＴＳセラミックよりもほぼ１００倍大きな熱伝導率を有する。これらの特性は、ＳＭＭＣ内の体積％及び導電金属の種類を変更することによって調節することができる。
【００６９】
（５）亀裂耐性ＳＭＭＣ構成要素
ＨＴＳセラミック及び二ホウ化マグネシウムの超電導材料は、両方ともセラミックである。従って、これらは、ＦＣＬ構成要素の急冷中に見舞われる熱及び機械的応力から生じる破断を受け易い。これらの材料における微小亀裂及び破断の結果、構成要素の超電流伝送特性の劣化が生じ、システムの壊滅的障害が生じる可能性がある。
【００７０】
脆性超電導体粒子と延性マトリクス金属との混合物であるＳＭＭＣのＦＣＬ構成要素は、セラミックよりも亀裂の増殖に対して非常に大きな耐性を有する。亀裂は、柔軟な金属マトリクス材料中では実質的に増殖しないので、根本的にＳＭＭＣは機械的に強固であり、破断耐性材料である。この特性は、ＦＣＬ構成要素が極めて大きな機械及び熱的応力に耐える必要があるＦＣＬ用途では特に有用である。
【００７１】
ＳＭＭＣのＦＣＬ構成要素アーキテクチャの別の利点は、比較的低い融点の金属マトリクス材料を用いることから生まれる。例示的に、図８に概略的に示しているＭｇＢ2／Ｇａ−ＦＣＬ構成要素２４を考えてみる。何回かの急冷の後に、ＦＣＬ構成要素２４は、小さな破断２６を発達させる可能性がある。これらの破断２６は、対処せずにいると次の急冷中にＦＣＬ構成要素２４の障害を生じる可能性がある。ガリウム金属は、約３０℃において融解するために、単純に金属マトリクスの融点を超える温度までＳＭＭＣを温めることによってＦＣＬ構成要素２４における微小亀裂を「治す」ことができる。従って、この焼き鈍し処理は、ＦＣＬ構成要素２４をその元の状態に復元する。
【００７２】
この低温「治療」特性は、ＳＭＭＣ材料に独特のものである。ＨＴＳセラミックは、その材料の特性を回復させるために、８００℃を超える温度において酸素が豊富な雰囲気中で加熱すべきである。二ホウ化マグネシウムは、６００℃を超える温度において迅速に再形成することができるが、結晶構造体から容易にＭｇ金属を消失させ、従って、Ｍｇが豊富な雰囲気中で加熱すべきである。
【００７３】
ＭｇＢ2／Ｇａ−ＳＭＭＣにおける微小亀裂は、３０℃よりも高くて二ホウ化マグネシウムが著しい量のマグネシウムを消失させ始める６００℃を大幅に下回る温度において、ＳＭＭＣを加熱することによって劇的に低減することができる。他の金属マトリクス材料を用いて加工したＳＭＭＣからも同様の挙動が期待される。
【００７４】
一般的に、ＳＭＭＣ材料は、ＦＣＬ用途で用いられた場合に、ＨＴＳセラミック超電導体材料及び二ホウ化マグネシウム超電導体材料の両方を超える明瞭な利点を提供する。要約するとＳＭＭＣ技術の使用によって以下のことが可能になる。
【００７５】
（１）ＦＣＬ構成要素のｎ値操作、及び１０を大幅に超える典型的には１５Ｋで少なくとも１５のｎ値の材料を設計する機能。
【００７６】
（２）材料の磁束流れ抵抗を最小にすることによって構成要素のｉ2Ｒ加熱を低減する急冷処理。
【００７７】
（３）「急冷された」ＦＣＬ構成要素の中を流れる漏電を劇的に低減する高抵抗性常伝導状態。
【００７８】
（４）故障中にＦＣＬ構成要素の抵抗を劇的に上昇させる磁気抵抗性金属マトリクス材料及びソレノイドの形態の並列分流経路の使用。
【００７９】
（５）ＦＣＬ構成要素の熱特性の制御を可能にする材料の熱伝導率及び熱容量の操作。
【００８０】
（６）電流搬送特性の僅かな劣化のみを伴うか又は劣化のない、繰返し急冷サイクルを耐える機能がある強固な亀裂耐性複合材料。
【００８１】
（７）ＳＭＭＣ内の超電導体粒子の焼き鈍し又は融解温度を大幅に下回る温度において微小亀裂を「治す」機能を有するＦＣＬ構成要素。
【００８２】
ＦＣＬ保護用途の例
図９Ａ及び９Ｂは、単相ＦＣＬ保護用途の回路３０を例示している。回路３０は、ＡＣ電源３２、ＦＣＬモジュール３４、及び変圧器の従動側３６を直列に含む。回路３０は、変圧器３６の負荷側と直列に位置する負荷３８を更に含む。ＦＣＬモジュール３４は、ＡＣ電源３２において発生する可能性がある漏電から変圧器３６を保護する。
【００８３】
ＦＣＬモジュールは、タンク４２及びそのタンク４２の中に液体Ｈ2４４を更に含む。ＭｇＢ2／Ｇａ−ＦＣＬ構成要素４０は、ＭｇＢ2（〜４０Ｋ）のＴCよりも下の温度に維持された液体Ｈ2４４内に装填される。好ましくは、ＦＣＬ構成要素４０は、２０Ｋと３０Ｋの間の温度まで冷却されることになる。この範囲にある便利な極低温は、液体水素（２０Ｋ）及び液体ネオン（２７Ｋ）である。ＦＣＬモジュール３４は、ＦＣＬ構成要素４０と並列なコイル４６によってもたらされるインピーダンスを有する。ＦＣＬ構成要素４０と並列なコイル４６は、必ずしも低温まで冷却する必要はなく、実際に極低温デュワーの外側に設置することができる。
【００８４】
配電網の通常作動条件下では、ＦＣＬモジュール３４のインピーダンスはゼロであり、電力は、変圧器３６を通じて負荷３８に送出される。故障中には、ＦＣＬモジュール３４のインピーダンスは急激に上昇する。それによって漏電のマグニチュードは低減され、変圧器３６及び負荷３８が保護される。故障が過ぎると、ＦＣＬモジュール３４のインピーダンスはゼロに戻り、全ての電流は、ＦＣＬモジュール３４の超電導分岐を通過する。
【００８５】
ＭｇＢ2／ＧａのＦＣＬロッド
図１０は、本発明の実施形態によるＭｇＢ2／ＧａのＳＭＭＣのＦＣＬロッド５０を例示している。２０体積％のガリウムＳＭＭＣのＦＣＬロッド５０は、以下の方法を用いて加工することができる。
【００８６】
（１）１２．７グラムのＭｇＢ2超電導粉末粒子と１１．６グラムの液体又は固体ガリウム金属を５個の直径１０ｍｍＷＣボール及び１個の直径２０ｍｍＷＣボールを用いて遊星ボールミル内で不活性雰囲気（８０ｍｌ小瓶）の下で混合する。
【００８７】
（２）複合材粉末５２を合計２時間にわたって５００ＲＰＭで粉砕する。著しい冷間圧接がある場合は、粉砕処理中に処理制御剤を用いることができる。処理制御剤の使用は、機械的合金化の分野で公知である。
【００８８】
（３）材料の超電導分率を改善するために、粉砕した粉末を不活性雰囲気下で４５０°で１５時間加熱する。時間と温度の他の組合せによって材料の超電導分率を改善することができる。
【００８９】
（４）図１０に例示しているように、複合材粉末５２は、槊杖法を用いて、対向する端部が銅電流リード５６で固定されたＧ１０チューブ５４内に詰め込まれる。本方法を用いて９０％を超える粉末充填密度を得ることができる。
【００９０】
この例では、第１の銅電流リード５６を絶縁Ｇ１０チューブ５４の一端に捩じ込み、その端部に小量のガリウム金属を加える。この後、チューブアセンブリにＭｇＢ2／Ｇａ複合材粉末５２を注入する。この注入は、小量の粉末をチューブに加え、次に、チューブの中に槊杖を挿入することによって粉末を圧縮し、全体のアセンブリを液圧又は手動操作のアーバープレス中で圧迫することによって完了する。Ｇ１０チューブ５４に複合材粉末５２を注入した後に、圧縮されたＳＭＭＣ粉末の上部に液体ガリウムの更に別の液滴を追加し、最後の銅電流リード５６を所定位置に捩じ込む。
【００９１】
この例は、絶縁Ｇ１０チューブ５４を用いたＭｇＢ2／Ｇａ−ＦＣＬロッド５０を説明している。別の設計では、Ｇ１０チューブ５４の代わりに、導電金属チューブを用いることができる。導電金属チューブを用いるＭｇＢ2／ＧａＦＣＬロッドは、図２に示している同等回路図によって適切に説明される。ここでは、抵抗性分路は、圧縮ＳＭＭＣ粉末を含む導電金属チューブである。
【００９２】
混成ＨＴＳ電流リードを用いたＭｇＢ2ベースのＳＭＭＣのＦＣＬ
図１１は、混成ＨＴＳ電流リードを用いたＭｇＢ2ベースＳＭＭＣのＦＣＬシステム６０の概略を示している。この混成設計は、低温における冷凍負荷を劇的に低減するためにＨＴＳセラミック材料の非常に低い熱伝導率を利用する。
【００９３】
ＦＣＬシステム６０は、冷却システム６４及び回路６６を含む。
【００９４】
冷凍システム６４は、下部及び上部領域６８及び７０をそれぞれ有する寒剤タンク６７の形態の筐体を含み、下部領域６８には約２０Ｋで水素蒸気７２があり（又は代替的に、４．２Ｋより上のあらゆる温度においてヘリウム蒸気、２０Ｋで液体水素、２７Ｋより上でネオン蒸気、又は２７Ｋでの液体ネオンがあり）、上部領域７０には６６Ｋと７７Ｋの間で液体窒素７４があり、更に、水素蒸気７２及び液体窒素７４をそのそれぞれの温度に維持する冷却モジュール７５を含む。
【００９５】
回路６６は、電源ケーブル７６、端子７８、電流区分８０、ＨＴＳ区分８２、ＭｇＢ2ベースＳＭＭＣのＦＣＬモジュール８４、ＨＴＳ超電導体区分８６、電流区分８８、端子９０、及び電源ケーブル９２を１つずつ直列に連続して含む。端子７８及び９０は、寒剤タンク６７の外側に設けられる。電流区分８０及び８８は、寒剤タンク６７の上部内に延びている。各電流区分８０又は８８とそれぞれのＨＴＳ区分８２又は８６との間のインタフェースは、液体窒素７４の中に位置している。ＨＴＳ超電導体区分８２及び８６の下端は、ＭｇＢ2ベースＳＭＭＣのＦＣＬモジュール８４と合わせて水素蒸気７２内に位置している。
【００９６】
この設計では、電流は、電流区分８０の銅区分及びＨＴＳ超電導体区分８２のＨＴＳセラミック区分から構成された混成高電流リードを通じて、モジュール８４のＦＣＬシステム６０の中に流入し、更にその外に流出する。電流区分８０の銅区分は、液体又は蒸気冷却することができ、約７７Ｋに冷却された冷凍段階への熱漏れを最小にするために断面積が最適化される。７７Ｋ段階では、銅電流区分８０は、低抵抗率の継ぎ手を通じてバルクセラミックＨＴＳ区分８２に付着される。ＨＴＳ区分８２は、バー、チューブ、円筒、プレートのような形態とすることができる。ＨＴＳ区分８２は、非常に低い熱伝導率を有するように設計され、従って、好ましくは、銅区分８０をＦＣＬシステム６０の低温下部領域６８に接続するいかなる金属分路も存在すべきではない。ＨＴＳ区分８２は、ＦＣＬシステム６０の低温下部領域６８において終端し、ここでそれは、非常に低い抵抗率の接触によってＭｇＢ2ベースＳＭＭＣのＦＣＬモジュール８４に接続する。好ましくは、ＨＴＳ区分８２とＭｇＢ2ベースＳＭＭＣのＦＣＬモジュール８４との間の接点は、完全超電導接点である。ＦＣＬモジュール８４は、上述して図２で概略的に示す電流制限分路抵抗と並列のＭｇＢ2ベースのＳＭＭＣ構成要素から成る。ＦＣＬモジュール８４を通過した後に、電流は、次に、ＨＴＳ区分８６、銅電流区分８８を通過し、システム６０を通過して出る。
【００９７】
ＦＣＬモジュールの臨界電流よりも弱い電流においては、電流は、銅電流区分８０及び８８、完全超電導ＨＴＳ区分８２及び８６、及び完全超電導ＭｇＢ2ベースＳＭＭＣのＦＣＬ構成要素を通過する（図２を参照）。漏電状態では、電流は、銅電流区分８０及び８８、並びにＨＴＳ区分８２及び８６を通過する。漏電の大部分は、更に、電流制限分路を通過する（図２を参照）。この分路は、電力網に更に別のインピーダンスを追加し、漏電のマグニチュードを低減する。この例では、漏電は、ＨＴＳ区分８２及び８６を通過する。従って、特定のシステムにおける見込み漏電がＨＴＳ区分８２及び８６の臨界電流を超過しないようにＨＴＳ区分８２及び８６を設計することが重要である。漏電がＨＴＳ構成要素のＩCを超えると、上述のようにＦＣＬシステム６０の壊滅的障害をもたらす場合がある。
【００９８】
（表ＩＩ）
2008518581.tif 000003
【００９９】
表ＩＩは、最適化済み銅電流リード及びＨＴＳ電流リードにおけるリードによって搬送される電流１０００アンペア毎の極低温冷凍機を作動させるために必要とされる冷凍熱負荷及び電力を示している。ここで、ＨＴＳセラミックの極めて低い熱伝導率は、低温における冷凍負荷を著しく低減するために非常に有用である。実際に、これらの銅／ＨＴＳセラミック混成電流リードを用いると、熱負荷の大部分は、室温（３００Ｋ）から約７７Ｋまで電流を搬送する銅リードの高い熱伝導率から発生する。
【０１００】
２０Ｋで必要とされる熱負荷及び冷凍電力の見積りを同様に表ＩＩに示している。システムの低温リザーバは、約２０Ｋから３０Ｋに維持されることになるために、これらの値は、ＭｇＢ2ベースＳＭＭＣのＦＣＬシステムの作動に対して適切である。７７Ｋにおける極低温冷却器に電力を供給するための平均冷凍機電力消費を５００Ｗ／ｋＡと仮定すると、全てがＨＴＳであるＦＣＬシステムの〜７７Ｋへの冷却は、〜５００Ｗ／ｋＡのシステム内通過電流を必要とすることになる。代替的に、室温から２０Ｋで作動するＭｇＢ2ベースＳＭＭＣのＦＣＬ構成要素への電流の搬送に銅／ＨＴＳセラミック混成リードを用いることにより、極低温冷却器への電力供給に僅か約５２０Ｗ／ｋＡのみが必要とされる。従って、７７Ｋで作動する完全にＨＴＳセラミックであるシステムに対してＭｇＢ2ベースＳＭＭＣのＦＣＬ構成要素を用いる場合は、電力消費上昇は僅か４％のみである。
【０１０１】
ＭｇＢ2ベースＳＭＭＣのＦＣＬの代替設計
図１２は、混成ＨＴＳ電流リードを有するＭｇＢ2ベースＳＭＭＣのＦＣＬシステム１００の代替設計の概略を示している。上述のＦＣＬシステム６０と同様に、ＦＣＬシステム１００は、低温における冷凍負荷を劇的に低減するためにＨＴＳセラミック材料の非常に低い熱伝導率を利用する。更に、このＦＣＬシステム１００の並列電流制限分路抵抗は、極低温システムの外側に位置している。この幾何学形状は、故障状態の最中の漏電によるＨＴＳ電流リードの損傷の可能性を阻止する。
【０１０２】
この設計では、電流は、銅電流区分１０６及びＨＴＳセラミック区分１１０から成る混成高電流リード１０２及び１０４を通じてＦＣＬシステム１００の中に流入する。電流制限分路１１３のインピーダンスは、銅／ＨＴＳセラミック混成リード１０２及び１０４及びＭｇＢ2ベースＳＭＭＣのＦＣＬ構成要素１１４を組み合わせたインピーダンスよりも非常に大きいために、電流は、銅電流区分１０６に及ぶ電流リード分路１１３を通過しない。電流リード１０２又は１０４の銅区分１０６は、液体又は蒸気冷却することができ、約７７Ｋに冷却された冷凍段階１１２への熱漏れを最小にするために断面積が最適化される。７７Ｋ段階では、銅電流区分１０６は、低抵抗率継ぎ手を通じてバルクＨＴＳセラミック区分１１０に付着される。ＨＴＳセラミック区分１１０は、バー、チューブ、円筒、プレートのような形態とすることができる。ＨＴＳセラミック区分１１０は、非常に低い熱伝導率を有するように設計され、従って、好ましくは、銅区分１０６をシステムの低温領域に接続するいかなる金属分路も存在すべきではない。ＨＴＳセラミック区分１１０は、ＦＣＬシステム１００の低温領域１１６で終端し、ここでそれは、非常に低い抵抗率の接点によってＭｇＢ2ベースＳＭＭＣのＦＣＬ構成要素１１４に接続する。好ましくは、ＨＴＳセラミック区分１１０とＭｇＢ2ベースＳＭＭＣのＦＣＬモジュール１１４との間の接点は、完全超電導接点である。従って、臨界電流よりも小さい電流レベルにおいては、システム１００は、銅／ＨＴＳセラミック接点よりも下にある完全超電導構成要素から成る。ＦＣＬモジュール１１４を通過した後に、電流は、次に、混成電流リード１０４の第２のＨＴＳ電流リード１１０及び第２の最適化済み銅電流区分１０６を通過し、システム１００を通過して出る。
【０１０３】
ＦＣＬモジュールの臨界電流よりも弱い電流においては、電流は、銅電流区分１０６、完全超電導ＨＴＳセラミック区分１１０、及び完全超電導ＭｇＢ2ベースＳＭＭＣのＦＣＬ構成要素１１４を通過する。故障状態の開始時には、電流は、銅電流区分１０６、ＨＴＳセラミック区分１１０、及びＭｇＢ2ベースＳＭＭＣのＦＣＬ構成要素１１４を通過する。電流レベルがＭｇＢ2ベースＳＭＭＣのＦＣＬ構成要素１１４の臨界電流を超えると、構成要素１１４の抵抗は劇的に上昇し、この後、漏電の大部分は、電流制限分路１１３を通過する。この分路１１３は、電力網に対して更に別のインピーダンスを追加し、漏電のマグニチュードを低減する。この例では、漏電の大部分は、ＨＴＳセラミック区分１１０を通過せず、ＨＴＳセラミック区分１１０は、故障中に超電導状態のままに留まる。ＨＴＳセラミック区分１１０を高電流サージによって起こり得る急冷から保護するために、ＭｇＢ2ベースＳＭＭＣのＦＣＬ構成要素１１４の臨界電流は、ＨＴＳセラミック区分１１０の臨界電流よりも弱くなければならない。これは、図１３に例示している。ＭｇＢ2ベースＳＭＭＣのＦＣＬ構成要素１１４がより小さなＩCを有するように設計することにより、構成要素１１４は、損壊し易いＨＴＳセラミック区分１１０及び下流のユーティリティハードウエアを、損傷を与える漏電レベルから本質的に保護する。本質的にＭｇＢ2ベースＳＭＭＣのＦＣＬ構成要素１１４は、ＨＴＳセラミック区分１１０を損傷する可能性があるレベルまで電流が上昇する前に常伝導状態抵抗に復帰し、抵抗性を有する電流制限分路１１３を通るように、損傷を与える電流を経路変更する。従って、特定のシステムにおいて起こり得る漏電がＨＴＳセラミック区分１１０の臨界電流を超過しないように、ＨＴＳセラミック区分１１０を設計することが重要である。
【０１０４】
図１２のシステム１００は、他の全ての点において図１１のシステム６０と同じである。
【０１０５】
一般的に、ＦＣＬシステムの好ましい実施形態は、以下の特性を有することになる。
【０１０６】
１）好ましくは、７７Ｋよりも下の温度における冷凍熱負荷を最小にするために、システムは、銅／ＨＴＳセラミック混成電流リードを利用することになる。
【０１０７】
２）好ましくは、１５Ｋを超える温度においてｎ値が１５を超える超電導複合材料から成る超電導電流制限構成要素を利用することになる。
【０１０８】
３）好ましくは、超電導電流制限構成要素は、二ホウ化マグネシウムベースの超電導金属マトリクス複合材料から構成されることになる。
【０１０９】
４）好ましくは、故障状態の最中の「ホットスポット」の形成を阻止するために、超電導電流制限構成要素は、ＨＴＳ材料を超える熱伝導率を有する複合材料から構成されることになる。
【０１１０】
５）好ましくは、故障状態の最中の熱暴走を阻止するために、超電導電流制限構成要素は、二ホウ化マグネシウムを超える熱容量を有する複合材料から構成されることになる。
【０１１１】
６）好ましくは、漏電を抵抗性電流制限分路に有効に経路変更するために、超電導電流制限構成要素は、二ホウ化マグネシウムを超える常伝導状態抵抗率を有する複合材料から構成されることになる。
【０１１２】
７）好ましくは、超電導電流制限構成要素は、それ自体の臨界電流（当業技術で公知のように、１μＶ／ｃｍ電界の判断基準を用いて判断される）の少なくとも２倍の臨界電流を有するＨＴＳセラミック電流リードと直列にされることになる。
【０１１３】
８）好ましくは、システムは、超電導電流制限構成要素と並列の電流制限抵抗性分路を利用することになる。分路は、故障状態中に電流の大部分を搬送することになる。
【０１１４】
９）電流制限抵抗性分路は、コイル、ロッド、ワイヤ、又は他の幾何学形状の形態とすることができる。
【０１１５】
１０）電流制限抵抗性分路は、寒剤中に位置するか又は極低温環境の外側に装着することができる。
【０１１６】
混成電流制限システム
ＦＣＬが装備された配電システムにおいて、故障状態の最中の電流サージを実質的に低減するために、故障中のＦＣＬのインピーダンスは、配電システムの固有インピーダンスよりも著しく大きくなければならない。
【０１１７】
図１４は、単相１０ｋＶ／ｋＡの配電システム１２０を例示しており、電源抵抗ＲS及び電源インピーダンスＬSは、それぞれ、０．２Ω及び１ｍＨである。６０Ｈｚの配電網のインピーダンスＸGは、次式で示すことができる。
ＸG＝｛（０．２Ω）2＋［２π６０（０．００１ｍＨ）］2｝0.5＝０．４３Ω
【０１１８】
電源が接地に短絡された故障状態では、例えば、漏電は、次式へとサージする可能性がある。
１０ｋＶP-P＝７０７１ＶRMS
ＩFAULT＝（７０７１ＶRMS）／０．４３Ω〜１６，０００アンペア
【０１１９】
ＦＣＬシステムは、故障状態中に配電網にインピーダンスを追加し、すなわち、漏電サージのマグニチュードを劇的に低減する。例えば、ＦＣＬシステムが１ｋＡを超える電流に対して０．５Ωの抵抗性インピーダンスを有すると仮定すると、配電システムにおける漏電のマグニチュードは、次式で示すことができる。
【０１２０】
ＩFAULT＝（７０７１ＶRMS）／｛（０．２Ω＋０．５Ω）2＋［２π６０（０．００ｌｍＨ）］2｝0.5
ＩFAULT＝（７０７１ＶRMS）／０．８Ω〜８，９００アンペア
この例における０．５Ωの抵抗性インピーダンスの挿入により、漏電のマグニチュードは、ほぼ５０％低減される。ＦＣＬシステムが１ｋＡを超える電流に対して５Ωの抵抗性インピーダンスを有するならば、漏電は、約１３００Ａに制限される。
【０１２１】
上述のように、ＦＣＬ構成要素の常伝導状態金属抵抗を上昇させるために、材料の長さを増加し、断面積を縮小すべきである。
【０１２２】
ＭｇＢ2／Ｇａ（３０体積％）ＳＭＭＣ材料の抵抗率は、４０Ｋで約２０μΩである。臨界温度よりも下の所定の温度（及び臨界磁場よりも下の磁場）におけるＳＭＭＣの臨界電流密度は、ＦＣＬ構成要素を加工するために用いられる超電導複合材料の物理的断面積を決める。例えば、ＦＣＬ構成要素が超電導状態において１０００Ａを搬送しなければならず、超電導複合材料の臨界電流密度が１０，０００Ａ／ｃｍ2であるならば、導体の断面は、０．１ｃｍ2よりも大きくなければならない。
【０１２３】
ＦＣＬ構成要素の長さと共に、この断面積は、更に、常伝導状態におけるＦＣＬ構成要素の抵抗を決める。例えば、断面積が０．１ｃｍ2である１メートル長のＭｇＢ2／Ｇａ（３０体積％）ロッドは、４０Ｋで０．０２Ωの常伝導状態抵抗を有する。１０メートル長のこのロッドは、４０Ｋで０．２Ωの常伝導状態抵抗を有する。
【０１２４】
好ましくは、配電網用途のための有効なＦＣＬ構成要素は、配電網の電源抵抗を超える抵抗を有する。一般的に、これは、有効なＦＣＬ構成要素を加工するためには、長さが長い超電導材料を用いなければならないことを意味する。
【０１２５】
ＨＴＳセラミック又はＭｇＢ2を超電導材料とする複合材粉末入りチューブの超電導ワイヤは、非常に長い長さを製造することができるために、ＦＣＬ構成要素における使用に対して魅力的である。長さが長いこれらの導体は、常伝導金属状態において高い抵抗を有するが、この用途におけるワイヤの使用に付随する他の問題を発生する。ワイヤベースのＦＣＬ構成要素の重大な欠点は、この構成要素が、一般的にワイヤをコイルへと巻くことによって形成される点である。このコイルは、システムのインピーダンスに誘導成分を追加する。一般的には、これは有用であるが、故障状態中にインダクタンスがＦＣＬ構成要素のインピーダンスに加わるために、加わったインダクタンスは、システムの時間定数も増大させる（すなわち、ＦＣＬシステムが、漏電により緩慢に応答する）。更に、粉末入りチューブのワイヤの幾何学形状は、交流状態の下で著しい損失を被る。これらの損失は、複合ワイヤの常伝導金属被覆における渦電流の発生から生じる。導体の長さが長くなる程、この交流電流によって発生する電力はより大きくなる。複合超電導ワイヤにおけるＡＣ損失のこの現象は、当業技術で公知であり、この用途においては、ＦＣＬ構成要素の作動温度において極低温熱負荷を著しく増大させる。
【０１２６】
バルクＨＴＳセラミックロッド又はチューブもまた、ＦＣＬ構成要素における用途に対して魅力的な材料である。しかし、長さが長いこれらの材料を得るためには、多数のチューブを直列に組み立て、それによってＦＣＬ構成要素の常伝導状態金属抵抗を増大させる必要がある。図１５は、総合的なＦＣＬ構成要素１３２の抵抗を増大させるために、直列のＨＴＳセラミックチューブ１３０を組み立てるべき方法を例示している。各ＨＴＳセラミックチューブ１３０の間には、銅電流リード１３４への低抵抗接点が存在する。銅電流リード１３４は、ＨＴＳセラミックチューブ１３０間に低抵抗接点をもたらすが、これらは、超電導接点ではない。従って、ＨＴＳセラミックチューブ１３０を結合する多数の銅電流リード１３４においてｉ2Ｒが存在する。また、それによってＦＣＬ構成要素１３２の作動温度において著しい冷凍熱負荷が加わる。
【０１２７】
好ましくは、ＦＣＬ構成要素は、実質的に非誘導性幾何学形状に配列された（高速応答時間を維持するために）長さが長い超電導材料（高抵抗常伝導状態）から構成されることになり、これは、著しいＡＣ損失を受け難く（すなわち、超電導材料を囲む金属被覆がない）、更に、システムの作動温度において完全超電導（ｉ2Ｒ加熱を最小にするために）の構成要素から主に構成される。
【０１２８】
以下は、金属被覆によって囲まれておらず、いかなるインタフェースにおいても非超電導接点を用いて組み立てられていない、長さが長い超電導材料から成るＦＣＬ構成要素のための設計である。
【０１２９】
ＦＣＬ構成要素は、一連の肉薄正方形ＳＭＭＣプレートから組み立てられる。この例では、正方形プレートを作るために、ＭｇＢ2／Ｇａ（３０体積％）ＳＭＭＣ粉末が用いられる。図１６は、ＭｇＢ2／ＧａＳＭＭＣ粉末１５０を高密肉薄プレート１５２に形成する方法を例示している。ＭｇＢ2／ＧａＳＭＭＣ粉末１５０を成形モールド１５４の中に入れ、次に、機械プレス１５６内で肉薄正方形プレート１５８へと圧縮する。液圧、機械、又は等方圧（冷間又は熱間）プレスを用いた粉末の高密バルク部品への形成は、当業技術で公知である。モールド１５４から取り出すと、次に、圧縮したＳＭＭＣ粉末の蛇行経路１６１を作り出すために、肉薄正方形プレート１５８は、スリット又は分離１６０の交互パターンに薄切りされる。この方法でＳＭＭＣシートを裁断することにより、超電導複合材の有効経路長は劇的に増加する。
【０１３０】
長さが長いＦＣＬ構成要素は、一連の、蛇行電流経路を有するプレート、プレート間接触層、及び蛇行電流経路を分離する絶縁層を用いて組み立てられる。この処理は、図１８Ａ及び１８Ｂに例示しており、ここでは、隣接するプレート１５２Ａ及び１５２Ｂの蛇行電流経路を絶縁するためにガラスプレート１６２が用いられている。プレート１５２Ａ及び１５２Ｂ並びにガラスプレートによって形成される層は、プレス（熱間又は冷間）内で組み立てることができ、ホットプレス、超音波溶接などのような当業技術で公知の技術を用いて互いに溶融することができる。
【０１３１】
いくつかのこれらの層を積層する処理により、長い経路長の超電導複合材、従って、大きな常伝導状態金属抵抗が作り出される。この大きな抵抗は、バルク超電導材料において低抵抗銅接点又は超電導材料を囲む金属被覆を使用せずに得られるものである。従って、この処理によるＦＣＬ構成要素は、連続して接続したＨＴＳ−ＦＣＬロッドに見られるｉ2Ｒ損失、又はワイヤベースのＦＣＬ構成要素に見られるＡＣ損失を被らない。
【０１３２】
バルク蛇行経路ＦＣＬ構成要素１６６を図１９に例示している。図１９の矢印１６８は、電流が層を通過するに従って辿る交互の経路を示している。電流は、３次元経路内で蛇行する、すなわち、電流は、各個々のプレート（例えば、１５２Ｈ）の中で蛇行し、接触層を通じて蛇行プレート（例えば、１５２Ａ）から蛇行プレート（例えば、１５２Ｂ）へと通過するに従って前後の方向に蛇行する。隣接する経路及びプレート（例えば、１５２Ａ及び１５２Ｂ）からの電流は、反対方向に流れているために、この構成要素内の内部磁場は大幅に相殺し、すなわち、高電流状態におけるＦＣＬ構成要素１６６上の応力、渦電流損失、及びＦＣＬ構成要素１６６のインダクタンスを低減する。
【０１３３】
蛇行経路ＦＣＬ構成要素１６６の臨界電流及び常伝導状態抵抗は、特定のシステム仕様へと容易に操作することができる。ＦＣＬ構成要素１６６の臨界電流は、超電導材料の臨界電流密度及び蛇行経路の断面積によって判断される。ＦＣＬ構成要素１６６の常伝導状態抵抗は、蛇行電流経路の総合経路長によって判断される。この抵抗は、バルクＦＣＬ構成要素１６６における蛇行電流プレート１５２の個数を増すことによって容易に増大する。
【０１３４】
図１９に示している完全なＦＣＬ構成要素１６６は、絶縁層において熱フィンのような異なる部品を装備することができ、これらは、故障状態中に構成要素の冷却を助けることができる。
【０１３５】
螺旋又は円形経路のような他の蛇行電流経路が可能であり、これらは、特定の用途では好ましいと考えられる。
【０１３６】
蛇行電流ＦＣＬ構成要素を用いた混成電流制限システム
図２０は、蛇行電流経路ＦＣＬ構成要素１６６及び混成ＨＴＳ電流リード１７２及び１７４を有するＭｇＢ2ベースＳＭＭＣのＦＣＬシステム１７０を概略的に示している。この新しい混成設計は、漏電のマグニチュードを効率的に低減するために蛇行電流経路ＦＣＬ構成要素１６６の高い常伝導状態抵抗を利用し、低温における冷凍負荷を劇的に低減するためにＨＴＳセラミック材料の非常に低い熱伝導率を利用する。この例では、並列電流制限抵抗性分路が存在せず、漏電は、常時蛇行経路ＦＣＬ構成要素１６６を通過する。
【０１３７】
この設計では、電流は、銅区分１７６及びＨＴＳセラミック区分１７８から成る混成高電流リード１７２及び１７４、及びＭｇＢ2ベースＳＭＭＣ区分１８０を通じてＦＣＬシステム１７０に流入する。電流リード１７２の銅区分１７６は、液体又は蒸気冷却することができ、約７７Ｋに冷却された冷凍段階への熱漏れを最小にするために断面積が最適化される。７７Ｋ段階では、銅電流区分１７６は、低抵抗率の継ぎ手を通じてバルクＨＴＳセラミック区分１７８に付着される。ＨＴＳセラミック区分１７８は、バー、チューブ、円筒、プレートのような形態とすることができる。ＨＴＳセラミック区分１７８は、非常に低い熱伝導率を有するように設計され、従って、好ましくは、銅区分１７６をシステムの低温領域に接続するいかなる金属分路も存在すべきではない。ＨＴＳセラミック区分１７８は、ＦＣＬシステム１７０の低温レベルで終端し、ここでそれは、ＭｇＢ2ベースＳＭＭＣ区分１８０に接続する。好ましくは、ＨＴＳセラミック区分１７８とＭｇＢ2ベースＳＭＭＣ区分１８０との間の接点は、完全超電導接点である。ＭｇＢ2ベースＳＭＭＣ区分１８０は、ＦＣＬシステム１７０の低温レベルで終端し、ここでそれは、蛇行経路ＭｇＢ2ベースＳＭＭＣのＦＣＬ構成要素１６６に接続する。ＦＣＬ構成要素１６６を通過した後、電流は、次に、第２のＭｇＢ2ベースＳＭＭＣ電流区分１８２、第２のＨＴＳセラミック区分１７８、及び第２の最適化済み銅電流区分１７６を通過し、システム１７０を通過して出る。
【０１３８】
ＦＣＬ構成要素１６６の臨界電流よりも弱い電流においては、電流は、銅電流区分１７６、完全超電導ＨＴＳセラミック区分１７８、完全超電導ＭｇＢ2ベースＳＭＭＣ区分１８０及び１８２、及び完全超電導蛇行経路ＭｇＢ2ベースＳＭＭＣのＦＣＬ構成要素１６６を通過する。漏電状態では、電流は、銅区分１７６、ＨＴＳセラミック区分１７８、ＭｇＢ2ベースＳＭＭＣ区分１８０及び１８２、及び蛇行経路ＭｇＢ2ベースＳＭＭＣのＦＣＬ構成要素１６６を通過する。これらの高電流状態では、蛇行経路ＭｇＢ2ベースＳＭＭＣのＦＣＬ構成要素１６６は、電力網に付加的なインピーダンスを加え、漏電のマグニチュードを低減する。この例では、漏電は、ＨＴＳセラミック区分１７８を通過する。従って、特定のシステムにおいて起こり得る漏電がＨＴＳ又はＭｇＢ2ベースＳＭＭＣ区分１７８、１８０、又は１８２の臨界電流を超過しないようにＨＴＳセラミック区分１７８を設計することが重要である。漏電がＨＴＳ構成要素又はＭｇＢ2ベースＳＭＭＣ電流リードのＩCを超えると、上述のようにＦＣＬシステム１７０の壊滅的障害をもたらす場合がある。また、漏電は、故障中は抵抗状態にある蛇行経路ＭｇＢ2ベースＳＭＭＣのＦＣＬ構成要素１６６を通過し、すなわち、故障の継続時間にわたって著しいｉ2Ｒ加熱を発生させることになる。
【０１３９】
図２０のシステム１７０は、他の全ての点において図１１のシステム６０と同じである。
【０１４０】
図２０に例示している設計は、ＨＴＳセラミックとＭｇＢ2ベースＳＭＭＣ材料との間に完全超電導接点を確立することにより、ＦＣＬシステムの低温領域におけるｉ2Ｒ電力損失を排除又は劇的に低減する。
【実施例】
【０１４１】
実施例：４０Ｋで１０Ωの常伝導状態抵抗を有する蛇行経路ＦＣＬ
この実施例では、４０Ｋでの１０Ωの常伝導状態抵抗と、液体ネオンの温度である２７Ｋでの５００Ａの臨界電流とを有する蛇行経路ＦＣＬを加工するために、ＭｇＢ2ベースＳＭＭＣ粉末を用いる。バルクＭｇＢ2／Ｇａ（３０体積％）ＳＭＭＣの抵抗率は、４０Ｋで約２０μΩである。バルクＭｇＢ2／Ｇａ（３０体積％）ＳＭＭＣの臨界電流密度は、２７Ｋの自己場において８，０００Ａ／ｃｍ2である。
【０１４２】
２７Ｋで約５００ＡのＩCを達成するためには、次式が成立する。
断面積＝（５００Ａ）／（８，０００Ａ／ｃｍ2）＝６．２５ｘ１０-2ｃｍ2
【０１４３】
蛇行プレート厚を０．２ｃｍと仮定すると、次式が成立する。
蛇行ストリップ幅＝（６．２５ｘ１０-2ｃｍ2）／（０．２ｃｍ）＝０．３１２５ｃｍ＝３．１２５ｍｍ
【０１４４】
２０ｃｍｘ２０ｃｍ、２ｍｍ厚のＭｇＢ2／ＧａＳＭＭＣ正方形プレートは、当業技術で公知の粉末圧縮技術を用いて加工する。図１７に例示しているように、約３ｍｍ幅の蛇行ストリップを生成するために、１ｍｍ幅のスライスを交互パターンに裁断する。これらの裁断は、プレートの縁部から約１８ｃｍ延び、約２ｃｍの非裁断部分を残す。従って、蛇行ストリップにスライスを加えた全幅は、約４ｍｍであり、単一の２０ｃｍｘ２０ｃｍプレートから合計５０枚の蛇行ストリップを加工することができる。蛇行経路が１８ｃｍの長さであると仮定し、プレート毎に５０枚のストリップがあると仮定すると、各蛇行プレートの抵抗は、次式になる。
【０１４５】
プレート抵抗＝５０｛［（２０μΩｃｍ）（１８ｃｍ）］／（６．２５ｘ１０-2ｃｍ2）｝＝０．２９Ω
各蛇行プレートが〜０．２９Ωの常伝導状態抵抗を有すると、約３５枚のプレートの積層は、蛇行経路ＦＣＬ構成要素に約１０Ωに等しい常伝導状態抵抗を与えることになる。
【０１４６】
蛇行電流ＦＣＬ構成要素を用いた混成電流制限システムの代替設計
図２１は、蛇行電流ＦＣＬ構成要素１６６、混成ＨＴＳ電流リード１７２及び１７４、並びにＭｇＢ2ベースＳＭＭＣ区分１８０及び１８２を有するＭｇＢ2ベースＳＭＭＣのＦＣＬシステムの代替設計２００の概略を示している。図２０の実施形態と同様に、図２１の実施形態は、漏電のマグニチュードを効率的に低減するために、蛇行電流経路ＦＣＬ構成要素１６６の高い常伝導状態抵抗を利用し、低温における冷凍負荷を劇的に低減するために、ＨＴＳセラミック材料の非常に低い熱伝導率を利用する。更に、並列電流制限分路抵抗２０２は、極低温システムの外側、又はＦＣＬ構成要素１６６と並列に位置している。この幾何学形状は、故障状態の最中の漏電によるＨＴＳ及びＭｇＢ2ベースＳＭＭＣ電流リードの両方の損傷の可能性を阻止する。
【０１４７】
この設計では、電流は、各々が銅区分１７６、ＨＴＳセラミック区分１７８、及びＭｇＢ2ベースＳＭＭＣ区分１８から構成された混成高電流リード１７２及び１７４を通じてＦＣＬシステム２００に流入する。抵抗性分路２０２のインピーダンスは、銅／ＨＴＳセラミック／ＭｇＢ2ベースＳＭＭＣ混成区分１７２及び１７４、及び蛇行経路ＭｇＢ2ベースＳＭＭＣのＦＣＬ構成要素１６６の組合せよりも非常に大きいために、電流は、銅区分１７６に及ぶ抵抗性分路２０２を通過しない。電流リード１７２の銅区分１７６は、液体又は蒸気冷却することができ、約７７Ｋに冷却された冷凍段階への熱漏れを最小にするために断面積が最適化される。７７Ｋ段階では、銅電流区分１７６は、低抵抗率の継ぎ手を通じてバルクＨＴＳセラミック区分１７８に付着される。ＨＴＳ区分１７８は、バー、チューブ、円筒、プレートのような形態とすることができる。ＨＴＳセラミック区分１７８は、非常に低い熱伝導率を有するように設計され、従って、好ましくは、銅区分１７６をシステムの低温領域に接続するいかなる金属分路も存在すべきではない。ＨＴＳセラミック区分１７８は、ＦＣＬシステム２００の低温レベルで終端し、ここでそれは、ＭｇＢ2ベースＳＭＭＣ区分１８０に接続する。好ましくは、ＨＴＳセラミック区分１７８とＭｇＢ2ベースＳＭＭＣ区分１８０との間の接点は、完全超電導接点である。ＭｇＢ2ベースＳＭＭＣ区分１８０は、ＦＣＬシステム２００の低温レベルで終端し、ここでそれは、蛇行経路ＭｇＢ2ベースＳＭＭＣのＦＣＬ構成要素１６６に接続する。ＦＣＬ構成要素１６６を通過した後、電流は、次に、ＭｇＢ2ベースＳＭＭＣ電流リード１８２、混成電流リード１７４のＨＴＳ電流リード１７８、混成電流リード１７４の銅電流区分１７６を通過し、システム２００を通過して出る。
【０１４８】
ＦＣＬ構成要素１６６の臨界電流よりも弱い電流では、電流は、銅区分１７６、完全超電導ＨＴＳセラミック及び完全超電導ＭｇＢ2ベースＳＭＭＣ区分１７８、１８０、及び１８２、並びに完全超電導蛇行経路ＭｇＢ2ベースＳＭＭＣのＦＣＬ構成要素１６６を通過する。故障状態の開始時には、電流は、銅区分１７６、ＨＴＳセラミック区分１７８、及びＭｇＢ2ベースＳＭＭＣ区分１８０及び１８２、並びに蛇行経路ＭｇＢ2ベースＳＭＭＣのＦＣＬ構成要素１６６を通過する。電流レベルが蛇行経路ＭｇＢ2ベースＳＭＭＣのＦＣＬ構成要素１６６の臨界電流を超えると、この構成要素１６６の抵抗は劇的に上昇し、漏電の大部分は、電流制限分路２０２を通じるように経路変更される。この分路２０２は、電力網に付加的なインピーダンスを追加し、漏電のマグニチュードを低減する。この例では、漏電の大部分は、セラミック区分１７８、並びにＭｇＢ2ベースＳＭＭＣ区分１８０及び１８２を通過しない。好ましくは、セラミック区分１７８並びにＭｇＢ2ベースＳＭＭＣ区分１８０及び１８２は、故障中に超電導状態のままに留まる。セラミック区分１７８、並びにＭｇＢ2ベースＳＭＭＣ区分１８０及び１８２を高電流サージによって起こり得る急冷から保護するために、蛇行経路ＭｇＢ2ベースＳＭＭＣのＦＣＬ構成要素１６６の臨界電流は、セラミック区分１７８とＭｇＢ2ベースＳＭＭＣ区分１８０及び１８２との両方の臨界電流よりも弱くなければならない。蛇行経路ＭｇＢ2ベースＳＭＭＣのＦＣＬ構成要素１６６がより小さなＩCを有するように設計することにより、構成要素１６６は、損壊し易いＨＴＳセラミック区分１７８、ＭｇＢ2ベースＳＭＭＣ区分１８０及び１８２、並びに下流のユーティリティハードウエアを、損傷を与える漏電レベルから本質的に保護する。本質的に蛇行経路ＭｇＢ2ベースＳＭＭＣのＦＣＬ構成要素１６６は、故障中にシステム２００の他の電流搬送構成要素を損傷する可能性があるレベルまで電流が上昇する前に高い常伝導状態抵抗に復帰し、抵抗性電流制限分路２０２を通るように、損傷を与える電流を経路変更する。従って、特定のシステムにおいて起こり得る漏電が、ＨＴＳセラミック区分１７８並びにＭｇＢ2ベースＳＭＭＣ区分１８０及び１８２の臨界電流を超過しないように、ＨＴＳセラミック区分１７８、並びにＭｇＢ2ベースＳＭＭＣ区分１８０及び１８２を設計することが重要である。
【０１４９】
図２１のシステム２００は、他の点において図２０のシステム１７０と同じである。
【０１５０】
ある一定の例示的な実施形態を説明して添付図面に示したが、そのような実施形態は、単に例示的なものであって本発明を制限するものではないこと、及び当業者には修正を想起することができるので、本発明は、示して説明した特定の構成又は配置に制限されないことは理解されるものとする。
【図面の簡単な説明】
【０１５１】
【図１】ｎ値の意味を例示する電流対電界のグラフである。
【図２】ＦＣＬモジュールの同等回路図である。
【図３】ＦＣＬモジュールにおける電流対インピーダンスのグラフである。
【図４】超電導金属マトリクス複合材における体積％金属マトリクス材料対ｎ値のグラフである。
【図５】超電導金属マトリクス複合材における体積％金属マトリクス材料対臨界電流のグラフである。
【図６】第Ｉ種及び第ＩＩ種超電導体間の急冷機構の相違を例示するＦＣＬモジュールに対する電流対正規化抵抗のグラフである。
【図７】本発明の一実施形態によるＳＭＭＣ内の磁気抵抗性金属マトリクス材料から構成されたＦＣＬモジュールの側面図である。
【図８】ＳＭＭＣのＦＣＬ構成要素内の応力破断部を熱の印加によって治すことができる方法を例示する図である。
【図９Ａ】配電網において電気構成要素を保護するためのＦＣＬシステムの使用を例示する回路図である。
【図９Ｂ】図９ＡのＦＣＬシステムのＦＣＬモジュールの側面図である。
【図１０】ＭｇＢ2／ＧａのＳＭＭＣのＦＣＬ構成要素アセンブリの断面側面図である。
【図１１】本発明の第１の実施形態によりＦＣＬモジュールがＦＣＬシステムの低温領域内に存在するＦＣＬシステムの側面図である。
【図１２】本発明の第２の実施形態により抵抗性電流制限分路がＦＣＬシステムの低温領域の外側に位置するＦＣＬシステムの側面図である。
【図１３】ＨＴＳ構成要素を故障中に損傷から保護するためのＨＴＳ及びＭｇＢ2ベースの構成要素の臨界電流要件を例示する電流対電界のグラフである。
【図１４】１０ＭＷ（１０ｋＶ、１ｋＡ）の配電網において電気構成要素を保護するためのＦＣＬシステムの使用を例示する回路図である。
【図１５】抵抗性銅接続継ぎ手を用いて複数のＨＴＳセラミック構成要素を直列に組み立てる方法を例示する側面図である。
【図１６】ＭｇＢ2／Ｇａ粉末を肉薄正方形プレートに形成する方法を例示する側面図である。
【図１７】蛇行電流経路を作り出すために一連の交互裁断が行われた後のＭｇＢ2／Ｇａプレートの側面図である。
【図１８Ａ】一連のプレートを組み立てることによってバルクＭｇＢ2／Ｇａ蛇行電流経路ＦＣＬ構成要素を組み立てる方法を例示する側面図である。
【図１８Ｂ】一連のプレートを組み立てることによってバルクＭｇＢ2／Ｇａ蛇行電流経路ＦＣＬ構成要素を組み立てる方法を例示する斜視図である。
【図１９】個々のプレートを中実体に溶融した後の組み立て済み蛇行電流経路ＦＣＬ構成要素の斜視図である。
【図２０】本発明の第３の実施形態により図１９の蛇行電流経路ＦＣＬ構成要素がＦＣＬシステムの低温領域内に存在するＦＣＬシステムの断面側面図である。
【図２１】本発明の第４の実施形態により蛇行経路ＦＣＬ構成要素及び抵抗性電流制限分路を用いた混成ＦＣＬシステムの断面側面図である。
【符号の説明】
【０１５２】
５０  ＭｇＢ2／ＧａのＳＭＭＣのＦＣＬロッド
５２  複合材粉末
５４  Ｇ１０チューブ
５６  銅電流リード
【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９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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