JP2009212522A - 電流調整用超電導装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高速応答時間及び短回復時間で電流を調整し、かつ、コスト効率よく生産することが可能な超電導装置を提供する。
【解決手段】 輸送電流が臨界値を超えると、ゼロ抵抗になる超電導状態から非ゼロ抵抗になるクエンチ状態に遷移することが可能なクエンチ可能超電導体（１）と、クエンチ可能超電導体（１）に電気的に結合され、クエンチ可能超電導体に熱的に結合される第１の金属部材（２）とを備える超電導装置であって、抵抗素子（４）と、抵抗素子を前記第１の金属部材（２）に電気的に結合するための手段（５）とを有する第２の金属部材（３）を備え、前記抵抗素子（４）が第１の金属部材から熱的に切り離されており、第１の金属部材（２）の電気抵抗が、第２の金属部材（３）の電気抵抗に比べて大きいものとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力調整装置に用いられる超電導装置に関するものである。とりわけ、本発明は、超電導変圧器、超電導障害電流制限器、位相補正用超電導電力装置等に用いられる超電導装置に関するものである。

変圧器としての超電導電力調整装置、電流調整装置（またはいわゆる障害電流制限器）の構造及び機能性に関する原理については、例えば電流調整用の超電導装置を開示した先行技術文献（特許文献１参照）によって一般に知られている。この装置は、輸送電流が臨界値を超えると、ゼロ抵抗になる超電導状態から非ゼロ抵抗になるクエンチ状態に遷移することが可能なクエンチ可能超電導体をベースにしたものである。この装置には、さらにクエンチ可能超電導体と電気的に結合した金属部材が含まれている。この金属部材は、クエンチ可能超電導体と熱的に結合した抵抗素子（薄い金属の単層または積層のような）から構成されている。この装置には、超電導素子の異なる部分間及び超電導素子と冷却器または冷却媒体の間で冷却及び熱交換を行うための手段、及び、電気的結合手段も含まれている。動作時、クエンチ可能超電導体は、回路過電流時における装置のインピーダンス増大に応答可能であり、これにより、障害電流を所定のレベルに制限することになる。特許文献１に基づいて層として成形される金属部材のタスクは、臨界電流のわずかな不均一性を含む装置を容易に破壊する可能性がある局所過熱（いわゆる「ホットスポット」）からクエンチ可能超電導体を防護することにある。

同様ではあるが、電流輸送方向において周期的に断続する金属部材を備えた装置が、先行技術文献によって既知のところである（例えば特許文献２参照）。抵抗素子としてのこうした金属部材は、蛇行形状の層として形成することが可能である。超電導表面ステーの主部が金属部材と直接接触するので、この装置には金属部材とクエンチ可能超電導体との完全な熱結合部が含まれている。過電流下の試験において、この装置には、長いクエンチ遷移時間（３〜５ｍｓ）と、電流輸送の中断後、クエンチ可能超電導体が初期超電導状態に復帰するのに必要な時間に相当する長い回復時間（一般に８００〜１５００ｍｓ）が伴う。

電流調整のためのもう１つの超電導装置が、先行技術文献により既知のところである（例えば非特許文献１参照）。この装置には、クエンチ可能超伝導体、金属部材、超電導素子の異なる部分間及び超電導素子と冷却媒体との間で冷却及び熱交換を行うための手段、及び、電気的結合手段が含まれている。金属部材には、抵抗素子、及び、クエンチ可能超電導体と電気的に結合するための手段が含まれている。金属部材は、クエンチ可能超電導体と電気的及び熱的に結合される。電気的結合は、クエンチ可能超電導体に結合された複数のインジウム線及び金薄膜をベースにした金属ストリップに接合された複数のインジウム線によって施される。熱的結合は、ある部分では電気的結合に用いられる手段（Ｉｎ（インジウム）線）によって、また、別の部分では金薄膜に及びクエンチ可能超電導体の層が付着した基板（ＬａＡｌＯ₃）に結合されたＩｎ線に流れる横断熱流を介して生じる。

先行技術文献（例えば特許文献３参照）によって既知の電流調整用超電導装置には、クエンチ可能超電導体と、クエンチ可能超電導体に電気的に結合した金属部材が含まれている。この装置には、さらに、電気的結合手段と、冷却器または冷却媒体との熱交換を通じて装置の異なる部分を冷却するための手段が含まれている。金属部材は、抵抗箔で造られた抵抗素子をベースにしたものである。抵抗素子で発生する熱のかなりの部分が接合領域を介して超電導体に伝達されるので、金属部材の抵抗素子はクエンチ可能超電導体と熱的に結合していることになる。こうなるのは、クエンチ様態における熱が金属部材全体にわたって、従ってこれらの接合部のすぐ近くで生じるためである。クエンチ可能超電導体の表面に対する法線方向と超電導体の非クエンチ状態における電流輸送方向の両方に対して平行な平面で見た場合に、抵抗箔は波形状または「ジグザグ」形状をなしている。クエンチ及び回復ステップにおいて、この装置には中位のクエンチ遷移時間（１〜３ｍｓ）と長い回復時間（一般に２００〜８００ｍｓ）が伴う。

上述の装置の全てが、超電導装置に直列に接続された外部回路の電流を調整することを目的としている。それらの装置は、過電流を制限することになる電流制限器の機能を果たすことが可能である。しかしながら、先行技術による装置には、多くの用途にとって遅すぎ、電力の効率的制御にとって遅すぎる可能性のある反応時間及び回復時間（各クエンチ事象に後続する）が伴う。

電流調整装置の性能をさらに向上させることと、高速回路保護を施すためだけではなく、こうした保護にとって望ましい迅速な動特性並びにエネルギ供給の信頼性をもたらすためにもはるかに短い応答及び回復時間が必要とされる、より効率のよい電力制御を行うことが望ましい。

さらに、上述の装置には、クエンチ可能な超電導体と金属部材との間に不均一な場合によっては非再現性の分流を生じる結果となる過負荷時の不十分な安定性が伴う。従って、このために過負荷時の損傷しきい値が不十分になる。

欧州特許出願公開第０ ３４５ ７６７ Ａ１号明細書 独国特許出願公開第１９８ ５６ ４２５Ａ１号明細書 独国特許発明第１０２ ２６ ３９３Ｂ４号明細書

ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ａｐｐｌ．Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄ．、１９９９年、第９巻、ｐ．１３６５−１３６８

本発明の目的は、高速応答時間及び短回復時間で電流を調整する超電導装置を提供することにある。

本発明のもう１つの目的は、よりコスト効率よく生産することが可能な超電導装置を提供し、過負荷時における装置の損傷しきい値を増すことにある。

輸送電流が臨界値を超えると、ゼロ抵抗になる超電導状態から非ゼロ抵抗になるクエンチ状態に遷移することが可能なクエンチ可能超電導体を備える電流調整用の超電導装置が提供される。第１の金属部材がクエンチ可能超電導体に電気的及び熱的に結合している。超電導装置には、さらに、抵抗素子と、この抵抗素子を第１の金属部材と電気的に結合するための手段とを含む第２の金属部材を備えている。第２の金属部材の抵抗素子は第１の金属部材から熱的に切り離されている。第１の金属部材の電気抵抗は第２の金属部材に比べてかなり大きい。

ある実施形態では、それぞれが第１の金属部材と抵抗素子とを電気的に接合する複数のストリップを電気的結合手段として用いることにより、第２の金属部材の抵抗素子が、第１の金属部材と電気的に結合される、電流調整用の超電導装置が提供される。

第１の金属部材と電気的に結合するための手段には、冷却器及び冷却媒体と熱的に結合するための追加手段を含むことが可能であり、これらの追加手段には、複数のストリップに属するストリップの１つに設けられた追加接触面が含まれるが、この接触面はストリップの中央に位置するのが望ましい。

複数のストリップは、第１の金属部材の全表面の２〜３０％の面積率を有する接合領域を備えた第１の金属部材に接合することが可能である。

実施形態の１つでは、第１の金属部材に接合したストリップの少なくとも一部に、超電導状態にあるクエンチ可能超電導体中における電流の流れの方向に対して４５°〜１３５°の角度を有する接合部分が含まれている。

抵抗素子と第１の金属部材は、熱伝導率の低い媒体または冷却媒体によって間隔をあけて配置することが可能である。

ある実施形態の場合、各ストリップの電気抵抗は、超電導状態にあるクエンチ可能超電導体中における電流の流れの方向において２つの近傍ストリップ間で測定される抵抗素子の電気抵抗に比べて１０〜２０００分の１になるが、クエンチ状態にあるクエンチ可能超電導体の電気抵抗は、第１の金属部材の電気抵抗に比べて２〜５００倍の変動幅で大きい。

ある実施形態では、第１の金属部材の電気抵抗は、第２の金属部材の電気抵抗に比べて５〜２００倍の変動幅で大きい。第１の金属部材の単位長当たり熱容量は、第２の金属部材に比べて５〜２０００分の１とすることができる。

ある実施形態では、クエンチ可能超電導体は少なくとも１つの緩衝層が設けられた基板上に付着した超電導膜である。

ある実施形態では、クエンチ可能超電導体は、基板、基板上に配置された少なくとも１つの緩衝層、緩衝層上に配置されたキャップ層、及び、キャップ層上に配置された超電導膜といった断面構造を備えることが可能である。

いくつかの実施形態では、基板はＮｉ−Ｃｒステンレス鋼とすることも、あるいは、ハステロイとりわけハステロイＣ２７６のようなＮｉ−Ｃｒ合金とすることも可能である。基板の厚さは０．０１ｍｍ〜１ｍｍの範囲内とすることが可能である。

少なくとも１つの緩衝層は、基板表面から最後の緩衝層の外表面までの距離である０．３マイクロメートル〜３マイクロメートルの全厚を有することが可能である。

さらなる実施形態では、少なくとも１つの緩衝層が、面内結晶構造を示すようなやり方で設けられる。この緩衝層は、面内構造を有する緩衝層の下にある基板に緩衝層をエピタキシャル成長させることによって設けることが可能である。この緩衝層は、例えばＩＢＡＤ（イオンビームアシスト蒸着）によって設けることが可能である。

少なくとも１つの緩衝層は、それ自体の面内結晶構造によって超電導膜内に面内結晶構造が誘発されるようなやり方で設けられる。

キャップ層は、ＣｅＯ₂及び／またはＺｒ、Ｂａ、Ｇｄ、Ｙの他の酸化物を含むことが可能であり、０．０２マイクロメートル〜０．３マイクロメートルの厚さを有することが可能である。

クエンチ可能超電導体は、上述の構造、基板、単一または複数の緩衝層、キャップ層に付着した薄膜の形態で設けることが可能である。超電導膜の厚さは０．３マイクロメートル〜１０マイクロメートルとすることが可能である。

クエンチ可能超電導体は、組成物Ｒｅ_xＢａ_yＣｕ_zＯ_7-uを備えることができるし、あるいは、（Ｒｅ１_w＋Ｒｅ２_x-w）Ｂａ_yＣｕ_zＯ_7-uのような混合物を備えることも可能であるが、ここで、Ｒｅ、Ｒｅ１、及び、Ｒｅ２は、Ｙ、Ｈｏ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｓｃ、Ｔｕ、Ｔｂ、Ｄｙ、及び、Ｙｂから構成されるグループからの１つ以上の金属を表わし、Ｒｅ１はＲｅ２と異なり、ｘは０．８〜１．２の範囲から選択され、ｙは１．６〜２．４の範囲から選択され、ｚは２．４〜３．６の範囲から選択され、ｕ及びｗは０．０５〜０．９５の範囲から選択される。

さらなる実施形態では、第１の金属部材は、Ａｇ、Ａｕ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｗ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏのような通常金属またはこれらの金属の１つ以上を含む合金からなる層とすることが可能であり、第２の金属部材は、Ａｇ、Ａｕ、Ｒｅ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｗ、Ｔａ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｍｏのような１つ以上の通常金属またはこれらの金属の組合せまたはそれらの合金を含む１つまたは複数の材料をベースにしている。第１の金属部材と電気的に結合するための手段には、ハンダ接合または／及び点溶接接合が含まれる。第１の金属部材及び第２の金属部材には、さらに、アセンブリの外表面の一方に取り付けられた絶縁スペーサが含まれており、絶縁スペーサは、冷却媒体に対して部分的に透明である。

ある実施形態では、超電導装置には、さらに、クエンチ可能超電導体に外部電流源を電気的に結合するための手段及び／または冷却器または冷却媒体との熱交換を通じて装置の少なくともいくつかの部分を冷却するための手段が含まれている。
本発明による超電導装置については、下記の図面及び説明を参照することによってより明確に理解することが可能である。図中の構成要素は必ずしも一定の比率ではなく、むしろ装置の原理を例証することに重きが置かれている。さらに、図中における同様の参照番号は対応する部分を表わしている。

第１の実施形態による電流調整用の超電導装置の概略図である。 第２の実施形態による電流調整用の超電導装置の略正面図（Ａ）及び略側面図（Ｂ）である。 第３の実施形態による電流調整用の超電導装置の概略図である。 第４の実施形態による電流調整用の超電導装置の概略図である。 第５の実施形態による電流調整用の超電導装置を例示した図である。 第６の実施形態による電流調整用の超電導装置を例示した図である。 第７の実施形態による絶縁アセンブリを含む電流調整用の超電導装置を例示した図である。

図１には、電流調整用の超電導装置の概略図が例示されている。この装置には、クエンチ可能超電導体１、クエンチ可能超電導体１に電気的に結合された第１の金属部材２、第１の金属部材２に電気的に結合された第２の金属部材３が含まれている。

第１の金属部材２は、第１の金属部材２とクエンチ可能超電導体１との間における表面体表面の直接接触によってクエンチ可能超電導体１と熱的及び電気的に結合している。

超電導装置には、抵抗素子４と第１の金属部材に電気的に結合するための手段５を具備した第２の金属部材３が含まれている。第２の金属部材３の抵抗素子４は、第１の金属部材２から熱的に切り離されている。この熱的分断を実現するため、第２の金属部材３の抵抗素子４及び第１の金属部材２は、互いに間隔をあけて配置されている。抵抗素子４と第１の金属部材２との間隔は、熱伝導率の低い媒体によって、または、超電導装置の動作時には冷却媒体（図１には示されていない）によってほぼ充填される。

本明細書において用いられる限りにおいて、熱的に切り離されているとは、抵抗部材４の温度上昇または低下が、クエンチ可能超電導体１の対応する温度上昇または低下を生じさせることができないし、またその逆も同様である構成を表わしている。

第１の金属部材２は、第２の金属部材３の電気抵抗に比べてかなり大きい電気抵抗を有している。

本明細書において用いられる限りにおいて、第１の金属部材の有する電気抵抗が第２の金属部材に比べてかなり大きいは、少なくとも２倍と定義される。

第２の金属部材３の抵抗素子４は、電気的結合手段として複数のストリップ５を用いて第１の金属部材２に電気的に結合されている。こうしたストリップの１つ５ａの概略が図１に例示されている。各ストリップ５ａは、第１の金属部材２及び抵抗素子４と電気的に接合されている。

第１の実施形態において、抵抗部材４はストリップ形状をなし、その長さ方向が、やはりストリップ形状をなすクエンチ可能超電導体の長さ方向に対してほぼ平行になり、抵抗部材４がクエンチ可能超電導体１の側縁に隣接してある距離をあけた位置につくように構成されている。抵抗部材４及びクエンチ可能超電導体１の主表面はほぼ同一平面上にある。

第２の金属部材のストリップ５ａは抵抗部材４の側縁及びクエンチ可能超電導体１の側縁に対してほぼ垂直に延びており、ストリップ５ａの各端部がそれぞれ第１の金属部材２の主表面及び抵抗素子４の主表面上に位置するようになっている。

第１の金属部材に電気的に結合するための手段５には、冷却器または冷却媒体に熱的に結合するための追加手段６が含まれている。この追加手段には、ストリップ５ａに設けられた追加接触面７が含まれている。接触面７は、抵抗部材４とクエンチ可能超電導体１の間のスペース内に位置するようにストリップ５ａの中央に配置するのが望ましい。

この実施形態で用いられるクエンチ可能超電導体１は、基板９上に形成した超電導膜８である。超電導状態において、クエンチ可能超電導体は図１の矢印１０で示すストリップ状超電導体１の長さ方向に電流を輸送する。

超電導膜８の化学組成は、パルスレーザ蒸着によって基板９上に形成したＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_6-8に相当する。超電導膜８の厚さは、０．３〜４．０マイクロメートルの範囲で変動可能であり、ある実施形態では、１．１マイクロメートルの厚さが利用された。

他の実施形態では、超電導膜８は、一般式がＲｅ_xＢａ_yＣｕ_zＯ_7-uまたは（（Ｒｅ１_w＋Ｒｅ２_x-w）Ｂａ_yＣｕ_zＯ_7-u）の組成物を有しており、ここで、Ｒｅ、Ｒｅ１、Ｒｅ２はＹ、Ｈｏ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｓｃ、Ｔｕ、Ｔｂ、Ｄｙ、及び、Ｙｂから構成されるグループからの１つ以上の金属を表わし、Ｒｅ１はＲｅ２と異なっており、ｘは０．８〜１．２の範囲から選択され、ｙは１．６〜２．４の範囲から選択され、ｚは２．４〜３．６の範囲から選択され、ｕ及びｗは０．０５〜０．９５の範囲から選択される。

基板９は、ある実施形態では厚さ０．１ｍｍで幅４ｍｍのよく磨き上げられたステンレステープから製作される。基板９は、ＮｉまたはＮｉ−Ｃｒ合金、Ｎｉ−Ｃｒステンレス鋼、または、ハステロイとりわけハステロイＣ２７６のようなＮｉ−Ｃｒ合金、または、イットリア安定化ジルコニア、アルミナ、セリアのようなセラミックス等といったさまざまな材料をベースにすることが可能である。基板９は、上述の材料からのさまざまな材料による副層から構成することも可能である。基板の厚さは、電力消費及び超電導装置の性能に関する他の要件によって１０マイクロメートル〜３００マイクロメートルの範囲で変動する可能性がある。もう１つの実施形態では、基板の厚さは０．０１ｍｍ〜１ｍｍである。

基板９には、超電導膜８の質の向上を可能にする少なくとも１つの緩衝層（図１には示されていない）が設けられている。この少なくとも１つの緩衝層は、面内結晶構造をなすようなやり方で設けられる。最も外側の緩衝層またはキャップ層が設けられる場合には、最も外側の緩衝層に付着した超電導膜に望ましい構造とりわけ面内構造を生じさせることが可能である。これにより、臨界電流密度、とりわけ、印加される磁場内にある超電導膜の臨界電流密度が増すことになる。

緩衝層は、単層として形成することもできるし、あるいは、いくつかの副層を具備することも可能である。副層には、イットリア、セリア、アルミナ、イットリア安定化ジルコニア、ガドリニア、ジルコン酸ガドリニウム、窒化チタン、または、それらの組合せから構成されるグループからのさまざまな酸化物または窒化物を含むことが可能である。この少なくとも１つの緩衝層は、０．３マイクロメートル〜３マイクロメートルの全厚すなわち基板表面から最後の緩衝層の外表面までの距離を有することが可能である。

実施形態の１つでは、緩衝層として２つの副層が用いられた。第１の副層は、緩衝層が１０．５°の半値全幅角を特徴とする面内構造をなすようなやり方で、イオンビームアシストスパッタリングによって付着させたイットリア安定化ジルコニア層である。緩衝層の典型的な厚さ範囲は、０．５〜２マイクロメートルである。ある例では、１．６マイクロメートルの厚さが用いられた。

第２の副層は、厚さが０．０３〜０．６マイクロメートルのセリア（ＣｅＯ₂）層である。検討例の場合、セリアの厚さは０．１マイクロメートルであった。ＣｅＯ₂層は、パルスレーザ蒸着によって付着させた。緩衝層はいくつかの副層からなる単層としてさまざまな化学組成を備えることが可能である。

最も外側の緩衝層に、ＣｅＯ₂またはＺｒ、Ｂａ、Ｇｄ、Ｙの他の酸化物を含むキャップ層を設けることが可能である。キャップ層は、０．０２マイクロメートル〜０．３マイクロメートルの厚さを有することが可能である。

要するに、クエンチ可能超電導体は、基板／少なくとも１つの緩衝層／キャップ層／超電導膜といった断面構造を備えることが可能である。

第１の金属部材２は、超電導体のクエンチ時に超電導体に生じるホットスポットを放散させる分路の働きをすることが可能である。第１の金属部材２は、クエンチ可能超電導体表面に付着した厚さが０．０２マイクロメートルの通常金属（例えばＡｕ）の層とすることが可能である。装置の設計及び第１の金属部材２の製造に用いられる材料によって、この厚さは０．０１〜２マイクロメートルの範囲で変動する可能性がある。

第１の金属部材２となる通常金属の層を設けるために利用可能なその他の材料には、Ａｇ、Ａｕ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｗ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、または、これらの金属のいくつかを含む合金が含まれる。

通常金属層には、上述の材料をベースにしたいくつかの副層を含むことが可能である。例えば、第１の金属部材２は、Ａｇによる第１の副層、Ｃｕによる第２の副層、及び、Ｎｉによる第３の副層といった２つ以上の副層から構成することが可能である。

もう１つの実施形態の場合、例えばＣｕによる第２の副層は、第２の副層の局部をストリップ５ａとの接合（例えばハンダ付けによる）の対象にすることを可能ならしめるやり方で第１の副層の界面に付着させることが可能である。この最後のやり方は、ある実施形態において超電導装置を製造するために用いられた。

クエンチ状態にあるクエンチ可能超電導体１の電気抵抗は、第１の金属部材２の電気抵抗に比べて２〜５００倍の変動幅で大きい。これは、クエンチ可能超電導体１と第１の金属部材２の厚さ比の選択によって決まる。

０．０２マイクロメートルの金層が第１の金属部材２として用いられ、クエンチ可能超電導体の厚さが１マイクロメートルの場合、対応する抵抗比は約３に相当する。

Ａｕ層がより厚い場合、例えば０．２マイクロメートルの場合には、この比は３０に増大する。抵抗比が５００を超えると、第１の金属部材における熱放散があまりに多量のため、回復時間が長くなる。一方、抵抗比が、例えば第１の金属部材としてＮｉ−Ｃｒ薄層を用いることによって実現可能な２未満になると、「ホットスポット」からの防護に関して不十分であり、従って、クエンチ後の装置に損傷の可能性があるため、クエンチを被る超電導装置に利用するには、すなわち、電流調整には適さない。

さらに、第１の金属部材２は、第２の金属部材３に比べて単位長当たりの熱容量が５〜２０，０００分の１である。この例では、これは第１の金属部材２が薄膜形態であることによって生じる。第２の金属部材３は、はるかに厚い箔から製造される。第１の金属部材と第２の金属部材の単位長当たりの熱容量比は、ほぼ４，５００に相当する。

可能性のある厚さの変化（動作様態にある装置全体の最適化に対応する）を含むさまざまな形状寸法において、熱容量比は２０，０００に達する可能性がある。比較的厚い第１の金属部材２を具備する超電導装置では、例えば５といった最低熱容量比数が可能になる。

抵抗素子４、及び、第１の金属部材２と電気的に結合するための手段を含む第２の金属部材３は、Ａｇ、Ａｕ、Ｒｅ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｗ、Ｔａ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｍｏのような１つ以上の通常金属またはこれらの金属の組合せまたはそれらの合金から製造することが可能である。本例の場合、抵抗素子４は、Ｆｅ及びＳｉも含むＮｉ−Ｃｒ合金による１００マイクロメートル厚さの箔から製造されている。電気的結合手段すなわちストリップ５ａは、厚さ０．１ｍｍで幅２ｍｍのＣｕ箔から製造されている。抵抗素子または第１の金属部材に結合しないストリップ５ａの長さまたは部分は１０ｍｍである。

各ストリップ５ａの電気抵抗は、超電導状態にあるクエンチ可能超電導体１中を流れる電流の方向１０において２つの近傍ストリップ間で測定される抵抗素子４の電気抵抗に比べて１０〜２０００分の１である。これは、抵抗素子４及びストリップ５ａの材料及び形状寸法の選択によって決まる。

ある実施形態の場合、ストリップ５ａの電気抵抗は０．３ミリオームであり、ストリップ５ａ間の抵抗素子４の電気抵抗は１００ミリオームに相当する。従って、ストリップの抵抗は抵抗素子４の前述の部分抵抗の３３３分の１になる。

そうは云うものの、１０分の１であってもクエンチ可能超電導体１及び抵抗素子４に生じる熱効果の十分な「分割」を実現することが可能であり、超電導装置にとって許容できる可能性がある。２０００分の１未満になると、最終的にストリップ５ａの断面を肥厚化することになり、その熱容量が増大する結果として、結局、装置の反応時間及び回復時間が短くなる。

第１の金属部材２に電気的に結合するための手段５には、ハンダまたは／及び点溶接接合が含まれる。装置のある実施形態では、電気的結合手段となるストリップ５ａはＩｎ−Ａｇハンダを用いて第１の金属部材のＡｕ層に接合される。

第１の金属部材がより厚い場合、及び、部材２とストリップ５ａが例えばＮｉ−Ｃｒ合金のような高抵抗材料から製造される場合、接合技法として点溶接を利用することが可能である。両タイプの接合を一緒に利用することも可能である。従って、クエンチ可能超電導体１、第１の金属部材２、及び、第２の金属部材３からなる長さ２ｍのアセンブリが、この例による超電導装置として用いられた。これらの接合には、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｚｎ、または、それらの合金を含むさまざまなハンダ付け材料を用いることが可能である。

動作時、超電導装置のクエンチ可能超電導体１が電力回路（ここには示されていない）に結合される。電気的に結合するための手段及び冷却器または冷却媒体との熱交換によって装置の異なる部分を冷却するための手段が起動させられる、すなわち、システムに液体窒素が充填されるか、または、冷凍機のスイッチがオンにされるか、その両方が行われる。装置を通る輸送電流が臨界電流より小さい場合、クエンチ可能超電導体は、ほぼゼロ抵抗になる非クエンチ状態のままである。

輸送電流が臨界値を超えると、クエンチ可能超電導体１は、クエンチ可能超電導体における非ゼロ抵抗となるクエンチ状態に遷移する。この非ゼロ抵抗によって装置に迅速な電流の再配分が生じることになる。全電流のうちより多くが第１の金属部材２及び第２の金属部材３を流れ始める。これは、クエンチ中に金属部材２、３とクエンチ可能超電導体１によって代表される並列チャネルのインピーダンス比が急速に変化する結果である。

上述の構造的特徴のため、クエンチ状態では、クエンチ状態の、従って、抵抗性の超電導体１から第１の金属部材２を介して第２の金属部材３に流入させられる過負荷電流の率が増大し、抵抗部材４内でより効率よく消費されることになる。例えばＲ１及びＲ２といった並列抵抗における電力消費は、一般に並列チャネルの電気コンダクタンスすなわち１／Ｒ１及び１／Ｒ２に比例する。第２の金属部材３は、電気抵抗が第１の金属部材２よりかなり小さいので、第２の金属部材３における電力消費率のほうがかなり高くなるが、それにもかかわらず電気コンダクタンスとは完全に比例しているわけではなく、さらに、例えば、とりわけ動的様態において、電流分配のメカニズムはより複雑な電流配分を生じることになる。

抵抗部材４は、第１の金属部材２と熱的に切り離されているので、熱放散によって生じる抵抗部材４の温度上昇はあまり第１の金属部材２に伝導されず、その程度はやはり第１の金属部材２に電気的に結合するための手段５の上述の特徴によって決まる。結果として、超電導体１の局部温度はより急速に低下し、超電導体１はより迅速に超電導状態に復帰することが可能になる。

上述のこれら２つの金属部材２、３の特徴のために、この装置は、以前の技術的水準における２〜５ミリ秒の応答に比べて、過渡時間が２５マイクロ秒という高速応答を生じる。クエンチ状態において、８０Ａの初期（公称）電流が、同等の電流過負荷時の同様のシステムにおけるクエンチ可能超電導体の損傷に関する既知しきい値（一般に１Ｖ／ｃｍ）を超える２．４Ｖ／ｃｍの単位長当たり平均電圧で〜６０Ａに制限された。

５０ミリ秒の間に３００〜４５０Ｗ／ｃｍ²の大電力消費にもかかわらず、クエンチ可能超電導体の損傷は観測されなかった。総制限電力は４８８Ｖのｄｃ電圧で〜３０ｋＷであった。回復時間は、既知の技術的水準に相当する１１００ミリ秒ではなく、１．５ミリ秒と極めて短かった。

３０ＫＷの電力レベルにおける電流調整には、長さが比較的短い（ほんの２ｍしかない）クエンチ可能超電導体を利用することができるので、電流調整用の超電導装置全体をよりコスト効率の高い方法で生産することが可能になる。

システムに直流電流ではなく交流電流を用いることが可能であることも明らかになった。さらに、電力回路との結合は、直接的な電気的結合として（上述の例におけるように）または磁束を介した結合として（いわゆる「誘導障害電流制限器」におけるように）実施することが可能である。

図２には、第２の実施形態による電流調整用超電導装置、とりわけ、ストリップ１５間においていくつかの周期をなす装置の一部に関する正面図（Ａ）及び側面図（Ｂ）が略示されている。

図２に例示の実施形態の場合、複数のストリップ１５によって第１の金属部材１２と電気的に結合された２つの抵抗素子１４、１４ａが設けられている。

２つの抵抗素子１４、１４ａは、両方とも細長いストリップに似た形状を有しており、抵抗素子１４、１４ａの長さ方向がクエンチ可能超電導体１１の長さ方向に対してほぼ平行になるように、クエンチ可能超電導体１１の両側縁に隣接して配置されている。クエンチ可能超電導体１１は、抵抗素子１４、１４ａがクエンチ可能超電導体１１のそれぞれの側縁からある距離をあけた位置につくように２つの抵抗素子１４、１４ａの間に配置される。

第２の金属部材１３の複数のストリップ１５は、個々のストリップ１５が抵抗素子１４、１４ａ及びクエンチ可能超電導体１１の側縁に対してほぼ垂直に延びるように、クエンチ可能超電導体１１及び抵抗素子１４、１４ａの全長に沿って間隔をあけて配置される。
各ストリップ１５は、抵抗素子１４からクエンチ可能超電導体１１を越えてクエンチ可能超電導体１１の両側縁に隣接して配置された抵抗素子１４ａまで延びている。

第２の金属部材１３には、さらに、ストリップ１５からクエンチ可能超電導体１１の長さ方向に対してほぼ平行に延びる接触部材１７が含まれている。接触部材１７は、クエンチ可能超電導体１１とそれぞれの抵抗素子１４、１４ａからある間隔をあけた位置につくように、クエンチ可能超電導体１１とそれぞれの抵抗素子１４、１４ａとの間に生じるギャップ内に配置されている。断面図から明らかなように、ストリップ１５は、抵抗素子１４、１４ａの主表面及びクエンチ可能超電導体１１に配置された第１の金属部材１２に接合されている。

側面図から明らかなように、抵抗素子１４及び１４ａは、クエンチ可能超電導体１１とほぼ同一平面上に配置されている。

ストリップ１５は、第１の金属部材１２の全表面の２〜３０％の面積率をなす接合領域を具備した第１の金属部材１２に接合されている。

この実施形態の場合、面積率は、単純に近傍のストリップ接合部の中心間の距離とストリップの幅ｗ（ｗは図２に寸法として示されている）の比によって決まる。ストリップを周期的に配置する方法の場合、中心間の距離ｐ（図２に寸法として示されている）は、超電導状態にあるクエンチ不能超電導体中を流れる電流の方向２０において採用された構造の幾何学的周期に相当する。

面積率が２％未満の場合、クエンチ事象時における第２の金属部材３によるクエンチ可能超電導体１の防護は不十分になり、その結果、一般に超電導装置が損傷する。

面積率が３０％を超えると、装置に沿った平均電圧降下がほぼ同じ３０％と大幅に減少する。従って、超電導装置に大量の超電導テープが必要になる。このため、面積率が上述の３０％以下であれば、電流調整用の超電導装置をよりコスト効率よく生産することが可能になる。

冷却器または冷却媒体に熱的に結合するための追加手段１６には、ストリップ１５ａに設けられた追加接触面が含まれる。図１の場合と同様、接触面１７はストリップ１５ａの中央に配置するのが望ましい。この実施形態の場合、接触面１７はストリップ１５ａ自体と同じ面内に位置している。他の態様の場合、超電導装置は図１の装置と同様である。動作時、図２の装置は、ほぼ同じクエンチ時間といっそう短い（０．８ミリ秒）回復時間をもたらす。

図３には、第３の実施形態による電流調整用の超電導装置の正面図が示されている。第３の実施形態の装置には、ストリップ形状をなすクエンチ可能超電導体２１と、ストリップ形状をなし、その長さ方向がクエンチ可能超電導体２１の長さ方向に対してほぼ平行になるように配置された単一抵抗素子２４が含まれている。第１の実施形態におけるように、抵抗素子２４は、クエンチ可能超電導体２１の側縁に隣接して、その側縁からある距離をあけるように配置される。

第３の実施形態の装置の場合、複数のストリップ２５からのストリップ２５ａの少なくとも一部は、抵抗素子２４及びクエンチ可能超電導体２１に対して傾斜角をなすように配置されている。本明細書では、傾斜角は９０°の角度を除外するように用いられる。ストリップ２５ａの少なくとも一部は、第１の金属部材２２に接合させられて、超電導状態時にクエンチ可能超電導体２１中を流れる電流の方向３０に対して４５°〜１３５°の角度を有する接合部となる。

第１の金属部材２２と抵抗素子２４の間に配置されたストリップ２５ａの一部は、異なる方向に延びることが可能である。さらに、傾斜角は、図３に示すようにストリップが異なれば異なる場合もある。

冷却器または冷却媒体と熱的に結合するための追加手段２６には、図１の例におけるように、ストリップ２５ａに設けられた追加接触面２７が含まれている。追加手段２６は、クエンチ可能超電導体２１と抵抗素子２４の間のスペースに配置されている。

こうした角度の接合部分を備えた超電導装置は、クエンチ可能超電導体２１の機械的安定性及び電気的防護の改善、並びに、最適化されたインピーダンスによる反応時間のさらなる短縮のためにクエンチ事象中における損傷しきい値が高くなる。

図４には、第４の実施形態による電流調整用超電導装置の概略図が描かれている。この装置は、図２に示すものと極めてよく似ているが、接触面７の役割を果たすのが、ストリップ３５の長さ方向に対しほぼ平行に、クエンチ可能超電導体３１の長さ方向に対して垂直に延びるストリップ３５本体の中央部分３７であるという点が異なる。

図５には、クエンチ可能超電導体及び第１の金属部材が、中央に配置された抵抗部材４４の２つの対側縁に隣接し、それらからある距離をあけるように配置されたストリップ４１、４２及び４１ａ、４２ａに分割される第５の実施形態による超電導装置が例示されている。

第１の金属部材４２、４２ａは、クエンチ可能超電導体４１及び４１ａと抵抗素子４４の全長に沿って間隔をあけて配置された複数のストリップ４５を用いて抵抗素子４４に結合されている。この実施形態の場合、ストリップ４５は、クエンチ可能超電導体４１、４１ａ及び抵抗素子４４の側縁に対しほぼ垂直に配置されているが、他の例示されていない実施形態の場合には、傾斜角をなすように配置される。クエンチ可能超電導体４１、４１ａ及び抵抗素子４４はほぼ同一平面上にある。応用例によっては、図４及び図５に描かれた実施形態が、超電導装置に関してよりコスト有効性の高い解決法をもたらす可能性がある。

図６には、第６の実施形態による電流調整用超電導装置が例示されている。第６の実施形態の場合、クエンチ可能超電導体５１及び第１の金属部材５２と抵抗素子５４が湾曲形状のストリップ５５によって切り離されているため、超電導装置はより顕著な３Ｄ構造をなしている。

第６の実施形態の場合、抵抗素子５４は、その主表面がクエンチ可能超電導体５１の主表面に直接配置された第１の金属部材５２の主表面に面するように配置される。抵抗素子５４の主表面は、クエンチ可能超電導体５１の全長に沿って間隔をあけて配置された複数のストリップ５５と間隔保持素子の働きをする抵抗素子５４によってクエンチ可能超電導体５１の主表面からある距離をあけた位置にある。

ストリップ５５のそれぞれは全体がＵ字形状をなしており、Ｕの底部が第１の金属部材５２上に位置し、Ｕの側壁部分の遠位端が第１の金属部材５２の主表面から上方に離れるように延びている。この実施形態の場合、抵抗素子５４はＵの開放端間に配置されている。しかし、抵抗素子上に楕円形の長い対側面が位置する楕円タイプの断面を備えたストリップを設けて、スペーサにすることも可能である。

第６の実施形態の場合、スペーサをなすストリップ５５の側壁は、円形であって、側壁の一部はクエンチ可能超電導体５１及び抵抗素子５４の両側縁を越えるように突き出している。

前述の実施形態におけるように、ストリップ５５は、冷却器または冷却媒体と熱的に結合するための追加手段５６を備えており、追加手段５６は、クエンチ可能超電導体５１または抵抗素子５４の両側から離して配置された追加接触面５７を具備している。

接触面５７は、クエンチ可能超電導体５１及び抵抗素子５４の側縁に隣接し、そこからある距離をあけた位置につくように、ストリップ５５の円形側壁の最も外側の位置に取り付けられたストリップまたはロッドの形態で設けられている。さらに、接触素子は、クエンチ可能超電導体５１及び抵抗素子５４の主面及びクエンチ可能超電導体５１及び抵抗素子５４の長さ方向に対してほぼ垂直な方向に延びている。図６による超電導装置の場合には、クエンチ時間がさらに短縮され、回復時間が図１の場合とほぼ同じになる可能性がある。

図７には、クエンチ可能超電導体６１、第１の金属部材６２、及び、第２の金属部材６３を含むアセンブリ７１に、さらに、アセンブリ７１の外表面の１つに取り付けられた絶縁スペーサ７２が含まれている第７の実施形態による超電導装置が例示されている。絶縁スペーサ７２は、冷却媒体にとって部分的に透明である、すなわち、クエンチ可能超電導体と冷却媒体の直接接触を可能にするグルーブ、チャネル、または、開口が設けられている。絶縁スペーサは、例えば、エポキシ樹脂、例えばテフロン（登録商標）、カプトン（登録商標）のような絶縁プラスチック、エポキシ等を充填したガラス繊維、または、例えばアルミナ、セリア、ジルコニア等のようなセラミックによるプレートまたは絶縁層として設けることが可能である。

図７の実施形態によれば、第２の金属部材６３は非平面形状をなしている、すなわち、クエンチ可能超電導体６１の対抗側縁に隣接して配置された２つの部分６４及び６４ａから構成される抵抗素子に第１の金属部材６２を結合する曲がったストリップ６５ａを含んでいる。曲がったストリップ６５は、クエンチ可能超電導体６１の２つの両側縁を越えるように延びて、クエンチ可能超電導体６１の長さ方向に対してある傾斜角をなすように配列された複数のフィンを形成している。

こうしたタイプの超電導装置によれば、電流調整中に時間性能を劣化させることなく、クエンチ可能超電導体が直列または並列接続されるアセンブリを提供することが可能になる。絶縁部材を備えたアセンブリによって、コンパクトな、従って、コスト有効性の高い超電導装置を提供することが可能になる。

１ クエンチ可能超電導体
２ 第１の金属部材
３ 第２の金属部材
４ 抵抗素子
５ 電気的結合手段
５ａ ストリップ
６ 追加熱的結合手段
７ 追加接触面
８ 超電導膜
９ 基板
２１ クエンチ可能超電導体
２２ 第１の金属部材
２５ａ ストリップ
６１ クエンチ可能超電導体
６２ 第１の金属部材
６３ 第２の金属部材
７１ アセンブリ
７２ 絶縁スペーサ

Claims (23)

1. 輸送電流が臨界値を超えると、ゼロ抵抗になる超電導状態から非ゼロ抵抗になるクエンチ状態に遷移することが可能なクエンチ可能超電導体（１）と、
   前記クエンチ可能超電導体（１）に電気的に結合され、さらに前記クエンチ可能超電導体（１）に熱的に結合される第１の金属部材（２）と、
   を備える電流調整用の超電導装置であって、
   抵抗素子（４）と、前記抵抗素子（４）を前記第１の金属部材（２）に電気的に結合するための手段（５）とを有する第２の金属部材（３）を備え、
   前記第２の金属部材（３）の前記抵抗素子（４）が前記第１の金属部材（２）から熱的に切り離されており、
   前記第１の金属部材（２）の電気抵抗が、前記第２の金属部材（３）の電気抵抗に比べて大きいことを特徴とする、
   超電導装置。
2. 前記第２の金属部材（３）の前記抵抗素子（４）が、前記電気的結合手段（５）としての複数のストリップ（５ａ）によって前記第１の金属部材（２）に電気的に結合されることを特徴とする、請求項１に記載の超電導装置。
3. 前記複数のストリップからの各ストリップ（５ａ）が、前記第１の金属部材（２）及び前記抵抗素子（４）に電気的に接合されることを特徴とする、請求項２に記載の超電導装置装置。
4. 前記第１の金属部材（２）に電気的に結合するための前記手段（５）に、冷却器または冷却媒体に熱的に結合するための追加手段（６）が含まれることを特徴とする、請求項１に記載の超電導装置。
5. 前記追加手段（６）に、前記複数のストリップ（５）に属するストリップ（５ａ）に設けられた追加接触面（７）が含まれることを特徴とする、請求項４に記載の超電導装置。
6. 前記接触面（７）が前記ストリップ（５ａ）の中央に位置することを特徴とする、請求項５に記載の超電導装置。
7. 前記複数のストリップ（５ａ）が、前記第１の金属部材（２）の全表面の２〜３０％の面積率をなす接合領域を具備する前記第１の金属部材（２）に接合させられることを特徴とする、請求項２〜６のいずれか１つに記載の超電導装置。
8. 前記第１の金属部材（２２）に接合した前記複数のストリップ（２５）からのストリップ（２５ａ）の少なくとも一部が、超電導状態にあるクエンチ可能超電導体（２１）中を流れる電流の方向（３０）に対して４５°〜１３５°の角度をなす接合部分を含んでいることを特徴とする、請求項２〜７のいずれか１つに記載の超電導装置。
9. 前記抵抗素子（４）及び前記第１の金属部材（２）が、熱伝導率の低い媒体または冷却媒体によって間隔をあけて配置されることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１つに記載の超電導装置。
10. 各ストリップ（５ａ）の電気抵抗が、超電導状態にある前記クエンチ可能超電導体（１）中を流れる電流の方向（１０）における２つの近傍ストリップ（５ａ）で測定される前記抵抗素子（４）の電気抵抗に比べて小さく、１０〜２０００分の１であることを特徴とする、請求項２〜９のいずれか１つに記載の超電導装置。
11. クエンチ状態にある前記クエンチ可能超電導体（１）の電気抵抗が、前記第１の金属部材（２）の電気抵抗に対してｆ１倍であって、ここで、２≦ｆ１≦５００であることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１つに記載の超電導装置。
12. 前記第１の金属部材（２）の電気抵抗が、前記第２の金属部材（３）の電気抵抗に対してｆ２倍であって、ここで、５≦ｆ２≦２００であることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１つに記載の超電導装置。
13. 前記第１の金属部材（２）の単位長当たり熱容量が、前記第２の金属部材（３）の単位長当たり熱容量の５〜２０，０００分の１であることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか１つに記載の超電導装置。
14. 前記クエンチ可能超電導体（１）が基板（９）上に形成した超電導膜（８）であることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか１つに記載の超電導装置。
15. 前記基板（９）に少なくとも１つの緩衝層が設けられていることを特徴とする、請求項１４に記載の超電導装置。
16. 前記クエンチ可能超電導体（１、８）は、ＲｅＢａ_yＣｕ_zＯ_7-uベースの組成物または（（Ｒｅ１_w＋Ｒｅ２_x-w）Ｂａ_yＣｕ_zＯ_7-u）ベースの組成物を備え、ここで、Ｒｅ、Ｒｅ１、及び、Ｒｅ２が、Ｙ、Ｈｏ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｓｃ、Ｔｕ、Ｔｂ、Ｄｙ、及び、Ｙｂから構成されるグループからの１つ以上の金属を表わし、Ｒｅ１がＲｅ２とは異なり、ｘが０．８〜１．２の範囲から選択され、ｙが１．６〜２．４の範囲から選択され、ｚが２．４〜３．６の範囲から選択され、ｕ及びｗが０．０５〜０．９５の範囲から選択されることを特徴とする、請求項１〜１５いずれか１つに記載の超電導装置。
17. 前記第１の金属部材（２）が、Ａｇ、Ａｕ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｗ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏのような通常金属またはこれらの金属の１つ以上を含む合金からなる層であることを特徴とする、請求項１〜１６のいずれか１つに記載の超電導装置。
18. 前記第２の金属部材（３）に、Ａｇ、Ａｕ、Ｒｅ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｗ、Ｔａ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｍｏのような１つ以上の通常金属またはこれらの金属の組合せまたはそれらの合金を含む１つまたは複数の材料が含まれることを特徴とする、請求項１〜１７のいずれか１つに記載の超電導装置。
19. 前記第１の金属部材（２）に電気的に結合するための前記手段（５）にハンダ接合または／及び点溶接接合が含まれることを特徴とする、請求項１及び４〜１８のいずれか１つに記載の超電導装置。
20. 前記クエンチ可能超電導体（６１）、前記第１の金属部材（６２）、及び、前記第２の金属部材（６３）を含むアセンブリ（７１）に、さらに、前記アセンブリ（７１）の外表面の１つに取り付けられた絶縁スペーサ（７２）が含まれることを特徴とする、請求項１〜１９のいずれか１つに記載の超電導装置。
21. 前記絶縁スペーサ（７２）が前記冷却媒体に対して部分的に透明であることを特徴とする、請求項２０に記載の超電導装置。
22. さらに、前記クエンチ可能超電導体（１）に外部電流源を電気的に結合するための手段を備えることを特徴とする、請求項１〜２１のいずれか１つに記載の超電導装置。
23. さらに、冷却器または冷却媒体との熱交換によって前記装置の少なくとも一部を冷却するための手段を備えることを特徴とする、請求項１〜２２のいずれか１つに記載の超電導装置。

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