JP5190211B2 - 抵抗型限流器 - Google Patents

Description

本発明は、超伝導抵抗型故障電流限流器に関する。

超伝導故障電流限流器（ＳＦＣＬ）は、電気設備及び電力供給網を過負荷から保護するために使用することができる。ＳＦＣＬの動作は極めて簡単である。通常の動作の間においては、導体は超伝導状態にあり、従って殆ど無損失的である。過電流が生じると、超伝導体は非常に急速に常伝導状態にスイッチングし、該状態においては高度に抵抗性となり、従って電流を許容可能なレベルに制限する。

通常の機械式スイッチと比較した場合のＳＦＣＬの利点は、非常に短いスイッチング時間である。一方、これらは通常の状態においてはかなりの量の熱を発生するので、制限動作は数十ミリ秒の間しか維持することができない。従って、典型的には５０ないし１００ｍｓの一層長いスイッチング時間の後に最終的に回路を遮断するような、直列に接続された通常の機械式スイッチが常に存在しなければならない。その後、上記超伝導体は再び冷却し、新たに動作の準備が整う。それに応じた装置は、例えばドイツ国特許出願公開第DE19939066号から既知である。

高温超伝導体（ＨＴＳ）はセラミック材料であり、かくして通常の状態では高い抵抗値を有する。従って、これらは特に良く適しており、１９８６年の発見以来、これらを電力用途におけるＳＦＣＬとして使用するための多くの努力がなされている。現状技術は２つの型式のＳＦＣＬ、即ち誘導型のもの及び抵抗型のものである。抵抗型は、大幅に少ない投資及び運転費用により、一層多くの利点を有している。抵抗型ＳＦＣＬは、例えばドイツ国特許出願公開第DE19827225号に記載されているように、セラミック固体材料から、又は絶縁基板上の薄膜から作製されている。両方の場合において、材料の問題及び価格的原因が市場での利用を妨げている。従って、これらの型式のいずれも、未だ市場にはもたらされていない。

ところで、新たなタイプのＨＴＳ導体、即ち時には“２Ｇ−ＨＴＳワイヤ”とも呼ばれる被覆導体（ＣＣ）が出現している。ＣＣは、幾つかの緩衝層は別として、数十ミクロンの厚さにもすることができるが典型的には数ミクロンの厚さを持つＨＴＳ層のための基体として働く薄い金属テープである。薄膜の形態においては、脆いセラミックＨＴＳ材料は弾性的及び屈曲可能のままとなり、例外的に高い電流密度を維持することができる。加えて、ＣＣは相対的に低いコストで製造することができる。これは、市場及び商業的使用に真に適したＳＦＣＬの構成に対する新たな可能性を切り開くものである。

以前の型式とＣＣ−ＳＦＣＬとの間の主たる相異は、伝導性金属担体又は基体テープである。たとえハステロイ（登録商標）又はコンスタンタン等の高抵抗性の合金が使用されても、当該テープの全抵抗値は超伝導体単独の抵抗値より大幅に低い。従って、高電圧スイッチングのために、十分に高い抵抗値を達成するには、長い長さのテープが使用されねばならない。例えば、２０ｋＶの電圧は典型的には１００ｍのテープ長が必要とされる。結果として、小型の回路エレメントを形成するためには該テープは適切に配置及び実装されねばならない。

以前のＳＦＣＬ実施例に対する更なる相違点は該テープの可撓性であり、新たな実装技術を必要とする。上記可撓性及び長い長さの両者の結果、ＣＣ−ＳＦＣＬに固有の技術的問題が生じる。これらの問題の幾つかは、現状技術において解決されたと見なすことができる。

−基体に対する電気的降伏：
超伝導層は、技術的理由により、通常は１以上の電気的に絶縁な緩衝層により金属基体テープから分離されている。制限する状態の間において、局部的に大きな電圧降下が発生し得る結果、超伝導体と基体との間にかなりの電位差が生じ、これが非常に薄い絶縁性緩衝層の絶縁破壊（dielectric breakdown）につながる。従って、ＨＴＳ層と基体テープとの間の適切な電位等化体が設けられなければならない。スイッチングの場合に基体への電流の転移を可能にするために、連続した又は離れたスポットの複数の接触子配置が例えばDE19836860、EP1042820又はDE10225935に記載されている。

−ホットスポット：
超伝導体のスイッチングレベルは、その臨界電流に依存する。これは、スポット（点）からスポットへと典型的には２０％〜５０％変化し得る材料の特性である。従って、スイッチングレベルは、低い臨界電流を持つ弱いスポットにおいては当該導電体の残部におけるよりも早く到達される。過電流が生じると、これらのスポットは最初に通常状態になり抵抗値を獲得する。これらの弱いスポットは限られた寸法のものであるので、これらスポットの抵抗値は電流を効率的に制限するには低すぎる。従って、これらはジュール加熱で熱くなり、当該導電体の残部が通常状態になる前に自身で壊れる。このようなホットスポットは他のタイプのＳＦＣＬにおいても発生し得る。しかしながら、ＣＣ−ＳＦＣＬの場合は、DE10225935に記載されているように、従来技術による斯かる問題に対する固有の解決策が存在する。

−最大変形：
ＨＴＳは脆いセラミック材料であり、従って強い変形に敏感である。応力がε_max＝０.２％を超えると、恐らくはマイクロ破壊により最初の劣化が生じることが良く知られている。これは、Ｒ_min＝ｄ／(２ε_max)に従いテープ厚ｄに依存するような最小曲げ半径を意味する。例えば、１００μｍのテープ厚においては、最小曲げ半径は２５ｍｍとなり、これは全ての設計に対して考慮されねばならない。超伝導体は引張り応力に対してよりも圧縮応力に対して余り敏感でないので、超伝導体層は優先的に帯湾曲の内側上にある。

現状技術により依然として解決されていないものは、テープの配置及び実装に関係する問題である。これらは以下の通りである。

−ガスの発生：
常伝導領域における強い熱の発生は、例えば液体窒素又は他の流体等の低温流体の強い沸騰につながる。泡の形成により、そこにはテープに作用するかなりの力が存在し、斯かる力がテープを曲げると共に超伝導層に亀裂を生じさせ得るか、又は斯かる力が異なるテープ区域の間の接触及び短絡を生じさせ得る。EP1217666に記載されているような超伝導体板の間の振動減衰エレメントは、長尺のＣＣテープには適用可能ではない。

−熱膨張：
自身を加熱することにより、ＣＣは自身の長さに沿って膨張する。更に、当該テープの前側と後側との間の温度差は、バイメタルと同様の曲げにつながる（熱変形）。この結果、テープが適切に装着されていないと大きな力が生じ得る。その結果は、ガスの発生と同様のもの、即ち当該超伝導体の破壊及び異なるテープ区域の間の短絡である。

−磁力：
テープの電流の結果、異なるテープ区域の間に磁力が生じる。斯かる力は電流の自乗で増加する。電流は交番するので、テープは不適切に取り付けられていると振動し得る。斯かる力は過電流が生じると過度になり得る。結果としての問題は、ガスの発生及び熱膨張と同様である。

−冷却剤の接近が妨害されることによる過熱：
テープに対する冷却剤の接近（アクセス）は、テープの小さなスポットでさえ取付エレメント又は他の部品により接触されると妨害される。結果として、斯様な領域は残部よりも速く熱くなる。これは、数十ミリ秒の尺度での長期的動作にとり有害である。何故なら、これらの領域はＳＦＣＬと直列の機械式スイッチが引き継ぐ前に焼損するからである。同様のことが、何層もの巻線を持つコイルについても言える。この様な構造においても、冷却剤の接近は妨害される。EP1042820に記載された層間の波型分離体でさえも、接触点において冷却剤の妨害につながる。

−冷却剤の絶縁破壊：
ＳＦＣＬは高電圧設備に適用されるので、電気放電、スパーク及び部分放電は高信頼度で防止されねばならない。例えば液体窒素は非常に高い絶縁耐力（dielectric strength）を有しているが、斯かる絶縁耐力は気泡が存在すると著しく劣化される。従って、冷却剤が沸騰するような正に制限する状態の間においては、異なる電位レベルの部分間での電気的降伏の危険性がある。

−自己場における臨界電流の低下：
超伝導体の臨界電流は、磁場内で減少する。ＳＦＣＬの不適切な設定により、制限されるべき電流は、自身で、ＳＦＣＬのスイッチングレベルを大幅に低下させ、かくして当該装置のスイッチング能力を減少させるのに十分なほど高い場を形成し得る。所謂ＢＳＣＣＯ導体に対する対策として、従来技術によればバイファイラ巻線を使用することが推奨されている（EP1042820、DE19720397又はEP0935261）。しかしながら、巻線間に要する空間のために、ＣＣにとっては状況が異なり、他の補償対策がとられなければならない。

−機械的安定性の不足：
テープは可撓性であり、従って機械的安定性を有さない。それにも拘わらず、構造は、当該構成が数十年にわたり可能な限り無故障及び高信頼度で動作するように上述した力に耐えなければならない。

このように、本発明の基となる課題は、ＳＦＣＬの動作に関する上述した困難さの少なくとも幾つかを減少させるような、ＣＣ−ＳＦＣＬ用の構成規則及び配置を見付けることにある。

第１の態様によれば、本発明は、高温超伝導体により被覆されたテープ導体と、少なくとも１つの取付エレメントとを備え、該取付エレメントが上記導体テープを実質的に１以上の縁領域のみにおいて、該テープの主表面が当該取付エレメントに接触し得ないように、保持するような限流器に関するものである。本発明による限流器の上記少なくとも１つの取付エレメントは、長尺のテープから小型のコンポーネントを形成するために必要である。しかしながら、冷却剤の自由な接近を可能にするために、これら取付エレメントは実質的に縁部においてのみテープに接触しなければならない。

好ましくは、上記取付エレメントは、ＣＣが内部に延在するような窪んだ形状からなるものとする。テープは横断方向には十分な剛性を有するので、該テープは上記窪んだ形状には主表面で接触することはできず、むしろ縁部のみで接触する。好ましくは、上記窪んだ形状は、テープに面する側において、凹状断面の少なくとも１つの区域を呈するようにする。テープの幅をｗとすると、該窪んだ形状は好ましくは０.５ｗ≦ｒ≦１０ｗ、特に好ましくは０.６ｗ≦ｒ≦４ｗの平均曲率半径ｒを示すものとする。該取付エレメントの好ましい実施例は、テープの少なくとも１つの区域が内部に延在するような円又は楕円の断面を持つチューブ又は開口（aperture）である。

好ましくは、それらの間ではテープが自己支持するような短い窪んだ形状のみが使用されるようにする。特に好ましい短い窪んだ形状は、テープを横切って位置すると共に該テープの少なくとも１つの区域が内部に延在するような窪んだ断面の切り欠き（cut-outs）若しくは開口を有する薄板又は箔である。そうすれば、テープは泡形成、熱膨張及び磁界の力を、当該テープを破壊するような座屈又は亀裂なしで、回避することができる。

他の実施例では、当該ＣＣは縁領域においてテープ導体の幅ｗの好ましくは５％ないし５０％、特に好ましくは１０ないし３０％の間隙を意味する遊びで保持される。この様にして、テープは制御された移動自由度を有する。他の実施例において、当該取付エレメントは、テープ導体に対してバネ負荷が掛けられた当接（fit）を示す。

テープの縁部を保持する取付エレメントに関して問題となる材料は、好ましくは、単純なプラスチック、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＰＲ）、ポリイミド、セラミック又はポリエステル等の絶縁体である。しかしながら、短い取付エレメントは金属から形成することもできる。何故なら、短い距離では大きな電圧降下は存在しないからである。

他の態様によれば、本発明は、高温超伝導体により被覆されたテープ導体と、少なくとも１つの取付エレメントとを備え、該取付エレメントは上記テープ導体に主表面（前側表面又は後側表面）の一方又は両方において電気的且つ熱的導通態様で接触し、かくして、通常状態における上記テープ導体が電気的に側路（bypass）又は分路（shunt）されるような限流器に関するものである。

遊び無しでのテープの信頼性のある固定は、主表面上での取付を必要とする。接触の領域において、冷却剤の接近は妨害される。テープ導体が過度に熱くならないようにするには、接触の領域における熱の発生が低減されねばならない。これは、テープ導体を該接触領域において取付エレメント自体により電気的に分路することにより達成することができる。この目的のため、斯かる取付エレメントは接触領域においては電気的に導通する材料からならなければならず、当該テープとの良好な電気的接触が確立されねばならない。側路により、常伝動テープ内の電流は接触領域において減少する。結果として、放散される電力は減少するので、テープ内の熱の発生も減少する。残りの熱は、接触を介して取付エレメントに伝導させることができる。従って、該取付エレメントは、接触領域における当該テープ導体の過熱が防止されるように、好ましくは十分な熱容量及び当該テープ導体に対する十分な熱的接触を示さなければならない。

上記側路の電気抵抗Ｒ_ｂは、接触領域の長さに沿う当該テープの通常状態の抵抗値Ｒ_ｔに関係したものでなければならない。好ましい実施例では、Ｒ_ｂ≦Ｒ_ｔである。そうすれば、当該テープ内の電流は少なくとも半分にされ、熱の発生は少なくとも四分の一にされる。特に好ましい実施例では、Ｒ_ｂ≦０.５Ｒ_ｔである。この場合、電流の三分の一未満がテープに残り、熱の発生は９なる因数で低減される。従って、当該テープの厚さ範囲内の如何なる金属的に導通する箔も、該テープに接触する取付エレメントの分路部として作用することができる。

当該テープと取付エレメントとの間の接触抵抗Ｒ_ｃを最小化するのも有利である。何故なら、これもテープを直接加熱するからである。好ましい実施例では、Ｒ_ｃ≦０.２Ｒ_ｔであり、特に好ましい実施例ではＲ_ｃ≦０.１Ｒ_ｔである。ハステロイ（登録商標）基体のテープの場合、好ましい固有接触抵抗はＲ_ｃ≦１・１０^-4Ωｃｍ^２である。

熱抵抗は、電気抵抗によりウィーデマン−フランツ−ローレンツの法則に従い制御され、従って常に十分に小さいであろう。当該取付エレメントの分路部の熱容量Ｃ_ｍも、当該テープの接触領域でのものＣ_ｔと関係するものでなければならない。好ましい実施例では、Ｃ_ｍ≧Ｃ_ｔである。特に好ましい実施例では、Ｃ_ｍ≧２Ｃ_ｔである。

当該テープと取付エレメントとの間の機械的接触を、良好に当接するが、それにも拘わらず超伝導体層が過度に変形され又は引っ掻かれないような態様で確立することが更に重要である。従って、好ましい実施例では、当該取付エレメントの分路部は少なくとも当該テープ導体に積層された軟金属箔からなる。好ましくは、該軟金属箔は、好ましくは当該テープ導体の厚さの少なくとも半分の、特に好ましくは当該テープ導体の厚さと少なくとも同一の厚さを持つ例えばインジウム、鉛、銅又は銀からなる。該軟金属箔は、当該テープ導体に好ましくは両主表面上で接触する。更に、両側の間に電気的接触を設けることが好ましい。従って、上記軟金属箔は、好ましくは、当該テープの周囲に巻かれると共に絶縁又は導通クランプにより固定することができる。

このような接触する取付エレメントは、テープ導体を固定するためのみならず、該テープ導体に対して、例えば端部において電流リード線として、又は他の電気的接続のために電気的接触を確立するためにも使用することができる。また、取付エレメントは、限流器コンポーネント内の２以上のテープ又はテープ区域の直列又は並列接続のためにも使用することができる。更に、斯様な導通する取付エレメントは、当該テープの小さな欠陥、即ち掻き傷又は鋭い曲がりを側路するために有利に使用することもできる。この場合、機械的支持構造を設ける必要はないが、自己支持的解決策も有利であり得る。例えば、上記欠陥は、低融解ハンダ、導通ペースト、又は好ましくは銅、銀、インジウム若しくは鉛からなる伝導箔により覆うことができる。

当該取付エレメントの接触領域の近傍では、テープは、該テープが制限する状態の間において移動する場合、許容可能なものより多く曲がる又は座屈さえする危険状態にある。従って、該取付エレメントは、上記接触領域を超えて、当該テープに沿って該テープ導体の許容される最小曲げ半径以上の曲げ半径を有し、且つ、当該テープを横切って該テープが主表面で接触しないように維持する窪んだ断面を有するような少なくとも１つの領域を好ましくは示すようにする。他の例として、テープの縁部を保持するタイプの少なくとも１つの追加の取付エレメントが、接触する取付エレメントの近くに、前者の制御された遊びが当該テープ導体の許容される最小曲げ半径よりも鋭い曲げを許さないように、配置される。両取付エレメントの間の好ましい距離は、当該テープの許容される曲げ半径の半分ないし３倍である。

当該テープ導体の幾つかの区域の分路は、該テープ導体の全体の抵抗値の減少につながる。従って、斯様な取付エレメントの数は過度に大きくてはならない。好ましくは、側路される区域と自由は区域との間の比は、１：５の比、特に好ましくは１：１０の比を超えてはならない。

他の態様によれば、本発明は、高温超伝導体により被覆されたテープ導体を備える限流器であって、該テープ導体は該テープの異なる区域の間で及び他の取付部分に対して最小距離を維持するような構造を示し、かくして上述した力の下での該テープの移動が、異なるテープ区域を互いに接触させ得ないか、又は冷却剤の接近が妨害されるように支持構造に前記主表面で接触させ得ないようにする限流器に関するものである。最小距離を持つ該構造は、気泡が自由に移動して去るのを可能にするためにも必要である。一方、該距離は大きすぎてはならない。何故なら、さもなければ、全体のシステムの体積が不必要に増加するからである。好ましい最小距離はテープ幅の１０％であり、特に好ましい最小距離はテープ幅の４０％である。

可能性のある構造は、例えば、平行に配列された直線導体区域、蛇行ループ、後者の積み重ね、単層若しくは多層の円筒状ソレノイド、パンケーキ型コイル、後者の積み重ね、交差巻回されたボビン、陰陽（yin-yang）若しくは野球（baseball）コイル、又は不規則な糸玉（irregular clews）でさえある。斯かる構造の選択は、全体のシステムにおけるコンポーネント及びモジュールの空間的配置、電位分布、泡のチャンネリング思想及び磁場の最小化に従って特定のケースに依存する。

制限状態におけるテープの移動方向は、該テープが初期状態においてコイル又は螺旋におけるように曲率又は曲げを呈するなら、予め規定することができる。この場合、泡の発生、熱的長さの膨張、及び磁力は本質的に外方への動きを生じさせるので、曲げは僅かに開くであろう。また、制限状態において一層急速に暖まるテープの前側が曲げの内側に位置するならば、熱変形は該曲げを幾らか開かせる。これは、いずれにせよ、マイクロクラックの形成の危険性を最小するためには好ましい。このようにして、動きは常に曲げの外側に向けられ、曲率半径を増加させる。

隣接する取付エレメント間の自己支持された直線区域は、相対的に長くすることができる。これらの自己支持型区域の好ましい長さは、テープ幅の３倍と５０倍との間であり、特に好ましい長さは、テープ幅の５倍と３０倍との間である。このような直線区域はねじりにより振動に対して安定化させることができる。

選択された構造は、好ましくは、上述した取付エレメントを用いて確定される。この目的のため、これらは、何らかの装置（appliance）上に固定されねばならない。上記取付エレメント及び固定装置が、一緒に、当該テープのための支持構造を形成している。上記固定装置は、好ましくは、短絡、電気的降伏及びスパークを防止するために、例えばポリイミド、ＰＥＴ、ＧＲＰ、ポリエステル又はセラミック等の絶縁材料からなる。

最後に、他の態様によれば、本発明は、各々が高温超伝導体により被覆されたテープ導体の少なくとも１つの区域を有するような少なくとも２つの限流器コンポーネントと、該少なくとも２つの限流器コンポーネントの間の少なくとも１つの絶縁隔壁とを備えるような限流器に関するものである。上記隔壁の厚さは、好ましくは、電位差と、好ましくはポリカーボネイト、ポリエステル、ポリイミド又はＧＲＰ等の絶縁材料の絶縁耐力とに従って寸法が決められる。このような隔壁の好ましい形状は、この場合も、テープが主表面で接触しないようにするような窪んだ形状である。

並列又は直列接続の１以上の限流器コンポーネントは、固体フレームによりモジュールへと組み合わせることができる。モジュール内には、長い長さのテープを収容することができる。これは、一方においては大きな電圧が発生し、他方においては制限状態において全体のモジュール内で大量の気泡が発生することを意味する。結果として、冷却剤の絶縁耐力が大幅に減少し、異なる限流器コンポーネント間でのスパークの危険性が特に大きくなる。

基本的に、問題は常に十分に大きな安全度余裕により解決することができる。しかしながら、一層高い電圧においては、これらは極端に大きくなり、嵩張ったシステム及び高い価格となる。そのような場合、コンポーネント（部品）間に絶縁仕切又は隔壁を配置することが好ましい。このような壁は、好ましくは、例えばポリイミド、ポリカーボネイト又は何らかのポリエステル等の高い絶縁耐力を持つ絶縁材料により形成される。これらの材料は如何なる冷却剤よりも高い絶縁耐力を有し、同時に、これらは、スパークに関わる連続したガスのトンネルが生じ得ないように、異なるコンポーネントの気泡を分離された状態に維持する。

好ましくは、前記少なくとも２つの限流器コンポーネントは、冷却液内に沈められ、制限状態において発生される気泡に対して別個の案内チャンネルを呈する。これらチャンネルは、好ましくは、斯かるチャンネルの長さに沿った如何なるスパークも不可能となるように十分に長いものとする。この場合、上記チャンネルの全ては、例えばガスが再び液化されると共に上記コンポーネントに注ぎ戻されるような共通の容器に結合することができる。

少なくとも２つの限流器コンポーネントが、各々が下から冷却液を入力するための少なくとも１つの開口を持つような底面を備えるチェンバ内に各々配置されるのが特に好ましい。更に、これらの開口を介して上記コンポーネントに対する電気リード線を配すると共に、斯かるチェンバの下の冷却液により満たされた空間内で上記リード線を相互接続するのが好ましい。その理由は、制限状態において発生される気泡は本質的に上方に移動するので、チェンバより下の上記空間は実質的に気泡無しとなり、ここでの液体は制限状態においても依然として相対的に高い絶縁耐力を有するということである。この空間を一層無気泡に維持するために、前記開口を、泡が下に沈み込むのは防止するが、冷却剤が実質的に侵入するのは許容するような泡障壁で覆うことが好ましい。このような泡障壁は、例えば、好ましくはガラス繊維、ポリイミド、ポリアミド、ポリエステル又は何らかの他の合成材料等の絶縁材料から形成される細かい網、格子、織物、フェルト又はフリース等により実現することができる。

更に、テープ導体の区域が、結果的磁界が少なくとも部分的に互いに相殺し合うように配置されるのが特に好ましい。個々のテープ区域は、いずれにせよ、或る距離でもって配置されねばならないので、磁界は非常に強くは重なり合い得ない。それにも拘わらず、テープの区域、ループ又は巻線の磁界が互いに相殺し合うような構造を選択することが好ましい。このような構造は、例えば、隣接するパンケーキにおいては電流が逆に流れるようなパンケーキ型コイルの積み重ね、又は隣接する層において電流が逆に流れるような円筒状ソレノイド、又は隣接する層及び／又は反転ループにおいて電流が逆に流れるような蛇行体の積み重ねである。

最後に、当該テープ導体は電流制限状態において１００ｍｓの時間間隔にわたり少なくとも５０ｋＷ／ｍ^２の面積電力密度を発生及び維持することができることが好ましく、該テープ導体が１００ｍｓの時間間隔にわたり損傷無しで少なくとも２５０ｋＷ／ｍ^２を発生及び維持することができることが特に好ましい。このようにして、制限状態におけるテープ導体に沿う電圧降下が十分に大きくなることが保証される。

以下、本発明の好ましい実施例を添付図面を参照して提示する。

この節は、本発明の現在において好ましい実施例を詳細に説明する。この説明によれば、下記の定義が使用される。
ＨＴＳ：ここでは薄膜の形態の高温超伝導体、
ＣＣ：被覆された導体、ＨＴＳにより被覆された金属テープ、
ＳＦＣＬ：超伝導故障電流限流器、
テープ導体：ここでは、導体テープ、テープ及びＣＣと同義、
主表面：主要な又は主たる表面；超伝導体により被覆されたＣＣの表面又は反対の表面、
縁領域：テープの側部の表面であり、縁及びＨＴＳ被覆を有さない可能性のある余白部を含む、
前側表面：ＨＴＳ被覆を持つ主表面（片面ＨＴＳ被覆の場合）、
後側表面：ＨＴＳ被覆を持たない主表面（片面ＨＴＳ被覆の場合）、
テープ区域：互いに接触するか又は互いに干渉する可能性のあるテープの異なる区域、
熱変形：テープの前側及び後側の差動的熱膨張により生じる弾性的又は塑性的曲がり、
支持構造：テープを固定フレーム（例えば、モジュール又は低温維持装置、下記参照）に機械的に連結する、
取付エレメント：上記支持構造におけるテープを保持する部分、
固定装置：上記支持装置の残部；上記取付エレメント（又は複数のエレメント）を固定フレーム（例えば、モジュール又は低温維持装置、下記参照）に連結する、
限流器コンポーネント：固定装置を伴うテープ又は幾つかの接続されたテープの最小単位、
モジュール：固定フレームに組み立てられた１以上の限流器コンポーネント、
ＣＣ−ＳＦＣＬ：低温維持装置に組み立てられた１以上のモジュールで、一緒に被覆された導体に基づく限流器を形成する、
全体のシステム：冷却機並びに測定、制御及びスイッチング装置を含む１以上の低温維持装置（例えば、三相構成の）、
ＧＲＰ：ガラス繊維強化プラスチック、
スイッチング：テープ導体の超伝導状態から（少なくとも部分的な）常伝動状態への移行、
制限状態：スイッチングから通常の直列スイッチの開成までの時間間隔における限流器の状態。

本発明の重要な態様は、テープ導体を縁部で保持するか又は該テープ導体を導通金属接触子により主表面で固定するという原理に基づくものである。第１のケースでは、テープ導体は好ましくは取付エレメント内において制御された遊びを有し、第２のケースにおいては、テープ導体は強固に取り付けられると同時に分路されるように電気的に接触される。取付エレメントの間において、テープは、好ましくは自身の略全長において、自己支持されて延びる。窪んだ形状を持つ、縁部で固定する取付エレメントの場合、テープ導体の主表面が（動いている場合においても）如何なる隣接する構造体に接触し得ないように、好ましくは凹状エレメントが使用される。原理が図１に示されている。これによれば、テープ１１は取付エレメント１２のお陰で垂直、水平又は如何なる他の位置においても固定することができる。

分路により固定する原理が図２に示されている。当該取付エレメントは、好ましくは、当該テープに隣接する分路部２３と、固定装置（図示略）に固定することができる支持部２４とからなる。しかしながら、固定装置に直に取り付けられるような１つの部分２４のみを使用することも可能である。

テープは、特に強固に固定される場合、膨張の間において座屈又は鋭い曲げを伴うことなく移動することができなければならない。これは、２つの固定点の間での動きに対する自由度を許可することにより達成することができる。テープ導体が直線に沿うのではなく、浅い曲げを呈することが特に好ましい。この場合、長さの膨張は弾性的曲率により補償することができる。この原理が図３に示されている。

次に、上述した原理を考慮に入れたテープ導体の組み立てに関する解決策の幾つかの例が存在する。

−取付エレメントがテープを縁部で保持する−
テープの長さに沿って、例えば薄い板（図４ａ）、長方形のスタッド及び丸められた縁を備えるもの（図４ｂ、４ｃ）、真っ直ぐな筒状片（図４ｄ）若しくは接続されたトランペット体を備えるチューブ（図４ｅ）、又は丸められた支柱（図４ｆ）等の異なる好ましい形状のものが存在する。接続されたトランペット体の場合、及び丸められた支柱の場合においては、長手方向の曲率半径は好ましくは当該テープの許容される曲率半径よりも小さくないものとする。このようにして、テープは過度な曲げ又は座屈から保護される。

全てのエレメントは、何れの側もテープを保持するように、両面型とすることができる。これが、板５２の例に関して図５に示されている。これまでに説明したエレメントは、各々が片側のみでテープを保持するものであった。テープを両側において保持するためには、このようなエレメントをテープの両側に配置しなければならない。好ましいものは、交互の（図６ａ）又は対状の（図６ｂ）配置であり、その場合において、対は単一のエレメントに統合することができるので、結果は目（アイ）となる（図６ｃ）。斯かる目が閉じられておらず、図６ｄにおけるように開口部を有し、且つ、十分に可撓性の材料からなることが有利である。この場合、テープは側部から挿入することができ、これは組立を容易にする。環状の取付エレメント又は閉じられた目の場合、テープを挿入するのを可能にするような狭い切り欠きを適用することもできる。

上記縁部取り付けの基本原理に従い、冷却剤の接近（アクセス）に対して開放しており、且つ、テープの両側に固定具を備えるような他の好ましい形状は、図７に示されるような、プラスチックから形成される弾性螺旋チューブ７２である。螺旋チューブは、巻線に対して汎用的に使用することができるか、又はねじり付き又は無しの自己保持されたテープ区域用の絶縁としても使用することができる。同様のことが、弾性螺旋体及び本の背として知られている丸いプラスチック製櫛に関しても成り立つ。プラスチック製櫛は、テープを側部から容易に導入することができるので、特に有利である。

−遊びあり又は無しの取り付け−
図４〜７におけるように、窪んだ取付エレメントがテープを緩くのみ保持しているなら、該テープは或る程度の遊びを依然として有し、長手方向に自身を変位させると共に、限られた程度に、自身の方向を変化させて、該テープに作用する力に対して道を譲ることができる。この様にして、当該テープ導体を損傷しかねない強い変形が回避される。しかしながら、基本的に、上記実施例の幾つかは、例えば前記対状の配置又は目状のエレメントのようにテープの相対的に固定的な取り付けにも使用することができ、これによれば、テープと取付エレメントとの間の当接（fitting）は、テープはクランプされるが損傷はされないように調整されねばならない。これは、好ましくは、バネにより負荷が掛けられた当接により達成することができる。

−取付エレメントの接触−
図２におけるテープ２１と分路部２３との間の接触は、好ましくは、クランプにより、例えばインジウム、銀、ビスマス若しくは錫に基づく低融解ハンダにより、押圧接触子により、導通する銀ペーストにより、例えば銀により充填されたエポキシ樹脂に基づく導通するグルー（glue）により達成することができる。好ましいものは、軟金属箔の象眼を備える押圧接触子である。軟金属箔は、好ましくは、テープの周りに巻かれると共に、インジウム、鉛、銀又は銅からなる。更に好ましいものは、例えば銀により充填されたエポキシ樹脂に基づく導通するグルーである。エポキシ樹脂の間で特に好ましいのは、冷反応２成分エポキシ樹脂である。何故なら、これらは好ましい低温特性を示すからである。

通常、支持部２４は分路部２３に剛性的に連結される（例えば、接着、ネジ止め、鋲止め、ハンダ又はクランプにより）。しかしながら、遊びを持つ連結を設けることもできる。また、損傷されたスポットが単に関係するなら、自己保持型の分路部も可能である。

−テープ構造−
限流器コンポーネントのためのテープ構造の好ましい実施例は、図８〜１２に例示されている。全ての場合において、前述した好ましい最小半径に注意が払われねばならない。

図８は、固定装置としての絶縁材料の板上の開いた目状の取付エレメントを用いて構成されたパンケーキ型コイルを示している。全ての他の取付エレメントも同様の形で考えることができる。ここに示したパンケーキ型コイルは円状の螺旋の形態を有している。他の例は、楕円状の螺旋又は丸められた角を持つ長方形の螺旋である。パンケーキ型コイルは、互いに重ね合わせることができる。これによれば、これらコイルは、好ましくは隣接するパンケーキにおいて電流の逆の流れを呈し、かくして、磁界が互いに相殺し合うように接続することができる。

図１０ａ及び１０ｂは、短い半筒に取り付けられた薄板により湾曲区域が保持されるような単層の蛇行体を示す。図１０ｂにおいて、テープの自己保持する直線区域２００は、各々１８０度捻られている。これは、テープの前側が常に内側曲げ状態にあり、ＨＴＳ膜が圧縮下となるので、有利である。更に、上記捻れは特に振動に対して、当該テープの機械的安定化として働く。捻れにより、テープの縁部は伸張され、該テープの中間軸は圧縮（squeeze）される。テープの最大変形ε_maxは、これにより超過されてはならない。計算の結果、最小許容可能ピッチ：

が得られ、ここでｗはテープ幅である。例えば、ｗ＝１０ｍｍ及びε_max＝０.２％の場合、最小許容可能ピッチは約３５０ｍｍとなり、１８０度の捻れに対して１７５ｍｍの自由長に対応する。この式は、実施テストに耐えるものであった。

蛇行体は互いに重ね合わせることができる。図１０ｃは、２層の蛇行積層体を示す。ここでは明瞭化のために支柱は示されていない。両層の間には、捻りの無い反転ループが存在する。このようにして、テープの前側は常に全ての湾曲区域の内側上になり得、加えて、電流は逆の流れとなる。後者は上記反転ループに対しては成り立たない。逆の流れの２つの反転ループを得るには、少なくとも４層の蛇行積層体が必要となる。図１０ｄは、それらをどの様に配置するかを示している。平ら且つ小型の配置のために、テープは更に２つの支柱の周りに巻回することができる。その結果が図１１ａに示されている。捻りにより、各区域は中間において接触せずに交差することができ、前側は常に内側に位置し得る。磁界は一層良好に相殺され、交差が図１１ｂに示されるように間欠的にのみなされる場合、絶縁距離は一層大きくなる。しかしながら、交差するテープ区域は、前側が常に内側上に位置するのを可能にするには、図とは対照的に、再び捻られねばならない。

小さな磁気自己場（magnetic self-field）を持つ他の構造は、図１２に示されるような所謂野球コイル又は陰陽コイルである。

図８〜１２に関連する実施例においては、隣接するテープ区域１００は、常に、当該テープ導体の幅の１０％を超える、好ましくは４０％を超えるような最小距離を示す。このようにして、制限状態の間における泡の形成がテープ導体の過度の変形につながることが防止される。最小距離に対する上記制限は、泡が実質的に自由に逃れ得ることを保証する。

−気泡の案内−
高い電圧においては、より小型及び安価な設計のために大きな安全距離に取って代えるために、好ましくは電位差が１ｋＶを超える場合、特に好ましくは２ｋＶを超える場合に、異なる電位のコンポーネントを分離するために隔壁を使用するのが有利である。図１３は好ましい配置を示している。一例として、パンケーキ型コイルとして図示された３つの限流器コンポーネント８５が存在する。各コンポーネント８５は、隔壁８６により形成された別個のチェンバ内に配置されている。各チェンバは、好ましくは上部まで延長され、そこでは、冷却面８８を持つ共通ガス容器につながる泡チャンネル又は煙突８７として作用する。上記泡チャンネルは、ガス内でのスパークが安全に排除されるように十分に長く選定されるべきである。上記ガス容器には、好ましくは、サージタンク（図示略）が取り付けられる。

各チェンバの底側には網８９があり、該網は泡障壁として開口を覆う。このようにして、上記コンポーネントの相互接続部９０はチェンバの下の高絶縁耐力を持つ無気泡冷却液内に配置される。また、電流リード線９１は、特別に分離されたチェンバ内に導かれると共に、過度の損失を生じないように冷却剤の範囲内でＨＴＳ材料からなることができる。全体の装置は固定されたフレーム内に配置され、該フレームは図１３では冷却液を含む低温維持装置として例示されている。

図１は、テープ導体を窪んだ形状により縁部で保持する原理を示す。 図２は、テープ導体を主表面を分路することにより固定する原理を示す。 図３は、２つの取付体の間で曲がりを持つ、自己支持している脚部を示す。 図４ａは、窪んだ形状の例を示す。 図４ｂは、窪んだ形状の例を示す。 図４ｃは、窪んだ形状の例を示す。 図４ｄは、窪んだ形状の例を示す。 図４ｅは、窪んだ形状の例を示す。 図４ｆは、窪んだ形状の例を示す。 図５は、両面型取付エレメントの例を示す。 図６ａは、取付エレメントの交互の配置によるテープ導体の両側支持を示す。 図６ｂは、取付エレメントの対状配置によるテープ導体の両側支持を示す。 図６ｃは、開口によるテープ導体の両側支持を示す。 図６ｄは、開口によるテープ導体の両側支持を示す。 図７は、取付エレメントとしての螺旋チューブを示す。 図８は、導体テープのパンケーキ型コイルを示す。 図９は、導体テープの単層ソレノイドを示す。 図１０ａは、蛇行配列に形成された導体テープを示す。 図１０ｂは、蛇行配列に形成された導体テープを示す。 図１０ｃは、蛇行配列に形成された導体テープを示す。 図１０ｄは、蛇行配列に形成された導体テープを示す。 図１１ａは、２つの支柱の周りに巻回された導体テープを示す。 図１１ｂは、２つの支柱の周りに巻回された導体テープを示す。 図１２は、陰陽又は野球コイルを示す。 図１３は、高電圧におけるコンポーネントの仕切を示す。

符号の説明

１１，２１，３１，４１，５１，６１，７１：テープ導体（ＣＣ）
１２，３２，４２，５２，６２，７２：取付エレメント
２３：分路部
２４：支持部
８５：限流器コンポーネント
８６：隔壁
８７：気泡を伴う泡チャンネル又は煙突
８８：冷却面
８９：泡障壁としての網
９０：相互接続部
９１：高電圧貫通を備える電流リード線
９２：低温維持装置又はモジュール壁
９３：冷却液のレベル
１００：隣接するテープ区域
２００：捻れを伴う直線テープ区域

Claims (8)

1. ａ．高温超伝導体により被覆されたテープ導体（１１，４１，５１，６１，７１）と、
   ｂ．前記テープ導体（１１，４１，５１，６１，７１）を保持する少なくとも１つの取付エレメント（１２，４２，５２，６２，７２）と、
   を有し、前記少なくとも１つの取付エレメントが前記テープ導体を、１以上の縁領域のみにおいて前記テープの主表面が前記取付エレメントと接触し得ないように保持するような限流器であって、
   ｃ．前記取付エレメント（１２，４２，５２，６２，７２）が窪んだ形状を有し、前記テープ導体（１１，４１，５１，６１，７１）が前記窪んだ形状の内部に延在する、
   ことを特徴とする限流器。
2. 請求項１に記載の限流器において、前記取付エレメント（１２，４２，５２，６２，７２）の窪んだ形状が、前記テープ（１１，４１，５１，６１，７１）に面する側において凹状断面の少なくとも１つの区域を呈するような限流器。
3. 請求項２に記載の限流器において、前記テープ導体（１１，４１，５１，６１，７１）が幅ｗを有し、前記窪んだ形状が平均曲率半径ｒを有し、０.５ｗ≦ｒ≦１０ｗであるような限流器。
4. 請求項１ないし３の何れか一項に記載の限流器において、前記取付エレメントが、前記テープの少なくとも１つの区域が延伸して貫通する窪んだ断面を有するチューブ（４２）又は板の凹み（４２）若しくは開口（６２）であるような限流器。
5. 請求項１ないし４の何れか一項に記載の限流器において、前記テープ導体が、該テープ導体の縁領域においてテープ導体と前記取付エレメント（１２，４２，５２，６２，７２）との間のテープ導体の幅ｗの５％ないし５０％の間隙で、前記取付エレメント（１２，４２，５２，６２，７２）により保持されるような限流器。
6. 請求項１ないし５の何れか一項に記載の限流器において、前記取付エレメントが前記テープ導体に対してバネ負荷が掛けられた当接を有するような限流器。
7. 請求項１ないし６の何れか一項に記載の限流器において、
   ａ．テープ導体（１１，４１，５１，６１，７１）が、少なくとも２つの隣接するテープ区域（１００）を伴う少なくとも１つの領域を有し、
   ｂ．前記テープ導体（１１，４１，５１，６１，７１）の隣接するテープ導体区域（１００）のお互いの距離が、前記テープ導体（１１，４１，５１，６１，７１）のテープ幅の１０％より大きい、
   限流器。
8. 請求項７に記載の限流器において、前記テープ導体（１１，４１，５１，６１，７１）が、コイル状、螺旋状、または蛇行体状の形状を有するような限流器。

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