JP2005197539A

JP2005197539A - 超電導限流素子

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Inventors: Hiroshi Kubota; 宏久保田
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Abstract

【課題】限流動作時に超電導体の破損を招くことなく大きな抵抗を発生する抵抗発生型超電導限流素子を提供する。
【解決手段】並列接続された第１の超電導体（１）および常伝導体（２）を含む並列回路と、前記並列回路に直列接続された、前記第１の超電導体より大きい臨界電流値をもつ第２の超電導体（３）とを有し、前記常伝導体（２）および第１の超電導体（１）のうち少なくとも一方と前記第２の超電導体（３）とが同一の絶縁性基板（４）上に設けられている超電導限流素子。
【選択図】図７

Description

本発明は、超電導体の超電導／常伝導転移を利用して電路に流れる短絡電流などの過大な電流を瞬時に抑制する超電導限流素子に関する。

限流素子は、ある値以下の電流はほとんど損失を発生させずに通電できるが、大きな電流が流れようとするとインピーダンスを発生して電流を抑制する素子である。限流素子は、電力系統に発生した短絡や地絡などに伴う事故電流を瞬時に抑制する電力機器に適用される。現在、限流素子はアーク放電を用いるもの、半導体を利用するものなど、いろいろな方式の素子が研究されている。そのなかでも超電導体に大電流が流れると超電導状態を維持することができず、常伝導状態へと転移して抵抗を発生する現象を利用した限流素子は抵抗発生型超電導限流素子と呼ばれ、動作速度が速く、コンパクトな設計が可能という優れた特徴をもつため、多くの研究機関で検討されている。

しかし、超電導体を単純に電力系統に直列に接続しただけでは、超電導体が容易に損傷するため、限流素子として使用することができない。超電導体が損傷を受ける詳しいメカニズムは現在のところよくわかっていないが、以下のような原因が考えられている。すなわち、超電導体が大電流により常伝導状態へと転移していく場合、一般には超電導特性の不均一性などに起因して局所的に常伝導領域が生じる。限流動作を開始した直後のまだ抑制できていない大電流が局所的な常伝導領域を流れると、非常に大きなジュール熱が発生するため温度が過度に上昇して超電導体が損傷すると考えられる。また、局所的な温度上昇に伴って、バルク形状の超電導体の場合には超電導体内部の大きな熱応力が発生し、絶縁性基板上に成膜した超電導薄膜の場合には超電導薄膜と基板との界面に大きな熱応力が働くため、これらの熱応力も超電導体を損傷させる原因と考えられる。

そこで、繰り返し動作可能な抵抗発生型超電導限流素子を作製するためには、過電流が流れた際に常伝導領域を均一に発生させる、または限流動作初期に発生した常伝導領域でのジュール発熱を低減させる、といった対策が必要になる。ただしこの二つの方法のなかで、後者の対策は超電導体に対して常伝導体２などの並列抵抗体を設けることで比較的簡単に実現できる。このため、現在研究されている抵抗発生型超電導限流素子のほとんどは、このような構造を採用している。

図１に超電導体１０１に対して常伝導体１０２を並列接続した従来の抵抗発生型超電導限流素子を示す。この図は、事故電流Iが流れた際の限流動作初期に、超電導体１０１の内部に局所的に常伝導領域１０１ａが発生した状態を示している。このとき、常伝導体１０２の抵抗値をｒ、超電導体１内部の常伝導領域１０１ａの抵抗値をＲとする。

いま、超電導体１０１に対して常伝導体１０２が並列接続されていないと仮定する。この場合、超電導体１０１内部に局所的に発生した常伝導領域１０１ａでの発熱量Ｗは下記（１）式のように表されるが、一般にはこの発熱量Ｗは極めて大きくなる。
Ｗ＝Ｉ²Ｒ・・・（１）。

これに対して、図１のように、超電導体１０１に対して常伝導体１０２を並列接続すると、電流Ｉの一部が常伝導体１０２に転流するので、超電導体１０１内部の常伝導領域１０１ａでの発熱量を低減させることができる。しかし、図１に示した従来の抵抗発生型超電導限流素子にも、問題がある
図１の構造において、常伝導領域１０１ａでの発熱量Ｗは下記（２）式のように表される。

（２）式の発熱量Ｗの値が（１）式の発熱量Ｗの値より十分に小さくなるためには下記の（３）式の条件を満たす必要がある。
ｒ＜＜Ｒ・・・（３）。

また、限流動作初期に発生する常伝導領域１０１ａは超電導体１０１の全体に対してごく一部分である。超電導体１０１の全体が常伝導状態となった場合の抵抗をＲtotと表すと、
Ｒ＜＜Ｒtot ・・・（４）
となる。これらのことから、限流素子全体の合成抵抗Ｒ_elは下記（５）式のように表される。

すなわち、図１の構造を採用した場合、限流素子全体の抵抗は、超電導体の抵抗と比較して著しく低くなる。例えば超電導体としてＹ系の超電導薄膜を用いた場合、多くの実験結果から、常伝導体１０２の抵抗ｒを超電導体１０１の抵抗Ｒtotと比較して一桁程度小さくしなければならないことが知られている。したがって、限流動作にとって望ましい抵抗値を生じさせるためには、図１の構造を有する限流素子を多数用意して直列に接続しなければならなくなる。

そこで、常伝導体を設けない構造または抵抗の大きい常伝導体を並列接続した構造で、限流動作初期に超電導体を破壊させないように、超電導体を均一に常伝導転移させるための方法も検討されている。このような方法の代表的なものとして、超電導体に磁界を印加したり、またはヒーターを用いて超電導体の温度を上昇させたりして超電導特性を低下させ、常伝導転移を広範囲で発生させるものがある（例えば、非特許文献１、特許文献１参照）。しかし、このような方法では、磁界を発生させるためのコイルやヒーターが必要となり、またコイルやヒーターに通電するかどうかを判断するための過電流センサーおよびこれらに電力を供給する電源も必要となるため、コンパクトな限流素子を作製することが困難となる。

また、外部電源を設けずに電力系統の電流をヒーターに通電して超電導体の温度を上昇させる限流素子も提案されている（特許文献２参照）。しかし、このような限流素子では、ヒーター加熱により超電導体の常伝導転移が均一化する方向に向かうものの、ヒーターに電流が流れるのは超電導体が電圧を発生したためであり、時間順序としては超電導体に局所的な常伝導領域が発生する現象が先である。したがって、超電導体の損傷を防ぐためにはやはり局所的な常伝導領域のジュール発熱を低減する必要があり、その結果ヒーターとして利用する並列抵抗体の抵抗は上記（３）式の関係をみたさなければならない。すなわち、この限流素子では超電導体全体が常伝導転移するために要する時間は短くはなるものの、限流素子の抵抗を大きくすることはできない。
第６３回２０００年度秋季低温工学・超電導学会講演概要集１１３頁特開平８−３３５５２５号公報特開平８−２２３７９０号公報

本発明の目的は、限流動作時に超電導体の破損を招くことなく大きな抵抗を発生する抵抗発生型超電導限流素子を提供することにある。

本発明の一態様に係る超電導限流素子は、並列接続された第１の超電導体および常伝導体を含む並列回路と、前記並列回路に直列接続された、前記第１の超電導体より大きい臨界電流値をもつ第２の超電導体とを有し、前記常伝導体および第１の超電導体のうち少なくとも一方と前記第２の超電導体とが同一の絶縁性基板上に設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、限流動作時に破損することなく大きな抵抗を発生する抵抗発生型超電導限流素子を提供することができる。

図２を参照して本発明の実施形態に係る超電導限流素子の原理を説明する。図２においては、第１の超電導体１と常伝導体２とが並列接続されている。第１の超電導体１および常伝導体２を含む並列回路に対して、第２の超電導体３が直列接続されている。図２では、常伝導体２と第２の超電導体３とが同一の絶縁性基板４上に設けられている。この図では、第１の超電導体１全体が常伝導状態になったときの抵抗値をＲ₁tot、常伝導体２の抵抗値をｒ₁、第２の超電導体３全体が常伝導状態になったときの抵抗値をＲ₂totとする。

なお、第１の超電導体１と第２の超電導体３とを同一の絶縁性基板４上に設けてもよい。また、第１の超電導体１および常伝導体２を絶縁性基板４の一方の面に、第２の超電導体３を同一の絶縁性基板４の反対面にそれぞれ設けてもよい。

図２に示した超電導限流素子においても、限流動作初期に第１の超電導体１内部で発生した常伝導領域を保護するためには、ｒ₁＜＜Ｒ₁totの条件を満たす常伝導体２が必要になる。この点は、図１に示した従来の超電導限流素子の場合と同じである。一方、図２の超電導限流素子では、常伝導体２での発熱が絶縁性基板４を介して第２の超電導体３に印加され、第２の超電導体３は均一に常伝導状態へと転移し、過電流を瞬時に抑制することができる。すなわち、第２の超電導体３は並列抵抗体を設けなくとも損傷を受けることがなく、第２の超電導体３全体の抵抗Ｒ₂totをそのまま限流抵抗として利用することができる。このとき、図２の限流素子全体の抵抗は下記（６）式で表される。

比較のために、図１に示した従来の限流素子を２個直列に接続した場合を考える。ここでは、第１の超電導体（Ｒ₁tot）に対してｒ₁＜＜Ｒ₁totの条件を満たす第１の常伝導体を並列接続し、第２の超電導体（Ｒ₂tot）に対してｒ₂＜＜Ｒ₂totの条件を満たす第２の常伝導体を並列接続するものと仮定する。この場合、直列接続された２つの限流素子全体の抵抗は下記（７）式で表される。

（６）式のｒ₁＋Ｒ₂totの値は（７）式のｒ₁＋ｒ₂の値より大幅に高くすることができる。したがって、本発明の実施形態に係る超電導限流素子ではコンパクトな構造で所望の抵抗値が得られる。

ただし、図２の構造では、第２の超電導体３に対して並列抵抗体が設けられていないため、加熱によって第２の超電導体３が均一に常伝導状態へと転移しないと、第２の超電導体３が損傷するおそれがある。つまり、第１の超電導体１が第２の超電導体１２より先に常伝導状態へと転移するとともに、第２の超電導体３は自発的に常伝導転移することなく、加熱されることによって均一に常伝導状態へと転移しなければならない。このような転移を可能にするためには、超電導体が常伝導体へと転移する目安となる電流値である臨界電流値Ｉｃに関して、第２の超電導体３よりも第１の超電導体１の方が小さい必要がある。

また、図２に示した超電導限流素子では、ヒーターとして用いられる常伝導体２（または第１の超電導体１）で発生した熱量が第２の超電導体３へと速やかに伝導することが必要である。そのためには、常伝導体２（または第１の超電導体１）と第２の超電導体３との間に介在する材料がなるべく少ない方がよい。これは、異なった材料間の界面は一般に熱抵抗として作用するからである。したがって、例えば第２の超電導体３を絶縁性基板４上に成膜し、常伝導体２（または第１の超電導体１）からの熱が絶縁性基板４を伝わって第２の超電導体３に印加されるようにすることが好ましい。

また、図２の限流素子では第１の超電導体１と第２の超電導体３が直列に接続されており、その通電容量の目安はより小さい値を持つ第１の超電導体１の臨界電流値によって与えられる。したがって、第２の超電導体３の臨界電流値が固定されていたとしても、第１の超電導体１の臨界電流値が大きいほど通電容量は増加する。しかし、限流素子を流れる電流値が第１の超電導体１の臨界電流値を大きく超えても、第１の超電導体１が常伝導転移しにくい材料特性をもっている場合には、第２の超電導体３の温度が上昇する前にさらに事故電流が増大して第２の超電導体３が自発的に常伝導転移しはじめ、第２の超電導体３が破壊される危険性が高まる。このような危険性を回避するためには、第１の超電導体１は、臨界電流密度が高く、かつ常伝導転移がすばやく起こることが好ましい。例えば、第１の超電導体１として、基板上にエピタキシャル成膜させた薄膜状の超電導体を用いることが好ましい。

また、第２の超電導体３を最も効率的に温度上昇させるには、第１の超電導体１および常伝導体２を絶縁性基板４の一方の面に、第２の超電導体３を同一の絶縁性基板４の反対面にそれぞれ設け、第１の超電導体１および常伝導体２の両者の発熱を第２の超電導体３に伝えることが好ましい。

なお、事故電流が流れ始めてからｍｓｅｃオーダーの所定の時間内に限流動作を発揮させるためには、絶縁性基板として使用される材料の熱伝導率、熱容量などに応じて、その厚さなどを適切に設計することが好ましい。

（実施例１）
図３は本実施例における超電導限流素子の斜視図である。図４は本実施例における超電導限流素子の分解斜視図である。

厚さ１ｍｍのサファイアからなる絶縁性基板４の一方の面（上面）に、ミアンダ(meander)形状（ジグザグに曲がりくねった形状）に加工したＮｉ薄膜からなる常伝導体２を形成した。この常伝導体２上にミアンダ形状に加工した第１の超電導体１を形成した。第１の超電導体１としては、Ｙ系のバルク超電導体を研磨して厚さ０．３ｍｍの板状にし、さらに幅１ｍｍのミアンダ形状のストリップに加工したものを用いた。第１の超電導体の全長は約２００ｍｍであった。第１の超電導体１の片面に銀ペーストを薄く塗って常伝導体２上に貼り付けた。絶縁性基板４の他方の面（下面）に、ミアンダ形状に加工した第２の超電導体３を形成した（図３には図示せず）。第２の超電導体３は、第１の超電導体１と同じ材質からなり同じ形状に加工されているが、幅は２ｍｍである。第２の超電導体３の片面にエポキシ樹脂を薄く塗って絶縁性基板４の下面に貼り付けた。第１の超電導体１と常伝導体２の片端に、厚さ約３μｍの銀を蒸着し、酸素雰囲気中で４００℃、１時間アニールすることにより、電流リードを接続するための電流パッド５を形成した。また、銀の網線と銀ペーストを用いて、第１の超電導体１と第２の超電導体３とを直列に接続するためのリード６を形成した。

第１の超電導体１と常伝導体２との合成抵抗は、限流動作時に第１の超電導体１が損傷しない範囲でなるべく大きな値となるように実験を繰り返した結果、測定温度１００Ｋにおいて約０．００４Ωとした。第２の超電導体３には並列抵抗体が接続されていないため、１００Ｋにおいて約０．０３Ωの抵抗であった。液体窒素温度において、第１の超電導体１のＩｃは約２５０Ａ、第２の超電導体３のＩｃは約５００Ａであった。

このようにして作製した限流素子を液体窒素中で冷却し、ピーク電流値が２０００Ａとなる５０Ｈｚの交流電源（ピーク電圧２０Ｖ，抵抗０．０１Ω）により半波の通電を行った。図５にこの限流素子による限流動作を示す。図５（ａ）は回路電流、図５（ｂ）は素子の発生電圧、図５（ｃ）は素子の抵抗を示している。

回路電流が約５００Ａに達した時刻ｔ１において、第１の超電導体１と常伝導体２との並列回路が電圧を発生し、第２の超電導体３を加熱し始める。第２の超電導体３のＩｃは第１の超電導体１の２倍であるため、第２の超電導体３が加熱されないとすれば、第２の超電導体３は回路電流が約１０００Ａとなると電圧を発生し始めると予想される。しかし、回路電流が約７００Ａになった時刻ｔ２において第２の超電導体３が電圧を発生し始めていることから、第２の超電導体３は加熱されて常伝導転移したと判断できる。

比較のために、図６に示したように、第１の超電導体１および常伝導体２を１つのサファイア基板上に形成し、第２の超電導体３を別のサファイア基板上に形成して、直列接続した限流素子を作製した。図６の素子では、回路電流が約５００Ａとなると第１の超電導体１が電圧を発生し始めたが、その後も回路電流が増加し続け、回路電流が約１０００Ａに達した瞬間に第２の超電導体３が損傷した。

さらに、第１の超電導体に対して常伝導体を並列接続するとともに、第２の超電導体に対して常伝導体を並列接続し、これらを直列接続して限流素子を作製した。この限流素子について限流試験を繰り返し行ったところ、第２の超電導体が破損しないようにするには、第２の超電導体と常伝導体との合成抵抗を１００Ｋの温度において０．００２Ω以下に下げなければならないことが判明した。

上記のような従来の素子構造では第１の超電導体と第２の超電導体を利用しても抵抗値は（０．００４＋０．００２）＝０．００６Ω（ａｔ１００Ｋ）にしかならない。これに対して、実施例１の限流素子では（０．００４＋０．０３）＝０．０３４Ω（ａｔ１００Ｋ）と約５．５倍の抵抗値が得られる。

ただし、上記の抵抗値は１００Ｋでの値であり、素子の抵抗は温度によって変化するため一定値とはならない。図５からもわかるように、素子の抵抗は超電導体の常伝導転移を反映し、急激に大きくなったあと、徐々に上昇することになる。しかし、動作中の素子抵抗が一定値とならなくとも、１００Ｋ程度の温度での抵抗値はその目安となる。

（実施例２）
図７は本実施例における超電導限流素子の上面を示す斜視図である。図８は本実施例における超電導限流素子の下面を示す斜視図である。

幅５ｃｍ、長さ１５ｃｍ、厚さ１ｍｍのサファイアからなる絶縁性基板４の上面にＮｉ薄膜を成膜し、幅３ｃｍ、長さ１２ｃｍの寸法に加工して常伝導体２を形成した。第１の超電導体１として、厚さ１００μｍ、幅１ｃｍ、長さ１２ｃｍの金属テープ上に成膜されたＹ系超電導薄膜線材を用いた。第１の超電導体１が形成された金属テープを、エポキシ樹脂を用いてＮｉ薄膜からなる常伝導体２上に接着した。第２の超電導体３として、サファイアＲ面上にエピタキシャル成膜したＣｅＯ₂上にＭＯＤ法により成膜したＹ系超電導薄膜を用いた。第２の超電導体３は、基板４を挟んで常伝導体２と対向する位置に、幅３ｃｍ、長さ１２ｃｍの寸法に形成した。

常伝導体２および第１の超電導体１の両端に銀ペーストを用いて電流パッド５を作製し、両者を並列接続した。第１の超電導体１の表面には厚さ５０ｎｍの金を保護膜として設けた。第２の超電導体３の両端にも銀ペーストを用いてで電流パッド５を作製した。また、銀の網線と銀ペーストを用いて、第１の超電導体１と第２の超電導体３とを直列に接続するためのリード６を形成した。

第１の超電導体１と常伝導体２との合成抵抗は約０．０５Ω（ａｔ１００Ｋ）であり、第２の超電導体３の抵抗は約２０Ω（ａｔ１００Ｋ）であった。液体窒素温度において、第１の超電導体１のＩｃは約５０Ａ、第２の超電導体３のＩｃは約２００Ａであった。

このようにして作製した限流素子を液体窒素中で冷却し、ピーク電流値が１０００Ａとなる５０Ｈｚの交流電源（ピーク電圧１０００Ｖ，内部抵抗１Ω）により半波の通電を行った。図９にこの限流素子による限流動作を示す。図９（ａ）は回路電流、図９（ｂ）は素子の発生電圧、図９（ｃ）は素子の抵抗を示している。

回路電流が約１２０Ａに達した時刻ｔ１において、第１の超電導体１と常伝導体２との並列回路が電圧を発生し、第２の超電導体３を加熱し始める。その結果、回路電流が約２５０Ａとなった時刻ｔ２において第２の超電導体３は電圧を発生し始めた。なお、第２の超電導体に対して常伝導体を並列接続して限流素子を作製して限流試験を行ったところ、電流値が約３００Ａに達したときに抵抗を発生し始めた。しかし、第２の超電導体と常伝導体との合成抵抗を約１Ω程度まで低下させないと第２の超電導体が損傷することがわかった。このことから、本実施例の限流素子では第２の超電導体は加熱されて均一に常伝導転移したと判断できる。

すなわち、従来の素子構造では第１の超電導体と第２の超電導体とを利用しても抵抗値は（０．０５＋１）＝１．０５Ω（ａｔ１００Ｋ）にしかならない。これに対して、実施例２の限流素子では（０．０５＋２０）＝２０．５Ω（ａｔ１００Ｋ）と、従来の素子と比較して非常に大きな抵抗値が得られる。

なお、第１の超電導体が電圧を発生し始めてから第２の超電導体が常伝導転移するまでの時間は、実施例１の場合には１ｍ秒以上であったが、実施例２の場合には約０．５ｍ秒と半減している。これは、実施例１では絶縁性基板と第２の超電導体との間に接着剤が介在していたのに対し、実施例２では絶縁性基板と第２の超電導体との間に接着剤がなく、熱伝導が効率的に行われたためであると考えられる。

（実施例３）
図１０は本実施例における超電導限流素子を示す斜視図である。図１１は本実施例における超電導限流素子の上面を示す分解斜視図である。図１２は本実施例における超電導限流素子の下面を示す分解斜視図である。

実施例３と実施例２との違いは、第１の超電導体１として、厚さ１ｍｍ、幅１ｃｍ、長さ１２ｃｍのサファイア基板上にエピタキシャル成膜させたＣｅＯ₂上に、蒸着法によりエピタキシャル成膜させたＹ系超電導薄膜を用いたことである。それ以外の構成は実施例２と同じである。

液体窒素温度において、第１の超電導体１のＩｃは約１３０Ａ、第２の超電導体３のＩｃは約２００Ａであった。本実施例の場合、限流素子の通電容量を決定する第１の超電導体１のＩｃは、実施例２の約２．６倍となっている。また、第１の超電導体１と常伝導体２との合成抵抗は約１Ω（ａｔ１００Ｋ）、第２の超電導体３の抵抗は約２０Ω（ａｔ１００Ｋ）であった。

このようにして作製した限流素子を液体窒素中で冷却し、ピーク電流値が１０００Ａとなる５０Ｈｚの交流電源（ピーク電圧１０００Ｖ，内部抵抗１Ω）により半波の通電を行った。図１３にこの限流素子による限流動作を示す。図１３（ａ）は回路電流、図１３（ｂ）は素子の発生電圧、図１３（ｃ）は素子の抵抗を示している。

回路電流が約１８０Ａに達した時刻ｔ１において、第１の超電導体１と常伝導体２との並列回路が電圧を発生し、第２の超電導体３を加熱し始める。その結果、回路電流が２４０Ａ近傍になった時刻ｔ２において、第２の超電導体３は電圧を発生し始めた。なお、第２の超電導体に対して常伝導体を並列接続して限流素子を作製して限流試験を繰り返したところ、両者の合成抵抗を２Ω以下にしなければ第２の超電導体が損傷することがわかった。すなわち、従来の素子構造では第１の超電導体と第２の超電導体とを利用しても抵抗値は（１＋２）＝３Ω（ａｔ１００Ｋ）にしかならない。これに対して、実施例３の限流素子では（１＋２０）＝２１Ω（ａｔ１００Ｋ）と、従来の素子と比較して非常に大きな抵抗値が得られる。

上述したように実施例３の限流素子では実施例２の限流素子と比べて２．６倍の通電容量が期待できる。なお、実施例２の構造で、第１の超電導体として金属テープ上に作製したＹ系超電導線材を２本用いた限流素子（すなわち第１の超電導体のＩｃは１００Ａ）を作製して限流試験を行った。この限流素子では、電流値が２６０Ａに達した時に電圧を発生し始めたものの、その後も電流が増加し続け、電流値が３３０Ａに達したときに第２の超電導体が損傷した。これは、金属テープ上のＹ系超電導体が常伝導転移する際に時間がかかり、第２の超電導体を均一に常伝導転移させるのに十分な発熱量を得る前に、第２の超電導体が自発的に常伝導転移するまでに回路電流値が上昇した結果と解釈できる。以上の結果からわかるように、抵抗が大きくかつ通電容量の大きな抵抗発生型超電導限流素子を作製するためには、絶縁性基板上にエピタキシャルに成膜した超電導薄膜を用いて常伝導転移現象をすばやく生じさせることが効果的である。

（実施例４）
図１４は本実施例における超電導限流素子の上面を示す斜視図である。図１５は本実施例における超電導限流素子の下面を示す斜視図である。

本実施例では、両面研磨した厚さ１ｍｍ、幅５ｃｍ、長さ１５ｃｍのサファイア（Ｒ面）からなる絶縁性基板の上面および下面にエピタキシャル成膜させたＣｅＯ₂上に、共蒸着法により両面成膜したＹ系超電導薄膜を用いた。両面のＹ系超電導薄膜を加工し、幅１ｃｍ、長さ１２ｃｍのストリップ形状の第１の超電導体１、幅３ｃｍ、長さ１２ｃｍのストリップ形状の第２の超電導体３を形成した。また、第１の超電導体１の両側にそれぞれ幅１ｃｍのＮｉ薄膜を成膜して常伝導体２として用いた。

液体窒素温度において、第１の超電導体のＩｃは約１３０Ａ、第２の超電導体のＩｃは約２００Ａであり、実施例３と同等の値であった。また、第１の超電導体１と常伝導体２との合成抵抗は約１Ω（ａｔ１００Ｋ）、第２の超電導体３の抵抗は約２０Ω（ａｔ１００Ｋ）であった。

このようにして作製した限流素子を液体窒素中で冷却し、ピーク電流値が１０００Ａとなる５０Ｈｚの交流電源（ピーク電圧１０００Ｖ，内部抵抗１Ω）により半波の通電を行った。図１６にこの限流素子による限流動作を示す。図１６（ａ）は回路電流、図１６（ｂ）は素子の発生電圧、図１６（ｃ）は素子の抵抗を示している。

回路電流が約１８０Ａに達した時刻ｔ１において、第１の超電導体１と常伝導体２との並列回路が電圧を発生し、第２の超電導体３を加熱し始める。その結果、回路電流が約２８０Ａになると、第２の超電導体３が電圧を発生し始めることが予想される。しかし実際には、回路電流が約２００Ａに達した時刻ｔ２において、第２の超電導体３は電圧を発生し始めた。このことから第２の超電導体３は加熱の効果により常伝導転移したと判断できる。

実施例４の限流素子は、実施例３の限流素子と比較して、超電導体の臨界電流値や電圧を発生し始める電流値がほぼ同じである。しかし、限流時の最大通過電流値を比較すると、実施例３の場合は約２４０Ａであるのに対し、実施例４では約２００Ａとかなり小さい値となっている。これは実施例４では、実施例３の場合と異なり、常伝導体２の発熱だけではなく、第１の超電導体１の発熱も第２の超電導体３の温度上昇に使われ、第２の超電導体３の温度上昇が速くなったためだと解釈できる。最終発生抵抗だけではなく事故時の最大通過電流値の低減も要求される場合には、実施例４の限流素子のように、第１の超電導体および常伝導体の両方の発熱を第２の超電導体の温度上昇に利用することが好ましい。

従来の抵抗発生型超電導限流素子の概略構成図。本発明の実施形態に係る超電導限流素子の概略構成図。本発明の実施例１における超電導限流素子の斜視図。本発明の実施例１における超電導限流素子の分解斜視図。本発明の実施例１における超電導限流素子の限流特性を示す図。比較例の超電導限流素子の斜視図。本発明の実施例２における超電導限流素子の上面を示す斜視図。本発明の実施例２における超電導限流素子の下面を示す斜視図。本発明の実施例２における超電導限流素子の限流特性を示す図。本発明の実施例３における超電導限流素子の斜視図。本発明の実施例３における超電導限流素子の上面を示す分解斜視図。本発明の実施例３における超電導限流素子の下面を示す分解斜視図。本発明の実施例３における超電導限流素子の限流特性を示す図。本発明の実施例４における超電導限流素子の上面を示す斜視図。本発明の実施例４における超電導限流素子の下面を示す斜視図。本発明の実施例４における超電導限流素子の限流特性を示す図。

符号の説明

１…第１の超電導体、２…常伝導体、３…第２の超電導体、４…絶縁性基板、５…電流パッド、６…リード。

Claims

並列接続された第１の超電導体および常伝導体を含む並列回路と、前記並列回路に直列接続された、前記第１の超電導体より大きい臨界電流値をもつ第２の超電導体とを有し、前記常伝導体および第１の超電導体のうち少なくとも一方と前記第２の超電導体とが同一の絶縁性基板上に設けられていることを特徴とする超電導限流素子。
前記第２の超電導体は、絶縁性基板上に成膜された薄膜状の超電導体であることを特徴とする請求項１に記載の超電導限流素子。
前記第１の超電導体は、絶縁性基板上にエピタキシャル成膜された薄膜状の超電導体であることを特徴とする請求項１に記載の超電導限流素子。
前記第１の超電導体および常伝導体と、第２の超電導体は、それぞれ１つの絶縁性基板の互いに反対の面上に設けられていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の超電導限流素子。
前記常伝導体または第１の超電導体の発熱が第２の超電導体へ伝導されることを特徴とする請求項１に記載の超電導限流素子。
前記第１の超電導体は、臨界電流密度が高く、かつ常伝導転移を起こしやすいことを特徴とする請求項１に記載の超電導限流素子。
前記第１の超電導体および常伝導体の両者の発熱が前記第２の超電導体へ伝導されることを特徴とする請求項４に記載の超電導限流素子。