JPH06244468A

JPH06244468A - 超電導限流器

Info

Publication number: JPH06244468A
Application number: JP5026839A
Authority: JP
Inventors: Naoyuki Ogawa; 尚之小川; Yoshimi Osawa; 善美大澤
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1993-02-16
Filing date: 1993-02-16
Publication date: 1994-09-02

Abstract

(57)【要約】【構成】磁気遮蔽体が、第２種超電導体であり、か
つ、筒状である超電導性組成物を有し、超電導性組成物
が混合状態になっているとき、その超電導性組成物に電
流又は熱を加えることにより、その超電導性組成物を常
伝導状態に転移させる超電導限流器。【効果】超電導性組成物を混合状態から常伝導状態に
転移させるので、第２種超電導体である超電導性組成物
が混合状態になるが、常伝導状態にまではならない程度
の過電流が流れたときでも、限流作用が生じ、回路を保
護することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、筒状である超電導性組
成物を有する超電導限流器に関し、特に、第２種超電導
体がいわゆる混合状態のときであっても限流作用を生じ
る超電導限流器に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、計装器具等の各種装置機器に
おいて、事故等により発生する過電流の流れを防止する
継電器の一種である限流器が用いられている。特に、近
年開発の著しい超電導機器では、過電流により使用して
いる超電導体の超電導特性が変化すると、機器が回復不
能に損傷するおそれがある。そのため、各種の限流器が
検討、提案されている。一方、超電導体による磁束の遮
蔽効果を利用した磁気遮蔽型限流器が提案されている。
例えば、第４３回春季低温工学・超電導学会予稿集、第
３６頁（Ｂ１−１４）には、外径１０ｍｍ、厚さ１ｍ
ｍ、長さ７０ｍｍの金属超電導体を用い、液体ヘリウム
（４．２Ｋ）で、限流作用の原理が実証されている。

【０００３】また、「電気学会静止器研究会ＳＡ−９
１−６７」第１１１〜１１７頁では、液体ヘリウム冷却
における限流器での円筒超電導体のヒステリシス損失を
モデル計算し、液体窒素温度を越える臨界温度を有する
超電導性組成物では、その損失は問題ないとし、バルク
酸化物超電導性組成物を液体窒素（７７Ｋ）で作動する
限流器が提案され、更に、板状のこのような組成物を積
層する超電導磁気遮蔽体を用いる限流素子が提案されて
いる。

【０００４】また、外部コイルに所定以上の過電流が流
れた場合、超電導体全体が同時にクエンチして限流作用
が働き、いわゆるＯＮ−ＯＦＦ制御で単にスイッチ機能
を持たせた限流器のみならず、単なるスイッチ機能のみ
の限流器を改良し、外部コイルに流れる過電流の大小に
応じて限流作用を調節することができる限流器も開発さ
れている。本発明者等の出願による特願平４−７４６３
９号によれば、超電導性組成物を用いる超電導限流器で
あって、該超電導性組成物が軸方向に超電導層を複数継
ぎ合わせてなり、且つ、両端部から中心部に順次磁気遮
蔽能が増加してなる筒状超電導性組成物であることを特
徴とする超電導限流器が記載されている。筒状超電導性
組成物が、軸方向に両端部から順次磁気遮蔽能、即ち、
超電導特性が増加するため、外部コイルに流れる過電流
の大きさに応じ、それに相応する超電導層がクエンチす
ることになり、限流作用を調節することができる。

【０００５】これらの限流作用の原理とは、図３に示す
ようなものである。磁気遮蔽体２が冷却容器で充分に冷
却されているとき、磁気遮蔽体２は超電導状態となって
いて、定常時では、図３（ａ）に示すように、マイスナ
ー効果により、超電導体の内部に磁束線５が侵入しない
のみならず、超電導体に囲まれた筒状の空間にも磁束線
５は侵入しない。従って、コイル３を貫く磁束線５は磁
気遮蔽体２の外側に限られるので、コイル３のインダク
タンスは非常に小さい。なお、この状態で、筒状の磁気
遮蔽体２の中心部は磁気が遮蔽されている。

【０００６】ところが、コイル２に過剰電流が流れる
と、磁気遮蔽体２のマイスナー効果は失われ、図３
（ｂ）に示すように、磁束線５が磁気遮蔽体５の中心部
を軸方向に貫くように侵入し、磁束がコイルに鎖交する
ので、コイルのインダクタンスが急激に増加し、コイル
を流れる電流を限流する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、超電導
性酸化物など、第２種超電導体が磁気遮蔽体５として用
いると、第２種超電導体では、マイスナー状態と、常伝
導状態との境に、超電導体の内部に磁束が侵入すること
ができるが、常伝導に転移していないいわゆる混合状態
が存在するので、過電流が十分に大きくないとき、超電
導限流器の第２種超電導体はこの混合状態となり、十分
な限流作用が生じなかった。そこで、本発明では、超電
導限流器の第２種超電導体が混合状態となる程度の過電
流が流れたときでも、十分な限流作用が生じる超電導限
流器を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、磁気遮
蔽体と、磁気遮蔽体の回りに巻かれたコイルとを有する
超電導限流器において、上記磁気遮蔽体が、第２種超電
導体であり、かつ、筒状である超電導性組成物を有し、
超電導性組成物が混合状態になっているとき、超電導性
組成物に電流又は熱を加えることにより、超電導性組成
物を常伝導状態に転移させることを特徴とする超電導限
流器が提供される。

【０００９】本発明において、上記超電導性組成物が、
ペロブスカイト型構造をとる超電導性酸化物を含有して
いることが好ましい。また、本発明において、上記磁気
遮蔽体が、上記超電導性組成物からなることが好まし
い。

【００１０】更に、本発明において、上記筒状超電導性
組成物は、二以上の軸方向に短い筒状超電導性組成物を
軸方向に継ぎ合わせて形成していることが好ましい。

【００１１】

【作用】以下、本発明について更に詳細に説明する。本
発明に係る超電導限流器は、磁気遮蔽体と、磁気遮蔽体
の回りに巻かれたコイルとを有する。磁気遮蔽体は、通
常は筒状であり、コイルは、筒状である磁気遮蔽体の外
側面の回りを筒の軸方向と交わる平面の方向に巻くこと
が好ましい。この場合、コイルが非超電導性であれば超
電導磁気遮蔽体のみを冷却容器内に収納して用い、上記
コイルが超電導性であれば、図１にあるように、超電導
磁気遮蔽体と共に冷却容器に組込んで用いることが好ま
しい。

【００１２】また、鉄心が筒状の磁気遮蔽体の筒を貫い
ていることは好ましい。過電流が流れたとき、コイルを
貫く磁束密度を大きくするからである。

【００１３】本発明では、磁気遮蔽体は、第２種超電導
体であり、かつ、筒状である超電導性組成物を有する。
ここで、磁気遮蔽体そのものが、第２種超電導体であ
り、かつ、筒状であるこの超電導性組成物であること
は、好ましい。しかし、磁気遮蔽体が、基板上に超電導
性組成物を超電導層として有していることを妨げるもの
ではない。

【００１４】磁気遮蔽体及び筒状である超電導性組成物
の水平断面の形状は、円形、楕円形、多角形または星型
等の異形状でもよく、また、外側面の形状と筒内側面の
形状は同一でもよいが、異なっていてもよい。

【００１５】本発明の超電導性組成物の厚さは、１〜５
０ｍｍが好ましく、５〜３０ｍｍが好ましい。１ｍｍよ
り薄いと、所望の磁気遮蔽能が限られるので、実用的で
ない。一方、５０ｍｍより厚いと、製造上、超電導特性
が低下し、好ましくない。

【００１６】本発明に用いる超電導性組成物は、第２種
超電導体となるものであれば、特に制限はない。超電導
性組成物は、例えば、Bi-Sr-Ca-Cu-O系、希土類系等の
ペロブスカイト型結晶構造である超電導性酸化物を含有
する組成物から構成している。この組成物が、ペロブス
カイト型構造である超電導性酸化物に少量の銀、白金、
ロジウム等の添加物を必要に応じて添加した組成物であ
ることは、好ましい。例えば、これらの添加物を添加す
ることにより、組成物中に磁束線のピン止め効果を有す
るピン中心を生成することができるからである。Bi-Sr-
Ca-Cu-O系酸化物の具体例として、Bi₂Sr₂CaCu₂O_x、Bi₂S
r₂Ca₂Cu₃O_xが挙げられる。

【００１７】また、希土類系のペロブスカイト型結晶構
造である超電導性酸化物の具体例としては、REBa₂Cu₃O
_7-xと表せる化合物が挙げられる。ここで、REは希土類
元素でＹ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ及びＹｂから
なる群のなかの少なくとも一元素からなる。また、REBa
₂Cu₃O_7-xが非化学量論的なので、ｘは、０以上１以下と
いう不定比を示し、この値が超電導特性の発現に直接影
響を与える。また、REBa₂Cu₃O_7-xの結晶構造は共通の特
徴があり、多層ペロブスカイト構造を有する。REと表す
希土類元素は、必ずしも一元素のみに限られるわけでは
なく、Ｙ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ及びＹｂから
なる群より任意の二以上の元素を混在させてもよく、こ
のような例としては、REがY_yYb_1-y（ｙは０以上１以下
の実数）と表せる場合等がある。更に、Ｎｂ−Ｔｉ、Ｎ
ｂ−Ｚｒ等の合金系又はＮｂ−Ｓｎ、Ｖ−Ｇａ等の化合
物系の第２種超電導体を用いることを妨げるものではな
い。

【００１８】本発明では、超電導性組成物が混合状態に
なっているとき、超電導性組成物に電流又は熱を加える
ことにより、超電導性組成物を常伝導状態に転移させ
る。従って、第２種超電導体である超電導性組成物が混
合状態になるが、常伝導状態に転移まではしない程度の
過電流が流れたときでも、常伝導状態に転移させること
で、十分な限流作用が生じ、回路をよりよく保護するこ
とができる。

【００１９】図１又は図２で、保護する負荷１１に超電
導限流器１が接続している。そして、ある一定以上の電
流がコイル３に流れると、コイル６がそれを検出し、リ
レー７が作動し、電源８より、磁気遮蔽体２の超電導性
組成物に電流又は熱を加えることにより、超電導性組成
物を常伝導状態に転移させる。このとき、第２種超電導
体である超電導性組成物がマイスナー状態から混合状態
に転移する程度の過電流がコイル３が流れたとき、リレ
ー７が作動するように設定する。図１に示すように、電
源８を超電導性組成物に接続することで、超電導性組成
物を混合状態から常伝導状態に転移させるのに十分な電
流を加えるようにすることができる。また、図２に示す
ように、筒状の磁気遮蔽体２の筒内部にヒーター９を設
け、電源８よりヒーター９を加熱し、ヒーター９近傍の
超電導性組成物を混合状態から常伝導状態に転移させる
ようにすることができる。また、ヒーター９の他の態様
として、磁気遮蔽体２の筒内部を、その筒の軸方向とコ
イルの軸方向とがほぼ一致するようなコイル状にヒータ
ー９を設けることもできる。この態様では、磁気遮蔽体
２を内部からその一部又は全体を加熱するようにするこ
とができる。また、鉄心が、磁気遮蔽体２の筒内部を貫
いているとき、ヒーターが鉄心の回りをコイル状に巻き
回していてもよい。

【００２０】本発明に用いる超電導性組成物は、超電導
性酸化物に所望の添加物を加えた混合粉末を所望形状に
成形してから、これを公知の焼成法で焼成し、機械加工
することによって、好適に作成することができる。

【００２１】また、一度に比較的に大型の焼成体を作成
する代わりに、二以上の軸方向が短い分割筒状超電導性
組成物（以下、適宜、「分割筒状物」という。）を軸方
向に継ぎ合わせて形成することによって、筒状の超電導
性組成物を得ることもできる。この分割筒状物の厚さ
は、２ｍｍ〜２０ｍによって、簡便に得ることもでき
る。この分割筒状物の厚さは、２ｍｍ〜２０ｍｍである
ことは好ましい。２０ｍｍ以下では、組成物の配向を一
致させ易く、その方が好ましいからである。２ｍｍより
小さいと機械強度が十分でないことが多く、取扱上、好
ましくない。この厚さが３〜１０ｍｍであることは更に
好ましい。この分割筒状物どうしは、互いに接合するこ
とが好ましいが、接合しなくともよい。例えば、筒状超
電導性組成物を中に納めることができる枠を作成し、こ
の枠の中に分割筒状物を順次、積層し、分割筒状物同士
を接合しないこともできる。

【００２２】継ぎ合わせられる分割筒状物の数は、筒状
超電導性組成物の磁気遮蔽能及び限流器で必要とする性
能の双方を加味し、使用条件に応じて適宜選択すること
ができる。製造上、バルクとして２００の分割筒状物が
上限であり、通常、１０〜１００の分割筒状物である。

【００２３】本発明に係る限流器は、上記のように構成
され、液体窒素下で用いる場合は、冷却コストが小さく
なり、且つ、冷却容器がコンパクトな構造となるため、
メリットが大きい。また、液体ヘリウム等のより低温で
作動させる場合には、超電導性組成物の性能が著しく向
上し、大電力の限流が小型の超電導性組成物でも可能と
なるメリットがある。従って、本発明に係る限流器は、
使用条件等に応じて冷却温度を選択して用いることがで
きる。

【００２４】

【実施例】以下、本発明を実施例により詳細に説明す
る。但し、本発明は下記実施例により制限されるもので
ない。

【００２５】（実施例１）［磁気遮蔽体及び超電導限流器の製造］モル比でＢｉ：
Ｓｒ：Ｃａ：Ｃｕが２：２：１：２となるように、Ｂｉ
₂ Ｏ₃、ＳｒＣＯ₃ 、ＣａＣＯ₃ 、ＣｕＯ粉末を調合
し、蒸留水を用いてポットミルにより湿式混合した。得
られた混合粉末を熱風乾燥器にて乾燥後、空気中８６０
℃で１２時間仮焼した。

【００２６】この仮焼粉末に４重量％のＡｇ粉末を添加
し、エタノール溶媒を用いてジルコニア玉石によりボー
ルミルで１０時間粉砕し、その後乾燥機にて乾燥して原
料粉末とした。

【００２７】この原料粉末を、外径１１０ｍｍ、内径８
０ｍｍ、高さ１２０ｍｍの円筒状成形体にプレス成形し
た。その成形体を、焼成炉内の緻密アルミナセッターに
載置し、酸素雰囲気下、８８０℃で３０分、保持して部
分溶融した。次いで、８４０℃まで１時間当たり１℃の
冷却速度で徐冷し、更に８４０℃で１０時間静置して熱
処理し、更に、７００℃まで冷却速度１分当たり２℃で
降温してから、７００℃で炉内を窒素雰囲気に置換して
炉冷し、実質的にBi₂Sr₂CaCu₂O_xからなる円筒状超電導
組成物を得た。

【００２８】この円筒状Bi系超電導性組成物を、ダイヤ
モンドカッターを用いて、外径１００ｍｍ、内径９０ｍ
ｍ、高さ１００ｍｍに機械加工して仕上げた。

【００２９】上記で得られたBi系超電導円筒体を磁気遮
蔽体２として、これに銅線３をコイル状に５０回、巻回
し、超電導限流器１とした。図１で、保護する負荷１１
に超電導限流器１が接続している。そして、１１Ａ以上
の電流がコイル３に流れると、コイル６がそれを検出
し、リレー７が作動し、電源８より、磁気遮蔽体２の超
電導性組成物に１００Ａの直流電流を印加し、クエンチ
するようにした。

【００３０】〔限流器特性試験〕図１の回路図におい
て、冷却容器４内の液体窒素中に、磁気遮蔽体２とコイ
ル３とを浸漬した。次いで、銅線コイル３に６０Ｈｚ
で、表１に示す値の交流電流を交流源１２より印加し
た。スイッチ１６を接続して、過電流をコイル３に流
し、過電流負荷後の最大過渡電流を電流計１５で測定し
た。その結果を表１にまとめた。

【００３１】

【表１】

【００３２】（比較例１）実施例１と同一の磁気遮蔽体
２及びコイル３を用いて、実施例１と同様に、図１の回
路を作成したが、リレー７を作動しないようにした。即
ち、クエンチ電流が流れないようにした。この条件以外
は、実施例１と同様にして、限流特性を測定した。その
結果を表１にまとめた。実施例１では、１７Ａ以下の小
さな過電流であっても、クエンチ電流により、超電導性
組成物が混合状態から常伝導状態に転移するので、超電
導限流器が限流することができる。しかし、比較例１で
は、このようなクエンチ電流が流れることなく、超電導
性組成物が混合状態に留まるので、限流効果が限られて
いる。

【００３３】（実施例２）実施例１と同様の磁気遮蔽体
２とコイル３とを有する超電導限流器１を作成し、ここ
に、図２に示すように、筒状の磁気遮蔽体２の筒内部に
ヒーター９を設けた。図２で、１１Ａ以上の電流がコ
イル３に流れると、コイル６がそれを検出し、リレー７
が作動し、電源８がヒーター９を加熱し、ヒーター９が
磁気遮蔽体２を加熱することで、その近傍の超電導性組
成物を常伝導状態にするようにした。実施例１と同様
に、限流器特性試験を行った。結果を表２にまとめる。

【００３４】

【表２】

【００３５】（比較例２）実施例２と同一の磁気遮蔽体
２とコイル３とヒーター９等を用いて、実施例２と同様
に図２の回路を作成したが、リレー７を作動しないよう
にした。即ち、ヒーター９を加熱することがないように
した。この条件以外は、実施例２と同様にして、限流特
性を測定した。その結果を表２にまとめた。実施例２で
は、１７Ａ以下の小さな過電流であっても、ヒーター９
の近傍で超電導性組成物が混合状態から常伝導状態に転
移するので、超電導限流器が限流することができる。し
かし、比較例１では、このようなクエンチ電流が流れる
ことなく、超電導性組成物が混合状態に留まるので、限
流効果が限られている。

【００３６】

【発明の効果】本発明の超電導限流器では、超電導性組
成物が混合状態になっているとき、その超電導性組成物
に電流又は熱を加えることにより、超電導性組成物を常
伝導状態に転移させるので、第２種超電導体である超電
導性組成物が混合状態になるが、常伝導状態に転移まで
はしない程度の過電流が流れたときでも、十分な限流作
用が生じ、回路をよりよく保護することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の超電導限流器及びその限流特性の試験
方法についての概念説明図である。

【図２】本発明の超電導限流器及びその限流特性の試験
方法についての概念説明図である。

【図３】超電導限流器の作用を説明する断面図である。
（ａ）は、定常時であり、（ｂ）は異常時である。

【符号の説明】

１超電導限流器２磁気遮蔽体３銅コイル４冷却容器５磁束線６コイル７リレー８電源９ヒーター１１負荷１２交流電源１５電流計１６スイッチ１７可変抵抗器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】磁気遮蔽体と、当該磁気遮蔽体の回りに
巻かれたコイルとを有する超電導限流器において、上記磁気遮蔽体が、第２種超電導体であり、かつ、筒状
である超電導性組成物を有し、当該超電導性組成物が混合状態になっているとき、当該
超電導性組成物に電流又は熱を加えることにより、当該
超電導性組成物を常伝導状態に転移させることを特徴と
する超電導限流器。
【請求項２】上記超電導性組成物が、ペロブスカイト
型構造をとる超電導性酸化物を含有していることを特徴
とする請求項１に記載の超電導限流器。
【請求項３】上記磁気遮蔽体が、上記超電導性組成物
からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の超電
導限流器。
【請求項４】上記超電導性組成物は、二以上の軸方向
に短い筒状である超電導性組成物を軸方向に継ぎ合わせ
て形成していることを特徴とする請求項１、２又は３に
記載の超電導限流器。