JPH11204845A - Superconducting current limiter element - Google Patents

Superconducting current limiter element

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JPH11204845A
JPH11204845A JP10001898A JP189898A JPH11204845A JP H11204845 A JPH11204845 A JP H11204845A JP 10001898 A JP10001898 A JP 10001898A JP 189898 A JP189898 A JP 189898A JP H11204845 A JPH11204845 A JP H11204845A
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superconducting
current limiting
conductive thin
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宏 久保田
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六月 山崎
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To increase current limiter element capacity by providing a substrate comprising a first substrate with a superconductor thin film and second substrate with a conductive thin film. SOLUTION: On a support substrate 15 are disposed a first substrate 11 using a polycrystalline substrate having an intermediate layer of such as SrTiO3 , MgO, NdGaO3 or LaAlO3 and, second substrate 12, a superconductor thin film 13 is formed on the first substrate 11 to suppress the temp. rise, a first conductive thin film 14a is formed on the superconductor thin film 13, and a second conductive thin film 14b is formed on the second substrate 12 and electrically connected to the first conductive thin film 14a. Thus it is possible to dissipate the heat produced at the time of current limiting to a wide area and improve the current limiter element capacity.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、電路に流れる短絡
電流などの過大な電流を限流する超電導体を用いた超電
導限流素子に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a superconducting current limiting element using a superconductor that limits an excessive current such as a short-circuit current flowing in an electric circuit.

【0002】[0002]

【従来の技術】超電導体はほとんど抵抗零で電流を流す
ことができる。ただし、どのような大電流でも抵抗零で
流せるのではなく、ある電流値(臨界電流値)を超える
と抵抗が発生するようになり、さらに電流を増加させる
と発生した熱のために超電導体の温度が急激に上昇して
超電導転移温度以上の温度になり、いわゆるクエンチし
た状態となる。このように、過大な電流が超電導体に流
れると超電導体はクエンチし、超電導状態から常伝導状
態に瞬間的に変化する。従って、超電導体からなる導体
を電路に直列に挿入することによって、過電流が流れた
際に抵抗を発生する素子を作ることができる。
2. Description of the Related Art A superconductor can pass a current with almost zero resistance. However, any large current cannot flow at zero resistance, but when a certain current value (critical current value) is exceeded, resistance starts to be generated. The temperature rises rapidly to a temperature above the superconducting transition temperature, resulting in a so-called quenched state. As described above, when an excessive current flows through the superconductor, the superconductor quenches, and instantaneously changes from a superconducting state to a normal conducting state. Therefore, an element that generates resistance when an overcurrent flows can be made by inserting a conductor made of a superconductor in series into an electric circuit.

【0003】しかし、超電導体として金属系超電導体を
用いると、コストが高く耐電圧の低い液体へリウムを用
いて冷却しなければならず、実用的な素子を作製する際
の障害となっている。そこで、最近では冷却コストが安
く耐電圧の高い液体窒素を用いることが可能な酸化物超
電導体を使用した限流素子の研究が進められている。な
かでも、基板上に作製されたY系酸化物超電導体薄膜を
用いた限流素子は、液体窒素温度での臨界電流密度がB
i系酸化物超電導体などより大きく、素子の小型化が図
れるために多くの研究機関で検討がなされている。
However, if a metal-based superconductor is used as the superconductor, it must be cooled using liquid helium which is expensive and has a low withstand voltage, which is an obstacle to producing a practical device. . Therefore, recently, research on a current limiting element using an oxide superconductor that can use liquid nitrogen having a low cooling cost and a high withstand voltage has been advanced. Among them, a current limiting device using a Y-based oxide superconductor thin film formed on a substrate has a critical current density at liquid nitrogen temperature of B
It is larger than an i-type oxide superconductor or the like, and has been studied by many research institutions in order to reduce the size of the device.

【0004】その結果、Y系酸化物超電導体を用いて限
流素子を作製するための課題が次第に明らかになってき
た。最も基本的な課題は、限流時の発熱に伴う急激な温
度上昇から超電導薄膜を保護し、繰り返し使用可能な素
子を作製することである。一般的に、超電導薄膜上には
保護層として金属薄膜が設けられている。そこで、温度
上昇を低減させるための方法として、この金属膜の膜厚
を大きくし、線路の常伝導抵抗を下げることによって、
限流初期の発熱量を低減させようとする試みがなされて
いる。
[0004] As a result, the problem of fabricating a current limiting device using a Y-based oxide superconductor has been gradually clarified. The most fundamental problem is to protect a superconducting thin film from a sudden rise in temperature due to heat generation at the time of current limiting, and to produce an element that can be used repeatedly. Generally, a metal thin film is provided as a protective layer on a superconducting thin film. Therefore, as a method for reducing the temperature rise, by increasing the thickness of the metal film and lowering the normal conduction resistance of the line,
Attempts have been made to reduce the amount of heat generated at the beginning of the current limit.

【0005】ところが、上記した方法では限流時の抵抗
値が低下し、十分な電流抑制効果が得られないという新
たな問題が発生する。そこで、過電流を抑制するのに十
分な抵抗を発生し、かつ限流時に過大な温度上昇を防ぐ
方法として、例えば一部に超電導薄膜が形成された基板
全体を覆うように導電性薄膜を設け、クエンチ時に放熱
する領域の表面積を増大させることが提案されている
(特開平5-226706号公報など参照)。
[0005] However, the above-described method causes a new problem that the resistance value at the time of current limiting is reduced and a sufficient current suppressing effect cannot be obtained. Therefore, as a method of generating sufficient resistance to suppress overcurrent and preventing an excessive rise in temperature at the time of current limiting, for example, a conductive thin film is provided so as to cover the entire substrate on which a superconducting thin film is partially formed. It has been proposed to increase the surface area of a region where heat is dissipated at the time of quench (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-226706).

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】従来の超電導限流素子
は、導電性薄膜を超電導薄膜と同一の基板上に作製して
いたため、限流素子の大型化を目指した場合には特性の
よい超電導薄膜が作製可能な大面積基板が必要となる。
しかしながら、高特性の超電導薄膜を作製することが可
能な基板は種類が限られており、得られる基板の大きさ
も限られている。そこで、特性に優れる超電導薄膜を作
製する基板を大きくすることなく、超電導限流素子の容
量を増加させる構造が求められている。
In the conventional superconducting current limiting device, the conductive thin film is formed on the same substrate as the superconducting thin film. A large-area substrate on which a thin film can be formed is required.
However, the types of substrates on which high-performance superconducting thin films can be formed are limited, and the size of the obtained substrates is also limited. Therefore, there is a demand for a structure that increases the capacity of the superconducting current limiting element without increasing the size of the substrate on which the superconducting thin film having excellent characteristics is produced.

【0007】例えば、論文誌アプライド・フィジッタス
・レター(Applied Physics Letter)59号(1991) 2034-20
36頁に掲載された研究成果から、単結晶基板上に作製さ
れたY系酸化物超電導体薄膜と基板との間の熱的な接触
抵抗の大きさは約10-3K cm2/Wであることが分かる。こ
の値と液体窒素の熱伝導率の値を考慮すると、液体窒素
中におかれた限流素子が過電流によりクエンチを起こ
し、数10msの間に100K以上も温度上昇するような場合に
は、発熱した熱量の大部分が基板中に伝わることが導か
れ、また超電導薄膜の温度はこれと接する基板表面の温
度とほぼ同じであることが分かる。
For example, Applied Physics Letter 59 (1991) 2034-20
From the research results published on page 36, the magnitude of the thermal contact resistance between the Y-based oxide superconductor thin film fabricated on a single crystal substrate and the substrate is about 10 -3 Kcm 2 / W. You can see that there is. Considering this value and the value of the thermal conductivity of liquid nitrogen, if the current limiting element placed in liquid nitrogen causes quench due to overcurrent and the temperature rises by more than 100K within several tens of ms, It is found that most of the generated heat is transmitted to the substrate, and that the temperature of the superconducting thin film is almost the same as the temperature of the substrate surface in contact with the superconducting thin film.

【0008】つまり、従来技術の導電性薄膜部分は限流
時に過電流の一部がこの導電性薄膜部分に分流し、発熱
する部分の面積を増加させることにより発生する熱を基
板の広い領域に伝え、限流素子の温度上昇を抑える働き
をしている。従って、伝達される熱量が同じでも温度上
昇の少ない基板を用いることができれば、より大きな発
熱量でも温度上昇を許容範囲内にすることができる。言
い換えれば、限流素子の限流容量を増大することがで
き、素子の小型化を達成することができる。しかしなが
ら、従来の方法では温度上昇の点で優れた基板があって
も、その基板上に特性のよい超電導薄膜を作製すること
ができなければ超電導限流素子に適用することはできな
い。
That is, in the conductive thin film portion of the prior art, when a current is limited, a part of the overcurrent is diverted to the conductive thin film portion, and the heat generated by increasing the area of the heat generating portion is spread over a wide area of the substrate. It works to suppress the temperature rise of the current limiting element. Therefore, if a substrate with a small amount of temperature rise can be used even if the amount of heat transmitted is the same, the temperature rise can be kept within an allowable range even with a larger amount of heat generation. In other words, the current limiting capacity of the current limiting element can be increased, and the size of the element can be reduced. However, the conventional method cannot be applied to a superconducting current limiting element even if there is a substrate excellent in temperature rise, unless a superconducting thin film having good characteristics can be formed on the substrate.

【0009】また、導電性薄膜の表面積を増大させた場
合、超電導体線路全てが常伝導状態となれば確かに電流
が超電導薄膜部分よりも広い面積にわたって流れるた
め、単位面積あたりの発熱量は減少して温度上昇を抑制
する効果がある。しかしながら、現実の超電導薄膜には
必ず臨界電流値の局所的なばらつきがあり、電流が増加
していくとクエンチは均一には発生せず局所的に発生す
る。
Further, when the surface area of the conductive thin film is increased, if all the superconductor lines are in a normal conduction state, the current certainly flows over a larger area than the superconducting thin film portion, so that the calorific value per unit area decreases. This has the effect of suppressing the temperature rise. However, an actual superconducting thin film always has a local variation in a critical current value, and when the current increases, quench does not occur uniformly but locally.

【0010】図33は特開平5-226706号公報に示された
限流用導体の平面図の一例である。ただし、この図中で
は超電導薄膜の上に設けられている導電性薄膜は省略し
ている。超電導薄膜1の一部分Xが局所的にクエンチし
た場合、電流は導電性薄膜2に分流する。3Aは超電導
薄膜1の近傍を流れる分流電流、3Bは導電性導膜2の
端近くまで流れる分流電流である。長手方向の長さが線
路幅に比べて非常に短い領域で局所的なクエンチが発生
した場合、分流電流3Bに沿った経路の抵抗の方が分流
電流3Aに沿った経路の抵抗より、経路長さの比だけ大
きくなる。従って、分流電流3Aと分流電流3Bの大き
さは、分流電流3Aの方が非常に大きいことになる。す
なわち、この従来の素子構造では、局所的に発生したク
エンチに対しては導電性薄膜2の一部に電流が集中し、
設けられた導電性薄膜2全体を効果的に利用することが
できない。
FIG. 33 is an example of a plan view of a current-limiting conductor disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-226706. However, in this figure, the conductive thin film provided on the superconducting thin film is omitted. When a portion X of the superconducting thin film 1 is locally quenched, the current shunts to the conductive thin film 2. 3A is a shunt current flowing near the superconducting thin film 1 and 3B is a shunt current flowing near the end of the conductive film 2. When a local quench occurs in a region where the length in the longitudinal direction is very short compared to the line width, the resistance of the path along the shunt current 3B is larger than the resistance of the path along the shunt current 3A. It increases by the ratio of the height. Therefore, the magnitude of the shunt current 3A and the shunt current 3B is much larger for the shunt current 3A. That is, in this conventional device structure, the current concentrates on a part of the conductive thin film 2 for the quench generated locally,
The entire conductive thin film 2 provided cannot be used effectively.

【0011】本発明はこのような課題に対処するために
なされたもので、限流素子容量を増大させることを可能
にした超電導限流素子を提供することを目的としてい
る。より具体的には、超電導薄膜作製用の基板を大きく
することなく、限流素子容量を増大させることを可能に
した超電導限流素子、またクエンチ時の過電流の一部を
分流させる導電性導膜の利用効率を高め、限流素子容量
を増大させることを可能にした超電導限流素子を提供す
ることを目的としている。
The present invention has been made to address such a problem, and an object of the present invention is to provide a superconducting current limiting element which can increase the current limiting element capacity. More specifically, a superconducting current-limiting element that enables the current-limiting element capacity to be increased without increasing the size of the substrate for producing a superconducting thin film, and a conductive conducting element that shunts a part of the overcurrent during quench. It is an object of the present invention to provide a superconducting current-limiting element capable of increasing the use efficiency of a film and increasing the current-limiting element capacity.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】本発明における第1の超
電導限流素子は、請求項1に記載したように、基板上に
形成された超電導薄膜および導電性薄膜を具備し、過電
流により前記超電導薄膜がクエンチした際に前記導電性
薄膜に過電流の一部が分流する構造を有する超電導限流
素子において、前記基板は前記超電導薄膜が形成された
第1の基板と前記導電性薄膜が形成された第2の基板と
を有することを特徴としている。
A first superconducting current limiting element according to the present invention comprises a superconducting thin film and a conductive thin film formed on a substrate, and the first superconducting current limiting element is formed by an overcurrent. In a superconducting current limiting element having a structure in which a part of an overcurrent is shunted to the conductive thin film when the superconducting thin film is quenched, the substrate is formed by the first substrate on which the superconducting thin film is formed and the conductive thin film. And a second substrate that is provided.

【0013】第1の超電導限流素子は、特に請求項2に
記載したように、前記第2の基板は、熱伝導率と単位体
積当りの熱容量との積の平方根を素子の通常動作温度と
限流時に素子が到達する温度との間にわたって平均した
値が、前記第1の基板のそれより大きいことを特徴とし
ている。
In the first superconducting current limiting element, the second substrate may be formed by calculating a square root of a product of a thermal conductivity and a heat capacity per unit volume as a normal operating temperature of the element. The average value over the temperature reached by the element at the time of current limiting is larger than that of the first substrate.

【0014】また、第1の超電導限流素子において、例
えば前記第1の基板は請求項3に記載したように、前記
第2の基板に設けられた凹部内に埋め込まれている。あ
るいは、請求項4に記載したように、前記導電性薄膜が
形成された前記第2の基板上に、前記超電導薄膜が形成
された前記第1の基板が接合されており、かつ前記導電
性薄膜と超電導薄膜とが導電性部材を介して電気的に接
続されている。
Further, in the first superconducting current limiting element, for example, the first substrate is embedded in a concave portion provided in the second substrate. Alternatively, as described in claim 4, the first substrate on which the superconducting thin film is formed is joined to the second substrate on which the conductive thin film is formed, and the conductive thin film is formed. And the superconducting thin film are electrically connected via a conductive member.

【0015】本発明における第2の超電導限流素子は、
請求項5に記載したように、基板上に作製された超電導
薄膜および導電性薄膜と、前記超電導薄膜と前記導電性
薄膜とを電気的に接続するブリッジ部とを具備し、過電
流により前記超電導薄膜がクエンチした際に前記ブリッ
ジ部を通して過電流の一部が前記導電性薄膜に分流する
構造を有することを特徴としている。
The second superconducting current limiting element according to the present invention comprises:
6. A superconducting thin film and a conductive thin film formed on a substrate, and a bridge portion for electrically connecting the superconducting thin film and the conductive thin film, wherein the superconducting thin film and the conductive thin film are formed by an overcurrent. When the thin film is quenched, a part of the overcurrent is diverted to the conductive thin film through the bridge portion.

【0016】本発明の第1の超電導限流素子において
は、導電性薄膜を超電導薄膜が形成される第1の基板と
は異なる第2の基板に形成している。従って、超電導薄
膜が形成される第1の基板に限定されることなく、温度
上昇を抑制することが可能な種々の基板上に導電性薄膜
を形成することができる。すなわち、限流素子の限流容
量を増大させることが可能となる。
In the first superconducting current limiting element of the present invention, the conductive thin film is formed on a second substrate different from the first substrate on which the superconducting thin film is formed. Therefore, without being limited to the first substrate on which the superconducting thin film is formed, the conductive thin film can be formed on various substrates capable of suppressing a temperature rise. That is, the current limiting capacity of the current limiting element can be increased.

【0017】また、本発明の第2の超電導限流素子にお
いては、電流導入部以外に超電導薄膜と導電性薄膜とを
電気的に接続するブリッジ部を設けているため、超電導
薄膜が局所的にクエンチした場合においても、導電性薄
膜の広い部分にわたって過電流が分流する。これによっ
て、過大な温度上昇を効果的に防ぐことができる。すな
わち、限流素子の限流容量を増大させることが可能とな
る。
Further, in the second superconducting current limiting element of the present invention, since a bridge portion for electrically connecting the superconducting thin film and the conductive thin film is provided in addition to the current introducing portion, the superconducting thin film is locally formed. Even when quenching occurs, the overcurrent shunts over a wide portion of the conductive thin film. As a result, an excessive rise in temperature can be effectively prevented. That is, the current limiting capacity of the current limiting element can be increased.

【0018】[0018]

【発明の実施の形態】以下、本発明を実施するための形
態について説明する。
Embodiments of the present invention will be described below.

【0019】図1は本発明の第1の超電導限流素子の一
実施形態の概略構造を示す断面図である。同図におい
て、1 1は超電導薄膜が形成される第1の基板であり、
12は導電性薄膜が形成される第2の基板である。第1
の基板11としては、特性に優れる超電導薄膜を形成す
ることが可能な基板、具体的にはSrTiO3 、Mg
O、NdGaO3 、LaAlO3 、面内配向性の高いY
安定化ZrO2 (YSZ)などの中間層を設けた多結晶
YSZ基板などを用いることが好ましい。一方、導電性
薄膜が形成される第2の基板12には、温度上昇を抑制
することが可能な基板が用いられる。
FIG. 1 is a sectional view showing a schematic structure of an embodiment of the first superconducting current limiting element of the present invention. In the figure, 11 is a first substrate on which a superconducting thin film is formed,
Reference numeral 12 denotes a second substrate on which a conductive thin film is formed. First
Is a substrate on which a superconducting thin film having excellent characteristics can be formed, specifically, SrTiO 3 , Mg
O, NdGaO 3 , LaAlO 3 , Y having high in-plane orientation
It is preferable to use a polycrystalline YSZ substrate provided with an intermediate layer such as stabilized ZrO 2 (YSZ). On the other hand, as the second substrate 12 on which the conductive thin film is formed, a substrate capable of suppressing a rise in temperature is used.

【0020】第1の基板11上には超電導薄膜13が形
成されており、この超電導薄膜13上には第1の導電性
薄膜14aが形成されている。また、第2の基板12上
には第2の導電性薄膜14bが形成されており、この第
2の導電性薄膜14bは第1の導電性薄膜14aと電気
的に接続されている。超電導薄膜13が形成された第1
の基板11と第2の導電性薄膜14bが形成された第2
の基板12は支持基板15上に配置されており、それぞ
れエポキシ系接着剤などにより支持基板15に接合され
ている。なお、第1の基板11と第2の基板12は直接
接合して用いてもよい。
A superconducting thin film 13 is formed on a first substrate 11, and a first conductive thin film 14a is formed on the superconducting thin film 13. In addition, a second conductive thin film 14b is formed on the second substrate 12, and the second conductive thin film 14b is electrically connected to the first conductive thin film 14a. The first on which the superconducting thin film 13 is formed
Substrate 11 and the second conductive thin film 14b formed on the second
The substrates 12 are arranged on a support substrate 15 and are respectively joined to the support substrate 15 with an epoxy-based adhesive or the like. Note that the first substrate 11 and the second substrate 12 may be directly bonded and used.

【0021】超電導薄膜13としては、YΒa2 Cu3
7 (YBCO)などのRE−Βa−Cu−O(REは
Yおよびランタナイド元素(ただしREが全てPrであ
る場合を除く)系、Βi−Sr−Ca−Cu−O系、T
l−Ba−Ca−Cu−O系、(Βa,K)−Βi−O
系などの種々の酸化物超電導体を使用することができ
る。導電性薄膜14としては、Ag、Au、Pt、I
n、Cu、Al、Ni、Cr、Feおよびこれらの合金
など、種々の金属薄膜を使用することができる。
The superconducting thin film 13 is made of Y 2a 2 Cu 3
RE-Δa-Cu—O such as O 7 (YBCO) (RE is a Y and lanthanide element (except when RE is all Pr)), Δi-Sr—Ca—Cu—O, T
l-Ba-Ca-Cu-O system, (Βa, K) -Βi-O
Various oxide superconductors, such as systems, can be used. Ag, Au, Pt, I
Various metal thin films such as n, Cu, Al, Ni, Cr, Fe and alloys thereof can be used.

【0022】ここで、超電導薄膜を形成する基板上に過
電流分流用の導電性薄膜を形成した場合、限流時の発熱
量を分散させる領域は超電導薄膜を形成した基板の大き
さで制限される。一方、超電導薄膜が形成される第1の
基板11と導電性薄膜が形成される第2の基板12とを
別の基板とすることで、より広い領域に発生熱量を分散
させることができ、限流素子の容量を増大させることが
可能となる。
Here, when a conductive thin film for overcurrent shunt is formed on the substrate on which the superconducting thin film is formed, the area for dispersing the amount of heat generated at the time of current limiting is limited by the size of the substrate on which the superconducting thin film is formed. You. On the other hand, by using the first substrate 11 on which the superconducting thin film is formed and the second substrate 12 on which the conductive thin film is formed as different substrates, it is possible to disperse the generated heat over a wider area. It is possible to increase the capacity of the flow element.

【0023】表面に薄膜状の発熱体が設けられ、単位面
積あたりQワットの熱量が伝えられている基板の温度上
昇を考える。一般に、△t秒の間に熱が伝わる距離はい
わゆる熱拡散長で与えられ、これは基板の単位体積あた
りの熱容量をCσ、熱伝導率をκとすると、
Consider a rise in the temperature of a substrate provided with a thin-film heating element on the surface and transmitting heat of Q watts per unit area. In general, the distance over which heat is transmitted during Δt seconds is given by the so-called thermal diffusion length. This is expressed as follows: where Cσ is the heat capacity per unit volume of the substrate and κ is the thermal conductivity.

【数1】 と表される。基板の厚さがこの値より大きい場合、熱が
広がった部分の熱容量は基板の表面積をSとすると、
(Equation 1) It is expressed as When the thickness of the substrate is larger than this value, the heat capacity of the portion where the heat spreads is represented by S, where S is the surface area of the substrate.

【数2】 と表される。(Equation 2) It is expressed as

【0024】一方、△t秒間に基板に伝わった熱量はQ
・S・△tであるので、発熱が始まってから△t秒後の
温度上昇△Tは、
On the other hand, the amount of heat transmitted to the substrate during Δt seconds is Q
Since S · Δt, the temperature rise ΔT after Δt seconds from the start of heat generation is

【数3】 となり、同じ発熱量でも熱伝導率や単位体積あたりの熱
容量が大きいほうが限流時の温度上昇は少ない。
(Equation 3) For the same calorific value, the larger the thermal conductivity or the heat capacity per unit volume, the smaller the temperature rise during current limiting.

【0025】従って、導電性薄膜を形成する基板を超電
導薄膜を形成する基板と同一にするよりも、超電導薄膜
13が形成される第1の基板11と導電性薄膜14bが
形成される第2の基板12とを別の基板とし、かつ第2
の基板12に熱伝導率や単位体積あたりの熱容量が大き
い基板材料を使用することによって、限流時の温度上昇
をより効果的に抑制することができる。
Therefore, the first substrate 11 on which the superconducting thin film 13 is formed and the second substrate on which the conductive thin film 14b is formed, rather than making the substrate on which the conductive thin film is formed the same as the substrate on which the superconducting thin film is formed. The substrate 12 is another substrate, and the second
By using a substrate material having a large thermal conductivity and a large heat capacity per unit volume for the substrate 12, it is possible to more effectively suppress the temperature rise at the time of current limiting.

【0026】また、特性に優れる超電導薄膜13を形成
することが可能なSrTiO3 基板(11)などは、得
られる基板の大きさが限られていることから、このよう
な超電導薄膜形成用基板(第1の基板11)の大きさに
限定されることなく、限流時の発熱に伴う温度上昇を抑
制することができる。言い換えると、限流素子容量を増
大させることが可能となる。
Further, the SrTiO 3 substrate (11) and the like capable of forming the superconducting thin film 13 having excellent characteristics are limited in the size of the obtained substrate. Without being limited to the size of the first substrate 11), it is possible to suppress a temperature rise due to heat generation at the time of current limiting. In other words, it is possible to increase the current limiting element capacity.

【0027】第2の基板12としては、例えばYSZ基
板、Al2 3 基板、AlN基板、SiC基板、Si3
4 基板などが用いられ、これらは単結晶基板および多
結晶基板のいずれでもよい。特に第2の基板12として
上記したような熱伝導率と単位体積当りの熱容量との積
の平方根が第1の基板11のそれより大きいものを用い
れば、温度上昇を抑えるためにより効果的である。
As the second substrate 12, for example, a YSZ substrate, Al 2 O 3 substrate, AlN substrate, SiC substrate, Si 3
An N 4 substrate or the like is used, and these may be either a single crystal substrate or a polycrystalline substrate. In particular, if the second substrate 12 has a larger square root of the product of the thermal conductivity and the heat capacity per unit volume than that of the first substrate 11, it is more effective to suppress the temperature rise. .

【0028】なお、上記した熱伝導率と単位体積当りの
熱容量との積の平方根を素子の通常動作温度(T1 )と
限流時に素子が到達する温度(T2 )との間にわたって
平均した値(Cκav)は、例えば以下に示す式に基づい
て算出するものとする。
The square root of the product of the above thermal conductivity and the heat capacity per unit volume was averaged between the normal operating temperature (T 1 ) of the device and the temperature (T 2 ) reached by the device at the time of current limiting. The value (Cκ av ) is calculated based on, for example, the following equation.

【0029】[0029]

【数4】 第1の基板11は例えば図2に示すように、第2の基板
12に設けた凹部16内に埋め込んで使用してもよい。
この場合、第1の基板11を第2の基板12に設けた凹
部16内に埋め込んだ後、それらの表面が平坦になるよ
うに表面研磨し、そのような表面に超電導薄膜13およ
び導電性薄膜14を順に形成することが好ましい。
(Equation 4) For example, as shown in FIG. 2, the first substrate 11 may be embedded in a concave portion 16 provided in the second substrate 12 for use.
In this case, after the first substrate 11 is embedded in the concave portion 16 provided in the second substrate 12, the surfaces are polished so that their surfaces become flat, and the superconducting thin film 13 and the conductive thin film are formed on such surfaces. 14 are preferably formed in order.

【0030】上述したように、この実施形態の超電導限
流素子は、導電性薄膜14bを形成するための基板12
を超電導薄膜13を形成するための基板11とは別の基
板としていると共に、超電導薄膜13と導電性薄膜14
bとを電気的に接続している。過電流を分流させるに
は、超電導薄膜に抵抗体を並列接続する方法もあるが、
この場合には接続に用いる電線のインダクタンスにより
電流が高速に分流しない。本発明の超電導限流素子にお
いては、過電流を分流させる部材に導電性薄膜14を用
い、これを超電導薄膜13の近傍に配置しているため、
過電流を高速に分流させることができる。また、過電流
を分流させる導導性薄膜13を表面に形成した第2の基
板12の裏面に、表面とは絶縁された導電性薄膜を設け
ると、より高速に過電流を分流させることができる。
As described above, the superconducting current limiting device according to this embodiment includes the substrate 12 for forming the conductive thin film 14b.
Is a substrate different from the substrate 11 for forming the superconducting thin film 13, and the superconducting thin film 13 and the conductive thin film 14
b is electrically connected. To shunt overcurrent, there is a method of connecting a resistor in parallel to the superconducting thin film,
In this case, the current does not shunt at high speed due to the inductance of the electric wire used for the connection. In the superconducting current limiting element of the present invention, since the conductive thin film 14 is used as a member for shunting the overcurrent, and this is disposed near the superconducting thin film 13,
Overcurrent can be divided at high speed. In addition, when a conductive thin film that is insulated from the front surface is provided on the back surface of the second substrate 12 on which the conductive thin film 13 that shunts the overcurrent is formed, the overcurrent can be shunted at a higher speed. .

【0031】ここで、超電導薄膜13を形成するための
基板11を、導電性薄膜14bを形成するための基板1
2に設けられた凹部16内に埋め込む場合、両基板1
1、12の熱膨張率に差があると限流時の温度上昇過程
で熱歪みが生じて、超電導薄膜13の特性が劣化した
り、超電導薄膜13と導電性薄膜14との接続が断線す
るというようなおそれがある。
Here, the substrate 11 for forming the superconducting thin film 13 is replaced with the substrate 1 for forming the conductive thin film 14b.
When embedding in the concave portion 16 provided in the
If there is a difference between the coefficients of thermal expansion 1 and 12, thermal distortion occurs in the process of increasing the temperature at the time of current limiting, which degrades the characteristics of the superconducting thin film 13 and disconnects the connection between the superconducting thin film 13 and the conductive thin film 14. There is a possibility that.

【0032】これらを避けるためには、導電性薄膜と超
電導薄膜を形成する基板を同じ材質にするとよい。ただ
し、多結晶基板を用いる場合には、超電導薄膜を形成す
る基板上に超電導薄膜の配向を促進させる中間層(YS
Z、MgO、CeO2 、SrTiO3 )を設ける。しか
し、導電性薄膜を形成する基板には、このような中間層
を設ける必要がない。このように、同じ材質であっても
二つの基板に別々に作製することで生産効率を向上する
ことが可能となる。
In order to avoid these problems, the substrate on which the conductive thin film and the superconducting thin film are formed is preferably made of the same material. However, when a polycrystalline substrate is used, an intermediate layer (YS) for promoting the orientation of the superconducting thin film is formed on the substrate on which the superconducting thin film is formed.
Z, MgO, CeO 2 , SrTiO 3 ). However, it is not necessary to provide such an intermediate layer on the substrate on which the conductive thin film is formed. Thus, even if the same material is used, it is possible to improve production efficiency by separately manufacturing the two substrates.

【0033】一方、図3や図4に示すように、導電性薄
膜14bを形成した第2の基板12上に超電導薄膜13
を形成した第1の基板11を接合すると共に、導電性薄
膜14bと超電導薄膜13とを導電性部材を介して電気
的に接続した構造とすることも好ましい。
On the other hand, as shown in FIGS. 3 and 4, the superconducting thin film 13 is formed on the second substrate 12 on which the conductive thin film 14b is formed.
It is also preferable to form a structure in which the first substrate 11 on which is formed is bonded, and the conductive thin film 14b and the superconducting thin film 13 are electrically connected via a conductive member.

【0034】図3では、第2の基板12側の導電性薄膜
14b上に電流バイパス用導電性薄膜17をさらに設
け、この電流バイパス用導電性薄膜17と超電導薄膜1
3上に形成された導電性薄膜14aとを接合しつつ電気
的に接続している。この接合にあたっては、特にInバ
ンプなどの導電性バンプ(図示せず)を介在させ、この
導電性バンプで電気的および機械的な接合を実施するこ
とが好ましい。このような素子構造によれば、熱歪みを
導電性バンプで緩和することができる。
In FIG. 3, a current bypass conductive thin film 17 is further provided on the conductive thin film 14b on the second substrate 12 side, and the current bypass conductive thin film 17 and the superconducting thin film 1 are provided.
3 and is electrically connected to the conductive thin film 14a formed thereon. In this connection, it is preferable that a conductive bump (not shown) such as an In bump is interposed, and electrical and mechanical bonding is performed with the conductive bump. According to such an element structure, thermal strain can be reduced by the conductive bumps.

【0035】また、図4では導電性薄膜14bを形成し
た第2の基板12上に超電導薄膜13を形成した第1の
基板11を接合した後、In線などの導電性線材18で
導電性薄膜14bと超電導薄膜13とを電気的に接続し
ている。このような素子構造によっても、熱歪みを緩和
することができる。
In FIG. 4, after bonding the first substrate 11 on which the superconducting thin film 13 is formed on the second substrate 12 on which the conductive thin film 14b is formed, the conductive thin film 18 such as an In wire is used. 14b and the superconducting thin film 13 are electrically connected. Even with such an element structure, thermal distortion can be reduced.

【0036】ここで、本発明の超電導限流素子の設計パ
ラメータである超電導薄膜13(例えばYBCO薄膜)
の幅Ws 、厚さds 、長さLs と、過電流を分流させる
ための導電性薄膜14bの幅Wm 、厚さdm 、長さLm
とは、例えば以下に示すように設計することが好まし
い。
Here, a superconducting thin film 13 (for example, a YBCO thin film) which is a design parameter of the superconducting current limiting element of the present invention.
Width Ws, thickness ds, length Ls and width Wm, thickness dm, length Lm of the conductive thin film 14b for shunting overcurrent.
Is preferably designed as shown below, for example.

【0037】まず、超電導薄膜13の幅Ws は限流素子
の通常通電ピーク電流Iと超電導薄膜13の臨界電流密
度Jc 、厚さds より、I/(Jc ds )と決まる。超
電導薄膜13の膜厚を厚くすると結晶性が悪くなるた
め、膜厚ds は 100μm 以下が好ましく、より好ましく
は50μm 以下であり、さらには10μm 以下とすることが
望ましい。また、基板に熱量が効率よく伝わるために、
幅Ws は厚さds の10倍以上とすることが好ましく、さ
らには102 倍以上とすることが望ましい。また、電流を
導電性薄膜14bに効率よく分流させるために、超電導
薄膜13の長さLs は導電性薄膜の長さLm と同一とす
ることが好ましい。
Firstly, the width Ws of the superconducting thin film 13 is the critical current density J c in the normal energization peak current I and the superconducting thin film 13 of the current limiting element, than the thickness ds, determined as I / (J c ds). If the thickness of the superconducting thin film 13 is increased, the crystallinity deteriorates. Therefore, the thickness ds is preferably 100 μm or less, more preferably 50 μm or less, and further preferably 10 μm or less. Also, in order to transfer heat to the substrate efficiently,
Width Ws is preferably set to 10 times or more the thickness ds, and it is more desirable that the 10 2 times or more. Further, in order to efficiently shunt the current to the conductive thin film 14b, it is preferable that the length Ls of the superconducting thin film 13 is equal to the length Lm of the conductive thin film.

【0038】ところで、限流動作時に電流が超電導薄膜
13から導電性薄膜14bに 1ms以内の高速に拡散する
距離はおよそ 100mmである。従って、実用上必要な速度
で応答させるためには、導電性薄膜の幅Wm は 200mm以
下とすることが好ましく、さらには 100mm以下とするこ
とが望ましい。また、基板12の取り扱い性を高めるた
めに、導電性薄膜14bの幅Wm は 2mm以上がよい。
By the way, the distance at which the current rapidly diffuses within 1 ms from the superconducting thin film 13 to the conductive thin film 14b during the current limiting operation is about 100 mm. Therefore, in order to respond at a practically necessary speed, the width Wm of the conductive thin film is preferably 200 mm or less, and more preferably 100 mm or less. Further, in order to enhance the handleability of the substrate 12, the width Wm of the conductive thin film 14b is preferably 2 mm or more.

【0039】導電性薄膜14bの長さLm は、限流動作
時の熱衝撃によって基板が破壊することを防ぐために、 VαI/QWm ……(1) 以上とすることが好ましい。ここで、Vは限流素子を接
続した系統の電圧、Qは限流動作時に許容できる単位面
積当たりの発熱量であり、αは限流電流と通常通電電流
の比であって、システムによって異なるが通常 2〜 4の
値をとる。酸化物基板では基板の破壊しない発熱量は 3
〜10kW/cm2 であるため、Qは10kW/cm2以下とするこ
とが好ましく、より好ましくは 5kW/cm2 以下であり、
さらには1kW/cm2 以下とすることが望ましい。導電性
薄膜14bの長さLm の上限は基板12の大きさによっ
て決まり、 10m以下とすることが好ましい。
The length Lm of the conductive thin film 14b is preferably at least VαI / QWm (1) in order to prevent the substrate from being damaged by thermal shock during the current limiting operation. Here, V is the voltage of the system to which the current limiting element is connected, Q is the amount of heat generated per unit area that can be allowed during current limiting operation, and α is the ratio between the current limiting current and the normal energizing current, which differs depending on the system. Usually takes a value of 2 to 4. The calorific value of the oxide substrate without destroying the substrate is 3
Because it is ~10kW / cm 2, Q is preferably set to 10 kW / cm 2 or less, more preferably 5 kW / cm 2 or less,
Further, it is desirable to set it to 1 kW / cm 2 or less. The upper limit of the length Lm of the conductive thin film 14b is determined by the size of the substrate 12, and is preferably 10 m or less.

【0040】導電性薄膜14bの厚さdm は、限流時に
必要な抵抗V/(αI)によって決まる。導電性薄膜1
4bの抵抗率をρm とすると、V/(αI)=(ρm L
m )/(dm Wm )となり、(αI)=(QWm Lm )
/Vより、 dm =(Qρm Lm 2 )/V2 ……(2) となる。
The thickness dm of the conductive thin film 14b is determined by the resistance V / (αI) required at the time of current limiting. Conductive thin film 1
Assuming that the resistivity of 4b is ρm, V / (αI) = (ρm L
m) / (dm Wm), and (αI) = (QWm Lm)
/ V, dm = (Qρm Lm 2 ) / V 2 (2)

【0041】導電性薄膜14bの導通を十分にとるため
には、厚さdm は50nm以上であることが好ましく、より
好ましくは 100nm以上である。また、導電性薄膜14b
の長さLm を長くすれば、厚さdm を厚くすることがで
きるが、基板12の大きさによって長さLm が制限され
るため、厚さdm は 100μm 以下とすることが好まし
く、より好ましくは10μm 以下、さらには 1μm 以下と
することが望ましい。
In order to sufficiently conduct the conductive thin film 14b, the thickness dm is preferably 50 nm or more, more preferably 100 nm or more. The conductive thin film 14b
If the length Lm is increased, the thickness dm can be increased. However, since the length Lm is limited by the size of the substrate 12, the thickness dm is preferably 100 μm or less, more preferably. It is desirable that the thickness be 10 μm or less, and more preferably 1 μm or less.

【0042】以上の手順で 6.6kV/400A級限流素子を設
計する。この限流素子の限流電流と通常通電電流の比α
は 2とする。まず、SrTiO3 基板(11)上に形成
された厚さ 1μm 、Jc =106 A/cm2 のYBCO薄膜
(13)を用いた場合、通電ピーク電流Iを400Aとする
ためには、YBCO薄膜(13)の幅Ws は40mm必要で
ある。導電性薄膜14bにYSZ多結晶基板(12)上
に形成した銀薄膜を用いた場合、動作時に電流を銀薄膜
(14b)に十分に拡散させるため、銀薄膜(14b)
の幅Wm を80mmとし、基板12の耐熱衝撃性からQ=1k
W/cm2 とすると、(1)式よりLm =6.6mとなる。YBC
O薄膜(13)の長さLs はLm と同じとする。銀のρ
m は 2×10-6Ωcmであるので、dm は (2)式より 200nm
となる。
A 6.6 kV / 400 A class current limiting device is designed by the above procedure. The ratio α of the current limiting current of this current limiting element to the normal energizing current
Is 2. First, when using a YBCO thin film (13) having a thickness of 1 μm and J c = 10 6 A / cm 2 formed on a SrTiO 3 substrate (11), the YBCO The width Ws of the thin film (13) needs to be 40 mm. When a silver thin film formed on a YSZ polycrystalline substrate (12) is used as the conductive thin film 14b, the current is sufficiently diffused into the silver thin film (14b) during operation.
Is set to 80 mm, and from the thermal shock resistance of the substrate 12, Q = 1k
Assuming W / cm 2 , Lm = 6.6 m from equation (1). YBC
The length Ls of the O thin film (13) is the same as Lm. Silver ρ
Since m is 2 × 10 -6 Ωcm, dm is 200 nm from the equation (2).
Becomes

【0043】なお、導電性薄膜14bを形成する第2の
基板12は 1枚である必要はなく、複数枚の基板を接続
させた構造であってもよい。複数の基板を接続させた場
合、電極接続部での発熱により液体窒素の液量が減少す
るため、電極接続部は少ないほうがよく、直列に接続す
る基板の枚数は50枚以下とすることが好ましく、さらに
は25枚以下がよい。また、導電性薄膜14bが形成され
た第2の基板12上に接合する第1の基板11(超電導
薄膜13の形成基板)は 1個に限らず、多数個の基板1
1を第2の基板12上に接合してもよい。さらに、第1
および第2の基板11、12の形状は、後述する実施例
に示すように、種々の形状を採用することができる。
The second substrate 12 on which the conductive thin film 14b is formed does not need to be one, and may have a structure in which a plurality of substrates are connected. When a plurality of substrates are connected, the amount of liquid nitrogen decreases due to the heat generated at the electrode connection portions.Therefore, the number of electrode connection portions is preferably small, and the number of substrates connected in series is preferably 50 or less. , And more preferably 25 or less. In addition, the number of the first substrates 11 (substrate on which the superconducting thin film 13 is formed) to be bonded on the second substrate 12 on which the conductive thin film 14b is formed is not limited to one, and a large number of substrates 1
1 may be bonded on the second substrate 12. Furthermore, the first
As the shapes of the second substrates 11 and 12, various shapes can be adopted as shown in the embodiments described later.

【0044】次に、本発明の第2の超電導限流素子の実
施形態について説明する。図5は本発明の第2の超電導
限流素子の一実施形態の概略構造を示す平面図である。
図5に示す超電導限流素子は、基板21上に形成された
超電導薄膜22を有し、この超電導薄膜22上には導電
性薄膜23が形成されている。導電性薄膜23は超電導
薄膜22に覆われていない基板21の表面上にも形成さ
れている。なお、図5では超電導薄膜22上の導電性薄
膜23は省略している。
Next, an embodiment of the second superconducting current limiting element of the present invention will be described. FIG. 5 is a plan view showing a schematic structure of one embodiment of the second superconducting current limiting element of the present invention.
The superconducting current limiting element shown in FIG. 5 has a superconducting thin film 22 formed on a substrate 21, and a conductive thin film 23 is formed on the superconducting thin film 22. The conductive thin film 23 is also formed on the surface of the substrate 21 that is not covered with the superconducting thin film 22. In FIG. 5, the conductive thin film 23 on the superconducting thin film 22 is omitted.

【0045】そして、導電性薄膜23上には電流導入部
以外の部分に、超電導薄膜22と導電性薄膜23とを電
気的に接続するブリッジ部24が設けられている。この
ブリッジ部24はクエンチ時に過電流の一部を、超電導
薄膜22から導電性薄膜23に分流させるものであり、
例えば金属膜などの導電膜の断面積を大きくし、線路の
常伝導抵抗を下げたものである。なお、このような低抵
抗膜を全面的に形成すると、前述したように限流時の抵
抗値が低下し、十分な電流抑制効果が得られなくなる。
On the conductive thin film 23, a bridge portion 24 for electrically connecting the superconducting thin film 22 and the conductive thin film 23 is provided at a portion other than the current introducing portion. The bridge portion 24 shunts a part of the overcurrent from the superconducting thin film 22 to the conductive thin film 23 at the time of quenching.
For example, the cross-sectional area of a conductive film such as a metal film is increased, and the normal conduction resistance of the line is reduced. If such a low-resistance film is formed over the entire surface, the resistance value at the time of current limiting is reduced as described above, and a sufficient current suppressing effect cannot be obtained.

【0046】このような超電導限流素子において、超電
導薄膜22の一部分Xが局所的にクエンチした場合、超
電導薄膜22の近傍を流れる分流電流25Aと導電性薄
膜23の端近くを流れる分流電流25Bに沿っての線路
抵抗は、導電性材料からなるブリッジ部24の存在によ
って、電流が導電性薄膜23を横切る方向の線路抵抗が
小さくなるため、ブリッジ部24がない場合に比べて分
流電流25Aと分流電流25Bの値の差が小さくなる。
In such a superconducting current limiting element, when a portion X of the superconducting thin film 22 is locally quenched, the shunt current 25A flowing near the superconducting thin film 22 and the shunt current 25B flowing near the end of the conductive thin film 23 are reduced. Along the line resistance, the presence of the bridge portion 24 made of a conductive material reduces the line resistance in the direction in which the current crosses the conductive thin film 23. The difference between the values of the current 25B becomes smaller.

【0047】言い換えれば、ブリッジ部24が存在する
ことによって、超電導薄膜22が局所的にクエンチした
場合においても、過電流は導電性薄膜23の広い部分に
わたって分流する。また、導電性薄膜23が超電導薄膜
(超電導線路)22と直接接触していない場合には、ブ
リッジ部24がなければ導電性薄膜23には分流はされ
ないが、導電性材料よりなるブリッジ部24を設けるこ
とによって、局所的にクエンチが起きても導電性薄膜2
3に過電流を分流させることができ、過大な温度上昇を
防ぐことができる。すなわち、限流素子容量を増大させ
ることが可能となる。
In other words, even when the superconducting thin film 22 is locally quenched due to the presence of the bridge portion 24, the overcurrent is diverted over a wide portion of the conductive thin film 23. When the conductive thin film 23 is not in direct contact with the superconducting thin film (superconducting line) 22, the conductive thin film 23 is not shunted without the bridge portion 24. By providing, even if quenching occurs locally, the conductive thin film 2
3, an overcurrent can be diverted to prevent an excessive rise in temperature. That is, it is possible to increase the current limiting element capacity.

【0048】なお、本発明の第2の超電導限流素子に用
いる基板は、通常の単板状基板であってもよいが、特に
本発明の第1の超電導限流素子と同様な基板、すなわち
超電導薄膜が形成される第1の基板と導電性薄膜が形成
される第2の基板を用いることが好ましい。
The substrate used for the second superconducting current limiting element of the present invention may be a normal single plate-shaped substrate, but in particular, the same substrate as that of the first superconducting current limiting element of the present invention, ie, It is preferable to use a first substrate on which a superconducting thin film is formed and a second substrate on which a conductive thin film is formed.

【0049】[0049]

【実施例】次に、本発明の具体的な実施例およびその評
価結果について述べる。
Next, specific examples of the present invention and evaluation results thereof will be described.

【0050】実施例1 この実施例では、図1に示した素子構造を有する超電導
限流素子を作製した。第1の基板11には幅 5mm、長さ
40mmのSrTiO3 基板を用い、このSrTiO3 基板
11にレーザ蒸着法で厚さ 1.1μm のYBCΟ薄膜13
を形成した。YBCΟ薄膜13上には安定化膜として厚
さ 100nmの銀薄膜14aを形成した。第2の基板12と
しては幅 5mm、長さ40mmの多結晶YSZ基板を用い、こ
の多結晶YSZ基板12上に過電流を分流させる働きを
持つ厚さ80nmの銀薄膜14bを形成した。
Example 1 In this example, a superconducting current limiting element having the element structure shown in FIG. 1 was manufactured. The first substrate 11 has a width of 5 mm and a length of 5 mm.
Using a 40 mm SrTiO 3 substrate, a 1.1 μm thick YBC thin film 13 was formed on the SrTiO 3 substrate 11 by laser evaporation.
Was formed. On the YBC thin film 13, a silver thin film 14a having a thickness of 100 nm was formed as a stabilizing film. As the second substrate 12, a polycrystalline YSZ substrate having a width of 5 mm and a length of 40 mm was used, and an 80 nm thick silver thin film 14b having a function of shunting overcurrent was formed on the polycrystalline YSZ substrate 12.

【0051】なお、第1および第2の基板11、12は
どちらも厚さが 2mmで、YBCΟ薄膜13を形成した基
板11とまだ銀薄膜14bを成膜していない基板12
を、支持用の基板15上にエポキシ系接着剤で固定し、
その後メタルマスクを用いて銀薄膜14bを成膜した。
この際、電気的な接触をとるために、銀薄膜14bの一
端は若干YBCΟ薄膜13上に張り出している。このよ
うにして作製した素子の臨界電流値は 53Aで、常温での
線路抵抗は約 0.7Ωであった。
Each of the first and second substrates 11 and 12 has a thickness of 2 mm, and has a substrate 11 on which a YBC thin film 13 is formed and a substrate 12 on which a silver thin film 14b is not yet formed.
Is fixed on a supporting substrate 15 with an epoxy-based adhesive,
Thereafter, a silver thin film 14b was formed using a metal mask.
At this time, one end of the silver thin film 14b slightly protrudes above the YBC thin film 13 to make electrical contact. The critical current value of the device thus fabricated was 53 A, and the line resistance at room temperature was about 0.7Ω.

【0052】この素子を液体窒素で冷却し、50Hz半波の
限流試験を行った。その結果を図6に示す。この素子は
約115Aの電流値で限流を開始し、限流素子がない場合に
は約300A達する過電流の抑制に成功している。また、こ
の際に素子に印加された最大電力は4.5kW(50V,90A)であ
った。
This device was cooled with liquid nitrogen and subjected to a 50 Hz half-wave current limiting test. FIG. 6 shows the result. This element starts current limiting at a current value of about 115A, and succeeds in suppressing an overcurrent of about 300A without a current limiting element. At this time, the maximum power applied to the device was 4.5 kW (50 V, 90 A).

【0053】本発明との比較のために、幅 5mm、長さ40
mmのSrTiO3 基板上に液体窒素温度で線路抵抗が約
0.7Ωになるように銀薄膜を蒸着し、50Hz半波の通電を
行ったところ、約 52A,40Vの電流電圧値で素子は焼損し
てしまった。つまり、幅 5mm、長さ40mmのSrTiΟ3
基板は最大約 2kWの発熱量までしか耐えることができな
い。実際に、この基板上で導電性薄膜があることを含む
色々なパターンの限流素子を構成して試験を行ったとこ
ろ、どの素子でも実施例1の限流容量を達成することは
できなかった。
For comparison with the present invention, a width of 5 mm and a length of 40
The line resistance is approximately equal to the liquid nitrogen temperature on the SrTiO 3
When a silver thin film was vapor-deposited so as to have a current of 0.7 Ω and a current of 50 Hz and a half-wave was applied, the element was burned at a current and voltage value of about 52 A and 40 V. In other words, SrTiΟ 3 having a width of 5 mm and a length of 40 mm
Substrates can only withstand up to about 2kW of heat. Actually, when a current limiting element having various patterns including the presence of the conductive thin film was formed on this substrate and a test was performed, none of the elements could achieve the current limiting capacity of Example 1. .

【0054】実施例2 過電流を分流するための導電性薄膜を形成するための第
2の基板として、Al2 Ο3 基板を用いる以外は、実施
例1と同様の構造の限流素子を作製し、液体窒素で冷却
して50Hz半波の限流試験を行った。
[0054] As a second substrate for forming a conductive thin film for diverting Example 2 overcurrent, but using Al 2 Omicron 3 substrate, produce current-limiting device having the same structure as in Example 1 Then, it was cooled with liquid nitrogen and subjected to a 50 Hz half-wave current limiting test.

【0055】その結果、限流開始電流値はほとんど変わ
らないものの、電源電圧をさらに増加させることがで
き、最大負荷が 6kW(60V,100A)に達しても損傷を受けな
かった。また、限流中に発生した抵抗は約 9ms後に最大
となり、0.66Ωであった。この素子は温度上昇と共に抵
抗が増大すること、および室温での抵抗が 0.7Ωである
こと考慮すると、素子の温度は室温までは上昇していな
いことが分かる。
As a result, although the current-limiting start current value hardly changed, the power supply voltage could be further increased, and no damage was caused even when the maximum load reached 6 kW (60 V, 100 A). The resistance generated during the current limit reached its maximum after about 9 ms, and was 0.66Ω. Considering that the resistance of this element increases with increasing temperature and that the resistance at room temperature is 0.7Ω, it can be seen that the temperature of the element has not increased to room temperature.

【0056】そこで、 60Kから300Kまでの単位体積あた
りの熱容量と熱伝導率の積の平方根をとり、温度の関数
として図7に示す。図7から分かるように、単位体積あ
たりの熱容量と熱伝導率の積の平方根は、限流素子の動
作温度で常にAl2 3 基板の方がSrTiO3 基板よ
り大きい。すなわち、限流容量を増大できたのは温度上
昇の小さい基板を用いて、導電性薄膜を成膜したためで
あると言える。
Therefore, the square root of the product of the heat capacity and the heat conductivity per unit volume from 60 K to 300 K is shown in FIG. 7 as a function of temperature. As can be seen from FIG. 7, the square root of the product of the heat capacity and the thermal conductivity per unit volume is always larger in the Al 2 O 3 substrate than in the SrTiO 3 substrate at the operating temperature of the current limiting element. That is, it can be said that the reason why the current limiting capacity could be increased is that a conductive thin film was formed using a substrate having a small temperature rise.

【0057】実施例3 この実施例では、図2に示した素子構造を有する超電導
限流素子を作製した。まず、多結晶YSZ基板12に予
め 5mm×40mm×深さ 2mmの溝6を形成しておき、その中
にSrTiO3 基板11を埋め込み、これら多結晶YS
Z基板12とSrTiO3 基板11の表面が平坦となる
ように表面研磨を行った後、YBCΟ薄膜13を成膜
し、さらに実施例1と同様にして限流素子を作製した。
この素子においても限流特性は実施例1と同様であり、
SrTiO3 基板だけの場合よりも限流容量は増加して
いる。
Example 3 In this example, a superconducting current limiting element having the element structure shown in FIG. 2 was manufactured. First, a groove 6 having a size of 5 mm × 40 mm × 2 mm in depth is previously formed in a polycrystalline YSZ substrate 12, and an SrTiO 3 substrate 11 is buried in the groove 6.
After surface polishing was performed so that the surfaces of the Z substrate 12 and the SrTiO 3 substrate 11 were flat, a YBC thin film 13 was formed, and a current limiting element was manufactured in the same manner as in Example 1.
The current limiting characteristic of this element is the same as that of the first embodiment.
The current limiting capacity is increased as compared with the case where only the SrTiO 3 substrate is used.

【0058】実施例4 この実施例では、図3に示した素子構造を有する超電導
限流素子を作製した。まず、図8および図9に示すよう
に、SrTiO3 基板11上にYBCO薄膜13および
銀薄膜14aを形成し、さらに電流バイパス用導電性薄
膜17を形成したものを用意した。図8はYBCO薄膜
13と銀薄膜14aの面積を同一としたもの、図9は銀
薄膜14aをYBCO薄膜13より広面積に形成したも
のである。一方、銀薄膜14bを表面に配したYSZ基
板12を用意した。この実施例の素子の作製法を図10
を参照して詳述する。
Example 4 In this example, a superconducting current limiting element having the element structure shown in FIG. 3 was manufactured. First, as shown in FIGS. 8 and 9, a YBCO thin film 13 and a silver thin film 14 a were formed on an SrTiO 3 substrate 11, and a current bypass conductive thin film 17 was further formed. 8 shows a case where the areas of the YBCO thin film 13 and the silver thin film 14a are the same, and FIG. 9 shows a case where the silver thin film 14a is formed to have a larger area than the YBCO thin film 13. On the other hand, a YSZ substrate 12 having a silver thin film 14b on the surface was prepared. FIG. 10 shows a method of manufacturing the device of this embodiment.
It will be described in detail with reference to FIG.

【0059】図10において、Aで示す部材は幅15mm、
長さ50mm、厚さ 2mmのYSZ基板12の全面に銀薄膜を
100nmスパッタし、その上に電流バイパス用の厚さ 2μ
m 銀薄膜17を部分的に形成し、さらに張り合わせ部分
に直径 1mm、厚さ 1mmのInバンプ31を密着させたも
のである。図中Bで示す部材は、幅 5mm、長さ50mm、厚
さ 2mmのSrTiO3 基板11上にYBCO薄膜13を
形成した後、銀薄膜14aを 100nmスパッタし、その上
に電流バイパス用の幅 2mm、厚さ 2μm の銀薄膜17を
形成し、さらに張り合わせ部分にInバンプ31を密着
させたものである。このようにして作製した部材Aと部
材Bを張り合わせ、電気炉で 100℃×10min の条件でア
ニールして、Inバンプ31同士を接合させた。
In FIG. 10, the member indicated by A has a width of 15 mm,
A silver thin film is formed on the entire surface of a YSZ substrate 12 having a length of 50 mm and a thickness of 2 mm.
Sputtered 100nm, then 2μm thick for current bypass
m A silver thin film 17 is partially formed, and an In bump 31 having a diameter of 1 mm and a thickness of 1 mm is adhered to the bonded portion. The member indicated by B in the figure is formed by forming a YBCO thin film 13 on a SrTiO 3 substrate 11 having a width of 5 mm, a length of 50 mm, and a thickness of 2 mm, then sputtering a silver thin film 14 a to a thickness of 100 nm, and forming a 2 mm wide current bypass on the silver thin film 14 a. A silver thin film 17 having a thickness of 2 μm is formed, and an In bump 31 is further adhered to the bonded portion. The members A and B thus produced were bonded together, and annealed in an electric furnace at 100 ° C. for 10 minutes to join the In bumps 31 together.

【0060】なお、YBCO薄膜13にInが拡散して
超電導特性が劣化することを防ぐためには、図9に示す
ように、幅 8mmのSrTiO3 基板11上のYBCO薄
膜13の両端 1.5mmをウェットエッチングした後、銀薄
膜14aを形成したものを用いることが好ましい。両端
をエッチングしない場合(図8)とエッチングした場合
(図9)の接合後の素子断面図を図11、図12に示
す。
As shown in FIG. 9, 1.5 mm of both ends of the YBCO thin film 13 on the 8 mm wide SrTiO 3 substrate 11 are wetted in order to prevent the diffusion of In into the YBCO thin film 13 to deteriorate the superconducting characteristics. After the etching, it is preferable to use the silver thin film 14a. FIGS. 11 and 12 show cross-sectional views of the element after bonding when both ends are not etched (FIG. 8) and when both ends are etched (FIG. 9).

【0061】これらの素子に50Hzの電流を流したとこ
ろ、120Aで限流を開始し、最大印加電圧 50V、最大熱負
荷 7.5kWでも焼損せず、限流機能を得ることができた。
また、限流試験を10回繰り返し行ったが、素子特性は劣
化しなかった。素子劣化の原因である限流動作時の熱歪
みをInバンプにより緩和され、これにより繰り返し動
作の安定性が向上したためである。
When a current of 50 Hz was applied to these elements, current limiting was started at 120 A, and the device did not burn even at a maximum applied voltage of 50 V and a maximum heat load of 7.5 kW, and a current limiting function was obtained.
Further, the current limiting test was repeated 10 times, but the device characteristics did not deteriorate. This is because thermal distortion during current-limiting operation, which is a cause of element deterioration, is alleviated by the In bump, thereby improving the stability of repeated operation.

【0062】実施例5 この実施例の超電導限流素子は、図13に示すように、
幅15mm、長さ50mm、厚さ 2mmのYSZ基板11の両面に
銀薄膜14b、14cを形成した構造を有する。図中1
4bは厚さ 100nmの銀薄膜であり、過電流はこの層を流
れる。一方、図中14cは厚さ 100μm の銀厚膜であ
り、銀薄膜14bとは導通されていない。
Embodiment 5 The superconducting current limiting element of this embodiment is, as shown in FIG.
It has a structure in which silver thin films 14b and 14c are formed on both surfaces of a YSZ substrate 11 having a width of 15 mm, a length of 50 mm and a thickness of 2 mm. 1 in the figure
4b is a silver thin film having a thickness of 100 nm, and an overcurrent flows through this layer. On the other hand, 14c in the figure is a silver thick film having a thickness of 100 μm, and is not electrically connected to the silver thin film 14b.

【0063】このように、YSZ基板11の裏面側に銀
厚膜14cを形成することで銀薄膜14bのインダクタ
ンスを小さくすることができるため、限流動作時にYB
CO薄膜13から銀薄膜14bに過電流を実施例4より
高速に分流させることができ、素子の耐電圧を増加させ
ることが可能となる。この素子は120Aで限流を開始し、
最大印加電圧 80Vまで動作させることができた。
Since the thick silver film 14c is formed on the back side of the YSZ substrate 11 as described above, the inductance of the silver thin film 14b can be reduced.
Overcurrent can be shunted from the CO thin film 13 to the silver thin film 14b faster than in the fourth embodiment, and the withstand voltage of the element can be increased. This element starts current limiting at 120A,
It was able to operate up to the maximum applied voltage of 80V.

【0064】実施例6 この実施例の超電導限流素子は、図14に示すように、
銀薄膜14bを表面に配した幅 300mm、長さ 800mm、厚
さ 2mmの多結晶YSZ基板12上に、図8に示した構成
の幅10mm、長さ 100mm、厚さ 2mmの部材32を、24枚直
列配列でInバンプを介して張り合わせた構造を有す
る。この素子に50Hzの半波電流を流して限流試験を行っ
たところ、240Aで限流を開始し、最大印加電圧 2.4kVま
で焼損することなく繰り遮し動作させることができた。
また、YSZ基板12の裏側にも図14と同様な構造を
設けた限流素子を作製し、限流試験を行ったところ、48
0Aで限流を開始し、最大印加電圧 2.4kVまで繰り返し動
作させることができた。
Embodiment 6 As shown in FIG. 14, the superconducting current limiting element of this embodiment
On a polycrystalline YSZ substrate 12 having a width of 300 mm, a length of 800 mm, and a thickness of 2 mm on which a silver thin film 14 b is disposed on the surface, a member 32 having a width of 10 mm, a length of 100 mm, and a thickness of 2 mm as shown in FIG. It has a structure in which a plurality of substrates are laminated in series via In bumps. A current limiting test was performed by flowing a half-wave current of 50 Hz to this device. As a result, current limiting was started at 240 A, and the device was able to operate repeatedly without burning out up to the maximum applied voltage of 2.4 kV.
Further, a current limiting element having the same structure as that shown in FIG. 14 on the back side of the YSZ substrate 12 was manufactured, and a current limiting test was performed.
Current limiting was started at 0A, and operation was repeated up to the maximum applied voltage of 2.4kV.

【0065】図15は図8に示す構成の部材32を 6枚
直列させたものを 4組並列接続させたものである。この
素子は960Aで限流を開始し、最大印加電圧600Vまで焼損
することなく動作した。
FIG. 15 shows a structure in which six members 32 having the structure shown in FIG. 8 are connected in series and four sets are connected in parallel. The device started current limiting at 960A and operated without burning up to a maximum applied voltage of 600V.

【0066】実施例7 この実施例の超電導限流素子は、図16に示すように、
外径 200mm、厚さ 5mm、長さ 300mmの円筒状に加工され
たYSZ基板12に螺旋状に銀薄膜14bを蒸着した部
材に、図9と同様な構成で基板1に幅15mm、厚さ 100μ
m 、長さ4mのYSZテープを用いた部材32を、Inバ
ンプにより螺旋状に張り合わせた構造を有する。この素
子は240Aで限流を開始し、最大印加電圧 2kVまで繰り返
し動作させることができた。
Embodiment 7 As shown in FIG. 16, the superconducting current limiting element of this embodiment
A member formed by spirally depositing a silver thin film 14b on a cylindrical YSZ substrate 12 having an outer diameter of 200 mm, a thickness of 5 mm, and a length of 300 mm is formed on the substrate 1 in the same configuration as in FIG.
m, a member 32 using a YSZ tape having a length of 4 m is helically bonded by In bumps. This device started current limiting at 240 A and was able to operate repeatedly up to the maximum applied voltage of 2 kV.

【0067】また、図17に示すように、それぞれ外径
200mm、 220mmおよび 240mmの円筒に巻き付けた限流素
子を重ね合わせて直列に接続させた場合、限流開始電流
240A、最大印加電圧 6.2kVまで動作可能であった。
Further, as shown in FIG.
When current limiting elements wound on 200 mm, 220 mm and 240 mm cylinders are superposed and connected in series,
Operable up to 240A and maximum applied voltage of 6.2kV.

【0068】実施例8 この実施例の超電導限流素子は図4に示したように、幅
20mm、長さ50mm、厚さ2mmのYSZ基板12に銀薄膜1
4bを 100nm蒸着した部材の上に、厚さ 1μmのYBC
O薄膜13を表面に形成した幅10mm、長さ50mm、厚さ
0.5mmのSrTiO3 基板11を配置した構造を有す
る。YBCO薄膜13と銀薄膜14bとは、直径 1mmの
In線18によって電気的に接続されている。
Embodiment 8 The superconducting current limiting device of this embodiment has a width as shown in FIG.
Silver thin film 1 on YSZ substrate 12 of 20 mm, length 50 mm and thickness 2 mm
YBC with a thickness of 1 μm is placed on a member on which 4b is deposited to a thickness of 100 nm.
O thin film 13 formed on the surface, width 10 mm, length 50 mm, thickness
It has a structure in which a 0.5 mm SrTiO 3 substrate 11 is arranged. The YBCO thin film 13 and the silver thin film 14b are electrically connected by an In wire 18 having a diameter of 1 mm.

【0069】この実施例の超電導限流素子によれば、実
施例4と同様にYSZ基板12とSrTiO3 基板11
の熱膨張率の差をIn線18によって緩和することがで
きる。この素子は240Aで限流を開始し、最大印加電圧 5
0Vまで動作させることができ、繰り返し動作可能であっ
た。
According to the superconducting current limiting element of this embodiment, the YSZ substrate 12 and the SrTiO 3 substrate 11
Can be mitigated by the In line 18. The device starts current limiting at 240A and the maximum applied voltage is 5
It could be operated up to 0V and could be operated repeatedly.

【0070】また、図18に示すように、テーパーを設
けたSrTiO3 基板1にYBCO薄膜13を形成した
部材を、銀薄膜14bを表面に配したYSZ基板12に
接合し、さらに電気的な接続を得るために厚さ20μm の
銀厚膜33を形成した。この場合、YBCO薄膜13と
銀薄膜14bとの導通をとるために、SrTiO3 基板
11に50゜のテーパーを設けている。テーパーの角度は
導通を取りやすくするために、80゜以下とすることがこ
のましく、さらには60゜以下とすることが望ましい。ま
た、基板の取り扱いがしやすいよう30゜以上がよい。
As shown in FIG. 18, a member formed by forming a YBCO thin film 13 on a tapered SrTiO 3 substrate 1 is joined to a YSZ substrate 12 having a silver thin film 14b disposed on the surface, and furthermore, an electrical connection is made. A silver thick film 33 having a thickness of 20 μm was formed in order to obtain a film. In this case, the SrTiO 3 substrate 11 is provided with a 50 ° taper in order to establish conduction between the YBCO thin film 13 and the silver thin film 14b. The angle of the taper is preferably 80 ° or less, and more preferably 60 ° or less in order to facilitate conduction. In addition, 30 mm or more is preferable so that the substrate can be easily handled.

【0071】実施倒9 この実施例の超電導限流素子は、図19に示すように、
幅 5mm、長さ50mm、厚さ 1mmのSrTiO3 基板11の
両面にYBCO薄膜13を作製した部材に、Inバンプ
31を介して厚さ 100nmの銀薄膜14bを形成した幅15
mm、長さ50mm、厚さ 2mmのYSZ基板12を 2枚接続し
た構造を有する。このような構造により電流容量を増加
することができ、この素子の限流開始電流は240Aであっ
た。
Embodiment 9 The superconducting current limiting element of this embodiment is, as shown in FIG.
A member formed by forming a YBCO thin film 13 on both sides of an SrTiO 3 substrate 11 having a width of 5 mm, a length of 50 mm, and a thickness of 1 mm is provided with a silver thin film 14 b having a thickness of 100 nm via an In bump 31.
It has a structure in which two YSZ substrates 12 of 50 mm in length, 50 mm in length and 2 mm in thickness are connected. With such a structure, the current capacity could be increased, and the current limiting onset current of this device was 240A.

【0072】実施例10 この実施例の超電導限流素子は、図20に示すように、
幅 5mm、長さ50mm、厚さ 2mmのSrTiO3 基板11に
YBCO薄膜13を形成した部材の両側面に、幅10mm、
長さ50mm、厚さ 2mmのYSZ基板12に厚さ 100nmの銀
薄膜14bを形成した部材をそれぞれInにより接続し
た構造を有する。このような構造にすることによって、
電流が拡散する銀薄膜14bの幅を実施例4より 2倍に
増加することができ、素子の熱負荷を低減することがで
きる。この素子は120Aで限流を開始し、最大印加電圧 8
0Vまで動作させることができた。
Embodiment 10 The superconducting current limiting element of this embodiment has a structure as shown in FIG.
A 10 mm width, 10 mm width is formed on both sides of a member formed by forming a YBCO thin film 13 on an SrTiO 3 substrate 11 having a width of 5 mm, a length of 50 mm, and a thickness of 2 mm.
It has a structure in which members in which a silver thin film 14b having a thickness of 100 nm is formed on a YSZ substrate 12 having a length of 50 mm and a thickness of 2 mm are respectively connected by In. With such a structure,
The width of the silver thin film 14b through which the current is diffused can be doubled as compared with the fourth embodiment, and the heat load of the element can be reduced. This element starts current limiting at 120A and the maximum applied voltage is 8
It was able to operate up to 0V.

【0073】また、図21に示すように、YBCO薄膜
13を形成したSrTiO3 基板11を積層し、並列接
続させた素子は限流開始電流が360Aであった。
As shown in FIG. 21, the SrTiO 3 substrate 11 on which the YBCO thin film 13 was formed was laminated and connected in parallel.

【0074】実施例11 この実施例では、図22〜図24に示した素子構造を有
する超電導限流素子を作製した。なお、図23は図22
のA−A′線に沿った断面図、図24は図22のB−
B′線に沿った断面図である。
Example 11 In this example, a superconducting current limiting element having the element structure shown in FIGS. 22 to 24 was manufactured. FIG. 23 corresponds to FIG.
FIG. 24 is a sectional view taken along line AA ′ of FIG.
It is sectional drawing which followed the B 'line.

【0075】YBCO薄膜形成用の基板21には、幅 5
mm、長さ50mm、厚さ 2mmのSrTiO3 基板を用いた。
22はレーザ蒸着法により形成した厚さ約 1μm のYB
CO薄膜、26は保護膜として厚さ 100nmの銀薄膜であ
る。また、23は過電流分流用の厚さ80nmの銀薄膜であ
る。
The substrate 21 for forming the YBCO thin film has a width of 5
A SrTiO 3 substrate having a thickness of 50 mm, a length of 50 mm and a thickness of 2 mm was used.
Reference numeral 22 denotes a YB having a thickness of about 1 μm formed by a laser evaporation method.
The CO thin film 26 is a silver thin film having a thickness of 100 nm as a protective film. Reference numeral 23 denotes a silver thin film having a thickness of 80 nm for overcurrent shunting.

【0076】Y系超電導薄膜を所望の形状に加工するた
めに、まず基板21上にレーザー蒸着法によりYBCO
薄膜22を形成し、その表面に蒸着法により銀薄膜26
を形成した後、フォトレジストを用いてウエットエッチ
ングを行った。両端の部分は外部から電流の出し入れを
行うために線路幅を 5mmとしてあるが、それ以外の部分
の超電導線路幅は 2mmとしてある。さらにメタルマスク
と蒸着法を用いて、銀薄膜23を両側に幅 1.5mmずつ形
成し、最後にブリッジ部24としてメタルマスクと蒸着
法により幅 5mm、長さ 1mm、厚さ 2μm の銀層を約 7mm
の間隔で形成した。液体窒素温度でのこの線路の臨界電
流値は 24Aであった。
In order to process a Y-based superconducting thin film into a desired shape, first, a YBCO
A thin film 22 is formed, and a silver thin film 26 is formed on the surface thereof by vapor deposition.
Was formed, wet etching was performed using a photoresist. The width of the line at both ends is 5 mm to allow current to flow in and out from the outside, while the width of the superconducting line at the other portions is 2 mm. Further, a silver thin film 23 is formed on both sides with a width of 1.5 mm using a metal mask and a vapor deposition method. Finally, a silver layer having a width of 5 mm, a length of 1 mm, and a thickness of 2 μm is formed as a bridge portion 24 by a metal mask and a vapor deposition method. 7mm
Formed at intervals. The critical current value of this line at liquid nitrogen temperature was 24A.

【0077】この素子上に 3つの電圧端子(端子1、端
子2、端子3:図示せず)を10mm間隔で設け、端子1−
端子2間の電圧V12と端子2−端子3間の電圧V23を測
定しながら50Hzの電流を 1サイクル流し、徐々にピーク
電流値を増加さえて限流特性を調べた。その結果を図2
5に示す。また、図26はその電圧発生初期を拡大した
ものである。図25から分かるように、この素子は約 5
5Aで限流を開始している。図25では 2つの電圧ともほ
とんど同じ振る舞いのようにみえるが、これを拡大した
図26で見てみると、V12の方がV23よりも約50μs ほ
ど早く電圧が発生し、クエンチが局所的に始まったこと
が分かる。さらに電圧を増加して限流特性を測定したと
ころ、印加電圧 45V、最大限流電流 50Aでも限流素子は
焼損しなかった。
On this device, three voltage terminals (terminal 1, terminal 2, terminal 3: not shown) are provided at intervals of 10 mm.
While measuring the voltage V 23 between the voltage V 12 and the terminals 2 3 between the terminal 2 of current 50Hz sink 1 cycle, we examined the current limiting characteristics gradually even increasing the peak current value. Figure 2 shows the result.
It is shown in FIG. FIG. 26 is an enlarged view of the initial stage of the voltage generation. As can be seen from FIG.
Current limiting has started at 5A. Appears to almost the same behavior with FIG 25, two voltages, looking at Figure 26 an enlarged this voltage quickly approximately 50μs than towards the V 12 is V 23 occurs, quenched locally You can see that it started. When the current limiting characteristics were measured by further increasing the voltage, the current limiting element did not burn even at an applied voltage of 45 V and a maximum current of 50 A.

【0078】本発明との比較のために、ブリッジ部24
を設けない以外は実施例11と同じ構造の素子を作製し
て限流試験を行った結果、限流開始電流値は変わらない
ものの、電源電圧を 35Vまで増加させたときに焼損し
た。これからブリッジ部24を設けた本発明の超電導限
流素子によれば、過電流は導電性薄膜のより広い領域に
分流していることが分かる。
For comparison with the present invention, the bridge 24
An element having the same structure as in Example 11 was prepared except that no current was provided, and a current limiting test was performed. As a result, although the current limiting onset current value did not change, the element burned out when the power supply voltage was increased to 35V. From this, it can be seen that according to the superconducting current limiting device of the present invention provided with the bridge portion 24, the overcurrent is diverted to a wider area of the conductive thin film.

【0079】実施例12 この実施例では、図27〜図29に示した素子構造を有
する超電導限流素子を作製した。なお、図28は図27
のA−A′線に沿った断面図、図29は図27のB−
B′線に沿った断面図である。
Example 12 In this example, a superconducting current limiting element having the element structure shown in FIGS. 27 to 29 was manufactured. 28 is the same as FIG.
FIG. 29 is a sectional view taken along line AA ′ of FIG.
It is sectional drawing which followed the B 'line.

【0080】これらの図において、21aは幅 5mm、長
さ50mm、厚さ 2mmのSrTiO3 基板であり、この上に
レーザー蒸着法により厚さ 1μm のYBCO薄膜22が
成膜されている。この基板21aを幅 5mm、深さ 2mmの
溝が掘られている多結晶YSZ基板21bにはめ込み、
接着した後に基板全面に厚さ 100nmの銀を蒸着し、保護
膜としての銀薄膜26と過電流分流用の銀薄膜23を同
時に形成した。なお、多結晶YSZ基板21bの幅は15
mmである。
In these figures, 21a is a 5 mm wide, 50 mm long, 2 mm thick SrTiO 3 substrate, on which a 1 μm thick YBCO thin film 22 is formed by laser evaporation. This substrate 21a is fitted into a polycrystalline YSZ substrate 21b having a groove of 5 mm in width and 2 mm in depth,
After bonding, silver having a thickness of 100 nm was deposited on the entire surface of the substrate to form a silver thin film 26 as a protective film and a silver thin film 23 for overcurrent shunt at the same time. The width of the polycrystalline YSZ substrate 21b is 15
mm.

【0081】また、ブリッジ部24としてはメタルマス
クと蒸着法により、幅15mm、長さ 2mm、厚さ 2μm の銀
層を10mm間隔で形成した。さらに基板21aと基板21
bの継ぎ目の上を銀ペースト27により補強した。この
素子の室温での抵抗は 0.4Ωで、液体窒素温度での臨界
電流値は 53Aである。また、液体窒素中での限流特性は
図26と同様で、超電導線路内でクエンチ開始時間にば
らつきがあるものの、素子が焼損することなく、過電流
に対し抵抗を発生して限流機能を発揮した。この限流素
子は約120Aで限流を開始し、最大印加電圧 50V、最大熱
負荷 7.5kWでも焼損せずに、過電流を抑制することがで
きた。
As the bridge portion 24, a silver layer having a width of 15 mm, a length of 2 mm and a thickness of 2 μm was formed at intervals of 10 mm by a metal mask and an evaporation method. Further, the substrate 21a and the substrate 21
The top of the seam b was reinforced with silver paste 27. The device has a resistance of 0.4Ω at room temperature and a critical current of 53A at liquid nitrogen temperature. The current limiting characteristics in liquid nitrogen are the same as in FIG. 26, and although the quench start time varies in the superconducting line, the element does not burn out, but generates resistance against overcurrent and has a current limiting function. Demonstrated. This current limiting element started current limiting at about 120A, and was able to suppress overcurrent without burning out even with a maximum applied voltage of 50V and a maximum thermal load of 7.5kW.

【0082】本発明との比較のために、ブリッジ部24
を形成しない以外は同じ構造の素子を作製して限流特性
を調べたところ、電源電圧が小さい場合には焼損せず過
電流を抑制できるものの、最大電圧 30V、最大熱負荷
4.5kWで焼損してしまった。
For comparison with the present invention, the bridge 24
An element with the same structure was fabricated except that no current was formed, and the current limiting characteristics were examined.When the power supply voltage was low, overcurrent was suppressed without burnout, but the maximum voltage was 30 V and the maximum thermal load was low.
Burnout at 4.5kW.

【0083】実施例13 この実施例では、図30〜図32に示した素子構造を有
する超電導限流素子を作製した。なお、図31は図30
に示す素子の作製過程におけるYBCO薄膜のパターン
を示す図、図32は図30のA−A′線に沿った断面図
である。
Example 13 In this example, a superconducting current limiting element having the element structure shown in FIGS. 30 to 32 was manufactured. FIG. 31 is the same as FIG.
FIG. 32 is a cross-sectional view taken along the line AA 'in FIG. 30.

【0084】この実施例の超電導限流素子は、平面図的
には上述した実施例11と同様であるが、図32に示す
ように、過電流分流用の銀薄膜23下側にYBCO薄膜
22が残っている。このような構造の素子を作製するた
めには、まず基板21上にYBCO薄膜22を成膜し、
その上に銀薄膜26を 100nm蒸着した後、フォトレジス
トおよびウェットエッチングで図31に示したようなパ
ターニングを行う。その後、銀薄膜23を80nm蒸着し、
最後にブリッジ部24として厚さ 2μm の銀層を成膜す
る。
The superconducting current limiting element of this embodiment is the same as the eleventh embodiment in plan view, but as shown in FIG. 32, the YBCO thin film 22 is disposed under the silver thin film 23 for overcurrent shunting. Remains. In order to manufacture an element having such a structure, first, a YBCO thin film 22 is formed on a substrate 21,
After depositing a silver thin film 26 thereon by 100 nm, patterning as shown in FIG. 31 is performed by photoresist and wet etching. After that, a silver thin film 23 is deposited by 80 nm,
Finally, a silver layer having a thickness of 2 μm is formed as a bridge portion 24.

【0085】この素子の限流試験の結果、印加電圧 50
V、最大限流電流 55Aでも限流素子は焼損せず、実施例
11よりも特性が向上していた。これは局所的にクエン
チした際に、過電流の一部がブリッジ部24だけでな
く、超電導薄膜(YBCO薄膜22)自体にも電流が流
れて銀薄膜23に分流するため、さらに均一な分流を起
こさせることができたためであると考えられる。
As a result of the current limiting test of this device, the applied voltage 50
Even at V and the maximum current of 55 A, the current limiting element did not burn out, and the characteristics were improved as compared with Example 11. This is because when a local quench occurs, a part of the overcurrent flows not only in the bridge portion 24 but also in the superconducting thin film (YBCO thin film 22) itself and shunts to the silver thin film 23. It is thought that it was possible to wake up.

【0086】[0086]

【発明の効果】以上説明したように、本発明の第1の超
電導限流素子によれば、超電導薄膜を形成する基板と導
電性薄膜を形成する基板とが異なっているために、超電
導薄膜を形成する基板を大型化することなく、限流時に
発生する熱量をより広い面積に拡散させることができ
る。従って、限流素子容量の向上を図ることが可能とな
る。また、本発明の第2の超電導限流素子によれば、超
電導薄膜と導電性薄膜とを導電性材料でブリッジしてい
るため、導電性薄膜に流れる過電流の一部がより均一化
され、同じ面積の導電性薄膜を用いて限流容量を増大さ
せることができる。これら両方の構成を組み合わせるこ
とによって、さらに限流容量を増大させることができ
る。
As described above, according to the first superconducting current limiting element of the present invention, since the substrate on which the superconducting thin film is formed and the substrate on which the conductive thin film is formed are different, the superconducting thin film is formed. The amount of heat generated at the time of current limiting can be diffused to a wider area without increasing the size of the substrate to be formed. Therefore, it is possible to improve the capacity of the current limiting element. Further, according to the second superconducting current limiting element of the present invention, since the superconducting thin film and the conductive thin film are bridged with a conductive material, a part of the overcurrent flowing through the conductive thin film is made more uniform, The current limiting capacity can be increased by using a conductive thin film having the same area. By combining these two configurations, the current limiting capacity can be further increased.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 本発明の第1の超電導限流素子の一実施形態
の概略構造を示す断面図である。
FIG. 1 is a sectional view showing a schematic structure of an embodiment of a first superconducting current limiting element of the present invention.

【図2】 図1に示す超電導限流素子の変形例を示す断
面図である。
FIG. 2 is a sectional view showing a modification of the superconducting current limiting element shown in FIG.

【図3】 本発明の第1の超電導限流素子の他の実施形
態の概略構造を示す斜視図である。
FIG. 3 is a perspective view showing a schematic structure of another embodiment of the first superconducting current limiting element of the present invention.

【図4】 図3に示す超電導限流素子の変形例を示す図
である。
FIG. 4 is a diagram showing a modification of the superconducting current limiting element shown in FIG.

【図5】 本発明の第2の超電導限流素子の一実施形態
の概略構造を示す平面図である。
FIG. 5 is a plan view showing a schematic structure of an embodiment of the second superconducting current limiting element of the present invention.

【図6】 本発明の実施例1による超電導限流素子の限
流特性を示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing a current limiting characteristic of the superconducting current limiting element according to the first embodiment of the present invention.

【図7】 Al2 3 とSrTiO3 の(熱伝導率×単
位体積の熱容量)0.5の値の温度変化を示す図である。
FIG. 7 is a diagram showing a temperature change of Al 2 O 3 and SrTiO 3 at a value of (thermal conductivity × heat capacity per unit volume) 0.5 .

【図8】 本発明の実施例4による超電導限流素子の超
電導薄膜側構成部材の一例を示す斜視図である。
FIG. 8 is a perspective view showing an example of a superconducting thin film-side constituent member of a superconducting current limiting element according to Embodiment 4 of the present invention.

【図9】 本発明の実施例4による超電導限流素子の超
電導薄膜側構成部材の他の例を示す斜視図である。
FIG. 9 is a perspective view showing another example of the superconducting thin film-side constituent member of the superconducting current limiting element according to Embodiment 4 of the present invention.

【図10】 本発明の実施例4による超電導限流素子の
作製方法を説明するための図である。
FIG. 10 is a diagram for explaining a method of manufacturing a superconducting current limiting device according to Example 4 of the present invention.

【図11】 本発明の実施例4による超電導限流素子の
一構成例を示す断面図である。
FIG. 11 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of a superconducting current limiting element according to Embodiment 4 of the present invention.

【図12】 本発明の実施例4による超電導限流素子の
他の構成例を示す断面図である。
FIG. 12 is a cross-sectional view showing another configuration example of the superconducting current limiting element according to Embodiment 4 of the present invention.

【図13】 本発明の実施例5による超電導限流素子の
構成を示す断面図である。
FIG. 13 is a sectional view showing a configuration of a superconducting current limiting element according to Embodiment 5 of the present invention.

【図14】 本発明の実施例6による超電導限流素子の
一構成例を示す平面図である。
FIG. 14 is a plan view showing a configuration example of a superconducting current limiting element according to Embodiment 6 of the present invention.

【図15】 本発明の実施例6による超電導限流素子の
他の構成例を示す平面図である。
FIG. 15 is a plan view showing another configuration example of the superconducting current limiting element according to Embodiment 6 of the present invention.

【図16】 本発明の実施例7による超電導限流素子の
一構成例を示す斜視図である。
FIG. 16 is a perspective view showing a configuration example of a superconducting current limiting element according to Embodiment 7 of the present invention.

【図17】 本発明の実施例7による超電導限流素子の
他の構成例を示す斜視図である。
FIG. 17 is a perspective view showing another configuration example of the superconducting current limiting element according to Embodiment 7 of the present invention.

【図18】 本発明の実施例8による超電導限流素子の
他の構成例を示す図である。
FIG. 18 is a diagram showing another configuration example of the superconducting current limiting element according to Embodiment 8 of the present invention.

【図19】 本発明の実施例9による超電導限流素子の
構成を示す断面図である。
FIG. 19 is a sectional view showing a configuration of a superconducting current limiting element according to Embodiment 9 of the present invention.

【図20】 本発明の実施例10による超電導限流素子
の一構成例を示す図である。
FIG. 20 is a diagram showing a configuration example of a superconducting current limiting element according to Embodiment 10 of the present invention.

【図21】 本発明の実施例10による超電導限流素子
の他の構成例を示す図である。
FIG. 21 is a diagram showing another configuration example of the superconducting current limiting element according to Embodiment 10 of the present invention.

【図22】 本発明の実施例11による超電導限流素子
の構成を示す平面図である。
FIG. 22 is a plan view showing a configuration of a superconducting current limiting element according to Embodiment 11 of the present invention.

【図23】 図22のA−A′線に沿った断面図であ
る。
FIG. 23 is a sectional view taken along the line AA ′ of FIG. 22;

【図24】 図22のB−B′線に沿った断面図であ
る。
24 is a sectional view taken along the line BB 'of FIG.

【図25】 本発明の実施例11による超電導限流素子
の限流特性を示す図である。
FIG. 25 is a diagram illustrating current limiting characteristics of a superconducting current limiting element according to Embodiment 11 of the present invention.

【図26】 図25の限流特性の電圧発生初期を拡大し
た図である。
FIG. 26 is an enlarged view of the initial stage of voltage generation of the current limiting characteristic of FIG. 25;

【図27】 本発明の実施例12による超電導限流素子
の構成を示す平面図である。
FIG. 27 is a plan view showing a configuration of a superconducting current limiting element according to Embodiment 12 of the present invention.

【図28】 図27のA−A′線に沿った断面図であ
る。
FIG. 28 is a sectional view taken along the line AA ′ in FIG. 27.

【図29】 図28のB−B′線に沿った断面図であ
る。
FIG. 29 is a sectional view taken along line BB ′ of FIG.

【図30】 本発明の実施例13による超電導限流素子
の構成を示す平面図である。
FIG. 30 is a plan view showing a configuration of a superconducting current limiting element according to Embodiment 13 of the present invention.

【図31】 実施例13におけるYBCO薄膜のパター
ニング状態を示す平面図である。
FIG. 31 is a plan view showing a patterning state of a YBCO thin film in Example 13.

【図32】 図30のA−A′線に沿った断面図であ
る。
FIG. 32 is a sectional view taken along the line AA ′ of FIG. 30.

【図33】 従来の超電導限流素子の一構成例を模式的
に示す平面図である。
FIG. 33 is a plan view schematically showing a configuration example of a conventional superconducting current limiting element.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11……第1の基板 12……第2の基板 23、22……超電導薄膜 14、23……導電性薄膜 24……ブリッジ部 11 First substrate 12 Second substrate 23, 22 Superconducting thin film 14, 23 Conductive thin film 24 Bridge part

【手続補正書】[Procedure amendment]

【提出日】平成11年3月5日[Submission date] March 5, 1999

【手続補正1】[Procedure amendment 1]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】特許請求の範囲[Correction target item name] Claims

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【特許請求の範囲】[Claims]

【手続補正2】[Procedure amendment 2]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0015[Correction target item name] 0015

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【0015】本発明における第2の超電導限流素子は、
請求項5に記載したように、基板上に作製された超電導
薄膜と、前記基板表面の前記超電導薄膜で覆われていな
い部分に作製された導電性薄膜と、前記超電導薄膜と前
記導電性薄膜とを電気的に接続するブリッジ部とを具備
し、過電流により前記超電導薄膜がクエンチした際に前
記ブリッジ部を通して過電流の一部が前記導電性薄膜に
分流する構造を有することを特徴としている。
The second superconducting current limiting element according to the present invention comprises:
As described in claim 5, the superconducting thin film formed on the substrate and the superconducting thin film on the surface of the substrate are not covered with the superconducting thin film.
A conductive thin film formed on a portion thereof, and a bridge portion for electrically connecting the superconducting thin film and the conductive thin film, and when the superconducting thin film is quenched by an overcurrent, an overcurrent flows through the bridge portion. Is characterized in that it has a structure in which a part of the shunt flows into the conductive thin film.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 芳野 久士 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝研究開発センター内 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Hisashi Yoshino 1 Tokoba Toshiba-cho, Koyuki-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa Inside Toshiba R & D Center Co., Ltd.

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 基板上に形成された超電導薄膜および導
電性薄膜を具備し、過電流により前記超電導薄膜がクエ
ンチした際に前記導電性薄膜に過電流の一部が分流する
構造を有する超電導限流素子において、 前記基板は前記超電導薄膜が形成された第1の基板と前
記導電性薄膜が形成された第2の基板とを有することを
特徴とする超電導限流素子。
1. A superconducting limit comprising a superconducting thin film and a conductive thin film formed on a substrate, and having a structure in which a part of the overcurrent is shunted to the conductive thin film when the superconducting thin film is quenched by an overcurrent. In the flow element, the substrate includes a first substrate on which the superconducting thin film is formed and a second substrate on which the conductive thin film is formed.
【請求項2】 請求項1記載の超電導限流素子におい
て、 前記第2の基板は、熱伝導率と単位体積当りの熱容量と
の積の平方根を素子の通常動作温度と限流時に素子が到
達する温度との間にわたって平均した値が、前記第1の
基板のそれより大きいことを特徴とする超電導限流素
子。
2. The superconducting current limiting element according to claim 1, wherein the second substrate reaches a square root of a product of a thermal conductivity and a heat capacity per unit volume at a normal operating temperature of the element and at the time of current limiting. A superconducting current limiting element, wherein a value averaged over the temperature of the first substrate is larger than that of the first substrate.
【請求項3】 請求項1記載の超電導限流素子におい
て、 前記第1の基板は、前記第2の基板に設けられた凹部内
に埋め込まれていることを特徴とする超電導限流素子。
3. The superconducting current limiting device according to claim 1, wherein the first substrate is embedded in a concave portion provided in the second substrate.
【請求項4】 請求項1記載の超電導限流素子におい
て、 前記導電性薄膜が形成された前記第2の基板上に、前記
超電導薄膜が形成された前記第1の基板が接合されてお
り、かつ前記導電性薄膜と超電導薄膜とが導電性部材を
介して電気的に接続されていることを特徴とする超電導
限流素子。
4. The superconducting current limiting element according to claim 1, wherein the first substrate on which the superconducting thin film is formed is joined to the second substrate on which the conductive thin film is formed, A superconducting current limiting element, wherein the conductive thin film and the superconducting thin film are electrically connected via a conductive member.
【請求項5】 基板上に作製された超電導薄膜および導
電性薄膜と、前記超電導薄膜と前記導電性薄膜とを電気
的に接続するブリッジ部とを具備し、過電流により前記
超電導薄膜がクエンチした際に前記ブリッジ部を通して
過電流の一部が前記導電性薄膜に分流する構造を有する
ことを特徴とする超電導限流素子。
5. A superconducting thin film and a conductive thin film formed on a substrate, and a bridge portion for electrically connecting the superconducting thin film and the conductive thin film, wherein the superconducting thin film is quenched by an overcurrent. A superconducting current limiting element having a structure in which a part of the overcurrent is diverted to the conductive thin film through the bridge portion.
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