(57)【要約】【課題】中間電極を設けてそれぞれに外付け抵抗を並列接続する内部直列接続型の薄膜限流素子において、電極間の部分素子と同等の許容電界を有する直列限流素子を提供する。【解決手段】内部直列接続型の直列限流素子は、合金分流保護膜付超電導薄膜の両端および中間部に純金属を蒸着して電極部を形成し、それらの電極部にハンダを介して金属基材超電導テープを接続し、両端の電極のみならず中間の電極においても超電導接続を行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
長さ方向に離間して複数の金又は銀層からなる電極を有する超電導薄膜と、前記電極間に超電導テープを介して接続した抵抗とを有し、  
前記超電導薄膜は、サファイア基板上にバッファ層を介して高温超電導薄膜を設け、この高温超電導薄膜上に金銀合金分流層を設け、
分割するための電極として金銀合金分流層上に銀又は金層を設け、
超電導テープを前記電極層上にハンダ付けしたことを特徴とする超電導薄膜限流素子。
【請求項２】
前記電極層は、金銀合金分流層を介さずに、直接高温超電導薄膜上に設けたことを特徴とする請求項１記載の超電導薄膜限流素子。
【請求項３】
前記超電導薄膜を並設して超電導薄膜並設体を構成し、
前記超電導薄膜の超電導テープを共通にしたことを特徴とする請求項１記載の超電導薄膜限流素子。
【請求項４】
前記超電導テープは、金属基材超電導テープとして形成され、銀もしくは銀合金からなるシース材を用いて作製してなるビスマス系超電導酸化物としたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の超電導薄膜限流素子。
【請求項５】
前記超電導薄膜上に形成された金銀合金層を、純金属または合金からなる蒸着膜としたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の超電導薄膜限流素子。
【請求項６】
前記電極に並列にコンデンサを接続したことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の超電導薄膜限流素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電路に流れる短絡電流等の過大な電流を限流する超電導限流素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
超電導体は、超電導状態においては電気抵抗ゼロで大きな電流を流すことができるが、ある決まった電流値（臨界電流Ｉｃ）より大きな電流を流すと電気抵抗が発生する。さらに電流を大きくして行くと、発生する熱のため超電導体の温度が上昇し、常電導状態になって、より大きな電気抵抗を生じる。
このような超電導体の特徴を生かしたものとして、通常時は抵抗ゼロで、電力系統の短絡事故時には大きな抵抗を発生させて事故電流の増大を抑制する超電導限流器が知られている。
電力自由化を推進して行く上で大きな課題となっているのが、分散電源連系に伴う短絡事故電流の増大である。その対策として最も有望なのが、通常時は低インピーダンス、系統事故時に高インピーダンスとなって事故電流を抑制する限流器の導入である。電力の自由化を推進する立場から、低コストかつ高信頼性の限流器の実現に対する社会的要請は非常に高い。そして、配電系統に導入することを想定すると、大面積超電導薄膜を用いる超電導薄膜限流器が、
（１）コンパクトであり、（２）過電流に対して瞬時に応答することが可能であり、（３）常時発生する交流損失が小さい等、多くの点で優れ、（４）信頼性・性能・占有容積・大容量化への拡張性の観点からも最も優れていると考えられている。
【０００３】
超電導薄膜限流器は、液体窒素温度（６６〜７７．３  Ｋ）で動作する薄膜限流素子を電力系統に直列接続し、短絡事故時の電流の増大とともに薄膜を超電導状態（Ｓ）から常電導状態（Ｎ）に急激に転移（クエンチ）させ、その常電導抵抗によって系統電流を抑制するものであり、ＳＮ転移抵抗型限流器とも呼ばれている。従来、金属銅よりも熱伝導率の高いサファイア基板（アルミナ単結晶基板）等の絶縁体基板上に、バッファ層を介してＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７（以下ＹＢＣＯと言う。）等の高温超電導酸化物の薄膜を作製した大面積超電導薄膜が用いられている。
短絡事故直後において、最初に常電導転移した部分で局所的に温度が急上昇して薄膜が破損すると言うホットスポット現象がある。薄膜限流器では、その防止のために、金や銀等の金属を高温超電導薄膜の上に蒸着して常電導転移時の分流保護層とするのが一般的である（非特許文献１，２参照）。
【０００４】
しかし、このような金属分流層を付加すると超電導線路の電気抵抗を大きく低下させ、決まった電圧が印加される限流時の発熱を増大させるため、設計する電界（許容電界）が低下し、結果として長い超電導線路を必要とするため、高価な薄膜を多量に使うと言う問題点があった。
これに対し、純金属よりも１桁近く抵抗率の高い金銀合金を超電導薄膜に蒸着して分流保護層とし、かつ、安価な無誘導巻抵抗を並列接続する限流素子も考案され、＞４０Ｖｐｅａｋ／ｃｍと言う従来素子より４倍以上高い許容電界が得られている（特許文献１、非特許文献３、４参照）。この方式の限流素子の大電流容量化に伴うホットスポット現象の深刻化の対策として、外付け抵抗とともに小容量のコンデンサを並列接続することが提案されている（特許文献２、非特許文献５参照）。
【０００５】
限流器は電力系統の事故電流の抑制のために用いるものであり、超電導薄膜限流器で想定される定格電圧は、配電系統でも６．６ｋＶｒｍｓ以上である。４０Ｖｐｅａｋ／ｃｍと言う非常に高い許容電界を有する、前記の高電界型の限流素子（特許文献１、非特許文献３、４参照）を用いても、６．６ｋＶｒｍｓの定格電圧を達成するためには、２．３ｍ以上の薄膜の全長が必要となる。このため、１０ｃｍ以上の比較的長尺の矩形型サファイア基板上に蒸着したＹＢＣＯ薄膜が用いられているが、限流直後の常電導伝搬速度が１−４ｍ／ｓでそれほど速くないため、１−２サイクル（２０−４０ｍｓ）で全体が常電導転移して均熱化するように素子単位長を約５ｃｍとし、例えば１２ｃｍ長の矩形薄膜を用いる場合、中間電極を設けて内部直列接続型の素子を構成して、電極間の部分薄膜のそれぞれに外付け抵抗を並列接続する方式（図７参照）が用いられている（非特許文献６参照）。
【０００６】
さらに大容量化を図るため、２．７ｃｍ×２０ｃｍの矩形薄膜を２つの中間電極を用いて３分割するとともに、それを２並列する方式（図８参照）による限流素子モジュールが作製されている（非特許文献７参照）。
図８の内部直列接続型の超電導薄膜限流素子１９は、１対の矩形の超電導薄膜の並設体２０と、これと並列接続された外付け抵抗３ａおよび３ｂを設けた構成を有する。
超電導薄膜並設体２０は、矩形の超電導薄膜２０ａおよび２０ｂで構成する。
超電導薄膜２０ａ、２０ｂは、それぞれサファイア基板上にセリア等のバッファ層を介して高温超電導薄膜を設け、この高温超電導薄膜上に金銀合金分流層を設ける。
【０００７】
それぞれの金銀合金分流層上には、その長さ方向に所定間隔を設けてそれぞれ４個の電極１５ａ１、１５ｂ１、１５ｃ１、１５ｄ１および１５ａ２、１５ｂ２、１５ｃ２、１５ｄ２を設ける。金銀合金分流層の長さ方向の両端に位置する端部電極１５ａ１と１５ａ２、１５ｄ１と１５ｄ２を短絡するように超電導テープ１９ａ、１９ｂをそれぞれハンダ付けする。
超電導薄膜２０ａ、２０ｂのそれぞれの金銀合金分流層は、４個の電極１５ａ１、１５ｂ１、１５ｃ１、１５ｄ１および１５ａ２、１５ｂ２、１５ｃ２、１５ｄ２により、区画された領域４ａ１、４ｂ１、４ｃ１および４ａ２、４ｂ２、４ｃ２を画成する。
金銀合金層は、金と銀の合金からなる蒸着膜として形成する。
【０００８】
上記電極の数は、クエンチの伝搬速度と印加電圧分散の観点から適宜設定することができる。
超電導テープ１９ａは銅電極６ａへワイヤ等の適当な電気的配線手段により接続し、超電導テープ１９ｂは銅電極６ｂへワイヤ等の適当な電気的配線手段により接続する。
抵抗３ａは、無誘導巻分流抵抗１１ａ１、１１ｂ１および１１ｃ１を中間電極となる銅電極１２ａ１および１２ｂ１により１続きの抵抗となるように接続する。
抵抗３ｂは、同じく、無誘導巻分流抵抗１１ａ２、１１ｂ２および１１ｃ２を中間電極となる銅電極１２ａ２および１２ｂ２により１続きの抵抗となるように接続する。
【０００９】
無誘導巻分流抵抗１１ａ１、１１ａ２の巻線の一方の端部を外部接続用電極６ａに接続し、無誘導巻分流抵抗１１ａ１、１１ａ２の巻線の他方の端部をそれぞれ中間電極１２ａ１、１２ａ２へ接続し、中間電極１２ａ１、１２ａ２をそれぞれ対応する中間電極１５ｂ１、１５ｂ２に接続すると共に、中間電極１２ａ１、１２ａ２を短絡する。
同じようにして、無誘導巻分流抵抗１１ｂ１、１１ｂ２の巻線の一方の端部を中間電極１２ａ１、１２ａ２へ接続し、無誘導巻分流抵抗１１ｂ１、１１ｂ２の巻線の他方の端部をそれぞれ中間電極１２ｂ１、１２ｂ２へ接続し、中間電極１２ｂ１、１２ｂをそれぞれ対応する中間電極１５ｃ１、１５ｃ２に接続すると共に、中間電極１２ｂ１、１２ｂ２を短絡する。
【００１０】
同じようにして、無誘導巻分流抵抗１１ｃ１、１１ｃ２の巻線の一方の端部を中間電極１２ｂ１、１２ｂ２へ接続し、無誘導巻分流抵抗１１ｃ１、１１ｃ２の巻線の他方の端部をそれぞれ外部接続用電極６ｂへ接続する。
このように接続されることにより、超電導薄膜並設体２０に対し抵抗３ａおよび３ｂが並列接続される。
なお、図８には示されていないが、この限流素子には、ホットスポット対策として、図に示す無誘導巻き外付け抵抗とともに小容量のコンデンサが、３分割された各部分薄膜に並列接続されている（特許文献２、非特許文献５参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特願２００６−５２８４９３（ＷＯ２００６／００１２２６参照）
【特許文献２】特開２００８−２８３１０６
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】B. Gromoll, G. Ries, W. Schmidt, H.-P. Kraemer, B. Seebacher, B. Utz, R. Nies, H.-W. Neumueller, E. Baltzer, S. Fischer and B. Heismann, “Resistive fault current limiters with YBCO films−100 kVA functional model,” IEEE Trans. Appl. Supercond. 9 (1999) 656-659
【非特許文献２】Ok-Bae Hyun, Hye-Rim Kim, J. Sim, Y.-H. Jung, K.-B. Park, J.-S. Kang, B.W. Lee, and I.-S. Oh, “6.6 kV resistive superconducting fault current limiter based on YBCO films,” IEEE Trans. Appl. Supercond. 15 (2005) 2027-2030
【非特許文献３】H. Yamasaki, M. Furuse, and Y. Nakagawa, “High-power-density fault-current limiting devices using superconducting YBa２Cu３O７ films and high-resistivity alloy shunt layers,” Appl. Phys. Lett. 85 (2004) 4427-4429
【非特許文献４】H. Yamasaki, K. Arai, M. Furuse, K. Kaiho, and Y. Nakagawa, “Low-cost and high-power-density resistive fault-current limiting elements using YBCO thin films and Au-Ag alloy shunt layers,” J. Phys. Conf. Ser. 43 (2006) 937-941
【非特許文献５】K. Arai, H. Yamasaki, K. Kaiho, Y. Nakagawa, M. Sohma, W. Kondo, I. Yamaguchi, and T. Kumagai, “Methods to increase current capacity of superconducting thin-film fault current limiter using Au-Ag alloy shunt layers,” IEEE Trans. Appl. Supercond., in press.
【非特許文献６】K. Arai, H. Yamasaki, K. Kaiho, M. Furuse, Y. Nakagawa, M. Sohma, and I. Yamaguchi, “Normal zone propagation in superconducting thin-film fault current limiting elements with Au-Ag alloy shunt layers,” J. Phys. Conf. Ser. 97 (2008) 12031
【非特許文献７】H. Yamasaki, K. Arai, K. Kaiho, Y. Nakagawa, M. Sohma, W. Kondo, I. Yamaguchi, and T. Kumagai, “Development of 500 V/200 A fault-current-limiting modules made of large MOD-YBCO thin films with Au-Ag alloy shunt layers,” Program & Abstracts of the 21st International Symposium on Superconductivity (2008) 163
【非特許文献８】J. Duron, L. Antognazza, M. Decroux, F. Grilli, S. Stavrev, B. Dutoit, and O. Fischer, “3-D finite element simulations of strip lines in a YBCO/Au fault current limiter,”IEEE Trans. Appl. Supercond. 15 (2005) 1998-2002
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本件発明者らは、２．７ｃｍ幅で長さ２０ｃｍの高温超電導ＹＢＣＯ薄膜（膜厚１５０ｎｍ、予想される直流臨界電流≧１５５Ａｐｅａｋ）、および、同サイズのＹＢＣＯ薄膜（膜厚１６０ｎｍ、予想される直流臨界電流≧１６７Ａｐｅａｋ）を、金属基材超電導テープを用いて並列に接続し、図８に示すような限流素子を作製した。
薄膜に、ほぼ金−２３ｗｔ％銀の組成の合金膜を約６０ｎｍの膜厚でスパッタ蒸着した後、両端および中央の２カ所に銀を７−８ｍｍ幅で蒸着して電極とし（３分割された各部分薄膜の有効長が５．７ｃｍ）、ホットスポット対策のため、合金線の無誘導巻で作製した外付け分流抵抗および、１２０マイクロファラッドのコンデンサ（図示省略）を３分割された各部分薄膜に並列接続している。なお、中間電極における、外付け抵抗やコンデンサ、２枚の薄膜同士の接続は、ハンダと常電導の銅リードを用いて行った。外付け分流抵抗は、各部分薄膜当り０．３５オームで、薄膜の抵抗は約１．９オームであるので、薄膜がクエンチすると、通電電流の大半は外付け抵抗に分流する。
図９は、上記の限流素子を用いた場合の限流試験結果を示す図である。同図に示すように、限流素子に流れる全電流（Ｉｔｏｔａｌ）は、限流素子がなければ２．５ｋＡｒｍｓになる速度で急増するが、超電導薄膜のクエンチに伴って、６０４Ａ付近から増加速度が緩やかになるとともに、薄膜の両端の薄膜電圧（Ｖｆｉｌｍ）が急激に増加した。そして、高温超電導薄膜の両端に５９０Ｖｐｅａｋの交流電圧が印加された状態で、薄膜が焼損することなく５サイクル（１００ｍｓｅｃ）の通電が可能であった。このとき、素子有効長１７ｃｍにおける平均電界は、Ｅ＝３４．７Ｖ／ｃｍであった。
【００１４】
図９において、Ｖ１は図８の電極６ａと１２ａ２の間の電圧値、同じくＶ２は図８の電極１２ａ２と１２ｂ２の間の電圧値、Ｖ３は図８の電極１２ｂ２と６ｂの間の電圧値を意味する。また、Ｖｆｉｌｍは図８の電極６ａと６ｂの間の電圧を意味する。全電流Ｉｔｏｔａｌは図８の電極６ａと６ｂの間の電流を意味する。なお、Ｖ２の立ち上がり点を矢印で示す。
しかし、図１０に示す、さらに高い電圧を印加した実験では、３つの各部分のうち、最後にクエンチが生じた中央部分（Ｖ２区間）で薄膜が破損し、５−６ｃｍ長の部分素子で得られている仕様値（平均電界４３Ｖ／ｃｍ以上）を達成できなかった。
図１０において、Ｖ１は図８の電極６ａと１２ａ２の間の電圧値、同じくＶ２は図８の電極１２ａ２と１２ｂ２の間の電圧値、Ｖ３は図８の電極１２ｂ２と６ｂの間の電圧値を意味する。また、Ｖｆｉｌｍは図８の電極６ａと６ｂの間の電圧を意味する。全電流Ｉｔｏｔａｌは図８の電極６ａと６ｂの間の電流を意味する。なお、Ｖ２の立ち上がり点を矢印で示す。
同様の限流試験を、同一サイズではあるが、臨界電流やその均質性が異なる超電導薄膜を用いて作製した、複数の図８の限流素子モジュールに対して行ったが、図９よりも低い印加電圧の試験で、最後にクエンチが生じた部分で薄膜の破損が生じ、結果として、図８の構成では、部分素子に対する許容電界の仕様値（Ｅ＞４３Ｖ／ｃｍ）を達成できないことがわかった。
【００１５】
図８の構成の限流素子モジュールの限流試験では、最後にクエンチが生じた部分で薄膜の破損が生じた。その１つの原因は、図９、１０からわかるように、最後のクエンチが生ずる時の通電電流が、最初のクエンチ時よりも大きいことがあげられる。本件発明者等は、その他の原因として、定常通電時や、電流急増によって最初のクエンチが生ずる時には、薄膜に流れる電流は薄膜の長手方向にほぼ直線的に流れているのに対し、２番目や、最後のクエンチ時には、その前にクエンチした部分薄膜に接続している外付け抵抗から銅リード・中間電極を介して薄膜に流入する電流が、接続抵抗の不均一のため、長手方向に直線的に流れていないことを考えた（図１１参照）。
例えば、Ｌ字型の薄膜のコーナーのように電流経路が直線的ではなく、直角に折れ曲がっている場合には、限流時の電界の急増によってコーナーの部分の薄膜が破損しやすいことが述べられている（非特許文献８参照）。本件発明者等も、矩形状の薄膜に小さな切り欠きを入れて臨界電流を少し低減させた素子の限流試験を行ったことがあり、切り欠きがない場合には薄膜の破損が生じないはずの電圧を印加した時に、切り欠きのすぐ外側で薄膜が破損した経験を有する。これらの実験事実から、電流経路が直線的ではなく曲がっていることが、ホットスポットの問題を深刻化させる大きな要因となることがわかる。
【００１６】
本発明の目的は、薄膜の途中の中間電極に外付け抵抗を接続するような長尺の超電導限流素子において、ホットスポットの発生を防止するようにした超電導限流素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
図８の、薄膜の途中の中間電極に外付け抵抗を接続するような長尺の薄膜を有する構成の限流素子モジュールでは、最初や、２番目のクエンチが生じた直後に、クエンチした薄膜に接続している外付け抵抗から銅リード・中間電極を介して薄膜に電流が流入するわけであるが、接続抵抗の不均一のため、その電流が長手方向に直線的に流れていないことが実験結果から推察される。
図１１において、金銀合金層付高温超電導薄膜の領域４ａ１にクエンチ１３が発生すると、電流路１４が矢印のように偏倚して形成される。
そこで、薄膜の両端電極における並列接続と同様に、中間電極においても、金属基材超電導テープとハンダを用いて超電導並列接続すれば、接続抵抗が均一になり、２番目、３番目のクエンチが生ずる時の電流経路を薄膜の長手方向に直線的にできる（図１２参照）との知見を得た。
図１２に示す本発明の例では、金銀合金層付高温超電導薄膜の領域４ａ１にクエンチ１３ａが発生したとき、電流路１４ａが矢印のように偏倚せず平行に形成される。
【００１８】
本発明は、上記目的を達成するために、発明を実施するための基本的な形態として以下の態様をとる。
（１）２枚の超電導薄膜を並列接続するやり方として、図１の素子構成となるように、両端の電極のみならず中間の電極においても超電導接続を行う。
詳細には、本発明で提案する限流素子は、分流保護膜付超電導薄膜の両端および中間部に純金属を蒸着して電極部を形成し、それらの電極部にハンダを介して金属基材超電導テープを接続することによって、両端の電極のみならず中間の電極においても超電導接続を行うことを特徴とし、電極間の各部分薄膜に外付けの分流抵抗を接続する内部直列接続型の超電導限流素子とする（図１参照）。なお、該超電導限流素子は、限流時の保護として、コンデンサを並列接続することができる。
（２）図１は、２枚の薄膜を並列接続した例であるが、図２のような１枚の薄膜のみを用いる場合でも、各電極と外付けの分流抵抗との接続の際に、電極部にハンダを介して金属基材超電導テープを接続する構成とすることもできる。
（３）特に、超電導テープは、ビスマス系超電導酸化物を銀もしくは銀合金からなるシース材を用いて作製したテープとすることもできる。
（４）これまで、分流保護層として金銀合金層を設けた高温超電導薄膜限流素子の例について述べてきたが、本発明はそれに限ることなく、純金属または金銀合金以外の合金からなる蒸着膜を分流保護層とする高温超電導薄膜を用いることもできる。
【発明の効果】
【００１９】
２枚の薄膜を並列接続するやり方として、図１の素子構成となるように、両端の電極のみならず中間の電極を含むすべての電極においても超電導接続を行う。
本発明で提案する限流素子は、分流保護膜付超電導薄膜の両端および中間部に純金属を蒸着して電極部を形成し、それらの電極部にハンダを介して金属基材超電導テープを接続することによって、両端の電極のみならず中間の電極においても超電導接続を行うことを特徴とし、電極間の領域に対応する各部分薄膜に外付けの分流抵抗を接続する内部直列接続型の超電導限流素子である（図１参照）。なお、該超電導限流素子は、限流時の保護として、コンデンサを並列接続することができる。
これにより、分流保護膜付超電導薄膜の両端および中間部に純金属を蒸着して電極部を形成し、それらの電極部にハンダを介して金属基材超電導テープを接続することによって、両端の電極のみならず中間の電極においても超電導並列接続を行う内部直列接続型の限流素子を製作することにより、部分素子と同等の許容電界を有する直列限流素子を製作できる。
図１は、２枚の薄膜を並列接続した例であるが、図２のような１枚の薄膜のみを用いる場合でも、各電極と外付けの分流抵抗との接続の際に、電極部にハンダを介して金属基材超電導テープを接続する構成とすることもできる。このようにすると、電流リードとの接続抵抗を低減・均一化することができ、電流経路を直線状とする効果を有し、限流特性を向上することができる。
特に、ビスマス系超電導酸化物を銀もしくは銀合金からなるシース材を用いて作製したテープとすることもできる。このようにすると、容易にハンダを溶着することができるため、本特許で提案する限流素子に用いる金属基材超電導テープとして好ましいものにできる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施例１である内部直列接続型の超電導薄膜限流素子の構成図である。
【図２】本発明の超電導薄膜を１枚とした内部直列接続型の超電導薄膜限流素子の構成図である。
【図３】図１のＤ１−Ｄ２断面図である。
【図４】２．７ｃｍ幅で２０ｃｍ長の２枚の超電導薄膜を用いた、本特許で提案する内部直列接続型の超電導薄膜限流素子の限流試験結果である。
【図５】図４におけるクエンチ発生直後の短い時間の要部拡大図である。
【図６】円形の超電導薄膜を用いた、本特許で提案する内部直列接続型の超電導薄膜限流素子である。
【図７】超電導薄膜を１枚とした超電導薄膜限流素子の構成図である。
【図８】非特許文献７で提案する内部直列接続型の超電導薄膜限流素子の概念図である。
【図９】２．７ｃｍ幅で２０ｃｍ長の２枚の超電導薄膜を用いた、非特許文献７で提案する内部直列接続型の超電導薄膜限流素子の限流試験結果である。
【図１０】図９よりも少し高い電圧を印加した場合の限流試験結果である。
【図１１】図８の場合のクエンチ発生時の説明図である。
【図１２】図１の場合のクエンチ発生時の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明は、上記目的を達成するために、発明を実施するための基本的な形態として以下の態様をとる。
（１）２枚の薄膜を並列接続するやり方として、図１の素子構成となるように、両端の電極のみならず中間の電極を含んですべての電極において超電導接続を行う。
本発明で提案する限流素子は、分流保護膜付超電導薄膜の両端および中間部に純金属を蒸着して電極を形成し、それらの電極にハンダを介して金属基材超電導テープを接続することによって、両端の電極のみならず中間の電極においても超電導接続を行うことを特徴とし、電極間の各部分薄膜に外付けの分流抵抗を接続する内部直列接続型の超電導限流素子である（図１参照）。なお、該超電導限流素子は、限流時の保護として、コンデンサを並列接続することができる。
（２）図１は、２枚の薄膜を並列接続した例であるが、図２のような１枚の薄膜のみを用いる場合でも、各電極と外付けの分流抵抗との接続の際に、電極部にハンダを介して金属基材超電導テープを接続する構成とすることもできる。
（３）特に、超電導テープをビスマス系超電導酸化物を銀もしくは銀合金からなるシース材を用いて作製したテープとすることもできる。
（４）これまで、分流保護層として金銀合金層を設けた高温超電導薄膜限流素子の例について述べてきたが、本発明はそれに限ることなく、純金属または金銀合金以外の合金からなる蒸着膜を分流保護層とする高温超電導薄膜を用いることもできる。
【実施例１】
【００２２】
本発明の実施の形態１を図に基づいて詳細に説明する。
本発明で開示する限流素子の実証のため、図９、１０の結果を得た２枚の薄膜と特性が近い２枚の薄膜を用い、両端の電極のみならず中間の電極においても、ハンダを介して金属基材超電導テープを接続することによって２枚の薄膜を超電導並列接続した、図１の構成の素子モジュールを作製した。
具体的な例を示すと以下のようになる、即ち、２．７ｃｍ幅で長さ２０ｃｍのＹＢＣＯ薄膜２２ａ（図３参照：膜厚１６０ｎｍ、予想される直流臨界電流≧１６０Ａｐｅａｋ）、および、同サイズのＹＢＣＯ薄膜２２ｂ（図示省略：膜厚１６０ｎｍ、予想される直流臨界電流≧１５５Ａｐｅａｋ）の２枚の薄膜に、ほぼ金−２３ｗｔ％銀の組成の合金膜２１ａ、２１ｂを約６０ｎｍの膜厚でスパッタ蒸着した後、両端および中央の２カ所に銀を７−８ｍｍ幅で蒸着して電極とし（３分割された各部分薄膜の有効長が５．７ｃｍ）、両端の電極、および、中間電極に、ハンダを介して金属基材超電導テープを接続することによって２枚の薄膜を超電導並列接続した。なお、ホットスポット対策のため、合金線の無誘導巻で作製した外付け分流抵抗（０．３５オーム）および、１２０マイクロファラッドのコンデンサ（図示省略）を電極により３分割された各領域に対応する各部分薄膜に並列接続している。用いた金属基材超電導テープは、ビスマス系超電導酸化物を銀からなるシース材を用いて作製したテープである。
【００２３】
図１は本発明の実施例１である内部直列接続型の超電導薄膜限流素子の構成図である。
図２は図１の上半分により構成した超電導薄膜を１枚とした内部直列接続型の超電導薄膜限流素子の構成図である。
図３（ａ）は図１のＤ１−Ｄ２の断面図を示す。図３（ｂ）は他の実施例の断面図を示す。
図１の内部直列接続型の超電導薄膜限流素子１は、１対の超電導薄膜２ａおよび２ｂからなる超電導薄膜並設体２と、これと並列接続された外付け抵抗３ａおよび３ｂを設けた構成を有する。
但し、図１の実施例に制限されることなく、本発明の超電導薄膜並設体２は、図２に示すような１枚の超電導薄膜２ａで構成したものであってもよい。
同じ構成要素には同じ符号を付して説明を省略する。
超電導薄膜２ａは、サファイア基板７ａ上にセリア等のバッファ層２３ａを介して高温超電導薄膜２２ａを設け、この高温超電導薄膜２２ａ上に金銀合金分流層２１ａを設ける。
金銀合金分流層上には、その長さ方向に所定の間隔で電極を設ける。電極の数はホットスポットとの関係で設けられる。
金銀合金分流層の長さ方向両端には端部電極５ａ１と５ｄ１を設け、両端の内部には中間電極５ｂ１と５ｃ１を必要数設ける。これら電極上には超電導テープ９ａ、９ｂ、９ｃおよび９ｄをハンダ付けする。
なお、超電導薄膜２ｂは、超電導薄膜２ａと同様に設ける。
超電導テープ９ａ、９ｂ、９ｃおよび９ｄは、それぞれ超電導薄膜２ａと超電導薄膜２ｂの対応する電極間、すなわち、電極５ａ１と５ａ２を超電導テープ９ａで接続し、電極５ｂ１と５ｂ２を超電導テープ９ｂで接続し、電極５ｃ１と５ｃ２を超電導テープ９ｃで接続し、電極５ｄ１と５ｄ２を超電導テープ９ｄで接続する。
【００２４】
金銀合金分流層２１ａと２１ｂは、金と銀の合金からなる蒸着膜として形成する。
超電導テープ９ａ、９ｂ、９ｃおよび９ｄは、金属基材超電導テープとして形成され、ビスマス系超電導酸化物を銀もしくは銀合金からなるシース材を用いて作製される。
高温超電導薄膜２２ａ、２２ｂ上の上記金銀合金層は、電極５ａ１と５ｂ１、５ｂ１と５ｃ１、５ｃ１と５ｄ１によりそれぞれ領域４ａ１、４ｂ１、４ｃ１が画成され、電極５ａ２と５ｂ２、５ｂ２と５ｃ２、５ｃ２と５ｄ２によりそれぞれ領域４ａ２、４ｂ２、４ｃ２が画成される。上記電極の数はホットスポットとの関係で決められる。
超電導テープ９ａは銅電極６ａへワイヤ等の適当な電気的配線手段により接続し、超電導テープ９ｄは銅電極６ｂへワイヤ等の適当な電気的配線手段により接続する。
【００２５】
銅電極６ａおよび６ｂは外部接続用電極を構成する。
抵抗３ａは、無誘導巻分流抵抗１１ａ１、１１ｂ１および１１ｃ１を銅電極１２ａ１および１２ｂ１により１続きの抵抗となるように接続する。
抵抗３ｂは、同じく、無誘導巻分流抵抗１１ａ２、１１ｂ２および１１ｃ２を銅電極１２ａ２および１２ｂ２により１続きの抵抗となるように接続する。
無誘導巻分流抵抗１１ａ１、１１ａ２の巻線の一方の端部を外部接続用電極６ａに接続し、無誘導巻分流抵抗１１ａ１、１１ａ２の巻線の他方の端部をそれぞれ銅電極１２ａ１、１２ａ２へ接続し、銅電極１２ａ１、１２ａをそれぞれ対応する超電導テープ９ｂに接続する。
【００２６】
同じようにして、無誘導巻分流抵抗１１ｂ１、１１ｂ２の巻線の一方の端部を銅電極１２ａ１、１２ａ２へ接続し、無誘導巻分流抵抗１１ｂ１、１１ｂ２の巻線の他方の端部をそれぞれ銅電極１２ｂ１、１２ｂ２へ接続し、銅電極１２ｂ１、１２ｂをそれぞれ対応する超電導テープ９ｃに接続する。
同じようにして、無誘導巻分流抵抗１１ｃ１、１１ｃ２の巻線の一方の端部を超電導テープ９ｃに接続し、無誘導巻分流抵抗１１ｃ１、１１ｃ２の巻線の他方の端部をそれぞれ外部接続用電極６ｂへ接続する。
このように接続されることにより、超電導薄膜並設体２に対し抵抗３ａおよび３ｂが並列接続される。
【００２７】
図２は図１の構成の上半分の１枚の超電導薄膜２ａで構成した実施例である。
図２において、図１中の符号と同じ符号は、図１の説明を援用して、ここでは説明を省略する。
図３（ａ）は図１のＤ１−Ｄ２の断面図を示す。図３（ｂ）は他の実施例の断面図を示す。
図３（ａ）では、超電導薄膜２ａは、サファイア基板７ａ上にセリア等のバッファ層２３ａを介して高温超電導薄膜２２ａを設け、この高温超電導薄膜２２ａ上に金銀合金分流層２１ａを設ける。
金銀合金分流層２１ａ上には、電極（銀又は金）５ａ１を設ける。電極（銀又は金）５ａ１上の所定箇所には、超電導テープ９ａをハンダ付けする。
なお、超電導薄膜２ｂは、図示省略するが、超電導薄膜２ａと同様の構成を有する。
図３（ｂ）は、他の実施例で、図３（ａ）の例における電極５ａ１を、金銀合金分流層２１ａを介さず、直接高温超電導薄膜２２ａ上に設けた例である。
【００２８】
図４は図１の限流素子を用いた場合の限流試験結果を示す図である。同図に示すように、限流素子に流れる全電流（Ｉｔｏｔａｌ）は、限流素子がなければ２．２６ｋＡｒｍｓになる増加速度（全電流の時間変化の傾き）で急増するが、薄膜のクエンチに伴って、途中から電流の増加速度が緩やかになるとともに、薄膜の両端の薄膜電圧（Ｖｆｉｌｍ）が急激に増加した。そして、高温超電導薄膜の両端にＶｆｉｌｍ＝７７８Ｖｐｅａｋの交流電圧が印加された状態で、薄膜が焼損することなく５サイクル（１００ｍｓｅｃ）の通電が可能となった。
このとき、素子有効長１７ｃｍにおける平均電界は、Ｅ＝４５．８Ｖ／ｃｍであった。
図４において、Ｖ１は図１の電極６ａと１２ａ２の間の電圧値、同じくＶ２は図１の電極１２ａ２と１２ｂ２の間の電圧値、Ｖ３は図１の電極１２ｂ２と６ｂの間の電圧値を意味する。また、Ｖｆｉｌｍは図１の電極６ａと６ｂの間の電圧を意味する。全電流Ｉｔｏｔａｌは図１の電極６ａと６ｂの間の電流を意味する。
図５は、図４におけるクエンチ発生直後の短い時間のグラフの要部拡大図である。
図５は、図４の特性を時間幅で１３０ｍｓから１５２ｍｓの間で拡大表示した図である。図５から、Ｖ２区間で最後にクエンチを発生させていることがわかる。
図５におけるＶ１は図１の電極６ａと１２ａ２の間の電圧値、同じくＶ２は図１の電極１２ａ２と１２ｂ２の間の電圧値、Ｖ３は図１の電極１２ｂ２と６ｂの間の電圧値を意味する。また、Ｖｆｉｌｍは図１の電極６ａと６ｂの間の電圧を意味する。全電流Ｉｔｏｔａｌは図１の電極６ａと６ｂの間の電流を意味する。
この結果から、本構成の超電導薄膜限流素子モジュールによれば、４５Ｖｐｅａｋ／ｃｍ以上の高い許容電界を有する、内部直列接続型の超電導薄膜限流素子を製作できることが実証された。このモジュールの定格電圧は５００Ｖｒｍｓ、定格電流は２００Ａｒｍｓであって、その８直列で４ｋＶｒｍｓ，２００Ａｒｍｓとなり、３φ６．６ｋＶ／２００Ａ限流器の１相分を構成する。
【実施例２】
【００２９】
図６は本発明の実施例２の構成図である。
図６は、５インチ径ＹＢＣＯ薄膜限流素子モジュールを示す。
図６では、５インチ径の円盤状のサファイア基板７ｃ上に、バッファ層を介して渦巻状にほぼ均等幅の金銀合金層付高温超電導薄膜４ｆを設け、この金銀合金層付高温超電導薄膜４ｆの長さ方向（渦巻方向）に適当な間隔を設けて中間電極５ｈ、５ｉおよび５ｊを設ける。中間電極の数はホットスポットとの関係で決められる。
金銀合金層付高温超電導薄膜４ｆの両端には端部電極５ｋと５ｇを設け、その両端内には中間電極５ｈ、５ｉおよび５ｊを設ける。
電極５ｋ、５ｇ、５ｈ、５ｉおよび５ｊ上には、超電導テープ９ｇ、９ｈ、９ｉ、９ｊ、９ｋをハンダ付けする。
図６の例は、定格電圧１．２７ｋＶｒｍｓ、定格電流１００Ａｒｍｓのモジュールになる。
【００３０】
実施例の場合、例えば、金銀合金層付高温超電導薄膜４ｆの超電導線路約１１ｃｍごとに無誘導巻並列抵抗１１ａ３、１１ｂ３、１１ｃ３および１１３ｄを接続する。
例えば、外部接続用電極５ｋと５ｇの間に流れる限流電流を２００Ａｒｍｓとするためには、並列抵抗値は１つ１．６Ω強になる。
外付け抵抗は金銀合金層付高温超電導薄膜４ｆに設けた超電導テープに抵抗分割するように接続される。
【００３１】
図６の円形大面積膜使用例は、５インチ径サファイア基板上にＹＢＣＯ薄膜を設けた例である。ＹＢＣＯの大面積薄膜は、円形のものの方が矩形形状のものに対し、膜質の均一化が容易である。
ＹＢＣＯの大面積薄膜は、ウェットエッチングでパターニングすることができる。
ＹＢＣＯ超電導薄膜上に金銀合金薄膜を蒸着し、その金銀合金薄膜上に銀または金層からなる電極５ｇ、５ｈ、５ｉ、５ｊ、および５ｋを蒸着し、各電極用の超電導テープをハンダ付けして設ける。
図６に示す５インチ径ＹＢＣＯ薄膜素子限流モジュールは、例えば、９インチ×９インチのＦＲＰ板上に配置する。
ほぼ均等幅の金銀合金層付高温超電導薄膜４ｆは、その渦巻方向と直角方向の幅は、例えば、約１．６ｃｍ幅で、その渦巻に沿った長さは、例えば、約４５ｃｍ長とする。
図６の薄膜素子限流モジュール１素子の定格電流は、例えば、９０×１．６／√２で、約１０２Ａｒｍｓで、その許容電圧は、０．０４×４５ｋＶｐｅａｋ＝１．８ｋＶｐｅａｋで、約１．２７ｋＶｒｍｓが期待できる。
ＹＢＣＯの大面積薄膜のパターン間の最大電圧は、１．２ｋＶｐｅａｋ程度となり、そのパターン間の間隔は、８ｍｍ間隔とすれば、絶縁耐圧をほぼ満たす（一応、空気中の沿面放電実験で検証が必要である）。
（他の実施例）
本発明の金銀合金分流層付高温超電導薄膜は、略均等幅で抵抗分割できるような長さを有する構造であれば、任意の形状、例えば、三次元の螺旋状、球面にのる形状等も採りうる。
【符号の説明】
【００３２】
１    超電導薄膜限流素子
２ａ、２ｂ    超電導薄膜
３ａ、３ｂ    外付け抵抗
４ａ１、４ｂ１、４ｃ１、４ａ２、４ｂ２、４ｃ２    領域
５ａ１、５ｂ１、５ｃ１、５ｄ１、５ａ２、５ｂ２、５ｃ２、５ｄ２  電極
６ａ、６ｂ    外部接続用銅電極
７ａ、７ｂ    サファイア基板（アルミナ単結晶基板）
９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ    超電導テープ
１１ａ１、１１ｂ１、１１ｃ１、１１ａ２、１１ｂ２、１１ｃ２  無誘導巻分流抵抗
１２ａ１、１２ｂ１、１２ａ２、１２ｂ２  銅電極
２１ａ    金銀合金分流層
２２ａ    高温超電導薄膜
２３ａ    セリア等のバッファ層
２４ａ    ハンダ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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