(57)【要約】【課題】超電導体と超電導体の保護抵抗とを並列接続した構成を有し、超電導体と保護抵抗の損傷を防止できる超電導限流素子を提供する。【解決手段】基材上に設けられた超電導体と、超電導体の保護抵抗とを並列接続した超電導限流素子であって、冷却温度における保護抵抗の値Ｒnが下記の式【数１】2006013316.tif 000024（ここで、ρyは臨界温度直上における超電導体の抵抗率、ｄは超電導体の厚さ、Ｗは超電導体の幅、ｌは超電導体が常伝導転移した領域の長さ、Ｉqは限流開始電流値、Ｐsは超電導体が設けられた基材が破壊しない最大熱負荷である。）を満足する超電導限流素子。【選択図】      図２
2006013316.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材上に設けられた超電導体と、前記超電導体の保護抵抗とを並列接続した超電導限流素子であって、冷却温度における前記保護抵抗の値Ｒnが下記の式
【数１】
2006013316.tif 000018
（ここで、ρyは臨界温度直上における超電導体の抵抗率、ｄは超電導体の厚さ、Ｗは超電導体の幅、ｌは超電導体が常伝導転移した領域の長さ、Ｉqは限流開始電流値、Ｐsは超電導体が設けられた基材が破壊しない最大熱負荷である。）
を満足することを特徴とする超電導限流素子。
【請求項２】
前記保護抵抗がバルク形態をなし、室温における前記保護抵抗の値Ｒbが下記の式
【数２】
2006013316.tif 000019
（ここで、Ｖyは保護抵抗に接続された超電導体に印加される最大電圧、Δｔは電圧を印加する時間、Ｃbおよびσbはバルク形態の保護抵抗の室温における比熱および密度、Ｗb、ｄbおよびｌbはバルク形態の保護抵抗の幅、厚さおよび長さ、ΔＴmaxは冷却温度と室温との温度差である。）
を満足することを特徴とする請求項１に記載の超電導限流素子。
【請求項３】
前記保護抵抗が絶縁基材上に形成された薄膜形態をなし、室温における前記保護抵抗の値Ｒfが下記の式
【数３】
2006013316.tif 000020
（ここで、Ｖyは保護抵抗に接続された超電導体に印加される最大電圧、Δｔは電圧を印加する時間、Ｗfは薄膜形態の保護抵抗の幅、ｌfは薄膜形態の保護抵抗の長さ、ΔＴmaxは冷却温度と室温との温度差、κs、Ｃsおよびσsは保護抵抗が設けられた基材の室温における熱伝導率、比熱および密度である。）
を満足することを特徴とする請求項１に記載の超電導限流素子。
【請求項４】
前記保護抵抗が薄膜形態の部材とバルク形態の部材との積層構造を持ち、室温における薄膜形態の部材の抵抗値Ｒfと室温におけるバルク形態の部材の抵抗値Ｒbが下記の式
【数４】
2006013316.tif 000021
（ここで、Ｖyは保護抵抗に接続された超電導体に印加される最大電圧、Δｔは電圧を印加する時間、Ｃb、κb、σb、Ｗb、ｌbおよびｄbはバルク形態の部材の室温における比熱、熱伝導率、密度、幅、長さおよび厚さであり、ΔＴmaxは冷却温度と室温との温度差である。）
を満足することを特徴とする請求項１に記載の超電導限流素子。
【請求項５】
室温における保護抵抗の値Ｒmが下記の式
【数５】
2006013316.tif 000022
（ここで、Ｖyは保護抵抗に接続された超電導体に印加される最大電圧、Ｉcは超電導体の臨界電流である。）
を満足することを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の超電導限流素子。
【請求項６】
前記保護抵抗の温度に対する抵抗の増加率が温度とともに小さくなることを特徴とする請求項５に記載の超電導限流素子。
【請求項７】
前記保護抵抗は、温度に対する抵抗の増加率が異なる２つ以上の部材が電気的に接続されたものであることを特徴とする請求項６に記載の超電導限流素子。
【請求項８】
前記保護抵抗を構成する２つ以上の部材は積層されていることを特徴とする請求項７に記載の超電導限流素子。
【請求項９】
冷却温度の単位長さ当りの抵抗が小さい部材を、冷却温度の単位長さ当りの抵抗が大きい部材よりも、前記超電導体の近くに配置したことを特徴とする請求項７または８に記載の超電導限流素子。
【請求項１０】
基材上に設けられた超電導体と、前記超電導体の保護抵抗とを並列接続した超電導限流素子を製造するにあたり、冷却温度における前記保護抵抗の値Ｒnが下記の式
【数６】
2006013316.tif 000023
（ここで、ρyは臨界温度直上における超電導体の抵抗率、ｄは超電導体の厚さ、Ｗは超電導体の幅、ｌは超電導体が常伝導転移した領域の長さ、Ｉqは限流開始電流値、Ｐsは超電導体が設けられた基材が破壊しない最大熱負荷である。）
を満足するように設計することを特徴とする超電導限流素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地絡や短絡事故により電路に流れる過大な電流を抑制する超電導限流素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
落雷などにより送電線や配電線が地絡したり相間短絡したりする事故が発生すると、数十ｋＡに及ぶ過電流が電路に流れ、電力機器に大きな損傷を与えてしまう。そこで、このような過電流から電力機器を保護するために、過電流を抑制する限流素子の研究が従来から行われている。限流素子には、（１）ＧＴＯ(gate turn-off thyristor)など半導体を用いるもの、（２）アーク放電現象を利用するもの、（３）超電導体の超電導状態から常伝導状態に転移する現象を利用するものなど様々な方式がある。（３）では、電路に直列に接続された超電導体を用いる。超電導体は、通常時には超電導状態であるが、事故時に超電導体の臨界電流（Ｉc）を超えて大電流が流れた際に超電導状態から常伝導状態に転移して高抵抗となり過電流を高速に抑制する。（３）の超電導限流素子は、通常時の通電ロスが小さく、また、外部からのトリガ信号が不要となりシンプルなシステムを構成することができるため、実用化が期待されている。
【０００３】
また、近年発見された酸化物超電導体は冷却に低価格の液体窒素を用いることができるため、酸化物超電導体を用いた限流素子の開発が進められている。酸化物超電導体の中でもＹＢａ2Ｃｕ3Ｏx（ＹＢＣＯ）は、配向した基板、すなわちサファイア、ＳｒＴｉＯ3（ＳＴＯ）、ＬａＡｌＯ3（ＬＡＯ）といった単結晶基板上に薄膜成長することにより、結晶配向した臨界電流密度の高い高品質な薄膜が得られるため、小型化に有利である。しかしながら、薄膜形態にすると常伝導状態に転移した際にバルク形態より高抵抗となり、その際のジュール発熱による熱衝撃も大きい。この熱衝撃による超電導薄膜の損傷を防止するため、超電導薄膜上に低抵抗なＡｇやＡｕといった金属薄膜を保護抵抗として積層した超電導限流素子や、超電導薄膜とは別に設けた低抵抗な保護抵抗を並列接続した超電導限流素子が開発されている（たとえば特許文献１、２参照）。
【特許文献１】特開平２−２８１７６５号公報
【特許文献２】特許第２９５４１２４号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述のように、超電導薄膜は単結晶基板上に成長させることにより高品質にすることができる。しかし、一般に、単結晶基板や成膜装置の大きさには制限があるため、超電導薄膜の大きさも幅１〜１０ｃｍ、長さ１０〜２０ｃｍ程度に制限される。例えば、幅１ｃｍ、長さ１０ｃｍのサファイア基板上ＹＢＣＯ薄膜を用いた限流素子の場合、ＹＢＣＯ薄膜が損傷しない最大電圧は４００Ｖ、電流容量は５０Ａ程度である。ここで、超電導限流素子の配電系統への適用を考えると、電圧は６．６ｋＶ、電流容量は４００〜２０００Ａとなるため、実用化にあたっては多数の超電導限流素子を直並列接続させた限流モジュールを作製し、この限流モジュールと冷却装置を組み合わせた超電導限流器を実現する必要がある。
【０００５】
超電導限流器は新規の電力機器であり、できるだけ小型であるほうが導入に有利であると考えられる。ここで、超電導限流器の大きさは主に素子数に依存するため、小型化のためには素子数は少ないほうがよい。一方、事故時に瞬時電圧低下を防止することを考慮すると、過電流を抑制するために必要な限流抵抗は１０Ω以上が望ましいと考えられる。したがって、少ない素子数で十分な限流抵抗を得るためには一枚の素子の限流抵抗は大きいほうがよい。限流抵抗は、超電導体に並列接続された保護抵抗の値が支配的になるため、保護抵抗の値はできるだけ大きいほうがよいことになる。一方、限流初期に超電導薄膜に加わる熱衝撃を低減するためには、保護抵抗への転流量を大きくすることが効果的であり、そのためには保護抵抗の値はできるだけ小さいほうがよい。これらの点を考慮して、限流初期すなわち冷却温度においては抵抗が小さく、その後に電流が流れることによるジュール発熱で抵抗が大きくなる材料として金属薄膜を保護抵抗に用いた超電導限流素子が提案されている。ところが、こうした超電導限流素子において、超電導薄膜や保護抵抗が損傷するという問題がたびたび発生していた。しかし、現状では、超電導薄膜と保護抵抗の両者が損傷しないようにする保護抵抗の設計方針は不明確であり、超電導限流素子の信頼性は低かった。
【０００６】
本発明の目的は、超電導体と超電導体の保護抵抗とを並列接続した構成を有し、超電導体と保護抵抗の損傷を防止できる超電導限流素子、およびこのような超電導限流素子を簡便に製造できる方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様に係る超電導限流素子は、基材上に設けられた超電導体と、前記超電導体の保護抵抗とを並列接続した超電導限流素子であって、冷却温度における前記保護抵抗の値Ｒnが下記の式
【数７】
2006013316.tif 000003
【０００８】
（ここで、ρyは臨界温度直上における超電導体の抵抗率、ｄは超電導体の厚さ、Ｗは超電導体の幅、ｌは超電導体が常伝導転移した領域の長さ、Ｉqは限流開始電流値、Ｐsは超電導体が設けられた基材が破壊しない最大熱負荷である。）
を満足することを特徴とする。
【０００９】
本発明の他の態様に係る超電導限流素子の製造方法は、基材上に設けられた超電導体と、前記超電導体の保護抵抗とを並列接続した超電導限流素子を製造するにあたり、冷却温度における前記保護抵抗の値Ｒnが上記の式を満足するように設計することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、冷却温度における保護抵抗の抵抗値を適正範囲に設定することにより、限流動作中における超電導体と保護抵抗の両者の損傷を防止でき、信頼性の高い超電導限流素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
ここでは、図１に示すように、基材上に設けられた超電導薄膜１と保護抵抗２とを並列接続した超電導限流素子３を取り上げ、保護抵抗２の設計方針について詳細に述べる。なお、この超電導限流素子３の限流特性は、図１に示すように超電導限流素子３を電源４に直列に接続し（回路インピーダンス５が含まれているものとする）、スイッチ６を投入することにより事故を模擬した大電流を流して観測することができる。
【００１２】
上述したように、限流初期と限流中とでは保護抵抗の適正値が異なっている。そこでまず、限流初期、すなわち冷却温度における保護抵抗の適正値について考える。限流初期に超電導薄膜が局所的に損傷を受ける原因としては、常伝導状態に転移した際の熱負荷により、（１）超電導薄膜が剥がれる、（２）超電導薄膜が融点以上に温度上昇する、（３）基材表面に亀裂が発生する、という３つが考えられる。しかし、損傷を受けた超電導薄膜を光学顕微鏡で観察すると剥がれは観察されないことや、超電導薄膜の損傷は０．１ミリ秒という短時間に生じておりこの時間内に融点以上に温度上昇する可能性は小さいことを考慮すると、（１）や（２）の可能性は小さく、主な原因は（３）であると考えられる。そこで、常伝導状態に転移した熱衝撃が、基材を破壊する最大発熱量（ここでは熱衝撃耐量と表現する）を超える場合に超電導薄膜が損傷すると仮定して保護抵抗の適正値を考察する。
【００１３】
図１に示すように、基材上に設けられた超電導薄膜１と保護抵抗２が両端で並列接続された超電導限流素子３を考える。一般に、超電導薄膜のＩcは完全に均一ではないため、大電流が流れると局所的に電圧が発生して常伝導転移すると考えられる。そこで、限流初期に長さｌの領域が常伝導転移していると仮定すると、超電導薄膜に加わる熱負荷Ｐyは以下のように表される。
【数８】
2006013316.tif 000004
【００１４】
ここで、Ｒnは保護抵抗の抵抗値、Ｉqは限流開始電流値、Ｒyは超電導薄膜で発生した抵抗値、Ｗは超電導薄膜の幅である。この熱負荷が、超電導薄膜が設けられた基材の熱衝撃耐量Ｐsを超えると基材に亀裂が生じるため、超電導薄膜が損傷しない条件は、
Ｐy＜Ｐs      （２）
となり、保護抵抗Ｒnが下記の式を満たせばよい。
【数９】
2006013316.tif 000005
【００１５】
なお、ρyはＴc直上の超電導薄膜の抵抗率であり、厚さをｄとすると以下のように表される。
【数１０】
2006013316.tif 000006
【００１６】
（３）式のＰsは基材の種類や熱衝撃の印加条件に依存する。そこで、基材に薄膜ヒーターを設けて限流素子の試験条件と同様に５０Ｈｚ半波の電流を流して基材であるサファイア、ＬＡＯ、ＳＴＯの熱衝撃耐量Ｐsを評価したところ、１〜４ｋＷ／ｃｍ2であった。また、超電導薄膜の膜質に依存するが、実験より単位長さの超電導薄膜のｌは１００μｍ〜１ｍｍ程度、Ｔc直上のρyは５０〜１５０μｍΩ程度であった。なお、超電導薄膜のｌは次のような方法で推定した。まず、幅１ｃｍ、長さ１０ｃｍの超電導薄膜に長手方向１ｃｍ間隔で電圧測定端子を設けて、電流を増加させながら各端子間に発生する電圧を観測した。このときＶ0＝１μＶ／ｃｍの電圧が発生した電流値をＩcと定義すると、Ｉc以上に電流を増加させた場合にはＶ＝Ｖ0（Ｉ／Ｉc）nで表される電圧が各端子間で発生した。ここでｎは基材によって異なりサファイアの場合には１５〜２０であった。さらに電流を増加させると１つの端子間の電圧が階段状に急激に大きくなり、超電導薄膜が局所的に常伝導に転移したことが分かった。このとき端子間に発生した電圧と電流から求めた抵抗を電圧端子間距離１ｃｍの領域が均一に常伝導転移した場合の抵抗と比較して常伝導に転移した領域の長さｌを見積った。
【００１７】
また、限流開始電流Ｉqは
Ｉq＝αＩc＝αＪcＷｄ      （５）
と表すことができる。高品質の超電導薄膜の場合、Ｊcは１０6〜１０7Ａ／ｃｍ2、ｄは０．１〜１μｍ、Ｗは１〜１０ｃｍ程度である。αは基材の熱的性質に依存するが、実験より基材がサファイア、ＬＡＯ、ＳＴＯの場合には１．５〜２程度の値が得られている。なお、αは次のような方法により評価した。まず、超電導薄膜に取り外し可能な保護抵抗を並列に接続した超電導限流素子を作製し、図１に示すような回路を用いてスイッチ６を投入することにより５０Ｈｚ半波の電流を流して限流特性を調べた。このとき、超電導限流素子の電圧が階段状に急激に増加した電流を限流開始電流Ｉqと定義しαを求めた。
【００１８】
これら基板の耐熱衝撃耐量、超電導薄膜の特性を（３）式に代入することより、限流初期、すなわち冷却温度のＲnの適正値を求めることができる。
【００１９】
次に、限流中の保護抵抗の適正値について考察する。超電導薄膜が破壊しない最大電圧（ここでは印加可能電圧と表す）には上限があり、超電導薄膜の能力を最大限に生かすためには、保護抵抗も超電導薄膜と同等の電圧に耐える必要がある。保護抵抗の電極には半田など低融点の金属を用いているため、超電導薄膜の印加可能電圧と同等の電圧が印加された際、限流中の保護抵抗の温度上昇は室温以下であることが好ましい。この条件を満たす保護抵抗の適正値は保護抵抗の構造により異なる。このため、後述のように本発明の保護抵抗の構造である（１）バルク、（２）絶縁基板上の薄膜、（３）薄膜とバルクの積層の３種類に分けて求める。本明細書において、バルク形態の保護抵抗とは、厚さが１００μｍ以上で自己支持性の部材からなる保護抵抗のことをいう。また、絶縁基板上の薄膜形態の保護抵抗とは、絶縁基板上に厚さ１００μｍ未満の薄膜として形成された部材からなる保護抵抗のことをいう。
【００２０】
まず、バルク形態の保護抵抗の値Ｒbについて考える。図２（ａ）の平面図および図２（ｂ）の断面図に示す超電導限流素子は、絶縁基材１２の表面に成膜した超電導薄膜１１と、絶縁基材１２の裏面に配置したバルク形態の保護抵抗２１の両端を低融点半田７で並列接続した構造を有する。この超電導限流素子に超電導薄膜１１の損傷しない最大電圧に相当するＶyの電圧が時間Δｔの間、保護抵抗２１に印加された場合、保護抵抗２１の発熱量Ｑnは以下のように表される。
【数１１】
2006013316.tif 000007
【００２１】
ここで、Ｒbは保護抵抗の値である。したがって、温度上昇ΔＴbは発熱量を熱容量で割ればよく、以下のように表される。
【数１２】
2006013316.tif 000008
【００２２】
ここで、Ｃbは保護抵抗の比熱、σbは密度、Ｗbは幅、ｄbは厚さ、ｌbは長さである。そして、ΔＴbが冷却温度と室温との温度差であるΔＴmaxより小さいという条件から、以下の式を満足すればよい。なお、比熱は温度変化するが、ここでは室温の値を用いる。
【数１３】
2006013316.tif 000009
【００２３】
次に、薄膜形態の保護抵抗の値Ｒfについて考える。図３（ａ）の平面図および図３（ｂ）の断面図に示す超電導限流素子は、絶縁基材１２の表面に成膜した超電導薄膜１１と、それとは別の絶縁基材２３の表面に成膜した金属薄膜２２とを積層し、これらを両端で並列接続した構造を有する。Ｖyの電圧がΔｔの間、保護抵抗である金属薄膜２２に印加された場合、発熱量Ｑfは以下のように表される。
【数１４】
2006013316.tif 000010
【００２４】
この金属薄膜２２の厚さが薄く、熱容量が無視できるほど小さい場合、発熱量が保護抵抗の絶縁基材２３中に熱拡散長Ｄまで均一に伝わったとすると温度上昇ΔＴfは以下のように表される。
【数１５】
2006013316.tif 000011
【００２５】
ここで、Ｗkとｌkは金属薄膜２２の幅と長さ、κs、Ｃsおよびσsは絶縁基材２３の熱伝導率、比熱および密度であり、熱拡散長はＤ＝（４κΔｔ／Ｃsσs）1/2である。
【００２６】
ΔＴfが冷却温度と室温との温度差であるΔＴmaxより小さいという条件から、下記の式を満足すればよい。なお、熱伝導率、比熱は温度変化するが、ここでは室温の値を用いる。
【数１６】
2006013316.tif 000012
【００２７】
次に、薄膜形態とバルク形態の部材が積層され電気的に接続されている保護抵抗の適正値Ｒtについて考える。図４（ａ）の平面図および図４（ｂ）の断面図に示す超電導限流素子は、絶縁基材１２の表面に成膜した超電導薄膜１１と、それとは別にバルク形態の部材２１に薄膜形態の部材２２を積層した保護抵抗とを両端で並列接続した構造を持っている。温度上昇ΔＴtは（７）式と（１０）式の合計で表され、冷却温度と室温との温度差であるΔＴmaxより小さいという条件より、下記の式を満足するようにＲbとＲfを決定すればよい。
【数１７】
2006013316.tif 000013
【００２８】
上述したように限流中に保護抵抗が損傷しないためには、室温における保護抵抗の値が（８）式、（１１）式または（１２）式を満足することが必要となる。一方、保護抵抗の値が大きすぎて電流を絞りすぎると、常伝導転移しない領域が発生し、分担電圧に偏りができて保護抵抗が損傷するという問題が発生する。そのため、電流を絞りすぎないためには、室温での保護抵抗Ｒmは下記の式を満たす必要がある。ここでＩcは臨界電流である。
【数１８】
2006013316.tif 000014
【００２９】
以上のように保護抵抗の値は限流初期の冷却温度において（３）式を満足すると超電導薄膜が損傷しない限流素子を得ることができる。また、限流中に超電導薄膜の印加可能電圧に相当する電圧を印加した場合、室温における保護抵抗の値は構造により（８）式、（１１）式または（１２）式を満足し、さらに（１３）式を満足すると、保護抵抗が損傷せず信頼性の高い限流素子を得ることができる。
【００３０】
ところで、保護抵抗の抵抗値は限流初期の小さな値から限流中の大きな値へと温度に応じて変化するが、その変化の仕方には図５に示すＡ、Ｂ、Ｃに代表される３種類がある。保護抵抗自体の温度上昇が小さいほうが復帰時間、すなわち限流動作後に冷却温度まで冷却され再び動作可能となる状態までの時間は早くなるという利点がある。そのためには、保護抵抗の抵抗値は早く大きくなったほうがよく、曲線Ａのように変化することが好ましい。曲線Ａに示すように温度に対する抵抗の増加率が温度とともに小さくなるような保護抵抗としては、単体の保護抵抗を用いる他に、図６に示すように温度に対する抵抗の増加率の異なる部材２４と部材２５とを超電導薄膜１に電気的に並列接続して超電導限流素子３を構成することが考えられる。なお、既述の図４に示した超電導限流素子は、図６と等価な構成を有する。ここで、図６に示した部材２４の抵抗をＲ24、部材２５の抵抗をＲ25として、下記の式のように表す。
【数１９】
2006013316.tif 000015
【００３１】
βが１より大きい場合、部材２５のみの場合と比較して、抵抗の増加率が温度とともに小さくなる。Ｒ24とＲ25の関係には、（１）冷却温度から室温までＲ24＞Ｒ25、（２）冷却温度から室温までＲ24＜Ｒ25、（３）冷却温度から室温までの間でＲ24とＲ25の大小関係が変化する、の３種類考えられる。いずれの場合にも、温度に対する抵抗の増加率を、温度とともに小さくすることができる。このため、部材の抵抗率や作製のしやすさに応じてＲ24とＲ25の関係を選べばよい。いずれの場合もＲ24とＲ25の合成抵抗が、限流初期の冷却温度に（３）式を満足するようにする。また、限流中には保護抵抗の構造に応じて、（８）式、（１１）式または（１２）式を満足し、さらに（１３）式を満足するようにする。ここでは２つの部材の組合せを一例にあげたが、部材の数は２つに限定されず、３つ以上でもよい。
【００３２】
また、電圧印加時の分担電圧を均一にするためには、電気的に接続している部分が多いほうがよい。このため、図７に示すように絶縁基板２３の表面に薄膜の部材２６、２２を積層して成膜したり、図８に示すようにバルクの部材２１とバルクの部材２７を積層したり、図４に示すようにバルクの部材２１と薄膜２２の部材を積層するとさらによい。保護抵抗の形は直方体に限定されるものではなく、円柱状やらせん状などの形態でもよい。ただし、分担電圧を均一にするためには、抵抗が長さ方向に均一であるほうがよく、抵抗率や断面積が均一なほうがよい。さらに、限流初期に超電導薄膜から保護抵抗へ速やかに電流を転流させたほうが、超電導薄膜の温度上昇を小さくすることができ、限流動作後に超電導状態へ復帰する時間を早くすることができる。そのため、抵抗値の小さい部材が超電導体の近傍にあるほうがよい。そのためには、例えば、図４に示す超電導限流素子の保護抵抗において、単位長さ当りの抵抗の小さい部材を２２、単位長さ当りの抵抗の大きい部材を２１とすると、部材２２を部材２１より超電導薄膜１１の近くに配置することが好ましい。具体的には、部材２２として抵抗率の小さいＡｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒなどの単体金属、部材２１として抵抗率の大きいＡｕＡｇやＮｉＣｒなどの合金や、炭化珪素、アルミナなどと金属添加物を混合したセラミックス、Ｍｎ酸化物などの電気伝導酸化物を用いるとよい。
【実施例】
【００３３】
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
【００３４】
［実施例１］
図１に示す試験回路により実施例１に係る超電導限流素子を試験した。実施例１に係る超電導限流素子は図２（ａ）の平面図および図２（ｂ）の断面図（図２（ａ）のＢ−Ｂ’線に沿った断面）に示す構造を有する。図２においては、サファイア基板１２の表面に成膜したＹＢＣＯ薄膜１１と、炭化珪素に金属を添加したセラミックスからなるバルク形態の保護抵抗２１を、低融点半田７を用いて両端で並列接続している。超電導限流素子３を液体窒素中で冷却し、配電系を模擬して電源４により５０Ｈｚの電圧をΔｔ＝０．３ｓだけ印加して限流特性を評価した。表１に各パラメータの値を示す。
【表１】
2006013316.tif 000016
【００３５】
表１の値を（３）式に代入すると、保護抵抗２１の適正値は、液体窒素温度で０．７６Ω以下になる。そこで、炭化珪素に添加する金属の量を変えることにより、冷却温度である液体窒素温度で０．７Ωとなるように調整した。この超電導限流素子を２０枚作製し、１００Ｖまで電圧を増加させ限流試験を１０回繰返し行ったところ、すべての素子が損傷することなく限流動作した。
【００３６】
［実施例２］
実施例２では実施例１と同様の構造の超電導限流素子において、さらに室温での保護抵抗の値を調整した。表１のパラメータを（８）式、（１３）式に代入すると室温での保護抵抗２１の適正範囲は１．５Ω以上３．７Ω以下になる。また、実施例１で述べたように冷却温度での保護抵抗２１の値は０．７６Ω以下であることが必要である。そこで、炭化珪素に添加する金属の量を変えることにより、図９に示すように、保護抵抗２１の値を、冷却温度である液体窒素温度で０．７Ω、室温で１．６Ωとなるように調整した。この超電導限流素子を２０枚作製し、ＹＢＣＯ薄膜１１に印加できる最大電圧の４００Ｖまで電圧を増加させ限流試験を１０回繰返し行ったところ、すべての素子が損傷することなく限流動作した。また、限流特性から保護抵抗２１の温度上昇を見積もったところすべて室温以下であった。
【００３７】
［比較例１、２、３］
液体窒素温度での保護抵抗２１の値を１Ωと大きくした以外は実施例１と同様の限流素子を作製した（比較例１）。限流試験を行ったところ、限流初期にＹＢＣＯ薄膜１１が断線してしまった。また、室温での保護抵抗２１の値を１．１Ωと小さくした以外は実施例２と同様の限流素子を作製した（比較例２）。その限流特性から見積もったところ、限流中に保護抵抗２１は３５０Ｋと室温以上に温度上昇していることが判明した。また、室温での保護抵抗２１の値を５Ωと大きくした以外は実施例１と同様の限流素子を作製した（比較例３）。限流特性を調べたところ、限流中に８０Ａ（実効値）とＩcの２倍以下に電流が絞られ、保護抵抗が損傷することが判明した。
【００３８】
［実施例３］
実施例３に係る超電導限流素子は図３（ａ）の平面図および図３（ｂ）の断面図（図３（ａ）のＢ−Ｂ’線に沿った断面）に示す構造を有する。図３に示すように、サファイア基板１２の表面に成膜したＹＢＣＯ薄膜１１と、ＡｌＮ基板２３の表面に成膜したＮｉ薄膜２２を、両端で低融点半田７により電気的に並列接続した。表２に各パラメータの値を示す。
【表２】
2006013316.tif 000017
【００３９】
表１と表２に示したパラメータを（３）式、（１１）式、（１３）式に代入すると、保護抵抗２２の適正値は液体窒素温度では０．７６Ω以下、室温では１．８Ω以上３Ω以下となる。そのため、ＡｌＮ基板２３上に厚さ２００ｎｍのＮｉ薄膜２２を電子ビーム蒸着法により成膜する条件を変えて、保護抵抗２２の値が図１０に示すように、液体窒素温度で０．６Ω、室温で２．５Ωとなるように調整した。この超電導限流素子を２０枚作製し、ＹＢＣＯ薄膜１１に印加できる最大電圧の４００Ｖまで電圧を増加させ限流試験を繰返し１０回行ったところ、すべての素子が損傷することなく限流動作した。また、限流特性から保護抵抗の温度上昇を見積もったところすべて室温以下であった。
【００４０】
［実施例４、５］
実施例４、５に係る超電導限流素子は図４（ａ）の平面図および図４（ｂ）の断面図（図４（ａ）のＢ−Ｂ’線に沿った断面）に示す構造を有する。図４に示すように、サファイア基板１２の表面に成膜したＹＢＣＯ薄膜１１と、炭化珪素に金属粒子を添加して焼結したバルク部材２１にＮｉ薄膜２２を被覆した保護抵抗を、両端で低融点半田７により電気的に接続した。表１と表２に示すパラメータを用いて、バルク部材の抵抗Ｒ21とＮｉ薄膜の抵抗Ｒ22およびＲ21とＲ22の合成抵抗Ｒ3が（３）式、（１２）式、（１３）式を満足するように、バルク部材の添加金属の量やＮｉ薄膜の厚さを調整した。その結果、合成抵抗Ｒ3は冷却温度で０．５Ω、室温で２Ωであり、Ｒ21とＲ22の値を変えて、図１１（実施例３）、図１２（実施例４）に示すように温度とともに抵抗の増加率が小さくなるような温度変化をする２種類の保護抵抗を得ることができた。これらの超電導限流素子を１０枚ずつ作製し、４００Ｖまで電圧を増加させて限流試験を１０回行ったところ、すべての素子が損傷することなく限流動作した。また、限流特性から保護抵抗の温度上昇を見積もったところ、すべて室温以下であった。
【００４１】
［比較例４］
保護抵抗として、ＡｌＮ基板上に厚さ２００ｎｍのＮｉ薄膜を電子ビーム蒸着法により成膜した。成膜条件によりＮｉ薄膜の抵抗Ｒ4を、冷却温度で０．５Ω、室温で２Ωに調整し、図１３に示すような温度変化を示した。比較のために、実施例３の保護抵抗の抵抗Ｒ3を図中に示す。このようにＲ4は温度に対する抵抗の増加率の変化がＲ3に比べてかなり小さくなっている。この比較例４と実施例３の超電導限流素子を１０枚ずつ作製し、４００Ｖまで電圧を増加させて限流試験を行った後、保護抵抗の復帰時間、すなわち保護抵抗が冷却温度まで冷却されるまでの時間を調べた。その結果、実施例３の保護抵抗の復帰時間は２０秒であったのに対し、比較例４の保護抵抗の復帰時間は４０秒と長かった。
【００４２】
［比較例５］
図１４は比較例５に係る超電導限流素子の構造を示した図であり、図１４（ａ）は平面図、図１４（ｂ）は図１４（ａ）のＢ−Ｂ’線に沿った断面図である。図１４に示すように、サファイア基板１２の表面に成膜したＹＢＣＯ薄膜１１と炭化珪素に金属粒子を添加して焼結したバルク部材２１にＮｉ薄膜２２を被覆した保護抵抗とを両端で低融点半田７により電気的に接続している。実施例３においては冷却温度での抵抗が小さいＮｉ薄膜２２がＹＢＣＯ薄膜１１の近くに配置されているのに対し、比較例５においては冷却温度での抵抗の大きいバルク部材２１がＹＢＣＯ薄膜１１の近くに配置されている。この実施例３と比較例５の超電導限流素子を１０枚ずつ作製し、４００Ｖまで電圧を増加させて限流試験を行った後、ＹＢＣＯ薄膜の復帰時間、すなわちＹＢＣＯ薄膜が常伝導状態から超電導状態へ復帰する時間を調べた。その結果、実施例３のＹＢＣＯ薄膜の復帰時間は２０秒であるのに対し、比較例４のＹＢＣＯ薄膜の復帰時間は３０秒と長くなることが分かった。
【００４３】
［実施例６］
実施例６に係る超電導限流素子は図７（ａ）の平面図および図７（ｂ）の断面図（図７（ａ）のＢ−Ｂ’線に沿った断面）に示す構造を有する。図７に示すように、サファイア基板１２の表面に共蒸着法により成膜したＹＢＣＯ薄膜１１と、ＡｌＮ基板２３の表面に電子ビーム蒸着法により成膜したＮｉ薄膜２２とＮｉＣｒ薄膜２６の積層からなる保護抵抗を、両端で低融点半田７により電気的に接続した。絶縁基材上に形成された保護抵抗の適正範囲は、実施例３と同様に表１と表２および（３）式、（１２）式、（１３）式を用いると、液体窒素温度では０．７６Ω以下、室温では１．８Ω以上３．７Ω以下となる。そこで、Ｎｉ薄膜の抵抗Ｒ22とＮｉＣｒ薄膜の抵抗Ｒ26の合成抵抗Ｒ4が上記の適正範囲になるように、Ｎｉ薄膜とＮｉＣｒ薄膜の厚さをそれぞれ２００ｎｍと１μｍとした。その結果、合成抵抗Ｒ4は図１５に示すような温度変化を示した。このような超電導限流素子を２０枚作製し、４００Ｖまで電圧を増加させ限流試験を繰返し１０回行ったところ、すべての素子が損傷することなく限流動作した。また、限流特性から保護抵抗の温度上昇を見積もったところすべて室温以下であった。
【００４４】
［実施例７］
実施例７に係る超電導限流素子は図８（ａ）の平面図および図８（ｂ）の断面図（図８（ａ）のＢ−Ｂ’線に沿った断面）に示す構造を有する。図８に示すように、サファイア基板１２の表面に成膜したＹＢＣＯ薄膜１１と、炭化珪素に金属粒子を添加して焼結したバルク部材２１およびＭｎ酸化物のバルク部材２７からなる保護抵抗を、両端で低融点半田７により電気的に接続した。表１と表２に示すパラメータを用いて、保護抵抗の抵抗値が（３）式、（１２）式を満足するように、バルク部材の添加金属の量や厚さを調整した。その結果、保護抵抗の値は冷却温度で０．７Ω、室温で１．６Ωとなった。この超電導限流素子を１０枚ずつ作製し、４００Ｖまで電圧を増加させて限流試験を１０回行ったところ、すべての素子が損傷することなく限流動作した。また、限流特性から保護抵抗の温度上昇を見積もったところ、すべて室温以下であった。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施例１に係る超電導限流素子の構成と試験回路を示す図。
【図２】本発明の実施例１に係る超電導限流素子の構造を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ’線に沿った断面図。
【図３】本発明の実施例３に係る超電導限流素子の構造を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ’線に沿った断面図。
【図４】本発明の実施例４および５に係る超電導限流素子の構造を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ’線に沿った断面図。
【図５】保護抵抗の温度変化を示す図。
【図６】本発明の実施例４、５および６に係る超電導限流素子の構成を示す図。
【図７】本発明の実施例６に係る超電導限流素子の構造を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ’線に沿った断面図。
【図８】本発明の実施例７に係る超電導限流素子の構造を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ’線に沿った断面図。
【図９】本発明の実施例２に係る超電導限流素子の保護抵抗の温度変化を示す図。
【図１０】本発明の実施例３に係る超電導限流素子の保護抵抗の温度変化を示す図。
【図１１】本発明の実施例４に係る超電導限流素子の保護抵抗の温度変化を示す図。
【図１２】本発明の実施例５に係る超電導限流素子の保護抵抗の温度変化を示す図。
【図１３】比較例４に係る超電導限流素子の保護抵抗の温度変化を示す図。
【図１４】比較例５に係る超電導限流素子の保護抵抗の温度変化を示す図。
【図１５】本発明の実施例６に係る超電導限流素子の保護抵抗の温度変化を示す図。
【符号の説明】
【００４６】
１…超電導薄膜、１１…超電導薄膜、１２…基材、２…保護抵抗、２１…バルク形態の保護抵抗、２２…薄膜形態の保護抵抗、２３…薄膜形態の保護抵抗が設けられた基材、２４…保護抵抗、２５…保護抵抗、２６…薄膜形態の保護抵抗、２７…バルク形態の保護抵抗、３…超電導限流素子、４…電源、５…回路インピーダンス、６…スイッチ、７…低融点半田。
【図１】
2006013316.tif 000025
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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