(57)【要約】【課題】この発明に係る超電導限流素子は、熱歪による超電導膜の剥離や超電導特性の劣化を防止し、また電極と超電導体との電流の乗り移りによる発熱を小さく抑えることができる。【解決手段】この発明に係る超電導限流素子は、基板１の表面に超電導膜２が形成された超電導体３と、この超電導体３の両端部の超電導膜２の面にそれぞれ接続された第１の電極４、第２の電極５とを備え、一方の第１の電極４から流入した電流が超電導体３の超電導膜２を通じて他方の第２の電極５から流出する超電導限流素子において、第１の電極４、第２の電極５は、分割された複数個の短冊上の電極子６で構成されている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導体と、この超電導体の両端部の面にそれぞれ接続された電極とを備え、一方の電極から流入した電流が前記超電導体を通じて他方の電極から流出する超電導限流素子において、
前記電極は、分割された複数個の電極子で構成されている超電導限流素子。
【請求項２】
前記電極子は、前記超電導体の電流の流れ方向に沿って前記電極を切断、多分割して構成されている請求項１に記載の超電導限流素子。
【請求項３】
前記電極子は、短冊状であり、かつ隣接した前記電極子同士は、長手方向に互いにずれて配置されている請求項２に記載の超電導限流素子。
【請求項４】
前記電極子は、前記超電導体の電流の流れ方向およびその直角方向にそれぞれ沿って前記電極を切断、多分割して構成され、熱歪の劣化を防止し得る最低単位の面積になっている請求項１に記載の超電導限流素子。
【請求項５】
前記電極子は、周縁部が凹凸形状である請求項１ないし請求項４の何れかに記載の超電導限流素子。
【請求項６】
前記超電導体は、表面に前記電極と接触し、かつ前記電極よりも広い領域の金属膜が形成されている請求項１ないし請求項５の何れかに記載の超電導限流素子。
【請求項７】
前記超電導体は、全面に金属膜が形成され、かつこの金属膜は、前記電極と接触する部位が、他の領域よりも厚い請求項１ないし請求項５の何れかに記載の超電導限流素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、超電導体と、この超電導体の両端部の面にそれぞれ接続された電極とを備え、一方の電極から流入した電流が前記超電導体を通じて他方の電極から流出する超電導限流素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、筒状の抵抗体と、この抵抗体の両端部表面に設けられた電極とを備え、電極と抵抗体とが隣接する境界経路に非直線部分を有し、境界経路を長路化することで電流密度を低減でき、電流集中に起因する機械的破壊や絶縁破壊等の発生を防止した抵抗素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平５−５５００２号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記抵抗素子は常温で使用するため、冷却による熱歪の問題は生じない。
しかしながら、基板に酸化物超電導材料で形成された超電導膜を有する酸化物超電導体や、酸化物超電導材料のみで構成された超電導体を超電導限流素子に、特許文献１に記載の上記構成を適用した場合には、次のような問題点がある。即ち、
超電導体膜の幅１ｃｍ、厚さ０．２〜０．５μｍ当たりの電流は一般的には０．１ｋＡ程度であるので、電力系統の電流は典型的には２ｋＡ程度であり、幅広の超電導体が必要となり、多数の超電導体を並列接続しなければならない。
この超電導体は、−２００℃程度以下の温度に冷却する必要性があり、超電導体に電極を半田接続時の温度である約２００℃と、使用時の温度である−２００℃との間には、約４００℃の温度差がある。酸化物超電導材料は、０．２％〜０．３％程度の歪で超電導特性が劣化することが知られているので、例えば、サファイア基板上にＹ系高温超電導膜が形成された例をとると、サファイアの熱膨張率は５×１０−６／Ｋであり、例えば長さ１ｃｍのサファイア基板では温度を４００Ｋ冷却すると０．０２ｍｍ縮む。これに対して、代表的な電極材料である銅の熱膨張率は２０×１０−６／Ｋで、４倍の熱膨張率であるので、長さ１ｃｍで温度を４００Ｋ冷却すると０．０８ｍｍ縮む。この縮み量の差は、電極が接続された超電導限流素子の両端部に集中し、０．２％〜０．３％を超えた歪が超電導膜に生じてしまい、超電導膜の剥離や超電導特性の劣化等が生じてしまうという問題点があった。
【０００５】
この発明は、上記のような問題点を解決することを課題とするものであって、熱歪による超電導膜の剥離や超電導特性の劣化を防止する等の超電導限流素子を提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る超電導限流素子は、超電導体と、この超電導体の両端部の面にそれぞれ接続された電極とを備え、一方の電極から流入した電流が前記超電導体を通じて他方の電極から流出する超電導限流素子において、前記電極は、分割された複数個の電極子で構成されている。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について説明するが、各実施の形態において、同一、相当部材、部位については同一符号を付して説明する。
実施の形態１．
図１（ａ）はこの発明の実施の形態１の超電導限流素子の平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の超電導限流素子の側断面図である。
この超電導限流素子は、サファイアからなる基板１上にイットリウム系超電導材からなる超電導膜２が形成された平板状の超電導体３と、この超電導体３の両端部の上面にそれぞれ接続された銅からなる第１の電極４および第２の電極５とを備えている。
第１の電極４および第２の電極５は、第１の電極４から流入した電流が超電導体３を通じて第２の電極５から流出する電流の流れ方向に沿って切断、分割された複数個の短冊状の電極子６で構成されている。
また、超電導体３の両端部にそれぞれ複数個の電極子６を押さえ部材８およびねじ９により固定されている。
【０００８】
上記構成の超電導限流素子では、第１の電極４および第２の電極５は複数個の電極子６に分割されているので、超電導膜２と電極４、５とのそれぞれの構成部材の熱膨張率の違いから生じる冷却時の熱歪を低減することができ、超電導膜２の剥離や超電導特性の劣化を防止することができる。
また、電極４、５は、多分割されているので、電極４、５と超電導膜２との境界線長さが長くなり、主に境界線を通じて流れる交流の場合には、電極４、５と超電導膜２との界面電気抵抗が小さくなり、電極４、５における温度上昇が抑制される。
なお、超電導膜２の材料としては、ビスマス系超電導材であってもよい。また、基板１の材料としては、ランタンアルミニウム、チタンサンストロンチウム等であってもよい。また、電極４、５の材料としては、銅合金、アルミニウム等であってもよい。
【０００９】
また、図１（ａ）、図１（ｂ）では、超電導膜２と電極子６とを押圧部材８およびねじ９を用いて接続したが、図２（ａ）、図２（ｂ）に示すように、超電導膜２と電極子６とを半田１１を用いて接着するようにしてもよい。
【００１０】
また、図３（ａ）、図３（ｂ）に示すように、超電導膜２と電極子６とを半田よりも電気抵抗の小さい銀ペースト等の導電性接着剤７を用いて接着させることもできる。
【００１１】
また、上記実施の形態では、超電導体３は、基板１および超電導膜２で構成されたが、図４（ａ）、図４（ｂ）に示すように、超電導材料の厚みを厚くして、物理的強度を高めることで、基板１を削除することができる。
【００１２】
また、図５に示すように、超電導体３が円筒形状で、その外周面に複数個の断面円弧状の電極子６を半田１１を用いて接着するようにしてもよい。但し、図５では一方の電極５のみを示しており、他方の電極は省略されている。
【００１３】
実施の形態２．
図６（ａ）はこの発明の実施の形態２の超電導限流素子の平面図、図６（ｂ）は図６（ａ）の超電導限流素子の側断面図である。なお、この実施の形態２、およびその以降の各実施の形態では、押さえ部材８、ねじ９については省略されている。
この実施の形態では、超電導膜２と第１の電極４、第２の電極５との間に、例えば金で構成された金属膜１０が設けられ、かつこの金属膜１０は、第１の電極４、第２の電極５よりも広い領域に設けられている。なお、図面上では金属膜１０と電極４、５とは同程度の厚みで記載されているが、実際には、電極４、５の厚みが数ｍｍ程度であるのに対して、金属膜１０の厚みは例えば１μｍ程度である。
【００１４】
この実施の形態では、電極子６と超電導膜２との間に低抵抗の金属膜１０が介在しているので、電極子６と超電導膜２とが面接触した実施の形態１のものと比較して、電極子６、超電導体３間での電流の乗り移りによる発熱が抑制され、超電導限流素子の両端部での温度上昇が抑制される。即ち、
実施の形態１のものの場合には、電極子６と超電導膜２との間では面接触しているものの、超電導膜２の表面は凹凸形状であり、実質的な接触面積は小さい。これに対して、この実施の形態では、電極子６と超電導膜２との間に金属膜１０を介在させたことにより、電極子６と平坦面である金属膜１０との実質的接触面積、金属膜１０と超電導膜２との実質的接触面積は実施の形態１のものと比較して大であり、実施の形態２のものは、実施の形態１のものと比較して界面電気抵抗が小さくなるために、超電導限流素子の両端部での温度上昇がより抑制されると考察される。
また、金属膜１０を介在させることで、界面電気抵抗を小さくすることができるとともに、超電導限流素子が限流器として動作する際における抵抗値の調整を図ることができる。
なお、金属膜１０の厚みはμｍのオーダであり、金属膜１０には、超電導膜２を熱歪で劣化させる程の応力は生じない。
【００１５】
実施の形態３．
図７（ａ）はこの発明の実施の形態３の超電導限流素子の平面図、図７（ｂ）は図７（ａ）の超電導限流素子の側断面図である。
この実施の形態では、超電導膜２の全面にμｍオーダの厚みの金属膜１２を形成し、かつ金属膜１２が電極子６に接続する部位が、他の領域よりも厚くなっている。
この実施の形態では、超電導限流素子の両端部では、実施の形態２と同様に、通常時は発熱を抑制できるとともに、金属膜１２の厚さは、超電導限流素子の中間部で両端部と比較して薄いので、限流動作する常電導転移した場合には、その中間部では比較的高抵抗となり、大きな限流効果が得られる。
また、超電導膜２の全面が金属膜１２で覆われているので、超電導膜２が空気との反応で劣化することを防止することができるとともに、接触による破損も防止することができる。
【００１６】
実施の形態４．
図８（ａ）はこの発明の実施の形態４の超電導限流素子の平面図、図８（ｂ）は図８（ａ）の超電導限流素子の側断面図である。
この実施の形態では、超電導膜２の全面に均一厚さの金属膜１４が形成されており、この金属膜１４に接合された電極子１３は、電流の流れ方向およびその直角方向にそれぞれ沿って第１の電極４、第２の電極５を切断、多分割して構成されている。
この実施の形態では、熱歪の劣化を防止できる最低単位の面積（例えば１ｍｍ×１ｍｍ）の電極子１３を形成し、多数の電極子１３（この実施の形態では２０個）と金属膜１４とは面接触しているので、第１の電極５、第２の電極６と、金属膜１４との接触面積が増大し、それだけ界面接触電気抵抗を小さくすることができる。
また、電極４、５は、多分割されているので、電極４、５と超電導膜２との境界線長さが、上記実施の形態１〜３のものと比較してさらに長くなり、主に境界線を通じて流れる交流の場合には、電極４、５と超電導膜２との界面電気抵抗が小さくなり、電極４、５における温度上昇がより抑制される。
【００１７】
なお、実施の形態１に示すように、金属膜１４を介在させることなく、超電導膜２上に電極子１３を直接接触させるようにしてもよいし、実施の形態３に示すように、電極子１３に接続される金属膜の部位が、他の領域よりも厚くするようにしてもよい。
【００１８】
実施の形態５．
図９（ａ）はこの発明の実施の形態５の超電導限流素子の平面図、図９（ｂ）は図９（ａ）の超電導限流素子の側断面図である。
この実施の形態では、隣接した短冊状の電極子６同士は、長手方向に互いにずれて配置されている。
交流の場合には、主に、電極子６と金属膜１４との境界線を通じて電流が流れ、特に電極子６の先端である境界線Ａから流れるので、その境界線Ａの近傍では他の領域と比較して発熱が生じ易い。
この実施の形態によれば、境界線Ａは同列上に位置していないので、同列上に配列されたものと比較して、発熱分布が分散され、熱集中を防止することができ、クエンチの発生を防止することができる。
【００１９】
なお、実施の形態１に示すように、金属膜１４を介在させることなく、超電導膜２上に電極子６を直接接触させるようにしてもよいし、実施の形態３に示すように、電極子６に接続される金属膜の部位が、他の領域よりも厚くするようにしてもよい。
【００２０】
実施の形態６．
図１０（ａ）はこの発明の実施の形態６の超電導限流素子の平面図、図１０（ｂ）は図１０（ａ）の超電導限流素子の側断面図である。
この実施の形態では、金属膜１４上に、両側縁部が凹凸形状の電極子１５が面接触している。
この実施の形態によれば、電極子１５の両側縁部を凹凸形状にしたことで、電極子１５と金属膜１４との境界線経路が増長し、特に、交流に場合において、電極４、５と金属膜１４との電流の乗り移りによる発熱を小さく抑えることができる。
なお、電極子の先端部だけ、あるいは電極子の全周縁部を凹凸形状にしてもよいのは勿論である。
【００２１】
なお、上記各実施の形態では、電極４、５として銅等の材料を用いたが、電極材料として酸化物超電導材またはその複合材を用いてもよい。この場合、電極は、超電導膜の臨界電流よりも高い材料で構成することで、限流動作する、即ち常電導転移した場合でも、電極では超電導状態が維持され、電極での発熱を抑制することができる。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明に係る超電導限流素子によれば、超電導体と、この超電導体の両端部の面にそれぞれ接続された電極とを備え、一方の電極から流入した電流が前記超電導体を通じて他方の電極から流出する超電導限流素子において、前記電極は、分割された複数個の電極子で構成されているので、超電導体と電極とのそれぞれの構成部材の熱膨張率の違いから生じる冷却時の熱歪を低減することができ、例えば超電導体表面の超電導膜の剥離や超電導特性の劣化を防止することができる。
また、電極と超電導体との境界線長さが長くなり、主に境界線を通じて流れる交流の場合には、電極と超電導体との界面電気抵抗が小さくなり、電極における温度上昇が抑制される。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）はこの発明の実施の形態１の超電導限流素子の平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の超電導限流素子の側断面図である。
【図２】図２（ａ）はこの発明の実施の形態１の超電導限流素子の変形例を示す平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）の超電導限流素子の側断面図である。
【図３】図３（ａ）はこの発明の実施の形態１の超電導限流素子の他の変形例を示す平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）の超電導限流素子の側断面図である。
【図４】図４（ａ）はこの発明の実施の形態１の超電導限流素子の他の変形例を示す平面図、図４（ｂ）は図４（ａ）の超電導限流素子の側断面図である。
【図５】図５（ａ）はこの発明の実施の形態１の超電導限流素子の他の変形例を示す平面図、図５（ｂ）は図５（ａ）の超電導限流素子の側断面図である。
【図６】図６（ａ）はこの発明の実施の形態２の超電導限流素子の平面図、図６（ｂ）は図６（ａ）の超電導限流素子の側断面図である。
【図７】図７（ａ）はこの発明の実施の形態３の超電導限流素子の平面図、図７（ｂ）は図７（ａ）の超電導限流素子の側断面図である。
【図８】図８（ａ）はこの発明の実施の形態４の超電導限流素子の平面図、図８（ｂ）は図８（ａ）の超電導限流素子の側断面図である。
【図９】図９（ａ）はこの発明の実施の形態５の超電導限流素子の平面図、図９（ｂ）は図９（ａ）の超電導限流素子の側断面図である。
【図１０】図１０（ａ）はこの発明の実施の形態６の超電導限流素子の平面図、図１０（ｂ）は図１０（ａ）の超電導限流素子の側断面図である。
【符号の説明】
１  基板、２  超電導膜、３  超電導体、４  第１の電極、５  第２の電極、６，１３，１５  電極子、１０，１２，１４  金属膜。
【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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