(57)【要約】【課題】超電導薄膜を基とする抵抗性障害電流リミッタ（ＦＣＬ）を提供する。【解決手段】ＦＣＬは、接続経路（３）によって分離されている臨界電流を減少させた複数のコンストリクション（２）からなる。障害電流が発生すると、これらのコンストリクションが同時に抵抗性になってある抵抗を構築し、印加電圧がコンストリクションのみにまたがって降下することを可能にする。後刻接続経路が抵抗性になり、エネルギを消散させる。電気的バイパスの厚み及び幅が、コンストリクション及び接続経路の前記正常固有抵抗を決定する。【選択図】          図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
作業温度ＴNにおいて名目電圧ＵNを印加した時に名目電流ＩNを輸送するようになっている超電導抵抗性電流リミッタであって、
前記電流リミッタは臨界電流密度ＪCを有する高温超電導材料の薄膜と、前記薄膜に接触している電気的バイパス層とからなる長さがＬtotの少なくとも１つのトラック（１）を有し、
前記トラック（１）は複数のコンストリクション（２）を含み、前記複数のコンストリクション（２）は合計長ＬCを有し、前記各コンストリクションは前記名目電流ＩNに等しいほぼ一定の臨界電流ＩC,Cを有し且つ前記ＩNより大きい臨界電流ＩC,Sを有する接続区分（３）によって互いに分離されており、
作業温度ＴNにおける前記コンストリクション（２）の合計抵抗ＲCが、予測される障害電流より低い値に制限された初期障害電流Ｉbにおいて名目電圧ＵNに等しい電圧降下を生じさせることを特徴とする電流リミッタ。
【請求項２】
前記臨界電流密度ＪCの約1.5倍の電流密度Ｊbで前記コンストリクション（２）内を流れる初期障害電流Ｉbにおいて、前記コンストリクション（２）の抵抗ＲCが前記名目電圧ＵNに等しい電圧降下ＵC＝ＲC×Ｉbを生じさせることを特徴とする請求項１に記載の電流リミッタ。
【請求項３】
作業温度ＴN及び前記初期障害電流密度Ｊbおいて、平均化された前記コンストリクション（２）の低下した固有抵抗ρCが、前記コンストリクション（２）によって消散される表面電力密度ｐbを制限することを特徴とする請求項２に記載の電流リミッタ。
【請求項４】
前記平均化されたコンストリクション（２）の低下した固有抵抗ρCは、ｅを前記コンストリクション（２）における前記超電導薄膜の厚みとして、ρC＝ｐb／Ｊb2・ｅによって与えられることを特徴とする請求項３に記載の電流リミッタ。
【請求項５】
前記バイパス層の導電率は、前記接続区分（３）に沿うよりも前記コンストリクション（２）に沿う方が高いことを特徴とする請求項４に記載の電流リミッタ。
【請求項６】
前記コンストリクション（２）は、２つまたはそれ以上の経路（２０）に分割され、前記分割された経路が電気的に並列に接続されていることを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載の電流リミッタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高温超電導体の分野に関し、特定的には、薄膜をベースとする新しい超電導障害電流リミッタの設計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高温超電導体は、配電及び送電回路網のための超電導障害電流リミッタに適用することができる。このような電流リミッタの特性は、十分に低い温度において超電導体のボディを通る電流を臨界値以下に維持する限り、その超電導特性が維持されることに基づいている。この臨界値は一般に臨界電流密度（Ｊc）として知られ、基本的には超電導体の温度及びその内部における磁界に依存する。
【０００３】
一般に、高温超電導体を大電力に応用する場合、いわゆる“ホットスポット”の問題を無視してはならない。超電導体内の不可避の非均質性、または局部的な熱変動に起因して、臨界電流密度は超電導体全体で小さく変動する。従って、短絡回路の場合、障害電流の初期増加が超電導体の最も弱い点において先ず臨界電流を超える。この点において、電圧降下が累積してジュール熱が発生し始め、局部的に温度が上昇し、そして超電導性が局部的にクラッシュする、即ちホットスポットが出現する。もしホットスポットが超電導体全体に急速に広がらなければこの障害電流は十分迅速に制限されることがなく、そのホットスポットの位置における熱上昇が最終的に超電導体を破壊する恐れがある。
【０００４】
超電導デバイスを含む配電または送電回路網においては、障害時には、回路網の対応区分に印加される電圧が超電導体に沿って意図的に降下させられる（もしデバイスが電流制限特性を呈するようになっていれば）か、または不本意ながら降下する。完全な均質臨界電流密度Ｊc及び均一な電流分布を有する理想高温超電導体においては、障害が発生すると均一な電流分布はその全長にわたって均質に消滅する。換言すれば、臨界温度ＴC以上に暖められて抵抗性になる。従って、超電導体の全長にまたがって電圧が降下し、小さい電界及び臨界未満のエネルギ密度がもたらされる。
【０００５】
主たる救済策は、超電導体の全長にわたって密着させた、従ってどの潜在的ホットスポットにも電気的に並列に接続される金属の電気的バイパスを形成させることである。このバイパスが代替電流経路を作り、障害電流はこの代替電流経路によってホットスポットを迂回され、それによって電圧分布が均質化される。
【０００６】
ドイツ特許出願ＤＥ 100 14 197.8には、高ＴC超電導体材料のトラック、バンド、またはワイヤーを備え、障害電流リミッタとして選択的に使用するための超電導体配列が開示されている。臨界電流ＩCを低くした弱いスポットが超電導体トラックの長さにわたって設けられる。従って、障害電流の場合には、初期電圧降下はこれらの弱いスポットにおいて発生し始める。この消散によって熱が発生し、この熱は隣接する超電導体領域へ伝播する。もし弱いスポットが互いに十分に近接していれば、超電導体は均質に消滅する。
【０００７】
IEEE Trans. On Applied Superconductivity, Vol. 11, 2046 (2001)に所載のM. Decrouxらの論文“Properties of YBCO Films at High Current Densities : Fault Current Limiter Implications”（以下、参照２という）から、薄膜高温超電導体が知られている。基体は、セラミック高温材料（特定的には、77Ｋの作業温度において３×106Ａ／ｃｍ2の臨界電流密度を有するＹＢa2Cu3Ｏ7-xの処方による組成）で作られた薄いエピタキシャル相（厚み≒１μｍ）のための支持体として働く。これらの材料の研究が進んで、いろいろな振幅の電圧パルスを印加した時の超電導体の消散部分の長さを決定する臨界電界ＥCの存在が解った。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、上述した型の薄膜超電導障害電流リミッタを提供することであって、本電流リミッタは制御された手法で消滅し、電流リミッタを構成しているライン内に障害電流が発生した場合にホットスポットに曝されないようになっている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この目的は、特許請求の範囲の請求項１に記載の超電導障害電流リミッタによって達成される。即ち、作業温度ＴNにおいて名目電圧ＵNを印加した時に名目電流ＩNを輸送するようになっている超電導抵抗性電流リミッタであって、前記電流リミッタは臨界電流密度ＪCを有する高温超電導材料の薄膜と、前記薄膜に接触している電気的バイパス層とからなる長さがＬtotの少なくとも１つのトラック（１）を有し、前記トラック（１）は複数のコンストリクション（２）を含み、前記複数のコンストリクション（２）は合計長ＬCを有し、前記各コンストリクションは前記名目電流ＩNに等しいほぼ一定の臨界電流ＩC,Cを有し且つ前記ＩNより大きい臨界電流ＩC,Sを有する接続区分（３）によって互いに分離されており、作業温度ＴNにおける前記コンストリクション（２）の合計抵抗ＲCが、予測される障害電流より低い値に制限された初期障害電流Ｉbにおいて名目電圧ＵNに等しい電圧降下を生じさせることを特徴とする電流リミッタである。
好ましい実施の形態は、従属請求項から明白である。
【００１０】
本発明による電流リミッタは、幾つかのコンストリクション（constriction）と、それらの間に挿入された接続区分とからなる。コンストリクション、即ち弱いスポットは低い臨界電流を有し、従って障害電流が正常電流を超えた場合には、超電導体に何等かの加熱が発生する前に先ず抵抗性状態に逆戻りする。コンストリクションの合計長及び断面は、抵抗性状態になったコンストリクションが印加電圧に等しい電圧降下を発生させるのに十分な抵抗をもたらし、且つコンストリクションを通って流れる電流を予測される“無制限”障害電流以下の値に制限するようにしてある。この初期相中、接続区分は超電導に留まり、後の相になってから初めて抵抗性になり始める。
【００１１】
本発明は、電圧を印加した後の超電導障害電流リミッタが、時間の関数としての異なる期間（regime）を発生するという事実の発見に基づいている。詳述すれば、超電導体はトランジェント期間の後の初期電流源期間においては、印加電圧には本質的に無関係な電流が、超電導材料の臨界電流密度の約1.5倍に等しい電流密度で流れる。
【００１２】
前記初期期間中のコンストリクションの抵抗は、コンストリクションの長さ及び導体断面にわたって平均された固有抵抗（これは超電導薄膜及び隣接バイパス層の厚みに依存する）によって決定される。コンストリクションの固有抵抗は、コンストリクション内の障害電流によって消散される電力密度を受容可能な値に制限するように選択することができる。接続区分の抵抗を調整することによって、長期間（即ち、接続区分が抵抗性に転じてからの）における消散した電力密度を独立的に適応させることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
短絡回路の最初のμｓ中に、消散領域の初期長さ（スイッチした領域）ＬCと印加電圧Ｕとの間に線形依存性が観測されるが、これは臨界電界ＥC＝Ｕ／ＬCが存在することを示している（参照２）。所与の印加電圧の場合、この臨界電界から短絡回路の始まりにおける消散領域の長さを知ることができる。曲路に沿ってコンストリクションを挿入する（例えば、ライン幅を局部的に減少させる）ことによって（図２参照）この初期長さは幾つかのより小さい領域に分割され、従って消散電力は曲路に沿って分配される。障害電流リミッタＦＣＬは、短絡回路の初期期間（即ち、最初のμｓ）中にコンストリクションだけが切り換わり、ウェハの１つの領域内に消散電力が集中するのを回避するように設計されている。これは、直列に幾つかのウェハを有するＦＣＬの場合に特に重要である。それは、この設計によって全てのウェハへの消滅ゾーンの分配を制御することができるからである。
【００１４】
以下に、短絡回路中のＦＣＬの挙動を詳述する。図１に示すように、ＦＣＬは主として３つの異なる期間で動作する。第１の期間、即ちピーク電力ゾーンは過渡的な期間であり、電流は値Ｊpまで急速に（１μｓ以下）増加し、次いでラインの一部がスイッチして電流を制限するようになる。我々は、電流ピークＪpが印加電圧には無関係であることを観測した。
【００１５】
電流ピークの次に、第２の期間、即ち電流源ゾーンが発生する。この期間中、ＦＣＬはあたかもそれが電流源に支配されているかのように挙動する。即ち、電流Ｊbは、印加電圧には無関係になる。Ｔ＝77ＫにおけるＹＢＣＯの場合、Ｊp≒３・Ｊcであり、Ｊb＝α・Ｊc（但し、α≒1.5）であり、そしてＪcは臨界電流密度（77Ｋにおいて、≒３×106Ａ／ｃｍ2））であることが参照２に報告されている。この電流源ゾーンでは、消散電力は作業温度（即ち、77Ｋ付近）におけるラインの正常状態抵抗に比例する。ラインによって消散される電力は、コンストリクション領域の固有抵抗を低下させることによって減少させることができる。
【００１６】
ＦＣＬは、より長い電圧源期間で動作する。短絡回路電流Ｊsc及び消散電力は、より高い温度（典型的には100Ｋ以上）におけるラインの正常状態固有抵抗に逆比例する。電流源期間における挙動とは反対に、消散領域の抵抗が増加した場合に限って消散電力は減少することができる。
【００１７】
ＦＣＬのこの新しい設計の主目標は、（ａ）短絡回路の始まりにおける表面ピーク電力密度を減少させ、そして（ｂ）より長い時間においてＦＣＬの全長にわたって消散電力を低下させ、且つ均一化することを可能ならしめることである。これは、コンストリクションの正常固有抵抗（瞬時に消散性になる）を減少させ、接続経路の固有抵抗（より長い時間においては正常導電になる）を増加させることによって得られる。これは、コンストリクション経路及び接続経路の両者のバイパス層の厚みを変化させることによって容易に達成される。ウェハによるこの消散電力の減少により、正常電力及び／または制限機能の持続時間を増加させることができる。
【００１８】
以上から、臨界設計パラメータを含むＦＣＬのための基本設計を導出することができる。
【００１９】
図２及び図３は、この新しい超電導障害電流リミッタの設計を示している。ＦＣＬは、100Ｋ付近において良好な熱伝導体であるが、不良電気伝導体であることが好ましい基体上に配列されたＹＢＣＯ／バイパス曲路（合計長Ｌtot）によって構成されている。ＹＢＣＯ層は、一定の厚みｅと、作業温度、即ち液体窒素温度（Ｔ＝77Ｋ）における臨界電流密度Ｊcとを有している。計算に不要な複雑さをもたらさないように、超電導体厚みｅの可能変化は考えないこととする。
【００２０】
コンストリクションの幅はｗcであり、接続区分の幅はｗpである（図２）。これらのコンストリクションは、短絡回路中の加熱ボリュームを増加させ、それによりラインの温度上昇をスローダウンさせるために、ｎ経路の幅ｗc／ｎに分割することができる。図２は、ｎ＝２の例を示している。ｗpは、短絡回路の始まりにコンストリクションだけがスイッチングするようにｗcに対して選択される。
【００２１】
ＦＣＬの全ての設計パラメータを計算する前に、以下のパラメータを確定しなければならない。
・名目ピーク電力：Ｐnpeak、名目ピーク電圧：Ｕnpeak、及び名目ピーク電流：Ｉnpeak＝Ｐnpeak／Ｕnpeak≡Ｉc、但し、Ｉcはコンストリクションの臨界電流である。
・コンストリクションの幅と接続経路の幅との比：μ＝ｗp／ｗc。μは、ウェハ上の最大及び最小臨界電流密度の比より高くなければならない。
・電流ピーク後に支持される表面電力密度：ｐb（ｐb÷Ｊb2（図１））。参照２に報告されているように、コンストリクションの破壊を回避するためにｐbは22ｋＷ／ｃｍ2以下にすべきである。
・曲路表面とウェハの表面との比である占有率：β。βは１よりは小さくするが、可能な限り１に近づける。
・長期の制限された電流密度（図１のＪsc）と名目電流密度との比：δ。δは、ＦＣＬラインの熱環境に依存する。δの値を低くすると、性能が良くなることが予測される。
【００２２】
これらの値を考慮に入れて、ＦＣＬの全てのパラメータを決定することができる。即ち、
・コンストリクションの幅：ｗp、及び接続経路の幅：ｗc
・コンストリクションの合計長：Ｌc、及びその低下した正常状態固有抵抗：ρc即ち、平均固有抵抗×超電導体厚みｅと、超電導体及びバイパスのトラックの合計厚みとの比）。
・曲路の合計長：Ｌtot
・接続経路の合計長：Ｌp、及びその低下した正常状態固有抵抗：ρp（77Ｋにおいて、即ち、加熱が開始され、そして抵抗が更に増加する前の）。
【００２３】
ＦＣＬの全てのパラメータを計算するために、以下の関係を使用する。
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【００２４】
バイパス層としてＡuを有するＦＣＬを例として用いた。２”ウェハ上に作られたＹＢＣＯ／Ａu  ＦＣＬラインの典型的パラメータは、臨界電流密度（77ＫにおいてＪc＝３・106Ａ／ｃｍ2）、及びＹＣＢＯ層の厚み（ｅ＝3000Å ）である。ウェハの表面は、Ｓs＝20.3ｃｍ2である。
【００２５】
２”のＡl2Ｏ3ウェハ上に作られたＦＣＬについて、以下のパラメータを選択した。
・名目ピーク電力：Ｐnpeak＝５ｋＷ
・名目ピーク電圧：Ｕnpeak＝300V
・コンストリクションの幅と接続経路の幅との比：μ＝２
・表面電力密度：ｐb＝３ｋＷ／ｃｍ2
・占有率：β＝0.7
・長期における電流と名目電流との比：δ＝0.2。
【００２６】
この例において、計算されたパラメータは、
ｗc＝1.85ｍｍ、 ρc＝５μΩ・ｃｍ、  Ｌc＝13.5ｃｍ、
ｗp＝3.7ｍｍ、  ρp＝35μΩ・ｃｍ、  Ｌp＝24.8ｃｍ
である。
【００２７】
コンストリクション上の、及び接続経路上の金の層の厚みは、バルクの固有抵抗、薄膜の品質、及びＹＢＣＯフィルムの固有抵抗を考慮して決定しなければならない。
【００２８】
本発明は、ラインに沿って均一に分布させたコンストリクションを有する薄膜をベースとする抵抗性ＦＣＬのための新しい設計に関している。その主たる長所は、以下の通りである。
１）ＦＣＬによって消散される初期表面ピーク電力は、これらのコンストリクションのバイパス層の厚みを適応させることによって制御される。
２）長期（短絡回路の始まりから数ｍｓ）においてＦＣＬが消散する表面電力密度は、接続経路上のバイパス層の厚みを適応させることによって制御される。
３）コンストリクションによってウェハ全体にわたって消滅ゾーンを均一に分配させることができ、ウェハの１つの領域内への消散電力の局所集中が回避される。直列の幾つかのウェハで作られているＦＣＬの場合、全曲路に沿って消散性ゾーンの分布を制御できることは極めて重要である。
４）基体の加熱される実効ボリュームが大きいので、コンストリクションを幾つかの経路に分割することによって熱安定度を良好にすることができる。
【００２９】
もし電流リミッタを交流モードで動作させるのであれば、例えば名目電流ＩNのピーク値とＲＭＳ値とを区別しなければならないことを除いて、その設計に関しては同じような結論になる。ある交流周期内に発生する障害電流“パルス”に依存して、超電導体を通る電流の推移は図１に示すものとは異なる。しかしながら、それでも基本的に要求されることは、電圧降下を初期障害電流Ｉbにおける名目電圧ＵNに等しくさせるように、作業温度ＴNにおけるコンストリクションの合計オーム抵抗ＲCを十分にすることである。この場合、初期障害電流Ｉbとはトランジェント期間が数μｓ持続した後に流れる電流として定義されるものであり、それ自体は予測される障害電流以下の値に制限された時間的に変化する電流であることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】超電導体トラックに電圧パルスを印加した後のコンストリクション内の電流密度Ｊの推移を示す図である。
【図２】コンストリクションを有する曲路型超電導体トラックを示す図である。
【図３】コンストリクション及び接続区分を示す図である。
【符号の説明】
１  導体トラック
２  コンストリクション
３  経路
４  接続区分
【図１】
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【図２】
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【図３】
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