(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
テープ状の基材と、該基材上に設けられた中間層と酸化物超電導層と、該酸化物超電導層上に設けられた安定化層とを備えてなる積層構造の酸化物超電導導体と、この酸化物超電導導体の酸化物超電導層に通電するための電源装置と、この電源装置から前記酸化物超電導導体の酸化物超電導層への通電を制御するスイッチ装置を備えた超電導装置を運転する際、
前記酸化物超電導層上に積層されている安定化層の表面に酸化物超電導導体の長さ方向に沿って所定の間隔をあけて規定した基準測定エリアと、先の所定の間隔よりも長い第１の間隔をあけて前記基準測定エリアを挟むように規定した第１測定エリアとを少なくとも区画し、前記基準測定エリア両端部の電圧または前記第１測定エリア両端部の電圧を測定し、
前記基準測定エリア両端部の電圧または前記第１測定エリア両端の電圧について電圧測定器が検知可能な最低電圧をＶｄに設定し、前記酸化物超電導導体を臨界温度以下に冷却し前記電源装置から通電している場合、前記最低電圧Ｖｄを検知した時点と位置における前記酸化物超電導導体の温度をＴａ、その時点と位置における温度上昇率をｄＴａ／ｄｔとした場合、前記スイッチ装置が前記電源装置からの電流を遮断可能な遮断応答時間をＴｄ、Ｋを絶対温度と設定した場合、前記電流遮断時点における酸化物超電導導体の温度Ｔｓを、Ｔｓ＝Ｔａ＋ｄＴａ／ｄｔ×Ｔｄから算出し、Ｔｓ≦５００Ｋとなる条件を満たすように前記電源装置からの通電を遮断することを特徴とする超電導装置の保護運転方法。
【請求項２】
前記安定化層について室温から前記酸化物超電導層の臨界温度より下の運転温度域までにいたる温度と抵抗値の関連性を示す温度−抵抗特性を測定して把握しておき、前記最低電圧計測後の電圧を温度に換算して前記温度上昇率ｄＴａ／ｄｔを求めることを特徴とする請求項１に記載の超電導装置の保護運転方法。
【請求項３】
テープ状の基材と、該基材上に設けられた中間層と酸化物超電導層と、該酸化物超電導層上に設けられた安定化層とを備えてなる積層構造の酸化物超電導導体と、この酸化物超電導導体の酸化物超電導層に通電するための電源装置と、この電源装置から前記酸化物超電導導体の酸化物超電導層への通電を制御するスイッチ装置を備え、
前記酸化物超電導層上に積層されている安定化層の表面に酸化物超電導導体の長さ方向に沿って所定の間隔をあけて規定した基準測定エリアと、先の所定の間隔よりも長い第１の間隔をあけて前記基準測定エリアを挟むように規定した第１測定エリアとを少なくとも
区画し、前記基準測定エリア両端部の電圧または前記第１測定エリア両端部の電圧を測定する電圧測定器を備え、
前記基準測定エリア両端部の電圧または前記第１測定エリア両端の電圧について電圧測定器が検知可能な最低電圧をＶｄに設定し、前記酸化物超電導導体を臨界温度以下に冷却し前記電源装置から通電している場合、前記最低電圧Ｖｄを検知した時点と位置における前記酸化物超電導導体の温度をＴａ、その時点と位置における温度上昇率をｄＴａ／ｄｔとした場合、前記スイッチ装置が前記電源装置からの電流を遮断可能な遮断応答時間をＴｄ、Ｋを絶対温度と設定した場合、前記電流遮断時点における酸化物超電導導体の温度Ｔｓを、Ｔｓ＝Ｔａ＋ｄＴａ／ｄｔ×Ｔｄから算出し、Ｔｓ≦５００Ｋとなる条件を満たすように前記電源装置からの通電を前記スイッチ装置により遮断する制御装置を具備したことを特徴とする超電導装置。
【請求項４】
前記安定化層について室温から前記酸化物超電導層の臨界温度より下の運転温度域までにいたる温度と抵抗値の関連性を示す温度−抵抗特性を測定して前記制御装置に記憶しておき、前記最低電圧計測後の電圧を温度に換算して前記温度上昇率ｄＴａ／ｄｔを求める機能を前記制御装置に備えたことを特徴とする請求項３に記載の超電導装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導装置の保護運転方法と超電導装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年になって発見された希土類系酸化物超電導体（ＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−Ｘ：ＲＥはＹを含む希土類元素）は、液体窒素温度で超電導性を示し、電流損失が低いため、実用上極めて有望な高温超電導体として研究されており、これを線材に加工して電力供給用の高温超電導線ケーブルあるいは磁場発生用の高温超電導コイルなどとして使用することが要望されている。また、この種の酸化物超電導体を線材に加工するための方法として、強度が高く、耐熱性もあり、線材に加工することが容易な金属を長尺のテープ状に加工し、このテープ状の金属基材上に中間層を介し酸化物超電導層を形成する方法が研究されている。
【０００３】
上述の高温超電導体を用いた高温超電導ケーブルは、高価な液体ヘリウムを必要とする低温超電導体のケーブルと比べ、安価な液体窒素で運用することができ、送電時のエネルギー損失を低減できる有望な技術として研究開発が進められている。
前記液体ヘリウムにより冷却して使用する低温超電導体は、臨界温度が１０Ｋ以下と低く、運転温度も４Ｋ程度であり、極めて低温で使用するため、比熱が小さい特徴がある。このため、低温超電導体を用いた超電導コイルにあっては、その一部に何らかの原因で超電導状態から常電導転移が生じると、常電導転移した部分において常電導転移に伴うジュール熱が発生し、該当部分とその周囲部分の温度が上昇し、超電導体の臨界電流が低下し、結果的に他の部分においても発熱が生じ、温度が上昇するという現象を繰り返し、急激に常電導転移（クエンチ）が発生する。従って、低温超電導体を冷却しながら通電使用する場合にあっては、常電導転移により発生した電圧を検知するか、または、バランス電圧を検知することでこれらクエンチの検出を行う手法が知られている。
【０００４】
しかし、Ｂｉ系やＹ系に代表されるような臨界温度が１００Ｋ程度の高温超電導体は、冷凍機などの消費電力を軽減可能な運転温度として知られる２０Ｋ程度以上の温度で使用することが想定されている。従って、高温超電導体を低温超電導体と比較すると、運転状態での比熱が大きく、常電導転移した際の伝搬速度が遅いため、従来の低温超電導体用の測定技術によるクエンチの検出技術では高温超電導体のクエンチを良好には検出できない可能性があると指摘されている。
例えば、低温超電導体は、４Ｋで運転中に常電導転移が生じると、数１０ｍ〜１００ｍ／秒もの速度で常電導転移が伝播するとされているので、低温超電導体は自身の温度が上がる前に常電導状態に転移してしまうのに対し、本発明者の知見によれば、高温超電導体に部分的に常電導転移を生じると、常電導転移した領域が徐々に広がり、その間に高温超電導体は温度上昇することがわかっている。
【０００５】
従来、高温超電導体からなる超電導機器の保護装置として、Ｂｉ系の高温超電導体に対する技術が種々開発されており、特許文献１に記載の如く電圧Ｖと電流Ｉの比と、１階微分値ｄＶ／ｄｔと、２階微分値ｄ２Ｖ／ｄｔ２を用いてクエンチの検知を行う技術と高温超電導体の保護技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−４１２７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
先の特許文献１に記載された高温超電導導体のクエンチ検知技術は、Ｂｉ系の酸化物超電導導体における検討結果を反映してなされたものであるが、Ｂｉ系以外であってＹ系などの希土類系酸化物超電導体について、常電導転移に伴う熱管理などを把握して如何にクエンチを検知するかについての技術は、現状では提供されていないのが実情である。
例えば、図８に示す如くＢｉ系の酸化物超電導導体１００は、Ｂｉ系の酸化物超電導層１０１をＡｇのシース材１０２で被覆した状態となるようにロール圧延法などにより製造された構造となっているのに対し、Ｙ系などの希土類系酸化物超電導導体１０３は、例えば図９に示す如く全く異なる構造とされている。
【０００８】
図９に示す酸化物超電導導体１０３は、テープ状の金属基材１０５上に中間層１０６とキャップ層１０７を介し成膜法により酸化物超電導層１０８を積層し、ＡｇやＣｕなどの安定化層１０９、１１０を被覆した積層構造とされるので、図７に示す構造のＢｉ系の酸化物超電導導体１００に対するクエンチ検知技術が、Ｙ系などの希土類系酸化物超電導導体１０３のクエンチ検知に有効であるか否かも検証されていないという背景がある。
【０００９】
また、Ｙ系などの希土類系酸化物超電導導体は、例えば図１０に示す酸化物超電導導体１１１の如く、金属基材１０５、中間層１０６、キャップ層１０７、酸化物超電導層１０８、安定化層１０９、１１０を備えた積層体を形成後、積層体の側面や底面の保護のために安定化層１１２、１１３を更に被覆形成した構造なども検討されているので、図７に示す構造のＢｉ系の酸化物超電導導体１００に対するクエンチ検知技術が図１０に示す構造の希土類系酸化物超電導導体１１１のクエンチ検知に有効であるか否かも知られていない。
【００１０】
本発明は、以上のような従来の実情に鑑みなされたものであり、Ｙ系などの希土類系酸化物超電導導体のクエンチ検知に有効な技術の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の超電導装置の運転方法は、上記課題を解決するために、テープ状の基材と、該基材上に設けられた中間層と酸化物超電導層と、該酸化物超電導層上に設けられた安定化層とを備えてなる積層構造の酸化物超電導導体と、この酸化物超電導導体の酸化物超電導層に通電するための電源装置と、この電源装置から前記酸化物超電導導体の酸化物超電導層への通電を制御するスイッチ装置を備えた超電導装置を運転する際、前記酸化物超電導層上に積層されている安定化層の表面に酸化物超電導導体の長さ方向に沿って所定の間隔をあけて規定した基準測定エリアと、先の所定の間隔よりも長い第１の間隔をあけて前記基準測定エリアを挟むように規定した第１測定エリアとを少なくとも区画し、前記基準測定エリア両端部の電圧または前記第１測定エリア両端部の電圧を測定し、前記基準測定エリア両端部の電圧または前記第１測定エリア両端の電圧について電圧測定器が検知可能な最低電圧をＶｄに設定し、前記酸化物超電導導体を臨界温度以下に冷却し前記電源装置から通電している場合、前記最低電圧Ｖｄを検知した時点と位置における前記酸化物超電導導体の温度をＴａ、その時点と位置における温度上昇率をｄＴａ／ｄｔとした場合、前記スイッチ装置が前記電源装置からの電流を遮断可能な遮断応答時間をＴｄ、前記電流遮断時点における酸化物超電導導体の温度をＴｓ、Ｋを絶対温度と設定した場合、Ｔｓ＝Ｔａ＋ｄＴａ／ｄｔ×Ｔｄ≦５００Ｋとなる条件を満たすように前記電源装置からの通電を遮断することを特徴とする。
【００１２】
本発明の超電導装置の運転方法は、前記安定化層について室温から前記酸化物超電導層の臨界温度より下の運転温度域までにいたる温度と抵抗値の関連性を示す温度−抵抗特性を測定して把握しておき、前記最低電圧計測後の電圧上昇状態から温度に換算して前記温度上昇率ｄＴａ／ｄｔを求めることを特徴とする。  
【００１３】
本発明の超電導装置は、テープ状の基材と、該基材上に設けられた中間層と酸化物超電導層と、該酸化物超電導層上に設けられた安定化層とを備えてなる積層構造の酸化物超電導導体と、この酸化物超電導導体の酸化物超電導層に通電するための電源装置と、この電源装置から前記酸化物超電導導体の酸化物超電導層への通電を制御するスイッチ装置を備え、前記酸化物超電導層上に積層されている安定化層の表面に酸化物超電導導体の長さ方向に沿って所定の間隔をあけて規定した基準測定エリアと、先の所定の間隔よりも長い第１の間隔をあけて前記基準測定エリアを挟むように規定した第１測定エリアとを少なくとも区画し、前記基準測定エリア両端部の電圧または前記第１測定エリア両端部の電圧を測定する電圧測定器を備え、前記基準測定エリア両端部の電圧または前記第１測定エリア両端の電圧について電圧測定器が検知可能な最低電圧をＶｄに設定し、前記酸化物超電導導体を臨界温度以下に冷却し前記電源装置から通電している場合、前記最低電圧Ｖｄを検知した時点と位置における前記酸化物超電導導体の温度をＴａ、その時点と位置における温度上昇率をｄＴａ／ｄｔとした場合、前記スイッチ装置が前記電源装置からの電流を遮断可能な遮断応答時間をＴｄ、前記電流遮断時点における酸化物超電導導体の温度をＴｓと、Ｋを絶対温度と設定した場合、Ｔｓ＝Ｔａ＋ｄＴａ／ｄｔ×Ｔｄ≦５００Ｋとなる条件を満たすように前記電源装置からの通電を前記スイッチ装置により遮断する制御装置を具備したことを特徴とする。
【００１４】
本発明の超電導装置は、前記安定化層について室温から前記酸化物超電導層の臨界温度より下の運転温度域までにいたる温度と抵抗値の関連性を示す温度−抵抗特性を測定して前記制御装置に記憶しておき、前記最低電圧計測後の電圧上昇状態から温度に換算して前記温度上昇率ｄＴａ／ｄｔを求める機能を前記制御装置に備えたことを特徴とする。  
【発明の効果】
【００１５】
本発明の保護運転方法と超電導装置によれば、基材上に中間層と酸化物超電導層と安定化層を積層した構造の希土類系の酸化物超電導導体に対し、安定化層の表面に基準測定エリアとそれを囲む第１測定エリアを区画し、超電導状態の超電導層に通電している際、何らかの原因により酸化物超電導導体の一部に常電導転移が生じた場合、電圧測定器の測定可能な最低電圧を検知した時点での温度Ｔａとして、この温度に対し、温度上昇率に電源装置からの遮断応答時間を掛けた値を加算して５００Ｋ以上とならないように運転し、この条件から外れる場合は電源装置からの通電を遮断することで、酸化物超電導導体がクエンチした場合に酸化物超電導層が損傷するような温度上昇を加えないようにすることができる保護運転方法と超電導装置を提供できる。
【００１６】
また、本発明によれば、安定化層の温度−抵抗特性を臨界温度〜運転温度域まで計測しておき、常電導転移が生じて常電導転移部分に電圧が生じた場合、この生じた電圧を温度−抵抗特性から換算して温度上昇率に換算するので、安定化層の上に基準測定領域と第１の測定領域を区画してそれらに発生する電圧をモニターすることで、常電導転移を検知して電源装置からの通電を遮断することができ、酸化物超電導導体がクエンチした場合に酸化物超電導層が損傷するような温度上昇を加えないようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係る超電導装置に備えられる酸化物超電導導体の一例構造を示す概略断面図。
【図２】図１に示す酸化物超電導導体に接続された電圧測定器と電源装置並びに制御装置を示す概略構成図。
【図３】図２に示す酸化物超電導導体と電圧測定器と電源装置並びに制御装置を組み込んでなる超電導装置の一例を示す構成図。
【図４】図３に示す超電導装置に組み込まれた酸化物超電導導体とそれに区画された測定エリアの一例を示す構成図。
【図５】図３に示す超電導装置を用いて実施例において計測した酸化物超電導導体のクエンチ発生時の時間毎の電圧挙動測定結果の一例を示す線図。
【図６】図４に示す電圧挙動を基に時間と温度の関係を実施例において求めた結果の一例を示す線図。
【図７】実施例で用いた安定化層の温度−抵抗特性の測定結果を示す線図。
【図８】従来のＢｉ系酸化物超電導導体の一例構造を示す部分断面図。
【図９】従来の希土類系酸化物超電導導体の一例構造を示す部分断面図。
【図１０】従来の希土類系酸化物超電導導体の他の例の構造を示す部分断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明に係る超電導装置およびその運転方法の第１実施形態について図面に基づいて説明する。
図１は本発明に係る超電導装置に備えられる希土類系酸化物超電導導体の一例構造を示す概略断面図であり、この酸化物超電導導体に図２に示す如く複数の測定点が規定され、それらが図３に示す超電導装置に組み込まれている。
図１に示す本実施形態の酸化物超電導導体１は、テープ状の長尺の金属製の基材２の上に、拡散防止層３とベッド層４と第１の中間層５と第２の中間層（キャップ層）６と酸化物超電導層７と第１の安定化層８と第２の安定化層９を積層した構成とされている。なお、本発明において拡散防止層３とベッド層４は必須ではなく、場合によってはこれらの一方あるいは両方を略しても良い。
【００１９】
前記基材２は、通常の超電導線材の基材として使用することができ、高強度であれば良く、長尺のケーブルとするためにテープ状であることが好ましく、耐熱性の金属からなるものが好ましい。例えば、ステンレス鋼、ハステロイ等のニッケル合金等の各種金属材料、もしくはこれら各種金属材料上にセラミックスを配したもの、等が挙げられる。各種耐熱性の金属の中でも、ニッケル合金が好ましい。なかでも、市販品であれば、ハステロイ（米国ヘインズ社製商品名）が好適であり、ハステロイとして、モリブデン、クロム、鉄、コバルト等の成分量が異なる、ハステロイＢ、Ｃ、Ｇ、Ｎ、Ｗ等のいずれの種類も使用できる。基材３の厚さは、目的に応じて適宜調整すれば良く、通常は、１０〜５００μｍの範囲とすることができる。
【００２０】
前記拡散防止層３は、基材２の構成元素拡散を防止する目的で形成されたもので、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３、「アルミナ」とも呼ぶ）、あるいは、ＧＺＯ（Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７）等から構成され、その厚さは例えば１０〜４００ｎｍである。拡散防止層３の厚さが１０ｎｍ未満となると、基材２の構成元素の拡散を十分に防止できなくなる虞がある。一方、拡散防止層３の厚さが４００ｎｍを超えると、拡散防止層３の内部応力が増大し、これにより、他の層を含めて全体が基材２から剥離しやすくなる虞がある。また、拡散防止層３の結晶性は特に問われないので、通常のスパッタ法等の成膜法により形成すれば良い。
ベッド層４は、耐熱性が高く、界面反応性を低減するためのものであり、その上に配される膜の配向性を得るために用いる。このようなベッド層４は、例えば、イットリア（Ｙ２Ｏ３）などの希土類酸化物であり、組成式（α１Ｏ２）２ｘ（β２Ｏ３）（１−ｘ）で示されるものが例示できる。より具体的には、Ｅｒ２Ｏ３、ＣｅＯ２、Ｄｙ２Ｏ３、Ｅｒ２Ｏ３、Ｅｕ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３等を例示することができる。このベッド層４は、例えばスパッタリング法等の成膜法により形成され、その厚さは例えば１０〜１００ｎｍである。また、ベッド層４の結晶性は特に問われないので、通常のスパッタ法等の成膜法により形成すれば良い。
【００２１】
第１の中間層５は、単層構造あるいは複層構造のいずれでも良く、その上に積層されるキャップ層としての第２の中間層６の結晶配向性を制御するために２軸配向する物質から選択される。第１の中間層５の好ましい材質として具体的には、Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７、ＭｇＯ、ＺｒＯ２−Ｙ２Ｏ３（ＹＳＺ）、ＳｒＴｉＯ３、ＣｅＯ２、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｚｒ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３等の金属酸化物を例示することができる。
この第１の中間層５をＩＢＡＤ（Ion-Beam-Assisted Deposition）法により良好な結晶配向性（例えば結晶配向度１６゜以下）で成膜するならば、その上に形成する第２の中間層６の結晶配向性を良好な値（例えば結晶配向度５゜前後）とすることができ、これにより第２の中間層６の上に成膜する酸化物超電導層７の結晶配向性を良好なものとして優れた超電導特性を発揮できる酸化物超電導層７を得るようにすることができる。
例えば、Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７、ＭｇＯ又はＺｒＯ２−Ｙ２Ｏ３（ＹＳＺ）からなる第１の中間層５は、ＩＢＡＤ法における結晶配向度を表す指標であるΔψ（ＦＷＨＭ：半値全幅）の値を小さくできるため、特に好適である。
【００２２】
前記ＩＢＡＤ法による第１の中間層５であれば、目的とする層の構成粒子をスパッタ法により堆積させつつ、所定の入射角度でイオン照射を行うことにより、形成されるスパッタ膜の特定の結晶軸がイオンの入射方向に固定され、結晶のｃ軸が金属基板の表面に対して垂直方向に配向するとともに、結晶のａ軸及びｂ軸が面内において一定方向に配向する。このため、ＩＢＡＤ法によってベッド層４上に形成された第１の中間層５は、高い面内配向度、例えばΔφ＝１２〜１６゜程度を得ることができる。
【００２３】
次に、キャップ層としての第２の中間層６は、上述のように面内結晶軸が配向した第１の中間層５の表面に成膜されることによってエピタキシャル成長し、その後、横方向に粒成長して、結晶粒が面内方向に自己配向し得る材料、であれば特に限定されないが、好ましいものとして具体的には、ＣｅＯ２、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、ＺｒＯ２、Ｈｏ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３等が例示できる。第２の中間層６の材質がＣｅＯ２である場合、第２の中間層６は、Ｃｅの一部が他の金属原子又は金属イオンで置換されたＣｅ−Ｍ−Ｏ系酸化物を含んでいても良い。例えばＣｅＯ２によって構成される第２の中間層６は、上述のように自己配向していることにより、第１の中間層５よりも更に高い面内配向度、例えばΔφ＝４〜６゜程度を得ることができる。
【００２４】
例えば、ＣｅＯ２層は、ＰＬＤ法（パルスレーザ蒸着法）、スパッタリング法等で成膜することができるが、大きな成膜速度を得られる点でＰＬＤ法を用いることが望ましい。ＰＬＤ法によるＣｅＯ２層の成膜条件としては、基材温度約５００〜１０００℃、約０．６〜１００Ｐａの酸素ガス雰囲気中で行うことができる。
ＣｅＯ２層の膜厚は、５０ｎｍ以上であればよいが、十分な配向性を得るには１００ｎｍ以上が好ましい。但し、厚すぎると結晶配向性が悪くなるので、５０〜５０００ｎｍの範囲、より好ましくは１００〜５０００ｎｍの範囲とすることができる。
【００２５】
酸化物超電導層７は高温超電導体として公知のもので良く、具体的には、ＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ（ＲＥはＹ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｒ、Ｇｄ等の希土類元素を表す）なる材質のものを例示できる。この酸化物超電導層７として、Ｙ１２３（ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−Ｘ）又はＧｄ１２３（ＧｄＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−Ｘ）などを例示することができる。
酸化物超電導層７は、スパッタ法、真空蒸着法、レーザ蒸着法、電子ビーム蒸着法、化学気相成長法（ＣＶＤ法）等の物理的蒸着法；熱塗布分解法（ＭＯＤ法）等で積層することができ、なかでも生産性の観点から、ＰＬＤ（パルスレーザー蒸着）法、ＴＦＡ−ＭＯＤ法（トリフルオロ酢酸塩を用いた有機金属堆積法、塗布熱分解法）又はＣＶＤ法を用いることができる。
【００２６】
ここで前述のように、良好な配向性を有する第２の中間層６上に酸化物超電導層７を形成すると、この第２の中間層上に積層される酸化物超電導層７も第２の中間層６の配向性に整合するように結晶化する。よって前記第２の中間層６上に形成された酸化物超電導層７は、結晶配向性に乱れが殆どなく、この酸化物超電導層７を構成する結晶粒の１つ１つにおいては、基材２の厚さ方向に電気を流しにくいｃ軸が配向し、基材２の長さ方向にａ軸どうしあるいはｂ軸どうしが配向している。従って得られた酸化物超電導層７は、結晶粒界における量子的結合性に優れ、結晶粒界における超電導特性の劣化が殆どないので、基材２の長さ方向に電気を流し易くなり、十分に高い臨界電流密度が得られる。
【００２７】
前記酸化物超電導層７の上に積層されている第１の安定化層８はＡｇあるいは貴金属などの良電導性かつ酸化物超電導層７と接触抵抗が低くなじみの良い金属材料からなる層として形成される。なお、第１の安定化層８をＡｇから構成する理由として、酸化物超電導層７に酸素をドープするアニール工程においてドープした酸素を酸化物超電導層７から逃避し難くする性質を有する点を挙げることができる。Ａｇの第１の安定化層８を成膜するには、スパッタ法などの成膜法を採用し、その厚さを１〜３０μｍ程度に形成できる。
第２の安定化層９は、良導電性の金属材料からなることが好ましく、酸化物超電導層７が超電導状態から常電導状態に遷移しようとした時に、第１の安定化層８とともに、超電導層７の電流が転流するバイパスとして機能する。
【００２８】
第２の安定化層９を構成する金属材料としては、良導電性を有するものであればよく、特に限定されないが、銅、黄銅（Ｃｕ−Ｚｎ合金）等の銅合金、ステンレス等の比較的安価なものを用いるのが好ましく、中でも高い導電性を有し、安価であることから銅がより好ましい。銅を用いることにより、材料コストを低く抑えながら第２の安定化層９を厚膜化することが可能となり、事故電流に耐える酸化物超電導導体を安価に得ることができる。第２の安定化層９の厚さは１０〜３００μｍとすることが好ましい。第２の安定化層９は、公知の方法で形成することができ、めっき法、スパッタ法あるいは銅などの金属テープを第１の安定化層８上に半田付けする方法などにより形成することができる。
【００２９】
なお、前記テープ状の基材２の上に拡散防止層３とベッド層４と第１の中間層５と第２の中間層６と酸化物超電導層７と第１の安定化層８と第２の安定化層９を形成した積層構造の酸化物超電導導体１は、通常、その全周を取り囲むようにポリイミドテープなどを重ね巻きしてなる絶縁材料製の保護層を形成し、絶縁構造としてから超電導コイル用などの超電導機器用途に使用される。
【００３０】
本実施形態では、長尺の酸化物超電導導体１において、その長さ方向任意の位置の第２の安定化層９の表面に、図２に示す如く酸化物超電導導体１の長さ方向に沿って所定長さの基準測定エリアＳ０が区画され、その両端部分に基準電圧測定点１０、１１が設置されるとともに、基準測定エリアＳ０の中央部に加熱ヒータ１２が設置されている。また、長尺の酸化物超電導導体１において、基準測定エリアＳ０を含んで酸化物超電導導体１の長さ方向（図２の左右方向）に同等距離拡張するように第１測定エリアＳ１が区画され、その両端部分に第１電圧測定点１７、１８が設置されている。
なお、この加熱ヒータ１２は酸化物超電導導体を超電導状態から常電導状態に強制的に転移させるために設置されているので、通常の例えば超電導コイルの運転等では設置されない。
酸化物超電導導体１に沿って設けるＳ０およびＳ１の距離は任意でよいが、酸化物超電導導体１の接続部分が含まれないように設定することが好ましい。
【００３１】
前記酸化物超電導導体１に対し、基準電圧測定点１０、１１間に発生する電圧Ｖ０と、第１電圧測定点１７、１８間に発生する電圧Ｖ１を個々に測定するための電圧測定器１９が接続されている。前記各測定点１０、１１、１７、１８はそれらに接続される配線１０ａ、１１ａ、１７ａ、１８ａを介して電圧測定装置１９に接続され、各測定点に生じる電圧を計測できるように構成されている。
なお、前記電圧測定器１９は上述のＶ０とＶ１の測定ができるようになっている。また、図２において符号２４で示すものは、第２の安定化層９の表面において基準電圧測定点１０の近傍に設置されて酸化物超電導導体１の温度を計測するための熱電対である。
【００３２】
次に、長尺の酸化物超電導導体１の両端側には接続線２０、２１を介してスイッチ装置２２と電源装置２３とが接続されていて、電源装置２３から酸化物超電導導体１の酸化物超電導層７に通電できるようになっているとともに、必要に応じスイッチ装置２２により電源装置２３から酸化物超電導導体１への通電開始と通電停止を切り替えることができるようになっている。また、これらのスイッチ装置２２と電源装置２３には制御装置２５が接続線２６、２７を介し電気的に接続されていて、制御装置２５によりスイッチ装置２２の入切動作を切り替えることで酸化物超電導導体１の酸化物超電導層７に対する通電の入切を制御できるように構成されている。
【００３３】
次に、図２に示す酸化物超電導導体１、スイッチ装置２２、電源装置２３、制御装置２５は、より具体的には図３に示す構造の超電導装置３０に組み込まれている。
本実施形態の超電導装置３０は、真空容器などの収容容器３１の内部に超電導コイル３２を備え、収容容器３１の内部の超電導コイル３２を臨界温度以下に冷却するための冷凍機３３を備えて構成されている。本実施形態の収容容器３１は、真空ポンプ３４に接続されていて、内部を目的の真空度に減圧できるように構成されている。
【００３４】
超電導コイル３２は、巻胴３６と鍔板３７とからなるボビンに先に説明した酸化物超電導導体１をコイル状に巻回して構成され、巻胴３６の両端側に形成されている鍔板３７を水平向きに巻胴３６を鉛直向きとして収容容器３１の底部側に設置されている。なお、巻胴３６に巻回されているのは、先の積層構造の酸化物超電導導体１を被覆層で覆って絶縁処理したものであるが、図２を基に先に説明した測定点への配線や加熱ヒータの配線などは被覆層から適宜外部に引き出すように延出配線されている。
【００３５】
次に、収容容器３１には、超電導コイル３２の酸化物超電導導体１に通電するための直流の電源装置２３が接続され、この電源装置２３と収容容器３１の内部の酸化物超電導導体１とが接続線２０、２１で接続され、酸化物超電導導体１に電源装置２３から通電できるように構成されている。なお、この形態の電源装置２３にはスイーパー２３ａが付属されていて、酸化物超電導導体１に印加する電流値を段階的に調整しつつ通電試験できるように構成されている。
また、超電導コイル３２において酸化物超電導導体１の基準測定エリアＳ０に設置されている加熱ヒータ１１については、収容容器３１の外部に別途設けられたヒータ用電源３７に接続線３８を介し接続され、このヒータ用電源３７から与えられる電圧値に応じて目的の発熱量でもって酸化物超電導導体１の基準測定エリアＳ０を加熱できるように構成されている。
前記収容容器３１の内部には、超電導コイル３２を構成する酸化物超電導導体１の全体の温度制御のための加熱ヒータ４０と同温度制御のための温度センサ４１とが設けられ、これらは収容容器３１の外部に設けられた温度調節器４２に接続線４２ａでもって電気的に接続されていて、温度調節器４２の制御により酸化物超電導導体１の全体の温度を制御できるように構成されている。
【００３６】
前記収容容器３１の外部には記録装置４３と計測器（データロガー）４４が設置され、これらが接続線４５を介して収容容器３１の内部の酸化物超電導導体１の測定エリアＳ０〜Ｓ１の各測定点１０〜１８に接続され、各測定エリアＳ０〜Ｓ１の電圧を個別に測定して記録できるように構成され、これらの測定結果は計測器４４に接続されたデータ処理装置４６に接続されている。
なお、データ処理装置４６と制御装置２５は接続線４７により電気的に接続されていて、制御装置２５においてデータ処理する際、データ処理装置４６が記憶している各測定エリアＳ０〜Ｓ３の電圧測定結果を参照できるように構成されるとともに、接続線４７は温度調節器４２にも接続されている。
以上の構成により、制御装置２５は直流電源２３の作動制御とヒータ用電源３７の作動制御と温度調節器４２の作動制御もできるように構成されている。
【００３７】
次に、図３に示す構成の超電導装置３０を用いて酸化物超電導導体１のクエンチ時の温度挙動、電圧挙動を評価し、運転する方法について以下に説明する。
超電導装置３０を運転して評価を行う前の準備として、先の構造の酸化物超電導導体１に適用されている第２の安定化層９と同等幅で同等厚みの銅テープであって、第２の安定化層９を第１の安定化層上に固着するために用いられたＳｎ半田めっきと同じＳｎ半田めっき付きの銅テープを用意し、このＳｎ半田めっき付きの銅テープを冷却しながら通電する試験を別途行い、該当する酸化物超電導層７の臨界温度より低い実使用時の運転温度域までの銅テープに対する温度−抵抗特性を測定しておく。
これは、超電導装置３０を用いて酸化物超電導導体１に通電試験を行う際、酸化物超電導層７が超電導状態になると、抵抗が０となり、第２の安定化層９の抵抗を測定できなくなるためである。例えば酸化物超電導導体１を運転しようとする温度が７７Ｋであれば、酸化物超電導層７を構成する希土類系酸化物超電導体の臨界温度〜７７Ｋまでの温度−抵抗特性を測定するものとし、酸化物超電導導体１を運転しようとする温度が５０Ｋであれば、酸化物超電導層７を構成する希土類系酸化物超電導体の臨界温度〜５５Ｋまでの温度−抵抗特性を測定するものとし、酸化物超電導導体１を運転しようとする温度が２０Ｋであれば、酸化物超電導層７を構成する希土類系酸化物超電導体の臨界温度〜２０Ｋまでの温度−抵抗特性を測定するものとする。これらの温度−抵抗特性を測定してその結果を制御装置２５のメモリに記憶させておく。
【００３８】
この後、前記超電導装置３０の冷凍機３３を作動させて温度調節器４２の制御の基で酸化物超電導導体１の温度を室温から９０Ｋまで徐々に下降する。この際、酸化物超電導導体１の安定化層９に電源装置２３から通電しておき、室温〜９０Ｋまでの温度−抵抗特性を測定する。酸化物超電導導体１は希土類系酸化物超電導体からなる酸化物超電導層７を有するので、その臨界温度９０Ｋまでは絶縁体であり、臨界温度以下にまで冷却されると抵抗が０となり超電導電流が流れるようになる。従って、室温〜９０Ｋまでの温度域では酸化物超電導導体１に流した電流は殆ど全部が安定化層９を流れ、安定化層９は銅からなるので、抵抗があり、この抵抗値は温度の下降に応じて変化するので、温度と抵抗の関係として計測しておく。
【００３９】
次に、超電導装置３０の酸化物超電導導体１を臨界温度以下の目的とするべき運転温度、例えば７７Ｋ、５０Ｋあるいは２０Ｋの一定温度に維持したまま通電する定常運転を行い、酸化物超電導導体１に目的の超電導電流が流れることを確認する。
この後、制御装置２５によりヒータ用電源３７を作動させて加熱ヒータ１２を作動させ、酸化物超電導導体１の安定化層９を加熱してその下の酸化物超電導層７を常電導状態に転移させる。酸化物超電導層７を部分的に常電導転移させると、酸化物超電導層７の常電導転移した部分は酸化物超電導層７に沿って徐々に伝搬して広がり、その伝搬状態に合わせて基準測定エリアＳ０、第１測定エリアＳ１に抵抗が生じるようになる。
【００４０】
図５に示すグラフは後述する実施例において、特定厚さの銅の安定化層を備えた酸化物超電導導体１を７７Ｋに冷却し酸化物超電導層７に１００Ａ通電している状態から、加熱ヒータに通電して基準測定エリアＳ０の酸化物超電導層７を常電導状態に強制的に転移（クエンチ）させた場合、時間経過とともに第１測定エリアの電圧Ｖ１の電圧が上昇する状態を示している。
図５に示すグラフから時間経過後、各測定エリアＶ０、Ｖ１のいずれにおいても徐々に電圧値が大きくなっていることが分かる。このように酸化物超電導層７の一部に一端常電導転移が生じると、常電導転移は止まることなく確実に酸化物超電導導体１の長さ方向に伝播する。ここで、加熱ヒータへの通電を停止しても、常電導転移は止まることなく確実に酸化物超電導導体１の長さ方向に伝播する。
この後、制御装置２５は、先に測定してメモリに記憶しておいた室温〜９０Ｋまでの温度−抵抗特性の測定結果、９０Ｋ〜運転温度、例えば５０Ｋ、２０Ｋまでの温度−抵抗特性の測定結果と参照し、図５の縦軸の電圧を図６に示すように温度に換算して例えば第１測定エリアＳ１の電圧Ｖ１を図６に示すグラフとして表示する。なお、先に測定してメモリに記憶しておいた室温〜９０Ｋまでの温度−抵抗特性の測定結果の一例を図７に示す。
【００４１】
ここで、酸化物超電導導体１に通電してクエンチが発生し、この場合に酸化物超電導導体１への通電を停止する装置を設計する場合、超電導状態であって抵抗が０の場合から、抵抗が生じて常電導状態になっていることを検知するための電圧測定装置では一般的には電圧最小検出感度を０．０１ｍＶとすることができる。従って、超電導状態であって抵抗が０の状態から０．０１ｍＶの電圧が発生した時点を常電導転移した時点と見極め、図５では横軸の時間軸の０点としている。
【００４２】
次に、酸化物超電導導体１のクエンチ時にそれを電圧で検出するとして、電圧検出器１９が超電導状態から確実に電気の流れを生じたと認識できる電位差は余裕を見て０．１Ｖ程度であるので、図５のグラフにおいて０．１Ｖとなる時間が４．１秒となり、図６において４．１秒では温度換算値１３５Ｋとなる。
この時点における１００ｍｓｅｃのあたりの上昇温度は後述の実施例の如く例えば３Ｋとなるが、電源装置２３を制御装置２５が停止させて通電を停止するまでの時間は、現状の技術において、３００ｍｓｅｃ程度必要であるので、３００ｍｓｅｃ程度の時間経過後、常電導転移した部分は、１３５Ｋ＋３Ｋ×３の関係式から、１４４Ｋに温度上昇することになる。
ここで、上述の積層構造とされた希土類系の酸化物超電導体からなる酸化物超電導層７にあっては、酸化物超電導導体１を２５０℃以上の恒温槽に投入して高温環境に設置すると、酸化物超電導層７の結晶から酸素が抜け易くなり、あるいは、基材側の構成元素が酸化物超電導層７側に拡散して超電導特性が劣化するなどの知見が得られているので、上述の如く１４４Ｋに温度上昇しても酸化物超電導層７は劣化しない。
従って、前記特定厚さの銅の安定化層を備えた酸化物超電導導体１にあっては、仮に何らかの要因により常電導転移を起こしても、酸化物超電導層７が劣化するおそれは少ないと評価できる。
【００４３】
これに対し、先に用いた酸化物超電導導体１よりも薄い銅の安定化層を備えた酸化物超電導導体を用い、常電導転移が生じて銅の安定化層に電流がバイパスされた場合、銅の厚みが不十分な場合は、安定化層における発熱量が多くなる結果、安定化層に接触している酸化物超電導層７の温度上昇率が高くなり、先の例と同じように０．１Ｖ電位差に電圧が到達した時点から、３００ｍｓｅｃ後に電流を遮断したとしても、酸化物超電導層７が５００Ｋを超える温度に上昇すると、酸化物超電導層７の熱劣化のおそれが大きくなる。
このように酸化物超電導導体１を把握して評価するならば、常電導転移した場合を想定して温度上昇を予測し、酸化物超電導層７の熱履歴として酸化物超電導導体が劣化しないような安定化層の厚さを決定することができ、常電導転移しても、電源装置２３から上述の条件で通電停止しておけば、酸化物超電導層７が熱劣化することのない酸化物超電導導体を得ることができる。
【００４４】
上述の超電導装置３０を用いて図５に示す如く電圧挙動を測定し、温度−抵抗値の関係から電圧を温度に換算し、電圧挙動のグラフを温度換算し、そこから０．１Ｖ時到達温度（Ｔａ：Ｋ）を求め、１００ｍｓｅｃあたりの温度上昇（ｄＴａ／ｄｔ）を求め、電圧測定装置が電圧発生を検知して電源装置からの通電を停止させることは、以下の関係式に合致するように超電導装置３０を運転することになる。
【００４５】
即ち、テープ状の基材２と、該基材上に設けられた中間層５、６と酸化物超電導層７と、該酸化物超電導層上に設けられた安定化層８、９とを備えてなる積層構造の酸化物超電導導体１と、この酸化物超電導導体１の酸化物超電導層７に通電するための電源装置２３と、この電源装置２３から前記酸化物超電導導体１の酸化物超電導層７への通電を制御するスイッチ装置２２を備えた超電導装置３０を運転する際、
前記酸化物超電導層７上に積層されている安定化層９の表面に酸化物超電導導体１の長さ方向に沿って所定の間隔をあけて規定した基準測定エリアＳ０と、先の所定の間隔よりも長い第１の間隔をあけて前記基準測定エリアＳ０を挟むように規定した第１測定エリアＳ１とを区画し、前記第１測定エリアＳ１両端部の電圧を測定し、
前記第１測定エリア両端の電圧について電圧測定装置１９が検知可能な最低電圧をＶｄに設定し、前記酸化物超電導導体１を臨界温度以下に冷却し前記電源装置２３から通電している場合、前記最低電圧Ｖｄを検知した時点と位置における前記酸化物超電導導体１の温度をＴａ、その時点と位置における温度上昇率をｄＴａ／ｄｔとした場合、前記スイッチ装置２２が前記電源装置２３からの電流を遮断可能な遮断応答時間をＴｄ、前記電流遮断時点における酸化物超電導導体の温度をＴｓ、Ｋを絶対温度と設定した場合、
Ｔｓ＝Ｔａ＋ｄＴａ／ｄｔ×Ｔｄ≦５００の条件を満たすようであると酸化物超電導層７の劣化を防止することができる。  
【実施例】
【００４６】
ハステロイＣ２７６（米国ヘインズ社商品名）からなる幅１０ｍｍ、厚さ０.１ｍｍのテープ状の基材上にＡｌ２Ｏ３からなる厚さ１００ｎｍの拡散防止層とＹ２Ｏ３からなる厚さ３０ｎｍのベッド層と、イオンビームアシストスパッタ装置を用いてＩＢＡＤ法により得られた厚さ５〜１０ｎｍのＭｇＯの第１の中間層と、パルスレーザー蒸着法（ＰＬＤ法）を用いてＭｇＯの配向層上に形成されたＣｅＯ２の厚さ５００ｎｍのキャップ層と、パルスレーザー蒸着法により得られたＧｄＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘの厚さ１μｍの酸化物超電導層と、スパッタ法により得られた厚さ８μｍのＡｇの第１の安定化層と、片面半田（厚さ５μｍ）付きの銅テープ（厚さ０．１ｍｍ）の貼り合わせにより得られた第２の安定化層からなる積層構造の酸化物超電導導体を用意した。
前記構造の酸化物超電導導体１を巻胴３６に巻き付けて超電導コイルを構成し、一部被覆を除去して図４に示す如く第２の安定化層９の表面に加熱ヒータ１２を取り付け、各測定点１０、１１、１７、１８を規定した。
本実施例において、基準測定エリアＳ０の長さを１０ｍｍ、第１測定エリアの長さを３００ｍｍとした。
【００４７】
図３に示す装置において、収容容器の内部を減圧し、冷凍機を作動させて室温〜９０Ｋに温度を下げる際、第２の安定化層に通電しておき、温度−抵抗特性を測定した。
その結果を図７に示す。なお、この温度−抵抗特性については、使用する材料の抵抗率ρから算出して求めることも可能である。
【００４８】
図３に示す超電導装置３０にて７７Ｋの運転温度に設定し、超電導状態として１００Ａ通電し、超電導電流が流れることを確認した後、基準測定エリアに設置した加熱ヒータに通電して基準測定エリアの酸化物超電導導層を常電導転移させ、常電導転移部分の電圧挙動を調査した。
【００４９】
次に、酸化物超電導層が常電状態に転移すると絶縁体になるので、その領域において酸化物超電導導体に印加している電流が全て安定化層に流れたと仮定し、第１の測定エリアの電圧Ｖ１を先に測定した温度−抵抗特性から温度に換算し、温度とした。
なお、温度計測用の熱電対による測定温度は電圧から換算した値とほぼ同じであることを確認した。
測定系の電圧最小感度は０．００１ｍＶであり、電圧発生した時点（＝常電導転移した）を０ｓｅｃとした。各測定点における電圧挙動を図５に示す、縦軸の電圧を温度換算した結果を図６に示す。
【００５０】
図５にＶ０とＶ１の各電圧挙動を示す。図６に先の温度−抵抗特性から図５の縦軸の電圧を温度に換算した結果を示す。
【００５１】
次に以下の表１に酸化物超電導導体の運転温度、酸化物超電導導体の厚さ、第１の安定化層の厚さ（μｍ）、第２の安定化層の厚さ（μｍ）、通電電流（Ａ）、０．１Ｖ時到達温度（Ｔａ：Ｋ）、１００ｍｓｅｃ当たり温度上昇（ｄＴａ／ｄｔ）遮断応答３００ｍｓｅｃ後の温度、遮断後超電導特性劣化の有無、検知可否の結果を示す。
【００５２】
【表１】
0005548549.tif 000002
【００５３】
表１に示す結果から、Ｔｓ＝Ｔａ＋ｄＴａ／ｄｔ×Ｔｄ≦５００Ｋの条件を満たすようであると遮断後超電導特性劣化が生じないことがわかる。
また、表１に示す測定結果から、Ｔｓ＝Ｔａ＋ｄＴａ／ｄｔ×Ｔｄ≦４００Ｋの条件を満たすことがより好ましいと思われる。
更に、表１に示す結果から、電圧測定器が検知可能な電圧Ｖｄは０.０５Ｖ以上であることが好ましい。また、温度上昇率ｄＴａ／ｄｔの値は、１００ｍｓｅｃあたり１００Ｋ以下であることが好ましく、５０Ｋ以下であることがより好ましく、２０Ｋ以下であることが最も好ましい。
なお、表１の結果から、試験例４の試料の如く４００Ａの通電においては第２の安定化層の厚さを０.１ｍｍとすると温度上昇が激しいので、試験例５の如く安定化層の厚さをより厚い０.３ｍｍとすることで、良好な条件にできることがわかる。従って上述の方法を利用すれば、常電導転移を考慮した場合に酸化物超電導導体に必要な安定化層の厚さを検査できる方法として利用できることが判明した。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明は、例えば超電導モータ、限流器など、各種電力機器に用いられる酸化物超電導導体を適用した超電導装置の保護運転方法に利用することができる。
【符号の説明】
【００５５】
１…酸化物超電導導体、２…基材、３…拡散防止層、４…ベッド層、５…第１の中間層、６…第２の中間層、７…酸化物超電導層、８…第１の安定化層、９…第２の安定化層、１０、１１…基準電圧測定点、１２…加熱ヒータ、１３、１４…第１電圧測定点、１５、１６…第２電圧測定点、１７、１８…第３電圧測定点、１９…電圧測定器、Ｓ０…基準測定エリア、Ｓ１…第１測定エリア、２２…スイッチ装置、２３…電源装置、２５…制御装置。
【図１】
0005548549.tif 000003
【図２】
0005548549.tif 000004
【図３】
0005548549.tif 000005
【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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