(57)【要約】【課題】本発明は、超電導線材が仮に常電導転移した場合であっても酸化物超電導線材の焼損を防止できるような運転ができる高温超電導コイルの運転方法の提供を目的とする。【解決手段】本発明は、基材上に中間層と酸化物超電導層と金属安定化層を備えた酸化物超電導線材からなる高温超電導コイルを用い、前記酸化物超電導層に対する通電電流を設定して高温超電導コイルを運転する際、常電導転移時に前記金属安定化層に対する通電電流の分流により生じる発熱により、前記酸化物超電導層の超電導特性を劣化させない最大電流を把握し、この最大電流以下の電流を通電電流として運転することを特徴とする高温超電導コイルの運転方法に関する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材上に中間層と酸化物超電導層と金属安定化層を備えた酸化物超電導線材からなる高温超電導コイルを用い、前記酸化物超電導層に対する通電電流を設定して高温超電導コイルを運転する際、常電導転移時に前記酸化物超電導層を劣化させることなく前記金属安定化層に流し得る最大電流以下の電流を通電電流として運転することを特徴とする高温超電導コイルの運転方法。
【請求項２】
前記常電導転移時に前記金属安定化層に流し得る最大電流に対応する最大電流密度を１７８０Ａ／ｍｍ２以下とする通電電流として運転することを特徴とする請求項１に記載の高温超電導コイルの運転方法。
【請求項３】
前記金属安定化層に前記酸化物超電導線材の常電導転移に伴う５０ｍＶ以上の電圧発生を検出する電圧検出手段を接続し、この電圧検出手段の電圧検出結果に基づいて前記酸化物超電導線材への通電を停止する通電停止手段を接続していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の高温超電導コイルの運転方法。
【請求項４】
前記電圧検出手段の電圧検出結果に基づいて前記酸化物超電導線材への通電を１００ｍｓｅｃ以内に停止する通電停止手段を接続していることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の高温超電導コイルの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は高温超電導コイルの運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＮｂＴｉなどの低温超電導線材を備えた低温超電導コイルは該コイルを構成する低温超電導線材の臨界温度が１０Ｋ以下と低く、運転温度も４Ｋ程度と低い温度であるため、低温超電導コイルは比熱が小さい。このため、低温超電導コイルの一部で何らかの原因により超電導状態から常電導転移が発生すると、常電導転移によるジュール熱の発生→温度上昇→臨界電流の低下→発熱→温度上昇を繰り返すこととなり、急激な常電導転移が発生する。従って、低温超電導コイルを運転する場合、常電導転移により発生した電圧を検知する、あるいは、バランス電圧を検知することにより常電導転移の検出を行う手法が実用化されている。
【０００３】
しかし、Ｙ系に代表されるＲＥ−１２３系超電導線材（ＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏ7−ｘ：ＲＥはＹやＧｄなどを含む希土類元素）のような臨界温度９０Ｋ程度の高温超電導線材は、冷凍機などの消費電力を軽減できる運転温度、例えば２０Ｋ程度で運転することが想定されている。運転温度を２０Ｋと想定すると、高温超電導線材の比熱は大きく、仮に部分的に常電導転位が生じたとしてもその伝搬速度は遅い。また、常電導転位は一般的に局所的に発生するため、高温超電導線材では電圧を発生する十分な長さまで常電導転位が伝搬しないと想定される。このため、従来の低温超電導線材で研究されてきた電圧測定による常電導転移の検出方法を利用しても、高温超電導線材の常電導転移は良好に検出できない可能性が高いと指摘されている。
【０００４】
従来から、高温超電導線材の常電導転移検出方法の一例として、Ｂｉ系超電導線材（Ｂｉ２Ｓｒ２ＣａＣｕ２Ｏ８＋δ：Ｂｉ２２１２、Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏ１０＋δ：Ｂｉ２２２３）を用いた超電導コイルに対する保護装置が研究されている。例えば、高温超電導コイルの全電圧または一部の電圧を全域若しくは各領域間の差となる電圧部Ｖを検出する電圧検出器と、高温超電導コイルを流れる電圧Ｉを検出する電流検出器を備えた保護装置が知られている（特許文献１参照）。
この保護装置には、電流Ｉと電圧Ｖとの比、Ｖ／Ｉに基づき、高温超電導コイルの保護動作を行う保護装置と電流遮断器と転流回路としての保護抵抗が備えられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−０４１２７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
先の特許文献１に記載の保護装置は、電流Ｉと電圧Ｖとの比、Ｖ／Ｉの他に、１階微分値ｄＶ／ｄｔを監視して高温超電導コイルの異常を判断する機能と、２階微分値ｄ２Ｖ／ｄｔ２を監視して高温超電導コイルの異常を判断する機能を備え、検査精度を向上させている。
しかし、特許文献１に記載の保護装置は、Ｂｉ系酸化物超電導線材を備えた超電導コイルについて検討した結果を反映した技術であり、この技術を構造が異なるＲＥ１２３系の酸化物超電導線材を備えた高温超電導コイルについて適用できるか否かは不明である。加えて、ＲＥ１２３系の酸化物超電導線材は、テープ状の基材上に中間層と酸化物超電導層を積層した構造であり、酸化物超電導層の上に金属安定化層を被覆した構造とされているが、現状ではこの金属安定化層の厚さの選定方法も確立されていない。特に、ＲＥ１２３系の酸化物超電導線材において金属安定化層をどの程度の厚さとしてどの程度の運転電流とするならば、常電導転移した場合に酸化物超電導線材の焼損を防止できるか否かについての議論が未だ十分にはなされていない状況である。
【０００７】
本発明は、前記事情に鑑みなされたもので、酸化物超電導線材が仮に常電導転移した場合であっても酸化物超電導線材の焼損を防止できるような運転ができる高温超電導コイルの運転方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る高温超電導コイルの運転方法は、基材上に中間層と酸化物超電導層と金属安定化層を備えた酸化物超電導線材からなる高温超電導コイルを用い、前記酸化物超電導層に対する通電電流を設定して高温超電導コイルを運転する際、常電導転移時に前記酸化物超電導層を劣化させることなく前記金属安定化層に流し得る最大電流以下の電流を通電電流として運転することを特徴とする。
常電導転移時に金属安定化層に生じる抵抗発熱によって酸化物超電導層の特性を劣化させない最大電流以下の通電電流で高温超電導コイルを運転するので、万が一、常電導転移を生じて金属安定化層に通電電流が流れた場合であっても、酸化物超電導層の特性が劣化しない。よって、金属安定化層を備えた酸化物超電導線材からなる高温超電導コイルを安全に運転できる。
【０００９】
本発明に係る高温超電導コイルの運転方法は、前記常電導転移時に前記金属安定化層に流し得る最大電流に対応する最大電流密度を１７８０Ａ／ｍｍ２以下とする通電電流として運転することを特徴とする。
常電導転移時に金属安定化層に流れる最大電流密度を１７８０Ａ／ｍｍ２以下とする通電電流として高温超電導コイルを運転しているので、万が一、常電導転移を生じて酸化物超電導層が常電導状態となり、金属安定化層に通電電流が流れた場合であっても、酸化物超電導層の特性が劣化しない。よって、金属安定化層を備えた酸化物超電導線材からなる高温超電導コイルを安全に運転できる。
【００１０】
前記金属安定化層に前記酸化物超電導線材の常電導転移に伴う５０ｍＶ以上の電圧発生を検出する電圧検出手段を接続し、この電圧検出手段の電圧検出結果に基づいて前記酸化物超電導線材への通電を停止する通電停止手段を接続していることを特徴とする。
常電導転移の際、５０ｍＶ以上の電圧発生を検出し、酸化物超電導線材への通電を停止することにより、酸化物超電導線材の超電導特性を損なうことなく運転停止できる。常電導転移に伴い金属安定化層に電流が流れ、金属安定化層の抵抗発熱が生じたとしても、５０ｍＶ以上の電圧発生を検出することにより、発熱による酸化物超電導層の特性劣化前に通電停止できる。このため、常電導転移が発生した後に再度酸化物超電導線材に通電して支障なく利用することができる。即ち、高温超電導コイルの安全な運転ができる。
【００１１】
本発明に係る高温超電導コイルの運転方法は、前記電圧検出手段の電圧検出結果に基づいて前記酸化物超電導線材への通電を１００ｍｓｅｃ以内に停止する通電停止手段を接続していることを特徴とする。
常電導転移時に、５０ｍＶ以上の電圧発生を検出し、酸化物超電導線材への通電を１００ｍｓｅｃ以内に停止することにより、酸化物超電導層の超電導特性を損なうことなく運転停止できる。常電導転移に伴い金属安定化層に電流が流れ、常電導転移に伴い金属安定化層の抵抗発熱が生じたとしても、５０ｍＶ以上の電圧発生を検出し、１００ｍｓｅｃ以内に通電停止することにより酸化物超電導層の特性が劣化する前に確実に通電停止できる。このため、常電導転移後に再度酸化物超電導線材に通電して支障なく利用することができる。即ち、高温超電導コイルの安全な運転ができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、常電導転移時に金属安定化層に生じる抵抗発熱によって酸化物超電導層の超電導特性を劣化させない通電電流で高温超電導コイルを運転するので、万が一、常電導転移を生じて酸化物超電導層が常電導状態となり、金属安定化層に通電電流が流れた場合であっても、酸化物超電導層の劣化を生じないように高温超電導コイルを運転することができる。よって、高温超電導コイルを安全に運転できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１（Ａ）は本発明に係る高温超電導コイルに備えられる酸化物超電導線材の一例構造を示す概略断面図、図１（Ｂ）は同酸化物超電導線材が巻胴に巻回されてなる高温超電導コイルの一例構造を示す側面図。
【図２】図１に示す酸化物超電導線材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１に示す酸化物超電導線材と同等構造の模擬酸化物超電導線材からなる高温超電導コイル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。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に適用する高温超電導コイル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き説明する。
図１（Ａ）は本発明に適用する高温超電導コイルを構成するための酸化物超電導線材の一例構造を示す概略断面図であり、この酸化物超電導線材１を用いて図１（Ｂ）に示す高温超電導コイル２９を構成し、この高温超電導コイル２９を運転対象とする場合について以下に説明する。
運転対象の高温超電導コイル２９の安全な運転電流を求めるためには、この酸化物超電導線材と同等構造の模擬酸化物超電導線材に図２に示す如く複数の測定点を規定し、これら複数の測定点を規定した模擬酸化物超電導線材を図３に示す超電導装置３０に組み込み試験することで求められる。
【００１５】
図１（Ａ）に示す本実施形態の酸化物超電導線材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と配向層５とキャップ層６と酸化物超電導層７と第１の金属安定化層８と第２の金属安定化層９を積層した構成とされている。なお、本実施形態において拡散防止層３とベッド層４と配向層５とキャップ層６から中間層Ｔが構成され、この実施形態では基材２上に中間層Ｔを介し酸化物超電導層７が積層されている。なお、中間層Ｔ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。
なお、図１（Ａ）に示す酸化物超電導線材１は、本発明の特徴をわかりやすくするため、便宜上、各層の厚さを誇張して記載しているが、本実施形態の酸化物超電導線材１は全体として薄いテープ形状とされている。また、以下の実施形態を示す各図においても本発明の特徴をわかりやすくするため、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
【００１６】
前記基材２は、長尺とするためにテープ状であることが好ましく、ハステロイ（米国ヘインズ社製商品名）に代表されるニッケル合金などの耐熱性に優れた高強度の金属材料からなる。なかでも、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。また、基材２として、ニッケル合金に集合組織を導入した配向Ｎｉ−Ｗ合金テープ基材を適用することもできる。基材２の厚さは、目的に応じて適宜調整すれば良く、１０〜５００μｍの範囲とすることができる。
【００１７】
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）、ＧＺＯ（Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７）等から構成され、スパッタ法などの成膜法により例えば厚さ１０〜４００ｎｍに形成される。
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、その上に形成される膜の配向性を得るために用いる。ベッド層４は、Ｙ２Ｏ３、Ｅｒ２Ｏ３、ＣｅＯ２、Ｄｙ２Ｏ３、Ｅｒ２Ｏ３、Ｅｕ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３等からなる。ベッド層４は、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。
【００１８】
配向層５は、その上のキャップ層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形成される。配向層５の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。
この配向層５をＩＢＡＤ（Ion-Beam-Assisted Deposition）法により良好な２軸配向性で成膜するならば、キャップ層６の結晶配向性を良好にすることができ、その上に成膜する酸化物超電導層７の結晶配向性を良好にして優れた超電導特性を発揮できる。
キャップ層６は、上述の配向層５の表面に成膜されて結晶粒が面内方向に自己配向し得る材料からなり、具体的には、ＣｅＯ２、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＹＳＺ、Ｈｏ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３、ＬａＭｎＯ３等からなる。
中でもＣｅＯ２層は、ＰＬＤ法（パルスレーザー蒸着法）、スパッタリング等により大きな成膜速度で形成でき、良好な結晶配向性を得ることができる。キャップ層６の膜厚は５０〜５０００ｎｍの範囲に形成できる。
【００１９】
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Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕのうち１種または２種以上の希土類元素を示す。）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、レーザー蒸着法、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。
【００２０】
第１の金属安定化層８（保護層）はＡｇまたはＡｇ合金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層として形成される。なお、第１の金属安定化層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酸素アニール工程において酸素を酸化物超電導層７側に透過し易くする点を挙げることができる。成膜法により製造する酸化物超電導層の母物質は絶縁体であるが、酸素アニール処理により酸素を取り込むことで結晶構造の整った酸化物超電導層となり、超電導特性を示す。第１の金属安定化層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。
【００２１】
第２の金属安定化層９は、銅、Ｃｕ−Ｚｎ合金、Ｃｕ−Ｎｉ合金等の銅合金、アルミニウムまたはその合金、ステンレス等の比較的安価な導電性の金属材料からなることが好ましい。第２の金属安定化層９は、酸化物超電導層７が超電導状態から常電導状態に転位しようとした時、第１の金属安定化層８とともに、酸化物超電導層７の電流を転流するバイパスとして機能する。また、酸化物超電導線材１を超電導限流器に使用する場合、安定化層は、常電導転移が起こり常電導状態に転移した時に発生する過電流を瞬時に抑制するために用いられる。この用途の場合、第２の金属安定化層９に用いられる材料は、例えば、Ｎｉ−Ｃｒ等のＮｉ系合金等の高抵抗金属が挙げられる。第２の金属安定化層９の厚さは例えば１０〜３００μｍとすることができる。
第２の金属安定化層９を形成するには、例えば上述の材料からなるテープ材の裏面側に接続用のＳｎめっき半田層を形成した安定化テープを用い、第１の金属安定化層８上に第２の金属安定化層９を半田付けするなどの方法により形成できる。あるいは、基材２から第１の金属安定化層８までを形成した積層体の全周をＣｕめっきで被覆して第２の金属安定化層を形成することもできる。または、基材２から第１の金属安定化層８までを形成した積層体を前述の材料からなるテープ材で囲むようにテープ材を塑性加工して第２の金属安定化層を形成することもできる。
【００２２】
以上説明の如く構成された酸化物超電導線材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の絶縁テープを重ね巻きするか、縦添えてなる絶縁保護層を形成し、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。
図１（Ｂ）は酸化物超電導線材１を用いて構成された一例としての高温超電導コイル２９を示し、この例の高温超電導コイル２９は、巻胴３６と鍔板３７とからなるボビン３５に絶縁構造の酸化物超電導線材１が巻回されてなる。この例の高温超電導コイル２９は、酸化物超電導線材１を巻回して構成したパンケーキコイルＰを複数巻胴３６の長さ方向に積層した構造のコイルとされている。図１（Ｂ）に示す高温超電導コイル２９においてパンケーキコイルＰは６つ重ねられ、２つのパンケーキコイルＰを重ねる度にこれらの間に金属円板製の冷却板２８が介装されて構成されている。なお、上述の高温超電導コイル２９は１つの例であるので、本実施形態において適用できる高温超電導コイルは図１（Ｂ）に示す構造に限らず、１本の酸化物超電導線材１を巻胴３６の全体に巻装した構成でも良く、パンケーキコイルＰの積層数も任意の数でよい。
【００２３】
図１（Ｂ）に示す構造の高温超電導コイル２９を運転する場合に安全な運転電流を把握するために本実施形態では、図３に示すように巻胴３６に前述の酸化物超電導線材１と同等構造の模擬酸化物超電導線材１Ａをコイル巻きした構成の模擬高温超電導コイル３２を用いる。本実施形態の模擬酸化物超電導線材１Ａは、酸化物超電導線材１と同等構造の酸化物超電導線材であり、巻胴３６に数周、例えば、３周ほど巻回されてなる。即ち、模擬酸化物超電導線材１Ａは、高温超電導コイル２９を構成する酸化物超電導線材１の一部を切り出して用意した全く同じ構成のものあるいは、酸化物超電導線材１の積層構造と同等の積層構造であり、各層の厚さや必要な超電導特性も同等とした模擬酸化物超電導線材１Ａを用いる。
【００２４】
本実施形態では、図３に示す巻胴３６に巻き付けられた模擬酸化物超電導線材１Ａ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に示す如く模擬酸化物超電導線材１Ａの長さ方向に沿って所定長さの基準測定エリアＳ０を区画し、その両端部分に基準電圧測定点１０、１１を設置するとともに、基準測定エリアＳ０の中央部に加熱ヒーター１２を設置する。また、模擬酸化物超電導線材１Ａにおいて、基準測定エリアＳ０を含んで模擬酸化物超電導線材１Ａ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を区画し、その両端部分に第１電圧測定点１７、１８を設置する。
なお、前記加熱ヒーター１２は模擬酸化物超電導線材１Ａ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。
模擬酸化物超電導線材１Ａに沿って設ける測定エリアＳ０、Ｓ１の距離は任意でよい。
【００２５】
前記模擬酸化物超電導線材１Ａ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とを個々に測定するための電圧測定装置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、前記電圧測定装置１９は上述の電圧Ｖ０、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、基準電圧測定点１０の近傍に設置されて第２の金属安定化層９の表面温度（模擬酸化物超電導線材１の温度）を計測するための熱電対である。
本実施形態の構造において、電圧測定点１０、１１、１７、１８とこれらに接続された配線１０ａ、１１ａ、１７ａ、１８ａと電圧測定装置１９により電圧測定手段が構成されている。この電圧測定手段は、模擬酸化物超電導線材１Ａの金属安定化層８、９に電流が流れた場合に発生する電圧を測定するためのものである。
【００２６】
次に、模擬酸化物超電導線材１Ａの両端側には接続線２０、２１を介してスイッチ装置（通電停止手段）２２と電源装置２３とが接続されていて、電源装置２３から模擬酸化物超電導線材１Ａの酸化物超電導層７に通電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模擬酸化物超電導線材１Ａ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。
【００２７】
次に、図２に示す模擬酸化物超電導線材１Ａ、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に接続されている。
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の内部に模擬高温超電導コイル３２を備え、収容容器３１の内部の模擬高温超電導コイル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。
【００２８】
模擬高温超電導コイル３２は、巻胴３６と鍔板３７とからなるボビンに先に説明した模擬酸化物超電導線材１Ａ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、先の積層構造の模擬酸化物超電導線材１Ａ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ーの配線などは被覆層から適宜外部に引き出すように配線されている。
【００２９】
次に、収容容器３１には、模擬高温超電導コイル３２の模擬酸化物超電導線材１Ａ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の内部の模擬酸化物超電導線材１Ａとが接続線２０、２１で接続され、模擬酸化物超電導線材１Ａ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、この実施形態の電源装置２３には電流制御器２３ａが付属されていて、模擬酸化物超電導線材１Ａ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、模擬高温超電導コイル３２において模擬酸化物超電導線材１Ａの基準測定エリアＳ０に設置されている加熱ヒーター１２については、収容容器３１の外部に別途設けられたヒーター用電源３７に接続線３８を介し接続され、このヒーター用電源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模擬酸化物超電導線材１Ａ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、模擬高温超電導コイル３２を構成する模擬酸化物超電導線材１Ａの全体温度制御のための全体加熱ヒーター４０と同温度制御のための全体温度センサ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の制御により模擬酸化物超電導線材１Ａの全体の温度を制御できるように構成されている。
【００３０】
前記収容容器３１の外部には記録装置４３とデータ収集測定器４４が設置され、これらが接続線４５を介し収容容器３１の内部の模擬酸化物超電導線材１Ａの測定エリアＳ０〜Ｓ１の各測定点１０、１１、１７、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データ収集測定器４４に接続されたデータ処理装置４６に入力される。
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は電源装置２３の作動制御とヒーター用電源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。
【００３１】
次に、図３に示す構成の超電導装置３０を用いて模擬酸化物超電導線材１Ａの常電導転移時の電圧挙動を評価し、高温超電導コイル２９を運転する方法について以下に説明する。
超電導装置３０の模擬酸化物超電導線材１Ａ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、模擬酸化物超電導線材１Ａ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によりヒーター用電源３７を作動させて加熱ヒーター１２を作動させ、模擬酸化物超電導線材１Ａの第２の金属安定化層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。
加熱ヒーター１２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常電導転移させた場合、時間経過とともに基準測定エリアＳ０の電圧Ｖ０が上昇する。
【００３２】
次に、以下に説明するように試験することにより、模擬酸化物超電導線材１Ａにおいて常電導転移時に安定化層８、９にバイパス電流が流れた場合、安定化層８、９が抵抗発熱により温度上昇しても酸化物超電導層７が特性劣化しない限界の最大電流密度を求めることができる。
安定化層の最大電流密度測定のためには、模擬酸化物超電導線材１Ａからなる超電導コイル３２を備えた図３に示す超電導装置３０を用い、図２に示すように模擬酸化物超電導線材１Ａに設けた測定点１０、１１を利用する。
図３に示す超電導装置３０で冷凍機３３の伝導冷却により模擬酸化物超電導線材１Ａの温度を臨界温度以下の所定の温度に維持し、電源装置２３から所定の電流を流して模擬酸化物超電導線材１Ａに安定した超電導電流が流れることを確認する。
【００３３】
その後、加熱ヒーター１２に通電して模擬酸化物超電導線材１Ａの一部を強制的に常電導転移させ、電圧挙動を調査する。図２に示す測定系を利用し、電圧Ｖ０を測定する。
なお、熱電対２４は、熱伝導により電圧からの温度換算と比較して数１００ｍｓｅｃ応答が遅れるが、上述の測定において応答の遅れ以外は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できた。この測定系の電圧最小検出感度は、０．０１ｍｖであり、電圧発生した時点（＝常電導転位した時点）を０ｓｅｃとする。
【００３４】
上述のように発生した電圧が５０ｍＶ〜１００ｍＶに達した時点で電源装置２３のスイッチ装置２２をＯＦＦにする。電源装置２３からの通電をＯＦＦにするまでのごく短い時間、模擬酸化物超電導線材１Ａの第１の金属安定化層８と第２の金属安定化層９に酸化物超電導層６に流れていた通電電流を分流させる。第１の金属安定化層８と第２の金属安定化層９は固有の抵抗を有するので、通電電流により抵抗発熱し、模擬酸化物超電導線材１Ａはこの抵抗発熱により加熱されることとなる。
上述のように通電を停止した後、模擬酸化物超電導線材１Ａの超電導特性劣化の有無を確認する。劣化有無の確認のために、模擬酸化物超電導線材１Ａを再度超電導状態として模擬酸化物超電導線材１Ａの臨界電流値Ｉｃを測定することで確認する。
臨界電流値Ｉｃは、電源装置２３より通電して模擬酸化物超電導線材１Ａに設けた電圧測定点１０、１１あるいは１７、１８を用いた４端子法を実施すれば測定できる。
【００３５】
以上説明のように特定構造の模擬酸化物超電導線材１Ａを用いた図３に示す高温超電導コイル３２を用いて通電試験を行い、加熱ヒーター１２により模擬酸化物超電導線材１Ａの一部を強制的に常電導転移させて通電を停止するまでごく短い時間、第１の金属安定化層８と第２の金属安定化層９に通電試験する測定操作を行うことで、該当する通電電流が高温超電導コイル３２の運転に安全な電流であるのか否か、把握することができる。
模擬酸化物超電導線材１Ａに通電する電流値を種々変更して繰り返し同様の測定操作を行い、いずれの通電電流であれば、模擬酸化物超電導線材１Ａの超電導特性が劣化するか否か調査する。
通電する電流値を徐々に上昇させて繰り返し同様の測定操作を行い、模擬酸化物超電導線材１Ａの臨界電流値が低下するならば、その測定操作に使用した通電電流が、該当する模擬酸化物超電導線材１Ａを運転する場合の限界の通電電流となる。従って模擬酸化物超電導線材１Ａと同等構造の酸化物超電導線材１を用いて構成される高温超電導コイル２９を運転する場合の運転電流を上述の模擬酸化物超電導線材１Ａを用いた試験から得た限界の通電電流とすることで、酸化物超電導線材１により構成される実用の高温超電導コイル２９を安全運転できる。
【００３６】
図１（Ａ）に示す積層構造の酸化物超電導線材１において、第１の金属安定化層８と第２の金属安定化層９は形成材料に応じて固有抵抗が異なり、各層の幅、膜厚に応じて通電電流をバイパスさせた場合に生じる発熱量に差異を生じる。
このため、実際に運転するべき超電導コイルに適用する酸化物超電導線材と同等構造（第１の金属安定化層８と第２の金属安定化層９の材料、膜厚、幅を同等とした構造）の模擬酸化物超電導線材１Ａを用意して図３に示すボビン３２の巻胴３６に複数ターン巻き付けて模擬試験用の模擬高温超電導コイル３２を構成し、この模擬高温超電導コイル３２を用いて上述の通電試験を繰り返し、模擬高温超電導コイル３２の金属安定化層における限界電流密度を把握するならば、実用運転に使用する高温超電導コイルの安全な運転電流を求めることができる。
このように求めた運転電流に従い、実用の高温超電導コイル用の運転電流を決定して運転するならば、何らかの原因により不意に常電導転移を生じて運転電流が第１の金属安定化層８と第２の金属安定化層９に流れたとしても、金属安定化層に流れる電流が５０ｍＶを超えることを検出した時点で運転電流を遮断することにより、酸化物超電導線材１が特性劣化する前に通電を停止することができ、高温超電導コイル２９は超電導特性が劣化しない。このため、上述のように決めた運転電流を適用することで高温超電導コイル２９の安全運転ができる。
【実施例】
【００３７】
以下に、実用構造の酸化物超電導線材を用いて高温超電導コイルの安全な運転電流を求めた実施例について説明するが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。
ハステロイＣ−２７６（商品名：米国ヘインズ社製）からなる幅５ｍｍあるいは幅１０ｍｍ、厚さ１００μｍのテープ状の基材上に、Ａｌ２Ｏ３からなる膜厚１００ｎｍの拡散防止層と膜厚２０ｎｍのＹ２Ｏ３のベッド層とＭｇＯからなる膜厚１０ｎｍのＩＢＡＤ配向層とＣｅＯ２からなる膜厚４００ｎｍのキャップ層とＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘなる組成の厚さ１μｍの酸化物超電導層と厚さ２μｍのＡｇからなる第１の金属安定化層を積層した複数の積層体を用意した。これらの積層体を５００℃で１０時間酸素雰囲気中において酸素アニール処理した。
得られた複数の積層体のそれぞれに後の表１に示す種々の厚さ（０．０４〜０．３ｍｍ）の銅製の金属安定化テープをＳｎめっき半田層を介し貼り合わせ接合して試験用の模擬酸化物超電導線材を得た。
これらの模擬酸化物超電導線材を内径１１０ｍｍ、真鍮製の円筒状の巻胴の周囲に３ターン巻回し、試験用の高温超電導模擬コイルを構成した。この高温超電導模擬コイルを用いて図３に示す構成の超電導装置に組み込み、以下に説明する通電試験を行い、金属安定化層に流し得る限界の最大電流密度を求めた。
【００３８】
巻胴に３ターン巻回した模擬酸化物超電導線材には、図２に示す基準電圧測定点１０、１１からなる基準測定エリアＳ０を設け、基準測定エリアＳ０の幅を１０ｍｍに設定し、この基準測定エリアＳ０の中央部に加熱ヒーターを配置した。
【００３９】
図３に示す超電導装置の冷凍機を作動させ伝導冷却により表１に示す所定の温度に維持し、所定の電流を模擬酸化物超電導線材に通電して安定した超電導電流が流れることを確認した。その後、模擬酸化物超電導線材の基準測定エリアに設けたヒーターを作動させて模擬酸化物超電導線材を強制的に常電導転移させて電圧挙動を調査した。
図２に示す装置の電圧最小検出感度は０．０１ｍＶであり、電圧が発生した時点（＝常電導転位した時点）を０ｓｅｃとしている。
【００４０】
電圧が５０ｍＶ〜１００ｍＶ発生した時点で電源装置から模擬酸化物超電導線材への通電を停止し、試験後、模擬酸化物超電導線材の劣化の有無を調べた。超電導特性劣化の有無は、模擬酸化物超電導線材を臨界温度以下に冷却した場合に測定できる臨界電流値（Ｉｃ）を調べることで判定した。
臨界電流は、電源装置２３より通電して電圧測定点１０、１１あるいは１７、１８を用いて４端子法で測定した。臨界電流の測定基準（電圧）は１μＶ／ｃｍとしている。
【００４１】
以上の結果を以下の表１に記載する。以下の実施例１〜１５、１７、試験例１３、１８いずれも幅５ｍｍの模擬酸化物超電導線材を用いた試験結果であり、実施例１６は幅１０ｍｍの模擬酸化物超電導線材を用いた試験結果である。なお、実施例１〜１７の場合の通電停止は、５０ｍＶを超える電圧が発生した場合に０．５Ｓ後に通電を停止する電流遮断器を用いたスイッチ操作、実施例１９、試験例２０の場合は５０ｍＶを超える電圧が発生した場合に１００ｍｓｅｃ後に通電を停止する電流遮断器を用いたスイッチ操作による試験結果である。
【００４２】
また、表１に、冷凍機により酸化物超電導線材を冷却した場合の運転温度を示す。運転温度は７７Ｋ、６５Ｋ、５０Ｋ、２０Ｋの４通りに設定した。
表１に、模擬酸化物超電導線材を作製する場合の基板厚（ハステロイＣ−２７６（商品名：米国ヘインズ社製）製テープ基材の厚さ）、安定化銅厚さ（第２の金属安定化層を構成するＣｕテープの厚さ）、安定化層厚さ（Ａｇの第１の金属安定化層厚さ＋Ｃｕの第２の金属安定化層の厚さ）、通電電流、安定化銅電流密度（Ｃｕテープのみの電流密度）、安定化層電流密度（ＣｕテープとＡｇの安定化層の総合値）を記載した。
また、通電試験する際、一部の高温超電導コイルの近傍に超電導磁石を設置し、表１に示す強さの外部磁場を印加して同様の試験を行い、外部磁場の影響を調べた。
【００４３】
【表１】
2014216412.tif 000003
【００４４】
表１に示す結果から、実施例１〜１２、実施例１４〜１７のいずれの模擬酸化物超電導線材を用いた高温超電導コイルであっても、通電電流をＯＦＦにした後、再度臨界電流を測定しても異常は見られず、常電導転移後に再使用しても問題がないことを確認できた。
表１に示す結果から、安定化銅厚さ０．０４ｍｍ〜０．３ｍｍ、換言すると、安定化層厚さ０．０５ｍｍ〜０．３１ｍｍの模擬酸化物超電導線材に対し、通電電流８０Ａ〜４００Ａの範囲で支障なく高温超電導コイルを運転することができた。これらの試料において金属安定化層に流れた電流密度は６５Ａ／ｍｍ２〜５４５Ａ／ｍｍ２であり、これら実施例の模擬酸化物超電導線材からなる高温超電導コイルは常電導転移後の臨界電流値の低下が見られないので、安全運転ができたと判断できる。
【００４５】
これらに対し、安定化層電流密度を７２７Ａ／ｍｍ２まで上昇させた試験例１３の試料、安定化層電流密度を１０００Ａ／ｍｍ２まで上昇させた試験例１８の試料は常電導転移後の臨界電流値低下が見られた。
以上の結果から、５０ｍＶを超える電圧が生じてから０．５Ｓで電流を遮断した実施例１〜１７の場合、金属安定化層に対し、常電導転移後に作用する電流密度を７２７Ａ／ｍｍ２未満、例えば６５Ａ／ｍｍ２〜５４５Ａ／ｍｍ２の範囲とするならば、模擬酸化物超電導線材の異常加熱や焼損には繋がらず、良好な超電導特性を維持できることが判明した。よって基材上に中間層と酸化物超電導層と第１の金属安定化層と第２の金属安定化層を積層した模擬酸化物超電導線材からなる高温超電導コイルを運転する場合、金属安定化層に対し、常電導転移後に作用する電流密度を７２７Ａ／ｍｍ２未満とするように通電して運転するならば、安全な運転ができていると判断できる。
【００４６】
表１に示す実施例１〜１７、試験例１３、１８は、０．５Ｓ後に遮断可能な遮断器による電流遮断であったが、市販の一般的な電流遮断器を用いた場合、５０〜１００ｍｓｅｃの処理時間がかかる。表１の実施例１９と試験例２０の試料は、５０ｍＶの電圧を検出後、１００ｍｓｅｃで電流を遮断できる電流遮断器を用いて試験した結果を示す。この条件の場合、電流密度が１７８０Ａ／ｍｍ２になるように通電しても問題は無かったが、電流密度を２５９０Ａ／ｍｍ２になるように通電した試験例２０では超電導特性が劣化した。
なお、表１に示す試験例１３の試料と同等構造の試料に対し、５０ｍＶの電圧を検出後、１００ｍｓｅｃで電流を遮断できる電流遮断器を用いて試験例１３で行った条件と同等条件で再度試験したところ、電流ＯＦＦ後の超電導特性に劣化は生じなかった。また、表１に示す試験例１８の試料と同等構造の試料に対し、５０ｍＶの電圧を検出後、１００ｍｓｅｃで電流を遮断できる電流遮断器を用いて試験例１８で行った条件と同等条件で再度試験したところ、電流ＯＦＦ後の超電導特性に劣化は生じなかった。
【００４７】
電流遮断のために、０．５Ｓの時間を要するか、１００ｍｓｅｃの時間を要するかにより、金属安定化層の抵抗発熱量は異なり、遮断時間が長い場合に酸化物超電導層はより高温に加熱される。酸化物超電導層は３００Ｋ程度に加熱されても劣化は生じない。酸化物超電導層は５００Ｋ程度に温度上昇しても簡単に劣化はしないと考えられるが、現実的にはマージンを見て３００Ｋとすることが望ましい。よって、０．５Ｓによる電流遮断ではなく一般市販の標準的な電流遮断器の能力を勘案し、１００ｍｓｅｃで電流遮断ができる場合に、遮断に要するまでに温度上昇する割合を勘案すると、金属安定化層に実施例１９のように１７８０Ａ／ｍｍ２程度まで流しても、一般市販の電流遮断器であれば、金属安定化層が高温になって酸化物超電導層が劣化しないことがわかる。
以上の背景から、一般的な遮断速度（１００ｍｓｅｃ）の電流遮断器を使用する場合に酸化物超電導線材の金属安定化層に流し得る限界電流密度は１７８０Ａ／ｍｍ２とみなすことができる。
【符号の説明】
【００４８】
１…酸化物超電導線材、１Ａ…模擬酸化物超電導線材、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…加熱ヒーター、１３、１７、１８…電圧測定点、１９…電圧測定装置、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、２９…模擬高温超電導コイル、３１…収容容器、３２…模擬高温超電導コイル、３３…冷凍機、３５…ボビン、３６…巻胴、３７…鍔板、Ｐ…パンケーキコイル、４４…データ収集測定器、４６…データ処理装置。
【図１】
2014216412.tif 000004
【図２】
2014216412.tif 000005
【図３】
2014216412.tif 000006