(57)【要約】【課題】電圧法と同様の計測システムを用いて、超電導特性を低下させること無く、常電導転移（クエンチ）を良好な精度で検知可能なであり、光ファイバを用いたものや共巻線材のような空間的な制約がない、常電導転移検出センサー付き高温超電導線材を提供する。【解決手段】電流輸送用の高温超電導テープ線材１の安定化材１ａ，４ａ中に、常電導転移検出用の超電導線材２を有する。この超電導線材２は、安定化材１ａ，４ａとは電気的に絶縁されている。また、超電導線材２には、高温超電導テープ線材１に流す輸送電流とは独立した検査電流を流す。高温超電導テープ線材１で常電導転移・温度上昇が発生すると、熱伝導により超電導線材２の温度上昇も引き起こす。この温度上昇により、超電導線材２の検査電流が臨界電流を下回ると常電導伝播が発生し、この常電導伝播を検出することで、高温超電導テープ線材１の常電導転移を検知可能である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温超電導体と安定化材とを有する電流輸送用の高温超電導テープ線材と、
常電導転移検出用の超電導線材とを有することを
特徴とする常電導転移検出センサー付き高温超電導線材。
【請求項２】
前記常電導転移検出用の超電導線材は、その表面が電気絶縁層からなり、内部には臨界電流を下回る検出用の電流を流すよう構成されており、前記安定化材と接触、または前記安定化材に埋め込まれていることを特徴とする請求項１記載の常電導転移検出センサー付き高温超電導線材。
【請求項３】
前記電流輸送用の高温超電導テープ線材内の高温超電導体で常電導転移が発生したとき、電流が前記安定化材に迂回し、該安定化材がジュール損失で発熱し、その熱が前記安定化材に接する前記常電導転移検出用の超電導線材線に熱伝導し、前記常電導転移検出用の超電導線材線がその臨界温度、又は分流温度に達すると、常電導転移するよう構成されていることを特徴とする請求項２記載の常電導転移検出センサー付き高温超電導線材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、常電導転移検出センサー付き高温超電導線材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
臨界温度が十分低い低温超電導線材、これを用いた低温超電導ケーブル低温超電導コイル、低温超電導マグネットおよび低温超電導マグネットシステムにおいては、常電導転移検出には、一般的に電圧法が用いられてきた。これは、何らかの原因で超電導状態が崩れた場合に、常電導部が素早く伝播する（常電導伝播が速い）ために大きな電圧上昇が起こり、電圧上昇が容易に検知できるためである。常電導転移を検知した後に、輸送電流を外部抵抗につないだ回路によって減衰させれば、上記線材、コイル等の焼損を防ぐことができる。
【０００３】
一方、臨界温度の高い高温超電導線材、これを用いた高温超電導ケーブル、高温超電導コイル、高温超電導マグネットおよび高温超電導マグネットシステムにおいては、何らかの原因で超電導状態が崩れた場合に、常電導伝播が非常に遅く、局所的に発熱・温度上昇が起こりやすい。したがって、電圧法を用いた場合には、常電導転移による電圧上昇を検知する前に、上記線材、コイル等が焼損してしまう危険性がある。
【０００４】
このような常電導部の伝播速度の違いは、運転温度から常電導転移に至るまでのエネルギーの大きさの違いに起因する。常電導転移が発生した場所で局所的に温度が上昇すると、温度勾配（熱伝導）による周囲への熱エネルギーの輸送が発生する。低温超電導線材を用いた場合、常電導転移に至るまでのエネルギーが小さく、小さな温度勾配による熱エネルギーの輸送でも、容易に周囲を常電導転移させることができるため、常電導伝播が非常に速い。
【０００５】
一方、高温超電導線材を用いた場合には、常電導転移に至るまでのエネルギーが大きいため、周囲を常電導転移させる熱エネルギーを輸送するためには、大きな温度勾配が必要となる。すなわち、高温超電導線材で常電導伝播（電圧上昇）が発生する前に、常電導転移部の局所的温度上昇が発生する必要があるため、電圧検出の前に焼損するという現象が起こり得る。したがって、高温超電導線材、およびコイルを焼損させないためには、常電導転移の予兆の段階で検出する、または常電導電圧が非常に小さい段階で常電導転移を検出する必要がある。
【０００６】
高温超電導線材、ケーブル、コイルの常電導転移によって発生する、レベルの微小な電圧を検出できる電圧計が存在していたとしても、コイル励磁等で発生する誘導電圧のノイズのレベルのほうが大きいために、電圧法での常電導転移の検知は容易ではない。誘導電圧のノイズの問題を解決するために、補償コイルを用いる方法も提案されているが、依然として微小電圧の検知が必要であるという課題は残っている。
【０００７】
電圧法に変わる常電導転移検出方法として、温度上昇、もしくは温度に依存して変化する物理量を検知する方法が利用できる。そのような方法として、例えば、超電導体上に設置したカーボン膜の電圧から、微小な温度変化を検知する方法がある（例えば、特許文献１参照）。これは、液体ヘリウムの温度から数Ｋ（ケルビン）程度という極低温領域において、カーボン膜の温度変化に対する電気抵抗変化が著しく大きいという性質を利用しているため、この温度領域においてのみ適用できる方法である。
【０００８】
また、超電導体の上に設置した光ファイバもしくはＦＢＧ（ファイバーブラッググレーディング）を用いて、微小な温度変化を検知する方法もある（例えば、特許文献２、３または４参照）。これは温度変化によって、光ファイバ中の光の伝播特性が変化することを利用するものである。
【０００９】
常電導転移検出とは別の用途で、液体ヘリウムや液体水素などの極低温冷媒の液面計に温度センサーを用いる事例がある。例えば、超電導線材の常電導転移現象を利用した液面計も提案されており、液体ヘリウムの液面計にはＮｂＴｉが、液体水素の液面計にはＭｇＢ２が主に利用されている（例えば、特許文献５または６参照）。これは、温度が、液面より下では、液面計に使用されている超電導線材の臨界温度を下回り、液面より上では、当該超電導線材の臨界温度を上回る特性を利用したものであり、電圧測定により液面の判定が可能である。
【００１０】
また、高温超電導線材が、この高温超電導線材より臨界電流が十分低い常電導転移検出用超電導線材と共巻されている高温超電導コイルが提案されており、コイルを構成する高温超電導線材の臨界電流に近い電流が流れる場合には、検出用超電導線材では臨界電流値を超える電流が流れることにより常電導転移が発生し、この常電導転移を検出することで、高温超電導コイルの常電導転移を早期に検出できるとしている（例えば、特許文献７参照）。しかしながら、高温超電導線材と検出用超電導線材のそれぞれへの電流供給方法、高温超電導線材と検出用超電導線材との間の電気／熱特性（電気絶縁をしているか否か、断熱をしているか否か）の条件、および高温超電導線材の臨界電流に近い電流が流れる場合に、検出用超電導線材で臨界電流値を超える電流が流れることに対する原理が明確に説明されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特許第２５７７６８２号公報
【特許文献２】特開平８−３０４２７１号公報
【特許文献３】米国特許第６０７２９２２号明細書
【特許文献４】再表２０１３／０８１１２３号公報
【特許文献５】特開２００５−００５５７４号公報
【特許文献６】特開２００９−１７５０３４号公報
【特許文献７】特開２０００−２７７３２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上記の通り、高温超電導線材、これを用いた高温超電導ケーブル、高温超電導コイル、高温超電導マグネットおよび高温超電導マグネットシステムでは、低温超電導線材で実績のある電圧法による常電導転移検出は困難である。
【００１３】
特許文献１に記載されているカーボン膜を用いた常電導転移検出手法は４Ｋ付近での使用に限られたものであるという課題があった。また、特許文献２、３、４に記載されている光ファイバを用いた常電導転移検出手法では、光源、光測定機器が必要であり、実績のある電圧法に比べて計測システムが複雑化するという課題があった。また、光ファイバを設置する空間が必要であり、高温超電導線材を密に巻いてケーブル、コイル、マグネット、マグネットシステムを構成する場合、空間的な制約があるという課題もあった。
【００１４】
特許文献７に記載されている常電導転移検出用超電導線材と共巻されている高温超電導コイルでは、高温超電導線材と検出用超電導線材のそれぞれへの電流供給方法、高温超電導線材と検出用超電導線材との間の電気／熱特性（電気絶縁をしているか否か、断熱をしているか否か）の条件、および高温超電導線材の臨界電流に近い電流が流れる場合に、検出用超電導線材で臨界電流値を超える電流が流れることに対する原理が明確に説明されていないという課題があった。また、常電導転移検出用超電導線材を共巻する（常電導転移検出用超電導線材を設置する空間が必要である）ため、高温超電導線材を密に巻いてケーブル、コイル、マグネット、マグネットシステムを構成する場合、空間的な制約があるという課題もあった。
【００１５】
なお、特許文献５、６に記載されている超電導線材を温度センサーとして用いた極低温冷媒の液面計は、超電導線材の常電導領域を電圧測定によって評価するものであり、電圧法による常電導転移検出と同様に、簡易な計測システムでの構成が可能である。また、超電導線材を温度センサーとして液面計以外に適用することもできると考えられる。
【００１６】
本発明は、このような課題に着目してなされたもので、電流輸送用に用いる高温超電導テープ線材の安定化材に、温度センサーとして常電導検出用の超電導線材を配置することで、電圧法と同様の計測システムでの常電導転移検出ができ、光ファイバを用いたものや共巻線材のような空間的な制約がない、常電導転移検出センサー付き高温超電導線材を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明に係る常電導転移検出センサー付き高温超電導線材は、高温超電導体と安定化材とを有する電流輸送用の高温超電導テープ線材と、常電導転移検出用の超電導線材（温度センサーとしての機能を持つ）とを有することを特徴とするものである。
【００１８】
常電導転移検出用の超電導線材は、電流輸送用の高温超電導テープ線材の安定化材に接触している、または埋め込まれていることが好ましい。また、常電導転移検出用の超電導線材は、電流輸送用の高温超電導テープ線材の安定化材とは、電気的に絶縁されていることが好ましい。
【００１９】
常電導転移検出用の超電導線材には、その使用温度、磁場環境において臨界電流を下回る検出用電流を流すよう構成されていることが好ましい。この場合、上述の通り、常電導転移検出用の超電導線材と電流輸送用の高温超電導テープ線材とは電気的に絶縁されているため、輸送電流と検出用電流はそれぞれ独立した回路で流れ、当該線材間での転流が発生しない。
【００２０】
本発明に係る常電導転移検出センサー付き高温超電導線材は、電流輸送用の高温超電導テープ線材内の高温超電導体で常電導転移が発生すると、電流が安定化材に迂回し、ジュール損失により局所的な温度上昇が発生する。この温度上昇によって発生した温度勾配により、熱エネルギーが常電導転移検出用の超電導線材に移動する。これにより常電転移検出用の超電導線材に温度上昇が発生する。常電導転移検出用の超電導線材の温度が臨界温度、または分流温度（臨界電流が検出用電流と同一になる温度）に達すると、常電導転移検出用の超電導線材は常電導転移し、ジュール損失による温度上昇が引き起こされる。
【００２１】
常電導転移検出用の超電導線材の臨界温度、または分流温度に達するまでのエネルギーが、電流輸送用の高温超電導テープ線材の臨界温度、または分流温度に達するまでのエネルギーに比べて十分小さければ、電流輸送用の高温超電導テープ線材の常電導転移領域で局所的な温度上昇が起こる過程で、常電導転移検出用の超電導線材において先に常電導伝播が発生する。このため、常電導転移検出用の超電導線材における常電導伝播によって発生する電圧を測定することで、電流輸送用の高温超電導テープ線材の常電導転移、またはその予兆の検出が可能になる。
【００２２】
常電導転移検出用の超電導線材の臨界温度は、超電導体を変更することで調整することが可能である。また、分流温度は、超電導体を変更する、または検出用電流の値を変えることで調整することが可能である。すなわち、超電導体および検出用電流の変更により、どの程度の温度を検出する温度センサーとするかの調整が可能である。本発明は、常電導転移検出用の超電導線材の材質を限定するものではない。
【００２３】
本発明に係る常電導転移検出センサー付き高温超電導線材は、常電導転移検出用の超電導線材が電流輸送用の高温超電導テープ線材の安定化材に接触してさえいれば、検出用の超電導線材の配置を特定するものではない。常電導転移検出用の超電導線材が安定化材に埋め込まれている場合には、電流輸送用の高温超電導テープ線材を密に巻いてケーブル、コイル、マグネット、マグネットシステムを構成することが可能であり、共巻線材のような空間的な制約をもたらさない。
【発明の効果】
【００２４】
本発明により、実績のある電圧法と同様の計測システムを用いて、超電導特性を低下させること無く、常電導転移（クエンチ）を良好な精度で検知可能であり、光ファイバを用いたものや共巻線材のような空間的な制約がない、常電導転移検出センサー付き高温超電導線材の提供が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施の形態の常電導転移検出センサー付き高温超電導線材の、常電導転移検出用の超電導線材を安定化材中に配置した希土類系銅酸化高温超電導テープ線材を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態の常電導転移検出センサー付き高温超電導線材の、常電導転移検出用の超電導線材を安定化材中に配置したビスマス系銅酸化高温超電導テープ線材を示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態の常電導転移検出センサー付き高温超電導線材の、常電導転移検出用の超電導線材を安定化材上に配置した希土類系銅酸化高温超電導テープ線材を示す断面図である。
【図４】本発明の実施の形態の常電導転移検出センサー付き高温超電導線材の、常電導転移検出用の超電導線材をスクライビング加工部に配置した希土類系銅酸化高温超電導テープ線材を示す断面図である。
【図５】本発明の実施の形態の常電導転移検出センサー付き高温超電導線材の、電流輸送用高温超電導テープ線材の電圧・温度と、常電導転移検出用超電導線材の電圧の時間変化との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
次に実施例を挙げて本発明をさらに詳しく説明する。なお、本発明は、請求項１、請求項２および請求項３であり、これらの実施例に限定されるものではない。
図１、図２、図３および図４は請求項１、請求項２および請求項３にある常電導転移検出センサー付き高温超電導線材の断面構造の例を示したものである。同様にして、本発明は、請求項１、請求項２および請求項３であり、以後に示す高温超電導テープ線材、および断面構造に限定されるものではない。
【００２７】
図１は、希土類系銅酸化物超電導体を用いた高温超電導テープ線材１の安定化材１ａ内に、電気的に絶縁された常電導転移検出用の超電導線材２を配置する場合の、常電導転移検出センサー付き高温超電導線材の断面構造の例を示したものである。希土類系銅酸化物超電導体を用いた高温超電導テープ線材１は、基材１ｄ上に中間層１ｃを介して希土類系銅酸化物高温超電導体１ｂの薄膜が配置された構造をしている。さらに、図1に示すように、希土類系銅酸化物高温超電導体１ｂ上に主に銀、銅などで構成される安定化材１ａが配置されている。なお、安定化材１ａは、図１の事例とは異なり、基材１ｄ、中間層１ｃ、希土類系銅酸化物高温超電導体１ｂからなる構造体の周上全面に配置される場合もある。
【００２８】
図２は、ビスマス系銅酸化物超電導体を用いた高温超電導テープ線材４の安定化材４ａ内に、電気的に絶縁された常電導転移検出用の超電導線材２を配置する場合の、常電導転移検出センサー付き高温超電導線材の断面構造の例を示したものである。ビスマス系銅酸化物超電導体を用いた高温超電導テープ線材４は、主に銀で構成される安定化材４ａ中に複数のビスマス系銅酸化物高温超電導体４ｂのフィラメントを配置した構造になっている。
【００２９】
図３は、希土類系銅酸化物超電導体を用いた高温超電導テープ線材１の安定化材１ａ上に、電気的に絶縁された常電導転移検出用の超電導線材２を、何らかの固定部材５（例えば、エポキシ樹脂などの接着剤）を用いて配置する場合の、常電導転移検出センサー付き高温超電導線材の断面構造の例を示したものである。固定部材５が電気絶縁性のものであれば、常電導転移検出用の超電導線材２をあらかじめ絶縁しなくても本発明として成立する。固定部材５が導電性のものである場合には、常電導転移検出用の超電導線材は、あらかじめ電気絶縁層３などで絶縁されていなければならない。
【００３０】
図４は、スクライビング加工を施した希土類系銅酸化物超電導体を用いた高温超電導テープ線材１に、電気的に絶縁された常電導転移検出用の超電導線材２を、何らかの固定部材５（例えばエポキシ樹脂などの接着剤）を用いて配置する場合の、常電導転移検出センサー付き高温超電導線材の断面構造の例を示したものである。スクライビング加工部６に常電導転移検出用の超電導線材２を配置することによって、線材断面形状を常電導転移検出用の超電導線材を配置する前と同等にすることができる。なお、上述の通り、固定部材５が電気絶縁性のものであれば、常電導転移検出用の超電導線材２をあらかじめ絶縁しなくても本発明として成立する。固定部材５が導電性のものである場合には、常電導転移検出用の超電導線材２は、あらかじめ電気絶縁層３などで絶縁されていなければならない。
【００３１】
図１、図２、図３および図４において、１本の常電導転移検出用の超電導線材２を配置しているが、本発明は常電導転移検出用の超電導線材２の配置本数を制限するものではなく、複数の常電導転移検出用の超電導線材２を配置してもよい。
【００３２】
電流輸送用の高温超電導テープ線材１，４と常電導転移検出用の超電導線材２は、電気的に絶縁されており、それぞれに独立した電流を流すことになる。常電導転移検出用の超電導線材２には、その使用温度、磁場環境において臨界電流を下回る検出用電流を流しておく。なお、高温超電導テープ線材１，４の常電導転移または常電導転移の予兆と判断される温度と、常電導転移検出用の超電導線材２の分流温度が一致するように検出用電流の値を設定する。
【００３３】
常電導転移検出用の超電導線材２に流す検出用電流の値は、電流輸送用の高温超電導テープ線材１，４および当該高温超電導テープ線材１，４により製作されたケーブル、コイル、マグネット、ケーブルの磁場特性に影響を与えない値に抑える必要がある。具体的な検出電流の値は、ケーブル、コイル、マグネットなどの精度にも依存するが、電流印加開始時の低電流時を除いて、高温超電導テープ線材１，４の輸送電流の１％以下に抑えておくことが好ましい。
【００３４】
電流輸送用の高温超電導テープ線材１，４に流す輸送電流の方向と、常電導転移検出用の超電導線材２に流す検出用電流の方向とに、制約はない。
【００３５】
複数の常電導転移検出用の超電導線材２を配置する場合には、それぞれの常電導転移検出用の超電導線材２の分流温度を異なるものとすることによって、電流輸送用の高温超電導テープ線材１，４の常電導転移または常電導転移の予兆と判断される温度を複数設定することができる。
【００３６】
図５は、電流輸送用の高温超電導テープ線材１，４が、局所的に臨界電流低下を発生させている場合に得られる特性を示したものである。局所的に臨界電流が低下している領域の臨界電流の値を輸送電流の値が超えた場合、当該領域で局所的に輸送電流が安定化材１ａ，４ａに迂回し、ジュール発熱が起こり始める。このジュール発熱により、当該領域の温度が時間経過とともに上がり、常電導転移検出用の超電導線材２の分流温度（電流輸送用の高温超電導テープ線材１，４の常電導転移の予兆として設定した温度）に達した時点で、常電導転移検出用の超電導線材２で常電導転移が発生し、当該超電導線材２の電圧が急上昇する。この時点で常電導転移の予兆と解釈し、輸送電流をゼロにすることで高温超電導テープ線材１の常電導転移を回避することができる。輸送電流をゼロとしない場合には、その後も高温超電導テープ線材１，４の温度は上がり続け、ある温度に到達すると局所的に大幅な温度上昇を引き起こすようになり、高温超電導テープ線材１，４は焼損する。図５が示すように、高温超電導テープ線材１，４の電圧上昇が観測できるのは、この焼損時とほぼ同時刻である。
【符号の説明】
【００３７】
１  （電流輸送用の）高温超電導テープ線材
１ａ  安定化材
１ｂ  希土類系銅酸化物高温超電導体
１ｃ  中間層
１ｄ  基材
２  （常電導転移検出用の）超電導線材
３  電気絶縁層
４  （電流輸送用の）高温超電導テープ線材
４ａ  安定化材
４ｂ  ビスマス系銅酸化物高温超電導体
５  固定部材
６  スクライビング加工部
【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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