(57)【要約】【課題】リールに巻き取った状態の長尺線材でも高精度に臨界電流を測定できる超電導線材の臨界電流測定方法およびこの測定方法に好適な超電導線材の巻線構造を提供する。【解決手段】２本の超電導線を絶縁した状態で沿わせ、両超電導線の一端側を電気的に接続し、この超電導線をコイル状に巻回する。この超電導線の他端側から通電して電圧を測定することで臨界電流を測定する。各超電導線材の電流方向は互いに逆向きとなって磁場が打ち消されるため、磁場による電流値の低下がなく、ほとんど無磁場での低電界特性が得られる。そのため、従来法では測定できなかった永久電流モードのコイル用線材の評価も行うことができる。【選択図】　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
２本の超電導線材を絶縁した状態で補強材に沿わせ、両超電導線材の一端側を電気的に接続し、この超電導線材をコイル状に巻回して、
前記超電導線材の他端側から通電して電圧を測定することで臨界電流を測定することを特徴とする高温超電導線材の臨界電流測定方法。
【請求項２】
前記超電導線材の一端側に電圧測定用端子を形成し、この端子と超電導線材の他端側との間の電圧を測定することで臨界電流を測定することを特徴とする請求項１に記載の高温超電導線材の臨界電流測定方法。
【請求項３】
一端側が電気的に接続されて互いに沿った状態に配置される２本の超電導線材と、
この各超電導線材における一端側以外の箇所を互いに絶縁する絶縁材と、
前記超電導線材に沿って配置される補強材と、
これら超電導線材および補強材の一端側を一括して固定すると共に、超電導線材、絶縁材および補強材が巻回される巻き胴とを具えることを特徴とする高温超電導線材の巻線構造。
【請求項４】
前記２本の超電導線材における一端側の電気的接続箇所は、各超電導線材に部分的に形成した半田メッキ同士を重ね合わせ、両超電導線材を巻き胴に巻き取る際に半田メッキを溶融・接合させることにより形成することを特徴とする請求項３に記載の高温超電導線材の巻線構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超電導線材の臨界電流測定方法と、この方法の利用に好適な高温超電導線材の巻線構造に関するものである。特に、長尺の超電導線材をコイル状に巻き取った状態で臨界電流を測定できる方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の高温超電導線材の臨界電流を評価する方法として、線材の端部またはその一部だけを測定する場合と、線材全長にわたり測定する場合の２種類がある。
【０００３】
後者の場合、通常、図７に示すように、コイル状に超電導線材を巻き取ったサプライリール２１０と、このサプライリール２１０から引き出された超電導線材２２０を巻き取る巻き取りリール２３０とを測定ラインに所定間隔に設置して測定を行う。測定に際して、コイル状に巻き取った線材の一部を液体窒素に冷却して超電導状態にし、線材２２０に通電するための電極と、電圧測定用の端子を超電導線材の表面に押し付けて測定器２４０をセットする。電極の一定区間で超電導線材を止め、その区間の線材に一定以上の電流を流して電圧を測定して臨界電流を求める。その後、電極、電圧端子を引き上げ、サプライリール２１０および巻き取りリール２３０を回転しながら、電極間の線材２２０を新たに移動した状態で電極、電圧端子を表面に押し付けて同様の測定が行われる。
【０００４】
臨界電流は、普通、電界強度（Ｖ／ｃｍ）により決定され、通常は１０−６Ｖ／ｃｍでの電流で決定される。例えば、電流を０から増やしてゆき、電圧が５μＶになったときの電流値を読む。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の臨界電流の測定方法では次のような問題があった。
▲１▼電源からの電流供給を行わない永久電流モードのコイル用線材特性を評価する場合、測定精度が低く評価できない。
【０００６】
リールに巻き取られた状態の超電導線材全体について臨界電流を測ろうとすると、隣接する線材に流れる電流により磁場の影響があり測定は不可能である。そのため、線材をリールから引き出して測定を行うが、測定電圧は測定器に測定限界があり普通１μＶ程度であり、線材長さは普通臨界電流測定器の長さに限界があり例えば５ｍ程度であり長くできない。このため、測定できる電界強度（電圧／線材長）には限界がある。永久電流モードでは普通１０−１０Ｖ／ｃｍの微小な電界強度を測定する必要があるが、従来法では１０−８Ｖ／ｃｍ程度が限界であった。
【０００７】
▲２▼電極を超電導線材に押し付けるために線材表面に傷が入り劣化する危険性がある。
【０００８】
▲３▼電極や電圧端子が線材に押し付けられる接触型であるため、半田付けに比べて測定感度が低いと言う問題もある。
【０００９】
従って、本発明の主目的は、リールに巻き取った状態の長尺線材でも高精度に臨界電流を測定できる超電導線材の臨界電流測定方法を提供することにある。
【００１０】
また、本発明の他の目的は、前記臨界電流測定方法の実施に最適な超電導線材の巻線構造を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、一対の超電導線材を接続し、この接続された超電導線材をコイル状に巻回して測定を行うことで上記の目的を達成する。
【００１２】
すなわち、本発明高温超電導線材の臨界電流測定方法は、２本の超電導線材を絶縁した状態で補強材に沿わせ、両超電導線材の一端側を電気的に接続し、この超電導線材をコイル状に巻回して、前記超電導線材の他端側から通電して電圧を測定することで臨界電流を測定することを特徴とする。
【００１３】
一対の超電導線材を一端側で電気的に接続し、この線材をコイル状に巻き取って他端側から電流を流すことで、各超電導線材の電流方向は互いに逆向きとなって磁場が打ち消されるため、磁場による電流値の低下がなく、ほとんど無磁場での低電界特性が得られる。そのため、従来法では測定できなかった永久電流モードのコイル用線材の評価も行うことができる。
【００１４】
また、コイル状に巻き取った状態で測定ができるため、測定器の長さからくる線材長さの制約を受けることがなく、長尺の超電導線材の臨界電流を測定することができる
【００１５】
ここで、超電導線材としては、Ｂｉ２２２３系超電導線材などの酸化物系高温超電導線材が好適である。一般には、テープ状の線材が利用される。
【００１６】
このような超電導線材を巻回するには、補強材を合わせて巻回する。補強材と共に巻回することで、超電導線材に緩みが生じて隙間が生じ、磁場が完全にキャンセルされず、漏れ磁場が生じて正確な臨界電流が測定できないといった不具合を解消できる。その他、超電導線材の巻線時に座屈が生じてコイルが劣化してしまう恐れを解消できる。このため、補強材は１ｋｇ以上の張力で巻回することが望ましい。
【００１７】
補強材を巻回する場合、電気的に接続された２本の超電導線材の一端側と共に、補強材も一括して巻き胴に固定しておけば良い。
【００１８】
補強材には、ステンレス、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、その他の金属材、ならびにＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒ　Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　Ｐｌａｓｔｉｃ）などの高強度非金属材などが利用できる。補強材が導電性の場合、補強材と超電導線材との間に絶縁材を介在させることが好ましい。この絶縁材は補強材と独立したものでも良いし、予め一体に接合したものでも良い。補強材の形態は、超電導線材に合わせてテープ線材を用いることが好適である。
【００１９】
また、２本の超電導線材を一端側で電気的に接続する具体的手段としては、半田付けが好適である。半田付けにより確実に両線材を接続することができる。
【００２０】
この半田付けを行う場合、２本の超電導線材を直線状で半田付けしてから巻回すると、通常は半田の曲げ性が悪く固いために巻線するときに超電導線材が折れて劣化する。そこで、各超電導線材に部分的に形成された半田メッキ同士を重ね合わせ、両超電導線材を巻き胴に巻き取る際に半田メッキを溶融・接合させることにより電気的接続箇所を形成することが望ましい。２本の超電導線材を半田付けしてから巻き取るのではなく、巻き取られた状態で半田付けの接合を行うことで、超電導線材の折れを抑制する。
【００２１】
例えば、２本の超電導テープ、絶縁テープ、補強テープを用いる場合、次のように両超電導テープの半田付けを行えばよい。まず、下層超電導テープ、上層超電導テープ、補強テープの順に積層し、この積層テープの一端を巻き胴に固定する。積層テープを少し巻いた後、巻かれた下層超電導テープの表面に半田メッキを行い、上層超電導テープの裏面に直線状で半田メッキを行う。次に、上層超電導テープの半田メッキを半田ごてなどで溶融し、その状態で上層超電導テープを巻回して、下層超電導テープの半田メッキ上に重ねることにより、両超電導テープを半田付けする。その後、半田付けされていない上下層の超電導テープの間に絶縁テープを挿入し、補強テープと一括して巻き胴に巻回する。
【００２２】
超電導線材の他端側には超電導線材に電流を流すための端末電極を設けることが好ましい。この端末電極はＣｕやＡｌなどの導電材料を各超電導線材の巻き終り側端部に半田付けすることで形成すればよい。
【００２３】
特に、両超電導線材が電気的に接続された一端側をコイルの巻き始め側とし、他端側を巻き終り側とすることで、端末電極を巻き終り側とし、測定器の線材への接続を容易に行うことができる。
【００２４】
また、超電導線材の少なくとも他端側には、電圧測定用の端子を形成することが好ましい。この端子は、超電導線材を半田付けしやすいものであれば種々の材質が利用できる。例えば、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇなどが好適である。中でも超電導線材の安定化材に用いられるＡｇまたはＡｇ合金が望ましい。端子の形状は薄膜が好適である。各超電導線材に接した状態で薄膜端子を設ければよい。
【００２５】
超電導線材の一端側にも同様の電圧測定用端子を設けることで、２本の超電導線材のうち、一方の超電導線材の一端側と他端側の電圧を測定して臨界電流を求めることができる。超電導線材の他端側にのみ電圧測定用端子を設け、これら端子間の電圧を測定すると、超電導線材の一端側における接続箇所（半田付けなど）の抵抗も含めて２本の超電導線材全長の電圧を計測することになる。超電導線材の一端側にも電圧測定用端子を設けておけば、他端側の端子との間の電圧を測定することで、半田付けなどの接続箇所を含むことなく、一方の超電導線材における一端側と他端側の電圧を測定することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明測定方法に用いる超電導線材を巻き取ったリールの概略模式図である。
【００２７】
このリール１０は、円筒状の巻き胴１１の両側に円盤状のつば１２を有するステンレス製のもので、その巻き胴１１には絶縁テープを介して一体化した一対の超電導テープ線材２０が巻回されている。
【００２８】
超電導テープ線材２０は、安定化材となる銀シース中に複数のＢｉ２２２３系の超電導フィラメントが埋設されたテープ状線材である。ここでは、長さ１００ｍ、幅４．１ｍｍ、厚さ０．２４ｍｍのテープ状線材を用いた。
【００２９】
図２に超電導テープ線材２０の巻き始め側の拡大断面図を示す。この超電導線材を２枚用意し、厚さ７０μｍのポリイミドテープ（商品名：カプトンテープ）などの絶縁テープ３０を介して両超電導テープ線材２１，２２を沿わせる。さらに、一方の超電導テープ線材上に補強テープ４０を沿わせる。この補強テープには、両面にカプトンテープ４１が貼り合わされた厚さ０．１ｍｍのステンレステープ４２を用いた。補強テープ４０は、超電導テープ線材の押さえ巻きが行えるものであれば、特に材質は限定されない。
【００３０】
ここで、両超電導テープ線材２１，２２の一端から若干ずれた位置を半田付けで接合し、電気的に接続しておく。この半田付けは、両超電導線材２１，２２の所要箇所に半田メッキを施しておき、巻き胴１１に巻き取った状態で溶融接合する。また、この接合箇所５０から両超電導線材の他端側に若干ずれた位置に電圧測定用の薄膜端子６１，６２を設ける。本例では、一方の超電導テープ線材２１と絶縁テープ３０の間および他方の超電導テープ線材２２と補強テープ４０の間に、それぞれ厚さ２０μｍの銀箔を部分的に介在させて半田付けにて固定することで薄膜端子６１，６２とした。
【００３１】
このような超電導線材の一端側、つまり半田付けで接合された側を巻き始め端としてリールの巻き胴１１に巻回し、シングルパンケーキコイルを形成する。巻き胴１１には、巻き始め端の固定部１３が形成されている（図１）。ここでは、超電導線材の半田付け箇所よりも一端側をＧＦＲＰ（Ｇｌａｓｓ　Ｆｉｂｅｒ　Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　Ｐｌａｓｔｉｃ）の固定治具で巻き胴１１との間に挟み込み、ボルトで固定治具を留めることにより固定部を構成した。
【００３２】
一方、巻き終わり側となる超電導線材の他端側には、電流を流すための端末電極と、電圧測定用の薄膜端子を形成する。図３に超電導テープ線材の巻き終わり側の断面図を示す。端末電極７０は、各超電導線材の他端部に銅片を半田付けして構成した。この端末電極を通して超電導テープ線材２１，２２に所定の電流を流す。薄膜端子８０は、前述した薄膜端子６１，６２と同様の構成で、端末電極７０よりも超電導線材の巻き始め側にずれた位置に形成される。
【００３３】
このような超電導線材の臨界電流を測定する場合、コイルを液体窒素で冷却して超電導状態にした後、端末電極間で巻き始めの半田付けした接合箇所を経由して電流を流し、超電導テープの発生電圧を測定することで行う。その際、２通りの測定方法が利用できる。
【００３４】
第１の方法は、図４に示すように、端末電極に測定器９０を接続し、一定の電流を流して巻き終わり側の薄膜端子間の電圧を測定して臨界電流を計測する方法である。図４では、説明の便宜上、超電導テープ線材は巻き取った状態ではなく、広げた状態にして示している。この方法では、半田付けした接合箇所を介して一対の超電導テープ線材全長にわたっての電圧を測定することになる。その際、一方の超電導テープ線材２１を流れる電流と他方の超電導テープ線材２２を流れる電流とは、互いに逆方向に流れるため、発生する磁場を打ち消すことにより、巻き取った状態でも磁場の影響により電流が低下することなく臨界電流を測定することができる。
【００３５】
第２の方法は、図５に示すように、端末電極に電源１００を接続して超電導線材に一定の電流を流し、一端側（巻き始め）の薄膜電極と他端側（巻き終わり）の薄膜電極との間に測定器９０を接続して、両薄膜電極間の電圧を測定する方法である。図５では、説明の便宜上、超電導テープ線材は巻き取った状態ではなく、広げた状態にして示している。この方法では、２本の超電導テープ線材のうち、一方の超電導テープ線材２１の全長にわたって電圧を測定することになる。この方法では、電圧を測定する薄膜電極間に半田付けした接合箇所を含まないため、この接合箇所の抵抗の影響を排してより正確な臨界電流の測定を行うことができる。一方の超電導テープ線材の臨界電流測定を行った後、他方の超電導テープ線材２２の臨界電流も同様にして測定する。この第２の方法でも、一方の超電導テープ線材２１と他方の超電導テープ線材２２とでは電流の方向が逆であり、発生する磁場を打ち消すことにより、巻き取った状態でも磁場の影響により電流が低下することなく臨界電流を測定することができる。
【００３６】
上記の第２の方法により、一方の超電導テープ線材２１の全長にわたって電圧を測定し、その電圧値を線材の長さで除した値から電界強度を求めた。電流値と電界強度との関係を図６のグラフに示す。このグラフに示すように、１０−１０Ｖ／ｃｍの高精度で線材の電界強度を測定できることがわかる。従って、永久電流モードのコイル用線材の性能評価を行うことができる。また、超電導テープ線材の端部に端末電極や薄膜端子を設けるため、超電導テープ線材の中間部に電極や端子を押し付ける必要がなく、線材の劣化も抑制できる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明方法によれば、２本の超電導線材の一端側を電気的に接続して測定を行うことで、各超電導線材の電流方向は逆向きとなって磁場が打ち消されるため、磁場による超電導電流の低下がなく、ほとんど無磁場での低電界特性を得ることができる。そのため、従来法では測定できない永久電流モードのコイル用線材の評価を行うことができる。
【００３８】
また、コイル状に巻き取った状態で測定が行えるため、長尺の超電導線材の臨界電流測定が可能となり、ゼロ磁界で低電界強度まで測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明測定方法に用いる超電導線材を巻き取ったリールの概略模式図である。
【図２】超電導テープ線材の巻き始め側を示す拡大断面図である。
【図３】超電導テープ線材の巻き終り側を示す拡大断面図である。
【図４】本発明測定方法の第１の基本原理を示す説明図である。
【図５】本発明測定方法の第２の基本原理を示す説明図である。
【図６】電流と電界強度との関係を示すグラフである。
【図７】従来の測定方法の説明図である。
【符号の説明】
１０　リール
１１　巻き胴
１２　つば
１３　固定部
２０、２１、２２　超電導テープ線材
３０　絶縁テープ
４０　補強テープ
４１　カプトンテープ
４２　ステンレステープ
５０　接合箇所
６１、６２　薄膜端子
７０　端末電極
８０　薄膜端子
９０　測定器
１００　電源
２１０　サプライリール
２２０　超電導線材
２３０　巻き取りリール
２４０　測定器
【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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