(57)【要約】【課題】超電導線材試料に引張応力を加えて臨界電流などの超電導特性を測定する際に、掴み部に応力が集中することを防止し、通電した場合に超電導線材が焼損することがなく、超電導特性を正しく評価できる引張試験用掴み具及び引張試験装置を提供する。【解決手段】本発明は、引張試験において超電導線材を挟持する掴み具であって、平面状の挟持面が設けられた第１挟持体と、平面状の挟持面と該挟持面と連続する前記超電導線材が沿うように曲率を有する保持面が設けられた第２挟持体とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
引張試験において超電導線材を挟持する掴み具であって、平面状の挟持面が設けられた第１挟持体と、平面状の挟持面と該挟持面と連続する前記超電導線材が沿うように曲率を有する保持面が設けられた第２挟持体とを備えたことを特徴とする引張試験用掴み具。
【請求項２】
前記第２挟持体の保持面が１／４円以上の円弧状面であることを特徴とする請求項１に記載の張試験用掴み具。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の掴み具を一対備えた引張試験装置であって、前記挟持面が引張応力の加える方向に垂直になるように第１挟持体と第２挟持体が配置され、前記挟持面に挟持された前記超電導線材が、前記第２挟持体の保持面に沿って曲げられて引張応力の加える方向を向くように前記第２挟持体が配置されたことを特徴とする引張試験装置。
【請求項４】
前記掴み具の一方を固定する固定台を備え、前記固定台は引張試験装置の架台に固定されていることを特徴とする請求項３に記載の引張試験装置。
【請求項５】
前記固定台を前記掴み具の一方の前記第１挟持体とすることを特徴とする請求項４に記載の引張試験装置。
【請求項６】
前記超電導線材に電流を通電する一対の電流電極を備えたことを特徴とする請求項３〜５のいずれか一項に記載の引張試験装置。
【請求項７】
前記第２挟持体を前記電流電極とすることを特徴とする請求項３〜６のいずれか一項に記載の引張試験装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導線材の引張試験に使用される掴み具及び引張試験装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ビスマス系やイットリウム系の超電導体を用いた酸化物超電導線材の開発が進んできている。また、このような高温超電導線材を使用した超電導機器の実用化が進められている。例えば、酸化物超電導線材をコイルに巻いてマグネットに使用する場合、電磁力の作用により超電導線材の長手方向に、超電導コイルの半径、磁場および通電電流値に比例した引張応力が加えられる。そのため、超電導マグネットの使用時に近い低温環境下で、超電導線材について超電導特性の張力依存性（歪依存性）を把握しておくことが、マグネットを設計する上で非常に重要であり、特に、強磁場用の超電導コイルを作製する際には必須である。
【０００３】
超電導線材の特性試験に関して、クライオスタットの内部に超電導線材を設置し、引張応力を加えながら通電して、超電導線材の電流特性を把握する装置が開示されている。超電導線材には電圧タップが取り付けられ、通電電流を増加させていくとともに電圧を検知することにより、超電導特性を把握できるようになっている（特許文献１参照）。
【０００４】
図４は従来の超電導線材の引張応力下での超電導特性試験（以後、引張試験という）用掴み具の構成を示す概略図である。一対の掴み具１０２ａ、１０２ｂによりテープ状の超電導線材１０１の両端が挟持され、引張応力Ｆを加えて引張試験が行われる。一方の掴み具１０２ａでは、平板状の第１挟持体１０３ａと第２挟持体１０４ａに超電導線材１０１の一端が挟まれ、他方の掴み具１０２ｂでは同様に、第１挟持体１０３ｂと第２挟持体１０４ｂに超電導線材１０１の他端がそれぞれ挟まれて、超電導線材１０１は固定される。
第１挟持体１０３ａの挟持面１０５ａと、挟持体１０４ａの挟持面１０６ａは、テープ状の超電導線材１０１の長手方向（引張方向）に平行であり、挟持面１０５ａと挟持面１０６ａによって超電導線材１０１の幅広面の一端が挟持される。
他方の掴み具１０２ｂも一方の掴み具１０２ａと同様に、第１挟持体１０３ｂの挟持面１０５ｂと第２挟持体１０４ｂの挟持面１０６ｂは、テープ状の超電導線材１０１の長手方向（引張方向）に平行であり、超電導線材１０１の他端が挟持される。
第１挟持体１０３ａ、１０３ｂには、ステンレス等の強度の高い材料が用いられる。第２挟持体１０４ａ、１０４ｂは銅のような導電性の材料で形成されており、超電導線材に電流を流す電流電極を兼ねている。掴み具の内側部分の超電導線材には、電圧端子１０７ａ、１０７ｂが取り付けられている。引張応力Ｆを加えて、電流電極から超電導線材に通電を行い、電圧端子により超電導線材の電圧を測定することにより、引張応力下での超電導特性を把握することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平８−１２２３６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
冷媒中で超電導線材に引張応力を加えながら通電して超電導特性試験を行う際に、掴み具により挟持する挟持面と接する超電導線材に、あるいは挟持面から解放される境部分近傍の超電導線材に応力が集中し、特に、超電導線材の長手方向以外の力が加わると、換言すると掴み具１０２ａの挟持面１０５ａと掴み具１０２ｂの挟持面１０５ｂが正確に同一平面にないと、掴み具あるいはその周辺の超電導線材に応力がより集中し、超電導線材が焼損してしまうことがある。そうすると引張応力下での正しい超電導特性を把握できなくなってしまう。超電導線材への応力集中を回避するために、試料の形状をドッグボーン型にして、掴み具により挟持する挟持面と接する超電導線材で、あるいは挟持面から解放される境部分近傍の超電導線材で応力が集中しないようにする方法があるが、高温超電導線をこのような試料形状にすることは現実的に困難である。
【０００７】
本発明は、このような従来の実情に鑑みてなされたものであり、超電導線材試料に引張応力を加えて臨界電流などの超電導特性を測定する際に、掴み具により挟持する挟持面と接する超電導線材に、あるいは挟持面から解放される境部分近傍の超電導線材に応力が集中しないようにすることを目的とする。さらに、引張応力を加えながら通電した場合に超電導線材が焼損することがなく、超電導特性を正しく評価できる超電導線材の引張試験用掴み具及び引張試験装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明の引張試験用掴み具は、引張試験において超電導線材を挟持する掴み具であって、平面状の挟持面が設けられた第１挟持体と、平面状の挟持面と該挟持面と連続して前記超電導線材が沿うように曲率を有する保持面が設けられた第２挟持体とを備えたことを特徴とする。
本発明の引張試験用掴み具において、前記第２挟持体の保持面が１／４円以上の円弧状面であることが好ましい。
【０００９】
本発明の引張試験装置は、前記掴み具を一対備え、前記挟持面が引張応力の加える方向に垂直になるように第１挟持体と第２挟持体が配置され、前記挟持面に挟持された前記超電導線材が、前記第２挟持体の保持面に沿って曲げられて引張応力の加える方向を向くように前記第２挟持体が配置されたことを特徴とする。
本発明の引張試験装置において、  前記掴み具の一方を固定する固定台を備え、前記固定台は引張試験装置の架台に固定されているいることが好ましい。
本発明の引張試験装置において、前記固定台を前記掴み具の一方の前記第１挟持体とすることが好ましい。
本発明の引張試験装置において、前記超電導線材に電流を通電する一対の電流電極を備えることが好ましい。
本発明の引張試験装置において、前記第２挟持体が前記電流電極であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、掴み具により挟持する挟持面と接する超電導線材に、あるいは挟持面から解放される境部分近傍の超電導線材に引張応力が集中することが防止されて、超電導線材に引張応力を広範囲で均一に加えることができる。また、超電導線材に引張応力を加えながら電流を通電した場合に、掴み部で焼損することがない引張試験装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係る超電導線材の引張試験用掴み具及び引張試験装置の一例構成を示す概略図である。
【図２】本発明に係る引張試験用掴み具の他の例を示す概略図である。
【図３】実施例、比較例による通電引張試験の測定結果を示す図である。
【図４】従来の超電導線材の引張試験用掴み具の一例構成を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明に係る超電導線材の引張試験用掴み具及び引張試験装置について図面に基づいて説明する。
図１は、超電導線材の引張試験用掴み具及び引張試験装置の一例構成を示す概略図である。本実施形態の超電導線材の引張試験装置１は、超電導線材を試験片とし、両端を掴み具で挟持して引張試験を行う装置である。さらに、超電導線材を冷却しながら試験を行うことが可能であり、臨界温度以下に冷却した状態で、超電導線材に引張応力を加えながら通電を行うことにより、臨界電流等の超電導特性の張力依存性を把握することができる。
【００１３】
引張試験装置１は、超電導線材の試験片２の両端を挟持する掴み具３ａ、３ｂを備えている。掴み具（チャック）に超電導線材の両端が挟持されて、長手方向に引張応力Ｆが加えられる。一方の掴み具３ａは、超電導線材１の一端を挟んで固定する第１挟持体４ａと第２挟持体５ａを備えている。超電導線材１がテープ状である場合、第１挟持体４ａの挟持面６ａと第２挟持体５ａの挟持面７ａとで超電導線材のテープ幅広面を挟んで、超電導線材を固定する。挟持面６ａ、７ａの幅は超電導線材の幅よりも幅広に形成されている。掴み具の材質はステンレス、鋼、ＦＲＰなどの強度の高い材料が好ましい。
【００１４】
第１挟持体４ａは平板状や直方体状などの断面が長方形の形状であるが、超電導線材のテープ幅広面を挟む面が平面であれば良く、形状はこれに限定されるものではない。第１挟持体４ａには平面状の挟持面６ａが設けられており、図１のように、挟持面６ａが引張応力が加えられる方向（超電導線材の試験片２の長手方向）に対し垂直になるように第１挟持体４ａが配置される。
第２挟持体５ａには、平面状の挟持面７ａと該挟持面と連続して超電導線材の試験片２が沿うように曲率を有する保持面８ａが設けられており、図１のように断面が四角形と半円を組み合わせたような形状である。引張試験の際には、超電導線材の試験片２は保持面８ａに沿って９０度方向を変える。ここで、挟持面６ａと挟持面７ａにより、超電導線材の試験片２は引張応力が加えられても掴み具から抜けないように挟持されるが、引張応力が加えられたときに超電導線材が掴み具から抜けないように、挟持面（６ａ、７ａ）に凹凸をつけたり、表面粗さを大きくして超電導線材が滑りにくくなるようにすることができる。
【００１５】
第２挟持体５ａのうち曲率を有する保持面８ａは、図１では断面半円状（中心角が１８０度）に形成されているが、少なくとも１／４円以上（中心角が９０度以上）の円弧状に形成されることが好ましい。保持面８ａが１／４円未満であると、保持面８ａから超電導線材の試験片２が離れる際の部分で角度がついてしまい、超電導線材の試験片２が保持面８ａから滑らかに離れていかなくなるので、引張試験の際に、この部分の超電導線材の試験片２に引張応力が集中するため好ましくない。
保持面８ａの曲率半径は、超電導線材の許容曲げ歪から決定される。テープ状のイットリウム系超電導線材の場合は、曲率半径が１５ｍｍ以上であることが好ましい。
【００１６】
第１挟持体４ａは固定台９に固定されている。固定台９は引張試験装置１の架台１０に固定されている。超電導線材の試験片２は、引張試験の際、張力を加えられても掴み具から抜けないよう第１挟持体の挟持面６ａと第２挟持体の挟持面７ａとの間に挟まれ、第１挟持体４ａと第２挟持体５ａとはボルト等により締め付けられて固定され、さらに第１挟持体４ａが架台１０に固定されているため、掴み具３ａが引張試験の架台１０に固定されて引張試験が行われることになる。
【００１７】
超電導線材の試験片２としては、基材上に中間層、希土類系超電導層、安定化層が積層されたイットリウム系超電導線材や銀シースの内部にビスマス系超電導多芯線が内包されたビスマス系超電導線材のような高温超電導線材が試料として適用される。この他ＭｇＢ２系、ＮｂＴｉ系、Ｎｂ３Ｓｎ系の超電導線材を試料として用いることができる。また、テープ形状に限らず、挟持体の曲率を有する保持面８ａに超電導特性を劣化させずに沿わせることができれば、丸形状の超電導線材を適用することもできる。
【００１８】
他方の掴み具３ｂは、図１に示すように超電導線材の試験片２の他端を挟んで固定する第１挟持体４ｂと第２挟持体５ｂを備えており、一方の掴み具３ａと同様の構成を有し、一方の掴み具３ａと対称に配置されている。第１挟持体４ｂに設けられている挟持面６ｂと第２挟持体５ｂに設けられている挟持面７ｂと保持面８ｂについても、下方の掴み具についての上述の説明と同様であり、説明を省略する。掴み具３ａ、３ｂそれぞれの２種類の挟持体の形状（平板状や直方体状などの断面が長方形の形状、断面が四角形と半円を組み合わせたような形状）が、それぞれが同一である必要はない。
【００１９】
他方の掴み具の第１挟持体４ｂは、引張試験装置１のクロスヘッド１１に接続される。クロスヘッド１１は対称に配置されている掴み具３ａと３ｂを通る直線（超電導線材の試験片２の長手方向と平行）に対し掴み具３ｂを掴み具３ａと反対の方向に移動して、掴み具により固定されている超電導線材の試験片２に引張応力Ｆが加えられ、引張試験が行われる。
【００２０】
第２挟持体５ａ（５ｂ）が平面状の挟持面７ａ（７ｂ）と曲率を有する保持面８ａ（８ｂ）から構成されていることにより、挟持面で挟まれている超電導線材部分にかかる引張応力の一部が保持面８ａ（８ｂ）での超電導線材部分に分散されるため、挟持面に挟まれ固定されている超電導線材部分での応力集中が緩和される。さらに、仮に、挟持面６ａに対して垂直方向の保持面８ａの接線と、挟持面６ｂに対して垂直方向の保持面８ｂの接線とがずれていたとしても、前記超電導線材が、前記第２挟持体の保持面８ａ（８ｂ）に沿って曲げられるため、掴み具により挟持する挟持面と接する超電導線材、あるいは挟持面から解放される境部分の超電導線材に引張応力が集中しない。
このため引張試験を行った場合に、超電導線材は挟持面の部分あるいは挟持面から解放される境部分近傍で断線（いわゆるチャック切れ）することがなく、超電導線材の引張強さや伸び（歪）を正確に把握することができる。
【００２１】
引張試験装置１において、超電導線材の試験片２に通電するために一対の電流電極が設けられる。電流電極をそれぞれ超電導線材の試験片２の両端末に接続してもよいが、第２挟持体５ａ、５ｂを電流電極１２ａ、１２ｂとすることが好ましい。この場合、第２挟持体５ａ、５ｂの材質は銅、銅合金などの導電性、熱伝導性の良好な材料が好ましい。
電流電極１２ａ、１２ｂは電流電源１３に接続されて、超電導線材の試験片２は通電される。超電導線材の試験片２の直線部分には、電圧端子１４ａ、１４ｂが離間して設けられて、電圧計１５に接続される。
超電導線材の試験片２を超電導状態に冷却するために、冷媒１６を貯める冷媒容器１７が設けられる。冷媒を使用せずに、冷凍機を用いて超電導線材の試験片２を冷却することもできる。
【００２２】
超電導線材の試験片２を臨界温度以下に冷却し、引張応力を加える。この状態で通電を行いながら電圧を測定することにより、４端子法により臨界電流（Ｉｃ）を求めることができ、臨界電流の応力依存特性を把握することができる。このような超電導線材の特性を把握することにより、超電導線材をコイル巻きして作製されるマグネットの設計を適正に行うことができる。
【００２３】
第２挟持体５ａ（５ｂ）を電流電極１２ａ、１２ｂとする場合も、保持面８ａ（８ｂ）は１／４円以上の円弧状に形成されることが好ましい。これにより、超電導線材の試験片２と保持面８ａ（８ｂ）との接触面積が大きくなるとともに、超電導線材２が保持面８ａ（８ｂ）に強く接触して電流が流れやすくなる。
図４に示す従来の掴み具の場合、挟持面の部分あるいは挟持面から解放される境部分近傍の超電導線材に応力が集中して局部的な劣化が起こり、抵抗が発生して通電電流により発熱し、ひいては焼損に至ってしまう。
これに対して本発明の場合は、前述のように応力集中が抑えられるため、超電導線材が劣化することはなく、焼損に至ることはない。仮に挟持面あるいは挟持面と保持面８ａ（８ｂ）の境部分近傍で、超電導線材に局部的にわずかな劣化が生じたとしても、劣化部分を避けて保持面８ａ（８ｂ）の部分からも超電導線材に電流が流れるため、発熱が抑えられ、電圧端子間の測定に影響を与えることなく試験を正常に行うことができる。
さらに第２挟持体は銅あるいは銅合金のような熱伝導性の良好な材料であるため、超電導線材に局部的にわずかな劣化が生じたとしても、劣化部分の発熱が第２挟持体に吸収されて温度上昇が防止され、焼損には至らずに試験を正常に行うことができる。
【００２４】
（他の例）
図２は引張試験用掴み具の他の例を示す概略図である。
図２は他方の掴み具を省略して、一方の掴み具のみを示している。図２に示すように、一方の掴み具３ａは、第１挟持体４ａと第２挟持体５ａを有している。ここで、図１とは異なり、掴み具３ａの固定台９そのものが第１挟持体４ａであり、超電導線材の試験片２は固定台９の上面を挟持面として利用した挟持面９ａと第２挟持体５ａの挟持面７ａとに挟まれて固定されている。固定台９の挟持面９ａと第２挟持体５ａの挟持面７ａは、引張応力が加えられる方向（超電導線材の試験片２の長手方向）と垂直な方向を向くように挟持体が配置される。
第２挟持体５ａには図１と同様、曲率を有する保持面８ａが設けられており、前述した様に、挟持面に挟まれ固定されている超電導線材部分での応力集中が緩和される。
図１では、第１挟持体を固定台にボルト等で固定し、超電導線材を挟んで第１挟持体と第２挟持体をボルト等で固定していた。これに対して図２の例では、第１挟持体４ａを固定台９とすることにより、超電導線材を挟んで固定台９と第２挟持体５ａをボルト等で固定するだけでよく、簡略な構造とすることができるため製作が容易である。
【実施例】
【００２５】
図１に示す掴み具と引張試験装置を用い、超電導線材の試験片２としてテープ状のイットリウム系超電導線材の引張試験を行った。具体的には、液体窒素で臨界温度以下に冷却し、通電しながら引張応力を加える通電引張試験を行った。
電圧端子を図１に示すような超電導線材の直線部分である通常の位置に取り付けるとともに、図示しない超電導線材が第２挟持体の挟持面から解放される挟持面と保持面８ａ（８ｂ）の境部分近傍（劣化しやすい部分）にも電圧端子を超電導線材に取り付けて、臨界電流（Ｉｃ）を測定した。
掴み具あるいはその周辺の超電導線材に対する応力によるＩｃに及ぼす影響を正確に測定するには、超電導線材の試験片２のうち、掴み具あるいはその周辺よりも超電導線材の試験片２の両端に近い部分に電圧端子を設けて測定する必要がある。しかし、掴み具あるいはその周辺よりも電導線材の試験片２の両端に近い部分では、電導線材自体が挟持面で破壊されている可能性が高いため、Ｉｃを測定できない。
【比較例】
【００２６】
図４に示すような従来の掴み具と引張試験装置を用いて、同様に引張試験を行った。電圧端子を通常の超電導線材の直線部分の位置に取り付けるとともに、超電導線材が挟持面から解放される境部分近傍（劣化しやすい部分）にも電圧端子を超電導線材に取り付けて、臨界電流（Ｉｃ）を測定した。
【００２７】
図３に引張試験の結果を示す。図３は、超電導線材の引張歪に対する臨界電流（Ｉｃ／Ｉｃ０、Ｉｃ０は歪を加えないときの臨界電流）の変化を示したものである。
実施例の測定結果によると、電圧端子が直線部分の測定値（＊印）は、引張歪が０．５％を超えるあたりまで臨界電流を測定できており、しかも電圧端子が挟持面の境部分での測定値（○印）とほぼ同じ値である。これは、挟持面の境部分近傍の超電導線材に劣化がない、あるいは劣化があったとしてもIcに対する影響がないことを示しており、引張歪に対する臨界電流特性が正常に測定されたことを意味する。
これに対して比較例の測定結果によると、電圧端子が直線部の測定値（×印）は実施例の電圧端子が直線部分の測定値、電圧端子が挟持面の境部分の測定値とほぼ同じであるが、引張歪が０．５％未満のところで測定不能になっており、これは、超電導線材が焼損したためである。電圧端子が挟持体の境部分の測定値（□印）は、引張歪が０．４％付近から臨界電流が急激に低下し、直線部分の測定値と同様０．５％未満のところで測定不能になっており、挟持体の境部分近傍での超電導線材が劣化し、焼損したためである。
【００２８】
以上、本発明を好適な実施形態に基づいて説明してきたが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。
【符号の説明】
【００２９】
１…引張試験装置、２…超電導線材の試験片、３ａ、３ｂ…掴み具、４ａ、４ｂ…第１挟持体、５ａ、５ｂ…第２挟持体、６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂ…挟持面、８ａ、８ｂ…保持面、９…固定台、１２ａ、１２ｂ…電流電極。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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