技術紹介

極低温領域における精密温度計測菅原 敏博 *To s h i h i r o S u g a w a r a

山 崎 裕 大 **Ya s u o

Ya m a z a k i

超電導モータのコイル冷却用過冷却液体窒素の温度変化を計測する方法について検討し、開発機試験時に適用したところ良好な計測結果が得られた。本報ではその計測方法と実計測適用の概要を紹介する。

キーワード：高温超電導、超電動モータ、過冷却液体窒素、Pt100 測温抵抗体、ミリオーム計

1.

における温度変化を Pt100 測温抵抗体およびミリはじめにオーム計を使用した微小温度差計測方法を提案し1986 年に高温超電導体が発見された後、安価実計測に適用した。

で扱い易い液体窒素（77K）でも超伝導転移が可*1 （株）IHI，住友電気工業（株），大陽能となったことにより、これを応用した電力機器

日酸（株），ナカシマプロペラ（株），開発が盛んになった。2005 年に８共同開発産学

新潟原動機（株），（株）日立製作所，

チーム
タ１）

*1

が開発した液体窒素冷却全超電導モー

福井大学，富士電機システムズ（株）

は小型軽量、高効率の舶用電気推進装置と2.

して注目されている。

既成温度計測方法による検討

超電導モータは固定部分の電機子コイルユニッ

クライオスタット内での液体窒素温度変化からトを超電導転移させるため、同ユニットを格納

発熱量を算出するためには少なくと±１％以内のするクライオスタット内に過冷却液体窒素を循環計測精度が要求される。熱電対を使用した一般のさせている。過冷却液体窒素はクライオスタット

デジタル温度計の計測精度は、温度範囲 23K 〜への侵入熱によりわずかに上昇する。この侵入熱

123K の範囲においては表１の通りであり、必要量を把握するために微小な温度変化を正確に計測な分解能 0.01K を満足せず、液体窒素温度変化にする方法が必要となる。筆者等はこの極低温領域よる発熱量算出には適用できない。

＊計測事業部＊＊ 計測事業部

試験エンジニアリング部
試験エンジニアリング部

部長̶26 ̶

表１ デジタル温度計の測定精度
ム計（微小電気抵抗計測器）で高精度に計測し、（測定範囲23Ｋ〜123Ｋ） （単位：Ｋ）温度換算する方法を提案した。

熱電対種類

ＫＴＪＥ

Ｐｔ（測温抵抗体）

温度計機種

機種Ａ

± 0.1

± 0.1

± 0.1

± 0.1

± 0.1

機種Ｂ± 0.7

± 1.7

± 0.3

± 1.0

± 0.1

写真１にミリオーム計およびデータ収録用ＰＣを示す。Ｐｔ１００測温抵抗体の抵抗値はミリ＜Ｅ社製２機種＞

オーム計で計測され、データは専用計測ソフトウエアをインストールした PC に収録される。表４

また熱電対の熱起電力を精密電圧計で計測するにミリオーム計の計測精度を示す。4m Ω／ 0.01K方法とした場合、表２に示すように JIS に定めらの分解能に対応する計測レンジを 200 Ωとした場

れた熱電対の中で最も高い起電力特性を有して合では、計測分解能は 1m Ωで、読値に対する精いるＥタイプ熱電対の 1K での起電力差は 24 μ

度は± 0.008％、フルスケールに対する精度は±Ｖであるが、0.01K の分解能を満足するためには0.0015％である。

0.24 μＶを精度良く計測する電圧計が必要となる。しかし現在市販されている最も分解能の高い
デジタルマルチメータでも 1 μＶが限界のようであり、これも適用は困難と考えられる。
表2

熱電対の熱起電力（JIS C 1602-1995）（単位：μＶ）

温度

66K

67K
起電力差

熱電対種類

68K
起電力差

Ｋ5994

145980175963

Ｔ5710

155695

155680Ｊ8037

208017217996

Ｅ8994

238971248947

Ｎ4057

94048

104038

写真 1
表4

ミリオーム計の計測精度±（ppm of 読値＋ppm of フルスケール）

レンジ

3.

最大表示

分解能20 Ω20.000Ω

200 Ω

200.000Ω

サンプリング速度
SLOW2

SLOW１MEDIUM

100 μΩ 100 ＋40100＋60

100＋100 100＋150

80＋3080＋40

提案した計測方法

微小な温度変化を精度よく計測する場合、温度計測装置

1m Ω

80 ＋15差によるセンサーの出力差が大きいことが望まし

FAST

80＋100＜Ｈ社製カタログより＞

い。表３に示すように、Ｐｔ１００測温抵抗体は温度差による抵抗変化が大きく、4 ｍΩ／ 0.01 Ｋ

た だ し、JIS に お け る Ｐ ｔ １ ０ ０ 測 温 抵 抗 体以上の出力が得られる。この抵抗変化をミリオーＡ級の 73K における許容差 *2 は± 0.55K で、また規準抵抗値表 2) には 73K までの記載しかない

表3

Ｐｔ１００測温抵抗体の抵抗変化ため、73K 以下の温度を計測するためにはＰｔ（単位：mΩ）
73K74K
抵抗値差

規準抵抗値

18520

430
（4.3/0.01K）

75K

把握、補正係数を求めるなどして規準抵抗値表か抵抗値差
18950

430

１００測温抵抗体の計測温度付近における器差の19380（4.3/0.01K）

ら外挿する必要がある。
*2＜JIS C 1604-1997＞

̶ 27

̶

Pt100 測温抵抗体の示す抵抗値を規準抵
IIC REVIEW/2007/10. No.38

表5

抗値表により換算して求めた温度から実際の温度を引いた値の許容される最大限時間度。

Ｓ

超電導モータクライオスタット
内部冷却LN2計測結果の例
Ａポイント

Ｂポイント

℃℃

ＫＫ

０−198.655

74.495−199.944

73.206

１０−198.694

74.456−199.955

73.195２０−198.713

74.437−199.957

73.193３０−198.741

74.409−199.963

73.187４０−198.771

74.379−199.957

73.193

Ｐｔ１００測温抵抗体の抵抗値の変化を温度換算

５０−198.803

74.347−199.955

73.195した。表６に超電動モータクライオスタット内の

６０−198.818

74.332−199.948

73.206

７０−198.846

74.304−199.944

73.206

８０−198.878

74.272−199.942

73.2084. 実計測への適用結果
写真２に超電導モータ開発機を示す。同モータのクライオスタット内部に設置されたそれぞれの温度計測結果の一例を示す。連続計測において微妙な温度経時変化を捉えることが出来た。

5.

おわりに本報で紹介した計測方法は液体窒素の過冷却領域における微小温度変化を捉えること目的として考案したもので、各計測点間の相対的な温度差の把握に重点を置いている。今後盛んになって行くと予想される超電導機器の開発気運に沿ったかた
ちで、極低温領域における計測技術のブレークスルーを図って行きたいと考える。
本稿の執筆にあたり、（株）ＩＨＩ舶用超電導推進事業関係各位にご協力を頂きました。ここに紙面を借りて感謝の意を表します。
写真 2.

超電導モータ開発機

6. 参考文献
1）竹田，外川，太田：液体窒素冷却全超電導モータの開発，IHI 技報

Vol.45No.4(2005-12)2）JIS C 1604-1997

計測事業部
試験エンジニアリング部
部長

計測事業部
試験エンジニアリング部

菅原 敏博

山崎 裕大

TEL. 045-759-2281

TEL. 045-759-2281

FAX. 045-751-0357

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