JP2012033525A - 冷却槽および超電導臨界電流測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】温度変化による熱伸縮によって発生する応力を小さくし、劣化や破損を防止することができる冷却槽、および超電導線を冷却させる冷却槽を用いた超電導臨界電流測定装置を供給する。
【解決手段】冷媒４を入れるための容器部２１と、容器部２１の下面に配置され容器部２１の底面を水平にするために床面に配置される略板状のベース部２２とで構成され、容器部２１をベース部２２に固定させる固定手段６と、容器部が水平方向に移動自在に載置されるスライド手段７とを備え、容器部２１とベース部２２とが、少なくとも一つ以上の固定手段６と、少なくとも一つ以上のスライド手段７によって接続されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、冷却槽および超電導線を冷却させる冷却槽を用いた超電導臨界電流測定装置に関し、特に長さが１００ｍを超える長尺超電導線の臨界電流を測定する超電導臨界電流測定装置に関するものである。

従来、長さが１００ｍを超える長尺超電導線の臨界電流値を測定する場合には、超電導線の特定の区間をサンプリングして臨界電流値を測定し、その臨界電流値を超電導線全体の臨界電流値とする方法や、長尺の超電導線を冷却槽に収納できるような大きさのコイル状にして臨界電流値を測定し、その臨界電流値を長尺超電導線の臨界電流値とする方法などが用いられていた。

しかしながら、超電導線の特定の区間をサンプリングする方法においては、超電導線の臨界電流値は、超電導線全体にわたって一定ではないため、サンプリングした部分の臨界電流値が必ずしも超電導線全体にわたる臨界電流値を示すとは限らないという問題があった。

また、コイル状にして臨界電流値を測定する方法では、そのコイルに電流を流すことで磁場が発生し、その磁場によって臨界電流値が影響を受けるため、正確な臨界電流値の測定が困難となるという問題があった。また、超電導線の長さが長くなると、コイル状にした場合でも大きさが大きくなりすぎて、臨界電流値を測定するのが困難となる問題があった。

上記問題を解決するために、例えば特許文献１では、長尺超電導線を冷却槽に収納できる所定の長さ毎に、冷却槽を含む測定装置へ順次移動させ、所定区間長毎に臨界電流値を測定し、所定区間長毎に測定した臨界電流値のデータから全長の臨界電流値を演算させることにより、長尺超電導線全体の臨界電流値を正確に測定する方法を提案している。

特開平１０−２３９２６０号公報

上述した特許文献１に開示されている測定方法では、一回に測定する区間の長さ（上記の所定区間長）を長くしたほうが、長尺超電導線の臨界電流を全て測定するのに必要な測定回数を減らすことができ作業効率が良い。したがって冷却槽の長さを例えば数〜十数ｍと長く設計することが一般的である。

一方で、冷却槽を床面に設置する場合、図１に示すように、床面に傾きや凹凸があっても冷却槽２０を水平にするために、略板状のベース部２２を床面に配置し、その上に液体窒素などの冷媒４を入れるための容器部２１を配置する構成とすることが多い。このとき、冷媒４を充填および排出（または蒸発）させる際、温度変化によって容器部２１が膨張、収縮を繰り返すことになる。すると容器部２１をベース部２２に固定している、例えばボルトなどの固定手段６に繰り返し応力がかかり、固定手段６が劣化して破損するという問題がある。

そして冷却槽２０の長さが長いほど、容器部２１の伸縮の幅が大きく、固定手段６の劣化や破損の問題が顕著になる。

本発明は、以上の問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、温度変化によって熱伸縮しても劣化や破損がしにくい冷却槽、および超電導臨界電流測定装置を供給することである。

本発明に係る冷却槽は、冷媒を入れるための容器部と、前記容器部の下面に配置され前記容器部の底面を水平にするために床面に配置される略板状のベース部とで構成され、前記容器部を前記ベース部に固定させる固定手段と、前記容器部が水平方向に移動自在に載置されるスライド手段とを備え、前記容器部と前記ベース部とが、少なくとも一つ以上の前記固定手段と、少なくとも一つ以上の前記スライド手段によって接続されている（請求項１）。

この冷却槽を用いれば、温度変化によって容器部が熱伸縮しても、容器部がベース部の上で水平方向に移動できることから、熱伸縮によって発生する応力が小さくなり、劣化や破損を防止することができる。また固定手段によって容器部とベース部の水平方向の位置ずれを防止することができる。

また一つの前記固定手段が前記ベース部の長手方向に対して中央に位置し、二つの前記スライド手段が前記冷却槽の長手方向に対して前記一つの固定手段を挟むように位置することが好ましい（請求項２）。

このようにすれば、固定手段が一つであるため、熱伸縮しても固定手段の位置には殆ど応力がかからず、劣化や破損を防止することができる。また冷却槽の長手方向に対して中央を固定することにより、冷却槽の長手方向の両端部での容器部とベース部との水平方向の位置ずれを小さくすることができる。

また前記スライド手段によってスライドする方向が、前記冷却槽の長手方向であることが好ましい（請求項３）。

このようにすれば、最も熱伸縮の幅が大きい長手方向に対して移動自在なため、熱伸縮によって発生する応力をさらに小さくすることができ、劣化や破損を防止することができる。また長手方向と垂直な方向（幅方向）に対して、容器部とベース部との水平方向の位置ずれを小さくすることができる。

本発明に係る超電導臨界電流測定装置は、本発明に係る上述の冷却槽を用いて、超電導線を冷却するための冷却部と、冷却された所定区間長の超電導線の臨界電流を測定する測定部と、超電導線を前記所定区間長ずつ順次、測定部に移動させる送り部と、臨界電流を測定した超電導線を前記所定区間長ずつ順次、回収する回収部とで構成される（請求項４）。

このようにすれば、上述の通り熱伸縮によって発生する応力を小さくし、劣化や破損を防止することができる。また容器部とベース部の水平方向の位置ずれを小さくできるため、送り部と測定部、または測定部と回収部における超電導線の水平方向の位置ずれが小さくなる。したがって、超電導線が測定電極やローラから外れたり、超電導線が破断したり、また位置ずれによる測定異常が発生したりすることを防止できる。

本発明によれば、冷却槽の温度変化による熱伸縮によって発生する応力を小さくし、劣化や破損を防止することができる。

従来の冷却槽の構成を示す概略模式図である。 本発明の冷却槽の構成を示す概略模式図である。 スライド手段の一例を示す斜視模式図である。 図３中のＢ方向から見たスライド手段の一例の概略模式図である。 超電導臨界電流測定装置の構成を示す概略模式図である。

以下、本発明を実施の形態に基づいて説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではない。本発明と同一および均等の範囲内において、以下の実施の形態に対して種々の変更を加えることが可能である。

図２は、本発明の冷却槽の構成を示す概略模式図である。冷却槽２０は容器部２１とベース部２２とで構成されている。ベース部２２は略板状の直方体であり、冷却槽２０を水平に保つために床面上に配置されている。容器部２１は液体窒素などの冷媒４を入れるためのものであり、ベース部２２の上面に配置されている。

容器部２１とベース部２２とは、固定手段６およびスライド手段７とで接続されている。一つの固定手段６が冷却槽２０の長手方向（図中のＡ方向）の中央に位置している。また二つのスライド手段が冷却槽２０の長手方向（図中のＡ方向）に対して一つの固定手段６を挟むように位置している。なお固定手段６およびスライド手段７の数は、それぞれ少なくとも一つ以上あればよく、図２に示す数に限られるものではない。また固定手段６およびスライド手段の位置についても、図２に示す位置に限られたものではない。

固定手段６は、容器部２１がベース部２２に対して水平方向に動かないように固定する手段である。例えばボルトやネジなどを用いるのが一般的であるが、接着剤で固定する手段でも構わない。

スライド手段７は、容器部２１がベース部２２に対して水平方向に移動自在に載置される手段である。容器部２１がベース部２２に対して移動できる方向は、水平方向全部でも構わないし、水平面のある一方向のみでも構わない。容器部２１がベース部２２に対して水平方向全部に移動できる手段の例としては、容器部２１とベース部２２の摩擦を小さくするために潤滑油などを接触面に塗布する手段も考えられるが、機械的な手段によりスライドさせるスライド機構を設けることが好ましい。例えば、回転自由な球状のもので容器部２１とベース部２２とを接続する手段などが挙げられる。

また容器部２１がベース部２２に対して一方向のみに移動できるスライド手段の例を図３および図４に示す。図３はスライド手段の斜視模式図であり、図４は図３中のＢ方向から見たスライド手段の断面図である。スライド手段７は、レール７２とブロック７１とで構成されている。レール７２は一方向（図中のＣ方向）に長い略棒状の形状であり、レール７２の両側面には長手方向に沿った溝７６が設けられている。ブロック７１は底面が略Ｃ型の略角柱の形状である。ブロック７１の両側面にあって内側に突出した凸部７５と、レール７２の溝７６とが咬み合い、ブロック７１がレール７２上を一方向（図中のＣ方向）に移動できる構成となっている。そして、レール７２をベース部２２に固定し、ブロック７１を容器部２１に固定することによって、容器部２１がベース部２２上を一方向にのみ移動できる。

次に上述の冷却槽を用いた超電導臨界電流測定装置について説明する。図５は、超電導臨界電流測定装置の構成を示す概略模式図である。超電導臨界電流測定装置１は、冷却槽２０と、送りローラ１１と、受けローラ１２と、演算・制御用コンピュータ９と、測定電極３０と、測定器５０を備えている。なお冷却槽２０は、図５には図示しないが、上述の通り、容器部２１と、ベース部２２と、固定手段６と、スライド手段７とで構成されている。また冷却槽２０には液体窒素などの冷媒４が満たされている。冷媒４は超電導線８を冷却するためのものである。

送りローラ１１および受けローラ１２は円筒形状であり、超電導線８が巻付けられている。測定を開始する前には、送りローラ１１にのみ超電導線８が巻付けられており、受けローラ１２には超電導線８の端部が固定されているのみである。

超電導線８は銀などのシース材に収められた金属被覆超電導材や、金属基板上に中間層および超電導層を積層して形成された薄膜超電導線材からなる。金属被覆超電導材の材質は特に限定されるものではないが、たとえば、（Ｂｉ_Ｘ−Ｐｂ_２−Ｘ）Ｓｒ_２Ｃａ_２Ｃｕ_３Ｏ_１０を用いることができる。また薄膜超電導線材の材質は特に限定されるものではないが、たとえば、ＲＥ_１Ｂａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−δ（ＲＥは希土類元素を示す。）を用いることができる。また、超電導線８の長さは１００ｍ以上であることが好ましい。また、超電導線８の形状は特に限定されるものではないが、好ましくは、テープ状であり、幅が４ｍｍ程度、厚さが０．２ｍｍ程度であればよい。

測定が開始されると、超電導線８は、送りローラ１１から補助ローラ１３を介して受けローラ１２へ順次巻取られる。また、送りローラ１１、受けローラ１２、補助ローラ１３はともに回転可能である。演算・制御用コンピュータ９が送りローラ１１と受けローラ１２と測定器５０に接続されている。演算・制御用コンピュータ９は送りローラ１１および受けローラ１２に信号を与え、送りローラ１１および受けローラ１２を回転させる。また、演算・制御用コンピュータ９は測定器５０と接続されているため、測定器５０で得られたデータから、さまざまな演算を行なうことができる。

測定電極３０は、それぞれ電流電極３１と、電圧電極３２とを備えている。また測定電極３０は、駆動部（図示せず）によって上下方向に移動可能であり、測定電極３０が下方向に移動すれば、電流電極３１および電圧電極３２は、超電導線８と接触する。通常は、電流電極３１および電圧電極３２の、超電導線８を介した下方向に、それぞれ受け台（図示せず）が冷却槽２０に固定されており、電流電極３１と電圧電極３２が下方向に移動すれば、電流電極３１および電圧電極３２と、受け台とが、超電導線８を挟み込むような形となり、電流電極３１および電圧電極３２と、超電導線８とが確実に接触するようになっている。測定電極３０の駆動部は、演算・制御用コンピュータ９と接続されており、演算・制御用コンピュータ９からの信号を受けて測定電極３０を移動させる。

測定器５０は、電流源５１と、電圧計５２とを備えている。電流電極３１は電流源５１に接続され、電圧電極３２は電圧計５２に接続されている。電流源５１は、超電導線８に一定値の電流を流すことができる。電圧計５２は、一対の電圧電極３２の間の電位差を計測することができる。電流源５１および電圧計５２より得られたデータは、演算・制御用コンピュータ９に渡される。

次に、このように構成された超電導臨界電流測定装置１を用いて超電導線の臨界電流値を測定する方法について説明する。まず、長尺の超電導線８を用意する。超電導線８を図５で示されるように配置する。次に、演算・制御用コンピュータ９が、測定電極３０を下へ動かすように信号を送り、電流電極３１および電圧電極３２が下へ移動し超電導線８と接触する。このような状態で、電流源５１から所定の電流が超電導線８に流される。このときの一対の電圧電極３２の間の電位差が電圧計５２により計測される。以降、一対の電圧電極３２の間の長さを所定区間長３５と定義する。

ここで所定区間長３５は、より長く設計した方が、一回に測定する区間が長くなり、長尺超電導線の臨界電流測定に要する時間を短縮させることができるので好ましい。したがって、冷却槽２０の長さも、より長く設計したほうが好ましく、具体的には、４ｍ以上が好ましく、１２ｍ以上がより好ましい。一方、冷却槽２０の長さの上限は特に定められたものではないが、測定装置の設置スペースなどの問題から、２５ｍ以下が好ましい。

演算・制御用コンピュータ９は、電流源５１から流される電流の値を変化させ、それぞれの電流値に対する電圧値を測定する。電流値と電圧値との関係データより超電導線８の長さに応じた基準電圧における臨界電流値を計算する。例えば、超電導線の長さ１ｃｍ当りの基準発生電圧を１μＶとした場合、所定区間長が４ｍならば、基準電圧は０．４ｍＶとなるので、電圧計５２で計測される電圧が０．４ｍＶを超えたときの電流値が、所定区間長３５での臨界電流値となる。

次に、演算・制御用コンピュータ９は、測定電極３０を上へ動かすように信号を送り、電流電極３１および電圧電極３２が上へ移動し超電導線８との接触が外れる。次に、演算・制御用コンピュータ９は、送りローラ１１には、超電導線８を所定区間長３５の長さだけ送るように、受けローラ１２には、超電導線８を所定区間長３５の長さだけ巻取るように信号を与える。この信号を受けた送りローラ１１は超電導線８を所定区間長３５の長さだけ送り、受けローラ１２は超電導線８を所定区間長３５の長さだけ巻取る。これにより、前のステップで計測した超電導線８の第１区間に隣接する第２区間が、一対の電圧電極３２の間に位置することになる。そして、上述のようなステップを経ることにより、この第２区間でも電流と電圧との関係を測定し、臨界電流値を求めることができる。これを繰り返すことにより、長尺の超電導線全長の臨界電流値を測定することができる。

次に、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明する。

実施例として、図２と同様の冷却槽を用いて、図５と同様の超電導臨界電流測定装置を構成した。容器部２１の材質はＳＵＳ３０４で、長さ５．５ｍ、幅０．２５ｍ、高さ０．１５ｍである。ベース部２２の材質はＳＵＳ３０４で、長さ５．５ｍ、幅０．２５ｍ、高さ０．１ｍである。冷却槽２０の長手方向の中央部に固定手段６を設けて、容器部２１とベース部２２を固定した。固定手段６はＳＵＳ３０４製のボルトを用いた。また冷却槽２０の長手方向中央部から両端に向けて、それぞれ２．２ｍ離れた位置にスライド手段７を設けた。スライド手段７は図３および図４に示すものと同様のものを用いた。レール７２の長手方向、つまりブロック７１が移動する方向は、冷却槽２０の長手方向と同じにした。

超電導臨界電流測定装置の所定区間長３５の長さは４ｍである。超電導線８は、Ｂｉ系の酸化物超電導材を銀のシース材に収めた金属被覆超電導線材を用いた。また超電導線８の長さは１０００ｍで、幅は４ｍｍ、厚さは０．２３ｍｍである。

超電導線の臨界電流測定を開始する前に、冷却槽２０に溶媒４を入れた。冷媒４には液体窒素を用いた。そして、超電導臨界電流測定が終了した後に、冷却槽２０から液体窒素を排出させた。

次に、冷却槽２０に液体窒素を入れた場合と、入れていない場合との、冷却槽２０の伸縮量について説明する。長さＬ、温度差ｄＴ、熱膨張係数αのとき、熱伸縮量ｄＬは、
ｄＬ＝Ｌ×ｄＴ×α
で表される。ここで、Ｌ＝５５００ｍｍ、ｄＴ＝２１０℃、α＝１４．６７×１０^−６／℃であるので、熱伸縮量ｄＬの計算値は、
ｄＬ＝５５００×２１０×１４．６７×１０^−６＝１７ｍｍ
となる。

一方、容器部２０の長手方向の位置について、液体窒素を入れる前と後とで比較したところ、中心部（固定手段が設けられている位置）は床面に対して移動しておらず、容器部２０の長手方向の両端の位置は、両端とも床面から約８ｍｍずつずれていた。この結果から、温度差による熱伸縮量は上述の計算値とほぼ一致しており、つまり熱伸縮が固定手段などによって妨げられることが殆どなかったと推定される。

本実施例では、温度差による熱伸縮が殆ど妨げられることなく、固定手段などにかかる応力が低減できたため、液体窒素の注入、排出を繰り返しても、固定手段が破損することは無かった。

また本実施例では、冷却槽の長手方向の中央部を固定手段で固定しているため、液体窒素の注入、排出を繰り返しても、床面とのずれが拡大していくことがなく、超電導線の臨界電流を測定している際に、超電導線が測定電極やローラから外れたり、超電導線が破断したり、また位置ずれによる測定異常が発生したりすることは無かった。

本発明は、冷却槽の温度変化による熱伸縮によって発生する応力を小さくし、劣化や破損を防止することができるので、特に長さが１００ｍを超える長尺超電導線の臨界電流を測定する超電導臨界電流測定装置として好適である。

１ 超電導臨界電流測定装置、１１ 送りローラ、１２ 受けローラ、１３ 補助ローラ、２０ 冷却槽、２１ 容器部、２２ ベース部、３０ 測定電極、３１ 電流電極、３２ 電圧電極、３５ 所定区間長、４ 冷媒、５０ 測定器、５１ 電流源、５２ 電圧計、６ 固定手段、７ スライド手段、７１ ブロック、７２ レール、７５ 凸部、７６ 溝、８ 超電導線、９ 演算・制御用コンピュータ

Claims (4)

1. 冷媒を入れるための容器部と、前記容器部の下面に配置され前記容器部の底面を水平にするために床面に配置される略板状のベース部とで構成され、
   前記容器部を前記ベース部に固定させる固定手段と、前記容器部が水平方向に移動自在に載置されるスライド手段とを備え、
   前記容器部と前記ベース部とが、少なくとも一つ以上の前記固定手段と、少なくとも一つ以上の前記スライド手段によって接続されていることを特徴とする冷却槽。
2. 一つの前記固定手段が前記ベース部の長手方向に対して中央に位置し、二つの前記スライド手段が前記冷却槽の長手方向に対して前記一つの固定手段を挟むように位置することを特徴とする請求項１に記載の冷却槽。
3. 前記スライド手段によってスライドする方向が、前記冷却槽の長手方向であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の冷却槽。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の冷却槽を用いて、超電導線を冷却するための冷却部と、
   冷却された所定区間長の超電導線の臨界電流を測定する測定部と、
   超電導線を前記所定区間長ずつ順次、測定部に移動させる送り部と、
   臨界電流を測定した超電導線を前記所定区間長ずつ順次、回収する回収部とで構成される超電導臨界電流測定装置。

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