JP2015175733A - 超電導特性の評価方法、その評価装置およびその評価プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】試験体を焼損させるリスクを回避した超電導特性の評価試験を可能にする超電導特性の評価方法、その評価装置およびその評価プログラムを提供する。【解決手段】超電導特性の評価方法は、超電導層を少なくとも含む複数の層を積層させた高温超電導線材から構成される試験体を浸漬させてその臨界温度以下に冷却する寒剤を冷却槽に貯留する貯留ステップ（Ｓ１０）と、試験体の臨界電流値まで大きさを変化させながら試験体に電流を流す通電ステップと、この電流によって発生した電圧を測定する測定ステップと、を含み、試験体の臨界電流値は、この複数の層のうち超電導層の過剰電流の迂回経路となる安定化金属層の限界熱流束を発生させる電流値以下となるように調節がされる。【選択図】 図２

Description

本発明は、高温超電導線材またはこの高温超電導線材からなる超電導コイルなどの試験体を評価対象として、その超電導特性を通電中の電圧挙動から評価する評価技術に関する。

イットリウム系（ＲＥ系）薄膜から構成される高温超電導線材は、超電導特性および機械的特性に優れており、第二世代の超電導線材とよばれている。

このような高温超電導線材は、典型的には超電導コイルとして、様々な超電導利用機器へ適用することが期待されている。
超電導利用機器は、一般に、用いられている超電導コイルが液体窒素または液体ヘリウムなどで冷却されて超電導状態が維持された状態で使用される（例えば、特許文献１または特許文献２参照）。

高温超電導線材は、冷却されるほど超電導状態を維持することができる限界の電流値（臨界電流値）が大きくなる性質がある。
すなわち、高温超電導線材が冷却されるほど、超電導磁石として、より強い磁場をより安定的に発生させることができる。
よって、沸点が７７Ｋである液体窒素に比べてさらに低沸点の寒剤または極低温冷凍機の使用が想定されて、これらの機器が設計される。

ところで、ＲＥ系薄膜からなる高温超電導線材は、超電導利用機器において、一般に２０Ｋ以上の温度帯で使用される。
この温度帯における高温超電導線材を構成する各材料の比熱は、４Ｋ程度の温度帯に比べて、２桁程度高くなる。

すなわち、高温超電導線材では、臨界温度の付近である４Ｋ程度で使用されていた従来の低温超電導線材（ＮｂＴｉ線材）で頻発したクエンチを起こす確率は極めて低い。
クエンチとは、超電導線材のずれなどによる微小な電流の擾乱で超電導線材の温度が局所的に上昇して、超電導線材全体が瞬時に常電導状態へ不可逆に転移する現象である。

低温超電導線材は熱伝導率が高く、発生した熱量が分散されやすい。
よって、一度クエンチを起こしても、一般には、その低温超電導線材を再度利用することができる。
しかし、高温超電導線材は熱伝導率が低いので、クエンチまでに至らなくとも、熱暴走があると高温超電導線材が焼損するおそれがある。

現状では、高温超電導線材は、上述のとおり比熱が高いという優位性があるものの、その品質が一般的な工業製品レベルに達している低温超電導線材に比べ品質が低い。
つまり、高温超電導線材は、その長手方向の超電導特性を一定化するのが容易でないなどの理由から、臨界電流値が局所的に低い劣化部分を含むことが少なくない。

よって、高温超電導線材では、このような熱暴走を起こさないように考慮することが必要となる。
しかし、常電導体に比べ桁違いに高い電流密度が得られるという特性を発揮させるため、超電導コイルは劣化部分を含まないという想定で高電流密度設計をすることが要求される。

よって、これら高温超電導線材または高温超電導線材を使用した超電導コイルなどの機器（以下、まとめて「試験体」という）の評価試験では、この想定における臨界電流付近にまで電流を増加させて、その電圧挙動を評価する必要がある。

特開２０１３−２２２８７３号公報 特開２０１３−２４７３２３号公報

しかしながら、上述した従来の技術では、臨界電流付近までの評価試験をしようとすると、試験体に流れる電流を数百Ａ程度にまで増加させなければならない。
つまり、評価試験中に熱暴走が起きて、安定化金属層では担いきれない大電流が安定化金属層に流れるおそれがある。
すなわち、評価試験をすることで、かえって試験体を焼損させてしまうリスクがあるという課題があった。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、試験体を焼損させるリスクを回避した超電導特性の評価試験を可能にする超電導特性の評価方法、その評価装置およびその評価プログラムを提供することを目的とする。

本実施形態にかかる超電導特性の評価方法は、超電導層を少なくとも含む複数の層を積層させた高温超電導線材から構成される試験体を浸漬させてその臨界温度以下に冷却する寒剤を冷却槽に貯留する貯留ステップと、前記試験体の臨界電流値まで大きさを変化させながらこの試験体に電流を流す通電ステップと、前記電流によって発生した電圧を測定する測定ステップと、を含み、前記試験体の臨界電流値は、前記複数の層のうち前記超電導層の過剰電流の迂回経路となる安定化金属層の限界熱流束を発生させる電流値以下となるように調節がされることを特徴とするものである。

また、本実施形態にかかる超電導特性の評価装置は、超電導層を少なくとも含む複数の層を積層させた高温超電導線材から構成される試験体にこの試験体の臨界電流値まで大きさを変化させながら電流を流す電流供給部と、前記試験体に接続されて前記電流によって発生した電圧を測定する測定部と、前記試験体を浸漬させてその臨界温度以下に冷却する寒剤を貯留する冷却槽とを備え、前記寒剤は、液体アルゴンおよび液体酸素のいずれかであることを特徴とするものである。

本発明により、試験体を焼損させるリスクを回避した超電導特性の評価試験を可能にする超電導特性の評価方法、その評価装置およびその評価プログラムが提供される。

各実施形態にかかる超電導特性の評価方法で評価される試験体を構成する高温超電導線材の構成図。 第１実施形態にかかる超電導特性の超電導特性の評価方法を示すフローチャート。 図２の第１実施形態にかかる超電導特性の評価方法における評価測定サブルーチンを示すフローチャート。 ７７Ｋおよび８７Ｋに冷却した試験体に通電したときの電流値と試験体に発生した単位長さあたりの電圧との関係の実測結果を示す図。 臨界電流値が安定化金属層にすべて転流した場合の発生熱流束の計算結果を示す表。 寒剤と試験体との温度差と発生熱流束との関係を示す概略図。 超電導状態および常電導状態における電流と単位長さあたりの電圧との関係を示す概略図。 第１実施形態にかかる超電導特性の超電導特性の評価装置の構成図。 は従来の評価試験装置で使用されていた接続端子の一例を示す図、（Ｂ）は超電導特性の評価装置で用いられる接続端子を示す図。 第２実施形態にかかる超電導特性の評価装置の要部を示す図。 第３実施形態にかかる超電導特性の評価装置の要部を示す図。 試験体を貫通する外部磁場と臨界電流値との関係を示す概略図。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１は、各実施形態にかかる評価方法で評価される試験体１２を構成する高温超電導線材２０（以下、単に「超電導線材２０」という）の構成図である。

超電導線材２０は、例えば図１に示されるように、ステンレスまたは銅などの高強度の金属材質である基板２２と、基板２２の上に形成されて基板２２と超電導層２５の熱収縮の際に起因する熱歪みを防止する中間層２４と、中間層２４を基板２２の上に配向させるマグネシウムなどからなる配向層２３と、中間層２４の上に形成される酸化物でできた超電導層２５と、銀、金または白金などで組成されて超電導層２５に含まれる酸素が超電導層２５から拡散することを防止して超電導層２５を保護する保護層２６と、銅またはアルミニウムなどの良伝導性の金属メッキであり超電導層２５への過剰電流の迂回経路となって熱暴走を防止する安定化金属層２１と、から構成される。

ただし、超電導線材２０を構成する層の種類および数はこれに限定されるものではなく、必要に応じて多くても少なくてもよい。

このように構成された超電導線材２０は、上述したように、その長手方向に超電導特性が一定ではなく、電流が局所的に攪乱する場合がある。
また、超電導層２５は破損しやすく、微弱な外力によっても超電導特性が局所的に劣化して、電流の局所的で微小な攪乱が発生する。
このような微小な攪乱で局所的に電流が臨界電流値Ｉ_ｃを超えて熱暴走を起こさないように、一般に、超電導層２５の過剰電流を安定化金属層２１に迂回させている。

したがって、少量の電流であれば、安定化金属層２１に迂回させることで超電導状態を維持することができる。
なお、一度熱暴走を起こすと、常電導金属では定常的には流せない大電流がこの安定化金属層２１に流れるので、超電導線材２０は焼損してしまう。

（第１実施形態）
図２は、第１実施形態にかかる超電導特性の評価方法（以下、単に「評価方法」という）を示すフローチャートである。
また、図３は、図２の第１実施形態にかかる評価方法における評価測定サブルーチン（Ｓ１９）を示すフローチャートである。

さらに、図８は、第１実施形態にかかる超電導特性の評価装置１０（以下、単に「評価装置１０」という）の構成図である。

第１実施形態にかかる超電導特性の評価方法は、図１〜図３および図８に示されるように、超電導層２５を少なくとも含む複数の層を積層させた超電導線材２０から構成される試験体１２を浸漬させてその臨界温度以下に冷却する寒剤１１を冷却槽１４に貯留する貯留ステップ（Ｓ１０）と、試験体１２の臨界電流値Ｉ_ｃまで大きさを変化させながら試験体１２に電流を流す通電ステップ（Ｓ２０）と、この電流によって発生した電圧を測定する測定ステップ（Ｓ２１）と、を含み、試験体１２の臨界電流値Ｉ_ｃは、この複数の層のうち超電導層２５の過剰電流の迂回経路となる安定化金属層２１の限界熱流束Δｑ_ｃを発生させる電流値Ｉ_ｂ以下となるように調節がされる。

第１実施形態においては、臨界電流値Ｉ_ｃを電流値Ｉ_ｂ以下とする調節は、寒剤１１として液体アルゴンおよび液体酸素のいずれかの選択による。

貯留ステップ（Ｓ１０）では、超電導層２５を少なくとも含む複数の層を積層させた超電導線材２０から構成される試験体１２を浸漬させてその臨界温度以下に冷却する寒剤１１を冷却槽１４に貯留する。

臨界温度以下に維持することで、試験体１２を構成する超電導線材２０が超電導状態に維持されて評価試験が実施される。
試験体１２を冷却する寒剤１１には、上述のように沸点がそれぞれ７８Ｋ、９０Ｋの液体アルゴンまたは液体酸素が使用される。

ここで、図４を用いて、臨界電流値Ｉ_ｃの温度依存性について説明する。
図４は、７７Ｋおよび８７Ｋに冷却した試験体１２に通電したときの電流値と試験体１２に発生する単位長さあたりの電圧との関係の実測結果を示す図である。

７７Ｋは液体窒素の沸点、８７Ｋは液体アルゴンの沸点をそれぞれ表わす。
この試験では、試験体１２として、安定化金属層２１が幅約４ｍｍ、厚さ約０．０４ｍｍのＲＥ系薄膜を含むサンプルを用いた。
この試験では、臨界電圧値Ｖ_ｃを１．０×１０^−６［Ｖ／ｃｍ］と定義して、この値に達するのに必要な電流値をサンプルの臨界電流値Ｉ_ｃとした。

図４からわかるように、サンプルの７７Ｋにおける臨界電流値Ｉ_ｃは１３７Ａであった。
一方、８７Ｋでの臨界電流値Ｉ_ｃは１５．２Ａとなり、７７Ｋでの臨界電流値Ｉ_ｃに対して１１．１％にまで低下した。

この２つの臨界電流がすべて安定化金属層２１に転流すると仮定をして、サンプルの安定化金属層２１の断面積から、安定化金属層２１を流れる電流の電流密度を計算した。
そして、この電流密度から、サンプルの片側表面から放出される発生熱流束ｑを計算した。

図５は、臨界電流値Ｉ_ｃが安定化金属層２１にすべて転流した場合の発生熱流束ｑの計算結果を示す表である。
図５に示されるように、臨界電流値Ｉ_ｃが１３７Ａのとき、サンプルの片側表面からの発生熱流束ｑは約６０ｋＷ／ｍ^２と計算された。
一方、臨界電流値Ｉ_ｃが１５．２Ａのときこの発生熱流束ｑは、１３７Ａのときと比べ１／１００の約０．７ｋＷ／ｍ^２と計算された。

ここで、図６は、寒剤１１と試験体１２との温度差ΔＴと発生熱流束ｑとの関係を示す概略図である。
横軸は試験体１２の温度Ｔ_ｗの寒剤１１の温度Ｔ_ｓからの差を対数表示したものである。
縦軸は試験体１２から寒剤１１へ移動する移動熱流束Δｑの大きさを対数表示したものである。

温度差ΔＴが小さく、移動熱流束Δｑが小さいときは、寒剤１１への熱移動は核沸騰領域Ψで起こる。
核沸騰領域Ψでは、試験体１２の発生熱流束ｑは高い効率で寒剤１１に移動するので、超電導層２５は瞬時に冷却されて超電導状態に戻る。

温度差ΔＴが増加すると、この増加に伴って移動熱流束Δｑも増加する。
そして、発生熱流束ｑとともに温度差ΔＴが大きくなり、移動熱流束Δｑが限界熱流束Δｑ_ｃを超えると、移動熱流束Δｑは不連続に小さな値に遷移する。
移動熱流束Δｑが小さくなって熱の移動効率の低くなったこのような領域を膜沸騰領域Σという。

約６０ｋＷ／ｍ^２程度の発生熱流束ｑに基づく温度差ΔＴでは、図６に示されるように、その熱移動は膜沸騰領域Σで起こる可能性がある。
つまり、発生熱流束ｑはすぐには寒剤１１に回収されずに、超電導状態に戻ろうとする作用を阻害して、熱暴走を加速させる可能性がある。

さらに、超電導線材２０を巻回した超電導コイルでは、寒剤１１に接触するペリメータがより小さくなるので、超電導層２５が常電導化する可能性はさらに高まる。
すなわち、このような温度で評価試験をすると、評価試験において熱暴走が起こり、評価試験によってかえって試験体１２の超電導特性を劣化させてしまうおそれがある。

一方、０．７ｋＷ／ｍ^２程度の発生熱流束ｑであれば、図６に示されるように、周囲の寒剤１１との温度差ΔＴが小さく、寒剤１１への熱移動は膜沸騰領域Σで起こる。
つまり、試験体１２における発熱は瞬時に寒剤１１に回収される。
すなわち、８７Ｋ程度の高温な温度帯を維持できる寒剤１１を選択することで、発生熱流束ｑそのものを小さくできることに加えて、核沸騰領域Ψで熱を回収することができる。

そこで、第１実施形態では、寒剤１１に液体アルゴンや液体酸素を選択することで冷却温度を８７Ｋ程度に維持して、試験体１２に発熱が生じても焼損してしまう可能性を低減する。
なお、ＲＥ系からなる超電導線材２０は、前述したように常電導状態への転移温度が９０Ｋ程度である。

図２および図３に戻って説明を続ける。
通電ステップＳ２０（図３）では、試験体１２の臨界電流値Ｉ_ｃまで大きさを変化させながら試験体１２に電流を流す。

臨界電流値Ｉ_ｃは、試験体１２に使用されている超電導線材２０の各層の構成または試験体１２の形状などによって異なる。
そこで、例えば上述のサンプルの例に示したように、試験体１２に発生する単位長さあたりの電圧に閾値を定めて、このときの電流を臨界電流値Ｉ_ｃとみなす。

測定ステップＳ２１では、試験体１２を流れる電流によって発生した電圧を測定する。
ここで、図７は、超電導状態および常電導状態における電流Ｉと単位長さあたりの電圧Ｖとの関係を示す概略図である。
なお、図７は、図４において縦軸および横軸の対数表示を等間隔表示で表したものの概略図に相当する。

図７に示されるように、同一の試験体１２で評価試験をする場合、上述したように、温度を上げるのに伴い、ｆ_３（Ｉ_ｃ３）→ｆ_２（Ｉ_ｃ２）→ｆ_１（Ｉ_ｃ１）と電圧の立ち上がりが早まる。
しかし、例えば局所的な発熱など、試験体１２の超電導特性に基づく電圧挙動はいずれも同等に把握できる。

以上のように、第１実施形態にかかる評価方法では、寒剤１１を液体アルゴンまたは液体酸素などに限定することで、評価試験における寒剤温度を８７Ｋ程度に維持した。
よって、試験体１２の臨界電流値Ｉ_ｃは、安定化金属層２１の限界熱流束Δｑ_ｃを発生させる電流値Ｉ_ｂ以下に調節される。
つまり、これらの寒剤１１に限定することで、試験体１２を焼損させるリスクを回避した超電導特性の評価試験を可能にすることができる。

次に、上述した評価方法を実施するのに好適である評価装置１０を、図８および図９を用いて説明する。
図９（Ａ）は、従来の評価試験装置で使用されていた接続端子３２ａ（３２）の一例を示す図、図９（Ｂ）は、評価装置１０で用いられる接続端子３２ｂ（３２）を示す図である。

評価装置１０は、図８または図９に示されるように、超電導層２５を少なくとも含む複数の層を積層させた超電導線材２０から構成される試験体１２に、この試験体１２の臨界電流値Ｉ_ｃまで大きさを変化させながら電流を流す電流供給部１６と、試験体１２に接続されて電流によって発生した電圧を測定する測定部１７と、試験体１２を浸漬させてその臨界温度以下に冷却する寒剤１１を貯留する冷却槽１４と、を備え、寒剤１１は、液体アルゴンおよび液体酸素のいずれかである。

電流供給部１６は、超電導線材２０から構成される試験体１２に、この試験体１２の臨界電流値Ｉ_ｃまで大きさを変化させながら電流を流す。
高温超電導線材２０の超電導特性の評価に一般に使用されている評価試験装置は、数百Ａの大電流を許容するものが用いられる。

しかし、評価装置１０は、普通十数Ａ程度まで、高くても数十Ａ程度までの電流を許容すればよい。
つまり、広く市販されている電源を電流供給部１６として利用することができる。
すなわち、評価試験で用いる電流が十数Ａ程度であるので、評価装置１０では、従来の評価試験装置に比べて、コストを削減することができる。

また、電流供給部１６は、図９（Ｂ）に示されるように、スイッチレバーで超電導線材２０との接触および非接触を切り替えるトグルクランプ３２ｂを備える。
従来では、上述したように超電導線材２０に大電流を流していたため、図９（Ａ）で示される接続端子３２ａ（３２）は、超電導線材２０にハンダ付けされていた。

しかし、評価装置１０では、十数Ａ程度の電流でよいので、ハンダ付けなどで確実に接続しなければならないという制約がない。
そこで、超電導線材２０を電流供給部１６に接続するのに、容易に接触および非接触を切り替えることができるトグルクランプ３２ｂを用いる。
トグルクランプ３２ｂを用いることで、接続端子３２を超電導線材２０に容易に設置することができる。

なお、電流供給部１６およびトグルクランプ３２ｂはブスライン３９で接続されている。
ブスライン３９は、冷却槽１４の内部で可撓性をもたせてもよいし、摺動して上下する支持部３８と組み合わせて上蓋３６より上部にて柔軟性のあるキャプタイヤケーブル等で引き回しても良い。

測定部１７は、試験体１２に接続されて電流Ｉによって発生した電圧Ｖを測定する。
この電圧は、一般的には単位時間あたりの電圧として測定される。
測定部１７には、評価試験装置として従来より市販されている種々の電圧計を使用することができる。

冷却槽１４は、寒剤供給管５８から供給される寒剤１１を貯留する。
冷却槽１４の内面は、寒剤１１である液体アルゴンまたは液体酸素が沸点以下を維持できるように、四方が厳密に断熱材３７で覆われる。

冷却槽１４の上蓋３６には、試験体１２を支持する支持部３８がこの上蓋３６を貫通して設置されている。
この支持部３８の支柱には、速度制御部４２が接続されて、支持部３８を昇降させる。

ここで、試験体１２の冷却方法について説明する。
ＲＥ系の超電導線材２０を構成する複数の層は、容易に剥離してしまうので、試験体１２は、数時間かけて徐冷させる必要がある。
つまり、寒剤１１による冷却槽１４の内部の温度分布（気体の顕熱）を利用して、試験体１２を徐々に降下させることで冷却してから寒剤１１に浸漬させる必要がある。

そこで、試験体１２が予想どおりに冷却されているか確認するため、試験体１２には温度検出素子４３が設置される。
温度検出素子４３には、熱電対や負の温度係数を示す抵抗温度計などが使用できる。
なお、この温度検出素子４３は、試験体１２に接触させて設置されてもよいし、例えば、支持部３８に設置されて、試験体１２の付近の温度を検出してもよい。

さらに、支持部３８の支柱などには距離計測部４４が設置されて、試験体１２とともに昇降しながら試験体１２の液面からの距離ｄを計測する。
これら温度検出素子４３および距離計測部４４による試験体１２の温度および液面からの距離ｄの情報は、監視部４８に送られる。

監視部４８は、それぞれ後述する速度制御部４２、ガス調節部５１および蒸発制御部４６に接続されて、全体で監視制御機器４０を構成する。
そして、速度制御部４２は、これら温度および距離ｄの情報および入力部４５から設定された降下時間などに基づいて、試験体１２の降下速度を制御する。

なお、設定されるその他の条件は、例えば最終冷却温度、試験体１２と寒剤１１との温度差ΔＴの閾値または寒剤１１の種類などである。
速度制御部４２は、例えば図８に示されるようにギアなどで支持部３８の支柱に連結されて、設定された降下時間のうちで、支持部３８に降下および停止を繰り返させる。

なお、降下時間は、運転員の設定によっても、距離ｄおよび温度などに基づいて自動で決定されてもよい。
また、この降下時間は、降下の途中で送られてくる温度などの情報に基づいて変更されるものであってもよい。

また、ガス調節部５１による冷却槽１４の内部のドライガスの量を調整することによっても、降下中の試験体１２の温度を調整できる。
ガス調節部５１は、ガス供給管５５の開閉弁５５ａを開閉させて、ヘリウムまたは寒剤１１と同一の気体など、寒剤１１の沸点以下のドライガスの供給量を調整する。

このとき、排気管５３の開閉弁５３ａは開放されており、供給されたドライガスは、冷却槽１４の内部の温度を上昇させて、排気管５３から放出される。
なお、貯留されている液体の寒剤１１が気化したものと、ガス供給管５５から供給されるドライガスが冷却槽１４の気相部分で混合されることになる。
よって、ドライガスには、寒剤１１と同一の気体を使用するのが好ましい。

一方、冷却槽１４の内部を冷却させたい場合には、寒剤供給管５８など全ての配管の開閉弁５８ａなどを閉止して、排気管５３に真空ポンプ（図示せず）に接続する。
そして、この真空ポンプで冷却槽１４の内部を減圧して、内部の気体を断熱膨張させることで冷却する。

また、冷却槽１４の底部に設置された対流発生部４９の対流量を蒸発制御部４６で制御することで、冷却槽１４の気相部分の温度を調整することもできる。
対流発生部４９には、送風機またはヒータなど、対流を発生させるものであれば、従来から知られる種々のものを適用できる。

寒剤１１の蒸発量を増加させることで、気相部分の上部まで気体となった寒剤１１が到達して、液体の寒剤１１と気相部分の温度差ΔＴを縮小させる。
なお、以上の温度調整は、評価試験の後に試験体１２を上昇させる際にも必要になる。

ところで、従来では、７７Ｋ以下という極低温を維持して数百Ａという大電流を用いて評価試験を実施していたため、運転員を常駐させて監視する必要があった。
しかし、評価装置１０では、十数Ａ程度の電流しか流さないので、熱暴走を起こす可能性も顕著に低く、評価試験を自動化することができる。

例えば、冷却槽１４の内部の温度および距離ｄの情報に基づいて、ガス調節部５１、速度制御部４２および蒸発制御部４６の稼働状況を監視制御する監視部４８を設置する。
監視部４８は、運転員から受け付けた設定、温度および距離ｄに基づいてこれらの部材に指令を送信する。

また、一度運転員によって入力された降下時間、上昇時間、最終冷却温度、試験体１２と寒剤１１との温度差ΔＴの閾値または寒剤１１の種類などの設定を、監視部４８に接続された設定保持部５４に保持させて完全に自動化することもできる。

次に、第１実施形態にかかる評価装置１０を用いた評価方法を、図２および図３のフローチャートを用いて説明する（適宜図８を参照）。

まず、貯留ステップ（Ｓ１０）では、高温超電導線材２０を含む試験体１２を浸漬させて、その臨界温度以下に冷却する寒剤１１を冷却槽１４に貯留する。
第１実施形態では、寒剤１１として液体アルゴンまたは液体酸素を用いることで、臨界電流値Ｉ_ｃが下げられる。

次に、試験体１２（図２では、超電導コイル）を支持部３８にセットする（Ｓ１１）。
そして、入力部４５から降下時間、最終冷却温度または試験体１２と寒剤１１との温度差ΔＴの閾値などの各種の条件を設定する（Ｓ１２）。

なお、降下時間など、条件の一部は、液面までの距離ｄおよび冷却槽１４の内部の温度から算出してもよい。
さらに、これらの条件は設定保持部５４に保持させて、評価試験の度に保持されている条件を読み込んでもよい。

次に、常温のドライガスなどを供給して冷却槽１４の内部の温度分布を調整する（Ｓ１３）。
そして、速度制御部４２によって、試験体１２の降下を開始する（Ｓ１４）。
試験体１２と寒剤１１との温度差ΔＴが閾値よりも大きい場合（Ｓ１５；ＮＯ）、速度制御部４２で支持部３８の降下速度を制御する（Ｓ１６）。

さらに、冷却槽１４の内部の温度分布を調整する（Ｓ１７；Ｓ１５へ）。
この調整は、例えば、常温のドライガスの量または寒剤１１の蒸発量の調整などである。
なお、ステップＳ１６およびステップＳ１７は、いずれか一方でもよい。
寒剤１１の液面において、試験体１２と寒剤１１との温度差ΔＴが閾値よりも小さい場合（Ｓ１５；ＹＥＳ）、試験体１２を浸漬させる（Ｓ１８）。

そして、試験体１２の評価測定サブルーチンを開始する（Ｓ１９；図３へ）。
まず、通電ステップＳ２０で、試験体１２に、この試験体１２の臨界電流値Ｉ_ｃまで大きさを変化させながら電流を流す。
そして、測定ステップＳ２１で、試験体１２に流れる電流によって試験体１２に発生した単位長さあたりの電圧を測定する。

全ての電流値における評価測定が終了していない場合は（Ｓ２２；ＮＯ）、電流値を変更して同様の評価測定を繰り返す（Ｓ２３；Ｓ２０へ）。
全ての電流値において評価測定が終了した場合は（Ｓ２２；ＹＥＳ）、評価測定サブルーチン（図２のＳ１９へ戻る）を終了する。

そして、上蓋３６までの距離または上昇時間などの条件を再度設定する（Ｓ２４）。
次に、降下の手順（Ｓ１４からＳ１７）と同様の要領で、試験体１２を上昇させる（Ｓ２５）。
試験体１２が降下の開始当初の位置に戻ったところで全ての評価試験が終了して、試験体１２は、次の試験体１２へと交換される（Ｓ２６）。

以上のように、第１実施形態では、寒剤１１を液体アルゴンまたは液体酸素などに限定することで、評価試験における寒剤温度を８７Ｋ程度に維持した。
よって、試験体１２の臨界電流値Ｉ_ｃは、安定化金属層２１の限界熱流束Δｑ_ｃを発生させる電流値Ｉ_ｂ以下に調節される。
つまり、これらの寒剤１１に限定することで、試験体１２を焼損させるリスクを回避した超電導特性の評価試験を可能にすることができる。

（第２実施形態）
図１０は、第２実施形態にかかる評価装置１０の要部を示す図である。
なお、図１０において、監視制御機器４０の内部構成で図８と同一のものは省略してある。

第２実施形態にかかる評価装置１０は、図１０に示されるように、監視制御機器４０に冷却槽１４の内部の圧力を調節して寒剤１１の温度または沸点を調節する圧力調節部５６（臨界調節部）を備える。
例えば、排気管５３またはガス供給管５５などの種々の配管の開閉弁５３ａ、５５ａ、５８ａなどを閉止して、冷却槽１４の内部を密閉する。

そして、寒剤１１の沸点を上昇させたい場合、寒剤１１と同一の気体を圧力調節管５９から開閉弁５９ａを介して冷却槽１４の気相部分に注入する。
気体の寒剤１１が注入されると、冷却槽１４の内部の圧力は上昇し、寒剤１１の沸点を上昇させる。

このように、圧力を上昇させることで、例えば、大気圧下における７７Ｋの沸点を有する窒素は、７７Ｋを超えても液体の状態を維持できる。
つまり、液体窒素を８７Ｋ程度の温度帯に近づけて、評価試験で使用する電流を小さくすることができる。
また、圧力の調節による沸点または温度の調節は、寒剤１１を第１実施形態のように液体アルゴンまたは液体酸素においても好適に利用できる。

例えば、評価試験に用いられる電流の最適な範囲は、評価試験がされる試験体１２によって異なる。
そこで、寒剤１１を８７Ｋの付近で微小に変化させて、臨界電流値Ｉ_ｃが評価試験に最適な値になるように調節する。
なお、逆に内部を減圧させることで、寒剤１１を大気圧下におけるその沸点よりも低い値にサブクールさせることができる。

なお、圧力調節部５６を設けること以外は、第２実施形態は第１実施形態と同じ構造および動作手順となるので、重複する説明を省略する。
図面においても、共通の構成または機能を有する部分は同一符号で示し、重複する説明を省略する。

このように、第２実施形態にかかる評価装置１０によれば、第１実施形態の効果に加え、寒剤１１の温度を冷却槽１４の内部の圧力によって調節することで、液体窒素などの沸点の低い寒剤１１も利用が可能となる。

さらに、圧力を調節することで、寒剤１１の温度を微小に調節することができ、評価試験で用いる電流の範囲を最適な電流の範囲にすることができる。

（第３実施形態）
図１１は、第３実施形態にかかる評価装置１０の要部を示す図である。
なお、図１１において、監視制御機器４０の内部構成で図８と同一のものは省略してある。

第３実施形態にかかる評価装置１０は、図１１に示されるように、監視制御機器４０に試験体１２を貫通する外部磁場Ｂを発生させる磁場制御部５７（臨界調節部）を備える。
ここで、図１２は、試験体１２を貫通する外部磁場Ｂと臨界電流値Ｉ_ｃとの関係を示す概略図である。

図１２に示されるように、貫通する外部磁場Ｂが大きくなるほど、試験体１２の臨界電流値Ｉ_ｃは小さくなる。
そこで、磁場制御部５７で試験体１２に外部磁場Ｂを貫通させて、臨界電流値Ｉ_ｃを小さくする。

なお、図１１では、中心軸を冷却槽１４の底面と平行にもつ２つのコイルを用いているが、試験体１２と同方向に中心軸をもつ１つのコイルを底面に備えてもよい。
また、寒剤１１に浸漬された試験体１２を貫通する外部磁場Ｂを発生させることができれば、磁場制御部５７は、冷却槽１４に内設されていなくてもよい。

なお、試験体１２に外部磁場Ｂを貫通させること以外は、第３実施形態は第１実施形態と同じ構造および動作手順となるので、重複する説明を省略する。
図面においても、共通の構成または機能を有する部分は同一符号で示し、重複する説明を省略する。

このように、第３実施形態にかかる評価装置１０によれば、第１実施形態の効果に加え、試験体１２に外部磁場Ｂを貫通させることで、液体窒素などの沸点の低い寒剤１１も利用が可能となる。

さらに、第２実施形態と同様に、外部磁場Ｂを微小に変化させることで、評価試験で用いる電流の範囲を最適な電流の範囲にすることができる。

以上のべた少なくとも一つの実施形態の評価方法または評価装置１０によれば、試験体１２の臨界電流値Ｉ_ｃを超電導線材２０に含まれる安定化金属層２１の限界熱流束Δｑ_ｃを発生させる電流値Ｉ_ｂ以下に調節することにより、試験体１２を焼損させるリスクを回避した超電導特性の評価試験を可能にすることが可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。
これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。
これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０…評価装置（超電導特性の評価装置）、１１…寒剤、１２…試験体、１４…冷却槽、１６…電流供給部、１７…測定部、２０…高温超電導線材（超電導線材）、２１…安定化金属層、２２…基板、２３…配向層、２４…中間層、２５…超電導層、２６…保護層、３２（３２ａ，３２ｂ）…接続端子（従来の接続端子，トグルクランプ）、３６…上蓋、３７…断熱材、３８…支持部、３９…ブスライン、４０…監視制御機器、４２…速度制御部、４３…温度検出素子、４４…距離計測部、４５…入力部、４６…蒸発制御部、４８…監視部、４９…対流発生部、５１…ガス調節部、５３…排気管、５３ａ…開閉弁、５４…設定保持部、５５…ガス供給管、５５ａ…開閉弁、５６…圧力調節部、５７…磁場制御部（臨界調節部）、５８…寒剤供給管、５８ａ…開閉弁、５９…圧力調節管、５９ａ…開閉弁、Ｂ…外部磁場、Ｉ_ｂ…電流値、Ｔ_ｓ…温度、Ｔ_ｗ…温度、Ｖ_ｃ…臨界電圧値、Ｉ_ｃ（Ｉ_ｃ１〜Ｉ_ｃ３）…臨界電流値、ｄ…距離、ｑ…発生熱流束、ΔＴ…温度差、Δｑ…移動熱流束、Δｑ_ｃ…限界熱流束、Σ…膜沸騰領域、Ψ…核沸騰領域。

Claims (13)

1. 超電導層を少なくとも含む複数の層を積層させた高温超電導線材から構成される試験体を浸漬させてその臨界温度以下に冷却する寒剤を冷却槽に貯留する貯留ステップと、
   前記試験体の臨界電流値まで大きさを変化させながらこの試験体に電流を流す通電ステップと、
   前記電流によって発生した電圧を測定する測定ステップと、を含み、
   前記試験体の臨界電流値は、前記複数の層のうち前記超電導層の過剰電流の迂回経路となる安定化金属層の限界熱流束を発生させる電流値以下となるように調節がされることを特徴とする超電導特性の評価方法。
2. 前記臨界電流値の前記調節は、前記寒剤として液体アルゴンおよび液体酸素のいずれかの選択によることを特徴とする請求項１に記載の超電導特性の評価方法。
3. 前記臨界電流値の前記調節は、前記寒剤に浸漬された前記試験体を貫通する外部磁場の調節によることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超電導特性の評価方法。
4. 超電導層を少なくとも含む複数の層を積層させた高温超電導線材から構成される試験体にこの試験体の臨界電流値まで大きさを変化させながら電流を流す電流供給部と、
   前記試験体に接続されて前記電流によって発生した電圧を測定する測定部と、
   前記試験体を浸漬させてその臨界温度以下に冷却する寒剤を貯留する冷却槽と、を備え、
   前記寒剤は、液体アルゴンおよび液体酸素のいずれかであることを特徴とする超電導特性の評価装置。
5. 前記電流供給部は、スイッチレバーで前記高温超電導線材との接触および非接触を切り替えるトグルクランプを備えることを特徴とする請求項４に記載の超電導特性の評価装置。
6. 前記試験体の臨界電流値を前記複数の層のうち前記超電導層の過剰電流の迂回経路となる安定化金属層の限界熱流束を発生させる電流値以下に調節する臨界調節部を備えることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の超電導特性の評価装置。
7. 前記臨界調節部は、前記試験体を貫通する外部磁場を発生させる磁場制御部であることを特徴とする請求項６に記載の超電導特性の評価装置。
8. 前記冷却槽の内部に供給されるドライガスの量を調整して前記冷却槽の内部の温度を調整するガス調節部を備えることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の超電導特性の評価装置。
9. 前記臨界調節部は、前記冷却槽の内部の圧力を調整して前記寒剤の温度または沸点を調節する圧力調節部であることを特徴とする請求項６から請求項８のいずれか１項に記載の超電導特性の評価装置。
10. 前記試験体および前記冷却槽の内部の少なくとも一方の温度を検出する温度検出素子を備えることを特徴とする請求項４から請求項９のいずれか１項に記載の超電導特性の評価装置。
11. 前記試験体の前記寒剤の液面からの距離を計測する距離計測部と、
    前記温度および前記距離に基づき前記試験体の昇降速度を制御する速度制御部と、を備えることを特徴とする請求項１０に記載の超電導特性の評価装置。
12. 前記寒剤の蒸発量を制御する蒸発制御部を備えることを特徴とする請求項４から請求項１１のいずれか１項に記載の超電導特性の評価装置。
13. コンピュータシステム上で請求項１に記載の超電導特性の評価方法を実行するプログラムコードを含む超電導特性の評価プログラム。

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