JP6395102B2 - 超電導線材の臨界電流測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、超電導線材の臨界電流を測定する超電導線材の臨界電流測定装置に関する。

超電導線材における臨界電流Ｉｃの測定方法としては、通常、４端子法が採用されている（例えば、特許文献１）。

図５は、従来の４端子法によるＩｃの測定に際して使用される超電導線材の臨界電流測定装置２１を模式的に示す図である。

図５において、８はテープ状の超電導線材であり、２４は超電導線材８の送り出し機構であり、２５は巻取り機構である。そして、２６は送り出し側の、２７は巻取り側のプーリーである。また、２は冷却槽であり、冷媒である液体窒素９ａが溜められている。

また、３ａ、４ａは超電導線材８に電流を流すために電源（図示せず）と接続して設けられた送り出し側および巻取り側の電流電極であり、５ａ、６ａは超電導線材８の電圧を測定するための電圧電極である。そして、２２は送り出し側の電流電極３ａおよび電圧電極５ａの受け台であり、２３は巻取り側の電流電極４ａおよび電圧電極６ａの受け台である。

以上のような構成の下、送り出し機構２４から巻出された超電導線材８は、プーリー２６を通って冷却槽２の液体窒素９ａに浸漬されて、電流電極３ａおよび電圧電極５ａと受け台２２との間、電圧電極６ａおよび電流電極４ａと受け台２３との間を順に水平に搬送された後、プーリー２７を通って、巻取り機構２５に巻取られるようになっている。

次に、上記した超電導線材の臨界電流測定装置を用いたＩｃの測定方法につき説明する。

まず、送り出し機構２４、巻取り機構２５、さらには送り出し側のプーリー２６、巻取り側のプーリー２７を所定量回転させて、超電導線材８の測定対象箇所を、送り出し側の電流電極３ａ、電圧電極５ａ、巻取り側の電流電極４ａ、電圧電極６ａの下方に位置させる。

その後、これら４個の電極と２個の受け台とで、超電導線材８を挟み込む。

この状態で、超電導線材８と各電極３ａ、５ａ、４ａ、６ａの間の導通を取り、その後、徐々に電流を上げていく。そして、電圧電極５ａ、６ａで発生する電圧を電圧計によりモニタし、電圧が予め設定した閾値を超えたところで、電流を流すことを停止する。そして、事前に定義した臨界電流における発生電圧から臨界電流値を求める。

当該箇所の測定が終了すると、再度、送り出し機構２４、巻取り機構２５、送り出し側のプーリー２６、巻取り側のプーリー２７を所定量回転させて、超電導線材８を送り出し、次の測定対象の箇所で、上記と同様の操作を繰り返して測定を行う。

しかしながら、電流電極３ａ、４ａと超電導線材８との間には、接触抵抗（以下、単に「抵抗」ともいう）があり、超電導線材８が平坦でない場合や、特に低温の液体窒素を用いることにより形成された氷粒などが電流電極３ａ、４ａと超電導線材８との間に挟まった場合などには、電流電極３ａ、４ａと超電導線材８との接触が不十分となり、電流電極３ａ、４ａと超電導線材８との間の抵抗が大きくなる。

電流電極３ａ、４ａと超電導線材８との間の抵抗が大きい状態で、そのままＩｃ測定のための電流を電流電極３ａ、４ａ間に流すと、抵抗により発熱が起こり、電流電極３ａ、４ａや、電流電極３ａ、４ａに接する箇所の超電導線材８などが温度上昇する。

温度が上昇すると、電流電極３ａ、４ａに接する箇所で超電導線材８のＩｃが低下して、超電導線材８の電流電極３ａ、４ａに接する箇所にも抵抗が生じる。この新たに生じた抵抗によりさらに発熱が起こり、前記した電流電極３ａ、４ａや、電流電極３ａ、４ａに接する箇所の超電導線材８などの温度上昇が加速される。その結果、電流電極３ａ、４ａに接する箇所における超電導線材８のＩｃの低下がさらに加速される。

このような、抵抗の発生に伴う発熱による温度の上昇、温度の上昇に伴うＩｃの低下、Ｉｃの低下に伴う抵抗の発生という悪循環が繰り返されると、最後には、電流電極３ａ、４ａと接する超電導線材８が溶断してしまう場合もあり、Ｉｃの測定が不可能となる。このような超電導線材８の温度上昇を抑制する方法として、電流電極と線材間の抵抗の上昇を検知して電流を遮断することが考えられるが、不確実な上に、Ｉｃ到達前に電流を遮断するため該当箇所のＩｃを測定することが不可能となる。

そこで、電流電極３ａ、４ａのサイズや超電導線材８に対する電流電極３ａ、４ａの押圧力、また電流電極３ａ、４ａと超電導線材８との平行度などを適宜設定して、抵抗を小さくすることがなされている。特に、前記した電流電極３ａ、４ａと超電導線材８との間における氷粒の混入による影響を抑制するための工夫が種々提案されている（例えば、特許文献２〜４）。

特開平１０−２３９２６０号公報 特開２００９−２７０９１６号公報 特開２０１１−１０２７５２号公報 特開２０１０−１３３８１５号公報

しかしながら、これらの工夫によっても、前記した抵抗の発生、温度の上昇、Ｉｃの低下が順次発生する悪循環や、この悪循環が原因で発生する超電導線材の溶断などを防止するには未だ十分とは言えず、安定したＩｃ測定を行うことができなかった。

そこで、本発明は、４端子法により超電導線材のＩｃ測定を行うに際して、前記した抵抗の発生、温度の上昇、Ｉｃの低下が順次発生する悪循環や、この悪循環が原因で発生する超電導線材の溶断などを十分に防止して、従来よりもさらに安定したＩｃ測定を行うことができる超電導線材の臨界電流測定装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る超電導線材の臨界電流測定装置は、
超電導線材の電圧を測定するための１対の電圧電極と、
前記１対の電圧電極より外側に設けられ、前記超電導線材に電流を流すための１対の電流電極とを備え、
前記電流電極が、前記超電導線材に形成された凸部により生じる接触不良を解消する電流電極で、前記超電導線材の幅方向、長さ方向、または幅方向および長さ方向に分割された複数の分割電極から構成されており、前記超電導線材に少なくとも２つ以上の前記分割電極が接触する電流電極であり、
前記分割電極が、それぞればね体によって超電導線材の方向にばね付勢する構造を有しており、
前記超電導線材の臨界電流を４端子法により測定する超電導線材の臨界電流測定装置である。

上記発明によれば、４端子法により超電導線材のＩｃ測定を行うに際して、前記した抵抗の発生、温度の上昇、Ｉｃの低下が順次発生する悪循環や、この悪循環が原因で発生する超電導線材の溶断などを十分に防止して、従来よりもさらに安定したＩｃ測定を行うことができる超電導線材の臨界電流測定装置を提供することが可能となる。

本発明の第１の実施の形態に係る超電導線材の臨界電流測定装置の要部を模式的に示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る超電導線材の臨界電流測定装置の要部を模式的に示す図であって、（ａ）は超電導線材の幅方向における両エッジに凸部がある場合の正断面図、（ｂ）は超電導線材の幅よりも内側に凸部が１ヶ所ある場合の側断面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る超電導線材の臨界電流測定装置の要部を模式的に示す図である。 本発明の第４の実施の形態に係る超電導線材の臨界電流測定装置の要部を模式的に示す図であって、（ａ）は超電導線材の幅方向における両エッジに凸部がある場合の正断面図、（ｂ）は超電導線材の幅よりも内側に凸部が１ヶ所ある場合の側断面図である。 従来の超電導線材の臨界電流測定装置を模式的に示す図である。 従来の超電導線材の臨界電流測定装置の電流電極と超電導線材との接触状態を模式的に示す図であって、（ａ）は超電導線材の幅方向における両エッジに凸部がある場合の正断面図、（ｂ）は超電導線材の幅よりも内側に凸部が１ヶ所ある場合の側断面図である。

［本発明の実施形態の説明］
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。

本発明の一態様に係る超電導線材の臨界電流測定装置は、
（１）超電導線材の電圧を測定するための１対の電圧電極と、
前記１対の電圧電極より外側に設けられ、前記超電導線材に電流を流すための１対の電流電極とを備え、
前記電流電極が、前記超電導線材に形成された凸部により生じる接触不良を解消する電流電極であり、
前記超電導線材の臨界電流を４端子法により測定する超電導線材の臨界電流測定装置である。

本発明者は、上記課題を解決するにあたって、従来の臨界電流測定装置において未だ十分に安定したＩｃ測定を行うことができなかった原因について検討を行った。その結果、超電導線材を製造するにあたっては、一般的に、広幅に作製した超電導線材を使用幅に切断したり、周囲にめっきなどにより安定化層を形成することなどが行われているが、その際、超電導線材のエッジ部に切断によるバリやめっきによる凸部が形成されたり、超電導線材の表面に微小な凸部が発生したりして、電流電極と超電導線材との接触が不十分になる場合があることが分かった。

図６に基づいて、この凸部の形成による影響を具体的に説明する。図６は従来の４端子法によるＩｃの測定に際して使用される超電導線材の臨界電流測定装置の電流電極３ａと超電導線材８との接触状態を模式的に示す図であって、（ａ）は超電導線材の幅方向における両エッジに凸部Ａがある場合の正断面図、（ｂ）は超電導線材の幅よりも内側に凸部Ａが１ヶ所ある場合の側断面図である。

図６に示すように、凸部Ａが電流電極３ａと超電導線材８との間に形成されていると、電流電極３ａと超電導線材８との間に隙間Ｑが生じて接触が不十分となって接触面積が小さくなるため、電流電極３ａと超電導線材８との間の抵抗が大きくなる。この結果、前記した氷粒の介在に伴う抵抗の発生、温度の上昇、Ｉｃの低下が順次発生する悪循環や、この悪循環が原因で発生する超電導線材の溶断などと同様の問題が発生して、臨界電流の測定に問題が生じる。なお、図６では、送り出し側の電流電極３ａだけを示したが、巻取り側の電流電極についても同様である。

上記の知見に基づき、本発明者は、超電導線材に凸部が形成されて超電導線材の表面から電流電極が浮き上がって隙間が形成されてしまうような場合であっても、この隙間の大きさを極力小さくすることにより電流電極と超電導線材との接触不良を解消することができれば、十分な接触面積が確保できるため、前記の悪循環に陥ることなく、安定したＩｃ測定を行うことができると考えた。

そして、具体的な手段として、以下の各実施態様に示す工夫によりこれを実現できることに思い至った。

（２）即ち、前記超電導線材の臨界電流測定装置は、
前記電流電極の前記超電導線材への接触面部が、凸状のアール部を有していることが好ましい。

超電導薄膜線材では、エッジ部に切断によるバリやめっきによる凸部が形成され易い。これに対して、電流電極の超電導線材への接触面部が、凸状のアール部を有していることにより、電流電極が超電導線材のエッジに形成される凸部と接触して浮き上がることを回避することができる。この結果、安定したＩｃ測定を行うことができる。

（３）前記電流電極の少なくとも前記超電導線材との接触面部が、前記超電導線材よりも柔らかくて変形し易い材料で形成された軟質電極であることが好ましい。

電流電極の少なくとも前記超電導線材との接触面部が、超電導線材よりも柔らかくて変形し易い材料で形成された軟質電極であると、凸部が軟質電極に押し込まれて、電流電極を超電導線材の平坦な表面と接触させて大きな接触面積を得ることができる。この結果、安定したＩｃ測定を行うことができる。なお、超電導線材よりも柔らかくて変形し易い材料としては、例えば、銀やインジウムなどを用いることができる。

軟質電極は、電流電極の一部（超電導線材と接触する接触面部のみ）であっても良く、また、全部であっても良い。

（４）前記電流電極の幅が、前記超電導線材の幅よりも狭いことが好ましい。

上記したように、超電導薄膜線材では、エッジ部に切断によるバリやめっきによる凸部が形成され易い。これに対して、電流電極の幅を超電導線材の幅よりも狭くすることにより、超電導線材のエッジに切断によるバリやめっきにより形成される凸部間に電流電極の全体を進入させて大きな接触面積を得ることができる。この結果、安定したＩｃ測定を行うことができる。

（５）前記電流電極が、前記超電導線材の両端に形成される凸部との接触を回避した幅寸法を有する電流電極であることが好ましい。

上記したように、超電導薄膜線材では、エッジ部に切断によるバリやめっきによる凸部が形成され易い。これに対して、電流電極が、前記超電導線材の両端に形成される凸部との接触を回避した幅寸法を有する電流電極であると、超電導線材のエッジに切断によるバリやめっきにより形成される凸部間に電流電極の全体を進入させて大きな接触面積を得ることができる。この結果、安定したＩｃ測定を行うことができる。

（６）前記電流電極が、前記超電導線材の幅方向、長さ方向、または幅方向および長さ方向に分割された複数の分割電極から構成されており、前記超電導線材に少なくとも２つ以上の前記分割電極が接触する電流電極であることが好ましい。

電流電極が、前記超電導線材の幅方向、長さ方向、または幅方向および長さ方向に分割された複数の分割電極から構成されており、前記超電導線材に少なくとも２つ以上の前記分割電極が接触することにより、凸部では接触する分割電極が後退する一方、それ以外の分割電極は、凸部に拘束されることなく、超電導線材の平坦な表面と接触するため大きな接触面積を得ることができる。この結果、安定したＩｃ測定を行うことができる。

［本発明の実施形態の詳細］
本発明の実施形態に係る超電導線材の臨界電流測定装置の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態に係る超電導線材の臨界電流測定装置の要部を模式的に示す図である。

本実施の形態に係る超電導線材の臨界電流測定装置の基本的構成は、前記の装置（図５参照）と同じであり、図１中の符号８はテープ状の超電導線材であり、３は超電導線材８に電流を流すために電源（図示せず）と接続して設けられた送り出し側の電流電極であり、２２は送り出し側の電流電極３および電圧電極（図示せず）の受け台である。なお、第２の実施の形態以下の基本的構成も同様である。

第１の実施の形態の特徴は、図１に示すように、電流電極の超電導線材への接触面部が、凸状のアール部Ｒを有している点である。

そして、図１に示すように、電流電極３にアール部Ｒを形成することにより、超電導線材８のエッジに切断によるバリやめっきにより形成される凸部Ａとの接触を回避し、電流電極３を超電導線材８の凸部Ａ−Ａ間に進入させて超電導線材の表面と接触させることができる。この結果、電流電極３を超電導線材８の平坦な表面と接触させて、安定したＩｃ測定を行うことができる。

このとき、アール部Ｒの具体的な形状は、全体として丸み形状が形成されていればよく、超電導線材８の両端の凸部Ａを回避することができる範囲において、特に限定されるものではない。また、前記の接触面積ができるだけ大きくなるように電流電極３のアール部Ｒの間の中央部の下面３１は平坦で広い幅となるように形成してもよい。

なお、図１では、送り出し側の電流電極３だけを示したが、巻取り側の電流電極についても同様である。そして、このことは、以下に説明する図２、図３についても同様である。

（第２の実施の形態）
図２は第２の実施の形態に係る超電導線材の臨界電流測定装置の要部を模式的に示す図であって、（ａ）は超電導線材の幅方向における両エッジに凸部がある場合の正断面図、（ｂ）は超電導線材の幅よりも内側に凸部が１ヶ所ある場合の側断面図である。

第２の実施の形態の特徴は、電流電極３が、超電導線材８よりも柔らかくて変形し易い材料で形成されている点である。なお、電流電極のうち、前記超電導線材との接触面部のみに、前記超電導線材よりも柔らかくて変形し易い材料で形成される軟質電極層を設けるようにしても良い。超電導線材よりも柔らかくて変形し易い材料としては、例えば、銀やインジウムなどを用いることができる。

そして、電流電極３が、超電導線材８よりも柔らかくて変形し易い材料で形成されているため、図２に示すように、電流電極３が超電導線材８に接触した場合には、超電導線材８の表面に形成された凸部Ａが電流電極３の押圧力によって軟質電極に押し込まれる。このため、従来、凸部Ａにより形成される電流電極３と超電導線材８との隙間がなくなり、大きな接触面積を得ることがでる。この結果、安定したＩｃ測定を行うことができる。

（第３の実施の形態）
図３は第３の実施の形態に係る超電導線材の臨界電流測定装置の要部を模式的に示す正断面図である。

第３の実施の形態の特徴は、電流電極３の幅を超電導線材の幅よりも狭くして、超電導線材の両端に形成される凸部との接触を回避した幅寸法を有する電流電極である点である。

そして、電流電極３および超電導線材８のそれぞれの幅方向の中心をほぼ一致するようにして超電導線材８をセットすることにより、超電導線材８の凸部Ａ間に電流電極３を進入させて大きな接触面積を得ることができる。このため、電流電極３の幅寸法を狭くしても十分な接触面積を確保することができる。この結果、安定したＩｃ測定を行うことができる。

（第４の実施の形態）
図４は第４の実施の形態に係る超電導線材の臨界電流測定装置の要部を模式的に示す図であって、（ａ）は超電導線材の幅方向における両エッジに凸部がある場合の正断面図、（ｂ）は超電導線材の幅よりも内側に凸部が１ヶ所ある場合の側断面図である。

第４の実施の形態の特徴は、電流電極３が超電導線材８の幅方向、長さ方向、または幅方向および長さ方向に分割された複数の分割電極３２から構成されており、超電導線材に少なくとも２つ以上の分割電極３２が接触する点にある。

そして、分割電極３２をそれぞればね体Ｓによって超電導線材８の方向にばね付勢することが好ましい。

このように電流電極３を複数の分割電極３２で構成したため、凸部Ａと接触する分割電極３２がばね付勢に抗して後退することにより、それ以外の分割電極３２は、凸部に拘束されず超電導線材まで進入することができるため、大きな接触面積を得ることができる。その結果、安定したＩｃ測定を行うことができる。

なお、電流電極３を線材の長さ方向のみに分割する場合には、電流電極３の分割電極３２の個数がそれぞれ４〜１０個であることが好ましい。

さらに、分割電極３２形状は、直方体でも良く、また、円柱やその他の形状でも良い。

（第１〜第４の実施の形態の組み合わせ）
さらに、第１〜第４の各実施の形態を組み合わせた電流電極を用いることもできる。例えば、第２の実施の形態における超電導線材８よりも柔らかくて変形し易い材料で形成されている電流電極３、４を、第４の実施の形態で説明したように長さ方向のみに分割して分割電極３２を作製することにより、凸部に接触する分割電極３２も超電導線材との接触面積が大きくなるため、さらに、安定したＩｃ測定を行うことができる。

本発明の超電導線材の臨界電流測定装置は、４端子法により超電導線材のＩｃ測定を行うに際して、抵抗の発生、温度の上昇、Ｉｃの低下が順次発生する悪循環や、この悪循環が原因で発生する超電導線材の溶断などを十分に防止して、安定したＩｃ測定を遂行することができる効果を有し、超電導線材の臨界電流を測定する超電導線材の臨界電流測定装置等に用いると有益である。

２ 冷却槽
３、３ａ、４ａ 電流電極
２２、２３ 受け台
５ａ、６ａ 電圧電極
８ 超電導線材
９ａ 液体窒素
２１ 超電導線材の臨界電流測定装置
２４ 送り出し機構
２５ 巻取り機構
２６、２７ プーリー
３１ 下面
３２ 分割電極
Ａ 凸部
Ｑ 隙間
Ｒ アール部
Ｓ ばね体

Claims (1)

1. 超電導線材の電圧を測定するための１対の電圧電極と、
   前記１対の電圧電極より外側に設けられ、前記超電導線材に電流を流すための１対の電流電極とを備え、
   前記電流電極が、前記超電導線材に形成された凸部により生じる接触不良を解消する電流電極で、前記超電導線材の幅方向、長さ方向、または幅方向および長さ方向に分割された複数の分割電極から構成されており、前記超電導線材に少なくとも２つ以上の前記分割電極が接触する電流電極であり、
   前記分割電極が、それぞればね体によって超電導線材の方向にばね付勢する構造を有しており、
   前記超電導線材の臨界電流を４端子法により測定する超電導線材の臨界電流測定装置。

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