プロジェクトの詳細説明資料（5）要素技術（産総研）

「交流超電導電力機器基盤技術研究開発」
（事後評価）分科会
資料 6-5
プロジェクトの詳細説明資料
（５）要素技術（産総研）
交流超電導電力機器
基盤技術研究開発
産総研の成果の概要
１）超電導送電ケーブル長尺冷却基盤技術の研究開発
２）大面積超電導膜作製技術の研究開発（ＭＯＤ法）
３）大面積超電導膜の高電流密度化基盤技術の研究開発
４）共振切り換え型限流器の研究開発
５）薄膜限流器用材料の熱応答特性計測技術の研究開発
６）超電導マグネット用材料の熱応答計測技術の研究開発
産-1
産総研の研究の位置付け
１）超電導送電ケーブル長尺冷却基盤技術の研究開発
組合：実寸サイズのケーブルで 500 m 長の冷却技術
産総研：1/10
産総研：1/10 サイズで
サイズで 500 m ⇒ 実規模ケーブルを模擬
実用化に向け、先行的に
実用化に向け、先行的に初期冷却の問題点
先行的に初期冷却の問題点などを解明
初期冷却の問題点などを解明
２）大面積超電導膜作製技術の研究開発（ＭＯＤ法）
高価な真空装置を必要としない低コストな成
高価な真空装置を必要としない低コストな成膜法開発
な成膜法開発
組合の研究（ＰＬＤ法）の補完としてスタート
⇒ 主役として基本計画の達成を目指している
（10
（10 cm x 30 cm, 臨界電流密度 Jc > 1 MA/cm2）
「事業原簿」Ｐ．Ⅲ-28参照
産-2
１）超電導送電ケーブル長尺冷却基盤技術の研究開発
目的
超電導送電ケーブル実用化に不可欠な長尺冷却技術を確立する。
技術課題
・冷媒の温度・圧力の流動振動に関する問題
・過渡冷却特性（初期冷却時間等）に関する問題
・定常冷却特性（冷却方式，過負荷特性等）に関する問題
検証方法
・研究組合のモデルは実規模ケーブルに対して同径縮長（1/10の冷却長）に対し，
産総研は，実規模ケーブルと同じ流動パラメータである長さ/管径（L/D）比を持つ比例縮小モデル
（管径も冷却長も1/10）を構築し，実規模の定常及び過渡冷却特性をシミュレーションして、
実規模レベルの長尺冷却が可能であることを実証する。
LN2
バッファタンク
LN2
Main Go-pass
LN2
LN2
リザーバタンク
送液ポンプ
Ｄi
コリオリ式
流量計
Do
サブクーラー
Sub Go-pass
クライオスタット
産総研モデル
（d=8mm, de=1.7mm）
図１．長尺冷却試験装置（500 m冷却モデル：３相ダミーケーブル付）
組合モデル
（Di=82mm, Do=58mm
De=Do-Di=24mm~10de）
「事業原簿」Ｐ．Ⅲ-28参照
産-3
１）超電導送電ケーブル長尺冷却基盤技術の研究開発
100m 長冷却モデルによる実験
初期冷却時間[時間]
10
9
測定値
8
計算値
図 2 に初期冷却時間の実験値と計算値の
比較を示す。圧力が大きい場合（流量が多
い場合）は，概ね次式で表される計算値と
一致するが，入口圧力が下がると初期平均
流量が減少するため，計算値以上に初期冷
却時間がかかることが明らかになった。
従って、初期平均流量の算出式を導き出す
ことが重要！
7
6
5
4
3
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
入口圧力 [MPa]
1
1.1
1.2
tI =
温度　[K]
図2．初期冷却時間と入口圧力との関係
110
105
100
95
90
85
80
75
0
CSUS L∆T
mλ v
Csus [J/kg/K /m] ：管路の比熱
L[m]：管路長
：(300-77) K
∆ T[K]
m [kg/sec] ：初期平均流量
λ [J/kg] ：液体窒素の蒸発潜熱
v
Return-pass
Ｄ
De
Go-pass
100m 長冷却モデル
D=8mm, De=3.4mm
20
40
60
距離　[m]
80
100
図3．定常温度分布の一例（入口圧力：1.1MPa）
図3は対向流冷却方式（内管と外管の冷
媒の流れが反対）にした場合のケーブル
に沿った定常温度分布特性を示すが，解
析した対向流解析モデルによる結果と概
ね一致することが明らかになった。
この結果、実規模レベルのケーブルで
はケーブル遠端部は臨界温度以上になる
ため、冷却方式としては対向流冷却は適
さないことを実証した（理由は電気絶縁
材料の熱伝導度が高いため）。
「事業原簿」Ｐ．Ⅲ-28参照
１）超電導送電ケーブル長尺冷却基盤技術の研究開発
産-4
初期冷却：レジネグの不安定振動
300
[ K ]
250
200
2 0 m 4 0 m
温度
T1
T2
T3
T4
T5
T6
T7
T8
100m
80 m
6 0 m
150
・60m付近（黒線）が冷却後、流量振
動が激しくなり、温度上昇が起こり、
既に冷却されていた個所（オレンジ線）
の温度も上昇し，クールダウンが完了
しなかった。
100
0
50
0
5
10
15
20
時間 [hour]
25
30
35
40
0.5
120
0.4
100
80
0.3
[
60
M
40
0.2
P
流量 [ k g /h o u r ]
140
20
a
0
5
10
15
20
時間 [hour]
25
30
35
0.1
40
]
0
冷却の進行とともにレジネグの不安
定振動が起こりうる条件に，物性値
（温度，圧力）が移行
レジネグの不安定振動の観測（リザーバ圧力：0.6MPa）
圧力損失が負性抵抗領域にある
ポンプ特性
圧力損失
不安定点
レジネグの不安定振動が継続
振動
解決策
質量流量
レジネグの不安定振動　負性抵抗部分に交点を持たないよう
にしてやればよい。
「事業原簿」Ｐ．Ⅲ-29参照
１）超電導送電ケーブル長尺冷却基盤技術の研究開発
産-5
500 m長冷却モデルに於いて，圧力1.2MPa以下で
振動が生じないことを確認！
レジネグ不安定性の三次式：
圧力損失圧力損失 (
(MPa
MPa)
)
3
 fLJa  3  2 fL
fL 
 2 fL   2

G +
ρ l∆P = 
−
Ja
1
+
+
JaG
1
+
G
G
0
 D


D  
D
 DG 0 
2.5
2
振動領域
1.5
測定点
1
安定領域
0.5
0
0
100
200
300
400
質量流量 (kg/m2/s)
振動条件：f= 0.03, L = 500 (m), Ja = 4+2√3（T:77K, P=1.0MPa)
「事業原簿」Ｐ．Ⅲ-31参照
１）超電導送電ケーブル長尺冷却基盤技術の研究開発
産-6
冷却長5 kmにおける不安定性領域の推定
圧力損失 (MPa)
3
2.5
振動領域
2
圧力2.0MPa以下では
振動は生じない！
1.5
1
0.5
0
0
200
400
600
800
1000 1200
質量流量（kg/m2/s)
まとめ
産総研独自の冷却モデルにより，超電導送電ケーブルの実用化に不可欠な種々の冷却特
性（過渡冷却特性，定常冷却特性等）を明らかにすると共に，最も重要な冷媒の流動特性
において，レジネグの不安定現象の解明を行い，実規模レベルの超電導送電ケーブルの不
安定性領域を明確にする手法を確立できた。
以上の結果から，実規模レベルの長尺冷却が可能であることを実証した。
「事業原簿」Ｐ．Ⅲ-31参照
産-7
産総研の研究の位置付け
１）超電導送電ケーブル長尺冷却基盤技術の研究開発
組合：実寸サイズのケーブルで 500 m 長の冷却技術
産総研：1/10
産総研：1/10 サイズで 500 m ⇒ 実規模ケーブルを模擬
次期フェーズに向け、初期冷却の問題点などを解明
２）大面積超電導膜作製技術の研究開発（ＭＯＤ法）
高価な真空装置を必要としない低コスト
高価な真空装置を必要としない低コストな成
低コストな成膜法
な成膜法開発
膜法開発
組合の研究（ＰＬＤ法）の補完
組合の研究（ＰＬＤ法）の補完としてスタート
補完としてスタート
⇒ 著しい進展があり、
著しい進展があり、基本計画を達成
があり、基本計画を達成
（10
（10 cm x 30 cm, 臨界電流密度 Jc > 2.6 MA/cm2）
「事業原簿」Ｐ．Ⅲ-38参照
産-8
２）大面積超電導膜作製技術の研究開発（ＭＯＤ法）
! 塗布熱分解法(MOD)の特長
塗布溶液
"非真空・低ｺｽﾄな製膜法
仮焼成膜
超電導膜
"大面積化が容易
"産総研が製法基本特許を取得
工程図：塗って焼いて作る製膜法
! ﾌﾟﾛｼﾞｪｸﾄ開始時点の状況
YBCO
"格子整合基板上の小ｻｲｽﾞ膜で高Jc達成
ミスマッチ小
構造類似
! 本ﾌﾟﾛｼﾞｪｸﾄの研究計画
(1) 格子整合基板上での大面積化・高Jc特性の実証
(2) ｻﾌｧｲｱ基板上へのﾍﾃﾛｴﾋﾟﾀｷｼｰ製膜法の開発
(3) ｻﾌｧｲｱ基板上への大面積製膜
(基本計画目標ｻｲｽﾞ10cm×30cmの達成)
(4) 関連研究
LaAlO3
基板ｻｲｽﾞ　→大　"ｻﾌｧｲｱ基板上への製膜実績無し
YBCO
ｻﾌｧｲｱ
ミスマッチ大
構造相違
基本計画目標
(10cm×30cm)
(3)
(1)
(2)
H12 H13 H14 H15 H16
年度
「事業原簿」Ｐ．Ⅲ-38参照
産-9
２）大面積超電導膜作製技術の研究開発（ＭＯＤ法）
!(1) 格子整合LaAlO3基板基板上での大面積化・高Jc特性の実証!
面平均 Jc= 2.6MA/cm2
Ic= 80A /6mm幅ストリップ
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
5cm径YBCO膜の誘導法Jc分布
精密制御赤外線加熱炉の導入
通電法Ic評価[Super-GM、電力中研、東芝との共研]
誘導法による高Jc(∼2.5MA/cm2)、通電法による高Ic(∼130A/cm幅)を達成
!(2) ｻﾌｧｲｱ基板上へのﾍﾃﾛｴﾋﾟﾀｷｼｰ製膜法の開発!
Ra = 0.48nm
X線回折強度
YBCO
EB gun
ターゲット
大面積基板対応
中間層蒸着装置
面平均 Jc= 3.4MA/cm2
3.5
3.0
CeO2
2.5
ｻﾌｧｲｱ
1.5
2.0
1.0
1００ nm
0.5
0
90
180 270
φ (o)
360
表面AFM像　XRD-φスキャン
5cm径YBCO膜の誘導法Jc分布
MOD-YBCO/蒸着法CeO2中間層/サファイア-ヘテロエピタキシャル膜の実現
「事業原簿」Ｐ．Ⅲ-38参照
産-10
２）大面積超電導膜作製技術の研究開発（ＭＯＤ法）
!(3) ｻﾌｧｲｱ基板上への大面積製膜!
面平均 Jc=2.6MA/cm2
Jc [MA/cm2]
4.0
大口径スピナー　大面積膜焼成炉　3.0
2.0
1.0
0.0
Jc [MA/cm2]
基本計画目標サイズ
(10cm×30cm)対応装置の導入
3.0
2.0
1.0
大面積化
0.0
面平均 Jc= 3.4MA/cm2
面平均 Jc= 3.4MA/cm2
5cm径　3cm×12cm
基板ｻｲｽﾞ　→大　30cm
基本計画目標
(10cm×30cm)
(3)
(1)
(2)
H12
H13
H14
H15
H16
世界最大(10cm×30cm)サイズのMOD-YBCO膜の実現：基本計画目標を達成
「事業原簿」Ｐ．Ⅲ-38参照
産-11
２）大面積超電導膜作製技術の研究開発（ＭＯＤ法）
!(4-a) オールMOD製膜プロセスの開発 (低コスト化技術) !
Intensity (a.u.)
YBCO(103)
CeO2(220)
YSZ(220)
0
90
180
270
360
φ (deg )
エピタキシャル膜の
作製に成功
[特許出願済]
オールMOD-YBCO/CeO2/YSZ　&　オールMOD-YBCO/REAlO3/サファイア多層膜を実現
!(4-b) 減圧焼成プロセスの開発(低コスト化技術) !
(新規プロセス)
真空マッフル炉
(現行プロセス)
ガスフロー管状炉
pTOT: 1atm
pO2: 10Pa
pTOT: 10kPa
pO2: 10Pa
酸素/窒素
混合ガス
酸素/アルゴン混合ガス
=ランニングコスト要因
減圧ガスフロー焼成
=ランニングコスト低減
ランニングコスト低減
ﾛｰﾀﾘｰ
ﾎﾟﾝﾌﾟ
低コスト減圧焼成プロセスで高Jc (>2MA/cm2)-YBCO薄膜作製を実証
「事業原簿」Ｐ．Ⅲ-41参照
産-12
２）大面積超電導膜作製技術の研究開発（ＭＯＤ法）
!(4-c) MOD-YBCOの高Ic化の実証![応用物理学会講演奨励賞受賞]
面平均 Jc= 4.1MA/cm2
Ic= 185A /25mm幅ストリップ
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
5cm径YBCO膜の誘導法Jc分布
Voltage (mV)
>3.5
3.5
20
15
10
Ic = 185A(77K)
5
0
0
50
100
150
200
Current (A)
250
300
通電法Ic評価
高品質CeO2/YSZ基板上で高Jc(>4MA/cm2)、通電法高Ic(実測185A)を達成
!(4-d) その他の関連研究!
!塗布法による希土類置換REBCO膜の作製
"新規熱処理ﾌﾟﾛｾｽによるYbBCO膜の低温成長(∼700°C) [特許出願済]
!新規塗布溶液(含フッ素中性塗布溶液)の開発 [特許出願済・低温工学会優良発表賞受賞]
「事業原簿」Ｐ．Ⅲ-41参照
産-13
産総研の研究の位置付け
３）大面積超電導膜の高電流密度化基盤技術の研究開発
臨界電流の大きな大面積超電導膜作製のために重要な知見
・サファイア基板上の YBCO 薄膜のマイクロクラック
薄膜のマイクロクラック生成
マイクロクラック生成
・臨界電流密度を決める磁束ピン止め
・臨界電流密度を決める磁束ピン止め：機構解明と特性向上
磁束ピン止め：機構解明と特性向上
・誘導法
・誘導法：大面積膜の臨界電流密度等の非破壊的測定法
誘導法：大面積膜の臨界電流密度等の非破壊的測定法
大面積膜作製法の研究（ＰＬＤ、ＭＯＤ法）のサポート
大面積膜作製法の研究（ＰＬＤ、ＭＯＤ法）のサポート
４）共振切り換え型限流器の研究開発
組合の２方式の限流器（ＳＮ転移抵抗型、整流器型）を補完
ＬＣ直列共振に必要な低損失交流超電導マグネットの開発
⇒ 組合の２方式（鉄心入り交流、空心パルス）を補完
「事業原簿」Ｐ．Ⅲ-42参照
産-14
3) 大面積超電導膜の高電流密度化基盤技術の研究開発
大面積ＰＬＤ：サファイア基板上 YBCO 膜の厚膜化
• サファイアの熱膨張率が YBCO よりも小 ⇒ 低温で YBCO に引っ張り
歪み ⇒ 臨界膜厚 dc 以上でマイクロクラック生成
• 小面積ＰＬＤ法（target-基板間距離 D ≤ 6 cm）: dc ≤ 0.3 µm
• 大面積ＰＬＤ法（D > 11 cm）: dc > 1 µm
多孔質、組成は Y:Ba:Cu=1:2:3 よりもＹリッチ、欠陥が歪みを緩和
• 膜厚向上 ⇒ 単位幅当りの臨界電流向上！
YBCO
d>dcr
Sapphire
熱膨張係数の差 ⇒ 冷却時 YBCO に引張
り歪み
αf (YBCO) > αs (sapphire)
臨界膜厚 dcr 以上でクラック発生！
dcr ≈ 0.3 µm (THEVA, MOD),>1 µm (PLD)
BaY2O4 析出物上に YBCO 膜
成長せず、空孔が生成
「事業原簿」Ｐ．Ⅲ-42参照
3) 大面積超電導膜の高電流密度化基盤技術の研究開発
産-15
大面積 PLD 法 YBCO 薄膜の特性向上
Target を Y-poor
にして組成調整
Target 1:
YBa2Cu3Oy
Target 2:
YBa2.3Cu3.45Oy
Target 3:
YBa2.5Cu3.75Oy
サファイア基板上 CeO2 バッファ層の原子間力顕
微鏡写真と表面の凸凹のプロフィール
• 大面積ＰＬＤ膜の組成制御（左上図）
• CeO2 バッファ層を成膜温度よりも高温
での熱処理 → 原子レベル平坦化、ナノ
ドット (~10 nm)（右上図）
• 0.6 µm 厚の YBCO 薄膜の Jc 分布
~1.75 MA/cm2 (~105 A/cm) （右図）
「事業原簿」Ｐ．Ⅲ-43参照
産-16
3) 大面積超電導膜の高電流密度化基盤技術の研究開発
オフカットサファイア基板による厚膜化
• 組成をずらす必要のない厚膜化（小面積ＰＬＤ法）
通常のサファイアＲ面（1120）から数度ずらして研磨
• より良い格子整合 → 結晶性向上、ステップ・フロー成長 → 析出物無
• 多孔質 → 熱歪み緩和 → 高品質厚膜化（> 1 µm）
→ Jc×d > 240 A/cm 達成！
5.22° tilt from
the [-1210] of sapphire
「事業原簿」Ｐ．Ⅲ-44参照
3) 大面積超電導膜の高電流密度化基盤技術の研究開発
産-17
YBCO 薄膜の磁束ピン止め機構の解明
• PLD 法で作製した YBCO 薄膜の磁束ピン止め機構：
膜面に垂直な方向（YBCO 結晶のｃ軸方向）に相関を有する面状
（線状）のピンニングセンターの一例を解明
H II c
2
77.3 K, 0.5 T
H II c
平面図
平面図
Jc (1010 A/m2)
H II ab
断面図
1.5 YBCO/STO
(250 nm)
YBCO/NdGaO
3
(250 nm)
1
YBCO/LAO
(150 nm)
0.5
YBCO/CeO2/Al2O3
(200 nm)
0
0
30
60
90
120
150
180
Angle (deg)
Jc の磁界角度依存性の測定：膜面に垂
直な時（H//c）にも大きなピーク
大面積 YBCO/LaAlO3 膜で観測さ
れた面状欠陥（双晶面と交差、積層
欠陥？）：鋭い Jc ピークの起因
YBCO/SrTiO3 膜で観測されたｃ軸
方向に細長い微小析出物：大きく幅
広い Jc ピークの起因
磁束ピン止めセンターが同定された数少ない例
「事業原簿」Ｐ．Ⅲ-45参照
産-18
3) 大面積超電導膜の高電流密度化基盤技術の研究開発
誘導法：大面積超電導膜の非破壊的な臨界電流密度測定
• 理論的に第３高調波電圧 V3 の発生機構を考察、V3 のコイル電流 I0
依存性を導いた → 測定法の原理を明確化 → より正確な測定
• この方法で測定した Jc の電界基準の計算：周波数に比例
V3 の周波数依存性 → 電流電圧特性測定（特許出願中）
（電流電圧特性は試料の均質度を表わす重要な指標）
0.03
0.1
10-3
77.3 K
(Bdc II c)
YBCO/LAO
d~600nm
0.025
V3/fI0 (mΩ sec)
0.08
0.06
0.1
0.04
0.02
Ith/√
√2
0.08
0.06
0.04
0.02
0
0
1
2
3
4
5
6
Scaled Current, I0/Ith
0
0
20
40
60
80
YBCO/CeO2/Al2O3
d~300nm
n
100
Coil Current, I0/√2 (mA)
第３高調波誘導電圧／電流 vs コイル電流
←（挿入図）理論に基づ
くスケーリング挙動
V3 = µ0fIthG(I0/Ith)
∴ V3/I0=
µ0fG(I0/Ith)/ (I0/Ith)
10
E (V/m)
R-1T
R-05T
R-03T
R-01T
R-0T
V3/I0 (Ω)
3rd Harmonic Resistance, V3/I0 (Ω)
0.12
E∝J
n = 34.5
-4
77.3 K, 0 T
10-5
0.02
10-6
1010
0.015
0.01
0.005
2 1010 3 1010
J (A/m2)
100 HzR
200 HzR
500 HzR
1 kHzR
2 kHzR
5 kHzR
10 kHzR
20 kHzR
35 kHzR
Ith/√
√2
2 µΩ
Ω sec
0
60
65
70
75
80
85
Coil Current (mA)
誘導法 Jc 測定の周波数依存性から得た E-J 特性
「事業原簿」Ｐ．Ⅲ-46参照
産-19
産総研の研究の位置付け
３）大面積超電導膜の高電流密度化基盤技術の研究開発
臨界電流の大きな大面積超電導膜作製のために重要な知見
・サファイア基板上の YBCO 薄膜のマイクロクラック生成
・臨界電流密度を決める磁束ピン止め：機構解明と特性向上
・誘導法：大面積膜の臨界電流密度等の非破壊的測定法
大面積膜作製法の研究（ＰＬＤ、ＭＯＤ法）のサポート
４）共振切り換え型限流器の研究開発
組合の２方式の限流器（ＳＮ転移抵抗型、整流器型）を補完
組合の２方式の限流器（ＳＮ転移抵抗型、整流器型）を補完
ＬＣ直列共振のため低損失空心交流超電導マグネット
ＬＣ直列共振のため低損失空心交流超電導マグネットを開発
低損失空心交流超電導マグネットを開発
⇒ 組合の２方式（鉄心入り交流、空心パルス）を補完
組合の２方式（鉄心入り交流、空心パルス）を補完
「事業原簿」Ｐ．Ⅲ-87参照
産-20
４）共振切り換え型限流器の研究開発
組合を中心にして研究開発を行なっている限流器の２方式
• 薄膜限流器：コンパクト、低損失。しかし、基幹系への大型化は容易でない
• 整流器型限流器：大型化の技術見通し有。しかし、常時損失やや大
共振切り換え型限流器の特徴
アレスター
• 大型化の技術見通し → 基幹系に対応可能
• 非クエンチ型 → 冷凍システムの設計・運転
が簡単、限流状態から即時に定常復帰
• 限流開始状態の選定が容易 → アレスター　の動作設定で決まる
• 回路要素の高性能化・低コスト化が課題
• 超電導リアクトルの低損失化が不可欠→
現用の交流リアクトルの効率以上が必要
コンデンサー
直列リアクトル
並列リアクトル
常電導リアクトル
超電導リアクトル
低損失な空心交流超電導マグネットの開発と共振切り換え型限流器の実証
「事業原簿」Ｐ．Ⅲ-87参照
産-21
４）共振切り換え型限流器の研究開発
交流超電導リアクトルの研究開発
---低損失、コンパクト化--Total Ac Loss / 2 f (J/cycle)
10
1
SUS 共巻き
SUS 共巻き＋含浸
Magnetization Loss
0.1
10
100
Q
m
履歴損失
交流損失低減には機械損の低減が
必要-->機械共振尖鋭度：Qm>300
SUS 共巻＋含浸＋磁性体ディスクによる
垂直磁界成分低減したマグネットで
20 W at AC 50Hz, 10 Arms, 77K
開発した交流リアクトル
（内径 60 mm、外径 120 mm、高さ 120 mm
インダクタンス 100 mH、直流 Ic = 20 A）
→ 20 kW/m3, 室温換算：400 kW/m3
銅リアクトル（同じ中心磁界とインダクタンス、半分の
電流密度）と比較すると全損失は約半分。
「事業原簿」Ｐ．Ⅲ-88参照
産-22
４）共振切り換え型限流器の研究開発
交流超電導リアクトルの研究開発
導体：２並列
--大電流容量化-開発した交流リアクトル
コイルの並列数：３
200A級：３並列、４直列で 5.5 mH、
12直列で 60A, 50 mH
41 (mm)
88 (mm)
128 (mm)
173 (mm)
「事業原簿」Ｐ．Ⅲ-89参照
産-23
４）共振切り換え型限流器の研究開発
共振切り換え型限流器の特性
-- ５サイクル限流条件（短絡角０度）-試験条件：負荷抵抗 20→2Ω
アレスタ−電圧 Va= 700V, 短絡比=10
アレスター：700V
10オーム
200 定常運転
直列共振状態
150
C：0.1mF
定常復帰
限流運転
並列共振状態
直列共振状態
限流器ない場合の電流
Ls:100mH
100
SCR-SW
50
電流 [A]
18オーム
限流器がある場合の電流
0
-50
Lp:100mH
2オーム
-100
-150
故障発生
負荷抵抗：20---＞2Ω
限流、復帰は1/2サイクル以内に完了
-200
2.25
2.3
故障解消
負荷抵抗：2---＞20Ω
2.35
時間（秒）
2.4
2.45
「事業原簿」Ｐ．Ⅲ-90参照
４）共振切り換え型限流器の研究開発
15
共振切り換え型限流器の特性
限流運転
1500
5
電流(A)
並列リアクトルとの閉回路で減衰振動
アレスター電流(A)
超電導電流(A)
常電導電流(A)
負荷電流(A)
10
-- 200A級限流試験結果、遮断器との協調性-遮断器開放時の特性 ⇒
産-24
遮断器開放
定常運転
0
-5
並列共振状態
-10
想定短絡電流
-15
2.75
1000
2.8
2.85
2.95
3
3.05
時間[s]
15
500
アレスター電流(A)
超電導電流(A)
10 常電導電流(A)
負荷電流(A)
0
直列共振状態
-500
5
電流(A)
負荷電流、想定短絡電流 (A)
負荷電流
2.9
定常運転
0
-1000
-5
-1500
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
-10
Time(sec)
電源投入時、遮断器再投入時の特性 ⇒
（３サイクル以内に定常状態）
-15
-0.02
-0.01
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
時間[s]
「事業原簿」Ｐ．Ⅲ-91参照
産-25
産総研の研究の位置付け
５）薄膜限流器用材料の熱応答特性計測技術の研究開発
ＳＮ転移抵抗型薄膜限流器に用いる超電導薄膜の各種熱特性
ＳＮ転移抵抗型薄膜限流器に用いる超電導薄膜の各種熱特性
（熱伝導率／熱浸透率、界面熱抵抗など）の評価
⇒ 組合の研究（限流素子の開発）のサポート
組合の研究（限流素子の開発）のサポート
６）超電導マグネット用材料の熱応答計測技術の研究開発
組合が用いる超電導線材や構造材料の熱膨張率や熱容量、熱
伝導率の評価
⇒ 組合の研究（電力用超電導マグネットの開発）のサポート
組合の研究（電力用超電導マグネットの開発）のサポート
「事業原簿」Ｐ．Ⅲ-65参照
産-26
５）薄膜限流器用材料の熱応答計測技術の研究開発
５）薄膜限流器用材料の熱応答計測技術の研究開発
SN転移型限流器用超電導薄膜の評価技術の開発
・膜と基板の熱物性の把握が設計やシミュレーションで重要
・熱拡散率、熱伝導率、界面熱抵抗等輸送特性は実測が不可欠
熱物性顕微鏡の開発・・・熱反射法を用い対象物の熱浸透率分布測定が可能
測定原理
測定イメージ図
（反射用）
（超電導薄膜）
熱反射法（温度変化に伴う反射率変化
をプローブ光で検出する）を用い、反射
信号ac成分の位相遅れから熱浸透率
を決定する
「事業原簿」Ｐ．Ⅲ-65参照
産-27
５）薄膜限流器用材料の熱応答計測技術の研究開発
５）薄膜限流器用材料の熱応答計測技術の研究開発
超電導薄膜の熱浸透率測定・・・THEVA社製YBCO膜の評価を行う
熱浸透率の実測値とバルクの文献値の比較
THEVA社
製膜の実測
YBCO 800 nm
（MgO基板）
1770 Jm-2s-0.5K-1
YBCO 800nm
（STO基板）
1420 Jm-2s-0.5K-1
バルクYBCO
のc軸方向
1500～2200
Jm-2s-0.5K-1
バルクYBCO
のab面方向
3700～5300
Jm-2s-0.5K-1
文献情報
等
熱浸透率の定義
サーモリフレクタンス法熱浸透率測定装置の構成
（校正用標準物質を用いることで絶対値を決定できる
とともにその空間分布を評価可能）
熱浸透率
[Js
[J
-0.5
m-2 K-1 ]
b=(ρ c λ)0.5
-1 -1
熱伝導率 [Wm K ]
密度
-1 -1
[kgm-3 ] 比熱容量 [Jkg K ]
YBCO薄膜の熱浸透率（熱伝導率）の実測値を得ることができ伝熱設計やシミュレーション
に利用できる信頼できるデータの提供ができた
「事業原簿」Ｐ．Ⅲ-65参照
産-28
５）薄膜限流器用材料の熱応答計測技術の研究開発
５）薄膜限流器用材料の熱応答計測技術の研究開発
超電導薄膜の熱浸透率分布評価・・・THEVA社製YBCO膜の評価
800nm YBCO膜（MgO基板上）の評価事例
サーモリフレクタンス法による
熱浸透率測定概念図
YBCO薄膜試料（上）の
中心部で観察した光学
顕微鏡像（右上、反射層
として100nm厚のMo膜
付）とこれに対応する熱
浸透率分布マッピングイ
メージ（右下）
分布評価が可能であることを実証した。また内部の何らかの欠陥を反映した局所的な
熱浸透率の低下を観測しており、今後欠陥検出や特性劣化評価に活用可能。
「事業原簿」Ｐ．Ⅲ-65参照
産-29
５）薄膜限流器用材料の熱応答計測技術の研究開発
５）薄膜限流器用材料の熱応答計測技術の研究開発
非接触温度分布計測技術の開発・・・蛍光観測式で温度分解能約0.5Kで
分布測定可能なシステムを開発
冷却過程の可視化事例
室温
低温
（エポキシ素材）
蛍光観測式非接触温度分布測定システム
温度分布の可視化事例
3500
3000
Intensity(a.u.)
2500
RT
N2
2000
高温部
1500
（室温に近い）
1000
500
0
350
-500
400
450
500
550
600
650
700
750
wave length(nm)
2種の蛍光塗料の典型的な蛍光スペクトラム
低温部
（液体窒素
温度に近い）
限流器用超電導薄膜のホットスポットの監視や超電導線材の常伝導域の伝播観測
などへの応用が期待
「事業原簿」Ｐ．Ⅲ-66参照
産-30
６）超電導マグネット用材料の熱応答計測技術の研究開発
６）超電導マグネット用材料の熱応答計測技術の研究開発
GM冷凍機式熱膨張率測定装置の開発
GM冷凍機式･･･長時間安定した測定が簡便に可能
レーザ干渉式･･･高精度な絶対測定が可能
測定事例：超電導テープ基材/ハステロイ
の低温熱膨張率の温度依存性
LTEC/ 10-6K-1
15
10
5
Hastelly C-276
Ni
SUS304
Y123 ab-plane
0
0
50
100
150
200
Temperature /K
)
参考値
250
熱膨張率、熱伝導率、比熱容量などの実測値以外に文献データ調査も行い
データベースへの登録・公開を予定（H17年度）
300
「事業原簿」Ｐ．Ⅲ-93参照
産-31
産総研の研究成果の位置付け (1)
（後継プロ）薄膜限流器中核技術の研究開発
１）ＭＯＤ法大面積薄膜作製（今フェーズで 10cm×30cm まで成膜）
⇒ Jc 特性均一化と低コスト化（サファイア代替基板開発）
２）高性能・低コスト限流素子の作製技術（産総研独自方式、左下図）
⇒ 低コストＭＯＤ法膜、ＰＬＤ法多孔質膜の利用、大容量化
３）限流器用高信頼性冷凍システム（メンテナンスフリー）の開発
今フェーズの成果は、後継プロジェクト（Ｈ17〜、産総研内）等で活用
200
80
I (A)
60
V (V)
>38 V/cm, 1.7 kVA/cm2 と言う
金蒸着従来素子の４倍以上の
限流容量密度達成 ⇒
冷凍機
100
20
50
0
0
V (V)
I (A)
40
150
-20
-50
-40
-100
-60
-150
-80
-200
0.3
0
0.05
0.1
0.15
0.2
Time (sec)
0.25
薄膜限流素子コンプレッサ等
「事業原簿」Ｐ．Ⅲ-**参照
産-32
産総研の研究成果の位置付け (2)
１）超電導送電ケーブル長尺冷却基盤技術の研究開発
産総研独自の比例縮小（管径と冷却長が共に実規模ケーブルの1/10）冷却モデル
研究組合に於ける同径縮長（管径は同じで冷却長が1/10）冷却モデル
⇒ 相互補完して実規模レベルの長尺冷却が可能であることを実証
⇒ 他のケーブルプロジェクト、将来の実用化において適応できる
汎用な冷却設計手法を確立
４）共振切り換え型限流器の研究開発
限流・復帰が 1/2 サイクル以内に完了する、優れた限流特性を実証
実用規模の電流値（200 A 級）での限流試験に成功
⇒ 分散電源用限流器としての実用化を期待
「事業原簿」Ｐ．Ⅲ-**参照

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