液体窒素蒸発法によるY系コイルの交流損失測定

低温工学協会九州・西日本支部研究会 鹿児島大学，

2006

年

7

月

22

日

液体窒素蒸発法による Y 系コイルの交流損失測定

A九州電力，B鹿児島大学

,

^c九州大学

岡元 洋^A，住吉 文夫^B，大輪美沙^B ，岩熊成卓^C

概 要

● 液体窒素温度における高温超電導コイルの交流損失（磁 化損と通電損）の簡便な熱的測定である蒸発（ Boil-off ）法の 実用性を示す。

Magnetic field coil

交流損失測定法 検出精度 磁化法

10

^-6

W

通電法

10

^-5

W

熱 的 蒸発法

10

^-1

W

電気的

Pick up coil 法（磁化法）

●

Boil-off

法の特徴

・長所：キャンセル処理（電気的手法）が不要で、測定が容易。

・欠点：測定時間が長い → 自動測定で対応可

実験装置

交流 磁石 ガス

低温 容器

冷媒

ヒータ ー

試料 交流通電 電源 ヒーター 電源 恒温 層

流量 計

試料 容器

試料容器

（配管含む）

FRP製，試料空間 内径φ140×^L150mm 自然蒸発量 約50ｍW

交流磁石 0.1〜120Hz

0〜Max 70mT

交流通電電源 0.1〜500Hz 0〜800A

流量計 恒温槽

検出容器

実験装置

検 出 容 器

FRP

製，^W

330

×^D

220

×^H

200mm

自 然 蒸 発 量

100

ｍ

W

程度

交 流 通 電 電 源

0.1

〜

500Hz

，

0

〜

800A

窒素ガス 液体窒素容器

液体窒素 ヒーター

試料コイル 交流通電電源 ヒーター用電源 流量計

検出容器 恒温槽

検出容器

●自然蒸発量

●蒸発ガス量から電力への換算 （

L/s

⇒

W)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36

0 60 120 180 240 300 360

Qav[W]   

LN2[cm]

Qav[W] LN2[cm]

t[min]

自然蒸発量

Qav=0.33-0.20=0.11(W) (J/L)

10 48 . 2 K

10

O 1 mmH

1 273 K L/s

W)

2

4

2

×

=

⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛ +

⎟⎠

⎜ ⎞

⎝⎛ +

× 入口圧力（

ガス温度（℃）

）

（ 蒸発ガス流量

＝ 発熱量（

Q

・液体蒸発潜熱：

160.47 kJ/L

・体積倍増率：

646

（＝液体窒素沸点の液密度

/1atm,0

℃のガス密度

=808/1.25

）

Y 系超電導コイル

●使用線材

(YBCO)

の諸元

2 10⁹ 4 10⁹ 6 10⁹ 8 10⁹ 10¹⁰

-20 0 20 40 60 80 100

30 40 50 60 70 80 90 100

Critical current I c (A)

Field angle θ (deg.) 0.02T

0.05T 0.1T 0.2T 0.03T

0.07T

YBCO(PLD_IBAD) W=5mm T=77K

Critical current density J c (A/m2 )

#1 Coil #2 Coil

W

10

×^t

0.12 2.4

198

Size (mm)

^W

5

×^t

0.12

SC

ｔ

hickness

(µm) 2.4

I

_c

(1µV/cm,77K,sf) 110/104

●コイルの諸元

#1 Coil #2 Coil

φ

150

×^L

250.5

21 NO

Size (mm)

^φ

150

×^L

146.2

Turn number 23

Tranposition YES

J

_c（

I

_c）の磁界角度依存性

#2 coil

#1 coil

交流通電損失（電流振幅依存）

●

#2 Coil

●＃

1 Coil

10^-4 10^-3 10^-2 10^-1

10 100 1000

30Hz 60Hz 90Hz

Amplitude of tranport current I

a (A) AC loss Q t (J/cycle)

10^-4 10^-3 10^-2 10^-1

10 100 1000

30Hz 60Hz 90Hz

AC los s Q

t

(J /c y c le )

Amplitude of tranport current I

a

(A)

●損失量はほぼ電流の３乗に比例し、ヒシテリシス損が主であることを示唆する。

交流通電損失（周波数依存）

10^-3 10^-2 10^-1

10 100

Freqency f (Hz) AC loss Q t (J/cycle)

#1 Coil

Irms=50A 60A

70A 100A 90A 80A 110A

Irms=120A T=77K

10^-3 10^-2 10^-1

10 100

AC lo ss Q

t

( J/cy cle )

Freqency f (Hz) T=77K

70A I_rms=110A

Irms=60A 100A 90A

80A

#2 Coil

今回の通電電流に対する損失は、周波数に対してほぼ一定であるのでジュー ル損はないと推定される。

測定値の比較

●＃ 1Coil ●＃２ Coil

10^-4 10^-3 10^-2 10^-1

10¹ 10² 10³

Boil-off Electric Theory

AC loss Q (J/Cycle)

Amplitude of current I

a (A) 60Hz

10^-4 10^-3 10^-2 10^-1

10¹ 10² 10³

Boil-off Electric Theory

AC loss Q (J/Cycle)

Amplitude of current I

a (A) 60Hz

● Boil-off 法と電気的法の損失量を定量的に確認

●理論値は線材の磁化損の実験式と自己磁界の臨界電流（異方性の無

視）によるストリップモデルの通電損で算出

まとめ

●液体窒素による Boil-off 法による単層 Y 系超電導コイルの交流通電損 失量が定量性が確認できた。

●今後は，測定誤差等の課題を解消し，多層 Y 系超電導コイルの交流

通電損失を検証し，実用的な Boil-off 法による交流損失評価手法を確立

する。