JP2004319798A

JP2004319798A - バルク超伝導体のパルス着磁方法

Info

Publication number: JP2004319798A
Application number: JP2003112117A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Fujishiro; 代博之藤; Tetsuo Oka; 徹雄岡; Kazuya Yokoyama; 山和哉横
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; Aisin Corp
Priority date: 2003-04-16
Filing date: 2003-04-16
Publication date: 2004-11-11

Abstract

【課題】酸化物超伝導バルクの温度を安定化する時間を短縮し、冷却効率を向上して、着磁工程に必要な時間を短縮できる、超伝導バルクの着磁方法を提供する。
【解決手段】扁平な環状または板状の酸化物超伝導バルクを、その超伝導疑似単結晶の一面をコールド・ステージに接して載置すると共に、前記酸化物超伝導バルクの外周側に設けた着磁コイルに電流を流し、パルス磁場を発生させ、前記酸化物超伝導バルクを、冷媒中で或いは冷凍機によって得られる低温状態で、前記面に鉛直な方向に着磁するバルク超伝導体のパルス着磁方法において、前記酸化物超伝導バルクの着磁に先立って、酸化物超伝導バルクの表面部分にある含浸用樹脂を取り除き、その周囲にポリエチレン繊維および／あるいはポリ−ｐ−フェニレンベンツビスオキサゾール繊維を含む樹脂からなる繊維に樹脂を含浸させた強化樹脂環を嵌合させることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、扁平な環状または板状の酸化物超伝導バルクを、その超伝導疑似単結晶の一面をコールド・ステージに接して載置すると共に、前記酸化物超伝導バルクの外周側に設けた着磁コイルに電流を流し、パルス磁場を発生させ、前記酸化物超伝導バルクを、冷媒中で、前記面に鉛直な方向に着磁するバルク超伝導体のパルス着磁方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ここで扱う酸化物超伝導バルクは、一般に円環状または円板状、円柱状であって、通常、図１（ａ）に示すように、超伝導疑似単結晶のａｂ面に鉛直な厚さ方向（ｃ軸方向）に着磁する（例えば、非特許文献１および２）が、超伝導遷移温度以下に冷却した状態で、着磁コイルに電流を流す際に、酸化物超伝導バルクに強い電磁力が作用し、これを破壊する可能性がある。そこで、前記酸化物超伝導バルクの外周からエポキシ樹脂などの樹脂を含浸し、補強する処置が講じられている。また、特許文献１には、超電導バルク材料の補強構造として金属リングによる圧縮応力を用いることが開示されている。
【０００３】
パルス着磁法ではＩＭＲＡ法（反復着磁法）が用いられるようになり、捕捉磁場は３０Ｋで３．８Ｔを記録できるようになったが、捕捉磁場はＦＣに比べて少ない欠点があった。これは磁束の侵入で起こる発熱のために温度が上昇することに起因するが、酸化物超伝導バルクに含浸されたエポキシ樹脂皮膜が放熱の妨げとなって、温度の安定までに長い時間を要するという問題があった。
【０００４】
また、補強構造としての金属リングにおいても、含浸されたエポキシ樹脂皮膜の表面に取り付けられているため、放熱のための熱伝導が考慮されていなかった。さらに、金属リングから前記コールド・ステージまたは冷媒への熱伝導にも時間がかかっていた。このため、磁束の侵入で起こる発熱のために温度が上昇し大きな捕捉磁場を得ることができない問題があった。
【０００５】
【非特許文献１】
エッチ．フジシロ、エス．コハヤシ（Ｈ．ＦｕｊｉｓｈｉｒｏａｎｄＳ．Ｋｏｈａｙａｓｈｉ）：アイイーイーイートランス．スーパーコンダクター（ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄ）．１２巻２００２１１２４頁
【非特許文献２】
エッチ．フジシロ、エム．イケダ、テー．ナイトウ、ケー．ノト（Ｈ．Ｆｕｊｉｓｈｉｒｏ，Ｍ．Ｉｋｅｂｅ，Ｔ．ＮａｉｔｏａｎｄＫ．Ｎｏｔｏ）：ジャーナルオブアプライドフィジックス（Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．）３３巻１９９４４９６５ページ
【特許文献１】
特開平１１−３３５１２０号公報（第２頁、図第１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来、樹脂の含浸は、せいぜい、酸化物超伝導バルクの表面から１ｍｍ程度であり、冷却にはあまり影響しないものと考えられているが、本発明者らの実験によれば、この１ｍｍ程度の樹脂の存在が、樹脂のない場合に比較して、酸化物超伝導バルクの温度（超伝導遷移温度以下）の安定までに３倍以上の時間を必要とすることが判明した。
【０００７】
本発明は、上記事情に基づいてなされたもので、酸化物超伝導バルクの温度を安定化する時間を短縮し、冷却効率を向上して、着磁工程に必要な時間を短縮できる、バルク超伝導体のパルス着磁方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、扁平な環状または板状の酸化物超伝導バルクを、その超伝導疑似単結晶の一面をコールド・ステージに接して載置すると共に、前記酸化物超伝導バルクの外周側に設けた着磁コイルに電流を流し、パルス磁場を発生させ、前記酸化物超伝導バルクを、冷媒中で或いは冷凍機によって得られる低温状態で前記面に鉛直な方向に着磁するバルク超伝導体のパルス着磁方法において、
前記酸化物超伝導バルクの着磁に先立って、酸化物超伝導バルクの表面部分にある含浸用樹脂皮膜を取り除き、その周囲にポリエチレン繊維および／あるいはポリ−ｐ−フェニレンベンツビスオキサゾール繊維を含む樹脂からなる強化樹脂環を嵌合させることを特徴とする。
【０００９】
この場合、本発明の実施の形態として、前記強化樹脂環が、セラミック粉体を混入した金属より高い熱伝導率の樹脂を介して前記酸化物超伝導バルクに嵌合し、密着すること、また、前記樹脂が、窒化硅素、窒化チタン、酸化硅素及び酸化チタンのうち一種或いは複数種の混合物からなる粉末を混入したエポキシ樹脂であることが有効であり、また、前記強化樹脂環が、前記酸化物超伝導バルクの着磁に際してその温度係数が負値を示すもの採用していることも有効である。
【００１０】
以下、本発明に係る実施の形態を、図面を参照して具体的に説明する。ここでは、扁平な円環状（または円板状、円柱状）の酸化物超伝導バルク１を、その超伝導疑似単結晶の一面をコールド・ステージ２に接して載置する。酸化物超伝導バルク１の外周側に設けた着磁コイル３に電流を流し、パルス磁場を発生させ、酸化物超伝導バルク１を、前記面に鉛直な方向に着磁するバルク超伝導体のパルス着磁方法において（図２参照）、酸化物超伝導バルク１の着磁に先立って、少なくとも、酸化物超伝導バルクの表面部分にある含浸用樹脂を取り除き、その周囲に強化樹脂環５を嵌合させる。（図１（ｃ）を参照）。この強化樹脂環５はポリエチレン繊維および／あるいはポリ−ｐ−フェニレンベンツビスオキサゾール繊維を含む樹脂からなりスチールより高い熱伝導率と高弾性率を有する。
【００１１】
上述の酸化物超伝導バルク１は、例えば、ＲＥＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ｙ（ここで、ＲＥはＹ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕから選ばれる１種類または２種類以上の元素を示す）を主成分とするもので、要すれば、この相中にＲＥ_２ＢａＣｕＯ_５やＲＥ_４Ｂａ_２Ｃｕ_２Ｏ_１０などを分散したものを用いる。また、コールド・ステージ２は、冷凍機の冷凍部１０に伝熱ロッド７を介して繋がっていて、その上面にサファイア板６を設けて、これに酸化物超伝導バルク１を載置しても良い。この実施の形態では、コールド・ステージ２に熱伝導用の円板９を有する銅の伝熱ロッド７を介して、前記冷凍機の冷凍部１０に接続されることもある。
【００１２】
このような酸化物超伝導バルク１は、７７Ｋ（窒素の沸点）で磁場をトラップして、１Ｔ（テスラ）程度の磁束密度が得られるが、６３Ｋ（窒素の融点）、５１Ｋ（酸素の融点）などの低温ではその倍の磁束密度が達成される。上述のような、マグネットとしての使用態様で、前記の酸化物超伝導バルク１を用いると、強い電磁力による破壊の畏れがあり、一般には、ステンレス製のリングを嵌めて補強したり、超伝導バルクの表面に樹脂を含浸して補強している。パルス着磁法では、ＩＭＲＡ法（反復着磁法）が用いられるようになり、捕捉磁場は、３０Ｋで３．８Ｔを記録できるようになったが、捕捉磁場は、ＦＣに比べて少ない。これは磁束の侵入で起こる発熱のために温度が上昇することに起因する。先述のように樹脂を含浸させた場合、含浸樹脂の皮膜が放熱を妨げ、温度の安定までに長い時間を要するという問題があった。
【００１３】
本発明者は、酸化物超伝導バルク１について、その超伝導疑似単結晶のａｂ面内に沿う方向と、ａｂ面に垂直な方向に関して、熱伝導率ｋに異方性が有り、図３の実験データで示されるように、ａｂ面に垂直な方向よりも、ａｂ面内に沿う方向への熱伝導率が数倍高いことを把握している。そこで、本発明では、酸化物超伝導バルク１に着磁する場合の方法として、超伝導バルクの、樹脂を含浸させない或いは含浸された樹脂を取り除いたａｂ面を直接コールド・ステージ２に、或いは、実施例のように銅の伝熱ロッド７を介して、冷凍機の冷凍部１０で冷却することにより、冷却時間の短縮を図るものである。しかも、熱伝導率の高い酸化物超伝導バルク１のａｂ面に沿う方向への放熱性を高めるために、酸化物超伝導バルク１の外周に熱伝導率と高弾性率の繊維に樹脂を含浸させた強化樹脂環５を嵌合している（図１（Ｃ）参照）。
【００１４】
特に、着磁に際して発生した熱を酸化物超伝導バルク１から除くために、酸化物超伝導バルク１の外周に対する強化樹脂環５の密着性を高め、かつ熱伝導性を高めて、酸化物超伝導バルク１が迅速に冷却されるように、酸化物超伝導バルク１と強化樹脂環５との間に、セラミック粉末を混入した樹脂を置く。特に、セラミックは、窒化珪素、窒化チタン、酸化珪素、酸化チタンから選ばれる１種以上が、熱伝導度を上げるために好ましく選ばれる。
【００１５】
強化樹脂環５は、熱伝導性の良好なものがよく、少なくともポリエチレン繊維および／あるいはポリ−ｐ−フェニレンベンツビスオキサゾール）繊維を含む樹脂からなっている。特に、高度に延伸したポリエチレン繊維、高度に延伸したポリ−ｐ−フェニレンベンツビスオキサゾール繊維は、延伸方向に対しての熱伝導性が高いことが知られており、本発明における酸化物超伝導バルク１の冷却という目的に叶っている。
【００１６】
また、高度に延伸したポリ−ｐ−フェニレンベンツビスオキサゾール繊維は、熱膨張率が温度に対して負の係数を持っており、放熱の際の温度上昇により酸化物超伝導バルク１に対し圧縮応力をかけ、酸化物超伝導バルク１が着磁に際して磁束の侵入方向に起きる応力による破壊を守る効果も期待できる。
【００１７】
ポリエチレン繊維、ポリ−ｐ−フェニレンベンツビスオキサゾール繊維は、それぞれ溶融状態から紡糸、延伸して得られるが、特に高度に延伸したポリエチレン繊維が東洋紡績（株）から「ダイニーマ（Ｄｙｎｅｅｍａ）」（商品名）、特に高度に延伸したポリ（ｐ−フェニレンベンツビスオキサゾール）繊維が東洋紡績（株）から「ザイロン（Ｚｙｌｏｎ）」（商品名）として市販されており、これらを使用することができる。
【００１８】
図４（ａ）は「ダイニーマ（Ｄｙｎｅｅｍａ）」の繊維、その含浸樹脂、及び対比したスチールの熱伝導特性を示すグラフ、（ｂ）は「ザイロン（Ｚｙｌｏｎ）」の繊維、その含浸樹脂、及び対比したスチールの熱伝導特性を示すグラフである。この特性測定結果から、スチールよりも熱伝導性が優れていることが分る。
【００１９】
本発明における酸化物超伝導バルクの冷却は、上記のように冷凍機の冷却部によってなされることに限定されない。すなわち、冷凍機を用いる代わりに該酸化物超伝導バルクを液体窒素、液体ネオン、液体ヘリウム、液体アルゴンのうちのいずれか一種の冷媒を用いることによって冷却し、利用することで、同等或いは類似した効果をもたらすことができる。このように用いる該酸化物超伝導バルクは一般に冷媒中に浸漬されることで冷却される。該冷媒は、液体に限定されず、気体でもよい。又、冷媒は冷凍機によって冷却される状態として用いることもでき、必ずしもその沸点で用いることに限定されない。すなわち、冷凍機を用いて冷却された液体或いは気体の状態にある冷媒により該酸化物超伝導バルクを所定の温度に冷却して用いることができる。
【００２０】
【発明の効果】
本発明は、以上詳述したように、酸化物超伝導バルクの着磁に先立って、少なくとも、その周囲に高い熱伝導率と高弾性率の繊維に樹脂を含浸させた強化樹脂環を嵌合させることにより、酸化物超伝導バルクの温度を安定化する時間を短縮し、冷却効率を向上して、着磁工程に必要な時間を短縮できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】超伝導バルクの断面を模式的に示した図で、（ａ）は表面に含浸エポキシ樹脂皮膜が形成された超伝導バルクの平面に平行な断面図、（ｂ）は平面に垂直な断面図、（ｃ）は本発明の超伝導バルクの平面に垂直な断面図である。
【図２】本発明のパルス着磁方法を実施する場合の具体的構成を示す模式図である。
【図３】熱伝導性に関しての異方性を開示した実験グラフである。
【図４】強化樹脂の熱伝導特性を示すグラフで、（ａ）はダイニマ、（ｂ）はザイロンの特性値である。
【符号の説明】
１酸化物超伝導バルク
２コールド・ステージ
３着磁コイル
５強化樹脂環
６サファイア板
７伝熱ロッド
８真空容器
９円板
１０冷凍機の冷凍部
１１エポキシ樹脂皮膜

Claims

扁平な環状または板状の酸化物超伝導バルクを、その超伝導疑似単結晶の一面をコールド・ステージに接して載置すると共に、前記酸化物超伝導バルクの外周側に設けた着磁コイルに電流を流し、パルス磁場を発生させ、前記酸化物超伝導バルクを、冷媒中で或いは冷凍機によって得られる低温状態で前記面に鉛直な方向に着磁するバルク超伝導体のパルス着磁方法において、
前記酸化物超伝導バルクの着磁に先立って、酸化物超伝導バルクの表面部分にある含浸用樹脂皮膜を取り除き、その周囲にポリエチレン繊維および／あるいはポリ−ｐ−フェニレンベンツビスオキサゾール繊維を含む樹脂からなる強化樹脂環を嵌合させることを特徴とするバルク超伝導体のパルス着磁方法。
前記強化樹脂環と前記酸化物超伝導バルクの嵌合は、セラミック粉末を混入した樹脂を介して密着されることを特徴とする、請求項１に記載のバルク超伝導体のパルス着磁方法。
前記セラミックは、窒化硅素、窒化チタン、酸化硅素及び酸化チタンのうち一種或いは複数種の混合物をからなることを特徴とする請求項２に記載のバルク超伝導体のパルス着磁方法。