JP2009500843A - 永久電流用超伝導磁石及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

薄膜型高温超伝導体線材を巻線して無接合方法で製作される永久電流モードを維持する超伝導磁石と、その製造方法とを開示する。上記方法は、超伝導線材（１０）の両端部を第１ボビン（２１）と第２ボビン（２２）に巻線する段階と、超伝導線材（１０）を長さ方向にスリッティングし、第１線材（１０ａ）と第２線材（１０ｂ）を形成する段階と、第１及び第２線材（１０ａ，１０ｂ）を第３ボビン（２５）に一方向に巻いてパンケーキコイルを製造する段階と、第１及び第２線材（１０ａ、１０ｂ）が巻かれた第３ボビン（２５）のうち何れか一つの上下をひっくり返し、パンケーキコイルが同一方向の磁場（Ｂ、Ｂ'）を発生するように第１及び第２線材（１０ａ，１０ｂ）を配列する段階と、を含む。

Description

本発明は、永久電流用超伝導磁石に関するもので、より細部的には、薄膜型高温超伝導体線材をコイルに巻線して無接合方法で製作される永久電流モードを維持する超伝導磁石に関するものである。

超伝導現象は、物質の温度を下げたとき、物質の抵抗が消えることを意味する。超伝導現像を示す物質を使用すると、熱の発生なしに電気を流すことができ、エネルギー損失が生じない。上記のような物質を超伝導体という。前記超伝導体は、超伝導転移温度Ｔｃ以下及び臨界磁場Ｈｃ以下でのみ抵抗なしに電流を流すことができ、このとき、抵抗なしに流すことのできる最大の通電電流の密度である臨界電流密度Ｊｃが存在する。

前記超伝導体は、線またはテープ形態に加工され、高い磁場を生成させる超伝導電磁石に広く使用されている。前記電磁石は、線材を多様な幾何学的形態のコイルに巻線することで製作され、線材を通して電流を流すと、磁場がコイルから発生するが、線材が超伝導体である場合、抵抗による電力損失が発生しない。

前記超伝導磁石は、ＭＲＩ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｉｍａｇｉｎｇ）とＮＭＲ（Ｎｕｃｌｅａｒ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）のスペクトロスコピー（Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）などに使用され、前記装備が規定の特性を発揮するためには一定かつ安定した磁場状態が要求されるが、超伝導コイルをなす端に超伝導接合がなされ、永久電流モードの閉回路が形成されるべきである。理想的な超伝導接合がなされると、電気抵抗によるエネルギー損失なしに磁石や接合部で通電電流が流れるようになり、磁石で生成される磁場が一定に維持され、超伝導磁石は、所望の磁場を一定かつ安定的に維持する永久電流モードになる。

従来に公知技術として公開された米国特許ＵＳ６，５３１，２３３と大韓民国公開特許公報特２００１―００８６６２３号では、一般的に、図１に示すように、金属材質の磁石加工線材７００をコイル形状に製作した後、両端部を圧着または接合部材７１０などを用いて機械的な方法で接合する。また、大韓民国公開特許公報特１９９１―０１５５１２号では、セラミック高温超伝導部品を燃料ガスや酸素火炎によって７５０℃〜８７５℃で加熱し、前記各部品の端部の離隔部位において同一の物質からなるロッドを加熱し、その隙間を充填して接合する。

しかしながら、上記のような従来技術の構成によると、酸化物系高温超伝導体の場合、超伝導線材を構成する超伝導体に脆性があり、金属超伝導体とは異なって、超伝導体どうしを接触させた後、圧力を加えて互いに接合する突合せ接合（Ｂｕｔｔ Ｊｏｉｎｉｎｇ）のみでは超伝導接合を達成することができない。これは、高温超伝導酸化物に金属系超伝導体を接合する場合のように多くの変形をもたらす圧力を加えると、超伝導結晶粒が破壊され、超伝導体内への超伝導電流の流れが制限されるためである。

また、ＭＲＩとＮＭＲで使用される超伝導磁石に適した超伝導接合を達成するためには、巻線後に磁石全体または接合部を高温で熱処理しなければならないという困難さがあり、このとき、部分的な熱処理をする場合は、熱処理されない部分と熱処理された部分の特性に差が発生しうる。

本発明は、上述したような問題点を解決するためになされたもので、その目的は、無接合方法で製作される高温超伝導線材と、前記高温超伝導線材を永久電流モードの超伝導磁石に製作するための製造方法を提供することにある。

上記のような目的を達成するための高温超伝導線材は、ニッケル（Ｎｉ）またはステンレス（ＳＵＳ）材質で形成される金属母材と、前記金属母材の表面に蒸着または塗布され、超伝導線材を製造する熱処理過程中の前記金属母材と超伝導体薄膜との間の反応を防止する２軸配向を有する絶縁セラミックと、前記絶縁セラミックの表面に蒸着または塗布され、電流の移送通路となる超伝導体薄膜と、前記超伝導体薄膜の表面に蒸着または塗布され、銀と銅材質によって形成され、保護層を形成する金属膜とが積層されてなる。

また、前記超伝導線材を用いた永久電流モード用超伝導磁石を製造するための方法には、所定の長さを有する超伝導線材の両端部を第１ボビンと第２ボビンに巻線する第１段階と、前記超伝導線材の一端部Ｅ_１から他端部Ｅ_２まで長さ方向にスリッティングし、第１線材と第２線材を形成する第２段階と、前記第２段階の第１線材と第２線材の中間部に第３ボビンをそれぞれ備えて、第１線材と第２線材を一方向に巻いてパンケーキコイルを製造する第３段階と、前記第３段階で第１及び第２線材が巻かれた第３ボビンのうち何れか一つの上下をひっくり返し、最終的にパンケーキコイルが同一方向の磁場を発生するように第１線材と第２線材を配列する第４段階とを含む。

本発明は、超伝導線材を用いて無接合方法で永久電流用超伝導磁石を製作することができ、電流損失なしに通電電流が流れることで、磁石で生成される磁場が一定かつ安定的に維持される永久電流モードで使用することができる。

図２は、本発明に係る永久電流用超伝導磁石を用いて製作されるパンケーキコイルの工程図で、図３は、図２に示した加工前の超伝導線材のＡ−Ａ'線断面図で、図４は、本発明の超伝導線材を加工する作業図で、図５は、図４によって加工された多様な形状の超伝導線材を示した例示図で、図６は、本発明に係る永久電流用超伝導磁石の第３ボビンの拡大図で、図７は、本発明に係る永久電流用超伝導磁石を用いた実施例で、図８は、本発明に係る永久電流用超伝導磁石を用いて多数の構成で製作されるパンケーキコイルの工程図である。

以下、図面を参考にして構成要素を説明する。

図２のパンケーキコイルを製作するための工程図において、図２（ａ）の超伝導線材１０のＡ−Ａ'線断面図を図３に示すが、前記超伝導線材１０は、金属母材１１、絶縁セラミック１２、超伝導体薄膜１３及び金属膜１４を順に蒸着、電着または塗布することで製作される。

前記金属母材１１は、約５０〜１００μｍの厚さを有するニッケル（Ｎｉ）、ニッケル（Ｎｉ）合金またはステンレス（ＳＵＳ）材質で形成され、前記金属母材１１の表面に蒸着または塗布される絶縁セラミック１２は、１μｍ下の厚さで形成され、超伝導線材１０を製造する熱処理過程中の金属母材１１と超伝導体薄膜１３との間の反応を防止し、超伝導体を２軸配向させる。また、前記絶縁セラミック１２の表面に蒸着または塗布される超伝導体薄膜１３は、１μｍ以下の厚さで形成され、電流ｉの移送通路になる。また、前記超伝導体薄膜１３の表面に蒸着、塗布または電着される金属膜１４は、数μｍ厚さの銀と数十μｍの銅材質を含み、保護層を形成している。

以下、図２を参考にして、パンケーキコイルの製作過程を説明する。

まず、図２（ａ）の所定の長さを有する超伝導線材１０の両端部を第１ボビン２１と第２ボビン２２に巻線するが、図２（ａ）と図２（ｂ）では、第１及び第２ボビン２１，２２を省略して示している。

上記のように巻線された超伝導線材１０を、図２（ｂ）に示すように、両端部のＥ_１からＥ_２まで長さ方向にスリッティング（Ｓ）して第１線材１０ａと第２線材１０ｂを形成する。ここで、前記超伝導線材１０の中間部分を長さ方向に切断するとき、両端Ｅ_１，Ｅ_２の一部を切断しないので、導体に電流ｉが誘導されると、電流ｉが矢印方向に流れるが、超伝導体が連続的に連結されることで、電流ｉが損失なしに継続的に流れるようになる。

前記スリッティング（Ｓ）作業を図４の作業図を参考にして説明すると、超伝導線材１０の両端部が第１ボビン２１と第２ボビン２２に固定され、前記第１ボビン２１に超伝導線材１０が巻かれる。前記第１ボビン２１に巻かれた超伝導線材１０は、通常的に使用されるスリッター３０の加工部３１によって第１線材１０ａと第２線材１０ｂに加工され、第２ボビン２２に巻かれる。このとき、第１ボビン２１は、図４に示すように、時計方向に回転しながら超伝導線材１０を解くようになり、上下に備わるスリッター３０は、反時計方向に回転しながら前記超伝導線材１０を第１線材１０ａと第２線材１０ｂにスリッティング（Ｓ）し、第２ボビン２２は、時計方向に回転しながらスリッティング（Ｓ）作業が完了する第１線材１０ａと第２線材１０ｂを巻線する。

図２（ｃ）に示すように、前記第２ボビン２２にスリッティング（Ｓ）されて巻線された第１線材１０ａと第２線材１０ｂの中間部一側に第３ボビン２５をそれぞれ備え、第１線材１０ａと第２線材１０ｂを一方向に巻いてパンケーキコイル（Ｐａｎｃａｋｅ Ｃｏｉｌ）を製造する。このとき、前記第１ボビン２１に固定された超伝導線材１０の端部は、別途に設けられる固定装置（図示せず）に固定され、前記第３ボビン２５と一緒に回転するようになる。第２ボビン２２が反時計方向に回転しながら、第１線材１０ａと第２線材１０ｂが第３ボビン２５に巻かれるが、上記のように巻線されたそれぞれの第３ボビン２５には、互いに反対方向の磁場Ｂ，Ｂ'が発生する。

図２（ｄ）に示すように、図２（ｃ）のように巻線された第３ボビン２５のうち何れか一つの上下部をひっくり返してパンケーキコイルを最終的に配列することで、前記磁場Ｂ，Ｂ'が同一方向に発生するようになる。

図５は、スリッター３０によって多様な形状に製作された超伝導線材１０の例示図である。このとき、図５（ａ）と図５（ｂ）に示した単一形状のみならず、図５（ｃ）に示すように、加工前の超伝導線材１０の線幅を広くし、多数個の線材１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆを製造することができる。そのため、電流ｉは、図５（ｃ）に示すように閉ループ方向に流れるようになる。図５（ｃ）のような超伝導線材１０の幅方向へのスリッティング（Ｓ）作業は、ダイアモンドホイール（図示せず）を用いて行われるが、レーザーやウォータージェットなどの切断工具を用いた作業も可能である。

図６は、図２に示した第３ボビン２５の拡大図である。

前記第３ボビン２５には、図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように、本体２５２の左右に羽根部２５１が一体に備わり、側面に通孔２５３が形成され、一側の羽部２５１には、超伝導線材１０が斜めに挿入されて巻かれるように溝２５４が形成される。

図７は、本発明に係る永久電流用超伝導磁石を用いた実施例で、図２（ｄ）の第１ボビン２１に固定される超伝導線材１０の端部に超伝導スイッチを製作して付着する。図７（ａ）に示すように、前記超伝導線材１０を転移温度Ｔｃ以下に冷却した後、電源供給装置４０から供給される電流ｉを電流引き込み用電線４１を通して前記超伝導線材１０に供給しながら、ヒーター装置５０によって超伝導線材１０を加熱すると、電流ｉは、第１線材１０ａと第２線材１０ｂに沿って流れるようになる。このとき、ヒーター装置５０の電源を遮断すると、第３ボビン２５の磁場Ｂ，Ｂ'部分が超伝導状態になりながら電流ｉが第３ボビン２５に沿って流れることで、二つのコイルを構成する超伝導線材１０が閉回路をなすようになる。

そして、前記電源供給装置４０の電源を遮断すると、前記二つに形成された超伝導線材１０は、抵抗成分がないので、外部から供給される電流ｉがそれ以上なくても、電流ｉが継続的に流れる永久電流モードになる。

図７（ｂ）の平面図を参考にして、電流（ｉ）の流れを順に説明すると、電源供給装置４０から電流ｉを供給しながらヒーター装置５０が超伝導線材１０を加熱すると、電流ｉの流れは、１→２→３→４→５→６→８になる。このとき、前記７部分は、抵抗のある常伝導状態になり、超伝導線材１０の他の部分２，３，４，５，６は、抵抗のない超伝導状態になる。

前記加熱されたヒーター装置５０の電源を遮断すると、電流ｉの流れは、２→３→４→５→６→７になる。このとき、前記７部分も超伝導状態になり、電流が１→２と６→８の間の常伝導線材に流れず、７部分に流れることで、超伝導閉回路が形成される。

図７に基づいて説明する永久電流モードの実施例は、ＭＲＩ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｉｍａｇｉｎｇ）とＮＭＲ（Ｎｕｃｌｅａｒ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）の分析装備及び実験室で時間による磁場の強さが一定である安定的な高磁場を得るときに使用され、小型の超伝導アンテナと一緒にその他の多様な用途に活用される。

図８は、多数の線材で製作されるパンケーキコイルの工程図で、前記超伝導線材１０を幅方向に多数の線材１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆに分割するとき、永久電流が線材１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆに沿って抵抗なしに流れるようになる。ここで、前記多数のパンケーキコイルの製造過程は、図２に示した製造過程と同一である。

また、ソレノイド型磁石を製作する場合も、上記のような方法で二つのソレノイドコイルを製作した後、一つのコイルをひっくり返すことで、永久電流モードで動作するソレノイド型超伝導磁石を製作することができる。

従来の機械的接合による永久磁石の製作図である。 本発明に係る永久電流用超伝導磁石を用いて製作されるパンケーキコイルの工程図である。 図２に示した加工前の超伝導線材のＡ−Ａ’線断面図である。 本発明の超伝導線材を加工する作業図である。 図４によって加工された多様な形状の超伝導線材を示した例示図である。 本発明に係る永久電流用超伝導磁石の第３ボビンの拡大図である。 本発明に係る永久電流用超伝導磁石を用いた実施例である。 本発明に係る永久電流用超伝導磁石を用いて多数の線材で製作されるパンケーキコイルの工程図である。

符号の説明

１０ 超伝導線材
１１ 金属母材
１２ 絶縁セラミック
１３ 超伝導体薄膜
１４ 金属膜
２０ ボビン
２１ 第１ボビン
２２ 第２ボビン
２５ 第３ボビン
３０ スリッター
３１ 加工部
４０ 電源供給装置
４１ 電流引き込み用電線
５０ ヒーター装置

Claims (4)

1. 長さ方向に分割される超伝導線材を具備する永久電流用超伝導磁石において、
   前記超伝導線材は、
   ニッケル（Ｎｉ）またはステンレス（ＳＵＳ）材質で形成される金属母材（１１）と、
   前記金属母材（１１）の表面に蒸着または塗布され、超伝導線材（１０）を製造する熱処理過程中の前記金属母材（１１）と超伝導体薄膜（１３）との間の反応を防止する２軸配向を有する絶縁セラミック（１２）と、
   前記絶縁セラミック（１２）の表面に蒸着または塗布され、電流（ｉ）の移送通路となる超伝導体薄膜（１３）と、
   前記超伝導体薄膜（１３）の表面に蒸着または塗布され、銀と銅材質によって形成され、保護層を形成する金属膜（１４）と、が積層されてなることを特徴とする永久電流用超伝導磁石。
2. 前記超伝導線材（１０）は、線幅方向に２個以上に分割された閉ループ構成で超伝導磁石を構成することを特徴とする請求項１に記載の永久電流用超伝導磁石。
3. 永久電流用超伝導磁石の製造方法において、
   所定の長さを有する超伝導線材（１０）の両端部を第１ボビン（２１）と第２ボビン（２２）に巻線する第１段階（Ｓ１０）と、
   前記超伝導線材（１０）の一端部Ｅ_１から他端部Ｅ_２まで長さ方向にスリッティング（Ｓ）し、第１線材（１０ａ）と第２線材（１０ｂ）を形成する第２段階（Ｓ２０）と、
   前記第２段階（Ｓ２０）の第１線材（１０ａ）と第２線材（１０ｂ）の中間部に第３ボビン（２５）をそれぞれ備えて、第１線材（１０ａ）と第２線材（１０ｂ）を一方向に巻いてパンケーキコイルを製造する第３段階（Ｓ３０）と、
   前記第３段階（Ｓ３０）で第１及び第２線材（１０ａ、１０ｂ）が巻かれた第３ボビン（２５）のうち何れか一つの上下をひっくり返し、最終的にパンケーキコイルが同一方向の磁場（Ｂ、Ｂ'）を発生するように第１線材（１０ａ）と第２線材（１０ｂ）を配列する第４段階（Ｓ４０）と、を含むことを特徴とする永久電流用超伝導磁石の製造方法。
4. 前記第２段階（Ｓ２０）における超伝導線材（１０）のスリッティング（Ｓ）作業は、前記超伝導線材（１０）の上下に備わるスリッター（３０）によって行われることを特徴とする請求項３に記載の永久電流用超伝導磁石の製造方法。

Images