JP3052662B2 - 酸化物超電導線材を用いた交流マグネット - Google Patents
酸化物超電導線材を用いた交流マグネットInfo
- Publication number
- JP3052662B2 JP3052662B2 JP5110714A JP11071493A JP3052662B2 JP 3052662 B2 JP3052662 B2 JP 3052662B2 JP 5110714 A JP5110714 A JP 5110714A JP 11071493 A JP11071493 A JP 11071493A JP 3052662 B2 JP3052662 B2 JP 3052662B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- magnet
- superconducting
- wire
- magnetic field
- oxide superconducting
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Landscapes
- Electromagnets (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、酸化物超電導体を用い
たマグネットに関し、特に交流電流を通電する交流マグ
ネットに関する。
たマグネットに関し、特に交流電流を通電する交流マグ
ネットに関する。
【０００２】
【従来の技術】超電導応用機器は、電気抵抗ゼロ、大電
流の通電が可能という特性を活かした強磁場発生マグネ
ットを中心としてその市場が広がりつつある。しかし、
これら既に実現された適用例は直流用途に限定されてい
る。一方、身の回りの大部分の電気機器は交流で動作し
ているのが現状であり、これに対応可能な線材を開発す
れば、超電導応用分野が格段に拡大するため、金属系線
材において交流用の研究開発が活発に行なわれている。
流の通電が可能という特性を活かした強磁場発生マグネ
ットを中心としてその市場が広がりつつある。しかし、
これら既に実現された適用例は直流用途に限定されてい
る。一方、身の回りの大部分の電気機器は交流で動作し
ているのが現状であり、これに対応可能な線材を開発す
れば、超電導応用分野が格段に拡大するため、金属系線
材において交流用の研究開発が活発に行なわれている。
【０００３】マグネットに交流を通電して交流の磁場を
発生させる際、問題となるのが線材で発生（発熱）する
渦電流損失、ヒステリシス損失及びマグネット構造材料
で発生する渦電流損失である。交流化に際しては、これ
ら渦電流損失とヒステリシス損失を低減させることが必
須とされるものの、その低減には困難が伴うため、従
来、金属系超電導線材を巻線して作製された交流マグネ
ットの用途は、核融合実験炉用マグネット、巨大レーザ
源等の電力装置、あるいは交流磁場中の試料の物性測定
用マグネット等の特殊な分野に限られていた。しかしな
がら、最近、微生物の増殖速度に対する交流磁場印加効
果が確認されバイオリアクターとしての応用も期待され
ることから、交流化に関する上述の問題が解決されれ
ば、より普遍的な交流強磁場発生装置の需要が高まるこ
とになる。
発生させる際、問題となるのが線材で発生（発熱）する
渦電流損失、ヒステリシス損失及びマグネット構造材料
で発生する渦電流損失である。交流化に際しては、これ
ら渦電流損失とヒステリシス損失を低減させることが必
須とされるものの、その低減には困難が伴うため、従
来、金属系超電導線材を巻線して作製された交流マグネ
ットの用途は、核融合実験炉用マグネット、巨大レーザ
源等の電力装置、あるいは交流磁場中の試料の物性測定
用マグネット等の特殊な分野に限られていた。しかしな
がら、最近、微生物の増殖速度に対する交流磁場印加効
果が確認されバイオリアクターとしての応用も期待され
ることから、交流化に関する上述の問題が解決されれ
ば、より普遍的な交流強磁場発生装置の需要が高まるこ
とになる。
【０００４】従来の金属系超電導線材を用いた代表的な
交流マグネットとその冷却装置の構造を図４に示す。超
電導マグネット２は４．２Ｋの液体ヘリウム１７に浸漬
して冷却されており、交流電源１５から電流リード６を
通じてその超電導マグネット２に電流が供給されるよう
になっている。液体ヘリウム１７は、液体ヘリウム貯蔵
容器１８からトランスファチューブ１９を介して内側容
器２０内に供給される。その内側容器２０は、それへの
熱浸入を減少させるため、二重の断熱真空容器２１によ
って囲まれている。さらに、室温部からの輻射熱を低減
するために液体窒素で冷却される熱シールド２２が設け
られている。
交流マグネットとその冷却装置の構造を図４に示す。超
電導マグネット２は４．２Ｋの液体ヘリウム１７に浸漬
して冷却されており、交流電源１５から電流リード６を
通じてその超電導マグネット２に電流が供給されるよう
になっている。液体ヘリウム１７は、液体ヘリウム貯蔵
容器１８からトランスファチューブ１９を介して内側容
器２０内に供給される。その内側容器２０は、それへの
熱浸入を減少させるため、二重の断熱真空容器２１によ
って囲まれている。さらに、室温部からの輻射熱を低減
するために液体窒素で冷却される熱シールド２２が設け
られている。
【０００５】金属系超電導線材を用いたマグネットであ
る限り、冷媒として液体ヘリウムを用いる上記の冷却構
造は、直流と交流それぞれに共通している。現在、超電
導応用機器普及の最大の障害となっているのは、金属系
超電導材料を使用する限り、この液体ヘリウムを使用す
ることが避けられないということである。
る限り、冷媒として液体ヘリウムを用いる上記の冷却構
造は、直流と交流それぞれに共通している。現在、超電
導応用機器普及の最大の障害となっているのは、金属系
超電導材料を使用する限り、この液体ヘリウムを使用す
ることが避けられないということである。
【０００６】交流化を目的として取られている主な対策
としては、図３に示すように、フィラメント径がサブミ
クロンである多芯の金属系超電導フィラメント８と安定
化銅２６等からなる素線２７とマトリックス導体２８を
撚り合わせる構造を採用することである（特開平４−３
４６２０７号公報等）。さらに、巻枠および冷却構造材
としてステンレスまたはＦＲＰを用いることである。フ
ィラメント径を小さくする理由は、前述のヒステリシス
損失がフィラメント径に比例するからである。また、巻
枠および冷却構造材としてステンレスまたはＦＲＰを用
いるのは、これらの材質は、電気抵抗が高く渦電流損失
を小さくできるためである。この様に、マグネットの交
流化のためには多くの対策を講じる必要がある。特に、
フィラメント径をサブミクロンに抑える点については、
加工が最も容易であるとされるＮｂＴｉでさえ現在よう
やく可能となりつつある段階であるし、高磁場中の電流
特性ではＮｂＴｉを上回るＮｂ3 Ｓｎではまだ実現不可
能である。また、酸化物超電導体の場合は、金属より堅
いセラミックスであるため、加工がさらに困難となるこ
とが予想される。
としては、図３に示すように、フィラメント径がサブミ
クロンである多芯の金属系超電導フィラメント８と安定
化銅２６等からなる素線２７とマトリックス導体２８を
撚り合わせる構造を採用することである（特開平４−３
４６２０７号公報等）。さらに、巻枠および冷却構造材
としてステンレスまたはＦＲＰを用いることである。フ
ィラメント径を小さくする理由は、前述のヒステリシス
損失がフィラメント径に比例するからである。また、巻
枠および冷却構造材としてステンレスまたはＦＲＰを用
いるのは、これらの材質は、電気抵抗が高く渦電流損失
を小さくできるためである。この様に、マグネットの交
流化のためには多くの対策を講じる必要がある。特に、
フィラメント径をサブミクロンに抑える点については、
加工が最も容易であるとされるＮｂＴｉでさえ現在よう
やく可能となりつつある段階であるし、高磁場中の電流
特性ではＮｂＴｉを上回るＮｂ3 Ｓｎではまだ実現不可
能である。また、酸化物超電導体の場合は、金属より堅
いセラミックスであるため、加工がさらに困難となるこ
とが予想される。
【０００７】酸化物超電導線材の超電導転移温度は、金
属系線材のそれに比べ非常に高いため、液体ヘリウムを
用いずに冷凍機により冷却することが可能である。この
ような知見から、図５に示すように、冷凍機１による冷
却とともに動作させる、酸化物超電導線材を用いて作製
した直流マグネットが提案されている（特開平４−２５
８１０３号公報等）。同図において超電導マグネット２
は、第二段冷却ステージ７からの冷却効率を高めるた
め、熱伝導率が高い銅製のマグネット巻枠２３に巻付け
られている。そして酸化物超電導線材を酸素雰囲気中の
熱処理により結晶化させるため、酸素透過性の高いＡｇ
がシース材として用いられ、また銅製の電流リード６が
超電導マグネット２に接続されており、直流電源２４か
ら直流電流が供給されるようになっている。なお、物性
測定用試料１１は、第二段冷却ステージ７に取り外し可
能に固着されている。
属系線材のそれに比べ非常に高いため、液体ヘリウムを
用いずに冷凍機により冷却することが可能である。この
ような知見から、図５に示すように、冷凍機１による冷
却とともに動作させる、酸化物超電導線材を用いて作製
した直流マグネットが提案されている（特開平４−２５
８１０３号公報等）。同図において超電導マグネット２
は、第二段冷却ステージ７からの冷却効率を高めるた
め、熱伝導率が高い銅製のマグネット巻枠２３に巻付け
られている。そして酸化物超電導線材を酸素雰囲気中の
熱処理により結晶化させるため、酸素透過性の高いＡｇ
がシース材として用いられ、また銅製の電流リード６が
超電導マグネット２に接続されており、直流電源２４か
ら直流電流が供給されるようになっている。なお、物性
測定用試料１１は、第二段冷却ステージ７に取り外し可
能に固着されている。
【０００８】上記冷凍機１の冷却能力には限界があるた
め、発熱を冷凍機１の冷却能力以下にしない限り、酸化
物超電導線材を用いても超電導マグネット２の連続動作
は不可能である。したがって、酸化物超電導線材を用い
て交流マグネットを作製するためには、前述の渦電流損
失とヒステリシス損失による熱発生を低減させることが
必須となる。このうちヒステリシス損失については、酸
化物超電導体の場合、細径フィラメントへの加工が不可
能であるとして検討が全くなされていないのが実状であ
る。
め、発熱を冷凍機１の冷却能力以下にしない限り、酸化
物超電導線材を用いても超電導マグネット２の連続動作
は不可能である。したがって、酸化物超電導線材を用い
て交流マグネットを作製するためには、前述の渦電流損
失とヒステリシス損失による熱発生を低減させることが
必須となる。このうちヒステリシス損失については、酸
化物超電導体の場合、細径フィラメントへの加工が不可
能であるとして検討が全くなされていないのが実状であ
る。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】図４に示した金属系超
電導線材を用いたマグネットでは、そのマグネットを動
作するために液体ヘリウム１７の供給が不可欠である。
しかも、液体ヘリウムは時間の経過とともに気化消耗す
るので、長時間連続運転するためには定期的に追加供給
する必要がある。液体ヘリウムは非常に高価でありその
取り扱いには熟練を要することから、同図の構成では、
ランニングコストの上昇を招くと共に、冷却システムを
簡便に稼働させることが困難であるという課題があっ
た。さらに、液体ヘリウムへの熱浸入を防ぐため、内側
容器２０は二重の断熱真空容器２１と液体窒素で冷却さ
れる熱シールド２２によって囲まれているのでマグネッ
トを冷却するための装置が大型化するという課題もあっ
た。
電導線材を用いたマグネットでは、そのマグネットを動
作するために液体ヘリウム１７の供給が不可欠である。
しかも、液体ヘリウムは時間の経過とともに気化消耗す
るので、長時間連続運転するためには定期的に追加供給
する必要がある。液体ヘリウムは非常に高価でありその
取り扱いには熟練を要することから、同図の構成では、
ランニングコストの上昇を招くと共に、冷却システムを
簡便に稼働させることが困難であるという課題があっ
た。さらに、液体ヘリウムへの熱浸入を防ぐため、内側
容器２０は二重の断熱真空容器２１と液体窒素で冷却さ
れる熱シールド２２によって囲まれているのでマグネッ
トを冷却するための装置が大型化するという課題もあっ
た。
【００１０】他方、図５に示した酸化物超電導線材を用
いたマグネットでは、液体ヘリウムを必要としないた
め、図４の構成と比較すると小型になり、低ランニング
コストでより簡便に連続運転することが可能である。し
かしながら、同図の構成は直流電流を通電する場合の構
成であり、交流電流を通電する場合には、低電気抵抗で
ある銅製のマグネット巻枠２３において高い渦電流損失
が発生し発熱を伴う。酸化物超電導線材は、超電導体の
配向性を向上させながら大電流を通電するためにテープ
形状をとっているが、これをテープ面が発生磁場に垂直
になるよう巻線した場合、ヒステリシス損失が大きくな
り発熱量が大きくなる。よって、このような渦電流損
失、ヒステリシス損失とにより、超電導マグネットの温
度が上昇することになり、一定のピーク電流を通電する
場合は、その温度上昇によりマグネットは常伝導状態に
転移して、交流運転を継続することが不可能になるとい
う課題があった。
いたマグネットでは、液体ヘリウムを必要としないた
め、図４の構成と比較すると小型になり、低ランニング
コストでより簡便に連続運転することが可能である。し
かしながら、同図の構成は直流電流を通電する場合の構
成であり、交流電流を通電する場合には、低電気抵抗で
ある銅製のマグネット巻枠２３において高い渦電流損失
が発生し発熱を伴う。酸化物超電導線材は、超電導体の
配向性を向上させながら大電流を通電するためにテープ
形状をとっているが、これをテープ面が発生磁場に垂直
になるよう巻線した場合、ヒステリシス損失が大きくな
り発熱量が大きくなる。よって、このような渦電流損
失、ヒステリシス損失とにより、超電導マグネットの温
度が上昇することになり、一定のピーク電流を通電する
場合は、その温度上昇によりマグネットは常伝導状態に
転移して、交流運転を継続することが不可能になるとい
う課題があった。
【００１１】本発明は上記した従来のマグネットにおけ
る課題を考慮してなされたもので、液体ヘリウムを使用
せずに小型化が図れ、しかも交流運転を連続して実施す
ることのできる酸化物超電導線材を用いた交流マグネッ
トを提供することを目的とする。
る課題を考慮してなされたもので、液体ヘリウムを使用
せずに小型化が図れ、しかも交流運転を連続して実施す
ることのできる酸化物超電導線材を用いた交流マグネッ
トを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段及び作用】本発明は、冷凍
機で冷却される密閉容器内の冷却ステージ上に固定さ
れ、交流電源と接続されて交流動作することを特徴とす
る酸化物超電導線材を用いた交流マグネットである。
機で冷却される密閉容器内の冷却ステージ上に固定さ
れ、交流電源と接続されて交流動作することを特徴とす
る酸化物超電導線材を用いた交流マグネットである。
【００１３】本発明の酸化物超電導線材を用いた交流マ
グネット（以下単に超電導マグネットと呼ぶ）を、冷凍
機の第二クライオヘッドが密着する第二段冷却ステージ
に固着し、超電導マグネットを包囲する熱シールド容器
の中にヘリウムガスを封入し、電流リードを通じて交流
電源から交流を超電導マグネットに通電すれば、液体ヘ
リウムを用いずに連続して交流磁場を発生するよう作用
する。
グネット（以下単に超電導マグネットと呼ぶ）を、冷凍
機の第二クライオヘッドが密着する第二段冷却ステージ
に固着し、超電導マグネットを包囲する熱シールド容器
の中にヘリウムガスを封入し、電流リードを通じて交流
電源から交流を超電導マグネットに通電すれば、液体ヘ
リウムを用いずに連続して交流磁場を発生するよう作用
する。
【００１４】上記超電導マグネットとしては、例えば冷
凍機で冷却される、酸化物超電導Ａｇシース線材と巻枠
等の構造からなるマグネットを用いる。テープ状の酸化
物超電導体を囲むシース材としては、例えばＡｇにＡ
ｌ，Ｍｇを添加し、２０Ｋの比抵抗を純Ａｇの０．２μ
Ωcmから１００μΩcm以上に向上させたものを用いる。
それによりシース部分の比抵抗が向上することにより、
シース部分での渦電流損失が小さくなる。従って、この
目的に合致するシース材が得られるならば、添加元素と
してＡｌ，Ｍｇ以外のＣｒ，Ｓｉの高抵抗金属元素、半
導体元素等の元素を含むこともできる。
凍機で冷却される、酸化物超電導Ａｇシース線材と巻枠
等の構造からなるマグネットを用いる。テープ状の酸化
物超電導体を囲むシース材としては、例えばＡｇにＡ
ｌ，Ｍｇを添加し、２０Ｋの比抵抗を純Ａｇの０．２μ
Ωcmから１００μΩcm以上に向上させたものを用いる。
それによりシース部分の比抵抗が向上することにより、
シース部分での渦電流損失が小さくなる。従って、この
目的に合致するシース材が得られるならば、添加元素と
してＡｌ，Ｍｇ以外のＣｒ，Ｓｉの高抵抗金属元素、半
導体元素等の元素を含むこともできる。
【００１５】巻枠（マグネット中心円筒部、コイル間ス
ペーサー）として高熱伝導率、高比抵抗（２０Ｋにおい
てそれぞれ０．１Ｗ／cm／Ｋ以上と１０14Ωcm以上）を
有する窒化アルミニウムを用い、酸化物超電導線材をこ
の巻枠の周囲に、テープ面が発生磁場に平行になるよう
に巻線してマグネットを作製すれば、高電気抵抗は、マ
グネット構造材料の巻枠における渦電流損失を低減す
る。高熱伝導率は、冷却効率を高めるように作用する。
従って、窒化アルミニウムと同様に、高熱伝導率、高比
抵抗を有する窒化ホウ素、ステンレス鋼（ＳＵＳ３１
６）等この目的に合致する材質であれば、巻枠の材質と
して利用することができる。
ペーサー）として高熱伝導率、高比抵抗（２０Ｋにおい
てそれぞれ０．１Ｗ／cm／Ｋ以上と１０14Ωcm以上）を
有する窒化アルミニウムを用い、酸化物超電導線材をこ
の巻枠の周囲に、テープ面が発生磁場に平行になるよう
に巻線してマグネットを作製すれば、高電気抵抗は、マ
グネット構造材料の巻枠における渦電流損失を低減す
る。高熱伝導率は、冷却効率を高めるように作用する。
従って、窒化アルミニウムと同様に、高熱伝導率、高比
抵抗を有する窒化ホウ素、ステンレス鋼（ＳＵＳ３１
６）等この目的に合致する材質であれば、巻枠の材質と
して利用することができる。
【００１６】
【実施例】以下、本発明の超電導マグネットの実施例を
図面に基づいて説明する。図１において、超電導マグネ
ット２のシース材として、ＡｇにＡｌ，Ｍｇを添加し２
０Ｋにおいて比抵抗を１００μΩcmの高い値に向上させ
たテープ状のものを用いている。なお、テープ状のＢｉ
系酸化物超電導体が、このシース材の中で高度に配向し
ている。これらシース材と酸化物超電導体からなる酸化
物超電導Ａｇシース線材を、テープ面が発生磁場に平行
になるよう、２０Ｋにおいてそれぞれ０．１Ｗ／cm／Ｋ
と１０14Ωcm以上の高熱伝導率・高比抵抗を有する窒化
アルミニウムの巻枠２３に巻線し、中央に円筒形貫通孔
（ボア部）を持つマグネットを作製した。
図面に基づいて説明する。図１において、超電導マグネ
ット２のシース材として、ＡｇにＡｌ，Ｍｇを添加し２
０Ｋにおいて比抵抗を１００μΩcmの高い値に向上させ
たテープ状のものを用いている。なお、テープ状のＢｉ
系酸化物超電導体が、このシース材の中で高度に配向し
ている。これらシース材と酸化物超電導体からなる酸化
物超電導Ａｇシース線材を、テープ面が発生磁場に平行
になるよう、２０Ｋにおいてそれぞれ０．１Ｗ／cm／Ｋ
と１０14Ωcm以上の高熱伝導率・高比抵抗を有する窒化
アルミニウムの巻枠２３に巻線し、中央に円筒形貫通孔
（ボア部）を持つマグネットを作製した。
【００１７】冷凍機１の第二段クライオヘッド９は第二
段冷却ステージ７にねじ止めして固着され、温度制御用
のヒータ１２は第二段冷却ステージ７に密着して取付け
られている。超電導マグネット２は、第二段冷却ステー
ジ７の中央に固着されている。熱シールド容器３は、第
二段冷却ステージ７端部に金属シールを行うことにより
気密に密閉されている。このような構成において、熱シ
ールド容器１３内部を真空排気した後、高熱伝導率を有
するヘリウムガス１０をヘリウム導入管１３を通じてそ
の内部に供給する。また、室温部からの輻射を防ぐた
め、輻射シールド４が、第一段クライオヘッド２５を密
着した第一段冷却ステージ１４に固着されている。気体
による熱伝導を抑えるため、真空容器５の内部は真空排
気される。物性測定用試料１１は、第二段冷却ステージ
７上のマグネットのボア部内に取り外し可能なように設
置される。そして超電導マグネット２に交流電源１５か
ら交流電流を通電することにより、物性測定用試料１１
に交流磁場が印加されるようになっている。以上の構成
を有する超電導マグネットの動作を図１を参照して以下
に説明する。
段冷却ステージ７にねじ止めして固着され、温度制御用
のヒータ１２は第二段冷却ステージ７に密着して取付け
られている。超電導マグネット２は、第二段冷却ステー
ジ７の中央に固着されている。熱シールド容器３は、第
二段冷却ステージ７端部に金属シールを行うことにより
気密に密閉されている。このような構成において、熱シ
ールド容器１３内部を真空排気した後、高熱伝導率を有
するヘリウムガス１０をヘリウム導入管１３を通じてそ
の内部に供給する。また、室温部からの輻射を防ぐた
め、輻射シールド４が、第一段クライオヘッド２５を密
着した第一段冷却ステージ１４に固着されている。気体
による熱伝導を抑えるため、真空容器５の内部は真空排
気される。物性測定用試料１１は、第二段冷却ステージ
７上のマグネットのボア部内に取り外し可能なように設
置される。そして超電導マグネット２に交流電源１５か
ら交流電流を通電することにより、物性測定用試料１１
に交流磁場が印加されるようになっている。以上の構成
を有する超電導マグネットの動作を図１を参照して以下
に説明する。
【００１８】まず、酸化物超電導Ａｇシース線材を構成
するシース材は、ＡｇにＡｌ，Ｍｇを添加し高比抵抗を
有するので交流を通電した際の渦電流を小さく抑えるこ
とができる。例えば、シース材として純Ａｇを用いた酸
化物超電導線材（断面積０．１mm×１０mm、Ａｇ面積比
６０％、総延長１６００ｍ）を用いて作製したマグネッ
トに０．２Ｔ→−０．２Ｔ→０．２Ｔの交流を５０Ｈｚ
で通電した時、発生した渦電流損失は０．８Ｗであっ
た。しかるに、同一形状で３wt％のＡｌを添加した場
合、同一条件で交流を通電した場合の渦電流損失は０．
１Ｗに減少した。また、Ｍｇを５wt％添加した場合は、
０．１５Ｗに減少した。
するシース材は、ＡｇにＡｌ，Ｍｇを添加し高比抵抗を
有するので交流を通電した際の渦電流を小さく抑えるこ
とができる。例えば、シース材として純Ａｇを用いた酸
化物超電導線材（断面積０．１mm×１０mm、Ａｇ面積比
６０％、総延長１６００ｍ）を用いて作製したマグネッ
トに０．２Ｔ→−０．２Ｔ→０．２Ｔの交流を５０Ｈｚ
で通電した時、発生した渦電流損失は０．８Ｗであっ
た。しかるに、同一形状で３wt％のＡｌを添加した場
合、同一条件で交流を通電した場合の渦電流損失は０．
１Ｗに減少した。また、Ｍｇを５wt％添加した場合は、
０．１５Ｗに減少した。
【００１９】上記酸化物超電導Ａｇシース線材は、高熱
伝導・高電気抵抗の窒化アルミニウムの巻枠２３に巻線
されているので、第二段冷却ステージ７からの冷却効率
を高く維持したままで交流通電時の渦電流損失を低減さ
せることができる。ここに、巻枠２３を従来法のＣｕで
作製し、巻線部内径７６mm、外径２００mm、長さ２２５
mmのマグネットを構成した。中心円筒部のＣｕ厚みは２
mmであった。上記と同様に０．２Ｔ→−０．２Ｔ→０．
２Ｔの交流を５０Ｈｚで通電した時、巻枠２３部で発生
した渦電流損失は０．５５Ｗであった。但し、マグネッ
ト各部の温度分布は小さく０．３Ｋであった。これに対
し、同一部分をＳＵＳ３１６で作製した場合の渦電流損
失は０．０８Ｗと小さかった。しかし、マグネット各部
での最大温度差は０．７Ｋと増加した。窒化アルミニウ
ムの場合は、渦電流損失を０．０６Ｗ、温度分布も０．
３５Ｋ以下に低減できた。
伝導・高電気抵抗の窒化アルミニウムの巻枠２３に巻線
されているので、第二段冷却ステージ７からの冷却効率
を高く維持したままで交流通電時の渦電流損失を低減さ
せることができる。ここに、巻枠２３を従来法のＣｕで
作製し、巻線部内径７６mm、外径２００mm、長さ２２５
mmのマグネットを構成した。中心円筒部のＣｕ厚みは２
mmであった。上記と同様に０．２Ｔ→−０．２Ｔ→０．
２Ｔの交流を５０Ｈｚで通電した時、巻枠２３部で発生
した渦電流損失は０．５５Ｗであった。但し、マグネッ
ト各部の温度分布は小さく０．３Ｋであった。これに対
し、同一部分をＳＵＳ３１６で作製した場合の渦電流損
失は０．０８Ｗと小さかった。しかし、マグネット各部
での最大温度差は０．７Ｋと増加した。窒化アルミニウ
ムの場合は、渦電流損失を０．０６Ｗ、温度分布も０．
３５Ｋ以下に低減できた。
【００２０】前述したように、酸化物超電導体はセラミ
ックスであり、加工の困難さから交流への応用はほとん
ど検討されたことがなかった。しかし、本発明者達が検
討したところ、酸化物超電導体を２０Ｋ近傍で動作させ
る限りにおいては、金属系超電導線材と異なり、酸化物
層厚みが１〜２０μｍであってもヒステリシス損失が小
さくなることが判明し、本発明を実現するに至ったもの
である。ヒステリシス損失は、高磁場中ではフィラメン
ト径とピンニング力に比例することが知られている。金
属系超電導線材を４．２Ｋで使用する時は、ピンニング
力が強いためサブミクロンサイズの細径フィラメント加
工が必要であったが、酸化物超電導線材を２０Ｋ近傍で
使用する時は動作温度が高いため、ピンニング力が弱く
なってフィラメント径に対する制約が緩和されたためと
推測される。
ックスであり、加工の困難さから交流への応用はほとん
ど検討されたことがなかった。しかし、本発明者達が検
討したところ、酸化物超電導体を２０Ｋ近傍で動作させ
る限りにおいては、金属系超電導線材と異なり、酸化物
層厚みが１〜２０μｍであってもヒステリシス損失が小
さくなることが判明し、本発明を実現するに至ったもの
である。ヒステリシス損失は、高磁場中ではフィラメン
ト径とピンニング力に比例することが知られている。金
属系超電導線材を４．２Ｋで使用する時は、ピンニング
力が強いためサブミクロンサイズの細径フィラメント加
工が必要であったが、酸化物超電導線材を２０Ｋ近傍で
使用する時は動作温度が高いため、ピンニング力が弱く
なってフィラメント径に対する制約が緩和されたためと
推測される。
【００２１】本実施例ではテープ状の酸化物超電導線材
（厚み２０μｍ、幅１０mm、長さ１６００ｍ）を用いて
テープ面が発生磁場と平行になる様に巻線した。これに
より±０．５Ｔ振幅の交流磁場を発生したところ、ヒス
テリシス損失は１×１０4 J/m3/cycleであった。一方、
これとは逆に、テープ面が発生磁場と垂直になるように
巻線したところ、±０．２Ｔ振幅の交流通電時でさえ、
ヒステリシス損失は３×１０6J/m3/cycle と大きくなり
安定連続動作が不可能であった。
（厚み２０μｍ、幅１０mm、長さ１６００ｍ）を用いて
テープ面が発生磁場と平行になる様に巻線した。これに
より±０．５Ｔ振幅の交流磁場を発生したところ、ヒス
テリシス損失は１×１０4 J/m3/cycleであった。一方、
これとは逆に、テープ面が発生磁場と垂直になるように
巻線したところ、±０．２Ｔ振幅の交流通電時でさえ、
ヒステリシス損失は３×１０6J/m3/cycle と大きくなり
安定連続動作が不可能であった。
【００２２】本実施例の超電導交流マグネットの最高性
能を発揮するための組み合わせは、Ａｇシース材にＡｌ
を３wt％添加、窒化アルミニウム製の巻枠、発生磁場に
超電導テープ線材のテープ面が発生磁場と平行になるよ
うにする巻線法である。 こうすることにより本実施例
の超電導交流マグネットは、２０Ｋ近傍の温度で約１０
０Ｈｚ以下の周波数の交流磁場（ピーク磁場２Ｔ以上）
を連続して５００時間以上発生させることができる。さ
らに、第二段冷却ステージ７に固定したヒータ１２によ
り、試料の温度を微調整して異なる温度で交流磁場を連
続して発生することが可能となる。
能を発揮するための組み合わせは、Ａｇシース材にＡｌ
を３wt％添加、窒化アルミニウム製の巻枠、発生磁場に
超電導テープ線材のテープ面が発生磁場と平行になるよ
うにする巻線法である。 こうすることにより本実施例
の超電導交流マグネットは、２０Ｋ近傍の温度で約１０
０Ｈｚ以下の周波数の交流磁場（ピーク磁場２Ｔ以上）
を連続して５００時間以上発生させることができる。さ
らに、第二段冷却ステージ７に固定したヒータ１２によ
り、試料の温度を微調整して異なる温度で交流磁場を連
続して発生することが可能となる。
【００２３】次に、超電導マグネットの他の実施例を図
２に示す。なお、図１と同じ構成要素については同符号
を付してその説明を省略する。同図の構成は、超電導マ
グネット２の内部に室温のボア部１６を設けたものであ
る。熱シールド３、輻射シールド４、真空容器５がそれ
ぞれ超電導マグネット２のボアの部分で「請求項５記載
の凹所としての」コップ状にくびれている。物性測定用
試料１１は、そのボア内部で真空容器５の外側の室温部
分に取り出し可能なように設置され、超電導マグネット
２に交流電流を通電することにより、物性測定用試料１
１に交流磁場が印加されるようになっている。以上の構
成を有する超電導マグネットの動作を以下に説明する。
２に示す。なお、図１と同じ構成要素については同符号
を付してその説明を省略する。同図の構成は、超電導マ
グネット２の内部に室温のボア部１６を設けたものであ
る。熱シールド３、輻射シールド４、真空容器５がそれ
ぞれ超電導マグネット２のボアの部分で「請求項５記載
の凹所としての」コップ状にくびれている。物性測定用
試料１１は、そのボア内部で真空容器５の外側の室温部
分に取り出し可能なように設置され、超電導マグネット
２に交流電流を通電することにより、物性測定用試料１
１に交流磁場が印加されるようになっている。以上の構
成を有する超電導マグネットの動作を以下に説明する。
【００２４】前述した実施例（図１参照）の動作と同様
に、超電導マグネット２の熱発生を抑えることにより、
２０Ｋ近傍の温度で約１００Ｈｚ以下の周波数の交流磁
場（ピーク磁場２Ｔ以上）を連続して５００時間以上発
生させることができる。さらに、図２に示されているよ
うに他の実施例では、室温のボア部１６を有しているた
め、物性測定用試料１１を極めて簡便に設置することが
できる。さらに、ボア部に液体ヘリウムを用いたヒータ
付き冷却装置を挿入することにより、より広範囲に試料
温度を制御することが可能となる。
に、超電導マグネット２の熱発生を抑えることにより、
２０Ｋ近傍の温度で約１００Ｈｚ以下の周波数の交流磁
場（ピーク磁場２Ｔ以上）を連続して５００時間以上発
生させることができる。さらに、図２に示されているよ
うに他の実施例では、室温のボア部１６を有しているた
め、物性測定用試料１１を極めて簡便に設置することが
できる。さらに、ボア部に液体ヘリウムを用いたヒータ
付き冷却装置を挿入することにより、より広範囲に試料
温度を制御することが可能となる。
【００２５】
【発明の効果】以上説明したことから明らかなように、
本発明によれば、液体ヘリウムを用いずに超電導マグネ
ットに交流電流を通電し、連続して交流磁場を発生する
ことが可能になる。それによりランニングコストが減少
するとともに液体ヘリウム取り扱いの手間が解消され、
冷却装置の運転が簡便になる。さらに、冷却装置の小型
化が図れるためコストダウンが可能になる。
本発明によれば、液体ヘリウムを用いずに超電導マグネ
ットに交流電流を通電し、連続して交流磁場を発生する
ことが可能になる。それによりランニングコストが減少
するとともに液体ヘリウム取り扱いの手間が解消され、
冷却装置の運転が簡便になる。さらに、冷却装置の小型
化が図れるためコストダウンが可能になる。
【図１】本発明の実施例を示す一部断面を有する概略構
成図である。
成図である。
【図２】本発明の他の実施例を示す一部断面を有する概
略構成図である。
略構成図である。
【図３】従来例の金属系超電導線材の断面構造を示す説
明図である。
明図である。
【図４】従来例に係る金属系超電導線材を用いた交流マ
グネットとその冷却装置の概略構成図である。
グネットとその冷却装置の概略構成図である。
【図５】従来例に係る酸化物超電導線材を用いた直流マ
グネットとその冷却装置の該略構成図である。
グネットとその冷却装置の該略構成図である。
１ 冷凍機 ２ 超電導マグネット ３ 熱シールド容器 ４ 輻射シールド容器 ５ 真空容器 ６ 電流リード ７ 第二段冷却ステージ ８ 金属系超電導フィラメント ９ 第二段クライオヘッド １０ ヘリウムガス １１ 物性測定用試料 １２ 温度制御用ヒーター １３ ヘリウム導入管 １４ 第一段冷却ステージ １５ 交流電源 １６ 室温のボア部 １７ 液体ヘリウム １８ 液体ヘリウム貯蔵容器 １９ トランスファチューブ ２０ 内側容器 ２１ 断熱真空容器 ２２ 液体窒素で冷却される熱シールド ２３ マグネット巻枠 ２４ 直流電源 ２５ 第１段クライオヘッド ２６ 安定化銅 ２７ 素線 ２８ マトリックス導体
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 江木 俊雄 兵庫県神戸市西区高塚台１丁目５番５号 株式会社神戸製鋼所 神戸総合技術研 究所内 (72)発明者 増田 喜男 兵庫県神戸市西区高塚台１丁目５番５号 株式会社神戸製鋼所 神戸総合技術研 究所内 (72)発明者 小川 陸郎 兵庫県神戸市西区高塚台１丁目５番５号 株式会社神戸製鋼所 神戸総合技術研 究所内 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01F 7/10 H01F 6/00 ZAA H01F 6/04 ZAA
Claims (5)
- 【請求項１】 冷凍機で冷却される密閉容器内の冷却ス
テージ上に固定され、交流電源と接続されて交流動作す
ることを特徴とする酸化物超電導線材を用いた交流マグ
ネット。 - 【請求項２】 前記交流マグネットは、テープ状の酸化
物超電導Ａｇシース線材を有し、テープ面と前記交流マ
グネットの発生磁場がほぼ平行となっていることを特徴
とする請求項１記載の交流マグネット。 - 【請求項３】 Ａｇを主成分とするシース材料に、電気
抵抗調整用の不純物を添加し、前記シース線材の比抵抗
を大きくしたことを特徴とする請求項２記載の交流マグ
ネット。 - 【請求項４】 中心円筒部及びコイル間スペーサとして
の線材巻枠に、高熱伝導・高電気抵抗の材料を用いるこ
とを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の交流マ
グネット。 - 【請求項５】 前記交流マグネットのボア部分に対応す
る前記密閉容器表面に凹所を形成することにより、前記
交流マグネットの内部に常温のボア部を設けたことを特
徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の交流マグネッ
ト。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5110714A JP3052662B2 (ja) | 1993-05-12 | 1993-05-12 | 酸化物超電導線材を用いた交流マグネット |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5110714A JP3052662B2 (ja) | 1993-05-12 | 1993-05-12 | 酸化物超電導線材を用いた交流マグネット |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06325925A JPH06325925A (ja) | 1994-11-25 |
| JP3052662B2 true JP3052662B2 (ja) | 2000-06-19 |
Family
ID=14542617
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5110714A Expired - Fee Related JP3052662B2 (ja) | 1993-05-12 | 1993-05-12 | 酸化物超電導線材を用いた交流マグネット |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3052662B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE69831464T2 (de) * | 1997-10-24 | 2006-01-19 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Verfahren zum Steuern des Betriebs einer supraleitenden Spule |
| JPH11204325A (ja) * | 1997-10-24 | 1999-07-30 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 超電導コイルの運転制御法 |
-
1993
- 1993-05-12 JP JP5110714A patent/JP3052662B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH06325925A (ja) | 1994-11-25 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6081179A (en) | Superconducting coil | |
| EP0596249B1 (en) | Compact superconducting magnet system free from liquid helium | |
| Watanabe et al. | 11 T liquid helium-free superconducting magnet | |
| Hazelton et al. | SuperPower's YBCO coated high-temperature superconducting (HTS) wire and magnet applications | |
| JPH0371518A (ja) | 超電導導体 | |
| JPH10335137A (ja) | 超電導体の冷却方法および通電方法 | |
| Sato et al. | High field generation using silver-sheathed BSCCO conductor | |
| JP3052662B2 (ja) | 酸化物超電導線材を用いた交流マグネット | |
| JP3541123B2 (ja) | 超伝導電流リード | |
| Okada et al. | Transport Properties of Bi2Sr2Ca1Cu2Ox/Ag Multifilamentary Tape | |
| Masuyama et al. | NbTi split magnet directly cooled by cryocooler | |
| Kitaguchi et al. | Advances in Bi-Based High-Tc superconducting tapes and wires | |
| US3616530A (en) | Method of fabricating a superconducting composite | |
| Wilson | Superconducting materials for magnets | |
| JPH10275719A (ja) | 超電導体の冷却方法 | |
| Furuyama et al. | Performance of Nb 3 Sn tape magnet cooled by indirect conduction method | |
| US6094333A (en) | Operation control method for superconducting coil | |
| JP3170949B2 (ja) | 酸化物超電導線材を用いた交流マグネットの冷却装置 | |
| JP2000150224A (ja) | 超電導コイルの励磁制御方法 | |
| Green et al. | Things to think about when estimating the cost of magnets made with conductors other than Nb-Ti | |
| Xie et al. | Development of YBCO soldered stacked conductor for current lead application | |
| JP3766448B2 (ja) | 超電導電流リード | |
| Ohmatsu et al. | Recent progress of HTS magnet using Bi-2223 Ag-sheathed wire | |
| Tallon | Industry warms to superconductors | |
| Maddock | Superconductive composites |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20000307 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080407 Year of fee payment: 8 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090407 Year of fee payment: 9 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100407 Year of fee payment: 10 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100407 Year of fee payment: 10 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110407 Year of fee payment: 11 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120407 Year of fee payment: 12 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130407 Year of fee payment: 13 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |