JP6318811B2

JP6318811B2 - 超電導バルク磁石

Info

Publication number: JP6318811B2
Application number: JP2014087478A
Authority: JP
Inventors: 手嶋　英一; 英一手嶋
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2014-04-21
Filing date: 2014-04-21
Publication date: 2018-05-09
Anticipated expiration: 2034-04-21
Also published as: JP2015207665A

Description

本発明は、超電導バルク体を利用した超電導バルク磁石に関する。

RE₁Ba₂Cu₃O_y（REはY又は希土類元素から選ばれる１種又は２種以上の元素。yは酸素量で、6.8≦y≦7.1）中にRE₂BaCuO₅が微細分散した超電導バルク体は、強いピン止め力を有しているので、従来の永久磁石に比べて非常に強力な磁場発生源になりうる。以下、このような超電導バルク体を利用した磁場発生源を超電導バルク磁石と呼ぶ。超電導バルク磁石には、コンパクトで強磁場、高い磁場勾配という優れた特長があり、磁気分離を始め、船舶用モータや風力発電用発電機などの磁石を利用する応用において、これらの機器を大幅に小型軽量化するものとして期待されている。

しかしながら、コンパクトなサイズの超電導バルク体に非常に強力な磁場を着磁すると、超電導バルク体内に強い電磁力が発生するため、超電導バルク体は電磁力により破壊する可能性がある。そのため、例えば特許文献１で開示されているように、超電導バルク体の外周を図３に示すように金属リングで囲い、超電導バルク体と金属リングとの熱膨張係数の違いにより均等に加圧することにより、電磁力による超電導バルク体の割れを防ぐことが提案されている。

特許第４０１２３１１号公報

上述したように、超電導バルク体の外周を金属リングで補強することは、電磁力による超電導バルク体の割れを防ぐには有効な手段である。しかしながら、最初に大きな外部磁場中で着磁したときに割れなくても、着磁を繰り返すと超電導バルク体が破壊することがある。実際の使用条件では超電導バルク磁石は、長期間使用されない時には一旦昇温することによって消磁し、再び使用する際に再着磁することになる。超電導バルク磁石を連続的に使用する場合においても、超電導バルク磁石を冷却する冷凍機の定期的保守期間（約１年ごと）において少なくとも１回は一旦昇温することによって消磁し、再び着磁することになる。このような再着磁を繰り返すと、疲労的な効果により超電導バルク体が破壊することがある。従って、超電導バルク体を数テスラの強力な磁場発生源として実現するためには、着磁を繰り返しても割れない超電導バルク体の補強手段が大きな課題であった。

そこで、本発明では、上記の問題を解決し、大きな外部磁場中での着磁を繰り返しても高磁場を発生することが可能な超電導バルク磁石を提供することを目的とする。

本発明の超電導バルク体を利用した超電導バルク磁石は、以下のとおりである。
（１）RE₁Ba₂Cu₃O_y（REはY又は希土類元素から選ばれる１種又は２種以上の元素。yは酸素量で、6.8≦y≦7.1）中にRE₂BaCuO₅が微細分散した円柱状又は角柱状の超電導バルク体が側面から補強体で覆われている超電導バルク磁石であって、該補強体の肉厚が、冷却系の取付部に固定される側に向かって連続的に小さくなっていることを特徴とする超電導バルク磁石。
（２）RE₁Ba₂Cu₃O_y（REはY又は希土類元素から選ばれる１種又は２種以上の元素。yは酸素量で、6.8≦y≦7.1）中にRE₂BaCuO₅が微細分散した超電導バルク体が側面から補強体で覆われている超電導バルク磁石であって、該補強体の肉厚が、冷却系の取付部に固定される側に向かって段階的に小さくなっていることを特徴とする超電導バルク磁石。
（３）前記補強体が、ステンレス鋼、チタン合金、銅合金、アルミ合金、または繊維強化プラスチックからなることを特徴とする（１）または（２）に記載の超電導バルク磁石。

本発明により、大きな外部磁場中での着磁を繰り返しても高磁場を発生することが可能な超電導バルク磁石を提供することができる。

本発明の実施形態に係る超電導バルク磁石の一例を示す概念図である。本発明の実施形態に係る超電導バルク磁石の別の態様を示す概念図である。従来の超電導バルク磁石の一例を示す概念図である。

以下に、本発明の実施形態について、図面に沿って説明する。
図１は、本実施形態における超電導バルク磁石の一例を示す概念図である。
図１（ａ）に示すように、円板形状の超電導バルク体２の外周側面を金属リング等の補強体３で囲う構造となっており、その補強体３の肉厚を冷却系の取付部に固定される側に向かって連続的に小さくしている（以下、テーパという）。なお、図１に示す例は円板形状の例であるが、四角形状やその他形状でも同様に外周部の補強体の肉厚にテーパを設けることができる。

超電導バルク磁石を冷却する場合には、図１（ｂ）に示すように、冷凍機や冷媒による冷却系の取付部４に超電導バルク磁石１をボルト５等で固定した状態で冷却することになる。超電導バルク体２の冷却効率を高めるため、取付部４には良熱伝導性の銅などの金属が用いられる。一般に銅など良熱伝導性金属の熱収縮率は補強体に用いられるステンレス等の高剛性の金属よりも大きい。従って、超電導バルク磁石１を冷却した場合には、超電導バルク体の外周側面にある補強体３の収縮による熱応力と、超電導バルク体２の底面にある取付部４を構成する金属の収縮による熱応力との両方が超電導バルク体２に作用することになる。

ここで、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、超電導バルク体３２の外周側面にある金属リング等の補強体３３の肉厚が一定で、固定部金属の収縮による熱応力の影響が無視できる場合には、超電導バルク体３２と外周側面にある補強体３３との熱収縮差による圧縮応力が、超電導バルク体３２側面に均等に作用する。しかし、実際にはボルト３５によって固定された取付部３４の金属の収縮による熱応力の影響があるために、超電導バルク体３２表面に僅かに引張応力が作用する。一般に、超電導バルク体は圧縮応力には強いが、引張応力には弱い。そのため、最初に大きな外部磁場中で着磁したときに割れなくても、着磁を繰り返すと、超電導バルク体の表面に生じる引張応力によりクラックが発生、進展し、最終的には超電導バルク体が破壊することになる。

図１に示す超電導バルク磁石１の場合には、超電導バルク体２の外周側面にある補強体３の肉厚の小さい側を冷却系の取付部４に取り付ける側としている。すなわち、超電導バルク体２表面側の補強体３の肉厚が大きくなっているため、超電導バルク体２表面側の熱収縮による圧縮応力が大きくなり、超電導バルク体２表面に引張応力が生じるのを抑制することができるので、大きな外部磁場中で着磁を繰り返しても超電導バルク体２の割れを防止することができる。

上述したように、冷凍機の取付部に固定して超電導バルク体を冷却する場合には、超電導バルク体を固定する部分の熱収縮の影響があるため、補強体の肉厚が一定である場合は超電導バルク体に均等に圧縮応力が作用しない。従って、補強体の肉厚全体を一様に大きくしても、超電導バルク体を固定する部分の熱収縮の影響があるため、超電導バルク体の下側の圧縮応力が大きくなり、大きな外部磁場中で着磁を繰り返した場合に、超電導バルク体表面の割れを防止することができない。

図２は、本実施形態における超電導バルク磁石の他の例を示す概念図である。図２（ａ）に示す例では、超電導バルク体１２の外周側面にある金属リング等の補強体１３の肉厚が連続的に変化するテーパではなく、肉厚が一方向に小さくなっていく段差を有するものになっている。なお、図２に示す例では、段差は１段であるが、２段、３段あるいはそれ以上の段差でもよい。また、段差のある補強体は、一体物で製作してもよいが、肉厚が一定で高さの異なるリングを重ねて接着した方が容易に製作できる。また、図２（ａ）に示す超電導バルク磁石１１の場合でも、図２（ｂ）に示すように、超電導バルク体１２の外周側面にある補強体１３の肉厚の小さい側を冷却系の取付部１４にボルト１５で固定するようにする。すなわち、超電導バルク体１２表面側の補強体１３の肉厚が大きくなっているため、超電導バルク体１２表面側の熱収縮による圧縮応力が大きくなり、超電導バルク体１２表面に引張応力が生じることを抑制することができるので、大きな外部磁場中で着磁を繰り返しても超電導バルク体１２の割れを防止することができる。

図１に示したテーパ構造及び図２に示した段差構造はともに、大きな外部磁場中で着磁を繰り返しても超電導バルク体の割れを防止する機能を有するが、テーパ構造の場合には、補強体からの圧縮応力を連続的に滑らかに変化させることができるという利点がある。一方、段差構造の場合は、肉厚が一定で高さの異なるリングを重ねて接着して製作できるので、製作が容易という利点を有する。

本発明に用いられる補強体としては、非磁性のステンレス鋼、チタン合金、銅合金、アルミニウム合金、繊維強化プラスチック等のように剛性があり、冷却した際に超電導バルク体に圧縮応力が作用するように、超電導バルク体よりも熱膨張係数の絶対値が大きい材料が好ましい。特に、超電導バルク体表面の割れを抑制するために、補強体としては、非磁性のステンレス鋼、チタン合金、銅合金、アルミニウム合金、及び繊維強化プラスチックの中のいずれかがより好ましい。

（実施例１）
Ptを０．５質量％およびAgを１０質量％含み、かつGd₁Ba₂Cu₃O_y中にGd₂BaCuO₅が微細分散した直径６０ｍｍ、高さ２０ｍｍの単結晶状の円板形状超電導バルク体を、ステンレス鋼製のリングで側面を囲いエポキシ系樹脂で接着した。ステンレス鋼製リングは、図１に示すようなテーパ構造を有し、超電導バルク体表面側の肉厚を６ｍｍとし、超電導バルク体底面側（固定側）の肉厚を３ｍｍとした。この超電導バルク磁石を、ステンレス鋼製リングに設けたボルト４本を介して、冷凍機のコールドヘッドと接続した、銅製板からなる取付部に固定した。

こうして得られた超電導バルク磁石を１０Ｔの磁場中で４５Ｋに冷却し、しかる後に、外部磁場を取り除いたところ、着磁後も超電導バルク体は割れることなく超電導バルク体表面で９．２Ｔの磁場となっていた。この着磁過程を１０回繰り返しても、超電導バルク体は割れることなく、超電導バルク体表面磁場も同じ値であった。比較例として、同様の超電導バルク体をテーパなし、肉厚３ｍｍのステンレス鋼製リングと樹脂接着した超電導バルク磁石を製作し、同様の着磁を行ったところ、２回目までの着磁過程では割れは見られず、超電導バルク体表面の磁場も９．２Ｔであった。しかし、３回目の着磁過程において、外部磁場を取り除く途中、外部磁場が１０Ｔから７Ｔに減磁した時に超電導バルク体は割れた。

本結果から、本発明の構造を有する超電導バルク磁石において、大きな外部磁場中での着磁を繰り返しても高磁場を発生することが可能な超電導バルク磁石を提供することができる。

（実施例２）
Y₁Ba₂Cu₃O_y中にY₂BaCuO₅が微細分散した直径４５ｍｍ、高さ１５ｍｍの単結晶状の円板形状超電導バルク体を、肉厚５ｍｍのアルミニウム合金製のリングで側面を囲いエポキシ系樹脂で接着した。さらに、その外周部の上側半分に５ｍｍのアルミニウム合金製のリングで側面を囲いエポキシ系樹脂で接着した。すわなち、補強体は図２に示すような構造となっており、アルミニウム合金製リングの上側の肉厚は１０ｍｍであり、下側の肉厚は５ｍｍで段差を有している。この超電導バルク磁石を、アルミニウム合金製リングに設けたボルト４本を介して、冷凍機のコールドヘッドと接続した、銅製板からなる取付部に固定した。

こうして得られた超電導バルク磁石を１０Ｔの磁場中で４０Ｋに冷却し、しかる後に、外部磁場を取り除いたところ、超電導バルク体表面で８．９Ｔとなっていた。この着磁過程を２０回繰り返しても、超電導バルク体は割れることなく、超電導バルク体表面磁場も同じ値であった。比較例として、同様の超電導バルク体を肉厚５ｍｍのアルミニウム合金製リングと樹脂接着した超電導バルク磁石を製作し、同様の着磁を行ったところ、４回目までの着磁過程では割れは見られず、超電導バルク体表面の磁場も８．８Ｔであった。しかし、５回目の着磁過程において、外部磁場を取り除く途中、外部磁場が１０Ｔから６Ｔに減磁した時に超電導バルク体は割れた。

本結果から、本発明の構造を有する超電導バルク磁石において、大きな外部磁磁場中での着磁を繰り返しても高磁場を発生することが可能な超電導バルク磁石を提供することができる。

１、１１超電導バルク磁石
２、１２超電導バルク体
３、１３補強体

Claims

RE₁Ba₂Cu₃O_y（REはY又は希土類元素から選ばれる１種又は２種以上の元素。yは酸素量で、6.8≦y≦7.1）中にRE₂BaCuO₅が微細分散した円柱状又は角柱状の超電導バルク体が側面から補強体で覆われている超電導バルク磁石であって、該補強体の肉厚が、冷却系の取付部に固定される側に向かって連続的に小さくなっていることを特徴とする超電導バルク磁石。
RE₁Ba₂Cu₃O_y（REはY又は希土類元素から選ばれる１種又は２種以上の元素。yは酸素量で、6.8≦y≦7.1）中にRE₂BaCuO₅が微細分散した超電導バルク体が側面から補強体で覆われている超電導バルク磁石であって、該補強体の肉厚が、冷却系の取付部に固定される側に向かって段階的に小さくなっていることを特徴とする超電導バルク磁石。
前記補強体が、ステンレス鋼、チタン合金、銅合金、アルミニウム合金、または繊維強化プラスチックからなることを特徴とする請求項１または２に記載の超電導バルク磁石。