JP6422631B2

JP6422631B2 - 超電導バルク磁石

Info

Publication number: JP6422631B2
Application number: JP2013015815A
Authority: JP
Inventors: 手嶋　英一; 英一手嶋; 森田　充; 充森田
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2013-01-30
Filing date: 2013-01-30
Publication date: 2018-11-14
Anticipated expiration: 2033-01-30
Also published as: JP2014146760A

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。このような超電導バルク体を利用した磁場発生源は超電導バルク磁石と呼ばれている。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、超電導バルク体が電磁力により破壊する可能性がある。そのため、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金属リングで囲い、超電導バルク体と金属リングとの間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、超電導バルク体が大きくなるにつれて、電磁力も大きくなるため、外周の金属リング補強だけでは電磁力に耐えうる十分な強度が得られない場合がある。本発明者らの実験でも直径４５ｍｍの円板状の超電導バルク体を外部磁場１０Ｔ中で着磁したときに破壊した例がある。従って、大きな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、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、大きな超電導バルク体の場合で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、且つ、円板形状又はリング形状の超電導バルク体と、
該超電導バルク体の側面全体、及び該超電導バルク体の上面の全部または上下面の全部を覆う補強体とからなり、前記超電導バルク体の上面の全部または上下面の全部を覆う補強体は、前記超電導バルク体の側面全体を覆う補強体とは別部材であり、前記超電導バルク体の側面全体を覆う補強体に、ボルトで固定されていることを特徴とする超電導バルク磁石。
但し、前記超電導バルク体の側面全体を覆う補強体と、前記超電導バルク体の上面及び下面を共に少なくとも一部を覆う補強体とを有し、前記超電導バルク体の上面及び下面を共に少なくとも一部を覆う補強体が、前記超電導バルク体の側面全体を覆う補強体から伸長されて構成されている場合、を除く。
（２）前記超電導バルク体の上面の全部または上下面の全部を覆う補強体の厚みが、１〜３ｍｍであることを特徴とする（１）に記載の超電導バルク磁石。
（３）前記超電導バルク体がPt、Rh、及びCeのうち、少なくとも１種を含有していることを特徴とする（１）又は（２）に記載の超電導バルク磁石。
（４）前記超電導バルク体がAgを含有していることを特徴とする（１）〜（３）のいずれか１つに記載の超電導バルク磁石。
（５）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であることを特徴とする（１）〜（４）のいずれか１つに記載の超電導バルク磁石。
（６）前記超電導バルク体と前記補強体との間に緩衝層を設けたことを特徴とする（１）〜（５）のいずれか１つに記載の超電導バルク磁石。
（７）前記緩衝層が樹脂、低融点金属、またはグリースであることを特徴とする（６）に記載の超電導バルク磁石。

本発明により、大きな超電導バルク体の場合で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。従来の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。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。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。

以下に、本発明の実施形態について、図に沿って説明する。
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に示す例では、円板形状の超電導バルク体１の外周側面が金属リング等の補強体２で囲われ、さらに超電導バルク体１の上下面も補強体３、４で囲われている。

超電導バルク磁石の磁場は、超電導バルク体の上下面から発生するので、発生磁場を最大限利用するため、従来は、図２に示すように、超電導体バルク体２０の上下面にはできるだけ何も設けない方が好ましいと考えられていた。しかし、本発明が適用されるのは、強磁場で大きな超電導バルク体を着磁する場合であり、低磁場で小さな超電導バルク体を着磁する場合に比べて、発生磁場は遠くまで作用するため、上下面に補強体も設けても発生磁場への影響はほとんどない。

超電導バルク磁石を冷凍機で冷却する場合には、超電導バルク磁石は冷凍機のコールドヘッド等の接続箇所に固定されて用いられる。その場合、接続箇所が下面の補強体の代わりになるので、下面の補強体はなくてもよい。また、上面または上下面の補強体は、必ずしも超電導バルク体の全面を覆う必要はなく、超電導バルク体の一部を覆うだけでもよい。上下面の補強体は、側面の補強体の上下部分が中央部に比べて大きく広がるように変形することを防ぐためのものであるので、超電導バルク体の全面を覆わなくても十分効果がある。このような構成とすることにより、超電導バルク体の上下面の一部を露出することになり、超電導バルク体から発生する磁場をより有効に利用することが可能になる。

側面の補強体及び上下面の補強体は、一体もので製作してもよく、あるいは別に製作し、ボルト等で固定して一体化してもよい。なお、ボルト等は図１では省略されている。ボルト等で固定する場合には、固定箇所は対称になるように配置した方が好ましい。また、固定箇所は少なくとも４カ所、好ましくは６カ所以上で固定した方がよい。比較例として図２に示す従来例では、円板形状の超電導バルク体２０の外周側面のみが金属リング等の補強体２１で囲われている。図１及び図２に示す超電導バルク磁石は共に、超電導バルク体と補強体との熱膨張係数の違いを利用して、冷却時に超電導バルク体に作用する圧縮応力が、着磁の際に超電導バルク体内に発生する電磁力を低減し、電磁力による超電導バルク体の割れを防止する。

しかしながら、着磁する磁場強度が高い場合や超電導バルク体が大きい場合には、超電導バルク体内に発生する電磁力が非常に大きくなるため、図２に示すような補強では超電導バルク体が割れる可能性がある。図２に示すような補強方法で割れが発生しやすくなるのは、着磁磁場が５Ｔ以上、超電導バルク体の大きさが４５ｍｍ以上の場合である。このような強磁場で大きな超電導バルク体を着磁すると、電磁力が非常に強いために、外周側面のみに補強体が補強されている場合には、側面の補強体の上下部分が中央部に比べて大きく広がるように変形する。その結果、超電導バルク体の上下面に引張応力が生じ、超電導バルク体が破壊し易くなる。これに対して図１に示す例では、外周側面だけでなく、上下面にも補強体があるので、強磁場で大きな超電導バルク体を着磁する時でも、超電導バルク体の割れを防止することができる。

図３は、本実施形態における超電導バルク磁石の別の例を示す概念図である。図３に示す例では、上下面の補強体５、６が超電導バルク体１の上下面の全面を囲っているのではなく、その一部を囲っている。上下面の補強体５、６は、側面の補強体２の上下部分が中央部に比べて大きく広がるように変形することを防ぐためのものであるので、超電導バルク体１の全面を囲わなくても十分効果がある。このような構成とすることにより、超電導体の上下面の一部を露出することになり、超電導バルク体１から発生する磁場をより有効に利用することが可能になる。

図４は、本実施形態における超電導バルク磁石の別の例を示す概念図である。図４に示す例では、超電導バルク体７が円板形状ではなく、リング形状になっている。リング形状の超電導バルク体に対しても、上下面の補強体を加えることによって、強磁場で大きな超電導バルク体を着磁する時でも、超電導バルク体の割れを防止することができる。また、図４に示す例では、側面の補強体８及び上面側の補強体９は存在するが、下面側の補強体がない。超電導バルク磁石を冷凍機で冷却する場合には、超電導バルク磁石は冷凍機のコールドヘッド等の接続箇所に固定されて用いられる。その場合、接続箇所が下面の補強体の代わりになるので、下面の補強体はなくてもよい。

図５は、本実施形態における超電導バルク磁石の別の例を示す概念図である。図５に示す例では、超電導バルク体１０が円板形状ではなく、四角形状になっている。四角形状の超電導バルク体１０に対しても、上下面の補強体１２、１３を加えることによって、強磁場で大きな超電導バルク体を着磁する時でも、超電導バルク体１０の割れを防止することができる。四角形状で側面の補強体１１と上下面の補強体１２、１３をボルト等で固定する場合には、辺の中央部で固定する方が好ましい。

次に、以上に示した超電導バルク磁石に用いる超電導バルク体について説明する。本発明に用いられる超電導バルク体は、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が微細分散している。この超電導バルク体は、強いピン止め力を有しているが、Pt、Rh、Ceのうち少なくとも１種が添加されている場合は、RE₁Ba₂Cu₃O_y中に分散しているRE₂BaCuO₅粒子がより微細化するため、超電導バルク体の機械的強度が向上する。さらに、Agを添加したものは、数十ミクロンのAg粒子が析出するため、同様に超電導バルク体の機械的強度を高めることができる。

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、アルミ合金、繊維強化プラスチック等で剛性があり、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。なお、側面の補強体及び上下面の補強体は、同じ材質でもよく、違う材質でも構わない。さらに、上下面の補強体は、側面の補強体の上下部分が中央部に比べて大きく広がるように変形することを防ぐためのものであるので、厚さが１ｍｍ程度と薄くても十分効果がある。また、図では省略してあるが、超電導バルク体と側面と上下面の補強体との間の隙間に樹脂等の緩衝層を薄く設けることにより、補強体から超電導バルク体への圧力をより均一に伝えることができる。本発明に用いられる緩衝層としては、超電導バルク体及び補強体よりも柔らかければよく、樹脂、低融点金属、グリース等が好ましい。

（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、肉厚５ｍｍのステンレス鋼製のリングで側面を囲い、さらに直径６０ｍｍ、厚さ１ｍｍのステンレス鋼製の円板で上下面を囲った超電導バルク磁石を製作した。側面及び上下面の補強体はボルトで８カ所固定し、超電導バルク体と補強体との間の隙間にはエポキシ系樹脂を充填した。

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上面の補強体の表面で９Ｔの磁場となっていた。比較例として、同様の超電導バルク体を上下面の補強体なしで同様の着磁を行ったところ、外部磁場を取り除く途中、外部磁場が１０Ｔから６．１Ｔ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、超電導バルク体の大きさが６０ｍｍである大きな超電導バルク体の場合でも、着磁磁場が５Ｔ以上の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３ｍｍのチタン合金製の側面と下面とが一体化した中空円筒容器に入れ、さらに直径４５ｍｍ、厚さ１ｍｍのチタン合金製の円板で上面を囲った超電導バルク磁石を製作した。側面及び上面の補強体はボルトで４カ所固定した。

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、上面補強体の表面で８．５Ｔとなっていた。比較例として、同様の超電導バルク体を上下面の補強体なしで同様の着磁を行ったところ、外部磁場を取り除く途中、外部磁場が１０Ｔから７．９Ｔ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、超電導バルク体の大きさが４５ｍｍである大きな超電導バルク体の場合でも着磁磁場が５Ｔ以上の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３（参考例））
Ceを１質量％およびAgを１５質量％含み、かつ（Gd_0.5Dy_0.5）Ba₂Cu₃O_y中に（Gd_0.5Dy_0.5）₂BaCuO₅が微細分散した直径５６ｍｍ、高さ２０ｍｍの単結晶状の円板形状超電導バルク体を、肉厚８ｍｍの銅合金製のリングで側面を囲い、さらに外径５５ｍｍ、内径３５ｍｍ、厚さ２ｍｍのステンレス鋼製の円板で上下面を囲った超電導バルク磁石を製作した。側面及び上下面の補強体はボルトで６カ所固定し、超電導バルク体と補強体との間の隙間には融点６０℃の低融点金属を充填した。

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、試料表面で９．４Ｔとなっていた。比較例として、同様の超電導バルク体を上下面の補強体なしで同様の実験を行ったところ、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、超電導バルク体の大きさが５６ｍｍである大きな超電導バルク体の場合でも着磁磁場が５Ｔ以上の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４）
Ptを０．５質量％およびAgを１０質量％含み、かつEu₁Ba₂Cu₃O_y中にEu₂BaCuO₅が微細分散した外径６０ｍｍ、内径３０ｍｍ、高さ２０ｍｍの単結晶状のリング形状超電導バルク体３個重ねたものを、肉厚１０ｍｍのアルミ合金製のリングで側面を囲い、さらに外径６０ｍｍ、内径３０ｍｍ、厚さ３ｍｍのアルミ合金製の円板で上面のみを囲った超電導バルク磁石を製作した。側面及び上下面の補強体はボルトで６カ所固定し、超電導バルク体と補強体との間の隙間にはエポキシ系樹脂を充填した。

こうして得られた超電導バルク磁石を１０Ｔの磁場中で５０Ｋに冷却し、しかる後に、外部磁場を取り除いたところ、上面補強体の表面で８Ｔの磁場となっていた。比較例として、同様の超電導バルク体を上下面の補強体なしで同様の着磁を行ったところ、外部磁場を取り除く途中、外部磁場が１０Ｔから５．５Ｔ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、超電導バルク体の大きさが６０ｍｍである大きな超電導バルク体の場合でも着磁磁場が５Ｔ以上の高磁場を発生する超電導バルク磁石を提供することができる。

（実施例５）
Rhを０．５質量％およびAgを２０質量％含み、かつGd₁Ba₂Cu₃O_y中にGd₂BaCuO₅が微細分散した一辺５０ｍｍ、高さ２０ｍｍの単結晶状の四角形状超電導バルク体を、肉厚１５ｍｍの繊維強化プラスチック製の四角リングで側面を囲い、さらに一辺５０ｍｍ、厚さ２ｍｍのステンレス鋼製の四角板で上下面を囲った超電導バルク磁石を製作した。側面と上下面の補強体はボルトで辺中央部と角部の８カ所固定し、超電導バルク体と補強体の隙間は真空グリースを充填した。

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、上面補強体の表面で８．５Ｔの磁場となっていた。比較例として、同様の超電導バルク体を上下面の補強体なしで同様の実験を行ったところ、外部磁場を取り除く途中、外部磁場が１０Ｔから７．５Ｔ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、超電導バルク体の大きさが５０ｍｍである大きな超電導バルク体の場合でも着磁磁場が５Ｔ以上の超電導バルク磁石を提供することができる。

１超電導バルク体
２補強体（側面）
３補強体（上面）
４補強体（下面）
５補強体（上面）
６補強体（下面）
７超電導バルク体
８補強体（側面）
９補強体（上面）
１０超電導バルク体
１１補強体（側面）
１２補強体（上面）
１３補強体（下面）

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、且つ、円板形状又はリング形状の超電導バルク体と、
該超電導バルク体の側面全体、及び該超電導バルク体の上面の全部または上下面の全部を覆う補強体とからなり、前記超電導バルク体の上面の全部または上下面の全部を覆う補強体は、前記超電導バルク体の側面全体を覆う補強体とは別部材であり、前記超電導バルク体の側面全体を覆う補強体に、ボルトで固定されていることを特徴とする超電導バルク磁石。
但し、前記超電導バルク体の側面全体を覆う補強体と、前記超電導バルク体の上面及び下面を共に少なくとも一部を覆う補強体とを有し、前記超電導バルク体の上面及び下面を共に少なくとも一部を覆う補強体が、前記超電導バルク体の側面全体を覆う補強体から伸長されて構成されている場合、を除く。
前記超電導バルク体の上面の全部または上下面の全部を覆う補強体の厚みが、１〜３ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の超電導バルク磁石。
前記超電導バルク体がPt、Rh、及びCeのうち、少なくとも１種を含有していることを特徴とする請求項１又は２に記載の超電導バルク磁石。
前記超電導バルク体がAgを含有していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の超電導バルク磁石。
前記補強体が、ステンレス鋼、チタン合金、銅合金、アルミ合金、または繊維強化プラスチックであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の超電導バルク磁石。
前記超電導バルク体と前記補強体との間に緩衝層を設けたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の超電導バルク磁石。
前記緩衝層が樹脂、低融点金属、またはグリースであることを特徴とする請求項６に記載の超電導バルク磁石。