JP2005294471A - バルク超伝導体の着磁方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エポキシなどの樹脂含浸と金属環嵌合の双方による所定の補強強度を確保した上で余分な発熱を抑え冷却効率を向上して酸化物超伝導バルクの温度を安定化する時間を短縮し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又は磁場冷却着磁方法を提供する。
【解決手段】環状、円板状又は円柱状の酸化物超伝導バルクの底面をコールド・ステージに接して載置し、前記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、バルクを冷媒中で又は冷凍機によって得られる低温状態で前記底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は、バルクの着磁に先立って、バルクの表面部分にある含浸用樹脂皮膜を取り除き、バルクの外側に、欠落部を有する第１の金属環を密着又は嵌合させ、さらに第１の金属環の外側に第２の金属環を密着又は嵌合させる、ことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、バルク超伝導体の着磁方法に係り、特に酸化物超伝導バルクの、パルス着磁方法もしくは磁場冷却着磁方法に関するものである。

酸化物超伝導バルクのパルス着磁方法では、その超伝導擬似単結晶の一面に一致させた前記酸化物超伝導バルクの底面をコールド・ステージに接して載置し、所定の温度に冷却した後、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てパルス磁場を発生させ、前記酸化物超伝導バルクを、冷媒中で得られる所定の低温状態で前記底面に鉛直な方向に着磁する。

酸化物超伝導バルクの磁場冷却着磁方法では、その超伝導擬似単結晶の一面に一致させた前記酸化物超伝導バルクの底面をコールド・ステージに接して載置し、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定常電流を流して定常磁場を発生させた後、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所定の温度まで冷却しながら定常磁場の強度を下げて、前記底面に鉛直な方向に着磁する。

ここで扱う酸化物超伝導バルクは、図１（Ａ）に示すように、一般に円環状、円板状、または円柱状であって、その底面は超伝導擬似単結晶のａｂ面に一致し、これに鉛直な厚さ方向（ｃ軸方向）に着磁する（例えば、非特許文献１及び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の側面方向に強い電磁的反発力が作用し、これを破壊する可能性がある。

そこで、図１（Ｂ）に示すように、前記酸化物超伝導バルク１を、外周からエポキシ樹脂などの樹脂皮膜５で包んで含浸し、補強する処置が講じられている。（従来技術１）
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環による、側面からの圧縮応力を用いることが開示されている。（従来技術２）

酸化物超伝導バルクを最も高性能に着磁する方法は磁場中冷却（Ｆｉｅｌｄ Ｃｏｏｌｉｎｇ；ＦＣ）であるが、液体ヘリウムを使った大型の超伝導マグネットを要するので、実用的ではなく、より簡便なパルス着磁法が使われている。
特にパルス着磁法においてＩＭＲＡ法（反復着磁法）が用いられるようになり、補強処置として前記従来技術１と２を組み合わせると、捕捉磁場は３０Ｋで３．８Ｔを記録できるようになったが、捕捉磁場が前記ＦＣに比べて少ないという欠点があった。

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しており、特に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るためである。

また、金属環が、樹脂含浸するために付着したエポキシ樹脂皮膜５の表面に取り付けられているので、放熱のための熱伝導が考慮されていなかった。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てしまい、ある程度以上の大きな捕捉磁場を得ることができないという問題があった。

従来、含浸後の含浸用樹脂皮膜５の厚さは、せいぜい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たが、本発明者らの実験によれば、この１ｍｍ程度の樹脂皮膜の存在により、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。

その理由として、本発明者らは、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、ａｂ面に垂直な方向（ｃ軸方向）よりも、ａｂ面内に沿う方向への熱伝導率が数倍高く、そのため、底面だけでなく、側面からの熱放散の寄与率が重要であることを把握した。

そこで、先に特許文献２において開示したように、本発明者らは以上の知見に基き、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した。

それは、前記酸化物超伝導バルクの着磁に先立って、図１（Ｃ）に示すように、含浸後の酸化物超伝導バルク１の表面部分にある含浸用樹脂皮膜を取り除き、酸化物超伝導バルク１の周囲に金属環を嵌合させることを特徴とするものである。（従来技術３）

しかしながら前記従来技術３によって、前記金属環を通じた放熱をより良くするため熱伝導率の高い金属を使うと、一般に熱伝導率の高い金属は電気伝導性も高く、印加された着磁用パルス磁場により発生する渦電流が大きくなり、余分な発熱とそれによる温度上昇を招いてしまう場合がある、という新たな問題が発生した。

エィチ．フジシロ、エス．コハヤシ（Ｈ．Ｆｕｊｉｓｈｉｒｏ ａｎｄ Ｓ．Ｋｏｈａｙａｓｈｉ）：アイ・イー・イー・イー・トランス．スーパーコンダクタ（ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄ．）第１２巻（２００２年）１１２４頁 エィチ．フジシロ、エム．イケベ、ティー．ナイトウ、ケー．ノト（Ｈ．Ｆｕｊｉｓｈｉｒｏ，Ｍ．Ｉｋｅｂｅ，Ｔ．Ｎａｉｔｏ ａｎｄ Ｋ．Ｎｏｔｏ）：ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス（Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．）第３３巻（１９９４年）４９６５頁 特開平１１−３３５１２０号公報 特願２００３−１１２１１６号公報

本発明は、パルス着磁方法における上記の諸問題を解決するためになされたものであり、エポキシなどの樹脂含浸と金属環嵌合の双方による所定の補強強度を確保した上で、余分な発熱を抑え、冷却効率を向上して、酸化物超伝導バルクの温度を安定化する時間を短縮し、着磁工程に必要な時間を短縮できるバルク超伝導体の着磁方法を提供することを目的とする。

本発明は、又、磁場冷却着磁方法において生じる、上記の諸問題に対応する問題を解決するためになされたものであり、エポキシなどの樹脂含浸と金属環嵌合の双方による所定の補強強度を確保した上で、余分な発熱を抑え、冷却効率を向上して、酸化物超伝導バルクの温度を安定化する時間を短縮し、着磁工程に必要な時間を短縮できるバルク超伝導体の着磁方法を提供することを第２の目的とする。

上記目的を達成するために、本発明によるバルク超伝導体の着磁方法は、環状、円板状または円柱状の酸化物超伝導バルクの底面が超伝導擬似単結晶の一面に一致するようにして、前記底面をコールド・ステージに接して載置し、所定の温度に冷却した後、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て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所定の低温状態で前記底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、前記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、前記酸化物超伝導バルクの外側に、切れ目及び／又は切り欠きを有する第１の金属環を嵌合させ、さらに、前記第１の金属環の外側に、第２の金属環を嵌合させる、ことを特徴とする。

また、上記目的を達成するために、本発明によるバルク超伝導体の着磁方法は、環状、円板状または円柱状の酸化物超伝導バルクの底面が超伝導擬似単結晶の一面に一致するようにして、前記底面をコールド・ステージに接して載置し、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定常電流を流して定常磁場を発生させた後、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所定の温度まで冷却しながら定常磁場の強度を下げて、前記底面に鉛直な方向に着磁する、バルク超伝導体の磁場中冷却着磁方法において、前記酸化物超伝導バルクの着磁に先立って、前記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、前記酸化物超伝導バルクの外側に、切れ目及び／又は切り欠きを有する第１の金属環を嵌合させ、さらに、前記第１の金属環の外側に、第２の金属環を嵌合させる、ことを特徴とする。

好ましくは請求項３に係り、前記第１の金属環は、セラミック粉末を混入した樹脂を介して前記酸化物超伝導バルクに嵌合し、熱的に密着することを特徴とする。

好ましくは請求項４に係り、前記第１の金属環は、焼き嵌めによって、前記酸化物超伝導バルクに嵌合し、熱的に密着することを特徴とする。

好ましくは請求項５に係り、前記第２の金属環は、セラミック粉末を混入した樹脂を介して前記第１の金属環に嵌合し、機械的に密着することを特徴とする。

好ましくは請求項６に係り、前記第２の金属環は、焼き嵌めによって、前記第１の金属環に嵌合し、機械的に密着することを特徴とする。

好ましくは請求項７に係り、前記セラミック粉末は、窒化硅素、窒化チタン、酸化硅素または酸化チタンのうち一種或いは複数種の混合物からなることを特徴とする。

好ましくは請求項８に係り、前記第１の金属環の切れ目及び／又は切り欠きは、環の円周に直角な方向に、単一又は複数個の切れ目、単一又は複数個の切り欠き、又はこれらを組み合わせたものであることを特徴とする。

本発明は、樹脂含浸と金属環による補強強度を確保しつつ、熱放散性を向上して、金属環における無駄な発熱を抑えることができるので、冷却効率が向上し、酸化物超伝導バルクの温度を安定化する時間を短縮し、着磁工程に必要な時間を短縮することができると共に、従来よりも大きい捕捉磁場を安定に発生させることができる。

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。

再び図１（Ａ）を参照すると、本発明に係る酸化物超伝導バルク１は、例えば、ＲＥＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ｙ（ここで、ＲＥは稀土類元素であり、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。

再び図１（Ｂ）、（Ｃ）を参照すると、酸化物超伝導バルク１は、エポキシなどの樹脂皮膜５で包んで含浸した後、酸化物超伝導バルク１の表面部分（上面、底面、及び外側面のすべてを含む。環状（図示していない）の場合は、さらに内側面を含む。）にある含浸用樹脂皮膜５が取り除かれる。

次に、図２（Ａ）を参照すると、切れ目１５を有する第１の金属環１０が酸化物超伝導バルク１の側面に嵌合される。
次に、図２（Ｂ）を参照すると、第２の金属環２０が第１の金属環１０の外側面に嵌合される。
ここで、図２（Ｂ）におけるＸ−Ｘ断面図である図２（Ｃ）に示すように、酸化物超伝導バルク１、第１の金属環１０、第２の金属環２０の高さは等しく、嵌合後の上面部と底面部は平坦になり、着磁の際に、底面部からの冷却が効率的に行われる。

ここで、第１の金属環１０は、熱伝導率の高い金属、例えば、銅、又はアルミニウムからなることが好ましい。
また、第２の金属環２０は、第１の金属環の金属に比べて電気伝導率が低く、かつ剛性の高い金属、例えば、鋼からなることが好ましい。

酸化物超伝導バルク１の外周に対する第１の金属環１０の密着性を高めて、両者の間の熱伝導性を高めるために、両者の間に熱伝導率の高い樹脂接着剤（例えば、窒化硅素、窒化チタン、酸化硅素、酸化チタンなどの熱伝導性の高いセラミック粉末を混入したエポキシ樹脂）を用い、あるいは、第１の金属環１０を焼き嵌めする。
ここで、前記樹脂はグリースを含んでもよい。

また、第１の金属環１０に対する第２の金属環２０による機械的補強強度を高めるために、両者の間に第１及び第２の金属環の機械的密着性を高めることができる樹脂接着剤（例えば、窒化硅素、窒化チタン、酸化硅素、酸化チタンなどのセラミック粉末を混入したエポキシ樹脂）を用い、あるいは、第２の金属環２０を焼き嵌めする。

このように２重の金属環で嵌合した酸化物超伝導バルク１を、例えばその底面が、冷凍機の内部の伝熱部に繋がるコールド・ステージに接するようにして載置する。
そして、パルス着磁法、もしくは磁場冷却法による着磁工程に入る。
例えばパルス着磁法の場合は、所定の温度に冷却した後で、酸化物超伝導バルク１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、酸化物超伝導バルク１を、前記底面に鉛直な方向（ｃ軸）に着磁する。

その際、酸化物超伝導バルク１の内部に発生する熱は、底面に加えて、側面からも第１の金属環１０を介して効果的に放熱される。
熱伝導率の高い金属は、通常電気伝導率も高いが、前記切れ目１５の存在により、第１の金属環１０全体の円周方向の電気的抵抗は大きくなり、着磁の際の渦電流を抑えることができる。

一方、第２の金属環２０は剛性が高いので、着磁の際に十分な圧縮応力を与えることができるだけでなく、電気的抵抗が大きいので、着磁の際の渦電流を抑えることができる。

第１の金属環を備える目的が良好な熱伝導と、円周方向に大きい電気的抵抗にあるので、第１の金属環は、図３（Ａ）に示すように、１つの切れ目１５で有する場合の他、図３（Ｂ）に示すように、２つあるいはそれ以上の切れ目１５、１６を有してもよい。
図３（Ｂ）のような場合は、熱放散のバランスがよくなる。

さらには、図３（Ｃ）に示すように、切れ目１５と切り欠き１０ｃを有してもよい。
この場合も、熱放散のバランスがよくなる他、渦電流を実質的に増やさないで、第１の金属環１０の、嵌合前の位置取り作業を簡単にできる。

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のコールド・ステージ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。

また、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。

このような液体又は気体による冷却の場合、放熱性を上げられる範囲で、第１の金属環は延伸されてフィン効果を持たせ、さらに酸化物超伝導バルクの一部又は全部を覆っていてもよい。

（Ａ）は、酸化物超伝導バルクの斜視図、（Ｂ）は、表面に含浸用エポキシ樹脂皮膜が形成されていることを示す酸化物超伝導バルクの断面図、（Ｃ）は、含浸用エポキシ樹脂皮膜が除去された後の酸化物超伝導バルクを示す断面図である。 （Ａ）は、酸化物超伝導バルクに第１の金属環を嵌合した状態を示す斜視図、（Ｂ）は、（Ａ）にさらに第２の金属環を嵌合した状態を示す斜視図、（Ｃ）は、（Ｂ）におけるＸ−Ｘ断面図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、第１の金属環の種々の態様を示す斜視図である。

符号の説明

１ 酸化物超伝導バルク
５ 含浸用樹脂
１０、１０ａ、１０ｂ 第１の金属環
１０ｃ 切り欠き
１５、１６ 切れ目
２０ 第２の金属環

Claims (8)

1. 環状、円板状または円柱状の酸化物超伝導バルクの底面が超伝導擬似単結晶の一面に一致するようにして、前記底面をコールド・ステージに接して載置し、所定の温度に冷却した後、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て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所定の低温状態で前記底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、
   前記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、
   前記酸化物超伝導バルクの外側に、切れ目及び／又は切り欠きを有する第１の金属環を嵌合させ、
   さらに、前記第１の金属環の外側に、第２の金属環を嵌合させる、
   ことを特徴とするバルク超伝導体の着磁方法。
2. 環状、円板状または円柱状の酸化物超伝導バルクの底面が超伝導擬似単結晶の一面に一致するようにして、前記底面をコールド・ステージに接して載置し、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定常電流を流して定常磁場を発生させた後、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所定の温度まで冷却しながら定常磁場の強度を下げて、前記底面に鉛直な方向に着磁する、バルク超伝導体の磁場中冷却着磁方法において、
   前記酸化物超伝導バルクの着磁に先立って、
   前記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、
   前記酸化物超伝導バルクの外側に、切れ目及び／又は切り欠きを有する第１の金属環を嵌合させ、
   さらに、前記第１の金属環の外側に、第２の金属環を嵌合させる、
   ことを特徴とするバルク超伝導体の着磁方法。
3. 前記第１の金属環は、セラミック粉末を混入した樹脂を介して前記酸化物超伝導バルクに嵌合し、熱的に密着することを特徴とする請求項１又は２に記載のバルク超伝導体の着磁方法。
4. 前記第１の金属環は、焼き嵌めによって、前記酸化物超伝導バルクに嵌合し、熱的に密着することを特徴とする請求項１又は２に記載のバルク超伝導体の着磁方法。
5. 前記第２の金属環は、セラミック粉末を混入した樹脂を介して前記第１の金属環に嵌合し、機械的に密着することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のバルク超伝導体の着磁方法。
6. 前記第２の金属環は、焼き嵌めによって、前記第１の金属環に嵌合し、機械的に密着することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のバルク超伝導体の着磁方法。
7. 前記セラミック粉末は、窒化硅素、窒化チタン、酸化硅素または酸化チタンのうち一種或いは複数種の混合物からなることを特徴とする請求項３又は５に記載のバルク超伝導体の着磁方法。
8. 前記第１の金属環の切れ目及び／又は切り欠きは、環の円周に直角な方向に、単一又は複数個の切れ目、単一又は複数個の切り欠き、又はこれらを組み合わせたものであることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載のバルク超伝導体の着磁方法。
   

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