JPS63283003A

JPS63283003A - 超電導コイル装置

Info

Publication number: JPS63283003A
Application number: JP62116833A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Shiraku; 善則白楽; Hisanao Ogata; 久直尾形
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1987-05-15
Filing date: 1987-05-15
Publication date: 1988-11-18
Anticipated expiration: 2010-09-20
Also published as: JPH0787138B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、酸化物超電導セラミクスを利用した超電導装
置に関し、特に永久磁場を発生するに好適な超電導コイ
ル装置に関する。

〔従来の技術〕

Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ系酸化物（Ｙ：イツトリウム、Ｂａ：バ
リウム、Ｃｕ：銅）はＴａ２０５にの高い転移温度を有
する酸化物超電導材料である。このことは、フィジカル
・レビュー・レターズ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｒｅｖｉｅ
ｗ　Ｌｅｔｔｅｒｓ　）　５８　、　ｐ　ｐ　９０８−
９１０　（１９８７）において論じられている。

この超電導材料は、酸化性雰囲気においても高温まで安
定で、超電導素子に適用する場合には、信頼性が高く、
また液体窒素温度レベルに動作温度を設定できる可能性
が述べられている。

さて、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ系酸化物の超電導材料の線の製法
は、例えば銅や銀などの管に前記酸化物の粉末を充てん
し、これを熱処理することによって達成されている。と
ころが、このようにして得られた線を用いてコイルを作
り、閉ループとするためには、必ず酸化物超電導体間の
接続が必要となる。この接続は、従来インジウムなどを
用いて行われていたが、その接続抵抗は完全に零とする
ことができないため、永久電流モードで前記超電導コイ
ルを動作させることが難しかった。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術は、超電導セラミクス線の電気的接続の点
について配慮がされておらず、接続部で必ず有限の電気
抵抗が存在し、そのため完全に零抵抗で動作する超電導
コイルが得られないという問題があった。

本発明の目的は、酸化物系の超電導セラミクスで構成す
る、完全に零抵抗で動作する超電導コイル装置を提供す
ることにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、酸化物超電導セラミクス材料で接続部のな
い環状導体を形成し、この環状導体を複数個組合せて超
電導コイル群を構成し、これらの環状導体に沿って超電
導流を誘導させることにより、達成される。

即ち本発明に係る超電導フィル装置は、ペロブスカイト
状結晶構造よりなる酸化物超電導セラミクス材料を利用
するものであつ−Ｃ１この酸化物超　−電導材料で複数
の環状導体群を構成し、これらの環状導体群に電流を流
して永久磁場発生器にすることを特徴とする。

〔作用〕

前記酸化物超電導セラミクスの環状導体は、一体成形し
、焼結、熱処理を行う。それによって、前記環状導体は
接続部がなく、完全に超電導体で閉ループを形成できる
ので、電気抵抗が完全に零のコイルを得ることができる
。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。ｌａ
’、ｌｂ・・・は、ペロブスカイト状結晶構造をもつ酸
化物超電導セラミクス材料より構成された環状導体で、
この場合円形状導体を示している。

前記酸化物超電導セラミクスは、（Ｌｘ−ｘＢａｘ）　
Ｃｕ０ｙ（ここで、０．４≦Ｘ≦ｏ、７ｙｙ＜３＋Ｌは
Ｓａ。

Ｙ及びＬａなどのランタノイド元素）なる化学式で表わ
される。これは、次のような方法で製造できる。例えば
、（Ｙｒ−ｘＢａｘ）Ｃｕ　Ｏｙの場合には、酸化イツ
トリウム（Ｙ２Ｏ２）、炭酸バリウム（ＢａＣＯ３）、
酸化第２銅（Ｃｕ　Ｏ）の粉末を所望の化学量論組成比
（０，４≦Ｘ≦０．７）で混合し、この混合粉末を９０
０℃、数時間、空気中で反応させ、前記反応物を粉砕し
、これを所望の環状導体の形状に成形し、この成形物を
９５０°、数時間、酸化性雰囲気中で、焼結し、さらに
６００’Ｃ〜８００℃、数十時間アニール熱処理するこ
とで得られる。上記、粉末の成形、焼結は、粉末を焼結
する前の段階の有機のバインダーで固めたグリーンシー
トを成形し、焼結する方法が有望である。

２ａ、２ｂ、・・・は、電気絶縁体であり、これらは、
複数の環状導体１ａ、２ｂ、・・・の間の電気絶縁体と
して使用され、その材質としてはガラス繊維強化エポキ
シ樹脂などのプラスチックス、あるいはアルミナ、ジル
コニアなどのセラミクスなどを用いることができる。

また、第１図では同一径の環状導体群のみを示したが、
径の異なる環状導体を組み合わせてもよい。

上記の説明では、環状導体１ａ、ｌｂ・・及び電気絶縁
体２ａ、２ｂ、・・・は、それぞれ別々に製造し、これ
らを組合わせるものである。このように、別々に製造し
、組合せるのでなく、環状導体１ａ。

１ｂ、・・・及び電気絶縁体２ａ、２ｂ・・・を一体成
形し、焼結し、その後アニール熱処理を行い、複合環状
導体を得る方法について説明する。環状導体ｌａ、ｌｂ
、−の材料組成としては、（Ｙ　１−Ｘ　Ｂ　ａｘ）Ｃ
ｕ　Ｏｙを例にとって説明する。先ず、酸化イツトリウ
ム（Ｙ２Ｏ２）、炭酸バリウム（Ｂ　ａ　ＣＯ８）　。

酸化第２銅（Ｃｕ　Ｏ）の粉末を超電導体となるための
化学量論組成比（０，４≦Ｘ≦０．７）で混合し、この
混合粉末を９００℃、数時間、空気中で反応させ、前記
反応物を粉砕し、反応粉末を準備する。次に、電気絶縁
体２ａ、２ｂ、・・・の材料組成として、同じペロブス
カイト状結晶構造となり、かつ同じ元素系の（Ｙ　１−
ｘ　Ｂ　ａｘ）　Ｃｕ　Ｏｙを選定する。ここで、酸化
イツトリウム（Ｙ２０ｇ）−炭酸バリウム（ＢａＣＯ２
）、酸化第２銅（ＣｕＯ）の粉末を所望の化学量論組成
比（０≦ｘ≦０．３）で混合し、この混合粉末を９００
℃、数時間、空気中で反応させ、この反応物を粉砕し、
反応粉末を準備する。上記のように準備した酸化物超電
導体となる環状導体用の反応粉末と電気絶縁体となる反
応粉条を、所望量、順々に積層し、これをプレス成形し
、この成形物を９５０℃、数時間、酸化性雰囲気中で焼
結し、さらに６００℃〜８００°Ｃで数十時間、酸化性
雰囲気中でアニール熱処理することで複数の超電導体の
環状等体と複数の電気絶縁体とからなる超電導コイルを
得ることができる。前記超電導体となる環状導体は黒色
を示し、また前記電気絶縁体は緑色を示している。この
ように、電気絶縁体も、同じペロブスカイト状結晶構造
をもつもので構成すると、焼結温度、熱膨張率などが超
電導体となる環状導体と同じになるので、製造し易く、
かつ熱サイクルに対する安定性があるものができる。上
記、超電導体の環状導体と電気絶縁体の製法は、前記超
電導体となる環状導体及び電気絶縁体のグリーンシート
、すなわち粉末を焼結する・前の段階の有機のバインダ
ーで固めたものを利用できることは言うまでもない。

次に、上記のようにして得られた超電導コイル群を励磁
する方法について説明する。

先ず、超電導体である環状導体に直接外部電源により通
電することで励磁する方法について第２図を用いて説明
する。環状導体１ａ、ｌｂ、・・・に、銅などの材料よ
りなる通電端子３ａ、３ｂ・・・及び４ａ、４ｂ、・・
・をインジウムなどの半田によって、超音波半田コテを
用いて取り付けておく。さらに、ヒータ５ａ、５ｂ、・
・・を前記通電端子３ａ、３ｂ・・・及び４ａ、４ｂ、
・・・の間に前記環状導体と電気的には絶縁し、熱的に
は充分接触させる。こうして、第３図に示すようにそれ
ぞれの環状導体が直列になるように接続し、その両端に
外部電源６を接続する。ヒータ５ａ、５ｂ、・・・には
、図示しないヒータ用電源に接続される。環状導体の超
電導転移温度はほぼ９０にであるので、環状導体を図示
しない冷却装置により、９０に以下の温度に冷却するこ
とで超電導状態に転移させることができる。環状導体が
全て超電導状態（電気抵抗零）へ転移した後、ヒータ５
ａ、５ｂに通電し、ヒータを取り付けた環状導体の一部
分を９０に以上の温度に加熱し、この部分を常電導化す
る。このような状態で、外部電源６により、直流電流を
通電すると、この電流はそれぞれ環状導体の部分のうち
超電導状態にある部分のラインに沿って流れる。

この電流値を所望の数値となるまで上昇させた後に、ヒ
ータ５ａ、５ｂの通電を停止し、環状導体のループ中の
ヒータ５ａ、５ｂを取り付けた部分の温度が低下し、９
０に以下になると、この部分は超電導状態へ転移し、環
状導体に超電導ループ電流が生じる。このようにして、
外部電源６から供給する電流を徐々に減少させ、零にし
、外部電源を取り除いたとしても、環状導体は全て超電
導状態にあるので、前記超電導ループ電流は電気抵抗零
の状態で流れ、永久電流モード状態となる。

次に、超電導状態にある環状導体群に外部磁場発生マグ
ネットにより、誘導電流を発生させるという方法により
、励磁する方法を第４図〜第６図により説明する。■環
状導体は、その超電導転移温度より高い温度状態（Ｔ＞
Ｔｃ）に保ち、常電導状態にしておく　（第４図）。こ
こで、Ｔは環状導体の温度、ＴＣは超電導転移温度を表
わす。この状態で、外部磁場発生マグネット７により、
磁場分布８を発生させる。■次に、前記環状導体群を冷
却し、その温度をＴｃ以下にする（　Ｔ　＜　Ｔ　ｃ　
。

第５図）。そうすると、環状導体群は超電導状態になり
、超電導体の特性の一つであるマイスナー効果（完全反
磁性効果）により、前記環状導体群の中に磁束は入れな
いので、発生の一部磁束は、環状導体群にトラップされ
る。■最後に、外部磁場発生マグネット７の発生磁場を
減少させ、零にする。この状態では、複数の環状導体群
１ａ。

ｌｂ、・・・にトラップされた磁束９は超電導体のマイ
スナー効果により、残留する（　Ｔ　＜　Ｔｃ　、第６
図）。以上の方法により、複数の環状導体群を励磁する
ことができる。上記の方法では、外部磁場発生マグネッ
ト７は、複数の環状導体群の外周側に配置したが、これ
は内周側に配置しても、前記と同様に励磁できる。

最後に、超電導体となる環状導体群の冷却方法について
第７図で説明する。例えば、Ｙｚ−ｘＢａｘＣｕＯｙ（
ｘｚｏ、６．ｙ＜３　）のセラミクスの場合、超電導臨
界温度は約９３にである。そのため、環状導体群を前記
温度より低い状態に冷却する必要がある。そこで、前記
環状導体群をギフオード・マクマホンサイクルソルベー
サイクル、スターリングサイクルなどで動作する小型ヘ
リウムガス冷凍機で直接冷却する方法を示す。環状導体
群１０は、ヘリウムガス１１で満された熱伝導容器１２
の中に収納する。１３は、支持体である。前記熱伝導容
器１２は、良熱伝導性の材料で構成することが望ましい
。熱伝導容器１２は、小型冷凍機１４のコールドヘッド
１５の先端に充分熱的にも接続できるように取り付けら
れる。前記熱伝導容器１２及びコールドヘッド１５は、
断熱のための真空層１６を保つために、真空容器１７の
中に収納される。これにより、冷凍機１４の運転により
、そのコールドヘッド１５を介して、良熱伝導用ガスと
してのヘリウムガス１１を含む熱伝導容器１２によって
、前記コールドヘッド１５の温度と、被冷却物体である
環状導体群１ｏの温度とほぼ同一温度に維持することが
できる。１８．１９はそれぞれ環状導体群への通電用の
リード線１８を熱伝導容器１２から真空層１６へ、及び
真空層１６から外部へ導出するためのハーメチックシー
ルである。

２１．２２は、冷凍機１４の図示しない外部コップレッ
サーへの接続される管の接続用コネクターである。また
、環状導体群１０により、発生された磁場は、磁場利用
空間２３でいろいろと利用できることは言うまでもない
。また、前記環状導体群は、通常の液体窒素などの冷媒
を用いて冷却できることは言うまでもない。

〔発明の効果〕

本発明によれば、超電導体間の電気的接続を全く必要と
しないので、永久電流モード状態で安定に利用できる超
電導コイル装置を提供できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は夫々本発明の実施例に係る超電導コ
イル装置の斜視図、第３図は本発明の一実施例装置にお
ける環状導体群の励磁をするための電気的接続図、第４
図、第５図、第６図は夫々第３図の実施例装置の動作原
理説明用断面図、第７図は、第３図の実施例装置の冷却
部の断面図である。ｌａ、ｌｂ・・・酸化物超電導セラミクス材料製環状導
体、２ａ、２ｂ・・・電気絶縁体製環状導体。

Claims

【特許請求の範囲】１、ペロブスカイト状結晶構造よりなる酸化物超電導セ
ラミクス材料を利用する超電導コイル装置において、前
記酸化物超電導材料で複数の環状導体群を構成し、これ
らの環状導体群に電流を流し、永久磁場発生器にするこ
とを特徴とする超電導コイル装置。２、前記酸化物超電導材料より成る複数の環状導体の間
の絶縁方法として、この酸化物超電導材料として、（Ｌ
＿１＿−＿ｘＢ＿ａ＿ｘ）ＣｕＯｙ〔ここで０．４≦ｘ
≦０．７、ｙ≦３、ＬはＹ及びＬａなどのランタノイド
元素〕で表わされるものを使用する場合、この酸化物超
電導材料と同じ元素系あるいはＬ元素として、Ｓｃ、Ｙ
及びＬａなどのランタノイド元素のうち他の１つからな
り、そして同等のペロブスカイト状結晶構造を持ち、か
つ０≦ｘ≦０．３、ｙ≦３なるＬ元素リッチな化学量論
組成比をもつ材料を利用することを特徴とする特許請求
の範囲第１項記載の超電導コイル装置。３、前記酸化物超電導材料よる成る複数の環状導体のそ
れぞれについて、その環状導体の一部分だけを、常電導
化するためのヒータを設け、前記常電導化された環状導
体の領域の両端に通電のための電極端を設けたことを特
徴とする特許請求の範囲第１項記載の超電導コイル装置
。４、外部磁場発生マグネットの磁場発生量を変化させる
ことにより、前記複数の環状導体群に誘導電流を発生せ
しめ、これらの環状導体群を励磁することを特徴とする
特許請求の範囲第１項記載の超電導コイル装置。５、前記環状導体群を、ヘリウムガスを充てんした熱伝
導容器中に収納し、前記ヘリウムガスの熱伝導により、
主に冷却することを特徴とする特許請求の範囲第１項記
載の超電導コイル装置。６、前記熱伝導容器をギフオードマクマホンサイクルな
どで動作する小型ガス冷凍機のコールドヘッドに直接取
り付け、冷却することを特徴とする特許請求の範囲第５
項記載の超電導コイル装置。