(57)【要約】【課題】主として交流用電気機器、例えば、限流器を作るのに適したバルク超電導体材料の、交流通電損失を低減する方法・手段を開発すること。【解決手段】酸化物超電導体を用いた超電導機器において、超電導体として、バルク超電導体から製造された、断面が多角形の角部を切り欠いた形状を有する、バルク超電導体の成形体を用いることを特徴とする。成形体としては、断面構造が、出来るだけ円形に近いものが好ましい。かかる成形体は、例えば、一旦、超電導体のバルクから多角形断面の材料を切り出し、その角部を切り取ることによって、円形又は円形類似の断面とすることによって得られる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化物超電導体を用いた超電導機器において、超電導体として、バルク超電導体から製造された、断面が多角形の角部を切り欠いた形状を有する、バルク超電導体の成形体を用いることを特徴とする酸化物超電導体を用いた超電導機器。
【請求項２】
多角形の角部を切り欠いた形状が、円形又は円形類似の断面である請求項１記載の酸化物超電導体を用いた超電導機器。
【請求項３】
多角形が、四角形である請求項１又は２記載の酸化物超電導体を用いた超電導機器。
【請求項４】
成形体が、柱状物である請求項１〜３のいずれか１項記載の酸化物超電導体を用いた超電導機器。
【請求項５】
超電導機器が、交流用超電導機器である請求項１〜４のいずれか１項記載の酸化物超電導体を用いた超電導機器。
【請求項６】
超電導機器が、限流器である請求項１〜５のいずれか１項記載の酸化物超電導体を用いた超電導機器。
【請求項７】
バルク超電導体から切り出された、多角形断面の超電導体材料の角部を切り取ることによって、交流損失の少ない成形体とすることを特徴とするバルク超電導体の成形体の製法。
【請求項８】
多角形断面の超電導体材料の角部を切り取った形状が、円形又は円形類似の断面である請求項７記載のバルク超電導体の成形体の製法。
【請求項９】
多角形が、四角形である請求項７又は８記載のバルク超電導体の成形体の製法。
【請求項１０】
成形体が、柱状物である請求項７〜９のいずれか１項記載のバルク超電導体の成形体の製法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化物超電導体の超電導機器への応用に関するもので、更に詳しくは、交流損失を低減したバルク超電導体の超電導機器への応用に関する。
【背景技術】
【０００２】
超電導体は電気抵抗が非常に小さく、大きな電流を通電しても発熱しないために、電力応用が検討されている。超電導状態にするためには冷却をしなければならないが、酸化物超電導体では、超電導に転移する臨界温度が液体窒素沸点温度よりもはるかに高いので、安価な液体窒素で冷却すれば良く、金属系超電導体に比べ、冷却コストは大幅に小さくなる。また、近年の冷凍機技術の発展で、冷凍機により直接超電導機器を冷却するという伝導冷却式の超電導機器も製品化されて、今後、益々発展が期待されている。
【０００３】
既存の電力設備は、交流で運転されているものが大多数であるので、超電導機器も、交流で運転すると置き換え可能な機器として用いることができる。超電導体を直流で定常運転しているときには、一般的に損失は殆どないが、交流の場合には僅かながら交流損失が発生する。この交流損失が、従来の機器よりも十分に小さくないと、コスト的に、実際に置き換えるメリットがない。従って、従来、交流電流を通電することによる損失、つまり交流通電損失を低減する研究開発が続けられてきている（例えば、特許文献１〜５、非特許文献１参照）。しかし、後述する本発明に関連したものは見られない。
【特許文献１】特開平９−３５５４９号公報
【特許文献２】特開平９−２５９６６０号公報
【特許文献３】特開平８−５０８２６号公報
【特許文献４】特開平６−２７５１５３号公報
【特許文献５】特開平５−３２５６６４号公報
【非特許文献１】E. S. Otabe et al., Physica C 382 (2002) 127-131
【０００４】
交流損失が発生する理由は、交流時には外部の磁界の変動があるために、超電導体内部に磁束が出入りするためである。これにより、周波数に依存しないいわゆる鉄損に相当するヒステリシス損と、周波数に比例するいわゆる銅損に相当する粘性損が、超電導体に発生する。これらは、通常は熱となるので冷却の妨げとなり、コストの増大を意味することとなる。例えば、現在の冷却の技術では、液体窒素温度での１Wの損失は、冷却のコストをいれると、常温での冷却の１０Wに相当する。
【０００５】
交流損失は、外部の変動磁界にある場合と、通電により自己磁界が変動する場合に大きく分けて考えることができる。このうち、交流電流を通電することによる交流損失を、交流通電損失という。超電導体では大きな電流が流せるので、大きな交流電流を通電すると、線材の周りには自己磁界が発生する。そして、これが超電導体内部に周期とともに出入りすることになり、これにより、交流通電損失が発生するのである。なお、直流の場合にも、電流が変動するときには、交流損失が発生する。
【０００６】
交流通電損失を低減するには、発生している交流磁界を、超電導体内に出入りさせなくする方法がある。例えば、磁束ピンニング力を向上させると、ローレンツ力により、出入りしようとする磁束の運動を妨げるので、交流通電損失は減少する。また、磁束ピンニング力は臨界電流と直結するので、臨界電流も向上し全体の性能が良くなる。しかし、磁束ピンニング力を決定する機構は複雑であり、簡単に向上させることができないという問題がある。
【０００７】
交流通電損失を低減する他の方法として、超電導体の形状を工夫することが考えられる。実用化されている金属系超電導体を用いた多くの交流用の超電導線は、1μｍ程度に細線化されている。これは履歴損失を低減するためである。しかし、この方法は、金属系の超電導体の様に、引き伸ばして細線加工できるものには向いているが、バルク超電導体の様に、加工性が悪く、もともと断面積が大きいものでは実現は困難である。なお、バルク超電導体とは、酸化物超電導体の利用形態の一つであり、一塊（バルク状）の超電導体を意味する。これは磁気浮上式ベアリングや電流リードに利用される。バルク超電導体による電流リードは、熱伝達性が小さく、一方で大電流を通電できるという大きな特徴を有する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の課題は、主として交流用電気機器、例えば、限流器を作るのに適したバルク超電導体の、交流通電損失を低減する方法・手段を開発することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、酸化物超電導体であるバルク超電導体の電気機器への応用の一つとして、バルク超電導体を用いた限流器の、交流通電損失を測定し理論と比較している際に、超電導体の断面形状が重要であるということを知見した。バルク超電導体を用いた限流器では、従来、バルク超電導体から断面が四角の角柱を切り出して用いる。これは、加工の容易性から通常行われている手法である。一方、理論では、解析の容易さから、円断面を仮定した解析解が用いられるのが一般的である。つまり四角断面の解析解は無い。この四角断面の限流素子の交流損失の値と、円断面を仮定した理論値を比較すると、通電電流が小さいところで、2倍ほど実験値のほうが大きいことが分かった。そこで、この原因を調べるために、形状を考慮できる有限要素法という手法を用いて数値計算を行った。その結果、四角断面の形状では、角のところで磁束密度が大きくなり、交流損失が増えるということが明らかとなった。
【００１０】
従って、バルク超電導体から切り出された超電導体材料の角の部分を取り除き、できるだけ円形断面に近づけることにより、交流通電損失を低減できることが予想された。そして、本発明者らは、実際に角を円形にしたものや、単純に角を直線で落としたものについて、有限要素法による数値計算を行った結果、交流通電損失が低減することを確認し本発明に到達したものである。
【００１１】
即ち、本発明の中の請求項１記載の発明は、酸化物超電導体を用いた超電導機器において、超電導体として、バルク超電導体から製造された、断面が多角形の角部を切り欠いた形状を有する、バルク超電導体の成形体を用いることを特徴とする酸化物超電導体を用いた超電導機器である。
【００１２】
請求項２記載の発明は、多角形の角部を切り欠いた形状が、円形又は円形類似の断面であることを、請求項３記載の発明は、多角形が、四角形であることを特定したものであり、そして、請求項４記載の発明は、成形体が、柱状物であることを規定している。請求項５記載の発明は、超電導機器が、交流用超電導機器であることを、そして、請求項６記載の発明は、用途を特に限流器に特定したものである。
【００１３】
本発明の中の請求項７記載の発明は、バルク超電導体から切り出された、多角形断面の超電導体材料の角部を切り取ることによって、交流損失の少ない成形体とすることを特徴とするバルク超電導体の成形体の製法である。
【００１４】
請求項８記載の発明は、前記製法において、多角形断面の超電導体材料の角部を切り取った形状が、円形又は円形類似の断面であることを、請求項９記載の発明は、多角形が、四角形であることを特定したものであり、請求項１０記載の発明は、成形体が、柱状物であることを規定している。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の、断面が円形又は円形類似のバルク超電導体材料を用いると、主として交流用超電導機器において、交流損失を従来の１／２に低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明において、バルク超電導体から製造された成形体の断面は、その断面形状が多角形の角部を切り欠いた形状であるが、できるだけ円形に近いものが好ましい。本発明の成形体は、バルク超電導体から直接、例えば、成形型を用いたり押出成形等の方法で製造しても良いが、加工性・作業性、更にコスト面を考慮すると、一旦、バルク超電導体から多角形、例えば、四角断面の材料を切り出し、その角部を切り取ることによって、円形又は円形類似の断面とするのが好ましい。成形体としては、電器機器に使用されるのに適した形状のものである限り、特に制限はないが、通常、円柱状物等の柱状物のものが良く使用される。
【００１７】
本発明の超電導機器は、主として交流用超電導機器を対象とするが、直流用機器であっても、電流が変動する場合には交流損失が発生するので、かかるケースでは、直流用超電導機器にも応用できる。超電導機器としては、特に限流器への適用が好ましい。
【００１８】
本発明における交流損失の少ない柱状物等の成形体は、バルク超電導体から切り出された、多角形断面、例えば、四角形断面の超電導体材料の角部を切り取ることによって、好ましく製造される。角部を切り取った形状が、円形又は円形類似の断面であるものが特に好ましい。角部を切り欠くとは、断面を見た場合、角部にＲを付けることを意味するが、断面を見た場合、一本ないし複数の直線で切り取られた形状でも良い。成形体としては、用途の要求特性に対応して、必要に応じて、超電導体の断面形状を決定し、角部の切り取り加工を行えば良い。
【００１９】
バルク超電導体は高温超電導体材料であるので、主として各種交流用超電導機器への応用が考えられる。酸化物超電導体、即ち、バルク超電導体は、電気伝導が非常に小さく、一方で熱伝導は小さく、常伝導状態に転移したときの電気抵抗は比較的高いという、他の材料には無い特長を備えている。そして、この応用例として、例えば、電流リードや限流器などが検討されている。中でも、限流器という交流機器を、超電導技術で実現するために研究・開発が行われている。限流器は、落雷などによって短絡事故が起きたときに、極めて短時間に電流が増大するのを防ぐための機器であり、電流を制限する機器ということから限流器と呼ばれている。超電導状態では、電流はスムーズに流れるが、事故のときに電流が増大すると、超電導体の臨界電流を越え、超電導体は超電導状態から抵抗状態に転移する。超伝導体の抵抗状態での電気抵抗は、通常の金属などに比べて高いために、電流が自動的に制限できる。事故後、電流が定格値に戻ると、自然に超電導状態に再び転移するために、非破壊で復帰することができる。限流器は、事故以外の待機時には、臨界電流よりも小さい電流が通電されており、このときの交流通電損失が十分に小さいことが求められる。そうでないと、既存の限流器と置き換える利点が無いからである。従って、本発明の交流損失が低減されたバルク超電導体の成形体は、特に、交流用限流器への応用に適している。
【００２０】
限流器に用いるバルク超電導体は、次の様なものである。即ち、溶融法で作られたY-123（イットリウム123）に代表されるRE-123（RE=希土類）を材料として、バルク（塊）状の超電導体を作製するものである。具体的には、原材料を混ぜて、通常は錠剤型に整形し、中心に種結晶を置き、1000度を超える温度で溶融し、結晶配向をさせる。現在では、直径10cm、高さ3cmほどのほぼ単結晶のバルク超電導体が作られている。バルク超電導体は、薄膜や線材に比べて断面積を大きく取ることができることから、臨界電流を数1000Aに設定することができる。また、材料の抵抗転移したときの電気抵抗値が大きいので、限流効果が高い。
【００２１】
本発明では、バルク超電導体材料の断面形状を円断面に近づけるということで、交流通電損失を、四角断面のものに比較して１／２倍程度に低減することができる。そして、その形状は、加工の困難な完全な円でなくても、直線で角を落とす程度でも十分に効果がある。つまり容易な加工により、効果が大きいのである。一方、欠点としては、断面積が若干少なくなるので、流せる最大の電流である臨界電流が小さくなることが考えられる。しかし、角を落とすことを考慮して設計すればこの点は問題ないと考えられる。以下、実施例により本発明を詳述する。
【実施例１】
【００２２】
粉末のＹ−１２３（イットリウム１２３）酸化物超電導体を原料として、従来公知の溶融法で単結晶のバルク超電導体を作成した。このバルク超電導体から、四角断面の長さが約４ｃｍの材料を切り出し、次いで、４つの角の部分を、金属ヤスリを使って、おおよそ三つの直線で構成される様なカーブになるように削り落とした。図１には、超電導体材料の成形体の断面を示した。図１の（ａ）は、四角断面のもので、図１の（ｂ）は、角の部分を三つの直線による加工により切り落としたものである。これにより、円形断面に少し近づけた断面形状になっている。かくして得られたバルク超電導体の成形体について、磁束密度を理論的に計算した。
【００２３】
図２には、図１の超電導体の成形体の、有限要素法による磁束分布の計算例を示した。図２では、対称性を考慮して断面の１／４のみ計算したものである。図２（ａ）に示した様に、四角断面のものは、角の部分で６．０ｍＴの磁束密度になっており、その部分での交流損失が大きくなっていることがわかる。一方、図２（ｂ）に示した様に、角を落としたものは、磁束密度の分布が小さく一様になっており、最大でも４．０ｍＴの磁束密度である。従って、その部分での交流損失が低減されていることが分かる。
【実施例２】
【００２４】
実施例１で得られたバルク超電導体の成形体について、交流損失の電流依存性を実験的に調べ、結果を図３に示した。図3は、円形断面の際の交流通電損失の理論値Wtheoryに対する、それぞれの形状の交流通電損失の、交流通電電流依存性を示している。横軸は、通電電流Ｉを臨界電流Ｉcで割った規格化電流ｉを示す。縦軸は、円形断面の場合の理論値で規格化している。これによれば、四角断面は、交流通電電流が小さいところで、円形断面の場合に比べて、2倍ほどの交流通電損失が発生していることが分かる。一方、角を落とした場合には、円形断面の交流通電損失とほとんど変わらないことが分かる。つまり、完全な円形断面としなくても、四角断面の角の部分を加工して落とすだけで、交流通電損失を低減できることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
バルク超電導体のように、線引きなどの加工が困難で細線化できない材料は、本発明のような断面構造の工夫により交流通電損失を低減せざるを得ない。従って、本発明は、今後、バルク超電導体を利用した各種交流電気機器へ、広く応用されることが期待される。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】超電導体材料の成形体の断面を示す図である。
【図２】図１の超電導体材料の成形体の、有限要素法による磁束分布の計算例を示す図である。
【図３】円形断面の際の交流通電損失の理論値Wtheoryに対する、それぞれの形状の交流通電損失の、交流通電電流依存性を示す図である。
【図１】
2006319101.tif 000002
【図２】
2006319101.tif 000003
【図３】
2006319101.tif 000004