(57)【要約】【課題】本発明は、10T級の強磁場中での着磁過程においても割れないで強力な磁場発生源として使用可能な超電導バルク磁石を提供する。【解決手段】RE1Ba2Cu3Oy（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とこれを囲む補強リングで構成される超電導バルク磁石において、室温における前記補強リングの内径d1と前記超電導バルク体の外径d2がd1<d2であって、前記補強リングと前記超電導バルク体の間に樹脂が充填していることを特徴とする超電導バルク磁石である。【選択図】図１
2016131236.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
RE1Ba2Cu3Oy（REはY又は希土類元素から選ばれる１種又は２種以上の元素であり、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とこれを囲む補強リングで構成される超電導バルク磁石部材において、室温における前記補強リング単体の内径d1と前記超電導バルク体単体の外径d2がd1<d2の関係を有し、前記補強リングと前記超電導バルク体の間に緩衝材層が充填されていることを特徴とする超電導バルク磁石部材。
【請求項２】
室温状態の超電導バルク体に付与している圧縮応力が50MPa以上300MPa以下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部材。
【請求項３】
前記緩衝材が樹脂であ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部材。
【請求項４】
前記緩衝材が、融点が573K以下の低融点金属であり、かつ前記超電導バルク体の外周面に銀皮膜を設け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部材。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の超電導バルク磁石部材の製造方法であって、室温において、前記超電導バルク体の最外周および／または前記補強リングの内面に緩衝材を塗布する工程と、前記補強リングを４２３Ｋ〜６２３Ｋに加熱した後、前記補強リングに前記超電導バルク体を挿入する工程とを有すことを特徴とする超電導バルク磁石部材の製造方法。
【請求項６】
臨界温度以下において、有限の磁場を発生している請求項１〜４のいずれかに記載の超電導バルク部材からなる超電導バルク磁石。
【請求項７】
請求項１〜４のいずれかに記載の超電導バルク磁石部材を、外部磁場下でかつ臨界温度以下に冷却された状態から外部磁場を取り除くことによって着磁することを特徴とする超電導バルク磁石の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導バルク体を利用した超電導バルク磁石部材と超電導バルク磁石およびそれらの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
RE1Ba2Cu3Oy（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。
【０００３】
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おそれがある。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の熱膨張係数の違いにより均等に加圧することで、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。特許文献１には、77Kにおいて内径がd1の金属リングと直径がd2の超電導バルク体（ここでd1＜d2）とを用い、77K以上の温度において金属リングを挿入する方法が開示されている。さらに、特許文献１には、室温において内径がd1の金属リングと直径がd2の超電導バルク体（ここでd1＞d2）とを用い、金属リングの中に超電導バルク体を配置し、超電導バルク体と金属リングの隙間に樹脂を挿入する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−３３５１２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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、5T級の磁場では問題にならなかったが、10T級の強磁場中で超電導バルク体の着磁を行うと、金属リングで補強していても、着磁過程において超電導バルク体が破損することが起こるという問題があった。特に、試料サイズが50mm以上の大型の超電導バルク体の場合には、破損する頻度が高くなる。また、室温でｄ１＞ｄ２となる条件で金属リングと超電導バルク体との間隙に樹脂を挿入する方法においても、同様に破損の問題があった。
【０００６】
特に試料サイズが50mm以上の大型の超電導バルク体において、10T級の強磁場を着磁したいというニーズが高まってきている。しかし、超電導バルク体が破損すると、超電導バルク体が捕捉できる磁場能力が著しく低下し、強力な磁場発生源にはならない。従って、超電導バルク体を10T級の強力な磁場発生源として実現するためには、強磁場中での着磁過程において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。
【０００７】
そこで、本発明では、上記の問題を解決し、10T級の強磁場中での着磁過程においても割れないで強力な磁場発生源として使用可能な超電導バルク磁石部材と超電導バルク磁石およびそれらの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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）RE1Ba2Cu3Oy（REはY又は希土類元素から選ばれる１種又は２種以上の元素であり、yは酸素量で、6.8≦y≦7.1）中にRE2BaCuO5が分散した超電導バルク体とこれを囲む補強リングで構成される超電導バルク磁石部材において、室温における前記補強リング単体の内径d1と前記超電導バルク体単体の外径d2がd1<d2の関係を有し、前記補強リングと前記超電導バルク体の間に緩衝材層が充填されていることを特徴とする超電導バルク磁石部材である。
（２）室温状態の超電導バルク体に付与している圧縮応力が50MPa以上300MPa以下であることを特徴とする（１）に記載の超電導バルク磁石部材である。
（３）前記緩衝材が樹脂であ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部材である。
（４）前記緩衝材が、融点が573K以下の低融点金属であり、かつ前記超電導バルク体の外周面に銀皮膜を設け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部材である。
（５）（１）〜（４）のいずれかに記載の超電導バルク磁石部材の製造方法であって、室温において、前記超電導バルク体の最外周および／または前記補強リングの内面に緩衝材を塗布する工程と、前記補強リングを４２３Ｋ〜６２３Ｋに加熱した後、前記補強リングに前記超電導バルク体を挿入する工程とを有すことを特徴とする超電導バルク磁石部材の製造方法である。
（６）臨界温度以下に冷却され、かつ有限の磁場を発生している（１）〜（４）のいずれかに記載の超電導バルク部材からなる超電導バルク磁石である。
（７）（１）〜（４）のいずれかに記載の超電導バルク磁石部材を、外部磁場下でかつ臨界温度以下に冷却された状態から外部磁場を取り除くことによって着磁することを特徴とする超電導バルク磁石の製造方法である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明により、10T級の強磁場中での着磁過程においても割れないで強力な磁場発生源として使用可能な超電導バルク磁石を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係る超電導バルク磁石（超電導バルク磁石部材）の一例を示す概念図である。（ａ）は斜視図、（ｂ）は縦断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る超電導バルク磁石（超電導バルク磁石部材）の別の態様を示す概念図である。（ａ）は斜視図、（ｂ）は縦断面図、（ｃ）は縦断面の部分拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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１（超電導バルク磁石部材）の一例を示す概念図である。図１においては、円板形状の超電導バルク体１０の外周側面が補強リング１１で囲われており、超電導バルク体１０と補強リング１１の間に緩衝材としての樹脂層１２が存在する。補強リング１１の内径をd1、超電導バルク体１０の外径d2とすると、室温においてd1＜d2の関係にある。従って、室温では補強リング１１を超電導バルク体１０に嵌めこむことはできない。そこで、補強リング１１を超電導バルク体１０よりも高温に加熱し、補強リング内径d1を拡幅した状態にした後、超電導バルク体１０を挿入する工程を経ることによって本発明の超電導バルク磁石部材は製作される。そして、この超電導バルク磁石部材を外部磁場下でかつ臨界温度以下に冷却された状態から外部磁場を取り除くことによって着磁して、本発明の超電導バルク磁石１が得られる。
【００１２】
超電導バルク体１０が室温状態（300K前後）の場合、補強リング１１を423K以上に加熱した方が十分に内径拡幅でき、超電導バルク体１０の挿入工程をスムーズにできるので好ましい。また、補強リング１１を623K以上に加熱すると、挿入工程時に超電導バルク体１０の表面層を劣化させる可能性があるので好ましくない。このように７７K〜室温でd1＜d2の関係にある補強リング１１と超電導バルク体１０を一体化することにより、超電導バルク体１０には既に冷却前に補強リング１１からの圧縮応力が作用しており、その上に冷却することによって補強リング１１と超電導バルク体１０の熱膨張率の違いによる圧縮応力が加わることになる。超電導バルク体１０は酸化物系の脆性材料であり、圧縮応力に対しては強いが、引張応力に弱い性質を有する。着磁過程において超電導バルク体１０内に発生する電磁応力は主に引張応力であり、引張応力が超電導バルク体１０の材料強度を超えた際に破損することになる。本発明の構造では、事前に付与した圧縮応力が着磁過程で発生する引張応力を軽減するため、より強い磁場中で着磁を行っても、超電導バルク体１０の破損を防止できる。
【００１３】
室温状態において超電導バルク体１０に事前に付与される圧縮応力の値は、50MPa以上300MPa以下であることが望ましい。室温状態において超電導バルク体１０に事前に付与される圧縮応力の値が50MPaよりも小さいと10T級の強磁場での補強効果が小さいので、50MPa以上が好ましい。また、室温状態において超電導バルク体１０に事前に付与される圧縮応力の値が300MPaよりも大きくなると、冷却時に超電導バルク体１０と補強リング１１の熱膨張率の違いによる圧縮応力が加わることになり、冷却しただけで超電導バルク体１０が割れる可能性が高くなるので、300MPa以下が好ましい。圧縮応力の値は、歪ゲージを超電導バルク体１０に貼付することで見積もることができる。歪ゲージを貼付する位置は、圧縮応力の値が大きくなる超電導バルク体１０の中央部付近とする。すなわち、超電導バルク体１０が円板形状の場合には超電導バルク体１０の中央部に、超電導バルク体１０がリング形状の場合には超電導バルク体１０の内穴部に歪ゲージを貼付して、歪量から圧縮応力を見積もる。
【００１４】
しかしながら、実際には補強リング１１や超電導バルク体１０をリング形状や円板形状に加工する際には僅かに形状の歪が生じている場合が多い。補強リング１１から超電導バルク体１０に事前に付与される圧縮応力はできる限り均一に作用することが望ましいが、形状の歪が生じていると、事前に付与される圧縮応力の均一性が低くなる。そのため、5T以下の磁場中で超電導バルク体１０を着磁する場合には破損の問題は顕在化しにくいが、10T級の強磁場中で着磁する場合には、着磁過程中に超電導バルク体１０内に生じる電磁応力も非常に大きくなるので、超電導バルク体１０が破損する可能性が大きくなる。加工時の形状の歪は寸法が大きいほど大きくなるが、特に超電導バルク体１０のサイズが50mm以上になると、10T級の強磁場で着磁する過程で超電導バルク体１０が破損する頻度が高くなる。本発明の構造では、補強リング１１と超電導バルク体１０の間に樹脂層１２が存在するが、樹脂層１２が存在することで僅かな形状の歪が生じている場合においても、事前に付与される圧縮応力の均一性が高くなる。その結果、強磁場中での着磁過程においても割れないで強力な磁場発生源として使用可能な超電導バルク磁石１を提供することができる。補強リング１１と超電導バルク体１０の間に樹脂層１２が存在する構造は、超電導バルク体１０を補強リング１１に挿入する前に、超電導バルク体１０外周面や補強リング１１内周面に硬化性樹脂を事前に塗布しておくことで製作できる。従来、補強リング１１の内径d1と超電導バルク体１０の外径d2には室温において、d1＜d2の関係がある場合、超電導バルク体１０を高温にした補強リング１１に挿入した後、室温に戻した状態ではほとんどの樹脂は溢れ出してくるので、事前に樹脂を塗布することは無駄と考えられていた。実際、d1＜d2の関係がある場合で事前に樹脂を塗布したような報告例はない。しかしながら、ごく僅かに残った樹脂が形状の僅かな歪を緩和する効果を有するため、圧縮応力の均一性を改善することになり、超電導バルク体１０の着磁過程における破損防止に非常に有効になることを見出した。超電導バルク体１０が酸化物系の脆性材料であるために、このような樹脂の効果が顕著になる。
【００１５】
本発明の構造の超電導バルク磁石１（超電導バルク磁石部材）において、補強リング１１と超電導バルク体１０の間の緩衝材を、樹脂の代わりに半田等の低融点の柔らかい金属に変更しても同様の効果を有する。上述したように、超電導バルク体１０を挿入する際の補強リング１１の加熱温度は623K以下が好ましいので、補強リング１１と超電導バルク体１０の間に設ける低融点金属の融点は、挿入工程において完全に溶融状態にあるために、573K以下が好ましい。補強リング１１と超電導バルク体１０の間に半田等の低融点金属が存在する構造は、超電導バルク体１０を補強リング１１に挿入する前に、補強リング１１内周面に半田等の低融点金属を事前に塗布しておくことで製作できる。その際、超電導バルク体１０は酸化物系材料であり、半田等の低融点金属との濡れ性が悪いため、挿入時に必要以上の低融点金属が不均一に溢れ出してくる可能性がある。超電導バルク体１０外周面に事前に銀を成膜することによって、半田等の低融点金属との濡れ性を改善できる。成膜には、スパッタリングや蒸着等の方法を適用できる。補強リング１１の内径d1と超電導バルク体１０の外径d2にはd1＜d2の関係がある場合、超電導バルク体１０を補強リング１１に挿入した後、室温に戻した状態ではほとんどの低融点金属は溢れ出してくるが、ごく僅かに残った低融点金属が形状の僅かな歪を緩和する効果を有するため、圧縮応力の均一性を改善することになり、超電導バルク体１０の着磁過程における破損防止に非常に有効になることは樹脂の場合と同様である。
【００１６】
本発明に用いられる超電導バルク体１０としては、RE1Ba2Cu3Oy（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好ましい。RE1Ba2Cu3Oy中に分散したRE2BaCuO5の粒径が小さいほどピン止め力も強くなるので、平均粒径2μm以下のRE2BaCuO5が微細に分散している方がより好ましい。RE2BaCuO5を微細に分散させるには、超電導バルク体１０の粉体を製造する段階において、PtやCeO2を0.5質量％〜2質量％程度加えることで実現できる。
【００１７】
本発明に用いられる補強リング１１としては、剛性があり、冷却した際に超電導バルク体１０に圧縮応力が作用するように、超電導バルク体１０よりも熱膨張係数の絶対値が大きい材料であり、超電導バルク体１０表面の割れを抑制するために、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のいずれかが好ましい。
【００１８】
また、本発明の実施形態として、円板形状の超電導バルク体で説明したが、リング形状や円筒形状の超電導バルク体でも同様の効果を有することは言うまでもない。図２に示す別の実施の形態にかかる超電導バルク磁石２（超電導バルク磁石部材）では、リング形状の超電導バルク体１０の外周側面が補強リング１１で囲われており、超電導バルク体１０と補強リング１１の間に緩衝材としての低融点金属層１３が存在する。低融点金属層１３は融点が573K以下の低融点金属からなる。また、超電導バルク体１０の外周面には銀皮膜１４が設けられている。
【００１９】
この図２に示す別の実施の形態にかかる超電導バルク磁石２（超電導バルク磁石部材）は、超電導バルク体１０外周面に事前に銀を成膜して銀皮膜１４を設けることにより、半田等の低融点金属との濡れ性を改善できる。銀皮膜１４の成膜には、スパッタリングや蒸着等の方法を適用できる。
【００２０】
超電導バルク磁石１０の形状は、超電導電流が軸対称に流れる円板形状やリング形状が望ましいが、超電導バルク体１０の形状が四角形状や六角形状などの場合においても超電導バルク磁石は可能であり、その場合、補強リング１１は四角形状や六角形状など超電導バルク体１０の形状に合わせること以外は本発明の構造と同様に考えることができる。
【実施例】
【００２１】
（実施例１）
Ptを0.5質量％およびAgを10質量％含み、かつGd1Ba2Cu3Oy中にGd2BaCuO5が微細分散した単結晶状の超電導バルク体を、室温で直径60mm、高さ20mmの円板形状になるように加工した。また、室温で内径59.9mm、外径66.0mmのサイズを有するステンレス鋼製の補強リングを準備した。超電導バルク体の外周面とステンレス鋼製の補強リングの内面にエポキシ系樹脂を薄く塗布し、ステンレス鋼製の補強リングを300℃（573K）に加熱した後、すばやく超電導バルク体をステンレス鋼製の補強リングに嵌めこみ、室温に戻した。室温に戻る際に、超電導バルク体とステンレス鋼製の補強リングの隙間から多くの樹脂が溢れ出したが、それらは樹脂硬化する前にきれいにふき取った。
【００２２】
こうして製作した超電導バルク磁石部材を10T中の磁場中で55Kに冷却し、しかる後に、外部磁場を取り除いて超電導バルク磁石を得たところ、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。
【００２３】
比較例として、上記と同様の条件で、超電導バルク体の外周面とステンレス鋼製の補強リングの内面に樹脂を塗布しない場合、超電導バルク体に割れが発生した。
【００２４】
また、別の比較例として、同様の超電導バルク体を、室温で内径60.1mm、外径70.0mmのサイズを有するステンレス鋼製の補強リングと樹脂接着で超電導バルク磁石を製作し、同様の着磁を行ったところ、1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6.5Tに減磁した時に超電導バルク体は割れた。
【００２５】
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、10T級の強磁場中での着磁過程においても割れないで強力な磁場発生源として使用可能な超電導バルク磁石を提供することができる。
【００２６】
（実施例2）
CeO2を1.0質量％およびAgを8.0質量％含み、かつY1Ba2Cu3Oy中にY2BaCuO5が微細分散した単結晶状の超電導バルク体を、室温で直径65mm、内径20mm、高さ20mmのリング形状になるように加工した。また、室温で内径64.9mm、外径75.0mmのサイズを有するアルミ合金製のリングを準備した。超電導バルク体の外周面に2μmの銀層を設け、アルミ合金製の補強リングの内面に融点60℃（333K）の低融点半田（Uアロイ60）を薄く塗布し、アルミ合金製の補強リングを200℃（473K）に加熱した後、すばやく超電導バルク体をアルミ合金製の補強リングに嵌めこみ、室温に戻した。室温に戻る際に、超電導バルク体とアルミ合金製の補強リングの隙間から多くの低融点半田が溢れ出したが、それらは固化する前にきれいにふき取った。一部固化したものも研磨紙で簡単に取り除くことができた。
【００２７】
こうして製作した超電導バルク磁石部材を10T中の磁場中で40Kに冷却し、しかる後に、外部磁場を取り除いて超電導バルク磁石を得たところ、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リング中央部で9.8Tの磁場となっていた。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。
【００２８】
比較例として、同様の超電導バルク体を、室温で内径64.9mm、外径75.0mmのサイズを有するアルミ合金製の補強リングを200℃（473K）に加熱した後、半田や銀層なしで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、超電導バルク体リング中央部で9.7T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6Tに減磁した時に超電導バルク体は割れた。
【００２９】
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、10T級の強磁場中での着磁過程においても割れないで強力な磁場発生源として使用可能な超電導バルク磁石を提供することができる。
【００３０】
（実施例3）
CeO2を2.0質量％およびAgを15.0質量％含み、かつEu1Ba2Cu3Oy中にEu2BaCuO5が微細分散した単結晶状の超電導バルク体を、室温で直径64mm、内径32mm、高さ16mmのリング形状になるように加工した。また、室温で外径75.0mm、内径（A）63.98mm、（B）63.97mm、（C）63.9mm、（D）63.8mm、（E）63.75mmの５種類のサイズを有するステンレス鋼製のリングを準備した。超電導バルク体の外周面とステンレス鋼製の補強リングの内面にエポキシ系樹脂を薄く塗布し、ステンレス鋼製の補強リングを350℃（623K）に加熱した後、すばやく超電導バルク体をステンレス鋼製の補強リングに嵌めこみ、室温に戻した。室温に戻る際に、超電導バルク体とステンレス鋼製の補強リングの隙間から多くの樹脂が溢れ出したが、それらは樹脂硬化する前にきれいにふき取った。挿入前の超電導バルク体のリング内穴部に歪ゲージを貼付し、室温に戻った状態での歪量から圧縮応力を見積もると、５種類の補強リングによってそれぞれ（A）30MPa、（B）50MPa、（C）150MPa、（D）300MPa、（E）375MPa程度であった。
【００３１】
こうして製作した超電導バルク磁石部材を液体窒素で冷却したところ、(E)の超電導バルク体に割れが発生した。残りの(A)〜(D)の超電導バルク磁石部材について、10T中の磁場中で45Kに冷却し、しかる後に、外部磁場を取り除いて超電導バルク磁石を得たところ、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9.6Tの磁場となっていた。この着磁過程を繰り返したところ、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7Tに減磁した時に（A）の超電導バルク体は割れた。残りの(B)〜(D)の超電導バルク磁石部材については、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。
【００３２】
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、10T級の強磁場中での着磁過程においても割れないで強力な磁場発生源として使用可能な超電導バルク磁石を提供することができる。
【符号の説明】
【００３３】
１、２  超電導バルク磁石（超電導バルク磁石部材）
１０  超電導バルク体
１１  補強リング
１２  樹脂層
１３  低融点金属層
１４  銀皮膜
【図１】
2016131236.tif 000003
【図２】
2016131236.tif 000004