(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導体と永久磁石との間のピンニング効果を利用した超電導軸受において、永久磁石に対向する超電導体面上を被覆する薄膜被覆部材と、冷媒または冷凍機によって冷却され、かつ永久磁石に対向してない超電導体面と接触する均熱材とを備え、前記薄膜被覆部材は、前記超電導体よりも熱伝導率の高い材料からなり、前記永久磁石に対向する超電導体面上を被覆すると共に前記均熱材にも接触していることを特徴とする超電導軸受。
【請求項２】
前記超電導軸受が、気圧が１Pa以下の真空容器内に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の超電導軸受。
【請求項３】
前記超電導体に銀を含有してなることを特徴とする請求項１または２に記載の超電導軸受。
【請求項４】
超電導体と永久磁石との間のピンニング効果を利用した超電導軸受の冷却方法において、前記超電導体と前記永久磁石との間の距離を所定の距離よりも小さくして、あるいは前記超電導体と前記永久磁石とを接触させて、前記超電導体を冷却することにより前記永久磁石および浮上体の永久磁石周辺部を予め冷却した後、前記超電導体の冷却を一時中断し、前記超電導体の温度を臨界温度以上にして、前記臨界温度以上の超電導体と前記予冷した永久磁石との間の距離を前記所定の距離にしてから、前記超電導体を冷却することを特徴とする超電導軸受の冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力貯蔵用フライホイールや高速回転機器などに用いられる超電導軸受に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超電導軸受は、超電導体と永久磁石との間のピンニング効果を利用したものであり、物体を制御なしで非接触で安定に浮上・回転できる機能を有する軸受である。
【０００３】
超電導軸受において、超電導性を発現させるためには、冷媒等を用いて超電導体をその臨界温度以下に冷却する必要がある。超電導軸受の冷却方法に関しては、第47回1992年度春季低温工学・超電導学会講演概要集・講演A2-6の２.実験と 考察に「初期すきまZ0＝2.0mmでSMB（超電導軸受）を液体窒素により磁場冷却した後で軸を解放しており、軸が自重で下降した後の実際すきまはZ＝1.8mmである。」と記載されているように、冷却する前に何らかの支持手段を用いて超電導体と永久磁石との間の距離をある所定の距離（初期すきま）だけ離して支持し、液体窒素等の冷媒を用いて超電導体を冷却し、その後支持手段を解放して浮上体を浮上させるという方法で行われている。しかも、超電導軸受の浮上高さ（すきま）に関しては、浮上体が自重で降下するため、支持手段解放後の浮上高さ、即ち浮上状態での超電導体と永久磁石との間の距離（実際すきま）は、初期すきまよりも小さくなることが記載されている。
【０００４】
また、超電導軸受は、風損低減や結露防止を目的として、真空容器内に配置され使用される。超電導軸受が配置された真空容器内の気圧の従来例としては、特許第2852157号に「周囲の気圧を0.1atm（〜104Pa）から0.4atm（〜4×104Pa）に設定すると、風損を小さくでき効率を上げることができた」と記載されているように、気圧としては104Pa程度でも十分効果があると考えられている。
【０００５】
従来の超電導軸受の構造例としては、特開平4-296218号公報、特開平2-163513号公報に図示されたようなものがある。例えば、特開平4-296218号公報では、図６に簡単な構成概念図を示したように、超電導体を液体窒素等の冷却剤（冷媒）に浸漬させることで冷却し、超電導体と永久磁石との間に薄い薄膜隔壁を設け、薄膜隔壁でハウジング（クライオスタット）内の冷媒溜めの開口部を塞ぎ、かつ薄膜隔壁と超電導体とのすきまにも冷媒が溜まる構造となっている。
【０００６】
また、特開平2-163513号公報では、図７に簡単な構成概念図を示したように、液体窒素等の冷媒で永久磁石と対向してない超電導体面から超電導体を冷却し、超電導体と永久磁石との間には薄膜隔壁や冷媒の進入路を設けずに超電導体と永久磁石との間にすきまを確保する構造となっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図６のように、永久磁石に対向する超電導体面側にも冷媒を溜めることによって冷却する構造では、薄膜隔壁部の機械的強度が弱く、真空容器内に配置して使用することが難しいという問題がある。すなわち、薄膜隔壁の片側に冷却溜まりが存在し、その反対側は真空状態なので、薄膜隔壁には大気圧の圧力がかかることになるが、薄膜隔壁が薄いため強度的に弱く、薄膜隔壁は変形あるいは破壊してしまう可能性がある。特に、フライホイールのような重量物を支持する場合には、超電導軸受の面積が大きくなり、必然的に薄膜隔壁の面積も大きくなるので、薄い薄膜隔壁ではますます変形し易くなり、真空容器内に配置して使用することができなくなる。
【０００８】
一方、図７のように、冷媒で永久磁石と対向してない超電導体面から超電導体を冷却する構造では、液体窒素の真空容器内への漏れ対策が難しく、真空容器内に配置して使用することが難しいという問題がある。すなわち、超電導体と冷却容器が接触している部分のシールが難しく、そこから液体窒素が真空容器内に漏れてしまうので、真空容器内に配置して使用することはできない。
【０００９】
さらに、永久磁石に対向する超電導体面が冷却されにくい構造であるために、浮上体が徐々に降下して、最終的には浮上できなくなるという問題もある。すなわち、超電導軸受の初期すきまと実際すきまとの差、即ち浮上体の降下量は、浮上体の重量と超電導軸受の浮上力との釣り合いで決まるものであるが、永久磁石に対向する超電導体面の冷却が不十分であると浮上力が低下するので降下量が大きくなる。降下量が大きいと、超電導体よりも温度が高い永久磁石が超電導体に急激に近付くことになり、永久磁石および浮上体の永久磁石周辺部からの熱輻射等で超電導体の温度が上昇し、超電導体の浮上力がさらに低下する。その結果、降下量がますます大きくなり、最終的には浮上できなくなってしまう可能性がある。特に、フライホイールのような重量物の場合には、最初の降下量が大きいため、浮上は不可能となる。
【００１０】
本発明は、上記の問題を解決し、真空容器内でも使用でき、さらにフライホイールのような重量物でも浮上可能な超電導軸受およびその冷却方法を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明による超電導軸受は、超電導体と永久磁石との間のピンニング効果を利用した超電導軸受において、永久磁石に対向する超電導体面上を被覆する薄膜被覆部材と、冷媒または冷凍機によって冷却され、かつ永久磁石に対向してない超電導体面と接触する均熱材とを備え、前記薄膜被覆部材は、前記超電導体よりも熱伝導率の高い材料からなり前記永久磁石に対向する超電導体面上を被覆すると共に前記均熱材にも接触していることを特徴とする超電導軸受である。
そして、前記超電導軸受は、超電導軸受を気圧が１Pa以下の真空容器内に配置することが好ましい。
また、前記超電導軸受は、超電導体に銀を含有してなることが好ましい。
【００１２】
さらに、本発明による超電導軸受の冷却方法は、超電導体と永久磁石との間のピンニング効果を利用した超電導軸受の冷却方法において、前記超電導体と前記永久磁石との間の距離を所定の距離よりも小さくして、あるいは前記超電導体と前記永久磁石とを接触させて、前記超電導体を冷却することにより前記永久磁石および浮上体の永久磁石周辺部を予め冷却した後、前記超電導体の冷却を一時中断し、前記超電導体の温度を臨界温度以上にして、前記臨界温度以上の超電導体と前記予冷した永久磁石との間の距離を前記所定の距離にしてから、前記超電導体を冷却することを特徴とする超電導軸受の冷却方法である。
【００１３】
本発明による超電導軸受の構成によれば、冷媒または冷凍機によって均熱材を冷却し、冷却された均熱材に超電導体を接触させることによって超電導体を冷却する。均熱材は銅、銀、アルミニウムなどの熱伝導率の高い材料であることが好ましいが、厚さや形状等に関しては特に制約がないため、液体窒素等の冷媒の漏れを防止する密閉構造にすることは容易であり、また薄膜隔壁のように薄くする必要もないので、真空容器内でも使用することが可能である。
【００１４】
また、永久磁石に対向してない超電導体面を冷却された均熱材に接触させることによって超電導体を冷却するために、永久磁石に対向する超電導体面の冷却が不十分になる可能性があるが、永久磁石に対向する超電導体面上を薄膜被覆部材で直接被覆することによって、超電導体部よりも温度が高い永久磁石および浮上体の永久磁石周辺部からの熱輻射等を遮ることができるので、永久磁石に対向する超電導体面を効果的に冷却することができる。さらに、薄膜被覆部材を冷却された均熱材に接触させることによって、均熱材の冷熱を効果的に永久磁石に対向する超電導体面に伝えることができるので、永久磁石に対向する超電導体面を十分冷却することができる。
【００１５】
薄膜被覆部材として、銅、銀、アルミニウム、炭化珪素、ステンレス鋼などの酸化物超電導体よりも熱伝導率の高い材料を使用するが、この場合には均熱材の冷熱を効果的に永久磁石に対向する超電導体面に伝える働きを待たせるように、必ず薄膜被覆部材を均熱材に接触させなければならない。また、薄膜被覆材の厚さに関しては、超電導体と永久磁石間のすきまを確保することを考慮すると、2mm以下の厚さが好ましい。
【００１６】
このように本発明では、真空容器内でも使用可能な構造であり、さらに永久磁石に対向する超電導体面を十分冷却することができるので、超電導体の温度上昇による浮上力の低下もなく、フライホイールのような重量物でも浮上可能となる。
【００１７】
また、前記超電導軸受を気圧が1Pa以下の真空容器内に配置することによって 、超電導軸受においても真空断熱効果を持たせることができ、超電導体よりも温度が高い永久磁石および浮上体の永久磁石周辺部からの熱侵入量を抑えることができるので、永久磁石と対向する超電導体面をより効果的に冷却することができる。その結果、フライホイールなどの重量物の浮上がより容易になる。本発明で、気圧を1Pa以下に設定したのは、超電導軸受において真空断熱効果を持たせる ためである。従来技術の項でも述べたように、風損低減や結露防止のためならば104Pa程度の気圧で十分であるが、超電導軸受における超電導体と永久磁石との 間に真空断熱効果を持たせるには、その間に存在する気体ガスの平均自由行程が、超電導体と永久磁石間のすきま程度、すなわち1mm〜数mm程度になるまで気圧 を下げる必要がある。液体窒素温度の77Kにおける1Paの気圧での空気の平均自由行程が1.1mm程度であるので、真空容器内の気圧として1Pa以下に設定しなければならない。
【００１８】
また、超電導軸受に用いる超電導体は酸化物超電導体であり、酸化物超電導体の熱伝導率は、例えば、Y-Ba-Cu-Oの場合液体窒素温度近傍では10W/mK程度と小 さいが、超電導体の熱伝導率を改善することにより、永久磁石と対向する超電導体面をより効果的に冷却することができる。その結果、フライホイールなどの重量物の浮上がより容易になる。超電導体の熱伝導率を改善するには、銀などの熱伝導率が400W/mK程度と大きくて、かつ超電導体に含有させても超電導特性低下 の影響が小さい物質を超電導体中に含有させることが有効である。銀の含有率が多いほど超電導体の熱伝導率は大きくなり、より効果的な冷却が期待できるが、銀の含有率が30wt％超になると超電導体の超電導特性が低下してくるので、銀の含有量としては30wt％以下が好ましい。
【００１９】
さらに、本発明の超電導軸受の冷却方法によれば、予め永久磁石および浮上体の永久磁石周辺部を冷却しておくことでその温度を低くすることにより、永久磁石および浮上体の永久磁石周辺部から超電導体への熱の侵入量を低減することができ、永久磁石に対向する超電導体面をより効果的に冷却することができる。その結果、フライホイールなどの重量物の浮上がより容易になり、長期に安定して浮上させることが可能となる。
【００２０】
予冷の温度としては、超電導体と同じ温度、例えば、超電導体を液体窒素で冷却する場合には、液体窒素温度である77Kまで予冷することが最も好ましい。し かし、浮上体全体を液体窒素温度まで冷却することは、予冷に必要な時間が長くなることになる。一般に高温側から低温側への熱の侵入量として、輻射による熱伝導の場合は温度の4乗の差に比例することが知られている。従って、予冷なし では室温（300K程度）であった永久磁石および浮上体の永久磁石周辺部を250Kまで予冷すると、77Kの超電導体への熱輻射による熱侵入量は2分の1程度に抑制で きる。このように50K程度の予冷であっても、熱侵入量を抑制するという効果は 十分期待でき、さらに予冷時間を比較的短くできる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付の図面に基づいて詳述する。
図１は、本発明に基づいた超電導軸受の一実施例の断面図である。図１では、超電導体と永久磁石が軸方向に対向したアキシャル軸受で、超電導体は熱伝導率の高い銅で作られた均熱材に固定されている。この均熱材内には液体窒素を溜める液体窒素溜めが設けられており、液体窒素溜めに外部の液体窒素供給装置から液体窒素が供給される。液体窒素溜めの液体窒素が気化した場合に、気化ガスを冷却容器外に逃がすことができるように、液体窒素の流出経路は液体窒素溜めの上方に取り付けられている。冷却容器から真空容器へ伝わる熱量を抑制するために、冷却容器は断熱材を介して真空容器に固定されている。超電導体は、液体窒素により冷却された均熱材に超電導体の底面および側面が接触していることにより、均熱材からの熱伝導で間接的に冷却されている。超電導体を均熱材に固定する際にグリースを塗布すれば、密着性が改善され冷熱がよく伝わる。
【００２２】
永久磁石に対向する超電導体面は薄膜被覆材で覆われている。薄膜被覆部材が存在することによって、永久磁石および浮上体の永久磁石周辺部からの輻射による熱伝導を遮蔽することができ、永久磁石に対向する超電導体面を効果的に冷却することができる。さらに、薄膜被覆部材を均熱材に接触させることにより、永久磁石に対向する超電導体面にも均熱材の冷熱を伝えることができ、永久磁石に対向する超電導体面をより効果的に冷却することができる。このような軸受構造にすることにより、真空容器内でも使用でき、さらにフライホイールのような重量物でも浮上可能になる。
【００２３】
さらに、本実施例の超電導軸受は真空容器内に配置され、真空容器内部は真空排気装置により1Pa以下の気圧に保たれている。そのため、永久磁石および浮上 体の永久磁石周辺部からの熱侵入量を真空断熱効果により抑制することができ、永久磁石に対向する超電導体面をより効果的に冷却することができる。その結果、フライホイールなどの重量物の浮上がより容易になる。
【００２４】
さらに、本実施例の超電導軸受の超電導体としては、銀含有率10wt％のY-Ba-Cu-O系酸化物超電導体あるいは銀含有率20wt％のSm-Ba-Cu-O系酸化物超電導体を 用いている。超電導体の内部に存在する銀が熱伝導率を高くしているため、超電導体を冷却された均熱材に接触させることにより間接的に冷却しているにもかかわらず、永久磁石に対向する超電導体面をより効果的に冷却することができる。その結果、フライホイールなどの重量物の浮上がより容易になる。
【００２５】
さらに、本実施例の超電導軸受は、本発明に基づいた超電導軸受の冷却方法の一実施例として、図２に示したように、永久磁石および浮上体の永久磁石周辺部に対して一度予冷を行う方法で冷却されている。すなわち、まず最初に、超電導体と永久磁石間の距離を所定の距離（初期すきま）よりも小さくして、あるいは超電導体と永久磁石を接触させて、超電導体を冷却する。超電導体と永久磁石間の距離が小さいと、永久磁石および浮上体の永久磁石周辺部からの熱侵入量が大きくなるが、このことは逆に超電導体側から永久磁石側に冷熱が伝わりやすくなることを意味し、その結果永久磁石および浮上体の永久磁石周辺部の温度が低下する。その後、超電導体の冷却を一時中止し、超電導体の温度を臨界温度以上にする。超電導体の温度を臨界温度以上にするのは、予冷段階で超電導体にピンニングされてしまう磁力線をピンニングから解放するためである。
【００２６】
超電導体の温度が臨界温度以上になってから、超電導体と永久磁石間の距離を所定の距離（初期すきま）に戻し、再度超電導体を冷却する。このような冷却方法を行うことによって、永久磁石および浮上体の永久磁石周辺部の温度が低下し、永久磁石および浮上体の永久磁石周辺部から超電導体への輻射等による熱侵入量を著しく低減することができるので、永久磁石に対向する超電導体面をより効果的に冷却することができ、フライホイールのような重量物の浮上がより容易になり、長期に安定して浮上させることが可能となる。
【００２７】
図３は、本発明に基づいた超電導軸受の別の実施例の断面図である。図３では、超電導体が冷凍機によって冷却されている点が図１の実施例とは異なるが、その他の部分に関しては図１と共通しているので説明は省略する。図３では、超電導体は、冷凍機によって冷却された均熱材に固定され、冷却される。永久磁石に対向する超電導体面を被覆している薄膜被覆材を均熱材に接触させることで、永久磁石に対向する超電導体面を効果的に冷却することができる。さらに、図１の実施例と同様、真空容器内部を1Pa以下の気圧に保つこと、銀を含有した超電導 体を用いること、永久磁石および浮上体の永久磁石周辺部を予め冷却しておくことなどを行えば、永久磁石に対向する超電導体面をより効果的に冷却することができる。その結果、フライホイールなどの重量物の浮上がより容易になり、長期に安定して浮上させることが可能となる。
【００２８】
図４は、本発明に基づいた超電導軸受の別の実施例の断面図である。図１から図３までの実施例では、超電導体と永久磁石が軸方向に対向したアキシャル軸受であるが、図４では、超電導体と永久磁石が動径方向に対向したラジアル軸受である。その他の部分に関しては図１から図３の実施例と共通しているので説明は省略する。図４のようなラジアル軸受でも、永久磁石に対向する超電導体面を被覆している薄膜被覆材を均熱材に接触させることで、永久磁石に対向する超電導体面を効果的に冷却することができる。さらに、図１や図３の実施例と同様、真空容器内部を1Pa以下の気圧に保つこと、銀を含有した超電導体を用いること、 永久磁石および浮上体の永久磁石周辺部を予め冷却しておくことなどを行えば、永久磁石に対向する超電導体面をより効果的に冷却することができる。その結果、フライホイールなどの重量物の浮上がより容易になり、長期に安定して浮上させることが可能となる。
【００２９】
本発明の効果を調べるために、直径46mmの円盤形状のY-Ba-Cu-O系の酸化物超 電導体を用いて、直径36mmのPr-Fe-B希土類系の永久磁石を近付けた際の温度上 昇を超電導体上面に取り付けた熱電対を使って測定した。超電導体を銅製の均熱材に固定し、液体窒素が入った冷却容器中に設置した。液体窒素の量は、超電導体の上面が液体窒素に浸らないように、冷却容器半分程度とした。測定は、図５に示した３つの条件で行った。測定（A）は、従来例で、薄膜被覆部材はなく、 かつ永久磁石の予冷もない場合である。測定（B）は、本発明の超電導軸受の実 施例で、銅製の厚さ1mmの薄膜被覆部材はあるが、本発明の冷却方法である永久 磁石の予冷は行っていない場合である。測定（C）は、本発明の超電導軸受の別 の実施例で、銅製の厚さ1mmの薄膜被覆部材があり、さらに本発明の冷却方法で ある永久磁石の予冷を行った場合である。永久磁石の予冷は、図２に示した方法で行った。
【００３０】
永久磁石を超電導体に近付けた際の温度上昇は、測定（A）では10Kであったのに対して、測定（B）では3K、測定（C）では1Kと温度上昇の程度が小さくなった。さらに、図５に示した３つの条件に対して、浮上力の大きさも測定した。浮上力の測定値は、測定（A）では50N、測定（B）では201N、測定（C）では225Nであった。以上の実験結果から、薄膜被覆部材が永久磁石に対向する超電導体面の冷却に効果があること、および永久磁石の予冷が永久磁石に対向する超電導体面の冷却に効果があることが確認でき、さらには超電導軸受がより効果的に冷却された結果、浮上力が改善されることが確認できた。すなわち、本発明により、フライホイールのような重量物の浮上がより容易になる。
【００３１】
また、本発明の効果を調べるために、真空容器中で別の実験を行った。直径46mmの円盤形状のY-Ba-Cu-O系の酸化物超電導体を用いて、直径36mmのPr-Fe-B希土類系の永久磁石を近付けた際の温度上昇を超電導体上面に取り付けた熱電対を使って測定した。真空容器中なので、銅製の均熱材内に設けた液体窒素溜めに液体窒素を注入し、その均熱材に超電導体を接触させることで超電導体を冷却した。測定は、真空容器内の気圧10Paと1Paの２つの条件で行った。薄膜被覆部材は銅 製の厚さ1mmのものを用い、永久磁石の予冷は行わなかった。
【００３２】
永久磁石を超電導体に近付けた際の温度上昇は、気圧10Paでは3Kであったのに対して、気圧1Paでは1.5Kと温度上昇の程度が小さくなった。さらに、浮上力の 大きさも測定した。浮上力の測定値は、気圧10Paでは195N、気圧1Paでは210Nで あった。以上の実験結果から、真空容器内の気圧を1Pa以下にすることが永久磁 石に対向する超電導体面の冷却に効果があることが確認でき、さらには超電導軸受がより効果的に冷却された結果、浮上力が改善されることが確認できた。すなわち、本発明により、フライホイールのような重量物の浮上がより容易になる。
【００３３】
また、本発明の効果を調べるために、別の実験を行った。直径46mmの円盤形状のY-Ba-Cu-O系の酸化物超電導体を用いて、直径36mmのPr-Fe-B希土類系の永久磁石を近付けた際の温度上昇を超電導体上面に取り付けた熱電対を使って測定した。超電導体を銅製の均熱材に固定し、液体窒素が入った冷却容器中に設置した。液体窒素の量は、超電導体の上面が液体窒素に浸らないように、冷却容器半分程度とした。測定は、銀の含有量0wt％の超電導体と銀の含有量20wt％の超電導体 の２つの条件で行った。薄膜被覆部材は銅製の厚さ1mmのものを用い、永久磁石 の予冷は行わなかった。
【００３４】
永久磁石を超電導体に近付けた際の温度上昇は、銀含有量0wt％では3Kであっ たのに対して、銀含有量20wt％では1.5Kと温度上昇の程度が小さくなった。さらに、浮上力の大きさも測定した。浮上力の測定値は、銀含有量0wt％では201N、 銀含有量20wt％では209Nであった。以上の実験結果から、超電導体として銀を含有したものを用いることが永久磁石に対向する超電導体面の冷却に効果があることが確認でき、さらには超電導軸受がより効果的に冷却された結果、浮上力が改善されることが確認できた。すなわち、本発明により、フライホイールのような重量物の浮上がより容易になる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明の超電導軸受によれば、超電導体と永久磁石との間のピンニング効果を利用した超電導軸受において、真空容器内でも使用でき、さらにフライホイールのような重量物でも浮上可能な超電導軸受およびその冷却方法を提供できるので、電力貯蔵用フライホイールや高速回転機器に用いられる超電導軸受の実現可能性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施例の超電導軸受の断面図
【図２】本発明の超電導軸受の冷却方法を示す概念図
【図３】本発明の第二実施例の超電導軸受の断面図
【図４】本発明の第三実施例の超電導軸受の断面図
【図５】本発明の効果を調べるための実験の概念図
【図６】従来例の超電導軸受の断面図
【図７】別の従来例の超電導軸受の断面図
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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