特許 7372538 超電導軸受

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-10-24

(45)【発行日】2023-11-01

(54)【発明の名称】超電導軸受

(51)【国際特許分類】

   F16C 32/04 20060101AFI20231025BHJP

   H01F 6/00 20060101ALI20231025BHJP

   H02K 7/09 20060101ALN20231025BHJP

【ＦＩ】

F16C32/04 Z

H01F6/00

H02K7/09

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2020002406

(22)【出願日】2020-01-09

(65)【公開番号】P2021110384

(43)【公開日】2021-08-02

【審査請求日】2022-09-05

(73)【特許権者】

【識別番号】000006655

【氏名又は名称】日本製鉄株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100106909

【弁理士】

【氏名又は名称】棚井 澄雄

(74)【代理人】

【識別番号】100175802

【弁理士】

【氏名又は名称】寺本 光生

(74)【代理人】

【識別番号】100134359

【弁理士】

【氏名又は名称】勝俣 智夫

(74)【代理人】

【識別番号】100188592

【弁理士】

【氏名又は名称】山口 洋

(72)【発明者】

【氏名】手嶋 英一

【審査官】糟谷 瑛

(56)【参考文献】

【文献】特開平０７－２１７６５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０６２１１５８９（ＵＳ，Ｂ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ１６Ｃ ３２／００－３２／０６

Ｈ０１Ｆ ６／００－ ６／０６

Ｈ０２Ｋ ７／００－ ７／２０

Ｈ０２Ｊ １５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

リング形状を有する超電導バルク体と、
リング形状であり、周方向に延びた溝を有し、当該溝に前記超電導バルク体が格納された格納容器と、
前記超電導バルク体の上面側に、前記超電導バルク体と対向して非接触に配置されたリング形状又は円板形状の永久磁石と、を備え、
前記超電導バルク体と、前記格納容器の前記溝の底面とは接触しており、
前記格納容器は、熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、電気抵抗率が１０^３Ωｍ以上であり、熱膨張率が前記超電導バルク体よりも小さいセラミックスで構成されており、
前記格納容器が周方向に複数に分割された複数の格納容器部材から構成され、
隣り合う前記格納容器部材の間には隙間を有し、
前記格納容器は、前記格納容器の外周方向に亘って、熱膨張率が前記超電導バルク体よりも大きい外周拘束リングによって拘束されており、
前記格納容器の前記溝の外周壁が、前記超電導バルク体に、接触するように配置されている、
ことを特徴とする超電導軸受。

【請求項2】

前記超電導バルク体は、上面、下面、外周面、及び、内周面を備え、
前記格納容器の溝は、底面、外周壁、及び、内周壁を有し、前記格納容器は、前記溝に、前記超電導バルク体の下面、外周面、及び、内周面を囲むように、前記超電導バルク体を格納しており、
前記超電導バルク体の下面と前記格納容器の溝の底面は接触している、
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】

前記超電導バルク体の内周面が、前記格納容器の前記溝の内周壁に、接触するように配置されている、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の超電導軸受。

【請求項4】

前記超電導バルク体が、組成式がＲＥ_１Ｂａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｙ（式中のＲＥは、Ｙ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ及びＬｕからなる群から選択される１種又は２種以上の元素であり、ｙは、６．８≦ｙ≦７．２を満足する）で表され、結晶方位の揃ったＲＥ_１Ｂａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｙ相中に、組成式がＲＥ_２ＢａＣｕＯ_５で表されるＲＥ_２ＢａＣｕＯ_５相が分散した組織を有する酸化物超電導バルク体である、
ことを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の超電導軸受。

【請求項5】

前記超電導バルク体が、
組成式がＲＥ_１Ｂａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｙ（式中のＲＥは、Ｙ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ及びＬｕからなる群から選択される１種又は２種以上の元素であり、ｙは、６．８≦ｙ≦７．２を満足する）で表され、結晶方位の揃ったＲＥ_１Ｂａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｙ相中に、組成式がＲＥ_２ＢａＣｕＯ_５で表されるＲＥ_２ＢａＣｕＯ_５相が分散した組織を有する酸化物超電導バルク体と、
ＲＥ、Ｂａ、Ｃｕ、Ｏからなる多結晶状の酸化物超電導バルク体、Ｂｉ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｃｕ、Ｏからなる多結晶状の酸化物超電導バルク体、又はＭｇ及びＢからなる多結晶状の金属超電導バルク体のいずれかの多結晶状の超電導バルク体と、を組み合わせたものである、
ことを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の超電導軸受。

【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軸受に関する。

【背景技術】

【0002】

塊状（バルク状）の超電導体（超電導バルク体）は、永久磁石と組み合わせると、磁束のピン止め効果を利用することによって、複雑なフィードバック制御システムなしでも安定浮上が実現可能になることから、非接触な軸受としての応用が期待されている。以下、このような超電導バルク体を利用した軸受を超電導軸受と呼ぶ。超電導軸受は、非接触な安定浮上が可能なことから、クリーンルームなどでの塵挨の出ないクリーンな軸受やフライホイール式電力貯蔵装置用の軸受、宇宙衛星に搭載される極低温で動作する検出機器用の軸受などへの適用が提案されている。

【0003】

超電導軸受に用いる超電導バルク体としては、臨界温度Ｔ_ｃが高く、ピン止め力が強い超電導材料のバルク体、すなわち臨界電流密度Ｊ_ｃが高い超電導バルク体が望ましい。ＲＥ－Ｂａ－Ｃｕ－Ｏ系酸化物超電導材料（ＲＥは、Ｙ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ及びＬｕからなる群から選択される１種又は２種以上の元素である。）の臨界温度Ｔ_ｃは、９０Ｋ程度と高い。しかしながら、酸化物の一般的な製法である焼結法で作製されるＲＥ－Ｂａ－Ｃｕ－Ｏ系酸化物超電導材料のバルク体は、多数の結晶粒からなる多結晶状の超電導バルク体である。ＲＥ－Ｂａ－Ｃｕ－Ｏ系酸化物超電導材料のバルク体が多結晶である場合には、内部に存在する多数の結晶粒界が超電導電流を阻害するため、臨界電流密度Ｊ_ｃは７７Ｋで１．０×１０^３Ａ／ｃｍ^２以下であり、低い値である。

【0004】

一方、Ｂｉ－Ｓｒ－Ｃａ－Ｃｕ－Ｏ系酸化物超電導体の臨界温度Ｔ_ｃは１１０Ｋ程度と高いが、酸化物の一般的な製法である焼結法で作製されるバルク体は、同様に多結晶状の超電導バルク体である。したがって、Ｂｉ－Ｓｒ－Ｃａ－Ｃｕ－Ｏ系酸化物超電導材料のバルク体が多結晶である場合、ＲＥ－Ｂａ－Ｃｕ－Ｏ系酸化物超電導材料のバルク体と同様に、結晶粒界が超電導電流を阻害するため、臨界電流密度Ｊ_ｃは７７Ｋで１．０×１０^３Ａ／ｃｍ^２以下であり、低い値である。

【0005】

また、Ｍｇ－Ｂ系の金属超電導体は、酸化物超電導体に比べると結晶粒界が超電導電流を阻害する程度は小さいが、臨界温度Ｔ_ｃが４０Ｋ程度と低い値である。

【0006】

酸化物超電導バルク体の臨界電流密度Ｊ_ｃを改善するために、例えば、以下の特許文献１で開示されているような、溶融結晶成長プロセスが開発されている。特許文献１では、ＲＥ（Ｙを含む希土類元素），Ｂａ，Ｃｕ元素を含む溶融体を急冷凝固した厚さ５ｍｍ以下の板もしくは線状成形体を一旦１０００℃から１３５０℃の高温に加熱せしめ半溶融状態にした後、２００℃／ｈｒ以下の速度で徐冷し、高臨界電流密度の超電導体を得ることを特徴する酸化物超電導バルク材料の製造方法が開示されている。このような溶融結晶成長プロセスを適用することにより、結晶方位の揃ったＲＥ_１Ｂａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｙ（式中のｙは、６．８≦ｙ≦７．１を満足する。）相中にＲＥ_２ＢａＣｕＯ_５相が微細分散した組織を有する酸化物超電導バルク体を得ることができる。ＲＥ_１Ｂａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｙ相に微細分散したＲＥ_２ＢａＣｕＯ_５相は磁力線をピン止めする機能を有する。かかる酸化物超電導バルク体は、温度が７７Ｋである１Ｔの磁場中において臨界電流密度Ｊ_ｃが１．０×１０^４Ａ／ｃｍ^２以上という、磁場中でも高い特性を示す。ここで、「結晶方位の揃った」とは、内部に大傾角粒界を含まない単結晶状であることと同義である。

【0007】

超電導軸受では、超電導バルク体は格納容器（又は冷却容器）に格納される。例えば、特許文献２には、「超電導バルク体を固定・保持する冷却容器は冷却効率を高めるため、銅やアルミ等の熱伝導率の高い部材を用いて製作」と記載されているように、冷却容器は銅や銅合金、アルミやアルミ合金などで製作される。銅や銅合金、アルミやアルミ合金は熱伝導率が高いため、冷凍機や液体窒素等の冷媒によって冷却容器を冷却することによって超電導バルク体を臨界温度以下に冷却する際に、超電導バルク体全体を短時間で均一に冷却することができる。超電導バルク体が均一に冷却されずに、冷却むらが生じると、超電導軸受の浮上力にも弱い部分が生じ、非接触支持ができなくなる場合がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【文献】特開平２－１５３８０３号公報

【文献】特開２０１７－１６６５６３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

上述したように、超電導軸受は非接触タイプの軸受であるため、従来の接触タイプの軸受に比べて、摩擦による軸受損失を大幅に低減できる。しかしながら、非接触タイプであるにもかかわらず超電導軸受にも軸受損失があり、長期間にわたって使用されるフライホイール式電力貯蔵装置用の軸受や、搭載できる重量への制限が厳しい宇宙衛星用の軸受への適用には、更なる軸受損失の低減が必要であるという問題があった。

【0010】

そこで、本発明では、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、超電導バルク体を利用した超電導軸受において、超電導バルク体が均一に冷却され、超電導バルク体格納容器での軸受損失が小さい超電導軸受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】

【0011】

本発明の酸化物超電導バルク体は、以下のとおりである。
（１） リング形状を有する超電導バルク体と、
リング形状であり、周方向に延びた溝を有し、当該溝に前記超電導バルク体が格納された格納容器と、
前記超電導バルク体の上面側に、前記超電導バルク体と対向して非接触に配置されたリング形状又は円板形状の永久磁石と、を備え、
前記超電導バルク体と、前記格納容器の前記溝の底面とは接触しており、
前記格納容器は、熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、電気抵抗率が１０^３Ωｍ以上であり、熱膨張率が前記超電導バルク体よりも小さいセラミックスで構成されており、
前記格納容器が周方向に複数に分割された複数の格納容器部材から構成され、
隣り合う前記格納容器部材の間には隙間を有し、
前記格納容器は、前記格納容器の外周方向に亘って、熱膨張率が前記超電導バルク体よりも大きい外周拘束リングによって拘束されており、
前記格納容器の前記溝の外周壁が、前記超電導バルク体に、接触するように配置されている、
ことを特徴とする超電導軸受。
（２） 前記超電導バルク体は、上面、下面、外周面、及び、内周面を備え、
前記格納容器の溝は、底面、外周壁、及び、内周壁を有し、前記格納容器は、前記溝に、前記超電導バルク体の下面、外周面、及び、内周面を囲むように、前記超電導バルク体を格納しており、
前記超電導バルク体の下面と前記格納容器の溝の底面は接触している、
ことを特徴とする、（１）に記載の超電導軸受。
（３） 前記超電導バルク体の内周面が、前記格納容器の前記溝の内周壁に、接触するように配置されている、
ことを特徴とする（１）又は（２）に記載の超電導軸受。
（４） 前記超電導バルク体が、組成式がＲＥ_１Ｂａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｙ（式中のＲＥは、Ｙ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ及びＬｕからなる群から選択される１種又は２種以上の元素であり、ｙは、６．８≦ｙ≦７．２を満足する）で表され、結晶方位の揃ったＲＥ_１Ｂａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｙ相中に、組成式がＲＥ_２ＢａＣｕＯ_５で表されるＲＥ_２ＢａＣｕＯ_５相が分散した組織を有する酸化物超電導バルク体である、
ことを特徴とする（１）～（３）のいずれか１項に記載の超電導軸受。
（５） 前記超電導バルク体が、
組成式がＲＥ_１Ｂａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｙ（式中のＲＥは、Ｙ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ及びＬｕからなる群から選択される１種又は２種以上の元素であり、ｙは、６．８≦ｙ≦７．２を満足する）で表され、結晶方位の揃ったＲＥ_１Ｂａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｙ相中に、組成式がＲＥ_２ＢａＣｕＯ_５で表されるＲＥ_２ＢａＣｕＯ_５相が分散した組織を有する酸化物超電導バルク体と、
ＲＥ、Ｂａ、Ｃｕ、Ｏからなる多結晶状の酸化物超電導バルク体、Ｂｉ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｃｕ、Ｏからなる多結晶状の酸化物超電導バルク体、又はＭｇ及びＢからなる多結晶状の金属超電導バルク体のいずれかの多結晶状の超電導バルク体と、を組み合わせたものである、
ことを特徴とする（１）～（３）のいずれか１項に記載の超電導軸受。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、超電導バルク体を利用した超電導軸受において、超電導バルク体が均一に冷却され、超電導バルク体格納容器での渦電流損が小さい超電導軸受を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の一実施形態に係る超電導軸受の一例を示す斜視図である。

【図2】図１に示す超電導軸受の中心軸に平行であって当該中心軸を含む断面の断面図である。

【図3】同実施形態に係る超電導軸受の別の例を示す斜視図である。

【図4】図３に示す超電導軸受の中心軸に平行であって当該中心軸を含む断面の断面図である。

【図5】冷却前後の格納容器２１を構成する隣り合う格納容器部材２１０の端部付近の部分拡大図である。

【図6】同実施形態に係る超電導軸受の格納容器部材の端部の形状の例を示す部分拡大図である。

【図7】同実施形態に係る超電導軸受の中心軸に平行であって当該中心軸を含む断面の断面図である。

【図8】同実施形態に係る超電導軸受の別の一例の断面図であって、中心軸に平行であって当該中心軸を含む断面の部分断面図である。

【図9】本発明の実施例１における超電導軸受の態様を示す概念図である。

【図10】本発明の実施例２における超電導軸受の態様を示す概念図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、図中の各構成要素の比率、寸法は、実際の各構成要素の比率、寸法を表すものではない。また、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する複数の構成要素を、同一の符号の後に異なるアルファベットを付して区別する場合もある。ただし、実質的に同一の機能構成を有する複数の構成要素の各々を特に区別する必要がない場合、同一符号のみを付する。

【0015】

＜超電導バルク体の概要について＞
本実施形態に係る超電導軸受に用いる超電導バルク体としては、塊状（バルク状）の超電導体であれば特に限定するものではないが、臨界温度Ｔ_ｃが高く、ピン止め力が強い超電導材料のバルク体、すなわち臨界電流密度Ｊ_ｃが高い超電導バルク体が好ましい。以下に、超電導バルク体の好ましい形態を示す。

【0016】

本実施形態に係る超電導バルク体は、単結晶状の超電導バルク体又は多結晶状の超電導バルク体が用いられる。以下に、単結晶状の超電導バルク体及び多結晶状の超電導バルク体のそれぞれについて説明する。

【0017】

単結晶状の超電導バルク体は、結晶方位の揃った酸化物超電導バルク体（以下、「酸化物超電導バルク体」ともいう。）であり、例えば、ＲＥ－Ｂａ－Ｃｕ－Ｏ系酸化物超電導材料のバルク体である。より詳細には、本実施形態で用いる結晶方位の揃った酸化物超電導バルク体は、単結晶状のＲＥ_１Ｂａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７－ｘ相（１２３相）中に、ＲＥ_２ＢａＣｕＯ_５相（２１１相）等に代表される非超電導相が分散した組織を有するものである（以下、「ＱＭＧ材料」ともいう。）。特に、本実施形態に係る酸化物超電導バルク体は、直径２０μｍ以下の非超電導相が微細分散した組織を有するものであることが望ましい。

【0018】

ここで、「結晶方位の揃った」とは、超電導電流が大幅に低下する粒界である大傾角粒界を内部に含まない単結晶状であることを意味する。また、「単結晶状」とは、完全な単結晶のみを指すのではなく、単結晶中に小傾角粒界等のような実用に差し支えない欠陥が存在するものも包含するものとする。大傾角粒界とは、例えば、粒界を挟んで隣り合う領域の結晶方位の角度が１５°よりも大きい粒界をいう。また、小傾角粒界とは、例えば、粒界を挟んで隣り合う領域の結晶方位の角度が１５°以下である粒界をいう。

【0019】

１２３相及び２１１相における構成元素ＲＥは、Ｙ及び希土類元素からなる群より選択される少なくとも１種以上から選択される。ただし、希土類元素としてＣｅ、Ｐｒ、Ｐｍ及びＴｂを含有する場合には、超電導特性を示さないため、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｐｍ及びＴｂは、上記ＲＥからは除外される。すなわち、１２３相及び２１１相における構成元素ＲＥは、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕからなる希土類元素、Ｙ及びこれら元素の組み合わせから選択される。ただし、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、又はＧｄの少なくともいずれかを含む１２３相は、１：２：３の化学量論組成から外れ、ＲＥのサイトにＢａが一部置換した状態になることもある。また、非超電導相である２１１相においても、Ｌａ、Ｎｄは、Ｙ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕとは幾分異なり、金属元素の比が非化学量論的組成であったり、結晶構造が異なったりすることが知られている。

【0020】

前述のＢａ元素の置換は、臨界温度を低下させる傾向がある。また、より酸素分圧の小さい環境においては、Ｂａ元素の置換が抑制される傾向にある。

【0021】

このような単結晶状の酸化物超電導バルク体は、セラミックスの一般的な製法である焼結法ではなく、以下で詳述するような、焼結温度よりも高い溶融温度以上に成形体を昇温して半溶融状態にした後、徐冷中に結晶成長させるという、溶融結晶成長法で製造される。

【0022】

１２３相は、以下に示すような、２１１相と、ＢａとＣｕとの複合酸化物からなる液相との包晶反応により生成する。
２１１相＋液相（ＢａとＣｕの複合酸化物）→１２３相

【0023】

そして、この包晶反応により１２３相が生成する際の温度（Ｔｆ：１２３相生成温度）は、ほぼＲＥ元素のイオン半径に関連し、ＲＥ元素のイオン半径の減少に伴いＴｆも低くなる。また、低酸素雰囲気及びＡｇ添加に伴い、Ｔｆは低下する傾向にある。

【0024】

単結晶状の１２３相中に２１１相が微細分散した材料は、１２３相が結晶成長する際、未反応の２１１相の粒が１２３相中に取り残されるためにできる。即ち、上記バルク材は、以下に示す反応により生成する。
２１１相＋液相（ＢａとＣｕの複合酸化物）→１２３相＋２１１相

【0025】

ＱＭＧ材料中の２１１相の微細分散は、臨界電流密度Ｊ_ｃ向上の観点から、極めて重要である。ＱＭＧ材料中には、上記のような構成元素に加えて、Ｐｔ、Ｒｈ又はＣｅの少なくとも一つを微量に含有することも可能である。Ｐｔ、Ｒｈ又はＣｅの少なくとも一つを微量に含有することで、半溶融状態（すなわち、２１１相と液相とからなる状態）での２１１相の粒成長が抑制され、結果的に、ＱＭＧ材料中の２１１相の粒径を約１μｍ程度に微細化することができる。これらの元素の含有量は、微細化効果が現れる量が含有されることが好ましい。また、材料コストも考慮すると、これらの元素の含有量は、例えば、それぞれ、Ｐｔ：０．２～２．０質量％、Ｒｈ：０．０１～０．５質量％、Ｃｅ：０．５～２．０質量％であることが好ましい。より好ましくは、Ｐｔの含有量は、０．４～０．８質量％、Ｒｈの含有量は、０．０５～０．４質量％、及びＣｅの含有量は、０．１～０．３質量％である。また、Ｐｔ、Ｒｈ又はＣｅのうちの複数を用いる場合、含有されるＰｔ、Ｒｈ又はＣｅの合計量は、酸化物超電導バルク材料の質量に対して、好ましくは、０．１質量％以上２．０質量％以下であり、更に好ましくは、０．２質量％以上１．５質量％以下である。ＱＭＧ材料が含有するＰｔ、Ｒｈ及びＣｅは、１２３相中に一部固溶する。また、ＱＭＧ材料が含有するＰｔ、Ｒｈ及びＣｅのうち、固溶できなかった残分は、ＢａやＣｕとの複合酸化物を形成し、材料中に点在することになる。ＱＭＧ材料は、バルク体全体として、４回回転対称性の結晶構造を有している。

【0026】

更に、超電導バルク体中に、上記のような元素に加えてＡｇを更に添加することも可能である。Ａｇを更に添加した場合、超電導バルク体は、Ａｇの添加量に応じて、粒径が１～５００μｍ程度のＡｇ又はＡｇ化合物を０体積％超２５体積％以下含むようになる。

【0027】

ここで、１２３相中の２１１相の割合は、臨界電流密度Ｊ_ｃの特性及び機械強度の観点から、例えば、ＱＭＧ材料の体積に対して５～３５体積％であることが望ましい。更に好ましくは、１５体積％以上３０体積％以下である。

【0028】

また、超電導バルク体中には、５０～５００μｍ程度のボイド（気泡）が５～２０体積％程度存在することが一般的である。

【0029】

また、結晶成長後のバルク体は、酸素欠損量（ｘ）が０．５～０．８程度となることで、半導体的あるいは絶縁材料的な抵抗率の温度変化を示す。このような結晶成長後のバルク体を、各ＲＥ系に応じて６２３Ｋ～８７３Ｋの温度で１００時間程度、酸素雰囲気中においてアニールすることにより、酸素が超電導バルク体中に取り込まれ、酸素欠損量（ｘ）は、０．２以下、すなわち酸素量ｙ（＝７－ｘ）は、６．８以上となり、良好な超電導特性を示す。このとき、超電導相中には、双晶構造が生成する。しかしながら、このような双晶構造も含め、本明細書においては、「単結晶状」と称することとする。

【0030】

また、かかる酸化物超電導バルク体を、超電導軸受用の酸化物超電導バルク体として利用するには、結晶成長後の酸化物超電導バルク体を、円盤状、リング状、平面視で扇状又は環状扇状といった所定の形状に加工した上で、上記のような酸化物超電導バルク体の酸素アニールを行うことが求められる。

【0031】

ここまで、単結晶状の超電導バルク体について説明した。続いて、多結晶状の超電導バルク体について説明する。

【0032】

本実施形態に係る超電導軸受に用いられる多結晶状の超電導バルク体は、ＲＥ、Ｂａ、及びＣｕからなる多結晶状の酸化物超電導バルク体、Ｂｉ、Ｓｒ、Ｃａ及びＣｕからなる多結晶状の酸化物超電導バルク体、又はＭｇ及びＢからなる多結晶状の金属超電導バルク体のいずれかである。

【0033】

ＲＥ、Ｂａ、及びＣｕからなる多結晶状の酸化物超電導バルク体やＢｉ、Ｓｒ、Ｃａ、及びＣｕからなる多結晶状の酸化物超電導バルク体は、上述した単結晶状の酸化物超電導バルク体と異なり、溶融結晶成長法で製作する必要はなく、焼結法で作製される。詳細には、多結晶状の酸化物超電導バルク体を構成する元素の酸化物又は炭化物などの初期原料の粉末を所定の比率で混合する。例えば、ＲＥ、Ｂａ、及びＣｕからなる多結晶状の酸化物超電導バルク体を製造する場合には、モル比で、ＲＥ：Ｂａ：Ｃｕ＝１：２：３となるように混合し、Ｂｉ、Ｓｒ、Ｃａ、及びＣｕからなる多結晶状の酸化物超電導バルク体を製造する場合には、モル比で、Ｂｉ：Ｓｒ：Ｃａ：Ｃｕ＝２：２：２：３となるように混合する。混合した粉末を、仮焼した後に成型体とし、この成形体を８５０℃～９５０℃程度の温度で焼結させることで製造される。このように多結晶状の酸化物超電導バルク体は、セラミックスの一般的な製法である焼結法で製造できるので、溶融結晶成長で製造しなければならない単結晶状の酸化物超電導バルク体に比べて簡便に製造できる。

【0034】

また、Ｍｇ、及びＢからなる多結晶状の金属超電導バルク体は、Ｍｇ粉末とＢ粉末を１：２の比率で混合して成形したものを焼結して製造すればよいが、Ｍｇの融点が６５０℃であり、Ｂの融点である２０７６℃と大きく異なる。このため、焼結過程で焼結する前にＭｇの一部が気化して散逸することによって、焼結体の組成が超電導特性を示す組成からずれる可能性がある。そのため、Ｍｇ粉末とＢ粉末は、密閉した状態で焼結される。密度の高い焼結体を得るために、焼結過程において、熱間等方圧加圧（ＨＩＰ；Ｈｏｔ Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ Ｐｒｅｓｓｉｎｇ）などの圧力を加える手段を適用してもよい。

【0035】

なお、Ｍｇ及びＢからなる多結晶状の金属超電導バルク体とは、Ｍｇ及びＢを主成分とする金属超電導バルク体であって、炭素やＳｉＣなどの炭素化合物、あるいはベンゼンやリンゴ酸などの有機物などのピン止め点となる添加物を含んでいてもよい。また、多結晶状の超電導バルク体として、Ｍｇ、及びＢからなる多結晶状の金属超電導バルク体を用いた場合、Ｍｇ、及びＢからなる多結晶状の金属超電導バルク体の比重は酸化物超電導バルク体の比重の３分の１から４分の１程度と軽量なので、大型の軸受でも軽量化が可能となる。

【0036】

これらの多結晶状の超電導バルク体は、臨界温度Ｔ_ｃ及び臨界電流密度Ｊ_ｃが低く、単独で用いた場合に従来は超電導軸受に適さないと考えられていた材料である。実際、超電導軸受を工業的に比較的よく使用されている沸点７７Ｋの液体窒素を冷媒として使用した場合、その温度（７７Ｋ）での浮上力は非常に小さく実用的でない。しかし、超電導特性は低温化するほど向上するので、４０Ｋ以下の極低温領域で使用する軸受に対しては、ピン止め力の強い単結晶状の超電導バルク体に比べれば低いものの、実用レベルの数ｋｇ程度の浮上力は確保できる。よって、４０Ｋ以下の極低温の温度領域で使用する場合には、超電導バルク体として多結晶状の超電導バルク体が用いられることが好ましい。

【0037】

＜本実施形態に係る超電導軸受の詳細な説明＞
以下では、本発明の実施形態に係る超電導軸受について、図に沿って説明する。図１は、本実施形態に係る超電導軸受の一例を示す概念図である。図２は、図１に示す超電導軸受の中心軸に平行であって当該中心軸を含む断面の断面図である。

【0038】

本実施形態に係る超電導バルク体１０は、リング形状である。例えば、超電導バルク体１０は、上面１０１、下面１０２、外周面１０３、及び、内周面１０４を備えたリング形状であり、格納容器２０に格納されている。格納容器２０は、周方向に延びた溝２００を有している。溝２００は、例えば、底面２０１、外周壁２０２、及び、内周壁２０３を有しており、格納容器２０は、格納容器２０の溝２００の底面２０１、外周壁２０２、及び、内周壁２０３が、超電導バルク体１０の下面１０２、外周面１０３、及び、内周面１０４を囲むように格納している。そのため、少なくとも超電導バルク体１０の下面１０２と格納容器２０の溝２００の底面２０１は接触している。超電導バルク体１０を格納する格納容器２０は、冷凍機あるいは液体窒素等の冷媒によって冷却される。これにより、格納容器２０と接触している超電導バルク体１０も冷却される。図１の例では、冷凍機のコールドヘッド部を格納容器２０の底部に接触させることで冷却している。永久磁石３０は、超電導バルク体１０と対向して非接触に配置される。超電導バルク体１０が臨界温度以上の温度で、永久磁石３０は、図示していない支持機構（スペーサ）で超電導バルク体１０の表面から離れた位置で一旦支持され、その状態で超電導バルク体１０を臨界温度以下に冷却した後で、永久磁石３０を支持していた支持機構を取り除くことで、ピン止め効果によって、永久磁石３０は超電導バルク体１０の上に非接触浮上することになる。

【0039】

超電導軸受１に用いられる超電導バルク体は、複数の超電導バルク体が組み合わされて構成された超電導バルク体１１であってもよい。超電導バルク体１１は、例えば、図３に示すように、複数の超電導バルク部材１１０が組み合わされてリング状となった超電導バルク体である。超電導バルク体１１を用いた超電導軸受１については、後述する。

【0040】

格納容器２０は、熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、電気抵抗率が１０^３Ωｍ以上であり、熱膨張率が超電導バルク体１０よりも小さいセラミックスで構成されている。従来の超電導軸受においては、非接触タイプにも関わらず軸受損失が生じていた。本発明者が超電導軸受の軸受損失に関して鋭意研究した結果、その軸受損失の大きな原因の１つとして、格納容器が銅や銅合金、アルミやアルミ合金製であることによる渦電流損失があることが明らかになった。超電導軸受における超電導バルク体の格納容器に銅や銅合金、アルミやアルミ合金が用いられるのは、これらが熱伝導率が高い材料であり、超電導バルク体全体を効率よく冷却できるためである。銅や銅合金、アルミやアルミ合金は室温で１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上と高い熱伝導率を有する。しかし、銅や銅合金、アルミやアルミ合金は、熱の良導体だけでなく、電気の良導体でもある。すなわち、銅や銅合金、アルミやアルミ合金は、電気抵抗率が非常に小さい。銅や銅合金、アルミやアルミ合金は、室温（２５℃）で数十～数百×１０^－９Ωｍ程度の非常に小さい電気抵抗率を有する。超電導軸受では、超電導バルク体に対向して永久磁石が非接触に配置され、永久磁石の磁場は回転方向に均一になるように製作される。しかしながら、現実の永久磁石では数％程度の磁場変動が生じることが多い。永久磁石の有する変動磁場は、超電導バルク体の格納容器にも作用することになるが、電気抵抗率が小さい銅や銅合金、アルミやアルミ合金に変動磁場が作用すると渦電流が発生し、この渦電流による損失が軸受損失になる。

【0041】

このような格納容器に起因する渦電流損失を抑制するために、格納容器２０は、熱伝導率が高く、電気抵抗率が大きいセラミックスで構成される。超電導バルク体を全体的に均一に冷却するには、格納容器２０の熱伝導率は、銅や銅合金、アルミやアルミ合金と同程度の高い熱伝導率であることが好ましく、５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のセラミックスが好ましい。窒化アルミ、炭化ケイ素、窒化ケイ素などのセラミックスは数十～１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上と、銅や銅合金、アルミやアルミ合金と同程度の高い熱伝導率を有しているので、超電導バルク体を全体的に均一に冷却することができる。一方、電気抵抗率に関しては、炭化ケイ素で１０^３Ωｍ程度、窒化アルミや窒化ケイ素では１０^１０Ωｍ以上と、これらのセラミックスは電気抵抗率が非常に大きく電気的絶縁性を有する。格納容器２０を構成する材料の電気抵抗率が１０^３Ωｍ以上であれば、同じ永久磁石の変動磁場が作用しても、銅や銅合金、アルミやアルミ合金製の格納容器に比べて渦電流は１０^１２分の１以下、すなわちほぼゼロになる。従って、格納容器での渦電流損に起因する軸受損失もほぼゼロになる。よって、格納容器２０を構成する材料としては、窒化アルミ、炭化ケイ素、又は窒化ケイ素であることが好ましい。図１における格納容器２０の熱伝導率は高く、その電気抵抗率は大きい。その結果、本実施形態に係る超電導軸受１を用いれば、超電導バルク体１０が均一に冷却され、格納容器２０での渦電流損が小さい超電導軸受を提供することができる。

【0042】

さらに、格納容器２０での渦電流損を一層小さくするには、永久磁石３０と超電導バルク体１０とを対向するように配置し、永久磁石３０と格納容器２０は対向しないように配置することが好ましい。すなわち、中心軸に沿った方向（Ｚ軸方向）から見て、格納容器２０の溝２００の内周壁２０３は永久磁石３０の内側（永久磁石３０の内周面よりも中心軸側）に、格納容器２０の溝２００の外周壁２０２は永久磁石３０の外側（永久磁石３０の外周面よりも外側）に配置することが好ましい。

【0043】

ここで、電気抵抗率と熱伝導率の測定方法について説明する。電気抵抗率は体積抵抗率や比抵抗とも呼ばれる。電気抵抗率の測定には各種方法があるが、本実施形態においては、いわゆる四端子法で電気抵抗率を測定する。四端子法とは、測定試料に２つの電流端子と、２つの電圧端子を設ける。２つの電圧端子は、２つの電流端子間に設けられる。そして、２つの電流端子間に電流を流し、２つの電圧端子によって、この２つの電圧端子間の電圧を測定する方法である。電圧端子間の距離をＬ、測定試料の断面積をＳ、通電電流をＩ、及び測定電圧をＶとすると、電気抵抗率ρは、ρ＝（Ｖ／Ｉ）×（Ｓ／Ｌ）で求めることができる。

【0044】

熱伝導率の測定には定常法及び非定常法に分類される測定方法があるが、本実施形態では定常法で測定する。定常法では、試料に定常的な一方向の熱流を作り、熱伝導率を測定する。試料中の距離Ｌ間の温度差をΔＴ、断面積をＳ、温度差を与えた熱量をＱとすると、熱伝導率αは、α＝（Ｑ／Ｓ）÷（ΔＴ／Ｌ）で求めることができる。

【0045】

例えば、図１、２に示す超電導軸受１では、上面１０１、下面１０２、外周面１０３、及び、内周面１０４を備えたリング形状を有する超電導バルク体１０が、底面２０１、外周壁２０２、及び、内周壁２０３で構成される溝２００を有する格納容器２０に、超電導バルク体１０の下面１０２、外周面１０３、及び、内周面１０４が囲まれるように格納される。超電導バルク体１０を全体的に均一に冷却するには、超電導バルク体１０の下面１０２、外周面１０３、及び、内周面１０４がそれぞれ格納容器２０の底面２０１、外周壁２０２、及び、内周壁２０３に接触していた方が好ましいため、超電導バルク体１０を格納容器２０に格納する際にはそれぞれ接触するように格納される。本実施形態に係る超電導軸受１は、格納容器２０はその熱膨張率が超電導バルク体１０よりも小さいセラミックスで構成される。例えば、窒化アルミ、炭化ケイ素、窒化ケイ素などのセラミックスの室温での熱膨張係数は１～３×１０^－６／℃程度であり、超電導バルク体１０の好ましい形態である酸化物超電導バルク体のａｂ軸方向の熱膨張係数１３×１０^－６／℃よりも小さい。そのため、超電導軸受１を冷却した際には、超電導バルク体１０の方が格納容器２０よりも大きく収縮することになる。この場合、超電導バルク体１０の下面１０２と格納容器２０の溝２００の底面２０１は接触したままであるが、超電導バルク体１０の外周面１０３と格納容器２０の溝２００の外周壁２０２の接触状況や、超電導バルク体１０の内周面１０４と格納容器２０の溝２００の内周壁２０３の接触状況は超電導バルク体１０の形態によって挙動が異なる。超電導バルク体１０が一体ものであれば、冷却時に超電導バルク体１０の内周面１０４が、格納容器２０の溝２００の内周壁２０３に周方向に亘って接触するように圧縮応力が作用するように縮むので、冷却時に超電導バルク体１０は強固に固定されることになる。一方、複数の超電導バルク部材１１０が組み合わされて超電導バルク体１１を構成し、この超電導バルク体１１を用いて超電導軸受１を構成する場合には、超電導バルク体１１の熱膨張係数よりも小さい材料で格納容器２０を製作すると、超電導バルク体１１の外周面１０３と格納容器２０の溝２００の外周壁２０２の間、超電導バルク体１１の内周面１０４と格納容器２０の溝２００の内周壁２０３の間の両方に熱膨張係数差に起因する小さな隙間が生じ、冷却時に超電導バルク体１１が強固に固定されないおそれがある。従って、図１のような格納容器２０がセラミックス製である超電導軸受１では、超電導バルク体は一体ものであることが好ましい。

【0046】

続いて、超電導バルク体１１を用いた超電導軸受１について説明する。図３は、本実施形態に係る超電導軸受の別の例を示す斜視図である。図４は、図３に示す超電導軸受の中心軸に平行であって当該中心軸を含む断面の断面図である。図５は、冷却前後の格納容器２１を構成する隣り合う格納容器部材２１０の端部付近の部分拡大図である。

【0047】

図３、４では、超電導バルク部材１１０を複数個組み合わせて超電導バルク体１１を構成し、この超電導バルク体１１を用いて１つの超電導軸受１Ａを構成している。一方、セラミックス製の格納容器２１は、周方向に複数に分割された格納容器部材２１０から構成され、隣り合う格納容器部材２１０同士の間には隙間を有している。さらに、格納容器２１の外周方向に亘って、熱膨張率が超電導バルク体１１よりも大きい、外周拘束リング４０が配置されている。格納容器２１の外周方向に亘って配置された外周拘束リング４０の熱膨張係数が大きいので、冷却時には外周拘束リング４０の方が格納容器２１よりも大きく収縮し、その結果、外周拘束リング４０が格納容器２１を、さらに格納容器２１内の超電導バルク体１１を強固に拘束することになる。外周拘束リング４０の材料としては、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）製が好ましい。ＦＲＰは、繊維（ガラス、カーボン等）や樹脂（エポキシ等）の種類や配合比によって熱膨張係数は大きく変化するので、酸化物超電導バルク体の熱膨張係数１３×１０^－６／℃よりも容易に大きくすることができる。

【0048】

永久磁石３０は、超電導バルク体１１と対向して非接触に配置される。また、冷却前（室温時）には、図５の左図のように、隣り合う格納容器部材２１０の間には隙間が生じているが、冷却後には、図５の右図のように、格納容器２１の外周方向に亘って配置された外周拘束リング４０の熱膨張係数が大きいので、冷却による外周拘束リング４０の収縮に伴い、格納容器２１の隣り合う格納容器部材２１０間の隙間も小さくなる。すなわち、このような外周拘束リング４０の収縮効果によって、格納容器２１の溝２００の外周壁２０２が、超電導バルク体１１の外周面１０３に、周方向に亘って接触するように圧縮応力を作用するように縮むので、冷却された超電導バルク体２１は強固に固定されることになる。なお、冷却後に格納容器２１の隣り合う格納容器部材２１０同士は、それらの間に隙間が残っても、お互いに接触していてもよい。図３、４のような構成の超電導軸受１Ａにすることによって、超電導バルク部材１００を複数個組み合わせて１つの超電導バルク体１１とし、この超電導バルク体１１を用いた超電導軸受１Ａを構成する場合において、超電導バルク体１１の熱膨張係数よりも小さい材料で格納容器２１を製作しても、冷却時に超電導バルク体１１を強固に固定できる。

【0049】

ここで、熱膨張係数の測定方法について簡単に説明する。熱膨張係数は線膨張係数とも呼ばれ、温度の上昇や降下に対応して長さが変化する割合のことである。試料の長さをＬ、温度変化ΔＴによる試料長さの変化をΔＬとすると、熱膨張係数βは、β＝ΔＬ／Ｌ／ΔＴで求めることができる。

【0050】

図３、４は、超電導バルク体１１が格納された格納容器２１は４分割されている例（すなわち、４つの格納容器部材２１０により格納容器２１が形成された例）であるが、格納容器２１の分割数は特段制限されない。しかし、分割数が小さいと軸受全体の対称性が低くなることがあり、逆に分割数が多いと格納容器の組立が煩雑になることがあるので、分割数が４分割から８分割程度が好ましい。

【0051】

また、図３、４は、８個の超電導バルク部材１１０が組み合わされて１つの超電導バルク体１１が構成され、超電導軸受１Ａを構成している例であるが、１つの超電導バルク体１１を構成する超電導バルク部材１１０は特段制限されない。超電導バルク体の好ましい形態の一つである高性能な酸化物超電導バルク体は、単結晶状の材料であるが、大型の単結晶状の酸化物超電導バルク体を製造しようとすると、結晶成長が難しくなる。数ｃｍから１０ｃｍ程度であれば、製造が容易である。数ｃｍから１０ｃｍ程度の酸化物超電導バルク体を複数製造し、これらを組み合わせて超電導バルク体１１を構成すれば、より大きな超電導軸受を製造することが可能となる。

【0052】

さらに、超電導バルク体１１が格納された格納容器２１の連結箇所と、個々の超電導バルク部材１１０の配置の継ぎ目とは、重ならないようにすることが好ましい。また、図３、４では、格納容器部材２１０で構成された格納容器２１と、超電導バルク部材１１０を複数個組み合わせた超電導バルク体１１とを用いて超電導軸受１Ａを構成しているが、超電導軸受１Ａは、格納容器２１と、超電導バルク体が一体ものである超電導バルク体１０とが用いられてもよい。

【0053】

また、図３、４では、図示していないが、超電導バルク体１１が格納された格納容器２１は、冷凍機あるいは液体窒素等の冷媒によって冷却され、格納容器２１内の超電導バルク体１１も冷却される。図１の例では、冷凍機のコールドヘッド部を格納容器２１の底部に接触させることで冷却しているが、図３、４のように複数の格納容器部材２１０で構成された格納容器２１の場合には、格納容器部材２１０それぞれを個別に冷却する方が好ましい。

【0054】

続いて、図６を参照して、格納容器部材２１０の端部の形状について説明する。図６は、本実施形態に係る超電導軸受格納容器部材２１０端部の形状の例を示す部分拡大図である。

【0055】

図３、４では、超電導バルク体が格納された格納容器２１と超電導バルク体１１を示したが、図６では、格納容器２１のみを示している。図６（ａ）は、図３、４と同じ例で、格納容器２１を構成する隣り合う格納容器部材２１０の端部の形状が垂直になっている。図６（ｂ）は、格納容器２１を構成する隣り合う格納容器部材２１０の端部の形状が中心軸方向に対し斜めになっている。図６（ｃ）は、格納容器２１を構成する隣り合う格納容器部材２１０の端部の形状が段差を有する構造になっている。詳細には、一方の格納容器部材２１０の端部における凹部と他方の格納容器部材２１０の端部における凸部が対向し、一方の格納容器部材２１０の端部における凸部と他方の格納容器部材２１０の端部における凹部が対向するように、隣り合う格納容器部材２１０が配置されている。本発明の実施形態に係る超電導軸受１の格納容器２１の隣り合う格納容器部材２１０の端部の形状として、図４に一例を示したが、格納容器部材２１０の端部の形状は、図４の例に限定されるものではない。どのような形状の格納容器部材２１０であっても、冷却後には外周拘束リング４０の収縮により、格納容器部材２１０間の隙間は小さくなる。

【0056】

続いて、図７を参照して、外周拘束リングの態様を説明する。図７は、本実施形態に係る超電導軸受の中心軸に平行であって当該中心軸を含む断面の断面図である。

【0057】

図７（ａ）は、図３、４と同じように、外周拘束リング４０が格納容器２１の外周面のみに設置されている例である。例えば、図６（ａ）や図６（ｃ）に示したような格納容器２１の隣り合う格納容器部材２１０の端部の形状の格納容器２１であれば、仮に冷却後に格納容器２１の隣り合う格納容器部材２１０がお互いに接触しても、一方の格納容器部材２１０が他方の格納容器部材２１０に対して上にずれるおそれは小さい。しかし、例えば、図６（ｂ）に示したように格納容器２１の隣り合う格納容器部材２１０の端部の形状が斜め構造である場合、冷却後に格納容器２１の隣り合う格納容器部材２１０がお互いに接触すると、一方の格納容器部材２１０が他方の格納容器部材２１０に対して、格納容器部材２１０の端部に沿って上にずれるおそれがある。その場合、例えば、図７（ｂ）のように、格納容器２１の外周壁の外周面だけでなく、格納容器２１の上面にも延長された外周拘束リング４１を設置することによって、格納容器部材２１０が上にずれることを防止することができる。また、外周拘束リング４１における格納容器の上面まで延びた部分は、図７（ｃ）のように、超電導バルク体１１に接するように設置してもよい。

【0058】

次に、図８を参照して、本実施形態に係る超電導軸受の更に別の一例を説明する。図８は、本実施形態に係る超電導軸受の別の一例の断面図であって、中心軸に平行であって当該中心軸を含む断面の部分断面図である。本実施形態に係る超電導軸受に用いられる超電導バルク体は、図１～図５に示したように、１種類であってもよいし、図８に示すように、２つの超電導バルク体１２、１３が用いられてもよい。図８は、特性の異なる第１の超電導バルク体１２と第２の超電導バルク体１３を組み合わせた例である。例えば、第１の超電導バルク体１２に、ＲＥ－Ｂａ－Ｃｕ－Ｏの組成からなる単結晶状の希土類系酸化物超電導バルク材料を用い、第２の超電導バルク体１３に、ＲＥ－Ｂａ－Ｃｕ－Ｏの組成からなる多結晶状の希土類系酸化物超電導バルク体、Ｂｉ－Ｓｒ－Ｃａ－Ｃｕ－Ｏ系の多結晶状の酸化物超電導バルク体、又はＭｇ－Ｂ系の金属超電導バルク体を用いてもよい。第１の超電導バルク体１２及び第２の超電導バルク体１３は、互いに内径及び外径が異なるリング状であり、例えば、第１の超電導バルク体１２の内径と、第２の超電導バルク体１３の外径がほぼ等しい。例えば、図８に示すように、第１の超電導バルク体１２の内周面と第２の超電導バルク体１３の外周面とが対向するように配置されてもよい。

【0059】

以上、本発明の実施形態に係る超電導軸受の種々の例について説明した。

【0060】

なお、本実施形態に係る超電導軸受は、図１～図８に示した例に限定されない。すなわち、超電導バルク体と、セラミックスからなる格納容器と、超電導バルク体と対向して非接触に配置される永久磁石とを備えた超電導軸受であれば、超電導軸受の態様は特に限定されない。

【実施例】

【0061】

以下に、実施例を示しながら、本発明の実施形態について、具体的に説明する。なお、以下に示す実施例は、本発明のあくまでも一例であって、本発明が、下記の例に限定されるものではない。

【0062】

（実施例１）
本実施例では、図９を用いて、本実施形態に係る超電導軸受の有効性について説明する。図９は、一体もののリング形状の酸化物超電導バルク体が、窒化アルミ（ＡｌＮ）製の格納容器に格納されており、永久磁石が酸化物超電導バルク体と対向して非接触に配置されている超電導軸受である。

【0063】

まず、リング形状の酸化物超電導バルク体を切り出す母材である酸化物超電導バルク材料の製造方法について述べる。純度９９．９質量％のガドリニウム（Ｇｄ）酸化物の粉末、純度９９．９質量％のバリウム（Ｂａ）酸化物の粉末、純度９９．９質量％の銅（Ｃｕ）酸化物の粉末を、Ｇｄ：Ｂａ：Ｃｕ＝１．６：２．３：３．３のモル比で秤量し、秤量した混合粉末の質量に対し、酸化セリウムを１質量％及び酸化銀を銀換算で１０質量％加えた。この秤量粉を（乳棒と乳鉢）を用いて２時間かけて十分混練してから、大気中にて１１７３Ｋで８時間仮焼した。次に、金型を用いて仮焼粉を円板形状に成形した。この成形体を１４２３Ｋまで加熱して溶融状態にし、３０分間保持した後、降温途中で種付けを行い、１２７８Ｋ～１２５２Ｋの温度領域を２００時間かけて徐冷して結晶成長させ、直径１００ｍｍ、高さ２０ｍｍの単結晶状の酸化物超電導バルク材料を得た。そして、この直径１００ｍｍの単結晶状の酸化物超電導バルク材料から、外径９３ｍｍ、内径６９ｍｍ、厚さ１０ｍｍのリング形状試料を、結晶のｃ軸が１０ｍｍ長の辺と平行になるように切り出した。リング形状試料は、酸素気流中において６７３Ｋで１００時間熱処理した。

【0064】

次に、冷却及び浮上試験について述べる。上記のリング形状の酸化物超電導バルク体を、酸化物超電導バルク体と同じサイズの溝を有する外径１０２ｍｍ、内径６０ｍｍ、厚さ１５ｍｍの窒化アルミ（ＡｌＮ）製の格納容器に格納した。リング形状の酸化物超電導バルク体を格納する際に、当該酸化物超電導バルク体と格納容器の密着性を上げるために、シリコン樹脂製グリースを酸化物超電導バルク体の表面に薄く塗布した状態で格納した。酸化物超電導バルク体を格納した状態で、酸化物超電導バルク体と同サイズのネオジム磁石を１０ｍｍ厚のスペーサを介して酸化物超電導バルク体の上に配置してから、格納容器の底部を液体窒素に浸漬させることで、格納容器及び酸化物超電導バルク体を冷却した。冷却後にスペーサを取り除くと、永久磁石は酸化物超電導バルク体の９～１０ｍｍ程度上に安定的に浮上した。浮上した永久磁石に傾きはなく、水平に浮上していることから、酸化物超電導バルク体が均一に冷却されていることが確認できた。

【0065】

最後に、格納容器に用いた窒化アルミ（ＡｌＮ）から、１５ｍｍ×３ｍｍ×３ｍｍの試験片を切り出し、熱伝導率と電気抵抗率の測定を行った。熱伝導率の測定は、定常法で行った。また、電気抵抗率は、四端子法で測定した。格納容器に用いた窒化アルミ（ＡｌＮ）の熱伝導率は２３０Ｗ／ｍ・Ｋで、銅や銅合金、アルミやアルミ合金と同程度の高い熱伝導率であった。一方、格納容器に用いた窒化アルミ（ＡｌＮ）の電気抵抗率は１０^１３Ωｍ以上であり、電気絶縁性が高いことが確認できた。すなわち、格納容器での渦電流損がほぼゼロであることが確認できた。

【0066】

従って、本結果から、超電導バルク体と、セラミックスからなる格納容器と、超電導バルク体と対向して非接触に配置される永久磁石という構成にすることにより、超電導バルク体を利用した超電導軸受において、超電導バルク体が均一に冷却され、超電導バルク体格納容器での渦電流損が小さい超電導軸受を提供することができることがわかった。

【0067】

（実施例２）
本実施例では、図１０を用いて、複数の超電導バルク部材によって構成された超電導バルク体と、複数の格納容器部材によって構成された格納容器とを有する超電導軸受の有効性について説明する。図１０は、酸化物超電導バルク体が、炭化ケイ素（ＳｉＣ）製の格納容器に格納されており、永久磁石が酸化物超電導バルク体と対向して非接触に配置されている超電導軸受である。図１０では、８個の平面視で環状の扇形（環状扇形）状の酸化物超電導バルク体が組み合わされ１つのリング形状の超電導バルク体を構成している。また、セラミックス製格納容器は、溝を有する４つの環状扇形状の格納容器部材が組み合わされてリング状に構成されている。格納容器の外周部には、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）製の外周拘束リングが配置されている。格納容器の隣り合う格納容器部材の端部の形状については、図６（ａ）のように、周方向に垂直な構造となっている。

【0068】

まず、リング形状の酸化物超電導バルク体を切り出す母材である酸化物超電導バルク材料の製造方法について述べる。純度９９．９質量％のガドリニウム（Ｇｄ）酸化物の粉末、純度９９．９質量％のバリウム（Ｂａ）酸化物の粉末、純度９９．９質量％の銅（Ｃｕ）酸化物の粉末を、Ｇｄ：Ｂａ：Ｃｕ＝１．６：２．３：３．３のモル比で秤量し、秤量した混合粉末の質量に対し、酸化セリウムを１質量％及び酸化銀を銀換算で１０質量％加えた。この秤量粉を２時間かけて乳棒と乳鉢を用いて十分混練してから、大気中にて１１７３Ｋで８時間仮焼した。次に、金型を用いて仮焼粉を円板形状に成形した。この成形体を１４２３Ｋまで加熱して溶融状態にし、３０分間保持した後、降温途中で種付けを行い、１２７８Ｋ～１２５２Ｋの温度領域を２００時間かけて徐冷して結晶成長させ、直径１００ｍｍ、高さ２０ｍｍの単結晶状の酸化物超電導バルク材料を得た。そして、この直径１００ｍｍの単結晶状の酸化物超電導バルク材料から、外径１９２ｍｍ、内径１６０ｍｍ、厚さ１０ｍｍのリング形状を８分割した環状扇形状の試料を８個、結晶のｃ軸が１０ｍｍ長の辺と平行になるように切り出した。環状扇形状試料は、酸素気流中において６７３Ｋで１００時間熱処理した。

【0069】

次に、冷却及び浮上試験について述べる。上記の環状扇形状の酸化物超電導バルク部材８個を、外径１９２ｍｍ、内径１６０ｍｍ、深さ１０ｍｍのサイズの溝を有する外径２００ｍｍ、内径１５２ｍｍ、厚さ１５ｍｍの炭化ケイ素（ＳｉＣ）製の４つの格納容器部材で構成された格納容器に格納した。格納する際に、酸化物超電導バルク部材と格納容器の密着性を上げるために、シリコン樹脂製グリースを酸化物超電導バルク部材の表面に薄く塗布した状態で格納した。格納容器の外周には、外径２１２ｍｍ、内径２００ｍｍ、高さ８ｍｍのＧＦＲＰ製外周拘束リングを配置した。格納容器部材間の隙間は冷却前で約１ｍｍであった。酸化物超電導バルク部材を格納した状態で、８つの酸化物超電導バルク部材で構成された酸化物超電導バルク体と同サイズのネオジム磁石を１０ｍｍ厚のスペーサを介して酸化物超電導バルク体の上に配置してから、格納容器の底部を液体窒素に浸漬させることで、格納容器及び酸化物超電導バルク体を冷却した。冷却後にスペーサを取り除くと、永久磁石は酸化物超電導バルク体の９～１０ｍｍ程度上に安定的に浮上した。浮上した永久磁石に傾きはなく、水平に浮上していることから、酸化物超電導バルク体が均一に冷却されていることが確認できた。

【0070】

最後に、格納容器に用いた炭化ケイ素（ＳｉＣ）から、１５ｍｍ×３ｍｍ×３ｍｍの試験片を切り出し、熱伝導率と電気抵抗率の測定を行った。熱伝導率の測定は、定常法で行った。また、電気抵抗率は、四端子法で測定した。格納容器に用いた窒化アルミ（ＡｌＮ）の熱伝導率は１５０Ｗ／ｍ・Ｋで、銅や銅合金、アルミやアルミ合金と同程度の高い熱伝導率であった。一方、電気抵抗率は１０^４Ωｍ以上であり、１０^－８Ωｍ程度の銅と比べると１０^１２倍程度大きく、ほぼ電気絶縁性であることが確認できた。すなわち、格納容器での渦電流損がほぼゼロであることが確認できた。

【0071】

従って、本結果から、超電導バルク体と、セラミックスからなる格納容器と、超電導バルク体と対向して非接触に配置される永久磁石という構成にすることにより、超電導バルク体を利用した超電導軸受において、超電導バルク体が均一に冷却され、格納容器での渦電流損が小さい超電導軸受を提供することができる。

【0072】

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

【符号の説明】

【0073】

１、１Ａ、１Ｂ 超電導軸受
１０、１１ 超電導バルク体
１２ 第１の超電導バルク体
１３ 第２の超電導バルク体
２０、２１ 格納容器
３０ 永久磁石
４０、４１、４１Ａ 外周拘束リング
１１０ 超電導バルク部材
２１０ 格納容器部材

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】