研究論文
手のひらサイズの超小型超電導バルク磁石の開発
佐保 典英
*，松田 和也
*，西嶋 規世
*,†Development of a Palm-sized Miniature Superconducting Bulk Magnet
Norihide SAHO
*, Kazuya MATSUDA
*and Noriyo NISHIJIMA
*,†Synopsis: The development of a small, light, powerful and energy-efficient superconducting magnet has been desired in order to realize better efficiency and manipulability in guiding magnetic nano-particles, magnetic organic cells and other items to the right place. This study focuses on the development of a high-temperature superconducting (HTS) bulk magnet characterized by comparatively low leak magnetism despite a relatively high magnetic field. On this basis, the authors developed a palm-sized superconducting bulk magnet, which is the world’s smallest, lightest, and lowest power consuming, as well as a new technology to effectively magnetize such a bulk magnet in a compact Stirling-cycle cryocooler (magnet C) with a pre-magnetized HTS bulk magnet (magnet B) in a compact cryocooler. This technology is demonstrated in two steps. In the first step, magnet B is magnetized using a superconducting solenoid magnet with a high magnetic field (magnet A) via the field cooling method. In the second step, magnet C is magnetized in the high magnetic field of magnet B. The prototype magnet C weighs 1.8 kg, and measures 235×65×115 mm (L×W×H). Magnet B was magnetized to 4.9 T using a 5 T magnet, and the target, magnet C, was magnetized using magnet B so that its maximum trapped magnetic flux density reached the value of 3.15 T. The net power consumption in a steady cooling state was 23 W, which is very low and comparable to that of a laptop computer.
Keywords: superconducting magnet, high-temperature bulk superconductor, magnetic drug delivery system (Some figures in this article may appear in colour only in the electronic version)
1. 緒言
近年，小域空間に高い磁束密度を発生できる高温超電導 バルク磁石（以下，超電導バルク磁石と記す）を使用し， この強い磁気力を利用した汚水浄化装置 1)，卓上型 NMR
（NMR: Nuclear Magnetic Resonance）2,3)，小動物用卓上型
MRI（MRI: Magnetic Resonance Imaging System）4)や磁性幹
細胞誘導システム 5-11)，磁気的ドラッグ・デリバリー・シ
ステム（MDDS: Magnetic Drug Delivery System）12,13)等の
研究開発が活発に行われている。筆者らは，先に MDDS および磁性幹細胞誘導システム用として磁石本体重量が 10 kg 未満で，両腕で抱えられるサイズの携帯型高温超電 導バルク磁石システム 14)を開発した。前記磁石システム を利用しているユーザらからは，さらに小型・軽量化を図 り，操作性に優れたサイズで，かつ省エネルギーの節電型 超電導磁石の開発に期待が寄せられた。 超電導バルク磁石の避けがたい欠点として，着磁後のバ ルク体を昼夜連続で低温保持しなければならないことが挙 げられる。このため，高温超電導バルク体（以下，バルク 体と記す）を冷凍機で冷却する超電導バルク磁石では，冷 凍機を昼夜連続で運転することが必要で，電力費用がユー サ側の負担となる。電力費をできるだけ小さくするために は，極低温に冷却するバルク体への熱侵入量を低減し，必 要最小限の冷凍能力を有する高効率の冷凍機を適用して， 冷凍機の消費電力を小さく抑えることが必要である。 これらの背景から，筆者らは今回，手のひらに載るサイ ズで，消費電力を大幅に低減した超小型超電導バルク磁石 を開発した。ここで，冷凍機は小型・軽量化のため，圧縮 機一体型のスターリング式とした。本論文では，超小型化 を実現するために，超電導バルク磁石を他の超電導バルク 磁石で着磁する新たな着磁方法 15）を提案し，試作した超 小型超電導バルク磁石のフィールド・クール法（以下， FC 法と記す）で得られた着磁特性について報告する。 *Received February 27, 2012 (株)日立製作所 日立研究所 〒312-0034 茨城県ひたちなか市堀口 832 番地 2 Hitachi, Ltd., HRL, 832-2 Horiguchi, Hitachinaka, Ibaraki 312-0034, Japan
2. 新着磁方法および着磁最適化
2.1 新着磁方法 本着磁方法は，以下に示す２ステップで着磁する方法15） である。まず，第一ステップとして予め励磁した高磁場の 超電導ソレノイド型磁石（以下，磁石 A と記す）で，リ ング状のバルク体を内蔵した冷凍機一体型の着磁用超電導 バルク磁石（以下，磁石B と記す）を FC 法にて着磁する。 次に第二ステップでこの磁石 B の高磁場大気空間内にて， 冷凍機一体型の超小型超電導バルク磁石（以下，磁石 C と記す）をFC 法で着磁する。 Fig. 1 に示すように，第一ステップにおいて磁石 A で磁 石B を着磁する場合，磁石 A の漏洩磁界の影響が強い位 置では，磁石 B の冷凍機に内蔵されているリニアピスト ン型の電動圧縮機のピストン移動が拘束され運転不可とな る。このため，磁石A の磁場中心に配置する磁石 B のバ ルク体と冷凍機は離して配置し，その間を銅やアルミニウ ム製の熱伝導体で熱的に接続する。このような構成では， 磁石 B の低温に冷却する部分が広くなって熱侵入量が増 加し，冷凍能力が大きな冷凍機を選択する必要となる。 よって磁石 B の小型化は困難であり，運転消費電力も低 減できない。 一方，着磁された磁石 B の漏洩磁界の範囲は，磁石 A のそれに比べて非常に狭い。このため磁石 C で使用する 冷凍機をバルク体に近接させ，磁石 C を小型化すること が可能となる。 2.2 バルク体サイズの最適化 磁石B および磁石 C のバルク体の設計にあたり，磁石 B のリング状バルク体の外径を 60 mm に定めた。これ は，使用する磁石 A の常温ボアー内径が 100 mm であ り，磁石 B の真空容器のサイズを考慮した上での選定で ある。ここで，磁石 C が捕捉する磁束密度の大きさは， 磁石 B の励磁磁界が大きいほど，また磁石 C のバルク体 の直径Dcが大きいほど大きくなる。磁石B の励磁磁界， すなわち磁石 B のリング状バルク体の大気空洞内での捕 捉磁場は，磁石B のバルク体の内径 Dbが小さいほど高く なるが，前記大気空洞内に挿入する磁石 C のバルク体の 外径は小さくなり，捕捉できる磁束密度が小さくなる。数 種類の DbとDcの組合せを仮定し，磁石B および磁石 C の捕捉磁場をビーンモデル法にて数値解析して比較検討し た結果，Dbを35 ｍｍ，Dcを20 mm に選定した。3. 着磁実験結果
3.1 磁石 B の構造及び着磁捕捉磁気特性 Fig. 2 に磁石 B の構造を示す。使用したリング状バルク体の 材質はGd 系（Gd-Ba-Cu-O）で，外径 60 mm，内径 35 mm，厚 さ20 mm のものを 3 段重ねて使用した。なおリング状バルク体 はFig. 3 の外観写真に示したように外周にアルミニウム合金 製の固定リングを有しており，内部の大気空洞サイズは，内径 31 mm，奥行き 60.5 mm である。磁石 A の磁場中心位置に設 置する 2 段目のリング状バルク体中央部と冷凍機端部は，前 述した冷凍機の安定運転を確保するため，610 mm 離されてい る。使用した冷凍機は，圧縮機一体型のスターリング式である。 5 T に励磁した磁石 A の常温ボアー内に，磁石 B に内蔵さ れた常温のリング状バルク体を挿入した後，冷凍機で温度約 38 K に冷却する。その後，磁石 A を消磁して磁石 B を着磁す る。磁石B の大気空洞内の捕捉磁気特性を Fig. 4 に示す。空 洞内の底面からのZ 軸方向距離を Zbとし，Z 軸方向の磁束密 度を Bzとすると，2 段目のバルク体中央部付近となる Zb＝35 mm での Bzは4.9 T であり，磁石 A の励磁磁界 Bz = 5.0 T の 98%の Bzを捕捉した。また，大気空洞内の径方向位置 R での Bzは，R = 11.5 mm で 4.93 T であり，R = 0 mm との差異はFig. 1 First magnetization system where superconducting bulk magnet B is magnetized using solenoid magnet A.
Fig. 3 One of the GdBa2Cu3O7 ring-shaped bulk superconductors
used in magnet B. Cryocooler Compressor Operating controller and water cooling unit Magnetized HTS bulk magnet (magnet B)
Exciting superconducting magnet
(magnet A) Cryocooler Thermal conduting bar Bulk superconductors (φ60 xφ35 x 20 thick, 3-layers)
φ31 Water-cooled jacket Vacuum chamber Room temperature cavity
φ93 810
Unit: mm Fig. 2 Structure of the trial portable HTS bulk magnet B for the second magnetization with three laminated high-Tc bulk
0.6％で，良好な均一性を示した。 一方，漏洩磁場はZb ＝140 mm で Bz = 0.1 T となり，磁 石 C の冷凍機はこの位置近傍に配置しても運転に支障が 無いことが分かった。 3.2 磁石 C の構造及び着磁捕捉磁気特性 Fig. 5 (a)に磁石 C の概略構造を示す。使用したバルク体 の材質はGd 系（Gd-Ba-Cu-O）で，外周にステンレス製の 補強リングを有している。バルク体の外径は 20 mm，厚 さは 20 mm である。使用した冷凍機は圧縮機一体型のス ターリング式冷凍機で，コールドヘッド温度 77 K で，1 W の冷凍性能を有している。圧縮機の圧縮熱は隣設した ファンにより空冷で排熱した。試作した磁石 C のサイズ は，全長235 mm，幅 65 mm，高さ 115 mm，また磁石本 体の重量は1.8 kg で，Fig. 5 (b)の概観写真に示すように手 のひらサイズの超小型超電導バルク磁石を具現化し，軽量 化により磁石の移動操作性を向上させた。 第二ステップにおいて，磁石 C の着磁を以下の手順で 行った。Fig. 6 (a) の図に示すように磁石 B の励磁磁界 4.9 T の大気空洞内に冷却前の磁石 C の先端に内蔵したバル ク体を挿入し，その後冷凍機でバルク体を冷却した。Fig. 6 (b) に磁石 C を着磁するために磁石 B の大気空洞中に挿 入した外観写真を示す。 磁石C のクールダウン時間は 90 分で，バルク体を締結 した銅製の冷却ステージ温度が 46.0 K の定常に達した。 この時の室温は 23.8℃であった。その後，磁石 B の冷凍 機を停止し，リング状のバルク体を臨界温度以上に昇温さ せ，空洞内から着磁した磁石C を引き抜いた。 磁石C のバルク体に捕捉された Bzの真空容器表面での 測定値および数値解析結果との比較をFig. 7 に示す。縦軸 はBzで，横軸は真空容器表面の半径方向距離Rsである。 Bzの最大値はRs =0 mm 近傍で 3.15 T であった。ビーンモ デル法により測定値分布から推算したバルク体内の永久電 流値Jcは8×108 A/m2で，この値を使用して求めた解析値 と，実測値のプロフィルはほぼ一致している。実測値が解 析値に比べ左側にシフトしている原因は，バルク体自身の 磁気特性によるものであり，磁石Ｂの励磁磁界の影響では ない。 Fig. 8 に磁石 C のバルク体表面の中央部からの距離 Z0 とBz 分布の実測値，および前記 Jc値を用いた解析結果を 示す。本図から，真空中にあるバルク体表面でのBzは4.8 T と見積もられ，バルク体は磁石 B の励磁磁界とほぼ同 等値を捕捉していると考えられる。 磁石A から磁石 B へ，磁石 B から磁石 C への 2 段階で 着磁された結果をまとめてTable 1 に示す。すなわち，磁 石A の励磁磁界 5.0 T で，磁石 C のバルク体表面において 4.8 T（解析値），真空容器表面において 3.15 T（実測値） を捕捉することができた。 0.01 0.1 1 10 0 50 100 150 200 M agnetic flux density Bz (T)
Distance from the bottom of the room temperature cavity Zb(mm)
φ30
Fig. 4 Measured magnetic flux density Bz distribution at
the bottom center of the magnet B room-temperature cavity under magnetization in the 5 T field of magnet A.
Vacuum chamber R Z Room temperature cavity
φ31×60.5 mm
Fig. 5 Structure and photograph of the trial palm-sized HTS bulk magnet C.
Thermal conducting bar Cryocooler with cooling fan
Cold head Vacuum chamber Bulk superconductor (φ20×20 thick) 115 235 (65 mm in depth) Unit:mm (a) Structure of the trial magnet C
磁気誘導する磁性粒子に作用するZ 軸方向の磁気力 Fmz [N]は，(1)式に示すように，体積が V [m3]の被磁気吸引物 質（ここでは磁性微粒子）が置かれた空間の磁束密度 Bz [T]が被磁気吸引物質の飽和磁界以下である場合，Fmzは Bzと磁気勾配⊿Bz [T/m]の積（以下，磁気力係数 fm [T2/m] と記す）に比例する。 Fmz = V・χ・Bz・（∂Bz/∂z）/μ0 = V・χ・Bz・⊿Bz/μ0 = V・χ・fmz /μ0 (1) ここで，χ は磁化率，μ0は真空透磁率[N/A2]である。着磁 した磁石 C の真空容器表面中央部での⊿Bzは，表面と表 面から0.2 mm 離れた位置での Bzの測定値から算出した結 果，800 T/m であった。したがって，fmzは2,460 T2/m と なり，非常に大きな磁気力が真空容器表面中央部に発生で きることが分かる。Fig. 9 に磁石 C の磁気力を可視化し た，真空容器表面での水のモーゼ効果現象の写真を示す。 これは反磁性の水が真空容器表面中央部の強い磁気力で外 側に排除されて生じるもので，透明なアクリル製容器内に 入れた水道水の水面が左右に盛り上がる高さは約4 mm で あった。 また，真空容器表面中央部でBz = 3.15 T に着磁された 際の磁石C の Bz = 0.5 mT ラインは，実測の結果，バルク 体中央を中心としたZ 軸方向の長径 175 mm，半径方向の 短径150 mm の楕円状の形状であった。したがって，本磁 石 C を応用する装置がデスクトップであっても，他の電 子機器に与える磁気的影響を狭い範囲に留めることができ ると考えられる。 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 Magnetic flux density Bz (T) 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 Magnetic flux density Bz (T)
Distance from the center of the surface of the bulk super conductor Z0(mm)
Calc. Meas.
Item Magnet A Magnet B Magnet C Place tempera-Room
ture bore Room temperature cavity Surface of bulk super-conductor Surface of vacuum chamber Magnetic flux density 5.0 T 4.9 T (calculated)(4.8 T) 3.15 T Table 1 Magnetic flux density maintained in the various systems (b) Photograph of the magnet C being excited by the magnet B
Magnet C
Fig. 6 Second magnetization step where the superconducting bulk magnet C is excited using the magnetic field produced by the superconductors of magnet B.
Magnet B Excited superconductors Magnet C of magnet B
Bulk superconductor of magnet C (a) Second magnetization system
Magnet B
-30 -20 -10 0 10 20 30 Radial distance Rs (mm)
Fig. 7 Calculated and measured values of the magnetic flux density Bz of the trial HTS bulk magnet C magnetized
in a 4.9 T field. Calc.
Meas. 3.15 T
0 10 20 30 40 50
Fig. 8 Calculated and measured values of the magnetic flux density Bz at various distances from the center of the bulk
superconductor of magnet C magnetized in a 4.9 T field.
Z0
φ20 Bulk superconductor
5 mm
Vacuum chamber Fig. 9 “Moses effect” of tap water.
磁石 C の着磁後の定常冷却状態での消費電力は，空冷 ファンの電力を含め 23.0 W であり，3 T 級の超電導磁石 を，ノート型パーソナルコンピュータ並みの消費電力で運 転維持できることを検証した。これにより，バッテリーを 内設した小型のキャリーバッグを用いて，着磁後のバルク 磁石を外部電源無しで長時間輸送することが可能となっ た。Table 2 に，磁石 C の測定結果をまとめる。 ここで，大気空間に発生できる超電導磁石の最大磁束密 度 Bair と，Bairを定常的に発生させるために必要な磁石の 定格運転消費電力 E との比 RB [W/T]を，従来の超電導磁 石と比較する。従来の超電導ソレノイド磁石の RB は，常 温ボアー空間に磁束密度 10 T 発生させる際の定格消費電 力を6.5 kW と仮定すると 650 W/T で，これに対し，磁石 C の RBは7.3 W/T となる。よって，磁石 C が非常に少な い電力で高磁場を提供できる超電導磁石であることが分か る。
4. まとめ
デスクトップサイズの超電導磁石応用装置への適用を目 的とした超電導バルク磁石の開発において，材質が Gd-Ba-Cu-O のバルク超電導体（バルク体）と圧縮機を内蔵す る小型ヘリウム冷凍機を一体化した超小型超電導バルク磁 石（磁石C）を開発し，着磁用超電導ソレノイド磁石（磁 石 A），着磁用超電導バルク磁石（磁石 B）を用いた２段 階のFC 法による新着磁方法による着磁試験を実施し，次 の結論を得た。 （１）内径 31 mm，奥行き 60.5 mm の大気空洞を構成す るリング状のバルク体（外径 60 mm，内径 35 mm，厚さ 20 mm を 3 段重ね）を内蔵した冷凍機一体型の磁石 B を， 磁石A の印加磁界 5.0 T の常温ボアー中で着磁した結果， バルク体の冷却温度 38.1 K において，前記大気空洞内中 心部において，空洞軸方向に4.9 T の磁束密度 Bzを捕捉し た。 （２）外径20 mm，厚さ 20 mm のバルク体を内蔵した磁 石C を，磁石 B の空洞内の 4.9 T の印加磁界強度中で着 磁した結果，磁石 C の真空容器表面での最大 Bzおよび磁 気勾配⊿Bzは，3.15 T，800 T/m であり，この位置での磁 気力係数fmzは2,460 T2/m であった。 （３）磁石C の漏洩磁場 0.5 mT ラインは実測の結果，最 大Bz = 3.15 T の捕捉時において，バルク体中央部を中心と したZ 軸方向の長径 175 mm，半径方向の短径 150 mm の楕 円状の形状であった。 （４）磁石 C の着磁後の定常冷却状態での消費電力は， 空冷ファンの電力を含め23.0 W であり，3 T 級の超電導磁 石を，ノート型パーソナルコンピュータ並みの消費電力で運転 維持できることを実証した。 （５）試作した磁石C のサイズは，全長 235 mm，幅 65 mm， 高さ115 mm，磁石本体の重量は 1.8 kg で，手のひらサイズの 超小型超電導バルク磁石を具現化し，3 T 級の超電導磁石で 世界最小・最軽量で最少消費電力の冷凍機一体型の超電導 バルク磁石を開発した。 参 考 文 献1) N. Saho, T. Mizumori, N. Nishijima, H. Isogami, M. Murakami and M. Tomita : “Magnetic separator for water treatment using superconducting bulk magnets,” TEION KOGAKU 37 (2002) 622-628 (in Japanese)
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