JP2004336839A - 超電導磁気勾配浮上システム - Google Patents

Abstract

【課題】左右方向案内力を浮上力に対して過大にさせず、適宜な大きさに低減調整ができる超電導磁気勾配浮上システムを実現させる。
【解決手段】超電導磁界発生コイル４と磁気遮蔽体５とは熱的に接続されておらず、それぞれ第一冷凍機３、第二冷凍機８によって個別に冷却できるように構成されている。そして、超電導磁界発生コイル４を定格の起磁力に至る途中段階で一旦止めるのであるが、この段階までは磁気遮蔽体５を常電導状態に保持させておくため、第二冷凍機８の能力を低く調整して磁気遮蔽体５が超電導状態にならないようにする。磁気遮蔽体５の内部には、励磁された磁束が貫通しており、この段階で第二冷凍機８の冷凍能力を向上させて磁気遮蔽体５を超電導状態に遷移させると磁気遮蔽体５内に入った貫通磁束はそのままの形で捕捉保持される。その後、超電導磁界発生コイル４を定格の起磁力まで励磁する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超電導磁気勾配浮上システムの性能向上に関するものであり、特に磁気遮蔽体の磁気遮蔽機能に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の超電導磁気勾配浮上方式においては、例えば図３に示すように、強磁性体１７のある空間内に、超電導磁界発生コイル１４からの強力な磁場を、超電導材料にて構成された磁気遮蔽体１５によって特殊な磁場勾配として生み出すことにより、当該空間内の強磁性体１７（またはその反力を受ける超電導磁界発生コイル１４側）を非接触でかつ安定的に浮上させるものであった。超電導磁界発生コイル１４からの磁場を整形する役割の磁気遮蔽体１５には、強力な磁界を受けても超電導が破れない、つまり磁気をほぼ完全に遮蔽するという機能が要求される。
【０００３】
図３に示す従来構成例では、中央付近に強磁性体１７を配置するための空洞部１１を備えた低温容器１２内に超電導磁界発生コイル１４と磁気遮蔽体１５が収容されている。そして、この磁気遮蔽体１５は超電導材で構成されており、超電導状態にするためには冷却する必要があるため、冷凍機１３（図中ではコールドヘッド部分のみ示す）によって冷却されている超電導磁界発生コイル１４と磁気遮蔽体１５とは熱良導体１６で直結されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような構成の磁気遮蔽体１５によって強力な磁界を遮蔽できるのであるが、その場合、強磁性体１７との相互力である上下方向の「浮上力」と左右方向の「案内力」の比に関しては、一旦作ると固定されてしまい、調整することができなかった。なぜなら磁気遮蔽体１５と超電導磁界発生コイル１４は熱的に一体となっており、冷却時にはほぼ同時に超電導状態に到達するからである。
【０００５】
そこで本発明は、左右方向案内力と上下方向浮上力の比について、案内力が過大な場合にそれを低減させ、浮上力を向上させて、両者の比を適宜な大きさに調整できる超電導磁気勾配浮上システムを実現させることを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
上記目的を達成するためになされた請求項１に係る超電導磁気勾配浮上システムは、磁場発生源と、低温容器内に収容され冷却手段によって冷却されて超電導状態に遷移する磁気遮蔽体と、を組み合わせて特殊な磁場分布空間を構成することにより鉄などの強磁性体との間に安定的な相互電磁力作用を作り出し、磁場発生源及び磁気遮蔽体を有するユニットあるいは強磁性体の何れか一方を浮上体として空間に浮上させるものである。ここで本発明の磁気遮蔽体は、磁場発生源から発生された磁束が常電導状態の磁気遮蔽体を所定量貫通した状態になった時点で、冷却手段によって磁気遮蔽体を常電導状態から超電導状態に遷移させるように構成されている。磁場発生源としては例えば請求項２に示すように磁界発生コイルを採用することができるが、その場合であれば、磁界発生コイルへの通電量を調整することによって、その磁界発生コイルから発生された磁束が磁気遮蔽体を貫通する量を調整することができる。
【０００７】
つまり、磁気遮蔽体を常電導状態にして、磁界発生コイルへの通電量（電流値）を発生磁界が小さい段階で一度止めておく。この状態では磁気遮蔽体はまだ超電導状態ではないため、磁界発生コイルから発生された磁束が磁気遮蔽体の内部まで貫通する。この貫通する磁束が所定量の状態で磁気遮蔽体を冷却して超電導状態に遷移させると、いわゆる磁場中冷却の原理と同じで、ピン止め効果により内部の磁束は貫通したままの自然な姿で捕捉される。この後、磁界発生コイルへの通電電流値を増大させ励磁していき、定格の起磁力に到達させる。このとき磁気遮蔽体は超電導状態となり磁気遮蔽機能を発揮するようになっているため、大半の磁束は磁気遮蔽体によって遮蔽されるものの、その磁気遮蔽体の内部には前述した一部の磁束が入った形になっている。磁気遮蔽体の内部に捕捉される磁束量を調整することによって、超電導状態における磁気遮蔽体の磁気遮蔽効果を調整することができる。この結果、浮上力、案内力を適度な大きさに調整することができる。
【０００８】
すなわち本発明では、従来構成と比較して、磁気遮蔽体の磁気遮蔽効果が少し弱まるものの、その効果は浮上力の向上と案内力の低減という調整機能にむしろ役立つ。そして、従来構成では初期励磁時から（不要な）大きな遮蔽電流が流れるため、結果的に過大剛性が必要となっていた磁気遮蔽体の構造に対しても、その必要がなくなり、薄くて軽量なものを使用できるという利点がある。
【０００９】
また、請求項３に示すように、磁界発生コイルとして、低温容器内に磁気遮蔽体と共に収容された超電導磁界発生コイルを採用する場合には、磁気遮蔽体は超電導磁界発生コイルとは独立して温度調節が可能に構成すればよい。このように独立して温度調節が可能な構成であれば、超電導磁界発生コイルの方だけ超電導状態となるまで冷却して磁界発生をさせても、磁気遮蔽体の方は常電導状態に保持したままにすることができるため、上述した所定量の磁束を磁気遮蔽体に貫通させた状態にした後で、磁気遮蔽体を超電導状態に遷移させることが実現できる。
【００１０】
なお、このような低温容器内に磁気遮蔽体と超電導磁界発生コイルが共に収容された状況で、両者を独立して温度調節が可能とするためには、例えば冷却手段としての冷凍機自体を個別に準備することが考えられる。また、冷凍機または冷媒により冷却されている超電導磁界発生コイルと磁気遮蔽体とを熱的に熱良導体で接続可能な構成を前提としながら、さらに、その熱良導体による熱的な接続の入り切りを切り替え可能な熱スイッチを付加し、さらに必要ならば磁気遮蔽体を加熱可能なヒーターを付加する。そして、超電導磁界発生コイルを冷却しているときには、熱スイッチによって前記熱良導体による熱的な接続を切断し、必要ならば前記ヒーターによって加熱することで、磁気遮蔽体が超電導状態になるのを阻止して常電導状態に保持するのである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明が適用された実施例について図面を用いて説明する。なお、本発明の実施の形態は、下記の実施例に何ら限定されることなく、本発明の技術的範囲に属する限り、種々の形態を採り得る。
【００１２】
［第一実施例］
図１は、第一実施例の超電導磁気勾配浮上システムの概略構成を示す説明図である。図１に示すように、本実施例の超電導磁気勾配浮上システムにおいては、空洞部１を中央付近に有する低温容器２の内部に、超電導磁界発生コイル４と磁気遮蔽体５とが収納されている。空洞部１には例えば鉄などの強磁性体７が配置される。この強磁性体７は、特殊な磁場分布空間を構成する超電導磁界発生コイル４および磁気遮蔽体５との間で安定的な相互電磁力作用を作り出し、空洞部１の空間に浮上する。
【００１３】
低温容器２の内部に収容される超電導磁界発生コイル４はレーストラック形状、一方、磁気遮蔽体５は断面が長方形状であり、超電導磁界発生コイル４の内側、つまり空洞部１内の強磁性体７側に磁気遮蔽体５が対向して配されている。つまり、図１に示すように、強磁性体７を挟んで、左右いずれの方向においても強磁性体７→磁気遮蔽体５→超電導磁界発生コイル４の順番で位置することとなる。
【００１４】
図３に示した従来構成では、超電導磁界発生コイル１４と磁気遮蔽体１５が熱良導体１６によって熱的に接続されていたが、本実施例の場合には、図１に示すように、超電導磁界発生コイル４と磁気遮蔽体５とは熱的に接続されていない。そして、超電導磁界発生コイル４は第一冷凍機３（図中ではコールドヘッド部分のみ示す）によって冷却され、磁気遮蔽体５は第二冷凍機８（図中ではコールドヘッド部分のみ示す）によって冷却されるよう構成されている。つまり、超電導磁界発生コイル４と磁気遮蔽体５とは個別に冷却することができるようになっている。
【００１５】
そして、このように独立して冷却可能であるため、本実施例では、次のような操作を行うことで磁気遮蔽体５の磁気遮蔽能力の調整を行う。
まず、第一冷凍機３によって冷却された超電導磁界発生コイル４に通電して励磁する際、定格の起磁力に至る途中段階で一旦止める。この段階までは磁気遮蔽体５を常電導状態に保持させておくため、第二冷凍機８の能力を低く調整することにより、磁気遮蔽体５が超電導状態にならないようにする。この状態では磁気遮蔽体５の内部には、励磁された磁束が貫通している。そして、この段階で第二冷凍機８の冷凍能力を向上させる操作を行うことによって、磁気遮蔽体５は超電導状態に遷移するが、いわゆる磁場中冷却の操作と同じであるため、磁気遮蔽体５内に入った貫通磁束はそのままの形で捕捉保持される。その後、超電導磁界発生コイル４への通電量を上げて定格の起磁力まで励磁する。
【００１６】
このような操作により、超電導磁界発生コイル４によって発生された磁界の大半は、超電導化された磁気遮蔽体５により遮蔽される。しかし、上述した操作によって磁気遮蔽体５にはすでに一部の磁束が貫通しているので、磁気遮蔽効果は弱くなる。そして、磁界遮蔽効果が薄れた分、かえって従来構成では過大であった案内力がそれに応じた値になるとともに、浮上力の方も少し増える。さらに、従来構成では、必要以上の磁気遮蔽効果のため過大な遮蔽電流が流れ遮蔽体として高い性能が要求される、と同時に強度的にも面的剛性を過大にする必要があった磁気遮蔽体５の構造に関しても、その必要がなくなり、薄くて軽量なものを使用できるという利点がある。
【００１７】
なお、磁気遮蔽体５を超電導状態へ遷移させるタイミングは必ずしも固定されるものでなく、例えば超電導磁界発生コイル４を一度励磁し、第一冷凍機３によって冷却された超電導磁界発生コイル４に通電して励磁する際、定格の起磁力に至る途中段階で一旦止める場合の「途中段階」に関しては、どの程度の貫通磁束を磁気遮蔽体５に付与したいかによる。したがって、例えば実験等によって貫通磁束と超電導磁界発生コイル４への通電電流値の対応関係を得ておき、所望の貫通磁束に対応する通電電流値を用いて制御すればよい。
【００１８】
なお、このような対応関係に基づく通電電流値を用いても結果的に貫通磁束が所望の状態から多すぎたり少なすぎたりする可能性があるため、その場合は、再度やり直せばよい。例えば貫通磁束が多すぎて案内力が不足していることが判明した場合は、再度の励磁操作により、もう少し通電電流値が小さな時点で磁気遮蔽体５を超電導状態に遷移させれば、それだけ案内力が大きくできる。このように磁気遮蔽体５のハード的構造を変えなくても、ソフト的な対処で磁気遮蔽体５の磁気遮蔽効果の調整ができることとなる。
【００１９】
［第二実施例］
図２は、第二実施例の超電導磁気勾配浮上システムの概略構成を示す説明図である。なお、図１に示した第一実施例と同様の構成要素については、同じ番号を付して詳しい説明を省略する。
【００２０】
上述した第一実施例の場合には、冷凍機を個別に準備した。つまり、超電導磁界発生コイル４の冷却用の第一冷凍機３と、磁気遮蔽体５の冷却用の第二冷凍機８である。これに対して第二実施例の場合には、図２に示すように、超電導磁界発生コイル４の冷却用の第一冷凍機３は存在するが、図１に示した磁気遮蔽体５の冷却用の第二冷凍機８は存在しない。その代わりに、超電導磁界発生コイル４と磁気遮蔽体５とは熱良導体６で接続されている。このように超電導磁界発生コイル４と磁気遮蔽体５とを熱良導体６で接続しただけであれば、従来技術の問題点をして指摘したように、第一冷凍機３によって超電導磁界発生コイル４を冷却すると、熱良導体６によって熱的に接続された磁気遮蔽体５まで冷却されてしまい、第一実施例の場合で説明したような「磁気遮蔽体５内に入った貫通磁束をそのままの形で捕捉保持させる」という状態を作れない。
【００２１】
そこで、本第二実施例では次の２つの工夫を施している。つまり、まず、超電導磁界発生コイル４と磁気遮蔽体５とを接続している熱良導体６の部分に、熱スイッチ６ａを設け、両者が熱的に接続される状態と、熱的には接続されない状態を切り替えられるようにした。この熱スイッチ６ａは、例えば、熱良導体６が磁気遮蔽体５又は超電導磁界発生コイル４（あるいはその両方）に接触する状態と接触しない状態を切り替えることができるようにしたものである。また、２番目の工夫として、磁気遮蔽体５にヒーター９（図中では熱線部分のみ示す）を取りつけてある。
【００２２】
このような構成の第二実施例の場合にも、第一冷凍機３によって冷却された超電導磁界発生コイル４に通電して励磁する際、定格の起磁力に至る途中段階で一旦止めるのであるが、この冷却を始める前に、熱スイッチ６ａによって磁気遮蔽体５と超電導磁界発生コイル４とが熱的に接続されない状態に切り替えておく。そして第一冷凍機３による冷却時には、ヒーター９によって磁気遮蔽体５を加熱することで、より確実に常電導状態を確保することができる。
【００２３】
このようにすることで、第一実施例と同じように磁気遮蔽体５の内部には、励磁された磁束が貫通している状態が得られるため、その後、ヒーター９による加熱を止め、熱スイッチ６ａにより磁気遮蔽体５と超電導磁界発生コイル４とが熱的に接続する状態に切り替える。すると、第一冷凍機３による冷却作用が磁気遮蔽体５まで及び、磁気遮蔽体５は超電導状態へ遷移する。
【００２４】
［その他］
（１）上記実施例では超電導磁界発生コイル４を低温容器２の内部に配置した場合の例を示したが、例えば、超電導磁界発生コイル４の代わりに低温容器２の外側に配置させた常電導磁界発生コイルを用いてもよい。また、超電導磁界発生コイル４や磁気遮蔽体５の冷却法として冷凍機３，８を用いたが、冷媒を使用して冷却してもよい。
【００２５】
（２）上記第二実施例では、超電導磁界発生コイル４と磁気遮蔽体５とを熱良導体６で接続し、磁気遮蔽体５に対する冷却は、超電導磁界発生コイル４及び熱良導体６を介して間接的に行うようにした。しかし、磁気遮蔽体５と第一冷凍機３のコールドヘッドを熱スイッチを介して熱良導体６で接続し、超電導磁界発生コイル４及び磁気遮蔽体５をそれぞれ直接冷却するようにしてもよい。そして、磁気遮蔽体５と第一冷凍機３のコールドヘッドの間の熱スイッチを切り入りすることによって、超電導磁界発生コイル４のみ冷却する状態と、超電導磁界発生コイル４及び磁気遮蔽体５の両方を冷却する状態を切り替えるようにすればよい。
【００２６】
（３）また、超電導磁界発生コイル４の形状としては、例えば円形や鞍型であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】第一実施例の超電導磁気勾配浮上システムの概略構成を示す説明図である。
【図２】第二実施例の超電導磁気勾配浮上システムの概略構成を示す説明図である。
【図３】従来の超電導磁気勾配浮上システムの概略構成を示す説明図である。
【符号の説明】
１，１１…空洞部、２，１２…低温容器、３…第一冷凍機、４，１４…超電導磁界発生コイル、５，１５…磁気遮蔽体、６，１６…熱良導体、６ａ…熱スイッチ、７，１７…強磁性体、８…第二冷凍機、９…ヒーター、１３…冷凍機。

Claims (3)

1. 磁場発生源と、低温容器内に収容され冷却手段によって冷却されて超電導状態に遷移する磁気遮蔽体と、を組み合わせて特殊な磁場分布空間を構成することにより鉄などの強磁性体との間に安定的な相互電磁力作用を作り出し、前記磁場発生源及び磁気遮蔽体を有するユニットあるいは前記強磁性体の何れか一方を浮上体として空間に浮上させる超電導磁気勾配浮上システムであって、
   前記磁場発生源から発生された磁束が常電導状態の前記磁気遮蔽体を所定量貫通した状態になった時点で、前記冷却手段によって前記磁気遮蔽体を常電導状態から超電導状態に遷移させたこと
   を特徴とする超電導磁気勾配浮上システム。
2. 前記磁場発生源は磁界発生コイルであり、その磁界発生コイルへの通電量を調整することによって、その磁界発生コイルから発生された磁束が前記磁気遮蔽体を貫通する量を調整すること
   を特徴とする請求項１に記載の超電導磁気勾配浮上システム。
3. 前記磁界発生コイルは前記低温容器内に前記磁気遮蔽体と共に収容された超電導磁界発生コイルであり、前記磁気遮蔽体は前記超電導磁界発生コイルとは独立して温度調節が可能に構成されていること
   を特徴とする請求項２に記載の超電導磁気勾配浮上システム。

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