JP2007096333A - 分別装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安価で製作の容易な強磁気力場発生装置を提供する。
【解決手段】中心に存在する中空筒状空間の周囲に、最内層の超電導磁石とこの超電導磁石に対して同心円状に配置されている１つの超電導磁石とからなる主磁石を備え、主磁石の高さ方向の上部又は下部に、主磁石の高さ方向に平行な中心軸線と同軸中心軸を有する位置に、１つ以上の超電導磁石からなる補助磁石を配置し、主磁石を構成する最内層及び前記１つの超電導磁石のそれぞれにより形成される磁場は同方向、補助磁石により形成される磁場は、主磁石により形成される磁場とは逆方向となし、最内層の超電導磁石の高さ方向に直角な方向の中央線に対して、前記１つの超電導磁石における高さ方向に直角な方向の中央線が、補助磁石が配置されている側と反対側に位置するように、最内層及び前記１つの超電導磁石のそれぞれを固定配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁石に急磁場勾配を形成する事により強磁気力場を形成するものであって、特に、該強磁気力場内で、物質に重力に抗して浮揚力を与えたり、物質の磁気的特性に応じて分離したりする等の装置に使用可能な強磁気力場発生装置に関するものである。

磁場が物質に及ぼす力は、電磁気学により解明されており、磁場の強さ（Ｂ）と、磁場勾配（ｄＢ／ｄｚ）の積（Ｂ・ｄＢ／ｄｚ，以下単に磁気力場という）に比例する。前記磁場勾配（ｄＢ／ｄｚ）が重力の方向に存する場合には、物質を重力に抗して磁気力で浮揚させて無重力状態となす事が可能となり、逆方向の場合には大きな重力を付与させる過重力の発生が可能となる。

磁気力により無重力状態を形成すれば、現在無重力下の宇宙空間で行われている結晶成長試験，物質の合成試験或いは植物の発芽発根試験等を地上で行う事が可能となり、試験コストは格段に安価となる。又、大きな過重力を発生させる場合には、過重力下における植物の成長試験や接触面を有しない異方性圧力下における諸物性の研究等に利用する事が可能となる。

係る磁気力場を発生させて物質を浮揚させる装置としては、従来はソレノイド型又はパンケーキ型の超電導コイル或いはビッター型の常電導コイルを用いて、その中央空間部の端部付近の磁場力場が最大となる位置に物質を入れた容器を配置し、該容器から物質を浮揚させるものがある。ところで、水（反磁性物質）を重力に抗して浮揚させるには、約１４００Ｔ・Ｔ／ｍ以上の磁気力場が必要とされているが、一般に市販されている強磁場コイルでは、この磁気力場を得る事は極めて困難であり、高価な装置が必要とされている。

そこで、この問題を解決し、安価に強磁気力場を発生する手段として、特開２０００−７７２２５号公報に開示されているものがある。同公報によると、この強磁気力場発生装置の構造して種々のものが提案されており、その１つに図７に示す構造のものがある。即ち、この強磁気力場発生装置１１は、同図に示されている様に、強磁場Ｂ１を発生する超電導コイルで形成した内側コイル１２Ｂと外側コイル１２Ａとの多層コイルからなる主コイル１２と、前記内側コイル１２Ｂの上部に、該主コイル１２とは逆方向の磁場Ｂ２を発生する超電導コイルで形成した補助コイル１３を配置し、これらをフランジ部１４ａを有する巻枠１４に保持させた構造のものである。係る構造を採用する事により、主コイル１２と補助コイル１３の境界付近で磁場勾配（ｄＢ／ｄｚ）を急勾配となす事が可能となし、従って、強磁気力場を形成する事を可能にしている。

係る構造の装置を表１に示す諸元で試作し、試験した結果が以下の通り記載されている。

この強磁気力場発生装置１１をクライオスタット内に収容し、内外層の主コイル１２Ａ，１２Ｂに１１０Ａを、補助コイル１３に５００Ａを夫々通電したところ、補助コイル１３の内端付近（フランジ１４ａ付近）に磁気力場の最大値が１４００Ｔ・Ｔ／ｍとなり、水滴を浮揚させる事ができたと記載されている。

しかしながら、係る構造の装置では、理論的には製作可能であっても、現実問題としては、大きな問題がある。即ち、上記表１の諸元を有する前記図７に示した装置を用いて水を浮揚させ得る１４００Ｔ・Ｔ／ｍの磁気力場を発生させるには、主コイル１２Ａ，１２Ｂには１５０Ａの電流を通電し、補助コイル１３には６００Ａを通電する必要があるが、図７に示している様に、補助コイル１３には内側主コイル１２Ｂに対して図中Ｆ４で示した上向きの力が作用し、外側主コイル１２Ａには、内層側主コイル１２Ｂに対して図中Ｆ５で示した下向きの力が作用する事になり、この合力は１１トンにも達する。この巨大な力を巻枠１４によって保持する必要があるが、これだけの力に耐える巨大な巻枠の製造は、技術的には可能であったとしても、これにコイルを巻き付けて保持させるのは非現実的である。

本発明は、係る問題点を解決し、巻枠に作用する力を最小限とした強磁気力場発生装置を提供する事を目的とするものである。

本発明の強磁気力場発生装置は、超電導磁石又は常電導磁石を用いて、強磁気力場を発生させる強磁気力場発生装置であって、中空筒状空間を中心に有し、前記中空筒状空間の周囲に、最内層の超電導磁石又は常電導磁石と、前記最内層の超電導磁石又は常電導磁石に対して同心円状に配置されている１つの超電導磁石又は常電導磁石とからなる主磁石を備え、前記主磁石の高さ方向の上部又は下部に、前記主磁石の高さ方向に平行な中心軸線と同軸中心軸を有する位置に、少なくとも１つの超電導磁石又は常電導磁石からなる補助磁石を配置し、前記主磁石を構成する、前記最内層の超電導磁石又は常電導磁石、及び、前記１つの超電導磁石又は常電導磁石のそれぞれにより形成される磁場は同方向となし、前記補助磁石により形成される磁場は、前記主磁石により形成される磁場とは逆方向となし、前記最内層の超電導磁石又は常電導磁石の高さ方向に直角な方向の中央線に対して、前記１つの超電導磁石又は常電導磁石における高さ方向に直角な方向の中央線が、前記補助磁石が配置されている側と反対側に位置するように、前記最内層の超電導磁石又は常電導磁石、及び、前記１つの超電導磁石又は常電導磁石のそれぞれを固定配置することによって、前記主磁石を構成する、前記最内層の超電導磁石又は常電導磁石、及び、前記１つの超電導磁石又は常電導磁石のそれぞれに作用する吸引力及び反発力を低下させるものである。

また、本発明の強磁気力場発生装置においては、前記主磁石又は補助磁石のいずれか一方又は双方の前記中空筒状空間内に、強磁性体リング又は強磁性体盤を配置してなることが好ましい。

以上説明した如く、本発明の強磁気力場発生装置によれば、主磁石１と補助磁石２とを同軸上に上下に配置すると共に、主磁石は複数層の磁石で形成しているので、１つの磁石で高磁場を発生させる場合に比べて、効率的に強磁場を形成する事ができる。

又、主磁石の内外層の各磁石の軸線に直交する方向の中心線Ｒの位置を、外側層の磁石が補助磁石から受ける反発力と最内層の磁石から受ける吸引力とがバランスする様に適宜ずらす事により、各磁石を保持した巻枠に作用する力を最小値となしているので、これらの磁石を保持する巻枠の製作は極めて容易となる。この結果、計算上は可能であっても製作が困難であった強磁気力場発生装置の製作が、安価に且つ容易となり、無重力場や過重力場における各種研究の促進が図られ、科学技術の一層の進歩発展に大きく寄与する事が期待される。

以下、本発明について図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明に係る強磁気力場発生装置１１の概念図を示すもので、主磁石１は、中空筒状空間Ｓを有する３層の超電導磁石又は常電導磁石（以下、超電導磁石又は単に磁石と記載する）１ａ，１ｂ，１ｃから構成され、超電導磁石１ａを最内層の磁石として、超電導磁石１ａ、超電導磁石１ｂ、超電導磁石１ｃが、この順に内側から同心円状に配置された構造となっている。図示の例では、第１層の超電導磁石１ａの高さは、他の２層の超電導磁石１ｂ，１ｃに比して小さく構成され、第２層と第３層の超電導磁石１ｂ，１ｃの高さは同一に形成されており、これらの磁石の高さ方向の中心軸線Ｚに直角な方向の中心線を、第１層の磁石１ａはＲ１で示し、第２層及び第３層の磁石はＲ２で示している。この図示の例から明らかな様に、Ｒ２はＲ１に対して距離ｄだけずれた位置に配置されている。又、前記主磁石１の高さ方向の上部には、該主磁石１の高さ方向に平行な中心軸線Ｚと同軸の中心軸を有する位置に少なくとも１つの超電導磁石又は常電導磁石（以下、超電導磁石又は単に磁石と記載する）からなる補助磁石２を配置している。

そして、上記主磁石１を構成する３つの磁石１ａ〜１ｃには、同一方向の磁場が発生する様に通電され、前記補助磁石２には、前記主磁石１と逆方向の磁場が発生する様に形成されている。この様に、主磁石１を多層磁石構造とする事によって、１層構造の磁石の場合よりも、合理的に高磁場を発生する様にしている。これにより、前記特開２０００−７７２２５号公報に記載されている如く、前記主磁石１と補助磁石２との境界付近に強磁気力場が形成される事になる。

図２は、図１の磁石配列を有する強磁気力場発生装置の巻枠を含めた断面図である。以下に強磁気力場発生装置における各巻枠と各磁石とについて説明する。上記配置の主磁石１と補助磁石２とを第１巻枠３に巻着することにより、強磁気力場発生装置１１は形成されている。具体的には以下の通りである。該第１巻枠３は下部巻枠３ａと上部巻枠３ｂとからなり、下部巻枠３ａの巻芯全体に、下部巻枠３ａの上下フランジの各内側が隠れる程度まで、最内層の磁石として第１主磁石１ａとなる超電導コイルが巻着形成されている。そして、下部巻枠３ａの外側に第２巻枠４が配置され、該第２巻枠４の巻芯全体に、該第２巻枠４の上下フランジの各内側が隠れる程度まで、第２主磁石１ｂとなる超電導コイルが巻着形成されている。同様にして第２巻枠４の外側に第３巻枠５が配置され、該巻枠５の巻芯全体に、該巻枠５の上下フランジの各内側が隠れる程度まで、第３主磁石１ｃとなる超電導コイルが巻着形成されている。このようにして主磁石１は形成されている。又、前記上部巻枠３ｂには、同様に超電導コイルが巻着形成されて補助磁石２を形成している。尚、前記第１巻枠３〜第３巻枠５は、適宜の手段により固着一体化されている。

図５は、上記本発明の装置と比較のために例示したものであって、主磁石１はは、図１のものと同一の３層の磁石１ａ，１ｂ，１ｃからなり、その上部に補助磁石２を配置したものである。この比較例においては、第１主磁石１ａ〜第３主磁石１ｃは、夫々の高さ方向の軸線Ｚに対して直交する方向の中心線Ｒが、同一中心線となる様に配置されている。この場合には、第１主磁石１ａに対し、前記補助磁石２には図中Ｆ１で示した様に上向きの反発力が作用し、第２主磁石１ｂ及び第３主磁石１ｃには、前記補助磁石２による反発力と該補助磁石２が存在する事による該第２，第３主磁石１ｂ，１ｃの中心線Ｒの上下における磁場の大きさの違いから下向きの力Ｆ２，Ｆ３が夫々発生する。

この結果、この様な３つの主磁石１ａ〜１ｃの配置で前述の如く枠体３〜５に超電導コイルを巻着すると、該巻枠３〜５には大きな力が作用するので強固な巻枠が必要となるが、図１に示した如く、外側の第２，第３主磁石１ｂ，１ｃの前記中心線Ｒ２を、内側の第１主磁石１ａの前記中心線Ｒ１から下方にずらし、前記補助磁石２による下向きの反発力と、中心線をずらす事により生じる第１主磁石１ａとの吸引力とがバランスして相殺する様になせば、上述の第２，第３主磁石１ｂ，１ｃに作用する下向きの力Ｆ２，Ｆ３をゼロ（０）になす事が可能となる。

次に、図１の如く主磁石を配置した本発明の実施例と、図５の如く主磁石を配置した比較例とについて、具体的な数値を用いて説明する。

〔実施例〕
３つの超電導コイル１ａ〜１ｃからなる主磁石１と、１つの超電導コイルからなる補助磁石２を形成し、これを図１の如き配置で図２に示した如く一体の巻枠に巻着して、表２に示す諸元の強磁気力場発生装置を形成した。

上表において、第２，第３コイル１ｂ，１ｃの前記中心線Ｒ２は、前記最内層の第１コイル１ａの中心線Ｒ１から下方に５ｍｍずらしており、補助コイル２の中心線Ｒ３（図１参照）は、前記第１コイル１ａの中心線Ｒ１から上方に１２５ｍｍの位置にある事を示している。

この装置に通電して各コイルに表２に示した起磁力を発生したときの磁場強度（Ｂ：Ｔ）と、磁気力場（Ｂ／ｄＢ／ｄｚ：Ｔ・Ｔ／ｍ）との中心線（Ｒ１）からの距離（ｚ）との関係を計算で求めたところ、最大磁場１５．４（Ｔ）を発生し、補助コイル２の内端付近で最大磁気力１５００（Ｔ・Ｔ／ｍ）を発生できると計算されたが、このときの第１主超電導コイル１ａと補助超電導コイル２を組み込んだ巻枠３と、第２主超電導コイル１ｂと第３主超電導コイル１ｃを組み込んだ巻枠４，５との間に作用する軸方向の電磁力は略ゼロ（０）であった。この事から、巻枠３には格別に大きな電磁力が作用しないので、その製作は極めて容易である事が分かる。

次に、上記装置に実際に通電して所定の起磁力を発生させたときの磁場強度と磁気力との分布を測定し、その結果を図６に示した。同図から明らかな様に、中心線の位置（ｚ＝０ｍｍ）で最大磁場１５（Ｔ）強を発生し、ｚ＝７０ｍｍ強の位置、即ち第１コイル１ａの上端付近で最大磁気力１５００（Ｔ・Ｔ／ｍ）強が発生し、４０ｍｍの常温ボア中で水滴を浮揚させる事ができた。

〔比較例〕
前記図５に示した如く、３つの主磁石１ａ〜１ｃの中心線Ｒを一致させる以外は、上記実施例と同一条件でシミュレーションを行ったところ、実施例と同様に、最大磁場１５．４（Ｔ）を発生し、補助コイル２の内端付近で最大磁気力１５００（Ｔ・Ｔ／ｍ）を発生できると計算されたが、このときの第１主超電導コイル１ａと補助超電導コイル２を組み込んだ巻枠３に作用する軸方向の電磁力Ｆ１と、第２主超電導コイル１ｂと第３主超電導コイル１ｃを組み込んだ巻枠４，５との間に作用する軸方向の電磁力Ｆ２，Ｆ３は、夫々２〜３トンにも達し、この力に抗して巻枠にコイルを支持させるには、高強度の巻枠が必要となり、現実的には製作不可能である事が理解される。

次に、図３は、本発明の他の実施例を示す断面図であり、本例では、主磁石１の最内層の第１主磁石１ａの中央の筒状空間（Ｓ）の略中央部に強磁性体製のリング６ａを配置し、同様に、補助磁石２の中央の筒状空間の略中央部にも強磁性体製のリング６ｂを配置したものであり、これにより、各磁石１，２の磁力を強化させたものである。従って、係る強磁性体製のリング６ａ，６ｂを配置する事により、磁気力を更に強化させる事が可能となる。尚、図示の例では、主磁石１と補助磁石２の両方に前記強磁性体製リングを配置しているが、これはいずれか一方でも構わない。

次に、図４は、前記第１主磁石１ａの筒状空間内の前記補助磁石２の近傍に強磁性体製の盤体６ｃを配置したものであって、同様の効果が期待されるものである。

尚、上記実施例では、主磁石１の上部に補助磁石２を配置した例を示したが、この場合は、重力に抗して浮揚力を発生させる事ができるものであり、前述の無重力状態の形成等に利用されるものである。一方、主磁石１の下部に補助磁石２を配置すれば、過重力状態が形成され、高重力下での各種試験等に使用されるものである。

又、主磁石１は３つの磁石１ａ〜１ｃを用いる場合の例について説明したが、これは３つに限らず２つ或いは４つ以上でも良いことは言うまでもない。更に、第２主磁石１ｂと第３主磁石１ｃの高さが同一の場合の例について説明しているが、これらの高さが全て異なっていても全く問題はなく、要は、外側層の磁石が補助磁石や最内層の磁石の作用によって大きな力を受ける事の無い様に、その軸線に対して直交方向の中心線を最内層の磁石１ａの中心線から適宜ずらして配置すれば良いのである。

更に、上記実施例では、１つの補助磁石２を用いた場合の例を示しているが、この補助磁石２も複数中空コイルを同心円状に配置したものとなす事も可能である。

図１は、本発明に係る強磁気力場発生装置の磁石配置の１例を示す概念図である。 図２は、図１の磁石配列を有する強磁気力場発生装置の巻枠を含めた断面図である。 図３は、本発明に係る強磁気力場発生装置の他の例を示す断面図である。 図４は、本発明に係る強磁気力場発生装置の更に他の実施例を示す断面図である。 図５は、比較例を示す強磁気力場発生装置の磁石配置を示す概念図である。 図６は、本発明に係る強磁気力場発生装置で発生した磁場強度と磁気力の軸線方向の分布図である。 図７は、従来の強磁気力場発生装置の１例を示す断面図である。

符号の説明

１ 主磁石
１ａ 第１主磁石
１ｂ 第２主磁石
１ｃ 第３主磁石
２ 補助磁石
３ 第１巻枠
４ 第２巻枠
５ 第３巻枠
６ａ，６ｂ 強磁性体リング
６ｃ 強磁性体盤体
Ｚ 中心軸線
Ｒ１ 最内層主磁石の中心線
Ｒ２ 外側層主磁石の中心線
Ｒ３ 補助磁石の中心線

Claims (2)

1. 超電導磁石又は常電導磁石を用いて、強磁気力場を発生させる強磁気力場発生装置であって、
   中空筒状空間を中心に有し、
   前記中空筒状空間の周囲に、最内層の超電導磁石又は常電導磁石と、前記最内層の超電導磁石又は常電導磁石に対して同心円状に配置されている１つの超電導磁石又は常電導磁石とからなる主磁石を備え、
   前記主磁石の高さ方向の上部又は下部に、前記主磁石の高さ方向に平行な中心軸線と同軸中心軸を有する位置に、少なくとも１つの超電導磁石又は常電導磁石からなる補助磁石を配置し、
   前記主磁石を構成する、前記最内層の超電導磁石又は常電導磁石、及び、前記１つの超電導磁石又は常電導磁石のそれぞれにより形成される磁場は同方向となし、
   前記補助磁石により形成される磁場は、前記主磁石により形成される磁場とは逆方向となし、
   前記最内層の超電導磁石又は常電導磁石の高さ方向に直角な方向の中央線に対して、前記１つの超電導磁石又は常電導磁石における高さ方向に直角な方向の中央線が、前記補助磁石が配置されている側と反対側に位置するように、前記最内層の超電導磁石又は常電導磁石、及び、前記１つの超電導磁石又は常電導磁石のそれぞれを固定配置することによって、前記主磁石を構成する、前記最内層の超電導磁石又は常電導磁石、及び、前記１つの超電導磁石又は常電導磁石のそれぞれに作用する吸引力及び反発力を低下させることを特徴とする強磁気力場発生装置。
2. 前記主磁石又は補助磁石のいずれか一方又は双方の前記中空筒状空間内に、強磁性体リング又は強磁性体盤を配置してなる請求項１に記載の強磁気力場発生装置。

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