JP2007324611A - 高温超伝導磁気シールド体用冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒の補給をすることなく、磁気シールド体を９０Ｋ以下に冷却でき、取り扱い容易で連続運転が可能で且つ良好な磁気シールド特性を得ること。
【解決手段】真空容器内に断熱サポートにより支承された高温超伝導磁気シールド体を設置し、真空容器の前記磁気シールド体（１）は、円筒形磁気シールド基板（３）の内周面に高温超伝導体（４）を付着し、その外周面に冷却管（５）を円筒形磁気シールド基板（３）の軸方向にジグザグ状に配管部分溶接した構造からなり、冷却装置（２０）の高圧配管（２６）および低圧戻り配管（２７）と前記冷却管（５）とを連通させ、断熱サポートは、磁気シールド基板（３）の一端部を前記真空容器の外筒（１０）と断熱材からなるリンク機構（１４）で連結し、他端部を断熱材を介してローラで当接させている。
【選択図】図１

Description

本発明は脳磁界計測や精密物理計測の際に障害となる環境磁場をシールドするための高温超伝導体を利用した磁気シールド装置に関する。

液体窒素で高温超伝導シールド体を冷却する方式の磁気シールド装置は従来から公知である。図５は断面が円環状の真空容器３０内に液体窒素ＬＮ_２
を充填した貯槽３１を設置したもので、該貯槽は内周面に高温超伝導体３２の薄層を有する磁気シールド体となる内筒３３と外筒３４の二重筒からなっている。図６は図５の竪型タイプを横型タイプにしたものである。

これらのタイプは貯槽３１に充填している液体窒素（ＬＮ_２ ）が窒素ガス（ＧＮ_２
）となって消費すると液体窒素のレベルが低下して磁気シールド体上部の温度が上昇し、高温超伝導体の磁気シールド性が低下する。磁気シールド特性を得るためには高温超伝導体を９０Ｋ以下に冷却しなければならないので定期的に液体窒素を補充しなければならない。貯槽が竪型の場合は高さが２メートルもあるので液体窒素の補充が困難であり、また、冷媒に液体窒素を利用しているため８０Ｋ以下に冷却することは不可能で高温超伝導体の磁気シールド特性の向上に限界があった。

図７のタイプは円筒形の磁気シールド基板３５に螺旋状の蛇管３６をろう付し、該基板３５の内周面に高温超伝導体３２の薄層を塗布してなる磁気シールド体を真空容器３０内に設置したものである。このタイプは液体窒素を蛇管３６に流して磁気シールド基板３５を液体窒素による循環冷却するため、前記図５、図６の貯槽タイプの欠点は改良されているが、螺旋状の蛇管を円筒形の基板３５に一様に密着させることは加工上極めて困難である。その上、磁気シールド基板３５に蛇管３６をろう付けした後、高温超伝導体の後処理として焼鈍処理（約８００°Ｃ）を行なわなければならないので焼鈍処理の間にろう付箇所が溶融して剥離すると云う問題点があった。

本発明は冷媒の補給を必要とすることがなく、磁気シールド体を９０Ｋ以下に冷却でき、取り扱いが容易で長期の連続運転が可能で且つ良好な磁気シールド特性が得られる高温超伝導磁気シールド体用冷却装置を提供することを目的とするものである。

断面が円環状の真空容器内に断熱サポートにより支承された高温超伝導磁気シールド体を設置し、該磁気シールド体を超伝導状態に冷却する高温超伝導磁気シールド装置において、前記真空容器の前記磁気シールド体（１）は、円筒形磁気シールド基板（３）の内周面に高温超伝導体（４）を付着し、その外周面に冷却管（５）を前記円筒形磁気シールド基板（３）の軸方向にジグザグ状に配管部分溶接した構造からなり、ヘリウムガスを冷却循環媒体とする冷却装置（２０）の高圧配管（２６）および低圧戻り配管（２７）と前記冷却管（５）とを連通させ、前記断熱サポートは、前記磁気シールド基板（３）の一端部を前記真空容器の外筒（１０）と断熱材からなるリンク機構（１４）で連結し、他端部を断熱材を介してローラで当接させていることを特徴とする。

本発明は、ヘリウムガスを冷却循環媒体とする冷却装置を使用するため、冷却装置の運転を開始するだけで磁気シールド基板を液体窒素温度以下の温度域まで冷却できるとともに、冷却媒体の補給をしなくても長期の無人連続運転が可能で、安定した磁気シールド特性が得られる高温超伝導体磁気シールド装置を提供できる。また、高温超伝導磁気シールド体を設置する真空容器と冷却装置の真空容器とはフレキシブル管で連絡されているため冷却装置の振動が高温超伝導磁気シールド体を設置する真空容器へ伝播することがない。さらに、本発明の磁気シールド体は磁気シールド基板に冷却管を磁気シールド体の軸方向にジグザグ状に配置して所々を溶接するだけでよいから冷却管を螺旋状に巻回する従来のものに較べて加工が極めて容易であり、軸方向の温度分布が僅少である。また、高温超伝導体の後処理としての焼鈍処理に際して冷却管が磁気シールド基板から剥離するおそれは全くない。また、磁気シールド基板の一端部は真空容器の外筒と断熱材からなるリンク機構と、そして他端部は外筒と断熱材を介してローラと当接しているため、磁気シールド体の熱歪みを吸収できる。

図１は本発明にかかる高温超伝導磁気シールド体用冷却装置の全体図である。１は真空容器２内に設置される磁気シールド体で、磁気シールド体はニッケルまたは銀製の円筒形磁気シールド基板３の内周面にセラミック質の高温超伝導体４の薄層が付着されており、磁気シールド基板３の外周面には図３、図４に示すように該基板の軸線方向にニッケル製の冷却管５がジグザグ状に折り曲げられて所々で部分溶接６されている。

即ち、磁気シールド基板３の外周面の軸方向に所定間隔で部分溶接された冷却管５は該基板の端部ａ位置で、基板３の外周面に沿ってｂ位置まで１／４周長周回させる。次に、ｂ位置から軸方向に前記と逆方向にターンさせて基板３の端部ｃ位置まで外周面に沿わせて部分溶接６し、ｃ位置で前記と同様に基板３の外周面に沿ってｄ位置まで１／４周長周回させる。そして、ｄ位置からまた軸方向にターンさせて基板端部ｅ位置まで外周面に沿わせて部分溶接６し、ｅ位置で再び基板３の外周面に沿って前記同様基板３の外周面に沿って１／４周長周回させここから軸方向にターンさせて基板端部位置まで外周面に沿わせて部分溶接６している。

つまり、冷却管５は磁気シールド基板３の両端部近傍１／４周長おきにジグザグに折り曲げられて基板３の外周面に９０度間隔で軸方向に溶接された構造である。なお、冷却管５をその全長にわたって基板３に連続溶接すると歪みの原因となるので所々を部分溶接している。なお、７は管継手、８は冷却管５の入口および出口が容易に折り曲げられるように、基板３の端部に設けられた環状の把持具である。

前記構造の磁気シールド基板３は合成繊維の網とアルミ箔を多層に積重させた高性能の断熱材９で被覆されて磁気シールド体１が構成されている。真空容器２はＳＵＳ製外筒１０とＦＲＰ製内筒１１およびこれらの内外筒の空間を密閉するＦＲＰ製の上蓋１２、下蓋１３で形成されており、前記磁気シールド体１は真空容器２内の上下で断熱サポートにより支承されている。

下部断熱サポートは真空容器の外筒１０の下部と磁気シールド基板３の下部とを円周方向に数ヶ所で、ＧＦＲＰ製のリンク機構１４で連結されており、上部断熱サポートは真空容器の外筒１１の上部に円周方向に数ヶ所で突設せるＧＦＲＰ製ブラケット１５で軸支しているローラ１６を前記断熱材９を貫通させて磁気シールド基板３の上部外周面に当接させることにより磁気シールド体１の熱収縮が吸収される構造となっている。なお、ブラケット１５は磁気シールド基板３側に設置してもよい。

２０はヘリウムガスを冷却循環媒体とする冷却装置で、該装置は小型冷凍機２１、圧縮機２２、バイパス弁２３、熱交換器２４、冷凍機熱交換部２５、高圧配管２６、低圧戻り配管２７と、そして、前記冷凍機２１の冷却シリンダ、熱交換器２４、冷凍機熱交換部２５を封入する真空容器２８から構成されており、高圧配管２６と低圧戻り配管２７は磁気シールド体１の冷却管５の両端に接続され冷却循環媒体の閉回路が形成されている。２９、２９は真空容器２と真空容器２８間に連結され前記高圧配管２６および低圧戻り配管２７を被覆するフレキシブル管である。なお、小型冷凍機としては蓄冷式のギフォード・マクマホンサイクルのヘリウム冷凍機が使用される。

次に本発明の作用について説明する。冷却装置２０において、圧縮機２２を始動して冷凍機２１を運転し、冷凍機熱交換部２５が所定の冷却温度に達すると、バイパス弁２３を開く。高圧ヘリウムガスの一部は熱交換器２４を経て冷凍機熱交換部２５で８０Ｋ以下に冷却される。冷却されたヘリウムガスは高圧配管２６から磁気シールド体１の冷却管５に流入し、磁気シールド基板３と熱交換して磁気シールド基板３を冷却する。そして、磁気シールド基板３内周面の高温超伝導体４が９０Ｋ以下に冷却されて超伝導状態となると、真空容器の内筒１２の内側空間Ｖが磁気シールド空間となる。

磁気シールド基板３と熱交換して昇温されたヘリウムガスは冷却管５から低圧戻り配管２７を通って熱交換器２４を経由して圧縮機２２の低圧側に返送され圧縮機２２から再び冷却媒体として送り出されて高圧配管２６、冷却管５、低圧戻り配管２７と繰り返し循環し冷却媒体を補充することなく磁気シールド基板３を冷却できる。そして、磁気シールド基板３は高性能の断熱材９で被覆されているので冷却管５を磁気シールド基板３の軸方向にジグザグ状に配管し、磁気シールド基板３へ冷却管の全長にわたって連続溶接しなくても磁気シールド基板３を８０Ｋないし５０Ｋ以下にまで冷却できる。また、磁気シールド基板３と冷却管５はともにニッケル材の溶接構造であるので、約８００°Ｃで行なわれる高温超伝導体の焼鈍処理の際に接合部が剥離することはない。さらに、軸方向のジグザグ配管により軸方向の温度分布を僅少にすることができるとともに、より高性能の磁気シールド性能が得られる。

磁気シールド基板３の一端部は真空容器１の外筒１１と断熱材からなるリンク機構１５と、そして他端部は外筒１と断熱材を介してローラと当接しているため、磁気シールド体の熱歪みを吸収できる。さらに、冷却装置２０の真空容器２８と真空容器２とはフレキシブル管２９、２９で連結されているため冷却装置の振動が真空容器２へ伝播することがない。

本発明にかかる高温超伝導磁気シールド体用冷却装置の全体説明図。 図１におけるＡ−Ａ線断面図。 本発明にかかる磁気シールド基板の正面図。 図３におけるＢ−Ｂ線断面図。 公知の高温超伝導磁気シールド装置の説明図。 公知の他の高温超伝導磁気シールド装置の説明図。 公知の他の高温超伝導磁気シールド装置の説明図。

符号の説明

１・・・・・磁気シールド体
２・・・・・真空容器
３・・・・・磁気シールド基板
４・・・・・高温超伝導体
５・・・・・冷却管
９・・・・・断熱材
１０・・・・真空容器外筒
１１・・・・真空容器内筒
１４・・・・リンク機構
１６・・・・ローラ
２０・・・・冷却装置
２１・・・・小型冷凍機
２２・・・・圧縮機
２３・・・・バイパス弁
２４・・・・熱交換器
２５・・・・冷凍機熱交換部
２６・・・・高圧配管
２７・・・・低圧戻り配管
２８・・・・真空容器
２９・・・・フレキシブル管
３０・・・・真空容器
３１・・・・貯槽
３２・・・・高温超伝導体
３５・・・・磁気シールド基板
Ｖ・・・・・磁気シールド空間

Claims (3)

1. 断面が円環状の真空容器内に断熱サポートにより支承された高温超伝導磁気シールド体を設置し、該磁気シールド体を超伝導状態に冷却する高温超伝導磁気シールド装置において、前記真空容器の前記磁気シールド体（１）は、円筒形磁気シールド基板（３）の内周面に高温超伝導体（４）を付着し、その外周面に冷却管（５）を前記円筒形磁気シールド基板（３）の軸方向にジグザグ状に配管部分溶接した構造からなり、ヘリウムガスを冷却循環媒体とする冷却装置（２０）の高圧配管（２６）および低圧戻り配管（２７）と前記冷却管（５）とを連通させ、前記断熱サポートは、前記磁気シールド基板（３）の一端部を前記真空容器の外筒（１０）と断熱材からなるリンク機構（１４）で連結し、他端部を断熱材を介してローラで当接させていることを特徴とする高温超伝導磁気シールド体用冷却装置。
2. 前記円筒形磁気シールド基板（３）および冷却管（５）はニッケルまたは銀製であって、両者を部分溶接で接合されていることを特徴とする請求項１記載の高温超伝導磁気シールド体用冷却装置。
3. 前記円筒形磁気シールド基板（３）および冷却管（５）は断熱材で被覆されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の高温超伝導磁気シールド体用冷却装置。

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