JP3170949B2 - 酸化物超電導線材を用いた交流マグネットの冷却装置 - Google Patents
酸化物超電導線材を用いた交流マグネットの冷却装置Info
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- Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)
- Superconductors And Manufacturing Methods Therefor (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、酸化物超電導体を用い
たマグネットの冷却装置に関し、特に交流電流を通電す
るマグネットの冷却装置に関する。
たマグネットの冷却装置に関し、特に交流電流を通電す
るマグネットの冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】超電導応用機器は、電気抵抗ゼロ、大電
流の通電が可能という特性を活かした強磁場発生マグネ
ットを中心としてその市場が広がりつつある。しかし、
これら既に実現された適用例は直流用途に限定されてい
る。一方、身の回りの大部分の電気機器は交流で動作し
ているのが現状であり、これに対応可能な線材を開発す
れば、超電導応用分野が格段に拡大するため、金属系線
材において交流用の研究開発が活発に行なわれている。
流の通電が可能という特性を活かした強磁場発生マグネ
ットを中心としてその市場が広がりつつある。しかし、
これら既に実現された適用例は直流用途に限定されてい
る。一方、身の回りの大部分の電気機器は交流で動作し
ているのが現状であり、これに対応可能な線材を開発す
れば、超電導応用分野が格段に拡大するため、金属系線
材において交流用の研究開発が活発に行なわれている。
【０００３】超電導マグネットに交流を通電して交流の
磁場を発生させる際、問題となるのが線材で発生（発
熱）する渦電流損失、ヒステリシス損失及びマグネット
構造材料で発生する渦電流損失である。さらに、超電導
マグネット以外の冷却装置内の構造材料で生じる渦電流
損失も問題となる。交流化に際しては、これら渦電流損
失とヒステリシス損失の低減が必須とされるものの、そ
の低減には困難が伴うため、従来、金属系超電導線材を
巻線して作製された交流マグネットの用途は、核融合実
験炉用マグネット、巨大レーザー電源等の電力装置、あ
るいは交流磁場中の試料の物性測定用マグネット等の特
殊な分野に限られていた。しかしながら、最近、微生物
の増殖速度に対する交流磁場印加効果が確認されバイオ
リアクターとしての応用も期待されることから、交流化
に関する上述の問題が解決されれば、より普遍的な交流
強磁場発生装置の需要が高まることになる。
磁場を発生させる際、問題となるのが線材で発生（発
熱）する渦電流損失、ヒステリシス損失及びマグネット
構造材料で発生する渦電流損失である。さらに、超電導
マグネット以外の冷却装置内の構造材料で生じる渦電流
損失も問題となる。交流化に際しては、これら渦電流損
失とヒステリシス損失の低減が必須とされるものの、そ
の低減には困難が伴うため、従来、金属系超電導線材を
巻線して作製された交流マグネットの用途は、核融合実
験炉用マグネット、巨大レーザー電源等の電力装置、あ
るいは交流磁場中の試料の物性測定用マグネット等の特
殊な分野に限られていた。しかしながら、最近、微生物
の増殖速度に対する交流磁場印加効果が確認されバイオ
リアクターとしての応用も期待されることから、交流化
に関する上述の問題が解決されれば、より普遍的な交流
強磁場発生装置の需要が高まることになる。
【０００４】従来の金属系超電導線材を用いた代表的な
交流マグネットとその冷却装置の構造を図３に示す。超
電導マグネット２は４．２Ｋの液体ヘリウム１７に浸漬
して冷却されており、交流電源１５から電流リード６を
通じてその超電導マグネット２に電流が供給されるよう
になっている。電流リード６は、液体ヘリウム１７が気
化した低温のヘリウムガスにより冷却され、室温部から
の熱侵入を防ぐものである。液体ヘリウムは、液体ヘリ
ウム貯蔵容器１８からトランスファチューブ１９を介し
て内側容器２０内に供給される。その内側容器２０は、
それへの熱侵入を減少させるため、二重の断熱真空容器
２１によって囲まれている。さらに、室温部からの輻射
熱を低減するために液体窒素で冷却される熱シールド２
２が設けられている。このように、金属系超電導線材を
用いたマグネットを冷却するためには、複雑で大型の冷
却装置を必要としていた。金属系超電導線材を用いたマ
グネットである限り、冷媒として液体ヘリウムを用いる
上記の冷却構造は、直流と交流それぞれに共通してい
る。
交流マグネットとその冷却装置の構造を図３に示す。超
電導マグネット２は４．２Ｋの液体ヘリウム１７に浸漬
して冷却されており、交流電源１５から電流リード６を
通じてその超電導マグネット２に電流が供給されるよう
になっている。電流リード６は、液体ヘリウム１７が気
化した低温のヘリウムガスにより冷却され、室温部から
の熱侵入を防ぐものである。液体ヘリウムは、液体ヘリ
ウム貯蔵容器１８からトランスファチューブ１９を介し
て内側容器２０内に供給される。その内側容器２０は、
それへの熱侵入を減少させるため、二重の断熱真空容器
２１によって囲まれている。さらに、室温部からの輻射
熱を低減するために液体窒素で冷却される熱シールド２
２が設けられている。このように、金属系超電導線材を
用いたマグネットを冷却するためには、複雑で大型の冷
却装置を必要としていた。金属系超電導線材を用いたマ
グネットである限り、冷媒として液体ヘリウムを用いる
上記の冷却構造は、直流と交流それぞれに共通してい
る。
【０００５】これに対し、酸化物超電導線材の超電導転
移温度は、金属系線材のそれに比べ非常に高いので、液
体ヘリウムを用いずに冷凍機により冷却させることが可
能である。このような知見から、図４に示すように、冷
凍機１により冷却とともに動作させる、酸化物超電導線
材を用いて作製した直流マグネットとその冷却装置が提
案されている（特開平４−２５８１０３号公報等）。同
図の構成では、冷凍機１の第二段クライオヘッド９から
超電導マグネット２への冷却効率を高めるために、第二
段クライオヘッド９を固着している第二段冷却ステージ
７は、熱伝導率が高い銅から構成されている。また、超
電導マグネット２は、第二段冷却ステージ７からの冷却
効率を高めるため熱伝導率が高い銅製のマグネット巻枠
２３に巻付けられている。超電導マグネット２を、熱シ
ールド容器３内に充填されたガスにより冷却するため、
第二段冷却ステージ７に密着された熱シールド容器３
は、熱伝導率が高い銅から構成されている。電流リード
６は、通電時の発熱を抑えるため、低電気抵抗の銅から
構成されており、直流電源２４からその電流リード６を
通じて超電導マグネット２に直流電流が供給されるよう
になっている。なお、物性測定用試料は１１は第二段冷
却ステージ７に取り外し可能に固着されている。
移温度は、金属系線材のそれに比べ非常に高いので、液
体ヘリウムを用いずに冷凍機により冷却させることが可
能である。このような知見から、図４に示すように、冷
凍機１により冷却とともに動作させる、酸化物超電導線
材を用いて作製した直流マグネットとその冷却装置が提
案されている（特開平４−２５８１０３号公報等）。同
図の構成では、冷凍機１の第二段クライオヘッド９から
超電導マグネット２への冷却効率を高めるために、第二
段クライオヘッド９を固着している第二段冷却ステージ
７は、熱伝導率が高い銅から構成されている。また、超
電導マグネット２は、第二段冷却ステージ７からの冷却
効率を高めるため熱伝導率が高い銅製のマグネット巻枠
２３に巻付けられている。超電導マグネット２を、熱シ
ールド容器３内に充填されたガスにより冷却するため、
第二段冷却ステージ７に密着された熱シールド容器３
は、熱伝導率が高い銅から構成されている。電流リード
６は、通電時の発熱を抑えるため、低電気抵抗の銅から
構成されており、直流電源２４からその電流リード６を
通じて超電導マグネット２に直流電流が供給されるよう
になっている。なお、物性測定用試料は１１は第二段冷
却ステージ７に取り外し可能に固着されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】現在、超電導応用機器
普及の最大の障害となっているのは、前述の交流損失
（発熱）を除くと、金属系超電導材料を使用する限り、
液体ヘリウムを使用することが避けられないということ
である。しかも液体ヘリウムは時間の経過とともに気化
消耗するので、長時間連続運転するためには定期的に追
加供給する必要がある。しかるに液体ヘリウムは非常に
高価でありその取り扱いには熟練を要するため、同図の
構成のマグネットを動作することはランニングコストの
上昇を招くと共に、冷却システムを簡便に稼働させるこ
とが困難であるという課題があった。さらに、液体ヘリ
ウムへの熱侵入を防ぐため、内側容器２０は二重の断熱
真空容器２１と液体窒素で冷却される熱シールド２２に
よって囲まれているのでマグネットを冷却するための装
置が大型化するという課題もあった。
普及の最大の障害となっているのは、前述の交流損失
（発熱）を除くと、金属系超電導材料を使用する限り、
液体ヘリウムを使用することが避けられないということ
である。しかも液体ヘリウムは時間の経過とともに気化
消耗するので、長時間連続運転するためには定期的に追
加供給する必要がある。しかるに液体ヘリウムは非常に
高価でありその取り扱いには熟練を要するため、同図の
構成のマグネットを動作することはランニングコストの
上昇を招くと共に、冷却システムを簡便に稼働させるこ
とが困難であるという課題があった。さらに、液体ヘリ
ウムへの熱侵入を防ぐため、内側容器２０は二重の断熱
真空容器２１と液体窒素で冷却される熱シールド２２に
よって囲まれているのでマグネットを冷却するための装
置が大型化するという課題もあった。
【０００７】他方、図４に示した酸化物超電導線材を用
いたマグネットの冷却装置では、液体ヘリウムを必要と
しないため、図３の構成と比較すると小型になり、低ラ
ンニングコストでより簡便に連続運転することが可能で
ある。しかしながら、冷凍機１の冷却能力には限界があ
り、電流リード６については低温のヘリウムガスで冷却
されるということが無いため、通電時の発熱を冷凍機１
の冷却能力以下にしない限り、酸化物超電導線材を用い
ても超電導マグネット２の連続動作は不可能である。ま
た、図４に示す構成は、直流電流を通電する場合の構成
であり、交流電流を通電する場合には、新たに交流損失
が発生することになる。すなわち、発生磁束が貫通する
低電気抵抗の銅製マグネット巻枠２３、第二段ステージ
７および熱シールド容器３において、高い渦電流損失が
発生し発熱を伴う。そしてこのような発熱により超電導
マグネット２の温度が上昇し、一定のピーク電流を通電
した場合は、その温度上昇によりマグネットは常伝導状
態に転移して、交流運転を継続することが不可能になる
という課題があった。
いたマグネットの冷却装置では、液体ヘリウムを必要と
しないため、図３の構成と比較すると小型になり、低ラ
ンニングコストでより簡便に連続運転することが可能で
ある。しかしながら、冷凍機１の冷却能力には限界があ
り、電流リード６については低温のヘリウムガスで冷却
されるということが無いため、通電時の発熱を冷凍機１
の冷却能力以下にしない限り、酸化物超電導線材を用い
ても超電導マグネット２の連続動作は不可能である。ま
た、図４に示す構成は、直流電流を通電する場合の構成
であり、交流電流を通電する場合には、新たに交流損失
が発生することになる。すなわち、発生磁束が貫通する
低電気抵抗の銅製マグネット巻枠２３、第二段ステージ
７および熱シールド容器３において、高い渦電流損失が
発生し発熱を伴う。そしてこのような発熱により超電導
マグネット２の温度が上昇し、一定のピーク電流を通電
した場合は、その温度上昇によりマグネットは常伝導状
態に転移して、交流運転を継続することが不可能になる
という課題があった。
【０００８】本発明は、上記した従来のマグネットの冷
却装置における課題を考慮してなされたもので、液体ヘ
リウムを使用せずに小型化が図れ、しかも交流運転を連
続して実施することのできる酸化物超電導線材を用いた
交流マグネットの冷却装置を提供することを目的とす
る。
却装置における課題を考慮してなされたもので、液体ヘ
リウムを使用せずに小型化が図れ、しかも交流運転を連
続して実施することのできる酸化物超電導線材を用いた
交流マグネットの冷却装置を提供することを目的とす
る。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は、冷凍機の第二
段クライオヘッドに密着した第二冷却ステージと、前記
第二冷却ステージに固着され酸化物超電導線材を巻線し
て形成した超電導マグネットと、前記超電導マグネット
を収納し真空源と接続される熱シールド容器と、冷凍機
の第一段クライオヘッドに密着した第一冷却ステージ
と、前記第一冷却ステージに密着し熱シールド容器を収
納する輻射シールド容器と、前記第二冷却ステージと前
記第一冷却ステージとを接続し前記超電導マグネットに
通電を行うための酸化物超電導体を有する電流リード
と、前記輻射シールド容器を収納し真空源と接続される
真空容器と、を備え、前記第二冷却ステージ及び前記熱
シールド容器における少なくとも前記超電導マグネット
の発生磁場とほぼ直交する平面部分が、高熱伝導・高電
気抵抗を有する材質で形成されていることを特徴とする
酸化物超電導線材を用いた交流マグネットの冷却装置で
ある。
段クライオヘッドに密着した第二冷却ステージと、前記
第二冷却ステージに固着され酸化物超電導線材を巻線し
て形成した超電導マグネットと、前記超電導マグネット
を収納し真空源と接続される熱シールド容器と、冷凍機
の第一段クライオヘッドに密着した第一冷却ステージ
と、前記第一冷却ステージに密着し熱シールド容器を収
納する輻射シールド容器と、前記第二冷却ステージと前
記第一冷却ステージとを接続し前記超電導マグネットに
通電を行うための酸化物超電導体を有する電流リード
と、前記輻射シールド容器を収納し真空源と接続される
真空容器と、を備え、前記第二冷却ステージ及び前記熱
シールド容器における少なくとも前記超電導マグネット
の発生磁場とほぼ直交する平面部分が、高熱伝導・高電
気抵抗を有する材質で形成されていることを特徴とする
酸化物超電導線材を用いた交流マグネットの冷却装置で
ある。
【００１０】本発明は、酸化物超電導線材を巻線して形
成した交流マグネット（以下単に超電導マグネットと呼
ぶ）を、少なくとも発生磁場とほぼ直交する面を有する
部分が高熱伝導率・高比抵抗（２０Ｋにおいてそれぞれ
０．１Ｗ／ｃｍ／Ｋ以上と１０14Ωｃｍ以上）を有する
窒化アルミニウムからなる第二段冷却ステージ上に固着
し、少なくとも発生磁場とほぼ直交する面が窒化アルミ
ニウムから成る熱シールド容器の内部に設置して冷却す
る構成であり、それにより第二段冷却ステージと熱シー
ルド容器のうち少なくとも交流通電時に磁束が貫通する
部分の電気抵抗が高いため、電気抵抗に反比例する渦電
流損失を低く抑えることができ、かつ熱伝導率が高いた
め、超電導マグネット下部から第二段クライオヘッドを
介しての冷却効率を高く保つことができる。従って、窒
化ホウ素、ＳＵＳ３１６等この目的に合致する材質であ
れば、第二段冷却ステージおよび熱シールド容器の材質
として窒化アルミニウム以外の材質を用いることもでき
る。
成した交流マグネット（以下単に超電導マグネットと呼
ぶ）を、少なくとも発生磁場とほぼ直交する面を有する
部分が高熱伝導率・高比抵抗（２０Ｋにおいてそれぞれ
０．１Ｗ／ｃｍ／Ｋ以上と１０14Ωｃｍ以上）を有する
窒化アルミニウムからなる第二段冷却ステージ上に固着
し、少なくとも発生磁場とほぼ直交する面が窒化アルミ
ニウムから成る熱シールド容器の内部に設置して冷却す
る構成であり、それにより第二段冷却ステージと熱シー
ルド容器のうち少なくとも交流通電時に磁束が貫通する
部分の電気抵抗が高いため、電気抵抗に反比例する渦電
流損失を低く抑えることができ、かつ熱伝導率が高いた
め、超電導マグネット下部から第二段クライオヘッドを
介しての冷却効率を高く保つことができる。従って、窒
化ホウ素、ＳＵＳ３１６等この目的に合致する材質であ
れば、第二段冷却ステージおよび熱シールド容器の材質
として窒化アルミニウム以外の材質を用いることもでき
る。
【００１１】また、熱シールド容器の内部を高真空排気
した後、高熱伝導率を有するヘリウムガスを導入すれ
ば、渦電流損失が発生する固体熱伝導ではなく、渦電流
損失が発生しない気体伝導により超電導マグネットを上
部および側部から冷却することができる。
した後、高熱伝導率を有するヘリウムガスを導入すれ
ば、渦電流損失が発生する固体熱伝導ではなく、渦電流
損失が発生しない気体伝導により超電導マグネットを上
部および側部から冷却することができる。
【００１２】また、厚み０．３ｍｍの薄肉Ａｇパイプの
胴部表面上に、厚み０．１ｍｍの配向したＢｉ系酸化物
超電導体を形成し、それを第一段冷却ステージ（約７０
Ｋ）と第二段冷却ステージ（約２０Ｋ）間の電流リード
として用いれば、酸化物超電導体は酸化物であることに
より熱伝導率が低いため、第二段冷却ステージへの熱侵
入を低く抑えることができる。さらに、Ｂｉ系酸化物超
電導体は、第一段冷却ステージと第二段冷却ステージ間
の温度領域（約２０Ｋ以上７０Ｋ以下）では超電導状態
であるので、交流通電時の発熱を小さく抑えることがで
きる。交流通電時にはヒステリシス損失が生じるが、上
記電流リードはパイプ形状をしているので発生磁場に垂
直な方向の超電導厚みが薄く、ヒステリシス損失を小さ
く抑えることができる。従って、Ｙ系酸化物超電導体等
この目的に合致する材質であれば、電流リードに用いる
酸化物超電導体としてＢｉ系酸化物超電導体以外の材質
を用いることができる。また、ハステロイ等、電流リー
ドに用いる酸化物超電導体形成用のパイプ材としてＡｇ
以外の金属を用いることもできる。
胴部表面上に、厚み０．１ｍｍの配向したＢｉ系酸化物
超電導体を形成し、それを第一段冷却ステージ（約７０
Ｋ）と第二段冷却ステージ（約２０Ｋ）間の電流リード
として用いれば、酸化物超電導体は酸化物であることに
より熱伝導率が低いため、第二段冷却ステージへの熱侵
入を低く抑えることができる。さらに、Ｂｉ系酸化物超
電導体は、第一段冷却ステージと第二段冷却ステージ間
の温度領域（約２０Ｋ以上７０Ｋ以下）では超電導状態
であるので、交流通電時の発熱を小さく抑えることがで
きる。交流通電時にはヒステリシス損失が生じるが、上
記電流リードはパイプ形状をしているので発生磁場に垂
直な方向の超電導厚みが薄く、ヒステリシス損失を小さ
く抑えることができる。従って、Ｙ系酸化物超電導体等
この目的に合致する材質であれば、電流リードに用いる
酸化物超電導体としてＢｉ系酸化物超電導体以外の材質
を用いることができる。また、ハステロイ等、電流リー
ドに用いる酸化物超電導体形成用のパイプ材としてＡｇ
以外の金属を用いることもできる。
【００１３】
【実施例】以下、本発明に係る超電導マグネットの冷却
装置の実施例を図面に基づいて説明する。図１におい
て、Ｂｉ系酸化物超電導線材を巻線して形成した超電導
マグネット２は、発生磁場とほぼ直交する面を有する部
分が高熱伝導率・高比抵抗（２０Ｋにおいてそれぞれ
０．１Ｗ／ｃｍ／Ｋ以上と１０14Ωｃｍ以上）を有する
窒化アルミニウムからなる熱シールド容器３の内部に設
置されている。なお、熱シールド容器３は真空排気でき
るよう図示しない真空源に接続されている。また、超電
導マグネット２は、発生磁場とほぼ直交する面を有する
部分が窒化アルミニウムからなる第２段冷却ステージ８
の上に固着されている。
装置の実施例を図面に基づいて説明する。図１におい
て、Ｂｉ系酸化物超電導線材を巻線して形成した超電導
マグネット２は、発生磁場とほぼ直交する面を有する部
分が高熱伝導率・高比抵抗（２０Ｋにおいてそれぞれ
０．１Ｗ／ｃｍ／Ｋ以上と１０14Ωｃｍ以上）を有する
窒化アルミニウムからなる熱シールド容器３の内部に設
置されている。なお、熱シールド容器３は真空排気でき
るよう図示しない真空源に接続されている。また、超電
導マグネット２は、発生磁場とほぼ直交する面を有する
部分が窒化アルミニウムからなる第２段冷却ステージ８
の上に固着されている。
【００１４】冷凍機１の第二段クライオヘッド９は銅製
の第二段冷却ステージ７にねじ止めして固着されてお
り、温度制御用のヒータ１２はその第二段冷却ステージ
７に密着して取付けられている。上記熱シールド容器３
は第二段冷却ステージ７周端部に金属シールをすること
により気密に密閉され、その熱シールド容器３内は、真
空排気された後、高熱伝導率を有するヘリウムガス１０
がヘリウム導入管１３を通じて供給されるようになって
いる。また、室温部からの輻射を防ぐため、輻射シール
ド容器４が、第一段クライオヘッド２５を密着した第一
段冷却ステージ１４に固着されている。また、気体によ
る熱伝導を抑えるため、真空容器５の内部は真空排気さ
れる。
の第二段冷却ステージ７にねじ止めして固着されてお
り、温度制御用のヒータ１２はその第二段冷却ステージ
７に密着して取付けられている。上記熱シールド容器３
は第二段冷却ステージ７周端部に金属シールをすること
により気密に密閉され、その熱シールド容器３内は、真
空排気された後、高熱伝導率を有するヘリウムガス１０
がヘリウム導入管１３を通じて供給されるようになって
いる。また、室温部からの輻射を防ぐため、輻射シール
ド容器４が、第一段クライオヘッド２５を密着した第一
段冷却ステージ１４に固着されている。また、気体によ
る熱伝導を抑えるため、真空容器５の内部は真空排気さ
れる。
【００１５】また、厚み０．３ｍｍの薄肉Ａｇパイプの
胴部表面上に厚み０．１ｍｍの配向したＢｉ系酸化物超
電導体を形成し、それを第一段冷却ステージ１４（約７
０Ｋ）と第二段冷却ステージ７（約２０Ｋ）間の電流リ
ード６として用いる。なお、物性測定用試料１１は、第
二段冷却ステージ７上における超電導マグネット２のボ
ア部内に取り外し可能なように設置される。このような
構成において、電流リード６を通じて超電導マグネット
２に交流電源１５から交流電流を通電することにより、
物性測定用試料１１に交流磁場が印加されるようになっ
ている。以上の構成を有する超電導マグネットの冷却装
置の動作を図１を参照して以下に説明する。
胴部表面上に厚み０．１ｍｍの配向したＢｉ系酸化物超
電導体を形成し、それを第一段冷却ステージ１４（約７
０Ｋ）と第二段冷却ステージ７（約２０Ｋ）間の電流リ
ード６として用いる。なお、物性測定用試料１１は、第
二段冷却ステージ７上における超電導マグネット２のボ
ア部内に取り外し可能なように設置される。このような
構成において、電流リード６を通じて超電導マグネット
２に交流電源１５から交流電流を通電することにより、
物性測定用試料１１に交流磁場が印加されるようになっ
ている。以上の構成を有する超電導マグネットの冷却装
置の動作を図１を参照して以下に説明する。
【００１６】窒化アルミニウムからなる第二段冷却ステ
ージ８と、熱シールド容器３のうち少なくとも交流通電
時に磁束が貫通する部分の電気抵抗が高いため、電気抵
抗に反比例する渦電流損失を低く抑えることができ、か
つ熱伝導率が高いため第二段クライオヘッド９における
超電導マグネット２下部からの冷却効率を高く保つこと
ができる。熱シールド容器３の内部はヘリウムガス１０
で満たされているため、渦電流損失が発生する固体熱伝
導ではなく、渦電流損失が発生しない気体伝導により超
電導マグネット２を上部および側部から冷却でき、しか
もヘリウムガス１０は高い熱伝導率を有するので冷却効
率が向上する。また、電流リード６を構成するＢｉ系酸
化物超電導体は酸化物であるため熱伝導率が低く、それ
により、第二段冷却ステージ７への熱侵入を低く抑える
ことができる。さらに、Ｂｉ系酸化物超電導体は、第一
段冷却ステージ１４と第二段冷却ステージ７間の温度領
域（約２０Ｋ以上７０Ｋ以下）では超電導状態であるの
で、交流通電時の発熱を小さく抑え、さらに電流リード
６はパイプ形状をしているため、発生磁場に垂直な方向
の超電導厚みが薄く、よってヒステリシス損失を小さく
抑えることができる。
ージ８と、熱シールド容器３のうち少なくとも交流通電
時に磁束が貫通する部分の電気抵抗が高いため、電気抵
抗に反比例する渦電流損失を低く抑えることができ、か
つ熱伝導率が高いため第二段クライオヘッド９における
超電導マグネット２下部からの冷却効率を高く保つこと
ができる。熱シールド容器３の内部はヘリウムガス１０
で満たされているため、渦電流損失が発生する固体熱伝
導ではなく、渦電流損失が発生しない気体伝導により超
電導マグネット２を上部および側部から冷却でき、しか
もヘリウムガス１０は高い熱伝導率を有するので冷却効
率が向上する。また、電流リード６を構成するＢｉ系酸
化物超電導体は酸化物であるため熱伝導率が低く、それ
により、第二段冷却ステージ７への熱侵入を低く抑える
ことができる。さらに、Ｂｉ系酸化物超電導体は、第一
段冷却ステージ１４と第二段冷却ステージ７間の温度領
域（約２０Ｋ以上７０Ｋ以下）では超電導状態であるの
で、交流通電時の発熱を小さく抑え、さらに電流リード
６はパイプ形状をしているため、発生磁場に垂直な方向
の超電導厚みが薄く、よってヒステリシス損失を小さく
抑えることができる。
【００１７】上記構成の超電導マグネット２に交流を通
電し、０．２Ｔ→−０．２Ｔ→０．２Ｔの５０Ｈｚ交流
磁場を連続発生させた時、超電導マグネット２の温度は
１７．０Ｋであった。しかるに、同一形状で、窒化アル
ミニウムからなる第二段冷却ステージ８と熱シールド容
器３を従来法の銅製にしたところ、同一条件で交流を通
電した場合の超電導マグネット２の温度は１９．５Ｋに
増加した。さらに、熱シールド容器３の内部を高真空排
気せず、空気が残存する状態で同一条件で交流を通電し
た場合の超電導マグネット２の温度は２０．５Ｋに増加
した。さらにまた、電流リード６を従来法の銅製にした
ところ、同一条件で交流を通電した時、超電導マグネッ
ト２への熱侵入量が増加し、超電導マグネット２は超電
導状態から常電導状態に転移して連続運転することは不
可能となった。
電し、０．２Ｔ→−０．２Ｔ→０．２Ｔの５０Ｈｚ交流
磁場を連続発生させた時、超電導マグネット２の温度は
１７．０Ｋであった。しかるに、同一形状で、窒化アル
ミニウムからなる第二段冷却ステージ８と熱シールド容
器３を従来法の銅製にしたところ、同一条件で交流を通
電した場合の超電導マグネット２の温度は１９．５Ｋに
増加した。さらに、熱シールド容器３の内部を高真空排
気せず、空気が残存する状態で同一条件で交流を通電し
た場合の超電導マグネット２の温度は２０．５Ｋに増加
した。さらにまた、電流リード６を従来法の銅製にした
ところ、同一条件で交流を通電した時、超電導マグネッ
ト２への熱侵入量が増加し、超電導マグネット２は超電
導状態から常電導状態に転移して連続運転することは不
可能となった。
【００１８】このように、図１に示す構成の冷却装置に
よれば、超電導交流マグネット２は、２０Ｋ近傍の温度
で約１００Ｈｚ以下の周波数の交流磁場（ピーク磁場２
Ｔ以上）を連続して５００時間以上発生させることがで
きる。さらに、第二段冷却ステージ７に固定したヒータ
１２を動作させることにより、物性測定用試料１１の温
度を微調整して異なる温度で交流磁場を連続して発生す
ることが可能となる。次に、超電導マグネットの冷却装
置の他の実施例を図２に示す。
よれば、超電導交流マグネット２は、２０Ｋ近傍の温度
で約１００Ｈｚ以下の周波数の交流磁場（ピーク磁場２
Ｔ以上）を連続して５００時間以上発生させることがで
きる。さらに、第二段冷却ステージ７に固定したヒータ
１２を動作させることにより、物性測定用試料１１の温
度を微調整して異なる温度で交流磁場を連続して発生す
ることが可能となる。次に、超電導マグネットの冷却装
置の他の実施例を図２に示す。
【００１９】なお、図１と同じ構成要素については同符
号を付してその説明を省略する。同図の構成は、超電導
マグネット２の内部に室温のボア部１６を設けたもので
ある。熱シールド３、輻射シールド４、真空容器５がそ
れぞれ超電導マグネット２のボアの部分で「請求項６記
載の凹所としての」コップ状にくびれている。物性測定
用試料１１は、そのボア内部で真空容器５の外側の室温
部分に取り出し可能なように設置され、超電導マグネッ
ト２に交流電流を通電することにより、物性測定用試料
１１に交流磁場が印加されるようになっている。以上の
構成を有する交流マグネットの動作を以下に説明する。
号を付してその説明を省略する。同図の構成は、超電導
マグネット２の内部に室温のボア部１６を設けたもので
ある。熱シールド３、輻射シールド４、真空容器５がそ
れぞれ超電導マグネット２のボアの部分で「請求項６記
載の凹所としての」コップ状にくびれている。物性測定
用試料１１は、そのボア内部で真空容器５の外側の室温
部分に取り出し可能なように設置され、超電導マグネッ
ト２に交流電流を通電することにより、物性測定用試料
１１に交流磁場が印加されるようになっている。以上の
構成を有する交流マグネットの動作を以下に説明する。
【００２０】前述した実施例（図１参照）の動作と同様
に、超電導マグネット２の熱発生を抑えることにより、
２０Ｋ近傍の温度で約１００Ｈｚ以下の周波数の交流磁
場（ピーク磁場２Ｔ以上）を連続して５００時間以上発
生させることができる。さらに、図２に示されているよ
うに他の実施例では、室温のボア部１６を有しているた
め、物性測定用試料１１を極めてに簡便に設置すること
ができる。さらに、ボア部に液体ヘリウムを用いたヒー
タ付き冷却装置を挿入することにより、より広範囲に試
料温度を制御することが可能となる。
に、超電導マグネット２の熱発生を抑えることにより、
２０Ｋ近傍の温度で約１００Ｈｚ以下の周波数の交流磁
場（ピーク磁場２Ｔ以上）を連続して５００時間以上発
生させることができる。さらに、図２に示されているよ
うに他の実施例では、室温のボア部１６を有しているた
め、物性測定用試料１１を極めてに簡便に設置すること
ができる。さらに、ボア部に液体ヘリウムを用いたヒー
タ付き冷却装置を挿入することにより、より広範囲に試
料温度を制御することが可能となる。
【００２１】
【発明の効果】以上説明したことから明らかなように、
本発明によれば、液体ヘリウムを用いずに超電導マグネ
ットに交流電流を通電し、連続して交流磁場を発生する
ことが可能になる。それによりランニングコストが減少
するとともに液体ヘリウム取り扱いの手間が解消され、
冷却装置の運転が簡便になる。さらに、冷却装置の小型
化が図れるためコストダウンが可能になる。
本発明によれば、液体ヘリウムを用いずに超電導マグネ
ットに交流電流を通電し、連続して交流磁場を発生する
ことが可能になる。それによりランニングコストが減少
するとともに液体ヘリウム取り扱いの手間が解消され、
冷却装置の運転が簡便になる。さらに、冷却装置の小型
化が図れるためコストダウンが可能になる。
【図１】本発明の実施例を示す一部断面を有する概略構
成図である。
成図である。
【図２】本発明の他の実施例を示す一部断面を有する概
略構成図である。
略構成図である。
【図３】従来例に係る金属系超電導線材を用いた交流マ
グネットの冷却装置の概略構成図である。
グネットの冷却装置の概略構成図である。
【図４】従来例に係る酸化物超電導線材を用いた直流マ
グネットの冷却装置の概略構成図である。
グネットの冷却装置の概略構成図である。
１ 冷凍機 ２ 超電導マグネット ３ 熱シールド容器 ４ 輻射シールド容器 ５ 真空容器 ６ 電流リード ７ 第二段冷却ステージ ８ 第二段冷却ステージの窒化アルミニウム部分 ９ 第二段クライオヘッド １０ ヘリウムガス １１ 物性測定用試料 １２ 温度制御用ヒータ １３ ヘリウム導入管 １４ 第一段冷却ステージ １５ 交流電源 １６ 室温のボア部 １７ 液体ヘリウム １８ 液体ヘリウム貯蔵容器 １９ トランスファチューブ ２０ 内側容器 ２１ 断熱真空容器 ２２ 液体窒素で冷却される熱シールド ２３ マグネット巻枠 ２４ 直流電源 ２５ 第１段クライオヘッド
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 江木 俊雄 兵庫県神戸市西区高塚台１丁目５番５号 株式会社神戸製鋼所 神戸総合技術研 究所内 (72)発明者 増田 喜男 兵庫県神戸市西区高塚台１丁目５番５号 株式会社神戸製鋼所 神戸総合技術研 究所内 (72)発明者 小川 陸郎 兵庫県神戸市西区高塚台１丁目５番５号 株式会社神戸製鋼所 神戸総合技術研 究所内 (56)参考文献 特開 平４−258103（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−79304（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−116907（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−149406（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−200307（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01F 6/04 ZAA H01F 6/00 ZAA
Claims (5)
- 【請求項１】 冷凍機の第二段クライオヘッドに密着し
た第二冷却ステージと、前記第二冷却ステージに固着さ
れ酸化物超電導線材を巻線して形成した超電導マグネッ
トと、前記超電導マグネットを収納し真空源と接続され
る熱シールド容器と、冷凍機の第一段クライオヘッドに
密着した第一冷却ステージと、前記第一冷却ステージに
密着し前記熱シールド容器を収納する輻射シールド容器
と、前記第二冷却ステージと前記第一冷却ステージとを
接続し前記超電導マグネットに通電を行うための酸化物
超電導体を有する電流リードと、前記輻射シールド容器
を収納し真空源と接続される真空容器と、を備え前記第
二冷却ステージ及び前記熱シールド容器における少なく
とも前記超電導マグネットの発生磁場とほぼ直交する平
面部分が、高熱伝導・高電気抵抗を有する材質で形成さ
れていることを特徴とする酸化物超電導線材を用いた交
流マグネットの冷却装置。 - 【請求項２】 前記高熱伝導・高電気抵抗を有する材質
が、ＳＵＳ３１６の熱伝導率以上で且つその電気抵抗以
上のものである請求項１記載の交流マグネットの冷却装
置。 - 【請求項３】 前記電流リードが、薄肉金属パイプと、
その金属パイプ胴部表面上に配向して形成される酸化物
超電導体とから構成されることを特徴とする請求項１ま
たは２に記載の交流マグネットの冷却装置。 - 【請求項４】 前記熱シールド容器内に、前記超電導交
流マグネットの冷却を行なうためのヘリウムガスが導入
されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載
の交流マグネットの冷却装置。 - 【請求項５】 前記超電導マグネットのボア部分に対応
する前記各容器表面を凹所に形成することにより、前記
超電導マグネットの内部に常温のボア部を設けたことを
特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の交流マグネ
ットの冷却装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11071593A JP3170949B2 (ja) | 1993-05-12 | 1993-05-12 | 酸化物超電導線材を用いた交流マグネットの冷却装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11071593A JP3170949B2 (ja) | 1993-05-12 | 1993-05-12 | 酸化物超電導線材を用いた交流マグネットの冷却装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06325930A JPH06325930A (ja) | 1994-11-25 |
| JP3170949B2 true JP3170949B2 (ja) | 2001-05-28 |
Family
ID=14542645
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11071593A Expired - Lifetime JP3170949B2 (ja) | 1993-05-12 | 1993-05-12 | 酸化物超電導線材を用いた交流マグネットの冷却装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3170949B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4788050B2 (ja) * | 2001-03-14 | 2011-10-05 | アイシン精機株式会社 | 磁場装置 |
| CN106526354A (zh) * | 2016-10-11 | 2017-03-22 | 西南交通大学 | 一种用于高温超导材料测试的恒温固氮冷却系统 |
-
1993
- 1993-05-12 JP JP11071593A patent/JP3170949B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH06325930A (ja) | 1994-11-25 |
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