JP3564528B2 - 高温超伝導体磁気シ−ルド装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
脳磁界計測や高感度センサ−の性能試験等において障害となる環境磁場をシ−ルドするための高温超伝導体を利用した磁気シ−ルド装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
液体窒素で高温超伝導シ−ルドを冷却する方式の磁気シ−ルド装置は従来から公知である。図４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を設置したものである。貯槽３１は外筒３４と内周面に高温超伝導体３２の薄層を有する磁気シ−ルドとなる内筒３３との二重筒からなっている。図５は図４の竪型タイプを横型タイプにしたものである。
【０００３】
このような従来の装置では、真空容器３０内に設置された高温超伝導シ−ルドを貯液容器内の液体窒素ＬＮ_２もしくはシ−ルド板の背面に形成された流路を流れる液体窒素ＬＮ_２によって冷却していたので、以下の様な欠点があった。
１）定期的な液体窒素ＬＮ_２の補給が必要であった（数日〜１週間毎に）。
２）図５の如く水平構造の場合には、液体窒素レベルの影響で冷却保持時間が長くなかった。また、図４の垂直構造の場合には、冷媒の補給が困難であった。
３）冷媒として液体窒素ＬＮ_２を利用するため、８０Ｋ以下にはできなかった（高温超伝導体の磁気シ−ルド特性は低温であるほど良好となる）。
【０００４】
又図６は円筒形の磁気シ−ルド基板３５に螺旋状の蛇管３６をろう付けし、基板３５の内周面に高温超伝導体３２の薄層を塗布した磁気シ−ルドを真空容器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３０に流して磁気シ−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−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℃）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いう問題があった。
【０００５】
また、図７の場合には磁気シ−ルド基板３５の貯槽外壁に凹凸を付けて液体窒素の流路３７を形成し、その流路３７内に液体窒素ＬＮ_２を流して冷却する方法である。この方法では流路３７の外壁及び流路隔壁３９には伝熱係数の低い材料が望ましい。液体窒素を流路３７に流して冷却するため、循環冷却も可能であるが、液体窒素ＬＮ_２の温度が８０Ｋであるため、磁気シ−ルド基板を８０〜９０Ｋに冷却することはできるが、８０Ｋ以下には冷却できない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
冷媒の補給の必要がなく、磁気シ−ルドを９０Ｋ以下に冷却でき、しかも閉サイクル運転の冷却システムを有し、磁気シ−ルド（磁気シ−ルド空間）を任意の角度傾動でき、取り扱いが容易で、安定した長期の連続運転が可能な高温超伝導体磁気シ−ルド装置を提供しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
断面が円環状の真空容器Ａ内に高温超伝導体磁気シ−ルド１を設置し、この磁気シ−ルド１を超伝導状態に冷却する高温超伝導体磁気シ−ルド装置において
、前記磁気シ−ルド１は円筒形をした磁気シ−ルド基板１１の内周面にビスマス系高温相等の高温超伝導体の薄層１２を付着し、外周面に冷却管１３を軸方向にジグザグ状に配管し溶接接合した構造からなり、ヘリウムガスを冷却循環媒体とする循環ガス冷却装置１９は、二重管フレキシブル構造の高圧配管１８および二重管フレキシブル構造の低圧戻り配管１８′により前記冷却管１３と連通させ、かつ前記断面が円環状の真空容器Ａを傾動支持台車９上に設けた傾動装置８によって傾動かつ移動可能に支持した。
又円筒形をした磁気シ−ルド基板１１および冷却管１３はニッケル製であり、両者は一定の間隔を置いた部分溶接により接合した。
さらに円筒形をした磁気シ−ルド基板１１および冷却管１３は多層断熱材で被覆した。 さらに又高温超伝導体磁気シ−ルド１はその上下で真空容器Ａ内に断熱サポ−ト４によって支持した。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１で、Ａは真空容器（クライオスタット）である。真空容器Ａは金属製の外筒２と、これと同心の合成樹脂製の内筒３及びこれら内外筒の間に断熱サポ−ト４で上端と下端を複数個所で支持された円筒状の高温超伝導体磁気シ−ルド１を備えている。５は上蓋、６は下蓋である。この真空容器Ａはその中央支持部７（重心位置の外側両側）において任意の角度に傾動可能な傾動装置８によって支持されている。この傾動装置８は傾動支持台車９上に支持されている。傾動支持台車９は自在車輪１０を有し、真空容器Ａを支持したまま移動可能である。
【０００９】
高温超伝導体磁気シ−ルド１は図２と図３に示すように、ニッケル（Ｎｉ）製の磁気シ−ルド基板１１の内面にセラミック質のビスマス系高温相の高温超伝導体の薄層１２を付着したものであり、超伝導体の特性を保持すべく９０Ｋ以下に冷却するための冷却管１３が磁気シ−ルド基板１１の外面で一定の間隔を置いて複数個所で溶接１４されている。
高温超伝導体の薄層１２は９０Ｋ以下に冷却しないとその磁気シ−ルド特性は得られない。
【００１０】
本発明では図２及び図３に示すように、冷却管１３は磁気シ−ルド基板１１の外面に溶接１４されている。冷却管１３としては熱伝導性の良いＮｉ管が使用され、かつ高性能の多層断熱材１５で被覆している。このため伝熱面積が少なくて良く、歪の原因となる連続溶接は不要である。そして図２に示すように真空容器Ａの軸方向にジグザグ状に配管することにより、軸方向の温度分布を小さくすることができる。また溶接接合のため８００℃以上で行なわれる高温超伝導体の熱処理にも十分耐え得る接合強度を持っている。
【００１１】
磁気シ−ルド基板１１の外周面の軸方向に一定間隔で部分溶接１４された冷却管１３は該基板１１の端部ａ位置（図２）で、基板１１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−ンさせて基板１１の端部ｃ位置まで外周面に沿わせて部分溶接１４し、下部ｃ位置で前記と同様に基板１１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上向きにタ−ンさせて基板の上端部ｅ位置まで外周面に沿わせて部分溶接１４し、上端部ｅ位置で再び基板１１の外周面に沿って前記同様基板１１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−ンさせて基板端部位置まで外周面に沿わせて部分溶接１４している。
【００１２】
つまり、冷却管１３は磁気シ−ルド基板１１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１１の外周面に９０度間隔で軸方向に溶接された構造である。冷却管１３をその全長にわたって基部１１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、１６は管継手、１７は冷却管１３の入口および出口に、基板１１の端部に設けられた環状の把持具である。
【００１３】
さらに、冷却管１３は真空断熱した二重管フレキシブル構造の高圧配管１８によって循環ガス冷却装置１９と接続されて循環ガス冷却ル−プを形成している。つまり循環ガスは循環ガス冷却装置１９内の冷凍機によって８０Ｋ以下に冷却された後、真空容器Ａに導入され、冷却管１３によって磁気シ−ルド基板１１を冷却した後、わずかに温度上昇をして真空容器Ａから排出されて再び循環ガス冷却装置１９に戻り、再冷却される。この為、基本的に冷却媒体（ヘリウムガス）の補給を必要としない。
【００１４】
本発明では冷却媒体として、従来の液体窒素（ＬＮ_２）や窒素ガス（ＧＮ_２）に代ってヘリウムガス（Ｈｅ）を使用する。冷却媒体の供給温度を８０Ｋ以下（５０Ｋ以下も可能）にすることができる。このため、超伝導体を８０Ｋ以下にすることができ、高性能の磁気シ−ルド性能が得られる。
さらに、本発明の場合には静磁場をシ−ルドするために、真空容器Ａの外筒２の内側全面と内筒３の一部に強磁性体（パ−マロイ等）のシ−ルド板２０が張られている。
【００１５】
（作用）
１）冷却システム
冷却循環媒体（ヘリウムガス）は冷却装置１９によって窒素温度以下に冷却され、二重管フレキシブル管構造の高圧配管１８を通って、真空容器Ａ内の冷却管１３内をジグザグ状に流れる。この時、冷却循環媒体は磁気シ−ルド板１１と熱交換して磁気シ−ルド板１１を冷却し、高温超伝導体の薄層１２を超伝導状態にして磁気シ−ルド効果を生じさせる。磁気シ−ルド板１１を冷却し、温められた循環媒体は二重管フレキシブル管構造の低圧戻り管１８′を通って循環ガス冷却装置１９に戻り、再び冷却されて循環使用される。
【００１６】
２）真空容器Ａと循環ガス冷却装置１９は長い二重管フレキシブル管構造の高圧配管１８及び低圧戻り管１８′で接続されており、循環ガス冷却装置１９に振動があっても、フレキシブル管で緩衝されこれが真空容器Ａに伝播しないようにできる。
【００１７】
３）循環媒体が冷却管１３内を軸方向にジグザグ状に流れる構造のため、傾動装置８の中央支持部７で任意の方向へ傾斜させても使用可能である。この傾斜は傾動支持台車９上の中央支持部７を支点にして任意の角度に設定することができるので、被検測体を下部から斜め方向に挿入することができる。
【００１８】
４）冷却媒体としてヘリウムガスを使用しているので窒素温度以下に冷却することが可能であるので、磁気シ−ルド板１と循環ガス冷却装置１９間の間が離れていても、例えば１０ｍあっても、磁気シ−ルド板１１を窒素温度以下に冷却することが可能である。
【００１９】
（発明の応用分野）
１．ＳＱＵＩＤセンサ−による計測をするための環境維持
（１）脳の活動状況を見る脳磁場測定装置
（２）高速演算素子，高感度素子の性能試験装置
（３）磁気ディスク等の品質検査装置等
２．核磁気共鳴センサ−による計測をするための環境維持
（１）脳の断層写真を取るＭＲＩ装置
（２）タンパク質等の分析を行なう装置等、
・・・に応用することができる。
【００２０】
【発明の効果】
１．ヘリムガスを循環媒体として冷却するようにしたので、冷却装置のスイッチを「オン」するだけで高温超伝導体磁気シ−ルドを窒素温度以下の温度域まで冷却できる。
２．閉サイクル運転であるため、冷却媒体の補給なく長期の無人の連続運転が可能である。また、液体窒素などによる予冷／供給の必要がない。
３．磁気シ−ルドは磁気シ−ルド基板に冷却管を軸方向にジグザグ状に配置して所々を溶接で接合する構成としたので、冷却管を螺旋状に巻回する等、従来のものに比べ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。
４．ジグザグ配管構造の冷却管による冷却構造のため、傾動支持台車上の傾動装置で真空容器Ａを支持し、任意の傾斜位置で使用できるので、装置内への被検測体等の出し入れが極めて容易となった。
５．円筒形磁気シ−ルド基板および冷却管はニッケル製であるので、運搬時等の耐振動性が高い。
６．移動が可能な傾動台車に支持されたコンパクトな構造のため、据付面積が小さく、かつ、地磁気や外乱磁場に対してその影響を最少とする方向、位置に設置が可能である。
７．外筒の重心位置の外側両側で支持しているので、移動時や脳磁界計測時の傾斜操作が容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかゝる高温超伝導体磁気シ−ルド用冷却装置の全体側面図。
【図２】磁気シ−ルド基板とこれに接合した冷却管の正面図。
【図３】図２のＢ矢視部分断面図。
【図４】公知の高温超伝導磁気シ−ルド装置の説明図。
【図５】公知の他の高温超伝導磁気シ−ルド装置の説明図。
【図６】同じく公知の他の高温超伝導磁気シ−ルド装置の説明図。
【図７】磁気シ−ルド基板の貯槽外壁に凹凸をつけ液体窒素の流路を設けた公知例。
【符号の説明】
Ａ 真空容器
１ 高温超伝導体磁気シ−ルド ２ 外筒
３ 内筒 ４ 断熱サポ−ト
５ 上蓋 ６ 下蓋
７ 中央支持部 ８ 傾動装置
９ 傾動支持台車 １０ 自在車輪
１１ 磁気シ−ルド基板 １２ 超伝導体の薄層
１３ 冷却管 １４ 溶接
１５ 多層断熱材 １６ 管継手
１７ 把持具
１８ 二重管フレキシブル管構造の高圧配管
１９ 循環ガス冷却装置 ２０ シ−ルド板

Claims (5)

1. 断面が円環状の真空容器（Ａ）内に高温超伝導体磁気シ−ルド（１）を設置し、該磁気シ−ルド（１）を超伝導状態に冷却する高温超伝導体磁気シ−ルド装置において、前記磁気シ−ルド（１）は円筒形をした磁気シ−ルド基板（１１）の内周面に高温超伝導体の薄層（１２）を付着し、外周面に冷却管（１３）を軸方向にジグザグ状に配管し溶接接合した構造からなり、ヘリウムガスを冷却循環媒体とする循環ガス冷却装置（１９）は、二重管フレキシブル構造の高圧配管（１８）および二重管フレキシブル構造の低圧戻り配管（１８′）により前記冷却管（１３）と連通させ、かつ前記断面が円環状の真空容器（Ａ）を傾動支持台車（９）上に設けた傾動装置（８）によって傾動かつ移動可能に支持したことを特徴とする高温超伝導体磁気シ−ルド装置。
2. 高温超伝導体の薄層（１２）がビスマス系高温相である請求項１記載の高温超伝導体磁気シ−ルド装置。
3. 円筒形をした磁気シ−ルド基板（１１）および冷却管（１３）はニッケル製であり、両者は一定の間隔を置いた部分溶接により接合されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の高温超伝導体磁気シ−ルド装置。
4. 円筒形をした磁気シ−ルド基板（１１）および冷却管（１３）は多層断熱材で被覆されていることを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３記載の高温超伝導体磁気シ−ルド装置。
5. 高温超伝導体磁気シ−ルド（１）はその上下で真空容器（Ａ）内に断熱サポ−ト（４）によって支持されていることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３または請求項４記載の高温超伝導体磁気シ−ルド装置。

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