JP4142754B2

JP4142754B2 - 永久磁石システム

Info

Publication number: JP4142754B2
Application number: JP02708197A
Authority: JP
Inventors: ユキカズ・イワサ
Original assignee: Massachusetts Institute of Technology
Current assignee: Massachusetts Institute of Technology
Priority date: 1996-02-09
Filing date: 1997-02-10
Publication date: 2008-09-03
Anticipated expiration: 2017-02-10
Also published as: JPH09232640A; US5724820A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超伝導体を用いた永久磁石システムに関し、その冷却方法を改善したものである。
【０００２】
【従来の技術と発明が解決しようとする課題】
従来の低温超伝導磁石は、特定の温度で動作するようになっていた。例えば、超伝導物質の臨界温度（critical temperature）Ｔ_cよりも低い、４．２Ｋ（大気圧での液体ヘリウムの沸騰温度）である。このような磁石は、液体ヘリウムに浸積されている間、または冷却装置にずっとつながっている間に動作する。これらの技術では、クーラー、クライオクーラーまたは冷凍機（ refrigerator ）で冷却し続けなければならない。これらの冷却装置が磁気システムの動作を扱いにくいものにしている。
【０００３】
強磁性体の永久磁石は、冷却システムなしに連続的な磁場を作る。しかし、超伝導磁石が簡単に実現する強い磁場や複雑な磁場プロファイルを生成するのに、永久磁石は実用的ではない。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、従来の磁場強度（field strength）を持つ永久磁石システムの単純さに、超伝導磁石システムの多用途性を結合した、”永久”超伝導磁石の装置と方法に関するものである。
【０００５】
本発明の磁石は、高温超伝導に基づいている。このシステムで動作する磁石は、新規な特徴を持つ。重要な特徴は、連続的に冷凍機で冷やすことなしに動作できることである。磁石巻線（magnet winding）とほぼ同じ寸法の固体窒素材が高温超伝導磁石を含む冷却システムに組み込まれる。これは有意義であり、システムの全重量はほんの少し増加して、磁石の質量のみの熱容量を越えてシステムの熱容量を高める。磁石の動作温度は、初期値２０Ｋから窒素の融解温度である６３Ｋまでの広範囲で変化させてもよい。これまでは、超伝導磁石はほぼ一定温度で動作するように設定されていた。さらにこのシステムは、冷却システムに入る熱を極力少なくしている。
【０００６】
システムは電磁石を利用するので、従来の強磁性の永久磁石で実現できる磁場よりもかなり大きい強度・容積比の磁場を提供できる。一旦励磁されると、この磁石は、冷凍のためのクライオクーラーに絶えず連結することなく、長時間にわたり磁場を維持する。超伝導磁石の臨界温度Ｔ_c、または６３Ｋのどちらか低い方よりも低い温度にシステムを維持するため、定期的な再冷却が必要である。大きいシステムでは、再冷却サイクルは１年を越え得る。
【０００７】
このクライオクーラーを持たない”永久”磁石システムは、一定の磁場を提供する軽量または簡易な磁石が必要な所に応用される。本発明に基づく高温超伝導磁石の応用は、機上システム、マグレブ（Maglev：磁気浮上式輸送車両）、宇宙船、海軍船、ヘリコプター、簡易ＭＲＩ、およびその他の磁気システムなどである。本発明はまた、芸術展示用浮揚台とエンターテイメントパフォーマンスの浮揚舞台にもまた使用される。これらの応用の大部分において、再冷却の間隔は１時間、１日、１週間程度と短くなることもあれば、また何年ものように長くなることもある。
【０００８】
本発明の更に革新的なアイデアは、磁場を干渉することなしに磁石を再冷却することである。定期的な再冷却を条件として磁場を文字通り永久にするために、定常的な磁場を維持している間にシステムは再冷却されるようになっている。システムが臨界温度Ｔ_cを越え、その結果、磁場が減少すると、再チャージが可能なバッテリーのように、超伝導コイルもまた再チャージされる。
【０００９】
本発明の装置は、臨界温度Ｔ_cよりも低い温度での持続状態で動作する超伝導磁石を備える。超伝導磁石は磁場を生成する。磁石に入る熱を最小にするために、断熱材が磁石を囲む。臨界温度Ｔ_cよりも低い第１の温度Ｔ₁に磁石の温度が上がると、冷却装置は磁石に連結される。第２の温度Ｔ₂よりも磁石の温度が下がると、冷却装置は磁石から離れる。超伝導磁石の温度がＴ₂からＴ₁へ上昇する間、長時間にわたり、超伝導磁石は磁場を生成し続ける。この間、冷却装置は磁石から離れている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
一定温度、例えば４．２Ｋ，での超伝導状態で動作する従来の”低温”超伝導と異なり、本発明は２０Ｋから６３Ｋ（窒素の融解温度）のような、ある温度範囲で動作可能な高温超伝導体を使用した永久磁石システムに関するものである。ＢＳＳＣＯ−２２２３やＢＳＳＣＯ−２２１２のような超伝導物質のコイルを備える超伝導磁石は、断熱された低温体（cold body ）の中に設置される。超伝導体は、パワー損失がないエンドレスループで連続的に電流が流れる周知の”持続的な”モードで動作する。
【００１１】
クライオクーラーは、超伝導体の温度を臨界温度Ｔ_Cよりも低い温度に下げる。臨界温度は、超伝導体物質がそれ以下で超伝導性を示す温度である。超伝導体が、磁場を生成するために励磁されると、クライオクーラーは取り除かれる。システムのサイズと断熱の効果に応じて、磁場は長時間持続できる。例えば、再冷却まで数時間から数年である。
【００１２】
広範囲の温度で動作できることが、長時間の間、クライオクーラーと独立した動作を可能にする。システムが冷却器から離れると、永続性を維持するための定期的な再冷却のみが必要な、簡易で永続的な磁場の生成源となる。
【００１３】
先行技術に対する本発明の重要な利点は、超伝導磁石の動作を妨げることなく再冷却できることである。超伝導磁石は、温度が超伝導物質の臨界温度Ｔ_Cを越えないかぎり、持続的状態で動作し続ける。これを成し遂げるために、一時的に断熱された低温体に結合されたクライオクーラーは、システムの温度を２０ＫのようなＴ_Cより低い適当な温度まで下げる。クライオクーラーが取り外されて、再冷却処理が磁場に影響することなく完了する。
【００１４】
冷却サイクル間のシステムの理論的動作持続時間について以下に示す。持続時間は次の３つのパラーメータに依存する。動作の温度範囲、磁石システム内と磁石システムに入る熱散逸（dissipation ）、および動作温度範囲を通しての冷却システム内の全エンタルピー。
【００１５】
本発明は、さらに、実際的な動作を可能にする革新的な構成を導入している。例えば、低温体２０は磁石巻線とほぼ同じサイズの固体窒素材を有し、システムの重量は約１０％のみの増加で、システムの熱容量を磁石の質量の熱容量の約３倍に高める。磁石は温度範囲、例えば、初期値２０Ｋから昇温度６３Ｋまでの範囲で動作可能である。クライオクーラーはシステムの一時的な冷却源である。これまで、超伝導磁石は実質的に一定の温度で動作するように設定されていたので、連続的な冷却が必要であった。さらに、本発明では、冷却システムへ入る熱を最少化することが、再冷却時間サイクルを長くする。
【００１６】
図１は、本発明の好ましい実施形態の概略図である。低温体２０は、超伝導磁石５８と、この磁石にサイズ的に匹敵する固体窒素材５９とから成る。窒素は常温（２９３Ｋ）では気体で、７７Ｋで液体になり、６３Ｋで固体になる。低温体２０は、支持体２４により、好ましくカーボンファイバーからできている常温シールド２２に連結されている。支持体２４は互いにクロスして、シールド２２と低温体２０間に大きな間隔を与えており、それによって、シールド２２から低温体２０に入る熱を最小にしている。常温シールド２２は低温体２０とサーマル棒（thermal rod ）２８を囲む。シールド２２はアルミニウムまたはステンレススチールで形成される。
【００１７】
低温体２０とシールド２２の間の領域３４は真空引きされて、対流による熱伝導を最小化する。つまり、この真空領域３４は断熱体として機能する。加えて、放射による熱移動を減らすために、領域３４には、好ましくはアルミメッキされたマイラーを有する超断熱層（layers of superinsulatio）が設けられている。低温体２０とシールド２２は支持体２４以外の媒体では接続しない。これによって熱伝導は最少化される。シールド２２の外の領域３６は常温（２９３Ｋ）である。一方、低温体２０は動作中は超伝導温度（６３Ｋより低い）である。
【００１８】
冷却受板（cold receiving plate）２６は、好ましくは銅から成り、低温体２０の頂部に取り付けられている。サーマル棒２８は、好ましくは熱伝導物質、例えば銅から成り、冷却受板２６の上方に配置される。サーマル棒２８はシールド２２に対してスライド可能に装着されており、端部２９が冷却受板２６から離れた位置と、冷却受板２６に接触した位置との間をスライドする。サーマル棒２８の位置は、好ましくは、負荷のない状態で冷却受皿２６から離れるように偏位している。
【００１９】
棒の上部は、図２を用いて以下に説明する低温伝達（cold delivery ）システムにつながった、ねじ切りされたた孔５６を有する。真空チャンバ３０は、好ましくはステンレススチールから成り、サーマル棒２８の上部に取り付けられている。チャンバ３０の中間部分にはＯ−リングシール４４がある。チャンバ３０とＯ−リング４４はサーマル棒２８に連結されており、したがって、シールド２２の上部に対してスライドする。サーマル棒２８が冷却受板に接触しているとき、Ｏ−リングシールはシールド２２の壁に接触する。カバープレート３２はサーマル棒２８とチャンバ３０を断熱し、保護する。
【００２０】
ガス抜きチューブ４０は、固体の低温体２０が温まって気体状態に変化した時に、低温体２０からガスを抜くものである。真空排気３８は、真空ポンプ４８に接続されるもので、この真空ポンプ４８を定期的に真空排気３８に接続することで、真空領域３４を高真空に保ち続ける。
【００２１】
図２（Ａ）〜（Ｃ）は、磁場６０に干渉せずに動作中のシステムを再冷却する方法を連続的に図示している。図２（Ａ）〜（Ｃ）では、磁石５８と磁場は水平方向であるが、図１では垂直方向である。方向と配置は種々に設定できる。
【００２２】
図２（Ａ）では、超伝導磁石５８は持続モードで動作し、それによって電流６２は電力損失なしに連続的にコイルに流れ、電磁場が生成される。時間の経過につれて、対流、伝導および放射によってシステムに熱が入り込む。その結果、低温体２０（超伝導磁石５８と固体窒素材５９）の温度は上昇する。磁石５８の温度が超伝導体の臨界温度Ｔ_Cを越えると、超伝導体は抵抗を持ち、”持続モード”で流れる電流６２は小さくなってしまう。
【００２３】
磁場との干渉を避けるために、本発明では、超伝導磁石５８の動作中、すなわち磁場６０を作り続けている間に再冷却を行う、装置と方法を提供する。図２（Ａ）では、超伝導体の温度がＴ_Cに近づく前に、冷却装置６６が磁石５８を再冷却する。磁石のカバープレート３２（図１）が取り外され、サーマル棒２８のねじ孔５６を外部に露出させる。冷却装置６６の延長棒５２には、ねじ孔５６に螺合されるねじ部５４がある。延長棒５２は、好ましくは、熱伝導率のよい物質、例えば銅からなり、クライオクーラーのコールドヘッド７８に連結されている。これにより、２０Ｋのような極低温にまで延長棒５２を冷却する。延長棒５２は真空囲壁（vacuum enclosure）の頂部６８Ａに連結され、真空囲壁の底部６８Ｂにスライド可能に装着されている。ベローズ５０は真空囲壁６８の中間部分に設けられて、先端６８Ａと底６８Ｂの間の圧縮を許容する。
【００２４】
図２（Ｂ）では、延長棒５２はサーマル棒２８に連結され、冷却装置６６は低温体２０を再冷却する位置にある。この時点で延長棒５２は常温で、サーマル棒２８は常温に近い。冷却装置フランジ７０と磁石フランジ７２は、Ｏ−リング７４を間に挟んで、互いに固定されている。真空囲壁６８内の領域７６が真空引きされる。真空ポンプ４８は磁石システムにつながり、低温体２０とシールド２２の間の領域３４を高真空に保つために駆動される。次に、クライオクーラー６４が駆動される。
【００２５】
図２（Ｃ）のように、クライオクーラーのコールドヘッド７８、拡張棒５２およびサーマル棒２８が低温体２０の温度よりも低くなると、サーマル棒２８の端部２９は、低温体を再冷却するために、低温体２０の冷却受板２６に接触する。これは、真空囲壁６８を矢印８０の向きに押すことで行われる。押されることで、ベローズ５０が縮み、延長棒５２、サーマル棒２８、真空チャンバ３０とＯ−リング４４が一緒に冷却受板２６の方へ移動する。低温体２０が２０Ｋのような目標の温度まで冷却されたと判断されると、サーマル棒２８は冷却受板２６から離され、サーマル棒２８、延長棒５２および真空チャンバ３０は、図２（Ｂ）の元の位置に戻される。クライオクーラー６４は停止され、クライオクーラーのコールドヘッド７８、延長棒５２およびサーマル棒２８は常温に戻り得る状態となるる。クライオクーラー６４は冷却装置６６と共に取り外され、カバープレート３２が図１のように再装着される。上記の方法では、超伝導磁石５８は、超伝導磁石５８の一定な電磁場６０に干渉することなく、臨界温度Ｔ_Cよりも低い温度まで再冷却される。
【００２６】
低温体２０が最初に常温の場合、冷却処理は図２（Ｃ）の配置で始まる。磁石５８は臨界温度Ｔ_Cよりも低い適当な温度まで冷却される。この時点で、超伝導コイルは、それまでに、持続モードで動作していなかったので、磁石は電磁場を生成していない。したがって、超伝導温度に達した後、磁石は電流６２を誘導するために充電される。
【００２７】
図３（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明で使用された超伝導磁石の他の実施形態を示す。図３（Ａ）は、超伝導巻線材料からなるコイル８４を備えた持続モード超伝導電磁石を示す。コイル８４の端子８６は、閉回路を形成するために結合されている。コイル８４と端子８６は低温体内に収納されている。端子８６は超伝導的に結合されることが望ましいが、”永久”が１時間、１日または１週間を意味している多くの応用では、抵抗のある結合でもよい。実際的な応用では、超伝導的な結合は困難であるから、システムの磁気時定数（magnetic time constant）がシステムの再冷却時間間隔よりも実質的に長くなるように、十分小さい結合抵抗（joint resistance）とすればよい。電流６２が流れると、コイル８４はコイルの軸に沿って磁場６０を作る。
【００２８】
図３（Ｂ）は、円筒の形をした固体超伝導物質の鋳物８８から成る超伝導磁石を示す。電流６２が図示の方向で円筒の壁に流れると、磁場６０が作られる。
【００２９】
図３（Ｃ）では、円筒形は図３（Ｂ）と似ている。しかしこの場合、円筒体は複数の薄いリング９０からできていて、それぞれの鋳物リングは積み上げられてソレノイドを形成している。電流６２がリングに流れると、リングの集まりが磁場６０を生成する。
【００３０】
図の磁石はソレノイド形（円筒形）であるが、双極形、４極形および鞍形のような他の磁石タイプも本発明に応用できる。
【００３１】
超伝導磁石５８が一旦低温体２０内に設定されて、上記のシステム内に配置されると、好ましくは、磁石５８に連結された充電用の電磁石によって付加される磁束変化により励磁される。磁石システムが常温であるために超伝導性がない場合、充電用電磁石は超伝導磁石に連結される。超伝導磁石は、ソレノイド形である場合、ソレノイド形の充電用電磁石の中空孔内に配置される。次に、超伝導磁石は前述のように冷却される。
【００３２】
磁石が超伝導温度に達する前に、充電用の電磁石は適当な磁場レベルに励磁され、そのレベルで一定に保持される。超伝導磁石はＴ_cより低い目標温度まで冷却され、充電用の電磁石は徐々に放電され、最終的には完全に放電される。この処理が、超伝導磁石中に電流を誘起する。超伝導磁石による電磁場の強度は、超伝導磁石と充電用の磁石システムの両方の電気磁気特性によって決まる。例えば、超伝導磁石では、電磁場強度は電流６２の大きさとコイルの巻線８４の巻き数（図３（Ａ））、または円筒８８の大きさ（図３（Ｂ）、図３（Ｃ））によって決まる。
【００３３】
図４（Ａ）、（Ｂ）に示した他の実施形態では、コイル８４は常温にさらされる中空孔９２を持つ。これによって、磁束６０の集中する領域にアクセスするのを可能にする。これは特に、生成される磁場６０が弱い場合に適している。この実施形態は、円筒形の低温体２０で取り巻かれた超伝導コイル８４Ａ、８４Ｂを備える。低温体２０は円筒形のシールド２２の中に収納される。低温体２０とシールド２２間の領域３４は断熱層で包まれる。再冷却は、図２に従って先に説明した方法で行われる。出来上がった構造は図４（Ｂ）の形をとる。なお、図４（Ｂ）では、再冷却とポンプの構成部分は図示されていない。
【００３４】
大きな磁石を用いる実施形態については、電流リード線を付けて、超伝導磁石を直接励磁することもできる。大きい超伝導磁石のための充電用の磁石は膨大で、極めて高価になる。大きなシステムは小さなシステムよりも、システムへ流入する熱量をより多く許容できるので、電流リード線を大きな超伝導磁石システムに導入しても、電流リード線から流入する熱量がシステムにとって過大となることはない。電流リード線は使用されていないとき、磁石の端子から分離されて、低温体への熱流入を最小にする。電流リード線を使用して磁石を励磁した後、この磁石を持続モードへと動作させるために、磁石に超伝導スイッチを設ける必要がある。そのスイッチ部品は図５に示されている。
【００３５】
図５（Ａ）〜（Ｂ）は新しい磁石システムを励磁する装置の断面図である。各図の磁石システムは円筒形である。この誘導方法は、図５（Ｃ）の等価電気回路で示される。図５（Ｃ）で示されるように、超伝導巻線５８は端子８６で連結されている。図５（Ａ）と５（Ｂ）では、本発明に基づいて、超伝導磁石システムが２つの要素で示されている。巻線５８とシールド２２である。
【００３６】
図５（Ａ）では超伝導磁石システム２１０は、電源（図示せず）に接続するための端子２０２を持つ、充電用の磁石２０１の常温の中空部内に置かれる。この段階での超伝導磁石２１０は臨界温度より高い。磁石２１０が超伝導性でない間に、充電用の磁石２０１は所定の磁場レベルまで励磁される。超伝導磁石２１０が約２０Ｋの初期動作温度までさげられると、充電用の磁石２０１は徐々に放電し、超伝導磁石２１０に電流が流れ、所望の磁場が作られる。
【００３７】
図５（Ｂ）では、超伝導磁石システム２１１は平坦なディスクを備える。この場合、磁石システム２１１は平坦な表面２０３上に設置される。表面２０３の下には、電源（図示せず）に接続される端子２０２を持つ大型の充電用コイル２０１が設置されている。充電用コイル２０１の底部は、スチールの磁気飽和を防止するのに十分厚いスチールディスク２０４に磁気的にショートされている。ディスク２０４は充電用コイル２０１が超伝導磁石システム２１１の中空部内に十分な磁場を作るのに必要な総アンペアターン値を減少させるのに役立つ。このシステムの充電シーケンスは上述のシステムと同じである。
【００３８】
図５（Ｂ）の実施形態は、芸術展示用の浮揚台やエンターテイメントパフォーマンスの浮揚舞台の作成に利用される。この場合、超伝導磁石は初期動作温度２０Ｋまで冷却される。冷却中、充電コイル２０１は作動していない。充電用コイル２０１は徐々に励磁され、超伝導コイル５８に電流を流して、充電コイル２０１による磁場と逆の磁場を作る。逆磁束により超伝導磁石２１１は浮揚力を持ち、表面２０３からディスク２１１を持ち上げる。ディスク２０３の上方でサポートできる重さは、充電コイル２０１により作られる磁束の大きさによる。充電用コイル２０１が励磁され、かつ、超伝導磁石が超伝導性を持つ間、ディスク２１１は表面２０３の上方に浮揚し続ける。ディスク２１１の横方向の安定性は、充電用コイル２０１の平均直径を超伝導磁石２１１の平均直径よりも大きくすることにより、実現できる。
【００３９】
図６は、電源２０５を用いて超伝導磁石システムを直接励磁する電気回路図を示す。破線は室温シ−ルド２２を示す。磁石システムの端子８６の間を分路で接続する超伝導スイッチ２０６は、磁石が励磁されている間、通常の抵抗値を有する状態に保たれ（例えばヒーターによって）、電源２０５からの電流の大部分を巻線５８に流す。動作モードにおいて、スイッチ２０６は超伝導となり、超伝導回路の一部となって、持続電流を巻線５８に流す。回路の常温の端部を磁石端子８６に接続するリード線２０７は、切り離し可能なジョイント２０８を有しており、これによって、磁石が励磁された後リード線２０７が切り離されて、低温体への熱の流入を最少にする。
【００４０】
このシステムは、磁場センサーとサーモカップル温度センサーとを備えるのが好ましい。磁場センサーは室温領域に取り付けられ、サームカップル温度センサーは低温体に取り付けられている。前記サーモカップルを計器類に接続するワイヤーは、熱伝導による熱の流入を最小限に抑えるため、極めて細い径で極めて大きな長さになっている。
【００４１】
本発明による永久磁石装置の熱解析を次に説明する。巻線の形を持ち室温の中空部を有しない磁石システムが、上で述べた革新的な概念に沿った熱解析の基本として使用される。
【００４２】
本発明の隔離された超伝導磁石システムにおける熱の散逸(dissipation) には４つの要因がある。１）電気磁気効果によって磁石巻線内で発生する電気磁気的散逸、２）熱放射、３）熱対流、４）熱伝導。これら要因のそれぞれを定量するに当たり、理想的な球面の巻線形状を仮定する。実際の磁石は強い磁場の領域へのアクセスのために中央部に孔が通常必要ではあるけれども、理論的な球面形状が、磁石システムの重要なパラメーターを強調するのに適しており、円筒形またはコイル形の持つ二次効果によって分析が泥沼に陥ることはない。
【００４３】
このシステムに仮定された一定磁場の動作条件のもとでは、コンダクターとコンダクターの接合部で発生する損失を除いて、超伝導磁石内で電気磁気効果による熱散逸はない。本件システムにおける持続モードの超伝導磁石については、先ず、それぞれの接合が実質的に超伝導であり、したがって散逸は無視できると仮定する。
【００４４】
放射による熱移動の理論は、ステファン・ボルツマンの式で始まる。
ｑ_r＝ｅ_rσ_SBＴ⁴ （１）
【００４５】
ここで、ｑ_rは温度Ｔ（単位Ｋ）の表面からの放射熱フラックスを１ｍ²当たりのワット数で表したもの（Ｗ／ｍ²）であり、ｅ_rは温度Ｔでの全熱放射率であり、σ_SBはステファン・ボルツマン定数５．６７×１０^-8Ｗ／ｍ²Ｋ⁴である。
【００４６】
互いに平行な第１と第２の表面を持つ平行板構造において、第１と第２の表面がそれぞれ、放射率〔ｅ_r〕_CLと〔ｅ_r〕_wmを持ち、第１の表面が低い温度Ｔ_clにあり、第２の表面が高い温度Ｔ_wmにある場合、両表面間の有効全放射率〔ｅ_r〕_cwは次の式で与えられる。
【００４７】
［ｅ_r］_CW＝［ｅ_r］_cl［ｅ_r］_wm
／｛［ｅ_r］_cl＋［ｅ_r］_wm−［ｅ_r］_cl［ｅ_r］_wm｝（２）
前記平行板構造の近似は、熱交換を行う２つの表面が同一の面積を持つと仮定している。
【００４８】
理論は平行板、円筒、及び球面の各形態によって異なるが、大部分の低温状態のアプリケーションにおいては、平行板近似が平行でない構造についても十分成り立つ。これは、大部分の低温状態において、２つの表面を隔てる距離が特性表面長さよりも一般に十分小さいからである。さらに、この平行という幾何学的な近似によって放射熱の見積もりに入り込むエラーは、問題の表面の放射率についての不確定要素によって持ち込まれるエラーに比べて、十分小さいと考えられるからである。したがって、式２は次のように修正される。
ｑ_rd＝［ｅ_r］_CWσ_SB（Ｔ_wm ⁴−Ｔ_cl ⁴）（３）
【００４９】
外径Ｒの球面磁石システムについて、システムに入り込む全放射熱Ｑ_rdは、次式で与えられる。
Ｑ_rd＝４πＲ²［ｅ_r］_CWσ_SB（Ｔ_wm ⁴−Ｔ_cl ⁴）（４）
【００５０】
一方のプレートが低温Ｔ_clで、他方のプレートが高温Ｔ_wmである平行板構造について、１０^-4トール又はそれ以下の真空圧Ｐ_gのもとで圧力Ｐ_g（単位Ｐａ）にある余分のヘリウムガスによる対流熱伝導によって高温のプレートから低温のプレートへ向かう熱フラックス（ｑ_gＷ／ｍ²）は、次の式で与えられる。
ｑ_cv＝η_gＰ_g（Ｔ_wm−Ｔ_cl）（５）
【００５１】
η_g（単位Ｗ／ｍ²・ＰａＫ）は温度Ｔ_wm及びＴ_clばかりでなく、いわゆる容器効率(accommodation coefficient) にも依存する。この容器効率は、ヘリウムについて、室温での０．３から４．２Ｋでの１に変化する。ここで取り扱う温度領域Ｔ_wm＝３００Ｋ及びＴ_cl≒８０Ｋに対しては、ｑ_cvは圧力Ｐ_g＝１０^-5トールで、１１ｍＷ／ｍ²である。したがって、外径Ｒの球面磁石システムについて、このシステムに入り込む全対流熱Ｑ_cv（Ｗ）は、Ｐ_g＝１０^-5トールの圧力で次のようになる。
Ｑ_cv＝４π（１．１×１０^-2）Ｒ² （６）
【００５２】
熱伝導によってシステムに流入する熱の源は２つある。第１の熱流入源は支持構造体２４（図１参照）であり、第２の熱流入源は固体窒素がガス化するときの圧力を逃がす圧力解放チューブ４０（図１参照）である。支持構造体２４による全伝導熱流入量Ｑ_spは次の式で与えられる。
Ｑ_sp＝２ｋ_spＡ_sp（Ｔ_wm−Ｔ_cl）／Ｒ（７）
【００５３】
ここでＡ_spは、常温Ｔ_wmの物体と低温Ｔ_clの物体とを連結する支持構造体の全断面積である。式（７）において、右辺の係数２は、前記支持を無方向性とするのに必要な別の支持構造体を考慮に入れるためである。Ｔ_wmとＴ_clとを連結する長さは、最短で、低温物体の半径Ｒに等しい。支持構造体２４の断面積Ａ_spは、磁石システムの重量Ｍ_syに関連している。したがって、
Ａ_sp＝Ｍ_syｇ／σＵ_sp （８）
【００５４】
ここでｇは重力定数、σＵ_spは支持構造体の極限強さである。前記磁石システムの重量Ｍ_syは、システムの体積でもって次のように表される。
Ｍ_sy＝（２πＲ³／３）（δＡｇ＋δＮ₂）（９）
【００５５】
式（９）において、システムの体積の半分は銀で代表される巻線の材料によって占められ、他の半分は固体窒素によって占められる。また、δＡｇ及びδＮ₂はそれぞれ、銀と固体窒素の密度である。
【００５６】
式（７）から（９）までを組み合わせて、支持構造体による全伝導熱流入量は次のように表される。
Ｑ_sp＝（４πｇｋ_sp／３σＵ_sp）（δ_Ag＋δ_N2）（Ｔ_wm−Ｔ_cl）Ｒ²（１０）
【００５７】
ガス抜きチューブ４０による全伝導熱流入量Ｑ_rfは次の式で表される。
Ｑ_rf＝ｋ_ssＡ_ss（Ｔ_wm−Ｔ_cl）／Ｌ_ss （１１）
【００５８】
ここでｋ_ss，Ａ_ss，Ｌ_ssは、それぞれ、ガス抜きチューブに使用されているステンレスの熱伝達率、横断面積及び長さである。例えば、図１に示すようにサーマル棒２８の回りにガス抜きチューブ４０を巻き付けることによってＡ_ssを十分小さく、かつＬ_ssを十分長く設定すると、Ｑ_rfはＱ_spに比べて小さくなる。このシステムにおいて固体窒素が液体になり、液体窒素がガスになったとしても、これらの相変化は長い時間の間に起こるので、大きな開口を持つガス抜きバルブを設ける必要は無く、したがって、低温超伝導磁石を有するクライオシステムにおいて通常使用されるような大きな断面積Ａ_ssは必要でない。
【００５９】
式（４），（６）及び（１０）を組み合わせて、外径Ｒを有する球面システムに流入する全熱量Ｑ_inは次の式で表される。
Ｑ_in−Ｑ_rd＋Ｑ_cv＋Ｑ_sp
＝４π｛［ｅ_r］_cwσ_SB（Ｔ_wm ⁴−Ｔ_cl ⁴）＋１．１×１０^-2
＋（ｇｋ_sp／３σ_U）（δＡｇ＋δＮ₂）（Ｔ_wm−Ｔ_cl）｝Ｒ（１２）
なお、Ｑ_inはＲ²に直接的に比例している。
【００６０】
下に示す表１は、システムの最初の温度２０Ｋと、システムが温まることによって上昇した温度４０Ｋ，５０Ｋ及び６０Ｋとの間で生じる銀と固体窒素の容積増大エンタルピー（ΔＨ_Ag），（ΔＨ_N2）を示している。比エンタルピーデータから容積エンタルピーへの変換の際、銀の密度１０，５００kg／ｍ³及び固体窒素の密度９００kg／ｍ³を使用した。
【００６１】

【００６２】
外径Ｒを持ち、その容積の半分が銀（磁石巻線）であり、他の半分が固体窒素（余分の熱蓄積）である球面システムについて、作動に利用できる全エンタルピーΔＨ_syは、次の式で表される。
ΔＨ_sy＝（２π／３）（Δｈ_Ag＋Δｈ_N2）Ｒ³ （１３）
【００６３】
式１２と１３を組み合わせることによって、動作持続時間τ_opに関する表現が次のように得られる。
Ｑ_inτ_op＝ΔＨ_sy （１４）
【００６４】
この式をτ_opについて解くと、

【００６５】
表２は、次のパラメータの値に対してτ_opの値を日の単位（秒から換算したもの）で示している。パラメータ：常温体の温度Ｔ_wmが２９３Ｋ、または室温；低温体の温度Ｔ_clが２０Ｋ（低温体の温度は実際には２０Ｋから最終温度にまで上昇するが、ここでは一定温度と仮定している。控えめな仮定。）；ｋ_spが０．１Ｗ／ｍＫ（ステンレスに近い値。やはり控えめな仮定）；σＵ_spが２×１０⁹Ｐａ（カーボンフィラメントを主成分とする複合体に対応した値）。〔ｅ_r〕_cw及びＲの値は変化しており、これが表２に示されている。
【００６６】

【００６７】

【００６８】
表２に示されたτ_opの値は、あらゆる形状のなかで表面積・体積比が最も小さい球面としてモデル化された磁石システムについてのものである。実際の磁石の前記表面積・体積比は球面のそれよりも大きいから、その動作持続時間（日数）τ_opは表２で与えられたものよりも短くなり、恐らく２分の１ほどにまでは短くなる。
【００６９】
このシステムでは、τ_opは真空状態の良好さに大きく依存している。したがって、システムが過渡状態でない場合、真空ポンプに接続することが好ましい。
【００７０】
ここで述べたシステムコンポーネントについての特定のパラメータ及び形状は、それぞれのコンポーネントの基本的な動作を示すために例示されたものに過ぎない。例えば、固体窒素の体積比率は、先の定量解析で使用されたようなほぼ５０％である必要はない。この値は、具体的なシステムの要求に応じて、５０％以上またはそれ以下に成りうる。先に説明した種々の図面に表された特定のコンポーネントの形状についても同様である。実際のシステムにおいては、サーマル棒と延長棒を熱的に連結しているねじ連結部は、他の機構で置き換えることもできる。
【００７１】
本発明は、ＭＲＩ，ＭＲ及び列車の磁気浮上分野に適用することができる。これらの適用において、常設のクライオクーラーがないことによるシステムの携帯性の良さが極めて大きな利点となる。例えば、列車の磁気浮上に適用する場合、列車は朝の間に、端子におかれたクライオクーラーで冷却しておくことが出来る。クライオクーラー無しに一日中稼働したのち、列車は夜に端子に戻って、その磁石をクライオクーラーのある場所で再び冷却する。このようにして、列車はクライオクーラーから独立して運転することができる。
【００７２】
本発明は好ましい実施形態に従って説明されたが、添付のクレームで示された発明の精神及び範囲から離れないかぎり、形状及び詳細について種々の変更が可能であることは当業者にとって自明である。
【００７３】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明によれば、断熱体によって超伝導磁石への熱の流入を最小限に抑え、冷却装置によって、前記磁石が臨界温度Ｔ_cよりも低い第１の温度Ｔ₁にまで温度上昇したときに前記磁石を冷却し、磁石の温度が第２の温度Ｔ₂に達するまで前記磁石を冷却して、前記超伝導磁石に、再冷却が必要になるまでの長い時間幅にわたり、かつ、Ｔ₂とＴ₁の間の温度領域にわたって磁場を生成させるから、超伝導磁石は間欠的な冷却で済む。したがって、冷却装置無しでかなりの時間作動させることができ、これがシステムの利便性を高める。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本的な構成要素の概略図である。
【図２】（Ａ）〜（Ｃ）は、磁石が磁場を生成し続ける間の、磁石の再冷却のシーケンスを示す概略図である。
【図３】（Ａ）〜（Ｃ）は、超伝導磁石の他の実施形態を示す概略図である。
【図４】（Ａ）および（Ｂ）は、半伝導性の中空部を持つ磁石を図示した本発明のさらに他の実施形態の側断面図と斜視図である。
【図５】（Ａ）〜（Ｃ）は、磁石システムを励磁する装置の概略図である。
【図６】電源を用いて超伝導磁石システムを励磁する回路を示す回路図である。
【符号の説明】
２０…低温体、２８…サーマル棒、３４…真空領域（断熱体）、５８…超伝導磁石、５９…固体窒素材、６４…クライオクーラー、６６…冷却装置

Claims

臨界温度Ｔc 以下の温度で持続状態で作動して磁場を生成する超伝導磁石と、
前記磁石への熱の流入を最小限にするために前記磁石を取り囲む断熱体と、
前記磁石が臨界温度Ｔc よりも低い第１の温度Ｔ1 にまで温度上昇したときに前記磁石を冷却し、磁石の温度が第２の温度Ｔ2 に達するまで前記磁石を冷却して、前記磁石に、再冷却が必要になるまでの長い時間幅にわたり、かつ、Ｔ2 とＴ1 の間の温度領域にわたって磁場を生成させる冷却装置とを備えた磁場を生成する装置であって、
前記冷却装置は、前記磁場の生成を中断させること無く、冷却期間において前記磁石に連結され、前記磁石が前記第２の温度Ｔ2 に達したときに前記磁石から分離するように構成されている磁場を生成する装置。
臨界温度Ｔc 以下の温度で持続状態で作動して磁場を生成する超伝導磁石と、
前記磁石への熱の流入を最小限にするために前記磁石を取り囲む断熱体と、
前記磁石が臨界温度Ｔc よりも低い第１の温度Ｔ1 にまで温度上昇したときに前記磁石を冷却し、磁石の温度が第２の温度Ｔ2 に達するまで前記磁石を冷却して、前記磁石に、再冷却が必要になるまでの長い時間幅にわたり、かつ、Ｔ2 とＴ1 の間の温度領域にわたって磁場を生成させる冷却装置とを備えた磁場を生成する装置であって、
前記磁石は固体窒素材に連結されている磁場を生成する装置。
請求項２において、前記固体窒素材は前記磁石とほぼ同一の寸法である磁場を生成する装置。
臨界温度Ｔc 以下の温度で持続状態で作動して磁場を生成する超伝導磁石と、
前記磁石への熱の流入を最小限にするために前記磁石を取り囲む断熱体と、
前記磁石が臨界温度Ｔc よりも低い第１の温度Ｔ1 にまで温度上昇したときに前記磁石に連結されて前記磁石を冷却し、磁石の温度が第２の温度Ｔ2 にまで低下したときに前記磁石から分離されて、前記磁石に、再冷却が必要になるまでの長い時間幅にわたり、かつ、Ｔ2 とＴ1 の間の温度領域にわたって磁場を生成させる冷却装置とを備えた磁場を生成する装置。
請求項１、２および４のいずれか一項において、前記時間幅は、前記磁石の温度がＴ2 からＴ1 まで上昇するのに要する時間によって決まるものである磁場を生成する装置。
請求項１、２および４のいずれか一項において、前記第１の温度Ｔ1 はほぼ６３Ｋであり、第２の温度Ｔ2 はほぼ２０Ｋである磁場を生成する装置。
請求項１、２および４のいずれか一項において、前記磁石は、ソレノイド形、双極形、４極形及び鞍形からなるグループから選ばれている磁場を生成する装置。
請求項１、２および４のいずれか一項において、前記磁石は室温にある中空部を有している磁場を生成する装置。
請求項１、２および４のいずれか一項において、前記磁石は高温超伝導体で形成されている磁場を生成する装置。
超伝導磁石をその臨界温度Ｔc 以下の温度で持続状態で磁場を生成するように作動させる工程と、
前記磁石へ流入する熱量を最小限にするよう前記磁石を断熱する工程と、
前記磁石の温度がその臨界温度Ｔc よりも低い第１の温度Ｔ1 に上昇したときに、磁石の温度が第２の温度Ｔ 2 に達するまで前記磁石を冷却する工程とを備え、
前記磁石に、再度の冷却が必要となる前に長い時間幅にわたり、かつ、Ｔ2 とＴ1 の温度範囲にわたり磁場を発生させる磁場を生成する方法であって、
前記冷却する工程は、前記磁場の生成を中断させること無く、前記冷却中に前記磁石に冷却装置を連結し、前記第２の温度Ｔ2 にまで冷却されたとき前記磁石から前記冷却装置を分離する工程を含む磁場を生成する方法。
超伝導磁石をその臨界温度Ｔc 以下の温度で持続状態で磁場を生成するように作動させる工程と、
前記磁石へ流入する熱量を最小限にするよう前記磁石を断熱する工程と、
前記磁石の温度がその臨界温度Ｔc よりも低い第１の温度Ｔ1 に上昇したときに、磁石の温度が第２の温度Ｔ 2 に達するまで前記磁石を冷却する工程とを備え、
前記磁石に、再度の冷却が必要となる前に長い時間幅にわたり、かつ、Ｔ2 とＴ1 の温度範囲にわたり磁場を発生させる磁場を生成する方法であって、
さらに前記磁石を固体窒素材に連結する工程を含む磁場を生成する方法。
請求項１１において、さらに、前記固体窒素材を前記磁石とほぼ同一のサイズに形成する工程を含む磁場を生成する方法。
超伝導磁石をその臨界温度Ｔc 以下の温度で持続状態で磁場を生成するように作動させる工程と、
前記磁石へ流入する熱量を最小限にするよう前記磁石を断熱する工程と、
前記磁石の温度が臨界温度Ｔc よりも低い第１の温度Ｔ1 に上昇したとき前記磁石を冷却するよう前記磁石に冷却装置を連結する工程と、
前記磁石が第２の温度Ｔ2 にまで低下したときに前記磁石から前記冷却装置を分離する工程とを備え、
前記磁石に、再度の冷却が必要となる前に長い時間幅にわたり、かつ、Ｔ 2 とＴ 1 の温度範囲にわたり磁場を生成させる磁場を生成する方法。
請求項１０、１１および１３のいずれか一項において、前記時間幅は前記磁石の温度がＴ2 からＴ1 に上昇するまでの時間によって定まる磁場を生成する方法。
請求項１０、１１および１３のいずれか一項において、前記第１の温度Ｔ1 はほぼ６３Ｋであり、前記第２の温度Ｔ2 はほぼ２０Ｋである磁場を生成する方法。
請求項１０、１１および１３のいずれか一項において、さらに、前記磁石をソレノイド形、双極形、４極形及び鞍形からなる一群から選ぶ工程を含む磁場を生成する方法。
請求項１０、１１および１３のいずれか一項において、さらに、前記磁石を常温にある中空部を持つように形成する工程を含む磁場を生成する方法。
請求項１０、１１および１３のいずれか一項において、さらに、前記磁石を高温超伝導体で形成する工程を含む磁場を生成する方法。