JPH07294035A

JPH07294035A - 超電導磁石装置

Info

Publication number: JPH07294035A
Application number: JP6088961A
Authority: JP
Inventors: Akiko Saito; 明子斉藤; Akihiko Tsudai; 昭彦津田井; Masashi Sahashi; 政司佐橋; Yasumi Otani; 安見大谷; Toru Kuriyama; 透栗山; Hideki Nakagome; 秀樹中込
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1994-04-26
Filing date: 1994-04-26
Publication date: 1995-11-10
Anticipated expiration: 2020-05-18
Also published as: JP3648265B2

Abstract

(57)【要約】【目的】超電導コイルからの漏れ磁場に起因する冷却性
能を低下を防止できる冷凍機直接冷却型の超電導磁石装
置を提供する。【構成】超電導コイル６を蓄冷式のＧＭ冷凍機９で伝導
冷却する超電導磁石装置において、ＧＭ冷凍機９の最終
段蓄冷器６２の蓄冷材が反強磁性材料で形成されてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超電導磁石装置に係
り、特に超電導コイルを蓄冷式の極低温冷凍機で冷却す
るようにした超電導磁石装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、現在実用化されている超
電導磁石装置の多くは、超電導コイルを臨界温度以下に
冷却する手段として、超電導コイルを液体ヘリウムで代
表される極低温液体中に浸漬する方式を採用している。
しかし、この方式では、液体ヘリウムや液体窒素といっ
た扱い難く、高価な冷媒をクライオスタットへ出し入れ
する必要があるので、無駄に消費される冷媒量が多く、
ランニングコストの増加を免れ得ない。

【０００３】ところで、近年、新しい蓄冷材の発見等に
伴ってギホード・マクマホン型冷凍機（ＧＭ冷凍機）や
パルスチューブ冷凍機で代表される蓄冷式極低温冷凍機
の性能が飛躍的に向上している。最近では、磁性材であ
るＥｒ₃ＣｏとＥｒ_0.9Ｙｂ_0.1Ｎｉとを蓄冷材として
用い、液体ヘリウム温度（4.2K) で1 Ｗを越える冷凍能
力が得られるＧＭ冷凍機が出現し、この高い冷凍能力の
ＧＭ冷凍機を用い、その冷却ステージで直接的に超電導
コイルを伝導冷却する超電導磁石装置が提案されてい
る。

【０００４】この超電導磁石装置では、冷媒の無駄をな
くすことができるので、ランニングコストを大幅に低下
させることができる。

【０００５】しかしながら、上記のように超電導コイル
を蓄冷式の極低温冷凍機で直接伝導冷却する超電導磁石
装置にあっても実際に本発明者等が超電導コイルに電流
を流す実験を種々行なった結果、その影響が極低温冷凍
機側に現れ、最低温冷却ステージの温度が冷凍機単体で
運転した場合より高くなって安定しなかったり、運転時
間の経過とともに極低温冷凍機の冷凍能力が低下すると
いう新たな問題が発生することが判明した。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記のように本発明者
等の実験により新規な問題点が判明したことに基づいて
本発明はなされたもので、磁場発生能力を落とすことな
く、冷凍性能の安定化を図れる蓄冷式冷凍機を用いた冷
凍機直接冷却型の超電導磁石装置を提供することを目的
としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に係る発明では、超電導コイルを蓄冷式の
極低温冷凍機を用いて冷却する超電導磁石装置におい
て、前記極低温冷凍機の最終段蓄冷器の低温端蓄冷材が
反強磁性材料で形成されていることを特徴としている。

【０００８】なお、反強磁性材料としては、ネール温度
が30K 以下であり、かつデバイ温度が200K以下であるこ
とが好ましい。

【０００９】また、上記目的を達成するために、請求項
３に係る発明では、超電導コイルを蓄冷式の極低温冷凍
機を用いて冷却する超電導磁石装置において、前記極低
温冷凍機の最終段蓄冷器の蓄冷材が磁性材で形成されて
おり、かつ上記最終段蓄冷器の最低温側が上記超電導コ
イルの中心を通り、上記超電導コイルの中心軸に対して
垂直に描かれる線の近傍に位置していることを特徴とし
ている。

【００１０】

【作用】超電導コイルに電流を流すと、超電導コイルの
周囲には漏れ磁場が発生する。一方、蓄冷式の極低温冷
凍機では、最終段蓄冷器の蓄冷材として、強磁性への磁
気相転移に伴う比熱異常（大きな比熱の山）を利用でき
る強磁性材料を用いたものが多い。

【００１１】冷凍機直接冷却型の超電導磁石装置では、
全体の大型化を防止する意味から超電導コイルと蓄冷式
の極低温冷凍機とを距離的に近付ける必要があるので、
極低温冷凍機の蓄冷材として用いられている強磁性材料
が超電導コイルの漏れ磁場によって磁化する（総和とし
て磁気モーメントを持つ）。

【００１２】一般に、磁性材は磁場中において磁化の大
きさと磁場勾配とに比例した力を受けるので、強磁性材
料からなる蓄冷材は磁場中で磁化の大きさと磁場勾配と
に比例した力を受ける。代表的な蓄冷式の極低温冷凍機
であるＧＭ冷凍機を例にとると、冷凍サイクルを実現す
る関係上、シリンダー内において蓄冷器を往復動させる
必要がある。したがって、上記のように強磁性材料から
なる蓄冷材に力が作用すると、この力によって蓄冷器が
傾き、シリンダー壁に接触するような事態が発生するも
のと認められる。この結果、蓄冷器とシリンダー壁との
摩擦等による発熱や、シールの押し付けによる冷媒ガス
の正常な流れの疎外等が生じ、発明者等の実験によって
確認されたように、極低温冷凍機の最低温冷却ステージ
の冷凍性能の低下やステージ温度の不安性を招く結果と
なっていると考えられる。

【００１３】請求項１に係る発明では、極低温冷凍機の
最終段蓄冷器の蓄冷材を反強磁性材料で形成しているの
で、蓄冷器が受ける力を減少させ、蓄冷器に傾きが生じ
ないようにすることができるので、結果として、最低温
冷却ステージの温度を安定させ、超電導コイルを定常的
に冷却することが可能となる。

【００１４】すなわち、強磁性材料は、磁気相転移温度
Ｔ_C（キュリー温度）以下で自発磁化（零磁場中でも有
限の磁化を持つ）を持ち、Ｔ_Cより高温においても小さ
な外部印加磁場により大きな磁化を持つ。これに対し
て、反強磁性材料は、零磁場では磁化を持たず（原子の
モーメントの総和が零）、小さな外部印加磁場では磁化
の値は極めて小さい。したがって、小さな磁場中での反
強磁性材料の磁化の大きさは、強磁性材料に比べてはる
かに小さい。前述の如く、磁性材が磁場中で受ける力の
大きさは、磁化の大きさに比例するので、蓄冷器が磁場
勾配の大きな空間に設定される場合、蓄冷材として反強
磁性材料を用いることによって、蓄冷器が受ける力を減
ずることができる。この結果、蓄冷器とシリンダとの摩
擦等による発熱を防ぎ、極低温冷凍機の最低温冷却ステ
ージの温度安定性を向上させ、クエンチの誘因となる超
電導コイルの温度ゆらぎをなくすことが可能となる。

【００１５】なお、蓄冷材として用いる反強磁性材料と
しては、反強磁性磁気相転移温度（ネール点）Ｔ_Nが30
K 以下であることが好ましい。具体的には表１−２に示
したように、Ｅｒ₃Ｎｉ（Ｔ_N〜6K），ＥｒＣｕ（Ｔ_N
〜13K ），Ｈｏ₂Ａｌ（Ｔ_N〜15K ）などである。ネー
ル温度Ｔ_Nが高いと、最終段蓄冷器で、磁気相転移に伴
う比熱の異常（比熱の大きな山）を十分に利用すること
ができず、冷媒ガスの蓄熱（冷）効果が極端に低下し、
最低温冷却ステージの冷凍能力が著しく低下する。この
ため、最低温冷却ステージを、たとえば液体ヘリウム温
度以下に冷却することが困難となり、超電導コイルのク
エンチの誘因となる。

【００１６】また、蓄冷材として用いる反強磁性材料と
しては、そのデバイ温度が通常１段目の蓄冷器の蓄冷材
として使用される銅のデバイ温度343Kより低いことが好
ましく、さらには200K以下であることがより好ましい。
具体的には、表１−２に示したように、Ｅｒ₃Ｎｉ（〜
135K），ＥｒＣｕ（〜200K），Ｈｏ₂Ａｌ（Ｔ_N〜150
K）などである。

【００１７】20〜80K という中温度域では、格子比熱は
磁気比熱と同様に反強磁性材料の全比熱に対して重要な
役割を果たしている。冷凍機ガスサイクルの中で、高温
側蓄冷器内を通り、高温側蓄冷材との熱交換で冷却され
た冷媒ガスが、一時的に温度上昇することなく、熱的に
スム−ズに低温側蓄冷器内を通ることができるような熱
的に無駄のないガスサイクルを形成するためには、高温
側蓄冷器の出口付近温度における高温側蓄冷材との交換
熱量に対し、低温側蓄冷器の入口付近温度における低温
側蓄冷材との交換熱量が同等程度以上であることが望ま
しい。したがって、20〜80K といった温度領域で、材料
の全比熱に対して重要な役割を果たす格子比熱も高温側
蓄冷材に比べ低温側蓄冷材では同程度かそれ以上である
ことが望ましい。一般に、低温での原子モル当たりの格
子比熱は、デバイ温度が低い程大きい。したがって、最
終段蓄冷器で用いる反強磁性材料のデバイ温度は、１段
目の蓄冷器に蓄冷材として使用されている銅のデバイ温
度より低いことが好ましく、原子密度が高いほどよい。
また、20〜80K の温度領域で磁気比熱が小さい場合に
は、デバイ温度を200K以下にすることで、格子比熱を大
きくすることができる。

【００１８】前述の如く、磁性材は磁場中で磁化の大き
さと磁場勾配とに比例した力を受ける。したがって、最
終段蓄冷器の蓄冷材が強磁性材料で形成されている場合
であっても、最終段蓄冷器が磁場勾配の零に近い部分に
位置するように極低温冷凍機を配置することによって最
終段蓄冷器に加わる力を十分に小さくできる。

【００１９】すなわち、請求項３に係る発明では、超電
導コイルを蓄冷式の極低温冷凍機で冷却する超電導磁石
装置において、最終段蓄冷器の最低温側を、超電導コイ
ルの中心を通り、超電導コイルの中心軸に対して垂直に
描かれる線の近傍に位置させるようにしている。

【００２０】ここで、最終段蓄冷器内の温度は、通常、
その高温端側は大きく変動するが、低温端から高温端側
へかけての約半分の領域では低温端温度に近く、しかも
変動は小さい。したがって、最終段蓄冷器内に収容され
た強磁性材料からなる蓄冷材は、最低温端側から約半分
の領域に存在しているものが特に大きな磁化を持ってい
るとみなすことができるので、この約半分の領域を超電
導コイルの中心を通り、超電導コイルの中心軸に対して
垂直に描かれる線の近傍に位置させれば、最終段蓄冷器
に加わる力を十分に小さくでき、この力に起因する上述
した不具合を防止できることになる。

【００２１】

【実施例】以下、図面を参照しながら実施例を説明す
る。

【００２２】図１には本発明の一実施例に係る超電導磁
石装置の概略構成が示されている。この超電導磁石装置
は、大きく別けて、内部が真空雰囲気となるように排気
された真空容器１を備えている。真空容器１は、たとえ
ばステンレス鋼などの非磁性材で形成されている。真空
容器１の上壁２および下壁３には、それぞれ孔４ａ，４
ｂが対向関係に設けてあり、これらの孔４ａ，４ｂを連
通させるようにステンレス鋼などの非磁性材で形成され
た筒体５の両端部が上壁２および下壁３の内面に気密に
接続されている。したがって、筒体５の内側は大気圧
に、外側は真空雰囲気に保持されている。

【００２３】筒体５の回りで真空雰囲気中には、筒体５
とは非接触に、かつ筒体５と同心的に、たとえばＮｂＴ
ｉ線で形成された超電導コイル６が配置されており、こ
の超電導コイル６は周方向に切れ目のある円筒状に形成
された吸熱部材７を介して熱伝導部材８に熱的に接続さ
れている。熱伝導部材８は超電導コイル６の外側にその
軸心線を超電導コイル６の軸心線に平行させて配置され
た蓄冷式の極低温用冷凍機、この例ではＧＭ冷凍機９の
冷却ステージに接続されている。

【００２４】ＧＭ冷凍機９は、70K 程度に冷却される第
１段冷却ステージ１０と、4K以下程度に冷却される第２
段冷却ステージ１１とを備えており、各冷却ステージが
真空容器１内に位置するように真空容器１の上壁２に設
けられた図示しない装着孔を使って真空容器１に取り付
けられている。そして、第２段冷却ステージ１１に熱伝
導部材８が熱的および機械的に接続されている。

【００２５】ＧＭ冷凍機９は具体的には図２に示すよう
に構成されている。

【００２６】このＧＭ冷凍機９は、大きく別けて、コ−
ルドヘッド２１と、冷媒ガス導排出系２２とで構成され
ている。

【００２７】コ−ルドヘッド２１は、閉じられたシリン
ダ３１と、このシリンダ３１内に往復動自在に収容され
たピストン、すなわち断熱材で形成されたディスプレ−
サ３２と、このディスプレ−サ３２に対して往復動に必
要な動力を与えるモ−タ３３とで構成されている。

【００２８】シリンダ３１は、大径の第１シリンダ３４
と、この第１シリンダ３４に同軸的に接続された小径の
第２シリンダ３５とで構成されている。第１シリンダ３
４および第２シリンダ３５は、通常、薄いステンレス鋼
板等で形成されている。そして、第１シリンダ３４と第
２シリンダ３５との境界壁部分で前述した第１段冷却ス
テ−ジ１０を構成し、また第２シリンダ３５の先端壁部
分で第１段冷却ステ−ジ１０より低温の前述した第２段
冷却ステ−ジ１１を構成している。

【００２９】ディスプレ−サ３２は、第１シリンダ３４
内を往復動する第１ディスプレ−サ３８と、第２シリン
ダ３５内を往復動する第２ディスプレ−サ３９とで構成
されている。第１ディスプレ−サ３８と第２ディスプレ
−サ３９とは、連結機構４０によって軸方向に連結され
ている。

【００３０】第１ディスプレ−サ３８の内部には、第１
段目の蓄冷器６１を構成するための流体通路４１が軸方
向に形成されており、この流体通路４１には銅メッシュ
等で形成された蓄冷材４２が収容されている。

【００３１】第２ディスプレ−サ３９の内部には最終段
の蓄冷器６２を構成するための流体通路４３が軸方向に
形成されており、この流体通路４３には平均粒径が100
〜400 μｍの球状粉からなる蓄冷材４４が収容されてい
る。

【００３２】蓄冷材４４は、図３にも示すように、第１
段冷却ステージ１０側、つまり高温側に充填された組成
がＨｏ₂Ａｌである蓄冷材４４ａと、第２段冷却ステー
ジ１１側、つまり低温側に充填された組成がＥｒ₃Ｎｉ
である蓄冷材２４ｂとで構成されている。

【００３３】これらの蓄冷材４４ａ，４４ｂの磁気的な
性質は共に反強磁性を示し、温度に対して図４に示す比
熱特性を示す。そして、これらの蓄冷材４４ａ，４４ｂ
は、メッシュ状のセパレータ４５によって混合しないよ
うに分離されている。なお、この例では蓄冷材４４ａの
体積と蓄冷材４４ｂの体積との和に対して蓄冷材４４ｂ
の体積が約30〜50％になる関係に充填されている。勿
論、蓄冷材４４全体を１種類の反強磁性材で構成するこ
ともできる。反強磁性材であるＥｒＣｕの比熱特性を図
４に合せて示してある。また、蓄冷材４４の高温側0 〜
50％は、Ｐｂ（鉛）などの非磁性材料や、Ｔ_Cの低い、
強磁性体を用いてもよい。この領域で蓄冷材の温度がＴ
_Cより十分に高く保たれていれば、強磁性体であっても
磁化を小さく保つことが可能であるからである。

【００３４】第１ディスプレ−サ３８の外周面と第１シ
リンダ３４の内周面との間および第２ディスプレ−サ３
９の外周面と第２シリンダ３５の内周面との間には、そ
れぞれシ−ル装置４６、４７が装着されている。

【００３５】第１ディスプレ−サ３８の図中上端は、連
結ロッド４８、スコッチヨ−クあるいはクランク軸４９
を介してモ−タ３３の回転軸に連結されている。したが
って、モ−タ３３が回転すると、この回転に同期してデ
ィスプレ−サ３８が図中実線矢印５０で示す方向に往復
動する。

【００３６】第１シリンダ３４の側壁上部には冷媒ガス
の導入口５１と排出口５２とが設けてあり、これら導入
口５１と排出口５２は冷媒ガス導排出系２２に接続され
ている。

【００３７】冷媒ガス導排出系２２は、シリンダ３１を
経由するヘリウムガス循環系を構成するもので、排出口
５１を低圧弁５３、圧縮機５４、高圧弁５５を介して導
入口５２に接続したものとなっている。すなわち、この
冷媒ガス導排出系２２は、低圧（たとえば５atm ）のヘ
リウムガスを圧縮機５４で高圧（たとえば１８atm ）に
圧縮してシリンダ３１内に送り込むものである。そし
て、低圧弁５３、高圧弁５５はディスプレ−サ３２の往
復動との関連において後述する関係に開閉制御される。

【００３８】次に、上記のように構成された超電導磁石
装置の使用例を説明する。

【００３９】まず、ＧＭ冷凍機９を駆動する。このＧＭ
冷凍機９において寒冷を発生する部分、つまり冷却面に
供される部分は第２段冷却ステ−ジ１１である。

【００４０】モ−タ３３が回転を開始すると、ディスプ
レ−サ３２が下死点と上死点との間を往復動する。ディ
スプレ−サ３２が下死点にあるとき、高圧弁５５が開い
て高圧ヘリウムガスがコ−ルドヘッド２１内に流入す
る。次に、ディスプレ−サ３２が上死点へと移動する。
前述の如く、第１ディスプレ−サ３８の外周面と第１シ
リンダ３４の内周面との間および第２ディスプレ−サ３
９の外周面と第２シリンダ３５の内周面との間にはそれ
ぞれシ−ル装置４６、４７が装着されている。このた
め、ディスプレ−サ３２が上死点へと向かうと、高圧ヘ
リウムガスは第１ディスプレ−サ３８に形成された流体
通路４１および第２ディスプレ−サ３９に形成された流
体通路４３を通って、第１ディスプレ−サ３８と第２デ
ィスプレ−サ３９との間に形成された１段膨張室５６お
よび第２ディスプレ−サ３９と第２シリンダ３５の先端
壁との間に形成された２段膨張室５７へと流れる。この
流れに伴って、高圧ヘリウムガスは蓄冷材４２、４４に
よって冷却され、結局、１段膨張室５６に流れ込んだ高
圧ヘリウムガスが冷却され、また２段膨張室５７に流れ
込んだ高圧ヘリウムガスも冷却される。

【００４１】ここで、高圧弁５５が閉じ、低圧弁５３が
開く。このように低圧弁５３が開くと、１段膨張室５６
内および２段膨張室５７内の高圧ヘリウムガスが膨張し
て寒冷を発生し、第１段冷却ステ−ジ１０および第２段
冷却ステ−ジ１１において吸熱が行われる。そして、デ
ィスプレ−サ３２が再び下死点へ移動すると、これに伴
って１段膨張室５６内および２段膨張室５７内のヘリウ
ムガスが排除される。膨張したヘリウムガスは流体通路
４１、４３内を通る間に蓄冷材４２、４４を冷却し、常
温となって排出される。以下、上述したサイクルが繰返
されて冷凍運転が行なわれる。

【００４２】ＧＭ冷凍機９の第２段冷却ステージ１１は
熱伝導部材８に熱的に接続されているので、ＧＭ冷凍機
９を運転開始させると、熱伝導部材８の顕熱が伝導によ
って第２段冷却ステージ１１に吸収される。また、超電
導コイル６は吸熱部材７を介して熱伝導部材８に熱的に
接続されているので、超電導コイル６の顕熱も伝導によ
って第２段冷却ステージ１１に吸収される。すなわち、
これらの顕熱がＧＭ冷凍機９によって吸収される。そし
て、最終的に、超電導コイル６は第２段冷却ステージ１
１の最低到達温度に近い温度、つまり4K以下に冷却され
る。

【００４３】この温度では、超電導コイル６を形成して
いるＮｂＴｉ線材が超電導状態に転移する。したがっ
て、この状態で図示しないパワーリードを介して超電導
コイル６に通電することが可能になる。

【００４４】超電導コイル６に電流を流すと、超電導コ
イル６の周囲に漏れ磁場が発生し、この漏れ磁場内にＧ
Ｍ冷凍機９の第１段蓄冷器６１および第２段蓄冷器６２
が位置する形態となる。

【００４５】しかし、第１段の蓄冷器６１の蓄冷材４２
は銅で形成されているため、この蓄冷材４２が漏れ磁場
によって磁化されることはない。

【００４６】一方、最終段の蓄冷器６２の蓄冷材４４は
磁性材料で形成されているが、反強磁性材料で形成され
ているので、その磁化レベルは極めて小さい。すなわ
ち、反強磁性材料であるＥｒ₃Ｎｉと強磁性材料ＥｒＮ
ｉおよびＥｒ₃Ｃｏとは、極低温下において共に勝れた
蓄冷特性を発揮するものであるが、図５に示すように、
外部印加磁場に対する磁化特性は大きく異なり、Ｅｒ₃
Ｎｉの方が磁化され難い性質を有している。

【００４７】したがって、本実施例にように、最終段の
蓄冷器６２の蓄冷材として反強磁性材料を用いたもので
は、超電導コイル６からの漏れ磁場に起因して蓄冷器６
２に加わる力を十分に小さくできる。この結果、漏れ磁
場に起因して起こる蓄冷器６２、具体的にはディスプレ
ーサ３２の傾き発生を防止でき、ディスプレーサ３２と
シリンダとの摩擦等による発熱を防止できるので、第２
段冷却ステージ１１の温度安定性を向上させることがで
き、クエンチの誘因となる超電導コイル６の温度ゆらぎ
をなくすことが可能となる。

【００４８】ＧＭ冷凍機９では最終段の蓄冷器６２で用
いる蓄冷材の材質によって第２段冷却ステージ１１の最
低到達温度が大きく左右される。表１−１に第２段冷却
ステージ１１の最低到達温度を液体ヘリウム温度である
4.2K以下にすることが可能な蓄冷材を示す。なお、表１
−１の蓄冷材料の欄において、右側は低温側に充填され
る材料を示している。表１−１に示される蓄冷材料は、
共に磁性材料で、その特性は表１−２に示す通りであ
る。また、図６に一部の材料の温度に対する比熱特性を
示す。

【００４９】

【表１】発明者等は、図１に示される装置を使い、ＧＭ冷凍機９
の最終段の蓄冷器６２として表１−１に示される蓄冷器
Ａ〜Ｇを用いて実際にＧＭ冷凍機９を運転して冷却試験
を行った。いずれの場合も、第２段冷却ステージ１１の
最終到達温度が4.2K以下となり、安定していることが確
認された。また、ＮｂＴｉ線材を用いた超電導コイル６
も第２段冷却ステージ１１とほぼ同じ温度まで冷却され
ていることが確認された。

【００５０】次に、表１−１に示される蓄冷器Ｃ，Ｄを
用いた場合について、超電導コイル６に通電し、コイル
経験磁場と超電導コイル６の温度との関係について調べ
てみた。その結果、図７中にＣ，Ｄで示すように、コイ
ル経験磁場を上昇させていくと、超電導コイル６の温度
が急激に上昇することが確認された。なお、図７中の破
線はＮｂＴｉ超電導線の臨界磁場の温度特性であり、こ
れとの交点で超電導コイル６がクエンチした。一方、表
１−１に示される蓄冷器Ｅ，Ｇを用いた場合について、
同様の試験を行った結果、図７中にＥ，Ｇで示すよう
に、蓄冷器Ｃ，Ｄを用いた場合に比べて超電導コイル６
の温度上昇がはるかに緩やかで、クエンチ磁場が高くな
っていることが確認された。

【００５１】蓄冷器Ｃ，Ｄは蓄冷材として強磁性材料を
使用しており、蓄冷器Ｅ，Ｇは蓄冷材として反強磁性材
料を使用している。したがって、蓄冷材として反強磁性
材料を用いることが有効であることが確認された。

【００５２】また、表１−１に示される蓄冷器Ｃ，Ｅを
用いた場合について，超電導コイル６への通電回数と超
電導コイル６の温度との関係を調べた。その結果、図８
に示すデータが得られた。この図８から判るように、蓄
冷器Ｃを用いた場合には、通電毎のコイル温度のバラツ
キも大きく、通電を重ねるとコイル温度が上昇し、冷凍
器の冷凍能力が劣化していく。これに対して、蓄冷器Ｅ
を用いた場合には、通電回数による冷凍能力の劣化は見
られず、コイル温度のゆらぎも小さい。

【００５３】したがって、最終段の蓄冷器６２の蓄冷材
として反強磁性材料をい用いることで、長期運転に伴う
冷凍性能の劣化を抑えることが可能となり、メンテナン
ス性を大幅に向上させることができる。

【００５４】図９には本発明の別の実施例に係る超電導
磁石装置の概略構成が示されている。なお、この図では
図１と同一機能部分が同一符号で示されている。したが
って、重複する部分の詳しい説明は省略する。

【００５５】この実施例に係る超電導磁石装置では、Ｇ
Ｍ冷凍機９における最終段の蓄冷器６２の最低温側を、
超電導コイル６の中心７１を通り、超電導コイル６の中
心軸７２に対して垂直に描かれる線７３の近傍に位置さ
せるようにしている。

【００５６】今、超電導コイル６とその回りの空間につ
いて、超電導コイル６の中心７１を原点とし、コイル中
心軸７２をｚ軸，コイルの中心７１を通り、中心軸７２
に垂直に縁由う方向に向かう２つの互いに垂直な軸をそ
れぞれｘ軸，ｙ軸とする。

【００５７】超電導コイル６に電流を流して磁場を発生
させたとき、空間での磁場の向きは、図１０(a),(b) に
示すように、白丸から延びる線の向きとなる。この空間
に有限の磁化を持つ磁性体をおいたとき、磁性体は磁化
の大きさと磁場勾配の大きさとに比例した力を受ける。

【００５８】

【数１】このため、上記空間に強磁性体であるＥｒＮｉをおいた
場合には、このＥｒＮｉには図１０(c) に示すように、
おかれている位置に応じた向きおよび大きさの力を受け
る。

【００５９】この図から判るように、ｘ軸上に置かれた
場合には力を受けない。この実施例では、ｘ軸上、つま
り線７３上に蓄冷器６２が位置するようにＧＭ冷凍機９
を配置している。具体的には次のように配置している。
すなわち、運転時において、蓄冷器６２の低温端と高温
端との間の温度分布は、通常、図１１に示すように高温
端側は大きく変動するが、低温端から高温端側へかけて
の約半分の領域では低温端温度に近く、しかも変動が小
さい。したがって、蓄冷器６２内に収容された強磁性材
料からなる蓄冷材は、最低温端側から約半分の領域に存
在しているものが特に大きな磁化を持っているとみなす
ことができるので、この約半分の領域のほぼ中心７４を
超電導コイル６の中心７１を通り、超電導コイル６の中
心軸７２に対して垂直に描かれる線７３の近傍に位置さ
せるように配置いている。

【００６０】このような構成であると、前記実施例と同
様に漏れ磁場に起因して起こるディスプレーサの傾き発
生を防止でき、ディスプレーサとシリンダとの摩擦等に
よる発熱を防止できるので、第２段冷却ステージ１１の
温度安定性を向上させることができ、クエンチの誘因と
なる超電導コイル６の温度ゆらぎをなくすことができ
る。また、この場合には、蓄冷器６２の蓄冷材として、
強磁性材料、反強磁性材料を問わず、いずれの材料も使
用できる利点がある。

【００６１】なお、上述した例は、ＧＭ冷凍機９の軸心
線が超電導コイル６の中心軸と平行の場合であるが、図
１２のように互いに垂直の場合には、蓄冷器６２の軸心
線が線７３の延長線上に位置するようにＧＭ冷凍機９を
配置することによって、同様の効果を得ることができ
る。

【００６２】なお、本発明は上述した実施例に限定され
るものではない。たとえば、ＧＭ冷凍機９の第１の冷却
ステージ１０を使って放射熱の侵入を防止するための熱
シールド板を冷却するようにしてもよい。また、熱伝導
部材８を可撓構成に形成し、組立性の向上および振動吸
収機能を発揮させるようにしてもよい。また、従来技術
の欄で記載したように、本発明者等により確認された超
電導コイルを蓄冷式冷凍機で直接冷却するシステムの問
題点は、液体ヘリウムで代表される冷媒を利用して超電
導コイルを冷却するシステムにおいても、超電導コイル
と蓄冷式冷凍機とを近付けて配置する場合に生じるもの
と考えられる。

【００６３】したがって、極低温冷媒を介して蓄冷式冷
凍機で超電導コイルを冷却するシステムに本発明を適用
すれば、上記実施例と同様の作用・効果を得ることがで
きる。さらに、磁気浮上列車（リニアモータカー）な
どに用いられる超電導コイルを冷却するのに、蓄冷式冷
凍機（ＧＭ冷凍機）とジュール・トムソン効果とを利用
した冷凍機（ＪＴ冷凍機）を組合せて用いることも行わ
れているが、このようなシステムにおいても本発明を適
用することができる。

【００６４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
超電導コイルからの漏れ磁場に起因する冷却性能の低下
を防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る超電導磁石装置の概略
構成図

【図２】同装置に組込まれたＧＭ冷凍機の要部縦断面図

【図３】同ＧＭ冷凍機における最終段蓄冷器の断面図

【図４】同最終段蓄冷器で用いている蓄冷材の比熱特性
を示す図

【図５】反強磁性材料と強磁性材料との磁化特性を比較
して示す図

【図６】各種蓄冷材料の比熱特性を示す図

【図７】最終段蓄冷器の蓄冷材として反強磁性材料と用
いたものと強磁性材料を用いたものとの冷却性能を比較
して示す図

【図８】最終段蓄冷器の蓄冷材として反強磁性材料と用
いたものと強磁性材料を用いたものとの冷却性能を比較
して示す図

【図９】本発明の他の実施例に係る超電導磁石装置の概
略構成図

【図１０】超電導コイルのまわりの磁場勾配および磁場
中におかれた磁性体が受ける力を説明するための図

【図１１】最終段蓄冷器内の温度分布を説明するための
図

【図１２】本発明のさらに別の実施例に係る超電導磁石
装置の要部概略構成図

【符号の説明】

１…真空容器６…超電導コイ
ル７…吸熱部材８…熱伝導部材９…ＧＭ冷凍機１０…第１の冷
却ステージ１１…第２の冷却ステージ４２，４４…蓄
冷材６１…１段目の蓄冷器６２…最終段の
蓄冷器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大谷安見神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者栗山透神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者中込秀樹神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】超電導コイルを蓄冷式の極低温冷凍機で伝
導冷却する超電導磁石装置において、前記極低温冷凍機
の最終段蓄冷器の蓄冷材が反強磁性材料で形成されてい
ることを特徴とする超電導磁石装置。
【請求項２】前記反強磁性材料は、ネール温度が30K 以
下であり、かつデバイ温度が200K以下であることを特徴
とする請求項１に記載の超電導磁石装置。
【請求項３】超電導コイルを蓄冷式の極低温冷凍機を用
いて冷却する超電導磁石装置において、前記極低温冷凍
機の最終段蓄冷器の蓄冷材が磁性材で形成されており、
かつ上記最終段蓄冷器の最低温側が上記超電導コイルの
中心を通り、上記超電導コイルの中心軸に対して垂直に
描かれる線の近傍に位置していることを特徴とする超電
導磁石装置。