JPH11265816A - 超電導装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】強い磁場の印加制御及び印加停止制御を簡単か
つ短時間に行うことができ、しかもランニングコストの
低減を図れる超電導装置を提供する。 【解決手段】断熱容器４内に酸化物系超電導バルク材５
と該バルク材に巻装されて酸化物系バルク材に磁束をト
ラップさせるときだけ付勢されるコイル６とからなる磁
石要素７を収容してなる磁場発生装置３ａ、３ｂと、こ
の磁場発生装置３ａ、３ｂ内の酸化物系超電導バルク材
５を臨界温度以下に冷却して磁束のトラップ状態を維持
させる冷却装置１１と、磁場発生装置３ａ、３ｂと該磁
場発生装置から磁場の印加を受ける被印加対象物１との
間に挿脱自在に設けられて被印加対象物１への磁場印加
及び磁場印加停止を制御する超電導磁気遮蔽装置１５
ａ、１５ｂとを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超電導装置に係
り、特に強い磁場の印加及び印加停止の切換制御を容易
かつ短時間に行うことができる超電導装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、シリコンの単結晶をチョ
クラルスキ法などで育成するに際して、０．４Ｔ（テス
ラ）程度の磁揚を印加すると、融液の対流を抑えること
ができ、単結晶中にストリエーションなどのない、高品
質な単結晶を育成することができる。

【０００３】ところで、このような強力な磁場の印加に
は、専ら超電導磁石を利用した超電導装置が使用されて
いる。この超電導装置では、超電導磁石として、ＮｂＴ
ｉなどの合金系超電導線を巻回して形成された超電導コ
イルを用いている。

【０００４】しかし、このように構成された超電導装置
では、単結晶を育成している間中、電源より超電導コイ
ルに電力を供給し続けなければならず、単結晶育成中の
電力消費が大きいという問題があった。

【０００５】そこで、このような不具合を解消するため
に、ＭＲＩなどの医用機器で採用している方法、すなわ
ち永久電流スイッチを用いて超電導コイルに永久電流を
流すことが考えられる。

【０００６】しかしながら、永久電流モードで運転され
る超電導装置は、励消磁プロセスが極めて繁雑になり、
単結晶育成分野のように励消磁を頻繁に行わなければな
らない分野には適用しにくい。すなわち、単結晶育成分
野では育成前後のるつぼ交換の際に磁場を消磁し、交換
後に再度励磁する必要がある。この励消磁に要する時間
は、単結晶製造プロセス中のロスとなるので、短いほど
好ましい。なお、高速で励消磁しようとすると、超電導
線がクエンチする。このため、実際には数十分から１時
間程度を必要とし、結局、ロスを抑制できないことにな
る。さらに、ＮｂＴｉなどの合金系超電導線を巻回して
形成された超電導コイルでは、冷媒として高価で、しか
も取り扱いのやっかいな液体ヘリウムを用いなければな
らない問題もあった。

【０００７】上述した問題は、流体中の磁性不純物を除
去する磁気分離装置に適用した場合においてもいえる。
磁気分離の分野では、分離効率向上のための高勾配磁気
分離技術（ＨＧＭＳ）が開発され、流体中に磁性線の集
合体を設けることにより飛躍的に分離効率を向上させて
いる。この方法では、０．４Ｔ程度の磁場を印加する必
要がある。なお、印加磁場を高くすれば、磁性の弱い不
純物も除去することが可能となる。また、磁場領域を大
きくすることにより分離処理量を大きくすることが可能
となる。このような、磁気分離装置では、ある程度の分
離処理を行うと不純物が磁性線集合体である磁気フィル
タに堆積し、分離効率が低下する。このため、逆洗とい
うプロセスが必要となる。すなわち、外部磁場を除去し
た状態で、流体を強制的に流して磁気フィルタに堆積し
ている不純物を洗い流すプロセスである。この場合、前
述の単結晶育成装置と同様に磁場の励消磁を伴うため、
短時間での処理が要求される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述の如く、超電導コ
イルを用いた従来の超電導装置では、磁場印加期間での
電力消費量を抑えるために永久電流スイッチを用いる
と、励消磁が繁雑となるばかりか、励消磁に長時間を必
要とし、たとえば単結晶育成分野で用いると単結晶製造
プロセス中のロスを増大させる結果を招く問題があっ
た。また、冷媒として高価で、しかも扱い難い液体ヘリ
ウムを用いなければならない問題もあった。

【０００９】そこで本発明は、強い磁場の印加及び印加
停止の制御を簡単かつ短時間に行うことができ、しかも
ランニングコストの低減も図れる超電導装置を提供する
ことを目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る超電導装置は、断熱容器内に酸化物系
超電導バルク材と該バルク材に巻装されて上記酸化物系
バルク材に磁束をトラップさせるときだけ付勢されるコ
イルとからなる磁石要素を収容してなる磁場発生装置
と、この磁場発生装置内の前記酸化物系超電導バルク材
を臨界温度以下に冷却して磁束のトラップ状態を維持さ
せる冷却装置と、前記磁場発生装置と該磁場発生装置か
ら磁場の印加を受ける被印加対象物との間に挿脱自在に
設けられて上記被印加対象物への磁場印加及び磁場印加
停止を制御する超電導磁気遮蔽装置とを具備してなるこ
とを特徴としている。

【００１１】なお、前記磁場発生装置が前記被印加対象
物を挟んで一対設けられ、さらに前記超電導磁気遮蔽装
置が前記被印加対象物と前記各磁場発生装置との間に挿
脱自在に一対設けられていてもよい。

【００１２】また、前記磁場発生装置は前記断熱容器内
に前記磁石要素を複数収容して構成され、上記各磁石要
素を構成している前記酸化物系超電導バルク材は定常運
転時の温度より高い温度下で前記コイルで発生した磁束
をトラップしていることが好ましい。

【００１３】さらに、前記冷却装置は、前記磁石要素を
構成している前記酸化物系超電導バルク材を冷凍機直結
方式で臨界温度以下に冷却する構成を採用していてもよ
い。さらにまた、前記超電導磁気遮蔽装置は、酸化物系
超電導膜のマイスナ効果を利用し、しかも上記酸化物系
超電導膜を冷凍機直結方式で臨界温度以下に冷却する構
成を採用していてもよい。

【００１４】本発明に係る超電導装置では、酸化物系超
電導バルク材にピン止め効果で磁束をトラップさせ、こ
のトラップ磁束で印加磁場を発生させている。周知のよ
うに、ほとんどの酸化物系超電導体は臨界温度が７７Ｋ
以上、つまり臨界温度が液体窒素温度以上である。この
ため、冷却装置では、冷媒として液体ヘリウムよりはる
かに扱いが容易で安価な液体窒素を用いることができ
る。

【００１５】酸化物系超電導バルク材にトラップされて
いる磁束は、酸化物系超電導バルク材が臨界温度以下に
保持されている限り、トラップ状態を維持する。したが
って、通常時の電力消費は、冷却装置で消費する分だけ
となり、ランニングコストを下げることができる。

【００１６】また、このままでは被印加対象物に磁場を
印加したり、磁場の印加を停止したりすることが困難に
なるが、本発明では磁場発生装置と被印加対象物との間
に挿脱自在に超電導磁気遮蔽装置を設け、この超電導磁
気遮蔽装置を挿脱することによって、磁場発生装置の磁
場を消磁することなく、被印加対象物への磁場印加制御
及び磁場印加の停止制御を行えるようにしている。した
がって、磁場印加及び磁場印加の停止に要する時間を大
幅に短縮でき、単結晶育成分野や磁気分離分野に適用し
たときには、ロス時間の短縮を図ることができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら発明の
実施形態を説明する。図１には本発明の一実施形態に係
る超電導装置、ここには単結晶育成装置に組み込んだ超
電導装置の概念図が示されている。

【００１８】同図において、１は単結晶育成用のるつぼ
を示している。このるつぼ１は、常時は図で示される処
理位置に保持され、交換時には図示しないレール上を図
中実線矢印２で示す方向に運ばれる。なお、るつぼ１を
実線矢印２で示す方向と直交する上下方向に移動できる
ように配置することもできる。

【００１９】るつぼ１を境にして両側、具体的には処理
位置を境にして両側には、るつぼ１に対して、るつぼ１
を貫通する磁力線を印加する磁場発生装置３ａ，３ｂが
対向関係に配置されている。

【００２０】磁場発生装置３ａ，３ｂは、図２に示すよ
うに、例えば樹脂層や非磁性金属層などを組み合わせて
外観が平板状に形成された断熱容器４と、この断熱容器
４内に収容された酸化物系超電導バルク材５および該バ
ルク材に巻装されてバルク材に磁束をトラップさせると
きだけ付勢されるコイル６からなる複数の磁石要素７
と、これら磁石要素７と一緒に断熱容器４内に収容され
た液体窒素８とで構成されている。

【００２１】酸化物系超電導バルク材５は、例えば臨界
温度が１２０Ｋ程度のＴｌ系で、直径１５ｃｍ、厚さ５
ｃｍの円板状に形成されている。一方、コイル６は、こ
の例の場合、酸化物系超電導バルク材５の外周に、図３
（ａ）に示すように、断熱用のスペーサ９を介して銅線
を所定のターン数巻回して形成されている。なお、付勢
時にコイル６からの発熱を抑えるために、コイル６を酸
化物系超電導線で形成するとさらに好ましい。

【００２２】酸化物系超電導バルク材５とコイル６とで
構成された複数の磁石要素７は、各酸化物系超電導バル
ク材５の端面を互いに平行させて断熱容器４内に、二次
元配列された層を１層として３層構成に配置され、この
状態で図示しない非磁性の支持具によって断熱容器４に
固定されている。そして、各コイル６は発生磁束の方向
がそれぞれ等しくなるように、直列に接続され、この直
列回路の両端は断熱容器４の上壁を気密に貫通して設け
られたブッシング１０ａ，１０ｂの中心導体に接続され
ている。

【００２３】磁場発生装置３ａ，３ｂの後方位置には、
それぞれ冷却装置１１が配置されている。これらの冷却
装置１１は、各磁場発生装置３ａ，３ｂにおける断熱容
器４内に収容されている液体窒素８の蒸発分を液化する
ためのものである。勿論、１つの冷却装置１１で各断熱
容器４内に収容されている液体窒素８を共通に冷却する
ようにしてもよい。

【００２４】ここで、各磁場発生装置３ａ，３ｂでの磁
場発生原理を説明する。まず、断熱容器４内に液体窒素
８を注入する前に、外部電源からブッシング１０ａ、１
０ｂの中心導体を介して各コイル６に所定レベルの直流
電流を流す。各コイル６へ通電すると、各コイル６にお
いて磁束が発生し、この磁束が図３（ａ）中に太矢印１
３で示すように酸化物系超電導バルク材５内を通る。酸
化物系超電導バルク材５は、この時点では常電導状態に
ある。このため、磁束は何の邪魔も受けずに酸化物系超
電導バルク材５内を通る。

【００２５】こうした状態において、図示しない注液口
を介して断熱容器４内に液体窒素８を注入するととも冷
却装置１１を動作させる。液体窒素８の注入に伴って断
熱容器４内の温度が徐々に低下する。前述の如く、酸化
物系超電導バルク材５の臨界温度は１２０Ｋである。そ
こで、この例では断熱容器４内の温度が９０Ｋまで低下
した時点でコイル６に流れている電流を零にしている。
このようにコイル電流を零にしても、今までコイル６で
発生していた磁束がピン止め効果によって酸化物系超電
導バルク材５にトラップされる。したがって、酸化物系
超電導バルク材５は、臨界温度以下に冷却されている限
り、図３（ａ）に示すように、軸方向の両端面がＮ極、
Ｓ極に磁化された永久磁石のように機能する。

【００２６】なお、断熱容器４内の温度が液体窒素温度
である７７Ｋになる前の９０Ｋにおいてコイル電流を零
にして磁束をトラップさせたのは次のような理由に基づ
く。すなわち、酸化物系超電導バルク材５の場合、温度
が十分に低い領域で磁束をトラップさせると、バルク材
各部の磁化の強さは、図３（ｂ）中に二点鎖線で示すよ
うに、中心部が最も大きい山形状となる。これに対し
て、温度が高い領域で磁束をトラップさせると、バルク
材各部の磁化の強さは、最大値は低下するものの、図３
（ｂ）中に破線で示すように、ほぼ台形の分布となる。
印加磁場の強度分布を均一化させるには、各酸化物系超
電導バルク材５における磁化の強さができるだけ均一、
すなわち台形の分布であることが望ましい。このような
ことから、この例では、定常運転時の温度（液体窒素温
度）より高い温度下で酸化物系超電導バルク材５に磁束
をトラップさせるようにしている。

【００２７】また、上述した例では、コイル６に通電し
ている状態で酸化物系超電導バルク材５を冷却し、臨界
温度以下に冷却した時点でコイル電流を零にして磁束を
酸化物系超電導バルク材５にトラップさせているが、酸
化物系超電導バルク材５を臨界温度以下に冷却した後に
コイル６に電流を流し、その後にコイル電流を零にして
磁束を酸化物系超電導バルク材５にトラップさせるよう
にしてもよい。この場合、前者と同じ量の磁束をトラッ
プさせるには、コイル６で発生する磁束の量を前者に較
べて大きくする必要がある。また、コイル６に通電する
際に、一般的には、通電電流を徐々に上げて目的の電流
値に達した後徐々に減じる方法が採られるが、パルス電
源を用いて通電電流の立ち上げ、立ち下げを行うこと
で、磁束をトラップさせるのに要する時間を短縮させる
ようにしてもよい。

【００２８】再び、装置構成の説明に戻ると、各磁場発
生装置３ａ、３ｂと処理位置にあるるつぼ１との間に
は、図示しないレール等にガイドされて図１中実線矢印
１４で示す方向に移動自在に一対の超電導磁気遮蔽装置
１５ａ、１５ｂが配置されている。

【００２９】これら超電導磁気遮蔽装置１５ａ、１５ｂ
は、図２に示すように、例えば樹脂層や非磁性金属層な
どを組み合わせて外観が平板状に形成された断熱容器１
６と、この断熱容器１６の内面に内張りされた酸化物系
超電導膜１７と、断熱容器１６内に収容されて酸化物系
超電導膜１７を臨界温度以下に冷却する液体窒素１８
と、断熱容器１６内に収容されている液体窒素１８の蒸
発分を液化する冷却装置１９（図１参照）とで構成され
ている。

【００３０】次に、上記のように構成された超電導装置
を使って単結晶の育成を行う例について説明する。ま
ず、磁場発生装置３ａ、３ｂは、前述した手法で、いわ
ゆる着磁され常時磁場を発生している状態に維持されて
いるものとする。また、超電導磁気遮蔽装置１５ａ、１
５ｂは酸化物系超電導膜１７が臨界温度以下に保持され
ているものとする。

【００３１】そこで、図４（ａ）に示すように、るつぼ
１を磁場発生装置３ａ、３ｂ間に位置させ、続いてるつ
ぼ１と磁場発生装置３ａ、３ｂとの間から超電導磁気遮
蔽装置１５ａ、１５ｂを移動させる。超電導磁気遮蔽装
置１５ａ、１５ｂを磁場発生装置３ａ、３ｂの前面から
移動させると、磁場発生装置３ａ、３ｂで発生した磁場
がるつぼ１に印加されることになる。この状態で単結晶
の育成を行う。

【００３２】育成後、超電導磁気遮蔽装置１５ａ、１５
ｂを移動させ、図４（ｂ）に示すように、これら超電導
磁気遮蔽装置１５ａ、１５ｂをるつぼ１と磁場発生装置
３ａ、３ｂとの間に挿入する。このように挿入すると、
断熱容器１６の内面に内張りされている酸化物系超電導
膜１７のマイスナ効果によりるつぼ１への磁場が排除さ
れ、るつぼ１が浴びる磁場はほぼ零になる。

【００３３】この状態で、図４（ｃ）に示すように、磁
場発生装置３ａ、３ｂ間からるつぼ１だけ又は超電導磁
気遮蔽装置１５ａ、１５ｂと一緒にるつぼ１を移動させ
るか、あるいはそのままの状態で次の育成の準備を行
う。

【００３４】このように、超電導装置３ａ、３ｂは、酸
化物系超電導バルク材５にピン止め効果で磁束をトラッ
プさせ、このトラップ磁束で印加磁場を発生させてい
る。酸化物系超電導体のほとんどは、臨界温度が液体窒
素温度（７７Ｋ）以上である。このため、冷却装置１１
では、冷媒として液体ヘリウムよりはるかに扱いが容易
で安価な液体窒素８を用いることができる。

【００３５】また、酸化物系超電導バルク材５にトラッ
プされている磁束は、酸化物系超電導バルク材５が臨界
温度以下に保持されている限り、トラップ状態を維持す
る。したがって、通常時の電力消費は、冷却装置１１で
消費する分だけとなり、ランニングコストを下げること
ができる。

【００３６】また、磁場発生装置３ａ、３ｂとるつぼ１
との間に挿脱自在に超電導磁気遮蔽装置１５ａ、１５ｂ
を設け、この超電導磁気遮蔽装置１５ａ、１５ｂを挿脱
することによって、磁場発生装置３ｂ、３ｂの磁場を消
磁することなく、るつぼ１への磁場印加及び磁場印加の
停止制御を行えるようにしている。したがって、磁場印
加及び磁場印加の停止制御に要する時間を大幅に短縮で
き、単結晶育成プロセスで生じるロス時間の短縮を図る
ことができる。

【００３７】上述した例は本発明に係る超電導装置を単
結晶育成装置に適用したものであるが、磁気分離装置に
もそのまま適用できる。図５には磁気分離装置に適用し
た場合の運転例が示されている。

【００３８】図５（ａ）に示すように、磁気フィルタ２
１を挟むように磁場発生装置３ａ、３ｂを配置する。被
処理流体の流れ方向を太矢印２２で示す。このとき、磁
気フィルタ２１と磁場発生装置３ａ、３ｂとの間から超
電導磁気遮蔽装置１５ａ、１５ｂを移動させておく。磁
気フィルタ２１は、磁場発生装置３ａ、３ｂが発生する
磁場で磁化され、流体中の磁性不純物を吸着し、これに
よって磁性不純物を流体から分離する。

【００３９】磁気フィルタ２１に磁性不純物が堆積し、
分離効率が低下したところで、図５（ｂ）に示すよう
に、磁気フィルタ２１と磁場発生装置３ａ、３ｂとの間
に超電導磁気遮蔽装置１５ａ、１５ｂを挿入する。この
ように挿入すると、断熱容器１６の内面に内張りされて
いる酸化物系超電導膜１７のマイスナ効果により、磁気
フィルタ２１への磁場が排除され、磁気フィルタ２１が
浴びる磁場がほぼ零になる。この状態で、図５（ｂ）に
示すように、磁気フィルタ２１に逆向きに流体を圧送す
ることにより、磁気フィルタ２１に堆積した不純物を除
去し、磁気フィルタ２１の分離効率を回復させる。

【００４０】このように、磁気分離装置に適用しても、
ランニングコストの低減及びロス時間の短縮化を図るこ
とができる。なお、上述した各例では、磁場発生装置３
ａ、３ｂ内の酸化物系超電導バルク材５及び超電導磁気
遮蔽装置１５ａ、１５ｂ内の酸化物系超電導膜１７を冷
媒である液体窒素に直接接触させて冷却しているが、こ
れらの超電導体と冷凍機の冷却ステージとを熱伝導材を
介して熱的に接続して伝導で冷却する、冷凍機直結方式
で冷却するようにしてもよい。また、上述した各例では
超電導磁気遮蔽装置１５ａ，１５ｂにおける酸化物系超
電導膜１７も常時臨界温度以下に冷却しているが、磁気
遮蔽動作を行わせる少し前の時点から酸化物系超電導膜
１７の冷却を開始させるようにしてもよい。

【００４１】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、強い磁
場の印加制御及び印加停止制御を簡単かつ短時間に行う
ことができ、しかもランニングコストの低減を図ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る超電導装置の概略構
成図

【図２】同装置に組み込まれた磁場発生装置及び超電導
磁気遮蔽装置の縦断面図

【図３】（ａ）は同磁場発生装置に組み込まれた磁石要
素の断面図で、（ｂ）は同磁石要素を構成している酸化
物系超電導バルク材への磁束トラップの形態を説明する
ための図

【図４】同超電導装置を単結晶育成装置の磁場源として
用いたときの使用例を説明するための図

【図５】同超電導装置を磁気分離装置の磁場源として用
いたときの使用例を説明するための図

【符号の説明】

１…るつぼ ３ａ、３ｂ…磁場発生装置 ４、１６…断熱容器 ５…酸化物系超電導バルク材 ６…コイル ７…磁石要素 ８、１８…液体窒素 １１、１９…冷却装置 １５ａ、１５ｂ…超電導磁気遮蔽装置 １７…酸化物系超電導膜 ２１…磁気フィルタ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】断熱容器内に酸化物系超電導バルク材と該
   バルク材に巻装されて上記酸化物系バルク材に磁束をト
   ラップさせるときだけ付勢されるコイルとからなる磁石
   要素を収容してなる磁場発生装置と、 この磁場発生装置内の前記酸化物系超電導バルク材を臨
   界温度以下に冷却して磁束のトラップ状態を維持させる
   冷却装置と、 前記磁場発生装置と該磁場発生装置から磁場の印加を受
   ける被印加対象物との間に挿脱自在に設けられて上記被
   印加対象物への磁場印加及び磁場印加停止を制御する超
   電導磁気遮蔽装置とを具備してなることを特徴とする超
   電導装置。
2. 【請求項２】前記磁場発生装置は前記被印加対象物を挟
   んで一対設けられており、前記超電導磁気遮蔽装置は前
   記被印加対象物と前記各磁場発生装置との間に挿脱自在
   に一対設けられていることを特徴とする請求項１に記載
   の超電導装置。
3. 【請求項３】前記磁場発生装置は前記断熱容器内に前記
   磁石要素を複数収容して構成されており、上記各磁石要
   素を構成している前記酸化物系超電導バルク材は定常運
   転時の温度より高い温度下で前記コイルで発生した磁束
   をトラップしていることを特徴とする請求項１または２
   に記載に超電導装置。
4. 【請求項４】前記冷却装置は、前記磁石要素を構成して
   いる前記酸化物系超電導バルク材を冷凍機直結方式で臨
   界温度以下に冷却していることを特徴とする請求項１に
   記載の超電導装置。
5. 【請求項５】前記超電導磁気遮蔽装置は、酸化物系超電
   導膜のマイスナ効果を利用しており、上記酸化物系超電
   導膜を冷凍機直結方式で臨界温度以下に冷却しているこ
   とを特徴とする請求項１に記載の超電導装置。