JPS63260007A - 超電導装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、特に超電導導体を納める真空容器内の真空を
良好にし、断熱性能の良い超電導装置に関する。

（従来の技術〕 従来の装置は、特開昭６１−１７５４００号公報に記載
のように冷凍機の第１ステージ（約８０Ｋ）を８０にふ
く射シールド、第２ステージ（約２０Ｋ）を中間冷却に
、第３ステージ（１０に以下）を超電導マグネットの冷
却に使っていた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術は、超電導マグネットの超電導腺材がＮｂ
Ｔｉ　にオブチタン）、ＮｂａＳｎにオブサンスズ）で
作られているため、２０に以下の極低温にすることが必
要となっていた。冷凍機の第３ステージは超電導マグネ
ットの冷却に利用し、また、室温（３００Ｋ）から第３
ステージへの侵入熱を遮蔽する目的で第１ステージ（約
８０Ｋ）は、第２ステージおよび超電導マグネットを包
む８０にシールドと熱的に接続された構造をとっていた
。特に、実用上、冷凍機の第１ステージへのふく射熱を
低減するためには、８０にシールド上を反射材を積重ね
た積層断熱材で覆う、このとき、反射材からの放出ガス
特に８０にで凝縮しない一酸化炭素、窒素、酸素などが
、第２ステージ及び第３ステージと接続する部材の表面
に堆積し光の反射率を低下させ、輻射による侵入熱を増
大させ断熱性能の低下を招いていた。

本発明の目的は、真空容器の断熱性能が常に良好な状態
を保持する超電導装置を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、冷凍温度の異なる第１ステージ（高温側）
と第２ステージ（低温側）を有する冷凍機を用い、第１
ステージを超電導マグネットの冷却に、第２ステージを
クライオポンプとして利用することにより達成される。

〔作用〕

２段の冷凍機の第１ステージは、３０に以上特に３０〜
８０Ｋが好ましく、超電導マグネットの冷却として、第
２ステージは１０〜２０Ｋが好ましい、クライオポンプ
として使う。このため、冷凍機を運転することにより超
電導マグネットは、安定した励磁が行え、また、真空容
器を密閉した状態で内部の放出ガスを常に吸着し続け、
優れた断熱性能を有する超電導装置となる。

尚１本発明の第１ステージに適用しうる高温超電導材は
例えば次のものである。

（７７に対応）−（液体Ｎ２温度対応）本実施例に用い
る高温超電導材は、例えばイツトリウム・バリウム・銅
の三元系酸化物（セラミクス）であり、液体窒素中で１
．５テスラの磁場を加えると超電導が破れ、超電導状態
で電流量を０．０２　Ａ／ｆｆｌ乃至０．２Ａ／！に変
化させても維持し得る、科学技術庁金属材料研究所開発
の材料である（昭和６２年３月３日付日刊工業新聞参照
）。

（１２３に対応） 本実施例で使用する高温超電導材は１例えば化学式が一
般式ＡＢＯａで示される所謂キュービックペロブスカイ
トであり、その具体例を挙げれば（ａｚ、−ｘ　ｆｌ　
ｘ）　Ｃｕ　０８−ｙで表わされる。

上式中、Ｘは０≦Ｘ≦１、ｙはＯ≦ｙ　＜　１、α。

βは夫々スカンジウム（Ｓｃ）、イツトリウム（Ｙ）、
ランタン（Ｌａ）の如き周期表■族ａ亜族に属する元素
や、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、バ
リウム（Ｂａ）の如き周期表■族ａ亜族に属する元素を
示す。

このような所謂高温超電導材の製法は、例えばＬａ２０
δ、Ｙ２Ｏ３等のｍａ族元素の酸化物とＢ　ａＣｏａ、
Ｓ　ｒＣｏｓ、ＣａＣｏａ等のＩｌａ族元素の炭酸塩と
、酸化鋼（Ｃｕ　Ｏ）とを各粉末状態で混合し焼結して
得られる。バリウム０．６　、イツトリウム０．４（従
って！＝０．４）、銅１．酸１４３（従ってｙ＝０）の
割合で９００〜１１００℃下に熱して焼き固めたペロブ
スカイトは、超電導開始温度が１２３Ｋ、完全に抵抗ゼ
ロとなる超電導終了点は９０にである。

（−４０℃対応） 本実施例に用いる高温超電導材は、例えばカリフォルニ
ア大学ローレンス・バークレー研究所の研究グループの
開発した酸化化合物系新物質を使用し得る（昭和６２年
度３月５日付読売新聞参照）。

尚、本発明の応用例としては高温側第１ステージ、低温
側第２ステージいずれにも超電導体を使用して、この両
ステージに使用する超電導体の臨界温度差を用いること
も可能であり、具体的には上記各対応温度の組み合せで
ある。

〔実施例〕

以下１本発明の一施例を第１図と第２図を使って構成の
説明をする。

第１図において１は、超電導マグネットである。

超電導マグネット１の線材は比較的高温（３０に以上）
で超電導の性質を保持しているものである。

２は超電導マグネット１を冷却また安定に保持するため
の寒剤たとえば液体窒素である。３は、超電導マグネッ
ト１と寒剤２を納めている容器である。４は、第１ステ
ージの温度約８０にと第２ステージの温度約２０にの温
度を得る冷凍機である。

５は、冷凍機４の第１ステージに熱的に接続した凝縮器
で６は、寒剤２の蒸発したガスを凝縮器５に導くガス配
管である。７は凝縮器５でガスが再凝縮された液を容器
３に戻す液戻り管である。８は、第１ステージに熱的に
接続されている８０にシールドで第２ステージ側を包み
込み、常温からのふく射熱を遮へいしている。また９は
、シェブロンで、常温からのふく、射熱を防止すること
と真空容器内のガスを第２ステージのクライオパネル１
１内に取込む通孔の役目をしている。１１は、活性炭で
低温でヘリウム、水素およびネオン等を吸着するもので
ある。１２は、積層断熱材で、容器３．凝縮器５．８０
にシールドを包み込み常温からのふく射熱をできるだけ
小さくして寒剤２の蒸発量を少なくしている。１９は、
真空容器である。

第２図は、第１図における冷凍機４、凝縮器５およびク
ライオパネル１０を詳しく示した図である。１３は、冷
凍機本体４の第１ステージで、゛　１４は、第２ステー
ジである。１５は、冷凍機本体４の第１ステージ１３と
第１ステージ１４を入れるケーシングである。１６は、
ケーシング内部に封入したガスで熱を良く伝えるヘリウ
ムガスが適当である。１７は、第１および第２ステージ
１３．１４とケーシング１５を機械的に接触させる接触
板で、柔かく高熱伝導特性をもつ材質のインジュウム及
び薄い銅板でできている。１８は。

凝縮器５の内部に設けたフィンで第１ステージの冷たい
熱を効率よく凝縮器５内の凝縮ガスへ伝える働きをする
。

以下、実施例の動作の説明をする。第１図の超電導マグ
ネット１および寒剤２を込れた容器３は常温（３００Ｋ
）からのふく射熱が積層断熱材を介して侵入する。また
、この容器を真空容器（３００Ｋ）と支持固定する支持
材から伝導により熱が侵入する。これらの侵入熱により
寒剤（液体窒素）は蒸発する。一方、冷凍機４を運転す
ることにより第２図の第１ステージ１３と第２ステージ
１４は冷却される。第１ステージ１３では例えば約７７
にで約６５Ｗ、第２ステージ１４では約２０にで７Ｗの
性能が得られる。なお、本発明の適用例では第２ステー
ジの冷凍容量はもっと小さくすることもできる。第１ス
テージ１３で得られた冷却源はガス１６、あるいは接続
板１７、ケーシング１５を介して凝縮器５内に設けたフ
ィン１８に伝わり、そしてフィン１８表面で容器３から
ガス配管６を通ってきたガスを凝縮させる働きをする。

ガスの凝縮する温度レベルは窒素の場合、約６５Ｋまで
下げることができる。このガスが凝縮した液は、凝縮器
５下部に一度溜まった後に、液戻り管７を伝わって寒剤
２が入っている容器３に再び戻ってくる。このように、
容器３と凝縮器５との間では、液の蒸発と蒸発ガスの凝
縮が絶え間なく行われているため、寒剤の消費が全くな
く超電導マグネット１は、常に安定に励磁された状態を
保つことが可能となっている。

冷凍機４の第２ステージ１４は、クライオポンプに利用
する冷却源である。第２図のガス１６及び接触機１７は
、第２ステージ１４の熱をケーシング１５からクライオ
パネル１０に熱抵抗を少なくして効率よく熱を伝えてい
る。このため、タライオパネル温度は１０〜２０Ｋに保
持されることから、真空容器１９内で放出されたガス特
に８０にレベルで吸着されなかった一酸化炭素、窒素、
′酸素、水素、ヘリウムなどがクライオパネル１０に吸
着されるので、常に真空容器内部の真空は、良好な状能
が維持されている。特に、人体用磁気共鳴断層撮像装置
用の超電導装置においては、医療用装置であることから
だれにでも扱えることが大切になってきている。また、
超電導装置では従来、わずられしい寒剤の補給作業をな
くすことが重要な課題となっていた。第１図の実施例で
は、現在、冷凍機４のメンテナンスが年２回はどあるた
め、冷凍機４は真空容器１９と着脱交換可能な様にケー
シング１５と冷凍機４とをガス１６で熱的に接続した構
造をとっている。冷凍機４を真空容器から取りはずして
いる間は、容器３内の寒剤２の潜熱により超電導マグネ
ット１の温度を一定に保ち続けることができる。この間
、寒剤２は蒸発し大気中に吐出管（図示せず）により放
出される。前記医療用装置の容器３の寒剤２の液滴量は
、冷凍機のメンテナンス期間を一周間とすればおよそ１
００Ｑあれば十分である。冷凍機のメンテナンス期間に
寒剤２が蒸発した量は、補給管（図示せず）より補給し
超電導マグネット１が寒剤２で満たされる様にするとよ
い、メンテナンス期間中あるいは１通常冷凍機運転中の
寒剤２の消費量を少なくするためには、容器２を積層断
熱材１２で包み込みこと必要となっている。この積層断
熱材１２は、片面アルミ蒸着されたポリエステルフィル
ムをアルミ蒸着面と、蒸着されない面を幾層にも重合せ
たもの、また、両面アルミ蒸着ボリヱステルフイルムと
スペーサを交互にＩＡＭも積層したものである。この積
層断熱材１２の断熱効果は、しない場合の約１０倍と大
きいものである。しかしながら、この積層断熱材１２の
性能は、フィルムまたはスペーサ間の真空度に依存する
ため、この積層断熱材１２内圧を高真空に保持すること
が不可欠となっている。クライオパネル１０は、真空容
器１９内の放出ガスをすべて吸着することで真空容器内
の圧力を小さくするものである。さらに、真空容器１９
部材または、積層断熱材１２からの微量な放出ガスまで
吸着するため、真空容器１９の内は、常に真空が良好（
１０−８Ｔｏｒｒ以下）な状態が得られることから断熱
性能の高い超電導装置となる。

第３図は、本特許の他の実施例である。第１図と第２図
の同じ部分は、同一符号で示している。

第３図の２０は、寒剤容器である。容器２内には、ガス
２１が封入され超電導マグネット１の温度を均一にして
いる。また、２２は、超電導マグネット１の温度を均一
にして容器３に支持固定する高熱伝導部材である。２４
は、寒剤容器２０と容器３を熱的に接続するアンカーで
ある。

以下、第３図を使って動作の説明をする。超電導マグネ
ット１を入れた容器３の侵入熱は、アンカー２４を伝わ
って寒剤容器２０に入る。寒剤２は、この侵入熱で蒸発
しガス化する。このガスは。

ガス配管６により凝縮器５内に導かれ、液化する。

凝縮器５に溜まった液は、戻り液管７を通って再び寒剤
容器２０内に戻る。寒剤の冷熱内は、寒剤容器２０から
アンカー２４そして高熱伝導部材２２を経て超電導マグ
ネット１に伝わり常に寒剤（液体窒素）温度に保たれて
いる。この他（クライオパネル１０等）の部分の構造及
び動作は第１図と第２図と同一である。

第４図も本特許の他の実施例で第５図は、第４図Ａ−Ａ
から切断して見た斜視図である。第４図と第５図の同一
符号は、同一部分を示している。

冷凍機の第１ステージ１３は、上記に示したものと異な
りケーシングをなくして冷凍機の第１ステージ１３に直
接アンカー２４を熱的に結合したものである。この結合
部は、高熱伝導性のグリース。

ペーストを塗って接触熱コンダクタンスを高めて使うと
よい。超電導マグネット１も、これまでの実施例と違っ
て容器なしで高熱伝導体２２と一体化している。高熱伝
導体２２は、アンカー２４と高熱伝導性のグリースまた
はペーストを介して接合されている。超電導マグネット
１の熱は、高熱伝導体２２．アンカー２４、そして冷凍
機の第１ステージ１３と伝達されて３０〜８０Ｋまで冷
却することができる。クライオパネル１０は第２ステー
ジ１４に同様に直接接合されているため容易に低温約２
０Ｋに至りクライオポンプの働きをする。以上本特許は
、冷凍機の第１ステージで超電導マグネットの冷却を行
い、第２ステージでクライオポンプの働きをするため、
超電導マグネットは、常に安定な励磁が行え、また、真
空容器内の真空を常に良好な状態に維持できることから
断熱性能の優れた超電導装置が得られる。なお、以上述
べた超電導マグネットのかわりにジョセフソン素子等の
超電導導体でも良い。

第６図、第７図、第８図に本発明に適用した超電導マグ
ネット用の線材の実施例を示す。１０１は超電導材で、
銅やキュプロニッケルなどの銅合金、インコネルなどの
耐熱合金からなる被覆材１０２内に充填されている。１
０３はセラミック２系の絶縁材である。超電導材１０１
としては、例えばイツトリウム−バリウム−銅の酸化物
（Ｙ　Ｂ　ａｘ　Ｃｕａｏ７）を被覆材１０２の中に入
れ、丸形又は薄板状の断面に線引きした。場合によって
は芯線１０４を入れる。芯線としては、銅や銅合金など
被覆材１０２と同様の物質でよい。芯線１０４は、線引
加工をし易くする一方、ヒータにもすることができる。

線引加工後、９００〜１１００℃数時間の熱処理を行っ
て超電導材とする。又は、コイル巻線後に被覆材１０２
又は芯線１０４に直接電流を流して加熱してもよい。

〔発明の効果〕

本発明によれば、２段の冷凍機を使うことによって超電
導マグネットの冷却とクライオポンプの働きと分けて同
時に２つの役目をすることができるため、安定な励磁が
常に行える超電導マグネットと断熱性能の優れた超電導
装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第３図及び第４図はそれぞれ本発明の相異なる
実施例の超電導装置の断面図、第２図は第１図の冷凍機
部分の拡大断面図、第５図は、第４図のＡ−Ａ断面の斜
視図、第６図、第７図及び第８図はそれぞれ本発明に適
用しつる超電導線の相異なる実施例を示す断面図である
。 １・・・超電導マグネット、２・・・寒剤、４・・・冷
凍機。 ５・・・凝縮器、８・・・８０にシールド、１０・・・
タライｖ−Ｊ　１　図 １−・Ａ１電導７７オツト 拠　２Ｉ１２１ １０−−・りうイオパネル イ１−３図 η・・−高燃朗り都枕′ 第　４　図 ！ ４・−・ン令〉す５状 ８−・８０に２／−ルド ＩＯ“°°２ライオｌ（芋ｌし 第５図 ｉｏ＝、タライ不バ神 ネ　乙　回 １′７図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、冷凍機の高温側の第１ステージに超電導導体を、低
   温側の第２ステージにクライオパネルを、熱的に結合し
   て真空容器内に設けたことを特徴とする超電導装置。 ２、前記超電導導体として、高熱伝導性の部材を一体に
   して成る超電導導体を用いたことを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の超電導装置。 ３、前記冷凍機とその冷凍機の寒冷部を高熱伝導性のガ
   スで密封してなる冷凍機ケーシングと前記冷凍機ケーシ
   ングの前記第１ステージに凝縮器を熱的に結合させて、
   寒剤容器と配管で連結し、さらに前記寒剤容器と前記超
   電導導体を納めたガス容器とを熱的に接続し、また、前
   記冷凍機ケーシングの前記第２ステージに前記クライオ
   パネルを熱的に結合し前記冷凍機ケーシング、前記凝縮
   器、及び前記超電導導体を前記真空容器に納めたことを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の超電導装置。 ４、二段のステージを有する前記冷凍機とその冷凍機の
   寒冷部を高熱伝導性のガスで密閉してなる冷凍機ケーシ
   ングと前記超電導々体を冷やす寒剤容器とが納められて
   成る前記真空容器において前記冷凍機ケーシングの高温
   側に前記寒剤容器と配管で連結された凝縮器を備え、か
   つ前記冷凍機ケーシングの低温側に前記クライオパネル
   を熱的に結合したことを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の超電導装置。