JPH06350144A - 超電導磁気シールド装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【構成】 酸化物高温超電導体で作製した円筒状もしく
は角筒状の超電導磁気シールド容器１と、それを格納し
た液体窒素を充填するための液体窒素容器３と、それを
収納し内部を真空断熱した真空断熱容器４とを備えたも
ので、前記磁気シールド容器が、上部で連通し下部にお
いて複数の内部空間に分割されていることを特徴とし、
この液体窒素容器は、液体窒素が最初に注入される第一
室と、そこが満杯となり溢れた液体窒素が流れ込む第二
室を少なくとも備え、順次溢れた液体窒素が流れ込む複
数の内部空間からなり、前記超電導磁気シールド容器は
液体窒素が最後に満たされる最終室に収納されてなる。 【効果】 簡単な構造で、冷却時の熱衝撃による亀裂の
発生を防ぎつつ容器を臨界温度以下に冷却する直接冷却
方式が実現でき、長時間の繰り返し使用や着脱にも耐久
性や冷却性能に何ら問題なく、かつ小型、軽量で操作性
も容易な超電導磁気シールド装置が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は超電導現象（磁束を排除
する）を利用して極微弱磁場空間を創出するための超電
導磁気シールド装置に関し、特に超電導体の臨界温度Ｔ
ｃが液体窒素温度を越える酸化物高温超電導体で構成さ
れた超電導磁気シールド容器を含む超電導磁気シールド
装置に係る。

【０００２】

【従来の技術およびその問題点】超電導体は電気抵抗ゼ
ロと完全反磁性の性質を利用すれば理想的な磁気シール
ド材料となることが知られている。最近発見された酸化
物高温超電導体、例えばＹ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系、Ｂｉ−
Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ系、Ｔｌ−Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ
系等は取扱いが容易で安価な液体窒素による冷却で超電
導状態となるため、磁気シールド材料として応用する研
究が盛んに行なわれている。しかし、数ｃｍ程度の小さ
い棒状もしくは円板状の酸化物高温超電導体を冷却する
には直接液体窒素中に浸漬する方法が簡便であるため一
般的に使用されているが、実用に適した大きさと形状を
もつ、例えば生体磁気計測用等の釣鐘状の内径１５ｃ
ｍ、深さ３０ｃｍ、厚さ１ｃｍの酸化物高温超電導体と
なると、直接液体窒素で冷却する方法の他に本発明者ら
が先に提案した液体窒素でセラミック粉（特願平１−２
６９８４７）もしくは従来例として第２図に示す（特願
平３−３３１３７２）ように熱伝達気体１９をまず冷却
し、これらを介して間接的にゆっくりと冷却する方法が
取られることが多い。

【０００３】従来は以上のように実用に適した大きさと
形状をもつ酸化物高温超電導体からなる超電導磁気シー
ルド容器の冷却には液体窒素による直接冷却か、セラミ
ック粉もしくは熱伝達気体を介した間接冷却の方法がと
られてきた。しかし、直接冷却の場合、酸化物高温超電
導体の熱伝達率が低いため、形状が複雑で大きくなる
と、液体窒素注入開始時の部分的な急冷により超電導磁
気シールド容器各部における熱収縮歪の割合が一様でな
くなり、熱衝撃が発生する。このため、酸化物高温超電
導体に亀裂の入ることが多く、実使用においては繰返し
冷却する場合が多いため、この点が大きな問題となって
いる。また、間接冷却の場合は、液体窒素を入れる容器
とは別にセラミック粉もしくは熱伝達気体を封入する容
器も必要となり、超電導磁気シールド装置全体の外形寸
法が大きく複雑となるという欠点と、セラミック粉の場
合は脆いため、超電導磁気シールド装置の組立分解時に
微粉化、飛散して装置のシール部を汚す等の取扱い上の
不便さや、超電導磁気シールド容器が大形化するのに伴
い使用量が嵩み、装置全体の重量が重くなるといった問
題があった。さらに、熱伝達気体の場合にも、液体窒素
温度（約７７Ｋ＝−１９６℃）における気密性の保持や
冷却前後での熱伝達気体の出し入れの必要性とそのため
の付属機器の接続といった製作上及び取扱い上での問題
があった。

【０００４】本発明は、これらの問題点を解決するた
め、液体窒素で直接冷却しても間接冷却時のようにゆっ
くりと超電導磁気シールド容器を冷却でき急冷による熱
衝撃の発生を防ぎ、かつ間接冷却の方法を取った場合必
然的に生じる装置の大形化や重量の増加及び製作上並び
に取扱い上の不便さを防ぐことのできる超電導磁気シー
ルド装置を提供することを目的とするものである。

【０００５】

【問題点を解決するための手段】本発明に係る超電導磁
気シールド装置は、酸化物高温超電導体で作製した円筒
状若しくは角筒状の超電導磁気シールド容器と、該超電
導磁気シールド容器を収納し液体窒素を充填するための
液体窒素容器と、該液体窒素容器を収納し内部を真空断
熱した真空断熱容器とを備えた超電導磁気シールド装置
において、前記液体窒素容器が、上部において連通し下
部において壁で仕切られた複数の内部空間に分割されて
いることを特徴とするものであり、この液体窒素容器
は、液体窒素が最初に注入される第一室と、第一室が満
杯となり上部連通部から溢れた液体窒素が流れ込む第二
室とを少なくとも備え、順次溢れた液体窒素が流れ込む
複数の内部空間からなり、前記超電導磁気シールド容器
は液体窒素が最後に満たされる最終室内に収納されてな
り、これにより前記問題点を解消したものである。

【０００６】本発明の作用について図を参照して説明す
る。図１（ａ）に示すように超電導磁気シールド容器１
は部分的に分割された内部空間室すなわち第一室２ａと
第二室ｂをもつ液体窒素容器３内の第二室２ｂに収納さ
れ、この液体窒素容器３はさらに真空断熱容器４内に収
納されている。なお、真空断熱容器４内は真空排気弁５
に接続された図示していない真空ポンプにより予め１×
１０マイナス３乗Ｔｏｒｒ以下に真空排気され真空断熱
状態となっている。

【０００７】以下、超電導磁気シールド容器１の冷却方
法について説明する。液体窒素は液体窒素注入口パイプ
６を通り液体窒素容器３内の第一室２ａにまず入る。こ
の時液体窒素が飛散し、まだ冷却されていない室温状態
の超電導磁気シールド容器１に直接かかるのを防ぐため
液体窒素注入口パイプ６は第一室２ａと第二室２ｂとを
分ける壁７の最も高い位置よりも下にくるように第一室
２ａ内に深く挿入されている。第一室２ａに溜り始めた
液体窒素は一部、周囲の熱を奪い蒸発窒素ガスとなり壁
７の最頂部を通り液体窒素容器３内の上方で連通されて
いる第二室２ｂへと入る。この蒸発窒素ガスは液体窒素
温度（約−１９６℃）より数℃から数＋℃高いのみのま
だ十分に冷却能力をもつ冷えたガスであり、かつ比重が
例えば温度が−１５０℃程度とすると１気圧状態で約３
ｋｇ／ｍ³となり、空気の例えば０℃、１気圧のときの
比重約１．３ｋｇ／ｍ³より重いため、第一室２ａ内の
空気を第二室２ｂの方へ追い出しながら底部より溜り、
さらに液体窒素の充填が続き、蒸発窒素ガスがやがて第
一室２ａを溢れ第二室２ｂへ入るようになると、先ほど
と同様に比重差から蒸発窒素ガスは第二室２ｂの下方へ
と向い、順次蒸発窒素排出口パイプ８から第二室２ｂ内
の空気を装置の外へ追い出しつつ、しかも超電導磁気シ
ールド容器１を冷却しながら底部より溜る。液体窒素容
器３内の空気が無くなるとやがて蒸発窒素ガスも蒸発窒
素排出口パイプ８から装置の外へ排出されるようにな
る。

【０００８】一方、超電導磁気シールド容器１はこの蒸
発窒素ガスによる冷却以外にも第１室２ａに溜った液体
窒素による液体窒素容器３の底部材料を介した固体伝熱
によっても下部より冷却される。これらの作用により、
超電導磁気シールド容器１は液体窒素に浸漬される前に
十分に冷却され、やがて液体窒素が第一室２ａを溢れ第
二室２ｂへ流入し超電導磁気シールド容器１を直接冷却
するようになっても液体窒素との間に大きな温度差を生
じることなく液体窒素温度まで冷却されていく。すなわ
ち室温から液体窒素温度への急激な冷却を避け、熱衝撃
による亀裂を発生させることなく酸化物高温超電導体を
液体窒素温度まで冷却でき超電導状態を発現させられ
る。以上、図１（ａ）の液体窒素容器が第一室と第二室
との二室に分割された例について説明したが、第三室、
第四室等を設けても良く、いずれの場合にも超電導磁気
シールド容器１は液体窒素が最後に満たされる最終室内
に収納されるようになっている。

【０００９】なお、冷却を止め室温に戻すときは液体窒
素容器３に侵入してくる空気により、まだ冷えている超
電導磁気シールド容器１の表面に氷もしくは水が付着し
て超電導特性を劣化させることのないように液体窒素注
入口パイプ６の先端には液体窒素の注入を止めた後、す
ぐに空気の新入を防ぐためのキャップ９が取り付けられ
るようになっている。同様に蒸発窒素排出口パイプ８の
先端には逆止弁１０が付いており外部からの空気の侵入
を防ぎつつ、冷却及び昇温のいずれの場合でも液体窒素
容器３内部に溜った余分な蒸発窒素ガスを外に逃し内部
の蒸発窒素ガス圧力を一定に保ち液体窒素容器３を保護
するようになっている。

【００１０】また万が一、液体窒素容器３内に水滴が発
生した場合でも超電導磁気シールド容器１に影響を与え
ないようにするため第二室２ｂの底部の最も低い部分に
は図１（ｂ）のように水溜り部１１を設け、さらに同図
の超電導磁気シールド容器１の下方端部と接触する部分
には水捌けと前述の冷却用の蒸発窒素ガス及び液体窒素
の循環を良くするために径方向に放射状に溝１２が何本
か掘られている。

【００１１】さらに、超電導磁気シールド容器１の着脱
を可能とするため、液体窒素により冷却される液体窒素
容器３の上端面は軟質金属をコーティングした金属製シ
ール１３、例えばインジウムコーティングの金属製オー
リングとボルト締結により取外し可能としてあり、同じ
く真空断熱容器４の上端面は真空断熱及び薄肉の金属製
パイプを通した伝熱のため、ほぼ室温となっておりゴム
製シール１４、例えばバイトン製オーリングとボルト締
結により取外し可能としてある。これにより超電導磁気
シールド１が取外し可能となる。

【００１２】以下に本発明の実施例を説明するが、本発
明はこれらに限定されるものではない。

【実施例１】酸化物高温超電導体からなる超電導磁気シ
ールド容器はビスマス系酸化物高温超電導体の粉末（Ｂ
ｉ−Ｐｂ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ）の冷間静水圧プレス
（ＣＩＰ）により成型体としたのち、焼成して製作し
た。この超電導磁気シールド容器の大きさは内径３２ｃ
ｍ、高さ６０ｃｍ、厚さ約２．５ｃｍであり、その重量
は約６０ｋｇであった。この超電導磁気シールド容器を
図１（ａ）に示すＡｌ合金、Ｃｕ合金及びオーステナイ
ト系ステンレス鋼から構成された超電導磁気シールド装
置に組み込み冷却した。この装置の寸法は外径５２ｃ
ｍ、高さ７５ｃｍの円筒状であり、重量は超電導磁気シ
ールド容器込みで２６０ｋｇであった。同じ目的で今回
と全く同じ材質で製作したが、Ｈｅガスを熱伝達気体と
した間接冷却方法を採用した超電導磁気シールド装置
（前述の特願平３−３３１３７２、図２）の場合より外
径で１０ｃｍ、重量で３０ｋｇの小形、軽量化が図れ、
かつ真空バルブと同パイプ、真空排気系、気密性保持の
ためのシール材及び冷却前後の熱伝達気体の充填と放出
の作業が不要となり、操作性が向上した。また液体窒素
による冷却過程における図１（ａ）の超電導磁気シール
ド容器の上部と下部の最大温度差を熱電対により測定し
たところ、最大で１６０℃であった。すなわち、本発明
による冷却方法により超電導磁気シールド容器は、液体
窒素に浸漬され液体窒素温度（約−１９６℃）レベルに
冷却される前に、蒸発窒素ガス及び液体窒素容器からの
固体伝熱により室温から約−３６℃まで予め冷却するこ
とができた。そしてこの温度差はセラミック粉や熱伝達
気体を用いた間接冷却時にも冷却開始直後に生じ得る値
であり、繰返し使用しても酸化物高温超電導体に熱衝撃
による割れは発生せず、また超電導磁気シールド容器表
面等に水の付着あとも見られず、実使用に十分耐えられ
るものであった。なお、冷却を開始してから定常状態に
冷却されるまで必要と下液体窒素の量は約４００リット
ルであり、時間にして約９時間かかった。

【００１３】その他詳述しないが、使用上の何らかの誤
動作で液体窒素容器内に空気が入り水が生じた場合を考
え、図１（ａ）の水溜り部１１の底部から同図の下方向
へ水排出用のドレイン管を予め設置しておき、超電導磁
気シールド容器が室温に戻ったあとドレイン管より溜っ
た水を外へ排出させることも可能であるし、あるいは積
極的にキャップ９を外し液体窒素注入口パイプ６から温
風機により５０〜６０℃の温風を吹き込み、水を蒸発さ
せてしまうことも可能である。

【００１４】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、簡単な
構造で、間接冷却方式と同じように冷却時の熱衝撃によ
る亀裂の発生を防ぎつつ超電導磁気シールド容器を臨界
温度以下に冷却する直接冷却方式が実現でき、長時間の
繰返し使用や着脱をしても耐久性や冷却性能に何ら問題
なく、かつ間接冷却方式の装置を比較して小形、軽量で
操作性も容易となる超電導磁気シールド装置が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１（ａ）】本発明に係る超電導磁気シールド容器の
一実施例を示す断面説明図である。

【図１（ｂ）】図１ａのｂ部拡大説明図である。

【図２】従来の超電導磁気シールド容器の断面説明図で
ある。

【符号の説明】

１ 超電導磁気シールド容器 ２ａ 液体窒素容器内の第１内部空間 ２ｂ 液体窒素容器内の第２内部空間 ３ 液体窒素容器 ４ 真空断熱容器 ５ 真空排気弁 ６ 液体窒素注入口パイプ ７ 壁 ８ 蒸発窒素排出口パイプ ９ キャップ １０ 逆止弁 １１ 水溜り部 １２ 溝 １３ａ〜ｄ 金属製シール １４ａ〜ｂ ゴム製シール １５ 熱伝達気体供給孔 １６ 真空排気孔 １７ 熱伝達気体 １８ 気体容器 １９ 液体窒素 ２０ 液体窒素注入口

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 酸化物高温超電導体で作製した円筒状若
   しくは角筒状の超電導磁気シールド容器と、該超電導磁
   気シールド容器を収納し液体窒素を充填するための液体
   窒素容器と、該液体窒素容器を収納し内部を真空断熱し
   た真空断熱容器とを備えた超電導磁気シールド装置にお
   いて、前記液体窒素容器が、上部において連通し下部に
   おいて壁で仕切られた複数の内部空間に分割されている
   ことを特徴とする超電導磁気シールド装置。
2. 【請求項２】 前記液体窒素容器が、液体窒素が最初に
   注入される第一室と、第一室が満杯となり上部連通部か
   ら溢れた液体窒素が流れ込む第二室とを少なくとも備
   え、順次溢れた液体窒素が流れ込む複数の内部空間から
   なり、前記超電導磁気シールド容器が液体窒素が最後に
   満たされる最終室内に収納された請求項１記載の超電導
   磁気シールド装置。