(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＮｂＴｉ線で形成されている超電導コイルを蓄冷式の極低温冷凍機で熱伝導部材を介して直接的に伝導冷却する超電導磁石装置において、前記極低温冷凍機が前記超伝導コイルの周囲に生ずる漏れ磁場中に配置され、前記極低温冷凍機中の最低冷却温度に達する蓄冷器の内部には蓄冷材として反強磁性材料で形成されている粒状粉が収納されていることを特徴とする超電導磁石装置。
【請求項２】
４Ｋ以下に冷却されるべき超電導コイルを蓄冷式の極低温冷凍機で熱伝導部材を介して直接的に伝導冷却する超電導磁石装置において、前記極低温冷凍機が前記超伝導コイルの周囲に生ずる漏れ磁場中に配置され、前記極低温冷凍機中の最低冷却温度に達する蓄冷器の内部には蓄冷材として反強磁性材料で形成されている粒状粉が収納されていることを特徴とする超電導磁石装置。
【請求項３】
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又は請求項２に記載の超電導磁石装置。
【請求項４】
前記超電導コイルが筒状の熱吸収部材内に配置され、この熱吸収部材が熱伝導部材に熱的に接続され、この熱伝導部材が前記極低温冷凍機中の最低冷却温度に達する最終段蓄冷器に熱的及び機械的に接続されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の超電導磁石装置。
【請求項５】
超電導コイルを蓄冷式の極低温冷凍機で直接的に伝導冷却する超電導磁石装置において、前記極低温冷凍機が前記超伝導コイルの周囲に生ずる漏れ磁場中に配置され、前記極低温冷凍機の中の最低冷却温度に達する蓄冷器の蓄冷材が磁性材で形成され、且つ、この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延びる軸線上に位置していることを特徴とする超電導磁石装置。
【請求項６】
前記超電導コイルが筒状の熱吸収部材内に配置され、この熱吸収部材が熱伝導部材に熱的に接続され、この熱伝導部材が前記極低温冷凍機中の最低冷却温度に達する最終段蓄冷器に熱的及び機械的に接続されていることを特徴とする請求項５に記載の超電導磁石装置。
【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Ｅｒ3 ＣｏとＥｒ0.9 Ｙｂ0.1 Ｎｉ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為に、この発明の超電導磁石装置では、ＮｂＴｉ線で形成されている超電導コイルを蓄冷式の極低温冷凍機で熱伝導部材を介して直接的に伝導冷却する超電導磁石装置において、前記極低温冷凍機が前記超伝導コイルの周囲に生ずる漏れ磁場中に配置され、前記極低温冷凍機中の最低冷却温度に達する蓄冷器の内部には蓄冷材として反強磁性材料で形成されている粒状粉が収納されていることを特徴としている。また、この発明の超電導磁石装置では、４Ｋ以下に冷却されるべき超電導コイルを蓄冷式の極低温冷凍機で熱伝導部材を介して直接的に伝導冷却する超電導磁石装置において、前記極低温冷凍機が前記超伝導コイルの周囲に生ずる漏れ磁場中に配置され、前記極低温冷凍機中の最低冷却温度に達する蓄冷器の内部には蓄冷材として反強磁性材料で形成されている粒状粉が収納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為に、この発明の超電導磁石装置では、超電導コイルを蓄冷式の極低温冷凍機で直接的に伝導冷却する超電導磁石装置において、前記極低温冷凍機が前記超伝導コイルの周囲に生ずる漏れ磁場中に配置され、前記極低温冷凍機の中の最低冷却温度に達する蓄冷器の蓄冷材が磁性材で形成され、且つ、この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延びる軸線上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ＴC （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、ＴC 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）ＴN が30K 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、Ｅｒ3 Ｎｉ（ＴN 〜6K），ＥｒＣｕ（ＴN 〜13K ），Ｈｏ2 Ａｌ（ＴN 〜15K ）などである。ネール温度ＴN 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、Ｅｒ3 Ｎｉ（〜135K），ＥｒＣｕ（〜200K），Ｈｏ2 Ａｌ（ＴN 〜150K）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，４ｂ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ＮｂＴｉ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３４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Ｈｏ2 Ａｌ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Ｅｒ3 Ｎｉ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、ＴC 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ＴC 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３９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３９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１１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ＧＭ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Ｅｒ3 Ｎｉと強磁性材料ＥｒＮｉおよびＥｒ3 Ｃｏ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６２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】
0003648265.tif 000002
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、ＧＭ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】
0003648265.tif 000003
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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