(57)【要約】【課題】着磁により磁束を捕捉して磁場を発生できる冷凍機一体型超電導バルク磁石において、操作性に優れた短尺の伸縮式冷凍機一体型超電導バルク磁石を提供すること。【解決手段】超電導バルク体と、これを超電導温度以下に冷却する冷凍機の冷却部とを内蔵した真空断熱容器と、冷凍機の低温冷却部と冷凍機の常温圧縮機部とを連通し冷凍作動ガスが流動する導管を、伸縮可能な導管で構造する。本構造により、超電導バルク体を外部の励磁用電磁石で着磁する際には、長尺にして冷凍機を励磁用電磁石の漏れ磁場の小さい箇所に配置し冷凍機の正常な冷却運転を担保し、着磁後、前記励磁用電磁石を消磁した後は、前記低温冷却部と前記常温圧縮機部とを連結する前記導管を縮めて、短尺な冷凍機一体型超電導バルク磁石に変形できる。【選択図】図１
2014102056.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部磁場により着磁される超電導体と、
該超電導体を冷却する冷凍機と
該冷凍機が、蓄冷材を内蔵した蓄冷器を有し、電動機器を有しない寒冷発生手段と、冷凍機の作動ガスを加圧する常温圧縮手段と、両手段間を連通し該作動ガスが流動する導管で構成され、
該超電導体および寒冷発生手段が真空断熱容器内に配置された冷凍機一体型超電導バルク磁石において、
前記導管が伸縮可能導管で構成され、
着磁後に前記真空断熱容器と前記常温圧縮手段との距離を短縮する支持手段で、
前記真空断熱容器と前記常温圧縮手段を支持した
ことを特徴とする伸縮式冷凍機一体型超電導バルク磁石。
【請求項２】
前記伸縮可能導管が伸縮可能な伸縮方向に対し角度を有して螺旋状に巻かれた導管で構成した
ことを特徴としている請求項１記載の伸縮式冷凍機一体型超電導バルク磁石。
【請求項３】
前記蓄冷材を外面に非電導性の被膜を有した金属製の蓄冷材で構成した
ことを特徴としている請求項１および請求項２記載の伸縮式冷凍機一体型超電導バルク磁石。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超電導バルク磁石に係り、とくに、超電導バルク体冷却部が伸縮自在な冷凍機一体型伸縮超電導バルク磁石に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の磁石の１つである、超電導バルク体を内蔵した超電導バルク磁石は、他の外部磁石の磁場を利用して着磁させる磁石であるが、この着磁された超電導バルク磁石は、磁性薬剤を患部に誘導する磁気的ドラッグ・デリバリー装置や磁性再生細胞を再生部位に誘導する磁性幹細胞誘導装置等に応用する開発が進められている。
【０００３】
特に、磁性幹細胞誘導装置では、例えば被検体のマウス等の小動物の軟骨欠損箇所に磁性幹細胞を正確に体外より磁気誘導できる医療機器の開発が進められており、特に磁石として強力な磁場を比較的狭い空間に発生できる小型の超電導バルク磁石の適用試行が実施されているが、小動物の体外に磁石を配置させる際、小型、短尺で、軽量で移動操作性に優れた超電導バルク磁石の提供が求められている。
【０００４】
従来の冷凍機一体型の超電導バルク磁石において、外部磁石により着磁された超電導バルク磁石を超電導温度に冷却維持しながら移動させるための構造が、特開２００５−５７２１８公（特許文献１）に開示されている。超電導温度に冷却維持して着磁した超電導バルク磁石を移動できる構造は、磁気力を利用して磁性物質を患部等の所定の位置に誘導する装置において、利用する磁場を所定の位置に作用させる上で、磁性物質移送の操作性を向上させる。
【０００５】
また、冷凍機の圧縮部と冷却ステージ部が短い小型冷凍機を使用した冷凍機一体型の超電導バルク磁石において、着磁のために、磁場に影響を受けやすい冷凍機冷却部と、着磁用電磁石の磁場中心に配置される超電導バルク体とを銅棒のような熱伝導体を介して熱的に連結した超電導バルク磁石構造が、「佐保典英、磯上尚志、西嶋規世、田中弘之、窪田  純、低温工学  ４６巻３号（２０１１）  ｐｐ１０２-１１０（非特許文献１）」の携帯型高温超電導バルク磁石構造として開示されており、軽量化された超電導バルク磁石は、利用する磁場を所定の位置に作用させる上で、その操作性を向上させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−５７２１８公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】佐保典英、磯上尚志、西嶋規世、田中弘之、窪田  純、低温工学  ４６巻３号（２０１１）  ｐｐ１０２-１１０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１では、着磁処理を行う際に、バルク超電導体を冷却する冷凍機（電動モータを内蔵）は、モータが停止しない外部着磁用磁石の漏れ磁場の約５０mT（ミリテスラ）以下の範囲の位置に配置する必要があり、外部着磁用磁石の磁場中心に配置する超電導バルク体と熱的に一体化した冷凍機の冷却ステージ部と、冷凍機内の蓄冷器の往復運動を制御する電動機を内蔵した冷凍機部の間に、長尺の寒冷発生用膨張シリンダーを有する比較的大型の冷凍機が必要であり、特許文献１の冷凍機一体型超電導バルク磁石は長尺、大型、重い磁石となり、操作性が低下する問題があった。
【０００９】
また、より小型の短尺の寒冷発生用膨張シリンダーを有した冷凍機を使用する場合には、着磁処理を行う際に、バルク超電導体を冷却する冷凍機（電動モータを内蔵）は、モータが停止しない外部着磁用磁石の漏れ磁場の約５０mT以下の範囲の位置に配置しなければならず、外部着磁用磁石の磁場中心に配置する超電導バルク体と冷凍機の膨張シリンダー先端部の冷却ステージの間を銅製等の熱伝導率が大きな熱伝導体で熱的に結合する非特許文献１の冷凍機一体型超電導バルク磁石の構造となり、長尺な磁石となって、操作性が低下する問題があった。
【００１０】
また、特許文献１および非特許文献１の冷凍機で使用されている蓄冷器内の銅網は、一般的に例えば銅網素線を編んだ銅網を積層した蓄冷材が使用されており、着磁用磁石の漏れ磁場内で冷凍機が運転されると、漏れ磁場内で蓄冷器が冷凍機冷却ステージ近傍で往復動するので、編み込まれて折り重なった銅線同士の接点部で導通した銅網全体に誘導電流が銅網面内の大きなループで流れる。
【００１１】
誘導電流が大きなループで流れると漏れ磁場に対して大きな反発力が発生し、蓄冷器１４の往復運動にブレーキ力となって作用する。
【００１２】
このブレーキ力によって、蓄冷器１４の移動の周期振幅が異常となり、所定の寒冷を発生できなくなり、超電導バルク体２の冷却温度が高くなり着磁の際の捕捉磁場が低減するため、漏れ磁場外に冷凍機を退避させる必要が有り、冷凍機一体型超電導バルク磁石は長尺な磁石となり、操作性が低下する問題があった。
【００１３】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、操作性に優れた短尺化できる伸縮式冷凍機一体型超電導バルク磁石を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前述の目的を達成するために、本発明は、超電導バルク体と、磁場の影響を受ける冷凍機間の距離を伸縮可能な構造にしたものである。
【００１５】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載の伸縮式冷凍機一体型超電導バルク磁石は、超電導バルク体と前記超電導バルク体を超電導温度以下に冷却する冷凍機の冷却部とを内蔵した真空断熱容器と、前記冷凍機の低温冷却部と冷凍機の常温圧縮機部とを連通する高圧の冷凍作動ガスを給排する導管で構成され、前記導管を伸縮可能な導管で構造を有したことを特徴としたものである。
【００１６】
本伸縮式冷凍機一体型超電導バルク磁石によれば、外部の着磁用磁石で着磁する際は長尺な冷凍機一体型超電導バルク磁石で行い、着磁後は短尺な冷凍機一体型超電導バルク磁石として提供することが可能となる。
【００１７】
請求項２に記載の伸縮式冷凍機一体型超電導バルク磁石は、前記伸縮可能導管を伸縮方向に螺旋状に巻かれた導管で構成したことを特徴としている。
【００１８】
本構成によれば、導管の肉厚を厚く構成できるので、冷凍機の作動ガスが高圧の場合であっても、良好な伸縮が可能となり、着磁後は短尺な冷凍機一体型超電導バルク磁石が提供可能となる。
【００１９】
請求項３に記載の伸縮式冷凍機一体型超電導バルク磁石は、冷凍機内の蓄冷器に使用される積層された蓄冷材の表面を、非電導性の膜で被覆したことを特徴としている。
【００２０】
本蓄冷材の構造によれば、磁場中で蓄冷器が往復運動する冷凍機運転時においても、磁場中を移動する蓄冷器の蓄冷材内に誘導電流が流れず、このため、この誘導電流によるブレーキ力が作用せず強い漏れ磁場中に冷却ステージ部があっても冷凍機の正常な運転が可能で、短尺な冷凍機一体型超電導バルク磁石が提供可能となる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、操作性に優れた短尺の伸縮式冷凍機一体型超電導バルク磁石を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１実施例の伸縮式冷凍機一体型超電導バルク磁石の着磁時の構成図である。
【図２】本発明の第１実施例の伸縮式冷凍機一体型超電導バルク磁石の着磁後の磁石の断面図を示す。
【図３】本発明の第２実施例で使用する蓄冷材の断面図を示す。
【実施例】
【００２３】
以下、本発明の複数の実施例について図を用いて説明する。各実施例の図における同一符号は同一物または相当物を示す。
【００２４】
[実施例１]
【００２５】
本発明の第１実施例の伸縮式冷凍機一体型超電導バルク磁石について、図１、図２を参照しながら、さらに具体的に説明する。図１は本発明の第１実施例の伸縮式冷凍機一体型超電導バルク磁石の着磁時の構成図、図２は着磁後の磁石の断面図を示す。
【００２６】
本実施例の伸縮式冷凍機一体型超電導バルク磁石１において、例えばY-Ba-Cu-O系の酸化物高温超電導体で製作されたディスク状の超電導バルク体２は補強熱伝導リング３を有しており、この酸化物高温超電導バルク体は冷凍機４の断熱膨張冷凍部５の非磁性の例えばステンレス製の冷却ステージ６と、熱伝導率が大きな例えば銅製の熱伝導体７で熱的に一体化され、これらは非磁性の例えばステンレス製の真空断熱容器８内に配置されている。
【００２７】
真空断熱容器８内は真空排気口９で、螺旋状の真空配管１０と連通し、真空弁５０を介して外部の真空ポンプ１１で真空排気される。
【００２８】
低温に冷却される補強熱伝導リング３は、常温の真空容器８の端部と一体化された非磁性で熱伝導率が小さい例えばエポキシ樹脂製の保持円筒体１０で支持固定されている。保持円筒体１０には通気口１２が設けられている。
【００２９】
断熱膨張冷凍部５内部は、断熱膨張の作動ガスである例えば高圧ヘリウムガスの寒冷の熱交換を行う、例えば非磁性で円盤状の被覆無しの銅線を編んだ銅網の蓄冷材１３を積層、内蔵した非磁性で熱伝導率が小さい材質の例えばエポキシ樹脂製の蓄冷器１４と、断熱膨張の作動ガス圧の差圧で紙面左右方向に移動する蓄冷器１４の作動ガス圧と蓄冷器１４位置との関係を最適化する自励振動用のコイルばね５１と、蓄冷器１４の低温・常温端に設けられ蓄冷器１４内に高低圧の作動ガスが流動する低温ガス連通孔１５と常温ガス連通孔１６で構成される。
【００３０】
断熱膨張冷凍部５には、真空断熱容器８内で螺旋状に巻かれた非磁性の例えばステンレス製や銅製の導管１７および大気空間で螺旋状に巻かれた導管１８を流動し、大気空間に配置された冷凍機の常温圧縮機部１９から導管１８を通じて、高低圧の作動ガスが周期的に供給、排気される。
【００３１】
常温圧縮機部１９には、図示していないが永久磁石と電磁石が内蔵され圧縮用のピストンを回転もしくは往復動して、作動ガスを吸引、圧縮している。
【００３２】
したがって、この常温圧縮機部１９を約５０mTを越える磁場中に置くと前記永久磁石に外乱の磁気力が作用し正常な作動ができなくなり、圧縮機としての機能が喪失する。
【００３３】
前記導管１７と導管１８は真空断熱容器８の常温壁２０内で連結導通し、大気側と真空側と気密隔離されている。
【００３４】
真空断熱容器８は、常温圧縮機部１９端部に一体化された支持円筒体２１の内部にスライド可能に支持され、所定の位置で支持円筒体２１端部に配置された締付けナット２２で内側方向に収縮されるゴム製の締付けリング２３で固定される。
【００３５】
冷凍機４の常温圧縮機部１９、支持円筒体２１はそれぞれ支持体２４，２５を介して支持台２６で固定支持され、空冷ファン２７は直接に支持台２６に固定支持されている。常温圧縮機部１９での発熱は、空冷ファン２７により室温の空気で冷却される。
【００３６】
冷凍機４の常温圧縮機部１９および空冷ファン２７は、電源ケーブル２８から給電される例えば直流電源で運転される。
【００３７】
冷凍機４の断熱膨張冷凍部５は、運転中振動するので、支持リング２９を介して支持円筒体１０から、円筒軸方向にはスライドでき、半径方向を最少の隙間で支持されている。
【００３８】
冷凍機４の断熱膨張冷凍部５の冷却ステージ６での寒冷発生過程を説明する。図１の蓄冷器１４の位置は、膨張寒冷発生空間３０で作動ガスが膨張した状態を示している。
【００３９】
次に、縮んだ状態のコイルばね５１が復元力で伸びて蓄冷器１４が紙面左方向に移動し、膨張寒冷発生空間３０の例えば圧力１MPaの作動ガスは、低温ガス連通孔１５から蓄冷器１４内の積層された銅網の蓄冷材１３と熱交換しながらほぼ常温に加温されて常温ガス連通孔１６から蓄冷器１４外に排出され、断熱膨張冷凍部作動ガス給排出孔３１、導管１７，１８を通じて吸引工程の常温圧縮機部１９に吸引される。
【００４０】
次に、常温圧縮機部１９が圧縮工程に進むと加圧圧縮され、空冷ファン２７で除熱さた圧力２MPaの高圧作動ガスが、導管１８、１７、給排気孔３１を通じて常温ガス連通孔１６から蓄冷器１４内に供給され、蓄冷材１３と熱交換しながら冷却されて低温ガス連通孔１５から狭くなった張寒冷発生空間３０に流入するとともに、伸びきった状態のコイルばね５１が復元力で縮み始め、蓄冷器１４内の高圧の作動ガスが膨張寒冷発生空間３０に流入しながら、コイルばね５１が縮きった、すなわち張寒冷発生空間３０が最大の状態になった状態で、常温圧縮機部１９が低圧状態の吸引工程になり、高圧の作動ガスした充満した空間が高圧から低圧に断熱膨張する。
【００４１】
この状態で説明のはじめの状態に戻る。この工程を連続的に繰り返し、冷却ステージ５が徐々に冷却され、冷凍機４の定常状態において超電導バルク体１は臨界温度以下に冷却される。
【００４２】
次に、超電導バルク体１の着磁方法について説明する。
【００４３】
臨界温度を超える温度状態の超電導バルク体２を、予め例えば５Tの磁場を発生している外部の高磁場に励磁された電磁石３１の磁場中心部に配置し、常伝導状態の超電導バルク体２内に、磁束を侵入させる。
【００４４】
ここで、着磁用の電磁石３１の漏れ磁場が約５０mT以下の磁場空間に常温圧縮機部１９が配置させるように、超電導バルク体２と常温圧縮機部１が図中距離Ｌｍ離れて設定され、これによって圧縮機は正常に運転可能となり圧縮機能を担保される。
【００４５】
次に、冷凍機４の常温圧縮機部１９および空冷ファン２７に電源ケーブル２８より給電され運転をスタートする。
【００４６】
冷凍機により超電導バルク体２が超電導臨界温度の例えば４０Kに到達し、冷凍機４が定常状態になった後、電磁石３１を消磁し、消磁の際に超電導バルク体２内の磁束が減少する際に発生した誘導電流を、電気抵抗がゼロの超電導状態の超電導バルク体２が維持し、侵入した磁束密度と同程度の磁場を捕捉する。
【００４７】
ここで、断熱膨張冷凍部５および円筒支持体１０はセットされた常温状態から低温状態に変化するので、常温部に固定された円筒支持体１０端部を基点として収縮するが、同様に常温部に固定された螺旋状の導管１７が伸縮することで、円筒軸方向の収縮力の拘束がなくなるので、断熱膨張冷凍部５内の蓄冷器１４が安定的に運転され、超電導バルク体２を安定的に低温に冷却保持できる。
【００４８】
この後、伸縮式冷凍機一体型超電導バルク磁石１を電磁石３１から抜き出す。超電導バルク体２の漏れ磁場範囲は狭く、図２に示すように距離Lsでの漏れ磁場は５０mT未満で、常温圧縮機部１９は正常に運転可能である。
【００４９】
次に、締付けナット２２を緩め、真空容器８を支持円筒体２１内にスライドさせ、超電導バルク体２と常温圧縮機部１９が図中距離Ｌsに縮め、締付けナット２２を締めて真空容器８を固定し、伸縮式冷凍機一体型超電導バルク磁石１を小型、短尺化する。この際、螺旋状の導管１８、真空配管１０は螺旋が縮んだ状態となる。真空弁５０は締め切られている。
【００５０】
本実施例では、着磁後の伸縮式冷凍機一体型超電導バルク磁石１を小型、短尺化できるので、磁石利用時において、操作性に優れた短尺の伸縮式冷凍機一体型超電導バルク磁石を提供できる効果がある。
【００５１】
なお、本実施例では導管１７，１８は螺旋状の直管の場合について説明したが、導管１７，１８が伸縮性のある金属ベロー管であっても、同様な効果が生じる。
【００５２】
[実施例２]
【００５３】
次に、本発明の第２実施例について図３を用いて説明する。図４は本発明の蓄冷器１４内に設置した蓄冷材１３の断面図を示す。
【００５４】
この第２実施例の蓄冷材１３では、銅網３２に非電導性の例えば薄肉のエナメル性の被覆膜３３を施した縦線３４と同様な材質の横線３５で編まれた銅網で構成されている。
【００５５】
蓄冷器１４は、着磁時は電磁石３１の大きな漏れ磁場中に、着磁後は着磁された超電導バルク体２の大きな漏れ磁場中で、往復動する。
【００５６】
この時、漏れ磁場は電磁石３１および超電導バルク体２に近づくに従って大きくなる傾斜磁場であり、傾斜磁場中を移動する際に、電導性の蓄冷材１３の銅線３２に誘導電流が発生する。
【００５７】
この誘導電流は非電導性の被覆３４により、縦線、横線で編込まれた銅線３２間に流れることがない。
【００５８】
したがって、本実施例では、この誘導電流はエナメル被覆膜３３により、縦線、横線で編込まれた銅線３２間に流れることがなく、誘導電流は直線状で線径が数分の１mmの銅線３２内のみに流れ、銅線３２経方向断面程度の非常に小さなループにしか成らず、ブレーキ力は非常に小さく、蓄冷器１４の往復運動に支障は無いので、冷凍機４は所定の寒冷を発生し、超電導バルク体２を安定的に冷却できる効果がある。
【００５９】
本実施例では、銅網の縦線、横線ともに被覆膜３４を施工していた場合について説明したが、いずれかの線のみに被覆膜３４を施工した場合についても、大きなループは発生せず同様な効果が生じる。
【００６０】
以上の実施例では、蓄冷材に金属の網を使用した場合について説明したが、蓄冷材が銅球や鉛球等の金属球であっても同様な効果が生じ、金属球に非伝導性の被膜を施工すれば、蓄冷器内の金属球群に大きなループの渦電流は発生せず、同様な効果が生じる。
【００６１】
また、以上の実施例では、超電導バルク体を着磁する際に外部電磁石の静磁場中で着磁するフィールドクール法で着磁する場合について説明したが、パルス状の変動磁場で着磁するパルス着磁法で着磁する場合においても、同様な効果が生じる。
【００６２】
また、以上の実施例では、冷凍機として蓄冷器が運転中に移動するギフォード・マクマホン型冷凍機、ソルベイ式冷凍機、スターリング式冷凍機を適用した場合について説明したが、蓄冷器が運転中に移動しないパルス管式冷凍機を適用すれば誘導電流は発生しないが、短尺化においては同様な効果が生じる。
【００６３】
また、以上の実施例では超電導バルク体２がＹ系の高温超電導バルク体である場合について説明したが、例えばGd系、Sｍ、Er系の高温超電導バルク材やMｇB2系の超電導バルク体であっても、同様な作用、効果が生じる。
【００６４】
以上、本発明になる伸縮式冷凍機一体型超電導バルク磁石によれば、操作性に優れた短尺の伸縮式冷凍機一体型超電導バルク磁石を提供することができる効果がある。
【符号の説明】
【００６５】
１…伸縮式冷凍機一体型超電導バルク磁石、２…超電導バルク体、３…補強熱伝導リング、４…冷凍機、５…断熱膨張冷凍部、６…冷却ステージ、７…熱伝導体、８…真空断熱容器、１０…保持円筒体、１３…蓄冷材、１４…蓄冷器、１７、１８…導管、１９…常温圧縮機部、２１…支持円筒体、２２…締付けナット、２３…締付けリング、２７…空冷ファン、３０…膨張寒冷発生空間、３１…電磁石、３２…銅網、３３…被覆膜、３４…縦線、３５…横線、５１…コイルばね
【図１】
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【図２】
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【図３】
2014102056.tif 000005