(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導マグネットを用いて熱輻射による熱伝達が主となる高温溶融状態にある物質に磁場を印加する磁場発生装置用のクライオスタットにおいて、前記超電導マグネットを内蔵し超電導用冷媒を貯留する冷媒槽を包囲する断熱真空容器の共通の外殻を有し、該外殻の内部を前記高温溶融物質側の高温断熱領域と前記冷媒槽を含む超電導保持領域とに隔壁で区画すると共に２つの互いに独立した真空領域を構成し、前記高温断熱領域には前記高温溶融物質からの輻射熱を反射する輻射シールドを備えると共に該輻射シールドの表面にはスリットが設けられていることを特徴とする磁場発生装置用クライオスタット。 
【請求項２】
前記隔壁は前記冷媒槽のガス化した冷媒が流出するネックチューブの上部に熱的に繋げられ、蒸発した後の冷媒ガスによって前記高温断熱領域から漏れ出てくる熱量を奪うものである請求項１記載の磁場発生装置用クライオスタット。
【請求項３】
前記外殻の前記高温溶融物質から放射される輻射熱に晒される前記高温断熱領域の部位は耐熱材料である請求項１または２記載の磁場発生装置用クライオスタット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は溶融状態にある導電性物質に磁場を印加する装置の断熱構造に関する。さらに詳述すると、本発明は、超電導マグネットの電磁力を利用して非接触で溶融状態にある導電性物質例えば溶融金属などを撹拌したり静磁場を印加する磁場発生装置のクライオスタットの改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
溶融状態にある金属に電磁力を印加することは、結晶の均一化、成分濃度・温度の均一化、精錬速度の高速化、介在物の分離促進など、非常に多くのメリットがあることが知られている。例えば、金属の精製過程においては、強度や品質の向上を目的として添加物をできるだけ均一に金属に混ぜる必要があり、そのためには溶融金属を十分に撹拌しなければならない。この溶融状態の金属の撹拌が必要なことは、合金製造特に密度が大きく異なる合金成分を均一に混合する場合や、金属基粒子分散複合材料製造、金属中介在物の徹底的分離による超清浄金属素材製造、高精錬機能による高純度金属素材製造などの金属製造分野においても同様である。
【０００３】
一方、溶融金属を非接触で強力且つ均一に撹拌する技術としては、従来から、電磁力を利用した電磁撹拌装置が提案されている（特許文献１，２）。また、常伝導金属によるマグネットを用いた電磁攪拌装置によると、通電による発熱の影響などから、大電流を印加することができず、電磁攪拌に限界があることから、超電導マグネットを用いた電磁撹拌装置も提案されている（特許文献３）。
【０００４】
このとき、強い電磁力を加えるためには、溶融金属のなるべく近くにマグネットを配置する必要がある。溶融金属の近くにマグネットを配置できれば、同じ強さの磁界を得る場合のマグネットへの通電電流を小さくでき、省エネルギーとなると共に常伝導金属を用いたマグネット自体のジュール損失による発熱を抑えるための冷却構造の簡易化ができるなどの大きなメリットとなる。さらに、マグネットを小さくできれば設備コストも低減できる。
【０００５】
そこで、従来から、マグネットを溶融金属の近くに配置することが望まれているのではあるが、溶融状態の物質例えば金属の場合には１０００℃〜１５００℃程度の高温となるため、そのままでは輻射熱の影響を強く受けてマグネットを常温に保ちつつ接近させて設置することはできない。また、超電導マグネットを用いる場合にも、クライオスタットで室温との断熱は図られているものの、１０００℃〜１５００℃程度の高温においては液体ヘリウムに影響を与え超伝導状態を維持できなくなる虞があるので、高温金属へ接近させての電磁力印加は不可能である。ここで、高温熱源に対する断熱機構としては、溶融金属とマグネットとの間に磁界に影響を与えない耐火レンガや内部に微小空隙をもつセラミクス系断熱壁を介在させることにより断熱することが一般的である。また、特許文献３に示すように、超電導マグネットと冷媒を収容するタンクを二重壁構造として、その壁内部を真空とするかまたは断熱材を充填した断熱構造をとることもある。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２２０３２３号
【特許文献２】特開平６−１８２５１２号
【特許文献３】特開平１−１８１９５４号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、１０００℃〜１５００℃程度の高温では、耐火レンガなどの断熱壁の介在だけでは、材厚さが５ｃｍから１０ｃｍも必要になる。このように厚い断熱材ではマグネットは溶融金属から遠ざかってしまい、直径を大きくせざるを得ないため、マグネットの大型化・通電電流の増大という問題を伴う。
【０００８】
また、超電導マグネットと冷媒を収容するタンクを二重壁構造としてその二重壁の内側を真空領域とした断熱構造は、いわゆるクライオスタットとしての構造であり、室温との断熱を図るものであり、１０００℃〜１５００℃程度の高温となる溶融金属からの熱を遮蔽する機能は果たしていない。このため、溶融金属を収容する鋳型に対して十分な断熱効果が得られ程度に超電導マグネットと冷媒を収容するタンクは鋳型から離して配置せざるを得ない。このため、大きな電磁攪拌力を溶融金属に与えることができないものである。
【０００９】
本発明は断熱壁厚さを大幅に薄くして超電導マグネットを溶融金属に近づけて配置できる磁場発生装置用クライオスタットを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
かかる目的を達成するため、本発明は、超電導マグネットを用いて熱輻射による熱伝達が主となる高温溶融状態にある物質に磁場を印加する磁場発生装置用のクライオスタットにおいて、超電導マグネットを内蔵し超電導用冷媒を貯留する冷媒槽を包囲する断熱真空容器の共通の外殻を有し、該外殻の内部を高温溶融物質側の高温断熱領域と冷媒槽を含む超電導保持領域とに隔壁で区画すると共に２つの互いに独立した真空領域を構成し、高温断熱領域には高温溶融物質からの輻射熱を反射する輻射シールドを備えると共に該輻射シールドの表面にはスリットが設けられるようにしている。 
【００１１】
したがって、高温溶融状態にある物質から伝達される対流伝熱は高温断熱領域の真空断熱で遮断されると共に輻射熱は高温断熱領域の輻射シールドによって反射され外側の超電導保持領域へ伝達されない。さらに、輻射シールドで遮熱できずに高温断熱領域を貫通した輻射熱によって隔壁によって遮熱される。このことから、超電導マグネットを熱輻射による熱伝達が主となるような高温の溶融状態にある物質の近くに配置しても、高温溶融状態の物質からの熱によって、クエンチを起こすようなことはない。しかも、外殻の破損により断熱真空が破れた場合にも、高温断熱領域と超電導保持領域とは隔壁で区画されると共に互いに独立した真空領域を構成しているので、超電導マグネットを含む冷媒槽が急激に高温溶融物質からの高温に曝されたり、あるいは高温溶融物質側が冷媒によって急激に冷却され途中で凝固してしまいようなことがない。
【００１２】
さらに、輻射シールド等の金属面にはスリットが設けられているので、電磁攪拌力を生むための交流磁場変化による渦電流の発生がない。
【００１３】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の磁場発生装置用クライオスタットにおける隔壁が、冷媒槽のガス化した冷媒を流出させるネックチューブの上部に熱的に繋げられ、蒸発した後の冷媒ガスによって高温断熱領域から漏れ出てくる熱量を奪うようにしている。この場合、輻射シールドで遮熱できずに高温断熱領域を貫通した輻射熱によって隔壁が加熱されても、熱伝導によってネックチューブを流れる蒸発した後の冷媒ガスによって冷却され、隔壁がほぼ一定温度に保たれると共に、全体を室温あるいはそれ以下に保つように設けられている。
【００１４】
さらに、請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の磁場発生装置用クライオスタットにおいて、外殻の高温溶融物質から放射される輻射熱に晒される高温断熱領域の部位が耐熱材料であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明にかかる磁場発生装置用クライオスタットによれば、高温溶融状態にある物質からの熱を高温断熱領域の真空断熱と輻射シールドによって遮熱し、超電導保持領域へ伝達されないようにしているので、超電導マグネットを熱輻射による熱伝達が主となるような高温の溶融状態にある物質の近くに配置可能となる。さらに加えて、真空断熱を用いることで断熱壁厚さを大幅に薄くすることができる。したがって、超電導マグネットの直径を小さくすることができると共により低い電流で必要な磁場を発生させることができるか、若しくは同じ電流の場合にはより高い磁場を作れる。そして、磁場を印加しようとする対象の近くで高い磁場を低いエネルギーで作れることは、より大きな磁場あるいは電磁攪拌力を与えることができると共に、超電導マグネットの冷却も容易になる。
【００１６】
また、本発明によれば、大電流を印加でき、非常に大きな磁場あるいは攪拌磁界を印加することができるので、例えば従来混合できないような溶融金属の混合が可能になったり、密度差を利用した溶融金属の強力な分離に応用できる。
【００１７】
さらに、本発明によると、高温断熱領域と超電導保持領域とは隔壁で区画されると共に互いに独立した真空領域を構成しているので、何らかのトラブルがあってどちらか一方の真空が壊れても、その影響が直ちにもう一方の真空断熱性能を壊してしまうことが無く、双方に重大な被害を及ぼすことがない。例えば、外殻の破損により高温断熱領域の真空が破られても、超電導マグネットは超電導保持領域に護られているので急激に暖められて、マグネットがクエンチを起こしたり、高温に曝される心配がない。その反面、超電導保持領域の真空が破られても、高温溶融状態にある物質が存在する内方、例えば溶融金属を収容する容器側は、高温断熱領域の真空容器並びに輻射シールドで護られているので、高温溶融状態にある物質が急激に冷却されて流下途中で凝固してしまったり、容器内で固まったりして、高温溶融物質側のシステムに大きな被害が及ぶ恐れがない。即ち、急激なシステムダウンを起こさない。
【００１８】
しかも、本発明の磁場発生装置用クライオスタットによれば、２重の断熱構造により、超高温から極低温までの断熱を行なうことができる。
【００１９】
また、請求項２記載の発明にかかる磁場発生装置用クライオスタットによると、蒸発した後の冷媒ガスを利用して高温断熱領域から漏れ出てくる熱量を奪うようにしているので、高温溶融物質からの熱の影響を受けやすい高温断熱領域側の隔壁を室温あるいはそれ以下の温度でほぼ一定温度に保つことができ、超伝導状態を安定に保持できる。
【００２０】
さらに、請求項３記載の発明にかかる磁場発生装置用クライオスタットによれば、高温溶融物質から放射される輻射熱に晒されても、外殻が損傷することがない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の構成を図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００２２】
図１に本発明の磁場発生装置用クライオスタットの実施の一形態を示す。尚、本実施形態の磁場発生装置用クライオスタットは、超電導マグネットの電磁力を利用して非接触で溶融金属を撹拌させる回転磁場を印加する電磁撹拌装置に適用したものである。
【００２３】
この電磁撹拌装置用のクライオスタットは、共通の外殻１の内側に、高温断熱領域２と超電導保持領域３との２つの互いに独立した真空領域を隔壁４で区画して備えるものであり、超電導保持領域３に収容する超電導マグネットから発生させる磁場を、熱輻射による熱伝達が主となる高温溶融状態にある物質（本実施形態においては溶融金属であるが、特に溶融金属に限定されないため、場合によっては単に高温溶融物質とも呼ぶ）Ｗに高温断熱領域２を介して印加するように設けられている。尚、本実施形態のクライオスタットは、環状を成し、その中央の空間に熱伝達が主となる高温溶融状態にある物質例えば溶融金属Ｗを適宜容器を介してあるいはそのまま配置するようにして、溶融金属Ｗの周囲から磁場を印加するようにしたものであり、内壁側寄りに高温断熱領域２を、外壁寄りに超電導保持領域３を配置するようにしている。
【００２４】
超電導保持領域３には、超電導マグネット８を内蔵し超電導用冷媒例えば液体ヘリウム１４を貯留する冷媒槽１５を備える。この冷媒槽１５の周囲には、外殻１の外壁６並びに隔壁４を通して外部あるいは高温断熱領域２から放射される輻射熱を遮断する輻射シールド１１，１２が配置されている。この隔壁４より外側（溶融金属Ｗから離れる方向）にある超電導保持領域内の輻射シールド１１，１２は、蒸発ヘリウムガス１６が通過する冷媒槽１５のネックチューブ７にそれぞれ上端部分が接合され、排気管９から排気される前のヘリウムガスによって冷却されるように設けられている。冷たいヘリウムガスをそのまま捨てるのではなく、十分に利用することで、クライオスタットとしての断熱性をさらに改善している。
【００２５】
高温断熱領域２には、高温溶融物質たる溶融金属Ｗからの輻射熱を反射する輻射シールド１０を備える。この輻射シールド１０は、熱的にはどこにも繋ぐ必要は無く、その表面状態と相手側の表面温度のみで自身の温度が決まるものである。そこで、例えば図１に示すように、外殻１の適宜位置に接着等で接合され、機械的に吊り下げられるだけで足りる。尚、図示していないが、各輻射シールド１０の間には互いの間隔を保持するためのスペーサーが備えられる。
【００２６】
隔壁４は、外殻１の内側を高温断熱領域２と超電導保持領域３との２つの互いに独立した真空領域に区画するためのものであるが、同時にいずれか一方の領域の真空が破れた場合に他方の真空を維持する外壁としても機能することから、真空と大気圧（あるいはそれ以上）の圧力差に耐える機械的強度を持つように形成されている。さらに、超電導保持領域３に収容する超電導マグネットから発生させる磁場を、溶融金属Ｗに高温断熱領域２を介して印加するため、高温断熱領域２の構成要素の一部として非導電性であることが必要であると共に、軸方向の熱伝導率が大きいことが好ましい。この隔壁４は、超電導保持領域３への熱の侵入を外殻１の外壁６側のそれと少なくとも同じ程度とするために、室温程度あるいは室温より低い温度となるようにすることが望まれる。他方、隔壁４の中央部分には周辺よりも多くの溶融金属Ｗからの輻射熱が入ってくる。そこで、隔壁４の上端は、クライオスタット上部の鏡板（フランジ）１７に熱的にも接続してヘリウムガス１６で冷却可能として、熱伝導により全体を室温あるいはそれ以下に保つように設けられている。
【００２７】
ここで、クライオスタットの基本的構造は、詳細に図示していないが、円筒を何重にか同軸状に配置した胴部（壁部）と、その上下端面を鏡板（平板または曲面をもつお椀型のもの）で蓋をしたような構造とされている。そこで、交流磁場で渦電流が発生しない非導電性の構造材の中から、胴部並びに鏡板に環境温度に応じた適宜材料を選択して、それら材質に応じた接合手法によって組み合わせられ一体化される。このとき、高温溶融物質Ｗとして溶融金属を対象とする場合には、外殻１の高温断熱領域２の内壁５並びに鏡板１９は、1000℃〜1500℃の高温に晒される。他方、超電導保持領域３側の外壁６並びに鏡板１７，１８は室温に、また冷媒槽１５は室温からヘリウム温度に晒される。また、クライオスタットを真空容器として使用できる気密構造とする接合方法としては、Ｏリングやパッキンなどを用いる方法、金属同士であれば溶接、ガラスでは溶着などの手法が採られ、一般にＦＲＰ同士あるいは異種材料を接合する場合は接着等の方法が好ましい。Ｏリングやパッキンでは、ゴム系の材料のほかに、金属製のＯリングがある。また、インジウムなどの柔らかい金属をパッキング材料として使用する方法もある。ゴム製Ｏリングの場合には、使用温度範囲が−20℃から100℃くらいまでとなるが、接合面の面方向に機械的な自由度があり、熱応力を緩和するための変形を可能とする。さらに、インジウムシールは、ヘリウム温度から百数十℃まで使用でき、それ以外の金属Ｏリングはヘリウム温度から数百℃まで使用できる。これらは、ボルトで固定するだけなので、異種材料の接合にも適用できる。
【００２８】
そこで、外殻１は、高温断熱領域２と超電導保持領域３とでは異なる材質で構成されている。例えば、外殻１の高温断熱領域２の内壁５並びに鏡板１９は、石英ガラス、ジルコニア、炭化珪素、高純度アルミナなどの耐熱材料の使用が好ましく、1000℃までなら合成石英ガラスが用いられ、さらに1500℃程度にまで達すると高純度アルミナ、ジルコニア、窒化珪素などのセラミクスが使用可能である。他方、室温中におかれる外壁６並びに鏡板１７，１８については、石英ガラスやその他セラミックス系の材料の使用の必要性はなく、しかもこれら材料は高価であったり、工業材料として寸法が自由に選べなかったり、硬くて脆いという欠点もあることから、ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）の使用が適している。
【００２９】
さらに、隔壁４は室温程度以下に保つことがクライオスタットの熱的バランスにとって好ましいので、熱伝導のよい材料で構成し、上部のネックチューブ７に接合された部分から蒸発ヘリウムガスに抜熱されるように構成されている。同時にこの隔壁４は、高温断熱領域２の真空が破られる事故が発生したときなどに高温に曝される可能性があるので、高温断熱領域２で用いる材料例えば石英ガラスなどを用いることが好ましい。そこで、例えば石英ガラス製の円筒に、熱伝導性に優れる銅板を張りつけることによって構成されている。このとき、銅板は１枚の板で形成せずに、短冊状(縦ストライプ）に複数に分割して張りつけることにより、スリットを形成するように設けられている。勿論、高温断熱領域２の真空が破られる事故が発生しないかぎり、隔壁４は高温に晒されることはないので、成型しやすく安価なＦＲＰ製の筒とその表面に接着されるスリット付きの銅板あるいはスリットを構成するように隙間を空けてストライプ状に接着される短冊状の銅板によって構成するようにしても良い。
【００３０】
上述の外殻１を構成する各部材はその材質や求められる特性に応じた接合手法によって適宜接合されて一体化される。例えば、石英ガラス等から成る内壁５と鏡板１９については、溶着ないし接着で、外壁６と鏡板１７，１８については接着で一体化されている。さらに、石英ガラスなどで構成された内壁５の上端の鏡板１９とＦＲＰ製の外壁６の鏡板１７とは、接着により接合され一体化されると共に、内壁５の下端と外壁６の下端側鏡板１８とは、石英ガラスとＦＲＰとの熱膨張差による歪を逃がすために、ゴム製Ｏリング１３を介在させた機械的接合とされている。この位置は溶融金属Ｗを冷却して凝固させる水槽の近くなので、ゴム製Ｏリングの使用が可能である。また、冷媒槽１５にはＦＲＰなどの非導電性構造材料を用いる。尚、容器の接合手法においては、真空容器としての気密性が保たれ、場合によっては熱的接合が必要な所にはそれが補償されるのであれば、どのような接合手法を採用しても良いことは言うまでもない。例えば、交流マグネットからはやや遠い位置にある接合部においては、機械的強度などを考えてステンレスが最も好ましい。これに対して外壁６、隔壁４、内壁５の鏡板１７，１８，壁などが金属らリングやインジウムシールなどで接合される。なかでも、熱的に良く接合できる構造にする必要がある部位についてはインジウムシールなどを介した接合が適している。  
【００３１】
また、高温断熱領域２を包囲する面は輻射シールドを構成する反射率の高いものとされている。具体的には、高温断熱領域２を構成する内壁５及び隔壁４の表面並びに輻射シールド１０の表面は、輻射熱を超電導保持領域３側に伝えないようにするため、反射率の高い（輻射率の低い）状態に設けられている。輻射率は、低ければ低いほど良いが、例えば0.04程度にする。これら部材の表面の輻射率は、反射率の高い材料によって構成されるか、あるいは表面処理によって得られる。本実施例の場合、図２（Ａ），（Ｂ）に示すように、高温断熱領域２の輻射シールド１０並びに内壁５及び鏡板１９が石英ガラスなどの耐熱材料によって形成されているので、その表面に真空蒸着やメッキなどにより金属膜２０、２１を形成したり、金属箔の貼り付けなどにより金属の光沢面を得るようにしている。ただし、渦電流の発生が無いようにするため、金属の膜２０，２１にはスリット（縦の筋）を入れて電流パスを切るようにすることが必要である。このとき、溶融金属Ｗに近い位置例えば内壁５あるいは内壁５に最も近い輻射シールド１０では、真空容器中で表面から金属が勝手に飛び出して反対側に真空蒸着されてしまう虞があるので、融点の高い金属例えば白金などの高融点材料（温度が低くなるにつれて、金、銅、アルミといった材料）を使用することが好ましい。また、低温側となる超電導保持領域３に近い位置では、やや融点が低くても使えるので、輻射率の小さい材料を優先して選択することがコスト的に有利である。
【００３２】
以上のように構成された磁場発生装置用クライオスタットによれば、溶融金属Ｗから伝達される熱は、高温断熱領域２の真空断熱で対流伝熱が遮断されると共に輻射熱が高温断熱領域の輻射シールドによって反射され外側の超電導保持領域３へ伝達されない。さらに、輻射シールド１０で遮熱できずに高温断熱領域２を貫通した輻射熱は隔壁４によって遮熱される。このことから、超電導マグネットを熱輻射による熱伝達が主となるような高温の溶融状態にある物質の近くに配置しても、超電導保持領域３には室温程度あるいはそれ以下の低温として侵入するため、超電導状態が損なわれることがない。
【００３３】
次に、図３〜図７において、連続鋳造に実施した断熱構造の例を示す。実施の前提として、図３に示すように、システムの大凡の位置関係と寸法は、取鍋３０から落とされた溶融金属Ｗが冷却鋳造に入る途中に、断熱構造体３１とマグネット３２を配置する。この時の溶融金属Ｗの形状はブルーム、ビレット、スラブ、あるいは円筒形状であるが、本例では円筒形状とし、径として200ｍｍ程度、高温部分の縦方向の長さは300ｍｍ程度とする。
【００３４】
図４に示す例においては、高温金属Ｗから断熱した低温側に常伝導マグネットや液体ヘリウム保冷容器を配置するとして、低温側温度を100℃以下とすることを前提として検討した。この場合、低温壁面を空気などの強制対流で冷却して常伝導電磁石あるいは、極低温保冷容器を設置することを想定したものである。
【００３５】
本発明による断熱を使用することにより、従来は1000℃から100℃までを1000W/m2の通過熱量になるようにするためには、厚さが5から10ｃｍ必要になっていたものを、真空断熱壁を用いることにより熱輻射がおもな伝熱経路となる。1000℃（1273K）からの熱輻射量は完全黒体の場合150ｋW／ｍ2に達する。そこで、真空断熱壁の向かい合った面の表面に金属を蒸着するなどの方法で、輻射率を0.04程度にする。さらに真空中に壁を２枚設け、その表面も輻射率を0.04程度にする。これら対向した2面の輻射率の合成値は1／（1／0.04＋1／0.04）＝0.02となる。壁の数をNとすると、輻射量は1/（N+1）に減じることができる。したがって、（150K×0.02）／（2＋1）より、熱通過量を1000W/ｍ2に抑えることが可能となる。つまり、真空断熱壁の厚さは1ｃｍ程度で製作可能となる。
【００３６】
また、1500℃における断熱構造について検討する。1500℃からの熱輻射のエネルギーは、560ｋW／ｍ2に達する。これを低温側で1000W/m2に押さえるためには、真空中に配置する壁の数が10枚必要となる。壁の表面状態は前述と同じく0.02の輻射率とする。通過熱量は（560000×0.02）／（10+1）＝1018W／ｍ2と見積もられる。1000℃で真空断熱壁の厚さを10ｍｍと見積もったが、その内訳は、高温側壁厚さ4ｍｍ、低温側壁厚さ3ｍｍ、真空層の厚さ3ｍｍとした。これは3ｍｍ中に2枚の輻射断熱壁が配置されることになる。これから、1500℃で真空中に10枚の壁を配置する場合、真空層の厚さは13ｍｍ程度必要となり、全体で20ｍｍもあれば断熱が可能になると見積もれる。
【００３７】
図５に示す例においては、マグネットとして超電導マグネットを利用する場合のもので、高温金属(1000℃、1500℃)から直接液体ヘリウム温度まで断熱することを可能としたものである。
【００３８】
従来用いられている超電導磁石を内蔵した液体ヘリウム槽をもつクライオスタットは、真空断熱容器が用いられることが多いため、共通の真空領域をもつ一つの真空断熱容器とすることもできる。即ち、クライオスタットの室温側の壁と前項までの真空断熱壁の低温側の壁を共通とし、一つの高効率断熱容器とするのである。
【００３９】
高温側では数百キロW／ｍ2の輻射エネルギーがあるが、低温側すなわち液体ヘリウム側では、液体ヘリウムを保持するために数W／ｍ2程度の入熱とする必要がある。
これを実現するために、1000度の場合と1500℃の場合で実現性を示す。
【００４０】
1)1000℃の場合
図５に概念図を示す。真空層内に高温側(内側)から順に5枚の壁を設ける。さらにその外側に2枚の壁を設ける。その外側には超電導磁石を内蔵した液体ヘリウム溜めが配置される。最初の3枚は前項までに検討したものと同様に0.04以下の輻射率の表面状態とする。最後の2枚も同様の表面状態であるが、クラオスタットからヘリウムガスが蒸発して排出されるネックチューブのある適当な位置につながるように配置する。ネックチューブ内を流れる冷たいヘリウムガスはネックチューブの壁面を冷却し、さらにそこにつながった2枚の壁に入ってくる熱も奪う。壁をネックチューブに繋ぐ位置を決めれば、壁の温度は高温側から入ってくる熱量と奪われる熱量のバランスで決まる。最後の壁の温度を170K（-100℃）以下にすれば、ヘリウム槽に入る入熱は１W／ｍ2程度となる。さらにこの壁の内側にもう1枚の壁を設けたり、通常のクライオスタットでも用いる積層断熱材（スーパーインシュレーション）を設けるとさらに低熱侵入量となる。これは断熱厚さとのトレードオフとなるので、断熱容器設計上決定できる値である。
合計7枚の壁を真空層中に設ける場合では、高温側から液体ヘリウム槽の超電導磁石までの距離が25ｍｍ程度にできる。また、この場合に前項のような空気による強制対流による冷却などは必要無く、代わりにネックチューブにつながった2枚の壁の働きで数百W／ｍ2の熱量が蒸発するヘリウムガスにより除去できるので、システムとしてバランスする。
【００４１】
2)1500℃の場合
1000℃の場合と同様の考え方により、真空層中の壁の数が、17枚＋ネックチューブにつながった2枚という構成により実現可能である。このとき、高温側から超電導マグネットまでの距離は、40ｍｍ程度と見積もれる。
【００４２】
図６の例では、真空断熱層内に中間の真空壁を設けることにより、高温側と低温側を2つの真空領域に分けてしまうものである。
この壁は真空容器としての壁である。最初に検討した真空断熱壁の外側に別の真空容器であるクライオスタットを配置する案と前項の一つの真空容器としてしまう案の中間的構造となる。即ち両者の真中の2枚の壁が1枚となる。この壁の両側は真空であるが、共通の真空ではない。トラブルがあってどちらか一方の真空がこわれても、その影響が直ちにもう一方の真空断熱性能を壊してしまうことが無いので、双方に急激に重大な被害を及ぼすことがない。
【００４３】
このシステムに於いては、空気の強制対流による冷却は必要ない。この中間壁の温度は室温付近になるように設計しネックチューブの上部即ち室温付近につながることで、最終的に蒸発するヘリウムガスにより高温側から漏れ出てくる熱量を奪ってくれることになる。
この中間壁は1000℃の場合5枚の壁と2枚の壁の間に、1500℃の場合では、17枚の壁と2枚の壁の間に入る。この壁を設けることで、高温側から超電導マグネットまでの距離は、それが無い場合と比べて5mm程度増えることになる。
【００４４】
図７の例では、真空容器の形態をＴ型に形成したものである。容器上部では、装置外周がわに真空容器を張り出し、ここで距離を稼ぐことで壁を伝ってくる熱伝導を抑えることができる。図に予想される温度示す。石英ガラスなどは熱伝導が小さい材料なので、中心部で漏れてくる熱量の2割程度の熱伝達量に抑えることが可能である。下部は金属を凝固させるための冷却槽に近い位置まで伸ばして、Oリングシールとする。こちら側への熱伝達量も上部と同程度にすることができる。Oリングシール構造をとる理由は、軸方向の真空容器の熱応力ひずみを逃がすためである。容器の材質は熱膨張係数が大変小さい材料であるが、それでも内側の壁が熱膨張して容器内で熱応力が発生する。それを逃がす構造をとれば、容器のサーマルサイクルによる疲労破壊などを防ぐことができる。
【００４５】
上部の接合は、石英ガラスの場合は、通常のガラス細工技術とおなじ溶着で行うことができる。その他に高温に耐えるセラミックス系の接着剤で組み立てることが可能である。内部構造をすべて組み込んでから最後に上部の封止をするのが合理的である。真空排気は別に設けた真空排気ラインから行う。輻射シールド１０は、上部の厚板部分１０ａは低熱伝導率材料のポスト３５で容器４１に固定されています。輻射シールド１０の本体部分は厚板１０ａ部分にぶら下がるように取り付けられている。振れ止めとして低熱伝導率材料によるスペーサー３６が装着されている。これは両側に壁に強固に固定されているものではない。ポスト３５やスペーサー３６部分の熱伝導量は小さく抑えることが可能である。
【００４６】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば本実施形態では、電磁撹拌装置に適用した例を挙げて主に説明したが、超電導マグネットによる磁界を利用する技術でかつ極めて高い温度差を有する使用の場合には、その他の磁場発生装置に対しても適用可能である。例えば、磁場の利用技術としては、単結晶引き上げ装置において交流回転磁場を印加したり、連続鋳造において鋳型内の未凝固部の溶融金属に対して強力な撹拌を与えて結晶成長の制御を行うことを可能とする。等軸樹枝状晶を増し、最終凝固位置の溶質元素の偏析を多数の等軸晶間に分散することが可能となる。シリコン結晶成長の段階で、静磁場をかけて溶融シリコンの対流を止めるために超電導マグネットを使用する場合にも、本発明の断熱構造は適用できる。  
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明にかかる磁場発生装置用クライオスタットの一実施形態を示す縦断図である。
【図２】輻射シールドの一例を示す図で、（Ａ）は磁気シールド板を、（Ｂ）は隔壁の断面をそれぞれ示す。
【図３】磁場発生装置用クライオスタットの他の例を示す縦断図である。
【図４】磁場発生装置用クライオスタットの他の例を示す縦断図である。
【図５】磁場発生装置用クライオスタットの他の例を示す縦断図である。
【図６】磁場発生装置用クライオスタットの他の例を示す縦断図である。
【図７】磁場発生装置用クライオスタットの他の例を示す縦断図である。
【符号の説明】
【００４８】
１  外殻
２  高温断熱領域
３  超電導保持領域
４  隔壁
７  ネックチューブ
８  超電導マグネット
１０    輻射シールド（板）
１４  超電導冷媒（液体ヘリウム）  
１５  冷媒槽
１６  蒸発冷媒ガス
２０，２１  金属膜
【図１】
0004677313.tif 000002
【図２】
0004677313.tif 000003
【図３】
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【図７】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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