(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
強磁場を発生するが単体では物質浮揚に必要な強磁気力場を得ることができない主超電導コイルの中空部内の一端側に、前記主超電導コイルと逆方向の前記主超電導コイルよりも弱い磁場を発生する第一の補助超電導コイルと、前記主超電導コイルと同方向の前記主超電導コイルよりも弱い磁場を発生する第二の補助超電導コイルとを、前記第一の補助超電導コイルが主超電導コイルの端部側に位置するように同軸状に設置して、磁場勾配をきつくすることにより物質浮揚に必要な強磁気力場を得たことを特徴とする物質浮揚又は磁気分離用強磁気力場発生コイル。
【請求項２】
強磁場を発生するが単体では物質浮揚に必要な強磁気力場を得ることができない主超電導コイル内の一端側に、同軸状に、前記主超電導コイルと逆方向の前記主超電導コイルよりも弱い磁場を発生する補助超電導コイルを設けて、磁場勾配をきつくすることにより物質浮揚に必要な強磁気力場を得たことを特徴とする物質浮揚又は磁気分離用強磁気力場発生コイル。
【請求項３】
強磁場を発生するが単体では物質浮揚に必要な強磁気力場を得ることができない主超電導コイルの一端に、同一軸線上で隣接するように、前記主超電導コイルと逆方向の前記主超電導コイルよりも弱い磁場を発生する補助超電導コイルを設置して、磁場勾配をきつくすることにより物質浮揚に必要な強磁気力場を得たことを特徴とする物質浮揚又は磁気分離用強磁気力場発生コイル。
【請求項４】
第一の補助超電導コイル及び第二の補助超電導コイルの中空部内の、第一の補助超電導コイルと第二の補助超電導コイルの境目に、強磁性体リングを同軸状に設置したことを特徴とする請求項１記載の物質浮揚又は磁気分離用強磁気力場発生コイル。
【請求項５】
主超電導コイル及び補助超電導コイルの中空部内の、主超電導コイルと補助超電導コイルの境目に、強磁性体リングを同軸状に設置したことを特徴とする請求項２又は３記載の物質浮揚又は磁気分離用強磁気力場発生コイル。
【請求項６】
主超電導コイルの中空部内の補助超電導コイル付近に強磁性体盤を同軸状に設置したことを特徴とする請求項３記載の物質浮揚又は磁気分離用強磁気力場発生コイル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、物質に急磁場勾配の強磁場を加えることで、物質を重力に抗して浮揚させたり、物質をその磁気的性質に応じて分離したりするのに使用される強磁気力場発生コイルに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
磁場が物質に及ぼす力は、電磁気学によれば、磁場の強さＢとその位置における磁場勾配dB/dzの積Ｂ・dB/dzに比例する。ここでＢ・dB/dzを磁気力場と定義する。つまり磁場勾配dB/dzが重力の方向に存在する場合には、物質を重力に抗して磁気力で浮揚させることが可能である。
【０００３】
例えば水は反磁性物質であるが、図13に示すように中心磁場が20Ｔ程度の強磁場磁石１を軸線が重力方向を向くように配置すると、その上端開口部付近に水滴２を浮揚させることができる。これは、反磁性物質が磁場勾配が弱くなる方向に磁気力を受けることによるものである。
これに対し酸素などの常磁性物質３は、逆に強磁場磁石１の下端開口部付近でガラス管などの中で上方に押し上げられて浮揚する。これは、常磁性物質が磁場勾配が強くなる方向に磁気力を受けるからである。
【０００４】
このような方法で物質を浮揚させると、無重力と同じ状態が得られるため、宇宙空間で行うよりはるかに低いコストで、物質合成や結晶成長などを行うことができる。
従来、上記の方法で物質を浮揚させる場合は、ソレノイド型またはパンケーキ型の超電導コイル又はビッター型の常電導コイルを用い、その中空部の端部付近でＢ・dB/dzが最大となる所に物質を容器に入れて配置し、容器から物質を浮揚させるようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、例えば水（反磁性体）を重力に抗して浮揚させるには、1400Ｔ２/ｍ以上の磁気力場が必要である（本河光博：Proceedings of The First
Meeting on New Magnetic Science 1997 p.181）。これに対し、市販されている中心磁場10Ｔ級、中空部内径100mmの超電導コイル（販売価格最低約１千万円）では、最大磁気力場が中空部端部で450Ｔ２/ｍ程度である。したがって市販の一般的な強磁場コイルでは、1400Ｔ２/ｍ以上の磁気力場を得ることができない。
【０００６】
1400Ｔ２/ｍ以上の磁気力場を発生させるためには、中心磁場18Ｔ以上の超電導コイルが必要となる。このクラスの超電導コイルはすでに存在するが、国内でも数カ所に設置されているのみで、価格も上記10Ｔ級超電導コイルの数倍以上である。さらに20Ｔ級の超電導コイルになると、イニシャルコストが数億円、ランニングコストが１回の試験につき数百万円と高額である。このため物質浮揚の需要に対して、その実現は困難な状況にある。
【０００７】
本発明の目的は、このような問題点に鑑み、コストの安い物質浮揚又は磁気分離用強磁気力場発生コイルを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る物質浮揚又は磁気分離用強磁気力場発生コイルは、強磁場を発生するが単体では物質浮揚に必要な強磁気力場を得ることができない主超電導コイルの中空部内の一端側に、前記主超電導コイルと逆方向の前記主超電導コイルよりも弱い磁場を発生する第一の補助超電導コイルと、前記主超電導コイルと同方向の前記主超電導コイルよりも弱い磁場を発生する第二の補助超電導コイルとを、前記第一の補助超電導コイルが主超電導コイルの端部側に位置するように同軸状に設置して、磁場勾配をきつくすることにより物質浮揚に必要な強磁気力場を得たことを特徴とするものである（請求項１）。
このような構成にすると、第一と第二の補助超電導コイルの境目付近で磁場勾配dB/dzをきつくすることができるので、磁気力場Ｂ・dB/dzを強化することが可能となる。
【０００９】
また本発明は、強磁場を発生するが単体では物質浮揚に必要な強磁気力場を得ることができない主超電導コイル内の一端側に、同軸状に、前記主超電導コイルと逆方向の前記主超電導コイルよりも弱い磁場を発生する補助超電導コイルを設けて、磁場勾配をきつくすることにより物質浮揚に必要な強磁気力場を得た構成とすることもできる（請求項２）。
このような構成でも、補助超電導コイルの内端付近で、磁場勾配dB/dzをきつくすることができるので、磁気力場Ｂ・dB/dzを強化することが可能となる。
【００１０】
また本発明は、強磁場を発生するが単体では物質浮揚に必要な強磁気力場を得ることができない主超電導コイルの一端に、同一軸線上で隣接するように、前記主超電導コイルと逆方向の前記主超電導コイルよりも弱い磁場を発生する補助超電導コイルを設置して、磁場勾配をきつくすることにより物質浮揚に必要な強磁気力場を得た構成とすることもできる（請求項３）。
このような構成でも、主超電導コイルと補助超電導コイルの境目付近で、磁場勾配dB/dzをきつくすることができるので、磁気力場Ｂ・dB/dzを強化することが可能となる。
【００１１】
また本発明は、請求項１の発明において、第一の補助超電導コイル及び第二の補助超電導コイルの中空部内の、第一の補助超電導コイルと第二の補助超電導コイルの境目に、強磁性体リングを同軸状に設置した構成、請求項２又は３の発明において、主超電導コイル及び補助超電導コイルの中空部内の、主超電導コイルと補助超電導コイルの境目に、強磁性体リングを同軸状に設置した構成、或いは請求項３の発明において、主超電導コイルの中空部内の補助超電導コイル付近に強磁性体盤を同軸状に設置した構成とすることもできる（請求項４〜６）。
このようにすると、さらに磁場の強さBとその勾配dB/dzを大きくできるので、磁気力場Ｂ・dB/dzをより強化することが可能である。
【００１２】
本発明の強磁気力場発生コイルは、物質の浮揚又は混合物質の磁気分離に使用される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して詳細に説明する。
〔実施形態１〕
図１は請求項１の発明の一実施形態を示す。この物質浮揚又は磁気分離用強磁気力場発生コイル11は、強磁場を発生するソレノイド型の主超電導コイル12の中空部内の一端側に、２つのソレノイド型の補助超電導コイル13、14を設置したものである。主超電導コイル12は重力と同じ方向（逆方向の場合もある）の強磁場Ｂ１を発生する。これに対し主超電導コイル12の端部側に位置する第一の補助超電導コイル13は主超電導コイル12と逆方向の磁場Ｂ２を発生し、主超電導コイル12の中心部側に位置する第二の補助超電導コイル14は主超電導コイル12と同じ方向の磁場Ｂ３を発生する。なお15Ａは主超電導コイル12の巻枠、15Ｂは第一の補助超電導コイル13の巻枠、15Ｃは第二の補助超電導コイル14の巻枠である。
【００１４】
このように主超電導コイル12の中空部内の一端側に、互いに逆方向の磁場を発生する２つの補助超電導コイル13、14を設置すると、補助超電導コイル13、14の境目付近で磁場勾配dB/dzをきつくすることができるので、磁気力場を強化することが可能となる。
なお、主超電導コイル12および補助超電導コイル13、14は軸線方向に中空部を有するものであればよく、ソレノイド型以外にもパンケーキ型の超電導コイル等を用いることができる。
【００１５】
図２は図１の強磁気力場発生コイル11を使用した強磁気力場発生装置を示す。強磁気力場発生コイル11はクライオスタット16に収容され、液体ヘリウム17に浸漬されて超電導状態に保持される。クライオスタット16は、強磁気力場発生コイル11が収容される液体ヘリウム槽18と、内側の真空断熱層19と、液体窒素20の入った液体窒素槽21と、外側の真空断熱層22等とから構成されている。
【００１６】
図１の構成で、試作した強磁気力場発生コイル11の諸元は表１のとおりである。
【００１７】
【表１】
0003794535.tif 000002
【００１８】
この強磁気力場発生コイル11を図２のようにクライオスタット16に収容し、まず主超電導コイル12に230Ａを通電して、中心磁場10Ｔを発生させた。つぎに第一の補助超電導コイル13に磁場方向が主超電導コイル12と反対になるように、第二の補助超電導コイル14に磁場方向が主超電導コイル12と同じになるように、それぞれ160Ａを通電した。この結果、第一の補助超電導コイル13と第二の補助超電導コイル14の境目で、ほぼ1500Ｔ２/ｍの磁気力場を発生させることができた。このときの磁場の強さと磁気力場のプロファイルを図３に示す。図３において、主超電導コイル12の中心はｚ＝０mm、主超電導コイル12の一端はｚ＝125mm、補助超電導コイル13と14の境目はｚ＝65mmである。
【００１９】
これに対し、主超電導コイル12単体のときの磁気力場の最大値は、中空部の端部付近で450Ｔ２/ｍであった。したがって補助超電導コイル13、14を設置することにより、磁気力場Ｂ・dB/dzが大幅に増強されることが確認された。
【００２０】
また、図２のように強磁気力場発生コイル11を収容したクライオスタット６の中空部の上部からガラス細棒にて水を滴下したところ、補助超電導コイル13と14の境目付近で水滴を浮揚させることができた。
なお、この強磁気力場発生装置は、物質浮揚だけでなく、磁気分離にもそのまま使用することができる。すなわち、この装置の中空部に分離したい混合物質を通すと、それぞれの物質の磁気的性質に応じた磁気力が働くため、物質の分離が可能である。
【００２１】
〔実施形態２〕
図４は請求項２の発明の一実施形態を示す。この物質浮揚又は磁気分離用強磁気力場発生コイル11は、強磁場を発生するソレノイド型の主超電導コイル12を外周部12Ａと内周部12Ｂとに分け、内周部12Ｂの長さを外周部12Ａより短くし、内周部12Ｂの一端側に、それよりさらに短いソレノイド型の補助超電導コイル13を同軸状に組み込んだものである。主超電導コイル12の外周部12Ａと内周部12Ｂは重力と同じ方向（逆方向の場合もある）の強磁場Ｂ１を発生する。これに対し補助超電導コイル13は主超電導コイル12と逆方向の磁場Ｂ２を発生する。なお巻枠15は主超電導コイル12の内周部12Ｂと補助超電導コイル13とを仕切る中間フランジ部15ｆを有している。
【００２２】
このように主超電導コイル12の一端側に、主超電導コイル12と逆方向の磁場を発生する補助超電導コイル13を設けると、補助超電導コイル13の内端付近で磁場勾配dB/dzをきつくすることができるので、磁気力場を強化することが可能となる。この強磁気力場発生コイル11の場合も磁場および磁気力場のプロファイルは図３のようになる。
【００２３】
なお、主超電導コイル12および補助超電導コイル13は軸線方向に中空部を有するものであればよく、ソレノイド型以外にパンケーキ型の超電導コイルを用いることもできる。
【００２４】
図４の構成で、試作した強磁気力場発生コイル11の諸元は表２のとおりである。
【００２５】
【表２】
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【００２６】
この強磁気力場発生コイル11を実施形態１と同様にクライオスタット内に収容し、主超電導コイル12の外周部12Ａと内周部12Ｂに110Ａ通電し、補助超電導コイル13に500Ａ通電したところ、補助超電導コイル13の内端付近（フランジ部15ｆ付近）で、磁気力場の最大値がほぼ1400Ｔ２/ｍとなり、水滴を浮揚させることができた。
【００２７】
〔実施形態３〕
図５は請求項３の発明の一実施形態を示す。この物質浮揚又は磁気分離用強磁気力場発生コイル11は、強磁場Ｂ１を発生する主超電導コイル12の一端に、同一軸線上で隣接するように、主超電導コイル12と逆方向の磁場Ｂ２を発生する補助超電導コイル13を設置したものである。
【００２８】
このような構造でも、主超電導コイル12と補助超電導コイル13との境目付近で磁場勾配dB/dzをきつくすることができるので、磁気力場を強化することが可能となる。ちなみに図５に示す強磁気力場発生コイル11の磁場の強さＢ及び磁気力場Ｂ・dB/dzのプロファイルは図６のようになる。Ｂが最低になる位置が主超電導コイル12と補助超電導コイル13との境目である。
【００２９】
なおこの実施形態では巻枠15を、主超電導コイル12用のものと補助超電導コイル13用のものを一体のものとして形成したが、両者は別体のものでもよい。
また、主超電導コイル12および補助超電導コイル13は軸線方向に中空部を有するものであればよく、ソレノイド型以外にパンケーキ型の超電導コイルを用いることもできる。
【００３０】
〔実施形態４〕
図７は請求項３の発明の他の実施形態を示す。この物質浮揚又は磁気分離用強磁気力場発生コイル11は、図５の実施形態と同様、強磁場Ｂ１を発生する主超電導コイル12の一端に、同一軸線上で隣接するように、主超電導コイル12と逆方向の磁場Ｂ２を発生する補助超電導コイル13を設置したものであるが、図５の実施形態と異なる点は、(1) 主超電導コイル12の補助超電導コイル13側の内径及び補助超電導コイル13の主超電導コイル12側の内径を、主超電導コイル12の中間部の内径より大きくして、巻枠15の筒部の主超電導コイル12と補助超電導コイル13の境目に相当する部分の内径Ｄ２を主超電導コイル12の中間部に相当する部分の内径Ｄ１より大きくしたことと、(2) 補助超電導コイル13の外端側の内径を内端側（主超電導コイル12側）の内径より大きくして、巻枠15の筒部の補助超電導コイル13側の端部内面をテーパー状にしたこと、である。
【００３１】
図８は図７の強磁気力場発生コイル11をクライオスタット16に組み込んだ状態を示す。このクライオスタット16の中心の筒部は、強磁気力場発生コイル11の巻枠15の筒部に合わせて、主超電導コイル12と補助超電導コイル13の境目付近に相当する部分の内径が主超電導コイル12の中間部に相当する部分の内径より大きくなっており、かつ補助超電導コイル13の外端側の内面がテーパー状に拡径されている。このような構造にすると、強磁気力場を発生する部分の内容積を大きくできるので、物質浮揚等の各種実験がやりやすくなる。なおこのクライオスタット16は、内部が真空に引かれて真空断熱状態になっていて、冷凍機30で強磁気力場発生コイル11を冷却する方式である。冷凍機30は、強磁気力場発生コイル11に接触する部分が液体ヘリウム温度になっている。
【００３２】
〔実施形態５〕
図９は請求項４の発明の実施形態を示す。図９の物質浮揚又は磁気分離用強磁気力場発生コイル11は、図１に示した強磁気力場発生コイル11の第一の補助超電導コイル13と第二の補助超電導コイル１4の境目に強磁性体リング23を設置したものである。それ以外は図１の強磁気力場発生コイル11と同じであるので同一部分には同一符号を付してある。
【００３３】
〔実施形態６〕
図10は請求項５の発明の実施形態を示す。図10の物質浮揚又は磁気分離用強磁気力場発生コイル11は、図４に示した強磁気力場発生コイル11の主超電導コイル12の内周部12Ｂと補助超電導コイル13との境目に強磁性体リング23を設置したものである。それ以外は図４の強磁気力場発生コイル11と同じであるので同一部分には同一符号を付してある。
【００３４】
〔実施形態７〕
図11は請求項５の発明の他の実施形態を示す。図11の物質浮揚又は磁気分離用強磁気力場発生コイル11は、図５に示した強磁気力場発生コイル11の主超電導コイル12と補助超電導コイル13との境目に強磁性体リング23を設置したものである。それ以外は図５の強磁気力場発生コイル11と同じであるので同一部分には同一符号を付してある。
【００３５】
〔実施形態８〕
図12は請求項６の発明の実施形態を示す。図12の物質浮揚又は磁気分離用強磁気力場発生コイル11は、図５に示した強磁気力場発生コイル11の主超電導コイル12の中空部内の補助超電導コイル13付近に強磁性体盤24を設置したものである。それ以外は図５の強磁気力場発生コイル11と同じであるので同一部分には同一符号を付してある。
【００３６】
図９ないし図12のように強磁性体リング23又は強磁性体盤24を設けると、磁気力場Ｂ・dB/dzをさらに強化することが可能である。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、低価格の市販品レベルの主超電導コイルに、それよりさらに低価格な補助超電導コイルを組み合わせることにより、物質浮揚に必要な磁気力場を得ることができる。またこのような強い磁気力場が得られるため、物質をその磁気的性質に応じて分離するための磁気分離装置としても利用可能である。したがって本発明によれば、物質浮揚又は磁気分離用強磁気力場発生装置のコストを大幅に引き下げることができると共に、小型化も達成できるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る強磁気力場発生コイルの一実施形態を示す断面図。
【図２】  図１の強磁気力場発生コイルの使用状態を示す断面図。
【図３】  図１の強磁気力場発生コイルによって得られる磁場と磁気力場のプロファイルを示すグラフ。
【図４】  本発明に係る強磁気力場発生コイルの他の実施形態を示す断面図。
【図５】  本発明に係る強磁気力場発生コイルのさらに他の実施形態を示す断面図。
【図６】  図５の強磁気力場発生コイルによって得られる磁場と磁気力場のプロファイルを示すグラフ。
【図７】  本発明に係る強磁気力場発生コイルのさらに他の実施形態を示す断面図。
【図８】  図７の強磁気力場発生コイルをクライオスタットに組み込んだ状態を示す断面図。
【図９】  本発明に係る強磁気力場発生コイルのさらに他の実施形態を示す断面図。
【図１０】  本発明に係る強磁気力場発生コイルのさらに他の実施形態を示す断面図。
【図１１】  本発明に係る強磁気力場発生コイルのさらに他の実施形態を示す断面図。
【図１２】  本発明に係る強磁気力場発生コイルのさらに他の実施形態を示す断面図。
【図１３】  従来の物質浮揚用超電導コイルと物質の浮揚状態を示す説明図。
【符号の説明】
11：強磁気力場発生コイル
12：主超電導コイル
13：補助超電導コイル
14：補助超電導コイル
16：クライオスタット
23：強磁性体リング
24：強磁性体盤
【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】
0003794535.tif 000013
【図１１】
0003794535.tif 000014
【図１２】
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【図１３】
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