1D-a01

小型冷凍機 / 計測

希土類窒化物蓄冷材の GM 冷凍機蓄冷器内での配置の検討
Study on arrangement of rare earth nitride materials in regenerator of a GM cryocooler
宮内 隆至，小林 弘，正田 康平，中川 貴，山本 孝夫（阪大）; 増山 新二（大島商船高専）
MIYAUCHI Takayuki，KOBAYASHI Hiroshi, SHODA Kohei, NAKAGAWA Takashi, YAMAMOTO Takao（Osaka Univ.）;
MASUYAMA Shinji (Oshima National College)
E-mail: miyauchi-t@mit.eng.osaka-u.ac.jp

3．結果
想定した 0.1 W 型 GM 冷凍機の全長 10 cm の 2 段目蓄
冷器の高温端側には Pb が 6 cm、低温端側には HoCu2 が 4
cm 充填されている。まず Pb をそのままにして HoCu2 の充填部分を二種の窒化物に置き換え、最低温側に ErN を y
cm、Ho0.5Er0.5N または Ho0.75Er0.25N を 4-y cm 配置した場
合の計算結果を図 1 に示す。低温側に ErN を置くのは比熱のピーク位置が 4.58 K と 4 K に近く、二元系窒化物はより高温(Ho0.5Er0.5N :7.9 K、Ho0.75Er0.25N :11.0 K)にあるからである。比較のために Pb と HoCu2 を 6 cm と 4 cm に充填した場合の冷凍能力を水平線で表わし、Pb と ErN を 6
cm と 4 cm で充填した場合の冷凍能力を一点鎖線で示した。Ho0.5Er0.5N を用いた場合はどんな ErN 量(y)に於いても HoCu2 での冷凍能力を上回った。一方、Ho0.75Er0.25N を用いた場合は ErN 量が y=0.6 cm 以上であればそれを上回った。ErN 量を増やすと y = 2.5 cm までは冷凍能力は上昇
するが、それ以上では全部を ErN 置換した場合(y = 4 cm)の値に漸近しそれを上回ることはなかった。

参考文献
1. T.Nakano et al ： ErN and HoN spherical regenerator
materials for 4 K-GM Cryocooler.J.Appl.Phys.101.251908(2012)
2. T.Nakano et al : 4 K-GM Cryocooler Performance andThermal Conductivity of HoxEr1-xN. Proc.Res.Soc.Symp
1492, 53-58 (2013)

0.24
Cooling Power (W)

2．計算手法
窒化物試料(HoxEr1-xN, x=0, 0.5, 0.75)の三つの試料は Er
金属或いは Ho-Er 合金材を、高温高圧の窒素ガス内で窒化することで合成し、これらの比熱と熱伝導度を測定した。これらは既に報告している[1][2]。これらの材料を GM
冷凍機に様々な配置で充填した場合に得られる、4.2 K における冷凍能力や蓄冷器内の温度分布を米国 NIST が開発した REGEN3.3 コードを用いて計算した。上記の実測データに加えて計算条件として冷凍試験を実施した冷凍機（RDK-101D）の蓄冷器の形状寸法や He ガスの圧力や流量、周波数などを入力した。蓄冷材の条件としては、
粒径 200 μm の球材で空間充填率は 60 %とした。比較対象とした HoCu2 等の既存の蓄冷材の比熱と熱伝導度は、
REGEN3.3 のデータベースに登録された値を利用できるが、新規物質では登録されていないため我々の実測デー
タを数式化して組み込んだ。これらの計算により、複数の窒化物蓄冷材の配置や相対的量を変化させて冷凍能力を比較検討した。

次に、先と同じく高温端から Pb、Ho-Er の二元窒化物、ErNの順に配置し、相対的充填量を Pb: HoxEr1-xN：ErN=6:1.5:2.5としながら、蓄冷器の全長を 10 cm から短縮した時の冷凍能力を計算した。図 2 の結果が示すとおり、４K での冷凍能力を下げることなく蓄冷器を 6 cm まで短くすることが可能で、希土類窒化物の蓄冷材の充填量は 2.4 cm まで減らせることを見出した。

0.22

Ho0.5Er0.5N

Ho0.75Er0.25N

0.20

Pb:HoCu2=6:4
Pb:ErN=6:4

0.18
0.16
0.14
0.12
0

0.5

1

1.5
2
2.5
3
3.5
4
y (cm)
図 1 Cooling power at 4.2 K caluculated by varying
packing length of ErN in regenerator.

0.25
0.20
Cooling Power (W)

1．はじめに
リニアモーターや MRI に用いられる超伝導磁石は、液体 He を用いて 4.2 K 付近に冷却される。この低温を得るために現在、GM(Gifford-McMahon)冷凍機が多く用いられ、市販機には HoCu2 の蓄冷材が充填されている。より高い
冷凍効率を実現するには、HoCu2 の特性を超える蓄冷材の開発が望まれる。重要な特性である 4～15 K の温度域での比熱が HoCu2 より高い物質として、我々は Ho-Er の二元系窒化物(HoxEr1-xN)を見出している[1]。この組成 x により温度-比熱特性は連続的に変化する。試作した窒化物蓄
冷材を充填した GM 冷凍機の冷凍能力は、HoCu2 を用いた場合での冷凍能力に近いことを実測している[2]。本研
究では、x を変えた複数種の窒化物蓄冷材を蓄冷器内に配置することで、より冷凍能力を高めることができる可能性をシミュレーションを用いて検討した。

― 41 ―

0.15
0.10

Ho Er N
0.5 0.5
Ho Er N

0.05

ErN
HoCu

0.75

0.25

2

0.00
3

9
4
5
6
7
8
The length of the regenerator (cm)10

図 2 Cooling power at 4.2 K calculated by varying
total length of regenerator.

第89回

2014年度春季低温工学・超電導学会

1D-a02

小型冷凍機 / 計測

複動コンプレッサ型イナータンスチューブパルス管冷凍機
Inertane tube pulse tube refrigerator with double action compressor
朱 紹偉（同済大学）
ZHU Shaowei (Tongji University)
E-mail: swzhu(a)tongji.edu.cn

2．STRUCTURE
Figure 1 shows the schematic of the inertance tube pulse
tube refrigerator with double action compressor. The
compression space is connected to the after cooler, theexpansion space is connected to the warm end of the pulse tube.
The pressures in the compression space and the expansion
space are in phase if the pressure drop is not considered, so if
the compression space inputs work to the refrigerator, theexpansion space gets work. The inertance tube generates
standing wave for getting higher efficiency of the regenerator.

3

5

4

6

7

8

12000

16
14
12
10

4000
2000
0

8
6
4
2

0

0.05

0.1

0.15

0.2

25

Q

600

20

Efficiency

15

400

10
5
0

10
20
Swept volume ratio

00.25

Swept volume ratio

Figure 2a Work, enthalpy flow and work recover ratio

30

0

Figure 3 shows the PV diagrams of the compression spaceand expansion space at swept volume ratio 0.15. The
compression space inputs work, the expansion space gets work.
3.6

Compression
Expansion

3.4

Work recover ratio, %Work & enthalpy flow, W

18

30

800

9

14000

35

1000

10

3．NUMERICAL RSULTS
Figure 2 shows the compression work, input work,
expansion work，enthalpy flow of the pulse tube, work recoverratio, cooling power and efficiency vs. swept volume ratio of
the expansion space over the compression space with theinertance tube Φ30×1200 and working at 150Hz. There is an
optimum swept volume ratio 0.15 with which the efficiency
gets maximum. With the increasing of the swept volume ratio,
the recovered work increases. The work recover ratio at
optimum point is 14%.

6000

40

Figure 2b Coling power and efficiency

Pressure, MPa

Figure 1 schematic of inertance tube pulse tube refrigerator
with double action compressor
1. compression space
2. expansion space
3. after cooler
4. regenerator 5. cold head 6. pulse tube 7. cone
8. inertance tube 9. cone
10. buffer

Wc
W
We
Hpt
Ratio

1200

0

2

8000

45

200

1

10000

1400

Efficiency, %Cooling power, W

1．INTRODUCTION
There are several kinds of methods to recover the expansion
work of the pulse tube refrigerator, such as step piston,displacer, double piston. Here, a double acting compressor typein which a back compression space which is 180 degree phaseangle with a compression space is connected to the warm endof the pulse tube for recovering expansion work is discussed bynumerical simulation.

3.2
3
2.8
2.6
2.4

0

20

40

60

80

100

120

3

Volume, cm

Figure 3 PV diagrams
4．DISCUSSION
Like Stirling refrigerator, work recover type pulse tube
refrigerator also can work as a refrigerator, a heat pump, and anengine. If the swept volume ratio is smaller than thetemperature ratio, it works as a refrigerator or an engine. If theswept volume ratio is larger than the temperature ratio, itworks as a heat pump or a cold engine. The cold engine means
to use cooling source such as LNG to generate power. The
optimum swept volume ratio should be proportional to thetemperature ratio. This method may be more effective at higher
refrigeration temperature range because the expansion work
increases with the increasing of the refrigeration temperature.
5．CONCLUSION
Numerical simulation results show that the double action
compressor pulse tube refrigerator is a possible method torecover the expansion work to let pulse tube refrigerator
efficiency increase.
REFERENCE
1.
Shaowei Zhu, et al, Cryogenics 50(2010) pp320-330.
2.
朱紹偉, パルス管型蓄熱機関, 特開 2010-236744― 42 ―

第89回

2014年度春季低温工学・超電導学会

1D-a03

小型冷凍機 / 計測

小型 2K GM 冷凍機の研究開発

Development of compact 2K GM cryocoolers
許 名堯，包 乾，土屋 彰広，李 瑞 (住友重機械工業)
Xu Mingyao，BAO Qian, TSUCHIYA Akihiro, LI Rui(SHI)
E-mail: Mgy_Xu@shi.co.jp
1．はじめに当社の 4KGM(Gifford-McMahon)冷凍機は、MRI をはじめとする超伝導マグネットの冷却システムに広く使われている。
これらのシステムの許容度から、4KGM 冷凍機の小型化について徹底的に追及されてこなかった。
一 方 、 超 伝 導 単 一 光 子 検 出 シ ス テ ム SSPD
(Superconducting Single Photon Detector)[1]では、極低温冷凍機が主要な体積を占めているために、SSPD が高性能であるにも関わらず、半導体方式に比べてサイズが大きく
消費電力も大きいため、それが製品化、普及、及び利用用途拡大の制限要因となっていると考えられている。
そこで、当社は「光・量子情報通信用超伝導単一光子検出システムの小型化技術に関する研究開発」の一環として、2K 台の温度領域を維持できる、超伝導単一光子検出システム用の小型 2KGM 冷凍機の研究開発を行った。
本講演では、シリンダーの短縮化を中心に小型化について報告する。
2．シリンダーの短縮化
本研究では、膨張機の長さを現行機の 2/3 以下に小型化するための要素技術開発を行った。具体的には、4KGM
冷凍機における高効率化要素技術とシミュレーション手法[2]を活用し、新連結機構の開発及び熱交換器、蓄冷材
配合比の最適化を行い，シリンダーの短縮化を図った。
膨張機の短縮化結果は Table 1 に示す。Table 1 に示したよ
うに、1 段高温側シール構造とストロークの最適設計を行うことにより、シリンダーを 9 mm 程度短くすることができた。1 段蓄冷器の短縮化により、シリンダーを 28 mm
程度短くすることができた。1 段熱交換器の短縮化によって、シリンダーを 5 mm 程度短くすることができた。また、
新連結機構の開発を行った結果、シリンダーを 21 mm 短
縮化することが可能となった。次に、2 段蓄冷器の小型化については、蓄冷器温度プロファイルの改善及び蓄冷材の材質と充填配合比の最適化を行い、2 段冷凍性能の向上を狙い、シリンダーの小型化を狙った。結果、シリンダ
ーを 10 mm 短縮化することが可能となった。熱交換器長さの最適化及び流路構造の最適設計により、2 段熱交換部を 12 mm 程度短くすることができた。

今後、更なる小型化開発のために、駆動部の小型化も必要であると考えている。
謝辞
本研究成果は、独立行政法人情報通信研究機構（NICT）の委託研究（光・量子情報通信用超伝導単一光子検出シス
テムの小型化技術に関する研究開発）により得られたも
のです。
参考文献
1. S. Miki, T. Yamashita, M. Fujiwara, M. Sasaki and Z. Wang,
Optics Letters 35 (13) (2010) 2133-2135
2. M.Y. Xu and T. Morie, Cryocoolers 17 (2012) 253-259

Table 1. Length reduction of major components of the cylinder
Length Reduction
5 mm
4 mm
28 mm
5 mm
21 mm
10 mm
12 mm
85 mm

1st Warm-end
Stroke1st Regenerator
1st Heat Exchanger
Connecting Section
2nd Regeneratornd
2 Heat Exchanger
Total

Table 2. Measured results for a compact 2K GM cryocooler
1st Temperature with 1 W
2nd Temperature with 20 mW
Length Reduction of Expander
Comparing to the Existing
0.1W4K GM Cryocooler
Temperature Oscillation
Displacement

Object
60 K
2.3 K
33.3%

Measured Results
41.1 K
2.20 K
19% (Cylinder
Only)<±20 mK±20 mK

3．小型 2KGM 膨張機の実測結果
本研究で開発した小型 2KGM 膨張機の実測結果は Table
2 に示す。Table 2 に示したように、1 段冷凍能力は目標の 1 W@ 60 K に対し, 1 W @ 41.1 K が得られた。2 段冷凍能力は
目標の 20 mW @ 2.3 K に対し、20 mW @ 2.20 K が得られた。また、2 段ステージの温度変動幅は目標± 20 mK 以下に対し、ほぼ± 20 mK に抑えることができた。
従来の 0.1W4KGM 冷凍機のシリンダーと短縮化したシリンダーの写真を Fig. 1 に示す。以上に記した開発の結果、
世界最小の 4KGM 冷凍機のシリンダーをさらに 85mm 短尺化することができた。
4．まとめ
本研究ではシリンダーの短縮化を図った結果、膨張機
全長は現行機(RDK-101(住重))の 2/3 以下(33.3%短縮)とい
う目標に対して、19%の短縮化(現行機比)を実現したが、Fig.1 Schematics of a newly developed cylinder (right) and aconventional cylinder (left).

― 43 ―

第89回

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1D-a04

小型冷凍機 / 計測

小型 2K GM 冷凍機の実験性能検証

Experimental investigation of compact 2K GM cryocoolers
包 乾，土屋 彰広，許 名堯，李 瑞（住重）BAO Qian, TSUCHIYA Akihiro, XU Mingyao, LI Rui(SHI)
E-mail: qin_bao@shi.co.jp
1．はじめに超伝導単一光子検出システム SSPD(Superconducting
Single Photon Detector)[1]をはじめとする超伝導エレクトロニク
スのシステムにおいて、超伝導デバイスを超電導転移温度以下に冷やすだけでなく、信頼性の高いコンパクトな極低温冷凍機も求められている。しかし、市場には小型でかつ 4K 以下まで冷却できる冷凍機は投入されていない。そこで当社は「光・量子情報通信用超伝導単一光子検出システムの小型化技術に関する研究開発」の一環として、従来型の 4K
GM(Gifford-McMahon)冷凍機をベースにした新たな小型 2K
GM 冷凍機の開発を目指している。
本講演では、冷凍性能を中心に小型 2KGM 冷凍機の試
験結果について報告する。
2．冷凍性能試験の詳細
本システムの圧縮機は、当社製 CNA-11B 空冷式圧縮機
ユニットを採用した。50 Hz で安定運転時の消費電力は 1.2
kW、吐出圧力は 2.2~2.3 MPa（環境温度や、運転状況に応じて変化する）。膨張機シリンダー部分は 10-4 Pa~10-5 Pa の真空環境に保たれ、Fig.1 で示すように 2 種類の温度センサーで各部分の温度のモニタリングを行った。1 段ステージの到達温度
は 30 K 以上であると想定されるため、PtCo 抵抗センサーを採用し、2 段温度のモニタリングは 2 K 付近で測定信頼性が優れている CERNOX センサーを採用した。

Fig.2 Temperature load-map

Fig.3 Temperature oscillation on 2nd stage

Fig.1 Temperature sensor arrangement
3．冷凍性能試験の結果
現行機（0.1 W 4 K GM 冷凍機、RDK-101 当社製）と比
べ、シリンダー長さを 2/3 以下に短縮したと同時に、冷凍能力を確保するためのいくつかの要素技術開発を行った。
例えば、シリンダー肉厚最適化、2 段蓄冷材の最適化、及び新連結機構の設計などが挙げられる。
冷凍性能を評価するため、1 段ステージに 0~4 W、2 段ス
テージに 0~0.1 W の熱負荷を与え、安定到達温度を測定した。
その結果を Fig.2 に示す。完全無負荷状態で 2 段ステージの到達温度は 2.2 K 以下となり、1 段と 2 段に 4 W/40 mW を与える場合も 2.6 K 以下の温度が得られた。
Fig.3 に典型的な 2 段ステージ温度変動を示す。温度変動は±21mK 以内に抑制されている。

4．まとめ
新たに開発された小型 2K GM 冷凍機の性能を実験で検証した。性能測定を行った結果、目標の冷凍能力 1 段 1 W@ 60 K、2 段 20 mW @ 2.3 K を上回る性能を達成した。
今後、ロードマップの熱負荷特性に基づく、更なる小型化の開発を継続的に行う。
5．謝辞
本研究成果は、独立行政法人情報通信研究機構（NICT）の委託研究（光・量子情報通信用超伝導単一光子検出シ
ステムの小型化技術に関する研究開発）により得られた
ものです。
参考文献
1. National Institute of Information and Communications
Technology: KARC FRONT, Vol. 24 (2012) p.11

― 44 ―

第89回

2014年度春季低温工学・超電導学会

1D-a05

小型冷凍機 / 計測

低温下における捻じり振子測定法を用いたパラジウム中水素の量子現象の探査
Study of quantum phenomena PdHx system by torsional oscillator technique
北尾 啓祐， 榎本 剣(新潟大自); 原田 修治(新潟大工); 久保田 実（芝浦工大）
KITAO Keisuke， ENOMOTO Ken; HARADA Shuji (Niigata univ.); KUBOTA Minoru (Shibaura Institute of Technology)
E-mail: f13b013g@mail.cc.niigata-u.ac.jp

1.はじめに0∆ IPdH / IPd

0 10

-5

-2 10

○ PdH0.73
PdH0.70-5
PdH0.66-4 10
PdH0.58△
PdH0.76-5-6 10
PdH0.70
PdH0.66-5
PdH0.63
-8 10
0
20
40
60
80 100 120
Temperature, T/K
Fig.1 Temperature dependence of the inertia momentof PdHx systems[4].

Resonance frequency, f / Hz

2.新型 TO 装置の製作
新潟大学で TO 装置による研究を行うために，東京大学物性研究所の久保田研究室の TO 装置を模範として，改良を加えた TO 装置を作製した。一般的に TO セルは剛性率が高い
BeCu 合金を用いて製作されることが多い。我々は，加工時も安全であるアルミ合金 A5056 を採用し，加工後には剛性率を上昇させるために熱処理を加えた。A5056 は Al-Mg 系合金の一つであり，低温下においては一部のジュラルミン系合金を上回る Q 値を示すことが報告されている[3]。A5056 を採用して作製した TO セルの Q 値の温度依存性を測定したところ，
60K 以下の温度領域において先行実験で用いられた BeCu
製の TO セルの値を最大 2.5 倍上回る結果を示した[Fig.2]。
今回は新しく製作したアルミ合金製 TO セルの構築と評価を中心に発表する。

-5

2 10

595.5

Quality factor

2 106

frequency(Hz)595

1.5 106
594.5
1 106

594
593.5

5 105

Quality factor

水素は金属中で高い拡散係数を示し，それは水素原子単体の量子効果に依るものだとされている。パラジウム(Pd)は，水素原子(H)を格子間に吸蔵し，H の密度は固体水素分子の密度よりも高密度となる。Pd 中の H の電子状態は電気的に中性に近い状態で存在することから，量子統計の観点からボーズ粒子と考えられる。しかも PdHx 系ではこの原子状 H が占める O サイトに空孔が出来，大きな飛び移り確率が考えられる。
従って，低温下において高密度状態の水素原子には巨視的な量子現象が期待できる。我々のグループでは PdH 系の全系にわたる知見を得るために高精度比熱測定を行い，50K 異
常に相当すると考えられるシャープな比熱ピークを観測した。
水素化に伴う余剰比熱のエントロピーはこの現象において Hの配置に関わる規則不規則転移とは異なる自由度の存在を示唆した[1]。これらの解明のために水素の運動状態の情報を得 る こ と が で き る 高 感 度 捻 じ り 振 り 子 測 定 法 （ Torsional
Oscillator 以下 TO）による研究を東京大学物性研究所久保田研究室との共同で行ってきた。[1, 2, 4]
He の超流動実験に用いられている TO の Q 値は極めて高く，試料の微量な慣性モーメントの変化を共振周波数の変化から観測できる。このことから，TO 測定法は試料の有効質量の変化を観測できる手法である。Fig.1 に土沼による PdHx 試料の慣性モーメントの結果を示す[2]。プロット○は試料の共振周波数から算出した慣性モーメントの変化である。プロット△は格子の熱膨張に伴う慣性モーメントの変化である。50K 近傍
広い範囲において，PdHx 試料の慣性モーメントが減少していることが窺える。この先行実験においての慣性モーメントの減
少は Pd 中の H の巨視的な量子協力現象であると示唆され，この現象を詳しく調べるために更なる実験が求められる。手法
としては，量子統計性の異なる重水素（D）を吸蔵させた PdDxについても PdHx と同様の測定を行い，Pd 中の D の振る舞いを調べることが必要である。今回はこの PdD 系試料の測定を目標として測定系の準備を行ってきた。

593
592.5
0

10

20

30

40

50

60

Temperature, T / K

070

Fig.2 Quality factor and resonance frequency ofthe present TO cell made of A5056.
参考文献
1. H.Araki， M.Nakamura， S.Harada， M.Kubota J. Low
Temp.Phys Vol. 134(2004)1145-1151.
2. S.Harada, et. al. J Low Temp Phys Vol.162 (2011)724-732.
3. T.Suzuki, et. al. Physics Letters Vol.67A (1978)2-4.
4. T.Donuma : Mr. Thesis, Graduate School of Sci. & Tech.,
Niigata Univ., 2010.

― 45 ―

第89回

2014年度春季低温工学・超電導学会

1D-a06

小型冷凍機 / 計測

液体水素の海上輸送を実現するための基盤技術の開発－MgB2 液面センサーを中心として－Research on basic technology to realize cryogenic marine transportation of liquid hydrogen- Main focus on superconducting MgB2 liquid level sensor 安井 亮太，前川 一真，井上 雄貴，武田 実（神戸大学）；松野 優，藤川 静一（岩谷産業）；黒田 恒生，熊倉 浩明（NIMS）
YASUI Ryota, MAEKAWA Kazuma, INOUE Yuki, TAKEDA Minoru (Kobe Univ.);
MATSUNO Yu, FUJIKAWA Shizuichi (Iwatani Corp.); KURODA Tsuneo, KUMAKURA Hiroaki (NIMS)
E-mail: takeda@maritime.kobe-u.ac.jp
1．はじめに地球温暖化や深刻なエネルギー問題に直面する中 で 、再生可能エネルギーが注目されており、それらの二次エネルギーとして水素に変換する方法が注目されている。
水素を大量に貯蔵・輸送する場合、気体水素の約 800 倍の密度となる液体水素（沸点 20 K）にすることが望ましい。この液体水素を貯蔵・輸送するには、液量を正確に管理するための高精度の液面計が必要となる。そこで、
本研究室では液体水素用液面計の開発を目標として、電気抵抗式の外部加熱型超伝導 MgB2（二ホウ化マグネシウ
ム）液面センサーの研究[1]を行ってきた。超伝導液面センサーの出力信号は微弱なため、特殊な高精度測定器が必要となる。これを使用せず、汎用性の高い測定器を用いるには、測定電流を増加させることが望ましい。しかし、測定電流を変化させることにより外部加熱型 MgB2
液面センサーの静的液面検知特性が変わるかどうか明らかにされていない。そこで、外部加熱型 MgB2 液面センサ
ーの静的液面検知特性の測定電流依存性を実験的に調べることを本研究の第一の目的とする。
一方、液体水素タンク内部の温度分布を知ることは、
液体水素を移送する際の蒸発量を減らす観点から重要である。そこで、液面計として用いている MgB2 液面センサ
ーの部分抵抗を測定することで、注目した部分の温度を測定できると考えて、実際に温度計測が可能であるかどうかを実験的に調べることを本研究の第二の目的とする。
さらに、今後液体水素を海上輸送する際の基礎データ取得のために、液体水素の液面・液体水素タンク内部の温度分布・液体水素タンクにかかる加速度・液体水素タン
ク内部の圧力計測を同時に行える測定システムを構築することを本研究の第三の目的とする。
2．測定システムと測定方法
Fig.1 に本研究の基本的な測定システムの概略図を示す。静的液面検知特性の測定では、クライオスタットについている窓からクライオスタット内部のスケールを用いて液面位置（0 mm～140 mm）を直接読み取り、4 端子法に基づき、MgB2 液面センサーの測定電流を 10 mA から
100 mA まで 10 mA ごと変化させて、その時の出力電圧をナノボルトメーターで測定した。また、熱起電力の影響をなくすために、測定電流を反転させて平均を取った。
次に、温度分布計測の測定では、測定電流 100 mA を
MgB2 線材に印加し、クライオスタット内部のプローブに取り付けられた熱電対温度計と MgB2 線材の出力電圧（熱電対温度計の上下約 5 mm の所にはんだ付けにて接続した、電圧測定用のタップ間の出力電圧）をデータロガーにて測定した。測定では、クライオスタット内部の温度を変化させた。なお、クライオスタット内部を温度変化させるために、液体水素、液体ヘリウムおよび液体窒素を用いた。Fig.2 にクライオスタット外部の測定システムを示す。同時計測では、液体水素をクライオスタット内部に入れた後、測定電流 100 mA を MgB2 液面センサーに

Fig.1 Schematic diagram of measurement system inside of thecryostat.

Fig.2 Schematic diagram of measurement system outside of
the cryostat.
印加し、同センサーの外部ヒーター入力値を 3 W に設定した。この時の MgB2 液面センサーの出力電圧と温度分布計測時に用いたタップ間の出力電圧をデータロガーで同時に計測した。また、加速度計および圧力計の出力電圧
もデータロガーにて同時に計測した。すべての計測は、停泊中の練習船深江丸の船上で行った。
3．実験結果MgB2 液面センサーは、近似直線に着目すると測定電流に依存せず、一方、出力電圧が 0 mV になる値を液面長さ200 mm で割った有効液面検知長さの割合に着目すると測定電流に依存していた。また、MgB2 線材を用いた温度分
布計測は 77 K～200 K において温度誤差約 10 K で測定可能であることが分かった。さらに、同時計測については、
加速度、圧力の計測に加えて、必要な時に液面計測を行い、それ以外の時では温度分布計測を行うシステムが構築できたと言える。
謝辞
本研究の一部に対して、科研費基盤研究A（24246143）の援助を受けました。ここに謝意を表します。
参考文献
1. K. Maekawa, et al.: Proceedings of ICEC24-ICMC2012(2013) pp. 59-62.

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第89回

2014年度春季低温工学・超電導学会

1D-p01

不純物排除

ネオジム磁石を内蔵した回転ドラム型磁気分離装置による磁化活性汚泥の連続分離
Continuous Separation of Magnetic Activated Sludge by Rotation Drum Type Magnetic Separator
Using Neodymium Magnet
酒井 康平, 酒井 保藏 （宇都宮大）; 中岡 潤一, 弓場 誠 (NEOMAX エンジニアリング㈱)SAKAI Kohei, SAKAI Yasuzo (Utsunomiya Univ.); NAKAOKA Junichi, YUNBA Makoto (NEOMAX Engineering)E-mail: sakaiy@cc.utsunomiya-u.ac.jp
1．はじめにレーパ位置では最大磁束密度 2 mT である。磁石ドラムの回磁化活性汚泥(MAS)法とは標準的な活性汚泥にマグネタイ
トを添加することで磁気シーディングし, 微生物と水を磁気力

転数及び流入流量(流量), 流路形状として流路高 d を変化させ，流出水の濁度及び SS 濃度を測定した。

によって分離する新しい生物学的水処理技術である。現在パイロットプラント(処理量 12～24 m3/d)が運転されているが, 十3．結果と考察

分な分離能を持つ磁気分離装置が開発されていない。本研

ドラム型磁気分離装置における最適な分離条件として流量，究ではネオジム磁石を内蔵した回転ドラム型磁気分離装置のドラム回転数，流路形状を検討した結果, ドラム回転数は 4.0

MAS 法への適応と評価を行った。10 L/min において 97%の除rpm 以上, 流路高 d は 7.0～9.0 mm が最適であり, 流量は小去率(127 mg-SS/L)で, 河川への放流基準を達成できた。

さいほど磁気分離に有利であることが分かった。流量は処理

MAS 法は汚泥の増殖を抑制するために 10,000～20,000

水と磁石ドラムとの接触時間すなわち磁気分離時間を示し,

mg-SS/L の高濃度で運転されることが多いが, 今までこのよう流量が小さいほど接触時間が大きくなるため, 分離に有利とな高濃度汚泥を十分に磁気分離する装置がパイロットプラン

考えられる。ドラム回転数はスクレーパによって更新されるドラ

トスケールでは開発されていない。そのため, 現在のパイロッ

ムの吸着面積すなわち吸着面供給速度を示す。高濃度のトプラントでは最終沈殿槽を組み込んだ多段分離プロセスとMAS 分離では付着 MAS 体積が流出水の体積に近づいていなっている。ドラム型磁気分離装置で連続的な処理を実現すくため, 吸着面の更新頻度は重要となる。回転数が大きいほるには, 汚泥の付着面ではできるだけ強磁場で, 脱着面では

ど吸着面供給速度も大きくなるため, 分離に有利と考えられ剥離させやすいようにゼロ磁場が理想的である。市販のネオる。一方で, ドラム回転数が過大になると, ドラム表面の液のジム磁石を用いたドラム型高磁力クーラントセパレータがこのせん断力や, 付着 MAS が多量の水分を含み, 体積磁化率

ような磁気設計をされていることから, パイロットプラントにおけが小さいことなどにより, 分離能に悪影響を生じさせると考え

る MAS 分離装置に応用できると考えた。そこで磁石ドラムのられる。d はドラム表面に SS を捕捉するための吸引距離を示し,

回転速度, 処理流量及び流路形状の磁気分離性能への影

d が小さいほど吸引距離が小さくて済み, また磁極の近くで分響について検討することとした。

離を行うことができるため, 分離に有利だと考えられる。一方
で, ｄに比例して流路断面積が小さくなり, 線速度が大きくな

2．実験方法るため, 十分な接触時間が得られなくなる。Fig. 2 に最適条件

MAS 法による下水処理パイロットプラント(曝気槽 8 m3)にド下における流出水中の SS 濃度の測定結果を示した。曝気槽

ラム型高磁力クーラントセパレータ(NEOMAX エンジニアリンの SS は約 4000 mg/L であることから，流出水中の SS 濃度 127

グ製, NCS-12)をベースとした装置を設置して実験をおこなっ

mg/L は 97%の分離率であり, 流量は 10 L/min であった。

た(Fig. 1)。回転ドラムは直径 16.5 cm, 幅 36 cm で表面磁場は最大 0.5 T である。流入した MAS は磁石ドラム下の隙間を付着した MAS はドラムの回転とともに水から引き上げられ，ス
クレーパで掻き落とされて曝気槽に戻される。ドラムの中でネ
オジム磁石は固定されておりドラムのみが回転する構造とな

SS(mg/L)

通過するときドラムに引き付けられ磁気分離される。ドラムにっている。そのためドラム下部では最大磁束密度 0.5 T, スク
Influent

Magnet drum

Flow rate(L/min)Fig. 2 Result of SS in Effluent (4.0 rpm, d = 7.0 mm)

Scraper

4．おわりにdd

Detached
sludgeEffluent

Fig. 1 Magnetic Separator

本研究で用いたネオジム磁石を内蔵した回転ドラム型磁気分離装置の最適な運転条件は, ドラム回転数は 4.0 rpm 以上,
流路高は 7.0～9.0 mm であり, 流量 10 L/min において SS 除
去率 97%を達成した。

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第89回

2014年度春季低温工学・超電導学会

1D-p02

不純物排除

超電導磁石を用いた火力発電所給水中の酸化鉄スケール除去に関する研究
Removal of iron oxide scale using superconducting magnet high gradient magnetic separator fromfeed-water in thermal plant
水野 信洋，三島 史人，秋山 庸子，西嶋 茂宏（大阪大学）；松浦 英樹，前田 龍己，重本 直也（四国総合研究所）;
岡田 秀彦，廣田 憲之（NIMS）
MIZUNO Nobumi， MISHIMA Humihito, AKIYAMA Yoko, NISHIJIMA Shigehiro (Osaka university); MATSUURA Hideki, MAEDA
Tatsumi, SHIGEMOTO Naoya (Shikoku research institute); OKADA Hidehiko, HIROTA Noriyuki (NIMS)
E-mail: mizuno@qb.see.eng.osaka-u.ac.jp
1．はじめに2011 年以降、原子力発電所の停止により、火力発電所の稼働率が増加し、CO2 排出量が増加したため、排出量の削減が求められている。そのためには、発電量当たりの CO2 排出量を削減する必要があり、削減対策として導入までに要する費用や期間などから、既設発電所の高効率化を行うことが望まれる。特に、火力発電所の熱交換効率の改善による発電
効率の向上が求められる。本研究では、配管などで析出する酸化物スケール(水垢)が熱交換効率を低下させているため、これを除去することを目的とする。
火力発電所の給水系では、配管の腐食を防ぐために、アンモニアとヒドラジンの添加により配管内壁にマグネタイト被膜を形成する AVT(全揮発性処理)を採用している。AVT を採用している火力発電所において、復水器内では、脱気によるpH の低下により内壁の腐食が起こっている。溶出した鉄系成分は、約 40 ℃の復水器周辺では、鉄イオンまたは微小な常磁性粒子となるが、200 ℃以上のボイラー入口付近では主成分が強磁性のマグネタイトの粒子となるため、磁気分離を用いることで効率的なスケール除去を行うことができる。
本研究では、高温高圧条件となるボイラー入口に、超電導磁石を用いた高勾配磁気分離装置を設置することを想定
し、永久磁石を用いて 200℃、16 気圧における高勾配磁気分離を行い、高温高圧下における磁気分離の可能性について検討した。

圧力容器（内径 34 mm、高さ 83 mm）に酸化鉄粒子の懸濁液を 30 ml 入れ、磁気フィルター（SUS430 製、20 mesh、線
径 0.4 mm、直径 29.2 mm）を設置し、容器全体を 200 ℃で 6
時間加熱した(①)。加熱後、リング状の永久磁石（内径 80 mm、外径 100 mm、高さ 10 mm、中心磁場 0.1 T）を容器の外側に設置し、装置を 10 回上下反転させることで磁気分離を行った(②)。磁気分離後、室温にて冷却し(③)、懸濁液中に残存している鉄濃度は、誘導結合プラズマ原子発光分光分析装置(ICP-AES)を用いて計測し、分離前と分離後の鉄濃度から分離率を算出した(④)。
3．実験結果と考察それぞれの磁気分離による各粒子の分離率を Fig.2 に示す。マグネタイト、ヘマタイト、模擬スケールのいずれについても、高温と室温の分離率の間に有意な差は見られず、常温常圧条件と同じ分離率で高温高圧条件でも高勾配磁気分離を行うことができた。また、模擬スケールの分離率は 90 ％以
上の高い分離率を示した。今回の実験の結果から、高温高圧条件下でのスケールの磁気分離は可能であることが示された。
模擬スケールが分離率の低いヘマタイトを 20 wt.％含むにも関わらず、90 ％以上の分離率を示した理由として、マグネタ
イト粒子とヘマタイト粒子が凝集することで、マグネタイトと共にヘマタイトも分離されたためと考えられる。

2．実験方法高温高圧条件下における磁気分離率によりスケール除去の可能性を実証するために、常温常圧状態における磁気分離と高温高圧状態における磁気分離の分離率の比較を行った。実験方法の模式図を Fig.1 に示す。
分離対象として[Ⅰ]マグネタイト懸濁液(1 g/l)、[Ⅱ]ヘマ
タイト懸濁液(1 g/l)、[Ⅲ]マグネタイト 80 wt.%, ヘマタイト 20
wt.%から成る模擬スケール濃度を 100 mg/l に調製した懸濁液の合計 3 種類を用いた。
Fig.2 Result of magnetic separation efficiency.

4．まとめ
ボイラー入口に超電導磁石を用いた高勾配磁気分離装置を設置することを想定し、永久磁石による 200℃、16 気圧における高勾配磁気分離を行い、高温高圧条件における磁気分離が可能であることが示された。今後は、高温高圧条件での超電導磁石を用いた高勾配磁気分離法によるスケール除去システムの検討を行っていく予定である。

Fig.1 Schematic view of the experiment method.

5．謝辞
本研究の一部は日本科学技術振興機構（JST）の先端的
低炭素化技術推進開発（ALCA）「磁気分離法による発電所
ボイラー給水中の酸化鉄除去」の助成を受けて、実施したものである。

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第89回

2014年度春季低温工学・超電導学会

1D-p03

不純物排除

磁気分離法を用いた地熱水中からのシリカ除去システムの検討
Study on removing silica from geothermal water by high gradient magnetic separation
桑原 裕紀，橋口 幸司，三島 史人，秋山 庸子，西嶋 茂宏 （大阪大学大学院）
HIROKI Kuwahara, HASHIGUCHI Kouji, MISHIMA Humihito,
AKIYAMA Yoko, NISHIJIMA Shigehiro (Graduate school of engineering, Osaka university);
E-mail: kuwahara@qb.see.eng.osaka-u.ac.jp
１．はじめに2011 年に起きた原子力発電所事故をきっかけに、日本では再生可能エネルギーを導入する動きが活発化している。な
かでも既存の温泉を利用した発電である地熱バイナリー発電が注目されている。しかし地熱バイナリー発電において、温泉成分の堆積物であるスケールが熱交換器に付着し変換効率を低下させるため、発電の経済性を向上させるためにスケー
ルの形成を未然に防ぐことが課題となっている。現在シリカス
ケール対策としては、薬剤によって pH を調整することでスケールを抑制する手法がとられているが、熱交換器を劣化させ、耐用年数を低下させることが指摘されている。
そこで本研究では、熱交換器通過前の熱水に対して、無機凝結剤を添加してスケールの原因となるケイ酸を共沈させ、磁気分離法によって迅速に取り除く装置を検討した。この装置によって、より少ない装置負荷で熱交換器等へのスケールの付着を防止することが可能になり、地熱バイナリー発電の経済性を向上させることができる。
２．模擬地熱水を用いた実験
２．１．実験方法
シリカ濃度が 250 ppm となるように、0.3 M Na2CO3 水溶液を用いてケイ素標準液（Si 1000 ppm, ナカライテスク）を調製した。調製した溶液の水温を 90 ℃に保ちながら、9 N H2SO4 水溶液によって pH 8 に調整し、これを模擬地熱水とした。そして、調製した模擬地熱水に無機凝結剤であるポリ硫酸第二鉄(poly-ferric sulfate：PFS)を 0.5, 1, 1.5, 3, 4, 5 mL/L 添加してフロックを形成させ、ケイ酸を共沈させた。また、この溶液はシリンジフィルタによりろ過し、得られたろ液と凝結剤添加前の
地熱水中の Si の濃度を ICP-AES によって測定し、各量添加
時のケイ酸除去率を算出した。

に対して PFS をそれぞれ 1.5, 5.0ml/L 添加、撹拌してフロックを形成させた。次に、フロックに強磁性を付与させるために、
マグネタイト 5.0 g、高分子凝集剤 10 ml/L を添加、撹拌して強磁性フロックを形成させた。そして、強磁性フロック形成後の地熱水を開放勾配磁気分離 (OGMS)によって処理を行い、残った微細なフロックを高勾配磁気分離 (HGMS)によって回収した。また、ケイ酸除去率を算出するためにシリカ計 (デジタルテスター高濃度シリカ HI770，HANNA Instruments)により分離前後の Si の濃度を計測した。

Fig.2 silica removal system by magnetic separation
３．２．結果と考察
Fig.3 に示すように、もともとシリカ濃度が 209 ppm であった
地熱水を 11 ppm まで下げることに成功した。また、1.5 mL/Lを加えた場合でも、シリカ濃度は 84 ppm となり、スケールとして析出しない濃度まで下げることに成功した。
さらに実用化の観点から、PFS 由来の鉄イオンの残留濃度
を ICP-AES により測定した。その結果、PFS を 10 mL/L 添加した際の残留鉄濃度は 2.8 ppm であり、排水基準である 10
ppm を満たすことを確認した。

２．２．結果と考察
Fig.1 より PFS の添加量の増加とともにケイ酸共沈率も増加
し、5 mL/L 添加時に 90 %を超えた。また、 1.5 mL/L 前後加えた時に、シリカ濃度が熱交換器通過後の温度における溶解度である 150 ppm 以下となり、スケールの析出を防止することができると考えられる。
Fig.3 concentration of silica acid before and after process

Fig.1 removal rate of silica acid after adding PFS

４．結論
本研究では，スケールの原因物質であるケイ酸を磁気力を利用して除去することを試み、90 %以上のケイ酸を除去することに成功した。今後は実用化に向けて、コスト削減のための薬剤添加条件の最適化、超電導磁石を用いた処理速度向上のための検討を行う予定である。

３．ラボスケール装置による現地実験
３．１．実験方法
前章で得た結果をもとに、Fig.2 に示す一連のシステムを設計し、実際の地熱水を用いて実験を行った。まず、地熱水５L

５．謝辞
本研究の一部は，平成 25 年度 NEDO「地熱発電技術研究開発事業」における「低温域の地熱資源有効活用のためのスケール除去技術の開発」の一環として実施したものである。

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第89回

2014年度春季低温工学・超電導学会

1D-p04

不純物排除

放射能汚染された汚泥の除染への磁気分離応用の可能性
Application of Magnetic Separation to Decontamination of Radioactive Sludge

1．はじめに福島の原発事故により，広範囲に放射性セシウムが拡散し，放射能汚染が様々なところで問題となっている。下水処理場
でも水処理によって発生する汚泥が放射能汚染し，処理や移動ができず場内に多量に蓄積している問題がある。また，今でも ， 放射能レ ベルがク リアラ ンスレ ベルと言わ れ る 100
Bq/kg-脱水汚泥 (条件によっては 200 Bq/kg)を越える施設もある。これらの汚泥の除染技術は事故直後から検討されているRadioactivity of Residual
Sludge (Bq)

酒井保藏，藤原豊, 高橋克哉（宇都宮大）；西嶋茂宏（阪大)SAKAI Yasuzo, FUJIWARA Yutaka, TAKAHASHI Katsuya (Utsunomiya Univ.); NISHIJIMA Sigehiro (Osaka Univ.)
E-mail: sakaiy@cc.utsunomiya-u.ac.jp
200
150
100
50
0

が，可溶化処理など薬剤やエネルギーを要し，二次的な廃水

0

射性セシウムを吸着したバーミュキュライトなどの粘土物質が，雨水と共に下水に混入し，下水処理場の活性汚泥捕捉され，

2

3

4

5

6

7

8

9 10

Magnetic Separation Times (set)

処理が新たに発生するなど課題が多く，実用的な方法は開発されていない。汚泥の放射能汚染汚泥発生の機構は，放1Fig. 1 Decrease of Residual Sludge Radioactivity by
Magnetic Separation

沈降分離，濃縮，脱水を経て汚染汚泥となっているとされてセット繰り返した。マグネットバーは垂直に浸積して引き上げいる。すなわち，活性汚泥から放射能汚染された粘土粒子をる場合は約1～3分，水平に浸積して引き上げる場合は約1分

分離することができれば除染できると考えられる。そこで，かけて引き上げた。マグネットバー表面の磁気勾配を大きくす

我々は，活性汚泥から粘土粒子を分離する方法として磁気分るために強磁性ステンレスの細線や約2 mmのベアリング球を離の適用を検討した。当初，汚泥を磁気シーディングし，高速付着させ，同様の磁気分離操作も試した。マグネットバーにで磁気分離することで汚泥中に捕捉されたカオリン粒子を脱付着した汚泥および付着しなかった汚泥(残留汚泥)の放射能

離できることを明らかにし，除染への応用を検討したが，セシ濃度を放射能食品モニター(RAD IQTM FS200, 千代田テク

ウムを強く吸着していると言われるバーミュキュライトは磁石にノル製)で測定した。汚泥量は汚泥をメスシリンダーで30分自弱く牽引される性質があり，カオリンのように磁気分離で汚泥然沈降させ，沈降体積として求めた。

から効率よく脱離できなかった。そこで，直接，汚泥を磁気分離することでバーミュキュライトを回収できないか試みたところ，

3．結果と考察

磁石に付着する汚泥成分の放射能レベルが上昇することが

模擬汚染汚泥(初期汚泥体積19.5 ml)から，40 cmのマグわかった。本研究は，磁気分離による放射能汚染汚泥の簡便

ネットバーを垂直に引き上げる操作を繰り返した場合の，残留な除染法の可能性を検証するため，模擬汚染汚泥を調整し汚泥の放射能レベル減少の様子をFig. 1に示した。初期汚泥て市販のマグネットバーによる除染を実験的に試みた。

体積水中からゆっくり引き上げるとマグネットバーの磁極部分にわずかに汚泥が付着し，10セット(100回の磁気分離操作)

2．実験

分で5.1 mlの汚泥を磁力で回収できた。1セット(磁気分離操

磁気分離には長さの異なる数種類のマグネットバー（長さ作10回)毎に残留汚泥の放射能レベルを測定して，10セットの15～40 cm, 直径2.5 cm, 最大磁束密度1.0 T, サンギョウサ

磁気分離操作によって約半分に放射能レベルが低下した。

プライ製)を用いた。マグネットバーはネオジム磁石をヨークと最終的に，残留汚泥は最初の体積の79%となった。すなわち，なる強磁性円板を挟んで同じ磁極が向き合うように重ね，非197 Bqの放射性セシウムの85 Bqを磁気分離された21%の汚磁性のステンレス管に挿入し両端を封じたものである。円板が泥中に濃縮することができた。一方で，残留汚泥の放射能レ挿入されている位置にリング状に磁極が発生する。磁極間隔

ベルは半分以下となり，薬剤やエネルギーを必要とせず磁気は2 cmである。

分離だけの簡単な操作でかなり除染できることが示された。

模擬汚染汚泥は，大学周辺の空間放射線量の比較的高い場所から土壌を採取し，水に分散させ，懸濁粒子を活性汚

4．おわりに泥に加えて調整した。活性汚泥に捕捉されない大きな土壌粒

本研究はまだ原理的な段階であるが，二次的な廃水など子は除去し，沈降分離では簡単に除染できないようにした。

の環境汚染副産物を発生せずに、簡単な磁気分離操作で汚磁気分離は模擬汚染汚泥1.0 lを容器にとり，マグネットバ

染汚泥の除染を実現できる可能性を示すことができた。強いーを浸積し，穏やかに攪拌したあと，ゆっくりと引き上げ，マグ

磁気力を発生させられる超電導HGMSの利用も期待できる。

ネットバーの磁極にわずかに付着している懸濁粒子(汚泥)を洗い流して集める操作を10回行ない，これを1セットとして，10

本研究は科学研究費挑戦的萌芽研究26630479の支援を受けた。

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第89回

2014年度春季低温工学・超電導学会