特許7170337変動磁場生成システムおよびこれを用いた静止型磁気冷凍システム
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-11-04
(45)【発行日】2022-11-14
(54)【発明の名称】変動磁場生成システムおよびこれを用いた静止型磁気冷凍システム
(51)【国際特許分類】
H01F 6/00 20060101AFI20221107BHJP
F25B 21/00 20060101ALI20221107BHJP
【ＦＩ】
H01F6/00 180
F25B21/00 A
【請求項の数】
6
(21)【出願番号】P 2020177048
(22)【出願日】2020-10-22
(65)【公開番号】P2022068403
(43)【公開日】2022-05-10
【審査請求日】2021-08-20
(73)【特許権者】
【識別番号】504261077
【氏名又は名称】大学共同利用機関法人自然科学研究機構
(74)【代理人】
【識別番号】100165663
【弁理士】
【氏名又は名称】加藤 光宏
(72)【発明者】
【氏名】平野 直樹
(72)【発明者】
【氏名】三戸 利行
(72)【発明者】
【氏名】小野寺 優太
【審査官】古河 雅輝
(56)【参考文献】
【文献】特開昭６１－１０９４３４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表平０３－５０５０２７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭６１－２０７１５０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭６４－０４６５４５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭６０－００８６７２（ＪＰ，Ａ）
【文献】中国特許出願公開第１０５２０２７９９（ＣＮ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｆ２５Ｂ １９／００－３０／０６
Ｈ０１Ｆ １／００－ １／１１７
Ｈ０１Ｆ １／４０－ １／４２
Ｈ０１Ｆ ６／００－ ６／０６
Ｈ０２Ｊ １５／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
磁気熱量効果を利用した静止型磁気冷凍システムであって、複数の超電導コイルと、
前記超電導コイルと電源とを接続、切断する初期充電回路と、
前記電源と切り離された状態で、前記複数の超電導コイルのそれぞれに流れる電流を任意に変化させ得るエネルギ移送回路と、
前記初期充電回路およびエネルギ移送回路を制御する制御部と、
少なくとも一つの前記超電導コイルの内部に配置された、磁場の変動により発熱／吸熱を生じる磁気作業物質とを備え、
前記制御部は、
前記超電導コイルを電源に接続し、予め所定の電流が流れる初期充電が達成された後、前記電源と切断するよう初期充電回路を制御する初期充電制御部と、
前記初期充電が達成された後、予め設定されたシーケンスで、前記超電導コイルのそれぞれに流れる電流を変化させるよう前記エネルギ移送回路を制御するエネルギ移送制御部とを備える静止型磁気冷凍システム。
【請求項2】
請求項１記載の静止型磁気冷凍システムであって、前記複数の超電導コイルは、偶数本備えられている静止型磁気冷凍システム。
【請求項3】
請求項１または２記載の静止型磁気冷凍システムであって、前記複数の超電導コイルは、３本以上備えられており、
前記エネルギ移送制御部は、近接する超電導コイルに逆向きの電流を流す静止型磁気冷凍システム。
【請求項4】
請求項１または２記載の静止型磁気冷凍システムであって、前記エネルギ移送制御部は、前記複数の超電導コイルのうち所定数をグループとし、該グループ内の超電導コイルに１本ずつ順番に最大の電流を流す静止型磁気冷凍システム。
【請求項5】
請求項１～４いずれか記載の静止型磁気冷凍システムであって、前記初期充電における所定の電流は、前記複数の超電導コイルの一部にあたる所定の本数に１００％の電流を流した基準状態における磁気エネルギを前記複数の超電導コイル全体で貯蔵するために必要となる電流値である静止型磁気冷凍システム。
【請求項6】
請求項１記載の静止型磁気冷凍システムであって、前記磁気作業物質は、全ての前記複数の超電導コイルの内部に配置されている静止型磁気冷凍システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、超電導コイルを用いて変動磁場を生成するシステムおよびこれを用いた静止型磁気冷凍システムに関する。
【背景技術】
【0002】
従来、液体ヘリウム以下の極低温に適用される冷凍機として、磁場に応じて発熱、吸熱を行う磁性材料（以下、「磁気作業物質」という。）を利用した磁気冷凍機が知られている。
例えば、特許文献１は、超電導コイルの中心部分に磁気作業物質を配置するとともに、超電導コイルと磁気作業物質との間の空間に磁気遮蔽体を往復動させる静止型磁気冷凍機を開示している。当該技術では、磁気遮蔽体の往復動に応じて磁気作業物質に磁場を作用させたり遮断させたりすることにより、磁気作業物質の発熱／吸熱を変化させ、冷凍を実現する。
また、特許文献２は、超電導コイルと、磁気遮蔽体とを積み重ね、その内部に磁気作業物質を配置した構造の磁気冷凍機を開示する。当該技術では、磁性遮蔽体を往復動させて、超電導コイルの内部に配置した状態と、磁気遮蔽体の内部に配置した状態とを切り換えることにより、磁気作業物質の発熱／吸熱を変化させ、冷凍を実現する。
いずれの技術においても、超電導コイルを利用している。超電動コイルは強力な磁場を発生することができることから、医療用の画像診断装置や輸送用としての磁気浮上列車に応用されている。また、超電動コイルを用いたシステムとして、ＳＭＥＳ（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ）と呼ばれる技術が知られている。即ち、超電導は電気抵抗がゼロになるという特徴を有しているため、コイルに電流を流した状態でコイルの両端を閉じて閉回路とするとコイル内を電流が減衰せずに流れ続け、電流が作る磁場が発生し続けるのである。ＳＭＥＳは、このように磁気エネルギとして電力を貯蔵する技術である。
例えば、特許文献１は、超電導コイルの中心部分に磁気作業物質を配置するとともに、超電導コイルと磁気作業物質との間の空間に磁気遮蔽体を往復動させる静止型磁気冷凍機を開示している。当該技術では、磁気遮蔽体の往復動に応じて磁気作業物質に磁場を作用させたり遮断させたりすることにより、磁気作業物質の発熱／吸熱を変化させ、冷凍を実現する。
また、特許文献２は、超電導コイルと、磁気遮蔽体とを積み重ね、その内部に磁気作業物質を配置した構造の磁気冷凍機を開示する。当該技術では、磁性遮蔽体を往復動させて、超電導コイルの内部に配置した状態と、磁気遮蔽体の内部に配置した状態とを切り換えることにより、磁気作業物質の発熱／吸熱を変化させ、冷凍を実現する。
いずれの技術においても、超電導コイルを利用している。超電動コイルは強力な磁場を発生することができることから、医療用の画像診断装置や輸送用としての磁気浮上列車に応用されている。また、超電動コイルを用いたシステムとして、ＳＭＥＳ（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ）と呼ばれる技術が知られている。即ち、超電導は電気抵抗がゼロになるという特徴を有しているため、コイルに電流を流した状態でコイルの両端を閉じて閉回路とするとコイル内を電流が減衰せずに流れ続け、電流が作る磁場が発生し続けるのである。ＳＭＥＳは、このように磁気エネルギとして電力を貯蔵する技術である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開平４－２７３９５６号公報
【文献】特開平４－３２７４７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
従来の磁気冷凍技術では、超電導コイルによる磁場の発生については、超電導状態を維持するための冷却が必要となるが、通電損失がないことからエネルギ効率の向上が図られているものの、磁気遮蔽体または磁気作業物質の往復動自体にエネルギが必要となり、全体としてエネルギ効率について改善の余地が残されていた。従って、磁気作業物質に作用する磁場を省エネルギで変動させる技術が求められていた。
磁場を変動させる技術は、磁気冷凍のみならず、広い分野での応用が期待できる。
本発明は、かかる課題に鑑み、省エネルギで磁場を変動させる技術を提供すること、およびこれを活用した磁気冷凍技術を提供することを目的とする。
磁場を変動させる技術は、磁気冷凍のみならず、広い分野での応用が期待できる。
本発明は、かかる課題に鑑み、省エネルギで磁場を変動させる技術を提供すること、およびこれを活用した磁気冷凍技術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】
【0005】
本発明は、
複数の超電導コイルによって変動する磁場を生成する変動磁場生成システムであって、
複数の超電導コイルと、
前記超電導コイルと電源とを接続、切断する初期充電回路と、
前記電源と切り離された状態で、前記複数の超電導コイルのそれぞれに流れる電流を任意に変化させ得るエネルギ移送回路と、
前記初期充電回路およびエネルギ移送回路を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、
前記超電導コイルを電源に接続し、予め所定の電流が流れる初期充電が達成された後、前記電源と切断するよう初期充電回路を制御する初期充電制御部と、
前記初期充電が達成された後、予め設定されたシーケンスで、前記超電導コイルのそれぞれに流れる電流を変化させるよう前記エネルギ移送回路を制御するエネルギ移送制御部とを備える変動磁場生成システムと構成することができる。
複数の超電導コイルによって変動する磁場を生成する変動磁場生成システムであって、
複数の超電導コイルと、
前記超電導コイルと電源とを接続、切断する初期充電回路と、
前記電源と切り離された状態で、前記複数の超電導コイルのそれぞれに流れる電流を任意に変化させ得るエネルギ移送回路と、
前記初期充電回路およびエネルギ移送回路を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、
前記超電導コイルを電源に接続し、予め所定の電流が流れる初期充電が達成された後、前記電源と切断するよう初期充電回路を制御する初期充電制御部と、
前記初期充電が達成された後、予め設定されたシーケンスで、前記超電導コイルのそれぞれに流れる電流を変化させるよう前記エネルギ移送回路を制御するエネルギ移送制御部とを備える変動磁場生成システムと構成することができる。
【0006】
本発明によれば、超電導コイルに初期充電されたエネルギを超電導コイル間で移送することにより、それぞれの超電導コイルに発生する磁場を変動させることができる。従って、変動磁場を生成させるための外部からのエネルギ供給をほとんど必要としない程度まで抑制することが可能となる。
【0007】
本発明の変動磁場生成システムにおいては、
前記複数の超電導コイルは、偶数本備えられているものとしてもよい。
前記複数の超電導コイルは、偶数本備えられているものとしてもよい。
【0008】
超電導コイルの本数は任意であるが、このように偶数本備える場合、超電導コイルをバランス良く配置することができる。こうすれば、システム全体の構成のコンパクト化を図ることができ、また、超電導コイルによって生じる磁場をバランスよく配置させることが可能となる。配置は、点対称または線対称とすることがより好ましい。
【0009】
本発明の変動磁場生成システムであって、
前記複数の超電導コイルは、３本以上備えられており、
前記エネルギ移送制御部は、近接する超電導コイルに逆向きの電流を流すものとしてもよい。
前記複数の超電導コイルは、３本以上備えられており、
前記エネルギ移送制御部は、近接する超電導コイルに逆向きの電流を流すものとしてもよい。
【0010】
こうすることにより、逆向きの電流を流した超電導コイルで生成される磁場同士が打ち消し合い、外部への磁場の漏洩を抑制することができる。
逆向きの電流を流す超電導コイルは、任意に選択することができる。必ずしも相互の距離が最短のものを選択する必要はない。上述の「近接」とは、磁場を打ち消し合う相互作用が得られる範囲内であることを意味する。また、電流を流す超電導コイルの本数も任意に設定できるが、偶数本とすれば、磁場を打ち消し合う相互作用を比較的効果的に得ることができる利点がある。
逆向きの電流を流す超電導コイルは、任意に選択することができる。必ずしも相互の距離が最短のものを選択する必要はない。上述の「近接」とは、磁場を打ち消し合う相互作用が得られる範囲内であることを意味する。また、電流を流す超電導コイルの本数も任意に設定できるが、偶数本とすれば、磁場を打ち消し合う相互作用を比較的効果的に得ることができる利点がある。
【0011】
本発明の変動磁場生成システムにおいては、
前記エネルギ移送制御部は、前記複数の超電導コイルのうち所定数をグループとし、該グループ内の超電導コイルに１本ずつ順番に最大の電流を流すものとしてもよい。
前記エネルギ移送制御部は、前記複数の超電導コイルのうち所定数をグループとし、該グループ内の超電導コイルに１本ずつ順番に最大の電流を流すものとしてもよい。
【0012】
こうすることにより、各超電導コイルに流れる電流は、最大とゼロとの間で変化することになるから、最大の磁場変動を得ることができる。
グループを構成する所定数は、任意に決めることができる。例えば、複数の超電導コイル全体を一つのグループと考えてもよい。これらを２つまたは３つ以上の同数のグループに分けても良い。また、異なる数のグループに分けてもよい。
グループを構成する所定数は、任意に決めることができる。例えば、複数の超電導コイル全体を一つのグループと考えてもよい。これらを２つまたは３つ以上の同数のグループに分けても良い。また、異なる数のグループに分けてもよい。
【0013】
本発明の変動磁場生成システムにおいては、
前記初期充電における所定の電流は、前記複数の超電導コイルの一部にあたる所定の本数に１００％の電流を流した基準状態における磁気エネルギを前記複数の超電導コイル全体で貯蔵するために必要となる電流値であるものとしてもよい。
前記初期充電における所定の電流は、前記複数の超電導コイルの一部にあたる所定の本数に１００％の電流を流した基準状態における磁気エネルギを前記複数の超電導コイル全体で貯蔵するために必要となる電流値であるものとしてもよい。
【0014】
超電導コイルに貯蔵されるエネルギは、リアクタンスをＬ、電流をｉとするとき、０．５Ｌｉ２で求められる。従って、所定の本数ｎ本に１００％の電流を流した基準状態に対して、超電導コイルが全体でＭ本あるとすれば、一本当たりの電流値は、最大電流×（ｎ／Ｍ）０．５と求めることができる。こうすることにより、予め超電導コイルに、必要なエネルギを過不足なく貯蔵することができる。
【0015】
本発明は、変動磁場生成システムとしての構成の他、これを利用した種々のシステムとして構成することができる。
例えば、本発明は、
磁気熱量効果を利用した静止型磁気冷凍システムであって、
上述のいずれか記載の変動磁場生成システムと、
少なくとも一つの前記超電導コイルの内部に配置された、磁場の変動により発熱／吸熱を生じる磁気作業物質で構成された熱交換体とを備える静止型磁気冷凍システムとして構成することができる。
例えば、本発明は、
磁気熱量効果を利用した静止型磁気冷凍システムであって、
上述のいずれか記載の変動磁場生成システムと、
少なくとも一つの前記超電導コイルの内部に配置された、磁場の変動により発熱／吸熱を生じる磁気作業物質で構成された熱交換体とを備える静止型磁気冷凍システムとして構成することができる。
【0016】
先に説明した通り、本発明の変動磁場生成システムは、省エネルギで磁場を変動させることができるため、省エネルギで磁気冷凍を実現することができる。
本発明において磁気作業物質としては、ガドリニウム他、種々の物質を利用することができる。また、熱交換体の形状も任意に決めることができる。熱交換体は磁気作業物質の塊で構成してもよいし、磁気作業物質を用いた細線をメッシュ状に編むなどして構成してもよい。かかる細線は、例えば、磁気作業物質を銅その他の熱伝導性の良い金属で包んだ、いわゆるパウダーインチューブ製造技術により製造してもよい。
本発明において磁気作業物質としては、ガドリニウム他、種々の物質を利用することができる。また、熱交換体の形状も任意に決めることができる。熱交換体は磁気作業物質の塊で構成してもよいし、磁気作業物質を用いた細線をメッシュ状に編むなどして構成してもよい。かかる細線は、例えば、磁気作業物質を銅その他の熱伝導性の良い金属で包んだ、いわゆるパウダーインチューブ製造技術により製造してもよい。
【0017】
本発明の静止型磁気冷凍システムにおいては、
前記磁気作業物質は、全ての前記複数の超電導コイルの内部に配置されているものとしてもよい。
前記磁気作業物質は、全ての前記複数の超電導コイルの内部に配置されているものとしてもよい。
【0018】
こうすることにより、各超電導コイルに生じる変動磁場を効率的に冷凍に用いることができる。
【0019】
本発明は、以上で説明した種々の特徴を全て備えている必要はなく、適宜、その一部を省略したり組み合わせたりして構成することができる。また、本発明は、静止型磁気冷凍システムの他、変動磁場生成システムを利用した種々のシステムとして構成することができる。さらに、本発明は、変動磁場の生成方法、静止型磁気冷凍方法などの態様で構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【図1】静止型磁気冷凍システムの構成を示す説明図である。
【図2】エネルギ移送のシーケンス（１）を示す説明図である。
【図3】エネルギ移送のシーケンス（２）を示す説明図である。
【図4】超電導コイルの配置を示す説明図である。
【図5】磁場解析の結果（１）を示す説明図である。
【図6】磁場解析の結果（２）を示す説明図である。
【図7】磁場解析の結果（３）を示す説明図である。
【図8】磁場解析の結果（４）を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0021】
以下、本発明の実施例について、超電導コイルと磁気作業物質を利用した静止型磁気冷凍システムとしての構成を例にとって説明する。水素を再凝縮して液体水素として貯槽するシステムとしての構成例である。極低温において冷凍を行うシステムである。
【0022】
図１は、静止型磁気冷凍システムの構成を示す説明図である。
密閉容器４０内には、超電導コイルを用いた冷却装置５０が４基設置されている。右下に冷却装置５０の構造を示した。
冷却装置５０においては、密閉容器４０の内部に、超電導コイル５１が設置されている。超電導を実現するため超電導コイル５１は、冷却されているが、図の煩雑化を回避するため、この冷却機構は図示を省略した。
超電導コイル５１の内部空間には、磁場の状態に応じて発熱／吸熱を生じる磁気作業物質５２が設置されている。本実施例では、円柱状の形状としたが、任意の形状としてよい。磁気作業物質５２は、種々の素材で構成することができるが、本実施例では、ガドリニウム合金（例えばGd5Ge4）を用いるものとした。銅その他の熱伝導性の良好な素材で構成した中空の細線内にガドリニウム合金の粉状体を充填した、いわゆるパウダーインチューブ製造技術により細線を製作し、これを編むことにより、磁気作業物質５２を構成することができる。かかる構成に限らず、ガドリニウムの塊などで構成しても差し支えない。
磁気作業物質５２には、熱伝送柱５４が接触するように設けられている。熱伝送柱５４は、熱をよく伝える固体で構成することができる。磁気作業物質５２が、磁場の作用によって発熱／吸熱を生じると、それに応じた熱が、熱伝送柱５４を伝送される。熱伝送柱５４の上端には排熱用冷却装置５５が取り付けられている。磁気作業物質５２が発熱状態にあるとき、その熱は、熱伝送柱５４を通じて排熱用冷却装置５５に伝送され、密閉容器４０から外部に排出される。熱伝送柱５４の途中には、熱スイッチ５３が取り付けられている。熱スイッチ５３は、熱スイッチ５３から熱伝送柱５４の一方向にのみ熱が伝達する素子である。熱スイッチ５３は、周知の種々の素子を利用可能であるため、詳細な説明は省略する。熱スイッチ５３を設けることにより、磁気作業物質５２が吸熱時には、熱スイッチ５３から排熱用冷却装置５５を通じて熱が流れ、水素ガスを液化する凝縮部５７が冷却されることになる。
冷却装置５０の下部には、水素貯槽５６が取り付けられている。冷却装置５０に、水素が供給されると、水素は磁気冷凍により低温となった凝縮部５７に接することで再液化され、液体として水素貯槽５６に貯留されることになる。
上記構成において、熱伝送柱５４は、内部を循環するように熱交換の媒体を封入した配管で構成してもよい。この場合は、熱スイッチ５３は、媒体の循環方向を切り換えるためのスイッチとすればよい。
密閉容器４０内には、超電導コイルを用いた冷却装置５０が４基設置されている。右下に冷却装置５０の構造を示した。
冷却装置５０においては、密閉容器４０の内部に、超電導コイル５１が設置されている。超電導を実現するため超電導コイル５１は、冷却されているが、図の煩雑化を回避するため、この冷却機構は図示を省略した。
超電導コイル５１の内部空間には、磁場の状態に応じて発熱／吸熱を生じる磁気作業物質５２が設置されている。本実施例では、円柱状の形状としたが、任意の形状としてよい。磁気作業物質５２は、種々の素材で構成することができるが、本実施例では、ガドリニウム合金（例えばGd5Ge4）を用いるものとした。銅その他の熱伝導性の良好な素材で構成した中空の細線内にガドリニウム合金の粉状体を充填した、いわゆるパウダーインチューブ製造技術により細線を製作し、これを編むことにより、磁気作業物質５２を構成することができる。かかる構成に限らず、ガドリニウムの塊などで構成しても差し支えない。
磁気作業物質５２には、熱伝送柱５４が接触するように設けられている。熱伝送柱５４は、熱をよく伝える固体で構成することができる。磁気作業物質５２が、磁場の作用によって発熱／吸熱を生じると、それに応じた熱が、熱伝送柱５４を伝送される。熱伝送柱５４の上端には排熱用冷却装置５５が取り付けられている。磁気作業物質５２が発熱状態にあるとき、その熱は、熱伝送柱５４を通じて排熱用冷却装置５５に伝送され、密閉容器４０から外部に排出される。熱伝送柱５４の途中には、熱スイッチ５３が取り付けられている。熱スイッチ５３は、熱スイッチ５３から熱伝送柱５４の一方向にのみ熱が伝達する素子である。熱スイッチ５３は、周知の種々の素子を利用可能であるため、詳細な説明は省略する。熱スイッチ５３を設けることにより、磁気作業物質５２が吸熱時には、熱スイッチ５３から排熱用冷却装置５５を通じて熱が流れ、水素ガスを液化する凝縮部５７が冷却されることになる。
冷却装置５０の下部には、水素貯槽５６が取り付けられている。冷却装置５０に、水素が供給されると、水素は磁気冷凍により低温となった凝縮部５７に接することで再液化され、液体として水素貯槽５６に貯留されることになる。
上記構成において、熱伝送柱５４は、内部を循環するように熱交換の媒体を封入した配管で構成してもよい。この場合は、熱スイッチ５３は、媒体の循環方向を切り換えるためのスイッチとすればよい。
【0023】
密閉容器４０の内部には、以上で説明した冷却装置５０が４本配置されている。冷却装置５０の本数および配置は任意に決めることができる。全体のバランスなどを考慮すると、冷却装置５０を偶数本用意することが好ましい。
【0024】
それぞれの冷却装置５０は、超電導コイル５１と電源２４とを接続、切断するための初期充電回路２２に接続されている。本実施例では、電源２４として系統電力を用いたが、これに限るものではない。
また、それぞれの冷却装置５０は、電源２４と切り離された状態で、４本の超電導コイル５１に流れる電流を任意に変化させ得るエネルギ移送回路２０と接続されている。エネルギ移送回路２０は、超電導コイル５１の両端を、任意に接続、切断可能な複数のスイッチによって構成されている。本実施例では、超電導コイル５１に流れる電流の向きを逆向きに変えることも可能な回路構成となっている。
また、それぞれの冷却装置５０は、電源２４と切り離された状態で、４本の超電導コイル５１に流れる電流を任意に変化させ得るエネルギ移送回路２０と接続されている。エネルギ移送回路２０は、超電導コイル５１の両端を、任意に接続、切断可能な複数のスイッチによって構成されている。本実施例では、超電導コイル５１に流れる電流の向きを逆向きに変えることも可能な回路構成となっている。
【0025】
初期充電回路２２およびエネルギ移送回路２０の動作は、制御装置１０によって制御される。制御装置１０は、内部にＣＰＵおよびメモリを備えたコンピュータとして構成することができる。本実施例では、図示する機能を実現するためのコンピュータプログラムをインストールすることによって、ソフトウェア的に制御装置１０を構成しているが、これらの機能の全部または一部をＡＳＩＣなどのハードウェアによって構成してもよい。
【0026】
設定入力部１１は、オペレータからの指示を入力する機能を奏する。本実施例では、例えば、初期充電において、超電導コイル５１に流すべき電流値や、充電完了後に、超電導コイル５１間でのエネルギの移送のシーケンスなどの設定を入力することになる。
初期充電制御部１２は、超電導コイル５１と電源２４とを接続し、超電導コイル５１に所定値の電流が流れたところで、電源２４から切り離して、超電導コイル５１の両端を接続する制御を行う。超電導コイル５１は、電気抵抗がゼロという特徴を有しているため、初期充電によって所定値の電流が流れ続けることになる。
エネルギ移送制御部１３は、初期充電が完了した後、所定のシーケンスに従って、それぞれの超電導コイル５１に流れる電流を変化させる。こうすることにより、各超電導コイル５１で発生する磁場を変動させることができる。
初期充電制御部１２は、超電導コイル５１と電源２４とを接続し、超電導コイル５１に所定値の電流が流れたところで、電源２４から切り離して、超電導コイル５１の両端を接続する制御を行う。超電導コイル５１は、電気抵抗がゼロという特徴を有しているため、初期充電によって所定値の電流が流れ続けることになる。
エネルギ移送制御部１３は、初期充電が完了した後、所定のシーケンスに従って、それぞれの超電導コイル５１に流れる電流を変化させる。こうすることにより、各超電導コイル５１で発生する磁場を変動させることができる。
【0027】
本実施例では、４本の超電導コイル５１に流れる電流を変化させることにより、それぞれの超電導コイル５１で発生する磁場を変動させ、その結果、磁気作業物質５２の発熱／吸熱を変化させ、冷却を実現する。以下、この磁場を変動させるためのシーケンスの例を説明する。
図２は、エネルギ移送のシーケンス（１）を示す説明図である。図２（ａ）は、初期充電が完了した時点における各超電導コイルの電流およびエネルギの状態を示している。図中の４つの超電導コイルＡ～Ｄに対して、左側のハッチングを付したグラフは電流を表し、右側のぬりつぶしたグラフはエネルギを表している。図２（ａ）の状態では、４本の超電導コイルＡ～Ｄに等しく、最大電流の約５０％の電流が流れている状態を示している。超電導コイル５１に貯蔵されるエネルギは、電流の２乗に比例するから、電流が５０％である場合、エネルギは２５％となる。
図２は、エネルギ移送のシーケンス（１）を示す説明図である。図２（ａ）は、初期充電が完了した時点における各超電導コイルの電流およびエネルギの状態を示している。図中の４つの超電導コイルＡ～Ｄに対して、左側のハッチングを付したグラフは電流を表し、右側のぬりつぶしたグラフはエネルギを表している。図２（ａ）の状態では、４本の超電導コイルＡ～Ｄに等しく、最大電流の約５０％の電流が流れている状態を示している。超電導コイル５１に貯蔵されるエネルギは、電流の２乗に比例するから、電流が５０％である場合、エネルギは２５％となる。
【0028】
図２（ｂ）は、エネルギ移送の一つのステップとして、超電導コイルＡに全エネルギを移送させた状態を表している。即ち、超電導コイルＡに１００％の電流を流し、エネルギを１００％移送するとともに、超電導コイルＢ～Ｄは、電流、エネルギともにゼロの状態である。図２（ｂ）の状態においても、エネルギの総和は、図２（ａ）の状態と同一である。
同様に、図２（ｃ）は超電導コイルＢに全エネルギを移送させた状態、図２（ｄ）は超電導コイルＣに全エネルギを移送させた状態、図２（ｅ）は超電導コイルＤに全エネルギを移送させた状態を表している。図２（ｅ）の後は、図２（ｂ）以降が繰り返し実行される。
図２で示したシーケンスでは、図２（ｂ）～図２（ｅ）のように、４つの超電導コイルに一つずつ順番に１００％の電流を流していく移送状態となる。
かかるシーケンスによれば、一つずつの超電導コイルにエネルギ１００％の状態の磁場と、ゼロの状態とが発生するため、大きな磁場変動を生じさせることができ、この結果、磁気作業物質の温度変化を大きくすることができる利点がある。
同様に、図２（ｃ）は超電導コイルＢに全エネルギを移送させた状態、図２（ｄ）は超電導コイルＣに全エネルギを移送させた状態、図２（ｅ）は超電導コイルＤに全エネルギを移送させた状態を表している。図２（ｅ）の後は、図２（ｂ）以降が繰り返し実行される。
図２で示したシーケンスでは、図２（ｂ）～図２（ｅ）のように、４つの超電導コイルに一つずつ順番に１００％の電流を流していく移送状態となる。
かかるシーケンスによれば、一つずつの超電導コイルにエネルギ１００％の状態の磁場と、ゼロの状態とが発生するため、大きな磁場変動を生じさせることができ、この結果、磁気作業物質の温度変化を大きくすることができる利点がある。
【0029】
図２のシーケンスにおいては、一つの超電導コイルに１００％のエネルギを移送することを前提として、初期充電を行うことになる。従って、１００％のエネルギを４本に均等に分けた状態、即ち１本あたり２５％のエネルギ状態を実現するため、それぞれの超電導コイルに５０％の電流を流した状態が初期充電となるのである。
【0030】
図３は、エネルギ移送のシーケンス（２）を示す説明図である。図３（ａ）は、初期充電を示した。この例では、超電導コイルＡ～Ｄに、それぞれ約７０％の電流を流し、５０％のエネルギが貯蔵されている。
図３（ｂ）は、エネルギ移送の一つのステップとして、超電導コイルＡ、Ｃに対して１００％の電流を流し、１００％のエネルギを移送した状態である。図３（ｃ）は、その後、超電導コイルＢ、Ｄに対して１００％の電流を流し、１００％のエネルギを移送する。このように、図３のシーケンスでは、２本のコイルを組にして、１００％の電流、１００％のエネルギを移送するのである。
図３のシーケンスでは、２本の超電導コイルに１００％のエネルギを移送するため、合計で２００％分のエネルギが必要となる。初期充電では、これを４本の超電導コイルに蓄えるため、１つの超電導コイルに５０％のエネルギを貯蔵することとなり、約７０％の電流を流すことになるのである。
図３（ｂ）は、エネルギ移送の一つのステップとして、超電導コイルＡ、Ｃに対して１００％の電流を流し、１００％のエネルギを移送した状態である。図３（ｃ）は、その後、超電導コイルＢ、Ｄに対して１００％の電流を流し、１００％のエネルギを移送する。このように、図３のシーケンスでは、２本のコイルを組にして、１００％の電流、１００％のエネルギを移送するのである。
図３のシーケンスでは、２本の超電導コイルに１００％のエネルギを移送するため、合計で２００％分のエネルギが必要となる。初期充電では、これを４本の超電導コイルに蓄えるため、１つの超電導コイルに５０％のエネルギを貯蔵することとなり、約７０％の電流を流すことになるのである。
【0031】
なお、図３（ｂ）、図３（ｃ）では、超電導コイルＡ、Ｂと超電導コイルＣ、Ｄのハッチングの傾きが異なっている。これは、電流の方向が逆向きであることを表している。即ち、図３（ｂ）では、超電導コイルＡ、Ｃに逆向きの電流を流し、図３（ｃ）では、超電導コイルＢ、Ｄに逆向きの電流を流すのである。このように逆向きの電流を流すことにより、超電導コイルに発生する磁場同士が打ち消し合って、外部への磁場の漏洩を抑制することが可能となる。
【0032】
超電導コイルに流す電流により発生する磁場の解析結果について以下、説明する。
図４は、超電導コイルの配置を示す説明図である。図４（ａ）に平面図を示し、図４（ｂ）に斜視図を示した。
本解析では、超電導コイルの内径ｄ１を１００ｍｍ、外径ｄ２を２００ｍｍとし、高さｈを１００ｍｍ、ｘ方向の間隔ｄｘ、ｙ方向の間隔ｄ２をそれぞれ５０ｍｍとし、コイル巻数を５００、電流値を６００Ａとして解析を行った。
図４は、超電導コイルの配置を示す説明図である。図４（ａ）に平面図を示し、図４（ｂ）に斜視図を示した。
本解析では、超電導コイルの内径ｄ１を１００ｍｍ、外径ｄ２を２００ｍｍとし、高さｈを１００ｍｍ、ｘ方向の間隔ｄｘ、ｙ方向の間隔ｄ２をそれぞれ５０ｍｍとし、コイル巻数を５００、電流値を６００Ａとして解析を行った。
【0033】
図５は、磁場解析の結果（１）を示す説明図である。最上段の図は、超電導コイルＡにのみ通電をした状態を示している。超電導コイルＡ，Ｂと、超電導コイルＣ，Ｄの間の領域Ｓについて、磁場解析を行った結果を中段に示した。超電導コイルＡの影響が領域Ｓに現れていることが判る。下段には、中段の左右方向の磁場の強さを表すグラフを示した。中段の図で若干色濃くなっている部分が、下段のグラフのｘ＝０．１付近、即ち磁場の絶対値が最も大きくなっているところに対応する。
【0034】
図６は、磁場解析の結果（２）を示す説明図である。最上段の図は、４本の超電導コイルへの通電状態を示している。超電導コイルＡ，Ｄと、超電導コイルＢ，Ｃで逆方向に５０％の電流を通電している。
中段には、超電導コイル間の領域Ｓの磁場解析結果である。図５と比較で判る通り、超電導コイルで発生している磁場の影響が顕著に表れている様子はうかがわれない。下段には、領域Ｓの部分の磁場の強さを表すグラフを示した。図示する通り、磁場は激しく変動しているもののその範囲はプラスマイナス０．２Ｔ内であるから、磁場の強さは概ねゼロであると評価できる。このように、超電導コイルに電流を流す方向を逆にすることで、磁場が打ち消しあうため、外部への磁場の漏れを少なくすることができると考えられる。
中段には、超電導コイル間の領域Ｓの磁場解析結果である。図５と比較で判る通り、超電導コイルで発生している磁場の影響が顕著に表れている様子はうかがわれない。下段には、領域Ｓの部分の磁場の強さを表すグラフを示した。図示する通り、磁場は激しく変動しているもののその範囲はプラスマイナス０．２Ｔ内であるから、磁場の強さは概ねゼロであると評価できる。このように、超電導コイルに電流を流す方向を逆にすることで、磁場が打ち消しあうため、外部への磁場の漏れを少なくすることができると考えられる。
【0035】
図７は、磁場解析の結果（３）を示す説明図である。最上段は、通電の状態を表しており、全超電導コイルが同一の濃さで表されていることから、同一方向の電流を流した状態であることが判る。初期充電の状態がこれに相当する。中段には、超電導コイルの間の領域Ｓの磁場解析結果を示した。超電導コイルＡ、Ｃ間、および超電導コイルＢ，Ｄ間に色が濃い部分が現れており、磁場が大きく影響を受けていることが判る。下段に、磁場の強さを表すグラフを示した。中段の図と対応して、磁場の絶対値が大きい箇所が２カ所現れていることが判る。
【0036】
図８は、磁場解析の結果（４）を示す説明図である。最上段は、４本の超電導コイルへの通電状態を示しており、図６で示したのと同様、超電導コイルＡ，Ｄと、超電導コイルＢ，Ｃで逆方向に電流を通電している。ただし、図６よりも電流値は大きく、１００％の電流を通電している。
中段には、超電導コイル間の領域Ｓの磁場解析結果である。図６と同様、超電導コイルで発生している磁場の影響が顕著に表れている様子はうかがわれない。下段には、領域Ｓの部分の磁場の強さを表すグラフを示した。図６と同様、磁場の強さは概ねゼロであると評価できる。このように、超電導コイルに電流を流す方向を逆にすることで、電流値が大きい場合であっても、磁場が打ち消しあうため、外部への磁場の漏れを少なくすることができると考えられる。
中段には、超電導コイル間の領域Ｓの磁場解析結果である。図６と同様、超電導コイルで発生している磁場の影響が顕著に表れている様子はうかがわれない。下段には、領域Ｓの部分の磁場の強さを表すグラフを示した。図６と同様、磁場の強さは概ねゼロであると評価できる。このように、超電導コイルに電流を流す方向を逆にすることで、電流値が大きい場合であっても、磁場が打ち消しあうため、外部への磁場の漏れを少なくすることができると考えられる。
【0037】
以上の解析結果によれば、超電導コイルへの通電状態に応じて、コイル外部の磁場が大きく影響を受けることが判る。一般に、外部への磁場の漏れは少ない方が好ましいと考えられるため、かかる観点からは、図６、８で示したように、２本の超電導コイルに逆方向の電流を流すことが好ましいと言える。
ただし、超電導コイルへの通電は、他の要素も考慮して任意に決めればよい。このとき、解析結果で示したように、外部の磁場が影響を受けるため、かかる影響も考慮して超電導コイルへの通電を決定することが好ましい。
ただし、超電導コイルへの通電は、他の要素も考慮して任意に決めればよい。このとき、解析結果で示したように、外部の磁場が影響を受けるため、かかる影響も考慮して超電導コイルへの通電を決定することが好ましい。
【0038】
以上で説明した実施例の静止型磁気冷凍システムによれば、超電導コイルに初期充電で貯蔵したエネルギを、移送することにより、超電導コイルの磁場を変動させることができる。外部からほとんどエネルギを供給する必要がないため、非常に省エネルギで変動磁場を生成できる利点がある。
また、これを利用した静止型磁気冷凍システムは、従来の磁気冷凍システムで必要となっていた駆動機構、即ち、磁気遮蔽体または磁気作業物質を往復動させる機構が不要であるため、これらを駆動するためのエネルギも不要となる。さらに、駆動機構が不要であるため、構造が簡素化できる利点もある。
また、これを利用した静止型磁気冷凍システムは、従来の磁気冷凍システムで必要となっていた駆動機構、即ち、磁気遮蔽体または磁気作業物質を往復動させる機構が不要であるため、これらを駆動するためのエネルギも不要となる。さらに、駆動機構が不要であるため、構造が簡素化できる利点もある。
【0039】
以上で説明した種々の特徴は、必ずしも全てを備える必要はなく、適宜、その一部を省略したり組み合わせたりすることが可能である。
また、本発明は、上述の実施例に限らず、種々の変形例を構成することができる。実施例では、静止型磁気冷凍システムとしての例を示したが、本発明は、その他の用途に用いることもできる。かかる用途としては、例えば、核融合用コイルや電力安定化貯蔵システム用の冷却システムなど水素の凝縮を目的としない冷凍または冷却システムとしてもよい。また、変動磁場は、永久磁石の着磁などに適用してもよい。
また、本発明は、上述の実施例に限らず、種々の変形例を構成することができる。実施例では、静止型磁気冷凍システムとしての例を示したが、本発明は、その他の用途に用いることもできる。かかる用途としては、例えば、核融合用コイルや電力安定化貯蔵システム用の冷却システムなど水素の凝縮を目的としない冷凍または冷却システムとしてもよい。また、変動磁場は、永久磁石の着磁などに適用してもよい。
【産業上の利用可能性】
【0040】
本発明は、超電導コイルを用いた変動磁場の生成、およびこれを用いた静止型磁気冷凍に適用することができる。
【符号の説明】
【0041】
１０ 制御装置
１１ 設定入力部
１２ 初期充電制御部
１３ エネルギ移送制御部
２０ エネルギ移送回路
２２ 初期充電回路
２４ 電源
４０ 密閉容器
５０ 冷却装置
５１ 超電導コイル
５２ 磁気作業物質
５３ 熱スイッチ
５４ 熱伝送柱
５５ 排熱用冷却装置
５６ 水素貯槽
５７ 凝縮部
１１ 設定入力部
１２ 初期充電制御部
１３ エネルギ移送制御部
２０ エネルギ移送回路
２２ 初期充電回路
２４ 電源
４０ 密閉容器
５０ 冷却装置
５１ 超電導コイル
５２ 磁気作業物質
５３ 熱スイッチ
５４ 熱伝送柱
５５ 排熱用冷却装置
５６ 水素貯槽
５７ 凝縮部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
