出版社内容情報
本書は大学院教科書として編んだ。教科書だから先端的な成果を羅列することはしていない。講義や輪講の材料になるように、また、独習しても学習成果を確認するための演習問題を随所に用意してある。さらに、実際に冷凍システムを設計し、研究室によっては自製することになるときのためにデータ、資料も、学習の中で一度は目を通せるような形で組み込んでおいた。本書をよく勉強すれば、誰もが今の先端のその先をいけるはずである。
この本を編んだ動機は二つある。
もう１０年にもなるだろうか。わたしがまだ、企業研究所に席をおいていたとき、ある大学の大学院生（Ａ君）の訪問を受けた。来意は超電導マグネットを自製したい、というものだった。高磁界中でのダイヤモンド薄膜の蒸着を研究したいというのである。さいわい適当な超電導コイルが手許にあったので、磁界発生にはそれを使うことにして、問題はクライオスタットだった。いまのように高温超電導体リードなどまだ生まれていなかった。クライオスタットは真ん中に実験装置を収納する常温空間をもつ二重円筒状になる。いまだってそんなに簡単に作れるクライオスタットではない。それをＡ君は数度の来所のすえに見事に作りあげ、見事に高磁界中蒸着でダイヤモンド薄膜を作りあげて卒業していったのである。うす肉のステンレス管を購入し、自分でティグ溶接をし、液体窒素循環配管をした中間熱シールド層を組み込み、多層断熱マットを使い、重い超電導コイルを釣り、電流リードも自製し……といった具合である。この期間、何度かは研究所のショップを訪ねて製作技術についてのアドバイスを受けたようであるが、それにしても「やるもんだ！」というのがわたしの感想というよりも感嘆であった。 このときのある種の感激がいまでも残っている。そしてそのときからわたしの思いの中でときどきうづくのが、初回の来訪のときＡ君ともっと超電導マグネットというシステム、クライオスタットの構造、断熱技術の要点、まあ、まとめていうなら低温工学関連技術について共通知識にたって会話をしてみたかったということである。
Ａ君は二重構造の超電導マグネット実験装置を、それも難題のクライオスタットを見事に作りあげた。大学院生の誰もが超電導マグネット実験装置（もちろんクライオスタットはいまならクライオクーラ付きということになるかもしれない）を自製する必要はないかもしれない。しかし、それを使って実験するなら、また、就職先で高磁界を使うようなときには、基本的な設計仕様や場合によっては設計をしてもいいだろう。また、自分が購入手配する超電導マグネットや極低温装置についてきちんと評価できるほうが少なくとも高いものを押し付けられなくてすむ。
この本は、遅まきながらＡ君たちへのオマージュのつもりである。
二つ目の理由。１９８７年のこと。アメリカ大陸発見のコロンブスで有名なイタリアのジェノアで開催された国際低温工学会議で初めてヘリウムレス超電導マグネットとして報告された冷凍機直接冷凍式（略して直冷という）超電導マグネットのその後である。この直冷式超電導マグネットの設計が、本書での最終目的としている。この直冷式超電導マグネットは高温酸化物超電導体すなわち銅酸化物超電導セラミックスの誕生と高性能蓄冷材を使う最新クライオクーラー（小型極低温冷凍機）の進歩の申し子である。もちろん、浮上式リニアモーターカーを対象とする伝熱冷凍の超電導コイル開発のような応用超電導技術の進歩の成果も大きな役割を果たしている。応用超電導技術については他の書物を見ていただきたい。
直冷式超電導マグネットは、家庭の主婦が冷蔵庫を利用するのに冷媒やコンプレッサや冷凍装置の専門家である必要がないのと同じに、研究者や技術者が１２テスラもの高磁界を使うとき、あるいは直径３０ｃｍという大きな常温空間に高い磁界を発生したいときに、スイッチ一つで磁界を発生させることができるというものである。
ところで応用超電導の技術開発はこれまでに非常に長い時間を経過している。それは超電導技術が未熟なためではないと私は思っている。理由の第一は、応用超電導の対象が現用技術としての完成度の高いものであることにある。たとえば超電導発電機の超電導化をしても効率はわずかに１～０．５％効率アップするだけである。もちろん、日本の総発電量の１～０．５％といえば莫大な量であり省エネルギー効果は大きい。しかし、電力会社の売りものは電力の質でもある。信頼性、安定性の立証はチャンスがなければできない。また、核融合発電も浮上式リニアモーターカー鉄道も母体技術が開発中である。いま、超電導技術が出来上がったように見えるものであっても核融合発電、浮上式リニア実用のときにはいまより一層進んだものになっているはずのものである。
ということで応用超電導にとって応用の部分こそ重要である。ここまでのところ、すぐれた超電導の製品ができた、と大声をだすのはたいていの場合、超電導技術陣であった。だから、売り込み通りには超電導は実用になっていない。応用超電導にとってお客様こそ重要なのである。このよい例が医療用の磁気共鳴イメージング装置（ＭＲＩ）である。
ところが直冷式超電導マグネットについてはしっかりしたお客様がついたのである。東京大学大学院新領域創成科学研究科の北沢宏一教授は、人も知る高温超伝導ブームの火付け役のお一人だから、高温超電導体を要素部品としてできあがっている直冷式超電導マグネットに肩入れをしてくれるのは一種のマッチポンプ行動といえるのかもしれないが、直冷式超電導マグネットの顧客第一号になってくれただけではなく、その後の直冷式超電導マグネットの普及には大きな役割を果たしてくださっている。そればかりではない。その後の直冷式超電導マグネットの新しい需要をつくるのにも大きな力をふるってくれている。
この北沢教授に協力するような形で直冷式超電導マグネットも主役の一人として活動する舞台を作ってくださったのが科学技術振興財団の青柿良一博士である。いま、青柿博士が主宰する新磁気科学研究会では直冷式超電導マグネットが拓いた物理、化学、生体、機構など幅広い報告が行われている。本書が低温工学と称しながら、最終的には小型の冷凍機とその利用技術に焦点を絞っていったのは、この直冷式超電導マグネットの普及が頭にあるからである。そして、直冷式超電導マグネットならば、きちんとした教科書さえあれば沢山のＡ君の出現が期待できると考えたからである。
なお、ここで直冷式超電導マグネットの名前について断りをいれておきたい。直冷式超電導マグネットはもとより冷凍機直接冷却式超電導マグネットの省略である。東芝が初めてジェノアの国際低温工学学会やシカゴの国際応用超電導会議に報告したときの名前は、ヘリウムレス超電導マグネットであった。これ液体ヘリウムレス超電導マグネットというのが正しい表現かと思う。それで私はドライ・マグネットと略称している。しかし、たとえば（社）低温工学協会のあるグループは伝導式超伝導マグネットを使いたいと主張している。商品名となるともっとバラケてしまっている。たとえば、液体ヘリウムレスはまだよいほうで無冷媒超電導マグネットとかクライオゲンフリー超電導マグネットとかいうことになっている。理屈を言い合ったり悪口を言い合ったりでどれが本物、いや正式な呼称かはまだ決まっていない。いずれＪＩＳ（日本工業規格）とか学術用語として決るのだろうが、いまは、どの呼び方をしていても対象は一つ。間違うことはないだろう。ここではわたしの口をついて一番でやすい直冷式超電導マグネットを使わせてもらうことにした。
同じことは超デン導の電、伝でもいえる。執筆者全員がメンバーである（社）低温工学協会では投稿論文が電をつかっていても伝を使っていても受理してくれる。メンバーが学際的な構成になっていることが理由である。ちなみに、低温工学協会の学会活動を担当する部門は低温工学・超電導学会である。本書の読者がまだ文部省の管轄である大学所属なら超伝導を使うことになるだろう。わたしはコウモリを決め込むことにしている。場合に応じて電も伝も使う。短い文章の中に両方とも使うこともある。しかし、その時の態度はよくない、と自分でも知っている。役に立たない超伝導、役に立つ超電導というニュアンスを込めているからである。本書でもどちらも使うことにしたが、それはこんなふとどきな姿勢からではない。執筆者の立場を尊重したからである。
いずれにしても本書、「こんな低温工学の時代」を経験するわけである。
ところで「こんな低温工学の時代」というのは、単位の国際化、統一ということが実施されている中で圧力の単位も、歴史を引きずっている慣用的な単位と国際単位系(SI)お単位であるパスカル(Pa)が混在している時代である。本書で学ぶ学生が飛び込む技術世界では、まだまだ慣用的な単位を使う技術者が大勢存在する。そこでは慣用的な単位は情報交換を即効的なものにしてくれているという実績がある。したがって、本書では、パスカル(Pa)と基本としつつも、必要に応じて、気圧(atm)、水銀柱ミリメートル(mmHg)、トル(torr)、バール(bar)などの慣用的な単位を混在して使用している。そのため表3.8(p.116)のように一つの表の中にこれらの単位が混在する表もある。それでも著者にしても編集者にしてもそれなりに神経を使った結果である。蛇足にはなるがここでは次の換算表を適宜、利用していただきたい。
１Pa ＝ １ N/㎡ ＝ １kg/m・s^2
１bar ＝ 1.0 Mpa ＝ 100 kPa ＝1×10^5 Pa
１atm ＝ 0.101325 Mpa ＝ 760 ㎜Hg
１torr ＝ 0.133322 kPa ＝ １㎜Hg
執筆者間の物性値の数値のずれについても同じように考えていただきたい。いずれ気づかれることになるが第3章と第5章とで，たとえばn-H2の標準沸点の値が，それぞれ20.4，20.3と異なっている。また，窒素の臨界温度が，それぞれ126.3と126.2となっている。ほかにも表3.1や表3.2の数字で，最小桁のところでの数字が第5章と違っているものがある。第3章の伊藤先生の数値はこれまで教育の場で使い続けてきている数字である。一方，第5章，佐藤博士の方の数値は米国国立標準技術研究所（NIST，旧NBS）の最新の数字となっている。これはときどき見直しがかかるので，最新版として発表されたものを使用している。この二つの数値群の違いをどのように扱うかは，私に一任されることとなった。 はっきりした形で理由を記すことはしないが，以上のことを考え合わせて両方をそのままの形で印刷することにした。教科書のくせに何事かという批判を頂くことになるだろうが，私はその考え方とは逆に，低温工学に関する教科書だから許されることと思っている。物性値の数値のゆれは，圧力単位の混在とは違って，金輪際なくならないかも知れないという考えを持っているからだ。
もう一つ、学校（大学、大学院）を出て入る世界では数多くの原著論文や外国原書を読むことになるはずだ。30年前ならともかく、今はもう翻訳本なんてものを出してくれる出版社は減っている。ということで技術用語にはきめこまかく対応英語を入れて索引を作ってある。積極的に利用していただきたい。
1999年5月
荻原 宏康
第１部 低温工学の歴史と物理的な背景
第1章 冷凍技術の歴史
1.1 大昔，文明を手にし始めた人類の夢
1.2 低温工学はどのようにして生まれたか？
1.3 熱機関と冷凍機・液化機
1.4 新しい学問「熱力学」
1.5 ファン・デア・ワールスの状態方程式
1.6 温度に見る自然の豊かさ
-低温工学の対象とする温度範囲-
第2章 低温工学の物理的基礎
-冷媒(3He・4He)の物性と極低温生成-
2.1 液体4Heと超流動
1. 4He元素
2. ヘリウム原子間相互作用
3. ジュール-トムソン効果と逆転温度
4. 量子流体としての液体ヘリウム
5. 超流動の発見
6. 超流動現象と二流体モデル
コラム：フィルムフロー
7. 二流体モデル
8. ボース-アインシュタイン凝縮
9. ヘリウムにおける量子統計
10. ボース凝縮と相互作用
11. なぜ超流動になるか
12. 素励起(フォノン，ロトン，量子化うず)と臨界速度，乱流
コラム：超流動超音波顕微鏡
2.2 液体3Heと3He/4He混合液
1. 3He元素
2. 3Heの液化
3. 1K以下の液体3He
4. 3He/4He混合液
コラム：超流動3Heの発見と1996年度のノーベル物理学賞
2.3 極低温生成
1. 4Heの減圧沸騰による低温生成
2. 3Heクライオスタット
3. 3He/4He希釈冷凍機
4. 断熱消磁
5. 核断熱消磁
第２部 低温工学の熱工学としての基礎
第3章 低温生成の熱力学
3.1 熱力学の基礎
1. いくつかの用語
2. 熱力学の法則
3. 流体の巨視的性質
4. 過程の評価と有効エネルギー(エクセルギー)
演習問題1
5. クライオゲンの性質
6. ジュール-トムソン膨張と断熱膨張
演習問題2
演習問題3
演習問題4
7. 等エントロピー圧縮と等温圧縮
演習問題5
3.2 冷凍の基礎概念
1. 逆カルノーサイクルと逆カルノー冷凍機
演習問題6
2. 最小仕事と逆カルノーサイクル
演習問題7
3. 冷凍性能の評価
演習問題8
3.3 液化と液化機
1. 液化の意味と目的
2. 冷凍と液化
3. リンデｰハンプソン法
演習問題9
4. クロード法
演習問題10
演習問題11
第4章 冷凍技術
4.1 冷凍サイクルのエクセルギー評価
1. エクセルギーの定義
2. エクセルギー損失
3. エクセルギー効率
4. エクセルギー解析の実例
4.2 畜冷式冷凍機の熱力学的基礎
1. 冷凍サイクルの分類
2. スターリングサイクル
3. 振動流体のエネルギー輸送能力
4. 畜冷器の基本的機能
5. 畜冷器の効率
4.3 パルス管冷凍機
1. 基本構成
2. 位相制御機構
3. ベーシック型パルス管冷凍機
4. オリフィスおよびダブルインレット型パルス管冷凍機
5. GM方式パルス管冷凍機
第３部 低温工学の実際
第5章 冷媒の低温工学
5.1 冷媒の状態図と相変化
5.2 冷却温度と冷媒
5.3 大地中の冷媒
5.4 作業流体としてのヘリウム
1. エントロピー
2. ジュール-トムソン膨張とエンタルピー
3. エントロピーとエンタルピーの算出
5.5 効率的な冷やし方
5.6 超流動ヘリウム
1. 二流体モデル
2. 超流動ヘリウムの熱移送特性の限界
3. チャンネル中の熱移送
5.7 冷媒の危険性と取扱い法
コラム：Dance with Nitrogen
第6章 畜冷材の冷凍工学
6.1 蓄冷材の物理と熱力学
1. 畜冷材と畜冷器
2. 蓄冷材の役割
3. 磁性体を用いた蓄冷材
6.2 冷凍機の中での蓄冷材の役割
1. GM冷凍機
2. GM冷凍機の動作原理
3. 磁性蓄冷材を用いたGM冷凍機
4. 磁性蓄冷材式GM冷凍機の能力向上
5. 最近の研究開発の状況
6.3 冷凍機設計の演習
1. 設計計算の概要
2. 畜冷損失(畜冷効率)の考察
3. 冷凍機冷凍能力の見積り
6.4 断熱消磁とサブケルビン生成
1. 断熱消磁
2. サブケルビン生成
6.5 磁気冷凍
1. 基本原理
2. 静止型磁気冷凍機
第7章 低温維持のための技術
-クライオスタットの設計技術-
7.1 クライオスタットの概要
7.2 クライオスタットの断熱技術
1. 断熱技術の概要
2. 真空断熱技術と放射の断熱技術
演習問題1
3. 熱伝導に対する断熱技術
演習問題2
4. 電流リードの断熱技術
演習問題3
7.3 クライオスタットにおける小型冷凍機の選択
1. 小型冷凍機の分類と特徴
2. 4K冷凍機の選択
7.4 クライオスタット設計における注意事項
1. 熱伝導による温度差
演習問題4
2. 接触熱抵抗
3. 熱収縮
4. サーマル・オシレーション
7.5 実際のクライオスタット設計例
さくいん
内容説明
本書は大学院教科書として編んだ。教科書だから先端的な成果を羅列することはしていない。講義や輪講の材料になるように、また、独習しても学習成果を確認するための演習問題を随所に用意してある。さらに、実際に冷凍システムを設計し、研究室によっては自製することになるときのためにデータ、資料も、学習のなかで一度は目を通せるような形で組み込んでおいた。本書をよく勉強すれば、誰もが今の先端のその先をいけるはずである。
目次
第１部 低温工学の歴史と物理的な背景（冷凍技術の歴史；低温工学の物理的基礎）
第２部 低温工学の熱工学としての基礎（低温生成の熱力学；冷凍技術）
第３部 低温工学の実際（冷媒の低温工学；蓄冷材の冷凍工学；低温維持のための技術）
