JP2005530976A - 超伝導磁石と冷凍ユニットとを備えた超伝導装置 - Google Patents

Abstract

本発明の超伝導装置（２）は、冷媒なしの少なくとも１つの超伝導巻線（４ａ、４ｂ）を備えた超伝導磁石（３）と、少なくとも１つの低温ヘッド（６）を備えた冷凍ユニットを備える。巻線（４ａ、４ｂ）を低温ヘッド（６）に熱的に結合すべく、熱サイフォン効果に従い循環する冷媒（ｋ１、ｋ２）を封入した配管（１０ａ、１０ｂ）を備える配管系統（１０）を使用する。この結果、従来の浴冷却方式と比べ、冷媒の循環量を減らし、かつクエンチ状態での発生圧力を抑制できる。

Description

本発明は、冷媒なしの少なくとも１つの超伝導巻線を有する磁石と、少なくとも１つの低温ヘッドを有する冷凍ユニットと、少なくとも１つの巻線を少なくとも１つの低温ヘッドに熱的に結合するための手段とを備えた超伝導装置に関する。

そのような超伝導装置は、１９９７年、Elsevier Science出版の、１９９６年５月２４日、北九州市で開催の「第１６回、Cryog.Engng国際会議の議事録」〔ＩＣＥＣ１６〕の第１1０９〜１１３２頁で知られている。

極低温遷移温度Ｔｃを有し、低（Low）Ｔｃ超伝導材料、即ちＬＴＳ材料とも呼ばれる例えばＮｂＴｉやＮｂ₃Ｓｎ等の古くから知られている金属超伝導材料の他に、１９８７年以来、７７Ｋ以下の遷移温度Ｔｃを持つ金属酸化物超伝導材料も知られている。後者の材料は、高（High）Ｔｃ超伝導材料、即ちＨＴＳ材料とも呼ばれている。

かかるＨＴＳ材料を利用した導体で、超伝導材料巻線を作ることも試みられている。そのような巻線の導体は、利用する材料の高い遷移温度Ｔｃにも係わらず、特に誘導によりテスラ範囲の磁場において、なお非常に低い電流担持容量のために、例えば数テスラのような高い磁場強さにおいて大きな電流を担い得るようにすべく、７７Ｋ以下の温度レベル例えば１０〜５０Ｋに保たねばならない。

ＨＴＳ導体を備えた巻線を冷却すべく、上述の温度範囲では、密閉加圧ヘリウムガス回路付きの、所謂クライオクーラの形をした冷凍ユニットが好んで利用される。この種クライオクーラは、特にガイホードマクマホン型やスターリング型クーラとして、或いは所謂パルス管クーラとして形成されている。この冷凍ユニットは、ボタン操作で冷却が可能であり、極低温冷媒の取扱いを省けるという利点を有する。そのような冷凍ユニットを利用する際、例えば超伝導磁石巻線は、冷凍機の低温ヘッドへの熱伝導だけで間接的に冷却され、冷媒が存在しない（文献ＩＣＥＣ１６の上述した個所も参照）。

特にＭＲＩ（磁気共鳴断層撮影）装置の超伝導磁石装置の冷却は、今日ヘリウム冷却式磁石では、通常浴冷却にて実施されている（米国特許第６２４６３０８号明細書参照）。このため、非常に多量の、例えば数１００リットルの液体ヘリウムの貯蔵が必要となる。その貯蔵物は、磁石のクエンチ状態、即ち巻線の超伝導部分の通常伝導状態への移行時に、クライオスタット（低温槽）に望ましくない圧力を発生する。

ＬＴＳ磁石において、冷凍ユニットの低温ヘッドと磁石の超伝導巻線との間を、場合により、たわみ易く形成した銅パイプの形の熱良導性接続体で接続する冷凍機・冷却方式が既に実現している（文献ＩＣＥＣ１６の上述した個所、特に第１１１２〜１１１６頁も参照）。しかしその場合、低温ヘッドと被冷却対象物との間隔に応じ、良好な熱的結合のために必要な大きな横断面積が、冷媒量をかなり増大させる。これは、特にＭＲＩの利用時、空間的に広がった通常の磁石装置では、冷却時間が長くなるという欠点がある。

少なくとも１つの巻線の少なくとも１つの低温ヘッドへの、固形熱伝導体を介するそのような熱的結合の代わりに、ヘリウムガス流が循環する配管系統も利用できる（例えば米国特許第５４８５７３０号明細書参照）。

本発明の課題は、超伝導巻線の冷却費を減少させた、冒頭に述べた形式の超伝導装置を提供することにある。

この課題は、本発明に基づいて請求項１に記載の処置によって解決される。それに応じて、少なくとも１つの巻線と少なくとも１つの低温ヘッドとの熱的結合手段が、熱サイフォン効果に応じて循環する冷媒が封入された少なくとも１つの配管を備えた配管系統として形成される。ここで低温ヘッドとは、冷却力を冷媒に直接或いは間接的に与える冷凍ユニットのあらゆる任意の冷却面を意味する。

かかる配管系統は、低温ヘッドと超伝導巻線の間を、勾配をもって延びる少なくとも１つの密閉配管を備える。その勾配は、配管の少なくとも幾つかの部分で、水平線に対し通常０．５°以上、好適には１°以上である。配管内に存在する冷媒は、冷凍ユニットないし低温ヘッドの冷却面で再凝縮し、通常そこから超伝導巻線の範囲に送られ、そこで加熱されて気化する。気化した冷媒は、それから配管の内部で、低温ヘッドの冷却面の範囲に戻る。即ち冷媒の循環は、所謂「熱サイフォン効果」に基づいて行われる。

冷却力を巻線に伝達すべく、（相応した配管系統とも呼ばれる）そのような熱サイフォンを利用することで、極低温冷媒の必要な循環量は、浴冷却方式に比べて大幅に、例えば約１００分の１に減少する。更に、液体が、通常数ｃｍの大きさを持つ非常に小さな直径の配管内しか循環しないので、クエンチ状態における圧力発生は、問題なしに技術的に制御できる。特に冷媒としてヘリウムやネオンを利用する場合、系統内における液化冷媒の量の減少は、安全上の観点の他に、かなり大きな経費的な利点を生ずる。熱サイフォンは、更に熱伝導接続体による冷却に比べて、低温ヘッドと被冷却対象物との間における空間的距離に左右されない良好な熱的結合の利点を生ずる。

本発明に基づく超伝導装置の有利な実施態様を従属請求項に示す。

即ち、配管系統は、特に異なった凝縮温度を持つ別種の冷媒が封入された２つの配管を備える。例えば予冷に際し、適当な段階運転温度を利用する要件に応じて、冷媒の重なり合った運転温度による準連続的な熱的結合ができる。その場合、部分系統を、共通の低温ヘッドに接続するか、冷凍ユニットの別個の低温ヘッドに結合する。

超伝導装置の超伝導磁石がＨＴＳ材料を有し、特に７７Ｋ以下に保たれる巻線を含むと有利である。しかし勿論、本発明の超伝導装置は、ＬＴＳ磁石にも適用できる。

本発明による装置の他の有利な実施態様は、従属請求項に示すとおりである。

以下、図を参照し本発明に基づく超伝導装置の有利な実施例を詳細に説明する。

図１に本発明にとって重要な部分だけを示し、全体を符号２で示した超伝導装置は、特にＭＲＩ磁石装置の一部である。これは、所謂Ｃ形磁石を備えた公知の形態から出発している（例えば独国特許第１９８１３２１１号或いは欧州特許出願公開第０６１６２３０号明細書参照）。従ってこの装置は、ここでは詳細に述べない、好適には超伝導磁石３を備える。磁石３は水平平面内に位置する上側超伝導巻線４ａと、それに対し平行に配置された下側超伝導巻線４ｂとを備える。これら巻線は、特に高い電流担持容量を得るべく７７Ｋ以下の運転温度に保たれ、例えば（Ｂｉ、Ｐｂ、）₂Ｓｒ₂Ｃａ₂Ｃｕ₃Ｏｘ等の高Ｔｃ超伝導材料から成る導体で作られる。それらの巻線は環状をなす。各巻線は夫々図示しない適当な真空容器内に収納されている。

巻線４ａ、４ｂへの冷却力は、図示しない冷凍ユニットで用意され、このユニットは低温端に少なくとも１つの低温ヘッド６を備える。該ヘッド６は所定の温度レベルに保つべき低温面７を持つか、この面７に熱的に結合している。凝縮室８の内部空間がその低温面７に熱的に結合し、例えば低温面７がその内部空間の壁を形成している。図示の実施例では、凝縮室８の内部空間を２つの部分室９ａ、９ｂに分割している。第１部分室９ａに配管系統１０の配管１０ａを接続している。この配管は、まず部分室９ａから超伝導巻線４ａの範囲に導かれ、そこで巻線に良好に熱伝導接触している。例えば配管１０ａは、巻線の内側面に沿ってスパイラル状コイルの形で延びている。その内側面への設置は必ずしも必要ではなく、ただ重要なことは、配管が不変の勾配をもって巻線の全周に達し、そこで巻線の被冷却部分ないし導体に熱的に良好に結合していることである。配管１０ａは少なくともその主要部分が、水平線ｈと０．５°以上、好適には１°以上の勾配角（或いは傾斜角）αを成している。即ち、例えば巻線４ａの範囲の勾配角αは約３°である。配管１０ａはそれから下側巻線４ｂの範囲に導かれ、そこに上述と同様に配置されている。配管は先端１１が閉じている。配管１０ａの冷媒ｋ１を受容する横断面積ｑは小さいとよく、特に１０ｃｍ²以下である。図示の実施例では、ｑは約２ｃｍ²である。

勾配をもって敷設された配管１０ａ内に、第１冷媒ｋ１、例えばネオン（Ｎｅ）が存在する。この冷媒ｋ１は、配管１０ａとそれに接続された部分室９ａの中で、それ自体公知の熱サイフォン効果により循環する。この際、冷媒は部分室９ａ内で低温面７で凝縮し、液化状態で超伝導巻線の範囲に達する。冷媒はそこで加熱され、例えば少なくとも部分的に気化し、配管１０ａ内において部分室９ａに戻り、そこで再凝縮する。

図示の実施例では、配管系統１０は第２配管１０ｂを備える。この配管１０ｂは第１配管１０ａに対し平行に延び、別種の冷媒ｋ２を封入されている。この冷媒は第１冷媒ｋ１と異なる、即ち異なった凝縮温度、特に高い凝縮温度を有する。第２冷媒ｋ２として、例えば窒素（Ｎ₂）が選択される。配管１０ｂは凝縮室８の第２部分室９ｂに接続されている。第２冷媒ｋ２も同様に熱サイフォン効果で、密閉配管１０ｂと部分室９ｂ内を循環する。磁石巻線の冷却時、まず第２冷媒ｋ２が凝縮し、冷媒ｋ２として例えばＮ₂を利用する場合、巻線は約７０〜８０Ｋに予冷される。配管１０ａ内に存在する比較的低い凝縮温度を持つ第１冷媒ｋ１は、低温面７の一層の冷却により凝縮し、かくして、例えば第１冷媒ｋ１としてＮｅを利用する際、２０Ｋの所定の運転温度に更に冷却される。この運転温度で、第２冷媒ｋ２は部分室９ｂの範囲において凍結する。

本発明に基づく超伝導装置２は、図１に示す実施例とは別に、唯一の配管を備えた唯一の配管系統にすることも勿論できる。多数の配管を設ける場合、該配管を、別個の低温ヘッドや異なる温度レベルにある冷凍ユニット段に熱的に結合してもよい。特に熱シールドを冷却するために２段冷凍ユニットや２段低温ヘッドを設置する場合、例えばＮ₂或いはＡｒを封入したもう１つの熱サイフォン管により急速な予冷を行い、磁石巻線を第２段への熱的結合に加えて、第１（温熱）段にも結合できる。

上述の熱サイフォン式冷却法は、勿論、垂直に配置した巻線を有する磁石にも利用できる。図２は、そのような巻線を備えた本発明に基づく装置の実施例を示す。全体を符号１２で示すこの装置は、ソレノイド状超伝導磁石１３を有する。この磁石１３は、例えば軸方向に連続して位置する４つの超伝導巻線１３ｊ（ｊ＝１〜４）を備える。その個々の巻線は、例えば夫々両側端面が少なくとも略垂直に延び、例えば冷媒ｋ１を充填した配管１５ｉ（ｉ＝１〜８）を介して冷却される。即ちここでは、図１における実施例の場合のようなスパイラル形状は省き、勾配角αを、全体を符号２０で表した配管系統の大分部において約９０°としている。凝縮室１８と低温ヘッドは、必要な勾配を保証すべく、通常巻線の上側に配置している。水平に配置した巻線と異なり、１本の配管が全ての巻線に勾配を保って到達できないので、巻線毎に少なくとも1本の配管１５ｉが必要となる。

各配管１５ｉに十分な再凝縮冷媒ｋ１を供給可能とすべく、配管１５ｉで形成する全配管系統２０は、連通管系統として形成するか、巻線１３ｊの範囲で液化冷媒を大量に流さねばならない。図２においてｋ１は液化冷媒、ｋ１′は気化冷媒を示す。或いは各配管１５ｉは低温ヘッドに別個の凝縮（部分）室を保有せねばならない。

勿論、図２に示す本発明による装置１２′の実施例に対し、平行に延び異種の冷媒（ｋ１ないしｋ２）が封入された複数の配管を備えた配管系統も利用できる。

本発明による超伝導装置は、図示の実施例と異なり、異なる凝縮温度を持つ２種類の冷媒が混合物の形で存在する少なくとも１本の配管を備えた配管系統も利用できる。その結果、予冷時、まず最高凝縮温度を持つガスが凝縮し、被冷却巻線に熱伝達する密閉回路を形成する。該巻線をそのガスの三重点温度迄予冷した後、ガスは凝縮室の範囲で凍結し、それから、低い凝縮温度を持つ別の混合ガスが運転温度への一層の冷却を保証する。

実際に、所望の運転温度に応じ、冷媒としてＨｅ、Ｈ₂、Ｎｅ、Ｏ₂、Ａｒガス並びに種々の炭化水素物質が利用できる。各低温ガスの選択は、所定の運転温度において冷媒が同時に気相および液相で存在するように行う。かくして、熱サイフォン効果を利用した循環を保証できる。系統圧力を制限して封入量を的確に調整すべく、配管系統に温かいおよび／又は冷たい補償タンクを設ける。

勿論、冷媒の選択は、利用する超伝導材料にも左右される。Ｎｂ₃Ｓｎ等のＬＴＳ材料を利用するなら、冷媒としてＨｅのみが考慮の対象となる。

２つの巻線を備えたＭＲＩ磁石の冷却方式の概略断面図。 ４つの巻線を備えたＭＲＩ磁石の冷却方式の概略断面図。

符号の説明

３ 超伝導磁石、４ａ、４ｂ 超伝導巻線、１０ 配管系統、１０ａ、１０ｂ 配管、１３ 磁石、ｋ１、ｋ２ 冷媒

Claims (10)

1. 冷媒なしの少なくとも１つの超伝導巻線を有する磁石と、少なくとも１つの低温ヘッドを有する冷凍ユニットと、少なくとも１つの巻線を少なくとも１つの低温ヘッドに熱的に結合するための手段とを備えた超伝導装置において、
   熱的結合手段が、熱サイフォン効果に応じて循環する冷媒（ｋ１、ｋ１′、ｋ２）が封入された少なくとも１つの配管（１０ａ、１０ｂ、１５ｉ）を備えた配管系統（１０）として形成されたことを特徴とする超伝導装置。
2. 配管系統（１０）が、異なった凝縮温度を持つ別種の冷媒（ｋ１ないしｋ２）が封入された２つの配管（１０ａ、１０ｂ）を有することを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 配管（１０ａ、１０ｂ）が共通の低温ヘッド（６）に熱的に結合されたことを特徴とする請求項２記載の装置。
4. 配管が別個の低温ヘッドに熱的に結合されたことを特徴とする請求項２記載の装置。
5. 少なくとも１つの配管（１０ａ、１０ｂ）の少なくとも一部が、水平線（ｈ）に対して０．５°以上の勾配を有することを特徴とする請求項１から４の１つに記載の装置。
6. 冷媒（ｋ１、ｋ１′、ｋ２）を案内する少なくとも１つの配管（１０ａ、１０ｂ）の横断面積（ｑ）が、１０ｃｍ²以下であることを特徴とする請求項１から５の１つに記載の装置。
7. 超伝導巻線（４ａ、４ｂ、１４ｊ）が高Ｔｃ超伝導材料を含むことを特徴とする請求項１から６の１つに記載の装置。
8. 超伝導材料が７７Ｋ以下の温度に保たれることを特徴とする請求項７記載の装置。
9. 冷媒（ｋ１、ｋ２）として、異なった凝縮温度を持つ複数の冷媒成分の混合物が利用されることを特徴とする請求項１から８の１つに記載の装置。
10. 超伝導磁石（３、１３）がＭＲＩ装置の部品であることを特徴とする請求項１から９の１つに記載の装置。

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