JP2008034525A - 超電導磁石装置および磁気共鳴イメージング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】軽量かつ単純な構造で超電導コイルを支持しつつ、摩擦熱の発生を抑制できる支持構造体を備えた超電導磁石装置を提供する。
【解決手段】コイル軸２３が互いに一致し、コイル端面２４が対向するように配置され、作用する電磁力によって相互に引き合う複数の円筒形の超電導コイル６と、超電導コイル６の外周面２５を覆い、電磁力のコイル軸２３に垂直な径方向成分の作用により超電導コイル６に圧接される内周面を有する外周壁円筒２６と、外周壁円筒２６に対してコイル軸２３の方向に嵌合され、電磁力が作用することにより遊嵌状態になり、電磁力のコイル軸２３に平行な軸方向成分の作用により対向するコイル端面２４それぞれに圧接される互いに平行な側壁端面を有する壁側円筒２９とを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、超電導磁石装置および、それを用いた磁気共鳴イメージング(以下、ＭＲＩと称す)装置に関する。

ＭＲＩ装置は、核磁気共鳴（Nuclear Magnetic Resonance、以下ＮＭＲと称す）現象により水素原子核スピンが放出する電磁波を計測し、その電磁波を信号として演算処理することで、被検体を水素原子核密度によって断層像化するものである。水素原子核スピンが放出する電磁波の計測には、計測領域として、高強度な均一磁場領域を生成する必要があるので、超電導磁石装置が用いられている。

超電導磁石装置では、超電導コイルが超電導状態となる温度が極低温であるので、液体ヘリウム（Ｈｅ）を用いて冷却しているが、超電導コイルは、支持構造体によって支持されつつ電磁力が作用するので、超電導コイルと支持構造体との間で摩擦熱が生じ、超電導状態が壊れるクエンチが発生する場合が考えられた。

そこで、従来の支持構造体としては、電磁力に対抗して超電導コイルが動かないように強固に固定し摩擦熱を抑えるために、冷媒を保持する極低温容器と支持構造体を一体とする方式（例えば、特許文献１および非特許文献１参照）が提案されている。また、支持構造体を固定金具を用いて固定する方式が提案され、固定金具を含めた支持構造体の部品が溶接で締結される方式（例えば、特許文献２参照）と、ボルトもしくはキーで機械的に締結される方式（例えば、非特許文献２参照）が提案されている。
特開平１１−１２１２２３号公報 特開平６−２９０９３８号公報 「大型ヘリカル装置の超電導ヘリカルコイル」、核融合科学研究所ニュース、1995年(平成７年)２月 「トカマク国内重点化装置におけるトロイダル磁場コイル支持構造の評価・検討」、２００４年度秋期低温工学・超電導学会講演概要集

しかし、支持構造体で、超電導コイルを強固に固定すればするほど、支持構造体と超電導コイルとが圧接され、この圧接された箇所が電磁力によって擦れ、摩擦熱が発生する場合が考えられた。そして、このような摩擦熱の発生を避けるために、さらに、支持構造体で超電導コイルを強固に固定しようとすれば、支持構造体は重量化し複雑になると考えられた。

本発明は前記の課題を解決しようとするもので、その目的は、軽量かつ単純な構造で超電導コイルを支持しつつ、摩擦熱の発生を抑制できる支持構造体を備えた超電導磁石装置を提供し、さらに、この超電導磁石装置を用いたＭＲＩ装置を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明の超電導電磁石装置およびＭＲＩ装置は、コイル軸が互いに一致し、コイル端面が対向するように配置され、作用する電磁力によって相互に引き合う複数の円筒形の超電導コイルと、前記超電導コイルの外周面を覆い、前記電磁力の前記コイル軸に垂直な径方向成分の作用により前記超電導コイルに圧接される内周面を有する外周壁円筒と、前記外周壁円筒に対して前記コイル軸の方向に嵌合され、前記電磁力が作用することにより遊嵌状態になり、前記電磁力の前記コイル軸に平行な軸方向成分の作用により対向する前記コイル端面それぞれに圧接される互いに平行な側壁端面を有する壁側円筒とを有することを特徴とする。

このような超電導磁石装置およびＭＲＩ装置によれば、軽量かつ単純な構造で超電導コイルを支持しつつ、摩擦熱の発生を抑制できる支持構造体を備えた超電導磁石装置を提供し、さらに、この超電導磁石装置を用いたＭＲＩ装置を提供することができる。

次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１に示すように、第１の実施形態に係るＭＲＩ（磁気共鳴イメージング）装置１は、冷凍機４が突出しているものの略円筒形の超電導磁石装置２と、超電導磁石装置２の筒の中の撮像空間に挿入された被検体をのせるベッド３と、超電導磁石装置２を用いて被検体からの核磁気共鳴信号を解析し断層像化する制御装置５とを有している。

図２に示すように、第１の実施形態に係る超電導磁石装置２は、永久電流を流し磁場を発生させ、中心軸となるコイル軸２３が水平方向の円筒状の複数の超電導コイル６と、この超電導コイル６を冷媒８と共に収納する極低温容器９と、この極低温容器９を包囲するように設けられた熱シールド１１と、この熱シールド１１を包囲し、内部を真空に保持している真空容器１５と、冷凍機４とを有している。冷凍機４は、極低温に冷却する第２ステージと、中低温に冷却する第１ステージとを有する、具体的には二段ＧＭ冷凍機のような冷凍機である。冷凍機４は、メンテナンス時に脱着可能なように超電導磁石装置２に設置されている。凝縮機が取り付けられた第２ステージ１７では極低温容器９内で蒸発したヘリウムガスを冷却して再液化している。

複数の超電導コイル６は、コイル軸２３が互いに一致している。超電導コイル６のコイル軸２３を含む面での断面形状は、正方形又は長方形のような矩形であり、超電導コイル６の両端にあるコイル端面２４は、それぞれ平面上に配置され、互いに平行になっている。また、超電導コイル６のコイル端面２４は、隣接する超電導コイル６のコイル端面２４に対向して平行になるように配置されている。超電導コイル６の外周面２５は、コイル軸２３と平行に、コイル軸２３からどの周方向にも等距離になるように配置されている。

冷媒８は超電導コイル６を直接冷却し、具体的には、液体ヘリウム（Ｈｅ）が用いられている。冷媒８は、超電導コイル６によって温められると、冷凍機４の第２ステージ１７によって極低温に冷却される。極低温容器９は、複数の円環状の超電導コイル６それぞれに沿い収納するように、円環状に形成され、容積をできるだけ小さくしている。同様に、熱シールド１１は、円環状の極低温容器９に沿って覆うように、円環状に形成され、表面積をできるだけ小さくしている。真空容器１５は、円環状の熱シールド１１に沿って覆うように、円環状に形成され、容積をできるだけ小さくしている。

超電導磁石装置２が、室温の室内に配置されても、真空容器１５内が真空になっているので、室内の熱が伝導や自然対流で、極低温容器９に伝わることはない。また、熱シールド１１は、冷凍機４の第１ステージ１６によって冷却されることで、真空容器１５からの輻射熱を吸収し冷凍機４の第１ステージ１６に放出するので、輻射熱で極低温容器９が昇温されることはない。熱シールド１１は、冷凍機４の第１ステージ１６によって、冷媒８の温度の極低温と室温との間の中低温に設定される。

極低温容器９は荷重支持体２２によって支持され、荷重支持体２２は室内の床に固定される。熱シールド１１と真空容器１５も荷重支持体２２に支持されている。荷重支持体２２は、熱侵入を少なくする工夫がされている。こうして、超電導コイル６と極低温容器９は極低温に安定して設定されている。

真空容器１５の内周面にはそれぞれ、ＲＦコイル１９と、傾斜磁場コイル１８とが設けられている。ＭＲＩ装置１は、ＮＭＲ現象により水素原子核スピンが放出する核磁気共鳴信号を計測し、その核磁気共鳴信号を演算処理することで、ベッド３にのせられた被検体２１の体内を水素原子核密度によって断層像化する。その際に、被検体２１が入る撮像空間には、強度が０．２Ｔ以上の高強度であり、高い静磁場均一度を有する静磁場を生成させる。撮像空間の上下１対の傾斜磁場コイル１８は、撮像空間内の位置情報を得る目的で、磁場を空間的に変化させた傾斜磁場を撮像空間に印加する。さらに、撮像空間の上下１対のＲＦコイル１９は、ＮＭＲ現象を引起すための共鳴周波数の電磁波を撮像空間に印加する。これらにより、撮像空間内の微小領域ごとに水素原子核スピンが放出する核磁気共鳴信号を計測し、その核磁気共鳴信号を演算処理することで、被検体２１の体内を水素原子核密度によって断層像化することができる。

超電導コイル６は、支持構造体によって極低温容器９に支持されている。支持構造体は超電導コイル６と冷媒８と共に極低温容器９に収納されている。支持構造体は、超電導コイル６の外周面２５を内周面で覆うように配置される外周壁円筒２６と、隣り合う超電導コイル６の間に配置される壁側円筒２９と、超電導コイル６と極低温容器９との間に配置される円筒形のスペーサ３３とを有している。外周壁円筒２６と壁側円筒２９と円筒形のスペーサ３３のそれぞれの中心軸は、コイル軸２３に一致している。壁側円筒２９は、１対の片側円環２７とスペーサ円環２８とを有している。１対の片側円環２７とスペーサ円環２８のそれぞれの中心軸は、コイル軸２３に一致している。片側円環２７は、コイル端面２４に平行に対向し面接触可能な側壁端面を１つずつ有している。

また、スペーサ３３は、極低温容器９に接し、超電導コイル６と外周壁円筒２６と壁側円筒２９とを、極低温容器９の内壁から離している。スペーサ３３は、コイル側円環３１と容器側円環３２とを有している。コイル側円環３１と容器側円環３２のそれぞれの中心軸は、コイル軸２３に一致している。

理解を容易にするために、図３では、超電導磁石装置２から超電導コイル６と極低温容器９と支持構造体のみを記載し、極低温容器９は、円筒形から円柱形に変えている。

図２と図３に示すように、超電導コイル６と、支持構造体とは、溶接やボルトなどにより締結されていない。また、極低温容器９と、支持構造体とは、溶接やボルトなどにより締結されていない。さらに、外周壁円筒２６と壁側円筒２９も溶接やボルトなどにより締結されておらず、外周壁円筒２６とスペーサ３３も溶接やボルトなどにより締結されていない。さらに詳細には、片側円環２７とスペーサ円環２８も溶接やボルトなどにより締結されておらず、コイル側円環３１と容器側円環３２も溶接やボルトなどにより締結されていない。

このような、状態でどのように、支持構造体は超電導コイル６を極低温容器９中に支持するのかを以下に説明する。まず、超電導コイル６に通電されず、超電導コイル６に電磁力が作用していない場合の支持について説明する。

まず、壁側円筒２９は、外周壁円筒２６に対してコイル軸２３の方向に嵌合されている。この嵌合では、壁側円筒２９が内側に、外周壁円筒２６が外側になるように嵌め合わされる。スペーサ３３は、外周壁円筒２６に対してコイル軸２３の方向に嵌合されている。この嵌合では、スペーサ３３が内側に、外周壁円筒２６が外側になるように嵌め合わされる。外周壁円筒２６のコイル軸２３の方向の幅が、超電導コイル６のコイル軸２３の方向の幅より広く設定することにより、超電導コイル６の両側に、外周壁円筒２６によるひさしができ、これらの嵌合を可能にしている。

極低温容器９は、法線がコイル軸２３と平行で対向するフランジ３４を有しており、スペーサ３３は、フランジ３４に対してコイル軸２３の方向に嵌合されている。この嵌合では、スペーサ３３がフランジ３４の内側と外側のどちら側になるように嵌め合い交差されていてもよい。１対のフランジ３４はそれぞれ、極低温容器９の円筒形の胴部に溶接にて締結されている。

スペーサ円環２８は、一対の片側円環２７の間に設けられ、一対の片側円環２７に支持される。スペーサ円環２８は、一対の片側円環２７それぞれに対してコイル軸２３の方向に嵌合されている。この嵌合では、スペーサ円環２８が片側円環２７の内側と外側のどちら側になるように嵌め合わされていてもよい。

コイル側円環３１は、外周壁円筒２６に対してコイル軸２３の方向に嵌合されている。この嵌合では、コイル側円環３１が内側に、外周壁円筒２６が外側になるように嵌め合わされる。容器側円環３２は、コイル側円環３１とフランジ３４の間に設けられ、コイル側円環３１を支持し、フランジ３４に対してコイル軸２３の方向に嵌合されている。この嵌合では、容器側円環３２がフランジ３４の内側と外側のどちら側になるように嵌め合い交差されていてもよい。容器側円環３２は、コイル側円環３１に対してコイル軸２３の方向に嵌合されている。この嵌合では、容器側円環３２がコイル側円環３１の内側と外側のどちら側になるように嵌め合わされていてもよい。

以上のように複数の箇所で嵌合されることにより、電磁力が作用しない際の支持構造体による超電導コイルの支持が次のように可能になる。超電導コイル６と支持構造体には、それぞれの重力が作用しているので、支持されないと落下してしまうわけであるが、まず、容器側円環３２は、フランジ３４に嵌合されていることにより、フランジ３４に支持されている。次に、コイル側円環３１は、容器側円環３２に嵌合されていることにより、容器側円環３２に支持されている。さらに、外周壁円筒２６は、コイル側円環３１に嵌合されていることにより、コイル側円環３１に支持されている。超電導コイル６は、外周壁円筒２６に嵌められていることにより、外周壁円筒２６に支持されている。さらに、片側円環２７は、外周壁円筒２６に嵌合されていることにより、外周壁円筒２６に支持されている。最後に、スペーサ円環２８は、両側から片側円環２７に嵌合されていることにより、片側円環２７に支持されている。

以上により、超電導コイル６を極低温容器９から離間させ、かつ、隣接する超電導コイル６を互いに離間させた状態で、支持構造体は、超電導コイル６を支持することができる。なお、これらのことは、次のように考えることができる。

まず、スペーサ３３は、フランジ３４に嵌合されていることにより、フランジ３４に支持されている。外周壁円筒２６は、スペーサ３３に嵌合されていることにより、スペーサ３３に支持されている。超電導コイル６は、外周壁円筒２６に嵌められていることにより、外周壁円筒２６に支持されている。壁側円筒２９は、外周壁円筒２６に嵌合されていることにより、外周壁円筒２６に支持されている。

重力は、コイル軸２３と垂直な方向に働き、コイル軸２３と平行な方向には力は作用していないので、超電導コイル６と片側円環２７との間にはすきま３５が生じうるように力の相互作用は生じていない。同様に、図２と図３では図示を省略したが、超電導コイル６とコイル側円環３１との間にもすきま３５が生じうるように力の相互作用は生じていない。

また、スペーサ円環２８と片側円環２７との間にもすきま３５が生じうるようにコイル軸２３の方向の力の相互作用は生じていない。同様に、外周壁円筒２６と片側円環２７との間にもすきま３５が生じうるようにコイル軸２３の方向の力の相互作用は生じていない。図２と図３では図示を省略したが、フランジ３４と容器側円環３２との間にもすきま３５が生じうるようにコイル軸２３の方向の力の相互作用は生じていない。同様に、コイル側円環３１と容器側円環３２との間にもすきま３５が生じうるようにコイル軸２３の方向の力の相互作用は生じていない。コイル側円環３１と外周壁円筒２６との間にもすきま３５が生じうるようにコイル軸２３の方向の力の相互作用は生じていない。

次に、超電導コイル６に通電され、超電導コイル６に電磁力が作用している場合の支持について説明する。このような状態でどのように、支持構造体は超電導コイル６を極低温容器９中に支持するのかを以下に説明する。

図４に示すように、複数の超電導コイル６には、超電導コイル６が膨張するように作用するコイル軸２３に垂直な径方向成分３７と、複数の超電導コイル６が相互に引き合うように作用するコイル軸２３に平行な軸方向成分３８とからなる電磁力が作用する。

電磁力の径方向成分３７により、超電導コイル６が膨張することで、超電導コイル６のコイル外周面２５は、外周壁円筒２６の内周面に圧接する。この圧接により、外周壁円筒２６は、周方向に引き伸ばされるように張力が働くが、周方向に引き伸ばされることによりこの反作用で外周壁円筒２６に周方向に縮まろうとする張力が生じバランスする。超電導コイル６が膨張し、外周壁円筒２６が周方向に引き伸ばされることで、外周壁円筒２６の直径が大きくなり、外周壁円筒２６と壁側円筒２９とは遊嵌状態になり、すきま３５を生じさせることができる。具体的には、外周壁円筒２６と片側円環２７とが遊嵌状態になる。このため、超電導コイル６が膨張し、外周壁円筒２６が周方向に引き伸ばされた変形が、壁側円筒２９におよぶことはない。

電磁力の軸方向成分３８により、隣接する超電導コイル６が相互に引き合うことで、超電導コイル６それぞれのコイル端面２４は、それぞれのコイル端面２４に対向し平行な壁側円筒２９の壁側端面それぞれに圧接する。この圧接により、超電導コイル６のコイル端面２４と、壁側円筒２９の壁側端面との間のすきま３５は消失し、同様に、片側円環２７とスペーサ円環２８との間のすきま３５も消失し、隣接する超電導コイル６間の距離を一定に保つことができる。そして、超電導コイル６が引き合い、超電導コイル６間のすきま３５が消失する変形が発生しても、外周壁円筒２６と壁側円筒２９とは遊嵌状態になっているので、この変形が外周壁円筒２６におよぶことはない。

また、超電導コイル６が膨張し、外周壁円筒２６が周方向に引き伸ばされることで、外周壁円筒２６の直径が大きくなり、外周壁円筒２６とスペーサ３３とは遊嵌状態になり、すきま３５を生じさせることができる。具体的には、外周壁円筒２６とコイル側円環３１とが遊嵌状態になる。このため、超電導コイル６が膨張し、外周壁円筒２６が周方向に引き伸ばされた変形が、スペーサ３３におよぶことはない。

ここで、圧接する、超電導コイル６のコイル外周面２５と外周壁円筒２６の内周面とに注目する。超電導コイル６のコイル外周面２５と外周壁円筒２６の内周面との法線方向は、電磁力の径方向成分３７の方向と一致するので、超電導コイル６のコイル外周面２５と外周壁円筒２６の内周面とが擦れにくく、したがって、摩擦熱の発生が抑制できる。そして、外周壁円筒２６と壁側円筒２９とが遊嵌状態になり、壁側円筒２９の変形が外周壁円筒２６におよばないので、壁側円筒２９の変形によって、外周壁円筒２６は運動せず、超電導コイル６のコイル外周面２５と外周壁円筒２６の内周面とは擦れないので、このことによっても摩擦熱の発生を抑制できる。

同様に、圧接する、超電導コイル６のコイル端面２４と、壁側円筒２９の壁側端面とに注目すると、超電導コイル６のコイル端面２４と壁側円筒２９の壁側端面との法線方向は、電磁力の軸方向成分３８の方向と一致するので、超電導コイル６のコイル端面２４と壁側円筒２９の壁側端面とが擦れにくく、したがって、摩擦熱の発生が抑制できる。そして、外周壁円筒２６と壁側円筒２９とが遊嵌状態になり、外周壁円筒２６の変形が壁側円筒２９におよばないので、外周壁円筒２６の変形によって、壁側円筒２９は運動せず、超電導コイル６のコイル端面２４と壁側円筒２９の壁側端面とは擦れないので、このことによっても摩擦熱の発生を抑制できる。

なお、片側円環２７とスペーサ円環２８も圧接する。圧接する、片側円環２７の法線がコイル軸２３と平行な端面と、スペーサ円環２８の法線がコイル軸２３と平行な端面とに注目すると、これらの端面の法線方向は、電磁力の軸方向成分３８の方向と一致するので、これらの端面は互いに擦れにくく、したがって、摩擦熱の発生が抑制できる。そして、外周壁円筒２６と壁側円筒２９とが遊嵌状態にあるので、外周壁円筒２６の変形が壁側円筒２９におよばないので、外周壁円筒２６の変形によって、片側円環２７は運動せず、片側円環２７の端面とスペーサ円環２８の端面とは擦れないので、このことによっても摩擦熱の発生を抑制できる。

そして、このような支持構造体によれば、電磁力による、超電導コイル６の膨張に伴う外周壁円筒２６の変形を許容でき、超電導コイル６が引き合うことによる壁側円筒２９の変形を許容できるので、従来の変形をさせない支持構造体に比べ、軽量かつ単純な構造にすることができる。そして、溶接もしくはボルトやキーの締結機構を使用せずに支持構造体を構成できるので、構造が簡略化されコストが低減される効果がある。また、単純に支持構造体の部品を積上げて極低温容器９のフランジ３４と胴部を溶接するだけで組立てられるため、締結構造を組立てる為の工数が低減でき製造効率が向上できる。

（第２の実施形態）
図５（ａ）に示すように、第２の実施形態に係る超電導磁石装置２の図面の記載では、図３と図４と同様に本発明の理解を容易にするために、超電導磁石装置２から超電導コイル６と極低温容器９と支持構造体のみを記載し、真空容器１５等は記載を省略し、極低温容器９は円筒形から円柱形に変えている。

図５（ａ）と（ｂ）に示すように、第２の実施形態に係る超電導磁石装置２は、スペーサ円環２８が、一対の片側円環２７それぞれに、全周ではない離散した数箇所の溶接部３９での隅肉溶接により締結されている点と、容器側円環３２が、コイル側円環３１に、全周ではない離散した数箇所の溶接部３９での隅肉溶接により締結されている点が、第１の実施形態の超電導磁石装置２とは異なっている。

溶接部３９は、位置決めのみを目的として浅く溶接しているので、溶接された支持構造体の部品が変形することはない。また、電磁力は、溶接部３９を剥がしたりして破壊する方向の力として作用しないので、溶接部３９は、超電導コイル６と支持構造体の重さを支えられるだけの強度があればよい。溶接部３９を用いることで、嵌合の構造を省略することができ、支持構造体の構造が単純になり、製造工程を一層容易にすることができる。

一方、スペーサ３３は、フランジ３４に嵌合されていることにより、フランジ３４に支持され、外周壁円筒２６は、スペーサ３３に嵌合されていることにより、スペーサ３３に支持され、超電導コイル６は、外周壁円筒２６に嵌められていることにより、外周壁円筒２６に支持され、壁側円筒２９は、外周壁円筒２６に嵌合されていることにより、外周壁円筒２６に支持されている。この構造は、第１の実施形態と同じであるので、第１の実施形態と同じ効果を得ることができる。

（第３の実施形態）
図６に示すように、第３の実施形態に係る超電導磁石装置２の図面の記載では、図３と図４と同様に本発明の理解を容易にするために、超電導磁石装置２から超電導コイル６と極低温容器９と支持構造体のみを記載し、真空容器１５等は記載を省略し、極低温容器９は円筒形から円柱形に変えている。

図６に示すように、第３の実施形態に係る超電導磁石装置２は、スペーサ円環２８が、一対の片側円環２７それぞれに、接着剤４１により締結されている点と、容器側円環３２が、コイル側円環３１に、接着剤４１により締結されている点が、第１および第２の実施形態の超電導磁石装置２とは異なっている。

接着剤４１により支持構造体に部品を締結すれば、支持構造体の部品が変形することがない。また、電磁力は、接着剤４１を剥がしたりして破壊する方向の力として作用しないので、接着剤４１は、超電導コイル６と支持構造体の重さを支えられるだけの強度があればよい。接着剤４１を用いることで、嵌合の構造を省略しすることかでき、支持構造体の構造が単純になり、製造工程を一層容易にすることができる。

一方、スペーサ３３は、フランジ３４に嵌合されていることにより、フランジ３４に支持され、外周壁円筒２６は、スペーサ３３に嵌合されていることにより、スペーサ３３に支持され、超電導コイル６は、外周壁円筒２６に嵌められていることにより、外周壁円筒２６に支持され、壁側円筒２９は、外周壁円筒２６に嵌合されていることにより、外周壁円筒２６に支持されている。この構造は、第１の実施形態と同じであるので、第１の実施形態と同じ効果を得ることができる。

（第４の実施形態）
図７に示すように、第４の実施形態に係る超電導磁石装置２の図面の記載では、図３と図４と同様に本発明の理解を容易にするために、超電導磁石装置２から超電導コイル６と極低温容器９と支持構造体のみを記載し、真空容器１５等は記載を省略し、極低温容器９は円筒形から円柱形に変えている。

図７に示すように、第４の実施形態に係る超電導磁石装置２は、超電導コイル６の外周面と、外周壁円筒２６の内周面との間に、潤滑剤４２が挿入されている点と、コイル端面２４と、壁側円筒２９の壁側端面との間に、潤滑剤４２が挿入されている点と、コイル端面２４と、スペーサ３３の端面との間に、潤滑剤４２が挿入されている点とが、第１の実施形態の超電導磁石装置２とは異なっている。

支持構造体と超電導コイル６とは、超電導コイル６に電磁力が作用し膨張する際に、支持構造体と超電導コイル６の間に、クエンチ原因となる摩擦による摩擦熱が生じると考えられる。そこで、支持構造体と超電導コイル６の間に潤滑剤４２を挟むことで、支持構造体と超電導コイル６の間の摩擦係数を低減し、摩擦熱をクエンチが生じない程度にまで低減している。潤滑剤４２としては、板状に成形した潤滑板を用いることができる。潤滑板を超電導コイル６に接着することで、支持構造体と潤滑板との間を滑らすことができる。この滑りにより発生した摩擦熱は、潤滑板に熱伝導率が低い材質を使用することで超電導コイル６に伝わり難くすることができる。また、潤滑板を支持構造体と一体化してもよい。この場合は、支持構造体に潤滑板を貼り付けるだけでなく、潤滑剤４２を支持構造体に塗布する方法が用いることが出来るため、製作が容易というメリットがある。

（第５の実施形態）
図８と図９に示すように、第５の実施形態に係る超電導磁石装置２は、図２の複数の外周壁円筒２６は、互いに連結され一体型外周壁円筒４５を構成している点と、複数の超電導コイル６の内周面に接し、壁側円筒２９とスペーサ３３を固定し、中心軸がコイル軸２３に一致している内周壁円筒４３をさらに有する点とが、第１の実施形態の超電導磁石装置２とは異なっている。そして、壁側円筒２９とスペーサ３３と内周壁円筒４３とは一体になり、一体型ボビン４４が構成されている。

なお、図９は、図３と図４と同様に本発明の理解を容易にするために、超電導磁石装置２から超電導コイル６と極低温容器９と支持構造体のみを記載し、真空容器１５等は記載を省略し、極低温容器９は円筒形から円柱形に変えている。

スペーサ３３は、フランジ３４に嵌合されていることにより、フランジ３４に支持され、このことにより、一体型ボビン４４が支持される。一体型ボビン４４が支持されることにより、内周壁円筒４３が支持され、内周壁円筒４３に固定された壁側円筒２９が支持され、内周壁円筒４３に内周が接する超電導コイル６が支持される。一体型外周壁円筒４５は、複数の超電導コイル６に嵌められることによりに支持され、スペーサ３３と壁側円筒２９には溶接等で締結されていない。ここで、電磁力により超電導コイル６が膨張し、外周壁円筒２６を連結した一体型外周壁円筒４５が周方向に引き伸ばされ、一体型外周壁円筒４５の直径が大きくなり、一体型外周壁円筒４５と壁側円筒２９とが遊嵌状態になり、すきまを生じさせることができるような構造は、第１の実施形態と同じであるので、第１の実施形態と同じ効果を得ることができる。

（第６の実施形態）
図１０に示すように、第６の実施形態に係る超電導磁石装置の図面の記載では、図３と図４と同様に本発明の理解を容易にするために、超電導磁石装置から超電導コイル６と極低温容器９と支持構造体のみを記載し、真空容器１５等は記載を省略し、極低温容器９は円筒形から円柱形に変えている。

図１０に示すように、第６の実施形態に係る超電導磁石装置は、超電導コイル６毎に設けられた外周壁円筒２６は互いに連結されている点と、スペーサ３３が荷重支持体２２を兼ねて連結された外周壁円筒２６を支持している点と、外周壁円筒２６が、壁側円筒２９と超電導コイル６とを支持している点とが、第１の実施形態の超電導磁石装置２とは異なっている。極低温容器９とスペーサ３３との間は溶接し極低温容器９内部を密封している。

なお、荷重不支持スペーサ４６が、フランジ３４に嵌合され支持されているが、荷重不支持スペーサ４６と超電導コイル６との間にはすきま３５が生じ得るように、荷重不支持スペーサ４６には、超電導コイル６の荷重はかからず、超電導コイル６のコイル軸２３の方向のゆれ等の運動を抑制する。

連結された外周壁円筒２６の内周面には、中央側の深いところほど、内径を小さくした段差が設けられている。この段差により、壁側円筒２９のコイル軸２３の方向の位置決めができる。そして、この位置決めにより、超電導コイル６は壁側円筒２９接するように配置されるので、超電導コイル６の位置決めもすることができる。

外周壁円筒２６は壁側円筒２９と超電導コイル６とを嵌合することで支持しており、特に、外周壁円筒２６と壁側円筒２９とは、溶接等で締結されていない。ここで、電磁力により超電導コイル６が膨張し、外周壁円筒２６が周方向に引き伸ばされ直径が大きくなり、外周壁円筒２６と壁側円筒２９とが遊嵌状態になり、すきま３５を生じさせることができるような構造は、第１の実施形態と同じであるので、第１の実施形態と同じ効果を得ることができる。

（第７の実施形態）
図１１に示すように、第７の実施形態に係る超電導磁石装置の図面の記載では、図３と図４と同様に本発明の理解を容易にするために、超電導磁石装置から超電導コイル６と極低温容器９と支持構造体のみを記載し、真空容器１５等は記載を省略し、極低温容器９は円筒形から円柱形に変えている。

図１１に示すように、第７の実施形態に係る超電導磁石装置は、複数のシールドコイル４７を有している点が、第６の実施形態の超電導磁石装置とは異なっている。超電導磁石装置では、磁場を外部に漏洩させないために超電導コイル（メインコイル）６の外部における磁場を打ち消すために、シールドコイル４７を、一連の超電導コイル６の中の外側の一対の超電導コイル６のそれぞれの外側に設置する。このため一対のシールドコイル４７は超電導コイル６とは向きを逆に通電して、相互に反発し合うように電磁力がシールドコイル４７に作用する。このため、電磁力の軸方向成分５４は外向きとなる。シールドコイル４７は、円筒形であり、その中心軸がコイル軸２３に一致している。そして、複数のシールドコイル４７は、互いの端面が対向するように配置されている。

さらに、超電導磁石装置は、シールド内周壁円筒４９と、シールド壁側円筒５１と、シールドスペーサ５２とを有している。シールド内周壁円筒４９は、シールドコイル４７の内周面に接してシールドコイル４７を支持し、中心軸がコイル軸２３に一致している。シールド壁側円筒５１は、シールドコイル４７に作用する電磁力のコイル軸２３に平行な軸方向成分３８の作用によりシールドコイル４７それぞれに圧接されるシールド側壁端面を有している。シールドスペーサ５２は、シールド内周壁円筒４９とシールド壁側円筒５１とを、外周壁円筒２６、壁側円筒２９、スペーサ３３の少なくともいずれか1つ、図１１では外周壁円筒２６に固定し、シールドコイル４７の外周面を極低温容器９の内壁から離している。また、シールド内周壁円筒４９とシールド壁側円筒５１とは、シールドコイルボビン５５として、一体成形すればよい。シールドスペーサ５２とシールドコイルボビン５５とは、ボルト等により機械的に締結すればよい。同様に、シールドスペーサ５２と、外周壁円筒２６、壁側円筒２９、スペーサ３３の少なくともいずれか1つ、図１１では外周壁円筒２６とも、ボルト等により機械的に締結すればよい。

（第８の実施形態）
図１２に示すように、第８の実施形態に係る超電導磁石装置の図面の記載では、図３と図４と同様に本発明の理解を容易にするために、超電導磁石装置から超電導コイル６と極低温容器９と支持構造体のみを記載し、真空容器１５等は記載を省略し、極低温容器９は円筒形から円柱形に変えている。

図１２に示すように、第８の実施形態に係る超電導磁石装置は、シールドコイルボビン５５がフランジ３４に嵌合されていることで支持されている点と、シールドコイル４７の外周面が、シールド外周円筒５６で覆われている点が、第７の実施形態の超電導磁石装置とは異なっている。そして、フランジ３４から嵌合されているシールドコイルボビン５５が抜けないように、一対のシールドコイルボビン５５の間に、位置決め板５７が設けられている。

シールドコイル４７に関して、電磁力によりシールドコイル４７が膨張し、シールド外周壁円筒５６が周方向に引き伸ばされ直径が大きくなり、シールド外周壁円筒５６とシールド壁側円筒５１とが遊嵌状態になり、すきま３５を生じさせることができるような構造は、第１の実施形態の超電導コイル６の場合と同じであるので、第１の実施形態の超電導コイル６の場合と同じ効果を得ることができる。

（第９の実施形態）
図１３に示すように、第９の実施形態に係る超電導磁石装置の図面の記載では、図３と図４と同様に本発明の理解を容易にするために、超電導磁石装置から超電導コイル６と極低温容器９と支持構造体のみを記載し、真空容器１５等は記載を省略し、極低温容器９は円筒形から円柱形に変えている。

図１３に示すように、第９の実施形態に係る超電導磁石装置は、一体型ボビン４４が用いられている点で第５の実施形態の超電導磁石装置と同じであり、シールドコイルボビン５５とシールドスペーサ５２とが用いられている点で第７の実施形態の超電導磁石装置と同じである。この２点を両立させるために、一体型ボビン４４をスペーサ３３に支持させるためのスペーサ５９が新たに設けられている。また、シールドコイルボビン５５を、シールドスペーサ５２を介して、スペーサ３３に支持させるために、新たにシールド支持円筒５８が設けられている。このため、第７と第９の実施形態の場合と同じ効果を得ることができる。

（第１０の実施形態）
図１４（ａ）と（ｂ）に示すように、第１０の実施形態に係る超電導磁石装置の図面の記載では、図３と図４と同様に本発明の理解を容易にするために、超電導磁石装置から超電導コイル６と極低温容器９と支持構造体のみを記載し、真空容器１５等は記載を省略し、極低温容器９は円筒形から円柱形に変えている。

図１４（ａ）と（ｂ）に示すように、第１０の実施形態に係る超電導磁石装置は、対向する一対のフランジ３４の間隔が狭くなるような曲げ応力６０が、極低温容器９に掛かっている点で第１の実施形態の超電導磁石装置と異なっている。この相違点により、第１の実施形態の超電導磁石装置内、特に、支持構造体内と支持構造体とフランジ３４の間に生じていたすきま３５を消失させることができる。すきま３５の消失により、支持構造体の部品間の片あたりが防げ、片あたりによる局所的な摩擦による摩擦熱の発生を抑制することができる。これは、必要とされる曲げ応力６０の大きさは、電磁力に比べて桁違いに小さくてすむからである。曲げ応力６０を生むためには、支持構造体を挟み込む一対のフランジ３４の間隔が軸方向に縮むように、フランジ３４あるいは極低温容器に胴部をたわませたまま、フランジと胴部とを溶接すればよい。

なお、電磁力により超電導コイル６が膨張し、外周壁円筒２６が周方向に引き伸ばされて直径が大きくなり、外周壁円筒２６と壁側円筒２９とが遊嵌状態になったことによるすきま３５は、消失しない。このすきま３５は消失せずに残りうることで、第１の実施形態と同じ効果を得ることができる。

（第１１の実施形態）
図１４（ｃ）に示すように、第１１の実施形態に係る超電導磁石装置は、超電導コイル６に巻かれた超電導線材６２に引っ張り応力が掛かっている点で、第１乃至第１０の実施形態の超電導磁石装置と異なっている。超電導コイル６は、超電導線材６２が複数回巻かれ、超電導線材６２の間には樹脂６１が埋め込まれている。超電導コイル６に通電されると、超電導線材６２の間に斥力が生じ、このことにより、超電導コイル６が膨張している。樹脂６１は、超電導線材６２を固定することで、超電導コイル６の膨張を低減させている。第１１の実施形態では、超電導線材６２に引っ張り応力が掛かっているので、一層、超電導コイル６の膨張を低減させることができる。超電導コイル６の膨張が低減できれば、外周壁円筒２６が周方向に引き伸ばされたことによる直径の増加は小さくてすみ、超電導コイル６と支持構造体の間のクエンチの原因となる擦れの長さが短くなるので、摩擦熱をクエンチが生じない程度にまで低減できる。なお、小さくなっても、外周壁円筒２６の直径は増加するので、外周壁円筒２６と壁側円筒２９とは遊嵌状態になり、第１の実施形態と同じ効果を得ることができる。

本発明の一実施形態に係る磁気共鳴イメージング装置の斜視図である。 図１のＡ−Ａ方向の断面図である。 図２から本発明の一実施形態に係る超電導磁石装置の主要部を抜き出して記載した断面図である。 電磁力が発生しているときの超電導磁石装置の主要部の断面図である。 （ａ）は、本発明の一実施形態に係る超電導磁石装置の主要部の電磁力が発生しているときの断面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＢ−Ｂ方向の断面図である。 本発明の一実施形態に係る超電導磁石装置の主要部の電磁力が発生しているときの断面図である。 本発明の一実施形態に係る超電導磁石装置の主要部の電磁力が発生しているときの断面図である。 本発明の一実施形態に係る磁気共鳴イメージング装置の断面図である。 図８から本発明の一実施形態に係る超電導磁石装置の主要部を抜き出して記載した断面図である。 本発明の一実施形態に係る超電導磁石装置の主要部の電磁力が発生しているときの断面図である。 本発明の一実施形態に係る超電導磁石装置の主要部の電磁力が発生しているときの断面図である。 本発明の一実施形態に係る超電導磁石装置の主要部の電磁力が発生しているときの断面図である。 本発明の一実施形態に係る超電導磁石装置の主要部の電磁力が発生しているときの断面図である。 （ａ）は、本発明の一実施形態に係る超電導磁石装置の主要部を抜き出して記載した断面図であり、（ｂ）は、その超電導磁石装置に電磁力が発生しているときの断面図であり、（ｃ）は、超電導コイルの断面図である。

符号の説明

１ ＭＲＩ（磁気共鳴イメージング）装置
２ 超電導磁石装置
６ 超電導コイル
８ 冷媒
９ 極低温容器
２２ 荷重支持体
２３ コイル軸
２４ コイル端面
２５ コイル外周面
２６ 外周壁円筒
２７ 片側円環
２８ スペーサ円環
２９ 壁側円筒
３１ コイル側円環
３２ 容器側円環
３３ スペーサ
３４ フランジ
３５ すきま
３７ 電磁力の径方向成分
３８ 電磁力の軸方向成分
４１ 接着層
４２ 潤滑板
４３ 内周壁円筒
４４ 一体型ボビン
４５ 一体型外周壁円筒
４７ シールドコイル
４８ シールドコイルの内周面
４９ シールド内周壁円筒
５１ シールド壁側円筒
５２ シールドスペーサ
５３ 電磁力の径方向成分
５４ 電磁力の軸方向成分
５５ シールドコイルボビン
５６ シールド外周壁円筒
５８ シールド支持円筒
５９ スペーサ
６０ 曲げ応力
６１ 樹脂
６２ 超電導線材

Claims (20)

1. コイル軸が互いに一致し、コイル端面が対向するように配置され、作用する電磁力によって相互に引き合う複数の円筒形の超電導コイルと、
   前記超電導コイルの外周面を覆い、前記電磁力の前記コイル軸に垂直な径方向成分の作用により前記超電導コイルに圧接される内周面を有する外周壁円筒と、
   前記外周壁円筒に対して前記コイル軸の方向に嵌合され、前記電磁力が作用することにより遊嵌状態になり、前記電磁力の前記コイル軸に平行な軸方向成分の作用により対向する前記コイル端面それぞれに圧接される互いに平行な側壁端面を有する壁側円筒とを有することを特徴とする超電導磁石装置。
2. 前記超電導コイルと、前記外周壁円筒と、前記壁側円筒とを冷媒と共に収納する極低温容器と、
   前記極低温容器に接し、前記超電導コイルと前記外周壁円筒と前記壁側円筒とを、極低温容器の内壁から離すスペーサをさらに有することを特徴とする請求項１に記載の超電導磁石装置。
3. 前記スペーサは、前記外周壁円筒に対して前記コイル軸の方向に嵌合され、前記電磁力が作用することにより遊嵌状態になることを特徴とする請求項２に記載の超電導磁石装置。
4. 前記極低温容器は、法線が前記コイル軸と平行で対向するフランジを有し、
   前記スペーサは、軸が前記コイル軸に一致する円筒であり、前記フランジに対して前記コイル軸の方向に嵌合されていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の超電導磁石装置。
5. 前記外周壁円筒の前記コイル軸の方向の幅は、前記超電導コイルの前記コイル軸の方向の幅より広いことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の超電導磁石装置。
6. 前記壁側円筒は、
   前記側壁端面を１つずつ有する一対の片側円環と、
   一対の前記片側円環の間に設けられ、一対の前記片側円環に支持され、軸が前記コイル軸に一致するスペーサ円環とを有することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の超電導磁石装置。
7. 前記スペーサ円環は、一対の前記片側円環それぞれに対して前記コイル軸の方向に嵌合されていることを特徴とする請求項６に記載の超電導磁石装置。
8. 前記スペーサ円環は、一対の前記片側円環それぞれに溶接または接着剤により締結されていることを特徴とする請求項６に記載の超電導磁石装置。
9. 前記スペーサは、
   前記外周壁円筒に対して前記コイル軸の方向に嵌合され、前記電磁力が作用することにより遊嵌状態になるコイル側円環と、
   前記コイル側円環と前記フランジの間に設けられ、前記コイル側円環を支持し、軸が前記コイル軸に一致し、前記フランジに対して前記コイル軸の方向に嵌合されている容器側円環とを有することを特徴とする請求項２乃至請求項８のいずれか１項に記載の超電導磁石装置。
10. 前記容器側円環は、前記コイル側円環に対して前記コイル軸の方向に嵌合されていることを特徴とする請求項９に記載の超電導磁石装置。
11. 前記容器側円環は、前記コイル側円環に溶接または接着剤により締結されていることを特徴とする請求項９に記載の超電導磁石装置。
12. 前記超電導コイルの外周面と、前記外周壁円筒の内周面との間に、潤滑剤が挿入されていることを特徴とする請求項１乃至請求項１１のいずれか１項に記載の超電導磁石装置。
13. 前記コイル端面と、前記側壁端面との間に、潤滑剤が挿入されていることを特徴とする請求項１乃至請求項１２のいずれか１項に記載の超電導磁石装置。
14. 前記超電導コイルに巻かれた超電導線材には、引っ張り応力が掛かっていることを特徴とする請求項１乃至請求項１３のいずれか１項に記載の超電導磁石装置。
15. 対向する前記フランジの間隔が狭くなるような応力が、前記極低温容器に掛かっていることを特徴とする請求項１乃至請求項１４のいずれか１項に記載の超電導磁石装置。
16. 前記外周壁円筒は、互いに連結され、
    前記スペーサは、連結された前記外周壁円筒を支持していることを特徴とする請求項２乃至請求項１５のいずれか１項に記載の超電導磁石装置。
17. 複数の前記超電導コイルの内周面に接し、前記壁側円筒を固定し、軸が前記コイル軸に一致している内周壁円筒をさらに有することを特徴とする請求項２乃至請求項１６のいずれか１項に記載の超電導磁石装置。
18. 前記内周壁円筒は、前記スペーサを固定していることを特徴とする請求項１７に記載の超電導磁石装置。
19. 軸が前記コイル軸に一致し、前記超電導コイルの外側に、端面が対向するように配置され、作用する電磁力によって相互に反発し合う複数の円筒形のシールドコイルと、
    前記シールドコイルの内周面に接し、前記シールドコイルを支持し、軸が前記コイル軸に一致しているシールド内周壁円筒と、
    前記シールドコイルに作用する電磁力の前記コイル軸に平行な軸方向成分の作用により前記シールドコイルそれぞれに圧接されるシールド側壁端面を有するシールド壁側円筒と、
    シールド内周壁円筒とシールド壁側円筒とを、前記極低温容器、前記外周壁円筒、前記壁側円筒、前記スペーサの少なくともいずれか1つに固定し、前記シールドコイルの外周面を極低温容器の内壁から離すシールドスペーサをさらに有することを特徴とする請求項２乃至請求項１８のいずれか１項に記載の超電導磁石装置。
20. 請求項１乃至請求項１９のいずれか１項に記載の超電導磁石装置を用いたことを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。

Images