JP2009273673A - 超電導電磁石およびｍｒｉ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡便な構成にて所望の冷却性能を得ることができる超電導電磁石を提供する。
【解決手段】超電導コイル１と、超電導コイル１を収納するとともに超電導コイル１を冷却する液体ヘリウム３を貯液するヘリウム槽２と、ヘリウム槽２を収納する真空槽５と、ヘリウム槽２と真空槽５との間にヘリウム槽２を取り囲むように設置された第１熱シールド６と、第１熱シールド６に配設された第１冷却ステージ８１および第１冷却ステージ８１に接続管８３にて接続されヘリウムガス４を凝縮させ液体ヘリウム３にするヘリウム槽２に配設された第２冷却ステージ８２を有する冷凍機８と、ヘリウム槽２および第１熱シールド６を真空槽５に支持する支持部と、第１熱シールド６とヘリウム槽２との間にヘリウム槽２を取り囲むように設置された第２熱シールド７とを備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、簡便な構成で所望の冷却性能を得ることができる超電導電磁石およびＭＲＩ装置に関するものである。

従来の２段式４Ｋ冷凍機１台を使用した超電導電磁石は、超電導コイルを収納し、超電導コイルを冷却する液体ヘリウムを貯液するヘリウム槽と、ヘリウム槽を包囲して配設された真空槽と、ヘリウム槽と真空槽との間に配設された熱シールドと、その熱シールドを冷却すると共にヘリウム槽内のガスヘリウムを液体ヘリウムに凝縮させる４Ｋ冷凍機と、熱シールドを４Ｋ冷凍機により冷却するための第１ステージと、ヘリウム槽内で蒸発したガスヘリウムを冷却し、再凝縮させるために約４Ｋに冷却された第２ステージと、ヘリウム槽と外部をつなぐためのサービスポートと、真空槽内において、第１熱シールおよびヘリウム槽を支持するための断熱支持構造とを有する。

次にこの従来の２段式４Ｋ冷凍機１台を使用した超電導電磁石の動作について説明する。ヘリウム槽内では超電導状態の超電導コイルが極低温の液体ヘリウムに浸かっている。ヘリウム槽の外側には輻射熱侵入を低減するための熱シールドが配置され、熱シールドの外側にはヘリウム槽を真空断熱するための真空槽が配置されている。真空槽内は真空排気されており、真空断熱により熱侵入を低減している。４Ｋ冷凍機は熱シールドを約６０Ｋ（ケルビン）に冷却して輻射熱侵入を低減している。液体ヘリウムが蒸発して液面が下がった場合に温度が上昇して超電導コイルがクエンチ（超電導状態でなくなる現象）するのを防止するため、蒸発したヘリウムは４Ｋ冷凍機の第２ステージにて液体ヘリウムに凝縮され、ヘリウム槽に滴下する。

そして、ヘリウム槽への熱侵入量の合計が、４Ｋ冷凍機の冷凍能力より小さい場合には、再凝縮できる液体ヘリウムの量が蒸発する量より多くなるため、ヘリウム槽からの液体ヘリウムの消費量をゼロとすることができる。ヘリウム槽への熱侵入量が多い場合、メンテナンス作業などで液体ヘリウムが減少する場合には、サービスポートから液体ヘリウムを追加注液する（例えば、特許文献１参照）。他の２段式４Ｋ冷凍機を具備した超電導電磁石の場合には、熱シールドと液体ヘリウム槽との間に、新たな第２熱シールドを設け、約２０Ｋに冷却される４Ｋ冷凍機や、または、液体ヘリウムが蒸発したガス顕熱による冷却構造を備えているものがある。このように冷凍機または冷却構造を備えた第２熱シールドは、熱シールドよりヘリウム槽への輻射熱侵入の低減を目的としている（例えば、特許文献２）。

特開２００７−３２９３２０号公報 特開平１−５９９０８号公報

従来の超電導電磁石は以上のように構成されているので、熱シールドが１重であり、熱シールドの温度は約６０Ｋまでしか冷却することができず、輻射などによるヘリウム槽への熱侵入が、４Ｋ冷凍機の冷凍能力を上回る場合には、液体ヘリウム消費量をゼロにすることができないという問題点があった。また、他の従来の超電導電磁石のように複数のシールドを備え、各シールドに冷凍機または冷却機構を備えると、装置が複雑となり、部品点数などが多くなり、製作に時間がかかり高コストになるという問題点があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、簡便な構成にて所望の冷却性能を得ることができる超電導電磁石およびＭＲＩ装置を提供することを目的とする。

この発明は、超電導コイルと、超電導コイルを収納するとともに超電導コイルを冷却する液体ヘリウムを貯液するヘリウム槽と、ヘリウム槽を収納する真空槽と、ヘリウム槽と真空槽との間にヘリウム槽を取り囲むように設置された第１熱シールドと、接続管内で第１熱シールドに配設された第１冷却ステージおよび第１冷却ステージに接続されヘリウムガスを凝縮させ液体ヘリウムにするヘリウム槽に配設された第２冷却ステージを有する冷凍機と、ヘリウム槽および第１熱シールドを真空槽に支持する支持部と、第１熱シールドとヘリウム槽との間にヘリウム槽を取り囲むように設置された第２熱シールドとを備えたものである。

また、この発明は、超電導コイルと、超電導コイルを収納するとともに超電導コイルを冷却する液体ヘリウムを貯液するヘリウム槽と、ヘリウム槽を収納する真空槽と、ヘリウム槽と真空槽との間にヘリウム槽を取り囲むように設置された第１熱シールドと、接続管内で第１熱シールドに配設された第１冷却ステージおよび第１冷却ステージに接続されヘリウムガスを凝縮させ液体ヘリウムにするヘリウム槽に配設された第２冷却ステージを有する冷凍機と、ヘリウム槽および第１熱シールドを真空槽に支持する支持部と、第１熱シールドとヘリウム槽との間にヘリウム槽を取り囲むように設置された第２熱シールドとを備えた超電導電磁石を配設したＭＲＩ装置である。

この発明の超電導電磁石は、超電導コイルと、超電導コイルを収納するとともに超電導コイルを冷却する液体ヘリウムを貯液するヘリウム槽と、ヘリウム槽を収納する真空槽と、ヘリウム槽と真空槽との間にヘリウム槽を取り囲むように設置された第１熱シールドと、接続管内で第１熱シールドに配設された第１冷却ステージおよび第１冷却ステージに接続されヘリウムガスを凝縮させ液体ヘリウムにするヘリウム槽に配設された第２冷却ステージを有する冷凍機と、ヘリウム槽および第１熱シールドを真空槽に支持する支持部と、第１熱シールドとヘリウム槽との間にヘリウム槽を取り囲むように設置された第２熱シールドとを備えたので、簡便な構成にて所望の冷却性能を得ることができる。

また、この発明のＭＲＩ装置は、超電導コイルと、超電導コイルを収納するとともに超電導コイルを冷却する液体ヘリウムを貯液するヘリウム槽と、ヘリウム槽を収納する真空槽と、ヘリウム槽と真空槽との間にヘリウム槽を取り囲むように設置された第１熱シールドと、接続管内にて第１熱シールドに配設された第１冷却ステージおよび第１冷却ステージに接続されヘリウムガスを凝縮させ液体ヘリウムにするヘリウム槽に配設された第２冷却ステージを有する冷凍機と、ヘリウム槽および第１熱シールドを真空槽に支持する支持部と、第１熱シールドとヘリウム槽との間にヘリウム槽を取り囲むように設置された第２熱シールドとを備えた超電導電磁石を配設したので、簡便な構成にて所望の冷却性能を得ることができる。

実施の形態１．
以下、本願発明の実施の形態について説明する。図１はこの発明の実施の形態１における超電導電磁石の構成を示す断面図である。図において、超電導電磁石は、超電導コイル１と、超電導コイル１を収納するとともに超電導コイル１を冷却する液体ヘリウム３を貯液するとともに気化したヘリウムガス４が封入されているヘリウム槽２とを備える。超電導コイル１は極低温の液体ヘリウム３に浸かって冷却されている。さらに、ヘリウム槽２を真空断熱するように内部は真空排気され真空状態にてヘリウム槽２を収納する真空槽５と、ヘリウム槽２と真空槽５との間にヘリウム槽２を取り囲むように設置された第１熱シールド６と、接続管８３内で第１熱シールド６に配設された第１熱シールド６を約６０Ｋ（ケルビン）に冷却して輻射侵入熱を低減する第１冷却ステージ８１および第１冷却ステージ８１に接続されヘリウムガス４を凝縮させ液体ヘリウム３にするため約４Ｋに冷却されたヘリウム槽２に配設された第２冷却ステージ８２を有する冷凍機８とを備える。

この冷凍機８の第２ステージ８２は、液体ヘリウム３が蒸発してヘリウムガス４となり液面が下がった場合に、温度が上昇して超電導コイル１がクエンチ（超電導状態でなくなる現象）するのを防止するため、蒸発したヘリウムガス４を液体ヘリウム３に凝縮され、ヘリウム槽２に滴下するためのものである。よって、ヘリウム槽２への熱侵入量の合計が、冷凍機８の冷凍能力より小さい場合には、再凝縮できる液体ヘリウム３の量が蒸発するヘリウムガス４の量より多くなるため、ヘリウム槽２からの液体ヘリウム３の消費量をゼロにすることができる。さらに、真空槽５の外部からヘリウム槽２の内部に連通するサービスポート９を備える。このサービスポート９は、ヘリウム槽２への熱侵入量が多い場合、また、メンテナンス作業などで液体ヘリウム３が減少する場合には、液体ヘリウム３をヘリウム槽２内に追加注液するためのものである。

そして、第１熱シールド６とヘリウム槽２との間にヘリウム槽２を取り囲むように設置された第２熱シールド７とを備える。第２熱シールド７は、冷却機構を有しておらず、第１熱シールド６に輻射熱を反射するために、例えばアルミ板、銅板などの放射率が小さく、かつ、反射率が大きい材料にて、例えば鏡面仕上げにて形成されている。尚、ヘリウム槽２および第１熱シールド６は真空槽５に支持部（図示せず）を介して支持されている。

次に、上記のように構成された実施の形態１の超電導電磁石の動作について説明する。この発明においては、冷却機構を有しない第２熱シールド７を、第１熱シールド６とヘリウム槽２との間で、ヘリウム槽２を取り囲むように配置し、第１熱シールド６からの輻射侵入熱を反射してヘリウム槽２への輻射侵入熱を低減する。第２熱シールド７で反射された輻射熱は、第１熱シールド６を介して、余力のある冷凍機８の第１ステージ８１により冷却される。

上記のように構成された実施の形態１の超電導電磁石によれば、真空槽から第１熱シールドへの熱侵入が、第２熱シールドによりヘリウム槽への熱侵入を低減することができることにより、より多くの熱侵入量を許容して、液体ヘリウムの消費量のゼロを可能とし、簡便な構成にて所望の冷却性能を得るものである。また、第２熱シールドに、第２熱シールドを冷却するための冷凍手段を配設していないため、減量化を図ることができる。

また、このように構成された超電導電磁石はＭＲＩ装置に配設される。このような超電導電磁石がＭＲＩ装置に配設されると、ＭＲＩ装置の冷却性能を簡便な構成にて実現することが可能となり、低コスト化を図ることができる。また、このことは以下の実施の形態においても同様であるため、その説明は適宜省略する。

実施の形態２．
図２はこの発明の実施の形態２における超電導電磁石の構成を示す断面図である。図において、上記実施の形態１と同様の部分は同一符号を付して説明を省略する。第１熱シールド６の内壁底面側に接着またはねじ締結された配設された底面支持部１１を備える。底面支持部１１上に第２熱シールド６を載置するのみにて、第２熱シールド７は、第１熱シールド６とヘリウム槽２との間に保持されることとなる。そして、底面支持部１１は、第１熱シールド６から、第２熱シールド７への熱侵入を低減するために、例えばエポキシ系樹脂、または、ガラス繊維強化プラスチックなど、熱伝導率の小さい材料で構成されている。さらに、熱侵入を低減するために、第２熱シールド７側の先端が後側より尖って形成されており、第１熱シールド６側の接触面積より小さくなるように構成されている。

上記のように構成された実施の形態２の超電導電磁石によれば、上記実施の形態１と同様の効果を奏するのはもちろんのこと、第１熱シールドと第２熱シールドとの間に断熱のために必要な間隙を確実に簡便な構成にて確保することができる。これにより、第１熱シールドから第２熱シールドへの接触などによる伝導による熱侵入を確実に簡便な構成にて防止することができる。

実施の形態３．
図３はこの発明の実施の形態３における超電導電磁石の構成を示す断面図である。図において、上記各実施の形態と同様の部分は同一符号を付して説明を省略する。第２熱シールド７の内壁上面側に接着またはねじ締結され配設された上面支持部１２を備える。上面支持部１２をヘリウム槽２の外壁上面上に載置するのみにて、第２熱シールド７は、第１熱シールド６とヘリウム槽２との間に保持されることとなる。そして、上面支持部１２は、第２熱シールド７から、ヘリウム槽２への熱侵入を低減するために、例えばエポキシ系樹脂または、ガラス繊維強化プラスチックなど、熱伝導率の小さい材料で構成されている。さらに、熱侵入を低減するために、ヘリウム槽２側の先端が後側より尖って形成されており、第２熱シールド７側の接触面積より小さくなるように構成されている。

上記のように構成された実施の形態３の超電導電磁石によれば、上記各実施の形態と同様の効果を奏するのはもちろんのこと、第２熱シールドとヘリウム槽との間に断熱のために必要な間隙を確実に簡便な構成にて確保することができる。これにより、第２熱シールドからヘリウム槽への接触などによる伝導による熱侵入を確実に簡便な構成にて防止することができる。

実施の形態４．
図４はこの発明の実施の形態４における超電導電磁石の構成を示す断面図である。図において、上記各実施の形態と同様の部分は同一符号を付して説明を省略する。真空槽５において、第１熱シールド６、および、ヘリウム槽３を断熱の支持部１０により支持されている。そして、本実施の形態４では、第２熱シールド７を、支持部１０に例えばねじ締結にて断熱支持し、真空槽５に支持する。そして第２熱シールド７は、第１熱シールド６とヘリウム槽２との間に保持されることとなる。

上記のように構成された実施の形態４の超電導電磁石によれば、上記各実施の形態と同様の効果を奏するのはもちろんのこと、支持部における温度勾配と位置との両観点から、第１熱シールドとヘリウム槽との間に第２熱シールドを配置することができ、かつ、断熱のために必要な間隙を確実に確保することができる。これにより、第２熱シールドの温度を第１熱シールドとヘリウム槽との中間に保持し、ヘリウム槽への輻射侵入熱を一定にできるとともに、第２熱シールドからヘリウム槽への接触などによる伝導による熱侵入を確実に防止することができる。

実施の形態５．
図５はこの発明の実施の形態５における超電導電磁石の構成を示す断面図である。図において、上記各実施の形態と同様の部分は同一符号を付して説明を省略する。第２熱シールド７を、冷凍機８の第１ステージ８１と第２ステージ８２との熱勾配の中間部分において、例えばねじ締結、溶接またはハンダ接合等により接続部７１にて接続管８３上に接続する。そして第２熱シールド７は、第１熱シールド６とヘリウム槽２との間に保持されることとなる。

上記のように構成された実施の形態５の超電導電磁石によれば、上記各実施の形態と同様の効果を奏するのはもちろんのこと、第２熱シールドの温度を冷凍機の第１ステージと第２ステージとの熱勾配の中間に保持することができ、ヘリウム槽への輻射侵入熱を一定にできる。

実施の形態６．
図６はこの発明の実施の形態６における超電導電磁石の構成を示す断面図である。図において、上記各実施の形態と同様の部分は同一符号を付して説明を省略する。第１熱シールド６と第２熱シールド７との間に配置された積層断熱材部１３を備える。この積層断熱材部１３は、例えばアルミを蒸着した樹脂フィルムを２０層程度積層したものにて構成されている。そして、この各層間にポリエステルネットが配置されたり、また、全層を糸材により縫合されて配置されたりすることが考えられる。

上記のように構成された実施の形態６の超電導電磁石によれば、上記各実施の形態と同様の効果を奏するのはもちろんのこと、第１熱シールドから第２熱シールドへの輻射侵入熱をさらに低減できる。

実施の形態７．
図７はこの発明の実施の形態７における超電導電磁石の構成を示す断面図である。図において、上記各実施の形態と同様の部分は同一符号を付して説明を省略する。第２熱シールド７とヘリウム槽２との間に配置された積層断熱材部１４を備える。アルミを蒸着した樹脂フィルムを２０槽程度積層したものである。この積層断熱材部１４は、例えばアルミを蒸着した樹脂フィルムを２０層程度積層したものにて構成されている。そして、この各層間にポリエステルネットが配置されたり、また、全層を糸材により縫合されて配置されたりすることが考えられる。

上記のように構成された実施の形態７の超電導電磁石によれば、上記各実施の形態と同様の効果を奏するのはもちろんのこと、第２熱シールドからヘリウム槽への輻射侵入熱をさらに低減できる。

尚、上記各実施の形態は適宜組み合わせることが可能であることは言うまでもなく、各実施の形態の効果を奏することが可能となる。

この発明の実施の形態１の超電導電磁石の構成を示す断面図である。 この発明の実施の形態２の超電導電磁石の構成を示す断面図である。 この発明の実施の形態３の超電導電磁石の構成を示す断面図である。 この発明の実施の形態４の超電導電磁石の構成を示す断面図である。 この発明の実施の形態５の超電導電磁石の構成を示す断面図である。 この発明の実施の形態６の超電導電磁石の構成を示す断面図である。 この発明の実施の形態７の超電導電磁石の構成を示す断面図である。

符号の説明

１ 超電導コイル、２ ヘリウム槽、３ 液体ヘリウム、４ ヘリウムガス、
５ 真空槽、６ 第１熱シールド、７ 第２熱シールド、８ 冷凍機、１０ 支持部、
１１ 底面支持部、１２ 上面支持部、１３，１４ 積層断熱材部、７１ 接続部、
８１ 第１ステージ、８２ 第２ステージ、８３ 接続管。

Claims (7)

1. 超電導コイルと、上記超電導コイルを収納するとともに上記超電導コイルを冷却する液体ヘリウムを貯液するヘリウム槽と、上記ヘリウム槽を収納する真空槽と、上記ヘリウム槽と上記真空槽との間に上記ヘリウム槽を取り囲むように設置された第１熱シールドと、接続管内で上記第１熱シールドに配設された第１冷却ステージおよび上記第１冷却ステージに接続されヘリウムガスを凝縮させ液体ヘリウムにする上記ヘリウム槽に配設された第２冷却ステージを有する冷凍機と、上記ヘリウム槽および第１熱シールドを上記真空槽に支持する支持部と、上記第１熱シールドと上記ヘリウム槽との間に上記ヘリウム槽を取り囲むように設置された第２熱シールドとを備えたことを特徴とする超電導電磁石。
2. 上記第２熱シールドは、上記第１熱シールドの内壁底面側に配設された底面支持部を備え、上記底面支持部上に上記第２熱シールドの外壁底面を載置させて上記第１熱シールドと上記ヘリウム槽との間に保持されることを特徴とする請求項１に記載の超電導電磁石。
3. 上記第２熱シールドは、上記第２熱シールドの内壁上面側に配設された上面支持部を備え、上記上面支持部を上記ヘリウム槽の外壁上面上に載置させて上記第１熱シールドと上記ヘリウム槽との間に保持されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超電導電磁石。
4. 上記第２熱シールドは、上記支持部に断熱支持されて上記真空槽に支持され上記第１熱シールドと上記ヘリウム槽との間に保持されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の超電導電磁石。
5. 上記第２熱シールドは、上記冷凍機の接続管上の熱勾配の中間部分において接続部にて接続され上記第１熱シールドと上記ヘリウム槽との間に保持されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の超電導電磁石。
6. 上記第２熱シールドと上記第１熱シールドとの間、または、上記第２熱シールドと上記ヘリウム槽との間、のいずれか少なくとも一方に積層断熱材部を備えたことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の超電導電磁石。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の超電導電磁石を配設したことを特徴とするＭＲＩ装置。

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