JP2011082229A - 伝導冷却型超電導マグネット - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の課題は、永久電流スイッチ加熱時の超電導コイルの温度上昇を抑制した伝導冷却型超電導マグネットを提供することである。
【解決手段】本発明の伝導冷却型超電導マグネットは、超電導コイルと、該超電導コイルに接続された永久電流スイッチと、前記超電導コイルと前記永久電流スイッチを冷却するための冷凍機と、前記超電導コイルと前記永久電流スイッチと前記冷凍機のコールドヘッドをつなぐ伝熱手段と、前記超電導コイルと前記永久電流スイッチと前記伝熱手段を格納するための真空容器から構成される、伝導冷却型超電導マグネットであって、低温を保持するための蓄冷材が、前記伝熱手段とつながっており、前記蓄冷材の前記伝熱手段との接続位置は、前記永久電流スイッチから前記超電導コイルまでの伝熱経路上であることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、伝導冷却型超電導マグネットおよびその運転方法に関する。

ＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging：磁気共鳴イメージング）等で用いられる超電導マグネットは、高い磁場安定度が必要となるため、一般的に超電導コイルを含む閉回路を構成し、永久電流モードで運転される。そのためには、電源から超電導コイルに電流を供給する電源駆動モードと、閉回路に電流を流す永久電流モードを切り替えるための永久電流スイッチが必要となる。永久電流スイッチには、その動作原理によって熱式，機械式，磁気式の３種類があるが、その構成・動作が最もシンプルな熱式永久電流スイッチが好適である。

永久電流スイッチの切り替えのための加熱により、超電導コイルを常電導転移させないための技術として、特開平８−１３８９２８号公報（特許文献１）には、永久電流スイッチを加熱する際に、永久電流スイッチと冷却ステージを熱的に切り離せるように、可動部を設ける方法が提案されている。

特開２００４−１７９４１３号公報（特許文献２）には、永久電流スイッチの温度を測定し、永久電流スイッチがオフ状態になる最低温度になるように励磁電圧を制御するという方法が提案されている。

特開平８−１３８９２８号公報 特開２００４−１７９４１３号公報

特許文献１に示すように、永久電流スイッチ加熱時に機械的に冷却ステージから切り離せば、永久電流運転時の冷却と、永久電流スイッチ加熱時の超電導コイルへの断熱を確保できるが、極低温中に可動部を設けるため構造が複雑となり、またメンテナンスも必要となる。また特許文献２に示すように、ヒータ発熱量を最小にし、超電導コイルの温度上昇を抑制するという方法も有効ではあるが、臨界温度以上に加熱しなければならないことは変わらないため、超電導コイルへの熱の流入は避けられない。

本発明の目的は、簡便な構造で永久電流スイッチの加熱時の超電導コイルへの熱の流入を抑制する伝導冷却型超電導マグネットを提供することにある。

上記課題を解決する本発明の超電導マグネットは、超電導コイルと、該超電導コイルに接続された永久電流スイッチと、前記超電導コイルと前記永久電流スイッチとを冷却するための冷凍機と、前記超電導コイルと前記永久電流スイッチと前記冷凍機をつなぐ伝熱手段と、前記伝熱手段に低温を保持するための蓄冷材とが備えられており、蓄冷材は、永久電流スイッチから超電導コイルまでの伝熱経路上に接続されていることを特徴とする。

本発明によれば、超電導マグネットの永久電流スイッチから超電導コイルへの熱伝導を抑制することが可能となり、超電導コイルの温度上昇を防ぐことができる。

伝導冷却型超電導マグネットの断面図。 超電導マグネットの回路図。 冷媒容器を減圧するための配管を有する伝導冷却型超電導マグネットの断面図。 伝熱板を冷媒容器の一部とした場合の伝導冷却型超電導マグネットの断面図。 ＭＲＩ用のマグネットとして用いる場合の伝導冷却型超電導マグネットの断面図。

冷媒を使用せず、冷凍機により冷却する伝導冷却型の超電導マグネットは、冷媒を注液する必要がなく取り扱いが容易であり、またシステムの小型化・軽量化が可能であるという利点がある。

超電導コイルを励磁する際、熱式永久電流スイッチをオフ状態にするためには、ヒータを加熱して、永久電流スイッチを構成する超電導材料を常電導状態に転移させることにより、抵抗を発生させる。浸漬冷却であれば、ヒータによる熱は即座に周囲の冷媒に吸収されるが、伝導冷却の場合、周囲に熱の逃げ場がないため、熱伝導によって周囲の構造物に伝わる。冷凍機の冷却能力は４Ｋで数Ｗ、１０Ｋで十数Ｗ程度であるため、ヒータの発熱は冷凍機にとって大きな熱負荷となり、冷却が追いつかない場合には、超電導コイルの温度上昇を招く。超電導材料の臨界電流は温度上昇により低下するため、超電導コイルに通電したときに、所望の電流値に達する前に常電導転移してしまう可能性がある。特に、超電導コイルの運転温度に対して、永久電流スイッチをオフにするための温度、すなわち永久電流スイッチに使用する超電導材料の臨界温度が高い場合には、その問題が顕著になる。

例えば、超電導コイルの運転温度１０〜２０Ｋに対して、臨界温度が３９ＫのＭｇＢ₂（二ホウ化マグネシウム）を用いる場合、さらには臨界温度が１００Ｋを超える酸化物系の超電導材料を用いる場合には、永久電流スイッチ加熱時の超電導コイルの温度上昇が問題となる。

そこで、伝熱の抑制のため、永久電流モードで運転する超電導コイルと永久電流スイッチをつなぐ伝熱手段に、蓄冷機能を有する蓄冷材を設けた。超電導マグネットは、超電導コイルと、該超電導コイルに接続された永久電流スイッチと、超電導コイル及び永久電流スイッチを冷却するための冷凍機と、超電導コイルと永久電流スイッチと冷凍機のコールドヘッドをつなぐ伝熱手段とを備え、これらが真空容器に格納されている。伝熱手段に低温を保持するための蓄冷材が備えられており、永久電流スイッチから超電導コイルまでの伝熱経路上に蓄冷材を配置する。その結果、永久電流スイッチ加熱時に超電導コイル側へ伝導する熱は、蓄冷材で抑制される。

蓄冷材は、金属体や、冷媒容器に冷媒を充填したものなどが使用でき、熱容量が大きいものが好ましい。冷媒容器に冷媒を充填した蓄冷材を使用する場合には、冷媒を固体状態としておくことが好ましい。マグネットの運転温度において固化していると、その融解熱を利用できるため大きな熱容量を得ることができる。

冷媒容器に冷媒を充填した蓄冷材を備えた超電導マグネットでは、超電導コイルおよび永久電流スイッチを冷凍機によって冷却した後、外部から冷媒を充填し、それを液化もしくは固化させ、蓄冷材として利用する。その後、永久電流スイッチを加熱して超電導コイルを励磁する。冷媒としては、水素，ネオン，窒素，アルゴン，酸素などが使用でき、これらを混合してもよい。液化の際の吸熱を使用する場合には、永久電流運転時の超電導コイルの温度より高く、永久電流スイッチを構成する超電導体の臨界温度よりも低い融点を有する冷媒を使用することが好ましい。

冷媒容器に冷媒を充填した蓄冷材を使用する場合には、真空容器の外部への出口を有する配管を設け、外部からの冷媒の充填を可能にすることが好ましい。さらに配管に安全弁もしくは破裂板を備えるものとすることが好ましい。冷媒容器は、銅，アルミニウム、またはこれらの合金を用いることが好ましい。

超電導コイルと永久電流スイッチとに使用する超電導体は、従来のものを適宜使用可能であるが、二ホウ化マグネシウム，ビスマス系酸化物，イットリウム系酸化物など、臨界温度２５Ｋ以上の高温超電導体を使用することが特に好ましい。伝熱手段としては従来と同様の材料を使用することができるが、銅，アルミニウム、またはこれらの合金を用いることが好ましい。

以下、具体例について図面を用いて説明する。

図１に、伝導冷却型超電導マグネットの断面図を示す。超電導マグネットは、磁場を発生する超電導コイル１、電源駆動モードと永久電流モードを切り替えるための永久電流スイッチ２、超電導コイル１に電流を供給するための直流電源１１（図示せず）、直流電源１１と超電導コイル１とを連結するパワーリード７、超電導コイル１および永久電流スイッチ２を臨界温度以下に冷却するための極低温冷凍機３、超電導コイル１および永久電流スイッチ２の周囲に設置される輻射シールド８、真空容器９により構成されている。一台の冷凍機で超電導コイル１および永久電流スイッチ２を冷却するため、伝熱板１０が設けられている。

本実施例では、極低温冷凍機３として、２つの冷却ステージを持つ２段ステージ型の冷凍機を使用した。極低温冷凍機３の第２ステージで伝熱板を冷却するとともに、第１ステージは、超電導コイル１および永久電流スイッチ２の周囲に設置する輻射シールド８の冷却源として使用される。

図２に超電導マグネットの回路図を示す。永久電流スイッチ２は、通常ボビンに超電導線を無誘導に巻き、その内側もしくは外側にヒータを巻いた構成とする。超電導コイル１を励磁するためには、永久電流スイッチ２のヒータに通電し、超電導線を臨界温度以上に加熱することで抵抗を発生させ、ＯＦＦ状態にする。電源１１からの電流を、ほぼすべて超電導コイル１へ流れるようにするためには、永久電流スイッチ２のＯＦＦ状態における抵抗値が高いことが必要である。そのため、永久電流スイッチに使用する超電導線の母材には抵抗率の高いＣｕＮｉ（キュプロニッケル）が使用されるのが一般的である。

電源駆動モードから永久電流モードへ移行するには、永久電流スイッチ２のヒータの通電を止め、常電導状態となった超電導線が冷却されて再び超電導状態へ復帰するのを待つ。その後、電源１１から供給している電流をゼロに下げていくと、超電導コイル１と永久電流スイッチ２で構成される閉回路に電流が流れ、永久電流モードとなる。

本実施例では、超電導コイル１の温度上昇を防ぐために、超電導コイル１と永久電流スイッチ２をつなぐ伝熱経路上に蓄冷材を設置する。蓄冷材には、図１に示すように冷媒容器４に冷媒５を充填したものを用いる。冷媒５を固化させておけば、相変化に伴う融解熱・気化熱を利用して、その温度を融点・沸点に維持することができる。もちろん冷媒５を固化させず、液化させるだけでも効果はあるが、固化させた方が同体積の冷媒を効率的に利用できる。また、冷媒ではなく熱容量の大きな金属等を設置しても温度上昇を抑制する効果はあるが、相変化を利用できないため、入熱量に比例して温度は上昇する。

電源駆動モードで永久電流スイッチ２をＯＦＦ状態に維持するためのヒータ発熱は、永久電流スイッチ２を加熱するだけでなく周囲の構造物にも伝わるが、蓄冷材により温度が維持されるため、超電導コイル１の温度上昇を招く恐れが少ない。その結果、超電導コイル１の臨界電流値が低下することを抑制し、定格電流を流したときにも常電導転移しない。

冷媒容器４を設置する位置は図１に示すように、冷凍機３のコールドヘッドと永久電流スイッチ２の間が望ましい。冷媒５の融点および沸点は、冷却源である冷凍機３のコールドヘッド温度よりも高い温度となるため、超電導コイル１の温度上昇を極力避けるためには、永久電流スイッチ２側へ冷媒容器４を配置した方が良い。なお、一方で、冷媒容器４と永久電流スイッチ２が近すぎると、ヒータ加熱時に永久電流スイッチ２の温度が上がりにくくなる。したがって、永久電流スイッチ２の温度上昇に影響がない範囲で冷媒容器４を離した方が良い。

冷媒容器４には、効率良く熱を吸収するために銅やアルミなどの熱伝導率の高い材料を使用する。冷媒は、冷凍機によって超電導コイル１、永久電流スイッチ２を冷却し、超電導コイル１を励磁するために、永久電流スイッチ２を加熱する前に充填される。冷媒容器４には、外部から冷媒を供給するための配管１３、冷媒容器内の圧力が上がりすぎないように圧力を抜くための配管６を備える。それらの配管には、熱侵入を抑えるためにＦＲＰやステンレスなど熱伝導率の低い材料を使用する。また、配管６の真空容器外部側の出口には安全弁もしくは破裂板１２を備える。充填する冷媒５は、気体もしくは液体の状態で充填し、冷媒容器内で冷やされて、液化・固化する。超電導コイル１を励磁後、永久電流モードに入ってしまえば、消磁もしくは再励磁するときまで冷媒５は必要ない。

冷媒５を冷媒容器４に充填した後、固化させるための時間を短縮するためには、図３に示すように配管１４を設け、それを図示しない真空ポンプに接続し、冷媒容器４内の圧力を下げるという方法が有効である。それにより、冷媒５の蒸発が促進され、そのときの気化熱によって冷媒５の温度を下げることができる。

冷媒５の充填方法としては、前述の冷却後に外部から充填するという方法以外に、常温において予め密閉した冷媒容器４に冷媒のガスを充填しておき、それを伝熱板１０に設置してから、冷却するという方法も可能である。この場合、冷媒容器４と真空容器９の外部とをつなぐ配管は不要である。ただしこの方法では、冷媒容器４にガスを充填するため、高圧に耐えられるように容器の肉厚を確保する必要がある。またガスの状態で密閉するため、固体もしくは液体になったときの冷媒の体積が容器の容量に比べて小さくなる。したがって、冷媒５は冷却後に外部から充填する方法がより望ましい。

伝熱手段には、熱伝導率の高い銅，アルミもしくはそれらの合金で作られた伝熱板を使用する。また、超電導コイル１と永久電流スイッチ２をつなぐ図示しない超電導線は、通常安定化のために銅に埋め込まれており、それも伝熱手段の一部として働く。

冷媒の種類，冷媒容器の容積や温度条件は、超電導線の種類や運転方法に応じて適宜設定する。具体例として、超電導コイル１および永久電流スイッチ２に使用する超電導材料がともに、臨界温度３９ＫのＭｇＢ２であり、マグネットの運転温度が１０Ｋの場合を説明する。この場合、使用する冷媒５としては水素が適当である。水素の融点は１４Ｋであるため、ガスもしくは液体の状態で容器４に充填すると、極低温冷凍機３によって１０Ｋまで冷却され固化する。水素の融解熱は５８Ｊ／ｇなので、超電導コイル１の励磁にかける時間を３０分と仮定すると、永久電流スイッチ２側からの発熱１Ｗ当たり約０.４ｌの固体水素があれば１４Ｋに保つことができる。また、水素の沸点２０Ｋまで許容することができるならば、水素の気化熱４５３Ｊ／ｇより、発熱１Ｗ当たり約０.０５ｌの液体水素があれば２０Ｋに保つことができる。

もう一つの例として、超電導コイル１および永久電流スイッチ２に使用する超電導材料がともに、臨界温度１１０ＫのＢｉ系超電導材料であり、マグネットの運転温度が５０Ｋの場合を考える。この場合、使用する冷媒としては窒素が適当である。窒素の融点は６３Ｋであるため、極低温冷凍機３によって５０Ｋまで冷却されると固化する。窒素の融解熱は２６Ｊ／ｇなので、励磁時間を３０分と仮定すると、永久電流スイッチ２側からの発熱１Ｗ当たり約０.０６ｌの固体窒素があれば６３Ｋに保つことができる。窒素の沸点７７Ｋまで許容できるならば、窒素の気化熱２０５Ｊ／ｇより、発熱１Ｗ当たり約０.０１ｌの液体窒素があれば７７Ｋに保つことができる。

このように、永久電流スイッチをオフにするために必要なヒータ発熱量を計算し超電導マグネットを設計すれば、少ない冷媒で温度上昇を防ぐことができるので、装置の小型化に寄与する。なお、本実施例の超電導マグネット装置は、イットリウム系の超電導材料やその他の高温超電導材料を用いてもよい。また、永久電流スイッチ，超電導コイルに使用する超電導線材を異なるものとしてもよい。また、冷媒としては、水素，窒素の他にネオン，アルゴン，酸素などを使用できる。

冷媒の固体から液体への相変化を利用することが可能なため、本実施例の構造は高温超電導材料を用いたシステムに好適である。しかし、ニオブチタンやニオブ３スズなどの低温超電導材料を使用することも可能である。低温超電導材料を使用した場合には、液体ヘリウムを蓄冷材として使用する。例えば超電導コイルの運転温度が４Ｋで、臨界温度９Ｋのニオブチタン、もしくは臨界温度１８Ｋのニオブ３スズを用いた永久電流スイッチを使用する場合、沸点４.２Ｋの液体ヘリウムを蓄冷材として設置しておく。

図４は、冷媒容器の形状を変更した例である。その他の構成，運転方法については実施例１と同じである。伝熱板に冷媒を充填する部分を設け、伝熱板１０を冷媒容器４の一部として利用している。この場合、冷媒５と伝熱板１０が直接接触するため、それらの間の熱抵抗を小さくすることが可能であり、効率的に熱を吸収することができる。

図５は、超電導マグネットをＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging：磁気共鳴イメージング）用のマグネットとして用いる場合の断面構成の一例である。図５は、トンネル型の構成であるが、オープン型でも構わない。撮像空間の周囲に超電導コイルが設けられており、冷凍機で冷却して永久電流運転を行う。伝導冷却型とすることで、装置の小型化が達成できる。

本実施例では、実施例１と、冷凍機の配置を変えた例である。伝熱板上の蓄冷材を介して一方に永久電流スイッチ、他方に冷凍機と超電導コイルを配置している点で同様である。このような構成にかぎらず、伝熱板を介して超電導コイルと永久電流スイッチが接続されており、超電導コイルと永久電流スイッチの間に少なくとも１つずつの冷凍機、蓄冷材が配置されている構造とすることが可能である。

１ 超電導コイル
２ 永久電流スイッチ
３ 極低温冷凍機
４ 冷媒を充填する容器
５ 冷媒
６ 冷媒容器内の圧力が上がりすぎないようにするための配管
７ パワーリード
８ 輻射シールド
９ 真空容器
１０ 伝熱板
１１ 直流電源
１２ 安全弁もしくは破裂板
１３ 冷媒充填用の配管
１４ 減圧用の配管
１５ 撮像空間

Claims (16)

1. 超電導コイルと、該超電導コイルに接続された永久電流スイッチと、前記超電導コイルと前記永久電流スイッチを冷却するための冷凍機と、前記冷凍機と、前記超電導コイルおよび前記永久電流スイッチとを熱的に接続する伝熱手段とを備えた超電導マグネットであって、
   前記伝熱手段に蓄冷材が接続されており、前記蓄冷材は前記永久電流スイッチと前記超電導コイルとの伝熱経路上に接続されていることを特徴とする超電導マグネット。
2. 請求項１に記載された超電導マグネットであって、
   前記蓄冷材は前記永久電流スイッチと前記冷凍機との伝熱経路上に接続されていることを特徴とする超電導マグネット。
3. 請求項１に記載された超電導マグネットであって、
   前記蓄冷材は、冷媒容器と、前記冷媒容器に充填された冷媒よりなることを特徴とする超電導マグネット。
4. 請求項３に記載された超電導マグネットであって、
   前記冷媒は、永久電流運転時の前記超電導コイルの温度より高く、前記永久電流スイッチを構成する超電導体の臨界温度よりも低い融点を有する冷媒であることを特徴とする超電導マグネット。
5. 請求項３に記載された超電導マグネットであって、
   前記冷媒は、水素，ネオン，窒素，アルゴン，酸素のいずれかまたはこれらの混合物であることを特徴とする超電導マグネット。
6. 請求項３に記載された超電導マグネットであって、
   前記冷媒容器は、銅，アルミニウム、もしくは銅又はアルミニウムを含む合金よりなることを特徴とする超電導マグネット。
7. 請求項３に記載された超電導マグネットであって、
   前記超電導コイルと、前記永久電流スイッチと、前記冷凍機と、前記伝熱手段と、前記蓄冷材を格納する真空容器を有し、
   前記冷媒容器は前記真空容器の外部へつながる配管を有することを特徴とする超電導マグネット。
8. 請求項７に記載された超電導マグネットであって、
   前記配管のうちいずれかは安全弁または破裂板を備えることを特徴とする超電導マグネット。
9. 請求項１に記載された超電導マグネットであって、
   前記伝熱手段は、銅，アルミニウム、もしくは銅又はアルミニウムを含む合金よりなることを特徴とする超電導マグネット。
10. 請求項３に記載された超電導マグネットであって、
    前記伝熱手段は、前記冷媒容器の一部を構成していることを特徴とする超電導マグネット。
11. 請求項１に記載された超電導マグネットであって、
    前記超電導コイルまたは前記永久電流スイッチのすくなくともいずれかに、臨界温度２５Ｋ以上の超電導体を用いたことを特徴とする超電導マグネット。
12. 請求項１１に記載された超電導マグネットであって、
    前記超電導体は、二ホウ化マグネシウム、もしくは、ビスマスまたはイットリウムを含む酸化物であることを特徴とする超電導マグネット。
13. 請求項１ないし１２のいずれかに記載された超電導マグネットを備えた磁気共鳴イメージング装置。
14. 超電導コイルと、該超電導コイルに接続された永久電流スイッチと、前記超電導コイルと前記永久電流スイッチを冷却するための冷凍機と、前記冷凍機と、前記超電導コイルおよび前記永久電流スイッチとを熱的に接続する伝熱手段とを備え、前記伝熱手段に冷媒容器と、前記冷媒容器に充填された冷媒よりなる蓄冷材が接続されており、前記蓄冷材は前記永久電流スイッチと前記超電導コイルとの伝熱経路上に接続されている超電導マグネットの運転方法であって、
    前記超電導コイルおよび前記永久電流スイッチを冷凍機によって冷却し、前記冷媒容器に外部から冷媒を充填し、前記冷媒を冷却し、その後、前記永久電流スイッチを加熱して前記超電導コイルを励磁することを特徴とする超電導マグネットの運転方法。
15. 請求項１４に記載された超電導マグネットの運転方法であって、
    前記冷媒を冷媒容器内に充填し、冷媒が液体状態であるときに前記冷媒容器内の圧力を下げ、前記冷媒を固化させることを特徴とする超電導マグネットの運転方法。
16. 磁気共鳴イメージング装置の運転方法であって、請求項１４に記載された超電導マグネットの運転方法を用いたことを特徴とする磁気共鳴イメージング装置の運転方法。

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