JP2011210920A

JP2011210920A - 超電導マグネットの保護抵抗体、およびそれを備えた超電導マグネット装置

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Publication number: JP2011210920A
Application number: JP2010076689A
Authority: JP
Inventors: Itsuka Minami; いつか南
Original assignee: Japan Superconductor Technology Inc
Current assignee: Japan Superconductor Technology Inc
Priority date: 2010-03-30
Filing date: 2010-03-30
Publication date: 2011-10-20
Anticipated expiration: 2030-03-30
Also published as: JP5398618B2

Abstract

【課題】従来よりも設置スペースの小さい保護抵抗体（超電導マグネットの保護抵抗体）を提供すること。
【解決手段】メインコイル２に沿う湾曲した形状のプレート６と、プレート６のプレート面に沿って取り付けられφ１．６ｍｍのステンレス製線材で形成された抵抗要素７（７ａ〜７ｉ）と、を備える保護抵抗体５である。保護抵抗体５は、メインコイル２とシールドコイル３との間に配置され、ヘリウム容器４に収容された液体ヘリウム１１で浸漬冷却される。
【選択図】図２

Description

本発明は、クエンチが起きたときに超電導マグネットで蓄えられていたエネルギーを吸収することで当該超電導マグネットを保護する保護抵抗体、およびそれを備えた超電導マグネット装置に関する。

超電導マグネットの保護抵抗体としては、例えば特許文献１に開示されたものがある。特許文献１に開示された抵抗器（保護抵抗体）は、薄板が波状に折り返されて形成された抵抗体を具備してなる。この抵抗体の下方には冷却ファンが配置され、当該冷却ファンにより抵抗体が冷却されている。当該抵抗器によると、抵抗体の長さ方向および幅方向の寸法を変更することにより抵抗値を任意に選定できるとともに、小型の抵抗体とすることができ設置スペースの省略化を図ることができると、特許文献１において称されている。

特開平１１−２６８２０号公報

一方、例えば、医療で用いられるＭＲＩ装置などでは、大きなボア径を確保しながら装置全体を小型化する必要がある。ここで、小型な超電導マグネット装置に対しては（または、超電導マグネット装置を小型化するにあたり）、特許文献１に開示されたような抵抗器では、その設置方法（設置スペース確保）に苦慮する。薄板が波状に折り返されて形成された抵抗体を具備してなる抵抗器では、波状という形状および通風という冷却方法とから、ある程度の厚みを抵抗体（抵抗器）にもたせなければならないからである。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、従来よりも設置スペースの小さい保護抵抗体（超電導マグネットの保護抵抗体）を提供することである。

上記目的を達成するための本発明は、プレートと、前記プレートのプレート面に沿って取り付けられ、線材で形成された少なくとも１本の抵抗要素と、を備え、前記抵抗要素が液体ヘリウムで浸漬冷却される超電導マグネットの保護抵抗体である。

この構成によると、プレート（板状体）、およびそのプレート面に沿って取り付けられ線材で形成された抵抗要素で保護抵抗体を構成することにより、保護抵抗体の厚みを薄くでき、従来よりも狭い場所に保護抵抗体を設置できる。

また本発明において、線材が折り曲げられて形成された複数本の前記抵抗要素が、相互に直列に接続されされた状態で前記プレート面に取り付けられていることが好ましい。

この構成によると、多数本の抵抗要素を設ける場合であっても、プレートの厚み方向に直交する方向の保護抵抗体のサイズを小さくすることができる。

さらに本発明において、Ｗ字型形状の複数本の前記抵抗要素が、圧着端子を介して相互に直列に接続された状態で前記プレート面に取り付けられていることが好ましい。

この構成によると、プレートの厚み方向に直交する方向の保護抵抗体のサイズを小さくすることができる。また、隣り合う抵抗要素同士の接続なども容易に行なえる。

また本発明は、その第２の態様によれば、超電導線材を巻回してなるメインコイルと、前記メインコイルの外側に配置され、超電導線材を巻回してなるシールドコイルと、前記シールドコイルの外側に配置され、液体ヘリウムを収容するヘリウム容器と、を備え、前記メインコイルと前記シールドコイルとの間に配置された本発明に係る保護抵抗体が前記液体ヘリウムで浸漬冷却される超電導マグネット装置である。

この構成によると、メインコイルとシールドコイルとの間の隙間を小さくすることができ（または、メインコイルとシールドコイルとの間のわずかな隙間に保護抵抗体を設置でき）、超電導マグネット装置の小型化を図ることができる。

本発明によると、本発明の構成要件、特に、プレート（板状体）、およびそのプレート面に沿って取り付けられ線材で形成された抵抗要素により、保護抵抗体の厚みを薄くできる。その結果、従来よりも設置スペースの小さい保護抵抗体とすることができる。

本発明の一実施形態に係る保護抵抗体を備える超電導マグネット装置の側断面図である。図１のＡ−Ａ断面図である。図２に示す保護抵抗体の詳細図である。図１、２に示す超電導マグネット装置の超電導回路図である。図３に示した抵抗要素の変形例を示す図である。図２に示した保護抵抗体の変形例を示す図である。図６に示した保護抵抗体の変形例を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。

（超電導マグネット装置の構成）
図１および図２に示すように、本実施形態の超電導マグネット装置１は、メインコイル２と、メインコイル２と同軸でその外側に配置されたシールドコイル３と、シールドコイル３の外側に配置され液体ヘリウム１１を収容するヘリウム容器４と、を具備してなる。メインコイル２とシールドコイル３との間の隙間には、本発明に係る保護抵抗体５が配置されている。

メインコイル２は、ボア空間Ｓに所定の磁場を発生させるためのコイルである。また、シールドコイル３は、超電導マグネット装置１から外部へ漏れる漏れ磁場を低減させるための磁場を発生させるためのコイルである。

メインコイル２は、５つの超電導コイル８ａ〜８ｅと、巻枠９とを有する。超電導コイル８ａ〜８ｅは、それぞれ、超電導線材が巻枠９にソレノイド状に巻かれてなるものである。シールドコイル３は、４つの超電導コイル８ｆ〜８ｉと、巻枠１０とを有する。超電導コイルｆ〜８ｉは、それぞれ、超電導線材が巻枠１０にソレノイド状に巻かれてなるものである。超電導線材は、例えばＮｂＴｉ超電導線材やＮｂ_３Ｓｎ超電導線材などである。なお、巻枠９・１０は、非磁性材であるアルミニウム材、ステンレス材などからなる。

（保護抵抗体）
図３は、保護抵抗体５の詳細図である。このうち、図３（ａ）は、図２に示す保護抵抗体５のＢ−Ｂ展開図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）に示した抵抗要素７（ａ）の拡大図であり、図３（ｃ）は、図３（ｂ）のＣ−Ｃ矢視図である。

図２および図３に示すように、本実施形態の保護抵抗体５は、湾曲した形状（さらには円弧状）のプレート６と、プレート６のプレート面に沿って取り付けられた計９本の抵抗要素７（７ａ〜７ｉ）とを具備してなる。

（プレート）
プレート６は、例えばＳＵＳ３０４などの非磁性の長方形の金属板を円弧状に曲げて形成されたものである。プレート６は、メインコイル２の巻枠９のフランジ部外周に沿うように円弧状に曲げて形成されている（図１参照）。プレート６に設けられた孔１７は、抵抗要素７を取り付けるための孔である。また、プレート６に設けられた孔１８は、巻枠９のフランジ部にプレート６を取り付けるための孔である。なお、プレート６は、ＧＦＲＰなどの樹脂材料からなるものであってもよい。

（抵抗要素）
図３（ａ）に全体を、図３（ｂ）に詳細を示したように、抵抗要素７（７ａ〜７ｉ）は、それぞれ、φ１．６ｍｍのステンレス製線材をＷ字型形状に折り曲げて形成したものである。抵抗要素７（７ａ〜７ｉ）は、圧着端子１３を介して相互に直列に接続されている。そして、相互に直列に接続された抵抗要素７（７ａ〜７ｉ）は、ボルト・ナット１２により、プレート６に取り付けられている。なお、ボルト・ナット１２は、ダブルナットとされているが、シングルナットでもよい。

また、プレート６への抵抗要素７（７ａ〜７ｉ）の取り付けは、ボルト・ナット１２に限定されるものではない。例えば、プレート６と抵抗要素７（７ａ〜７ｉ）との間の絶縁を確保した上で、ネジが切られていない細い釘状部材と、かえりを有する抜け止め用のワッシャーとを用いて、抵抗要素７（７ａ〜７ｉ）をプレート６に取り付けてもよい。

本実施形態のように、多数本の抵抗要素が必要なときであっても、Ｗ字型形状の抵抗要素とすることで、プレート６の厚み方向に直交する方向の保護抵抗体５のサイズを全体として小さくすることができる。

また、抵抗要素７（７ａ〜７ｉ）を、圧着端子１３を介して相互に接続することにより、隣り合う抵抗要素７（７ａ〜７ｉ）の接続が容易となる。さらには、抵抗要素７（７ａ〜７ｉ）をボルト・ナット１２により、プレート６に取り付けることで、抵抗要素７（７ａ〜７ｉ）とプレート６との固定も容易となっている。

また、線材からなる抵抗要素７の長さ寸法を変更することにより、その抵抗値を任意に選定できる。ここで、抵抗要素７の長さ寸法を変更する場合、例えば、プレート６の長手方向に直交する方向の相互に対向するボルト・ナット１２（または孔１７）の間隔を変更してもよいし（縮めたり広げたりする）、ボルト・ナット１２（または孔１７）の間隔はそのままで、１本当たりの折り曲げ回数を変更することにより、抵抗要素７の長さ寸法を変更してもよい。

抵抗要素７を構成するステンレス製線材としては、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０８などのの非磁性のステンレス製線材が挙げられる。ただし、抵抗要素７を構成する線材は、ステンレス製線材に限られることはない。また、抵抗要素７の径もφ１．６ｍｍのものに限られるものではない。

図３（ｃ）に示すように、プレート６の抵抗要素７側のプレート面には絶縁シート１７が貼り付けられている。絶縁シート１７は、プレート６と抵抗要素７との間の絶縁を確保するためのものである。絶縁シート１７の材料は、例えばポリアミドである。また、ボルト・ナット１２のボルトの頭部とプレート６との間には、鍔を有する筒状の絶縁部材１８が絶縁を確保するために挟み込まれている。さらに、本実施形態では、絶縁シート１７と抵抗要素７（または圧着端子１３）との間にＧＦＲＰ製の筒状ナット１５が挿入されている。筒状ナット１５は、絶縁シート１７が何らかの原因で剥がれた場合においても確実な絶縁を確保するためのものである。

なお、図４（ｂ）に示した、一端が抵抗要素７ａに接続された導線１４の他端は、例えば、超電導コイル８ａに接続される。図４（ｃ）においては、導線１４の図示を省略している。

図３（ａ）に、二点鎖線で示したように、プレート６には、抵抗要素７（７ａ〜７ｉ）とともに保護用のダイオード１９を取り付けることもできる。また、図示を省略するが、永久電流スイッチなどの他の部品をプレート６に取り付けることもできる。

以上説明したように、保護抵抗体５は、メインコイル２に沿う湾曲した形状のプレート６、およびそのプレート面に沿って取り付けられ線材で形成された抵抗要素７（７ａ〜７ｉ）を主たる部材として有するものであるため、全体としてその厚みを薄くできている。その結果、メインコイル２とシールドコイル３との間のわずかな隙間に保護抵抗体５を設置できており、超電導マグネット装置１の小型化を実現できている。

次に、図４は、超電導マグネット装置１の超電導回路図である。図４に示した超電導回路は、メインコイル２およびシールドコイル３に電流を流すとともに、これらコイル２・３をクエンチなどから保護するための回路（保護回路）である。なお、図４中のコイル表示、抵抗要素表示において、図１に示した超電導コイル８ａ〜８ｉ、および図３（ａ）に示した抵抗要素７ａ〜７ｉと符号を合わせている。なお、超電導コイルの順序および抵抗要素の順序は、あくまで一例であり、図４に示したものに限られることはない。

図４に示したように、各超電導コイル８ａ〜８ｉの両端には、それぞれ抵抗要素７ａ〜７ｉが並列に接続されている。そして、直列に接続された超電導コイル８ａ〜８ｉの両端には、直流電源１１が接続され閉回路が形成されている。

励磁され定常状態となったコイル２・３においては、その超電導回路内を流れる電流は、直流電源１１から超電導コイル８ａ〜８ｉへ流れ直流電源１１へと戻る。この定常状態において、例えば、超電導コイル８ａにクエンチが発生した場合、直流電源１１から超電導コイル８ａへ流れていた電流は抵抗要素７ａを通り、超電導コイル８ｂ〜８ｉへ流れ直流電源１１へと戻る。超電導コイル８ａを流れていた電流は急激に減少し、超電導コイル８ａの損傷は防止される。

ここで、本実施形態では、抵抗要素７（７ａ〜７ｉ）を含む保護抵抗体５は、図２に示したように、液体ヘリウム１１に浸漬しているため十分に冷却されており、かつ、抵抗要素７（７ａ〜７ｉ）には、φ１．６ｍｍのステンレス製線材を使用しているため当該抵抗要素７（７ａ〜７ｉ）は冷却されやすい。したがって、抵抗要素７ａに電流が流れ発熱したとしても、抵抗要素７ａの温度上昇は少なく、換言すれば、液体ヘリウム１１の蒸発量も少ない。すなわち、保護抵抗体５は、超電導コイル８ａ〜８ｉを保護する役割を十分に果たす。

（抵抗要素の変形例）
図５は、図３に示した抵抗要素７（７ａ）の変形例を示す図である。図５（ａ）に示す抵抗要素７ａは、Ｖ型形状に線材が折り曲げられてなる抵抗要素である。図５（ｂ）に示す抵抗要素７ａは、図４（ｂ）に示した抵抗要素と同じくＷ字型形状に線材が折り曲げられてなるものであるが、中央の折り曲げ位置が変更されている。

（保護抵抗体の変形例）
図６は、図２に示した保護抵抗体５の変形例を示す図である。図６に示したように、メインコイル２とシールドコイル３との間にある程度の間隔がある場合には、保護抵抗体２５を構成するプレート６を、平板形状のプレート６としてもよい。この場合、例えば、プレート６の両端に支持部材１６を取り付け、この支持部材１６を介して、プレート６をメインコイル２に固定する。

また、図７に示したようなプレートであってもよい。なお、図７においては、抵抗要素７、ボルト・ナット１２の表記を省略している。図７（ａ）に示した保護抵抗体３５を構成するプレート６は、平板を折り曲げたものである。なお、２つ以上の折り曲げ箇所を有するプレートとしてもよい。また、図７（ｂ）に示した保護抵抗体４５を構成するプレート６は、湾曲した曲面を２つ有するものである。なお、３つ以上の湾曲した曲面を有するプレートとしてもよい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々に変更して実施することが可能なものである。

１：超電導マグネット装置
２：メインコイル
３：シールドコイル
４：ヘリウム容器
５：保護抵抗体
６：プレート
７：抵抗要素
１１：液体ヘリウム

Claims

プレートと、
前記プレートのプレート面に沿って取り付けられ、線材で形成された少なくとも１本の抵抗要素と、
を備え、
前記抵抗要素が液体ヘリウムで浸漬冷却されることを特徴とする、超電導マグネットの保護抵抗体。
請求項１に記載の保護抵抗体において、
線材が折り曲げられて形成された複数本の前記抵抗要素が、相互に直列に接続された状態で前記プレート面に取り付けられていることを特徴とする、超電導マグネットの保護抵抗体。
請求項１または２に記載の保護抵抗体において、
Ｗ字型形状の複数本の前記抵抗要素が、圧着端子を介して相互に直列に接続された状態で前記プレート面に取り付けられていることを特徴とする、超電導マグネットの保護抵抗体。
超電導線材を巻回してなるメインコイルと、
前記メインコイルの外側に配置され、超電導線材を巻回してなるシールドコイルと、
前記シールドコイルの外側に配置され、液体ヘリウムを収容するヘリウム容器と、
を備え、
前記メインコイルと前記シールドコイルとの間に配置された請求項１〜３のいずれかに記載の保護抵抗体が前記液体ヘリウムで浸漬冷却されることを特徴とする、超電導マグネット装置。