JP2014161427A - Superconducting magnet device and magnetic resonance imaging apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、超電導磁石装置及びそれを備えた磁気共鳴イメージング(以下、MRI;Magnetic Resonance Imagingと称す)装置に関する。 The present invention relates to a superconducting magnet device and a magnetic resonance imaging (hereinafter referred to as MRI) device including the same.
超電導磁石装置では、超電導線が巻枠に巻かれている。超電導線は、超電導物質から構成される超電導素線と、その超電導素線を内包する安定化材と、その安定化材を覆う絶縁材とを有している(特許文献1等参照)。安定化材は、超電導素線に何らかの擾乱が発生し、局所的に発熱してもその熱を拡散させ、超電導素線の超電導状態を安定化させている。絶縁材は、巻かれて隣接する超電導線間の電気絶縁を目的に設置されている。しかし、この絶縁層は、安定化材から伝わってくる前記熱を外側へ伝え難くしている。そこで、絶縁材の外側の熱伝達を向上させるため、巻回される超電導線の層間に良熱伝導性金属板を配置することが提案されている(特許文献2等参照)。また、MRI装置に適用されたわけではないが、絶縁材を超電導線から省いた超電導磁石装置が提案されている(非特許文献1等参照)。
In the superconducting magnet device, a superconducting wire is wound around a winding frame. The superconducting wire has a superconducting element wire made of a superconducting material, a stabilizing material that encloses the superconducting element wire, and an insulating material that covers the stabilizing material (see, for example, Patent Document 1). The stabilizing material causes some disturbance in the superconducting element wire, diffuses the heat even if it generates heat locally, and stabilizes the superconducting state of the superconducting element wire. The insulating material is wound for electrical insulation between adjacent superconducting wires. However, this insulating layer makes it difficult to transfer the heat transmitted from the stabilizing material to the outside. Therefore, in order to improve heat transfer outside the insulating material, it has been proposed to dispose a highly heat conductive metal plate between layers of the superconducting wire to be wound (see
しかし、非特許文献1の超電導磁石装置を、MRI装置等の強磁場を必要とする装置に適用すると問題が生じると考えられる。具体的には、電流をゼロアンペアから定格電流値まで増加させる際に問題が生じると考えられる。超電導磁石装置では、巻枠に超電導線が複数回巻回されている。そこで、この一巻き毎を一つのインダクタと見做せば、超電導磁石装置は複数のインダクタが直列に接続されたものと見做すことができる。超電導磁石装置に流す電流をゼロアンペアから定格電流値まで増加させる際には、単位時間当たりの電流増加量に応じて一巻き毎のインダクタの両端に誘導電圧が発生する。超電導線内部にある安定化材に、この誘導電圧が印加され、安定化材に電流が流れる。この際、安定化材にジュール発熱が発生する為、その発熱を十分除去できなければ超電導素線の温度が上昇し、超電導状態が維持できなくなると考えられる。しかし、非特許文献1では、問題なく電流をゼロアンペアから定格電流値まで増加させることができたと報告されている。ただ、MRI装置等の強磁場を必要とする装置に用いられる超電導磁石装置では、問題が生じる場合があると考えられる。
However, when the superconducting magnet apparatus of Non-Patent
すなわち、非特許文献1の超電導磁石装置は、超電導コイルの直径が数cmであり、超電導コイルのインダクタンスが数ミリヘンリ程度、その超電導コイル内部の超電導線の安定化材の抵抗は数ミリオーム程度であるから、安定化材を流れる電流は数アンペア程度であると考えられる。一方、MRI装置に適用される超電導磁石装置は、人間を覆い、その人間の位置に1テスラ程度の磁場を生成するため、超電導磁石装置の直径は1メータ程度、巻数は1000巻き程度、超電導線を流れる電流は数100アンペア程度となる。したがって、数1000ウェーバ程度の磁束を数100アンペアの電流で作ることになるため、インダクタンスは10ヘンリ程度となる。一方、安定化材の抵抗は、非特許文献1と同程度と考えられ、10キロアンペアの大電流が安定化材を流れることになる。この大電流により安定化材に発生するジュール発熱は大きく、超電導素線の温度が大きく上昇するため、超電導状態を維持できないと考えられる。安定化材を覆う絶縁材が省かれた超電導線が巻回された超電導磁石装置は、自身で発熱した熱を外部に伝え易いので有用であるが、電流を定格電流値まで増加させる際に発熱し易い。
That is, in the superconducting magnet device of Non-Patent
そこで、本発明が解決しようとする課題は、内部で発生した熱を外部に伝え易く、電流を増加させる際の発熱を抑制できる超電導磁石装置を提供することである。また、この超電導磁石装置を搭載したMRI装置を提供することである。 Therefore, the problem to be solved by the present invention is to provide a superconducting magnet device that can easily transmit heat generated inside to the outside and suppress heat generation when current is increased. Moreover, it is providing the MRI apparatus which mounts this superconducting magnet apparatus.
前記課題を解決するために、本発明は、
外表面が常電導体になっている超電導線が複数回巻回された超電導コイルを有し、
巻順が相前後するターンの前記常電導体同士は直接接し、
前記巻順が離れている前記ターンの前記常電導体の間には、絶縁部材が設けられていることを特徴とする超電導磁石装置である。また、この超電導磁石装置を搭載したことを特徴する磁気共鳴イメージング装置である。
In order to solve the above problems, the present invention provides:
It has a superconducting coil in which a superconducting wire whose outer surface is a normal conductor is wound several times,
The normal conductors of the turns in which the winding order is in sequence are in direct contact with each other,
In the superconducting magnet apparatus, an insulating member is provided between the normal conductors of the turns in which the winding order is separated. Further, the present invention is a magnetic resonance imaging apparatus characterized by mounting this superconducting magnet apparatus.
本発明によれば、内部で発生した熱を外部に伝え易く、電流を増加させる際の発熱を抑制できる超電導磁石装置を提供できる。また、この超電導磁石装置を搭載したMRI装置を提供できる。なお、前記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the superconducting magnet apparatus which can carry out the heat | fever which generate | occur | produced inside easily and can suppress the heat_generation | fever at the time of increasing an electric current can be provided. In addition, an MRI apparatus equipped with this superconducting magnet apparatus can be provided. Problems, configurations, and effects other than those described above will be clarified by the following description of embodiments.
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。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略する。 Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate. In each figure, common portions are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
(第1の実施形態)
図2に、本発明の第1の実施形態に係る磁気共鳴イメージング(MRI)装置3の斜視図を示す。MRI装置3は、核磁気共鳴(以下、NMRという)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、その信号を演算処理して被検者2体内中の水素原子核密度分布を求めることで、断層像を撮像するものである。その計測の際には観測領域8(図3参照)において、強い磁場(0.2T以上)で、高い磁場均一度(10ppm程度)を有する均一磁場を形成する必要がある。MRI装置3には、複数(図2の例では2つ)の超電導磁石装置1と、これらの超電導磁石装置1を収める真空容器10と、被検者2を横たえるベッド4とが設けられている。被検者2は、例えば水平方向に移動可能なベッド4と共に、円筒形状の真空容器10内の所定の位置までに移動し、体内の所定部位の撮像が行われる。超電導磁石装置1によって、真空容器10の円筒形状の内部の観測領域8(図3参照)に強力な磁場強度の均一磁場が形成されている。
(First embodiment)
FIG. 2 is a perspective view of the magnetic resonance imaging (MRI)
図3に、本発明の第1の実施形態に係るMRI装置3の縦断面図を示す。この縦断面図は、円筒形状の真空容器10の中心軸6を含む平面でMRI装置3を切った断面図である。超電導磁石装置1は円環形状をしており、この中心軸も、前記中心軸6に概ね一致しているので、図3では、1本の中心軸6で兼用している。超電導磁石装置1は、中心軸6を中心軸とする円環状の巻枠7と、巻枠7に超電導線が複数回巻回された超電導コイル5と、この超電導コイル5の外周に沿ってこの超電導コイル5に嵌められたリング9とを有している。巻枠7は、例えばステンレス鋼により形成されている。そして、超電導コイル5から引き出される超電導線の両端を図示していない電源に接続することにより、超電導コイル5に電流を流し、NMR現象により水素原子核スピンが放出する電磁波の観測領域8に所定の磁場強度と磁場均一度を持った静磁場(均一磁場)を形成する。超電導磁石装置1は、例えば床から荷重支持体12により支持されている。この荷重支持体12は、熱伝導率の低い材料、例えばFRP(Fiber Reinforced Plastics)により形成されている。超電導磁石装置1は真空容器10内部に設置され、真空容器10と超電導磁石装置1の間の空間に輻射シールド11が設置される。真空容器10は床面に固定(支持)され、輻射シールド11は、例えば前記荷重支持体12に固定(支持)される。超電導コイル5に巻回されている超電導線は、磁場生成中は、極低温状態に保持する必要がある。そのため、例えば超電導磁石装置1と輻射シールド11の間の空間に図示省略した冷媒容器を設けて、この冷媒容器内に超電導磁石装置1を収め、極低温冷媒、例えば液体ヘリウムを満たしている。これにより超電導コイル5に巻回されている超電導線の超電導状態を維持可能としている。あるいは、例えば超電導磁石装置1と輻射シールド11に接続する図示を省略した冷凍機を設けて、輻射や伝導による超電導磁石装置1と輻射シールド11からの入熱を外部に放出し、超電導コイル5に巻回されている超電導線の超電導状態を維持可能としてもよい。真空容器10は、非磁性材料、例えばステンレス鋼で構成し、輻射シールド11は、熱伝導度の高い材料、例えばアルミニウムで構成することができる。
FIG. 3 shows a longitudinal sectional view of the
被検者2の断層像の撮像において空間位置情報を付与する目的で、超電導磁石装置1が形成した前記均一磁場に、空間的な変化(傾斜磁場)を重畳する傾斜磁場コイル(図示省略)が、真空容器10の観測領域8側に配置されている。また、NMR現象を引き起すための共鳴周波数の電磁波を被検者2に照射(印加)する高周波照射コイル(図示省略)が、前記傾斜磁場コイル(図示省略)の観測領域8側に配置されている。これらにより、関心領域(観測領域8)の断面を画像化する。即ち、超電導コイル5で生成した均一磁場に、傾斜磁場コイル(図示省略)で磁場を重畳させることにより関心領域(通常1mmピッチのスライス面)だけを所定の磁場強度に設定する。続いて、その関心領域に共鳴周波数の電磁波を照射して、スライス面にだけNMR現象を引き起こさせ、水素原子核スピンが放出する電磁波を受信して断層画像を形成している。そして、良好な断層画像を得るためには観測領域8における前記均一磁場の磁場強度を高精度に均一に保持する必要がある。そのために、観測領域8の磁場計測結果を元に、真空容器10の内筒の大気側側面に小鉄片(図示省略)を配置する磁場調整作業や、傾斜磁場コイル(図示省略)と高周波照射コイル(図示省略)の間に配置した磁場補正コイル(図示省略)に給電することによる磁場調整作業が行われる。
A gradient magnetic field coil (not shown) that superimposes a spatial change (gradient magnetic field) on the uniform magnetic field formed by the
図1に、本発明の第1の実施形態に係る超電導磁石装置1の断面図の中心軸6の上側を示す。中心軸6の下側は、この上側と中心軸6を対称線として略線対称になっているので、その記載を省略している。断面形状が四角形の超電導線13が、巻枠7に複数回(図1の例では30回)巻かれている。超電導線13内の数字は巻順を表し、図1の例では1巻目から30巻目まで順に巻かれている。超電導線13は、中心軸6の周りにその周方向に沿って巻回される。図1に示すように、超電導線13の巻順(巻目、ターン)は、中心軸6に沿った方向を往復しながら、増加している。超電導線13は、中心軸6と略平行な第1方向(図1の例えば右方向)に巻順が増加するように巻回されて第1層をなしている。具体的に、第1層としては、巻順1〜5の超電導線13からなる層と、巻順11〜15の超電導線13からなる層と、巻順21〜25の超電導線13からなる層とが該当する。また、超電導線13は、中心軸6と略平行で前記第1方向に逆向きの第2方向(図1の例えば左方向)に巻順が増加するように巻回されて第2層をなしている。具体的に、第2層としては、巻順6〜10の超電導線13からなる層と、巻順16〜20の超電導線13からなる層と、巻順26〜30の超電導線13からなる層とが該当する。超電導コイル5では、これらの第1層と第2層とが交互に積層されている。そして、第1層と第2層の間の一部に、絶縁部材16が設けられている。絶縁部材16は、中心軸6の周方向に沿って全周にわたって設けられている。
In FIG. 1, the upper side of the
超電導線13の外表面は、絶縁材で覆われておらず、常電導体(良導体)である安定化材15(図4参照)が露出している。そして、巻順が相前後する巻目(ターン)の超電導線13(の常電導体)同士は直接接している。例えば、巻順が相前後する1巻目(ターン)と2巻目とは、直接接している。巻順が相前後する5巻目と6巻目とは、直接接している。巻順が相前後するn巻目(nは自然数)とn+1巻目とは、直接接している。一方、巻順が、3を超えて離れている巻目(ターン)の超電導線13(の常電導体)の間には、絶縁部材16が設けられている。なお、巻順が3以上離れている巻目の超電導線13(の常電導体)の間に、絶縁部材16が設けられていてもよく、2以上離れている巻目の超電導線13(の常電導体)の間に、絶縁部材16が設けられていてもよい。例えば、巻順が9つ離れている1巻目(ターン)と10巻目の超電導線13(の常電導体)の間には、絶縁部材16が設けられている。巻順が7つ離れている2巻目と9巻目の超電導線13(の常電導体)の間には、絶縁部材16が設けられている。巻順が5つ離れている3巻目と8巻目の超電導線13(の常電導体)の間には、絶縁部材16が設けられている。巻順が3つ離れている4巻目と7巻目の超電導線13(の常電導体)の間の一部には、絶縁部材16が設けられ、4巻目と7巻目の超電導線13(の常電導体)の間の他の一部は直接接している。巻順の差が3以下の巻目(ターン)同士の超電導線13(の常電導体)は互いに直接接している。
The outer surface of the
前記第1層の例えば巻順1〜5の超電導線13からなる層の端部に位置する5巻目(ターン)と、前記第2層の例えば巻順6〜10の超電導線13からなる層の端部に位置する6巻目とでは、巻順が相前後し、互いの超電導線13(の常電導体)が直接接している。前記第1層の例えば巻順1〜5の超電導線13からなる層の端部に位置する1巻目(ターン)と、前記第2層の例えば巻順6〜10の超電導線13からなる層の端部に位置する10巻目とでは、巻順が3を超えて離れ、互いの超電導線13(の常電導体)の間に絶縁部材16が設けられている。
The fifth layer (turn) located at the end of the layer composed of the
超電導コイル5には、その外周に沿ってリング9が嵌められている。リング9は、前記層の最外層の外側に配置され、その最外層に中心軸6の周りの全周において圧接している。リング9は超電導線13内部の安定化材15(図4参照)よりも線膨張係数の大きい材料、例えばアルミニウムなどで構成されることが好適である。また、リング9を超電導コイル5に嵌めるには、例えば、焼き嵌めを用いることができる。このリング9によれば、互いに隣接する巻目同士を、圧接して、確実に直接接触させることができる。そして、その接触における接触抵抗Rc(図4参照)を小さく安定させることができる。なお、このリング9に替えて、超電導コイル5を径方向外側から圧縮できるのであれば、他の手段であってもよい。また、超電導コイル5の巻線張力によって自身を圧縮させる圧縮力を発生させることができるのであれば、リング9を省いてもよい。また、加圧成型によってもよい。
A
図4に、本発明の第1の実施形態に係る超電導磁石装置1を構成する超電導コイル5の断面図の一部を示す。超電導線13は、複数本の超電導素線14と、それら複数本の超電導素線14を覆う安定化材(常電導体)15とを有している。超電導線13(安定化材15)の外表面は絶縁材で覆われておらず、安定化材15が露出している。超電導素線14は、超電導物質(例えばNbTiニオブチタンなど)から構成されている。安定化材15は、その超電導素線14を内包している。安定化材15は、超電導素線14を超電導状態に安定化させる機能を有している。安定化材15には、常電導体の特に良導体が用いられる。例えば銅などが好適である。超電導線13の最外層は良導体で形成されることになる。巻順が相前後する超電導線13同士の安定化材15が直接接触する。このため、巻順が相前後する超電導線13の間では、熱を良好に伝導することができる。また、巻順が相前後する超電導線13の間には、小さな(接触)抵抗Rcが生じ、電流が流れ易くなっている。一方、巻順が、3を超えて離れている巻目(ターン)の超電導線13の間(例えば、3巻目と8巻目の間)には、絶縁部材16が設けられている。このため、巻順が3を超えて離れている巻目(ターン)の超電導線13の間では、熱を伝導し難くなり、また、電流が流れ難くなっている。よって、熱伝導に関しては、巻順が相前後する方向に沿って熱流速の通り道が形成される。超電導素線14で発生した局所的な熱は、この熱流速の通り道を通って、巻枠7を含めた外部へ伝導させる。また、電気伝導に関しては、超電導磁石装置に流す電流をゼロアンペアから定格電流値まで増加させる際に、超電導線13の巻目(インダクタ19、図5参照)毎に誘導電圧が発生すると、巻順が相前後する方向に沿った電流パスに電流が流れる。この電流は、超電導線13の巻目毎に前記小さな(接触)抵抗Rcを流れる。(接触)抵抗Rcは小さいが、この電流は、巻順が相前後する方向に多数の巻目の(接触)抵抗Rcを順に(直列に)流れるので、大電流化を抑制でき、これによる発熱を抑制できる。そして、リング9は、超電導コイル5の巻線形状の保持だけでなく、前記した超電導線13間の接触(電気)抵抗Rcと接触熱抵抗を低下させることを可能にしている。
FIG. 4 shows a part of a cross-sectional view of the
図5に、本発明の第1の実施形態に係る超電導磁石装置1の等価回路図を示す。超電導磁石装置1では、超電導線13(図1参照)が複数回巻回されている。そこで、この一巻き毎を一つのインダクタ19と見做せば、超電導磁石装置1は巻数分の数のインダクタ19が、巻順の順番で直列に接続されたものと見做すことができる。そして、直流電源18を用いて、超電導磁石装置1(超電導コイル5)に流す電流を、ゼロアンペアから定格電流値まで増加させる際には、単位時間当たりの電流増加量に応じて、インダクタ19毎の両端に誘導電圧が発生する。超電導磁石装置1では、図1に示すように巻順が相前後する超電導線13が接触しているため、巻順が相前後するインダクタ19の間毎に安定化材15に起因する抵抗(接触抵抗Rc)が並列に接続(分布)していると考えることができる。これは見方を変えると、巻数分の数の抵抗(接触抵抗Rc)が直列に接続されていると考えることができる。このため、この直列接続された抵抗(接触抵抗Rc)のトータルの抵抗値を大きくすることができる(具体的には、接触抵抗Rcの巻数倍)。そして、この抵抗(接触抵抗Rc)の直列接続の両端には、インダクタ19毎の両端に発生した誘導電圧を巻数倍したトータル電圧が印加される。MRI装置3(図2参照)に搭載されるような大きな磁場強度の磁場を発生させる超電導磁石装置1では、大きな前記トータル電圧が印加されるが、それが印加される前記トータルの抵抗値が大きいので、ジュール熱による発熱を低く抑えることができる。すなわち、ジュール熱Qは、トータル電圧の2乗に比例し、トータルの抵抗値に反比例する(Q∝V2/R)ので、詳細は後記するが、絶縁部材16によって、トータルの抵抗値の低下を抑制し、ジュール熱Qを小さく抑えることができる。
FIG. 5 shows an equivalent circuit diagram of the
図8に、比較例の超電導磁石装置の断面図の中心軸6の上側を示し、図9に、比較例の超電導磁石装置を構成する超電導コイル5の断面図の一部を示し、図10に、比較例の超電導磁石装置の等価回路図を示す。図8に示すように、断面形状が円形の超電導線13が、巻枠7に複数回(図8の例では23回)巻かれている。超電導線13内の数字は巻順を表し、図8の例では1巻目から23巻目まで順に巻かれている。超電導線13は、中心軸6の周りにその周方向に沿って巻回される。図8に示すように、超電導線13の巻順(巻目、ターン)は、中心軸6に沿った方向を往復しながら、増加している。
8 shows an upper side of the
図9に示すように、超電導線13は、複数本の超電導素線14と、それら複数本の超電導素線14を覆う安定化材(常電導体)15とを有している。超電導線13(安定化材15)の外表面は絶縁材で覆われておらず、安定化材15が露出している。これにより、例えば、8巻目の超電導線13(の安定化材15)は、隣接する2巻目、3巻目、7巻目、9巻目、11巻目、12巻目の超電導線13(の安定化材15)と、直接接触している。このため、隣接する超電導線13の間で、熱を良好に伝導することができる。また、隣接する超電導線13の間には、小さな(接触)抵抗Rcが生じ、電流が流れ易くなっている。
As shown in FIG. 9, the
図8に示すように、比較例の超電導磁石装置では、超電導線13が複数回巻回されている。そこで、図10に示すように、この一巻き毎を一つのインダクタ19と見做せば、超電導磁石装置1は巻数分の数のインダクタ19が、巻順の順番で直列に接続されたものと見做すことができる。そして、図5と同様に、巻順が相前後する超電導線13が接触しているため、巻順が相前後するインダクタ19の間毎に安定化材15に起因する抵抗(接触抵抗Rc)が並列に接続(分布)していると考えることができる。そして、巻数分の数の抵抗(接触抵抗Rc)が直列に接続されていると考えることができる。しかし、比較例では、絶縁部材16が設けられていないので、この直列接続された抵抗(接触抵抗Rc)のトータルの抵抗値が小さくなってしまう。具体的には、接触抵抗Rcの巻数倍の数分の1か、数十分の1になってしまう。
As shown in FIG. 8, in the superconducting magnet device of the comparative example, the
具体的に、1巻目と23巻目の間のトータルの抵抗R0を考えると、1巻目から23巻目への電流パスが複数存在し、トータルの抵抗R0が小さくなる。1巻目から23巻目への電流パスとしては、主なものでも、1巻目−2巻目−3巻目−7巻目−13巻目−15巻目−23巻目の電流パスと、1巻目−2巻目−8巻目−7巻目−13巻目−15巻目−23巻目の電流パスと、1巻目−2巻目−8巻目−12巻目−13巻目−15巻目−23巻目の電流パスと、1巻目−2巻目−8巻目−12巻目−16巻目−15巻目−23巻目の電流パスと、1巻目−2巻目−8巻目−12巻目−16巻目−22巻目−23巻目の電流パスと、1巻目−9巻目−11巻目−17巻目−21巻目−22巻目−23巻目の電流パスの、6つの電流パスが存在する。これらの電流パスでは、6つ前後の接触抵抗Rcが直列に接続されていることになるが、電流パスが互いに並列に接続されているので、トータルの抵抗R0は、1つ分の接触抵抗Rc程度の抵抗値にしかならない(R0≒Rc)。このように、比較例においては、トータルの抵抗R0は、接触抵抗Rcの巻数倍の抵抗値に比べて小さくなりやすい。
Specifically, considering the total resistance R 0 between the first and the 23rd rolls, there are a plurality of current paths from the first roll to the 23rd roll, and the total resistance R 0 becomes smaller. As the current path from the 1st volume to the 23rd volume, even the main current path includes the 1st volume-2 volume-3 volume-7 volume-13 volume-15 volume-23 current path 1st volume-2nd volume-8th volume-7th volume-13th volume-15th volume-23rd volume current path and 1st volume-2nd volume-8th volume-12th volume-13 Volume-15, Volume-23, Current Path, Volume1-2, Volume-8, Volume-12, Volume-16, Volume-15, Volume-23 Current Path,
そして、この小さなトータルの抵抗R0の両端には、電流をゼロアンペアから定格電流値まで増加させる際に、インダクタ19毎の両端に発生した誘導電圧を巻数倍したトータル電圧が印加される。MRI装置3(図2参照)に搭載されるような大きな磁場強度の磁場を発生させる超電導磁石装置1では、大きな前記トータル電圧が印加されるが、それが印加される前記トータルの抵抗R0が小さいので、比較例ではジュール熱による発熱が大きくなってしまう。すなわち、ジュール熱Qは、トータル電圧の2乗に比例し、トータルの抵抗値に反比例する(Q∝V2/R)ので、比較例のようにトータルの抵抗R0が小さいと、ジュール熱Qが大きくなってしまう。逆に、第1の実施形態では、前記したように、トータルの抵抗が絶縁部材16によって小さくならないので、ジュール熱Qを小さくすることできる。
The total voltage obtained by multiplying the induced voltage generated at both ends of each
(第2の実施形態)
図6に、本発明の第2の実施形態に係る超電導磁石装置1の断面図を示す。第2の実施形態の超電導磁石装置1が、第1の実施形態の超電導磁石装置1と異なる点は、超電導線13の断面形状が、矩形ではなく、円形である点である。円形であっても、第1の実施形態と同様な効果を得ることができる。また、第2の実施形態では、超電導線13の巻回方式が所謂「密巻」であり、第1の実施形態の所謂「整列巻」とは異なっている。「密巻」であっても、第1の実施形態と同様な効果を得ることができる。
(Second Embodiment)
In FIG. 6, sectional drawing of the
超電導線13は、中心軸6と略平行な第1方向(図6の例えば右方向)に巻順が増加するように巻回されて第1層をなしている。具体的に、第1層としては、巻順1〜5の超電導線13からなる層と、巻順10〜14の超電導線13からなる層と、巻順19〜23の超電導線13からなる層とが該当する。また、超電導線13は、中心軸6と略平行で前記第1方向に逆向きの第2方向(図6の例えば左方向)に巻順が増加するように巻回されて第2層をなしている。具体的に、第2層としては、巻順6〜9の超電導線13からなる層と、巻順15〜18の超電導線13からなる層とが該当する。超電導コイル5では、これらの第1層と第2層とが交互に積層されている。そして、第1層と第2層の間の一部に、絶縁部材16が設けられている。絶縁部材16は、中心軸6の周方向に沿って全周にわたって設けられている。
The
巻順が相前後する巻目(ターン)の超電導線13(の常電導体)同士は直接接している。一方、巻順が、1を超えて離れている巻目(ターン)の超電導線13の間には、絶縁部材16が設けられている。なお、巻順が2を超えて(3以上)離れている巻目の超電導線13の間に、絶縁部材16が設けられていてもよい。例えば、巻順が8つ離れている1巻目(ターン)と9巻目の超電導線13の間には、絶縁部材16が設けられている。巻順が7つ離れている2巻目と9巻目の超電導線13の間には、絶縁部材16が設けられている。巻順が6つ離れている2巻目と8巻目の超電導線13の間には、絶縁部材16が設けられている。巻順が5つ離れている3巻目と8巻目の超電導線13の間には、絶縁部材16が設けられている。巻順が4つ離れている3巻目と7巻目の超電導線13の間には、絶縁部材16が設けられている。巻順が3つ離れている4巻目と7巻目の超電導線13の間には、絶縁部材16が設けられている。巻順が2つ離れている4巻目と6巻目の超電導線13の間には、絶縁部材16が設けられている。巻順が1つ離れている5巻目と6巻目の超電導線13とは、直接接している。
The superconducting wires 13 (ordinary conductors) of the windings (turns) whose winding order is in sequence are in direct contact with each other. On the other hand, an insulating
前記第1層の例えば巻順1〜5の超電導線13からなる層の端部に位置する5巻目(ターン)と、前記第2層の例えば巻順6〜9の超電導線13からなる層の端部に位置する6巻目とでは、巻順が相前後し、互いの超電導線13が直接接している。前記第1層の例えば巻順1〜5の超電導線13からなる層の端部に位置する1巻目(ターン)と、前記第2層の例えば巻順6〜9の超電導線13からなる層の端部に位置する9巻目とでは、巻順が1を超えて離れ、互いの超電導線13の間に絶縁部材16が設けられている。
The fifth layer (turn) located at the end of the layer composed of the
(第3の実施形態)
図7に、本発明の第3の実施形態に係る超電導磁石装置1の断面図を示す。第3の実施形態の超電導磁石装置1が、第1の実施形態の超電導磁石装置1と異なる点は、超電導線13の巻回方式が所謂「アルファ(α)巻」もしくは「パンケーキ巻」である点である。「アルファ巻」であっても、第1の実施形態と同様な効果を得ることができる。「アルファ巻」では、超電導線13では、巻枠7の半径方向外側に向かって巻順が連続的に増加する。「アルファ巻」では、半径方向外側に巻順が増加するように巻回され、互いに渦巻の方向が逆の一対の第1渦巻と第2渦巻層を有している。
(Third embodiment)
In FIG. 7, sectional drawing of the
第1渦巻は、例えば、巻順0r〜5rの超電導線13からなっている。第1渦巻では、超電導コイル5の中心軸6の周方向に沿った第1方向に渦巻ながら半径方向外側へ広がるように巻順0r〜5rの順に、超電導線13が巻回されている。第2渦巻は、例えば、巻順0l〜5lの超電導線13からなっている。第2渦巻では、超電導コイル5の中心軸6の周方向に沿い前記第1方向とは逆の第2方向に渦巻ながら半径方向外側へ広がるように巻順0l〜5lの順に、超電導線13が巻回されている。そして、第1渦巻と第2渦巻の間の一部に、絶縁部材16が設けられている。絶縁部材16は、中心軸6の周方向に沿って全周にわたって設けられている。
The first spiral is composed of, for example, a
巻順が相前後する巻目(ターン)の超電導線13同士は直接接している。一方、巻順が、1を超えて離れている巻目(ターン)の超電導線13の間には、絶縁部材16が設けられている。例えば、巻順が10巻き離れている第1渦巻の5r巻目(ターン)と第2渦巻の5l巻目(ターン)の超電導線13の間には、絶縁部材16が設けられている。第1渦巻において中心軸6から最も離れた5r巻目(ターン)と、第2渦巻において中心軸6から最も離れた5l巻目(ターン)とでは、巻順が10巻き離れ、互いの間に絶縁部材16が設けられている。また、巻順が8巻き離れている第1渦巻の4r巻目(ターン)と第2渦巻の4l巻目(ターン)の超電導線13の間には、絶縁部材16が設けられている。巻順が6巻き離れている第1渦巻の3r巻目(ターン)と第2渦巻の3l巻目(ターン)の超電導線13の間には、絶縁部材16が設けられている。巻順が4巻き離れている第1渦巻の2r巻目(ターン)と第2渦巻の2l巻目(ターン)の超電導線13の間には、絶縁部材16が設けられている。巻順が2巻き離れている第1渦巻の1r巻目(ターン)と第2渦巻の1l巻目(ターン)の超電導線13の間には、絶縁部材16が設けられている。巻順が等しい第1渦巻の0r巻目(ターン)と第2渦巻の0l巻目(ターン)の超電導線13とは、実質的に1つのターンであり、両端部が互いに直接接している。
The
なお、本発明は、前記した第1〜第3の実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前記した第1〜第3の実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることも可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。 The present invention is not limited to the first to third embodiments described above, and includes various modifications. For example, the first to third embodiments described above have been described in detail for easy understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the configurations described. Further, a part of the configuration of an embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of an embodiment. Moreover, it is also possible to add, delete, and replace other configurations for a part of the configuration of each embodiment.
1 超電導磁石装置
2 被検者
3 磁気共鳴イメージング(MRI)装置
4 ベッド
5 超電導コイル
6 中心軸
7 巻枠
8 観測領域
9 リング
10 真空容器
11 輻射シールド
12 荷重支持体
13 超電導線
14 超電導素線
15 安定化材(常電導体)
16 絶縁部材
18 直流電源
19 インダクタ
Rc (接触)抵抗
DESCRIPTION OF
16 Insulating
Claims (13)
巻順が相前後するターンの前記常電導体同士は直接接し、
前記巻順が離れている前記ターンの前記常電導体の間には、絶縁部材が設けられていることを特徴とする超電導磁石装置。 It has a superconducting coil in which a superconducting wire whose outer surface is a normal conductor is wound several times,
The normal conductors of the turns in which the winding order is in sequence are in direct contact with each other,
A superconducting magnet device, wherein an insulating member is provided between the normal conductors of the turns in which the winding order is separated.
前記常電導体は、前記超電導素線を覆い、前記超電導素線を安定化させることを特徴とする請求項1に記載の超電導磁石装置。 The superconducting wire has a superconducting wire,
2. The superconducting magnet device according to claim 1, wherein the normal conductor covers the superconducting element wire and stabilizes the superconducting element wire.
前記第1方向とは逆の第2方向に前記巻順が増加するように前記超電導線が巻回されて第2層をなし、
前記第1層と前記第2層とが交互に積層され、
前記第1層と前記第2層の間の一部に、前記絶縁部材が設けられていることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の超電導磁石装置。 The superconducting wire is wound so as to increase the winding order in a first direction substantially parallel to the central axis of the superconducting coil to form a first layer;
The superconducting wire is wound to increase the winding order in a second direction opposite to the first direction to form a second layer;
The first layer and the second layer are alternately stacked,
4. The superconducting magnet device according to claim 1, wherein the insulating member is provided in a part between the first layer and the second layer. 5.
前記第2層の一方の端部に位置する前記ターンとでは、
前記巻順が相前後し、互いの前記常電導体は直接接することを特徴とする請求項4に記載の超電導磁石装置。 The turn located at one end of the first layer;
With the turn located at one end of the second layer,
The superconducting magnet device according to claim 4, wherein the winding order is phased and the normal conductors are in direct contact with each other.
前記第2層の他方の端部に位置する前記ターンとでは、
前記巻順が離れ、互いの前記常電導体の間に前記絶縁部材が設けられていることを特徴とする請求項5に記載の超電導磁石装置。 The turn located at the other end of the first layer;
With the turn located at the other end of the second layer,
The superconducting magnet device according to claim 5, wherein the winding order is separated and the insulating member is provided between the normal conductors.
前記周方向に沿い前記第1方向とは逆の第2方向に渦巻ながら広がるように前記超電導線が巻回された第2渦巻とを有し、
前記第1渦巻と前記第2渦巻の間の一部に、前記絶縁部材が設けられていることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の超電導磁石装置。 A first spiral in which the superconducting wire is wound so as to spread while spiraling in a first direction along the circumferential direction of the central axis of the superconducting coil;
A second spiral in which the superconducting wire is wound so as to spread while spiraling in a second direction opposite to the first direction along the circumferential direction;
4. The superconducting magnet device according to claim 1, wherein the insulating member is provided in a part between the first spiral and the second spiral. 5.
前記第2渦巻において前記中心軸から最も離れた前記ターンとでは、
前記巻順が離れ、互いの前記常電導体の間に前記絶縁部材が設けら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。 The turn farthest from the central axis in the first spiral;
In the turn that is farthest from the central axis in the second spiral,
The superconducting magnet device according to claim 9, wherein the winding order is separated and the insulating member is provided between the normal conductors.
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WO2016064069A1 (en) * | 2014-10-20 | 2016-04-28 | 고려대학교 산학협력단 | Superconducting coil using partially-insulating winding, and method for manufacturing superconducting coil |
-
2013
- 2013-02-22 JP JP2013033120A patent/JP2014161427A/en active Pending
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WO2016064069A1 (en) * | 2014-10-20 | 2016-04-28 | 고려대학교 산학협력단 | Superconducting coil using partially-insulating winding, and method for manufacturing superconducting coil |
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JP2017535948A (en) * | 2014-10-20 | 2017-11-30 | コリア ユニバーシティ リサーチ アンド ビジネス ファウンデーションKorea University Research And Business Foundation | Superconducting coil using partially insulated winding and method of manufacturing superconducting coil |
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