JP2821549B2 - 超電導磁石システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、超電導磁石システムに係り、特に、超電導
磁石の励磁または消磁を比較的短時間で実行するに好適
な超電導磁石の電流リードに関する。

〔従来の技術〕 従来の電流リードについては、例えば、IEEE,Transac
tion on Magnetics MAG24,No.2,March 1988 pp1272〜12
75の中で論じられている。この従来例に示された磁気共
鳴イメージングMRI（Magnetic Resonance Imaging）用
の超電導磁石に室温部から電流を供給するための電流リ
ードは、棒状の真ちゅう製で、その周囲の螺旋状の溝を
形成したものである。

冷却はその螺旋状の溝に冷たいヘリウムガスを流すこ
とによりなされる。

〔発明が解決しようとする課題〕

一般に超電導磁石を励磁または消磁するために電流リ
ードに通電すると、電流リードにはジュール熱が生ず
る。このジュール熱は、超伝導コイルを収納した液体ヘ
リウム容器内の温度を上昇させ、超伝導コイルをクエン
チに至らせる恐れがある。

そこで上記従来技術等では、電流リードに発生したジ
ュール熱を除去するために、多量の冷却用ヘリウムガス
を流して電流リードを冷却しており、ランニングコスト
が高くなる欠点があった。

本発明の目的は、電流リードに通電している間に、冷
却用ヘリウムガスを多量に流さなくとも、電流リードに
生ずるジュール熱を効率的に逃がすとともに、超電導コ
イルを収納した液体ヘリウム容器への電流リードからの
侵入熱を減らすことができ、全体としての冷却用ヘリウ
ムの消費量を著しく削減可能な構造の超電導磁石システ
ムを提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、上記目的を達成するために、超電導コイル
と、超電導コイルを冷却媒体内に収納する冷却媒体容器
と冷却媒体容器を外界から熱的に遮断する真空容器と、
超電導コイルを励磁または消磁するための電流リードと
を備え、電流リードの導体の少なくとも一部と熱的接触
を保つ蓄熱材を取り付けた超電導磁石システムにおい
て、前記蓄熱材を電流リードの導体の長手方向の少なく
とも１個所で断熱材により仕切り、長手方向の熱の流れ
を遮断した超電導磁石システムを提案する。

蓄熱材は、また、粒状物とすることもできる。その場
合は、粒状物間の熱の伝導を確保するために、間隙にヘ
リウムガスを満たすことが好ましい。

いずれの場合も、蓄熱材の熱容量を液体ヘリウム容器
から遠ざかるに従って大きくすることも可能である。

また、電流リードと蓄熱材との間に電流リードの軸方
向への輻射熱を遮断する輻射シールドを取り付けること
もできる。この場合は、輻射シールドに蓄熱材を固定す
る方式を採用してもよい。

〔作用〕

電流リードを超電導磁石に取り付けたままの状態で
は、電流リードから液体ヘリウムに熱が入る。そこで、
熱伝導率の小さな電気伝導体が望まれるが、一般に熱伝
導率と電気伝導率とは比例関係にあるので、熱伝導率の
小さな材料は電気伝導率も小さくなる。

特に、超電導磁石を励磁または消磁する場合、電流リ
ードには大電流を流すため、電気伝導率の小さな材料で
は、ジュール発熱が大きくなる、そのため、高温になっ
たり、焼損したりする恐れがある。

そこで、一般には、電流リードに冷却用ヘリウムガス
流路を設け、低温のヘリウム蒸発ガスを流し、電流リー
ドの温度を一定温度例えば100℃以下に保つことが行な
われているが、多量のヘリウムガスを流す必要があっ
た。

これに対して、本発明においては、電流リードの導体
の一部または全長に亙り、熱的接触を保ちながら、比熱
の高い蓄熱材を取り付ける。

このようにすると、超電導磁石を急速に励磁しても、
電流リードの導体のジュール熱が比熱の高い蓄熱材に伝
わっていくので、電流リードは一定の温度例えば前記10
0℃以下に維持できることになる。

また、通常の超電導磁石が永久電流状態にあるとき
は、電流リードからの通電電流は無いので、ジュール発
熱も無い。このような状態下での液体ヘリウム消費量の
削減をめざす装置にあっては、電流リードから液体ヘリ
ウムへの侵入熱を極力小さくすることが必要である。こ
の侵入熱Ｑは、電流リードの導体の断面積Ｓと長さｌと
熱伝導率ｋと電流リード両端の温度差△Ｔとから、
（１）式により求められる。

Ｑ＝Ｓ・Ｋ・△T/l ………（１） 電流リードの導体に蓄熱材を取り付けた場合は、前記
のとおり、導体温度の過渡的上昇を小さくできるので、
（１）式のＳやｋを小さくしたり、ｌを大きくしたりす
ることが可能である。そのため、非通電時の電流リード
から液体ヘリウムへの侵入熱は、蓄熱材を使わないとき
と比べ、小さくすることができる。

〔実施例〕

次に、図面を参照して、本発明の実施例を説明する。

第１図は本発明をMRI用超電導磁石システムに適用し
た一実施例を示す断面図である。この超電導磁石は、中
空円筒形で対称軸が水平に設置されている。

図において、１は超電導コイル、２は超電導コイル１
を常に冷却する液体ヘリウム、３は液体ヘリウム２と超
電導コイル１とを収納する液体ヘリウム容器、４は小形
冷凍機５の第２冷却部5aに熱的に接続され約20Kに保た
れている20Kシールド、６は小形冷凍機５の第１冷却部5
bに熱的に接続され約80Kに保たれている80Kシールドで
ある。20Kシールド４が液体ヘリウム容器３を包み込
み、さらに80Kシールド６が20Kシールド４を包み込んで
いるので、外部が高温となる環境にあっても、液体ヘリ
ウム容器３が輻射熱を浴びることはない。なお、80Kシ
ールド６は、スーパーインシュレーション７により覆わ
れており、室温の真空容器８からの輻射熱の影響を受け
ることが少ない。９は液体ヘリウム２を注入するポー
ト、10は本発明の対象となる電流リードである。電流リ
ード10は、室温部にあるが図示しない電源から超電導コ
イル１に電流を供給するために設けられている。

第１図に示したMRI用超電導磁石は、一般に、超電導
コイル１を収納した液体ヘリウム容器３を多重シールド
4,6等で包み込むことにより、液体ヘリウムの消費量を
少なくしている。

本発明は、電流リード10からの液体ヘリウム容器３へ
の侵入熱を少なくする手段を提供するものである。第２
図は、本発明による超電導磁石システムの電流リード部
分の拡大断面図である。第１図と同じ機能を果たす部分
には、同じ記号を付けてある。

1aは超電導コイル１からの配線であり、正負の２極あ
る。一方、11は図示していない電源からの電源配線端子
である。12は室温の電源配線端子11と液体ヘリウム温度
4.2Kの配線1aとを電気的に接続する電流リードの導体で
あり、例えば残留抵抗比（室温の抵抗／液体ヘリウム温
度の抵抗）が５から20の銅からなる。電源配線端子11
は、電流リードの導体12の上部に形成されたスタッド12
aとナット12bとにより、導体12に締め付けて固定され
る。配線1aは、同様に、導体12の下部に形成されたスタ
ッド12aとナット12bとにより、導体12に締め付けて固定
される。

電流リードの導体12の内面には、電気絶縁物13を張り
付けてある。この電気絶縁物13は、例えばPTFE（ポリテ
トラフロロエチレン）、PVF（ポリビニルフォルマー
ル）、ポリイミドの薄い膜状の物質である。電気絶縁物
13の内部には、蓄熱材14を配置してある。蓄熱材14は、
固形状の物であり、電流リードの長手方向に複数個並べ
てある。蓄熱材14の間には、断熱材15を挾んである。

蓄熱材14は比熱の大きな材質であることが望ましい。
例えば、鉛、銅、アルミニウム等である。超電導磁石の
磁場を乱さない非磁性体であれば、これらの金属の合金
でもよい。一方、断熱材15は、電気絶縁物13と同じか、
または電気絶縁体でしかも熱伝導率が小さいものが好ま
しい。例えば、PTEEやポリイミド等がある。

16は細い紐状の電気絶縁物を電流リードの導体12の外
周に巻き付けたリブである。リブ16は一定の間隔を保っ
て巻き付け、しかも、リブ16とパイプ17との間およびリ
ブ16と導体12との間はガスが漏れないように、気密にす
ることが大切である。17は、薄肉のオーステナイト系ス
テンレス鋼からなるパイプである。18は、第３図に示す
ように、冷却ガスの流路となる切り欠きを一部に設けた
リングである。リング18は、熱の良導体ではあるが電気
絶縁体のアルミナセラミクスや炭化ケイ素セラミックス
等からなる。

19はヘリウムガスの吐出口であり、パイプ17の上部に
貫通口を形成し吐出管を接続したものである。一方、ヘ
リウムガスの入口は、パイプ17の最下部にあり、パイプ
17と導体12とリブ16とにより形成されている。20は、パ
イプ17の上部先端に取り付けたシール部材であり、導体
12およびパイプ17との接合面は気密性が高くなってい
る。シール部材20は電気絶縁性が良いアルミナセラミッ
クス等からできている。

図示しない電源から電源配線端子11および電流リード
の導体12を介して、例えば400Aの大電流を配線1aに流
し、超電導コイル１を励磁する。したがって、電源配線
端子11、電流リードの導体12、配線1aと他の部材例えば
真空容器8,80Kシールド6,20Kシールド4,ヘリウム容器３
等との間には、電気が流れないことが重要である。その
ため、本実施例では、導体12の内部に取り付けた蓄熱材
14と導体12との間に電気絶縁物13を挾み込み、電流が導
体12のみを流れるようにしてある。

電流リードの導体12には、電流Ｉと導体12の抵抗Ｒと
により、RI²のジュール熱を生ずる。このジュール熱
は、導体12と螺旋状のリブ16とパイプ17とにより螺旋状
に形成された流路21に、液体状態から蒸発したヘリウム
ガスを流して吸収する。

流路21は、螺旋状のリブ16のピッチと導体12とパイプ
17とで形成された隙間として決定される。この流路21の
面積を小さくすると、同じ流量でも、導体12の外表面の
熱伝達係数を上げることができ、冷却効果が高くなる。

電流リードの導体12から発生したジュール熱の一部
は、本発明により導体12の内部に収納した蓄熱材14に伝
達される。蓄熱材14は、特に比熱が高いので、温度はあ
まり上昇しない。導体12から蓄熱材14への熱の移動は、
電気絶縁物13を介する熱伝導によりなされる。電気絶縁
物13の厚みは、10〜1000μｍ程度で十分であるから、導
体12の熱を蓄熱材14に容易に伝達できる。導体12から蓄
熱材14によりよく熱を伝えるために、蓄熱材14の内部に
ヘリウムガスを封入してもよい。

本発明の有効性は、超電導磁石の急速励磁と急速消磁
においてより顕著である。例えば、超電導磁石を励磁す
るときの通電パターンを第４図のようにし、電流リード
の導体12の初期温度分布を第５図のようであると仮定し
た場合、電流リードの導体12の直径20mm、内部の蓄熱材
の直径15mmとしたときの導体12の最高温度は、ヘリウム
ガスを流していないときでも、350K程度になる。なお、
この電流リードの導体12は、第２図では直線状としてい
るが、曲げてコンパクトにまとめても性能は低下しな
い。

もし、これと同じ寸法で電流リードの導体12内部の蓄
熱材14を取り除くと、導体12の最高温度は620K以上とな
り、高分子系の電気絶縁物が劣化しまたは焼けて炭化す
る恐れがある。

これに対して、本発明の超電導磁石システムにおいて
は、電流リードの導体の温度を低く維持できるので、ジ
ュール発熱による焼損のおそれがなくなる。

電流リードの導体12の内部にある蓄熱材14は、熱伝導
率の小さなスペーサ15を挾んで配列してある。また、蓄
熱材14を構成する残留抵抗比５程度の銅の熱伝導率も純
銅と比較して小さい。したがって、蓄熱材14とスペーサ
15との積層してある蓄熱材は、等価熱抵抗が大きいの
で、蓄熱材から液体ヘリウムに入る侵入熱は少なくな
る。

電流リードの流路21の冷却ガスにより熱が奪われるの
で、非通電時の侵入熱は、さらに少なくなる。

本発明の他の実施例を第６図に示す。本実施例の電流
リードは、第２図に示した電流リードの導体12の内部の
蓄熱材14を例えば球状または角型の粒状物としたもので
ある。これらの粒状物をスペーサ15で両側から挾み付け
て電流リードの導体12内に積み重ね、ヘリウムガスを満
たしてある。

本実施例においても、第４図のように非定常的に通電
する場合、電流リードの導体12内部にある粒状の蓄熱材
14の内部に電流リードの発熱量を蓄積できるので、電流
リードの温度上昇を低く抑えることが可能となる。

第７図は、本発明の他の実施例を示す図である。本実
施例が第２図実施例と異なる点は、電流リードの導体12
の内部にヘリウムガスの流路21を設けたことと、電気絶
縁物13を介して導体12の外周に蓄熱材14を取り付けたこ
とである。

この導体内部の流路21を利用して低温のヘリウムガス
を流し、電流リードを冷却できる。通電時に発生した導
体12の熱の一部は、導体12の流路21を流れている冷却ガ
スの顕熱により冷却される。

この場合、導体12のジュール熱の一部は、電気絶縁物
13を介して蓄熱材14に流れるので、冷却ガスは蓄熱材14
が無いときよりも少量で済む。

また、蓄熱材14があると通電中に生ずるジュール熱が
同じでも、蓄熱材14が無いときに比べて、導体12の温度
を低く抑えることができるから、導体12の断面積が小さ
くてもよい。そのため、熱伝導により導体12を介して液
体ヘリウムに入る侵入熱を少なくできる。

第８図は、本発明の別の実施例を示す図である。本実
施例は、第７図実施例において、導体12の外周にほぼ連
続して取り付けてあった蓄熱材14を、局所的に複数個取
り付けるようにしたものである。蓄熱材14は、蓄熱すべ
き熱量に応じて、室温に近付くほど大きくしてもよい。

本実施例は、蓄熱材14の構造が簡単で、取り付け作業
が容易になるメリットを持っている。また、第７図の実
施例では、導体12の長手方向の蓄熱材14の熱伝導率を小
さくする必要があったが、本実施例では、蓄熱材14を局
所的に取り付けてあるので、導体12方向での蓄熱材14を
介する熱伝導は小さくなり、蓄熱材14には熱伝導率が高
い材質でも採用できる。さらに、蓄熱材14には、固体−
液体間の相変化を利用したものを採用してもよい。例え
ば、水をカプセルに入れて蓄熱材14とすることも可能で
ある。

第９図は、本発明のさらに他の実施例を示す図であ
る。本実施例は、第２図の蓄熱材14の内部に蒸発したヘ
リウムガスを流すための流路25を設けたものである。

第４図に示したようなパターンで電流リードの導体12
を電流を流した後の蓄熱材14の最高温度は、室温をやや
越える程度まで上昇する。その後、導体12はガス冷却さ
れ、徐々に初期温度に戻るが、蓄熱材14は熱伝導率が比
較的小さい電気絶縁物13を介して導体12に熱が伝わるの
で、伝熱量が小さい。そのため、蓄熱材14が初期温度に
戻るまでの冷却時間は、流路25が無い場合、長時間を要
する。これに対して、流路25に蒸発したヘリウムガスを
流す本実施例では、蓄熱材14を積極的に直接冷却できる
ので、冷却時間を短縮できる。

第10図は本発明のさらに別の実施例を示す図である。
本実施例は、液体ヘリウム容器３と真空容器８との間の
電流リードの導体12に、電気絶縁物13を介して、輻射シ
ールド30を固定し、その外面に蓄熱材14を配置したもの
である。

本実施例において、電流リードの導体12に通電時に発
生したジュール熱は、輻射シールド30を介して蓄熱材14
に伝えられる。このように、輻射シールド30を利用する
と、蓄熱材14の取り付けが簡単になり、蓄熱材14による
冷却効果も、上記各実施例とほぼ同様に得られるので、
侵入熱が小さい電流リードを実現できる。

上記いずれの実施例も、MRI用超電導磁石システムや
リニアモータカー用超電導磁石システムに適用可能であ
り、超電導コイルの励磁または消磁に際してクエンチを
効果的に防止し、全体としてのヘリウム消費量を削減で
きる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、電流リードの導体に蓄熱材を接続
し、導体のジュール熱を蓄熱材に逃がすことができ、ジ
ュール熱による電流リードの導体の温度上昇を低く抑え
ることが可能となる。

特に、電流リードの導体に形成した流路内に蒸発した
ヘリウムガスを流すと、電流リードの導体を迅速に冷却
できる。

このように電流リードの導体を効果的に冷却できる
と、導体の断面積を小さくし、導体の材質の熱伝導率を
下げることが可能となるので、電流リードを超電導磁石
に取り付けたままでも、液体ヘリウムへの侵入熱を減ら
すことができる。

したがって、超電導磁石の励磁または消磁時のクエン
チを効果的に防止しながら、液体ヘリウムのシステム全
体としての消費量を削減できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による超電導磁石システムの一実施例の
全体構造を示す図、第２図は第１図実施例の電流リード
部分の拡大断面図、第３図は第２図電流リードのＡ−Ａ
線の沿った断面図、第４図は超電導磁石を励磁する電流
の通電パターンの一例を示す図、第５図は電流リード長
さと電流リード導体の温度との関係を蓄熱材の有無をパ
ラメータとして示す図、第６図は蓄熱材を粒状にした実
施例を示す図、第７図は電流リードの外周に蓄熱材をほ
ぼ連続的に取り付けた実施例を示す図、第８図は電流リ
ードの外周に蓄熱材を局所的に取り付けた実施例を示す
図、第９図は蓄熱材内部に蒸発したヘリウムガスを流す
流路を設けた実施例を示す図、第10図は輻射シールドに
蓄熱材を取り付けた実施例を示す図である。 １……超電導コイル、２……液体ヘリウム、 ３……ヘリウム容器、４……20Kシールド、 ５……小形冷凍機、６……80Kシールド、 ７……スーパーインシュレーション、 ８……真空容器、９……注入ポート、 10……電流リード、11……電源配線端子、 12……導体、12a……スタッド、 12b……ナット、13……電気絶縁物、 14……蓄熱材、15……断熱材、16……リブ、 17……パイプ、18……リング、19……吐出口、 20……シール部材、21,25……流路、 30……輻射シールド。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 笠原 直紀 茨城県日立市幸町３丁目１番１号 株式 会社日立製作所日立工場内 (56)参考文献 特開 昭58−48974（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−127511（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−102212（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01F 6/00,6/04,6/06

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】超電導コイルと、前記超電導コイルを冷却
   媒体内に収納する冷却媒体容器と、前記冷却媒体容器を
   外界から熱的に遮断する真空容器と、前記超電導コイル
   を励磁または消磁するための電流リードとを備え、前記
   電流リードの導体の少なくとも一部と熱的接触を保つ蓄
   熱材を取り付けた超電導磁石システムにおいて、 前記蓄熱材を前記電流リードの導体の長手方向の少なく
   とも１個所で断熱材により仕切ったことを特徴とする超
   電導磁石システム。
2. 【請求項２】請求項１に記載の超電導磁石システムにお
   いて、 前記蓄熱材が、粒状物とその間隙に満たしたヘリウムガ
   スとからなることを特徴とする超電導磁石システム。
3. 【請求項３】請求項１または２に記載の超電導磁石シス
   テムにおいて、 前記蓄熱材の熱容量を前記液体ヘリウム容器から遠ざか
   るに従って大きくしたことを特徴とする超電導磁石シス
   テム。
4. 【請求項４】請求項１ないし３のいずれか一項に記載の
   超電導磁石システムにおいて、 前記電流リードと前記蓄熱材との間に前記電流リードの
   軸方向への輻射熱を遮断する輻射シールドを取り付けた
   ことを特徴とする超電導磁石システム。