JP3851215B2 - 超電導マグネット装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超電導マグネット装置におけるマグネットコイルの支持構造に関するもので、特に、マグネットコイルへの外部振動の伝達を抑制する様にした超電導マグネット装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、超電導マグネットを利用したＮＭＲ（核磁気共鳴装置）等の超電導マグネット装置は、各方面に次第に普及しつつあり、その代表的な構造を、図３に示す。同図は、特開平６−１３２５６７号公報に示されている装置であって、真空断熱容器４内に輻射シールド６を配置し、該輻射シールド６内に巻枠１３に巻着された超電導マグネット９を配置し、前記真空断熱容器４に取り付けられた二段式ＧＭ冷凍機（二段式ギフォード・マクマホン冷凍機）１の液体窒素温度レベルに冷却される高温側ステージ２を前記輻射シールド６に熱的に接続させ、液体ヘリウム温度レベルに冷却される低温側ステージ３を前記巻枠１３を介して前記超電導マグネット９に熱的に接続させるものであった。尚、同図において、２０は前記二段式冷凍機１の圧縮機ユニットである。
【０００３】
係る構造の超電導マグネット装置においては、前記二段式冷凍機１の内部に配置されているピストンシリンダ機構（図示せず）やバルブユニット（図示せず）の動作によって、該二段式冷凍機１自体に振動が生じるが、該二段式冷凍機１が前記超電導マグネット９に直接接続されているので、この振動が超電導マグネット９に伝達され、該マグネットの機械的な振動と共に磁界にも振動が生じる事になる。この結果、超電導マグネットに発生する磁界が不均一となり、この磁界を用いた測定装置の精度にも限界がありデータのバラツキは避けられなかった。
【０００４】
そこで、この問題を解決する方策として、特開平８−２８８５６０号に記載されている方式が提案されている。この方式は、図４に示している様に、左右一対の第１真空断熱容器２４ａと第２真空断熱容器２４ｂとを、可撓性を有する緩衝部材２７によって気密に連結すると共に、該第１，第２真空断熱容器２４ａ，２４ｂ内に夫々左右一対の第１輻射シールド２６ａ及び第２輻射シールド２６ｂを配置し、両輻射シールド２６ａ，２６ｂ間を可撓性部材２５によって熱的に連結し、前記第２輻射シールド２６ｂ内に超電導マグネット９を配置し、該超電導マグネット９は、前記第２真空断熱容器２４ｂに取り付けられた支持部材２３によって保持されており、更に、前記超電導マグネット９に熱的に接続した状態で左右一対の第１熱伝導部材２１ａ及び第２熱伝導部材２１ｂを配置し、両熱伝導部材２１ａ，２１ｂ間は熱伝導性の良好な可撓性熱伝導部材２２によって連結されており、前記二段式冷凍機１は前記第１真空断熱容器２４ａ側に取付けられ、その高温側ステージ２は前記第１輻射シールド２６ａに熱的に接続され、低温側ステージ３は、前記超電導マグネット９に熱的に接続されている熱伝導部材２１ａの端部に接続された構造となっている。尚、２０は前記二段式冷凍機１の圧縮機ユニットである。
【０００５】
係る構成により、前記二段式冷凍機１で発生する振動のうち、高温側ステージ２から前記第１輻射シールド２６ａに伝達される振動は、第１，第２輻射シールド２６ａ，２６ｂ間の可撓性可撓性部材２５によって吸収され、更に、低温側ステージ３から前記第１熱伝導部材２１ａに伝達される振動は、第１，第２熱伝導部材２１ａ，２１ｂ間の可撓性熱伝導部材２２によって吸収される事により、超電導マグネット９自体に伝達される振動を軽減し、超電導マグネット９の機械的な振動や磁場の振動の発生を防止するものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記図２に示した装置は、図１に示した旧来の装置に比して、二段式冷凍機１から超電導マグネット９に伝達される振動を低下させる効果はあるが、２つの真空断熱容器２４ａ，２４ｂや、２つの輻射シールド２６ａ，２６ｂを配置する必要があり、装置が大型化すると共に、製作コストの上昇が避けられない。更に、低温側ステージ６と超電導マグネット９との間に左右一対の熱伝導部材２１ａ，２１ｂと連結用の可撓性熱伝導部材２２を配置する必要があり、これは、製作コストの上昇と共に、伝熱抵抗の増加を招くという大きな問題がある。
【０００７】
本発明は、上述の問題点に鑑み、低コストで且つ簡単な構造で、前記二段式冷凍機の振動の問題を解決する事を目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記問題点を解決するために成されたものであって、その特徴とするところは、超電導マグネットを、二段式冷凍機が取り付けられた真空断熱容器に保持させるのではなく、該真空断熱容器とは独立したマグネットコイル支持枠を設け、これに超電導マグネットを保持させると共に、該超電導マグネット支持枠と真空断熱容器との間に緩衝部材を配置する事により、真空断熱容器の振動が超電導マグネットに伝達されない様に配慮した点にある。
【０００９】
具体的には、真空断熱容器に取り付けた二段式冷凍機によって、該真空断熱容器内に配置され且つマグネットコイル巻枠（１３）に巻き形成されたマグネットコイルからなる超電導マグネットを冷却する様にしてなる超電導マグネット装置であって、前記真空断熱容器内にマグネットコイル支持枠を配置し、該マグネットコイル支持枠内に輻射シールドを配置し、該輻射シールド内に前記超電導マグネットを配置すると共に、前記マグネットコイル支持枠と前記真空断熱容器との間に振動緩和部材を配置し、前記超電導マグネットは、一端部が前記マグネットコイル巻枠（１３）に固定されるとともに前記輻射シールド（６）を貫通して他端部が前記マグネットコイル支持枠（１１）に固定され、且つ熱不良導体で形成されたマグネットコイル支持部材によって保持されており、前記輻射シールドは、一端部が該輻射シールド（６）に固定されるとともに他端部が前記真空断熱容器（４）に固定され、且つ熱不良導体で形成された輻射シールド支持部材によって保持されており、前記二段式冷凍機の高温側ステージは、前記輻射シールドに熱的に接続されており、前記二段式冷凍機の低温側ステージは、前記超電導マグネットと、可撓性熱伝導部材を介して熱的に接続されているものである。これにより、前記二段式冷凍機で発生する振動は、直接超電導マグネットに伝達されるのではなく、複数の部材を介して伝達されるので、その間に減衰し、超電導マグネットへの影響は殆どなくなる。
【００１０】
更に、具体的な構成としては、前記二段式冷凍機の低温側ステージと前記超電導マグネットとを熱的に接続する可撓性熱伝導部材が、銅線又はアルミニウム線をからなる可撓性編線部材、或いは、広幅薄肉の弾性変形容易な銅板又はアルミニウム板のいずれかが好ましい。
【００１１】
又、前記振動緩和部材は、前記マグネットコイル支持枠の底部と前記真空断熱容器との間に配置して、重量物である超電導マグネットの保持を容易となしたものが好ましい。
【００１２】
又、前記マグネットコイル支持部材としては、熱不良導体の材料で形成され且つ上端部が前記マグネットコイル支持枠に固着されて垂下され、下端部が前記超電導マグネットに固着される様にした垂直方向支持部材、又は該垂直方向支持部材と、一端部が前記マグネットコイル支持枠に固着され、他端部が前記超電導マグネットに固着されている水平方向支持部材とからなるものが好ましい。
【００１３】
更に、前記輻射シールド支持部材としては、熱不良導体の材料で形成され且つ上端部が前記真空断熱容器に固着されて垂下され、下端部が前記輻射シールドに固着される様にしたものが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の態様】
以下に本発明を、図面の実施例に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の第１実施例を示す要部断面図であり、真空断熱容器４内に輻射シールド６が配置され、該輻射シールド６内に超電導マグネット９が配置され、二段式冷凍機１が前記真空断熱容器４に取り付けられている点は従来のものと同一である。
【００１５】
本実施例では、該真空断熱容器４と輻射シールド６との間に、マグネットコイル支持枠１１が配置され、該支持枠１１の底部と前記真空断熱容器４との間には振動緩和部材１２が配置されている。このマグネットコイル支持枠１１と真空断熱容器４との間の空間は、格別に冷却はされていないので、略常温の空間であるから、前記振動緩和部材１２としては、ゴム或いはコイルバネ，板バネ又は空気バネ等の弾性部材が用いられる。又、下端部を前記超電導マグネット９の巻枠１３に固定されたマグネットコイル支持部材８が、前記輻射シールド６を貫通して配置され、その上端部は前記マグネットコイル支持枠１１に固定されている。これにより、超電導マグネット９を前記マグネットコイル支持枠１１によって垂下して保持する様になっている。又、前記輻射シールド６は、前記真空断熱容器４に上端部が固定された輻射シールド支持部材７の下端部が固定される事により、該真空断熱容器４から吊り下げられる様にして保持されている。尚、前記マグネットコイル支持部材８及び輻射シールド支持部材７は、ＦＲＰ等の熱不良導体で形成されており、その上端部と下端部との間における伝熱量は極めて低い値に抑制されている。尚、図中５は、測定用試料等を装入する中空部（常温ボア）である。
【００１６】
次に、前記二段式冷凍機１は、前述の通り真空断熱容器４に配置されており、その高温側ステージ２は、前記輻射シールド６に熱的に接続して配置され、低温側ステージ３は、可撓性熱伝導体１０によって前記超電導マグネット９と熱的に接続して配置されている。尚、前記可撓性熱伝導体１０は、銅線やアルミニウム線を編んで可撓性を保持させた編線部材の如く、熱良導体の材料で形成された可撓性を有する部材である。
【００１７】
係る構成の装置においては、前記二段式冷凍機１で発生した振動の内、前記高温側ステージ２から前記輻射シールド６に伝わる振動は、該輻射シールド６→輻射シールド支持部材７→真空断熱容器４→振動緩和部材１２→マグネットコイル支持枠１１→マグネットコイル支持部材８→超電導マグネット９の経路で伝達されるが、この間に振動波は減衰してしまうので、超電導マグネット９への影響は殆どない。一方、前記低温側ステージ３から伝達される振動は、前記可撓性伝熱部材に１０によって吸収されるので、該低温側ステージ３からの振動が、超電導マグネット９に伝達される事は殆どない。これにより、二段式冷凍機１から発生する振動は、超電導マグネット９に影響する事は無視し得るレベルにまで低下させる事が可能となる。
【００１８】
次に、図２は、本発明の第２実施例を示す要部断面図であり、図１と相違する点は、前記振動緩和部材１２としてコイルバネを用いた例が示されている。又、超電導マグネット９の支持部材として、一端部が前記マグネットコイル支持枠１１に固定され、前記輻射シールド６を貫通して他端部が前記超電導マグネットコイル９の巻枠１３に固定された水平方向のマグネットコイル支持部材８’が設けられ、超電導マグネット９は、垂直方向の支持部材８と水平方向の支持部材８’とによって支持されている。これにより、超電導マグネット９の水平方向の振動をも抑止する様になっている。
【００１９】
更に、前記二段式冷凍機１の低温側ステージ３と超電導マグネット９とを熱的に接続する可撓性伝熱部材として、広幅薄肉の銅板或いはアルミニウム板のごとく、上下方向（肉厚方向）の剛性は小さくて上下方向からの力に対しては容易に弾性変形するが、水平方向には比較的剛性が高く且つ充分な伝熱面積を確保した広幅薄肉の弾性板状伝熱部材１０’を用いている。これにより、低温側ステージ３からの振動は、係る弾性板状伝熱部材１０’の弾性変形により吸収されて超電導マグネット９にまで伝達されることはない。
【００２０】
次に、マグネットコイル支持枠１１と真空断熱容器４との間に配置される振動緩和部材１２として、本実施例では、コイルバネ１２ａを用いている。その他の構成は図１と同一であるので、同一符号を付して重複説明は省略する。
【００２１】
以上の実施例では、二段式冷凍機１を、真空断熱容器４の上部に配置した例について説明したが、本発明においても、図３に示した如く下側に設置する事ができる事はいうまでもない。
【００２２】
又、二段式冷凍機１も、前述の二段式ＧＭ冷凍機に限らず、二段式パルス管型冷凍機でも良く、要は高温側ステージと低温側ステージとを有する超低温用二段式冷凍機であれば本発明において使用可能である。
【００２３】
【発明の効果】
以上詳述した如く、本発明によれば、二段式冷凍機１を真空断熱容器４に取り付けて超電導マグネット９を冷却すると共に、外部からの入熱を補償する用にした超電導マグネット装置において、超電導マグネット９を従来の様に真空断熱容器４に保持させるのではなく、マグネットコイル支持枠１１を輻射シールド６内に配置し、該支持枠１１に超電導マグネット９を保持するさせると共に、該支持枠１１と前記真空断熱容器４との間には振動緩和部材１２を配置する様にしているので、二段式冷凍機１から前記真空断熱容器４に伝達される振動は、真空断熱容器４→振動緩和部材１２→マグネットコイル支持枠１１→マグネットコイル支持部材８，８’という経路を経て超電導マグネット９に伝わる事になるので、この間に振動波は大幅に減衰しており、超電導マグネット９には殆ど振動が伝わることはない。
【００２４】
又、前記二段式冷凍機１の高温側ステージ２は、前記輻射シールド６に熱的に接続されているので、該高温側ステージ２から該輻射シールド６にも振動が伝達されるが、この場合は、高温側ステージ２→輻射シールド６→輻射シールド支持部材７→真空断熱容器４→振動緩和部材１２→マグネットコイル支持枠１１→マグネットコイル支持部材８，８’という経路を経て前記振動が超電導マグネット９に伝わる事になるので、上記の場合以上に振動は減衰され全く問題はない。
【００２５】
更に、前記二段式冷凍機１の低温側ステージ３は、可撓性熱伝導体１０を介して超電導マグネット９に熱的に接続されているので、前記低温側ステージ３から伝達される振動は、前記可撓性熱伝導体１０で吸収されて超電導マグネット９には伝達される事は殆どない。
【００２６】
又、超電導マグネット９は、前記マグネットコイル支持枠１１に対して、ＦＲＰ等の熱不良導体で形成されたマグネットコイル支持部材８，８’によって保持されているので、この支持部材を介して外部から侵入する熱量も最小限に抑制されている。
【００２７】
以上の通り、本発明においては、二段式冷凍機を用いた無冷媒式超電導マグネット装置における振動の問題を、簡単な構造により解決する事に成功したものであるので、ＮＭＲ等の精密な測定が要求される分野において大きな貢献が期待される事になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る超電導マグネット装置の一実施例を示す概略断面図である。
【図２】本発明に係る超電導マグネット装置の他の実施例を示す概略断面図である。
【図３】従来の超電導マグネット装置の一例を示す概略断面図である。
【図４】従来の超電導マグネット装置の他の例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１ 二段式冷凍機
２ 二段式冷凍機の高温側ステージ
３ 二段式冷凍機の低温側ステージ
４ 真空断熱容器
６ 輻射シールド
７ 輻射シールド支持部材
８，８’ マグネットコイル支持部材
９ 超電導マグネット
１０，１０’ 可撓性熱伝導体
１１ マグネットコイル支持枠
１２ 振動緩和部材
１３ マグネットコイル巻枠

Claims (6)

1. 真空断熱容器（４）に取り付けた二段式冷凍機（１）によって、該真空断熱容器（４）内に配置され且つマグネットコイル巻枠（１３）に巻き形成されたマグネットコイルからなる超電導マグネット（９）を冷却する様にしてなる超電導マグネット装置において、
   前記真空断熱容器（４）内にマグネットコイル支持枠（１１）を配置し、該マグネットコイル支持枠（１１）内に輻射シールド（６）を配置し、該輻射シールド（６）内に前記超電導マグネット（９）を配置すると共に、
   前記マグネットコイル支持枠（１１）と前記真空断熱容器（４）との間に振動緩和部材（１２）を配置し、
   前記超電導マグネット（９）は、一端部が前記マグネットコイル巻枠（１３）に固定されるとともに前記輻射シールド（６）を貫通して他端部が前記マグネットコイル支持枠（１１）に固定され、且つ熱不良導体で形成されたマグネットコイル支持部材（８，８’）によって保持されており、
   前記輻射シールド（６）は、一端部が該輻射シールド（６）に固定されるとともに他端部が前記真空断熱容器（４）に固定され、且つ熱不良導体で形成された輻射シールド支持部材（７）によって保持されており、
   前記二段式冷凍機（１）の高温側ステージ（２）は、前記輻射シールド（６）に熱的に接続されており、
   前記二段式冷凍機（１）の低温側ステージ（３）は、前記超電導マグネット（９）と、可撓性熱伝導部材（１０，１０’）を介して熱的に接続されていることを特徴とする超電導マグネット装置
2. 前記二段式冷凍機（１）の低温側ステージ（３）と、前記超電導マグネット（９）とを熱的に接続する可撓性熱伝導部材が、銅線又はアルミニウム線をからなる可撓性編線部材（１０）、或いは、広幅薄肉の肉厚方向に弾性変形容易な銅板又はアルミニウム板（１０’）である請求項１に記載の超電導マグネット装置
3. 前記振動緩和部材（１２）は、前記マグネットコイル支持枠（１１）の底部と前記真空断熱容器（４）との間に配置されている請求項１又は２に記載の超電導マグネット装置
4. 前記マグネットコイル支持部材（８）は、その上端部が前記マグネットコイル支持枠（１１）に固着されて垂下され、その下端部が前記超電導マグネット（９）の巻枠（１３）に固着されているものである請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超電導マグネット装置
5. 前記マグネットコイル支持部材は、上端部が前記マグネットコイル支持枠（１１）に固着されて垂下され、下端部が前記超電導マグネット（９）の巻枠（１３）に固着されている垂直方向支持部材（８）と、一端部が前記マグネットコイル支持枠（１１）に固着され、他端部が前記超電導マグネット（９）の巻枠（１３）に固着されている水平方向支持部材（８’）とからなるものである請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超電導マグネット装置
6. 前記輻射シールド支持部材（７）は、その上端部が前記真空断熱容器（４）に固着されて垂下され、その下端部が前記輻射シールド（６）に固着されているものである請求項１乃至５のいずれか１項に記載の超電導マグネット装置

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