JP4186636B2

JP4186636B2 - 超電導磁石

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Publication number: JP4186636B2
Application number: JP2003021294A
Authority: JP
Inventors: 武夫根本; 洋之渡邊
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-01-30
Filing date: 2003-01-30
Publication date: 2008-11-26
Anticipated expiration: 2023-01-30
Also published as: EP1443528B1; EP1443528A2; US6864770B2; US20040185305A1; JP2004229853A; DE602004008978D1; DE602004008978T2; EP1443528A3

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超電導磁石の冷却構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
超電導磁石の支持構造に関する従来技術としては、例えば特開平１０−４００９号公報に記載されているように、ヘリウム容器内部に取付けられた超電導コイルをヘリウム容器内部の複数のリブでヘリウム容器に支持固定している。
このヘリウム容器は、真空容器とヘリウム容器間の荷重支持体で支持固定されている。
【０００３】
この従来技術に記載された超電導磁石は、磁気浮上列車に利用されるため、軽量化が要求されるため超電導コイルの支持は、板状のリブで固定されており超伝導磁石については剛性が低い。
尚、この従来技術は、ヘリウム容器１個につき超電導コイル1個を冷却する冷却構造となっている。
【０００４】
ところで、超伝導磁石の応用製品として、例えば、オープン型ＭＲＩが上げられる。オープン型とは、従来、円筒形状の超電導磁石だったのに対し、二つのスプリット形リング状超電導磁石の間に人体を入れて診療するものであるため、患者の視界が閉鎖的であった従来型に比べて、オープン型ゆえに、超電導磁石以外の視界が見えることから開放的であり患者に好評である。
【０００５】
このＭＲＩは、低磁場より高磁場の方が画像の解像度が高いことから、これからのＭＲＩ用超電導磁石には高磁場化が望まれている。高磁場を発生する磁石では、鉛直方向に１００トンの荷重が超電導磁石に加わる。
また、特開２００１−７７４３４号公報の超伝導磁石装置では、冷却構造として超電導コイルの上板にヘリウム容器を設置している。
【特許文献１】
特開平１０−４００９号公報
【特許文献２】
特開２００１−７７４３４号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術の超電導磁石は、複数個のリブで超電導コイルを支持しているため、支持構造が複雑になるばかりではなく、製造コストがかかる欠点がある。
【０００７】
また、ＭＲＩのように、高磁場が要求される装置では、その磁気力によってコイル自身が変形する可能性がある。
【０００８】
本発明の目的は、高磁場を発生する超電導磁石における超電導コイルの磁気力による歪みを押さえた超電導磁石を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、液体ヘリウムを収納するヘリウム容器と、このヘリウム容器と超電導コイルを収納するシールドと、このシールドを収納する真空容器と、真空容器から超電導コイルを支持固定する荷重支持体を備え、前記ヘリウム容器は、オーステナイト系のステンレス鋼を材質とする強度部材、及びカバーとで形成され、前記強度部材に前記超電導コイルを設置し、前記強度部材と前記真空容器を前記荷重支持体で連結したことにより達成される。
【００１０】
また、上記目的は、液体ヘリウムを収納するヘリウム容器と、このヘリウム容器と超電導コイルを収納するシールドと、このシールドを収納する真空容器と、真空容器から超電導コイルを支持固定する荷重支持体を備え、前記ヘリウム容器は、オーステナイト系のステンレス鋼を材質とする強度部材、及びカバーとで形成され、前記強度部材が前記真空容器に前記荷重支持体で支持固定され、前記強度部材と前記超電導コイルを熱的に接続したことにより達成される。
【００１１】
また、上記目的は、超電導コイル内、少なくとも1個は、強度部材が巻枠を兼用していることにより達成される。
【００１２】
また、上記目的は、荷重支持体の一部が液体ヘリウムで浸された部分の材質はオーステナイト系のステンレス鋼であることにより達成される。
【００１３】
また、上記目的は、超電導磁石の外周に磁気シールドを備えたことにより達成される。
【００１４】
また、上記目的は、少なくとも1個の超電導コイルが強度部材と着脱可能な構造であることにより達成される。
【００１５】
また、上記目的は、強度部材と超電導コイル構成部材の一部にネジ機構を設けたことにより達成される。
【００１７】
また、上記目的は、強度部材と着脱可能な超電導コイルの巻枠との接触部にそれぞれ凹凸形状を設けたことにより達成される。
【００１８】
また、上記目的は、着脱可能な超電導コイルの巻枠にボルト用の台座を設けて強度部材とボルト締結するにより達成される。
【００１９】
また、上記目的は、荷重支持体と接合した強度部材に液体ヘリウムを導く溝を設けたことにより達成される。
【００２０】
また、上記目的は、超電導磁石がＭＲＩ装置の超電導磁石として利用されていることにより達成される。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例を図に従い順じ説明する。
図１は、ＭＲＩ用超電導磁石の断面図である。
図２は、図１に示したＭＲＩ用超電導磁石のＣ−Ｃ断面図である。
図１において、超電導磁石のメインコイル１は巻枠２に巻付けられて設置している。３は、強度部材でステンレス鋼やアルミ合金でできており、超電導磁石のサブコイル４の巻枠２も兼ねている。
【００２２】
超電導磁石は、リング状の超電導サブコイル４を内側に、リング状の超電導メインコイル１を外側に取付けている。この超電導磁石はこのような二重のリング状の超電導コイル１、４を上下に配置した構成でできている。上下の二重リング状の超電導コイル１、４で形成された空間は、高磁場で均一な磁界が形成される。また、この空間は、患者の検査部を入れる所でも有り、人体が入れる程度の広さが必要となっている。
【００２３】
ここに示した超電導メインコイル１は、着脱できるものである。巻枠２を兼用した強度部材３に複数の巻枠を取付けても、複数の超電導コイルを巻付けることは難しい。このため、強度部材３は1個の巻枠を設けて、一体物として形成している。
超電導サブコイル４は、巻枠を兼用している強度部材３に巻付けられている。一方の巻枠２に設置された超電導メインコイル１は、巻枠２をバインダー５とボルト６でによって強度部材３に締結されている。
【００２４】
７は、液体ヘリウムで、超電導メインサブコイル１、４を冷却するものである。液体ヘリウム７を溜めているヘリウム容器は、強度部材３とカバー８で形成されている。
図１と図２の場合、上部、下部の強度部材３に対し、液中支持体９、低温支持体１０をそれぞれ１２個使用している。液中支持体９端部は、強度部材３に取付けられ、他の端部はカバー８と溶接されている。低温支持体１０は、液中支持体９の端部と取付け部材１１によって連結され、他の端部は真空容器１２と連結されている。シールド１３はヘリウム容器を形成するカバー８、液中支持体１０、強度部材３、そして、超電導メインコイル１、超電導サブコイル４、一部の低温支持体１０を包み込むものである。シールド１３の材質は輻射率の小さな材質が良く、アルミニウム等が使用されている。
【００２５】
図１と図２には開示していないが、シールド１３の外周にアルミ蒸着されたフイルムを積層した積層断熱材を巻き付けている。この積層断熱材は、シールドへの輻射侵入熱を防止する手法として良く用いられている。
低温支持体１０とシールド１３の接合部にはサーマルアンカー１４を取付け、低温支持体の中間の温度を低温に冷却することで、低温支持体１０から液中支持体または液体ヘリウムへの侵入熱を軽減している。
【００２６】
また、図１と図２に開示していないが真空容器１２の最上部と最下部に磁気シールドを取付けることが多い。この理由は、ＭＲＩ装置は病院で一般に使用されるため、磁場がＭＲＩを設置した場所以外にまで磁場がもれると、病院の検査装置及びモニターその他の装置に悪い影響を及ぼすため磁気シールドが必用である。
【００２７】
この磁気シールドと超電導メインコイル１と超電導サブコイル４間に磁気力が作用する。この磁気力は、超電導磁石の発生磁界が高いほど大きくなる。
例えば、１．０テスラ以上の磁界を得るには、超電導コイル１、４で鉛直方向に約１００トンの力がかかる。この荷重を超電導コイルの巻枠２のみで支えるには巻枠２を大きくする必要がある。また、複数個の超電導コイルに個々のヘリウム容器を設置することは冷却構造が複雑であるばかりではなく製造部品も増え、かつ、製造コストが高くなってしまう。
【００２８】
このため、超電導コイルの巻枠を兼用した強度部材３を検討した結果、強度部材３のたわみ量vの概算値は、ヤング率E、単位長さ当りの荷重ω、支持体の間隔L、そして断面２次係数Iから式（１）で算出できる。

（１）
【００２９】
強度部材３の断面二次係数Iは、この断面の形状寸法によって決定される。例えば、断面が長方形であれば荷重方向の長さの３乗とそれと直角方向の長さの１乗に比例して断面二次係数は増える。図１の場合、断面二次係数を増やそうとすれば、超電導メインコイル１の巻枠３と液体ヘリウム７間の強度部材長さを長くすれば鉛直方向の磁気力によるたわみ量は小さくできる。
しかしながら、この強度部材の長さを長くすれば、伝導による熱抵抗が大きくなり、超電導コイルが臨界温度以上に高温になる可能性があるため制限がある。
【００３０】
たわみ量を小さくする他の手法は、強度部材３と真空容器１２間を連結している液中支持体９と低温支持体１０の本数を増やすことで式（１）のLを小さくすることができるため、たわみ量を小さくすることができる。
【００３１】
上部と下部の超電導メインコイル１は、強度部材３の方向に磁気力が働くため、超電導メインコイル１の巻枠２が強度部材３を押し付ける面圧が上がる。
この面圧は、巻枠２と強度部材３間の接触熱コンダクタンスを増大させるために有利に働く。バインダー５のボルト６を締め付けて、この面圧を上げても同じ効果が得られる。
さらに、強度部材３と接する巻枠２の表面に高熱伝導率で柔らかいシート及びグリースを取付けることで接触熱コンダクタンスを上げることができる。この接触熱コンダクタンスは、図１と２に示した間接伝導冷却の場合、超電導メインコイル１の初期冷却時間を短縮すること、超電導メインコイル１が発熱したときの冷却のために重要である。
【００３２】
図１と図２には超電導コイル全部で４個の場合を開示したが、２個以上であっても問題なく適応できる。
【００３３】
全部で超電導コイルが２個の場合、強度部材と一体になっている巻枠に超電導コイルを取付けた方が接触熱コンダクタンスの問題が除外されるので冷却には有利になる。超電導コイル１、４の巻枠２と強度部材３の材質を異種のものにするため、超電導コイル１、４の巻枠２を着脱方式にしてもよい。
【００３４】
以上、これまで説明してきたように、強度部材３に超電導コイル１、４を取付けること、及びこの強度部材３を真空容器１２に複数の支持体９、１０で支持固定することで、簡素で、製作コストの少ない超電導冷却構造ができる。
【００３５】
図２について説明する。１５は液体ヘリウム７を溜めておく液溜である。１６は、液溜１５から強度部材３とカバー８によって形成されたヘリウム容器に液体ヘリウム７を導く連結管である。１７は、液体ヘリウムを供給するための注液ポートで、１８は吐出ヘリウムガスを大気中に放出することと、ガス放出を開閉する働きがある吐出バルブである。
【００３６】
１９と２０は、小型ヘリウム冷凍機の高温ステージと低温ステージである。高温ステージ１９は、約７０Kで７０W、低温ステージ２０は約４Kで１Wの冷却性能がある。
最近開発が進んでいるパルス管ヘリウム冷凍機の場合、真空容器１２内部を開けることなくメンテナンスができること、真空容器１２内部に設置された冷凍機１９、２０に動く部分がないので、振動による騒音が小さいこと、真空容器に振動を与えないので鮮明な画質が選られること、さらに、真空容器１２に設置された部分は磁気的影響を受けない等のメリットがありＭＲＩ用超電導磁石の冷凍機として最適である。
【００３７】
冷凍機として、ＧＭ（ギホード・マクマホン）型や他の小型ヘリウム冷凍機を使用する場合、磁気的な配慮をすれば問題なく使用することは可能である。２１は小型ヘリウム冷凍機用のコンプレッサーである。
【００３８】
２２は低温ステージで発生した冷却熱を液溜１６上部のガス中に運んで、ガスを再液化するための熱交換器である。高温ステージ１９は、シールド１３と熱的に接続されており、高温ステージ１９の冷却熱でシールド１３全体を冷却している。
【００３９】
２３は、液溜１５の上部から液溜１３周りのシールドに熱的に接触されて、真空容器１２の内部から外部の大気中に伸びたガス配管である。冷凍機が停止した場合、このガス配管は、蒸発したガスの顕熱でシールド１３を冷却するためのものである。２４は、冷凍機の運転が再開された場合、大気が液溜１５中に入らないための逆止弁である。
【００４０】
このように、図１に示した超電導コイル１、４を冷却する液体ヘリウムは液溜１５から補給される。また、強度部材３、超電導コイル１、４が受けた熱は、液体へリウム７の蒸発潜熱で奪いとる。したがって、超電導コイル１、４は、臨界温度以下に維持されるので常に安定に運転される。蒸発したガスは、熱交換器２２で再液化されるので、液の再補給はほとんど要らなくなる。冷凍機によって約４０Kから８０Kに維持されているシールド１３は、低温支持体１０から液体ヘリウム温度に流れる伝導熱を低減している。
【００４１】
このように、熱の流れは循環しているので、液体ヘリウムの補給はほとんど要らない。
【００４２】
図３は、図１と図２に示した超電導磁石の周りに、鉄板で包囲した磁気シールド２５を示したものである。先に説明した様に、一般の病院では、ＭＲＩの超電導磁石に磁気シールド２５が取付けられている。
【００４３】
図４は、本発明の他の実施例を示す超電導磁石の断面図である。
図４において、図１と異なる点は、超電導メインコイル１と超電導サブコイル４の取付けが異なっている点である。
図５は、その異なった部分の拡大斜視図である。
図４、図５において、強度部材３に超電導メインコイル１と超電導サブコイル４を取付けるため、ネジ２６加工が施されている。図１と図２に示したバインダ―５とボルト６で巻枠２を固定するには、多数のボルト６とバインダー５が必要で、ボルト６を締めるための作業時間が長くなってしまう。
そこで、巻枠２と強度部材３にネジ加工をしておけば、巻枠２を回転させるだけで巻枠２を強度部材３に固定することができる。この手法は、部品点数が少なくて済むこと、組立時間を短縮できることから、超電導磁石を安く製作できる利点がある。
【００４４】
図６は、本発明の他の形態図で、強度部材３の拡大断面図である。
図６において、図１と異なる点は、バインダー５をなくす代わりに巻枠２にボルト６を取付ける台座を設けた点である。
着脱可能な超電導コイルの巻枠２と強度部材３の接触熱コンダクタンスの重要性については先に記したとおりで、予め着脱する巻枠２に機械加工を施して組立精度を上げることで接触熱コンダクタンスを上げることができる。
【００４５】
巻枠２の凹部２８と強度部材の凸部２９を設けることは、組立精度を上げると共に、凹凸部分を強調することで、接触部分であることを組立作業者に知らせることができる。
【００４６】
以上の如く、図1から図６までは超電導コイルと液体ヘリウムが直接接触しないで冷却する超電導磁石の伝導冷却構造について述べた。
【００４７】
図７と図８は、本発明の他の実施例を示すものであって、液体ヘリウム７と超電導メインコイル１と超電導サブコイル４が直接接触する浸漬冷却するタイプである。
【００４８】
図７は、強度部材３周りの拡大図である。
図７において、超電導メインコイル１と超電導サブコイルを液体ヘリウム７で浸すため、強度部材３と液カバー３０でヘリウム容器を構成したものである。超電導メインコイル１と超電導サブコイル４そして強度部材の構成は、図６と変わらない。
低温支持体１０は、強度部材３に取付けるため取付け部材１１を介して取付けられている。取付け部材１１は、強度部材３にボルト締結して固定した。液体ヘリウムで超電導コイルを冷却するには沸騰冷却を利用する。
【００４９】
液体ヘリウムの飽和温度は大気圧で４．２Kであること。超電導コイルの線材がニオブ・チタンである場合、臨界温度が約８Kであり、液体ヘリウムとの温度差が３．８Kと大きい。また、超電導コイル１、４の表面温度が液体ヘリウム７より１K高い場合、1m²当り10kWの熱を奪うことができる。従って、伝導冷却より冷却効率は高い利点がある。低温支持体１０からの熱が入っても、液体ヘリウム７で熱を取り去ることができるので、超電導メインコイル１、超電導メインコイル４に熱的な外乱を与えることがない。ただし、浸漬冷却では、沸騰蒸発したガスが、上部に上昇し、滞留することなく液溜に常に流れるよう配慮した冷却構造が必要となる。
【００５０】
図８は、強度部材３周りの拡大図である。
図８が図７と異なる点は、液中支持体９を用いている点である。
図７は下の方から強度部材３を支持しているのに対し、図８は、上方から強度部材３を支持する手法について具体的に示したものであり、その効果は、図７と同様に浸漬冷却方式で超電導コイルを冷却するので冷却効率が高くなる。
【００５１】
図９は、他の実施例を示す磁石断面である。
図９において、超電導コイル１、４、強度部材３、強度部材３とカバー８で形成されたヘリウム容器の形状と寸法の制約があって、低温支持体１０の取付位置がヘリウム容器から離れている場合に、低温支持体１０の低温部の熱を廃熱できるように液導入溝を設けた。低温支持体１０の上部は室温の真空容器に固定されている。低温支持体１０の室温の伝導熱は、低温支持体１０長さの中間の位置に熱的に接続されたシールド１３に流れる。低温支持体１０とシールドと接続された位置から下方の取付け部材１１に流れる伝導熱によって、強度部材３の温度が上昇することは超電導コイル１、４のクエンチを引き起こす可能性がある。強度部材３はステンレス鋼であるため、熱伝導率がヘリウム温度で小さい。
【００５２】
このため、わずかな熱量で強度部材３の温度が上昇しやすい。この温度上昇を避けるために、液導入溝３１を設けている。この液導入溝３１は、超電導コイル１、４にとって加熱部となる低温支持体１０に合わせた数が必要となる。荷重支持体または低温支持体１０から強度部材３に流れる伝導熱が大きくても、低温支持体１０の取付部材１１の温度は常に液体ヘリウム温度に固定されるので、超電導コイル１、４は液体ヘリウム温度になっている。つまり、超電導磁石はクエンチなしに熱的に安定した状態で運転できる利点がある。
【００５３】
以上のごとく、本実施例によれば、高磁場を発生する超電導磁石において、強度部材３に超電導コイル１、４を取付けることで、磁気力による超電導コイル１、４の歪みを小さくできる。
また、強度部材３を真空容器１２に支持固定する荷重支持体９、１０の本数が少なくできる。複数の超電導コイル１、４の中で1個は、強度部材３と巻枠２を兼用しているので部品点数を少なくできる。超電導コイル、４の巻枠２と強度部材３の締結をネジ２６方式にしているので、少ない部品で超電導コイル１、４の巻枠２を強度部材３に固定できる。
着脱可能な超電導コイル１、４の巻枠２と強度部材３と相対する部分に凹２８凸２９部を設けることで、巻枠２と強度部材３との組立が簡単に精度良くできる。
液体ヘリウム７と直接接触しない伝導冷却構造の低温支持体１０は、液中支持体９を介して真空容器１２と強度部材３を接合しているので、低温支持体１０からの熱が液体ヘリウムに放出される。このため、超電導コイル１、４は支持体からの熱の影響を受けない。超電導コイル１、４が液体ヘリウム７に直接接触する浸漬冷却構造においても、強度部材３によって電磁力による歪みを緩和できる。
【００５４】
さらに、間接冷却以上に冷却効率が高いので安定に、クエンチし難い冷却構造となる。以上の効果により、簡単な超電導コイル冷却構造ができ、生産コストを安くできる効果がある。
【００５５】
【発明の効果】
本発明によれば、高磁場を発生する超電導磁石における超電導コイルの磁気力による歪みを押さえた超電導磁石を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、ＭＲＩ用超電導磁石断面図である。
【図２】図２は、図１のＣ−Ｃ断面を示したＭＲＩ用超電導磁石断面図である。
【図３】図３は、磁気シールドで覆ったＭＲＩ用超電導磁石の鳥瞰図である。
【図４】図４は、他の発明であるＭＲＩ用超電導磁石断面図である。
【図５】図５は、図４の強度部材周りの拡大図である。
【図６】図６は、他の実施例を備えた強度部材周り拡大図である。
【図７】図７は、他の実施例を備えた強度部材周り拡大図である。
【図８】図８は、他の実施例を備えた強度部材周り拡大図である。
【図９】図９は、他の実施例を備えた強度部材周り拡大図である。
【符号の説明】
1・・・超電導メインコイル、2・・・巻枠、３・・・強度部材、４・・・超電導サブコイル、７・・・液体ヘリウム冷凍機、９・・・液中支持体、１０・・・低温支持体、１２・・・液体ヘリウム、１３・・・シールド、１５・・・液溜、１９・・・高温ステージ、２０・・・低温ステージ、２２・・・熱交換器、２５・・・磁気シールド、２６・・・ネジ、２７・・・台座。

Claims

液体ヘリウムを収納するヘリウム容器と、
このヘリウム容器と超電導コイルを収納するシールドと、
このシールドを収納する真空容器と、
真空容器から超電導コイルを支持固定する荷重支持体を備え、
前記ヘリウム容器は、オーステナイト系のステンレス鋼を材質とする強度部材、及びカバーとで形成され、
前記強度部材に前記超電導コイルを設置し、
前記強度部材と前記真空容器を前記荷重支持体で連結したことを特徴とする超電導磁石。
液体ヘリウムを収納するヘリウム容器と、
このヘリウム容器と超電導コイルを収納するシールドと、
このシールドを収納する真空容器と、
真空容器から超電導コイルを支持固定する荷重支持体を備え、
前記ヘリウム容器は、オーステナイト系のステンレス鋼を材質とする強度部材、及びカバーとで形成され、
前記強度部材が前記真空容器に前記荷重支持体で支持固定され、
前記強度部材と前記超電導コイルを熱的に接続したことを特徴とする超電導磁石。
請求項第１項又は第２項記載の超伝導磁石において、前記超電導コイルのうち、少なくとも１個は前記強度部材が巻枠を兼用していることを特徴とする超電導磁石。
請求項第３項記載の超電導磁石において、前記荷重支持体の一部が前記液体ヘリウムに浸されていることを特徴とする超電導磁石。
請求項第３項記載の超電導磁石において、前記荷重支持体の一部が前記液体ヘリウムで浸された部分の材質はオーステナイト系のステンレス鋼であることを特徴とする超電導磁石。
請求項第１項から第５項のいずれか１項に記載の超電導磁石において、超電導磁石の外周に磁気シールドを備えたことを特徴とする超電導磁石。
請求項第１項から第６項のいずれか１項に記載の超電導磁石において、少なくとも１個の前記超電導コイルが前記強度部材と着脱可能な構造であることを特徴とする超電導磁石。
請求項第７項に記載の超電導磁石において、前記強度部材と前記超電導コイル構成部材の一部にネジ機構を設けたことを特徴とする超電導磁石。
請求項第７項に記載の超電導磁石において、前記強度部材と着脱可能な前記超電導コイルの巻枠との接触部にそれぞれ凹凸形状を設けたことを特徴とする超電導磁石。
請求項第７項に記載の超電導磁石において、着脱可能な前記超電導コイルの巻枠にボルト用の台座を設け、前記強度部材と前記ボルト締結する超電導磁石。
請求項第１項又は第２項に記載の超電導磁石において、前記荷重支持体と接合した前記強度部材に前記液体ヘリウムを導く溝を設けたことを特徴とする超電導磁石。
請求項第１項から第１１項のいずれか１項に記載の超電導磁石において、この超伝導磁石がＭＲＩ装置に利用されていることを特徴とする超電導磁石。