JP5852425B2 - 超電導電磁石装置、その冷却方法、および磁気共鳴イメージング装置 - Google Patents

Description

本発明は、超電導電磁石装置、その冷却方法、および磁気共鳴イメージング装置に関する。

超電導電磁石装置は、超電導コイルと、それに並列に設置された永久電流スイッチから構成され、上記の永久電流スイッチを開にした状態で励磁電源から超電導コイルに電流供給し、その後、永久電流スイッチを閉にした状態で励磁電源からの供給電流を減少させゼロにすることで、超電導コイルおよび永久電流スイッチからなる超電導状態の閉回路に電流がほとんど減衰することなく流れ続ける永久電流運転となる。これにより超電導電磁石装置は、長期に渡って磁場を保持することが可能である。

永久電流運転中に超電導コイルに常電導転移で抵抗が発生した場合、超電導コイルの蓄積エネルギーがジュール発熱で熱エネルギーに変換され、コイル温度が上昇する。この蓄積エネルギーが全て超電導コイルで消費されると、過大な温度上昇を引き起こし超電導コイルに性能劣化または焼損が生じてしまう場合がある。この問題を避けるため、上記の回路では、常電導転移発生後に超電導コイルに並列に設けた保護抵抗に電流を供給し、超電導コイル並びに保護抵抗でエネルギーを消費することで、超電導コイルの温度上昇を抑えるようになっている。

従来の超電導電磁石装置は、上記の超電導コイルや永久電流スイッチに代表される構成素子を超電導状態に保持するため、液化ヘリウムや液化窒素に代表される冷媒に浸漬させて使用する浸漬冷却方式や、冷凍機と構成素子とを熱伝導性の良い金属で熱的に接続して冷却する伝導冷却方式が多く採用されている。ただし、上記の冷却方式は装置が大型化すると、浸漬冷却方式では大量の冷媒が必要となり、伝導冷却方式では冷却対象物内での温度勾配が大きくなって所望の温度に保持することができなくなる。そこで、核融合装置に代表される大型装置では、装置内部に冷媒流路を設けてポンプで強制的に循環させる強制冷却方式が採用されている（特許文献１）。また、磁気共鳴イメージング装置（ＭＲＩ）に代表される中型装置では、超電導コイル等の熱源で気化した冷媒と液化した冷媒の密度差と自然対流を利用して冷媒を流路内で循環させるサーモサイフォン方式（特許文献２）が提案されている。

ちなみに、超電導電磁石装置を超電導状態に保持するため、液体ヘリウムや液化窒素に代表される冷媒に超電導素子を浸漬させる浸漬冷却方式や、冷凍機と構成素子とを熱伝導性の良い金属で熱的に接続して冷却する伝導冷却方式が多く採用されている。しかしながら、核融合装置や磁気共鳴イメージング装置（ＭＲＩ）といった大型の装置については、使用冷媒量が増大することや冷却対象物内部での温度勾配が大きくなることを避けるため、装置内部に設けた流路に冷媒を循環させる強制冷却方式やサーモサイフォン方式が採用されている。

ここで、超電導電磁石装置を常温から冷却する作業を初期冷却と呼ぶ。この初期冷却について、上記の浸漬冷却方式では、液化窒素に代表される冷媒を装置内部に冷媒導入口から送りこみ、装置内部の熱で気化した冷媒を冷媒排出口から排出し、その後、装置内部が冷媒の液化温度に到達することで内部に冷媒が液化したままの状態で留まり、超電導素子が浸漬したことをもって初期冷却を終了する。

特開平７−１２２４２２号公報 （図１など） 特開平６−３４２７２１号公報 （図１など）

ところで、上記の冷却方式のうち、強制冷却方式（特許文献１）並びにサーモサイフォン方式（特許文献２）では、冷媒流路の一部を超電導素子に熱的に接触させたのみであることから、浸漬冷却と比較して熱伝導率が小さいため（冷却効率が劣るため）、短時間で初期冷却を完了できないという課題があった。

また、上記のような超電導電磁石装置は長期に渡って極低温状態に保持する必要があるが、なんらかの原因で温度上昇してしまう場合がある。例えば停電による冷凍機の停止や、コイルの一部が常電導転移し、そのジュール発熱でなだれ的にコイル全体が常電導転移するクエンチ現象である。浸漬冷却方式の場合、冷媒が蓄冷剤として作用して温度上昇を抑制するが、上記のような伝強制冷却方式並びにサーモサイフォン方式では蓄冷剤として作用する部材が流路内に少量しか存在しないため、浸漬冷却と比較して温度上昇を抑制することが困難であった。そこで、蓄冷剤となる物質を装置内部に格納しておく方法も考えられるが、内部に新たに構造物を設ける必要があるため装置が大型化してしまうという課題があった。

以上の点から、本発明の課題は、冷却性能に優れて使い勝手の良い、超電導電磁石装置、その冷却方法、および磁気共鳴イメージング装置を提供することにある。

本発明は、冷媒が循環される冷媒循環流路と、前記冷媒循環流路における冷媒の蒸気を冷却する冷凍機と、前記循環される冷媒により冷却される超電導コイルと、前記超電導コイルと熱的に接触されると共に、内部空間を有する保護抵抗と、前記保護抵抗内の内部空間に、前記冷媒よりも高沸点、かつ、前記冷媒により凍結される高沸点冷媒を供給する高沸点冷媒供給部と、前記冷媒循環流路、前記超電導コイル、および前記保護抵抗を少なくとも収容する真空断熱容器と、を備える超電導磁石装置として構成した。他の構成については、後記する実施形態で詳細に説明する。

本発明によれば、冷却性能に優れて使い勝手の良い、超電導電磁石装置、その冷却方法、および磁気共鳴イメージング装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る超電導磁石装置の断面図であり、（ａ）は中心位置での縦断面を、（ｂ）は（ａ）Ａ−Ａ’線での横断面を示す。 図１の超電導磁石装置の回路を模式的に示した図である。 本発明の第２の実施形態に係る超電導磁石装置の断面図であり、（ａ）は中心位置での縦断面を、（ｂ）は（ａ）Ａ−Ａ’線での横断面を示す。 本発明の第３の実施形態に係る超電導磁石装置の断面図であり、（ａ）は中心位置での縦断面を、（ｂ）は（ａ）Ａ−Ａ’線での横断面を示す。 本発明の第４の実施形態に係る超電導磁石装置の断面図であり、（ａ）は中心位置での縦断面を、（ｂ）は（ａ）Ａ−Ａ’線での横断面を示す。 本発明の第４の実施形態に係る超電導磁石装置の断面図であり、（ａ）は図５Ａ（ａ）のＢ−Ｂ’線での横断面を、（ｂ）は図５Ａ（ａ）のＣ−Ｃ’線での横断面を示す。

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。
ちなみに、本実施形態では、強制冷却方式並びにサーモサイフォン方式を採用した超電導電磁石装置において、初期冷却時間を短縮すると共に、装置を大型化することなく冷凍機停止やクエンチ時の温度上昇を抑制することが可能である超電導電磁石装置について説明する。

≪第１の実施形態≫
以下、本発明を適用してなる第１の実施形態について、図１並び図２を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る超電導電磁石装置の断面図であり、（ａ）は中心位置での縦断面を、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線での横断面を示す。
なお、これらの断面は、スライス断面であり、奥側にあるものは記載されていない。この点は、後記の図３などにおいても同じである。

図１に示すように、本実施形態の超電導電磁石装置１は、真空容器２、この真空容器２に内包された輻射シールド３、この輻射シールドに内包された複数の超電導コイル４、コイルボビン５、サーモサイフォン部６（本体下部６ａ、本体上部６ｂ、冷媒降下流路部６c）、永久電流スイッチ９、保護抵抗１０、保護抵抗収容部１１などのほか、真空容器２、輻射シールド３、冷凍機１２などを含んで構成される。なお、本実施形態の超電導コイル４の中心軸２１は鉛直方向を向いている。すなわち、図１（ａ）において、紙面の上方が上であり、紙面の下方が下である。
ちなみに、第１の実施形態に係る超電導電磁石装置１は、例えば、核磁気共鳴装置（Nuclear Magnetic Resonance）に適用される。

図１（ａ）に示すように、第１の実施形態での超電導コイル４は、符号４ａが付されたものと符号４ｂが付されたもの２つである。コイルボビン５には、前記の超電導コイル４が巻き付けられている。この例における超電導コイル４とコイルボビン５は周知のものであるので、詳細な説明を省略する。

なお、コイルボビン５の外周には、超電導コイル４やコイルボビン５と熱的な接触をしつつこれらを取り巻く環状の保護抵抗収容部１１が配置されており、保護抵抗１０は、その内側（保護抵抗収容部１１内）に収容されている。この図の例では、保護抵抗１０は、保護抵抗収容部１１内に、内層と外層というように二重のコイル状に密に巻かれて収容されている。この保護抵抗１０は、管状に構成された保護抵抗管１０ａ、１０ｂを備えている。保護抵抗管１０ａは超電導コイル４ａに対応し、保護抵抗管１０ｂは超電導コイル４ｂに対応する。つまり、保護抵抗収容部１１の内部において、保護抵抗管１０ａが上部に位置し、保護抵抗管１０ｂが下部に位置する。

コイルボビン５を環状に取り巻く保護抵抗管１０ａ，１０ｂには、「高沸点冷媒供給部」に相当する高沸点冷媒の給排出部２２（供給部２２ａと排出配部２２ｂ）が接続されており、供給部２２ａから供給して排出配部２２ｂから排出するというように、高沸点冷媒を、保護抵抗管１０ａ，１０ｂの内部の高沸点冷媒通路（内部空間Ｓ）を通流させて、コイルボビン５（ひいては超電導コイル４）を急速に冷却することができるようになっている。ちなみに、高沸点冷媒は、例えば液化窒素である。
この第１の実施形態では、保護抵抗管１０ａ，１０ｂが連通して、実質的に１本の高沸点冷媒通路（内部空間Ｓ）を構成しており、給排出部２２は１つであるが、保護抵抗管１０aおよび１０ｂがそれぞれ独立しているならば給排出部２２は２つ設ける必要がある。また、給排出部２２が、高沸点冷媒供給部２２ａと高沸点冷媒排出部２２ｂを有することとしたが、すなわち、専用の入口と専用の出口を有することとしたが、入口出口が共用されるものであってもよい。

なお、保護抵抗１０は、無酸素銅を代表とする常電導線、または無酸素銅と同等の電気的・磁気的性質の常電導線を前記の超電導コイル４と磁気的に結合しないように無誘導に巻線（この例では密に巻線）したものである。無誘導に巻線するとは、例えば、時計回り向きの巻き線の数と、反時計回り向きの巻き線の数とを同じするなどである。

次に、サーモサイフォン部６は、図１（ａ）（ｂ）の位置関係を基準にして、超電導磁石装置１の内部の右側に配置されている。より具体的には、本実施形態のサーモサイフォン部６は、図１（ｂ）における３時の方向に配置されており、本体（本体下部６ａ、本体上部６ｂ）、および、本体下部６ａの下端と本体上部６ｂの上端を結ぶ独立した冷媒下降流路部６ｃを主として構成されている。なお、冷媒下降流路部６ｃは、幅広の矩形状断面に構成されている。サーモサイフォン部６は、本体下部６ａに冷媒Ｒの液溜めが形成され、超電導コイル４の発熱などの熱により気化して液溜めの表面から上昇する冷媒Ｒの蒸気は、本体上部６ｂへと案内され（詳細は後記する）、そして、冷凍機１２で液化され、液化された冷媒Ｒは、冷媒下降流路部６ｃの内部を重力により下降して、再び本体下部６ａの液溜めに戻るように循環する。冷媒Ｒは、前記の高温冷媒である液化窒素よりも沸点の低い液化ヘリウムであり、冷媒供給部２３ａを介してサーモサイフォン部６の内部に供給され、冷媒排出部２３ｂを介してサーモサイフォン部６の内部から排出されるように構成されている。

なお、本実施形態のサーモサイフォン部６は、超電導コイル４およびコイルボビン５の一部（右端部分）を液密・気密を保持しつつ収容するように構成されている。そして、サーモサイフォン部６の内部において、該サーモサイフォン部６は、保護抵抗収容部１１の内部と連通している。すなわち、本体下部６ａと保護抵抗収容部１１の下部とが連通し、本体上部６ｂと保護抵抗収容部１１の上部とが連通している。このため、図１（ａ）（ｂ）から理解されるように、冷媒Ｒの液溜めは、本体下部６ａだけでなく、保護抵抗収容部１１の下部（保護抵抗管１０ｂ同士の隙間）にも形成される。ちなみに、本体下部６ａに形成される液溜めにおける冷媒Ｒの液面は、この例では、コイルボビン５の下端と超電導コイル４ｂの下端との間に位置している。

保護抵抗収容部１１に収容されている保護抵抗１０（保護抵抗管１０ａ，１０ｂ）が図１（ａ）に示されるように密に巻かれていると、冷媒Ｒが気化した蒸気は、鉛直方向（真上）への上昇は阻害される。しかし、本実施形態では、保護抵抗管１０ａ，１０ｂの断面が円形であることから、密に巻かれても、隣接する保護抵抗管１０ａ，１０ｂとの間や、保護抵抗収容部１１の内壁との間に隙間ができ、その隙間が、本体下部６ａと本体上部６ｂとを連通する。すなわち、その隙間、つまり、（１）保護抵抗管１０ａ，１０ｂ同士の隙間と、（２）保護抵抗管１０ａ，１０ｂと保護抵抗収容部１１の内壁との隙間が、液溜めの表面から上昇する冷媒Ｒの蒸気が本体上部６ｂへと向かう通路（らせん状の通路）として機能し、冷媒Ｒの冷熱を全体に伝達するように、換言すると、超電導コイル４の発熱と外部からの侵入熱を奪って、超電導コイル４を冷却するように、また、温度の均一化を図るように、構成されている。
この隙間（通路）を考慮すると、広い意味では、環状の保護抵抗収容部１１も、サーモサイフォン部６を構成すると言える。

次に、超電導磁石装置１の回路を、図２を参照して説明する。
図２は、超電導電磁石装置１の回路を模式的に示す図である。
この図２に示されるように、また、前記したように、保護抵抗１０は、保護抵抗管１０ａ、１０ｂとで構成され、それぞれ複数ある超電導コイル４（４ａ、４ｂ）に並列に設置されている。これらは、真空容器２の内部（輻射シールド３の内部）に設置されているが、真空容器２の外には、励磁電源１３、電流遮断器１４、直流電源１６が設置されている。なお、超電導コイル４並びに永久電流スイッチ９は臨界温度以下に保たれ、超電導状態となっている。また、保護抵抗１０は、超電導コイル４並びに永久電流スイッチ９と、同じ温度レベルに冷やされている。

永久電流スイッチ９を開にした状態で励磁電源１３から超電導コイル４に電流供給し、その後、永久電流スイッチ９を閉にした状態で励磁電源１３からの供給電流をゼロにして電流遮断器１４を開にすると、超電導コイル４および永久電流スイッチ９からなる超電導状態の閉回路に電流がほとんど減衰することなく流れ続ける永久電流運転となる。これにより超電導電磁石装置１は、長期に渡って磁場を保持することが可能である。

超電導電磁石装置１は、前記のとおり、装置内部に設けたサーモサイフォン部６で冷媒Ｒを循環させて冷却することにより、超電導コイル４並びに永久電流スイッチ９を超電導状態に維持するサーモサイフォン方式を適用している。超電導電磁石装置１の中央部に設けた超電導コイル４からの発熱で気化した冷媒が、密度差による浮力で上昇し、冷凍機１２で再度凝縮されて下降することで図中に示した矢印２０の方向に冷媒が循環する。この冷却方式は浸漬冷却方式と比較して使用冷媒量を減らせる利点があるが、超電導コイルと冷媒との接触面積が小さいため、超電導電磁石装置を常温から冷却する初期冷却に要する時間が長くなるといった課題があった。また、停電による冷凍機の停止やコイル全体が常電導転移するクエンチ現象で超電導コイル４が温度上昇してしまう場合がある。浸漬冷却方式の場合、冷媒が蓄冷剤として作用して温度上昇を抑制することが可能であるが、上記のようなサーモサイフォン方式では、蓄冷剤として作用する部材が流路内に冷媒Ｒを除いて存在しないため、浸漬冷却と比較して温度上昇を抑制することが困難である。

そこで、本発明者らはこの点に着目し、以下に述べるように、超電導コイルに対して並列に設置された保護抵抗１０と超電導コイル４並びにサーモサイフォン部６を熱的に接触させ、かつ、保護抵抗１０の内部の高沸点冷媒通路にサーモサイフォン部６中を循環する冷媒Ｒ（液化ヘリウム）より凝固点が高い冷媒（液化窒素）を供給可能な流路（内部空間Ｓ）を設けることで、初期冷却時の冷却構造および、停電時やクエンチ時の温度上昇を抑制する蓄冷剤としての機能を両立させることとした。
以下、第１の実施形態に係る超電導磁石装置１の動作を説明する。

（高沸点冷媒による初期冷却）
室温からの初期冷却の際には、高沸点冷媒供給排出部２２の高沸点冷媒供給部２２ａから、保護抵抗管１０ａ，１０ｂの内部に設けた高沸点冷媒通路に高沸点冷媒（液化窒素）を供給する。高沸点冷媒通路が内部に設けられた保護抵抗管１０ａ，１０ｂが熱的に超電導コイル４やコイルボビン５に接続されているため、さらには、保護抵抗管１０ａ，１０ｂが熱的にサーモサイフォン部６にも接続されているため、これら（装置内部）を潜熱や顕熱で冷却して蒸発・昇温し、高沸点冷媒排出部２２ｂから排出される。高沸点冷媒を高沸点冷媒供給部２２ａから供給し続けることにより、装置内部の冷却が進み、高沸点冷媒の蒸発量が減少してくる。また、保護抵抗管１０ａ，１０ｂの内部、すなわち、高沸点冷媒通路（内部空間Ｓ）が高沸点冷媒で満たされてくる。

この保護抵抗１０を介した冷却と並行して、冷媒供給排出部２３の冷媒供給部２３ａから、サーモサイフォン部６にも高沸点冷媒（液化窒素）を供給する。高沸点冷媒は、サーモサイフォン部６の内部を冷却することで、コイルボビン５（超電導コイル４）や保護抵抗１０を冷却する。
ちなみに、初期冷却の終了は、例えば、図示しない温度センサにより、装置内部の温度を計測することにより、および／または、高沸点冷媒排出部２２ｂや冷媒排出部２３ｂから排出される高沸点冷媒の温度を計測することにより、判定できる。

（低沸点冷媒による冷却）
高沸点冷媒による初期冷却の終了後、サーモサイフォン部６から初期冷却で用いた高沸点冷媒を除去し、今度は、それよりも沸点（凝固点）が低い冷媒を、冷媒供給部２３ａからサーモサイフォン部６に供給することで、仕上げの冷却を行う。その際、保護抵抗管１０ａ，１０ｂの内部には、高沸点冷媒を溜めたままにしておく。

サーモサイフォン部６に供給された冷媒Ｒは、その顕熱と潜熱とで、コイルボビン５などを直接冷やしつつ（すなわち超電導コイル４を冷却しつつ）、装置内部を冷却して、蒸発・昇温し、冷媒排出部２３ｂから排出される。ちなみに、本実施形態では、保護抵抗１０（保護抵抗管１０ａ，１０ｂ）が密に巻かれているため、前記のとおり、蒸発した冷媒Ｒは鉛直方向（真上）への上昇ができないので、抵抗管同１０ａ，１０ｂ同士の隙間などを旋回しながら上昇していき、装置内部を冷却する。

冷媒Ｒを冷媒供給部２３ａから供給し続けることにより、装置内部のさらなる冷却が進み、冷媒Ｒの蒸発量が減少し、サーモサイフォン部６の本体下部６ａに冷媒Ｒの液溜めが形成され、超電導コイル４および永久電流スイッチ９が超電導状態になる。
なお、冷凍機１２は、この時点で運転を開始してもよいし、この前でも後でも、任意の時点で運転を開始してもよい。

前記のとおり、初期冷却の際に保護抵抗１０の内部に供給した冷媒は除去せず保持する。このことにより、保護抵抗１０の内部の冷媒は固化した状態で存在することになる。例えば窒素が固化した場合、温度３０Ｋ以下での比熱は同体積の銀や銅と比較して２〜３倍程度と大きく、蓄冷剤としての効果が大きい。これにより冷凍機が停止した場合やクエンチ時の温度上昇の抑制が可能である。また、保護抵抗１０は、前記のとおり、無酸素銅に代表される常電導線を超電導コイルとの磁気的な結合が生じないように無誘導に密巻きした構造をしており、かつ、図中のＡ−Ａ‘断面に示すようにその常電導線の隙間を冷媒が移動することが可能で周回方向への熱伝導経路を兼ねていることから、別途、熱伝導経路を設けるということを省略することが可能である。

（まとめ）
このように本実施形態の超電導電磁石装置１は、初期冷却の際に保護抵抗１０の内部に設けた流路に冷媒を供給することで、サーモサイフォン部６（冷媒循環経路）のみに冷媒を供給した場合と比較して短時間で初期冷却を終了することが可能である。また、保護抵抗１０の内部に保持した冷媒が蓄冷剤として機能し、冷凍機が停止した場合やクエンチ時の温度上昇の抑制が可能である。そして、保護抵抗１０は周回方向への熱伝導経路を兼ねていることから、別途設置する必要のある熱伝導経路を省略し、装置を小型化することが可能である。

すなわち、強制冷却方式並びにサーモサイフォン方式を採用した超電導電磁石装置において、初期冷却時間を短縮すると共に、装置を大型化することなく冷凍機停止やクエンチ時の温度上昇を抑制することが可能な超電導電磁石装置１を提供することができる。
なお、保護抵抗管１０ａ，１０ｂは、超電導コイル４の外周側に巻いているが、内周側に（内周側および／または外周側）に巻いてもよい。ここで、内周側とは、超電導コイル４とコイルボビン５の間やコイルボビン５の内周側が例としてあげられる（後記する第３の実施形態（図４）における超電導コイル４ａなど参照）。

≪第２の実施形態≫
次に、本発明を適用してなる第２の実施形態について、図３などを参照して説明する。
図３は、第２の実施形態に係る超電導電磁石装置１の断面図であり、（ａ）は中心位置での縦断面を、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線での横断面を示す。
なお、第１の実施形態と同様の要素については、第１の実施形態で用いたのと同じ符号をその要素に付して、適宜説明を省略するものとする。

この第２の実施形態は、サーモサイフォン部６が、超電導磁石装置１の３時の方向の位置に設けられている点で（図３（ｂ）参照）、また、保護抵抗１０が抵抗管１０ａ，１０ｂとして構成され、その内部に高沸点冷媒通路（内部空間Ｓ）が形成されている点などで、図１に示す第１の実施形態と同じである。

しかし、図３に示されるように、保護抵抗管１０ａ，１０ｂが角型であり、保護抵抗管１０ａ，１０ｂ同士の間にも、保護抵抗管１０ａ，１０ｂと保護抵抗収容部１１の内壁との間にも隙間がない。このため、第１の実施形態では、サーモサイフォン部６の内部に供給された初期冷却時の高沸点冷媒や初期冷却後の冷媒Ｒは、保護抵抗管１０ａ，１０ｂ同士の隙間などを通流して、中心軸２１を中心にして旋回しながら本体下部６ａから本体上部６ｂへと上昇することができたが、この第２の実施形態ではそれができない。したがって、第２の実施形態では、サーモサイフォン部６の内部に、初期冷却時の高沸点冷媒や初期冷却後の冷媒Ｒが上昇することができる、サーモサイフォン部６の内部に閉じた循環流路が設けられている。

すなわち、図３（ａ）（ｂ）に示すように、第２の実施形態のサーモサイフォン部６は、冷媒降下流路部６ｃ、下部流路部６ｄ、冷媒上昇流路部６ｅ、上部流路部６ｆ、および、液溜め部６ｇを備え、これらがこの順に接続されて、初期冷却時には高沸点冷媒が初期冷却後には冷媒Ｒが、サーモサイフォン部６の内部にいきわたるよう、特に初期冷却後の通常運転時には、サーモサイフォンにより冷媒Ｒがサーモサイフォン部６の内部を循環し、冷却を促進するように構成されている。
なお、冷凍機１２は、液溜め部６ｇの上部空間を冷却して冷媒Ｒの蒸気を液化するように配置されている。

ちなみに、この第２の実施形態では、冷媒上昇流路部６ｅは、並列した複数の流路に分割されている。その一つは、図３（ｂ）に示されるように、サーモサイフォン部６の内部において、保護抵抗１０を内周側と外周側の両側から挟み込むように配置された冷媒上昇流路部６ｅである。また、別の一つは、図３（ａ）に示されるように、保護抵抗１０を上下方向に貫通して配置された冷媒上昇流路部６ｅである（「保護抵抗の内部を複数の冷媒循環流路が貫く」に相当）。この例では、この貫通して配置された冷媒上昇流路部６ｅは、図３（ｂ）に示されるように５つある。
冷媒下降流路部６ｃは、第１の実施形態と同様に幅広の矩形断面に構成されている。この点は、下部流路部６ｄも同じである。

また、この第２の実施形態では、永久電流スイッチ９は、下部流路部６ｄの上部に熱的に接触するように配置されており、熱伝導により冷却されるように構成されている。
なお、冷媒供給排出部２３の構成が第１の実施形態のそれと少し異なるものの、この第２の実施形態における、初期冷却の動作、初期冷却後の動作、クエンチ時における動作などは、第１の実施形態とほぼ同様であるので、説明を省略する。

この第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果（急速冷却や蓄熱作用）が得られるだけでなく、第１の実施形態のような周方向への冷媒流路を省略することが可能であることから、冷媒Ｒが下降する冷媒固化流路部６ｃに対して冷媒Ｒが上昇する流路の体積（冷媒上昇流路部６ｅの内部の体積）を小さくし、その内部に存在する冷媒Ｒの質量の差を大きくすることで冷媒Ｒをより高い位置まで上昇させることが可能となる。ちなみに、液溜め部６ｇが上部に配置されていることや、第１の実施の形態に比べて冷媒Ｒの上昇経路の長さが短いこと（圧力損失が少ないこと）も、冷媒Ｒの液面の上昇に貢献する。このことから、装置の上下に複数の冷媒容器を配置する必要がなく、超電導電磁石装置１を小型化することが可能となる。

補足すると、図３（ａ）に示すように、液溜め部６ｇにおける冷媒Ｒの液面の高さと冷媒上昇流路部６ｅにおける冷媒Ｒの液面の高さは、冷媒上昇流路部６ｅの方が高くなり、上部流路部６ｆにまで液面が達する（かつ液溜め部６ｇに冷媒Ｒがオーバフローする）。これは、冷媒上昇流路部６ｅの冷媒には、超電導コイル４の発熱などを受けて蒸発した冷媒Ｒの蒸気が混在するため、この蒸気の浮力などにより冷媒下降流路部６ｃにおける冷媒Ｒの液面を押し上げる作用が生じるからである（冷媒Ｒ中に含まれる蒸気が多くなるほど単位体積当たりの質量は小さくなる）。このことなどにより、サーモサイフォンが構成され、図３（ａ）において、冷媒Ｒが時計回りに循環する。

≪第３の実施形態≫
次に、本発明を適用してなる第３の実施形態について、図４などを参照して説明する。
図４は、第３の実施形態に係る超電導電磁石装置の断面図であり、（ａ）は中心位置での縦断面を、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線での横断面を示す。
なお、第１の実施形態などと同様の要素については、第１の実施形態などで用いたのと同じ符号をその要素に付して、適宜説明を省略するものとする。

この第３の実施形態は、図１に示す第１の実施形態と比較して、直径の異なる複数の超電導コイル４が存在し、超電導コイル４の中心軸２１が水平方向を向いており、サーモサイフォン部６における冷媒Ｒは、複数ある超電導コイル４の外周面を周方向に沿いながら鉛直方向上側に向かう点で異なる。
すなわち、この第３の実施形態は、「超電導コイルの中心軸は水平方向を向き、保護抵抗は超電導コイルの外周面、内周面、ボビンのいずれかに熱的に接触される」というものである。

ちなみに、第３の実施形態の超電導磁石装置１は、例えば、医療分野における磁気共鳴画像（Magnetic Resonance Imaging）装置に適用されるものであり、超電導コイル４として、超電導コイル４ｂ，４ｃ（主コイル）のほかに、超電導コイル４ａ，４ｄ（シールドコイル）を備えて、装置のほぼ中央に撮像領域が構成される。また、保護抵抗１０も、４つの超電導コイル４（４ａ〜４ｄ）に対応して４つ（保護抵抗管１０ａ〜１０ｄ）を備えている。このうち、保護抵抗１０ａ，１０ｄは、対応する超電導コイル４ａ，４ｄの内周側に、当該超電導コイル４ａ，４ｄと熱的に接触して密に巻かれている。また、保護抵抗１０ｂ，１０ｃは、対応する超電導コイル４ｂ，４ｃの外周側に、当該超電導コイル４ｂ，４ｃと熱的に接触して密に巻かれている。すなわち、この第３の実施形態では、第１の実施形態での保護抵抗収容部１１が省略されている。
なお、符号６ａ〜６ｃは、第１の実施形態と同じである。

この第３の実施形態の超電導磁石装置１は、直径が異なる複数の超電導コイル４が存在し、その中心軸２１が水平方向を向いた超電導電磁石装置１（トンネル型のＭＲＩ装置）であるが、この第３の実施形態でも、第１の実施形態などと同様の効果を得ることができ、超電導電磁石装置１を小型することなどが可能である。
なお、前記した第１の実施形態や第２の実施形態の超電導磁石装置を、この第３の実施形態のようなＭＲＩ装置に適用してもよい。

≪第４の実施形態≫
次に、本発明を適用してなる第４の実施形態について、図５Ａや図５Ｂなどを参照して説明する。
図５Ａは、第４の実施形態に係る超電導電磁石１の断面図であり、（ａ）は中心位置での縦断面を、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線での横断面を示す。図５Ｂも、第４の実施形態に係る超電導磁石装置１の断面図であり、（ａ）は図５Ａ（ａ）のＢ−Ｂ’線での横断面を、（ｂ）は図５Ａ（ａ）のＣ−Ｃ’線での横断面を示す。
なお、第１の実施形態などと同様の要素については、第１の実施形態などで用いたのと同じ符号をその要素に付して、適宜説明を省略するものとする。

この第４の実施形態の超電導磁石装置１は、オープン型のＭＲＩ装置であり（例えば特開2011-194136号公報の図１など参照）、トンネル型のＭＲＩ装置である第３の実施形態の超電導磁石装置１（図４参照）とは形式が異なる。具体的には、超電導磁石装置１は、装置が上側と下側に別れており、装置の上側が２本の支柱１ａ，１ｂを介して装置の下側に支持さており、装置の上側と下側の間に開口部２４が形成されている。ちなみに、開口部２４を挟んで、装置の上側に超電導コイル４ａ，４ｂが配置され、下側に超電導コイル４ｃ、４ｄが配置されている。このうち、超電導コイル４ｂ，４ｃが主コイルであり、超電導コイル４ａ，４ｄがシールドコイルである。
すなわち、この第４の実施形態は、「超電導コイルの中心軸は鉛直方向を向き、超電導コイルは水平方向に設けた開口部を挟んで配置される」というものである。

コイルボビン５は、装置の上側と下側にそれぞれあり、各コイルボビン５には、対応する各超電導コイル４が外周側から巻き付けられている。そして、各超電導コイル４には、対応する保護抵抗１０（保護抵抗管１０ａ〜１０ｄ）が外周側から巻き付けられている。各保護抵抗管１０ａ〜１０ｄは内部が連通しており、高沸点冷媒供給部２２ａから供給された高沸点冷媒が保護抵抗管１０ａ→保護抵抗管１０ｂ→保護抵抗管１０ｃ→保護抵抗管１０ｄ→の順にとおり、高沸点冷媒排出部２２ｂから排出されるようになっている。なお、図５Ａなどでは、各保護抵抗管１０ａ〜１０ｄの間の接続関係の図示は省略している。

この第４の実施形態のサーモサイフォン部６は、冷媒降下流路部６ｃ、下部流路部６ｄ、冷媒上昇流路部６ｅ１，６ｅ２、上部流路部６ｆ、および、液溜め部６ｇを備え、これらがこの順に接続されている。また、冷媒供給排出部２３が、液溜め部６ｇの上部空間と外部とを接続している。そして、初期冷却時には高沸点冷媒が、初期冷却後には冷媒Ｒが、それぞれサーモサイフォン部６の内部にいきわたるよう、冷媒共有排出部２３から導入され、初期冷却後の通常運転時には、冷却を促進するように、サーモサイフォンにより、冷媒Ｒがサーモサイフォン部６の内部を循環される。
ちなみに、この第４の実施形態の超電導磁石装置１におけるサーモサイフォン部６の動作は、第２の実施形態のそれに近いので、第２の実施形態とほぼ同じ符号を付している。

なお、図５Ａ（ｂ）に示すように、下部流路部６ｄは、装置の端から端までを横断するように設けられている。冷媒Ｒの流れを基準に、下部流路部６ｄの始端に冷媒降下流路部６ｃの終端（下端）が接続され、下部流路部６ｄの終端に冷媒上昇流路部６ｅ１の始端（下端）が接続され、下部流路部６ｄの始端に近い側に冷媒上昇流路部６ｅ２の始端（下端）が接続されている。そして、冷媒下降流路部６ｃからの冷媒Ｒの流れを、冷媒上昇流路部６ｅ１，６ｅ２に振り分けるようにしている（図５Ｂ（ａ）参照）。
また、上部流路部６ｆは、冷媒上昇流路部６ｅ１，６ｅ２と液溜め部６ｇの間に位置するが、この上部流路部６ｆは、下部流路部６ｄに対応した構成なので、説明を省略する。

冷媒上昇流路部６ｅ１，６ｅ２の内、冷媒上昇流路部６ｅ１は、支柱１ａの内部を通されており、冷媒上昇流路部６ｅ２は、支柱１ｂの内部を通されている。そして、冷媒上昇流路部６ｅ１，６ｅ２は、超電導コイル４ａ〜４ｄと保護抵抗管１０ａ〜１０ｄが巻かれたコイルボビン５ａ〜５ｄの外周の形状に沿うように、屈曲しながら立ち上がるように構成されており、超電導コイル４ａ〜４ｄの冷却を促進するようにされている。

この第４の実施形態でも、初期冷却時には、保護抵抗１０（保護抵抗管１０ａ〜１０ｄ）を介してと、サーモサイフォン部６を介しての、高沸点冷媒による冷却が行われる。このため、従来のように、サーモサイフォン部６を介してだけよりも、より急速な冷却が可能である。また、保護抵抗管１０ａ〜１０ｄの内部の高沸点冷媒通路（内部空間Ｓ）に高沸点冷媒（液化窒素）を残留させたまま冷媒Ｒ（液化ヘリウム）による冷却を行い、高沸点冷媒を凍結させるので、高沸点冷媒の高い比熱（さらには融解熱）により、クエンチ時などにおける熱的安定性が向上する。

また、この第４の実施形態によれば、超電導コイル４の外側に巻き付けられた保護抵抗１０による周方向への熱伝導に加えて、複数設けた冷媒流路（中心軸２１を挟んで対抗する位置に設けられた冷媒上昇流路６ｅ１，６ｅ２）によって周方向への冷却効率が向上する。また、このような構造をとることで、開口部２４を挟んで複数の超電導コイル４が配置された超電導電磁石装置１でも上下に複数の冷媒容器を配置する必要がなく、超電導電磁石装置１を小型化することが可能となる。

なお、第４の実施形態では、支柱が符号１ａ，１ｂの２つある例を示したが、支柱が１つしかないタイプのオープン型のＭＲＩ装置にも適用することができる。この場合は、１つの支柱に、冷媒降下流路６ｃと冷媒上昇流路６ｅ（６ｅ１，６ｅ２）や、保護抵抗管１ｂ，１０ｃを連通させる部材などが収容される。ちなみに、冷媒上昇流路６ｅ１，６ｅ２を合流させて１つの流路として支柱を通過させ、通過後に分岐するようにしてもよい。また、冷媒上昇流路６ｅは、符号６ｅ１，６ｅ２の２が存在する例を示したが、全体として、１つでも、３つ以上でもよい。

１ 超電導電磁石装置
２ 真空断熱容器
３ 輻射シールド
４、４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ 超電導コイル
５ コイルボビン
６ サーモサイフォン部（冷媒循環流路）
６ａ 本体下部
６ｂ 本体上部
６ｃ 冷媒降下流路部
６ｄ 下部流路部
６ｅ 冷媒上昇流路部
６ｆ 上部流路部
６ｇ 液溜め部
９ 永久電流スイッチ
１０ 保護抵抗
１０ａ 抵抗管部
１０ｂ 高沸点冷媒通路部
１１ ・BR>@ 保護抵抗収容部
１２ 冷凍機
１３ 直流電源
１４ 電流遮断器
２０ 気化した冷媒の進行方向を示す矢印
２１ 超電導電磁石装置の中心軸

２２ 高沸点冷媒供給排出部（高沸点冷媒供給部、外部につながる流路）
２２ａ 高沸点冷媒供給部
２２ｂ 高沸点冷媒排出部
２３ 冷媒供給排出部
２３ａ 冷媒供給部
２３ｂ 冷媒排出部
２４ 開口部
Ｓ 内部空間

Claims (10)

1. 冷媒が循環される冷媒循環流路と、
   前記冷媒循環流路における冷媒の蒸気を冷却する冷凍機と、
   前記循環される冷媒により冷却される超電導コイルと、
   前記超電導コイルと熱的に接触されると共に、内部空間を有する保護抵抗と、
   前記保護抵抗内の内部空間に、前記冷媒よりも高沸点、かつ、前記冷媒により凍結される高沸点冷媒を供給する高沸点冷媒供給部と、
   前記冷媒循環流路、前記超電導コイル、および前記保護抵抗を少なくとも収容する真空断熱容器と、
   を備えることを特徴とする超電導磁石装置。
2. 前記高沸点冷媒は、
   初期冷却時には、前記高沸点冷媒供給部から前記保護抵抗の内部空間に供給されて前記超電導コイルを冷却し、
   前記初期冷却後には、前記内部空間において、前記冷媒により冷却・凍結されること、
   を特徴とする請求項１に記載の超電導磁石装置。
3. 前記保護抵抗は、前記内部空間を管路として有する保護抵抗管として形成されており、
   前記保護抵抗管が、前記超電導コイルの外周側および／または内周側に、当該超電導コイルと熱的に接触するように巻かれていること
   を特徴とする請求項１または２に記載の超電導電磁石。
4. 前記保護抵抗は、無酸素銅または無酸素銅と同等の常電導線を前記超電導コイルと磁気的に結合しないように無誘導に巻線したこと特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の超電導電磁石装置。
5. 前記保護抵抗は常電導線を密巻した構造を有し、前記の冷媒循環流路を流れる冷媒が密巻された常電導線の隙間を通過するように構成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の超電導電磁石装置。
6. 前記保護抵抗の内部を前記複数の冷媒循環流路が貫くことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の超電導電磁石装置の冷却構造。
7. 前記超電導コイルの中心軸は水平方向を向き、前記保護抵抗は超電導コイルの外周面、内周面、ボビンのいずれかに熱的に接触されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかの超電導電磁石装置。
8. 前記超電導コイルの中心軸は鉛直方向を向き、前記の超電導コイルは水平方向に設けた開口部を挟んで配置されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の超電導電磁石装置。
9. 冷媒が循環される冷媒循環流路と、
   前記冷媒循環流路における冷媒の蒸気を冷却する冷凍機と、
   前記循環される冷媒により冷却される超電導コイルと、
   前記超電導コイルに対して並列に接続される保護抵抗と、
   前記冷媒循環流路、前記超電導コイル、および前記保護抵抗を少なくとも収容する真空断熱容器と、
   を備える超電導磁石装置の冷却方法であって、
   前記保護抵抗は、前記超電導コイルと熱的に接触されると共に、外部につながる流路を備える内部空間を有するように形成されており、
   初期冷却時は、
   前記冷媒よりも高沸点、かつ、前記冷媒により凍結される高沸点冷媒が、前記外部につながる流路から前記内部空間へと供給され、さらに、前記冷媒循環流路に、前記高沸点冷媒が供給されて、前記超電導磁石が冷却され、
   前記初期冷却の後は、
   前記冷媒循環流路から前記低沸点冷媒を除去した後に、前記冷媒が供給されることで、前記超電導磁石が冷却されると共に、前記内部空間に残留される前記高沸点冷媒が凍結されること、
   を特徴とする超電導磁石装置の冷却方法。
10. 請求項１ないし８のいずれかの超電導磁石装置を備えることを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。

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