JP6378039B2 - 超電導磁石およびｍｒｉ装置、ｎｍｒ装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷凍機を利用した高温超電導磁石およびそれを備えたＭＲＩ装置、ＮＭＲ装置に関するものである。

短時間の停電、断水等による冷凍機の運転停止時でも、クエンチせず強磁場を発生することができる超電導磁石として、特許文献１には、冷却部材に冷却管を設け、真空容器の外部へ出し、冷却管内圧力をヘリウムガスの臨界圧力以下に調節する圧力流量調整装置を介してヘリウムガスが充填されたヘリウムガス容器に接続する発明が記載されている。

特開平８−６９９１１号公報

磁気共鳴を用いた分析装置、画像診断装置としてＮＭＲ（核磁気共鳴分析、Ｎｕｃｌｅａｒ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）装置や医療用ＭＲＩ（磁気共鳴イメージング、Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｉｍａｇｉｎｇ）装置がある。これらの装置は高磁場になるほどＳ／Ｎ比が向上するため、超電導磁石が用いられている。従来の超電導線（ニオブ・チタン等）は超電導臨界温度が約９Ｋであるため、この超電導線をコイル状に成形した超電導磁石の冷却には温度４．２Ｋの液体ヘリウムが用いられていた。

しかしながら、液体ヘリウムは入手が困難な状況にあることから、最近では超電導磁石を冷却するためにヘリウム冷凍機が用いられている。また、比較的温度の高いときでも超電導になる高温超電導材料を用いた高温超電導磁石も開発されてきており、液体ヘリウムを用いない、ヘリウム冷凍機と組み合わせた伝導冷却型高温超電導磁石冷却構造の開発が進められている。高温超電導材料としては、例えばＭｇＢ_２（ニホウ化マグネシウム）が挙げられる。

例えば、およそ温度４０Ｋで超電導になるＭｇＢ_２線材を用いた伝導冷却型高温超電導磁石においては、従来の約９Ｋの温度で超電導になる低温超電導線を用いた液体ヘリウム冷却の超電導磁石と同様に、冷凍機で冷却された超電導磁石は励磁後に電源なしで超電導コイル内に電流を永久的に流すことができる。いわゆる、これが超電導磁石の永久電流モードに相当する。

永久電流モードの超電導磁石の利点として、一度超電導磁石を励磁した後は、電源が不要で、電源ノイズが発生しないことがあげられる。また、ＭＲＩの場合は、ＭＲＩ撮像画像の解像度が劣化しない、との利点がある。

永久電流スイッチは、内部にヒータと超電導線とを設置したもので、そのヒータで加熱して、超電導線を超電導臨界温度以上にすることで超電導線を常伝導状態（ＯＦＦ状態）とすることができる。また、内部のヒータ加熱を止めて、永久電流スイッチ内部の超電導線の温度を超電導臨界温度以下に冷却し、永久電流スイッチ内部の超電導線を超電導状態（ＯＮ状態）に切り換えることでスイッチとしている。

しかしながら、このような永久電流スイッチと伝導冷却型高温超電導磁石を冷凍機で冷却している場合、永久電流スイッチをオフにするためのヒータからの熱量が高温超電導磁石に伝達してしまう問題がある。また、その加熱量によっては、高温超電導磁石に伝達する熱負荷のために、大きな冷凍能力の冷凍機を使用することになり、冷凍機の運転コストが増加するとの問題も生じ得る。

超電導磁石の励磁時間を短くするためには、超電導コイルの目標電流値まで電流を早急に上げ、超電導コイル内部に電流を短時間に流すことが重要である。この超電導コイルを励磁するための時間は、永久電流スイッチのヒータを加熱して、永久電流スイッチ内部の超電導線を超電導相から常伝導相にして超電導コイルに通電する時間と、永久電流スイッチの温度を常伝導相から超電導相に変えるために永久電流スイッチを冷却して励磁用電源の電流をゼロまで電流降下させるための時間の和である。

超電導コイルを励磁するときに永久電流スイッチを加熱する必要があるが、超電導コイルへの入熱が増加し、温度が上昇するため、熱量は増やせない。更に言えば、永久電流スイッチの熱量を超電導コイルに伝達したくない。そこで、永久電流スイッチと冷凍機間には断熱材を介して冷凍機と接続することがある。しかし、永久電流スイッチを冷却するときはこの断熱材が冷却を妨げてしまう。このため永久電流スイッチの冷却時間が長くなるとの問題が生じていた。

上述した特許文献１に記載の発明の構造では、永久電流スイッチが冷凍機と接続され、固定されている。このため、永久電流スイッチを超電導相から常伝導相に加熱する熱量が増えて、超電導コイル自体も常伝導化するので超電導コイルを励磁することが困難である、との問題がある。

本発明の目的は、永久電流スイッチ内部のヒータ加熱で永久電流スイッチ内部の超電導線が超電導相から常伝導相に相転移する永久電流スイッチを使った超電導磁石において、永久電流スイッチの温度を高速に冷却することができ、超電導磁石の励磁時間の短縮化が可能な超電導磁石とそれを備えたＭＲＩ装置、ＮＭＲ装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
本発明は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、冷凍機と、真空容器と、この真空容器内部に格納された熱伝導体と、この熱伝導体を介して前記冷凍機と熱的に連結され、かつ、前記真空容器内部に格納された超電導コイルを有する永久電流スイッチと、液溜室と、凝縮器と、前記真空容器外部から前記凝縮器へガスを供給し、前記凝縮器で凝縮された前記ガスの凝縮液を前記液溜室へ供給する第１配管と、前記液溜室から前記真空容器外部へガスを放出する第２配管と、前記液溜室から前記真空容器外部へのガスの流れを抑制するよう前記第１配管に設けられた逆止弁とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、永久電流スイッチの温度を高速に冷却することができ、超電導磁石の励磁時間の短縮化が可能である。

本発明の第１の実施形態に関わる超電導磁石の断面の一例を示す図である。 本発明の第１の実施形態に関わる超電導磁石の断面の他の一例を示す図である。 本発明の第１の実施形態に関わる超電導磁石の励磁回路の一例を示す図である。 本発明の第２の実施形態に関わる超電導磁石の断面の一例を示す図である。 本発明の第３の実施形態に関わる超電導磁石の液溜室付近の断面の一例を示す図である。 図５に示す本発明の第３の実施形態に関わる超電導磁石の液溜室の底面部の断面の一例を示す図である。 本発明の第３の実施形態に関わる超電導磁石に関わる沸騰特性図である。 本発明の第４の実施形態に関わる超電導磁石の断面の一例を示す図である。 本発明の第４の実施形態に関わる超電導磁石の冷凍機および熱交換器周りの部品を示した鳥瞰図である。 本発明の超電導磁石を備えたオープン型ＭＲＩ装置の外観図である。

以下に本発明の超電導磁石とそれを備えたＭＲＩ装置、ＮＭＲ装置の実施形態を、図面を用いて説明する。

＜第１の実施形態＞
本発明の超電導磁石の第１の実施形態を、図１乃至図３を用いて説明する。
図１は本実施形態の超電導磁石の断面図、図２は液溜室を永久電流スイッチから離した状態の本実施形態の超電導磁石の断面図、図３は本実施形態の超電導磁石を励磁するための電気回路図である。

図１において、超電導コイル１は、温度３９Ｋ以上の超電導臨界温度の超電導線を利用した超電導コイルである。この超電導コイル１は、後述する冷凍機２の第２ステージ２２に熱的に接続された低温側高熱伝導体３の上面に設けられており、低温側高熱伝導体３と熱的に接触している。

冷凍機２は、冷凍能力の異なる第１ステージ２１および第２ステージ２２を備えた２段式の冷却源である。冷凍機２の第１ステージ２１の冷凍能力は温度４０Ｋで６０Ｗであり、第２ステージ２２の冷凍能力は温度４Ｋで１Ｗ、超電導コイル１を冷却するために十分な冷凍性能を有している。

熱シールド１２および熱シールドフランジ１２１は、真空容器１６および真空容器フランジ１６１からの放射熱を遮蔽するためのシールド部材であり、冷凍機２の第１ステージ２１に接続されている。熱シールド１２および熱シールドフランジ１２１は銅又はアルミニウム等の高熱伝導率の材質からなる。

真空容器１６は、大気の熱が熱シールド１２やその内側に配置された超電導コイル１等に伝導されることを遮断する真空空間を保つためのチャンバーであり、真空容器フランジ１６１を備えている。

断熱支持体２４は低熱伝導率の部材から成り、低温側高熱伝導体３を熱シールド１２の上部フランジで支持している。

永久電流スイッチ４は、超電導コイル１と同様に巻き枠４１に巻き付けられたスイッチである。この永久電流スイッチ４および巻き枠４１は高熱伝導体５と連結されており、永久電流スイッチ４の温度と高熱伝導体５の温度がおおよそ同じ温度になるよう構成されている。高熱伝導体５の下面は断熱材６の上部と接合されており、この断熱材６の下面は低温側高熱伝導体３に接合されている。断熱材６は低熱伝導率のオーステナイト系ステンレス鋼またはカーボン繊維、ガラス繊維およびアルミナ繊維のＦＲＰでできており、熱が伝わり難い材質が採用されている。

液溜室７は、ガスボンベ８から供給され、後述する凝縮器１１で凝縮された凝縮液を溜める空間である。液溜室７に供給されるガスの種類はヘリウム、水素、アルゴン、窒素等である。例えば、ガスボンベ８のガスがヘリウムの場合で、また、冷凍機２の第１ステージ２１と第２ステージ２２の冷凍能力がそれぞれ６０Ｗ＠４０Ｋ、１Ｗ＠４．２Ｋである場合、ガスの圧力が大気圧のとき、室温のガスはガスボンベ８から冷凍機２の第１ステージ２１を通過することで約６０Ｋ以下のガス温度になり、第２ステージ２２と接続した、低温側高熱伝導体３を介して熱的に接続された高熱伝導体１１０の凝縮器１１で温度が約４．２Ｋになる。また、液溜室７に４．２Ｋ以上の温度の液体ヘリウムが流れる。

次に、ガスボンベ８から液溜室７へガスを供給するためのガス配管について説明する。

配管２６はガスボンベ８と圧力調整弁９、およびこの圧力調整弁９とガス室１０との間を連通している。第１配管１４および第２配管１５はガス室１０と液溜室７とを接続している。これら第１配管１４と第２配管１５は真空容器１６外部から内部に貫通して設置されている。これらの配管の材質は、一部を除いてステンレス鋼である。

第１配管１４は、熱シールドフランジ１２１を貫通しており、冷凍機２の第１ステージ２１および高熱伝導体１１０の外周に巻き付けられている。このうち高熱伝導体１１０に巻き付けられた第１配管１４の部分が凝縮器１１に相当する。第１配管１４のうち、凝縮器１１に接触する部分の配管には、ガスボンベ８より供給されたガスを効率的に液化するために内面溝付管が使用されている。また、凝縮器１１の材質には、内面に設けた溝と溝間に形成したフィンのフィン効率を上げるために高純度の銅が使用されている。また、高熱伝導体１１０外周に巻き付けられた凝縮器１１は、逆止弁１３および液溜室７に第１配管１４を介して接続されている。この逆止弁１３は、液溜室７内部の圧力が高くなった場合に、凝縮液が第１配管１４に逆流することを抑制するための弁である。

第２配管１５は、主に液溜室７のガスをガス室１０に戻すための配管である。熱シールド１２内の第２配管１５は熱シールドフランジ１２１を貫通しており、第１ステージ２１に巻きつけられている。さらに、真空容器フランジ１６１を貫通してガス室１０と連通している。第２配管１５は第１ステージ２１に巻きつけることで第２配管１５の温度を低温にして、第２配管１５から液溜室７に入る熱量を低減している。この他の手法として、第２配管１５が熱シールドフランジ１２１を貫通する部分が熱シールド１２の温度と等しい温度になるように、銅粘着テープ又はアルミ粘着テープで第２配管１５と熱シールドフランジ１２１を接続することでサーマルアンカの働きをさせることができる。共に、熱量を低減する方法として有効である。

配管２６には、この配管２６内の圧力が異常に高くなった場合に、第１配管１４と第２配管と連通した部品の破裂防止のための第２逆止弁２５が圧力調整弁９とガス室１０間に設置されている。この第２逆止弁２５は、配管２６内のガス圧が大気圧以下の場合に大気が配管２６に侵入することを防止する働きがある。

次に、液溜室７を上下方向に移動させる構造について説明する。

マイクロメータヘッド１７は、真空容器フランジ１６１の上面側に導出されるように設置されており、マイクロメータヘッド１７の下端に接続されたシャフト１８は回転することなく上下方向に移動させることが可能となっている。このシャフト１８の上下方向の動きは、オーステナイト系ステンレス製の中実円柱形状の高温側伝達部材１９、ブロック２０、低温側伝達部材２７を介して液溜室７に対して機械的（物理的）に伝達される。この液溜室７が上下方向に移動することで、高熱伝導体５上面と液溜室７下面との距離を機械的に変えることができるようになっている。本実施形態においては、移動装置は、マイクロメータヘッド１７、シャフト１８、高温側伝達部材１９、ブロック２０、低温側伝達部材２７とで構成される。これらの各部材は、シャフト１８から液溜室７への伝導熱を抑えるために低熱伝導率の材質でできている。低温側伝達部２７と高温側伝達部材１９とは、圧縮と張力の応力を考慮して、高強度、かつ、低熱伝導率のカーボン繊維、ガラス繊維又はアルミナ繊維から成るＦＲＰの材質が有効である。

マイクロメータヘッド１７のシャフト１８に接続された高温側伝達部材１９下端と液溜室７に接続された低温側伝達部材２７の上端との間にはブロック２０が設けられている。ブロック２０は、ベローズ２８を介して熱シールドフランジ１２１と熱的に接続されている。熱シールドフランジ１２１は第１ステージと連結していることから、ブロック２０の温度は低温に維持されている。ブロック２０は高温側伝達部材１９からの侵入熱を遮断し、かつ、温度を低温に固定することで低温側伝達部２７から液溜室７に入る熱量を低減している。ブロック２０およびベローズ２８は、高熱伝導の材質でできており、高熱伝導率の銅又は銅合金製である。

シャフト１８と高温側伝達部材１９とに挟みつけられたベローズ２３は、真空容器１６内部の真空を密封すること、およびシャフト１８等の上下の動きを容易にするための部材であり、真空容器フランジ１６１と接合されている。

更に、第１配管１４は螺旋状の第１螺旋管１４１を有しており、第２配管１５は螺旋状の第２螺旋管１５１を有している。これら第１螺旋管１４１と第２螺旋管１５１は、スプリングと同じ構造になっており、小さな力で液溜室７を上下に移動させることに寄与するとともに、第１配管１４や第２配管１５へかかる応力負荷を低減している。

図２は真空容器１６外部のマイクロメータヘッド１７を使って永久電流スイッチ４上部の液溜室７を上方に移動した状態の超電導磁石の断面図である。このように、マイクロメータヘッド１７のシャフト１８を上方に移動させることで、各高温側伝達部材１９、ブロック２０、低温側伝達部２７はシャフト１８の移動した距離だけ上方に移動する。また、液溜室７も上方に移動する。

宙吊り状態の液溜室７は、低温側伝達部２７や第１螺旋管１４１、第２螺旋管１５１と接続されているが、それぞれの高温部の温度が低温の熱シールドフランジ１２１や逆止弁１３に固定されているので熱量は小さい。このため、凝縮器１１で凝縮した凝縮液が液溜室７に流れて溜まる。

このように、マイクロメータヘッド１７を回転させて高熱伝導体５と液溜室７との距離を機械的に変えることができる。液溜室７を下降させることで高熱伝導体５上面と液溜室７下面との距離を最小、好ましくは接触させて液溜室７と高熱伝導体５、延いては永久電流スイッチ４と間の伝導伝熱量を大きくする。逆に、液溜室７の下面を上昇させることで高熱伝導体５上面と液溜室７下面との間の距離を大きくし、液溜室７と高熱伝導体５、延いては永久電流スイッチ４と間の伝導伝熱量を小さくする。

図３は超電導コイル１を励磁するための電気回路である。図３において、永久電流スイッチ４は、図３中点線で包囲された部分であり、コイル状の超電導線４２と、ヒータ４３とから構成されている。超電導線４２の配線両端部は超電導コイル１の配線の両端部と結線されている。また、超電導コイル１を励磁するために、ヒータ４３用の電源２００と、超電導コイル１励磁用の電源３００と、ヒータ４３と直列に結線されたスイッチ２０１と、超電導コイル１用の２個のスイッチ３０１と、それらを接続する高温超電導材からなるリード線４４とを備えている。超電導コイル１はスイッチ３０１を介して励磁用電源３００と結線されている。また、永久電流スイッチ４内部のヒータ４３を加熱するためのヒータ電源２００がスイッチ２０１を介して結線されている。また、任意で、超電導コイル１が励磁されていることを確認するための磁気センサーを設けることが可能である。

図１乃至図３を参照して、超電導コイル１の励磁動作について以下説明する。

初期状態（超電導コイル１を励磁する直前の状態）として、超電導コイル１と永久電流スイッチ４とが温度２０Ｋ以下の超電導状態にある。また、永久電流スイッチ４と超電導コイル１とを結んだリード線４４も高温超電導線であり、超電導状態にある。更に、スイッチ２０１およびスイッチ３０１はともに開いており、超電導コイル１および超電導線４２とで構成される回路に電流は流れていない状態である、とする。この状態では、図１に示した通り、液溜室７は永久電流スイッチ４周りの巻き枠４１上の高熱伝導体５と密着している。このため、永久電流スイッチ４と超電導コイル１は超電導線の超電導臨界温度以下の温度であり、超電導状態にある。

超電導コイル１を励磁する場合、まず、図２に示すように、真空容器１６外部のマイクロメータヘッド１７によって液溜室７を高熱伝導体５から離す。このとき、永久電流スイッチ４の内部のヒータ４３が発熱してないときは高温側からの伝導熱量および放射熱量も微量であることから、永久電流スイッチ４の温度は低温側高熱伝導体３とほぼ等しいままであり、永久電流スイッチ４内部の超電導線４２の温度は超電導臨界温度以下になっている。

超電導コイル１に励磁用電源３００から電流を供給するには永久電流スイッチ４内部の超電導線を常伝導にする必要がある。そこで、スイッチ２０１をＯＮにしてヒータ電源２００を入れて、永久電流スイッチ４内部のヒータ４３に電流を流してヒータ４３を加熱する。その熱が永久電流スイッチ４内部の超電導線４２に伝達されて超電導線４２が臨界温度以上の温度になり、超電導線４２は常伝導状態になる。

次いで、スイッチ３０１をＯＮにして励磁用電源３００から超電導コイル１に電流を供給し、設定電流が流れるようにする。このとき、永久電流スイッチ４は断熱材６と接触しただけの断熱状態であるため、ヒータ４３に加えるエネルギは少量でも永久電流スイッチ４の温度を高温にすることができる。

超電導コイル１の電流設定値まで電流を流した後、超電導コイル１の発生した磁場が安定するまで設定電流値を一定に維持して電流を流し続ける。磁場が一定になった後、永久電流スイッチ４のヒータ４３に流していたヒータ電源２００の電流をゼロにし、永久電流スイッチ４のヒータ４３の加熱を停止し、永久電流スイッチ４をオン（閉じる）にする準備を行う。このときの永久電流スイッチ４の温度は超電導線４２の温度がまだ超電導臨界温度以上の高い温度である。

ここで、上述のように、永久電流スイッチ４の温度が低いほど短時間に永久電流スイッチ４の超電導線４２の温度が下がって超電導に転移しやすいので、励磁時間の短縮化を図れる。

そこで、図２に示した液溜室７の状態から、真空容器１６外部のマイクロメータヘッド１７を使って液溜室７を下方に移動させて、高熱伝導体５に接続させる。図１はその状態を示した図である。液溜室７が高熱伝導体５に接触した瞬間に、高熱伝導体５の熱（永久電流スイッチ４のヒータ４３で発生した熱）で液溜室７の底板が加熱されて液溜室７の凝縮液は沸騰する。沸騰現象によりたくさんの気泡が発生して液溜室７の内圧が上昇する。また、凝縮液は蒸発潜熱により熱を奪うことで液溜室７の底板を冷却する。これにより、永久電流スイッチ４を２０Ｋ以下の温度に冷却する。

永久電流スイッチ４内部の超電導線４２を常伝導相から超電導相にするための冷却エネルギＥ（Ｊ）は、常伝導相に維持する温度Ｔ_ｈ（Ｋ）と超電導相を維持する温度Ｔ_ｌ（Ｋ）、各質量ｍ_ｉ（ｋｇ）と比熱ｃ_ｉ（Ｊ／ｋｇ／Ｋ）も既知であれば、次式（１）から求めることができる。

エネルギＥ（Ｊ）は凝縮液の消費量に等しくなるので、消費液質量ｍ_ｌ（ｋｇ）も次式（２）で算出できる。式（２）中のＬは蒸発潜熱（Ｊ／ｋｇ）である。

この沸騰熱伝達は自然対流、強制対流熱伝達より冷却特性が高いことで知られている。このため、永久電流スイッチ４を急速に冷却することができ、永久電流スイッチ４内部の超電導線４２が超電導相に早急に転移するため、永久電流スイッチ４を短時間に冷却できる効果がある。これにより超電導コイル１の励磁用電源３００の電流をゼロにする操作を開始する時間を早めることができるので超電導コイル１の励磁時間の短縮化に寄与できる。

この際、凝縮液が沸騰することによりガスに変換され、液溜室７内部の圧力が高くなるが、逆止弁１３が設置された第１配管１４には凝縮液が逆流することはない。逆止弁１３がない場合は凝縮液を供給する第１配管１４に凝縮液が逆流して凝縮液の損失を招くことになるが、逆止弁１３により凝縮液の損失を無くすことができる。

逆止弁１３には一般的に方向性があり、逆方向には流体が流れず、順方向にのみ流れる働きがある。逆方向に流れたときは弁が閉じ、順方向では弁が開く構造で、弁の開閉はバネ式と重力式がある。市販されているバネ式の逆止弁の開閉圧力差は最小で約２ｋＰａである。重力式は弁の開閉方向は鉛直方向にすることが重要である。極低温下でも使用可能で、低密度のアルミニウム合金の弁を用いた重力式逆止弁の開閉差圧は約１ｋＰａ以下で作動した。このように、逆止弁の開閉差圧は小さい。また、逆止弁１３により液溜室７内のガスは第２配管にしか流れない。このため、凝縮器１１内の凝縮液が第１ステージに移動することがないので無駄な凝縮液の消費を低減し、永久電流スイッチ４の冷却をより早める効果がある。また、液溜室７の内圧が下がると、凝縮器１１から凝縮液が液溜室７内に供給される。

永久電流スイッチ４の温度が２０Ｋ以下になり、永久電流スイッチ４が超電導状態に復帰したとき、超電導コイル１と永久電流スイッチ４の超電導線４２には設定電流が流れる。

励磁作業は、永久電流スイッチ４が超電導状態に復帰した後、電源３００から流している電流を徐々に下げてゼロにした上でスイッチ３０１をオフにすることで終了する。これにより、超電導線のみで構成される超電導コイル１および超電導線４２とで構成される回路に電流が半永久的に流れ続け、超電導コイル１による磁場が発生し続ける。

このように、本実施形態では、超電導コイル１が冷凍機２の第２ステージ２２と低温側高熱伝導体３を介して連結されており、高熱伝導体５で覆われた永久電流スイッチ４が断熱材６および低温側高熱伝導体３を介して冷凍機２の第２ステージ２２と接続した超電導磁石構造とし、真空容器１６外部のガスボンベ８からガスを熱シールド１２内の凝縮器１１に供給し、さらに、凝縮液を液溜室７に供給する第１配管１４を設け、液溜室７を永久電流スイッチ４の上部に設置して、逆止弁１３を第１配管１４に接続した。

このような構造により、永久電流スイッチ４の冷却を液溜室７の凝縮液の沸騰熱伝達を用いて行うことができ、永久電流スイッチ４の超電導線４２の温度を短時間で超電導状態に転移させることができ、励磁時間の短縮化を図ることができる。また沸騰時の液溜室７内の圧力が高圧になっても、逆止弁１３により液溜室７内の凝縮液は逆流が起こらないので、凝縮液の無駄が生じず、永久電流スイッチ４の高速冷却が可能な超電導磁石とすることができる。

また、真空容器１６外部から機械的な操作により液溜室７を永久電流スイッチ４に隣接した高熱伝導体５と接触させたり、離したりする。具体的には、永久電流スイッチ４を「ＯＦＦ」状態にするときは液溜室７を永久電流スイッチ４と隣接する高熱伝導体５から切り離して永久電流スイッチ４内部のヒータ４３で加熱することで、少量の加熱エネルギで永久電流スイッチ４を「ＯＦＦ」状態にできる。また、永久電流スイッチ４を「ＯＮ」状態にするときは真空容器１６外部の操作により、液溜室７を永久電流スイッチ４と隣接する高熱伝導体５に接触させる。これにより、液溜室７内の凝縮液が沸騰して永久電流スイッチ４の冷却ができるので、永久電流スイッチ４を高速に冷却でき、超電導コイル１の励磁時間、すなわち永久電流スイッチ４を短時間に「ＯＮ」状態することできる。この永久電流スイッチ４の切り替え時間の短縮化により励磁に要する時間が更に短くすることができ、励磁時間におけるヒータ加熱エネルギの低減で冷凍機の運転コストを下げることができる。

＜第２の実施形態＞
本発明の超電導磁石の第２の実施形態を図４を用いて説明する。図１と同じ構成には同一の符号を示している。以下の実施形態においても同様とする。
図４は本実施形態の超電導磁石の断面図である。

図４に示すように、本実施形態の超電導磁石は、液溜室７の液容積が小さく消費液質量が足りない場合を想定して、第２液溜室８０を設けた形態である。

第２液溜室８０は液溜室７と凝縮器１１との間に設けられている。また、第２液溜室８０は低温側高熱伝導体３の上の第２液溜室用高熱伝導体８１の上端側に設置されている。

凝縮器１１と第２液溜室８０とを連通する第１配管１４は第２液溜室８０への凝縮液の供給管として使用され、第２液溜室８０と液溜室７とを連通する第１配管１４は第２液溜室８０の凝縮液吐出管として用いられている。

逆止弁１３はこの第２液溜室８０の液吐出管と第１螺旋管１４１の上流側の第１配管１４に設けられている。

その他の構成は、第１の実施形態の超電導磁石と略同じであり、詳細は省略する。

本発明の超電導磁石の第２の実施形態においても、前述した超電導磁石の第１の実施形態とほぼ同様な効果が得られる。

また、凝縮液を溜める空間を液溜室７と第２液溜室８０との２つに分離することで、液溜室７を小型化できる。更に、この小型化で液溜室７の上下方向の移動がより容易になるとの効果がある。

＜第３の実施形態＞
本発明の超電導磁石の第３の実施形態を図５乃至図７を用いて説明する。
図５は本実施形態の超電導磁石の液溜室付近の断面図、図６は図５の一部拡大図、図７は沸騰特性図である。

図５および図６に示すように、本実施形態の超電導磁石は、液溜室７の底板７１の液溜室７側に膜７０が設けられている。底板７１は、高熱伝導の銅を材質としている。

膜７０はエポキシ系の高分子膜で、その熱伝導率は温度４Ｋで室温の約１／１０まで低下する。この膜７０は底板７１にエポキシ樹脂膜を塗布して固めたものである。

なお、液溜室７の底板７１の液溜室７側には、膜７０の代わりに箔を設けることができる。この箔は、１０μｍ〜５００μｍの厚みのステンレス製の薄い板である。ステンレス箔は、エポキシ系の接着剤で底板７１の表面に固定する。

その他の構成は、第１の実施形態の超電導磁石と略同じであり、詳細は省略する。

図７は、底板上に膜や箔がない無処理の底板と、膜や箔を設けた場合の沸騰特性である。横軸は底板と液温の温度差ΔＴのｌｏｇスケールで、縦軸は熱流束のｌｏｇスケールである。無処理面は実線と点線の細い線で表した。また、処理面は実線と点線の太い線で表した。無処理面のＡ−Ｂは核沸騰領域、Ｂ−Ｃは膜沸騰（Ｃ−Ｃ’）と核沸騰の間の遷移領域を表している。膜又は箔付面のＡ−Ｂ’は核沸騰領域で、Ｂ’−Ｃ’は遷移領域を表している。

図７に示すように、各面の核沸騰領域に熱流束の最大値がある。また膜又は箔付面の熱流束最大値は無処理面の温度差ΔＴより大きい。その理由について図７を参照して以下説明する。

膜又は箔付面では膜や箔の熱抵抗が熱量の増加とともに温度差ΔＴに加算されるので、底板７１での最大熱流束は無処理面の温度差ΔＴの場合の最大熱流束より大きくなる。ある温度差Ｐのとき、処理した面の核沸騰領域（Ａ−Ｂ’）の熱流束は無処理面の遷移沸騰領域（Ｂ−Ｃ）の熱流束に比べて高くなる。このため、核沸騰領域に遷移するまでに時間がかかるため、長時間に渡って核沸騰領域での冷却が可能となり、冷却速度の更なる高速化が可能となる。

本発明の超電導磁石の第３の実施形態においても、前述した超電導磁石の第１の実施形態とほぼ同様な効果が得られる。

また、液溜室７の底板７１の液溜室７側に膜または箔を設けたことにより、長時間に渡って核沸騰領域での冷却が可能となり、冷却速度の更なる高速化が可能となる。

＜第４の実施形態＞
本発明の超電導磁石の第４の実施形態を図８および図９を用いて説明する。
図８は本実施形態の超電導磁石の断面図、図９は本実施形態の冷凍機および熱交換器周りの部品を示した鳥瞰図である。

図８において、低温側高熱伝導体３の位置より鉛直方向下方に凝縮液溜室７００が設けられている。この凝縮液溜室７００は、永久電流スイッチ４を冷却する液溜室７に重力で凝縮液を供給するために、液溜室７の位置を凝縮液溜室７００や低温側高熱伝導体３の位置よりさらに低く設置されている。凝縮液溜室７００内部には、凝縮用熱交換器７０１が設置されている。

凝縮用熱交換器７０１を冷凍機２と接続した構造について図９を使って説明する。冷凍機２の第２ステージ２２に設置した凝縮用熱交換器７０１には多数のフィンが設けられている。凝縮用熱交換器７０１と低温側高熱伝導体３との接触部分には、表側および裏側にインジウム箔７０２が設けられている。表側のインジウム箔７０２は第２ステージ２２と低温側高熱伝導体３との間の真空リークを防止するための箔であり、裏側のインジウム箔７０２は低温側高熱伝導体３と凝縮液溜室７００との間の真空リークを防止するための箔である。

また、真空容器１６外部のマイクロメータヘッド１７の操作により液溜室７の位置を上下に移動させることは第１の実施形態と同様である。液溜室７が高熱伝導体５と接触していない状態であっても、永久電流スイッチ４および巻き枠４１、高熱伝導体５の温度を低温側高熱伝導体３の温度とほぼ等しい温度にするために、本実施形態では低温側高熱伝導体３を掘り込んで、その中に液溜室７、永久電流スイッチ４、巻き枠４１、高熱伝導体５を設置している。

その他の構成は、第１の実施形態の超電導磁石と略同じであり、詳細は省略する。

本実施形態では、ガスはガスボンベ８、そしてガス室１０から第１配管１４により冷凍機２の第１ステージ２１を経由して凝縮液溜室７００に供給される。第１ステージ２１を通ったガスは冷却されて、凝縮用熱交換器７０１でガスが液化される。凝縮液は凝縮液溜室７００と逆止弁１３、逆止弁１３と第１螺旋管１４１を結んだ第１配管１４を通って液溜室７に供給される。液溜室７のガス吐出管の働きを担う第２配管１５は第１の実施形態と同じである。

本発明の超電導磁石の第４の実施形態においても、前述した超電導磁石の第１の実施形態とほぼ同様な効果が得られる。

また、凝縮用熱交換器７０１を冷凍機２の第２ステージ２２と直付けすることにより凝縮用熱交換器７０１を最低温度で使用できる。凝縮液溜室７００内のガス温度Ｔｇと熱交換器温度Ｔｗとの温度差（Ｔｇ−Ｔｗ）が大きく取れるので液化効率の高い凝縮器となる。また、逆に、温度差が大きくとれるので凝縮用熱交換器７０１のフィンの伝熱面積を小さくして凝縮用熱交換器７０１および凝縮液溜室７００の小型化が図れる、との効果も奏する。

＜第５の実施形態＞
これまで述べてきた第１乃至第４の実施形態の超電導磁石は人体の撮像装置として使用されているＭＲＩ用超電導磁石、又は、分子構造の構造解析として利用されているＮＭＲ用超電導磁石に応用できる。

以下、図１０を参照して、本発明のＭＲＩ装置の実施形態の一例を説明する。
図１０は超電導磁石を備えたオープン型ＭＲＩ装置の外観図である。

図１０に示すように、ＭＲＩ装置において、コイル型静磁場を発生する超電導磁石は上部真空容器２１９、下部真空容器２２０に格納され、その間に上下方向の均一磁界を発生させている。患者２２３は、乗降台２２４の寝台２２５により、上部遮温容器２２１と下部遮温容器２２２の間の空間に搬送される。

なお、図１０に示すようなＭＲＩ装置に限られず、ＮＭＲ装置の超電導磁石に第１乃至第４の実施形態の超電導磁石を搭載することができる。

＜その他＞
なお、本発明は、上記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。上記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。

１…超電導コイル、
２…冷凍機、
３…低温側高熱伝導体、
４…永久電流スイッチ、
５…高熱伝導体、
６…断熱材、
７…液溜室、
８…ガスボンベ、
９…圧力調整弁、
１０…ガス室、
１１…凝縮器、
１２…熱シールド、
１３…逆止弁、
１４…第１配管、
１５…第２配管、
１７…マイクロメータヘッド、
１９…高温側伝達部、
２１…第１ステージ、
２２…第２ステージ、
２４…断熱支持体、
２５…第２逆止弁、
４１…巻き枠、
４２…超電導線、
４３…ヒータ、
７０…膜又は箔、
７００…凝縮液溜室、
７０１…凝縮用熱交換器、
７０２…インジウム箔。

Claims (10)

1. 冷凍機と、
   真空容器と、
   この真空容器内部に格納された熱伝導体と、
   この熱伝導体を介して前記冷凍機と熱的に連結され、かつ、前記真空容器内部に格納された超電導コイルを有する永久電流スイッチと、
   液溜室と、
   凝縮器と、
   前記真空容器外部から前記凝縮器へガスを供給し、前記凝縮器で凝縮された前記ガスの凝縮液を前記液溜室へ供給する第１配管と、
   前記液溜室から前記真空容器外部へガスを放出する第２配管と、
   前記液溜室から前記真空容器外部へのガスの流れを抑制するよう前記第１配管に設けられた逆止弁と、を備えた
   ことを特徴とする超電導磁石。
2. 請求項１に記載の超電導磁石において、
   前記永久電流スイッチは、前記真空容器外に導出され、前記液溜室を前記超電導コイルに対して接触する方向と離れる方向に相対的に移動させる移動装置を有する
   ことを特徴とする超電導磁石。
3. 請求項２に記載の超電導磁石において、
   前記第１配管および前記第２配管は、螺旋状部を有する
   ことを特徴とする超電導磁石。
4. 請求項１に記載の超電導磁石において、
   前記凝縮器は、冷凍機の第１ステージと熱的に接触した配管であり、この冷凍機の第１ステージと熱的に接触した部分より前記液溜室側で前記熱伝導体に対して熱的に接続された
   ことを特徴とする超電導磁石。
5. 請求項４に記載の超電導磁石において、
   前記凝縮器は、内面側に溝が設けられた熱伝導部材からなる
   ことを特徴とする超電導磁石。
6. 請求項１に記載の超電導磁石において、
   前記液溜室と前記凝縮器との間の前記第１配管に、第２液溜室を設けた
   ことを特徴とする超電導磁石。
7. 請求項１に記載の超電導磁石において、
   前記凝縮器は、前記冷凍機の第２ステージに連結された熱交換器と、この熱交換器の外周側に凝縮した液を溜める液溜室とで構成された
   ことを特徴とする超電導磁石。
8. 請求項１に記載の超電導磁石において、
   前記液溜室は、前記超電導コイルと接触する部分の内周側に膜または金属箔が設けられた
   ことを特徴とする超電導磁石。
9. 請求項１に記載の超電導磁石を備えたＭＲＩ装置。
10. 請求項１に記載の超電導磁石を備えたＮＭＲ装置。

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