JP6452599B2

JP6452599B2 - 超電導電磁石装置、及びその製造方法

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Publication number: JP6452599B2
Application number: JP2015246147A
Authority: JP
Inventors: 武志井村; 彰一横山; 松田　哲也; 哲也松田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2015-12-17
Filing date: 2015-12-17
Publication date: 2019-01-16
Anticipated expiration: 2035-12-17
Also published as: JP2017112254A

Description

この発明は、ＭＲＩ(Magnetic Resonance Imaging)やＮＭＲ(Nuclear Magnetic Resonance)等の核磁気共鳴現象を利用して生体内部画像や物質の分子構造等を取得する分野で用いられる超電導コイルを積層組立して製作される超電導電磁石装置、及びその製造方法に関するものである。

ＭＲＩやＮＭＲ等の核磁気共鳴現象を利用するような超電導電磁石装置は電磁石内部の撮像空間である磁石中心部において、数ｐｐｍ（Parts Per Million）オーダの高均一度磁界が要求される。
そこで、口出し電極を外周側に設け、口出し電極による誤差磁界を抑制し、また上下フランジの一体形成や上下フランジにより巻枠を接着することにより、巻線部材の位置を規定した高温超電導コイルが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１５−１６２４９５号公報

このような高温超電導コイルでは、口出し電極やコイル軸方向の位置誤差による誤差磁界を低減できるが、パンケーキコイルを積層する際に生じるパンケーキコイルの径方向の位置誤差を抑制する機構を有しておらず、パンケーキコイルの径方向の位置誤差によって電磁石内部空間の誤差磁界を抑制できない問題点があった。

この発明は、かかる問題点を解決することを課題とするものであって、パンケーキコイル積層時のパンケーキコイルの径方向の位置誤差が抑制され、磁石内部空間の高均一磁界を得ることを可能とする超電導電磁石装置を得ることを目的としている。

また、パンケーキコイルと冷却板とを密着させる作業が無くなり、組立作業性が向上した超電導電磁石装置の製造方法を得ることを目的とする。

この発明に係る超電導電磁石装置は、
同一の軸線及び同一の内径を有する複数のパンケーキコイルと、隣り合う前記パンケーキコイル間にそれぞれ配置され前記パンケーキコイルを冷却する冷却板と、隣り合う前記パンケーキコイルを電気的に接続した接続部材と、を備え、
各前記冷却板は、内周部に、内周部の一部を除き前記軸線と平行に突出した内周側突起部を有し、
隣り合う各前記内周側突起部同士は、各前記内周側突起部の各内周面が前記軸線の方向において同一面になるように当接し、
各前記内周側突起部の外周面には、前記パンケーキコイルの内周面が密着し、
前記冷却板は、前記内周側突起部が除かれた前記内周部の部分に欠落部が形成されており、
前記接続部材は、前記欠落部を介して隣り合う前記パンケーキコイルを電気的に接続している。

また、この発明に係る超電導電磁石装置の製造方法は、超電導線を内周側突起部に巻回してパンケーキコイルを作製すると当時に前記パンケーキコイルと冷却板とが一体化したコイル単体を作製する工程と、
前記コイル単体を積層する工程と、を備えている。

この発明に係る超電導電磁石装置によれば、隣り合う各冷却板の内周側突起部同士は、各前記内周側突起部の各内周面が軸線の方向において同一面になるように当接し、各前記内周側突起部の外周面には、パンケーキコイルの内周面が密着しているので、前記パンケーキコイル積層時の前記パンケーキコイルの径方向の位置誤差が抑制され、磁石内部空間の高均一磁界を得ることができる。
これにより、磁界不均一性がなくなることにより、製造後のシミングによる磁石内部空間の均一度調整作業をなくす、または低減することも可能となる。

また、この発明に係る超電導電磁石装置の製造方法によれば、超電導線を内周側突起部に巻回してパンケーキコイルを作製すると当時に前記パンケーキコイルと冷却板とが一体化したコイル単体が作製されるので、パンケーキコイルと冷却板とを密着させる作業が無くなり、組立作業性が向上する。

ＭＲＩ用超電導電磁石装置を示す正面図である。図１の側断面図である。この発明の実施の形態１のＭＲＩ用超電導電磁石装置のコイル群を示す正面図である。図３の側断面図である。図３のコイル群を示す側断面斜視図である。図３の冷却板の変形例を示すコイル群の側断面図である。この発明の実施の形態２のＭＲＩ用超電導電磁石装置の冷却板を示す斜視図である。この発明の実施の形態３のＭＲＩ用超電導電磁石装置のコイル群を示す側断面図である。この発明の実施の形態４のＭＲＩ用超電導電磁石装置のコイル群を示す側断面図である。この発明の実施の形態４の冷却板の変形例を有するコイル群を示す側断面図である。この発明の実施の形態５のＭＲＩ用超電導電磁石装置のコイル群を示す側断面図である。

以下、この発明の各実施の形態のＭＲＩ用超電導電磁石装置を図に基いて説明するが、各図において、同一または相当部材、部位については同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
図１は、ＭＲＩ(Magnetic Resonance Imaging)用超電導電磁石装置を示す正面図、図２は図１の側断面図である。
このＭＲＩ用超電導電磁石装置１は、中空円柱形状の極低温容器６の中に複数の超電導のシングルパンケーキコイルにより構成されるコイル群４が封入されている。極低温容器６の中央部には、コイル群４の軸線５の方向に貫通した磁石内部空間７を有しており、この磁石内部空間７に人体等の断面画像を取得する被検体が入る。

極低温容器６の上部には冷凍機２が取付けられている。この冷凍機２は、伝導冷却部材３を介してコイル群４に熱的に接続されている。コイル群４を構成する超電導コイルは、抵抗のない超電導状態になるためには、超電導コイルを超電導コイルの構成要素である超電導線の臨界温度以下に冷やす必要があり、冷凍機２からの冷熱が伝導冷却部材３を介してコイル群４に伝導し、コイル群４は、超電導線の臨界温度以下に冷却される。
なお、極低温容器６の内部は、外気温からの熱侵入を抑制するために、真空状態にしている。
また、図中では省略しているが、外気温からの輻射による熱侵入を抑制するための輻射シールドも極低温容器６の内部に配置している。

ＭＲＩシステムは、核磁気共鳴現象により被検体内部の水素原子核スピンが放出する核磁気共鳴信号を計測することにより、被検体内部を水素原子核密度によって断面画像化する。その際、被検体が入る磁石内部空間７には、撮像する空間において高強度であり、高安定であり、高均一度な磁界が必要である。臨床にて用いられているＭＲＩ用超電導電磁石装置１の磁界強度は０．２Ｔ以上であり、現在のところ１．５Ｔや３Ｔの磁場強度が主流である。
そのため、１．５Ｔや３Ｔという高強度な磁界を発生させるために、磁石として大電流を通電することができる超電導コイルを用いたＭＲＩ用超電導電磁石装置１が用いられる。
また、鮮明な画像を得るために、撮像空間内の磁界の時間安定度は、一般的に１ｐｐｍ／ｈｏｕｒ以下、高均一度な磁界は、一般的に２ｐｐｍ以下という高精度な空間磁界が求められている。
上記ＭＲＩ用超電導電磁石装置１は、この高強度、高安定、高均一磁界を生成する装置である。

ＭＲＩ用超電導電磁石装置１を設計する際、上記磁界強度や空間均一度を満たすよう設計するが、設計限界による磁界均一度の未達や、製造時の位置誤差等のばらつき、また設置場所のＭＲＩ用電磁石装置の周囲の鉄筋等の磁性体により磁界均一度が悪くなった場合には、磁界不均一性を取り除くためにシムによる調整が行われる。
シム調整には積極的なシム調整と消極的なシム調整の２種類があり、積極的なシム調整はＭＲＩ用超電導電磁石装置に調整用のコイルを追加配置し、その追加したコイルの電流値で撮像空間の磁界均一度を調整する。この追加するコイルは銅コイルであったり、超電導コイルであったりする。
消極的なシム調整は磁石内部空間７の外壁部や低温容器内部の磁石内部空間７付近等によい磁気的性質を有する鉄片や超電導片を配置し、電磁石によって磁化されて自身の磁界を作り出す。この磁界を利用し、撮像空間内の磁界均一度を調整する。
どちらのシム調整の方法であっても、追加のコイルや追加コイルを励磁する電源や、鉄片や超電導線等が必要であり、またシム調整作業も必要であるから、製造コストを増加させてしまう。
そのため、コイル群４のＭＲＩ用超電導電磁石製造時のばらつきによる磁界不均一性を低減させる製造方法が求められている。

図３は、この発明の実施の形態１のＭＲＩ用超電導電磁石装置１のコイル群４を示す正面図、図５は、コイル群４の側断面図、図６は、コイル群４の側断面の斜視図である。
このコイル群４は、同一の、軸線５と内径を有して超電導線を巻回して構成されたシングルパンケーキコイル１１と、円環状のシングルパンケーキコイル１１間をシングルパンケーキコイル１１の内周側で接続する内周側接続部材１４ａと、シングルパンケーキコイル１１の外周側で接続する外周側接続部材１４ｂと、シングルパンケーキコイル１１を冷却するために隣接したシングルパンケーキコイル１１間に配置された冷却板２１と、を備えている。
シングルパンケーキコイル１１は、イットリウム系（ＲＥ系）等の高温超電導線材を巻回して構成されたコイルであり、内周側接続部材１４ａ、外周側接続部材１４ｂは、高温超電導線材もしくは銅などの良電気伝導性を有する金属であり、冷却板２１は、アルミニウムや銅などの良熱伝導性を有する金属で製作される。
内周側接続部材１４ａ、外周側接続部材１４ｂは、隣り合うシングルパンケーキコイル１１を電気的に接続しており、内周側接続部材１４ａ及び外周側接続部材１４ｂが軸線５に沿って交互に配置されている。
このように配置することにより、各シングルパンケーキコイル１１を電流が周回しながら流れ、軸線５の線上において、軸線５の方向の一方向の磁界を発生させる。（例えば、図４中の軸線５上の左から右へ磁界が発生する。その逆でもよい。）

冷却板２１は、外周部の一部が径外側方向に突出した突出部位で伝導冷却部材３と接続されている。この冷却板２１は、内周部に、内周部の一部を除き軸線５と平行に突出した内周側突起部２１ａを有し、また冷却板２１の内周部であって前記突出部位と対向して、内周側突起部２１ａが除かれた部分に欠落部２５が形成されている。冷却板２１の内径は、シングルパンケーキコイル１１の内径よりも小さく、内周側突起部２１ａの外径は、シングルパンケーキコイル１１の内径と一致している。
そのため、シングルパンケーキコイル１１は、内周側突起部２１ａに密着するように配置されている。また、内周側接続部材１４ａと内周側突起部２１ａとが干渉しないように、冷却板２１の内周部に欠落部２５が形成されており、内周側接続部材１４ａは、この欠落部２５に配置される。
外周側接続部材１４ｂの配置位置は、シングルパンケーキコイル１１の外周側の何れの部位でもよい。

このＭＲＩ用超電導電磁石装置１では、シングルパンケーキコイル１１の内周部と内周側突起部２１ａの外周部とを密着して、シングルパンケーキコイル１１と冷却板２１とからなるコイル単体を形成する。
この後、各々のコイル単体を、冷却板２１の内周面、即ち内周側突起部２１ａの内周面を揃えるように並列配置して積層した後、隣り合うシングルパンケーキコイル１１同士を、シングルパンケーキコイル１１の内周側では冷却板２１の欠落部２５で内周側接続部材１４ａを用いて接続する。
また、シングルパンケーキコイル１１の外周側では外周部の周方向の何れかの部位で外周側接続部材１４ｂを用いて接続して、コイル群４を製造する。
この結果、コイル群４の内周側は、各内周側突起部２１ａの内周面が軸線５の方向において同一面になる。
なお、内周側接続部材１４ａと、外周側接続部材１４ｂとは、軸線５の方向に沿って内周側と外周側とに互い違いに配置される。

冷却板２１は、金属であるため、機械加工により寸法精度を容易に高めることができ、また冷却板２１同士の面の位置を容易に合わせることが可能となり、積層組立時のコイル群４の径方向の位置誤差を容易に抑制することができる。
また、コイル群４を軸方向においても精度よく配置することが可能となり、磁石内部空間７の撮像空間の磁界均一度の悪化を防ぐことができる。
そして、撮像空間の磁界均一度の悪化が抑制されることにより、シミングによる空間均一度の調整時間をなくし、または調整負荷を低減することが可能となる。

なお、図４、図５に示した各シングルパンケーキコイル１１は、その高さと幅が同じであるが、必ずしも高さや幅を同じでなくてもよい。
また、シングルパンケーキコイル１１と冷却板２１との間は、電気的に導通させないために絶縁した上で、エポキシ樹脂や接着剤で接着し、熱的な伝導率を上げておくことが望ましい。
また、冷却板２１の内周部の内周側突起部２１ａは、コイル群４の軸線５の方向に沿って片側に突出しているが、図６に示すように、コイル群４の軸線５の方向に沿って両側に突出した内周側突起部２１ｂであってもよい。
この構造の場合でも、冷却板２１の内周側突起部２１ｂの外径をシングルパンケーキコイル１１の内径に揃え、シングルパンケーキコイル１１を２つの隣り合う冷却板２１の突起部２１ｂに密着するようにして配置する。
また、隣り合う冷却板２１の内周側突起部２１ｂは、接着剤や溶接等により接着させてもよく、接着することにより、長期にわたっての位置固定が可能となり、これによりシングルパンケーキコイル１１の位置ずれを長期にわたって抑制でき、磁石内部空間７の磁界均一性を長期にわたって確保することができる。

実施の形態２．
図７は、この発明の実施の形態２のＭＲＩ用超電導電磁石装置１の冷却板２１を示す斜視図である。
この実施の形態２の冷却板２１は、冷却板２１の欠落部２５に径外側方向に切り欠かれた切欠き部２２が形成されている。
他の構成は、実施の形態１のＭＲＩ用超電導電磁石装置１と同じである。
この実施の形態２のＭＲＩ用超電導電磁石装置１によれば、冷却板２１の内周部に、切欠き部２２が形成されているので、隣接した冷却板２１同士の内周側接続部材１４ａによる接続作業スペースが増大し、内周側接続部材１４ａの冷却板２１に対する接着作業性が向上してコイル群４の製作作業性が向上する。
また、内周側接続部材１４ａの冷却板２１に対する接着面積が増大し、内周側接続部材１４ａの冷却板２１に対する接続強度も増大する。

実施の形態３．
図８は、この発明の実施の形態３のＭＲＩ用超電導電磁石装置１のコイル群４を示す側断面図である。
この実施の形態３のＭＲＩ用超電導電磁石装置１では、隣接した冷却板２１の内周側突起部２１ａ間では、嵌め合い機構２３が設けられている。
嵌め合い機構２３は、内周側突起部２１ａの軸方向の一方の外周側が切り欠かれた段部と、内周側突起部２１ａの軸方向の他方の内周側が切り欠かれた段部とから構成されており、隣接した冷却板２１同士は、一方の冷却板２１の段部が他方の冷却板２１の段部に嵌合することで接続される。
他の構成は、実施の形態１のＭＲＩ用超電導電磁石装置１と同じである。

この実施の形態３のＭＲＩ用超電導電磁石装置１によれば、隣接した冷却板２１同士は、内周側突起部２１ａに設けられた嵌め合い機構２３によれ接続されており、シングルパンケーキコイル１１の径方向の位置誤差をより抑制でき、またコイル群４の軸線５の方向のシングルパンケーキコイル１１の位置をより精度よく配置することが可能となる。
また、嵌め合い機構２３により長期にわたっての冷却板２１の位置固定が可能となり、これによりシングルパンケーキコイル１１の位置ずれを長期にわたって抑制でき、磁石内部空間７の磁界均一性を長期にわたって確保することができる。

なお、図６に示した、コイル群４の軸線５に対して平行に両側に突出した内周側突起部２１ａについても、図８に示した嵌め合い機構２３を設けるようにしてもよい。
また、内周側突起部２１ａ、２１ｂの軸方向の一方の端面に穴を形成し、内周側突起部２１ａ、２１ｂの軸方向の他方の端面に穴に嵌入するピンを形成し、穴とピンとにより嵌め合い機構２３としてよい。
さらに、内周側突起部２１ａ、２１ｂの軸方向の一方に凸部を形成し、軸方向の他方に凹部を形成し、凸部と凹部とにより嵌め合い機構２３としてよい。

実施の形態４．
図９は、この発明の実施の形態４のＭＲＩ用超電導電磁石装置１のコイル群４を示す側断面図である。
この実施の形態４のＭＲＩ用超電導電磁石装置１では、第１のシングルパンケーキコイル１１ａと第２のシングルパンケーキコイル１１ｂを用いてダブルパンケーキコイル１２とし、ダブルパンケーキコイル１２間に冷却板２１が配置されている。
第１のシングルパンケーキコイル１１ａと第２のシングルパンケーキコイル１１ｂとは、それぞれの外周側の外周側接続線材１４ｂで接続されている。
他の構成は、実施の形態１のＭＲＩ用超電導電磁石装置１と同じである。

この実施の形態４のＭＲＩ用超電導電磁石装置１によれば、ダブルパンケーキコイル１２間に冷却板２１が介在しており、冷却板２１の枚数が削減でき、またコイル群４の軸線５の方向の長さを短くすることが可能となり、ＭＲＩ用超電導電磁石装置１は、小型、軽量化される。
なお、第１のシングルパンケーキコイル１１ａと第２のシングルパンケーキコイル１１ｂとは、それぞれの内周側の内周側接続線材１４ａで接続され、また隣接した冷却板２１同士は、図１０に示すように、図８に示す嵌め合い機構２３を用いて接続してもよい。
また、図６に示した冷却板２１の内周側突起部２１ａであってもよく、隣接した冷却板２１同士は、図８に示す嵌め合い機構２３を用いて接続してもよい。
また、各ダブルパンケーキコイル１２のコイル高さは、図９、図１０では同じであるが、必ずしも同じでなくてもよく、またダブルパンケーキコイル１２の、第１のシングルパンケーキコイル１１ａと第２のシングルパンケーキコイル１１ｂのコイル高さも同じでなくてもよい。
また、第１のシングルパンケーキコイル１１ａと第２のシングルパンケーキコイル１１ｂとの間はパンケーキコイル冷却のためにエポキシ樹脂や接着剤などにより接着されていることが望ましい。その際、第１のシングルパンケーキコイル１１ａと第２のシングルパンケーキコイル１１ｂとは、外周側接続線材１４ｂでの導通を除き、それ以外の箇所では絶縁することが望ましい。

実施の形態５．
図１１は、この発明の実施の形態５のＭＲＩ用超電導電磁石装置１のコイル群４を示す側断面図である。
この実施の形態５のＭＲＩ用超電導電磁石装置１では、冷却板２１の外周側にも軸線５と平行に突出した外周側突起部２４が形成されている。
この外周側突起部２４の内径は、ダブルパンケーキコイル１２の外径と同じである。
他の構成は、図９に示した実施の形態４のＭＲＩ用超電導電磁石装置１と同じである。

この発明の実施の形態５のＭＲＩ用超電導電磁石装置１によれば、内周側突起部２１ａに外周側突起部２４を加えることで、ダブルパンケーキコイル１２の固定がより強固になり、ダブルパンケーキコイル１２の径方向の位置ずれがさらに抑制される。
また、外周側突起部２４にも、例えば図１０に示した嵌め合い機構２３を設けるようにしてもよい。
また、外周側突起部２４は、ダブルパンケーキコイル１２の場合に限定されるのではなく、実施の形態１〜３に示したシングルパンケーキコイル１１にも適用できる。

ところで、この発明の実施の形態１〜５のＭＲＩ用超電導電磁石装置１では、巻線済みのシングルパンケーキコイル１１，１１ａ、１１ｂと冷却板２１を用意し、シングルパンケーキコイル１１，１１ａ、１１ｂと冷却板２１を積層組立していた。
この製造方法の他、ＭＲＩ用超電導電磁石装置１の製造方法として、冷却板２１の内周側突起部２１ａ，２１ｂを巻枠として使用し、冷却板２１の内周側突起部２１ａ，２１ｂに超電導線を巻きつけて、シングルパンケーキコイル１１と冷却板２１とが一体化したコイル単体を製造する工程と、この後コイル単体を積層する工程とを備えたものであってもよい。
内周側突起部２１ａ，２１ｂを巻枠として用いてコイル単体を製造することで、シングルパンケーキコイル１１，１１ａ、１１ｂを冷却板２１の内周側突起部２１ａ，２１ｂに後から密着させる作業がなくなるとともに、シングルパンケーキコイル１１，１１ａ、１１ｂと冷却板２１の内周側突起部２１ａ，２１ｂとの隙間をより埋めて製作することが可能となるため、シングルパンケーキコイル１１，１１ａ、１１ｂの径方向の位置誤差をより抑制することが可能となる。

なお、上記実施の形態１〜５では超電導電磁石装置としてＭＲＩ用超電導電磁石装置１の場合について説明したが、この発明は、ＮＭＲ(Nuclear Magnetic Resonance)用超電導電磁石装置に適用できる。

１超電導電磁石装置、２冷凍機、３伝導冷却部材、４コイル群、５軸線、６極低温容器、７磁石内部空間、１１シングルパンケーキコイル、１１ａ第１のシングルパンケーキコイル、１１ｂ第２のシングルパンケーキコイル、１２ダブルパンケーキコイル、１４ａ内周側接続部材、１４ｂ外周側接続部材、２１冷却板、２１ａ，２１ｂ内周側突起部、２２切欠き部、２３嵌め合い機構、２４外周側突起部、２５欠落部。

Claims

同一の軸線及び同一の内径を有する複数のパンケーキコイルと、隣り合う前記パンケーキコイル間にそれぞれ配置され前記パンケーキコイルを冷却する冷却板と、隣り合う前記パンケーキコイルを電気的に接続した第１の接続部材と、を備え、
各前記冷却板は、内周部に、内周部の一部を除き前記軸線と平行に突出した内周側突起部を有し、
隣り合う各前記内周側突起部同士は、各前記内周側突起部の各内周面が前記軸線の方向において同一面になるように当接し、
各前記内周側突起部の外周面には、前記パンケーキコイルの内周面が密着し、
前記冷却板は、前記内周側突起部が除かれた前記内周部の部分に欠落部が形成されており、
前記第１の接続部材は、前記欠落部を介して隣り合う前記パンケーキコイルを電気的に接続した超電導電磁石装置。
前記欠落部に、径外側方向に切り欠かれた切欠き部が形成されている請求項１に記載の超電導電磁石装置。
隣り合う各前記内周側突起部同士は、嵌め合い機構により接合されている請求項１または２に記載の超電導電磁石装置。
前記パンケーキコイルは、一対の重ねられたシングルパンケーキが互いに第２の接続部材を介して電気的に接続されたダブルパンケーキコイルである請求項１〜３の何れか１項に記載の超電導電磁石装置。
各前記冷却板は、外周部にも前記軸線と平行に突出した外周側突起部を有している請求項１〜４の何れか１項に記載の超電導電磁石装置。
隣り合う各前記外周側突起部同士は、嵌め合い機構により接合されている請求項５に記載の超電導電磁石装置。
請求項１に記載の超電導電磁石装置の製造方法であって、
超電導線を前記内周側突起部に巻回して前記パンケーキコイルを製造すると同時に前記パンケーキコイルと前記冷却板とが一体化したコイル単体を作製する工程と、
前記コイル単体を積層する工程と、を備えた超電導電磁石装置の製造方法。