JP6647918B2 - 超電導電磁石装置および磁気共鳴イメージング装置 - Google Patents

Description

本発明は、超電導電磁石装置および磁気共鳴イメージング装置に関する。

磁気共鳴イメージング装置（ＭＲＩ）に代表される超電導電磁石装置を利用する機器では、冷媒を流路内で循環させるループ型サーモサイフォン方式の冷却方式が提案されている。この方式では、超電導コイル等を熱源として、気化した冷媒と冷凍機で液化した冷媒との密度差による浮力を冷媒の循環に利用する（例えば特許文献１）。

このようなループ型サーモサイフォン方式を採用すると、超電導電磁石装置の冷却速度は冷媒の密度差によって定まる。

国際公開 ２０１４／１５５４７６号公報 （第１項、図１）

そこで本発明は、ループ型サーモサイフォン方式を利用する場合において、冷却速度を向上可能な超電導電磁石装置および磁気共鳴イメージング装置を提供することを課題とする。

本願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「超電導コイルと、前記超電導コイルに接続された伝熱部と、前記伝熱部に接続され、内部に冷媒が収容された冷媒配管と、前記冷媒配管を冷媒の循環経路の一部として有し、前記冷媒を自然循環させる第１冷却システムと、前記冷媒配管を冷媒の循環経路の一部として有し、前記冷媒を強制的に循環させることができる第２冷却システムと、を備えること」を特徴とする。

本発明によれば、ループ型サーモサイフォン方式を利用する場合において、冷却速度を向上可能な超電導電磁石装置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。

第１の実施形態に係る超電導電磁石装置の装置構成を示した図である。 第１の実施形態に係る超電導電磁石装置の回路構成を模式的に示した図である。 第１の実施形態に係る超電導電磁石装置が備える冷却システムの概要を示した図である。 水平配管６ａおよび水平配管６ｃを中心軸２２の方向から平面視した際の概要を示す。 第２の実施形態に係る超電導装置の装置構成を示した図である。 第２の実施形態に係る超電導電磁石装置のＡ−Ａ断面図を示した図である。 第２の実施形態に係る超電導電磁石装置のＢ−Ｂ断面図を示した図である。 第２の実施形態に係る超電導電磁石装置が備える冷媒配管および冷媒容器を示した図である。 第３の実施形態に係る超電導電磁石装置の冷媒配管の経路を示した図である。

本発明の実施形態を説明するにあたって、超電導電磁石装置の基本的な構造と、各冷却方式について説明する。

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とを基本構成とする。このような超電導電磁石装置を永久電流運転させる手順は、基本的に次のようになる。まず、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を供給する。供給された電流が定格値に達した後、永久電流スイッチを閉にし、かつ励磁電源の供給電流を減少させていき最終的にはゼロとする。

この状態に至ると、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では、電流がほとんど減衰することなく流れ続ける。このような運転を永久電流運転と呼ぶ。この運転を実施することによって超電導電磁石装置は、長期に渡って磁場を保持することを可能としている。

このような超電導電磁石装置では、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ことが求められる。すなわち極低温状態を維持することが必要とされ、その方式は複数存在する。例えば、液体ヘリウムや液体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、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代表的な冷却方式である。

ただし、これらの冷却方式は装置が大型化すると、技術的あるいはコスト的に課題が生じる。例えば浸漬冷却方式は大量の冷媒を必要とし、一方、伝導冷却方式は冷却対象物内の温度勾配が大きくなりやすく所望の温度を保持することが難しい。大型の装置とは、例えば、核融合装置や磁気共鳴イメージング装置（ＭＲＩ）などである。

大型の装置に適した冷却方式は、例えば、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、ループ型サーモサイフォン方式（自然循環型冷却方式）が考えられる。

強制冷却方式はポンプを用いて冷媒を循環させ、冷却性能の増強を図った方式である。一方、ループ型サーモサイフォン方式は、超電導コイル等を熱源とし、入熱によって気化した冷媒と冷凍機で液化した冷媒との密度差による浮力を利用して自然循環させる方式である。ループ型サーモサイフォン方式は、ポンプのように定期メンテナンスを要する装置が不要という利点がある。また、流路内に限定して冷媒を格納するので、浸漬冷却方式と比較しても少量の冷媒にて冷却状態を保持することが可能となる。

ただし、ループ型サーモサイフォン方式は、冷媒の循環速度が、冷媒の密度差から生じる浮力によって制限される。すなわち、ループ型サーモサイフォン方式は、能動的な圧力を加えて冷媒を装置内に導入する浸漬冷却方式、あるいは冷媒流路に強制的に冷媒を循環させる強制冷却方式と比較して、永久電流運転が可能な温度（以降、運転温度と呼ぶ）に至るまでに必要な冷却時間が長くなりやすい。

以降では、本発明者が考案した、ループ型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、冷却時間を短縮可能な超電導電磁石装置およびそれを搭載する磁気共鳴イメージング装置について説明する。なお、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。

（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態について、図１、図２、図３を参照して説明する。

図１は、鉛直線に平行な平面に関して本実施例の超電導電磁石装置の断面を模式的に示す。

本実施例の超電導電磁石装置１は、真空容器２、真空容器２に内包された輻射シールド３を備える。輻射シールド３の内部には、超電導コイル４、ボビン５、冷媒配管６、冷媒配管６に収容された冷媒７、冷媒７を貯留する冷媒容器８、永久電流スイッチ９などが収容され、各機器は複数設置されてもよい。また冷媒７は、ヘリウムや窒素である。

冷凍機１２は冷媒容器８に対して取り付けられる。冷凍機１２のコールドヘッドは、冷媒容器８の内部空間まで届くように設置され、真空容器２および輻射シールド３を貫くように構成される。

図１に示された超電導コイル４は、中心軸２２が鉛直方向となるように構成されている。なお、中心軸２２とは、超電導コイル４を形成する超電導線材が巻かれる際の中心軸を言うものであって、鉛直方向に限られるものではない。

真空容器２および輻射シールド３は、開口部２４を形成するように構成されている。開口部２４は、中心軸２２を含むように形成された空間である。開口部２４は、真空容器２や輻射シールド３、図示しない各種の荷重支持構造が許容する範囲で任意の形状を採ってよい。なお、超電導電磁石装置１を、磁気共鳴イメージング装置の静磁場発生装置として利用する場合、超電導コイル４ｂ、４ｃがメインコイルに相当し、超電導コイル４ａ、４ｄがシールドコイルに相当する。

冷媒配管６は伝熱部１１を介して超電導コイル４やボビン５と熱的に接触する。伝導部１１は熱伝導率の低い良導体から構成された部材である。超電導コイル４は、伝熱部１１を介して冷媒配管６から冷却される。なお、冷媒配管６の壁面の一部が、伝熱部１１として機能するようにしてもよい。

図２は、超電導電磁石装置１の回路を模式的に示す。

それぞれの超電導コイル４に対して保護抵抗１０が並列接続される。真空容器２の外部に、直流電源１３、電流遮断器１４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。なお、運転温度は、臨界温度以下の温度であって、超電導電磁石装置１に求める機能や、使用状況、温度設計に応じて適切な値が設定される。

次に超電導電磁石装置１の永久電流運転について説明する。

超電導電磁石装置１が永久電流運転を実施する際、まず永久電流スイッチ９を開の状態とする。これは図示しないヒータ等によって永久電流スイッチ９を加熱し、永久電流スイッチ９を常伝導転移させることで実施される。開状態となった後、励磁電源１３から超電導コイル４に電流が供給される。供給される電流が定格値に至った後、永久電流スイッチ９を閉の状態とする。これはヒータを停止することで、再度、永久電流スイッチ９を臨界温度以下に冷却することで実施される。

永久電流スイッチ９を閉にした状態で、励磁電源１３は超電導コイル４に対する電流の供給をゼロとし、電流遮断器１４が開となる。この状態に至ると、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では、電流がほとんど減衰することなく流れ続ける。このようにして永久電流運転が実施できる。超電導電磁石装置１は、永久電流運転の実施によって長期に渡って磁場を保持することが可能である。

次に超電導電磁石装置１が備える冷却システムについて説明する。

超電導電磁石装置１は、二つの異なる方式による冷却システムを有する。以降では、自然循環型の冷却システムである第１冷却システム１００と、強制循環型の冷却システムである第２冷却システム２００について詳細に説明する。なお、第１冷却システム１００は、冷媒の相転移による密度差によって生じる圧力差を冷媒７の搬送力として利用する。また第２冷却システム２００は、超電導電磁石装置１の外部から冷媒７の搬送力を確保し利用する。具体的には、ポンプやコンプレッサーが利用される。

図３は、第１冷却システム１００および第２冷却システム２００の機械構造を表したものである。なお、二つの冷却システムは一部の構造を兼用する。また、図３に示す例は、被冷却対象である超電導コイル４が、鉛直方向において上下に２台設けられた場合を示すが、超電導コイル４は１台であってもよいし、３台以上が設けられてもよい。

はじめに第１冷却システム１００について説明する。第１冷却システム１００はループ型サーモサイフォンである。第１冷却システム１００は、主に、冷媒７の循環経路となる冷媒配管６、冷媒容器８および冷凍機１２とから構成される。

冷媒配管６は、水平方向に延びた部分を有する水平配管６ａ（第１配管部）、水平配管６ａよりも鉛直方向において上方に設置され、水平方向に延びた部分を有する水平配管６ｃ（第２配管部）、鉛直方向に延びる鉛直配管６ｂ（第３配管部）から構成される。鉛直配管６ｂは、水平配管６ａから水平配管６ｃに対する冷媒７の移送路である。なお、水平配管６ａは一個の超電導コイル４の鉛直方向における下端と同じ位置に設けられ、水平配管６ｃは超電導コイル４の鉛直方向における上端と同じ位置に設けられる。また、鉛直配管６ｂは複数の本数が設けられ、それぞれの鉛直配管６ｂは、水平配管６ａのそれぞれ異なる位置を起点とし、水平配管６ｃのそれぞれ異なる位置に接続されている。

第１冷却システム１００における冷媒７の状態変化と冷媒７の循環の関係は次のようになる。冷媒７は冷媒容器８に貯留されているときは、冷凍機１２の動作によって液体の状態を保つ。液体状態の冷媒７は重力の作用によって水平配管６ａに流入する。この際、水平配管６ａは超電導コイル４と熱的に接続されているため、超電導コイル４を熱源とする熱の流入が生じて冷媒７の気化が始まる。結果、水平配管６ａの内部では、液体と気体が混合した二相流が生じ、二相流状態の冷媒７と液体のみからなる単層の冷媒７との間で密度差が生じる。この密度差によって二相流状態の冷媒７に浮力が生じ、冷媒７を鉛直方向において上方へ移動させようとする搬送力が生じる。

二相流状態の冷媒７は、その浮力によって鉛直配管６ｂに流れこむ。鉛直配管６ｂも超電導コイル４と熱的に接続しておくことで、二相流状態は維持または増強され、鉛直方向において上へ冷媒７が継続的に搬送され、水平配管６ｃに流れ込む。鉛直配管６ｂの内部は、鉛直方向において下方から上方へ圧力が生じているため、冷媒７は鉛直配管６ｂを通って水平配管６ａに戻らず、水平配管６ｃの内部を通った後、冷媒容器８に戻る。二相流状態もしくは気体状態の冷媒７は、冷凍機１２によって冷却凝縮され、冷媒容器８の内部に貯留され、再び水平配管６ａに供給される。

以上のプロセスによって、図中に示した矢印２０の方向に循環が発生する。なお、冷媒７が冷媒配管６を経て冷媒容器８まで戻ってくる経路は複数存在するが、各径路の圧損が異なると、一部の鉛直配管６ｂに対する冷媒流量が少なくなる可能性がある。冷媒流量が少ない鉛直配管６ｂの近傍では、冷媒７が不足するため、十分な冷却性能が維持されない。そのような事態を回避するために、各径路の流路長は等しくなるよう設定されることが望ましく、冷媒容器８と連通した水平配管６ａの端部から、冷媒容器８と連通した水平配管６ｃの端部までの流路長は、いずれの鉛直配管６ｂを通るとしても等しいことが望ましい。

そこで、本実施例の水平配管６ａ、６ｃは、図４の（ａ）（ｂ）に示すように、それぞれ一端のみが冷媒容器８と連通した構造であって、他端は封止された構造または後述する冷媒供給配管３０あるいは冷媒排出配管３１と接続された構造となっている。水平配管の端部が封止された際の様子は、図４を用いて説明する。

図４の（ａ）（ｂ）は、水平配管６ａおよび水平配管６ｃを中心軸２２の方向から平面視した際の概要を示す。水平配管６ａおよび水平配管６ｃは中心軸２２方向の平面視において円環形状を呈し、冷媒容器８に対して連通部が対称に形成される。連通部は、冷媒容器８の壁面に、水平配管６ａ、６ｃの口径と一致する程度の孔を設け、この孔に配管を通すようにして周囲を溶接することで形成される。また、他端の封止は、配管端部を塞ぐように蓋等を溶接してもよいし、冷媒容器８の壁面に孔を形成せず配管端部を溶接し、冷媒容器８の壁面を封止に利用してもよい。

このような構造では、水平配管６ａおよび水平配管６ｃにおける流路長がＬ１＋Ｌ２で定められる。鉛直配管６ｂの長さをＬ３とすれば、冷媒配管６の流路長はＬ１＋Ｌ２＋Ｌ３と定められ、鉛直配管６ｂを任意の位置に設置しても、各経路の流路長は同一となり、鉛直配管６ｂの配置に依らず、冷媒配管６の圧損を均一化できる。また、鉛直配管６ｂを複数設けたとしても、水平配管６ａの連通部から水平配管６ｃの連通部までの流路長はＬ１＋Ｌ２＋Ｌ３と定められ、いずれの鉛直配管６ｂを通る場合であっても冷媒配管６の圧損は等しくなる。

なお、水平配管６ａおよび水平配管６ｃは、円環形状に限らずＣ字型であってもよい。また流路長が揃えばよいため、長さが一定であれば、鉛直配管６ｂに一定の傾斜角度を持たせて水平配管６ａおよび水平配管６ｃに取り付けてもよい。

以上のように、第１冷却システム１００としてループ型サーサイフォンを採用すると、本方式は配管内で生じる冷媒７の密度差を利用して、冷媒７を循環させる方式であり、冷媒７を循環させるためのポンプ等が不要となる利点がある。また、冷媒７を配管内に限定して装置内に配置することから、浸漬冷却方式と比較して少量の冷媒にて冷却状態を保持することが可能となる。ただし、ループ型サーサイフォンでは、冷媒の循環速度が浮力によって制限されるため、能動的に圧力を加えて冷媒を導入する浸漬冷却や冷媒流路に強制的に冷媒を循環できる強制冷却方式と比較して冷媒流量が少なくなり、運転温度まで至る冷却時間が長くなりやすい。

そこで、本実施例では、以下に述べるように、第２冷却システム２００を備える。第２冷却システム２００は、超電導電磁石装置１の外部から冷媒７を導入または排出する冷媒供給配管３０、冷媒排出配管３１および冷媒配管６を有する。より具体的には、第４配管部である冷媒供給配管３０は水平配管６ａと連通し、第５配管部である冷媒排出配管３１は水平配管６ｃと連通するように、それぞれ異なる水平配管に接続した構造を持つ。

第２冷却システム２００は、超電導電磁石装置１の外部から冷媒供給配管３０および冷媒排出配管３１を通じて、冷媒配管６の内に冷媒７が能動的に供給される。冷媒７の導入および排出は、冷媒供給配管３０および冷媒排出配管３１と接続されるポンプ等の循環冷却装置４１によって実行される。なお、循環冷却装置４１、例えば超電導電磁石装置１の内部スペースに設置され、あるいは超電導電磁石装置１の外壁に固定され、必要時のみ動作する機器であってよい。または必要なときにのみ取り付けられる着脱自在の機器であってもよい。また、図３に示すように、循環冷却装置４１の上流に熱交換手段４２を設けて、強制的に循環させる冷媒７を冷却するように構成してもよい。

また、循環冷却装置４１が着脱式である場合は、冷媒供給配管３０および冷媒排出配管３１は、その端部に、循環冷却装置４１と接続するための構造を有する。例えば、図３に示すように、循環冷却装置４１と接続した配管端部にフランジ４３ａを設け、冷媒供給配管３０および冷媒排出配管３１の端部にもフランジ４３ｂを設け、これらを使って接続する。また、冷媒供給配管３０と冷媒排出配管３１のフランジ４３ｂよりも被冷却対称（例えば超電導コイル４）側にバルブ４４等を取り付けて、外気が流入しない構造とする。

強制循環ユニットによって冷媒７の搬送力を確保する第２冷却システム２００は、ループ型サーモサイフォンで生じる浮力以上の駆動力で冷媒７を流すことができる。すなわち、超電導電磁石装置１において、浸漬冷却や循環冷却装置と同等の冷媒流量を確保可能となり、冷却速度の向上を図ることができる。また、冷媒７は、冷媒給配管３０および冷媒排出配管３１を経由して、それぞれ異なる水平配管から導入または排出される。これによって図３に示した矢印２１に示すように、超電導コイル４と熱的に接触した鉛直配管６ｂを経て冷媒が導入・排出されるという経路が構成されて冷却が促進される。これにより、超電導電磁石装置１は、ループ型サーモサイフォン方式の冷却システムを有しつつ、浸漬冷却や強制循環冷却と同様の冷却時間にて被冷却物を運転温度まで冷却されることが可能となる。

また、冷媒供給配管３０と水平配管６ａとの連通部は、図３に示されるように、水平配管６ａの両端のうち、冷媒容器８と連通した端部とは異なる端部に設けられる。また、冷媒排出配管３１と水平配管６ｃとの連通部は、水平配管６ｃの両端のうち、冷媒容器８と連通した端部とは異なる端部に設けられることが望ましい。このように連通部を形成することによって、冷媒供給配管３０から導入された冷媒７が、冷媒配管６の全体にわたって流れ、冷媒排出配管３１から排出されるため、被冷却対象である超電導コイル４を効率的に冷却することが可能となる。

また、冷媒供給配管３０および冷媒排出配管３１は、それぞれが接続された水平配管よりも鉛直方向において下側に位置する経路を経てから水平配管に接続される。具体的には、図３に示すように、冷媒供給配管３０は、水平配管６ａに対して、水平配管６ａよりも鉛直方向において下側に張り出すように湾曲した後に、水平配管６ａと接続されている。また冷媒排出配管３１は、水平配管６ｃに対して、水平配管６ｃよりも鉛直方向において下側に張り出すように湾曲した後に、水平配管６ｃと接続されている。このように構成する理由は、第１冷却システム１００が動作している期間に、動作していない第２冷却システム２００側へ冷媒７が流入し、冷媒７の循環の効率が低下することを抑制するためである。
具体的には以下のように説明される。

超電導電磁石装置１の内部を循環する冷媒７は、超電導コイル４を熱源として気化する。気化した冷媒７（例えばヘリウムガス）は、浮力で鉛直方向上側に移動する。ここで、先に説明したように第１冷却システム１００によって超電導電磁石装置１が冷却された状態では、冷媒７の循環サイクルの効率を維持することが重要である。冷媒供給配管３０および冷媒排出配管３１に本構造を適用することで、冷媒配管６の内部で発生するヘリウムガスが、冷媒供給配管３０および冷媒排出配管３１に流れこむ、すなわち循環に寄与する冷媒７の量が低下することが防止される。

このように気化したヘリウムガスが冷媒容器８に戻り再凝縮されるサイクルが妨げられないようにすることで、冷媒７の循環効率の低下を抑制することが可能となる。なお、上述の説明では、第１冷却システム１００が動作している状況において第２冷却システム２００側へ冷媒７が流れ込むことを防止するために、流入抑制手段として、冷媒供給配管３０および冷媒排出配管３１の形状に特徴を持たせたが、これに限ることなくバルブ等によって冷媒７が第２冷却システムに流れ込むことを防止してもよい。

なお、冷媒供給配管３０および冷媒排出配管３１は、冷媒７が自然循環される際の流れと同様となるように、それぞれの水平配管と接続されることが望ましい。本実施例であれば、冷媒供給配管３０は水平配管６ａと、冷媒排出配管３１は水平配管６ｃと接続されることが望ましい。このように接続されることで、循環冷却装置４１を使った冷媒７を強制的に循環させる状態から、ループ型サーモサイフォン式の自然循環への移行が効率的に実行される。

以上で説明するように、本実施形態の超電導電磁石装置１は、浮力のみを駆動力とするループ型サーモサイフォンとは異なり、浮力を超える圧力にて冷媒をループ型サーモサイフォンの内部に流すことが可能となり、運転温度まで至る冷却時間を浸漬冷却や強制冷却方式と同等まで早めることが可能となる。

なお、上述する超電導電磁石装置１は、第１冷却システム１００および第２冷却システム２００は、原則として同時に動作しないよう制御される。このうち第１冷却システム１００は冷媒７の自然循環を利用するため停止させることは困難と考えられる。そのため、制御対象は第２冷却システム２００とすることが効率的である。

具体的な第２冷却システム２００の制御としては、超電導電磁石装置１を常伝導状態から超電導状態へと移行させる際に、被冷却対象である超電導コイル４の温度が規定値以上であれば第２冷却システム２００を作動させ、規定値未満であれば十分に超電導コイル４が冷却されている状態であるとして第２冷却システム２００を停止させることが考えられる。このように第２冷却システム２００を停止させるには、循環冷却装置４１を停止、あるいはバルブ４４を閉じてフランジ４３ａとフランジ４３ｂを切り離すことが挙げられる。これらの停止手段は装置の構成や利用形態によって適したものが採用される。なお、上述した第２冷却システム２００を作動させるべき状態は一例であるため、設計者が必要とする状態を設定してよい。

第２冷却システム２００の動作を制御するために監視するパラメータは、温度に限られず、例えば循環冷却装置４１の動作時間や、直流電源１３の電流値、冷媒７の蒸気圧など、超電導コイル４の状態を直接的もしくは間接的に評価できるものであればよい。第２冷却手段を動作させるべき状況を検知する検知手段は、検知すべきパラメータに基づき対応するセンサを取り付ける。例えば冷媒７の蒸気圧に着目する場合は、図３に示すように圧力センサ４５を設置することが考えられる。また、これらのセンサによって第２冷却システム２００を動作させるべき状態を検知した際に、操作者に対してそのことを提示するような表示手段４６を設けてもよい。表示手段４６としては、例えばランプやモニタ上にアイコン表示させる等が考えられる。

また、上記とは反対に、第２冷却システム２００を停止させるべき状態を検知するように、センサや制御装置を構成してもよい。あるいは第２冷却システム２００を停止させるべき状態を第１状態として検知するセンサを第１検知手段として取り付け、第２冷却システム２００を動作させるべき状態を第２状態として検知するセンサを第２検知手段として取り付けてもよい。いずれにしても、予め、第２冷却システム２００の動作させるべき状態または停止させるべき状態を検知し、その検知結果に基づき第２冷却システム２００を制御することで、超電導電磁石装置１が有する冷却システムを効果的に切り替えることができ、操作者の利便性を向上することができる。また、第２冷却システム２００を停止させるべき状態のときは、センサの出力に応じて第２冷却システム２００が自動的に停止するように構成されてもよい。これによって操作者の習熟度が浅い場合であっても超電導電磁石装置１の状態を制御できるため、更に利便性を向上させることができる。

（第２の実施形態）
図５に第２の実施形態に係る超電導電磁石装置１の断面を示す。図５の超電導電磁石装置１は、中心軸２２が水平であって、超電導コイル４が中心軸２２を中心とする環状に配置されている。また、超電導電磁石装置１は、中心軸２２が通る筒状の開口部２４を形成している。また、ボビン５も筒状の部材であって、超電導コイル４が固定されるための溝構造が形成されている。なお、超電導電磁石装置１を磁気共鳴イメージング装置の静磁場発生装置として利用する場合、超電導コイル４ｂ、４ｃがメインコイルに相当し、超電導コイル４ａ、４ｄがシールドコイルに相当する。

図６は、図５に示す超電導電磁石装置１のＡ−Ａ断面図を示す。図６では、冷媒配管６と冷媒容器８を示す。図６に示されるように、冷媒容器８は、ボビン５の外径側であって輻射シールド３の内側の空間に設置される。このように冷媒容器７が配置されることによって、冷媒容器７に対して外部から侵入する熱を抑制することができる。また、冷媒配管６は、冷媒容器７から延びる構造であって、かつボビン５を鉛直方向において上下から挟むよう構成されている。このように冷媒配管６を構成することによって、特にガス化した冷媒７を効率的に冷媒容器８へ戻すことが可能となる。

図７は、図５に示す超電導電磁石装置１のＢ−Ｂ断面図を示す。図７に示されるように、中心軸２２の方向から見た冷媒配管６は、超電導コイル４ｃの外側を囲むような環状の流路となっている。この冷媒配管６と内径側の超電導コイル４とを伝熱部１１が熱的に接続している。なお、冷媒配管６は、超電導コイル４を中心とした同心円状に構成されず、例えば矩形に構成されていてもよい。矩形に構成することで配管を円弧状に曲げなくともよいため、工数低減のメリットがある。一方、同心円状に冷媒配管６を形成することで、冷媒配管６と超電導コイル４との距離を等しくでき、伝熱部１１の長さを等しくして部品の共通化を図ることが可能となる。

また、図５に示す超電導電磁石装置１の開口部２４について、左右いずれかは開放されていない場合、超電導コイル４を鉛直方向において横切るように冷媒配管６の一部を設けてもよい。

また、冷媒配管６は、ボビン５から支持してもよいし、例えば床面に固定された支持構造を設けてもよい。ボビン５から支持する場合は、輻射シールド３あるいは真空容器２を貫くような支持構造が不要であるため、熱が侵入するパスの増加を抑制できる利点がある。一方、床面に固定された支持構造を設けた場合、例えば超電導電磁石装置１の外部に傾斜磁場発生装置など、超電導電磁石装置１の磁場との相互作用で振動を生じる機器があったとしても、振動が冷媒配管６には直接伝播せず、冷媒配管６が破損するような可能性を低減することができる。

図７は、図５に示した超電導電磁石装置１が備える冷媒配管６の鳥瞰図を示す。なお、本図では冷媒７の循環冷却装置４１や、強制循環時に冷媒７を冷却する熱交換手段４２は記載を省略している。図７に示されるように、冷媒配管６は、水平配管（６ａ，６ｃ）と鉛直配管６ｂとから構成される。なお、実施例１と異なって、鉛直配管６ｂは、その中心が超電導コイル４の中心、すなわち中心軸２２と一致するような円弧状、または鉛直方向に設置された点で異なる。また、先に述べたように開口部２４のいずれかが閉じてある場合は、その閉じている部分に関しては、中心軸２２が通る位置に鉛直配管６ｂを設けてもよい。

また、冷媒容器８と水平配管６ａ、６ｃの接続部６ｄ、６ｅはそれぞれの水平配管の中点となっており、接続部６ｄから接続部６ｅに至る複数の冷媒経路の長さが等しくなるように鉛直配管６ｂは設けられる。例えば、鉛直配管６ｂは、接続部を中心に、左右（中心軸２２の方向）で対称、かつ中心軸２２を含む鉛直方向に広がる平面に関しても対称になるように設計される。

なお、図８に示されるように、冷媒配管６のうち中心軸２２の方向において両端側に設けられる鉛直配管６ｂと、中央部に設けられる鉛直配管６ｂとは、円弧状の形状における半径が異なるように設けてもよい。この場合、中央部側の鉛直配管６ｂに関して、水平配管との接続部手前にらせん状の配管を設けて流路長を稼ぐなどして、接続部６ｄと接続部６ｅとを結ぶいずれの流路長も等しくなるようにするとよい。

このような構造は、筒状の筐体を有する水平磁場型の磁気共鳴イメージング装置で採用されることが考えられる。水平磁場型の磁気共鳴イメージング装置であれば、多くの場合、静磁場発生装置の一部であるシールドコイルは中心軸２２の方向において端部近傍に設けられ、かつその直径が中心軸２２の方向において中央部に設けられるメインコイルよりも大きい。このような場合、鉛直配管６ｂは端部側の径を大きく、中央部側の径が小さくなるよう円弧状に構成することで、冷媒７の使用量をコイル形状に合わせて最適化することができる。

そして、第１の実施形態と同様に、冷媒供給配管３０および冷媒排出配管３１は、それぞれの水平配管６ａ、６ｃの端部に接続された構造となっている。また冷媒供給配管３０は水平配管６ａよりも鉛直方向において下方に湾曲した後に、水平配管６ａと接続され、冷媒排出配管３１は水平配管６ｃよりも鉛直方向において下方に湾曲した後に、水平配管６ｃと接続されることは、実施例１と同様である。

このような構造をとることで中心軸２２が水平方向を向いた超電導電磁石装置１でも、鉛直配管６ｂで冷媒７の密度差が生じ、冷媒循環のための浮力が生じ、ループ式サーモサイフォン型の冷却機能を実現することができる。また、冷媒供給配管３０、冷媒排出配管３１をそれぞれ異なる水平配管（６ａ，６ｃ）に接続可能とし、かつ冷媒供給配管３０および冷媒排出配管３１の端部に、実施例１と同様に循環冷却装置４１を取り付けることによって、冷媒７の密度差によって生じる浮力以上の圧力を持って、冷媒７を強制的に循環させることができ、第１の実施形態と同様の効果を得ることできる。

（第３の実施形態）
図９に第３の実施形態に係る超電導電磁石装置１の冷媒配管６を示す。第３の実施形態は、第１の実施形態と比較して、冷媒供給配管３０を２本備え、そのうち一本は伝熱部１１を介して冷凍機１２の第２冷却ステージと熱接触する点で異なる。また、バルブ３２を用いて２本ある冷媒供給配管３０のうち一つを選択して冷媒を供給可能となっている。そして、超電導電磁石装置１の外部には、超電導電磁石装置１から排出された冷媒７を冷凍機等で冷却した後、装置内に再供給することが可能な循環冷却装置４１が配置された構造となっている。

このような構造をとることで、冷媒を大気開放するなどして消費することなく装置を運転温度まで冷却することが可能となる。また、循環冷却装置４１から供給する冷媒の温度が冷凍機１２の温度より高い場合は冷凍機と熱接触した冷媒供給配管３０ａを使用することで、冷媒をさらに冷却しつつ冷媒配管６に供給することができ、被冷却物を運転温度まで至る冷却時間を浸漬冷却や強制冷却方式と同等かそれ以上まで早めることが可能となる。

以上、本発明に係る超電導電磁石装置１について実施形態により説明したが、本発明はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変更を行うことができる。

例えば、実施形態では、超電導電磁石装置１の用途として磁気共鳴イメージング装置を例に挙げたが、これに限ることなく、実験用の加速器や粒子線医療分野において粒子線を偏向するための超電導電磁石に本発明を適用してもよい。いずれの製品に適用したとしても、上述の超電導電磁石装置１を用いることで、ループ型サーモサイフォン内に浸漬冷却や強制循環と同等の流量の冷媒を能動的に導入することが可能となり、かつ、被冷却物に熱的に接触した鉛直方向配管を介して冷媒が導入および排出される経路を構成することが可能となり、被冷却物が運転温度まで至る冷却時間を早めることが可能となるため、適用製品を使用可能な状態へ短時間で移行させることができる。

また、実施形態では冷媒配管６が有するそれぞれの流路長を等しくする場合について説明したが、冷媒容器８との接続端における圧損が等しくなればよいため、例えば配管の口径等を調整して、流路長を必ずしも一つに限らず設計してもよい。

また、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記載したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されない。また、実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

また、前記した機構や構成は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての機構や構成を示しているとは限らない。

１ 超電導電磁石装置
２ 真空容器
３ 輻射シールド
４、４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ 超電導コイル
５ ボビン
６ 冷媒配管
６ａ 水平配管
６ｂ 鉛直配管
６ｃ 水平配管
６ｄ 接続部
６ｅ 接続部
７ 冷媒
８ 冷媒容器
９ 永久電流スイッチ
１０、１０ａ、１０ｂ 保護抵抗
１１ 伝熱部（伝熱パス）
１２ 冷凍機
１３ 直流電源
１４ 電流遮断器
２０ 自然循環する冷媒の進行方向を示す矢印
２１ 装置外部より能動的に供給する冷媒の進行方向を示す矢印
２２ 中心軸
２４ 開口部
３０ 冷媒供給配管
３１ 冷媒排出配管
３２ バルブ
４１ 循環冷却装置
４２ 熱交換手段
４３ａ、４３ｂ フランジ
４４ バルブ
４５ 圧力センサ
４６ 表示手段
１００ 第１冷却システム
２００ 第２冷却システム

Claims (6)

1. 超電導コイルと、前記超電導コイルに接続された伝熱部と、前記伝熱部に接続され、内
   部に冷媒が収容された冷媒配管と、前記冷媒配管を冷媒の循環経路の一部として有し、前
   記冷媒を自然循環させる第１冷却システムと、前記冷媒配管を冷媒の循環経路の一部とし
   て有し、前記冷媒を強制的に循環させることができる第２冷却システムと、
   を備え、
   前記第１冷却システムは、前記冷媒の密度差によって生じる圧力を前記冷媒の搬送力と
   して動作し、前記第２冷却システムは、前記冷媒配管に対して接続される循環冷却装置が
   生じる圧力を前記冷媒の搬送力として動作し、
   更に、
   前記第２冷却システムによる前記冷媒の強制的な循環を停止させる停止手段と、
   予め規定された前記第２冷却システムによる前記冷媒の強制的な循環を停止させるべき
   状態を第１状態として検知する第１検知手段と、
   予め規定された前記第２冷却システムによる前記冷媒の強制的な循環を作動させるべき
   状態を第２状態として検知する第２検知手段と、
   前記第２冷却システムを停止した際に、前記第１冷却システムから前記循環冷却装置に
   対する冷媒の流入を抑制する流入抑制手段と、
   を備え、
   前記冷媒配管は少なくとも、水平部を有する第１配管部と、前記第１配管部に対して鉛
   直方向に関し上方に設置され、水平部を有する第２配管部と、前記第１配管部と前記第２
   配管部との間を結ぶ、前記冷媒の移送路である第３配管部と、を有し、前記第１配管部お
   よび前記第２配管部のそれぞれの一端が接続された冷媒容器と、前記冷媒容器に設置され
   た冷凍機と、
   を備え、
   前記第３配管部は少なくとも２本以上が設けられ、それぞれの前記第３配管部は、前記
   第１配管部のそれぞれ異なる位置に接続し、かつ前記第２配管部のそれぞれ異なる位置に
   接続し、それぞれ独立した部材であり、
   前記第２冷却システムは少なくとも前記循環冷却装置と接続可能であって、前記第１配
   管部に接続された第４配管部と、前記循環冷却装置と接続可能であって、前記第２配管部
   に接続された第５配管部と、を有すること、
   を特徴とする超電導電磁石装置。
   
2. 前記第４配管部は、前記第１配管部の水平部よりも鉛直方向において下方に湾曲した部
   分と、前記第１配管部の水平部よりも鉛直方向において上方に設けられた前記循環冷却装
   置との接続部と、を有し、前記第５配管部は、前記第２配管部の水平部よりも鉛直方向に
   おいて下方に湾曲した部分と、前記第２配管部の水平部よりも鉛直方向において上方に設
   けられた前記循環冷却装置との接続部と、を有すること、
   を特徴とする請求項１に記載の超電導電磁石装置。
   
3. 前記第５配管部の少なくとも一部が前記冷凍機との接続部を有すること、
   を特徴とする請求項１、又は請求項２に記載の超電導電磁石装置。
   
4. 中心軸が鉛直方向となるように前記超電導コイルが設置されていること、
   を特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超電導電磁石装置。
   
5. 中心軸が水平方向となるように前記超電導コイルが設置されていること、
   を特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超電導電磁石装置。
   
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の超電導電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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