JP6977145B2 - 超電導コイル装置 - Google Patents

Description

この発明は、超電導コイル装置に関し、より特定的には液体冷媒を用いて冷却される超電導コイル装置に関する。

従来、ＭＲＩ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｉｍａｇｉｎｇ）装置が知られている。ＭＲＩ装置に用いられるマグネットとしては超電導コイルからなるマグネットが知られている。このようなマグネットでは、超電導コイルの冷却材として高価なヘリウムが用いられる。たとえば、特表２０１７−５３２７６３号公報では、ＭＲＩ用の超電導コイル装置であって、内部コイルと外部コイルとを備え、内部コイルは冷却材容器の内部に配置される一方、外部コイルは当該冷却材容器の外部において熱交換器により冷却される構成の超電導コイル装置が開示されている。

特表２０１７−５３２７６３号公報では、上記のような構成により、内部コイルと外部コイルとを共通の冷却材容器の内部に配置する構成よりも当該冷却材容器のサイズ、つまり使用する冷却材としてのヘリウムの使用量を低減できるとしている。

特表２０１７−５３２７６３号公報

上述した特表２０１７−５３２７６３号公報では、１つの冷却材容器の内部に複数の内部コイルが配置されており、この点で冷却材の使用量の低減が十分ではなく、超電導コイル装置の製造コストを十分に低減できていない。また、複数の内部コイルを保持するため冷却材容器のサイズはある程度大きくなっており、当該冷却材容器の製造コストも十分に低減できていない。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の目的は、製造コストを従来よりも低減することが可能な超電導コイル装置を提供することである。

本実施形態に従った超電導コイル装置は、巻枠部材と、第１超電導コイルと、第２超電導コイルと、第１冷媒容器部と、第２冷媒容器部とを備える。巻枠部材は、外周表面を有する円筒状の部材である。第１超電導コイルは、巻枠部材の外周表面上に配置され、巻枠部材を周方向に囲む。第２超電導コイルは、巻枠部材の外周表面上に、巻枠部材の延在方向である第１方向において前記第１超電導コイルから離れて配置される。第２超電導コイルは、巻枠部材を周方向に囲む。第１冷媒容器部は、外周表面上において、第１超電導コイルを覆い、第１超電導コイルを冷却するための冷媒を保持する。第２冷媒容器部は、第１冷媒容器部と別体であり、第２超電導コイルを覆う。第２冷媒容器部は、第２超電導コイルを冷却するための冷媒を保持する。前記第１冷媒容器部は、第１部分と第２部分とを含み、前記第１部分は、前記第１超電導コイルの外周側に前記第１超電導コイルと間隔を隔てて位置する蓋部材であり、前記第２部分は、前記第１方向において前記第１超電導コイルを挟むように前記巻枠部材の前記外周表面から突出し、前記第１超電導コイルに沿って延在する一対の壁部であり、前記蓋部材は、前記一対の壁部を繋ぐように配置されている。

上記によれば、冷媒容器の構成として超電導コイルを個別に覆うような構成を採用することで、製造コストを従来よりも低減することが可能な超電導コイル装置が得られる。

ＭＲＩ装置の外観を示す斜視模式図である。 本発明の実施の形態１に係る超電導コイル装置の斜視断面模式図である。 図２に示した超電導コイル装置の第１冷媒容器部を示す断面模式図である。 図２に示した超電導コイル装置の配管構成図である。 本発明の実施の形態２に係る超電導コイル装置の配管構成図である。 本発明の実施の形態３に係る超電導コイル装置の第１冷媒容器部を示す断面模式図である。 本発明の実施の形態４に係る超電導コイル装置の第１冷媒容器部を示す断面模式図である。 本発明の実施の形態５に係る超電導コイル装置の第１冷媒容器部を示す断面模式図である。 図８に示した超電導コイル装置の第１冷媒容器の側面模式図である。 図８に示した超電導コイル装置のシール部材を説明するための模式図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。

実施の形態１．
＜ＭＲＩ装置の構成＞
図１は、ＭＲＩ装置の外観を示す斜視模式図である。図１に示すように、ＭＲＩ装置は、静磁場発生部５０と、寝台３０とを含む。静磁場発生部５０は、後述するＭＲＩ用の超電導膜ネットである超電導コイル装置を含む。静磁場発生部５０は、ボア４０内に静磁場を発生する。

＜超電導コイル装置の構成＞
図２は、本発明の実施の形態１に係る超電導コイル装置の斜視断面模式図である。図３は、図２に示した超電導コイル装置の第１冷媒容器部を示す断面模式図である。図４は、図２に示した超電導コイル装置の配管構成図である。

図２〜図４に示す超電導コイル装置１００は、巻枠部材１と、第１超電導コイル２ａおよび第２超電導コイル２ｂを含む複数の超電導コイルと、シールドコイル９と、第１冷媒容器部２５ａと、第２冷媒容器部２５ｂと、真空槽４とを主に備える。巻枠部材１は、外周表面１ａ（図３参照）を有する円筒状の部材である。

複数の超電導コイルは、互いに間隔を隔てて巻枠部材１に巻きつけられている。具体的には、複数の超電導コイルのうちの１つである第１超電導コイル２ａは、巻枠部材１の外周表面１ａ（図３参照）上に配置され、巻枠部材１を周方向に囲む。第１超電導コイル２ａの巻回の中心軸は、実質的に巻枠部材１の中心軸と重なっている。複数の超電導コイルのうちの１つである第２超電導コイル２ｂは、巻枠部材１の外周表面上に、巻枠部材１の延在方向である第１方向において第１超電導コイル２ａから離れて配置される。第２超電導コイル２ｂは、巻枠部材１を周方向に囲む。

複数の超電導コイルは、いずれも冷媒容器の内部に配置されている。図３に示すように、第１冷媒容器部２５ａは、外周表面１ａ上において、第１超電導コイル２ａを覆い、第１超電導コイル２ａを冷却するための冷媒７を保持する。第２冷媒容器部２５ｂは、第１冷媒容器部２５ａと別体であり、第２超電導コイル２ｂを覆う。第２冷媒容器部２５ｂは、第１冷媒容器部２５ａから間隔を隔てて配置されている。第２冷媒容器部２５ｂは、第２超電導コイル２ｂを冷却するための冷媒７を保持する。

また、巻枠部材１の表面から離れた位置に２つのシールドコイル９が配置されている。シールドコイル９も巻枠部材１の周囲を囲むように配置されている。シールドコイル９の内径は第１超電導コイル２ａおよび第２超電導コイル２ｂの外径より大きい。２つのシールドコイル９は、巻枠部材１の延在方向における両端部に配置されている。巻枠部材１、複数の超電導コイルおよびシールドコイル９を内部に保持するように真空槽４が配置されている。真空槽４の内部は断熱のため減圧され真空となっている。

複数の超電導コイルを冷却する冷媒を保持する冷媒容器は基本的に同じ構造である。以下、第１超電導コイル２ａを覆うように配置された第１冷媒容器部２５ａを例としてその構造を説明する。

図３に示すように、上記超電導コイル装置１００において、第１冷媒容器部２５ａは、第１部分と第２部分とを含む。第１部分は、第１超電導コイル２ａの外周側に第１超電導コイル２ａと間隔を隔てて位置する蓋部材３である。第２部分は、第１方向において第１超電導コイル２ａを挟むように巻枠部材１の外周表面１ａから突出し、第１超電導コイル２ａに沿って延在する一対の壁部８ａ、８ｂである。一対の壁部８ａ、８ｂにより挟まれた領域は、第１超電導コイル２ａを配置するための溝となっている。蓋部材３は、一対の壁部８ａ、８ｂの上端部を繋ぐように配置されている。一対の壁部８ａ、８ｂと蓋部材３とは気密に接合されている。たとえば、一対の壁部８ａ、８ｂと蓋部材３とは溶接により接合されてもよく、ロウ材を用いて接合されてもよい。蓋部材３と一対の壁部８ａ、８ｂとにより囲まれた空間には第１超電導コイル２ａと冷媒７とが配置される。異なる観点から言えば、蓋部材３と一対の壁部８ａ、８ｂとにより囲まれた空間にはれ冷媒７としての液体ヘリウムが充填されている。第１超電導コイル２ａはヘリウムなどの冷媒７により冷却される。つまり、蓋部材３と一対の壁部８ａ、８ｂと巻枠部材１の一部とによりヘリウム槽が構成される。

複数の超電導コイルに関して、上記第１超電導コイル２ａ以外の超電導コイルも、上記の蓋部材３と一対の壁部８ａ、８ｂと巻枠部材１の一部とにより構成されるヘリウム槽の内部に冷媒とともに配置される。また、シールドコイル９も超電導線材からなる超電導コイルであり、当該シールドコイル９を個別に囲むように形成されたヘリウム槽の内部に冷媒とともに配置される。

図４に示すように、本実施形態に係る超電導コイル装置１００では、各超電導コイルおよびシールドコイルを個別に囲むヘリウム槽は、それぞれ配管１０を介してヘリウム冷凍機１２に接続されている。たとえば、配管１０は各ヘリウム槽の蓋部材３に形成された開口部に接続されている。上述した超電導コイルおよびシールドコイルを個別に囲むヘリウム槽は、すべて配管１０を介して繋がっている。各ヘリウム槽において、配管１０との接続部は鉛直方向における上側、より好ましくは鉛直方向において最上部に位置することが好ましい。この場合、第１超電導コイル２ａおよび第２超電導コイル２ｂを含む複数の超電導コイルおよびシールドコイル９の全体を冷媒７に浸漬した状態とすることができる。この結果、複数の超電導コイルおよびシールドコイル９を冷媒７により覆われた状態にできる。上記のような構成において、ヘリウム冷凍機１２は、複数の超電導コイルおよびシールドコイル９より鉛直方向における上側に設置することが好ましい。なお、ヘリウム槽の鉛直方向における最上部に上記接続部を配置しない場合、当該接続部より上側に冷媒７としてのヘリウムが存在しない状態が発生し得る。この場合、超電導コイルがクエンチする可能性がある。

また、複数の超電導コイルおよびシールドコイル９のそれぞれを個別に収容するヘリウム槽は、鉛直方向の下側部分においても配管１１を介して互いに接続されている。このような構成とすることにより、各ヘリウム槽へヘリウム冷凍機１２より不均等に冷媒７としてのヘリウム（液体ヘリウム）が流れた場合であっても、各ヘリウム槽をつなぐ配管１１を通して、各ヘリウム槽間で冷媒７を流通させることにより、各ヘリウム槽での冷媒７の液面高さを同じにすることができる。この結果、第１超電導コイル２ａおよび第２超電導コイル２ｂを含む複数の超電導コイルと、シールドコイル９とを均等に冷却できる。

上記超電導コイル装置１００は、安全弁２６をさらに備える。安全弁２６は、第１冷媒容器部２５ａと配管１０を介して接続される。なお、安全弁２６は、配管１０を介してすべてのヘリウム槽と接続されている。安全弁２６は、第１冷媒容器部２５ａを含むすべてのヘリウム槽の内部圧力が基準値を超えた場合に、第１冷媒容器部２５ａを含むヘリウム槽の内部から超電導コイル装置１００の外部へ冷媒７を放出するように構成されている。安全弁２６の構成としては、従来周知の任意の構成を採用できる。

＜超電導コイルの製造方法＞
次に超電導コイル装置１００の製造方法について説明する。

最初に巻枠部材１に、超電導コイルとなるべき超電導線材を巻きつける。巻枠部材１が真空槽の外壁の一部も兼ねる場合、吸着ガスの放出の観点から巻枠部材１の材料としてステンレス鋼もしくはアルミニウム合金を用いることが望ましい。また、超電導線材を巻枠部材１の外周表面１ａ上に整列して巻線するため、各超電導コイルを配置する場所に巻枠部材１の溝を構成する一対の壁部８ａ、８ｂを形成しておくことが好ましい。一対の壁部８ａ、８ｂを形成する方法としては、溶接により壁部となるべき部材を巻枠部材１の外周表面１ａに接合する、あるいは一対の壁部８ａ、８ｂを巻枠部材１の鋳造時に同時に巻枠部材１と一体として形成する、といった方法が考えられる。ここで、ヘリウム槽は内部にヘリウムを保持する必要があるため、一対の壁部８ａ、８ｂと巻枠部材１の外周表面１ａとの境界部などから冷媒がリークしないよう、十分な注意が必要である。なお、上述した超電導コイルと同様に、シールドコイル９となるべき超電導線材も巻枠部材１の外周を巻回するように配置される。

次に複数の超電導コイルとシールドコイル９とに樹脂を含浸させて当該樹脂を固化する。この時、複数の超電導コイルおよびシールドコイル９について一個ずつ樹脂を含浸させてもよいし、全てのコイルについてまとめて樹脂を含浸させてもよい。

次に超電導コイルが配置された溝を構成する一対の壁部８ａ、８ｂに、蓋部材３を固定する。一対の壁部８ａ、８ｂに対する蓋部材３の固定方法としては、たとえば溶接法を用いることができる。第１冷媒容器部２５ａなどのヘリウム槽は内部に冷媒７としての液体ヘリウムを注入するため、リークが許されない。そのため、巻枠部材１を構成する材料、一対の壁部８ａ、８ｂを構成する材料、および蓋部材３の材料は溶接性の観点から同じ材料を用いることが好ましい。ただし、第１超電導コイル２ａおよび第２超電導コイル２ｂを含む複数の超電導コイルの形状とシールドコイル９の形状とは互いに異なるので、それぞれを囲むヘリウム槽を構成するための蓋部材３の形状も互いに異なる。

巻枠部材１の溝の高さを規定する一対の壁部８ａ、８ｂの高さにより各ヘリウム槽に貯蔵される冷媒７としての液体ヘリウムの量が増減する。当該液体ヘリウムの量が少なければ、超電導コイル装置１００における液体ヘリウムの使用量が削減できる。しかし、当該液体ヘリウムの量が少なすぎると複数の超電導コイルとシールドコイル９とを、超電導状態が維持される温度まで冷却することが困難になる。そのため、全ての超電導コイルとシールドコイル９とを冷却するためのヘリウム槽の合計内容積は、３０リットル以上であることが望ましい。

また、超電導コイルまたはシールドコイルにおいてクエンチが発生した場合、複数の超電導コイルおよびシールドコイル９の温度が急激に上昇し、冷媒７としての液体ヘリウムが気化する。この結果、ヘリウムで満たされたヘリウム槽内部の圧力が急激に上昇する。そのため、ヘリウム槽を構成する蓋部材３や一対の壁部８ａ、８ｂに対して急激に圧力がかかり、最悪の場合、蓋部材３または蓋部材３と一対の壁部８ａ、８ｂとの接続部である溶接部が破損する。当該破損が発生した部分から、気化したヘリウムが真空槽４の内部の空間５に流入する可能性がある。また、真空槽４の内部の空間５に流入したヘリウムの量が多い場合、真空槽４の内部の空間５における圧力が上昇し、真空槽４も破損する恐れもある。この対策として、上述のように安全弁２６を設置するとともに、ヘリウム槽を構成する蓋部材３の板厚をたとえば２．０ｍｍ以上にすることが好ましい。

次に、図４に示すようにヘリウム槽を構成する蓋部材３に、ヘリウム冷凍機につながる配管１０とヘリウム槽間をつなぐ配管１１とを接続する。ヘリウム冷凍機１２とヘリウム槽とを繋ぐ配管１０の材料と、複数のヘリウム槽間をつなぐ配管１１の材質とは、巻枠部材１の材料と同様の観点から、ステンレス鋼を用いることが望ましい。また、蓋部材３と配管１０、１１との接合方法としては、溶接もしくはろう付けが望ましい。その後、ヘリウム槽を構成するための蓋部材３を取りつけた巻枠部材１と真空槽４とを合体させる。さらに、配管１０をヘリウム冷凍機１２と接続する。このようにして、超電導コイル装置１００を得る。

＜作用効果＞
本実施形態に従った超電導コイル装置１００は、巻枠部材１と、第１超電導コイル２ａと、第２超電導コイル２ｂと、第１冷媒容器部２５ａと、第２冷媒容器部２５ｂとを備える。巻枠部材１は、外周表面１ａを有する円筒状の部材である。第１超電導コイル２ａは、巻枠部材１の外周表面上に配置され、巻枠部材１を周方向に囲む。第２超電導コイル２ｂは、巻枠部材１の外周表面上に、巻枠部材１の延在方向である第１方向において第１超電導コイル２ａから離れて配置される。第２超電導コイル２ｂは、巻枠部材１を周方向に囲む。第１冷媒容器部２５ａは、外周表面１ａ上において、第１超電導コイル２ａを覆い、第１超電導コイル２ａを冷却するための冷媒７を保持する。第２冷媒容器部２５ｂは、第１冷媒容器部２５ａと別体であり、第２超電導コイル２ｂを覆う。第２冷媒容器部２５ｂは、第２超電導コイル２ｂを冷却するための冷媒７を保持する。

このようにすれば、第１超電導コイル２ａおよび第２超電導コイル２ｂの両方を内部に保するような冷媒容器に保持される冷媒の体積と比べて、第１冷媒容器部２５ａおよび第２冷媒容器部２５ｂの内部に保持される冷媒７の体積を小さくできる。つまり超電導コイル装置１００における冷媒７の使用量を削減できる。また、異なる観点から言えば、上述の構成により、冷媒７としてのヘリウムで満たされた第１冷媒容器部２５ａおよび第２冷媒容器部２５ｂを含むヘリウム槽の内部空間の体積が小さくなることで、冷媒７の使用量を低減できる。そして、冷媒７としての液体ヘリウムの量を、複数の超電導コイルとシールドコイル９とについて超電導状態を維持することが可能な最低限の量となるように設定できる。この結果、従来の巻枠部材１全体を覆うヘリウム槽の構造と比較し、大幅に冷媒７としての液体ヘリウムの量を削減できる。

さらに、第１冷媒容器部２５ａおよび第２冷媒容器部２５ｂのサイズは上述した第１超電導コイル２ａおよび第２超電導コイル２ｂの両方を内部に保するような冷媒容器のサイズより小さいため、たとえば蓋部材３を構成する材料の量を削減でき、当該冷媒容器の製造コストの増大を抑制できる。

上記超電導コイル装置１００において、第１冷媒容器部２５ａは、第１部分と第２部分とを含む。第１部分は、第１超電導コイル２ａの外周側に第１超電導コイル２ａと間隔を隔てて位置する蓋部材３である。第２部分は、第１方向において第１超電導コイル２ａを挟むように巻枠部材１の外周表面１ａから突出し、第１超電導コイル２ａに沿って延在する一対の壁部８ａ、８ｂである。蓋部材３は、一対の壁部８ａ、８ｂを繋ぐように配置されている。

この場合、一対の壁部８ａ、８ｂを、第１および第２超電導コイル２ｂを構成する超電導線材を巻枠部材１に巻きつける際のガイドとして利用し、その後蓋部材３を一対の壁部８ａ、８ｂに接続することで、第１冷媒容器部２５ａおよび第２冷媒容器部２５ｂを構成できる。

上記超電導コイル装置１００は、安全弁２６をさらに備える。安全弁２６は、第１冷媒容器部２５ａと接続される。安全弁２６は、第１冷媒容器部２５ａの内部圧力が基準値を超えた場合に、第１冷媒容器部２５ａの内部から超電導コイル装置１００の外部へ気化した冷媒７を放出するように構成されている。この場合、第１および第２超電導コイル２ａ、２ｂにおいてクエンチが発生し、液体ヘリウムなどの冷媒７が気化して第１冷媒容器部２５ａの内部圧力が上昇しても、当該圧力が上記基準値を大きく超えるといった状態の発生を避けることができる。このため、当該圧力により第１冷媒容器部２５ａが破損するといった問題の発生を抑制できる。

実施の形態２．
＜超電導コイル装置の構成および作用効果＞
図５は、本発明の実施の形態２に係る超電導コイル装置の配管構成図である。図５に示した超電導コイル装置は、基本的には図２〜図４に示した超電導コイル装置と同様の構成を備えるが、ヘリウム槽とヘリウム冷凍機１２とを接続する配管経路の構成、および配管１１が配置されていない点が図２〜図４に示した超電導コイルと異なっている。すなわち、図５に示した超電導コイル装置は、バッファタンク１３を備え、当該バッファタンク１３はヘリウム冷凍機１２と接続されている。また、バッファタンク１３は第１冷媒容器部２５ａ、第２冷媒容器部２５ｂを含む複数のヘリウム槽に接続されている。

ここで、第１冷媒容器部２５ａなどのヘリウム槽に収容されている超電導コイルやシールドコイル９の超電導状態を維持するために必要な温度（たとえば臨界温度）と実際のコイルの温度との間に余裕がある場合、実施の形態１に示すようにヘリウム槽の上部をヘリウム冷凍機１２につなぐ配管１０と、ヘリウム槽の下部において各ヘリウム槽間をつなぐ配管１１という２系統の配管は必ずしも必要ではない。この場合、上述のように、ヘリウム冷凍機１２をバッファタンク１３に接続し、さらにバッファタンク１３から各ヘリウム槽へ並列に延びる配管１０により、バッファタンク１３と各ヘリウム槽とを接続する。当該配管１０は、各ヘリウム槽の鉛直方向の最上部に接続される。各ヘリウム槽とバッファタンク１３とを接続する複数の配管１０がバッファタンク１３に接続される接続部の位置は、鉛直方向における位置を同じにする、すなわち同じ高さにすることが好ましい。このようにすれば、各ヘリウム槽へバッファタンク１３から流入する冷媒７としての液体ヘリウムの流量に差が発生することを抑制できる。この結果、各ヘリウム槽に収容される超電導コイルおよびシールドコイル９を均等に冷却できる。

また、バッファタンク１３から各ヘリウム槽へ並列に配管１０を接続しているので、バッファタンク１３から各ヘリウム槽を１系列の配管により直列に接続した場合のような不具合の発生を防止できる。すなわち、各ヘリウム槽が直列に接続されると、ヘリウム冷凍機１２に近いヘリウム槽では超電導コイルが十分冷却される一方、当該ヘリウム槽で液体ヘリウムの温度が上がり、バッファタンク１３から相対的に遠くに位置するヘリウム槽では超電導コイルが十分冷却されない、といった問題が発生する恐れがある。このような問題の発生を避けるため、ヘリウム冷凍機１２とヘリウム槽とは配管１０により並列に接続されることが好ましい。

図５に示した構成によれば、図２〜図４に示した超電導コイル装置による効果に加えて、配管１１（図３参照）を削減できるため、超電導コイル装置の部品コストや組立作業コストといった製造コストを低減できる。

実施の形態３．
＜超電導コイル装置の構成＞
図６は、本発明の実施の形態３に係る超電導コイル装置の第１冷媒容器部を示す断面模式図である。図６に示した超電導コイル装置は、基本的には図２〜図４に示した超電導コイル装置と同様の構成を備えるが、ヘリウム槽の構造が図２〜図４に示した超電導コイルと異なっている。すなわち、図６に示した超電導コイル装置では、第１冷媒容器部２５ａは、第１部分と第２部分とを含む。第１部分と第２部分とは、図６に示すように一体として構成されている。第１冷媒容器部２５ａの断面形状は、直線状の底部を有するＵ字形状またはアーチ形状である。第１部分は、第１超電導コイル２ａの外周側に第１超電導コイル２ａと間隔を隔てて位置する蓋部分２７ａである。蓋部分２７ａは巻枠部材１の外周表面１ａの周方向に沿って延びる帯状の形状を有する。第２部分は、第１方向における蓋部分２７ａの両端２８ａ、２８ｂから外周表面１ａに向けて延びる一対の壁部２７ｂ、２７ｃである。壁部２７ｂ、２７ｃは、外周表面１ａに対して交差する方向に延びるとともに、巻枠部材１の外周表面１ａの周方向に沿って延びる帯状の形状を有する。当該一対の壁部２７ｂ、２７ｃは、巻枠部材１の外周表面１ａにおいて第１超電導コイル２ａを第１方向において挟む位置に接続されている。一対の壁部２７ｂ、２７ｃは、外周表面１ａとたとえば溶接により固定されている。

ここで、ＭＲＩ用の超電導コイル装置の場合、実施の形態１で説明した製造方法と異なる製造方法を採用する場合がある。たとえば、巻枠部材１に超電導線材を巻回せずに、予め外部で巻線して第１超電導コイル２ａを製作する。その後、巻枠部材１に第１超電導コイル２ａを挿入する。この場合、巻枠部材１の外周表面１ａには溝を構成する一対の壁部８ａ、８ｂ（図３参照）が形成されていない。そのため、実施の形態１のように巻枠部材１の溝を形成する一対の壁部８ａ、８ｂ（図３参照）に蓋部材３を溶接で固定することができない。本実施の形態は、このように巻枠部材１に溝が存在しない場合の構成例を示している。

図６に示した超電導コイル装置の製造方法は、基本的には図２〜図４に示した超電導コイル装置の製造方法と同様であるが、外周表面１ａに壁部などが形成されていない筒状の巻枠部材１に、予め形成しておいた超電導コイルを挿入する点、また、当該超電導コイルを覆うように、断面形状がＵ字形の第１冷媒容器部２５ａを巻枠部材１に接続する点が異なっている。第１冷媒容器部２５ａはたとえば溶接により巻枠部材１に固定される。

＜作用効果＞
上記超電導コイル装置１００において、第１冷媒容器部２５ａは、第１部分と第２部分とを含む。第１部分は、第１超電導コイル２ａの外周側に第１超電導コイル２ａと間隔を隔てて位置する蓋部分２７ａである。第２部分は、第１方向における蓋部分２７ａの両端２８ａ、２８ｂから外周表面１ａに向けて延びる一対の壁部２７ｂ、２７ｃである。当該一対の壁部２７ｂ、２７ｃは、巻枠部材１の外周表面１ａにおいて第１超電導コイル２ａを第１方向において挟む位置に接続されている。

この場合、図２〜図４に示した超電導コイル装置により得られる効果に加えて、円筒状の巻枠部材１の任意の位置に第１超電導コイル２ａを配置し、その後第１冷媒容器部２５ａを第１超電導コイル２ａにかぶせるように配置して巻枠部材１に固定できる。つまり、巻枠部材１において第１超電導コイル２ａの配置を任意に設定できる。さらに、巻枠部材１において図３に示すような壁部８ａ、８ｂを形成しないので、巻枠部材１の切削加工もしくは壁部８ａ、８ｂの溶接が不要となり、加工費の削減が可能となる。

実施の形態４．
＜超電導コイル装置の構成および作用効果＞
図７は、本発明の実施の形態４に係る超電導コイル装置の第１冷媒容器部を示す断面模式図である。図７に示した超電導コイル装置は、基本的には図２〜図４に示した超電導コイル装置と同様の構成を備えるが、ヘリウム槽の構造が図２〜図４に示した超電導コイルと異なっている。すなわち、図７に示した超電導コイル装置では、第１冷媒容器部２５ａは、第１部分と第２部分とを含む。第１部分は、断面形状がＬ字状の部材である。第１部分は、蓋部分２７ａと、第１壁部２７ｂとを有する。蓋部分２７ａは、第１超電導コイル２ａの外周側に第１超電導コイル２ａと間隔を隔てて位置する。蓋部分２７ａは巻枠部材１の外周表面１ａの周方向に沿って延びる帯状の形状を有する。蓋部分２７ａと第１超電導コイル２ａとの間の空間は冷媒７としての液体ヘリウムが配置される領域である。第１壁部２７ｂは、蓋部分２７ａにおいて第１方向の一方端２８ａから外周表面１ａに向けて延びる。壁部２７ｂは、外周表面１ａに対して交差する方向に延びるとともに、巻枠部材１の外周表面１ａの周方向に沿って延びる帯状の形状を有する。第２部分は、巻枠部材１の外周表面１ａにおいて、第１超電導コイル２ａの第１方向における一方の端部と隣接する位置から突出する第２壁部８ｃである。第２壁部８ｃは、第１超電導コイル２ａに沿って延在する。蓋部分２７ａの第１方向の他方端２８ｂと第２壁部８ｃとは接続されている。第１壁部２７ｂは、巻枠部材１の外周表面１ａにおいて第１超電導コイル２ａの第１方向における他方の端部と隣接する位置に接続される。蓋部分２７ａの他方端２８ｂと第２壁部８ｃとの接続方法、および第１壁部２７ｂと巻枠部材１との接続方法は任意の方法を採用できるが、たとえば溶接、あるいはロウ付けによりこれらの部材を接続してもよい。

この場合、巻枠部材１の外周表面１ａにおいて、第１超電導コイル２ａに対して１つの第２壁部８ｃのみが形成されているため、実施の形態３の場合と同様に、予めコイル状に形成された第１超電導コイル２ａを巻枠部材１にはめ込み、第２壁部８ｃに沿うように配置した後、蓋部分２７ａと第１壁部２７ｂとを有する第１部分を第１超電導コイル２ａに被せるように巻枠部材１に固定することができる。

実施の形態５．
＜超電導コイル装置の構成＞
図８は、本発明の実施の形態５に係る超電導コイル装置の第１冷媒容器部を示す断面模式図である。図９は、図８に示した超電導コイル装置の第１冷媒容器の側面模式図である。図１０は、図８に示した超電導コイル装置のシール部材を説明するための模式図である。

図８〜図１０に示す超電導コイル装置は、基本的には図２〜図４に示した超電導コイル装置と同様の構成を備えるが、ヘリウム槽の構造が図２〜図４に示した超電導コイルと異なっている。すなわち、図８〜図１０に示した超電導コイル装置では、一対の壁部８ａ、８ｂと蓋部材３との接続部にシール部材１６が配置されている点、および蓋部材３の構成が図２〜図４に示した超電導コイル装置と異なっている。蓋部材３は、図９に示すように側面から見た形状がＵ字状の第１蓋部分３ａおよび第２蓋部分３ｂと、固定部材１７とを有する。第１蓋部分３ａおよび第２蓋部分３ｂは、巻枠部材１の周方向に延びるように配置されている。固定部材１７はたとえば締結ボルトである。固定部材１７は、第１蓋部分３ａと第２蓋部分３ｂとの接続部において第１蓋部分３ａと第２蓋部分３ｂとを固定する。

ここで、ＭＲＩ用の超電導コイルの場合、精度よく画像を撮影するには超電導コイルの位置精度を±１．０ｍｍ以下にする必要がある。しかし、巻枠部材１にヘリウム槽を設置するために、たとえば蓋部材３を壁部８ａ、８ｂと溶接すると、溶接時の熱歪によって、巻枠部材１が大幅に変形する可能性がある。このような変形の発生を避けるため、本実施の形態では、蓋部材３と巻枠部材１との溶接を行わない構成を採用する。

図８に示すように、巻枠部材の外周表面１ａから突出するように形成された一対の壁部８ａ、８ｂの頂部にＯリング溝である溝１６ａが形成されている。当該溝１６ａの内部にはシール部材１６としてのＯリングが配置されている。シール部材１６は蓋部材３と壁部８ａ、８ｂとに接触し、蓋部材３と壁部８ａ、８ｂとの接続部における気密性を高めている。配管構造などの他の構成は、図２〜図４に示した超電導コイル装置と同様である。

＜製造方法＞
次に図８に示した超電導コイル装置の製造方法について説明する。まず、実施の形態１に係る超電導コイル装置の製造方法と同様に、巻枠部材１の一対の壁部８ａ、８ｂ間に超電導線を巻線して第１超電導コイル２ａを構成する。次に第１超電導コイル２ａに樹脂を含浸する。その後、シール部材１６を壁部８ａ、８ｂの溝１６ａに設置する。尚、巻枠部材１の溝を構成するための壁部８ａ、８ｂを形成するため切削加工は必ず必要であるため、当該切削加工時に合わせて溝１６ａの加工を行うことは可能である。したがって、溝１６ａを形成することによる加工費の増加は軽微である。

次に図９に示すようにシール部材１６の上部に、左側ヘリウム槽の蓋である第１蓋部分３ａを設置する。さらに、右側ヘリウム槽の蓋である第２蓋部分３ｂを、上記第１蓋部分３ａとは反対側に設置する。第１蓋部分３ａおよび第２蓋部分３ｂは、それぞれ端部に固定部材１７を通すためのボルト穴が形成されたフランジ部を含む。固定部材１７としてはたとえば締結ボルトを用いることができる。

第１蓋部分３ａと第２蓋部分３ｂとを構成する材料は、巻枠部材１の材料と同じ材質にするか、当該巻枠部材１を構成する材料より線膨張係数が大きいものを選択することが好ましい。

ここで、巻枠部材１の材料がアルミニウムであり、第１蓋部分３ａおよび第２蓋部分３ｂの材料がステンレスである場合のように、第１蓋部分３ａおよび第２蓋部分３ｂの材料の線膨張係数が巻枠部材１の材料の線膨張係数より小さい場合を考える。この場合、超電導状態を作るために第１超電導コイル２ａを冷却すると同時に、ヘリウム槽を構成する蓋部材３および巻枠部材１も冷却される。この時、材料の線膨張係数の差により、巻枠部材１の収縮量に対して、蓋部材３の収縮量が小さい。したがって、巻枠部材１とヘリウム槽の蓋部材３との間に隙間が発生する。その結果、ヘリウム槽中から液体ヘリウムが真空槽４の内部の空間５に漏れ出す。この結果、第１超電導コイル２ａが十分冷却されず、クエンチが発生する恐れがある。そこで、第１蓋部分３ａと第２蓋部分３ｂとを構成する材料として、巻枠部材１の材料と同じ材料、または当該巻枠部材１を構成する材料より線膨張係数が大きい材料ものを選択することで、クエンチの発生を抑制できる。

次に、第１蓋部分３ａと第２蓋部分３ｂとの対向するフランジ部を固定するように、当該フランジ部に形成されたボルト穴に締結ボルトである固定部材１７を固定する。このようにして、左側ヘリウム槽の蓋である第１蓋部分３ａのフランジ部と右側ヘリウム槽の蓋である第２蓋部分３ｂのフランジ部との間のシール部材１６と、巻枠部材１の壁部８ａ、８ｂ（図８参照）と蓋部材３を構成する第１蓋部分３ａおよび第２蓋部分３ｂとの間のシール部材１６を押しつぶし、シール部材１６が配置された接続部における気密性を確保する。これにより、図８に示すようにヘリウム槽を構成する蓋部材３第１超電導コイル２ａとの間に冷媒７としての液体ヘリウムで満たされた空間が生成される。

尚、図１０に示すように、上述したシール部材１６の構造は、１本でヘリウム槽の蓋部材３の外形に沿った形状にする必要がある。つまり、シール部材１６は、２つの溝１６ａ（図８参照）の内部に配置される２つの環状部分と、当該環状部分を上下でつなぎ、固定部材１７で固定される２つのフランジ部により挟まれるＵ字形状部２０とを含む。なお、図１０では＋印により締結ボルト固定部２１が示されている。

もし、Ｏリングとして、Ｕ字形状部２０が存在しない通常の円形状のＯリングを２本、それぞれ溝１６ａに配置した場合、固定部材１７が配置されたフランジ部ではシール材としてのＯリングが存在しないので、当該フランジ部において冷媒７のリークが発生する。この結果、冷媒７としての液体ヘリウムが真空槽４に流出し、超電導コイルの冷却が不十分となり超電導コイルのクエンチが発生する恐れがある。本実施の形態では、図１０に示すようにＵ字形状部２０を含むシール部材１６を用いることで、このようなクエンチの発生を抑制できる。

ここで、図１０に示すように固定部材１７による固定部は、シール部材１６のＵ字形状部２０の外側に配置することが好ましい。なお、もし固定部材１７による固定部をＵ字形状部２０の内側に配置した場合、固定部材１７を通すフランジ部のねじ穴などから冷媒７が真空槽４（図２参照）中に流出し、超電導コイルがクエンチする恐れがある。本実施の形態では、図１０に示すようにＵ字形状部２０の外側において固定部材１７による固定部を配置するので、このようなクエンチの発生を抑制できる。

＜作用効果＞
上記超電導コイル装置１００は、シール部材１６をさらに備える。シール部材１６は、第１部分としての蓋部材３と第２部分としての一対の壁部８ａ、８ｂとの接続部に配置される。なお、上記シール部材１６は、他の実施の形態に係る超電導コイル装置に適用してもよい。たとえば、図７に示した超電導コイル装置において、蓋部分２７ａと第２壁部８ｃとの接続部にシール部材１６を配置してもよい。また、蓋部材２７ａまたは第２壁部８ｃにおいて当該シール部材１６が接する領域に溝を形成してもよい。また、第１壁部２７ｂと巻枠部材１の外周表面１ａとの接続部にシール部材１６を配置してもよい。第１壁部２７ｂと外周表面１ａとにおいてシール部材１６が接する領域に溝を形成してもよい。蓋部分２７ａと第１壁部２７ｂとからなる第１部分は、本実施の形態の蓋部材３のように巻枠部材１の周方向に沿って分割され複数の部品からなっていてもよい。当該複数の部品の接続部は本実施の形態における蓋部材３における第１蓋部分３ａと第２蓋部分３ｂとの接続部の構造と同様の構成を採用できる。

この場合、当該シール部材１６を用いることで、蓋部材３と一対の壁部８ａ、８ｂとの接続方法として溶接以外の方法を用いることができる。そのため、巻枠部材１とヘリウム槽の蓋部材３との間の溶接がなくなることで、巻枠部材１における溶接に起因する歪の発生を防止できる。したがって、第１超電導コイル２ａなどの超電導コイルの位置精度が向上する。この結果、精度よくＭＲＩ画像の撮影が可能となり、かつ、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。また、蓋部材３と巻枠部材１との間の接続部における、リークが全く許されない難易度の高い溶接が必要なくなるため、超電導コイル装置の製造の難易度を下げることができる。

上記超電導コイル装置１００において、蓋部材３は、第１蓋部分３ａと、第２蓋部分３ｂと、固定部材１７とを有する。第１蓋部分３ａおよび第２蓋部分３ｂは、巻枠部材１の周方向に延びるように配置されている。固定部材１７は、第１蓋部分３ａと第２蓋部分３ｂとの接続部において第１蓋部分３ａと第２蓋部分３ｂとを固定する。

この場合、蓋部材３を一対の壁部８ａ、８ｂと接続するときの作業を容易に行うことができる。

上記超電導コイル装置１００において、蓋部材３を構成する材料の線膨張係数は、一対の壁部８ａ、８ｂを構成する材料の線膨張係数以上である。この場合、超電導コイル装置を運転するために一対の壁部８ａ、８ｂと蓋部材３とが他の機器とともに冷却された際、蓋部材３の収縮量を、一対の壁部８ａ、８ｂの収縮量と同等以上にすることができる。このため、一対の壁部８ａ、８ｂの収縮量が蓋部材３の収縮量より多くなることで蓋部材３と一対の壁部８ａ、８ｂとの間に隙間が空き、冷媒７が漏れるといった問題の発生を防止できる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 巻枠部材、１ａ 外周表面、２ａ 第１超電導コイル、２ｂ 第２超電導コイル、３ 蓋部材、３ａ 第１蓋部分、３ｂ 第２蓋部分、４ 真空槽、５ 空間、７ 冷媒、８ａ，８ｂ，８ｃ，２７ｂ 壁部、９ シールドコイル、１０，１１ 配管、１２ ヘリウム冷凍機、１３ バッファタンク、１６ シール部材、１６ａ 溝、１７ 固定部材、２０ Ｕ字形状部、２１ 締結ボルト固定部、２５ａ 第１冷媒容器部、２５ｂ 第２冷媒容器部、２６ 安全弁、２７ａ 蓋部分、２８ａ，２８ｂ 端、３０ 寝台、５０ 静磁場発生部、１００ 超電導コイル装置。

Claims (5)

1. 外周表面を有する円筒状の巻枠部材と、
   前記巻枠部材の前記外周表面上に配置され、前記巻枠部材を周方向に囲む第１超電導コイルと、
   前記巻枠部材の前記外周表面上に、前記巻枠部材の延在方向である第１方向において前記第１超電導コイルから離れて配置され、前記巻枠部材を前記周方向に囲む第２超電導コイルと、
   前記外周表面上において、前記第１超電導コイルを覆い、前記第１超電導コイルを冷却するための冷媒を保持する第１冷媒容器部と、
   前記第１冷媒容器部と別体であり、前記第２超電導コイルを覆い、前記第２超電導コイルを冷却するための冷媒を保持する第２冷媒容器部と、を備え、
   前記第１冷媒容器部は、第１部分と第２部分とを含み、
   前記第１部分は、前記第１超電導コイルの外周側に前記第１超電導コイルと間隔を隔てて位置する蓋部材であり、
   前記第２部分は、前記第１方向において前記第１超電導コイルを挟むように前記巻枠部材の前記外周表面から突出し、前記第１超電導コイルに沿って延在する一対の壁部であり、
   前記蓋部材は、前記一対の壁部を繋ぐように配置されている、超電導コイル装置。
2. 前記蓋部材を構成する材料の線膨張係数は、前記一対の壁部を構成する材料の線膨張係数以上である、請求項１に記載の超電導コイル装置。
3. 外周表面を有する円筒状の巻枠部材と、
   前記巻枠部材の前記外周表面上に配置され、前記巻枠部材を周方向に囲む第１超電導コイルと、
   前記巻枠部材の前記外周表面上に、前記巻枠部材の延在方向である第１方向において前記第１超電導コイルから離れて配置され、前記巻枠部材を前記周方向に囲む第２超電導コイルと、
   前記外周表面上において、前記第１超電導コイルを覆い、前記第１超電導コイルを冷却するための冷媒を保持する第１冷媒容器部と、
   前記第１冷媒容器部と別体であり、前記第２超電導コイルを覆い、前記第２超電導コイルを冷却するための冷媒を保持する第２冷媒容器部と、を備え、
   前記第１冷媒容器部は、第１部分と第２部分とを含み、
   前記第１部分は、前記第１超電導コイルの外周側に前記第１超電導コイルと間隔を隔てて位置する蓋部分と、前記蓋部分において前記第１方向の一方端から前記外周表面に向けて延びる第１壁部とを有し、
   前記第２部分は、前記巻枠部材の前記外周表面において、前記第１超電導コイルの前記第１方向における一方の端部と隣接する位置から突出し、前記第１超電導コイルに沿って延在する第２壁部であり、
   前記蓋部分の前記第１方向の他方端と前記第２壁部とは接続され、
   前記第１壁部は、前記巻枠部材の前記外周表面において前記第１超電導コイルの前記第１方向における他方の端部と隣接する位置に接続される超電導コイル装置。
4. 前記第１部分と前記第２部分との接続部に配置されたシール部材をさらに備える、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超電導コイル装置。
5. 前記第１冷媒容器部と接続された安全弁をさらに備える、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の超電導コイル装置。

Images