JPH06333735A - 超電導磁石 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】超電導コイルを収納した低温タンクを真空容器
に支持固定する荷重支持体が熱歪を受けないことを特徴
とする超電導磁石を提供すること。 【構成】超電導磁石を収納する低温タンクとその容器を
包み込んだ真空容器とを低熱伝導率の荷重支持体で連結
して成る超電導磁石において、前記低温タンクと前記荷
重支持体の低温端との間に、線膨張係数がほぼ零である
部材を設けたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超電導コイルを荷重支
持体によって真空容器に支持固定する超電導磁石に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の超電導磁石装置は、米国特許第
４，３００，３５４号公報に記載のように、低温部と高
温部とを、熱膨張係数の小さなファイバ合成材料のスト
ラップで連結して低温タンクを支持していた。この低温
タンクは、金属材料から成っており、例えば寒剤温度７
７．４Ｋ，４．２Ｋの液体窒素または液体ヘリウム等を
低温タンク内に注液すれば、金属の熱膨張係数と高温部
の真空容器と低温タンクの温度差から低温タンクが熱収
縮が生じるので、真空容器と低温タンクとの間の距離が
長くなる。そこで、従来は、熱膨張係数の小さな材料を
真空容器と低温タンクを連結支持するストラップに採用
し、熱歪による応力を緩和している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記の従来の技術で特
に問題とする点は、熱歪を完全になくすことは難しい点
である。すなわち、従来の技術のストラップは、その両
端が低温と高温とに曝されているので、ストラップの全
長にわたって温度分布が生じる。また、ファイバ合成材
料の熱膨張係数は、温度依存性がある。このために、熱
歪は、ストラップ各点の温度と熱膨張係数とが組合わさ
ったものとなる。熱歪を予測するには、各点の温度分布
と熱膨張係数を考慮することが重要な課題となってい
る。また、熱歪を考慮してストラップの両端間の位置合
わせをするために、多大な手間が掛っている。または、
ストラップの両端間の位置合わせが不具合いな場合、ス
トラップに熱歪による応力が作用すると言う問題があっ
た。

【０００４】本発明の目的は、超電導コイルを収納した
低温タンクを真空容器に支持固定する荷重支持体に作用
する熱歪を軽減することができる超電導磁石を提供する
ものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は超電導磁石を収納する低温タンクとその
容器を包み込んだ真空容器とを低熱伝導率の荷重支持体
で連結して成る超電導磁石において、前記低温タンクと
前記荷重支持体の低温端との間に、線膨張係数がほぼ零
である部材を設けたものである。

【０００６】

【作用】低温タンクと前記荷重支持体の低温端との間に
設けられる部材は、熱収縮の大きな低温タンクに接続さ
れるが、この部材の熱膨張係数がほぼ零であるため、こ
の部材は熱収縮しない。このため、荷重支持体には、熱
歪応力がかからず、また、熱収縮を考慮したセッテング
を提供することができる。

【０００７】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を用いて説明す
る。

【０００８】図１は本発明の超電導磁石の一実施例の断
面図である。この図１において、１は円筒状の超電導コ
イルである。２は液体ヘリウムで、超電導コイル１を冷
却している。３は低温タンクで、超電導コイル１および
液体ヘリウム２を収納するものである。４と５はネック
で、このネック４と５は熱伝導率の小さなステンレスの
ベローズで伸縮ができものである。６はサービスポート
で、このサービスポート６は、液体ヘリウムを注液した
り、超電導コイル１に電流を流すときに利用するもので
ある。７はヘリウムガス吐出口である。８は液体ヘリウ
ム注入口、電流リード口である。９は真空容器、１０は
真空容器９の内側内に設けたシールド、１１はシールド
１０の外面に設けた積層断熱材で、この積層断熱材１５
は、厚さ２０ミクロン程度のプラスチックフィルム上に
アウミニュウムを蒸着したものと凹凸状の厚さ２０ミク
ロン程度のプラスチックフィルム上にアウミニュウムを
蒸着したものとを交互に積層したものである。１２は冷
凍機である。

【０００９】１３は低温タンク３と真空容器９との間に
設け荷重支持体である。この荷重支持体１３は低温タン
ク３側のフランジ１４と断熱支持体１５とと真空容器９
側のフランジ１６とで構成されている。１７は低温タン
ク３と荷重支持体１３の低温端となるフランジ１４との
間に設けた部材である。

【００１０】図２は図１に示す本発明の超電導磁石の一
実施例に用いられる荷重支持体１３を拡大して示す断面
図である。この図２において、図１と同符号のものは同
一部分を示す。部材１７は、低温タンク３に溶接で固定
されているボルト１８とこのボルト１８にねじ込まれる
ナット１９により、低温タンク３の外面に取付けらてい
る。部材１５に設けられたボルト１８の挿入用のボルト
穴２０の直径は、低温タンク３の熱収縮分より大きめに
設定してあり、ボルト１８とボルト穴２０との間には、
低温タンク３の熱収縮分を吸収する隙間２１設けられて
いる。部材１７は、熱膨張係数が液体ヘリウム温度に下
げてもほとんど熱収縮しない材料からできている。例え
ば、カーボンファイバーおよびポリアミドファイバーと
エポキシ樹脂との複合材料である。これらのファイバー
は、低温ではエポキシ樹脂および金属とは逆に膨張す
る。これらのファイバーの含有量およびファイバーの方
向を変えることで、部材１７は低温においても熱収縮し
ない構造にすることができる。この熱膨張係数ΔＬ／Ｌ
は、室温から液体ヘリウム温度まで冷却したとき、０．
１％以下である。

【００１１】上記の荷重支持体１３のフランジ１６は真
空容器９の内面に固定され、またそのフランジ１４はボ
ルト２２によって部材１５に連結されている。

【００１２】次に、上述した本発明の超電導磁石の一実
施例の動作を説明をする。

【００１３】液体ヘリウム２は、蒸発潜熱が小さいた
め、わずかな熱で蒸発する。しかも、液体ヘリウム２は
高価であるため、その消費量を少なくすることが重要な
課題の一つとなっている。このため、液体ヘリウム２を
収納している低温タンク３のまわりを真空容器９内に納
めて真空断熱している。また、室温の真空容器９から低
温タンク３に輻射熱が直接入らないように、低温タンク
３と真空容器９との間をシールド１０で遮蔽している。
さらに、シールド１０の遮蔽効果をあげるために、冷凍
機１２でシールド１０を８０Ｋ以下の低温に冷却してい
る。

【００１４】このシールド１０は、熱を伝えやすくする
ために、銅またはアルミニュウム等の高熱電導材料から
できている。またさらに、シールド１０への輻射熱は、
シールド１０に巻き付けた積層断熱材１１で軽減され
る。低温タンクで蒸発したヘリウムガスは、ネック４と
ネック５中を流れ、ヘリウムガス吐出口７から排出され
る。

【００１５】低温タンク３を冷却した場合、部材１７は
熱収縮を起さないが、低温タンク３は、熱収縮する。こ
のとき、低温タンク３と部材１７との間で相対的な滑り
が起こる。この滑りはボルト１８と部材１７のボルト穴
２０との隙間２１によって吸収される。これにより、荷
重支持体１３に作用する熱収縮による応力を緩和するこ
とができる。

【００１６】もし、本発明のように、部材１７を備えて
いず、荷重支持体１３のフランジ１４が、直接低温タン
ク３に固定されている場合には、荷重支持体１３には熱
歪による荷重が作用する。その荷重を求めると、次のよ
うになる。すなわち、図１に示すように、荷重支持体１
３間の長さＬを１０００ｍｍ、低温タンク３の材質をス
テンレス鋼とする。低温タンク３は、室温から液体ヘリ
ウム温度まで冷却すると、ΔＬ／Ｌ＝０．３％収縮す
る。長さＬ／２では、１．５ｍｍ縮む。この熱収縮量を
荷重支持体１３のたわみ量とする。荷重支持体１３の等
価的な荷重を片持ち支持梁モデルで以下の仮定で計算す
る。円筒の荷重支持体１３の内外径を９４ｍｍと１００
ｍｍ、長さを２００ｍｍとする。荷重支持体１３の断熱
支持体１５の材質をグラスファイバとエポキシ樹脂との
複合材とする。この断熱支持体１５のヤング率を５００
０ｋｇ／ｍｍ2とした場合、断熱支持体１５に加わった
荷重は、約３０００ｋｇになる。断熱支持体１５のせん
断応力を１０ｋｇ／ｍｍ2とすると、断熱支持体１５の
円筒の断面積から断熱支持体１５のせん断力は約９００
０ｋｇとなる。つまり、この１個の荷重支持体１３で支
えることができる荷重は、せん断力から熱歪による荷重
を引いた６０００ｋｇとなる。熱歪による荷重を小さく
するには、断熱支持体１５の長さを長くすることが考え
られるが、超電導磁石全体の大きさが増大するので、好
ましくない。

【００１７】医療装置である磁気共鳴イメージング装置
の超電導磁石では、病院の床面積の増加につながるた
め、超電導磁石の大きさを増大させることは、特に嫌う
ものである。逆に、せん断力を増大させるために、断面
積を大きくすることは、液体ヘリウムの消費量を増大さ
れるため好ましくない。このため、熱応力をなくすこと
は、荷重支持体１３のせん断力を十分利用できるメリッ
トがある。また、荷重支持体１３を小型化することがで
きる。

【００１８】図３は本発明の超電導磁石の他の実施例を
示すもので、この図において、図１と図２と同一番号は
同一部分を示している。この実施例は２２は、荷重支持
体１３を縦型に配置したものであり、具体的には荷重支
持体１３のフランジ１６の側端を真空容器９の内面に固
定し、荷重支持体１３のフランジ１４の側端を、部材１
７に接合した他の部材２３に接合されている。他の部材
２３は断熱支持体１５と熱膨張係数が同じものである。
また、部材１７の長さは、荷重支持体１３のフランジ１
６と同じ位置に相当するＬ／２に設定されている。

【００１９】この実施例によれば、荷重支持体１３を縦
にして、超電導コイル１と低温タンク３等の重量を荷重
支持体１３の圧縮によって支持している。荷重支持体１
３は、せん断よりも圧縮の方が大きな荷重を支えること
ができる場合もある。また、部材１７の長さは、荷重支
持体１３のフランジ１６と同じ位置に相当するＬ／２で
あるので、部材１７の長さは低温下で変化しない。断熱
支持体１５の材質がグラスファイバーまたはアルミナフ
ァイバー等では低温下では熱収縮するので、断熱支持体
１５と同じ位置関係にある他の部材２３の材質も断熱支
持体１１と同じものを使って熱収縮量を軽減している。

【００２０】図４は本発明の超電導磁石のさらに他の実
施例を示すもので、この図において図１と同符号のもの
は同一部分である。この実施例は図１に示す実施例にお
いて部材１７が担っていた機能を低温タンク３で請け負
い、部材１７を削除したものである。従って、低温タン
クの熱膨張係数は、図１の部材１７と同じく低温下でも
熱収縮のないものからできている。例えば、カーボンフ
ァイバーまたはポリアミドファイバーとエポキシ樹脂か
らなる複合材料で低温タンク３はできている。

【００２１】この実施例によれば、上述した実施例と同
様に低温タンクを冷却しても熱変形することがない。つ
まり、荷重支持体１３には熱応力が加わらないため、荷
重支持体１３の機械的強度特性を十分発揮することがで
きる。

【００２２】

【発明の効果】本発明によれば、低温タンクを冷却した
ときに生じる熱収縮が荷重支持体に影響を及ぼさないた
め、荷重支持体が持っている本来の機械的強度特性を十
分発揮することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の超電導磁石の一実施例を示す断面図で
ある。

【図２】図１に示す本発明の超電導磁石の一実施例にお
ける荷重支持体部分を拡大して示す断面図である。

【図３】本発明の超電導磁石の他の実施例における荷重
支持体部分を拡大して示す断面図である。

【図４】本発明の超電導磁石のさらに他の実施例を示す
断面図である。

【符号の説明】

１…超電導コイル、２…液体ヘリウム、３…低温タン
ク、９…真空容器、１０…シ−ルド、１１…積層断熱
材、１２…冷凍機、１３…荷重支持体、１４…フラン
ジ、１５…断熱支持体、１６…フランジ、１７…部材。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】超電導磁石を収納する低温タンクとその容
   器を包み込んだ真空容器とを低熱伝導率の荷重支持体で
   連結して成る超電導磁石において、前記低温タンクと前
   記荷重支持体の低温端との間に、線膨張係数がほぼ零で
   ある部材を設けたことを特徴とする超電導磁石。
2. 【請求項２】前記荷重支持体を少なくとも２個備え、そ
   れぞれの荷重支持体の低温端を前記部材に連結したこと
   を特徴とする請求項第１項記載の超電導磁石。
3. 【請求項３】前記低温タンクの線膨張係数がほぼ零であ
   ることを特徴とする請求項第１項記載の超電導磁石。
4. 【請求項４】前記低温タンクの材質がカーボンファイバ
   ーまたはポリアミドファイバーとエポキシ樹脂の複合材
   料であることを特徴とする請求項第３項記載の超電導磁
   石。