JPH11329834A

JPH11329834A - 超伝導材料からなる導体を備えた超伝導装置

Info

Publication number: JPH11329834A
Application number: JP11079943A
Authority: JP
Inventors: Florian Dr Steinmeyer; シュタインマイヤーフローリアン
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1998-03-25
Filing date: 1999-03-24
Publication date: 1999-11-30
Also published as: DE19813211A1; DE19813211C2; EP0947849A3; EP0947849A2

Abstract

(57)【要約】【課題】高臨界温度の超伝導材料からなり、７７Ｋ以下
の温度レベルに保たれている導体を備えた少なくとも１
つの超伝導巻線が配置されている室温側の真空容器と、
この真空容器と巻線との間の熱絶縁手段とを備えた超伝
導装置の構造を簡単にする。【解決手段】熱絶縁のために巻線３と真空容器４との間
にある全ての熱絶縁手段（８ａ，８ｂ）を冷却されてい
ないようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、高臨界温度の超
伝導材料からなり７７Ｋ以下の温度レベルに保たれてい
る導体を備えた少なくとも１つの超伝導巻線が配置され
た室温側の真空容器と、この真空容器と巻線との間に配
置された熱絶縁手段とを備えた超伝導装置に関する。こ
のような超伝導装置は、例えば、「クライオジェニク
ス」第３５巻、第２号、１９９５年、第１２７頁乃至第
１３３頁に記載されている。

【０００２】

【従来の技術】７７Ｋ以上の高い臨界温度ＴＣを持ち、
それ故高ＴＣ超伝導材料或いはＨＴＳ材料とも称され、
しばしば液体窒素（ＬＮ２）によって約７７Ｋの温度に
おいて冷却される超伝導金属酸化物化合物は公知であ
る。このような超伝導金属酸化物化合物には、特に、希
土類を含む基本型Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ或いは希土類を含
まない基本型Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃｕ−Ｏ（この場合Ｂｉ成分
は特にＰｂによって部分的に置換され得る）のような特
殊な物質系の銅酸塩が属する。これらの超伝導材料によ
り、例えば変圧器、超伝導エネルギー蓄積器或いは核磁
気共鳴断層撮影もしくはＭＲＩもしくはＮＭＲ装置の磁
石において、特に磁石巻線の構成のためにも使われる、
超伝導線材或いは特に超伝導板の形の超伝導体が開発さ
れた。

【０００３】しかしながらこのような導体は、例えば８
０乃至１１０Ｋの高い臨界温度ＴＣにもかかわらず、約
０．１乃至数テスラの要求される磁場強度において大き
な電流を担い得るためには、最高２０乃至５０Ｋの温度
に保たれねばならないことが判明している。このような
温度は、確かに、一方では、例えばＮｂＴｉのような古
典的な金属超伝導材料を備えた導体が保たれる、液体ヘ
リウム（ＬＨｅ）の沸騰温度の４．２Ｋより明らかに高
い。他方、ＬＮ２による冷却は７７Ｋにおいては比較的
高い温度の故に不経済である。水素（沸騰温度２０．４
Ｋ）やネオン（沸騰温度２７．１Ｋ）のような他の液化
ガスはその危険性の故に或いは技術的に制御できないの
で問題にならない。

【０００４】従来の技術においては、大型のクライオス
タットや磁石コイルシステムに対して約１５乃至４０Ｋ
の温度において経済的な動作のために、液体窒素（７７
Ｋ）或いは冷凍機、例えば１段式の冷凍機或いは２段式
の冷凍機の第一段によって約８０Ｋにまで保たれる少な
くとも１つの放射シールドが必要であるということを基
本にしている。このような放射シールドの構造に対して
はかなりの機械的な出費が必要である。即ち、ａ）この放射シールドは、通常、磁石巻線及びこれを包
囲する真空容器の形状に合わせなければならないので、
複雑な形状に構成しなければならない。このような面倒
な形状の例は、例えばトロイド形である。ｂ）放射シールドの懸垂は熱伝導率の小さい要素を介し
て行う必要がある。ｃ）冷凍機の低温面への結合は多くの用途で費用がかか
る。即ち、このような冷凍機は定期的に保守が必要なの
で、通常は高い熱伝導性を持った着脱自在の結合が必要
である。さらに、この結合は、冷凍機の機械的な振動を
放射シールドから遠ざけるために、機械的に柔軟に構
成しなければならない。さもないと、例えば核磁気共
鳴断層撮影装置の磁石に、画像形成を妨害する渦電流
が生ずることがある。

【０００５】ＨＴＳ材料を備えた公知の超伝導磁石にお
いては従来常に放射シールドが設けられ、このシールド
はその所望の対策により磁石巻線の低温の動作温度とこ
れを取り巻く室温にある容器との間の中間温度に保たれ
ていた。熱絶縁手段として考えられるこのような磁石の
放射シールドは、例えば冒頭に挙げた「クライオジェニ
クス」の文献に記載されている。それにおいては、この
公知の磁石の放射シールドは高ＴＣ超伝導材料、Ｂｉ−
２２１２−銅酸塩を備えた導体からなる磁石巻線を包囲
し、この超伝導材料は２段式の冷凍機、ガイホード・マ
クマホン・クライオクーラにより約２０Ｋに保たれる。
放射シールドは、その場合、この冷凍機の第一段に熱的
に結合され、それ故磁石巻線に比べて遥かに高い温度に
ある。この磁石巻線及びこれを取り巻く放射シールドか
らなる構造は、その場合室温にある掃気された真空容器
内にある。このような超伝導磁石は、また「応用超伝導
（Applied Superconductivity)」第２巻、第３／４号、
１９９４年、第２３７頁乃至第２５０頁にも記載されて
いる。

【０００６】さらに、このような構造の放射シールドを
別の１段式のクライオクーラにより約４０乃至８０Ｋに
保持することも公知である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】この発明の課題は、冒
頭に挙げた特徴を備えた超伝導装置の構造を簡単にする
ことにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に、この発明によれば、超伝導巻線と真空容器との間に
ある全ての熱絶縁手段が冷却されないようにする。

【０００９】ＨＴＳ材料を備えた巻線を冷凍機により冷
却することの問題は、それ故、この巻線が外部からの熱
放射に対して、放射シールドを完全に使用しないで、そ
れ自体公知の特別の冷却対策によって冷却されてない冷
却手段、例えば多層超絶縁箔、絶縁フリース、絶縁粉末
或いは発泡絶縁材だけで絶縁されることにより解決され
る。上記の絶縁材料は必要に応じて互いに組み合わせる
こともできる。この発明においては、それ故、放射シー
ルドを使用するという従来の慣習は放棄されている。放
射シールドを使用しないことにより、確かに、超伝導巻
線に対する熱負荷が増大される。しかしながら、有利な
ことに、その構造の機械的な複雑さが明らかに減少す
る。即ち、放射シールドを使用しない構造は非常にコン
パクトな冷却システムを可能とするので、同じに利用可
能な磁石容積において巻線をより小さく、従ってより安
価に構成することができ、さらにまた利用者に対してよ
り多くの利用空間が提供される。このことは、特に核磁
気共鳴断層撮影装置の磁石システムにおいては極めて大
きな意義がある。なぜならこの場合常に価格、重量及び
被検体空間との間の妥協が図られなければならないから
である。特にいわゆる処置を行う核磁気共鳴断層診断装
置（最小の侵襲干渉をもってＭＲＩ画像により常時手術
が監視される）において医療関係者に対する利便を広げ
ることができる。しかしまた、この発明による超伝導装
置としての可動式の変圧器システム或いはエネルギー蓄
積器或いは発電機或いは電動機においても容積の削減は
大きな意義がある。

【００１０】ＨＴＳ巻線の冷却のためにＨｅの閉鎖形圧
力循環路を備えた冷凍機を設けることは、特に有利であ
る。このような冷凍機はガイホード・マクマホン型クー
ラ或いはスターリング型クーラ或いはまたパルス管クー
ラ（例えば、ＶＤＩ技術センターの「インホ・フィジ・
テック（INFO PHYS TECH) ）第６号／１９９６年２月、
「パルス管クーラ：超伝導技術及びクライオエレクトロ
ニクス用新形冷凍機」第４頁参照）とすることができ
る。このような冷凍機は、その上、いわゆる「押しボタ
ン式」の低温が得られ、利用者にとって低温液体の取扱
いを省略できるという利点を持っている。この冷却方式
においては超伝導装置、例えば電磁コイル或いは変圧器
の冷却は冷凍機の低温ヘッドへの熱伝導により間接的に
行われる。少なくとも１つのパルス管冷却器の使用もま
た有効と思われる。

【００１１】この発明による超伝導装置の実施態様は従
属請求項に記載されている。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下にこの発明を実施例について
図面を参照してさらに説明する。なお各図においてそれ
ぞれ対応する部分は同一の符号を備えている。

【００１３】図１に示されたこの発明による超伝導装置
は、特に、核磁気共鳴断層撮影もしくはＮＭＲもしくは
ＭＲＩ装置の超伝導の基本磁場磁石である。このような
磁石の基本構造は一般に公知である。２で示す磁石は、
その場合、特に管状の断面を持つ少なくとも１つの超伝
導磁石巻線３を含む。これに対応する磁石巻線は、特に
ソレノイド形状を形成するか、或いは軸方向に前後して
配置された複数のコイルからなるコイルシステムの一部
である。この巻線は公知のＨＴＳ材料の１つ、例えばビ
スマス銅酸塩からなる導体で構成されるものとする。こ
の巻線はこれを同心的に包囲し、外側の中空円筒状の容
器壁４ａ及び内側の中空円筒状の容器壁４ｂを備えた掃
気された真空容器４により取り囲まれている。この真空
容器は、その場合、少なくともほぼ室温ＲＴにある。こ
れに対して磁石巻線３の導体は冷凍機５によって明らか
に７７Ｋ以下の低温動作温度ＴＴ、例えば１０―５０Ｋ
との間の、特に１５―４０Ｋとの間の温度に保たれる。
この冷凍機は、例えば１段の低温ヘッド６とこれに接続
されたコンプレッサ７を含むガイホード・マクマホン型
のクライオクーラとすることができる。コンプレッサ７
は低温ヘッドにＨｅの圧力ガスを供給する。高温側の容
器壁４ａ及び４ｂから冷却された磁石巻線３の範囲に熱
が侵入するのを減少させるために熱絶縁手段が設けられ
ているが、この熱絶縁手段はこの発明によれば冷却され
ていない。即ちこのことは、この絶縁手段が磁石巻線３
の低温動作温度ＴＴと真空容器４の室温ＲＴとの間の中
間温度レベルに冷却媒体或いは冷凍機により特別には保
たれていないこと、特に冷却された放射シールドが使用
されていないことを意味する。即ち、熱絶縁には単に磁
石巻線と容器壁との間の中間室における真空Ｖ並びにそ
こに存在する熱絶縁手段８ａ及び８ｂが貢献するだけで
ある。図１に暗示されるように、熱絶縁手段としては特
にいわゆる超絶縁箔の層を用いることができる。しかし
また、他の公知の熱絶縁手段、例えば絶縁フリース、絶
縁粉末或いは発泡絶縁材料も適している。これらの絶縁
手段はまた互いに或いは他の公知の熱絶縁手段と組み合
わせることもできる。低温システムに対する熱負荷は、
その場合熱放射、磁石巻線の懸垂、電流リード及び抵抗
性プロセスによる超伝導巻線における散逸のような全て
の損失プロセスを最適化することにより小さくできるの
で、特別な放射シールドを使用しないでもすませること
ができることが認められた。それにもかかわらず、性能
のよい１段式の冷凍機、例えば２５Ｗの熱負荷を２０Ｋ
において放出することのできる「ライボルトＲＧＳ１２
０Ｔ」型のガイホード・マクマホン冷凍機を２０乃至３
０Ｋにおいて経済的な観点から使用することも可能であ
る。

【００１４】図１にさらに示されるように、真空容器４
はその内側の容器壁４ｂで、被検体Ｐを収納するための
利用空間Ｎを室温ＲＴで包囲している。

【００１５】同様に放射シールドを使用せずに多段式の
冷凍機を、例えばこの冷凍機の第一段が電流リードを中
間的に冷却し、第二段がＨＴＳ巻線の冷却に利用される
ようにして使用することができることは明らかである。
図２はこのような例を示す。この場合、図１の実施例に
対して超伝導磁石２の巻線３は冷凍機１１の２段式の低
温ヘッド１０により冷却される。低温ヘッドの第二段
は、その場合、巻線を熱伝導により例えば１５乃至４０
Ｋに冷却する。熱放出を改善するために、さらに、例え
ばガス流或いは熱パイプ（いわゆるヒートパイプ）のよ
うなその他の手段を使用することもできる。図には示さ
れていないが、電流リードは真空容器４の外側の室温側
の容器壁４ａと低温側の磁石巻線３の低温フランジとの
間の真空中を延びている。この電流リードは、有利に
は、冷凍機の第一段１０ａに熱的に取付けられる。約７
０乃至１００Ｋの第一段１０ａと約１５乃至４０Ｋに保
たれている磁石巻線３の第二段１０ｂとの間の電流リー
ドとして、ＨＴＳ導体を使用することも有利である。同
様にコイル懸垂部の中間冷却も可能である。磁石巻線の
室温からの冷却を加速するために、熱スイッチ、例えば
ガススイッチ或いは機械的スイッチを使用するが有利で
ある。冷凍機は、この場合も、その振動が有利に減少さ
れる、ガイホード・マクマホン型、スターリング型或い
はパルス管クーラが使用される。例えば、第一段がガイ
ホード・マクマホン型クーラから、第二段がパルス管ク
ーラからなるハイブリッド型を使用することもできる。

【００１６】これとは異なり、２つの１段式の冷凍機を
使用し、一方の冷凍機が磁石巻線を１５乃至４０Ｋに冷
却するようにもできる。他方の冷凍機は、その場合、例
えば７０乃至１００Ｋのより高い温度に必要な電流リー
ドを中間的に冷却する。この場合、低温の電流リード部
分はＨＴＳ材料からなる。同様にコイル懸垂部の中間冷
却も可能である。この２つの冷凍機はまたガイホード・
マクマホン型、スターリング型及び／又はパルス管クー
ラの組合せとすることもできる。

【００１７】さらに、１段式の冷凍機と２段式の冷凍機
とを使用し、この２段式の冷凍機の第二段で磁石巻線を
１５乃至４０Ｋに冷却することもできる。１段式の冷凍
機は約７０乃至１００Ｋの高い温度に電流リードを中間
的に冷却し、この場合も低温側の電流リード部分はＨＴ
Ｓ材料からなることができる。この場合もまた、コイル
懸垂部の中間冷却が可能である。両冷凍機は前記のクー
ラの組合せとすることができる。

【００１８】この発明の超伝導装置としての図３に断面
で示された核磁気共鳴断層撮影装置の磁石１５において
はＣ形の継鉄１６を備えた公知の構造を基本にしている
（例えばヨーロッパ特許出願公開第０６１６２３０号明
細書参照）。

【００１９】この継鉄１６はＨＴＳ導体を備えた２つの
超伝導磁石巻線１７ａ及び１７ｂにより磁化される。巻
線１７ａ及び１７ｂを包囲する別々の真空容器１８ａ及
び１８ｂには放射シールドは何ら設けられていない。熱
絶縁手段１９としては真空容器を掃気する他に公知の多
層超絶縁箔が設けられているだけである。冷凍機２１の
各１つの低温ヘッド２０ａもしくは２０ｂが対応する磁
石巻線１７ａもしくは１７ｂを、熱伝導により間接的
に、例えば１５乃至４０Ｋの必要な動作温度に冷却して
いる。必要な出力に応じてこれらの低温ヘッドは１つ或
いは複数のコンプレッサ７によりＨｅ圧力ガスが供給さ
れる。図３には、さらに、被検体Ｐを収容する検査領域
もしくは利用空間Ｎに生じた磁束Ｂが対応する磁場の磁
力線ｆで表されている。

【００２０】図４に示されるＭＲＩ磁石２５は、図３の
ＭＲＩ磁石と、磁石巻線１７ａ及び１７ｂの冷却方式の
点でのみ異なる。この場合、冷凍機２７の第一段の低温
ヘッド２６が両磁石巻線を熱伝導の良い結合部２８によ
り必要な低温に冷却している。この結合部２８は例えば
銅或いはアルミニウムのロッド、熱パイプ（いわゆるヒ
ートパイプ）或いはガス循環路であり、熱絶縁の理由か
ら真空容器２９に格納されている。この真空容器は例え
ば磁石巻線の真空容器１８ａ及び１８ｂと共に共通の真
空室を形成するか、或いはこれから真空的に分離されて
もよい。

【００２１】図３及び４に採用されているＣ形の継鉄の
代わりに、核磁気共鳴断層撮影装置の磁石として他の形
状、例えばＨ形の或いはテンプル形の継鉄を設け、これ
にこの発明による巻線を備えることができる。

【００２２】この発明による前述の超伝導装置に対して
は、このシステムの大きさに応じてまた複数の低温ヘッ
ドを使用することができる。さらに、このシステムに応
じて、多数の超伝導巻線を１つの共通の熱通路を介して
冷却することができる。巻線としては誘導を増幅するた
め、磁場形成及び／又はシールドのための鉄と組み合わ
せた空隙コイル或いはコイルが用いられる。巻線は、そ
の場合、明らかに７７Ｋ以下の温度レベルに保たれてい
るＨＴＳ材料が用意される場合には、磁石、変圧器、発
電機或いは電動機の部分とすることができる。

【００２３】図示の実施例においては、低温にあるＨＴ
Ｓ材料を備えた超伝導巻線に対して特に有利と考えられ
る間接冷却が行われることを基本にしている。しかし、
場合によっては、この発明による超伝導装置の少なくと
も１つの巻線を、この巻線の導体をジャブ漬け方式によ
り冷却する、特にＨｅのような冷媒を収納する巻線容器
により包囲することができる。この冷媒はその場合必ず
しも液化されている必要はない。その代わりに、少なく
とも１つの巻線の超伝導体がこのために必要な少なくと
も１つの真空密な冷媒通路を備えている場合には、強制
冷却も可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】１段式の冷凍機を備えた超伝導磁石の断面図。

【図２】２段式の冷凍機を備えた超伝導磁石の断面図。

【図３】超伝導磁石装置を備えた核磁気共鳴断層撮影装
置のＣ形磁石の断面図。

【図４】超伝導磁石装置を備えた核磁気共鳴断層撮影装
置の異なるＣ形磁石の断面図。

【符号の説明】

２ＭＲＩ磁石３磁石巻線４真空容器４ａ外側の容器壁４ｂ内側の容器壁５冷凍機６低温ヘッド７コンプレッサ８ａ、８ｂ熱絶縁手段（超絶縁箔）１０低温ヘッド１０ａ低温ヘッドの第一段１０ｂ低温ヘッドの第二段１１冷凍機１５ＭＲＩ磁石１６継鉄１７ａ、１７ｂ磁石巻線１９熱絶縁手段（超絶縁箔）２０ａ、２０ｂ低温ヘッド２１冷凍機２５ＭＲＩ磁石２６低温ヘッド２７冷凍機２８熱伝導結合部２９真空容器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高臨界温度の超伝導材料からなり７７Ｋ以
下の温度レベルに保たれている導体を備えた少なくとも
１つの超伝導巻線が配置された室温側の真空容器と、こ
の真空容器と巻線との間に配置された熱絶縁手段とを備
え、巻線（３；１７ａ、１７ｂ）と真空容器（４；１８
ａ、１８ｂ）との間にある全ての熱絶縁手段（８ａ、８
ｂ；１９）が冷却されていないことを特徴とする超伝導
装置。
【請求項２】熱絶縁手段（８ａ、８ｂ；１９）が超絶縁
箔及び／又は絶縁フリース及び／又は絶縁粉末及び／又
は発泡絶縁材料を少なくとも含んでいることを特徴とす
る請求項１記載の装置。
【請求項３】少なくとも１つの巻線が、この巻線の導体
の１つを冷却する冷媒を収容するために設けられた巻線
容器によって包囲されていることを特徴とする請求項１
又は２記載の装置。
【請求項４】少なくとも１つの巻線が、少なくとも１つ
の真空密の冷媒通路を備え、この通路を通して強制的に
この導体を冷却する冷媒が流される超伝導導体で構成さ
れていることを特徴とする請求項１又は２記載の装置。
【請求項５】少なくとも１つの巻線（３；１７ａ、１７
ｂ）が、冷凍機（５、１１、２１、２７）の低温部に熱
的に結合することによって間接的に冷却されていること
を特徴とする請求項１又は２記載の装置。
【請求項６】冷凍機がガイホールド・マクマホン型或い
はスターリング型の或いはパルス管クーラであることを
特徴とする請求項５記載の装置。
【請求項７】冷凍機（５、１１、２１、２７）が少なく
とも１つの巻線（３；１７ａ、１７ｂ）に熱的に結合し
ている少なくとも１つの低温ヘッド（６、１０、２０
ａ、２０ｂ、２６）を含んでいることを特徴とする請求
項５又は６記載の装置。
【請求項８】少なくとも１つの低温ヘッド（６、１０、
２０ａ、２０ｂ、２６）が１段又は多段に構成されてい
ることを特徴とする請求項７記載の装置。
【請求項９】熱的に結合するために熱的に良伝導性の結
合部（２８）、特に銅或いはアルミニウムのロッド或い
は熱伝導管或いはガス循環路が設けられていることを特
徴とする請求項５乃至８の１つに記載の装置。
【請求項１０】少なくとも１つの巻線（３；１７ａ、１
７ｂ）が核磁気共鳴断層撮影装置の磁石（２、１５、２
５）の一部であることを特徴とする請求項１乃至９の１
つに記載の装置。
【請求項１１】少なくとも１つの巻線（３）が管状に構
成されていることを特徴とする請求項１乃至１０の１つ
に記載の装置。
【請求項１２】少なくとも１つの磁石巻線（１７ａ、１
７ｂ）が磁石（１５、２５）のＣ形継鉄（１６）に固定
されていることを特徴とする請求項１０記載の装置。
【請求項１３】２つの磁石巻線（１７ａ、１７ｂ）がそ
れぞれ１つの固有の真空容器（１８ａ、１８ｂ）に配置
され、それぞれ少なくとも１つの冷凍機（２１）の少な
くとも１つの固有の低温ヘッド（２０ａ、２０ｂ）によ
り冷却されていることを特徴とする請求項１２記載の装
置。
【請求項１４】２つの磁石巻線（１７ａ、１７ｂ）がそ
れぞれ１つの真空容器の真空室に配置され、それらの真
空容器の間に別の真空容器（２９）が配置され、その真
空室に少なくとも１つの冷凍機（２７）の、磁石巻線
（１７ａ、１７ｂ）と熱伝導結合（結合要素２８）して
いる少なくとも１つの低温ヘッド（２６）が配置されて
いることを特徴とする請求項１２記載の装置。
【請求項１５】磁石巻線（１７ａ、１７ｂ）及び低温ヘ
ッド（２６）の真空室が共通の真空容器の共通の真空室
を形成していることを特徴とする請求項１４記載の装
置。
【請求項１６】少なくとも１つの巻線（３；１７ａ、１
７ｂ）が１０Ｋと５０Ｋとの間、好ましくは１５Ｋと４
０Ｋとの間の温度に保たれていることを特徴とする請求
項１乃至１５の１つに記載の装置。
【請求項１７】高ＴＣ超伝導材料がビスマス銅酸塩であ
ることを特徴とする請求項１乃至１６の１つに記載の装
置。