JPH11354317A - 超電導マグネットシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】省電力化・低騒音化・長寿命化・コストの低廉
化を実現すること。 【解決手段】酸化物高温超電導線で形成され、真空容器
30の内部に配置された超電導コイル31と、冷却を行なう
ためのクライオクーラー33と、超電導コイル31とクライ
オクーラー33とを、伝熱リード36を介して熱的に接続す
る熱スイッチ35とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば磁気共鳴診
断装置（ＭＲＩ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｉｎａｎｃ
ｅ Ｉｍａｇｉｎｇ）等の一様な磁場および傾斜磁場を
発生する装置に使用される超電導マグネットシステムに
係り、特に省電力化・低騒音化・長寿命化・コストの低
廉化を実現できるようにした超電導マグネットシステム
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、例えば磁気共鳴診断装置は、被
検体に対して非常に強い静磁場が要求される。また、傾
斜磁場は、時間的に変化する磁場とし静磁場に追加され
る。さらに、被検体は高周波磁場にさらされ、被検体の
中から高周波の磁気共鳴信号が発せられ、この磁気共鳴
信号を検出して、被検体の断層像が再構成される。

【０００３】磁気共鳴診断装置においては、静磁場強度
は、通常数キロガウスから１０キロガウス（１テスラ）
なければならない。さらに、空間的均一性も要求され、
数１０ｐｐｍ以下の均一性が必要になる。この必要とさ
れる空間的な領域は、しばしば５０ｃｍ直径の球状の大
きさである。

【０００４】従来では、このような強磁場は、永久磁石
や超電導マグネットを用いて生成されている。永久磁石
は、典型的には、電力や、液体へリウムや液体窒素等の
極低温冷媒を必要としないため、ランニングコストが低
く経済的である。しかしながら、永久磁石は、磁場強度
に限界があり、コスト的には０．３テスラが上限であ
り、時間的な安定性にも限界がある。

【０００５】これに対して、超電導マグネットは、高均
一でかつ時間的に高安定な強磁場を生成するには最適な
ものである。そして、これらの利点により、磁気共鳴診
断装置に使用されるマグネットのほとんどが、超電導マ
グネットになっているのが現状である。

【０００６】図５は、この種の従来の超電導マグネット
システムの構成例を示す断面図である。図５において、
真空容器１の内部には、超電導コイル２が配置されてい
る。

【０００７】この超電導コイル２は、４Ｋに冷やすため
に、液体ヘリウム容器３内に収容した極低温冷媒である
液体ヘリウム中に侵浸されており、超電導状態を維持し
ている。

【０００８】また、液体ヘリウム容器３内の液体へリウ
ムの蒸発を減少させるために、真空容器１内部の超電導
コイル２の外側には、熱シールド板４が配置されてい
る。この熱シールド板４は、冷却を行なうためのクライ
オクーラー５の低温部に、熱リード６で熱的に接続され
て、２０Ｋから８０Ｋに冷やされており、輻射熱を低減
させている。

【０００９】なお、図５中、７は傾斜磁場を発生するた
めの傾斜磁場コイルである。しかしながら、このような
超電導マグネットシステムでは、次のような問題があ
る。

【００１０】すなわち、従来の超電導マグネットシステ
ムは、その動作に液体へリウムや液体窒素等の極低温冷
媒を使用している。従って、クライオクーラー５を用い
ても、液体へリウムの蒸発をなくすことはできず、数ケ
月毎に液体ヘリウムを注液することが必要となり、手間
とコストが問題になる。

【００１１】そこで、最近では、例えばＧｉｆｏｒｄ−
ＭｃＭａｈｏｎタイプの２段式のクライオクーラーによ
り、液体へリウムや液体窒素等の極低温冷媒を使用しな
いで、４Ｋの低温が得られるようになり、磁気共鳴診断
装置にも使用されるようになってきている。

【００１２】この場合は、液体へリウムや液体窒素等の
極低温冷媒を全く使用しないため、液体へリウムの注液
の必要は全く無い。図６は、この種の従来の超電導マグ
ネットシステムの構成例を示す断面図である。

【００１３】図６において、真空容器１１の内部には、
超電導コイル１２が配置されている。また、真空容器１
１内部の超電導コイル１２の外側には、熱シールド板１
３が配置されている。

【００１４】さらに、超電導コイル１１は、冷却を行な
うためのクライオクーラー１４の低温部１５に、熱リー
ド１６で熱的に接続されており、熱シールド板１３も、
クライオクーラー１４の高温部（約５０Ｋ）１７に、熱
リード１８で熱的に接続されている。

【００１５】なお、図６中、１９は傾斜磁場を発生する
ための傾斜磁場コイルである。しかしながら、このよう
な超電導マグネットシステムでは、次のような問題があ
る。

【００１６】すなわち、クライオクーラー１４は２４時
間休みなく稼働しているため、騒音が大きく、病院で使
用する医用機器装置としては問題がある。また、機械的
な振動が超電導マグネット内部に伝わるため、熱シール
ド板１３への振動の可能性があり、磁場の時間的な安定
性への影響も問題になり得る。

【００１７】さらに、クライオクーラー１４の低温部１
５での可動部分は、定期的な交換が必要になっており、
１年に一回の定期交換が必要であり、メンテナンスコス
トも病院経営を圧迫することになり得る。さらにまた、
経済的には、電気代もシステムランニングコストの３０
％近くを占めており、クライオクーラー１４の省電力化
と長寿命化は大きな問題である。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、従来の
超電導マグネットシステムにおいては、省電力化・低騒
音化・長寿命化・コストの低廉化を図る上で問題があっ
た。本発明の目的は、省電力化・低騒音化・長寿命化・
コストの低廉化を実現することが可能な超電導マグネッ
トシステムを提供することにある。

【００１９】

【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、一様な磁場および傾斜磁場を発生する装置に使用
される超電導マグネットシステムにおいて、請求項１の
発明では、酸化物高温超電導線で形成され、真空容器の
内部に配置された超電導コイルと、冷却を行なうための
クライオクーラーと、超電導コイルとクライオクーラー
とを、伝熱リードを介して熱的に接続する熱スイッチと
を備える。

【００２０】従って、請求項１の発明の超電導マグネッ
トシステムにおいては、酸化物高温超電導線で形成され
た超電導コイルを、熱スイッチを介してクライオクーラ
ーで直接冷却することにより、液体へリウムや液体窒素
等の極低温冷媒を使用しないで済むため、システムラン
ニングコストを低減することができる。

【００２１】また、酸化物高温超電導線で形成された超
電導コイルからなることにより、温度マージンが大きく
かつ比熱が大きいため、超電導コイルへの熱侵入に対し
てクエンチし難く、熱スイッチを介してクライオウーラ
ーと熱的に接続されているため、クライオクーラーの運
転が止まった時には、熱スイッチをＯＦＦにすること
で、超電導コイルトとクライクーラーとを熱的に切り離
すことができ、クライオクーラーを介しての外部からの
熱侵入を抑えることができる。これにより、安定した超
電導マグネットシステムとして使用することが可能とな
る。

【００２２】また、請求項２の発明では、酸化物高温超
電導線で形成され、真空容器の内部に配置された超電導
コイルと、超電導コイルの外側に配置された熱シールド
体と、冷却を行なうためのクライオクーラーと、超電導
コイルとクライオクーラーの低温部とを、第１の伝熱リ
ードを介して熱的に接続する第１の熱スイッチと、熱シ
ールド体とクライオクーラーの高温部とを、第２の伝熱
リードを介して熱的に接続する第２の熱スイッチとを備
える。

【００２３】従って、請求項２の発明の超電導マグネッ
トシステムにおいては、酸化物高温超電導線で形成され
た超電導コイルと熱シールド体を、それぞれの熱スイッ
チを介してクライオクーラーで直接冷却することによ
り、クライオクーラーの運転が停止した時には、熱スイ
ッチをＯＦＦすることで、超電導コイルと熱シールド体
へのクライオクーラーを介しての外部からの熱侵入を抑
えることができるため、熱シールド体からの超電導コイ
ルへの輻射熱の増加を防ぐことができる。これにより、
超電導コイルを長時間安定して維持することが可能とな
る。

【００２４】一方、請求項３の発明では、上記請求項１
または請求項２の発明の超電導マグネットシステムにお
いて、クライオクーラーは、ＯＮ／ＯＦＦ制御されるコ
ンプレッサーを有する。

【００２５】従って、請求項３の発明の超電導マグネッ
トシステムにおいては、クライオクーラーが、ＯＮ／Ｏ
ＦＦ制御されるコンプレッサーを有することにより、コ
ンプレッサーの消費電力を削減するための運転モードを
自由に設定制御することができる。

【００２６】また、請求項４の発明では、上記請求項１
または請求項２の発明の超電導マグネットシステムにお
いて、熱スイッチは、ＯＮ／ＯＦＦ制御されるものであ
る。従って、請求項４の発明の超電導マグネットシステ
ムにおいては、ＯＮ／ＯＦＦ制御される熱スイッチを有
することにより、超電導マグネットや熱シールド体とク
ライオクーラーとの伝熱制御を、コンプレッサーと同調
して最適に制御することができる。

【００２７】さらに、請求項５の発明では、上記請求項
１または請求項２の発明の超電導マグネットシステムに
おいて、超電導コイルの温度を測定する温度測定手段を
有する。

【００２８】従って、請求項５の発明の超電導マグネッ
トシステムにおいては、超電導コイルの温度を測定する
温度測定手段を有することにより、超電導コイルの温度
をモニター可能となるため、超電導コイルの温度を監視
することができる。これにより、クライオクーラーが運
転休止時でも、超電導マグネットを安心して使用するこ
とが可能となる。

【００２９】一方、請求項６の発明では、上記請求項３
乃至請求項５のいずれか１項の発明の超電導マグネット
システムにおいて、コンプレッサー、熱スイッチを、Ｏ
Ｎ／ＯＦＦ制御するコンピューターを有する。

【００３０】ここで、特に上記コンピューターは、例え
ば請求項７に記載したように、超電導マグネットシステ
ム本体を使用する装置が運転している間は、コンプレッ
サー、熱スイッチを、ＯＦＦすることが好ましい。

【００３１】また、上記コンピューターは、例えば請求
項８に記載したように、温度測定手段により測定された
超電導コイルの温度が、通常温度時にコンプレッサー、
熱スイッチをＯＦＦし、あらかじめ設定した温度に達し
た時点でコンプレッサー、熱スイッチをＯＮすることが
好ましい。

【００３２】従って、請求項６乃至請求項８の発明の超
電導マグネットシステムにおいては、例えば温度測定手
段により測定された超電導コイルの温度に基づいて、コ
ンプレッサー、熱スイッチを、ＯＮ／ＯＦＦ制御するこ
とにより、クライオクーラーの運転を間欠的に行なうこ
とが可能となるため、クライオクーラーのコンプレッサ
ーの消費電力を最小に抑えるためのコンプレッサー運転
シーケンスを最適に設定制御することができる。

【００３３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態につ
いて図面を参照して詳細に説明する。図１は、本実施の
形態による磁気共鳴診断装置用の超電導マグネットシス
テムの構成例を示す断面図である。なお、図１では、鉛
直方向をＹ軸とした時の水平面Ｚ−Ｙー面を示してい
る。

【００３４】図１において、真空容器３０の内部には、
酸化物高温超電導線で形成された超電導コイル３１を配
置している。また、真空容器３０内部の超電導コイル３
１の外側には、熱シールド板３２を配置している。

【００３５】一方、超電導コイル３１は、冷却を行なう
ための２段式のクライオクーラー３３の低温部３４に、
熱スイッチ３５を介して伝熱リード３６で、電気的には
絶縁されて熱的に接続している。

【００３６】ここで、クライオクーラー３３の低温部３
４の温度は、超電導コイル３１の酸化物高温超電導線材
の超電導転移温度よりも十分低い温度、例えば２０Ｋ程
度まで冷えるようにしている。

【００３７】また、熱シールド板３２も、クライオクー
ラー３３の高温部３７に、熱スイッチ３８を介して伝熱
リード３９で、電気的には絶縁されて熱的に接続してい
る。一方、超電導コイル３１には、超電導コイル３１の
温度を測定（モニター）するための温度測定手段である
温度センサー（例えば、抵抗体温度計等）４０を熱的に
接続している。

【００３８】また、クライオクーラー３３は、コンプレ
ッサー４１を有している。さらに、室温部にはコンピュ
ーター４２を設置している。このコンピューター４２
は、各熱スイッチ３５，３８、温度センサー４０、コン
プレッサー４１と電気的に接続しており、温度センサー
４０により測定された超電導コイル３１の温度データを
入力し、所定の運転モードにしたがって、コンプレッサ
ー４１の冷凍能力やＯＮ／ＯＦＦ、各熱スイッチ３５，
３８のＯＮ／ＯＦＦを制御できるようになっている。

【００３９】なお、図１では省略しているが、実際に
は、超電導コイル３１に電流を供給するための電流リー
ドやケーブル、電源も、当然構成の一部として存在して
いる。次に、以上のように構成した本実施の形態の超電
導マグネットシステムにおける、コンプレッサー４１の
消費電力を少なくするための動作（運転モード）につい
て、図２乃至図４に示すタイムチャートを用いて説明す
る。

【００４０】（第１の運転モード）図２は、運転モード
の一例を示すタイムチャート図である。この場合は、磁
気共鳴診断装置が稼動している時間（ＯＮ）には、コン
プレッサー４１の消費電力削減のため、コンピューター
４２により、コンプレッサー４１は運転停止（ＯＦＦ）
させ、熱スイッチ３５，３８もＯＦＦにする。

【００４１】これにより、クライオクーラー３３の運転
が停止するため、機械的な振動やそれに伴なって発生す
る騒音がなくなり、静かな使用環境を供給することがで
きる。この時間は、通常朝８時から６時ぐらいまでであ
る。

【００４２】一方、夜間は、磁気共鳴診断装置は稼動さ
れないため、コンピューター４２により、コンプレッサ
ー４１を運転（ＯＮ）させて、熱スイッチ３５，３８も
ＯＮにし、クライオクーラー３３によって超電導コイル
３１と熱シールド板３２が冷却される。

【００４３】この場合、コンプレッサー４１が１０時間
の停止時間になるため、４０％の消費電力を省エネでき
ることになる。これは、クライオクーラー３３の使用時
間を４０％低減することであり、クライオクーラー３３
の低温部３４での機械的摩耗による寿命を約４０％向上
させることになり、メンテナンス期間を４０％長くする
ことができる。

【００４４】（第２の運転モード）図３は、運転モード
の他の例を示すタイムチャート図である。この場合は、
一週間のうち、磁気共鳴診断装置を使用する月曜日から
金曜日まで（１日〜５日）の間は、コンピューター４２
により、コンプレッサー４１は運転停止（ＯＦＦ）さ
せ、熱スイッチ３５，３８もＯＦＦにする。

【００４５】これにより、７０％の消費電力の削減が可
能となって、大幅な省エネ化を図ることができ、メンテ
ナンス期間を３．５倍に延長することができる。すなわ
ち、通常、クライオクーラーのメンテナンス期間は１年
間であるが、この場合には３．５年まで長くすることが
可能となり、ほとんどメンテナンスフリーといえる。

【００４６】（第３の運転モード）図４は、運転モード
の他の例を示すタイムチャート図である。これは、超電
導コイル３１の温度をモニターしながらの運転モードに
ついて示したものである。

【００４７】この場合は、超電導コイル３１の温度Ｔ
を、温度センサー４０で検出する。温度センサー４０で
検出された温度は、コンピューター４２によって読み込
む。

【００４８】超電導コイル３１の温度Ｔが、通常はＴ０
であり、時刻ｔ１において、コンピューター４２によ
り、熱スイッチ３５，３８、およびコンプレッサー４１
をＯＦＦにする。

【００４９】すると、超電導コイル３１の温度はゆっく
りと上昇し始める。そして、超電導コイル３１の温度Ｔ
が、あらかじめ設定した温度Ｔ１（酸化物高温超電導線
材の転移温度［より十分低い温度］）に達した時点ｔ２
で、コンピューター４２により、再び熱スイッチ３５，
３８、およびコンプレッサー４１をＯＮにして、超電導
コイル３１の冷却を開始する。超電導コイル３１の温度
Ｔは、熱慣性のために少し遅れて低下し、再び定常状態
ｔ３に達する。

【００５０】そして、このｔ３に達した時点から、あら
かじめ決めておいた時間Δｔ経過後ｔ４より、上記と同
様のプロセスを繰り返すことにより、安全できめ細かな
消費電力の制御を行なうことが可能となる。

【００５１】上述したように、本実施の形態によれば、
酸化物高温超電導線を使用した超電導コイル３１を、ク
ライオクーラー３３で直接冷却しているため、液体へリ
ウムや液体窒素等の極低温冷媒を必要とせず、また動作
温度が高いため、比熱が大きくなってクエンチのし難い
マグネットになり、コンプレッサー４１の間欠運転が可
能となり、大幅な省エネ効果および静かな磁場環境を与
えることができる。

【００５２】以上により、超電導マグネットシステムに
おける、省電力化・低騒音化・長寿命化・コストの低廉
化を実現することが可能となる。 （その他の実施の形態） （ａ）前記実施の形態において、超電導コイル３１を形
成する酸化物高温超電導線材として、転移温度が７７Ｋ
以上のものを使用する場合には、各超電導コイル３１温
度は７７Ｋ以上の温度に冷やされていればよい。

【００５３】従って、この場合には、クライオクーラー
３３は１段式の７７Ｋ冷凍機で十分であり、熱シールド
板３２は不要となるので、酸化物高温超電導線で形成さ
れた超電導コイルと、冷却を行なうための１段式のクラ
イオクーラーとを、熱スイッチを介して伝熱リードで熱
的に接続し、超電導コイルを熱スイッチを介してクライ
オクーラーで直接冷却する構成とすればよい。

【００５４】かかる構成の超電導マグネットシステムに
おいても、前述の場合と同様の作用効果を奏することが
可能である。 （ｂ）前記実施の形態では、本発明を磁気共鳴診断装置
に適用する場合について説明したが、磁気共鳴診断装置
以外のものに適用することも可能であり、例えば従来の
研究用超電導マグネットや単結晶引上用超電導マグネッ
ト等にも容易に適用することができる。

【００５５】（ｃ）前記実施の形態では、酸化物高温超
電導線で形成された超電導コイルを用いた高温超電導マ
グネットの特徴を最大限に生かしたものであるが、超電
導線で形成された超電導コイルを用いた従来の低温超電
導マグネットに対しても、本発明を十分適用することが
可能であることは言うまでもない。

【００５６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の超電導マ
グネットシステムによれば、省電力化・低騒音化・長寿
命化・コストの低廉化を実現することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による超電導マグネットシステムの一実
施の形態を示す断面図。

【図２】同実施の形態の超電導マグネットシステムにお
ける動作を説明するための運転モードの一例を示すタイ
ムチャート。

【図３】同実施の形態の超電導マグネットシステムにお
ける動作を説明するための運転モードの他の例を示すタ
イムチャート。

【図４】同実施の形態の超電導マグネットシステムにお
ける動作を説明するための運転モードの他の例を示すタ
イムチャート。

【図５】従来の超電導マグネットシステムの一例を示す
断面図。

【図６】従来の超電導マグネットシステムの他の例を示
す断面図。

【符号の説明】 ３０…真空容器、 ３１…超電導コイル、 ３２…熱シールド板、 ３３…クライオクーラー、 ３４…低温部、 ３５…熱スイッチ、 ３６…伝熱リード、 ３７…高温部、 ３８…熱スイッチ、 ３９…伝熱リード、 ４０…温度センサー、 ４１…コンプレッサー、 ４２…コンピューター。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一様な磁場および傾斜磁場を発生する装
   置に使用される超電導マグネットシステムにおいて、 酸化物高温超電導線で形成され、真空容器の内部に配置
   された超電導コイルと、 冷却を行なうためのクライオクーラーと、 前記超電導コイルと前記クライオクーラーとを、伝熱リ
   ードを介して熱的に接続する熱スイッチと、 を備えて成ることを特徴とする超電導マグネットシステ
   ム。
2. 【請求項２】 一様な磁場および傾斜磁場を発生する装
   置に用いられる超電導マグネットシステムにおいて、 酸化物高温超電導線で形成され、真空容器の内部に配置
   された超電導コイルと、 前記超電導コイルの外側に配置された熱シールド体と、 冷却を行なうためのクライオクーラーと、 前記超電導コイルと前記クライオクーラーの低温部と
   を、第１の伝熱リードを介して熱的に接続する第１の熱
   スイッチと、 前記熱シールド体と前記クライオクーラーの高温部と
   を、第２の伝熱リードを介して熱的に接続する第２の熱
   スイッチと、 を備えて成ることを特徴とする超電導マグネットシステ
   ム。
3. 【請求項３】 前記請求項１または請求項２に記載の超
   電導マグネットシステムにおいて、 前記クライオクーラーは、ＯＮ／ＯＦＦ制御されるコン
   プレッサーを有することを特徴とする超電導マグネット
   システム。
4. 【請求項４】 前記請求項１または請求項２に記載の超
   電導マグネットシステムにおいて、 前記熱スイッチは、ＯＮ／ＯＦＦ制御されるものである
   ことを特徴とする超電導マグネットシステム。
5. 【請求項５】 前記請求項１または請求項２に記載の超
   電導マグネットシステムにおいて、 前記超電導コイルの温度を測定する温度測定手段を有す
   ることを特徴とする超電導マグネットシステム。
6. 【請求項６】 前記請求項３乃至請求項５のいずれか１
   項に記載の超電導マグネットシステムにおいて、 前記コンプレッサー、前記熱スイッチを、ＯＮ／ＯＦＦ
   制御するコンピューターを有することを特徴とする超電
   導マグネットシステム。
7. 【請求項７】 前記請求項６に記載の超電導マグネット
   システムにおいて、 前記コンピューターは、超電導マグネットシステム本体
   を使用する装置が運転している間は、前記コンプレッサ
   ー、前記熱スイッチを、ＯＦＦするようにしたことを特
   徴とする超電導マグネットシステム。
8. 【請求項８】 前記請求項６に記載の超電導マグネット
   システムにおいて、 前記コンピューターは、前記温度測定手段により測定さ
   れた超電導コイルの温度が、通常温度時に前記コンプレ
   ッサー、前記熱スイッチをＯＦＦし、あらかじめ設定し
   た温度に達した時点で前記コンプレッサー、前記熱スイ
   ッチをＯＮするようにしたことを特徴とする超電導マグ
   ネットシステム。