JPWO2012127604A1

JPWO2012127604A1 - 超電導マグネット

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Publication number: JPWO2012127604A1
Application number: JP2011537462A
Authority: JP
Inventors: 一田村
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-03-22
Filing date: 2011-03-22
Publication date: 2014-07-24
Anticipated expiration: 2031-03-22
Also published as: JP4950363B1; US20130237426A1; WO2012127604A1; US8989827B2

Abstract

超電導マグネットは、超電導コイル(１１０)と、超電導コイル(１１０)の周囲を囲む熱シールド(１３０)と、熱シールド(１３０)を収納する真空槽(１４０)と、真空槽(１４０)の少なくとも一部を覆う磁気シールド(１８０)と、真空槽(１４０)に固定され、超電導コイル(１１０)を熱伝導体(１７０)を介して冷却する冷凍機(１６０)とを備える。磁気シールド(１８０)は、弾性体(１９０)を間に挟んで真空槽(１４０)と当接することにより真空槽(１４０)を支持している。

Description

本発明は、超電導マグネットに関する。

超電導マグネットの構成を開示した先行文献として特開平２−７８２０８号公報(特許文献１)がある。特開平２−７８２０８号公報(特許文献１)に記載された超電導マグネットにおいては、冷凍機ポートのフランジの片面が防振体を介して磁気シールドに取付けられている。また、冷凍機ポートのフランジの他面が真空容器の一部であるベローズと連結されている。

特開平２−７８２０８号公報

特開平２−７８２０８号公報(特許文献１)に記載された超電導マグネットにおいては、磁気シールドと真空容器とが、ベローズ、ベローズフランジ、ボルトおよびナットなどの連結部品によって一体となるように組立てられている。そのため、構造が複雑となって、各構成部品が専用部品となり汎用性に欠ける。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであって、簡易な構造を有する超電導マグネットを提供することを目的とする。

本発明に基づく超電導マグネットは、超電導コイルと、超電導コイルの周囲を囲む熱シールドと、熱シールドを収納する真空槽と、真空槽の少なくとも一部を覆う磁気シールドと、真空槽に固定され、超電導コイルを熱伝導体を介して冷却する冷凍機とを備える。磁気シールドは、弾性体を間に挟んで真空槽と当接することにより真空槽を支持している。

本発明によれば、超電導マグネットの構造を簡易にすることができる。

本発明の実施形態１に係る超電導マグネットの外観を示す斜視図である。本発明の実施形態１に係る超電導マグネットの構成を示す断面図である。本発明の実施形態２に係る超電導マグネットの構成を示す断面図である。本発明の実施形態３に係る超電導マグネットの構成を示す断面図である。本発明の実施形態４に係る超電導マグネットの外観を示す斜視図である。

以下、本発明の実施形態１に係る超電導マグネットについて図面を参照して説明する。以下の実施形態の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。

(実施形態１)
図１は、本発明の実施形態１に係る超電導マグネットの外観を示す斜視図である。図２は、本発明の実施形態１に係る超電導マグネットの構成を示す断面図である。

図１，２に示すように、本発明の実施形態１に係る超電導マグネット１００は、超電導コイル１１０と、超電導コイル１１０の周囲を囲む熱シールド１３０と、熱シールド１３０を収納する真空槽１４０とを備えている。熱シールド１３０と真空槽１４０とからクライオスタット１５０が構成されている。また、超電導マグネット１００は、真空槽１４０の少なくとも一部を覆う磁気シールド１８０と、真空槽１４０に固定され、超電導コイルを熱伝導体１７０を介して冷却する冷凍機１６０とを備えている。磁気シールド１８０は、弾性体１９０を間に挟んで真空槽１４０と当接することにより真空槽１４０を支持している。

本実施形態に係る超電導マグネット１００は、冷凍機１６０と超電導コイル１１０とを熱的に接触させて超電導コイル１１０を冷却する、いわゆる伝導冷却方式の超電導マグネットである。

以下、本実施形態に係る超電導マグネット１００の各構成について説明する。本実施形態の超電導マグネット１００は、超電導コイル１１０、熱シールド１３０、真空槽１４０、および、冷凍機１６０をそれぞれ２つずつ備えている。ただし、超電導マグネットの構成はこれに限られず、少なくとも１つの超電導コイル１１０、熱シールド１３０、真空槽１４０、および、冷凍機１６０を含めばよい。

超電導コイル１１０は、ニオブチタン合金からなる超電導線からなり、筒状の巻枠１２０に巻き付けられて巻き回されている。超電導線の材料は、ニオブチタン合金に限られず、たとえば、ニオブ錫合金でもよい。巻枠１２０はステンレス鋼から形成されているが、巻枠１２０の材料はこれに限られない。

熱シールド１３０は、超電導コイル１１０に外部からの熱輻射による熱が侵入すること防止している。熱シールド１３０はアルミニウムから形成されているが、熱シールド１３０の材料はこれに限られず、熱伝導性のよい材料であればよい。

真空槽１４０は、超電導コイル１１０、巻枠１２０および熱シールド１３０を収納している。真空槽１４０は、真空槽１４０の内部と外部とを真空断熱している。熱シールド１３０および真空槽１４０は、いずれも超電導コイル１１０への熱侵入を防止するための構造である。

本実施形態においては、真空槽１４０は略直方体状の外形を有しているが、真空槽１４０の外形はこれに限られず、略円柱状などの外形を有していてもよい。２つの真空槽１４０は、互いの側面同士が対向するように配置されている。

冷凍機１６０は、２段の冷却部を有している。冷凍機１６０の第１段目の冷却部は、熱シールド１３０に接している。冷凍機１６０の先端部である第２段目の冷却部は、たとえば銅からなる熱伝導体１７０を介して超電導コイル１１０と接している。

磁気シールド１８０は、超電導マグネット１００から外部に漏洩する磁場を効果的に低減するため、１００ｍｍ以上の厚さの鉄などの磁性体から形成されている。磁気シールド１８０は、２つの真空槽１４０の各々の対向面以外の側面および底面を覆っている。

弾性体１９０は本実施形態においてはゴムからなるが、弾性体１９０はこれに限られず、たとえば、金属製のばね、樹脂製のばねまたはダンパーなど振動を吸収できるものであればよい。

本実施形態においては、弾性体１９０は、真空槽１４０の底面と磁気シールド１８０との間、および、真空槽１４０の側面と磁気シールド１８０との間に所定の間隔を置いて配置されている。弾性体１９０は、真空槽１４０または磁気シールド１８０のいずれかに接着されている。

以下、超電導マグネット１００において磁場を発生させる際の動作について説明する。
まず、超電導コイル１１０を超電導状態にするために、真空槽１４０内を減圧して真空引きする。その後、冷凍機１６０を稼動させる。熱シールド１３０は、冷凍機１６０の第１段の冷却部により約６０Ｋまで冷却される。超電導コイル１１０は、冷凍機１６０の第２段の冷却部により、最終的に４Ｋ以下の温度まで冷却される。

熱シールド１３０および超電導コイル１１０が十分冷却された後、図示しない外部の電源装置からリードを通して超電導コイル１１０に電流を流すことにより、磁場を発生させる。本実施形態においては、２つの真空槽１４０の対向面同士の間が、発生する磁場の利用領域である。

冷凍機は往復式の膨張機タイプであるため、冷凍機の運転に伴って振動が発生する。その振動は、クライオスタット１５０に伝播する。しかし、真空槽１４０と磁気シールド１８０との間には弾性体１９０を配置しているため、冷凍機１６０の振動は弾性体１９０により減衰して磁気シールド１８０にほとんど伝わらない。

冷凍機１６０の振動が磁気シールド１８０を介して、磁気シールド１８０が設置されている床面に伝播することを低減することにより、超電導マグネット１００の周囲に配置される精密測定装置に振動の影響が及ぶことを抑制できる。

本実施形態の超電導マグネット１００は、磁気シールド１８０が弾性体１９０を間に挟んで真空槽１４０と当接することにより真空槽１４０を支持する簡易な構造によって、冷凍機１６０の振動伝播を抑制することができる。そのため、クライオスタット１５０の外形、すなわち、真空槽１４０の外形に対応して弾性体１９０を配置することにより超電導マグネット１００の振動対策を行なうことが可能であり、超電導マグネット１００は汎用性に優れた構造を有している。

以下、本発明の実施形態２に係る超電導マグネットについて説明する。なお、本実施形態の超電導マグネット２００は、超電導コイル１１０の冷却方式のみ実施形態１の超電導マグネット１００と異なるため、実施形態１の超電導マグネット１００と同一の構成については説明を繰り返さない。

(実施形態２)
図３は、本発明の実施形態２に係る超電導マグネットの構成を示す断面図である。図３に示すように、本発明の実施形態２に係る超電導マグネット２００は、超電導コイル１１０と、超電導コイル１１０を収納して内部に液体ヘリウム２２０を貯留するヘリウム槽２１０と、ヘリウム槽２１０の周囲を囲む熱シールド１３０と、熱シールド１３０を収納する真空槽１４０とを備えている。熱シールド１３０と真空槽１４０とからクライオスタット１５０が構成されている。また、超電導マグネット２００は、真空槽１４０の少なくとも一部を覆う磁気シールド１８０と、真空槽１４０に固定され、気化した液体ヘリウム２２０を液化して超電導コイル１１０を冷却する冷凍機１６０とを備えている。磁気シールド１８０は、弾性体１９０を間に挟んで真空槽１４０と当接することにより真空槽１４０を支持している。

本実施形態に係る超電導マグネット２００は、超電導コイル１１０を液体ヘリウム２２０に浸漬することにより冷却する、いわゆるヘリウム冷却方式の超電導マグネットである。

以下、本実施形態に係る超電導マグネット２００の各構成について説明する。本実施形態の超電導マグネット２００は、超電導コイル１１０、ヘリウム槽２１０、熱シールド１３０、真空槽１４０、および、冷凍機１６０をそれぞれ２つずつ備えている。ただし、超電導マグネットの構成はこれに限られず、少なくとも１つの超電導コイル１１０、ヘリウム槽２１０、熱シールド１３０、真空槽１４０、および、冷凍機１６０を含めばよい。

ヘリウム槽２１０は、Ｏ字状の外形を有している。ヘリウム槽２１０の軸部に超電導コイル１１０が巻き付けられている。ヘリウム槽２１０の上部にヘリウム配管２３０が連結されている。ヘリウム配管２３０は、液体ヘリウム２２０の注液、および、液体ヘリウム２２０が気化したヘリウムガスの排気を行なうものである。ヘリウム槽２１０の内部に貯留された液体ヘリウム２２０により超電導コイル１１０が冷却される。

冷凍機１６０の第１段目の冷却部は、熱シールド１３０に接している。冷凍機１６０の先端部である第２段目の冷却部は、ヘリウム槽２１０内において気化した液体ヘリウムと接しており、気化した液体ヘリウムを冷却して再液化する。

本実施形態においても、真空槽１４０と磁気シールド１８０との間には弾性体１９０を配置しているため、冷凍機１６０の振動は弾性体１９０により減衰して磁気シールド１８０にほとんど伝わらない。

本実施形態の超電導マグネット２００は、磁気シールド１８０が弾性体１９０を間に挟んで真空槽１４０と当接することにより真空槽１４０を支持する簡易な構造によって、冷凍機１６０の振動伝播を抑制することができる。そのため、クライオスタット１５０の外形、すなわち、真空槽１４０の外形に対応して弾性体１９０を配置することにより超電導マグネット２００の振動対策を行なうことが可能であるため、超電導マグネット２００は汎用性に優れた構造を有している。

以下、本発明の実施形態３に係る超電導マグネットについて説明する。なお、本実施形態の超電導マグネット３００は、冷凍機の配置のみ実施形態１の超電導マグネット１００と異なるため、実施形態１の超電導マグネット１００と同一の構成については説明を繰り返さない。

(実施形態３)
図４は、本発明の実施形態３に係る超電導マグネットの構成を示す断面図である。図４に示すように、超電導コイル１１０が巻枠１２０に巻き付けられている。熱シールド１３０が超電導コイル１１０の周囲を囲んでいる。真空槽１４０が熱シールド１３０を収納している。冷凍機１６０は、熱伝導体１７０および熱伝導体３１０を介して超電導コイル１１０に熱的に接続されている。

本発明の実施形態３に係る超電導マグネット３００においては、冷凍機１６０が固定されている部分を含む真空槽１４０の一部３３０が磁気シールド１８０の外側に位置している。磁気シールド１８０は、弾性体１９０を間に挟んで真空槽１４０の一部３３０と当接することにより真空槽１４０を支持している。

具体的には、磁気シールド１８０の外側に位置する真空槽１４０の一部３３０と、磁気シールド１８０の内側に位置する真空槽１４０の他の部分とが、ベローズ３５０で連結されている。ベローズ３５０は、磁気シールド１８０の外側に位置する真空槽１４０の一部３３０から、磁気シールド１８０の内側に位置する真空槽１４０の他の部分に振動が伝播するのを抑制している。

また、熱シールド１３０の一部３２０も磁気シールド１８０の外側に位置している。磁気シールド１８０の外側に位置する熱シールド１３０の一部３２０と、磁気シールド１８０の内側に位置する熱シールド１３０の他の部分とは、連結管熱シールド３４０で連結されている。

熱シールド１３０の一部３２０には、銅の編組線３２１が組み込まれている。銅の編組線３２１は、熱を効率的に伝えつつ磁気シールド１８０の外側に位置する熱シールド１３０の一部３２０から、磁気シールド１８０の内側に位置する熱シールド１３０の他の部分に振動が伝播するのを抑制している。

熱シールド１３０は、熱シールド１３０の一部３２０が冷凍機１６０の第１段目の冷却部と接していることにより約６０Ｋまで冷却される。

熱伝導体３１０にも、銅の編組線３１１が組み込まれている。銅の編組線３１１は、熱を効率的に伝えつつ冷凍機１６０から超電導コイル１１０に振動が伝播するのを抑制している。

超電導コイル１１０は、熱伝導体３１０が冷凍機１６０の第２段目の冷却部と接していることにより熱伝導体１７０を介して約４Ｋまで冷却される。

真空槽１４０の一部３３０が弾性体１９０を間に挟んで磁気シールド１８０と当接していることにより、真空槽１４０が磁気シールド１８０により支持されている。これにより、冷凍機１６０の振動が磁気シールド１８０および床面に伝わるのを抑制することができる。

本実施形態においても、冷凍機１６０の振動が磁気シールド１８０を介して、磁気シールド１８０が設置されている床面に伝播することを低減することにより、超電導マグネット３００の周囲に配置される精密測定装置に振動の影響が及ぶことを抑制できる。

以下、本発明の実施形態４に係る超電導マグネットについて説明する。なお、本実施形態の超電導マグネット４００は、クライオスタットの形状および数のみ実施形態１の超電導マグネット１００と異なるため、実施形態１の超電導マグネット１００と同一の構成については説明を繰り返さない。

(実施形態４)
図５は、本発明の実施形態４に係る超電導マグネットの外観を示す斜視図である。図５に示すように、本発明の実施形態４に係る超電導マグネット４００においては、クライオスタット４１０の外形、すなわち真空槽の外形が略円筒状である。クライオスタット４１０においては、冷凍機１６０が設けられている部分がクライオスタット４１０の外周面から突出した突出部４５０を有している。

磁気シールド１８０は、クライオスタット４１０の円筒外周に側面視にて略八角形状に配置されている。ただし、クライオスタット４１０の突出部４５０の外側のみ磁気シールド１８０が位置していない。

磁気シールド１８０は、弾性体１９０を間に挟んでクライオスタット４１０と当接することによりクライオスタット４１０を支持している。言い換えると、磁気シールド１８０は、弾性体１９０を間に挟んで真空槽と当接することにより真空槽を支持している。

具体的には、弾性体１９０であるゴムが、クライオスタット４１０の軸方向の両端部、かつ、側面視にてクライオスタット４１０の上下左右に配置されている。ただし、弾性体１９０の配置はこれに限られず、クライオスタット４１０を支持可能な位置に配置されていればよい。

本実施形態においても、冷凍機１６０の振動が磁気シールド１８０を介して、磁気シールド１８０が設置されている床面に伝播することを低減することにより、超電導マグネット４００の周囲に配置される精密測定装置に振動の影響が及ぶことを抑制できる。

上記において説明した実施形態において組合せが可能な態様同士を組合わせることは当然に予定している。上記の超電導マグネットは、たとえば、磁気共鳴画像診断装置、核磁気共鳴計測器、半導体製造装置などに利用可能である。

なお、今回開示した上記実施形態はすべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。したがって、本発明の技術的範囲は、上記した実施形態のみによって解釈されるものではなく、請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、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。

１００，２００，３００，４００超電導マグネット、１１０超電導コイル、１２０巻枠、１３０熱シールド、１４０真空槽、１５０，４１０クライオスタット、１６０冷凍機、１７０，３１０熱伝導体、１８０磁気シールド、１９０弾性体、２１０ヘリウム槽、２２０液体ヘリウム、２３０ヘリウム配管、３１１，３２１銅の編組線、３２０熱シールドの一部、３３０真空槽の一部、３４０連結管熱シールド、３５０ベローズ、４５０突出部。

Claims

超電導コイル(１１０)と、
前記超電導コイル(１１０)の周囲を囲む熱シールド(１３０)と、
前記熱シールド(１３０)を収納する真空槽(１４０)と、
前記真空槽(１４０)の少なくとも一部を覆う磁気シールド(１８０)と、
前記真空槽(１４０)に固定され、前記超電導コイル(１１０)を熱伝導体(１７０)を介して冷却する冷凍機(１６０)と
を備え、
前記磁気シールド(１８０)は、弾性体(１９０)を間に挟んで前記真空槽(１４０)と当接することにより前記真空槽(１４０)を支持している、超電導マグネット。
超電導コイル(１１０)と、
前記超電導コイル(１１０)を収納して内部に液体ヘリウムを貯留するヘリウム槽と、
前記ヘリウム槽の周囲を囲む熱シールド(１３０)と、
前記熱シールド(１３０)を収納する真空槽(１４０)と、
前記真空槽(１４０)の少なくとも一部を覆う磁気シールドと、
前記真空槽(１４０)に固定され、気化した前記液体ヘリウムを液化して前記超電導コイルを冷却する冷凍機(１６０)と
を備え、
前記磁気シールド(１８０)は、弾性体(１９０)を間に挟んで前記真空槽(１４０)と当接することにより前記真空槽(１４０)を支持している、超電導マグネット。
前記冷凍機(１６０)の先端部が、前記ヘリウム槽内において気化した前記液体ヘリウムと接する、請求項２に記載の超電導マグネット。
前記弾性体(１９０)がゴムである、請求項１または２に記載の超電導マグネット。
前記弾性体(１９０)がばねである、請求項１または２に記載の超電導マグネット。
前記ばねの材質が金属である、請求項５に記載の超電導マグネット。
前記冷凍機(１６０)が固定されている部分を含む前記真空槽(１４０)の一部が前記磁気シールドの外側に位置し、
前記磁気シールド(１８０)は、前記弾性体を間に挟んで前記真空槽(１４０)の前記一部と当接することにより前記真空槽(１４０)を支持している、請求項１または２に記載の超電導マグネット。
前記真空槽(１４０)が略円筒状の外形を有する、請求項１または２に記載の超電導マグネット。
前記超電導コイル(１１０)、前記熱シールド(１３０)、前記真空槽(１４０)、および、前記冷凍機(１６０)をそれぞれ２つずつ備え、
２つの前記真空槽(１４０)が略直方体状の外形を有し、
２つの前記真空槽(１４０)は互いの側面同士が対向するように配置され、
前記磁気シールド(１８０)が２つの前記真空槽(１４０)の各々の対向面以外の側面および底面を覆っている、請求項１に記載の超電導マグネット。
前記超電導コイル(１１０)、前記ヘリウム槽、前記熱シールド(１３０)、前記真空槽(１４０)、および、前記冷凍機(１６０)をそれぞれ２つずつ備え、
２つの前記真空槽(１４０)が略直方体状の外形を有し、
２つの前記真空槽(１４０)は互いの側面同士が対向するように配置され、
前記磁気シールド(１８０)が２つの前記真空槽(１４０)の各々の対向面以外の側面および底面を覆っている、請求項２に記載の超電導マグネット。