JPWO2014155476A1 - 超電導磁石装置 - Google Patents

Abstract

冷媒が循環可能に構成される冷媒循環流路と、前記冷媒循環流路を通流する冷媒の蒸気を冷却する冷却手段と、前記循環される冷媒により冷却される超電導コイルとを備え、前記冷媒循環流路は、水平方向に延在する水平方向流路と鉛直方向に延在する鉛直方向流路とに冷媒が分岐し、前記水平方向流路を通流した冷媒と前記鉛直方向流路を通流した冷媒とが合流するように構成されるとともに、熱伝導率の異なる少なくとも２種の金属材料により構成され、前記水平方向流路は前記金属材料のうちの第１金属材料を含んで構成され、前記鉛直方向流路は、前記金属材料のうちの前記第１金属材料よりも熱伝導率の大きい第２金属材料からなる部位を含んで構成され、前記超電導コイルと、前記鉛直方向流路を構成する前記第２金属材料からなる部位とが熱的に接続されていることを特徴とする、超電導磁石装置。

Description

本発明は、超電導磁石装置に関する。

超電導磁石装置は、通常、超電導コイルと、当該超電導コイルに接続された永久電流スイッチとを含んで構成される。超電導磁石装置の運転時には、初めに、永久電流スイッチが開状態で、励磁電源から超電導コイルに電流が供給される。このとき、超電導コイルは臨界温度以下に冷却されている。次いで、永久電流スイッチが閉に切り替えられ、その後、励磁電源からの電流の通流が停止される。このような通流制御により、電流が殆ど衰退することなく、電流が超電導状態の閉回路（コイル）を通流し続ける。この状態が永久電流運転と呼称され、長期に渡って磁場を保持することが可能である。

超電導コイルの冷却方法として、例えば、特許文献１に記載の技術が知られている。特許文献１には、液化ガスを冷媒として用いる超電導マグネット装置において、傾動機能を有し、冷媒の重力、及び温度差によって発生するサイフォン効果を用いて冷媒を循環して超電導マグネットを冷却することが記載されている。

特開平６−３４２７２１号公報

特許文献１に記載の技術においては、超電導コイルにおいて発生した熱により冷媒が気化され、気化した冷媒（気体冷媒）の有する浮力により、冷媒が循環するようになっている。しかし、浮力は、高低差により生じる。そのため、例えば水平方向に配置された配管においては、このような浮力が生じず、冷媒の十分な循環が図れないことがある。

具体的には、例えば水平方向に配置された配管内で冷媒が気化すると、気化した冷媒は、配管に高低差が無いため、配管内を十分に移動することができない。これにより、冷媒の循環が妨げられ、良好な冷却を図ることができない。

また、冷媒が通流する配管は、分岐と合流とを含んで形成されることがある。特に、超電導コイルが大型化して冷却部位が広範になると、通常、配管は分岐して形成される。冷媒は、循環するために閉ループが形成されているが、その中でも、前記の分岐点と合流点との間で、局所的な閉ループが形成されることがある。

配管は、超電導コイルとの間で良好に熱伝導を行うために、通常、熱伝導率の大きな材料で構成される。熱伝導率が大きくなると導電率も大きくなるため（ヴィーデマンフランツ則）、良好な熱伝導性を示す配管材料は、良好な導電性も示す。配管は、超電導コイルの近傍に設けられることが多い。そのため、超電導コイルに電流が通流して磁場が発生すると鎖交磁束が変化し、これにより、局所的閉ループ等において誘導電流が発生することがある。

そして、誘導電流が配管材料中を通流すると、配管材料の有する抵抗により、ジュール熱が発生する。これにより、超電導コイルを良好に冷却することができないことがある。

本発明は前記の課題に鑑みて為されたものである。本発明の課題は、超電導コイルの設置形態によらず、安定して運転可能な超電導磁石装置を提供することにある。

本発明者らは前記課題を解決するべく鋭意検討した。その結果、本発明者らは、冷媒が通流する配管を、熱伝導率の異なる少なくとも２種の材料を用いて構成することで前記課題を解決できることを見出した。

本発明によれば、超電導コイルの設置形態によらず、安定して運転可能な超電導磁石装置を提供することができる。

第１実施形態に係る超電導磁石装置の断面図である。 第１実施形態に係る超電導磁石装置に備えられる回路図である。 第１実施形態に係る超電導磁石装置における配管の設置形態を示す図である。 第２実施形態に係る超電導磁石装置の断面図である。 第２実施形態に係る超電導磁石装置の別の断面図である。 第２実施形態に係る超電導磁石装置のさらに別の断面図である。 第２実施形態に係る超電導磁石装置における配管の設置形態を示す図である。 第３実施形態に係る超電導磁石装置の断面図である。 第３実施形態に係る超電導磁石装置における配管の設置形態を示す図である。 第３実施形態に係る超電導磁石装置に備えられる回路図である。

以下、本発明を実施するための形態（本実施形態）を説明する。ただし、本発明は以下の内容に何ら制限されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で任意に変更して実施可能である。

［１．第１実施形態］
〔構成及び作用〕
図１は、第１実施形態に係る超電導磁石装置の断面図である。超電導磁石装置１００は、冷媒が循環可能に構成される冷媒通流管１０（冷媒循環流路；冷媒通流管１０ａ，１０ｂ）と、冷媒通流管１０（冷媒循環流路）を通流する冷媒の蒸気を冷却する冷凍機１２（冷却手段）と、循環される冷媒により冷却される超電導コイル４（４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ）とを備えている。

また、超電導磁石装置１００は、超電導コイル４が捲回されるコイルボビン５（５ａ，５ｂ）と、冷媒の蒸気を凝縮する凝縮器８と、永久電流スイッチ９とを備えている。これらの部材は、輻射シールド３を内包する真空容器２（収納容器）に収容されている。

さらに、超電導磁石装置１００においては、超電導磁石装置１００の対向する外表面（図示しない）同士を貫通させる開口部１０１が設けられている。超電導コイル４は、真空容器２内であって、開口部１０１を挟んで上下方向に２つずつの超電導コイル４（上側に超電導コイル４ａ，４ｂ、下側に超電導コイル４ｃ，４ｄ）が備えられている。超電導コイル４は、本実施形態では、図中の一点鎖線で示すように、その中心軸が鉛直方向（上下方向）に向くように備えられている。超電導コイル４に電流が通流すると、例えば開口部１０１を鉛直方向に貫くように磁束が発生する。これにより、開口部１０１内の検体に対して磁束が照射されるようになっている。

冷媒通流管１０内においては、サーモサイフォンの原理が利用され、例えば液化窒素、液化ヘリウム等の冷媒が図１中の矢印の向きに通流するようになっている。具体的には、超電導コイル４に対して熱的に接触した冷媒（即ち、超電導コイル４を冷却した冷媒）は、超電導コイル４の熱により気化する。そして、気化した冷媒は、密度差による浮力によって、管内を上昇する。また、この上昇の際のエアリフト効果により、気化した冷媒ばかりでなく、気化していない液状の冷媒も管内を上昇する。冷媒は凝縮器８に供給され、凝縮器８において凝縮されるとともに冷凍機１２により冷却されることで再び低温の液化冷媒となって、配管内を循環するようになっている。

永久電流スイッチ９は、真空容器２の内部であって、開口部１０１近傍に備えられている。永久電流スイッチ９は、冷媒通流管１０に熱的に接触して備えられている。これにより、冷媒通流管１０を通流する冷媒が永久電流スイッチ９を冷却することができるようになっている。

励磁中に昇温する超電導コイル４を冷却するため、超電導コイル４が捲回されるコイルボビン５には、良好な伝熱性を示す材料（例えば無酸素銅）からなる伝熱部材１１が接続されている。また、伝熱部材１１は、冷媒通流管１０にも接続されている。これにより、超電導コイル４において発生した熱が伝熱部材１１を介して冷媒通流管１０に伝達され、超電導コイル４が冷却されるようになっている。

なお、伝熱部材１１は、冷媒通流管１０の高熱伝導率金属材料（第２金属材料）からなる高伝熱部位１０ｂ２に接続されている。伝熱部材１１は良伝熱性（熱伝導率が大きい）の材料により構成され、例えば、後記する高伝熱部位１０ｂ２を構成する材料（高熱伝導率金属材料）と同様のものが適用可能である。配管１０を通流する冷媒による超電導コイル４の冷却については、図３を参照しながら説明する。

図２は、第１実施形態に係る超電導磁石装置に備えられる回路図である。図２に示すように、超電導コイル４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄは直列に接続されている。また、超電導コイル４ａ，４ｂに対して並列になるように、保護抵抗２３ａ（２３）が接続されている。さらに、超電導コイル４ｃ，４ｄに対して並列になるように、保護抵抗２３ｂ（２３）が接続されている。また、励磁時、励磁電源１９に対して並列になるように、永久電流スイッチ９が接続されている。

ここで、超電導磁石装置１００の運転時の各手段の動作について説明する。はじめに、超電導コイル４及び永久電流スイッチ９が、臨界温度以下まで冷却される。そして、永久電流スイッチ９を開にするとともに電流遮断器１３を閉にすると、超電導コイル４に励磁電源１９からの電流が供給される。その後、永久電流スイッチ９を閉にするとともに励磁電源からの電流の通流を停止し、電流遮断器１３を開にすると、励磁電源１９からの電力供給は停止されるが、臨界温度以下の超電導コイル４及び永久電流スイッチ９には、電流が殆ど減衰することなく通流し続けることになる。即ち、永久電流運転状態になる。これにより、超電導磁石装置１００は、長期に渡って磁場印加可能になる。

図３は、第１実施形態に係る超電導磁石装置における配管の設置形態を示す図である。図３（ａ）においては、説明の便宜上、超電導磁石装置１００に備えられる冷媒通流管１０及び凝縮器８のみを抽出して示している。冷媒は、図３（ａ）中の黒矢印の方向に管内を通流するようになっている。また、図３（ｂ）においては、超電導コイル４ａ，４ｂ近傍の様子のみを図示している。

冷媒通流管１０は、超電導コイル４ａ，４ｂ（図３（ａ）では図示しない）を冷却する冷媒通流管群１０ｐと、超電導コイル４ｃ，４ｄ（図３（ａ）では図示しない）を冷却する冷媒通流管群１０ｑとにより構成される。冷媒通流管群１０ｐ，１０ｑ（冷媒通流管１０）は、図３（ａ）に示すように、水平方向（左右方向）に延在する水平方向管１０ａ（水平方向流路）と、鉛直方向（上下方向）に延在する鉛直方向管１０ｂ（鉛直方向流路）とに冷媒が分岐し、水平方向管１０ａを通流した冷媒と鉛直方向管１０ｂを通流した冷媒とが合流するように構成されている。

即ち、冷媒通流管１０は、途中で管が水平方向管１０ａと鉛直方向管１０ｂとに分岐しており、さらに、分岐した水平方向管１０ａと鉛直方向管１０ｂとが接続（合流）されている。従って、超電導磁石装置１００に備えられる冷媒通流管１０においては、冷媒循環管１０に含まれる分岐点と合流点（管の接続点）との間において冷媒循環管１０の閉ループが形成されている。この閉ループの詳細については、図３（ｂ）を参照しながら後記する。

なお、本実施形態において、水平方向管１０ａは高低差が無い管、鉛直方向管１０ｂは高低差が有る管を指すものとする。従って、鉛直方向には延在していないが高低差が有る管は、鉛直方向にも距離成分があるため冷媒の通流が生じ易いため、「鉛直方向管」と呼称するものとする。

次に、図３（ａ）を参照しながら、冷媒の通流について説明する。凝縮器８から排出された冷媒は、はじめに、冷媒通流管群１０ｑを通流し、これにより、超電導コイル４ｃ，４ｄ（図１参照）が冷却されるようになっている。そして、超電導コイル４ｃ，４ｄが冷却され、冷媒通流管群１０ｑから排出された冷媒は、垂直冷媒管１０ｂを上昇し、冷媒通流管群１０ｐを通流する。分岐点１４より合流点１５に至る経路はどこを通っても圧損がほぼ同じくなるよう配管の直径並びに長さは調整されている。これにより、超電導コイル４ａ，４ｂ（図１参照）が冷却されるようになっている。なお、図１に示した永久電流スイッチ９は、冷媒通流管群１０ｑと冷媒通流管群１０ｐとを接続する鉛直方向管１０ｂの途中（より具体的には、後記する高伝熱部位１０ｂ２）で、冷媒通流管１０に熱的に接続されている。

冷媒通流管１０は、熱伝導率の異なる少なくとも２種の金属材料により構成されている。具体的には水平方向管１０ａは、この金属材料のうちの一種である低熱伝導率金属材料（第１金属材料）を含んで構成され、鉛直方向管１０ｂは、この金属材料のうちの低熱伝導率金属材料よりも熱伝導率の大きい高熱伝導率金属材料（第２金属材料）からなる部分を含んで構成されている。より具体的には、本実施形態においては、図３（ａ）に示すように、水平方向管１０ａは、低熱伝導率金属材料により形成され、鉛直方向管１０ｂは、低熱伝導率金属材料からなる低伝熱部位１０ｂ１と、高熱伝導率金属材料からなる高伝熱部位１０ｂ２とにより形成されている。

さらに、凝縮器８から冷媒通流管群１０ｑに至る冷媒通流管１０の大部分も低熱伝導率金属材料により構成されており、当該冷媒通流管１０のうちの一部が高熱伝導率金属材料により構成されている。具体的には、凝縮器８（冷却手段）と超電導コイル４とを接続する、冷媒循環流路を構成する冷媒通流管１０（配管）は、水平方向流路（水平方向管１０ａ）を構成する低熱伝導率金属材料（第１金属材料）と同様の金属材料を含んで構成されている。これにより、冷媒通流管１０の熱伝導により超電導コイル４により発せられる熱が凝縮器８に伝熱しにくいようになっている。

低熱伝導率金属材料は、一般的に、低熱伝導性の金属として用いられている金属である。このような金属としては、例えば、ステンレス鋼、ニッケル合金等が挙げられる。一方で、高熱伝導率金属材料は、低熱伝導率金属材料の熱伝導率よりも小さい熱伝導率を示す金属である。このような金属としては、例えば、無酸素銅、アルミニウム合金等が挙げられる。これらの例示物は適宜組み合わせて使用されてもよい。

超電導磁石装置１００において、水平方向に延在する水平方向管１０ａでは、高低差が存在しない。そのため、水平方向管１０ａ内で冷媒の気化が過度に進行すると、管内での圧力損失が増大し、冷媒の移動が妨げられることがある。そこで、水平方向管１０ａ内で冷媒が気化しにくくするために、水平方向管１０ａは、低熱伝導性の第１金属材料により構成されている。これにより、超電導マグネット４からの熱が冷媒に伝達しにくくなり、冷媒の過度の気化が抑制されるようになっている。

また、図３（ｂ）に示すように、鉛直方向管１０ｂを構成する高伝熱部位１０ｂ２に対して、超電導コイル４が熱的に接続されている。具体的には、超電導コイル４が捲回されるコイルボビン５と高伝熱部位１０ｂ２が、伝熱部材１１により接続されている。これにより、超電導コイル４において発生した熱が、伝熱部材１１及び高伝熱部位１０ｂ２を介して、冷媒通流管１０内を通流する冷媒に伝達されるようになっている。超電導コイル４と冷媒との伝熱経路は比較的熱伝導性に優れている。そのため、超電導マグネット４において発生した熱を冷媒に高効率に伝達し、超電導マグネット４を効率よく冷却可能になっている。

ここで、高伝熱部位１０ｂ２の上下方向両端は、低熱伝導率金属材料（第１金属材料）に接続されている。そのため、高伝熱部位１０ｂ２に伝達された熱は水平方向管１０ａに伝達されにくくなっており、水平方向管１０ａ内の冷媒を過度に気化させることがない。

さらに、前記したように、冷媒通流管１０においては、含まれる分岐点と合流点（管同士の接続点）との間において、冷媒循環管１０の閉ループが形成されている。図３（ｂ）に即して説明すると、例えば、凝縮器８から排出された冷媒は、分岐点１４において分岐する。そして、水平方向管１０ａ及び鉛直方向管１０ｂを通流して合流点１５に到達した冷媒は、凝縮器８に戻されるようになっている。そして、この分岐点１４と合流点１５との間に、様々な閉ループが形成されている。

例えば、分岐点１４と合流点１８との間には、水平面内に円環状の閉ループが形成されている。また、合流点１５、合流点１６、分岐点１７及び合流点１８により、上下方向に矩形状の閉ループが形成されている。さらに、分岐点１４と合流点１５との間にも、大きな閉ループが形成されていると考えることができる。

これらのことをまとめると、超電導磁石装置１００においては、冷媒循環流路１０の分岐点１４と合流点１５との間に、冷媒循環流路１０の閉ループ（例えば円環状、矩形状等）が形成され、超電導コイル４に電流が通流することで生じる磁束が前記閉ループにより囲まれて形成される面（例えば、中心軸に垂直な円、中心軸に平行な矩形等）を貫くように、冷媒循環流路１０が形成されている。形成される閉ループの中でも、矩形状の閉ループは、少なくとも２本の水平方向流路を構成する管（水平方向管１０ａ）と、少なくとも２本の鉛直方向流路を構成する管（鉛直方向管１０ｂ）と、により形成されている閉ループを含むものである。

冷媒は分岐点１４を始点として一方向に通流するため、冷媒が意図しない方向には通流ないようになっている。しかしながら、冷媒通流管１０は金属により形成される。そのため、励磁時、消磁時等に超電導コイル４に通流する電流が変化すると、超電導コイル４近傍の閉ループを貫通する磁束が変化する。これにより、閉ループに誘導電流が通流し、配管の金属抵抗により、ジュール熱が発生して安定的な冷却が行えないことがある。

ここで、金属における熱伝導性と導電性とは比例関係にあることが知られている。即ち、熱伝導性に優れる（即ち熱伝導率が大きい）金属は、導電性にも優れる（即ち抵抗が小さい）。一方で、熱伝導性に優れない（即ち熱伝導率が小さい）金属は、導電性も優れない（即ち抵抗が大きい）。そこで、本実施形態に係る超電導磁石装置１００に備えられる冷媒通流管１０は、比較的熱伝導率の小さい低熱伝導率金属材料と、比較的熱伝導率の大きい高熱伝導率金属材料とが組み合わされて形成されている。これにより、冷媒通流管１０において抵抗の大きな部位を含ませることができ、前記の閉ループに通流しうる誘導電流の通流が抑制されるようになっている。

図３（ｂ）に即してこの点を説明すると、例えば、合流点１５、合流点１６、分岐点１７及び合流点１８により形成される矩形状の閉ループの経路上には、低伝熱部位１０ｂ１と高伝熱部位１０ｂ２とが存在する。換言すると、この閉ループの経路上には、抵抗の小さい部位（高伝熱部位１０ｂ２に相当）と抵抗の大きい部位（低伝熱部位１０ｂ１に相当）とが併存していることになる。そのため、前記したような高伝熱部位１０ｂ２による冷却性能を確保しつつも、低伝熱部位１０ｂ１による誘導電流の抑制が行われてジュール熱の発熱が抑制され、安定して運転することが可能となる。

〔効果〕
第１実施形態に係る超電導磁石装置１００によれば、超電導コイルの設置形態によらず、安定して運転可能な超電導磁石装置を提供することができる。

特に、超電導磁石装置１００においてはサーモサイフォンの原理が利用されているため、鉛直方向管１０ｂが用いられている。さらには、超電導コイル４を効率よく冷却するために、鉛直方向管１０ｂから分岐して、水平方向に延在する水平方向管１０ａが形成されている。水平方向管１０ａには高低差が無いため、内部で冷媒の過度の気化が生じないことが好ましい。そこで、超電導磁石装置１００においては、水平方向管１０ａが熱伝導率の低い金属材料により構成されている。これにより、水平方向管１０ａにおいて伝熱しにくくなり、内部での冷媒の過度の気化を抑制することができる。

また、超電導コイル４の全体を十分に冷却するために、水平方向管１０ａから分岐して、複数の鉛直方向管１０ｂが形成されている。そして、超電導磁石装置１００においては、この鉛直方向管１０ｂのうちの熱伝導率が高い部位（高伝熱部位１０ｂ２）に、超電導コイル４の有する熱が伝達するように構成している。これにより、水平方向管１０ａへの伝熱を抑制しつつ、鉛直方向管１０ｂを通流する冷媒によって超電導コイル４を十分に冷却することができる。

さらに、冷媒通流管１０が水平方向管１０ａと鉛直方向管１０ｂとに分岐することにより、閉ループが生じている。そして、これにより、前記したように誘導電流が発生して、安定して超電導磁石装置を運転できなくなることがある。そこで、本実施形態に係る超電導磁石装置１００においては、熱伝導率（即ち導電率）の異なる２種の金属材料を用いて冷媒通流管１０を構成している。これにより、閉ループでの誘導電流の通流を抑制することができ、安定的に超電導磁石装置１００を運転することができる。

また、発生する誘導電流を打ち消すように冷媒通流管を配置していた従来の装置とは異なり、冷媒通流管１０の配置に自由度が増す。そのため、冷媒通流管１０の配置に制限があり、超電導磁石装置が大型化することがあった従来のものとは異なり、超電導コイル４の大きさや形状に合わせて自由に冷媒通流管１０を配置することができる。これにより、超電導磁石装置１００を小型化することができる。これにより、設置形態によらず、どのような設置場所でも好適に設置可能な超電導磁石装置１００を提供することができる。

さらに、中心軸が上下方向になるように超電導コイル４を設置することで、超電導磁石装置１００は、例えば、超電導コイル４を支持する柱が複数本形成された、オープン型の核磁気共鳴装置（ＭＲＩ）等に好適である。

［２．第２実施形態］
次に、第２実施形態に係る超電導磁石装置２００について、図４〜図７を参照しながら説明する。なお、超電導磁石２００は基本的には前記の超電導磁石装置１００と同様であるため、同じものについては同じ符号を付すものとし、その詳細な説明は省略する。

図４は、第２実施形態に係る超電導磁石装置２００の段面図である。また、図５は、第２実施形態に係る超電導磁石装置２００の別の断面図である。図５は、図のＡ−Ａ線において超電導磁石装置２００を切断した時の断面図を表している。さらに、図６は、第２実施形態に係る超電導磁石装置２００のさらに別の断面図である。図６は、図のＢ−Ｂ線において超電導磁石装置２００を切断した時の断面図を表している。
なお、図５及び図６においては、図示の簡略化のために、部材の一部を省略して示している。

図４等に示す超電導磁石装置２００においては、超電導コイル４の設置方向が、図１に示した超電導磁石装置１００（図１参照）とは異なっている。具体的には、超電導磁石装置２００における超電導コイル４は、図中の一点鎖線で示すように、その中心軸が水平方向（前後方向）に向くように備えられている。これにより、開口部１０２内の検体に対して磁束が照射されるようになっている。

また、超電導磁石装置２００においては、図５及び図６に示すように、超電導コイル４の中心軸に垂直な方向（上下方向）に、冷媒が通流するようになっている。また、冷媒は、超電導磁石装置１００においては、超電導コイル４の外周に沿って高さ方向に冷媒が通流していたが（図３（ｂ）参照）、超電導磁石装置２００においては、超電導コイル４の外周に沿って周方向に冷媒が通流するようになっている（図６及び図７参照）。

図７は、第２実施形態に係る超電導磁石装置における配管の設置形態を示す図である。図７に示すように、超電導磁石装置２００においても、冷媒通流管１０は、水平方向（前後方向）に延在する水平方向通流管１０ａと、鉛直方向（上下方向、高低差のある方向）に延在する鉛直方向通流管１０ｂと、を備えて構成されている。そして、鉛直方向通流管１０ｂの高伝熱部位１０ｂ２に対して伝熱部材１１（図６参照）が接続され、これにより、超電導コイル４を良好に冷却することができるようになっている。

中心軸が水平方向になるように超電導コイル４を配置した場合でも、前記の超電導磁石装置１００と同様、冷媒通流管１０を用いてサーモサイフォン効果により、効率よく冷却を図ることができる。さらには、超電導装置２００の運転時、冷媒通流管１０により形成される閉ループにおける誘導電流の発生を抑制することができる。これにより、安定して超電導コイル４を冷却することができる。また、超電導コイル４及び冷媒通流管１０をこのように配置することで、超電導磁石装置２００は、例えばクローズ型の核磁気共鳴装置等に好適である。

［３．第３実施形態］
次に、第３実施形態に係る超電導磁石装置３００について、図８及び図９を参照しながら説明する。なお、超電導磁石装置３００は基本的には前記の超電導磁石装置１００と同様であるため、同じものについては同じ符号を付すものとし、その詳細な説明は省略する。

図８は、第３実施形態に係る超電導磁石装置の断面図である。また、図９は、第３実施形態に係る超電導磁石装置における配管の設置形態を示す図である。第３実施形態に係る超電導磁石装置３００においては、前記の超電導磁石装置１００（図１参照）とは異なり、超電導コイル４ａ，４ｂ及び永久電流スイッチ９は凝縮器８内に収容され、冷媒に浸漬されて（浸漬可能になって）いる。そして、超電導コイル４ａ，４ｂ及び永久電流スイッチ９は凝縮器８内で冷媒に直接接触し、これにより、超電導コイル４ａ，４ｂ及び永久電流スイッチ９が冷却されるようになっている。

また、超電導磁石装置３００においては、前記の超電導磁石装置１００に備えられている超電導コイル４ｃ，４ｄに代えて、これらの臨界温度よりも高い臨界温度を有する超電導コイル４ｅ，４ｆが備えられている。従って、超電導磁石装置３００においては、臨界温度が相対的に低い超電導コイル４ａ，４ｂと、臨界温度が相対的に高い超電導コイル４ｅ，４ｆと、が備えられている。なお、超電導コイル４ｅ，４ｆは、前記の超電導磁石装置１００と同様、伝熱部材１１により、冷媒通流管１０の鉛直方向管１０ｂの高伝熱部位１０ｂ２（図９参照）と熱的に接続されている。

これらのことをまとめると、超電導磁石装置３００においては、超電導コイル４は４つ（少なくとも２つ、第３実施形態では超電導コイル４ａ，４ｂ，４ｅ，４ｆ）が備えられ、備えられる超電導コイル４のうちの超電導コイル４ａ，４ｂ（少なくとも１つ）は冷媒に直接接して備えられ、このように備えられる超電導コイル４のうちの超電導コイル４ｅ，４ｆ（別の少なくとも１つ）は、鉛直方向管１０ｂ（鉛直方向流路）を構成する高伝熱部位１０ｂ２（第２金属材料からなる部分）に対して、伝熱部材１１（良伝熱性部材）を介して接続されて備えられている。

このように超電導磁石装置３００を構成することで、前記した第１実施形態と同様に、超電導磁石３００を安定して運転することができる。また、臨界温度が相対的に低い超電導コイル４ａ，４ｂを冷媒に浸漬することにより、冷媒中で超電導コイル４を冷却することができる。これにより、超電導磁石装置３００を安定して運転することができる。

さらには、超電導磁石装置３００に備えられる超電導コイル４のうちの一部（第３実施形態では、４つの超電導コイル４のうちの２つ）のみを冷媒に浸漬させているため、全ての超電導コイル４を浸漬させた場合と比較して、冷媒の使用量を減少させることができる。

［４．第４実施形態］
次に、第４実施形態に係る超電導磁石装置４００について、図１０を参照しながら説明する。なお、超電導磁石装置４００は基本的には前記の超電導磁石装置１００と同様であるため、同じものについては同じ符号を付すものとし、その詳細な説明は省略する。

超電導磁石装置４００においては、前記の超電導磁石装置１００と同様、図中の一点鎖線で示すように、その中心軸が鉛直方向になるように、４つの超電導コイル４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ（４）が備えられている。これらの超電導コイル４は、いずれも、前記の超電導磁石装置１００における超電導コイル４と同様にして、冷媒によって冷却されている。なお、図示の都合上、冷却の様子は図示しない。

また、４つの超電導コイル４のうち、２つの超電導コイル４ａ，４ｂには永久電流スイッチ９が接続され、超電導状態に制御可能になっている。ただし、残りの２つの超電導コイル４ｃ，４ｄには、前記の超電導磁石装置１００（図２参照）とは異なり、永久電流スイッチは接続されていない。その代わりに、超電導コイル４ｃ，４ｄには、駆動電源１９等とは独立した駆動電源２１、電流遮断器１３及び保護抵抗２３ｃが接続されている。

これらのことをまとめると、超電導磁石装置４００においては、超電導コイル４は４つ（少なくとも４つ、超電導コイル４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ）が備えられ、備えられる超電導コイル４のうちの超電導コイル４ａ，４ｂ（少なくとも１つ）の超電導コイル４には、永久電流スイッチ９及び駆動電源１９（第１の電源）が接続され、備えられる超電導コイル４のうちの超電導コイル４ｃ，４ｄ（少なくとも１つ）の超電導コイル４には、直接、駆動電源２１（第２の電源）が接続されている。

超電導磁石装置４００がこのような構成となっていることにより、超電導磁石装置４００を安定して運転できるほか、超電導コイル４ａ，４ｂを超電導状態で運転中に、超電導コイル４ｃ，４ｄに通流する電流を変化させることができる。これにより、発生磁場の強度を変更可能な超電導磁石装置４００を提供することができる。

［５．変形例］
以上、４つの具体例を挙げて本実施形態を説明したが、本実施形態は前記の内容に何ら限定されるものでない。即ち、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で任意に変更して実施可能である。

例えば、冷媒通流管１０の設置の形態は、図示の例に何ら限定されるものではない。即ち、前記したように、高低差の無い水平方向管１０ａと、高低差の有る鉛直方向管１０ｂとを任意に組み合わせて、超電導コイル４等の冷却対象物の形状に合わせて設置すればよい。冷媒通流管１０の設置により形成される、管の閉ループの形状も特に制限はされない。そして、設置された鉛直方向管１０ｂのうちの高伝熱部位１０ｂ２が、伝熱部材１１等を介して、冷却対象物に熱的に接続されればよい。

また、例えば、冷媒通流管１０を構成する材料は特に制限されない。即ち、水平方向管１０ａが熱伝導率の相対的に小さい材料を含んで構成され、鉛直方向管１０ｂが熱伝導率の相対的に大きい材料を含んで構成されれば、どのような材料を用いてもよい。ただし、より確実に、水平方向管１０ａ内での冷媒の気化を防止する観点から、水平方向管１０ａは熱伝導率の小さい材料のみにより構成されることが好ましい。

さらに、例えば、鉛直方向管１０ｂに含まれる低伝熱部位１０ｂ１と高伝熱部位１０ｂ２との相対的な位置も特に制限されない。超電導コイル４等の冷却対象物の形状に合わせて適宜決定すればよい。ただし、冷却対象物からの熱が伝達される高伝熱部位１０ｂ２と、当該高伝熱部位１０ｂ２を含む鉛直方向管１０ｂに接続される水平方向管１０ｂ１との距離ができるだけ短いことが好ましい。これにより、水平方向管１０ｂ１内での冷媒の気化をより確実に防止することができる。

また、高伝熱部位１０ｂ２の長さも特に制限されない。高伝熱部位１０ｂ２の長さを長くすることにより、冷媒との熱的な接触面積が広くなり、超電導コイル４等の冷却対象物の冷却効率を向上させることができる。一方で、高伝熱部位１０ｂ２の長さを短くすることにより、鉛直方向管１０ｂに接続される水平方向管１０ａへの距離が長くなるため、水平方向管１０ａ内での冷媒の気化をより確実に防止することができる。そこで、これらのことを考慮して、高伝熱部位１０ｂ２の長さを決定すればよい。

さらに、前記の超電導磁石装置は、例えば前記した核磁気共鳴装置のほか、どのようなものにも適用できる。また、図示の回路構成、各手段の配置、数等も特に制限されず、任意に決定することができる。ほかにも、前記の実施形態を適宜組み合わせたり削除したりして実施することができる。

４（４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ） 超電導コイル
８ 凝縮器
９ 永久電流スイッチ
１０ａ 水平方向管
１０ｂ 鉛直方向管
１０ｂ１ 低伝熱部位
１０ｂ２ 高伝熱部位
１２ 冷凍機
１４ 分岐点
１５ 合流点
１６ 合流点
１７ 分岐点
１８ 合流点
１９ 駆動電源（第１の電源）
２１ 駆動電源（第２の電源）
１００，２００，３００，４００ 超電導磁石装置

Claims (10)

1. 冷媒が循環可能に構成される冷媒循環流路と、
   前記冷媒循環流路を通流する冷媒の蒸気を冷却する冷却手段と、
   前記循環される冷媒により冷却される超電導コイルとを備え、
   前記冷媒循環流路は、
   水平方向に延在する水平方向流路と鉛直方向に延在する鉛直方向流路とに冷媒が分岐し、前記水平方向流路を通流した冷媒と前記鉛直方向流路を通流した冷媒とが合流するように構成されるとともに、熱伝導率の異なる少なくとも２種の金属材料により構成され、
   前記水平方向流路は、前記金属材料のうちの第１金属材料を含んで構成され、
   前記鉛直方向流路は、前記金属材料のうちの前記第１金属材料よりも熱伝導率の大きい第２金属材料からなる部位を含んで構成され、
   前記超電導コイルと、前記鉛直方向流路を構成する前記第２金属材料からなる部位とが熱的に接続されていることを特徴とする、超電導磁石装置。
2. 前記超電導コイルは、中心軸が鉛直方向又は水平方向に向くように備えられていることを特徴とする、請求の範囲第１項に記載の超電導磁石装置。
3. 少なくとも前記冷媒循環流路、前記冷却手段及び前記超電導コイルを収容する収納容器には対向する外表面同士を貫通させる開口部が設けられ、前記超電導コイルは、前記開口部を挟んで上下方向に少なくとも２つ備えられ、さらに永久電流スイッチを備え、
   前記永久電流スイッチは、前記開口部の水平方向近傍に備えられていることを特徴とする、請求の範囲第１項又は第２項に記載の超電導磁石装置。
4. 前記超電導コイルは少なくとも２つ備えられ、
   備えられる超電導コイルのうちの少なくとも１つは冷媒に直接接して備えられ、
   備えられる超電導コイルのうちの別の少なくとも１つは、前記鉛直方向流路を構成する前記第２金属材料からなる部分に対して、良伝熱性部材を介して接続されて備えられていることを特徴とする、請求の範囲第１項又は第２項に記載の超電導磁石装置。
5. 前記超電導コイルは少なくとも２つ備えられ、
   備えられる超電導コイルのうちの少なくとも１つの超電導コイルには、永久電流スイッチを有して第１の電源が接続され、
   備えられる超電導コイルのうちの少なくとも１つの超電導コイルには、直接第２の電源が接続されていることを特徴とする、請求の範囲第１項又は第２項に記載の超電導磁石装置。
6. 前記冷媒循環流路の分岐点と合流点との間に、前記冷媒循環流路の閉ループが形成され
   前記超電導コイルに電流が通流することで生じる磁束が前記閉ループにより囲まれて形成される面を貫くように、前記冷媒循環流路が形成されていることを特徴とする、請求の範囲第１項又は第２項に記載の超電導磁石装置。
7. 前記閉ループは、少なくとも２本の水平方向流路を構成する管と、少なくとも２本の鉛直方向流路を構成する管と、により形成されている閉ループを含むことを特徴とする、請求の範囲第６項に記載の超電導磁石装置。
8. 前記冷却手段と前記超電導コイルとを接続する、前記冷媒循環流路を構成する配管は、前記水平方向流路を構成する第１金属材料と同様の金属材料を含んで構成されていることを特徴とする、請求の範囲第１項又は第２項に記載の超電導磁石装置。
9. 前記冷却手段は少なくとも凝縮器であり、
   冷媒に直接接して備えられている前記超電導コイルは前記凝縮器内に収容され、
   前記凝縮器内に収容される前記超電導コイルは、前記凝縮器内の冷媒に浸漬可能に収容されていることを特徴とする、請求の範囲第４項に記載の超電導磁石装置。
10. 核磁気共鳴装置であることを特徴とする、請求の範囲第１項又は第２項に記載の超電導磁石装置。

Images