JPWO2015004766A1 - 超電導マグネット - Google Patents
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Abstract
超電導コイル(１４０)と、冷媒容器(１３０)と、輻射シールド(１２０)と、真空容器(１１０)と、冷媒容器(１３０)の内部および輻射シールド(１２０)を冷却する冷凍機(１８０)と、真空容器(１１０)の外側から冷媒容器(１３０)の内側まで貫通して気化した冷媒(１５１)の流路を構成し、超電導コイル(１４０)に電気的に接続された管状の電流リード(１９０)と、真空容器(１１０)の外側に配置され、電流リード(１９０)と電気的に接続された電源と、冷媒容器(１３０)の内部の圧力を測定する圧力計(１９８)と、真空容器(１１０)内に配置されて電流リード(１９０)の温度を測定する温度計(１２２)と、電源(１９３)、圧力計(１９８)および温度計(１２２)の各々に接続された制御部(１９９)とを備える。制御部(１９９)は、圧力計(１９８)の測定値が設定値以上、かつ、温度計(１２２)の測定値が設定値以下である場合のみ電源(１９３)の出力を上昇させて超電導コイル(１４０)に流れる電流値を変化させる。
Description
本発明は、超電導マグネットに関し、特に、固定方式の電流リードを有する超電導マグネットに関する。
固定方式の電流リードを有する超電導マグネットを含む磁気システムの構成を開示した先行文献として、特開平２−０００３０６号公報(特許文献１)がある。特許文献１に記載された磁気システムの超電導マグネットにおいては、電流リードが高い熱伝導抵抗を有している。これにより、磁気コイルが持続モード(電流リードを通して電流が流れないモード)にあるときに、電流リードを通して導入される熱量を低減している。また、電流リードを通して電流を流すときに、冷媒容器から電流リードを通してヘリウムガスが流れることにより、電流リードが自動的に冷却されるようにしている。
特許文献１に記載された超電導マグネットにおいては、ソレノイドコイルによってソレノイドバルブの開閉を制御することにより、電流リードを流れるヘリウムガスの流量を調整している。冷媒容器内に十分なヘリウムガスが存在しない場合、ソレノイドバルブを開いても十分な量のヘリウムガスを電流リードを通して流すことができないため、電流リードの冷却ができなくなる。電流リードの冷却ができない場合、ジュール熱によって電流リードが焼損する可能性がある。
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであって、電流リードの焼損を防止でき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、超電導コイルを液状の冷媒に浸漬した状態で収容する冷媒容器と、冷媒容器の周りを囲む輻射シールドと、超電導コイル、冷媒容器および輻射シールドを収容する真空容器と、冷媒容器の内部および輻射シールドを冷却する冷凍機と、真空容器の外側から冷媒容器の内側まで貫通して気化した冷媒の流路を構成し、超電導コイルに電気的に接続された管状の電流リードと、真空容器の外側に配置され、電流リードと電気的に接続された電源と、冷媒容器の内部の圧力を測定する圧力計と、真空容器内に配置されて電流リードの温度を測定する温度計と、電源、圧力計および温度計の各々に接続された制御部とを備える。制御部は、圧力計の測定値が設定値以上、かつ、温度計の測定値が設定値以下である場合のみ電源の出力を上昇させて超電導コイルに流れる電流値を変化させる。
本発明によれば、電流リードの焼損を防止できる。
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。
なお、以下の実施形態においては、ＭＲＩ(Magnetic Resonance Imaging)用超電導マグネットについて説明するが、超電導マグネットはこれに限られず、他の用途に用いられるものであってもよい。また、円筒型の超電導マグネットについて説明するが、必ずしも円筒型の超電導マグネットに限定されるものではなく、開放型の超電導マグネットにも本発明を適用できる。
(実施形態１)
図１は、ＭＲＩ装置の外観を示す斜視図である。図１に示すように、ＭＲＩ装置１は、静磁場発生部１０と寝台３０とを含む。静磁場発生部１０は、後述する超電導マグネットを含み、ボア２０の内部に静磁場を発生する。
図１は、ＭＲＩ装置の外観を示す斜視図である。図１に示すように、ＭＲＩ装置１は、静磁場発生部１０と寝台３０とを含む。静磁場発生部１０は、後述する超電導マグネットを含み、ボア２０の内部に静磁場を発生する。
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造を示す断面図である。図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においては、最も外側に、中空円筒状の真空容器１１０が配置されている。真空容器１１０は、真空容器１１０の内側と外側とを真空断熱するために、たとえば、ステンレスまたはアルミニウムなどの非磁性材料から構成されている。
真空容器１１０の円筒中心部の空間が、ボア２０に対応したボア部となる。真空容器１１０の内部は、真空になるように図示しない減圧装置により減圧されている。真空容器１１０は、下部に配置された脚部によりボア部の中心軸が水平方向になるように支えられている。
真空容器１１０の内部には、真空容器１１０と略相似形の中空円筒状の輻射シールド１２０が配置されている。輻射シールド１２０は、たとえば、アルミニウムなどの光の反射率の高い非磁性材料から構成されている。輻射シールド１２０の表面には、図示しない多層断熱材(スーパーインシュレーション)が貼り付けられている。
輻射シールド１２０の内部には、輻射シールド１２０と略相似形の中空円筒状の冷媒容器１３０が配置されている。輻射シールド１２０は、冷媒容器１３０の周りを囲んで、冷媒容器１３０と真空容器１１０との間を断熱する機能を有している。冷媒容器１３０は、ステンレスまたはアルミニウムなどの非磁性材料から構成されている。
冷媒容器１３０の内部には、超電導コイル１４０が収容されている。超電導コイル１４０は、巻枠としても機能する冷媒容器１３０の底部に巻き回されている。冷媒容器１３０の内部には、液状の冷媒である液体ヘリウム１５０が充填されている。超電導コイル１４０は、液体ヘリウム１５０中に浸漬されて冷却されている。超電導コイル１４０は、たとえば、銅からなるマトリクスの中心部にニオブチタン合金を埋め込んで形成された超電導線が巻き回されて構成されている。
このように、真空容器１１０は、超電導コイル１４０、冷媒容器１３０および輻射シールド１２０を収容している。超電導マグネット１００が稼動すると、ボア部の図中の点線で示す範囲内の静磁場領域４０において、矢印方向の静磁場５０が発生する。
図３は、本実施形態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においては、簡単のため、各構成を簡略化して示している。
図３に示すように、超電導コイル１４０の外側には、超電導コイル１４０に対して外乱磁場の影響が及ぶことを抑制するための外乱磁場補償コイル１４１が配置されている。外乱磁場補償コイル１４１は、たとえば、銅からなるマトリクスの中心部にニオブチタン合金を埋め込んで形成された超電導線が巻き回されて構成されている。
また、超電導コイル１４０には、電気的に並列に第１永久電流スイッチ(Persistent Current Switch)１７０が接続されている。第１永久電流スイッチ１７０は、たとえば、エポキシ樹脂で作製された巻枠にニオブチタン合金からなる超電導フィラメントを巻き回した巻線で構成されている。第１永久電流スイッチ１７０の外側に、ヒータ線が巻き回された第１抵抗加熱ヒータ１７１が配置されている。
外乱磁場補償コイル１４１には、電気的に並列に第２永久電流スイッチ１６０が接続されている。第２永久電流スイッチ１６０は、たとえば、エポキシ樹脂で作製された巻枠にニオブチタン合金からなる超電導フィラメントを巻き回した巻線で構成されている。第２永久電流スイッチ１６０の外側に、ヒータ線が巻き回された第２抵抗加熱ヒータ１６１が配置されている。
本実施形態に係る超電導マグネット１００は、冷媒容器１３０の内部に配置されて液体ヘリウム１５０を気化させる第３抵抗加熱ヒータ１８１をさらに備えている。なお、第２抵抗加熱ヒータ１６１への通電によって、後述するように、超電導マグネット１００の励磁時および消磁時に電流リード１９０を冷却するために必要な量の液体ヘリウム１５０を気化させることができる場合には、第３抵抗加熱ヒータ１８１が設けられていなくてもよい。
外乱磁場補償コイル１４１、第１永久電流スイッチ１７０、第１抵抗加熱ヒータ１７１、第２永久電流スイッチ１６０、第２抵抗加熱ヒータ１６１および第３抵抗加熱ヒータ１８１の各々は、冷媒容器１３０内において液体ヘリウム１５０に浸漬されている。
超電導マグネット１００は、冷媒容器１３０の内部および輻射シールド１２０を冷却する冷凍機１８０を備えている。冷凍機１８０としては、２段の冷凍ステージを有するギフォード・マクマホン型冷凍機またはパルスチューブ冷凍機を用いることができる。
冷凍機１８０の第１冷凍ステージは、輻射シールド１２０と熱的に接触している。冷凍機１８０の第２冷凍ステージは、冷媒容器１３０の内部の上部に位置して、気化したヘリウムガス１５１を再液化する。
超電導マグネット１００は、真空容器１１０の外側から冷媒容器１３０の内側まで貫通してヘリウムガス１５１の流路を構成し、超電導コイル１４０に電気的に接続された管状の２本の電流リード１９０を備えている。各電流リード１９０は、直管状の外形を有して、電流リード１９０の上端部のみ真空容器１１０の外側に位置している。
本実施形態においては、電流リード１９０の材料は、りん脱酸銅を主成分とする。ただし、電流リード１９０の材料の主成分は、りん脱酸銅に限られず、黄銅または電気銅などでもよい。
各電流リード１９０の下端部は、超電導コイル１４０と略同一の４Ｋ程度まで冷却されている。各電流リード１９０は、真空容器１１０に設けられた電気絶縁性を有する環状の固定部材１１１に挿通された状態で固定されている。真空容器１１０の外側は、室温である３００Ｋ程度の温度になっている。
各電流リード１９０には、固定部材１１１と接触している部分から電流リード１９０の下端側に電流リード１９０の全長の約１／３の位置に、たとえば銅からなるブロック状の中温ステージ１２１が接続されている。
各中温ステージ１２１は、サーマルアンカを間に挟んで輻射シールド１２０と熱的に接触している。各中温ステージ１２１と輻射シールド１２０とは、電気的には絶縁されている。各中温ステージ１２１には、真空容器１１０内に配置されて電流リード１９０の温度を測定する温度計１２２が接続されている。温度計１２２としては、極低温領域での測定精度が良好な白金測温抵抗体を用いたが、これに限られず、熱電対などでもよい。
各電流リード１９０の上端部には、電流リード１９０と連通して電気絶縁性を有する材料からなる外部配管１９１が接続されている。本実施形態においては、２本の電流リード１９０と分岐した１つの外部配管１９１とが接続されている。外部配管１９１の分岐していない部分に、外部配管１９１を開閉する開放弁１９２が設けられている。開放弁１９２としては、たとえば、チェック弁または電磁弁などを用いることができる。
超電導マグネット１００は、冷媒容器１３０の内部の圧力を測定する圧力計１９８を備えている。圧力計１９８は、冷媒容器１３０内のヘリウムガス１５１の圧力を測定する。
また、超電導マグネット１００は、真空容器１１０の外側に配置され、各電流リード１９０と電気的に接続された電源１９３を備えている。
さらに、超電導マグネット１００は、電源１９３、圧力計１９８および２つの温度計１２２の各々に接続された制御部１９９を備えている。制御部１９９は、真空容器１１０の外側に配置されている。制御部１９９には、各温度計１２２の測定値および圧力計１９８の測定値が入力される。
制御部１９９は、第１抵抗加熱ヒータ１７１、第２抵抗加熱ヒータ１６１および第３抵抗加熱ヒータ１８１の各々と電気的に接続されている。よって、第１抵抗加熱ヒータ１７１、第２抵抗加熱ヒータ１６１および第３抵抗加熱ヒータ１８１の各々は、制御部１９９を通じて電源１９３に接続されている。
なお、超電導マグネット１００は、冷媒容器１３０内の液体ヘリウム１５０の液量を測定する機能、輻射シールド１２０の温度を測定する機能、冷凍機１８０の第２冷凍ステージの温度を測定する機能、緊急時に超電導コイル１４０が発生する磁場を遮断する機能、または、冷凍機１８０の圧縮機を制御する機能などを有していてもよい。
以下、本実施形態に係る超電導マグネット１００において、超電導コイル１４０を励磁する際の動作について説明する。超電導マグネット１００を使用するためには、超電導コイル１４０を極低温状態まで冷却する必要がある。まず、真空容器１１０の内部を真空引きした後、冷媒容器１３０内を窒素ガスで充満させる。その後、冷凍機１８０を真空容器１１０に挿入して稼働させる。
冷凍機１８０の第１冷凍ステージによって、輻射シールド１２０が５０Ｋ程度まで冷却される。超電導コイル１４０は、液体窒素によって７７Ｋ程度まで冷却される。その後、冷媒容器１３０内にヘリウムガスを充填することにより窒素と置換する。最終的に、超電導コイル１４０は、液体ヘリウム１５０によって４Ｋ程度まで冷却される。
次に、制御部１９９は、第１抵抗加熱ヒータ１７１および第２抵抗加熱ヒータ１６１の各々に電源１９３からの電流を流す。これにより、第１永久電流スイッチ１７０および第２永久電流スイッチ１６０の各々の超電導フィラメントに抵抗を発生させる。
第２永久電流スイッチ１６０の超電導フィラメントに抵抗を発生させることにより、外乱磁場から受けた磁場の影響によって外乱磁場補償コイル１４１に誘起された電流が減衰して、外乱磁場補償コイル１４１の出力がリセットされる。
その後、制御部１９９は、第３抵抗加熱ヒータ１８１に電源１９３からの電流を流す。これにより、第３抵抗加熱ヒータ１８１のジュール熱によって液体ヘリウム１５０が蒸発し、冷媒容器１３０内の圧力が上昇する。このとき、開放弁１９２は開状態になっている。
本実施形態においては、励磁開始の条件として、圧力計１９８の測定値がゲージ圧で７０００Ｐａ以上、かつ、各温度計１２２の測定値が８０Ｋ以下であることを制御部１９９に設定入力している。
すなわち、制御部１９９は、圧力計１９８の測定値が設定値以上、かつ、温度計１２２の測定値が設定値以下である場合のみ電源１９３の出力を上昇させて超電導コイル１４０に流れる電流値を変化させる。
よって、冷媒容器１３０内のヘリウムガス１５１の圧力値が７０００Ｐａより低い場合、または、中温ステージ１２１の温度が８０Ｋより高い場合は、制御部１９９は、励磁不可能と判断して電源１９３の出力を上昇させない。
励磁開始の条件が満たされて制御部１９９が電源１９３の出力を上昇させると、抵抗が発生している第１永久電流スイッチ１７０には電流がほとんど流れず、電流リード１９０を通じて超電導コイル１４０に電流が主に流れる。
この時、電流リード１９０にジュール熱が発生するが、電流リード１９０内を流れるヘリウムガス１５１によって電流リード１９０が冷却されるため、電流リード１９０の温度上昇が抑制される。すなわち、冷媒容器１３０内で気化したヘリウムガス１５１が、電流リード１９０を冷却しつつ外部配管１９１に流出して排気される。
仮に、電流リード１９０が氷結していてヘリウムガス１５１が電流リード１９０内を流れることができない場合、電流リード１９０において発生したジュール熱によって氷が融解すれば、電流リード１９０内をヘリウムガス１５１が通流可能となるため、電流リード１９０の温度上昇を抑制できる。
ジュール熱によって氷を融解できない場合、ヘリウムガス１５１による電流リード１９０の冷却が不十分となって電流リード１９０の温度が上昇することになる。この場合、入力された温度計１２２の測定値から、中温ステージ１２１の温度が８０Ｋより高くなったことを認識した制御部１９９が、電源１９３の出力上昇を中止させる。これにより、電流リード１９０が過熱されて焼損することが防止される。
電流リード１９０の温度上昇を抑制した状態で電源１９３の出力が設定出力に達した後、制御部１９９は、第１抵抗加熱ヒータ１７１への通電を停止する。これにより、第１永久電流スイッチ１７０は、液体ヘリウム１５０によって冷却されて超電導状態になる。
第１永久電流スイッチ１７０が超電導状態になった後、制御部１９９は、電源１９３の出力を下降させる。この時、超電導コイル１４０を流れる電流量は変化せず、第１永久電流スイッチ１７０を流れる電流量が増加する。電源１９３の出力がゼロになると、超電導コイル１４０と第１永久電流スイッチ１７０とに同じ量の電流が流れる。この状態において、電源１９３との電気的接続を切り離しても超電導コイル１４０と第１永久電流スイッチ１７０とからなる閉ループにおいて電流が流れ続ける。これで、超電導マグネット１００の励磁が完了する。
次に、本実施形態に係る超電導マグネット１００において、超電導コイル１４０を消磁する際の動作について説明する。
まず、制御部１９９は、第２抵抗加熱ヒータ１６１に電源１９３からの電流を流す。これにより、第２永久電流スイッチ１６０の超電導フィラメントに抵抗を発生させる。第２永久電流スイッチ１６０の超電導フィラメントに抵抗を発生させることにより、外乱磁場から受けた磁場の影響によって外乱磁場補償コイル１４１に誘起された電流が減衰して、外乱磁場補償コイル１４１の出力がリセットされる。
次に、制御部１９９は、第３抵抗加熱ヒータ１８１に電源１９３からの電流を流す。これにより、第３抵抗加熱ヒータ１８１のジュール熱によって液体ヘリウム１５０が蒸発し、冷媒容器１３０内の圧力が上昇する。このとき、開放弁１９２は開状態になっている。
本実施形態においては、消磁開始の条件として、圧力計１９８の測定値がゲージ圧で７０００Ｐａ以上、かつ、各温度計１２２の測定値が８０Ｋ以下であることを制御部１９９に設定入力している。
すなわち、制御部１９９は、圧力計１９８の測定値が設定値以上、かつ、温度計１２２の測定値が設定値以下である場合のみ電源１９３の出力を上昇させて超電導コイル１４０に流れる電流値を変化させる。
よって、冷媒容器１３０内のヘリウムガス１５１の圧力値が７０００Ｐａより低い場合、または、中温ステージ１２１の温度が８０Ｋより高い場合は、制御部１９９は、消磁不可能と判断して電源１９３の出力を上昇させない。
消磁開始の条件が満たされて制御部１９９が電源１９３の出力を上昇させると、電源１９３から流れる電流の向きと閉ループを流れる電流の向きとが互いに逆向きであるため、超電導コイル１４０を流れる電流量は変化せず、第１永久電流スイッチ１７０を流れる電流量が減少する。
この時、電流リード１９０にジュール熱が発生するが、電流リード１９０内を流れるヘリウムガス１５１によって電流リード１９０が冷却されるため、電流リード１９０の温度上昇が抑制される。すなわち、冷媒容器１３０内で気化したヘリウムガス１５１が、電流リード１９０を冷却しつつ外部配管１９１に流出して排気される。
仮に、電流リード１９０の温度が上昇した場合、入力された温度計１２２の測定値から、中温ステージ１２１の温度が８０Ｋより高くなったことを認識した制御部１９９が、電源１９３の出力上昇を中止させる。これにより、電流リード１９０が過熱されて焼損することが防止される。
電流リード１９０の温度上昇を抑制した状態で、電源１９３の出力電流値が超電導コイル１４０を流れる電流値と等量になった後、制御部１９９は、第１抵抗加熱ヒータ１７１に通電する。これにより、第１永久電流スイッチ１７０の超電導フィラメントに抵抗が発生して、第１永久電流スイッチ１７０は常電導状態になる。この時、第１永久電流スイッチ１７０を流れる電流値はゼロになっている。
この状態において、電源１９３の出力を下降させることにより、超電導コイル１４０を流れる電流値が減少する。超電導コイル１４０を流れる電流値がゼロになったら、超電導マグネット１００の消磁が完了する。
上記のように、本実施形態に係る超電導マグネット１００においては、制御部１９９が、冷媒容器１３０内に十分な量のヘリウムガス１５１があること、および、電流リード１９０が過熱されていないことの両方が確認されない限り、超電導マグネット１００の励磁および消磁を行なわない。そのため、電流リード１９０が過熱されて焼損することを防止できる。
なお、本実施形態においては、電流リード１９０の材料の主成分をりん脱酸銅としている。その理由を以下に説明する。
本実施形態に係る超電導マグネット１００においては、固定方式の電流リード１９０を用いているため、常時、外部から電流リード１９０を通じて冷媒容器１３０内に熱侵入がある。そのため、電流リード１９０の材料としては、熱伝導率が低い材料が好ましい。また、超電導マグネット１００の励磁時および消磁時には、電流リード１９０において発生するジュール熱による熱侵入がある。ジュール熱による熱侵入を低減するためには、電流リード１９０の材料として、電気抵抗率の低い材料が好ましい。
よって、電流リード１９０の材料としては、熱伝導率および電気抵抗率の両方が低い材料が好ましい。そこで、電流リード１９０の材料の候補として、りん脱酸銅、黄銅、電気銅およびＳＵＳ３０４の各々について、熱伝導率と電気抵抗率との積の値の温度依存性を検証した。
図４は、りん脱酸銅、黄銅、電気銅、ＳＵＳ３０４の熱伝導率と電気抵抗率との積の値の温度依存性を示すグラフである。図４においては、縦軸に熱伝導率と電気抵抗率との積の値、横軸に温度を示している。
図４に示すように、りん脱酸銅は、黄銅、電気銅およびＳＵＳ３０４に比較して、全ての温度領域において、熱伝導率と電気抵抗率との積の値が小さい。よって、電流リード１９０の材料の主成分をりん脱酸銅とすることにより、冷媒容器１３０内への熱侵入を低減できるとともに、ジュール熱による電流リード１９０の焼損の発生を抑制できる。
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。本実施形態に係る超電導マグネット１００ａにおいては、圧力計の代わりに流量計を用いる点のみ実施形態１に係る超電導マグネット１００と異なるため、他の構成については説明を繰り返さない。
(実施形態２)
図５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５においては、図３と同一の方向から見た断面を示している。
図５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５においては、図３と同一の方向から見た断面を示している。
図５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１００ａは、ヘリウムガス１５１が電流リード１９０の内部を通過した流量を測定する流量計１９４を備えている。具体的には、流量計１９４は、外部配管１９１の分岐していない部分に取り付けられている。よって、流量計１９４は、２つの電流リード１９０の内部を通過したヘリウムガス１５１の合計流量を測定する。流量計１９４の測定値は、制御部１９９に入力される。
本実施形態においては、励磁開始および消磁開始の条件として、流量計１９４の測定値が２５Ｌ／ｍｉｎ以上、かつ、各温度計１２２の測定値が８０Ｋ以下であることを制御部１９９に設定入力している。
すなわち、制御部１９９は、流量計１９４の測定値が設定値以上、かつ、温度計１２２の測定値が設定値以下である場合のみ電源１９３の出力を上昇させて超電導コイル１４０に流れる電流値を変化させる。
よって、外部配管１９１内のヘリウムガス１５１の流量値が２５Ｌ／ｍｉｎより低い場合、または、中温ステージ１２１の温度が８０Ｋより高い場合は、制御部１９９は、励磁および消磁不可能と判断して電源１９３の出力を上昇させない。
仮に、電流リード１９０が氷結していてヘリウムガス１５１が電流リード１９０内を流れることができない場合、入力された流量計１９４の測定値から、電流リード１９０内を流れるヘリウムガス１５１の量が少ないことを認識した制御部１９９が、電源１９３の出力上昇を中止させる。これにより、電流リード１９０が過熱されて焼損することが防止される。
上記のように、本実施形態に係る超電導マグネット１００ａにおいては、制御部１９９が、電流リード１９０内を十分な量のヘリウムガス１５１が流れていること、および、電流リード１９０が過熱されていないことの両方が確認されない限り、超電導マグネット１００ａの励磁および消磁を行なわない。そのため、電流リード１９０が過熱されて焼損することを防止できる。
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。本実施形態に係る超電導マグネット１００ｂにおいては、第３抵抗加熱ヒータの代わりに冷凍機運転切換器を用いる点のみ実施形態１に係る超電導マグネット１００と異なるため、他の構成については説明を繰り返さない。
(実施形態３)
図６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６においては、図３と同一の方向から見た断面を示している。
図６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６においては、図３と同一の方向から見た断面を示している。
図６に示すように、本発明の実施形態３に係る超電導マグネット１００ｂは、冷媒容器１３０内の温度を上昇させて液体ヘリウム１５０を気化させるために、冷凍機１８０を停止させる冷凍機運転切換器１８２を備えている。冷凍機運転切換器１８２は、冷凍機１８０に接続されている。また、冷凍機運転切換器１８２は、制御部１９９に電気的に接続されている。
本実施形態に係る超電導マグネット１００ｂにおいては、制御部１９９が、超電導マグネット１００ｂを励磁および消磁する前に、冷凍機運転切換器１８２によって冷凍機１８０を停止させる。冷凍機１８０が停止した状態においては、冷媒容器１３０内への熱侵入によって液体ヘリウム１５０が蒸発する。その結果、冷媒容器１３０内のヘリウムガス１５１の圧力値が上昇して７０００Ｐａ以上となる。
このようにした場合にも、超電導マグネット１００ｂの励磁時および消磁時に電流リード１９０を冷却するために必要な量の液体ヘリウム１５０を気化させることができる。
なお、超電導マグネット１００ｂが、第３抵抗加熱ヒータおよび冷凍機運転切換器１８２の両方を備えていてもよい。この場合、冷凍機運転切換器１８２によって冷凍機１８０を停止させた状態で第３抵抗加熱ヒータに通電することにより、励磁時および消磁時に電流リード１９０を冷却するために必要な量の液体ヘリウム１５０を短時間で気化させることができる。
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。本実施形態に係る超電導マグネット１００ｃにおいては、第４抵抗加熱ヒータおよび第４抵抗加熱ヒータ用の電源をさらに備える点のみ実施形態１に係る超電導マグネット１００と異なるため、他の構成については説明を繰り返さない。
(実施形態４)
図７は、本発明の実施形態４に係る超電導マグネットの構成を示す断面図である。図７においては、図３と同一の方向から見た断面を示している。
図７は、本発明の実施形態４に係る超電導マグネットの構成を示す断面図である。図７においては、図３と同一の方向から見た断面を示している。
図７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１００ｃは、冷媒容器１３０の内部において電流リード１９０に隣接して配置されて電流リード１９０を加熱するための２つの第４抵抗加熱ヒータ１８３を備える。
各第４抵抗加熱ヒータ１８３は、ヒータ線が巻き回されて構成されている。第４抵抗加熱ヒータ１８３は、電流リード１９０の下端部から電流リード１９０の上端側に電流リード１９０の全長の約１／４の位置に熱的に接触している。１つの第４抵抗加熱ヒータ１８３が、１対１で対応するように１つの電流リード１９０に熱的に接触している。電流リード１９０と第４抵抗加熱ヒータ１８３とは、電気的には絶縁されている。
第４抵抗加熱ヒータ１８３は、真空容器１１０の外側に配置された電源１９５と電気的に接続されている。電源１９５は、制御部１９９と電気的に接続されている。
本実施形態に係る超電導マグネット１００ｃにおいては、電流リード１９０が氷結していてヘリウムガス１５１が電流リード１９０内を流れることができない場合、制御部１９９が電源１９５を起動させて第４抵抗加熱ヒータ１８３に通電する。
制御部１９９は、圧力計１９８の測定値が７０００Ｐａ以上でかつ温度計１２２の測定値が８０Ｋより高くなった場合に、電流リード１９０が氷結していてヘリウムガス１５１が電流リード１９０内を流れることができない状態であると判断する。
第４抵抗加熱ヒータ１８３によって電流リード１９０を加熱して氷を融解させることにより、電流リード１９０内をヘリウムガス１５１が通流可能となるため、電流リード１９０の温度上昇を抑制できる。
制御部１９９は、温度計１２２の測定値が８０Ｋ以下になったことを確認した後、電源１９５による第４抵抗加熱ヒータ１８３への通電を停止する。このように、ヘリウムガス１５１による電流リード１９０の冷却を確保することにより、電流リード１９０が過熱されて焼損することを防止できる。
実施形態２，３に係る超電導マグネット１００ａ，１００ｂに、第４抵抗加熱ヒータ１８３および電源１９５を設けてもよい。
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。
１ ＭＲＩ装置，１０ 静磁場発生部，２０ ボア，３０ 寝台，４０ 静磁場領域，５０ 静磁場，１００，１００ａ，１００ｂ，１００ｃ 超電導マグネット，１１０ 真空容器，１１１ 固定部材，１２０ 輻射シールド，１２１ 中温ステージ，１２２ 温度計，１３０ 冷媒容器，１４０ 超電導コイル，１４１ 外乱磁場補償コイル，１５０ 液体ヘリウム，１５１ ヘリウムガス，１６０ 第２永久電流スイッチ，１６１ 第２抵抗加熱ヒータ，１７０ 第１永久電流スイッチ，１７１ 第１抵抗加熱ヒータ，１８０ 冷凍機，１８１ 第３抵抗加熱ヒータ，１８２ 冷凍機運転切換器，１８３ 第４抵抗加熱ヒータ，１９０ 電流リード，１９１ 外部配管，１９２ 開放弁，１９３，１９５ 電源，１９４ 流量計，１９８ 圧力計，１９９ 制御部。
また、超電導コイル１４０には、電気的に直列に第１永久電流スイッチ(Persistent Current Switch)１７０が接続されている。第１永久電流スイッチ１７０は、たとえば、エポキシ樹脂で作製された巻枠にニオブチタン合金からなる超電導フィラメントを巻き回した巻線で構成されている。第１永久電流スイッチ１７０の外側に、ヒータ線が巻き回された第１抵抗加熱ヒータ１７１が配置されている。
外乱磁場補償コイル１４１には、電気的に直列に第２永久電流スイッチ１６０が接続されている。第２永久電流スイッチ１６０は、たとえば、エポキシ樹脂で作製された巻枠にニオブチタン合金からなる超電導フィラメントを巻き回した巻線で構成されている。第２永久電流スイッチ１６０の外側に、ヒータ線が巻き回された第２抵抗加熱ヒータ１６１が配置されている。
Claims (6)
- 超電導コイル(１４０)と、
前記超電導コイル(１４０)を液状の冷媒(１５０)に浸漬した状態で収容する冷媒容器(１３０)と、
前記冷媒容器(１３０)の周りを囲む輻射シールド(１２０)と、
前記超電導コイル(１４０)、前記冷媒容器(１３０)および前記輻射シールド(１２０)を収容する真空容器(１１０)と、
前記冷媒容器(１３０)の内部および前記輻射シールド(１２０)を冷却する冷凍機(１８０)と、
前記真空容器(１１０)の外側から前記冷媒容器(１３０)の内側まで貫通して気化した前記冷媒(１５１)の流路を構成し、前記超電導コイル(１４０)に電気的に接続された管状の電流リード(１９０)と、
前記真空容器(１１０)の外側に配置され、前記電流リード(１９０)と電気的に接続された電源(１９３)と、
前記冷媒容器(１３０)の内部の圧力を測定する圧力計(１９８)と、
前記真空容器(１１０)内に配置されて前記電流リード(１９０)の温度を測定する温度計(１２２)と、
前記電源(１９３)、前記圧力計(１９８)および前記温度計(１２２)の各々に接続された制御部(１９９)と
を備え、
前記制御部(１９９)は、前記圧力計(１９８)の測定値が設定値以上、かつ、前記温度計(１２２)の測定値が設定値以下である場合のみ前記電源(１９３)の出力を上昇させて前記超電導コイル(１４０)に流れる電流値を変化させる、超電導マグネット。 - 超電導コイル(１４０)と、
前記超電導コイル(１４０)を液状の冷媒(１５０)に浸漬した状態で収容する冷媒容器(１３０)と、
前記冷媒容器(１３０)の周りを囲む輻射シールド(１２０)と、
前記超電導コイル(１４０)、前記冷媒容器(１３０)および前記輻射シールド(１２０)を収容する真空容器(１１０)と、
前記冷媒容器(１３０)の内部および前記輻射シールド(１２０)を冷却する冷凍機(１８０)と、
前記真空容器(１１０)の外側から前記冷媒容器(１３０)の内側まで貫通して気化した前記冷媒(１５１)の流路を構成し、前記超電導コイル(１４０)に電気的に接続された管状の電流リード(１９０)と、
前記真空容器(１１０)の外側に配置され、前記電流リード(１９０)と電気的に接続された電源(１９３)と、
気化した前記冷媒(１５１)が前記電流リード(１９０)の内部を通過した流量を測定する流量計(１９４)と、
前記真空容器(１１０)内に配置されて前記電流リード(１９０)の温度を測定する温度計(１２２)と、
前記電源(１９３)、前記流量計(１９４)および前記温度計(１２２)の各々に接続された制御部(１９９)と
を備え、
前記制御部(１９９)は、前記流量計(１９４)の測定値が設定値以上、かつ、前記温度計(１２２)の測定値が設定値以下である場合のみ前記電源(１９３)の出力を上昇させて前記超電導コイル(１４０)に流れる電流値を変化させる、超電導マグネット。 - 前記冷媒容器(１３０)の内部に配置されて液状の前記冷媒(１５０)を気化させるヒータ(１８１)をさらに備える、請求項１または２に記載の超電導マグネット。
- 前記冷媒容器(１３０)の内部において前記電流リード(１９０)に隣接して配置されて前記電流リード(１９０)を加熱するためのヒータ(１８３)をさらに備える、請求項１から３のいずれか１項に記載の超電導マグネット。
- 前記冷媒容器(１３０)内の温度を上昇させて液状の前記冷媒(１５０)を気化させるために、前記冷凍機(１８０)を停止させる冷凍機運転切換器(１８２)をさらに備える、請求項１から４のいずれか１項に記載の超電導マグネット。
- 前記電流リード(１９０)の材料が、りん脱酸銅を主成分とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の超電導マグネット。
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