WO2011118501A1 - 超電導マグネット - Google Patents

Abstract

　本発明の目的は、「超電導マグネットの小型化」、「ヘリウム槽の小型化」、および「クライオスタットの小型化」、をいずれも実現できる簡易な構造の超電導マグネットを提供することである。　円筒状の胴部１１と、所定の間隔をあけて当該胴部１１の外周に設けられた少なくとも一対のフランジ部１２ａ・１２ｂと、を具備してなる巻枠２と、フランジ部１２ａ・１２ｂ間の胴部１１に巻回された超電導線材よりなる超電導コイル３ａと、を備える超電導マグネット１である。超電導コイル３ａの外周に熱伝導率の高い金属材料からなる線状体４ａを巻きつけている。線状体４ａの直径は、胴部１１の厚みＴよりも小さい。

Description

超電導マグネット

　本発明は、超電導線材が巻回されてなる超電導マグネットに関する。

　医療で用いられるＭＲＩ装置などでは、大きなボア径を確保しながら装置全体を小型化する必要がある。装置全体を小型化するには、装置を構成する、（１）超電導マグネットの小型化・（２）ヘリウム槽の小型化・（３）クライオスタットの小型化、を実現する必要がある。

　ここで、（２）ヘリウム槽の小型化、を実現し得る技術として、例えば、特許文献１に記載された技術がある。特許文献１には、超電導コイルに接する外径側巻枠と、この外径側巻枠を支える内径側巻枠と、からなる二重構造の巻枠が記載されている。外径側巻枠の材質は、熱伝導率の高い例えばアルミニウムとされ、内径側巻枠の材質は、熱収縮率の小さい例えばステンレス鋼とされている。熱伝導率の高い外径側巻枠を超電導コイルに接触させることで、液体ヘリウムの補充間隔を長くしてもクエンチを起こしにくくできると、特許文献１において称されている。

　一方、（１）超電導マグネットの小型化を実現し得る技術として、例えば、特許文献２に記載された技術がある。特許文献２では、超電導線材自体に内部補強構造を取り入れて超電導線材を補強するとともに、フランジの外周縁部に固定した補強板で超電導線材の引出部を覆っている。超電導線材が電磁力を受けて巻枠の円周方向へ膨らもうとしても、超電導線材の引出部の過大な膨らみを補強板で抑えることができると、特許文献２において称されている。

特開平６－５４１９号公報 特開平０９－２８９１１２号公報

　特許文献１に記載された技術は、液体ヘリウムの充填量を少なくするのに適している。すなわち、特許文献１に記載された技術を用いれば、（２）ヘリウム槽の小型化、を実現し得る。しかしながら、（１）超電導マグネットの小型化、を実現しようとする観点からいうと、二重構造の巻枠では超電導マグネットがどうしても大型化してしまう。また、（３）クライオスタットの小型化、を実現しようとする観点からいっても、二重構造の巻枠ではその重量が大きくなり、支持部材の大型化など不利な点がある。さらには、二重構造の巻枠は、一般的な一重構造の巻枠に比べて構造が複雑であり製造コストが増加してしまう。

　一方、特許文献２に記載された技術では、フランジの外周縁部に固定され、超電導線材の引出部の過大な膨らみを抑える補強板の存在により、超電導マグネットの径方向への小型化が阻害されている。

　本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであって、その第１の目的は、（１）超電導マグネットの小型化・（２）ヘリウム槽の小型化・（３）クライオスタットの小型化、をいずれも実現できる簡易な構造の超電導マグネットを提供することである。また、本発明の第２の目的は、超電導コイルから延設される引回し線（引出し線）を超電導マグネットの径方向への厚みを増すことなく比較的簡単な手法で固定できる技術を提供することである。

　本発明は、円筒状の胴部と、所定の間隔をあけて当該胴部の外周に設けられた少なくとも一対のフランジ部と、を具備してなる巻枠と、前記一対のフランジ部間の前記胴部に巻回された超電導線材よりなる超電導コイルと、前記超電導コイルの外周に巻きつけられた金属材料からなる巻付部材と、を備え、前記巻付部材は、板状体、帯状体、あるいは断面形状が円形または矩形の線状体であって、当該巻付部材の厚みまたは直径が前記胴部の厚みよりも小さく、前記巻枠、前記超電導コイル、および前記巻付部材が、液体ヘリウムで浸漬冷却される超電導マグネットである。

　なお、「巻付部材の厚みまたは直径が胴部の厚みよりも小さい」とは、以下のことを意味する。巻付部材が、板状体、または帯状体の場合には、その１枚の厚みが胴部の厚みよりも小さいことを意味する。巻付部材が、断面形状が円形の線状体の場合には、その１本の直径（断面の直径）が胴部の厚みよりも小さいことを意味する。巻付部材が、断面形状が矩形の線状体の場合には、その１本の厚み（断面の厚み、さらには、超電導コイルの外周に線状体を巻きつけたときの当該線状体のコイル径方向の厚み）が胴部の厚みよりも小さいことを意味する。

　この構成によると、超電導コイルの外周に巻きつけられた金属材料からなる巻付部材が、いわゆる熱アンカーの役割（液体ヘリウムの冷熱を超電導コイルに伝達する役割）、および熱遮蔽の役割（外側の熱源から超電導コイルを遮蔽する役割）をはたし、例えば液体ヘリウムの量を少なくしてもクエンチを起こしにくくできる。すなわち、（２）ヘリウム槽の小型化、を実現できる。また、上記したとおり、いわゆる熱アンカーの役割、および熱遮蔽の役割を巻付部材がはたすので、巻枠を二重構造などにする必要がない。すなわち、（１）超電導マグネットの小型化、を実現できる。また、巻枠を二重構造にする必要がないことによる重量低減効果に加えて、巻付部材の厚みまたは直径が小さいことにより巻付部材の付加による重量増加も小さい。すなわち、クライオスタットの支持部材の大型化を招くことはなく、（３）クライオスタットの小型化、を実現できる。

　また、超電導コイルの外周に金属材料からなる上記巻付部材を巻きつけてなる、という簡易な構造で、上記した３つの課題を解決できている。

　また本発明において、前記巻付部材は、前記一対のフランジ部間の長さと略等しい幅を有する板状体または帯状体であることが好ましい。

　この構成によると、超電導コイルの外周面全体を巻付部材で確実に覆うことができ、巻付部材の、いわゆる熱アンカーの機能および熱遮蔽性が向上する。

　さらに本発明において、前記超電導コイルに対して前記巻付部材が、線状または帯状の金属材で巻き締められていることが好ましい。

　この構成によると、超電導コイルと巻付部材との密着性が高まり、巻付部材の、いわゆる熱アンカーの機能がより向上する。

　さらに本発明において、前記巻枠、前記超電導コイル、および前記巻付部材が、真空含浸処理により固定されていることが好ましい。

　この構成によると、超電導コイルと巻付部材との密着性がより高まり、巻付部材の、いわゆる熱アンカーの機能がさらに向上する。

　また本発明の第２の態様は、円筒状の胴部と、所定の間隔をあけて当該胴部の外周に設けられた少なくとも一対のフランジ部と、を具備してなる巻枠と、前記一対のフランジ部間の前記胴部に巻回された超電導線材よりなる超電導コイルと、前記超電導コイルから延設される引回し線と、前記引回し線を前記胴部に接着する粘土及び/又はエポキシ樹脂と、を備える超電導マグネットである。

　この構成によると、巻枠の胴部に巻回された超電導コイルから延設される引回し線を胴部が露出した部分に粘土及び/又はエポキシ樹脂により接着することができる。これによれば、粘土及び/又はエポキシ樹脂を使用しているので複雑な形状をした巻枠の胴部にも施工が容易となる。また、液体ヘリウムなどで超電導コイルを冷却する場合、粘土及び/又はエポキシ樹脂は、液体ヘリウム中の極低温状態でも、性質を変えず強固に引回し線を胴部に固定することができる。また、粘土及び/又はエポキシ樹脂を使用して引回し線を胴部に接着すれば、特許文献２に記載された補強板をフランジの外周縁部に設ける必要がないので、超電導マグネットの径方向への厚みを増やさずに済む。

　また本発明において、前記引回し線は、前記胴部上を径内外方向及び周方向の少なくとも１つの方向に蛇行した状態で、前記粘土及び/又はエポキシ樹脂により前記胴部に接着されていることが好ましい。

　この構成によると、引回し線を様々な方向に蛇行した状態で粘土及び/又はエポキシ樹脂により胴部上に固定することができる。これによれば、引回し線を蛇行させることにより、引回し線と胴部との接着箇所（接着面積）を増やすことができる。すなわち、引回し線と胴部とをより強固に固定することができ、励磁状態における通電電流と自ら発した磁界との相互作用によって引回し線が胴部上を物理的に動くのを防止でき、その結果、クエンチ現象の発生を防ぐことができる。

　さらに本発明において、前記引回し線と前記胴部との間に前記粘土及び/又はエポキシ樹脂を介在させることが好ましい。

　この構成によると、引回し線と胴部との間に粘土及び/又はエポキシ樹脂を介在させているため、たとえ引回し線が物理的に動いたとしても、引回し線が胴部と直接的に接触していないので引回し線と胴部との接触によるクエンチ現象の発生を防止することができる。

　さらに本発明において、前記引回し線に、当該引回し線の熱伝導率よりも高い部材を沿わせることが好ましい。

　この構成によると、たとえ引回し線の温度が上昇したとしても、引回し線の熱伝導率よりも高い部材を介して引回し線の熱が放出されるため引回し線の温度上昇によるクエンチ現象の発生を防止することができる。

　さらに本発明において、前記フランジ部と前記粘土及び/又はエポキシ樹脂との間に隙間が設けられていることが好ましい。

　この構成によると、フランジ部と粘土及び/又はエポキシ樹脂とが変形して、フランジ部から粘土及び/又はエポキシ樹脂へと延設される引回し線に張力がかかったとしても、その張力を吸収するだけの引回し線の遊び部分を確保できる。

　本発明によると、本発明の構成要件、特に、金属材料からなり、かつ厚みまたは直径が巻枠の胴部の厚みよりも小さい、超電導コイルの外周に巻きつけられた巻付部材により、（１）超電導マグネットの小型化・（２）ヘリウム槽の小型化・（３）クライオスタットの小型化、をいずれも容易に実現することができる。

　また、本発明の第２の態様によると、超電導コイルから延設される引回し線（引出し線）を粘土及び/又はエポキシ樹脂で巻枠の胴部に固定することで、超電導マグネットの径方向への厚みを増すことなく引回し線（引出し線）を固定することができる。また、このような比較的簡単な固定手法でもって、クエンチ現象の発生を有効に防止することができる。

第１実施形態に係る超電導マグネットを示す側断面図である。 図１（ａ）のＡ－Ａ断面図、および巻付部材の変形例を示す図である。 第２実施形態に係る超電導マグネットを示す断面図である。 第２実施形態の変形例を示すための超電導マグネットの側断面図である。 第３実施形態に係る超電導マグネットを示す斜視図である。 第３実施形態に係る超電導マグネットを示す側断面図である。 第３実施形態に係る超電導マグネットを示す側面図である。 第４実施形態に係る超電導マグネットを示す側断面図である。 第４実施形態に係る超電導マグネットを示す側面図である。 第５実施形態に係る超電導マグネットを示す側断面図である。 第５実施形態に係る超電導マグネットを示す側面図である。 第５実施形態に係る複合引回し線の説明図である。

　以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。本発明の超電導マグネットは、医療で用いられるＭＲＩ装置用の超電導マグネットとして好適なものである。ただし、本発明の超電導マグネットをＭＲＩ装置以外の装置に適用してもよい。

（第１実施形態）
　図１は、本発明の第１実施形態に係る超電導マグネット１を示す側断面図である。図１（ａ）は、超電導マグネット１全体の側断面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＢ部拡大図である。

　図１（ａ）に示すように、超電導マグネット１は、４つの超電導コイル３ａ～３ｄと、巻枠２とを備える。なお、ＭＲＩ装置の場合、通常、複数の超電導コイルを有する、内側の巻枠（メインのコイル）および外側の巻枠（シールドのコイル）で超電導マグネットは構成される。図１（ａ）に示した超電導マグネット１は、ＭＲＩ装置のシールドのコイル（外側のコイル）を例示したものである。なお、１つの超電導コイルと１つの巻枠とからなるＭＲＩ装置用以外の超電導マグネットについても、本発明を適用することができる。

（巻枠）
　図１（ｂ）にその詳細を示したように、巻枠２は、円筒状の胴部１１と、所定の間隔をあけて胴部１１の外周に設けられた一対のフランジ部１２ａ・１２ｂとを備える。なお、本実施形態では、図１（ａ）に示したように、４つの超電導コイル３ａ～３ｄに対応させて、５つのフランジ部１２ａ～１２ｃが胴部１１の外周に設けられている。５つのフランジ部１２ａ～１２ｃで、一対のフランジ部が計４組となっている。

　４つの超電導コイル３ａ～３ｄ、およびそれぞれのコイル周りの構成は、いずれも同様の構成であるため、図１（ｂ）を参照しつつ、超電導コイルおよびコイル周りの構成について説明する。

（超電導コイル）
　超電導コイル３ａは、一対のフランジ部１２ａ・１２ｂ間の胴部１１に密に巻回された超電導線材よりなる。超電導線材は、例えばニオブ・チタン（ＮｂＴｉ）合金系の極細多芯線を銅母材に埋め込んだ線材である。Ｎｂ３Ｓｎ、Ｎｂ３Ａｌなどの線材を超電導線材として用いてもよい。

　巻枠２の胴部１１と超電導コイル３ａとの間には絶縁シート５が配置されている。また、フランジ部１２ａと超電導コイル３ａとの間、およびフランジ部１２ｂと超電導コイル３ａとの間には、絶縁部材６が配置されている。

（巻付部材）
　超電導コイル３ａの外周には、断面形状が円形の線状体４ａが２層巻きつけられている。線状体４ａは、例えば銅線であり、その直径は胴部１１の厚みＴよりも小さい（後述する、板状体、帯状体などの巻付部材についても同様）。ここで、線状体４ａは、ステンレス材よりも熱伝導率の高い金属材料からなる（後述する、板状体、帯状体などの巻付部材についても同様）。具体的な線状体４ａの材料としては、純度の高い銅、アルミニウムが挙げられる。なお、アルミニウム合金、真鍮などの銅合金からなる巻付部材としてもよい。

　超電導コイル３ａおよび線状体４ａを巻枠２の胴部１１に巻きつけた後、巻枠２、超電導コイル３ａ、および線状体４ａは、エポキシ樹脂・ワックスなどの含浸剤を用いて真空含浸処理により固定されることが好ましい（後述する、板状体、帯状体などの巻付部材についても同様）。なお、線状体４ａの固定は、線状体４ａに接着剤を吹き付けたり塗り付けたりしながら、線状体４ａを超電導コイル３ａに巻きつけるという方法でもよい。さらには、含浸剤や接着剤を用いず、胴部１１に巻回された超電導コイル３ａに線状体４ａを巻きつけるのみで、超電導コイル３ａの外周面に線状体４ａを固定してもよい。

　ここで、図２（ａ）は、超電導コイル３ａの冷却状態を示す図である。符号７は、液体ヘリウムを示す。図２（ａ）に示したように、超電導コイル３ａは、その約１／４程度が液体ヘリウム７中に浸漬されて冷却されている。なお、液体ヘリウム７は、ヘリウム槽（不図示）に充填される。

　本形態の超電導マグネット１によると、熱伝導率の高い金属材料からなる線状体４ａで超電導コイル３ａが取り囲まれているため、液体ヘリウム７中に浸っていない部分の超電導コイル３ａは、液体ヘリウム７から線状体４ａを伝わってきた冷熱で冷却される。また、線状体４ａが設けられていない場合、マグネットが励磁された状態のままヘリウム槽へ液体ヘリウムを追加補充すると、蒸発したヘリウムガスがコイルに接触して温度上昇しクエンチする可能性があるが、本形態の超電導マグネット１は、線状体４ａで超電導コイル３ａが取り囲まれているため、温かいヘリウムガスの熱を線状体４ａが遮蔽し、超電導コイル３ａの温度上昇を防止できる。すなわち、クエンチを抑制できる。

　このように、本発明によると、超電導コイル３ａが例えばその約１／４程度しか液体ヘリウム７中に浸っていなくても、超電導コイル３ａの外周に巻きつけられた熱伝導率の高い線状体４ａの層が、いわゆる熱アンカーの役割（液体ヘリウム７の冷熱を超電導コイル３ａに伝達する役割）、および熱遮蔽の役割（外側の熱源から超電導コイル３ａを遮蔽する役割）をはたし、クエンチを起こしにくくできる。すなわち、超電導コイル３ａの十分な冷却効果が線状体４ａの層により得られ、小型のヘリウム槽（ヘリウム缶）で液体ヘリウム７の貯留量が少なく、その液面７ａが低くなっても問題がない。したがって、「ヘリウム槽の小型化」、を実現できる。

　なお、超電導マグネットの励磁中は、たとえ装置に冷凍機を取り付けていた場合であっても冷却が追いつかず、液体ヘリウムの液面７ａが低下することがある。熱伝導率の高い線状体４ａの層は、このような励磁中の液面７ａ低下に特に有効である。

　また、上記したとおり、いわゆる熱アンカーの役割、および熱遮蔽の役割を線状体４ａがはたすので、巻枠２を二重構造などにする必要がない。すなわち、「超電導マグネットの小型化」、を実現できる。また、巻枠２を二重構造にする必要がないことによる重量低減効果に加えて、巻付部材である線状体４ａの直径が胴部１１の厚みＴよりも小さいことにより巻付部材の付加による重量増加も小さい。すなわち、クライオスタットの支持部材の大型化を招くことはなく、「クライオスタットの小型化」、を実現できる。

　また、超電導コイル３ａの外周に熱伝導率の高い金属材料からなる線状体４ａを巻きつけてなる、という簡易な構造で、上記した３つの効果が得られている。

　さらには、超電導コイル３ａに線状体４ａを巻きつけるだけではなく、超電導コイル３ａと線状体４ａとを真空含浸処理により固定することにより、超電導コイル３ａと線状体４ａとの密着性がより高まり、線状体４ａの、いわゆる熱アンカーの機能がさらに向上する。

（線状体４ａの変形例）
　図２（ｂ）は、線状体４ａの変形例を示す図である。図２（ｂ）に示すように、断面形状が正方形の線状体８ａとしてもよいし、断面形状が長方形（平角）の線状体８ｂとしてもよい。また、帯状体８ｃ（テープ状）の巻付部材としてもよい。なお、巻付部材の形状は、これらの形状に限られることはない。

（第２実施形態）
　図３は、本発明の第２実施形態に係る超電導マグネット１０２を示す断面図である。図３（ａ）は、図１（ｂ）に相当する超電導マグネット１０２の一部拡大断面図である。図３（ｂ）は、図１（ｂ）のＣ断面図である（板状体９のみ示している）。

　図３に示すように、本実施形態では、湾曲した同形状の４枚の板状体９ａ～９ｄを巻付部材として用いている。図３（ａ）に示したように、板状体９（９ａ～９ｄ）の幅は、フランジ部１２ａ・１２ｂ間の長さとほぼ等しい幅とされている。（板状体９（９ａ～９ｄ）の幅は、２枚の絶縁部材６の厚みだけフランジ部１２ａ・１２ｂ間の長さよりも小さい。）また、板状体９（９ａ～９ｄ）の厚みは、胴部１１の厚みＴよりも小さい。

　４枚の板状体９ａ～９ｄは、超電導コイル３ａの外周面に密着するよう、超電導コイル３ａの外周面に沿わされる。

　なお、図３（ｂ）に示したように、板状体９は、超電導コイル３ａの外周に固定（巻きつけられた）状態において、９０度毎にスリット１４を有する形態とされているが、これに限られるものではない。例えば、１８０毎にスリットを有する２分割の板状体であってもよいし、１箇所のみにスリットを有する板状体であってもよい。

　４枚の板状体９ａ～９ｄを超電導コイル３ａの外周に配置することで、超電導コイル３ａのほぼ外周面全体を巻付部材で確実に覆うことができ、巻付部材の、いわゆる熱アンカーの機能および熱遮蔽性が向上する。

　また、本実施形態では、超電導コイル３ａに対して板状体９（９ａ～９ｄ）が、金属材料からなる断面形状が円形の線状体１０で巻き締められている。板状体９（９ａ～９ｄ）を線状体１０で巻き締めるのは、超電導コイル３ａと板状体９（９ａ～９ｄ）との密着性を特別な締め付け構造なしに高めることにある。板状体９（９ａ～９ｄ）を巻き締めることにより密着性が高まり、板状体９（９ａ～９ｄ）の、いわゆる熱アンカーの機能がより向上する。なお、線状体１０の断面形状は円形に限られるものではない。

　線状体１０の材料としては、２つの選択肢がある。１つ目の選択は、例えばステンレス材などの引張強度の高い金属材料を選択することである。これにより、細い線状体１０で板状体９（９ａ～９ｄ）を巻き締めることができ、その結果、超電導マグネット１０２の外径を全体として小さくし得る。２つ目の選択は、例えば銅・アルミニウムなどの熱伝導率の高い金属材料を選択することである。これにより、超電導コイル３ａの冷却効果をより高めることができる。

（変形例）
　図４は、第２実施形態の変形例を示すための超電導マグネット１０３の側断面図である。なお、超電導マグネット１０３の一部のみ拡大して示している。

　図４に示すように、本実施形態では、極めて薄いシート１３（帯状の金属材の１つ）で超電導コイル３ａに対して板状体９を巻き締めている。シート１３は、例えば銅材からなり、シート１３で複数回、板状体９を巻き締めている。熱伝導率の高いシート１３で板状体９を巻き締めることにより、超電導コイル３ａと板状体９との密着性を高めることができる。かつ、シート１３は、いわゆる熱アンカーの役割（液体ヘリウム７の冷熱を超電導コイル３ａに伝達する役割）も果たす。

　また、シート１３の幅は、フランジ部１２ａ・１２ｂ間の長さとほぼ等しい幅とされている。（シート１３の幅は、２枚の絶縁部材６の厚みだけフランジ部１２ａ・１２ｂ間の長さよりも小さい。）これにより、板状体９の外周面全体をシート１３で覆うことができ、シート１３のいわゆる熱アンカーの機能が向上する。なお、必ずしも、板状体９の外周面全体をシート１３で覆う必要はなく、シート１３よりも幅の小さいテープ状の金属材（例えば、銅テープ）などで板状体９を巻き締めてもよい。

（第３実施形態）
　図５～図７は、それぞれ、本発明の第３実施形態に係る超電導マグネット２０１の斜視図、側断面図、および側面図である。図５、図７では、超電導コイル２０１からヘリウム容器１８を外した構成を図示している。

　なお、以下に第３実施形態から第５実施形態として説明する超電導コイルからの引回し線（引出し線）の固定方法を前記した実施形態の超電導マグネットに適用してもよい。前記した実施形態の超電導マグネットに適用する場合、フランジ部の数を増やして、巻枠の胴部部分に露出部分を設けることで、以下で説明する引回し線（引出し線）の固定方法を適用できることは、以下の説明を読めば明らかである。

　図５～図７に示すように、超電導マグネット２０１は、略円筒状の胴部１１と胴部１１から径外方向に延設された８つのフランジ部１５ａ・１５ｂ・１５ｃ・１５ｄ・１５ｅ・１５ｆ・１５ｇ・１５ｈとを含む巻枠２と、フランジ部１５ａ～１５ｈにより仕切られた胴部部分１１ｄ・１１ｅ・１１ｆ・１１ｇにそれぞれ巻き付けられた超電導線材よりなる超電導コイル３ａ・３ｂ・３ｃ・３ｄと、超電導コイル３ａ～３ｄから延設された引回し線１６ａ・１６ｂ・１６ｃ・１６ｄと、引回し線１６ａ～１６ｄを胴部部分１１ａ・１１ｂ・１１ｃに接着しているエポキシ樹脂１７ａ・１７ｂ・１７ｃと、巻枠２の外周に設けられ液体ヘリウムを収容するヘリウム容器１８とを備えた構造をしている。なお、本実施形態では、巻枠２に設けた８つのフランジ部１５ａ～１５ｈにより仕切られた４つの胴部部分１１ｄ～１１ｇにそれぞれ超電導線材を巻き付けた構成としているが、これに限らず、仕様によっては巻枠に設けるフランジ部の数を増減させてフランジ部により仕切られる胴部部分の数を増減させた巻枠を使用する。

　巻枠２を構成する略円筒状をした胴部１１は、非磁性材であるアルミニウム、アルミニウム合金、または、ステンレスなどから構成されている。各フランジ部１５ａ～１５ｈは、胴部１１から径外方向に延設されるようにして胴部１１と一体形成されている。フランジ部１５ｂ・１５ｃ・１５ｆ・１５ｇの胴部部分１１ｄ・１１ｅ・１１ｆ・１１ｇ側の面には、超電導コイル３ａ～３ｄから引出される引回し線１６ａ～１６ｄの取出口となる溝状のスロット１９ｂ・１９ｃ・１９ｆ・１９ｇが形成されている。

　そして、フランジ部１５ａ～１５ｈにより仕切られた胴部部分１１ｄ～１１ｇは、超電導線材を巻き付ける土台となる。また、フランジ部１５ａ～１５ｈにより仕切られた胴部部分１１ａ～１１ｃは、超電導コイル３ａ～３ｄから延設される引回し線１６ａ～１６ｄを固定する土台（露出部）となる。

　超電導コイル３ａ～３ｄを構成する超電導線材は、それぞれ胴部部分１１ｄ～１１ｇに略螺旋状（または整列巻）に密に巻き付けられている。本実施形態では、胴部部分１１ｄ・１１ｇに巻き付けられる超電導線材は、１層あたり５０ターンになるように巻き付けられ、それが２０層になるように巻き付けられる（図６参照）。また、胴部部分１１ｅ・１１ｆに巻き付けられる超電導線材は、１層あたり４０ターンになるように巻き付けられ、それが３０層になるように巻き付けられる（図６参照）。なお、超電導コイル３ａ～３ｄの層数及びターン数は一例であり、仕様により便宜変更可能である。

　なお、超電導コイル３ａ～３ｄには、エポキシ樹脂などの接着剤が含浸されている。このようにすることで超電導コイル３ａ～３ｄが強固に接着されて固結した状態となり、剥離が生じることを防ぐことができる。

　ヘリウム容器１８は、巻枠２の外周に設けられている。このヘリウム容器１８の内部には液体ヘリウムが収容されており、この液体ヘリウムの冷却効果により超電導マグネット２０１は、極低温（例えば約４．２Ｋ）に冷却される。

　各超電導コイル３ａ～３ｄから引出された各引回し線１６ａ～１６ｄは、スタート・エンドがそれぞれ樹脂製のチューブの中に通されて絶縁されたうえでスタート・エンドの線を対としてツイストした状態でスロット１９ｂ・１９ｃ・１９ｆ・１９ｇから巻枠２の中央部に設けられたジョイント部２０まで引回されている（図６参照）。そして、ジョイント部２０まで引回された引回し線１６ａ～１６ｄは、図示しないが、外部に設けられた接続部あるいは電力供給源と接続されている。ここで、引回し線１６ａ～１６ｄを構成するスタート・エンドの線を対としてツイストしているのは、スタート・エンドの両線に発生する反発力を抑えるためである。

　引回し線１６ａ～１６ｄは、胴部部分１１ａ～１１ｃの外周上を径内外方向および周方向に蛇行した状態で、エポキシ樹脂１７ａ～１７ｃにて接着されている。なお、引回し線１６ａ～１６ｄを径外方向へ蛇行させる場合は、フランジ部１５ａ～１５ｈの径外方向高さを超えないように蛇行させる。ここで、引回し線１６ａ～１６ｄと胴部部分１１ａ～１１ｃとの間の空間２１ａ・２１ｂ・２１ｃには、それぞれエポキシ樹脂１７ａ～１７ｃを介在させている。さらに、フランジ部１５ｂとエポキシ樹脂１７ａとの間、および、フランジ部１５ｇとエポキシ樹脂１７ｃとの間には、それぞれ隙間２２ａ・２２ｃが設けられている。すなわち、この隙間２２ａ・２２ｃは、エポキシ樹脂１７ａ・１７ｃが充填されない空間となる。なお、本実施形態では、エポキシ樹脂を用いて引回し線１６ａ～１６ｄを、胴部部分１１ａ～１１ｃに接着しているが、これに限らず、粘土により接着してもよい。粘土は、例えば高分子合成ゴムに変性油脂を主剤としたもので粘着性がよく絶縁性に優れたものを選ぶとよい。

　フランジ部１５ａ～１５ｈの仕切りにより超電導線材が巻き付けられた胴部部分１１ｄ・１１ｅ・１１ｆ・１１ｇと胴部１１が露出する胴部部分１１ａ・１１ｂ・１１ｃができる。そして、超電導コイル３ａ～３ｄから延設される引回し線１６ａ～１６ｄを胴部部分１１ａ～１１ｃにエポキシ樹脂１７ａ～１７ｃにより接着している。これによれば、エポキシ樹脂を使用しているので複雑な形状をした巻枠２の胴部１１にも施工が容易となる。また、冷却機構に液体ヘリウムなどを使用する超電導マグネット２０１の場合、エポキシ樹脂は、液体ヘリウム中の極低温状態でも、性質を変えず強固に引回し線１６ａ～１６ｄを胴部部分１１ａ～１１ｃに固定することができる。また、エポキシ樹脂１７ａ～１７ｃを使用して引回し線１６ａ～１６ｄを胴部部分１１ａ～１１ｃに接着すれば、特許文献２に記載された超電導マグネットの径方向への厚みを増す補強板を設ける必要もなく、超電導マグネット２０１の径方向への厚みを増やさずに済む。

　また、本実施形態において、引回し線１６ａ～１６ｄは、胴部部分１１ａ～１１ｃ上を径内外方向及び周方向の少なくとも１つの方向に蛇行した状態で、エポキシ樹脂１７ａ～１７ｃにより胴部部分１１ａ～１１ｃに接着されている。すなわち、引回し線１６ａ～１６ｄは、様々な方向に蛇行した状態でエポキシ樹脂１７ａ～１７ｃにより胴部部分１１ａ～１１ｃ上に固定されている。なお、本実施形態では、エポキシ樹脂を用いて引回し線１６ａ～１６ｄを、胴部部分１１ａ～１１ｃに接着しているが、これに限らず、粘土を使用しても良い。粘土はエポキシ樹脂ほどの強度はないが、エポキシ樹脂と比較すると柔らかいため、クエンチ現象が発生しにくいことが経験的に分かっている。そのため、強度が必要な個所にはエポキシ樹脂を使用し、クエンチ現象が発生しやすい個所には粘土を使用するなどして適宜使い分けるのが望ましい。

　本実施形態によると、引回し線１６ａ～１６ｄと胴部部分１１ａ～１１ｃとの接着箇所（接着面積）を増やすことができる。すなわち、引回し線１６ａ～１６ｄと胴部部分１１ａ～１１ｃとをより強固に固定することにより、励磁状態における通電電流と自ら発した磁界との相互作用によって引回し線１６ａ～１６ｄが胴部部分１１ａ～１１ｃ上を物理的に動くのを防止し、もって、クエンチ現象の発生を防ぐことができる。

　また、引回し線１６ａ～１６ｄと胴部部分１１ａ～１１ｃとの間の空間２１ａ～２１ｃにそれぞれエポキシ樹脂１７ａ～１７ｃを介在させている。

　このように構成することで、たとえ引回し線１６ａ～１６ｄが物理的に動いたとしても、引回し線１６ａ～１６ｄが胴部部分１１ａ～１１ｃと直接的に接触しないので、引回し線と胴部部分との接触によるクエンチ現象の発生を防止することができる。

　また、フランジ部１５ｂとエポキシ樹脂１７ａとの間、および、フランジ部１５ｇとエポキシ樹脂１７ｃとの間には、それぞれ隙間２２ａ・２２ｃが設けられている。

　このように構成することで、フランジ部１５ａ～１５ｈとエポキシ樹脂１７ａ～１７ｃとが変形して、フランジ部１５ｂからエポキシ樹脂１７ａ、および、フランジ部１５ｇからエポキシ樹脂１７ｃへと延設される引回し線１６ａ・１６ｄに張力がかかったとしても、その張力を吸収するだけの引回し線１６ａ・１６ｄの遊び部分（隙間２２ａ・２２ｃ）を確保することができる。

（第４実施形態）
　第４実施形態に係る超電導マグネット２０２について図８および図９を参照して説明する。なお、第３実施形態と同様の箇所は説明を省略し、相違する構成を中心に説明する。図８は、超電導マグネット２０２の側断面図である。図９は、超電導マグネット２０２の側面図である。

　第３実施形態では、フランジ部１５ｂ・１５ｃ・１５ｆ・１５ｇの胴部部分１１ｄ～１１ｇ側の面には、超電導コイル３ａ～３ｄから引出される引回し線１６ａ～１６ｄの取出口となる溝状のスロット１９ｂ・１９ｃ・１９ｆ・１９ｇが形成されている。一方、第４実施形態では、図８および図９に示すように、フランジ部１５ｂ～１５ｇには、胴部部分１１ｄ～１１ｇ側の面から胴部部分１１ａ～１１ｃ側の面に貫通した切り欠き状のスロット２３ｂ・２３ｃ・２３ｄ・２３ｅ・２３ｆ・２３ｇが形成されている。

　引回し線２４ａ・２４ｂ・２４ｃ・２４ｄは、スロット２３ｂ～２３ｇ、及び、胴部部分１１ａ～１１ｃの外周上を径内外方向及び周方向に蛇行した状態で、エポキシ樹脂２５ａ・２５ｂ・２５ｃを被せて接着されている。この際、引回し線２４ａ～２４ｄは、スロット２３ｂ～２３ｇを通って胴部部分１１ｄ～１１ｇ側から胴部部分１１ａ～１１ｃ側に引き回された状態でエポキシ樹脂２５ａ・２５ｂ・２５ｃにより接着されているため、図９に示すように、引回し線２４ａ～２４ｄは、エポキシ樹脂２５ａ～２５ｃの中に埋まった状態となり、外観上見えない状態となる。このようにすることで、引回し線２４ａ～２４ｄをより強固に胴部部分１１ａ～１１ｃに固定することができる。

（第５実施形態）
　第５実施形態に係る超電導マグネット２０３について図１０～図１２を参照して説明する。なお、第３実施形態と同様の箇所は説明を省略し、相違する構成を中心に説明する。図１０は、超電導マグネット２０３の側断面図である。図１１は、超電導マグネット２０３の側面図である。図１２は、複合引回し線の説明図である。なお、図１２は、図１０に示したＸ部分における複合引回し線２６ａの断面図である。

　第３実施形態では、各超電導コイル３ａ～３ｄから引出された各引回し線１６ａ～１６ｄは、スタート・エンドがそれぞれ樹脂製のチューブの中に通されて絶縁されたうえでスタート・エンドの線を対としてツイストした状態でスロット１９ｂ・１９ｃ・１９ｆ・１９ｇから巻枠２の中央部に設けられたジョイント部２０まで引回されている（図６参照）。一方、第５実施形態における超電導マグネット２０３では、図１２に示すように、スロット１９ｂ・１９ｃから引き出された引回し線２８ａ・２８ｂは、フランジ部１５ｂの外周に端部が固定された銅線２７ａと合流した上で、銅線２７ａに沿わせて一体化された複合引回し線２６ａとしてジョイント部２０まで引回されている。複合引回し線２６ａにおいて、引回し線２８ａ・２８ｂは、樹脂製の紐３０によって銅線２７ａに結び付けられたうえで、更に樹脂２９によって含浸固定されている。なお、スロット１９ｆ・１９ｇから引き出された引回し線２８ｃ・２８ｄも同様に、フランジ部１５ｇの外周に端部が固定された銅線２７ｂと合流した上で、銅線２７ｂに沿わせて一体化された複合引回し線２６ｂとしてジョイント部２０まで引回されている。

　ここで、引回し線２８ａ～２８ｄに沿わせる部材には、当該引回し線の熱伝導率よりも高い部材を使用している。本実施形態では、超電導線材にＮｂＴｉを使用しているため、引回し線２８ａ～２８ｄに沿わせる部材には銅線２７ａ・２７ｂを使用している。他の部材としては、アルミニウム、真鍮などが挙げられる。

　本実施形態によると、たとえ引回し線２８ａ～２８ｄの温度が上昇したとしても、引回し線２８ａ～２８ｄの熱伝導率よりも高い銅線２７ａ・２７ｂを介して引回し線２８ａ～２８ｄの熱が放出されるため引回し線２８ａ～２８ｄの温度上昇によるクエンチ現象の発生を防止することができる。

　以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々に変更して実施することが可能なものである。

１：超電導マグネット
２：巻枠
３ａ・３ｂ・３ｃ・３ｄ：超電導コイル
４ａ・４ｂ・４ｃ・４ｄ：線状体（巻付部材）
１１：胴部
１２ａ・１２ｂ・１２ｃ：フランジ部
１６ａ・１６ｂ・１６ｃ・１６ｄ：引回し線
１７ａ・１７ｂ・１７ｃ：エポキシ樹脂

Claims (9)

1. 　円筒状の胴部と、所定の間隔をあけて当該胴部の外周に設けられた少なくとも一対のフランジ部と、を具備してなる巻枠と、
   　前記一対のフランジ部間の前記胴部に巻回された超電導線材よりなる超電導コイルと、
   　前記超電導コイルの外周に巻きつけられた金属材料からなる巻付部材と、
   　を備え、
   　前記巻付部材は、板状体、帯状体、あるいは断面形状が円形または矩形の線状体であって、当該巻付部材の厚みまたは直径が前記胴部の厚みよりも小さく、
   　前記巻枠、前記超電導コイル、および前記巻付部材が、液体ヘリウムで浸漬冷却されることを特徴とする、超電導マグネット。
2. 　請求項１に記載の超電導マグネットにおいて、
   　前記巻付部材は、前記一対のフランジ部間の長さと略等しい幅を有する板状体または帯状体であることを特徴とする、超電導マグネット。
3. 　請求項２に記載の超電導マグネットにおいて、
   　前記超電導コイルに対して前記巻付部材が、線状または帯状の金属材で巻き締められていることを特徴とする、超電導マグネット。
4. 　請求項１～３のいずれかに記載の超電導マグネットにおいて、
   　前記巻枠、前記超電導コイル、および前記巻付部材が、真空含浸処理により固定されていることを特徴とする、超電導マグネット。
5. 　円筒状の胴部と、所定の間隔をあけて当該胴部の外周に設けられた少なくとも一対のフランジ部と、を具備してなる巻枠と、
   　前記一対のフランジ部間の前記胴部に巻回された超電導線材よりなる超電導コイルと、
   　前記超電導コイルから延設される引回し線と、
   　前記引回し線を前記胴部に接着する粘土及び/又はエポキシ樹脂と、
   　を備えることを特徴とする、超電導マグネット。
6. 　請求項５に記載の超電導マグネットにおいて、
   　前記引回し線は、前記胴部上を径内外方向及び周方向の少なくとも１つの方向に蛇行した状態で、前記粘土及び/又はエポキシ樹脂により前記胴部に接着されていることを特徴とする、超電導マグネット。
7. 　請求項５または６に記載の超電導マグネットにおいて、
   　前記引回し線と前記胴部との間に前記粘土及び/又はエポキシ樹脂を介在させたことを特徴とする、超電導マグネット。
8. 　請求項５～７のいずれかに記載の超電導マグネットにおいて、
   　前記引回し線に、当該引回し線の熱伝導率よりも高い部材を沿わせたことを特徴とする、超電導マグネット。
9. 　請求項５～８のいずれかに記載の超電導マグネットにおいて、
   　前記フランジ部と前記粘土及び/又はエポキシ樹脂との間に隙間を有していることを特徴とする、超電導マグネット。

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