(57)【要約】      （修正有）【課題】新規な超電導磁石の冷却系統およびそれを用いた超電導磁石装置を提供する。【解決手段】真空容器２と、真空容器２に内包された輻射シールド３と、輻射シールド３に内包された複数の超電導コイル４と、超電導コイル４を収容するコイル容器１１と、を備えた超電導電磁石装置において、コイル容器１１と、冷媒７を貯留する冷媒容器３１と、コイル容器１１および冷媒容器３１を連通させる冷媒配管６と、冷媒配管６から冷媒７が供給されるトラップ部材５と、冷媒容器３１に設けられた冷凍機１２と、を含む超電導コイルの冷却系統を備える。トラップ部材５は、コイル容器内壁と超電導コイル表面との間に設けられている。さらにトラップ部材５は、冷媒７が浸透可能な空隙を有する熱良導体である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器と、前記真空容器に内包された輻射シールドと、前記輻射シールドに内包された複数の超電導コイルと、前記超電導コイルを収容するコイル容器と、を備えた超電導電磁石装置において、
前記コイル容器と、冷媒を貯留する冷媒容器と、前記コイル容器および前記冷媒容器を連通させる冷媒配管と、前記冷媒配管から冷媒が供給されるトラップ部材と、前記冷媒容器に設けられた冷凍機と、を含む超電導コイルの冷却系統を備え、
前記トラップ部材は、前記コイル容器内壁と前記超電導コイル表面との間に設けられていることを特徴とする超電導磁石装置。
【請求項２】
前記トラップ部材は、冷媒が浸透可能な空隙を有する熱良導体であること、を特徴とする請求項１に記載の超電導磁石装置。
【請求項３】
前記冷媒容器は、前記冷媒配管を通じて冷媒をコイル容器に供給し、前記コイル容器内で気化した冷媒を前記冷媒配管を通じて回収し、
前記冷凍機は、前記冷媒容器が回収した気化した冷媒を液化することを特徴とする請求項１乃至２に記載の超電導磁石装置。
【請求項４】
前記超電導コイルの超電導線は、前記冷媒配管を通じて前記冷媒容器内に導入され、前記冷媒容器内で永久電流スイッチや他の超電導コイルの超電導線と接続されることを特徴とする請求項１及至３に記載の超電導磁石装置。
【請求項５】
請求項１及至４に記載の超電導電磁石装置は、前記冷媒容器を通じて装置外からコイル容器内に冷媒を供給し装置外へ冷媒を排出する配管をさらに備え、前記トラップ部材に浸透する冷媒は当該配管から供給されたものであることを特徴とする請求項１乃至４に記載の超電導磁石装置。
【請求項６】
請求項１及至５に記載の超電導電磁石装置は、前記超電導コイルより高い臨界温度を有する超電導コイルをさらに備え、当該超電導コイルは前記冷媒配管と熱的に接触することを特徴とする請求項１及至５に記載の超電導磁石装置。
【請求項７】
前記コイル容器は、前記超電導コイルの鉛直方向上面と接触する面に溝を有し、前記溝は前記超電導コイル及び前記トラップ部材と接触する形状であることを特徴とする請求項１乃至６に記載の超電導磁石装置。
【請求項８】
前記超電導コイルの中心軸は鉛直方向を向き、前記超電導コイルは水平方向に設けた開口部を挟んで配置されることを特徴とする請求項１乃至７に記載の超電導電磁石装置。
【請求項９】
前記超電導コイルの中心軸は水平方向を向いていることを特徴とする請求項１乃至６に記載の超電導電磁石装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導電磁石装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超電導電磁石装置は、超電導コイルと、それに並列に設置された永久電流スイッチから構成され、上記の永久電流スイッチを開にした状態で励磁電源から超電導コイルに電流供給し、その後、永久電流スイッチを閉にした状態で励磁電源からの供給電流を減少させゼロにすることで、超電導コイルおよび永久電流スイッチからなる超電導状態の閉回路に電流がほとんど減衰することなく流れ続ける永久電流運転となる。これにより超電導電磁石装置は、長期に渡って磁場を保持することが可能である。
【０００３】
一方で、超電導コイルが何らかの異常によって超電導状態を喪失する現象として、クエンチと呼ばれる現象も知られている。クエンチ現象の生ずる理由や機序については様々な研究が進められているが、実験等を通じて、超電導コイル内に生じる機械的擾乱がその要因の一つに含まれると考えられている。すなわち機械的擾乱により、超電導コイルを構成する超電導部材において臨界温度を超える温度上昇が発生した場合、より具体的には、機械的擾乱によって超電導コイルの一部が常電導転移し、その部位でのジュール発熱が冷却手段による冷却能力を上回る場合が起こりうる。この場合、常電導領域が拡大し、超電導コイル内の磁気エネルギーがその常電導領域で熱エネルギーとして消費され、結果的に超電導コイルが常電導転移して磁場を保持できなくなる。
【０００４】
従来の超電導電磁石装置は、上記の超電導コイルや永久電流スイッチに代表される構成素子を超電導状態に保持するため、液体ヘリウムや液体窒素に代表される冷媒に浸漬させて使用する浸漬冷却方式が多く採用されている。したがってクエンチ現象が発生すると、冷却のために充填されていた液体ヘリウムが気化して装置外に放出されるため、再充填に必要な冷却費用負担が生じることや、再充填し再励磁するまでの期間、装置が使用不可となるといった問題が発生する。加えて、その冷却に用いる冷媒のひとつであるヘリウムは資源枯渇が問題となっており、使用量低減が課題となっている。そこで、冷凍機と構成素子とを熱伝導性の良い金属で熱的に接続して冷却する伝導冷却方式や、液体ヘリウムを循環させた配管と冷却対象とを熱的に接触させて冷却する間接冷却方式が提案されている。(例えば特許文献１および２)
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１８８０６５号公報
【特許文献２】特開平０６−３４２７２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
伝導冷却方式や間接冷却方式を採用した超電導磁石装置は、ヘリウムの使用量を低減するメリットがある。しかし、通電した際の電磁力で超電導コイルが変位することで発生する摩擦発熱や、超電導線材を固定する樹脂が割れるといった機械的擾乱による熱エネルギーの解放に対して、浸漬冷却と比較して裕度が小さい。
【０００７】
例えば、５Ｋ以下の極低温領域での液体ヘリウムの単位体積あたりの熱容量は金属と比較して大きく、例えば無酸素銅のそれと比較して約６００倍である。この事実は、同じ機械的擾乱が発生した場合、浸漬冷却方式における温度上昇に対して伝導冷却方式または間接冷却方式における温度上昇は、原理的に大きくなりやすいことを意味する。
【０００８】
このように従来の超電導磁石装置は、冷媒の使用量と冷却性能との間に強い結びつきがあり、冷媒の使用料の削減と冷却性能の維持とを両立させることが難しかった。
【０００９】
そこで、本発明の主たる目的は、新規な超電導磁石の冷却系統およびそれを用いた超電導磁石装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決するために、本発明は、真空容器と、前記真空容器に内包された輻射シールドと、前記輻射シールドに内包された複数の超電導コイルと、前記超電導コイルを収容するコイル容器と、を備えた超電導電磁石装置において、前記コイル容器と、冷媒を貯留する冷媒容器と、前記コイル容器および前記冷媒容器を連通させる冷媒配管と、前記冷媒配管から冷媒が供給されるトラップ部材と、前記冷媒容器に設けられた冷凍機と、を含む超電導コイルの冷却系統を備え、前記トラップ部材は、前記コイル容器内壁と前記超電導コイル表面との間に設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、冷媒の使用量を低減しつつも冷却性能が高い超電導磁石の冷却系統、およびそれを用いた超電導磁石装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１の実施形態に係る超電導磁石装置の断面を示した図である。
【図２】第１の実施形態に係る回路構成を模式的に示した図である。
【図３】第１の実施形態に係る装置断面の一部の拡大図である。
【図４】第１の実施形態に係るコイル容器を構成する部材を示した図である。
【図５】第２の実施形態に係る装置断面を示した図である。
【図６】第２の実施形態に係る装置断面を示した図である。
【図７】第３の実施形態に係る装置断面を示した図である。
【図８】第３の実施形態に係る回路構成を模式的に示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、下記はあくまでも実施例であり、本発明の実施態様を下記具体的内容に限定することを意図する趣旨ではない。
【００１４】
［第1の実施形態］
以下、本発明の第１の実施形態について、図１、図２、図３及び図４を参照して説明する。
【００１５】
図１は、第１の実施形態に係る超電導電磁石装置１の断面を模式的に示す。超電導電磁石装置１を構成する主な要素としては、真空容器２、真空容器２に内包された輻射シールド３、輻射シールド３に内包されたコイル容器１１、コイル容器１１に収容された超電導コイル４が挙げられる。
【００１６】
なお、本実施形態における超電導コイル４は、コイル巻線の中心線に相当する中心軸２１が鉛直方向を向いたものである。ここで、超電導コイル４の中心軸２１は水平方向を向くものであってもよく、真空容器２および輻射シールド３を貫いた開口部２４が存在する。真空容器２やコイル容器１１は複数個が設けられてよく、超電導コイル４もその個数に応じて設けられてもよい。また、超電導コイル４については一つのコイル容器１１の内部に複数個が設けられてもよい。図１に示す例では、一つのコイル容器１１に二つの超電導コイル４が納められて一つの超電導磁石を構成しており、超電導磁石装置１はこれら超電導磁石を四個備える態様となっている。
【００１７】
また、超電導磁石装置１を磁気共鳴イメージング装置の静磁場発生源として応用する場合は、真空容器２や後述する冷媒配管６の配置や構造を変化させて、被検者を挿入するための空間を形成するとよい。
【００１８】
コイル容器１１の内側には、超電導コイル４の他に、冷媒を一時的にトラップするトラップ部材５、冷媒の循環流路である冷媒配管６が供えられる。トラップ部材５は熱良導体（たとえばアルミニウム）から構成され、図示するように超電導コイル４の内径面と相対するように設置される。また、トラップ部材５は、その内部あるいは表面に液体ヘリウムが浸透する空隙や、滞留する溝や凹みを備える。これらの他にも、トラップ部材５は、多孔質部材のようなポーラス状、あるいは超電導コイル４の周回方向に沿うように設けられたスリットや溝状の形状が採用可能であり、冷媒をトラップできるのであればどのような形態をとってもよい。
【００１９】
冷媒配管６は、トラップ部材５に対して冷媒が供給されるように設けられる。冷媒配管６には、コイル容器１１の内部に冷媒を導入するための導入路と、コイル容器１１から冷媒を排出するための排出路が含まれ、双方の流路に対応する冷媒配管６を有することで冷媒の循環経路を構成する。たとえば図１であれば、コイル容器１１の鉛直方向下方から 接続される冷媒配管６を導入路、コイル容器１１の上方から接続される冷媒配管６を通過してもよい。すなわち、導入路や排出路という表現は単に冷媒の主な循環方向から呼ぶ名称である。
【００２０】
冷媒配管６は、冷媒を貯留する冷媒容器３１と接続され、基本的にこれら冷媒容器３１、冷媒配管６およびコイル容器１１によって冷媒の循環経路は構成される。冷媒容器３１には冷凍機１２が供えつけられており、冷凍機１２によって循環する冷媒の温度が維持され、一方で気化した冷媒は再度液化されるように構成されている。
【００２１】
また、冷媒容器１１の内部には、超電導磁石装置１がいわゆる永久電流モードで運転することを想定したものであれば、図１に示すように永久電流スイッチ９が設置されていてもよい。永久電流スイッチ９を冷媒容器３１に貯留された冷媒に浸漬するように設置することで、永久電流が流れる回路の安定化を図ることができる。なお、永久電流モードでは運転しない、例えば電源駆動式の場合は永久電流スイッチ９は設置されてなくても良い。また、冷媒容器３１の内部空間については、永久電流スイッチに限らず、励磁時に外部から電流を引き込むための通電ケーブルや、冷媒容器３１の内部圧力計測のための圧力センサ、温度をモニタリングするための温度センサ等が設けられても良い。
【００２２】
超電導磁石装置１には、更に、冷媒容器３１、冷媒配管６およびコイル容器１１から構成される冷媒の循環系に対して、冷媒を外部から供給または外部へ放出するために外部連通配管３２が接続される。供給用と排出用の配管は共通であってもよいし、役割に応じて個別の配管として設けてもよい。
【００２３】
外部連通配管３２は、図１に示すように、真空容器２と輻射シールド３を貫通するように設けられる。なお外部連通配管３２にはバルブ７２、バルブ７３が設けられ、必要に応じて冷媒容器１１と外部空間との接続を切り替えることが可能なように構成されている。また、外部連通配管３２は、コイル容器１１と接続された冷媒配管６と接続される、またはコイル容器１１と接続されるように構成されてもよい。外部連通配管３２は極低温環境と常温環境とをむすぶ構成でもあるため、この配管を介しての熱侵入は極力小さくなるよう熱伝導性の低い部材を利用するとよい。
【００２４】
図２は超電導電磁石装置１の回路構成の模式図である。超電導磁石装置１は超電導コイル４を八個備えており、これらの超電導コイル４は直列に接続されている。 
これらの超電導コイル４に対して保護抵抗１０がそれぞれ並列に接続される。図２に示す例では四つの直列に接続された超電導コイル４に対して一つの保護抵抗１０が並列に設けられており、必要に応じて超電導コイル４の磁気エネルギーを消費することが可能なように構成される。
【００２５】
電流遮断器１４を 開にした場合、超電導コイル４と永久電流スイッチ９とで閉回路が構成される。なお、永久電流スイッチ９も超電導コイル４と同様に超電導部材形成されており、臨界温度以下に保たれ超電導状態をとることが可能である。
【００２６】
上記のような回路構成をとる超電導コイル４に対して励磁に必要な電流を供給するために、真空容器２の外には、励磁電源１３、電流遮断器１４が設置されている。
【００２７】
超電導コイル４と永久電流スイッチ９とから構成される超電導状態の回路に電流を通電するにあたっては次のステップが実行される。まず、永久電流スイッチ９を加熱等により電気抵抗が存在する状態（開状態）で、電気遮断機１４を閉とし、励磁電源１３から超電導コイル４に電流を供給する。徐々に通電量を上昇させ目標とする電流値に達したら、その後、永久電流スイッチ９の加熱を停止して冷却する。冷却された永久電流スイッチ９が超電導状態へ遷移し電気抵抗が極小となる状態（閉状態）となれば、続いて励磁電源１３から供給する電流をゼロにして電流遮断器１４を開とする。これにより、超電導コイル４および永久電流スイッチ９からなる超電導状態の閉回路に電流がほとんど減衰することなく流れ続ける永久電流運転となる。以上より、超電導電磁石装置１は、長期に渡って磁場を保持することが可能である。
【００２８】
図３は、超電導磁石装置１の超電導コイル４を中心とした装置の断面概要図の一部を拡大した図である。超電導コイル４はコイル容器１１に収容された状態で冷却され、超電導コイル４に電流を供給する導線（超電導線３４）も同様に冷却される。すなわち、超電導線３４はコイル容器１１と冷媒容器３１とを接続する冷媒配管６の内部を通り、冷媒容器３１の内部へ引き込まれている。他の超電導コイル４に電流を供給する超電導線３４についても、冷媒容器１１へ引き込まれた複数の超電導線３４は図２に示す回路のように接続されている。
【００２９】
ここで、超電導コイル４と冷媒容器１１との壁面との間にトラップ部材５が設けられる。トラップ部材５が設けられる位置は、図３に占める例では超電導コイル４の内径側としているが、これに限らず外径側や上面側、または下面側でもよい。  トラップ部材５は液体ヘリウムが浸透する空隙を備え、伝熱性の観点から金属から構成されていることが望ましい。例えばアルミニウム線で構成されるコイル状の金属部材を超電導コイル４の内径面沿って形成することが候補として考えられる。
【００３０】
なお、このようなコイル構造を実現するにあたっては、次のようなコイル成型処理が考えられる。まず、図示していない巻枠に対してアルミニウム線が巻線される。続いて、アルミニウム線の巻線を覆うようにして超電導線材が巻線され、それぞれを樹脂等によって一体化する。なお、樹脂等による一体化の処理は、樹脂含浸成形法以外の処理が望ましい。樹脂含浸成形法はアルミニウム巻線の内部の空隙を樹脂によって埋めてしまい、液体ヘリウムが浸透する隙間を少なくしてしまう。そこで成形方法としては、予め自己融着樹脂によって被覆された超電導線材およびアルミニウム線を採用し、樹脂によって被覆された線材を巻線し、その後に加熱して一体化する自己融着法が有効な方法として挙げられる。自己融着法は、樹脂含浸法として線材の間に空隙が確保されやすく、液体ヘリウムが通過するための流路を確保しやすい。
【００３１】
コイルの成形が終了した後、トラップ部材５と超電導コイル４は図示していない巻枠から分離され、コイル容器１１の内部に収容される。なお、このような収容作業のために、コイル容器１１は複数の部材の組み合わせによって構成されており、トラップ部材５と超電導コイル４を設置してから溶接等で一体化される。たとえば図３に示す例であれば、コイル容器１１の上部は容器部材１１ａ、下部は容器部材１１ｃ、外側面及び二つの超電導コイル４の仕切り面は容器部材１１ｂにより構成される。コイル容器１１の内径面は容器部材１１ａまたはコイル容器１１ｃのいずれかと一体的に設けておいてよい。なお、このコイル容器１１を構成する部材のパターンは上述するものに限られず、自由な構成を採用することができる。
【００３２】
また、図３に示すような２つの超電導コイル４を一つのコイル容器１１に収める場合、両コイルに挟まれた仕切り板に相当する部分には、図４に示すような液体ヘリウムが通過する開口部５１が設けられる。また、超電導コイルの鉛直方向上面に当たる部材１１ａおよび１１ｂには、図４に示すような溝５２が設けられる。
【００３３】
このような開口部５１や溝５２により、超電導コイル４を冷却する際に気化したヘリウムガスは、コイル容器内で滞留せず溝５２を通じてトラップ部材５側に移動し、冷媒循環路６を通じて冷媒容器３１に戻り、冷凍機１２にて再液化することが可能となる。
【００３４】
ここで外部連通配管３２は、液体ヘリウムを装置内に供給する以外にも、超電導コイル４を常温から冷却する際にも用いることができる。その際、矢印２０の方向に冷媒を供給・排出し、トラップ部材５の内部に冷媒を通過させることで上述のように超電導コイル４を冷却することが可能となっている。なお、クエンチが発生した場合は、外部連通配管３２に設けられた逆止弁７２を通じ気化したヘリウムが装置外へ排出されることで、気化したヘリウムによる装置の破損を防止することが可能となる。
【００３５】
以上のように、本実施形態に記載の超電導磁石装置１は、液体ヘリウムを冷媒容器３１と冷媒循環路６と、コイル容器１１とに制限して配置することでヘリウムの使用量を低減する。さらにコイル容器１１の内部においては、超電導コイル４以外の領域にトラップ部材５を設けることで液体ヘリウムが占有する体積を低減する。これによりヘリウムの使用量を従来の浸漬冷却と比較して低減可能となる。また、トラップ部材５を透過した液体ヘリウムが超電導コイル４に直接接触する構造とすることで、ヘリウムの使用量を低減しつつ、機械的擾乱が発生した際のコイル温度上昇を抑えることが可能となる。
【００３６】
［第２の実施形態］
図５に第２の実施形態に係る超電導電磁石装置１の断面を示す。第２の実施形態は、図１に示す第１の実施形態と比較して、超電導電磁石４の中心軸２１が水平方向を向いている点で異なる。また、超電導コイル４とコイル容器１１が接触する面には、第１の実施形態にある溝５２が設けられていない点で異なる。
図６に、図５に示した超電導磁石装置１のＡ−Ａ’断面図を示す。液体ヘリウムは外部連通配管３２を矢印２０の方向に循環し、トラップ部材５を通じて超電導コイル４を冷却する。
【００３７】
このような構造をとることで中心軸２１が水平方向を向いた超電導電磁石装置１でも第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、超電導コイル４を冷却する際に気化したヘリウムガスはトラップ部材５の内部を浮力にて上方に移動することから、ヘリウムガスの滞留を防止する溝５２をコイル容器１１に設けずともヘリウムガスを滞留させることなく冷媒容器３１まで到達させ、再液化することが可能となる。
【００３８】
［第３の実施形態］
図７に第３の実施形態に関わる超電導磁石装置１の断面を示す。また、図８に超電導電磁石装置１の回路を模式的に示す。第３の実施形態は、図１に示す弟１の実施形態で用いられる超電導コイル４より臨界温度が高い複数の超電導コイル８が装置内部に追加設置され、それらは冷媒循環路６と熱伝導率の高い高熱伝導体８０にて熱的に接続されている点で異なる。また、臨界温度が高い超電導コイル８は、超電導コイル４とは異なる励磁電源１３ｂから通電されている点で異なる。
【００３９】
ここで、超電導コイル４が臨界温度以下で維持されている場合は、冷媒循環路６と接続された臨界温度の高い超電導コイル８も超電導状態が保持されることとなる。
【００４０】
このような構造をとることで、弟１の実施形態と同様の効果を得ることができるだけでなく、冷凍機を増設せずとも新たな超電導コイルを追加することが可能となり、超電導磁石装置の設置後においてもさらに強力な磁場を発生可能な超電導磁石装置を導入することが可能となる。
【符号の説明】
【００４１】
１                    超電導電磁石装置
２                    真空容器
３                    輻射シールド
４                    超電導コイル
５                    トラップ部材
６                    冷媒配管
７                    冷媒
８                    臨界温度が高い超電導コイル
９                    永久電流スイッチ
１０                  保護抵抗
１１                  コイル容器
１２                  冷凍機
１３                  直流電源
１４                  電流遮断器
２０                  気化した冷媒の進行方向を示す矢印
２１                  超電導電磁石装置の中心軸
２４                  開口部
３１                  冷媒容器
３２                  外部連通配管
３４                  超電導線
５１                  開口部
５２                  溝
７２                  逆止弁
７３                  バルブ
８１                  高熱伝導体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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