(57)【要約】【課題】簡便な構成にて強度および必要な熱伝導を確保することができる超電導電磁石を提供する。【解決手段】円筒状の超電導コイル９を収納するとともに液体ヘリウム５が充填された低温容器１と、低温容器１の輻射熱を緩和するために低温容器１を覆うように配設された円筒状の輻射熱シールド６と、輻射熱シールド６を収納するとともに内部を真空断熱する真空断熱容器２とを備えた超電導電磁石において、輻射熱シールド６は外周筒部６１および内周筒部６２と外周筒部６１および内周筒部６２間を閉塞するフランジ部６３とにて構成され、外周筒部６１および内周筒部６２はアルミＡ１１００またはＡ１０５０にて構成され、フランジ部６３はアルミＡ５０８３にて構成されるものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状の超電導コイルを収納するとともに液体ヘリウムが充填された低温容器と、上記低温容器の輻射熱を緩和するために上記低温容器を覆うように配設された円筒状の輻射熱シールドと、上記輻射熱シールドを収納するとともに内部を真空断熱する真空断熱容器とを備えた超電導電磁石において、上記輻射熱シールドは外周筒部および内周筒部と上記外周筒部および内周筒部間を閉塞するフランジ部とにて構成され、上記外周筒部および内周筒部はアルミＡ１１００またはＡ１０５０にて構成され、上記フランジ部はアルミＡ５０８３にて構成されることを特徴と超電導電磁石。
【請求項２】
円筒状の超電導コイルを収納するとともに液体ヘリウムが充填された低温容器と、上記低温容器の輻射熱を緩和するために上記低温容器を覆うように配設された円筒状の輻射熱シールドと、上記輻射熱シールドを収納するとともに内部を真空断熱する真空断熱容器とを備えた超電導電磁石において、上記輻射熱シールドは外周筒部および内周筒部と上記外周筒部および内周筒部間を閉塞するフランジ部とにて構成され、上記フランジ部の上記内周筒部側の板厚を上記外周筒部側の板厚より薄く形成したことを特徴とする超電導電磁石。
【請求項３】
円筒状の超電導コイルを収納するとともに液体ヘリウムが充填された低温容器と、上記低温容器の輻射熱を緩和するために上記低温容器を覆うように配設された円筒状の輻射熱シールドと、上記輻射熱シールドを収納するとともに内部を真空断熱する真空断熱容器とを備えた超電導電磁石において、上記輻射熱シールドの外周の所望な箇所に、上記輻射熱シールドの熱伝導特性より熱伝導特性に優れた熱良導体を配設したことを特徴とする超電導電磁石。
【請求項４】
円筒状の超電導コイルを収納するとともに液体ヘリウムが充填された低温容器と、上記低温容器の輻射熱を緩和するために上記低温容器を覆うように配設された円筒状の輻射熱シールドと、上記輻射熱シールドを収納するとともに内部を真空断熱する真空断熱容器とを備えた超電導電磁石において、上記輻射熱シールドは外周筒部および内周筒部と上記外周筒部および内周筒部間を閉塞するフランジ部とにて構成され、上記内周筒部の板厚は、上記フランジ部と接する箇所の板厚を上記内周筒部の中央部の板厚より厚く形成したことを特徴とする超電導電磁石。
【請求項５】
円筒状の超電導コイルを収納するとともに液体ヘリウムが充填された低温容器と、上記低温容器の輻射熱を緩和するために上記低温容器を覆うように配設された円筒状の輻射熱シールドと、上記輻射熱シールドを収納するとともに内部を真空断熱する真空断熱容器とを備えた超電導電磁石において、上記輻射熱シールドは外周筒部および内周筒部と上記外周筒部および内周筒部間を閉塞するフランジ部とにて構成され、上記内周筒部を構成する材質は、上記フランジ部側の材質の強度が上記内周筒部の中央部の材質の強度より強い材質にて形成したことを特徴とする超電導電磁石。
【請求項６】
上記請求項１ないし請求項５の超電導電磁石を用いたことを特徴とするＭＲＩ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、強度に優れた超電導電磁石およびこれを用いたＭＲＩ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の超電導電磁石は、例えば医療用の断層撮像装置である磁気共鳴イメージング装置（ＭＲＩ装置）の静磁場発生源として使用される超電導電磁石は水平型の円筒状のソレノイド型がある。また、患者の開放感と検査技師の患者へのアクセス性のため、水平型の円筒状のソレノイド型のＭＲＩ装置の短尺化が進んでいる。低温容器が収納された真空断熱容器（真空断熱容器フランジ部および真空断熱容器外周筒部）があり、低温容器内には主磁場を発生させる超電導メインコイルおよび外部への漏洩磁場を低減させるメインとは逆性の超電導シールドコイルが配置されており、液体ヘリウムが封入されている。
【０００３】
真空断熱容器フランジ部および真空断熱容器外筒と低温容器との間には１つまたは複数の輻射熱シールドが配置されている。低温容器は支持材によって真空断熱容器外周筒部から支持されている。真空断熱容器の内側空間がＭＲＩ装置として患者が入るための空間である。低温冷凍機は輻射熱シールドまたは低温容器を冷却して、液体ヘリウムの蒸発量を低減している（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開平８−２１５１７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の超電導電磁石は、輻射熱シールドは低温容器への輻射熱侵入を小さくするため、熱伝導が良く加工性に優れた材料としてアルミが使用される。また、アルミはＡ１０５０またはＡ１１００などの熱伝導率が高い純アルミ材料を使用して、極低温冷凍機が輻射熱シールドを冷却する場合に輻射熱シールド全体の温度差がつかないようにしている。しかし、超電導メインコイル、超電導シールドコイルがクエンチ（超電導破壊）した場合には急な磁束の変化により、輻射熱シールドのフランジ部分に発生する渦電流による電磁力に耐えるため、輻射熱シールドのフランジは相応の強度をもたせるため、熱伝導として必要な厚み以上に厚みを増やすか、または補強が必要であるという問題点があった。
【０００６】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、簡便な構成にて強度および必要な熱伝導を確保することができる超電導電磁石およびこれを用いたＭＲＩ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明は、円筒状の超電導コイルを収納するとともに液体ヘリウムが充填された低温容器と、低温容器の輻射熱を緩和するために低温容器を覆うように配設された円筒状の輻射熱シールドと、輻射熱シールドを収納するとともに内部を真空断熱する真空断熱容器とを備えた超電導電磁石において、輻射熱シールドは外周筒部および内周筒部と外周筒部および内周筒部間を閉塞するフランジ部とにて構成され、外周筒部および内周筒部はアルミＡ１１００またはＡ１０５０にて構成され、フランジ部はアルミＡ５０８３にて構成されるものである。
【０００８】
また、この発明は、円筒状の超電導コイルを収納するとともに液体ヘリウムが充填された低温容器と、低温容器の輻射熱を緩和するために低温容器を覆うように配設された円筒状の輻射熱シールドと、輻射熱シールドを収納するとともに内部を真空断熱する真空断熱容器とを備えた超電導電磁石において、輻射熱シールドは外周筒部および内周筒部と外周筒部および内周筒部間を閉塞するフランジ部とにて構成され、フランジ部の外周筒部側の板厚を内周筒部側の板厚より厚く形成したものである。
【０００９】
また、この発明は、円筒状の超電導コイルを収納するとともに液体ヘリウムが充填された低温容器と、低温容器の輻射熱を緩和するために低温容器を覆うように配設された円筒状の輻射熱シールドと、輻射熱シールドを収納するとともに内部を真空断熱する真空断熱容器とを備えた超電導電磁石において、輻射熱シールドの外周の所望な箇所に、輻射熱シールドの熱伝導特性より熱伝導特性に優れた熱良導体を配設したものである。
【００１０】
また、この発明は、円筒状の超電導コイルを収納するとともに液体ヘリウムが充填された低温容器と、低温容器の輻射熱を緩和するために低温容器を覆うように配設された円筒状の輻射熱シールドと、輻射熱シールドを収納するとともに内部を真空断熱する真空断熱容器とを備えた超電導電磁石において、輻射熱シールドは外周筒部および内周筒部と外周筒部および内周筒部間を閉塞するフランジ部とにて構成され、内周筒部の板厚は、フランジ部と接する箇所の板厚を内周筒部の中央部の板厚より厚く形成したものである。
【００１１】
また、この発明は、円筒状の超電導コイルを収納するとともに液体ヘリウムが充填された低温容器と、低温容器の輻射熱を緩和するために低温容器を覆うように配設された円筒状の輻射熱シールドと、輻射熱シールドを収納するとともに内部を真空断熱する真空断熱容器とを備えた超電導電磁石において、輻射熱シールドは外周筒部および内周筒部と外周筒部および内周筒部間を閉塞するフランジ部とにて構成され、内周筒部を構成する材質は、フランジ部側の材質の強度が内周筒部の中央部の材質の強度より強い材質にて形成したものである。
【発明の効果】
【００１２】
この発明の超電導電磁石は、円筒状の超電導コイルを収納するとともに液体ヘリウムが充填された低温容器と、低温容器の輻射熱を緩和するために低温容器を覆うように配設された円筒状の輻射熱シールドと、輻射熱シールドを収納するとともに内部を真空断熱する真空断熱容器とを備えた超電導電磁石において、輻射熱シールドは外周筒部および内周筒部と外周筒部および内周筒部間を閉塞するフランジ部とにて構成され、外周筒部および内周筒部はアルミＡ１１００またはＡ１０５０にて構成され、フランジ部はアルミＡ５０８３にて構成されているので、熱伝導に優れた特性を有しながら、クエンチ時に発生する電磁力を低減することができる。
【００１３】
また、この発明の超電導電磁は、石円筒状の超電導コイルを収納するとともに液体ヘリウムが充填された低温容器と、低温容器の輻射熱を緩和するために低温容器を覆うように配設された円筒状の輻射熱シールドと、輻射熱シールドを収納するとともに内部を真空断熱する真空断熱容器とを備えた超電導電磁石において、輻射熱シールドは外周筒部および内周筒部と外周筒部および内周筒部間を閉塞するフランジ部とにて構成され、フランジ部の内周筒部側の板厚を外周筒部側の板厚より薄く形成したので、熱伝導の低減を防止するとともに、強度を保つことができる。
【００１４】
また、この発明の超電導電磁は、円筒状の超電導コイルを収納するとともに液体ヘリウムが充填された低温容器と、低温容器の輻射熱を緩和するために低温容器を覆うように配設された円筒状の輻射熱シールドと、輻射熱シールドを収納するとともに内部を真空断熱する真空断熱容器とを備えた超電導電磁石において、輻射熱シールドの外周の所望な箇所に、輻射熱シールドの熱伝導特性より熱伝導特性に優れた熱良導体を配設したので、熱伝導を改善することができる。
【００１５】
また、この発明の超電導電磁は、円筒状の超電導コイルを収納するとともに液体ヘリウムが充填された低温容器と、低温容器の輻射熱を緩和するために低温容器を覆うように配設された円筒状の輻射熱シールドと、輻射熱シールドを収納するとともに内部を真空断熱する真空断熱容器とを備えた超電導電磁石において、輻射熱シールドは外周筒部および内周筒部と外周筒部および内周筒部間を閉塞するフランジ部とにて構成され、内周筒部の板厚は、フランジ部と接する箇所の板厚を内周筒部の中央部の板厚より厚く形成したので、熱伝導の低減を防止するとともに、強度を保つことができる。
【００１６】
また、この発明の超電導電磁は、円筒状の超電導コイルを収納するとともに液体ヘリウムが充填された低温容器と、低温容器の輻射熱を緩和するために低温容器を覆うように配設された円筒状の輻射熱シールドと、輻射熱シールドを収納するとともに内部を真空断熱する真空断熱容器とを備えた超電導電磁石において、輻射熱シールドは外周筒部および内周筒部と外周筒部および内周筒部間を閉塞するフランジ部とにて構成され、内周筒部を構成する材質は、フランジ部側の材質の強度が内周筒部の中央部の材質の強度より強い材質にて形成したので、熱伝導の低減を防止するとともに、強度を保つことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
実施の形態１．
以下、本願発明の実施の形態について説明する。図１は、この発明の実施の形態１における超電導電磁石の構成を示した断面図である。図において、本願発明の超電導電磁石は、円筒状の低温容器１が収納された円筒状の真空断熱容器２にて構成され、低温容器１内には超電導コイル９としての、主磁場を発生させる超電導メインコイル３、および、外部への漏洩磁場を低減させる超電導メインコイル３とは逆性の超電導シールドコイル４とが配置されている。さらに、低温容器１内には液体ヘリウム５が封入されている。そして、低温容器１と真空断熱容器２との間には、低温容器１への輻射熱を緩和するため低温容器１を覆うように輻射熱シールド６が配設されている。そして低温容器１は支持材７によって真空断熱容器２にて支持されている。真空断熱容器２の内側空間部８は超電導電磁石を例えばＭＲＩ装置として用いる場合に、患者が入るための空間部分に相当する。
【００１８】
低温冷凍機１０は輻射熱シールド６または低温容器１を冷却して、液体ヘリウム５の蒸発量を低減している。ポート１１は低温容器１と外部をつなぐ管にて構成され、蒸発した液体ヘリウム５がこのポート１１を通ってから超電導電磁石の外部に排出させる。輻射熱シールド６は外周筒部６１および内周筒部６２と、外周筒部６１および内周筒部６２間を閉塞するフランジ部６３とにて構成されている。そして、外周筒部６１および内周筒部６２はアルミＡ１１００またはＡ１０５０にて構成され、フランジ部６３はアルミＡ５０８３にて構成される。これら材質の実際に使用される温度での電気抵抗は、以下のとおりである。
【００１９】
【表１】
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【００２０】
上記のように構成された実施の形態１の超電導電磁石によれば、「表１」に示したように、アルミＡ５０８３はアルミＡ１１００またはＡ１０５０と比べて（温度２０Ｋの時で１４．４倍、温度８０Ｋの時で６．７倍）電気抵抗が大きくなり、クエンチ時に発生する過電流が流れにくい。よって、過電流により発生する電磁力が小さくなるので、輻射熱シールドのフランジ部の構造を簡便なものにて形成することが可能となり、板厚を最適な薄さに形成することが可能となる。
【００２１】
実施の形態２．
図２はこの発明の実施の形態２における超電導電磁石の構成を示した部分断面図である。図において、上記実施の形態と同様の部分は同一符号を付して説明を省略する。尚、図２は超電導電磁石の構成の一部の本実施の形態２における特徴的な部分のみを示したものである。図において、輻射熱シールド６のフランジ部６３の板厚において、外周筒部側部６３１の板厚を内周筒部側部６３２の板厚より厚く形成したものである。例えば、内周筒部側部６３２の板厚を外周筒部側部６３１の板厚の１／２〜１／３程度にすることが考えられる。これは図２中における超電導コイル９に対抗する位置に電磁力が発生し、その外側部分には同じ距離にコイルが存在しないため、ほとんど電磁力は発生しない。よって、従来の場合より、電磁力を１／２以下〜１／３以下程度とする必要性のため、電気抵抗を１／２〜１／３程度とすることが求められ、板厚を上記に示したように設定したものである。
【００２２】
上記のように構成された実施の形態２の超電導電磁石によれば、クエンチが発生した場合に、輻射熱シールドのフランジ部に発生する電磁力は、主磁場を発生させる超電導メインコイルの近傍に大きく発生するため、フランジ部内周側部にはフランジ部外周側部より大きな電磁力が発生する。ここでは、超電導メインコイル近傍の輻射熱シールドのフランジ部を渦電流が多く発生する部分のみの板厚を薄く、すなわちフランジ部内周側部の板厚をフランジ部外周側部の板厚より薄く形成することにより、電気抵抗を増やし、渦電流発生に伴う電磁力を低減している。また、輻射熱シールドのフランジ部を全体に板厚を薄くした場合に伴う熱伝導が悪くなるのを抑えることが可能となり、強度と熱伝導とに基づいて最適な設計を行うことが可能となる。
【００２３】
実施の形態３．
図３はこの発明の実施の形態３における超電導電磁石の構成を示した部分断面図および部分側面図である。図において、上記実施の形態と同様の部分は同一符号を付して説明を省略する。尚、図３は超電導電磁石の構成の一部の本実施の形態３における特徴的な部分のみを示したものである。図において、輻射熱シールド６の外周の所望な箇所に、輻射熱シールド６の熱伝導特性より熱伝導特性に優れた例えば銅にてなる熱良導体３１を配設したものである。尚、この熱良導体３１は当該部分に円周状に渦電流が流れないように、図３（ｂ）に示すようにフランジ部６３に短冊状に配置する。また、熱良導体３１は内周側と外周側とで切れ目なく接続されていればよく、幅方向は限定されるものではなく、電磁石の熱侵入による対応が可能な程度であればよく、全面に設置することも可能である。しかしながら、構造的、コスト的に制限があることは言うまでない。また、熱良導体３１のさらに具体的な例としては、電気銅（Ｃ１１００）の利用が考えられ、アルミの熱伝導率積分値が温度３００Ｋ→７６Ｋの時で５０８Ｗ／ｃｍであるのに対し、電気銅の熱伝導率積分値が温度３００Ｋ→７６Ｋの時で９３４Ｗ／ｃｍであり、電気銅の方がアルミより１．８倍程度熱伝導に優れている。
【００２４】
上記のように構成された実施の形態３の超電導電磁石によれば、熱伝導が設計許容値に足らない場合に熱良導体を輻射熱シールドのフランジ部に併設することにより、熱伝導を改善でき、輻射熱シールドのフランジ部の熱抵抗を小さくできる。それにより、輻射熱シールド全体の温度勾配を小さくできるので低温容器に入る輻射熱が少なくなり、液体ヘリウムの蒸発が少ない経済的な超電導電磁石を実現することが可能となる。
【００２５】
実施の形態４．
図４はこの発明の実施の形態４における超電導電磁石の構成を示した部分断面図および部分側面図である。図において、上記実施の形態と同様の部分は同一符号を付して説明を省略する。尚、図４は超電導電磁石の構成の一部の本実施の形態３における特徴的な部分のみを示したものである。図において、内周筒部６２の板厚は、フランジ部６３と接する箇所、内周筒部つなぎ目部６２１の板厚を内周筒部中央部６２２の板厚より厚く形成したものである。具体的には、内周筒部中央部６２２の板厚の必要板厚をｔ２とすると、
ｔ２＝内周筒部つなぎ目部６２１の板厚×（許容電磁力÷全体がｔ２の時に発生する電磁力）
の上記式が成り立つような値に設定する。すると、従来の場合より、電磁力を最低１／２以下〜１／３以下程度にすることが可能となる。
【００２６】
上記のように構成された実施の形態４の超電導電磁石によれば、クエンチした場合に輻射熱シールドのフランジ部に発生する渦電流による電磁力が働いた場合には、フランジ部と内周筒部とのつなぎ目部分に応力集中するため相応の強度となる板厚が必要である。また、輻射熱シールド内筒の板厚を厚くした場合はヘリウム槽や真空槽との間隔が狭くなり、熱接触のリスクが増加する。そこで、内周筒部の板厚を、フランジ部と接する箇所、内周筒部つなぎ目部の板厚を内周筒部中央部の板厚より厚く形成すれば、熱接触のリスクを増加させることなく、輻射熱シールドの内周筒部とフランジ部とのつなぎ目部分の応力が緩和可能となる。
【００２７】
実施の形態５．
図５はこの発明の実施の形態５における超電導電磁石の構成を示した部分断面図および部分側面図である。図において、上記実施の形態と同様の部分は同一符号を付して説明を省略する。尚、図５は超電導電磁石の構成の一部の本実施の形態３における特徴的な部分のみを示したものである。図において、内周筒部６２を構成する材質は、フランジ部６３側の内周筒部端部６２３の材質の強度が、内周筒部中央部６２４の材質の強度より強い材質にて形成したものである。例えば、内周筒部端部６２３の材質はアルミＡ５０８３にて強度のある材質で、内周筒部中央部６２４の材質はアルミＡ１１００またはＡ１０５０と、アルミＡ５０８３より強度は劣るものの、熱伝導の点で優れた材質にて形成する。具体的には、アルミＡ５０８３の耐力は１４．３ｋｇｆ／ｍｍ２と、内周筒部中央部６２４の材質はアルミＡ１１００またはＡ１０５０の耐力、７ｋｇｆ／ｍｍ２に対して２倍程度の耐力を有している。
【００２８】
上記のように構成された実施の形態５の超電導電磁石によれば、輻射熱シールド全体として、熱伝導と強度との考慮に入れた最適な設計が可能となる。
【００２９】
尚、ここでは輻射熱シールド６が１つの円筒状にて形成する例を示したが、これに限られることはなく、低温容器１と真空断熱容器２との間に多層にて輻射熱シールド６が形成される場合も考えられ、その場合、その複数の輻射熱シールドに上記各実施の形態と同様に行うことが可能であり、同様の効果を奏することが可能であることは言うまでもない。
また、上記各実施の形態はそれぞれ適宜組み合わせて実施することが可能であることは言うまでもなく、それぞれの効果を相乗的に得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】この発明の実施の形態１を示す超電導電磁石の構成を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態２を示す超電導電磁石の構成を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態３を示す超電導電磁石の構成を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態４を示す超電導電磁石の構成を示す図である。
【図５】この発明の実施の形態５を示す超電導電磁石の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３１】
１  低温容器、２  真空断熱容器、５  液体ヘリウム、６  輻射熱シールド、
９  超電導コイル、３１  熱良導体、６１  外周筒部、６２  内周筒部、
６３  フランジ部、６３１  フランジ部内周側部、６３２  フランジ部外周側部、
６２１  内周筒部つなぎ目部、６２２，６２４  内周筒部中央部、
６２３  内周筒部端部。
【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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