(57)【要約】【課題】パルス駆動に基づいて発生される渦電流から生ずる問題を極少化し得るパルス化磁界発生装置を提供する。【解決手段】少なくとも１つの冷媒なしの超伝導巻線（２）を含むパルス駆動される磁石と、少なくとも１つの冷却ヘッド（３）を有する冷凍ユニットと、巻線（２）を冷却ヘッド（３）に熱結合させるための熱サイホン効果によって循環する冷媒を有する導管システムの形をした結合手段と、を備え、導管システムは互いに並置された複数の導管（７，１６，２５）を含み、これらの導管（７，１６，２５）は各一端が共通の冷媒分配部（６，１３，１５，２２，２４）に連通し、各他端（８，２６）が閉じられ、導管（７，１６，２５）がディスク状又はサドル状の巻線（２，１２，２７）の表面に熱的に結合されている、パルス化磁界発生装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの冷媒なしの超伝導巻線（２）を含むパルス駆動される磁石と、少なくとも１つの冷却ヘッド（３）を有する冷凍ユニットと、前記巻線（２）を前記冷却ヘッド（３）に熱結合させるための熱サイホン効果によって循環する冷媒を有する導管システムの形をした結合手段と、を備え、前記導管システムは互いに並置された複数の導管（７，１６，２５）を含み、これらの導管（７，１６，２５）は各一端が共通の冷媒分配部（６，１３，１５，２２，２４）に連通し、各他端（８，２６）が閉じられ、前記導管（７，１６，２５）がディスク状又はサドル状の巻線（２，１２，２７）の表面に熱的に結合されている、パルス化磁界発生装置。
【請求項２】
ディスク状巻線（２，１２）の場合、前記複数の導管（７，１６）が弧状に形成され、共通の冷媒分配部（６，１３，１５）の一側又は両側に存在する平坦面内で接続されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
弧状の導管（７，１６）が同心配置の環状軌道上にあることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記冷媒分配部（６，１３，１５）の両側に延び、前記共通の環状軌道上で同じ半径上を走る導管（７，１６）が同じ長さを持っていることを特徴とする請求項３に記載の装置。
【請求項５】
導管（１６）が間隔をおいた２つの平行な平面内を走り、前記巻線（１２）が両側面を熱的に結合する導管相互間に設けられていることを特徴とする請求項２ないし４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６】
前記共通の冷媒分配部（１３，１５）に１つ又は複数の他の導管（１７）が接続され、前記他の導管（１７）はディスク状巻線の外周側及び／又はリングとして形成されたディスク状巻線（１２）の内周（１８）側に沿う他の平面内を走っていることを特徴とする請求項２ないし５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７】
サドル状巻線（２７）の場合、前記複数の導管（２５）が弧状に形成され、前記共通の冷媒分配部（２２，２４）の一側又は両側に櫛状に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記共通の冷媒分配部（２２，２４）の両側に延びる複数の導管（２５）が同じ長さを持っていることを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記導管（７，１６，２５）及び場合によっては前記共通の冷媒分配部（６，１３，２２）が特殊鋼で作られていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１０】
前記導管（７，１６，１７，２５）及び場合によっては前記共通の冷媒分配部（６，１３，２２）が電気的に絶縁性の材料からなるホルダ（９，１９）内に埋設されていることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１１】
前記ホルダ（９，１９）がプラスチック、特にグラスファイバ強化型プラスチックで作られていることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記導管（７，１６，１７，２５）が円形断面又は矩形断面を持っていることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１３】
前記円形断面の導管（７，１６，１７，２５）の、前記巻線（２，１２，２７）に対向する側が平坦に形成されていることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも１つの冷媒なしの超伝導巻線を含むパルス駆動される磁石を有するパルス化磁界発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
非常に低い遷移温度ＴCを持ち、そのため低ＴC超伝導材料又はＬＴＳ材料とも称される例えばＮｂＴｉやＮｂ3Ｓｎのような古くから知られている金属超伝導材料とともに、７７Ｋ以上の遷移温度ＴCを持つ金属酸化物超伝導材料も知られている。後者の材料は高ＴC超伝導材料又はＨＴＳ材料とも称されている。
【０００３】
このようなＨＴＳ材料を用いた導体によって超伝導磁石巻線を作ることも試みられている。従来、磁界内、特にテスラ領域の磁界強度を有する磁界内での電流負担能力が比較的低いために、この種の巻線の導体は例えば数テスラもの高磁界のもとで定格電流の伝送を可能とするために、用いられる材料自体が高遷移温度ＴCを持っているにもかかわらず、しばしば７７Ｋを下まわる、例えば１０〜５０Ｋの間の温度レベルに維持される。
【０００４】
巻線の冷却のために、上述の温度範囲においては好ましくは密閉型のヘリウム圧力ガス循環サイクルを有する、いわゆるクライオ冷凍機の形の特殊な冷凍ユニットを用いることになる。そのようなクライオ冷凍機は、極低温の液体を扱うことなしに冷却容量が意のままになるという利点を持っている。その場合、超伝導コイル巻線はそのクライオ冷凍機の冷却ヘッドに熱伝導によってのみ結合される。すなわち、巻線自体は冷媒なしである。
【０００５】
磁気共鳴装置の磁石システムにおいては、多くはヘリウム浴冷却方式が用いられる。しかし、そのためには数百リットルの液体ヘリウムを注意深く貯留することが必要である。磁石にクエンチが生ずると、すなわち温度ジャンプに基づいて磁石が超伝導状態から常伝導状態に移行すると、クライオスタット内に望ましくない圧力上昇が生じ、それがヘリウムを気化させる。
【０００６】
さらにＬＴＳ磁石の場合、冷凍ユニットの冷却ヘッドと磁石の超伝導巻線との間に例えばそれ相応に構成されたＣｕ管の形の熱伝導性の良好な接続部を用いた冷凍機型冷却方式が用いられてきた。しかしそれは、冷却ヘッドと冷却対象との間の距離によっては熱結合に必要な大きな断面積が冷却体をかなり大型なものとする欠点がある。特に磁気共鳴装置に適用する場合にそのことが問題を引き起こす。というのは、それは冷却時間が長く、寸法的にも大きな磁石システムを必要とするからである。
【０００７】
さらに特許文献１により、熱サイホン効果によって循環する冷媒が通流する少なくとも１本の導管を有する導管システムが設けられている冒頭に述べた型の装置が知られている。この導管システムは冷凍ユニットの冷却ヘッドに結合されている。冷却ヘッドでは導管システム又は導管に液体の冷媒が通流する。この冷媒は導管システムの全長にわたって与えられる導管の高低差に基づいて導管内を下方へと流れる。そこで冷媒は巻線から熱を受取って気化する。気化した冷媒は導管内を液体の冷媒の通流方向とは反対に上方に向かって通流し、冷凍ユニット又は冷却ヘッドの冷却面で再凝縮する。このようにして導管内での冷媒の循環が行われる。
【０００８】
特許文献１による公知の導管システムは、いわゆるＣ型磁石として形成された磁気共鳴装置の両超伝導開放型磁石巻線の冷却のために用いられる。独立した両コイルは垂直方向に上下に配置され、相対的に大きな中心開口を有する開放型円筒リングとして巻かれている。２つの導管を備えた実施例は、それぞれ円筒状コイルの内面に沿って巻きつける方法によっている。導管システムはまず一方の巻線に導入され、次に第２の巻線に延びる。冷却ヘッドは上部巻線の上方にあり、それにより導管システム内の気化した冷媒は上方の冷却ヘッドに向かって流れ、そこで再凝縮される。
【０００９】
これらのコイルは磁気共鳴検査において、従って画像形成中に加えられる一定の基本磁界を発生するために用いられる。すなわち磁気共鳴検査は静的に行われる。しかし特定の用途においては、超伝導磁界コイルをパルス化して駆動することも必要である。すなわち、磁界をクロック発生させ、又はしゃ断することも必要である。磁気共鳴技術での適用例としては、その統合された超伝導磁石システムを介して０．３Ｔ未満の範囲の低基本磁界のみを発生する低磁界磁気共鳴装置によって、高磁界励磁に基づく画像を撮影することもできることがある。この目的のために、特に上述のＣ字状の開放型磁石装置においては、検査に従って患者が収容される装置固有の両磁石の間に、必要に応じて０．３Ｔを超える範囲の付加的な磁界を発生することができる超伝導巻線を有する１つ又は２つの他の磁石を設けることが可能である。その場合、これらのコイルをパルス駆動すること、すなわち、非常に短い時間間隔で高磁界を発生したり遮断したりすることが必要である。したがって交流コイル又はパルスコイルが用いられることになる。高磁界が遮断されている時間中に、装置側の通常の画像撮影システムを用いて画像撮影が行われる。
【００１０】
しかし、このような交流コイル又はパルスコイルを上述の適用分野とは無関係に用いる場合、パルス駆動に基づいて冷凍システムの全ての金属構成部品、通常は銅材からなる構成部品に大きな渦電流が発生するという問題がある。この渦電流はオーム抵抗損失を引き起こし、冷凍システムに負担をかける。さらに固有の磁界を発生する渦電流は所望のコイル磁界の分布特性にずれを生じさせ、それが磁気共鳴装置における画像形成の品質を劣化させる。
【特許文献１】国際公開第０３／０９８６４５号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
したがって本発明の課題は、パルス駆動に基づいて発生する渦電流から生ずる問題を極少化し得るパルス化磁界発生装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この課題を解決するために、少なくとも１つの冷媒なしの超伝導巻線を含むパルス駆動される磁石と、少なくとも１つの冷却ヘッドを有する冷凍ユニットと、巻線を冷却ヘッドに熱結合させるための熱サイホン効果によって循環する冷媒を有する導管システムの形をした結合手段と、を備え、導管システムは互いに並置された別々の複数の導管を含み、これらの導管は各一端が共通の冷媒分配部に連通し、各他端が閉じられ、導管はディスク状又はサドル状の巻線の表面に熱的に結合されている、パルス化磁界発生装置が提供される。
【００１３】
交流又はパルスによって給電され駆動される本発明による装置においては、共通の冷媒分配部を介して冷媒が供給されるが他端で閉じられている別々の複数の導管を有する熱サイホン導管システムが用いられる。すなわち導管システムは閉じた循環路を形成しているのではなく、したがって電気的に閉回路を形成しておらず、そのため渦電流が流れることができず、又は磁界が変化した場合でもそこに渦電流が誘導されることがない。すなわち、この導管システムは電気的に見て開路されており、そのため閉回路又は導管システムのループが形成されない。この導管システム又は導管はパルスコイルに対してはディスク状又はサドル状に形成できる巻線に各巻線表面で熱的に結合される。したがってディスク状巻線においては導管接続部が大表面のディスク側面に熱的に結合され、サドル状巻線においては例えば大表面の外周側サドル面に熱的に結合される。このようにして、導管が極めて大きな表面を介して各巻線に結合されるので、巻線の極めて良好な冷却を可能とする熱的な結合が達成される。
【００１４】
導管システムの本発明による構成によれば、一つには導管システムの「開放」構造のため、渦電流が誘導されたとしてもそれは無視できる範囲であり、そこには流れることができないので渦電流の極少化が達成される。もう一つには大表面の側面結合のため非常に良好な冷却作用が達成され、同時にパルス化された磁石において好ましい熱サイホン効果を利用することができる。
【００１５】
ディスク状巻線の場合には、複数の導管が弧状に形成され、共通の冷媒分配部とその一側又は両側に存在する平坦面内で接続される。弧状の導管は好ましくは同心配置の環状軌道上に形成される。これは密なパッキングを可能とする。すなわち、ディスクコイルの全ての部分から熱を効率的に取り去るために、高い局部温度上昇を来すことなく、自由度の高い巻線側面の接触面に相対的に非常に多くの導管を配設することができる。最終的には、表面積単位に必要とされる導管の正確な数はコイル内の損失電力密度及び熱伝導度に応じて選択される。冷却のために多くの導管を設置できることによって、公知のシステムにおいて熱搬送のために用いられ渦電流源となっている銅板を使うことを止めることが可能となる。好ましくは、共通の環状軌道上で同じ半径上を走る導管は冷媒分配部の両側に延び、かつ同じ長さを持つものとする。すなわち冷媒の通流量は冷媒分配部の両側に延びる互いに対応する「導管分岐」で同じにする。それにより局部的に異なる冷却作用を来すことがないようにする。
【００１６】
特に好ましくは、複数の導管は間隔をおいた２つの平行な平面内を走り、巻線が両側を熱的に結合する導管相互間に設けられる。すなわち例えば全て共通の冷媒分配部に接続される複数の弧状導管が別々の２つの平面を走るサンドイッチ構造という形式が実現される。この二つの平面は巻線が両導管の間に配置できるように、互いに数ｃｍの間隔をおいて配置される。こうしてディスク巻線はディスクの両側面から最適に冷却される。
【００１７】
上記に代えて、又はそれに付加して、共通の冷媒分配部に１つ又は複数の他の導管が接続され、他の導管はディスク状巻線の外周側及び／又はリングとして形成されたディスク状巻線の内周側に沿う他の平面内を走るようにすることも可能である。この構成においては、冷却は大面積のディスク側面を介して行われるのみならず、その構造に従い外周側面でも、すなわち外周側の狭いディスク側面、又はリング構造においては狭い内周側面又は内周面でも行われる。
【００１８】
ディスク状コイルに代えて、巻線はサドル状に構成することもできる。この構造の場合も複数の導管は弧状に形成され、共通の冷媒分配部の一側又は両側に櫛状に接続される。櫛型構造のためここでも電気的に閉回路は形成されない。共通の冷媒分配部の両側に導管が延びる場合、ほぼ同じ冷媒通流量を実現するために、好ましくは両導管は同じ長さを持つものとする。
【００１９】
起こり得る渦電流をさらに極小化するために、導管及び場合によっては共通の冷媒分配部は特殊鋼で作られる。特殊鋼は動作温度において銅に対し約１０００倍ほどの大きな電気抵抗を持っており、そのことが誘導渦電流を銅管におけるよりも本質的により早く減衰させることにつながる。このことは特に高パルス周波数のもとで非常に重要なことであり、又有利なことである。これによって銅管の場合には極端に高い導電性に基づいて周方向に生じ、それ自体が外乱磁界を発生する渦電流をどの場合にも回避することができる。
【００２０】
特殊鋼を用いることの他の利点は、材料が機械的に銅よりも安定しており、そのことが冷凍システムにおいて与えられる最高過圧のもとで、銅管に比較して薄い肉厚の管の使用を可能にする。
【００２１】
好ましくは導管及び場合によっては共通の冷媒分配部は電気的に絶縁性の材料、特にグラスファイバ強化型プラスチックからなるホルダ内に埋設され、又はモールドされる。導管はこのホルダを介して定位置に固定される。導管は円形断面又は矩形断面、例えば正方形断面を持っているものとすることができる。
【００２２】
円形断面の導管を用いる場合、円形断面の導管の、巻線に対向する側が平坦面として形成されるのがよい。すなわち導管は一側で機械的な加工処理、例えばフライス盤での加工処理により、導管が巻線に接する大きな接触面を得ることができる。導管の機械的処理はホルダ内への埋設の後で行われ、この場合もフライス盤加工の際に相応に平らにされる。
【００２３】
本発明の他の利点、特徴、及び詳細は次に記載される実施例並びに図面を参照して明らかにされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
図１は他の図と同様に本発明に関連する本質的な部分の詳細を示すものである。磁界を形成する超伝導材料からなる巻線２を含む装置１が示されている。巻線２はディスク巻線又はディスクコイルとして形成され、その巻線ないしコイルは例えば４ｍｍ幅で０．２５ｍｍ厚さのテープを、ディスクを形成するように巻き付けたものである。テープは、超伝導材料、例えば（Ｂｉ，Ｐｂ）2Ｓｒ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏxのような特に高ＴC超伝導材料からなっている。巻線２は周知のパルス化磁界を発生するために詳細には図示されていない接触手段を介して対応するパルス源又は交流電源等に接続される。
【００２５】
コイルすなわち巻線２の冷却のために、冷却端に設けられる少なくとも１つの冷却ヘッド３を有する、詳細には図示していない冷凍ユニットが設けられている。冷却ヘッド３は所定の温度レベルに保持すべき冷却面４を備えるか、又はこれに熱的に結合されている。この冷却面４に凝縮室５の内室が熱的に結合される。すなわち例えば冷却面４は凝縮室５の壁面を形成する。凝縮室５には管の形をした冷媒分配部６が接続される。下端部が閉じられたこの管に、管の両側を弧状又は半円状に走り、それぞれが隣接し、共通の平面内にある複数の導管７が接続されている。導管７はその下端部８が閉じられている。全導管システムは熱サイホン効果に従って動作する。凝縮室５又は冷却面４で凝縮された冷媒、例えばヘリウム又はネオン又はその他の類似のガスは冷媒分配部６へと下方へ流れ、そこから冷媒分配部６内をその全長にわたって高低差を有する導管７内を流れ落ちる。導管７は、図２に示されているように、巻線２に熱的に接触している。冷媒が下端部８に向かって流れる過程で冷媒は巻線２から熱を受取り気化する。気化された冷媒は各導管７から冷媒分配部６を介して凝縮室５に還流し、そこで再び凝縮される。このようにして循環型の閉じた循環サイクルが実現される。
【００２６】
導管７は、図２に示されているように、好ましくはグラスファイバ強化型のプラスチックからなるホルダ９内に埋設され又はモールドされる。ホルダ９は図１には詳細には示されていない。ここで導管７は冷媒分配部６と同様に好ましくは巻線２に直接接触させるのがよく、そのため巻線２に直接接するようにホルダ９に埋設される。そのためには、図３に示すように、導管７の自由面を平坦に形成するのがよい。すなわち、平坦面１０を形成することにより、巻線２に対する大きな接触面を実現することができる。
【００２７】
導管７は誘導され得る渦電流の極少化を達成するために冷媒分配部６と同様に好ましくは特殊鋼で作られる。自由下端部８の領域で電気的に明らかに閉じられていない（すなわち導管が閉回路を形成していない）導管システムの「開放型」構造に基づいて巻線２のパルス駆動による渦電流は全く又は極少量しか誘導されない。材料として特殊鋼を用いることは、銅と比較して、誘導され得る渦電流を本質的により早く減衰させるものとして好ましいことである。このことは高パルス周波数のもとで特に好ましいことである。これは結局のところ銅に対する特殊鋼の本質的に高い電気抵抗に帰する。
【００２８】
図１〜３に示されている円形断面の導管又は冷媒分配部の代わりに、幾何学的に弧状に形成することが可能であるならば、矩形断面の導管部材を用いることも可能である。
【００２９】
図４は装置１１に関する本発明の他の実施例を示すものである。この実施例においてもディスク巻線１２を含んでいる。ここでも冷却のために冷凍ユニットが設けられている。冷却ヘッド及び凝縮室は詳細には示されていない。ここでも冷却ヘッド又は凝縮室に結合される上部導管部１４を有する冷媒分配部１３が示されている。上部導管部１４は２つの導管部１５に分岐している。冷媒分配部１３の各導管部１５は図１の導管に対応する。各導管部１５にはその両側に図１ですでに知られているような複数の、図示の例ではそれぞれ３本の導管１６が接続されている。図４の断面図ではこれらの導管は個々に循環するようには示されていないが、その幾何学的形状及び導管の案内構造は図１に示されているものにほぼ対応する。唯一の違いは、巻線１２の両側面に、もちろんここでも環状に閉じられているのではなく、閉じられた自由端を備える構造の対応する導管が配置されていることである。すなわち装置１１のこの構成においては、ディスク巻線１２をその大きな面積の側面を介して両側から冷却することが可能である。
【００３０】
図４には１本又は２本の導管１７が導管部１５から出発してリング状ディスク巻線１２の内周面側に至るオプションとして自由に選択し得る実施例が示されている。ここでは両導管１７（図４には１本のみが破線で示されている）が巻線１２の内周面１８に沿って走り、そこで巻線１２を冷却する。すなわち巻線の側面を介しての冷却が行われるばかりでなく、狭い内周面を介しての冷却も実現される。もちろん、このような導管をそれに代えて、又はそれに付加して、巻線１２の外周面に沿って導くことも同様に考慮することができる。その場合、全ての導管を埋設するホルダ１９がそれに対応して全外周面に沿って走る。巻線１２は両側の両導管面の間にサンドイッチ状に配置され、導管１６（又はオプション導管１７）に熱的に直接接触する。ここでも導管は自由接触面が相応に平坦に形成される。
【００３１】
図５は本発明の装置２０を原理図の形で示したものである。ここでは磁石を形成する巻線２１はサドルコイルとして構成されている。ここでも、冷媒分配部２２を介して詳細には図示していない冷凍機又はその冷却ヘッド等に接続される導管システムが設けられる。冷媒分配部２２は冷媒凝縮部又はそれと同様の部分に接続される１本の第１導管部２３を備え、この第１導管部２３はサドルコイル２１のほぼ全長にわたって延びる第２導管部２４へと移行している。第２導管部２４には両側に櫛状に、上述の実施例の導管においても既に述べたように、その下端部２６が自由端として形成され、そこで閉じられている複数の導管２５が延びている。そのためここでも冷媒を循環させる熱サイホン効果が生ずる。導管２５はもちろんここでも分かりやすくするために図示されていない適当なホルダ内に埋設され、サドルコイル２１を冷却するためにその表面２７に直接接触する。ここでも円形断面の導管２５が用いられる限り、導管２５はその接触面が平坦面をなすように処理され、好ましくはフライス盤で仕上げ加工され、それにより大きな接触面を生ずるようにすることができる。
【００３２】
実施例においては複数の導管が相対的に広く互いに間隔をおいて配置されているが、自明のごとく各導管をほぼ直接接触配置になるところまで任意に高パッキング密度を実現することもできる。これは結局は、与えられた損失電力密度及びコイルの熱伝導性に関連して単位面積ごとに必要な導管の正確な数を考慮して決定される。つまりコイルの設計又は駆動態様に依存する。
【００３３】
特にディスク巻線においては、まずホルダを埋設される導管と一緒に作り、次にディスク巻線をホルダに直接巻き付けることも可能である。代替的には、巻線及びホルダを導管と共に別々に作り、それらを互いに接合することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】ディスクコイルを有する導管を含む本発明による装置の側面図である。
【図２】図１の装置の垂直方向に沿う横断面図である。
【図３】導管とコイル巻線との間の結合部の部分拡大図である。
【図４】介挿されたディスクコイルを有し２平面を走る導管を備えた装置の一実施例を示す横断面図である。
【図５】サドルコイルを用いた本発明による装置の原理図である。
【符号の説明】
【００３５】
１  装置
２  巻線
３  冷却ヘッド
４  冷却面
５  凝縮室
６  冷媒分配部
７  導管
８  導管下端部
９  ホルダ
１０  平坦面
１１  装置
１２  ディスク巻線
１３  冷媒分配部
１４  上部導管部
１５  導管部
１６  導管
１７  オプション導管
１８  巻線内周面
１９  ホルダ
２０  装置
２１  サドルコイル
２２  冷媒分配部
２３  第１導管部
２４  第２導管部
２５  導管
２６  導管下端部
２７  サドルコイル表面
【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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