(57)【要約】【課題】励磁速度を維持しながらも超電導コイルの通電による温度上昇を低減することが可能な超電導磁石装置及び磁気共鳴撮像装置を提供する。【解決手段】超電導磁石装置は、巻芯２１、巻芯２１の一端に設けられた第１鍔部２２、及び、巻芯２１の他端に設けられた第２鍔部２３を有する巻枠４０と、巻芯２１に捲回された超電導線２４と、超電導線２４の冷却を行う冷凍機４６と、第１鍔部２２又は第２鍔部２３と冷凍機４６との間を熱的に接続する伝熱部材２７（例；無酸素銅、純アルミニウム等）と、伝熱部材２７に熱的に接続されている鍔部２２，２３と冷凍機４６との間を絶縁する電気絶縁部材２８（例；窒化アルミニウム、炭化珪素等）とを備える。磁気共鳴撮像装置は、超電導磁石装置を備えている。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
巻芯、前記巻芯の一端に設けられた第１鍔部、及び、前記巻芯の他端に設けられた第２鍔部を有する巻枠と、
前記巻芯に捲回された超電導線と、
前記超電導線の冷却を行う冷凍機と、
前記第１鍔部又は前記第２鍔部と前記冷凍機との間を熱的に接続する伝熱部材と、
前記第１鍔部及び前記第２鍔部のうち前記伝熱部材に熱的に接続されている前記鍔部と前記冷凍機との間を絶縁する電気絶縁部材とを備えることを特徴とする超電導磁石装置。
【請求項２】
前記第１鍔部及び前記第２鍔部のうちの少なくとも一方が、径方向に沿って切り欠かれたスリットを有す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】
前記第１鍔部及び前記第２鍔部のうちの少なくとも一方が、複数の部分環状部材が環状に連結されてなり、周方向に分割可能に設けられてい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４】
前記第１鍔部及び前記第２鍔部のうちの少なくとも一方が、無酸素銅又は純アルミニウム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５】
前記伝熱部材が、無酸素銅又は純アルミニウム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６】
前記電気絶縁部材が、前記第１鍔部又は前記第２鍔部と前記伝熱部材との間に介在してい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７】
前記電気絶縁部材が、前記伝熱部材と前記冷凍機との間に介在してい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８】
前記電気絶縁部材が、絶縁性と高熱伝導性とを有するファインセラミックス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９】
前記電気絶縁部材の熱伝導率が、１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上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１０】
前記電気絶縁部材が、窒化アルミニウム又は炭化珪素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１１】
前記巻枠が、基準電位に接地されてい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１２】
前記巻枠が、前記超電導線に対して回路上で並列に接続されてい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１３】
前記巻枠が、保護抵抗に対して回路上で直列に接続されており、前記巻枠と前記保護抵抗の直列回路が前記超電導線に対して回路上で並列に接続されていることを特徴とする請求項１２に記載の超電導磁石装置。
【請求項１４】
請求項１から請求項１３のいずれか一項に記載の超電導磁石装置を備えたことを特徴とする磁気共鳴撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導磁石装置及び磁気共鳴撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）装置は、均一な静磁場の形成された空間に置かれた被検体に高周波パルスを照射し、核磁気共鳴現象を利用して被検体の物理的性質や化学的性質をあらわした画像を得る装置である。得られる断層画像は、医療目的等で用いられている。ＭＲＩ装置は、磁気共鳴撮像装置とも呼ばれている。
【０００３】
ＭＲＩ装置は、静磁場の方向が水平方向を向く水平磁場方式と、鉛直方向を向く垂直磁場方式とに大別される。水平磁場方式のＭＲＩ装置においては、水平方向を向いたトンネル内にＭＲＩ画像が撮像される撮像空間が位置しており、被検者は、このトンネル内に進入して検査を受ける。一方、垂直磁場方式のＭＲＩ装置においては、上下に対向して配置された磁極間に撮像空間が位置しており、被検者は、磁極間に挟まれた開放空間において検査を受ける。
【０００４】
ＭＲＩ装置において静磁場を発生する手段としては、超電導磁石が主流となっている。超電導磁石は、巻枠にコイル状に捲回された超電導線を超電導転移温度以下の低温に冷却し、所定電流値の電流を通電させることによって励磁される。そして、励磁後には、超電導コイルが電源から切り離され、永久電流モードの運転が続けられる。永久電流モードにおいては、閉回路化された超電導コイルを無抵抗で電流が流れ続け、必要とされる磁場を発生させる。その後、超電導コイルを消磁させる際には、再び開路のループが切り替えられる。
【０００５】
従来、超電導体を超電導転移温度以下に冷却する方法としては、超電導コイルを液体ヘリウム等に浸漬させて冷却する方法が主流であった。しかしながら、近年では、冷凍技術の進展や高温超電導体の実用化に伴い、冷凍機を使用した伝導冷却型の超電導磁石装置の開発も広く進められるようになっている。超電導コイルや永久電流スイッチは、真空容器内に収容され、真空断熱下に冷凍機によって伝導冷却されて超電導転移温度以下の極低温に保たれる。
【０００６】
超電導コイルは、一般に、ステンレス製の巻枠に捲回され、巻枠と熱的に接続された冷凍機によって伝導冷却されている。導電性を有するステンレス製の巻枠を介した導通を絶縁する技術としては、超電導コイルと巻枠との間にシリカ、セラミックス等の絶縁体を介在させる技術が知られている。例えば、特許文献１には、超電導コイルを構成可能な技術として、巻き枠本体の巻き線巻回部に、セラミック層を形成したコイル用巻き枠が開示されている。セラミック層を形成する材料としては、アルミナ、ジルコニア、マグネシア、窒化アルミ、窒化珪素、炭化珪素が挙げられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−２５７７２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に開示される技術によると、セラミックス層は、高温環境下に置かれたとしても剥離したり変質したりするようなことが無く、高温環境下においても、巻枠と巻線との間における絶縁性の確実な維持が可能であるとされている。但し、このようにセラミックス層を超電導コイルと巻枠との間に介在させる技術では、超電導コイルに通電させる励磁電流を高電流に設計しようとする場合に、セラミックス層の厚さについても厚くする必要が生じる。
【０００９】
ところが、超電導コイルと巻枠との間に介在するセラミックス層の厚さが増すほど、巻枠に接続される冷凍機と冷却されるべき超電導コイルとの間の伝熱抵抗が増してしまう。そのため、冷凍機によって超電導コイルを伝導冷却するに際して、所要の極低温度に冷却するまでの冷却時間が長期化してしまう難がある。
【００１０】
また、超電導コイルの励磁の工程に関しては、運転開始時間の短縮化を図る要求などから、励磁速度の高速化が求められている。しかしながら、超電導コイルは、励磁電流の増加速度を速くするほど、大きな交流損失を発生して顕著な温度上昇を生じてしまう。このとき、超電導コイルと巻枠との間の伝熱抵抗が高いと、冷凍機による吸熱を効果的に行うことができないため、超電導コイルを極低温度の超電導状態に保つことが困難となる。そして、このように冷却効率が悪化する結果、励磁速度の低速化を余儀なくされてしまう。
【００１１】
そこで、本発明は、励磁速度を維持しながらも超電導コイルの通電による温度上昇を低減することが可能な超電導磁石装置及び磁気共鳴撮像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】
【００１２】
前記課題を解決するために本発明に係る超電導磁石装置は、巻芯、前記巻芯の一端に設けられた第１鍔部、及び、前記巻芯の他端に設けられた第２鍔部を有する巻枠と、前記巻芯に捲回された超電導線と、前記超電導線の冷却を行う冷凍機と、前記第１鍔部又は前記第２鍔部と前記冷凍機との間を熱的に接続する伝熱部材と、前記第１鍔部及び前記第２鍔部のうち前記伝熱部材に熱的に接続されている前記鍔部と前記冷凍機との間を絶縁する電気絶縁部材とを備えることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係る磁気共鳴撮像装置は、前記の超電導磁石装置を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、励磁速度を維持しながらも超電導コイルの通電による温度上昇を低減することが可能な超電導磁石装置及び磁気共鳴撮像装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】磁気共鳴撮像装置の一例を示す図である。
【図２】磁気共鳴撮像装置の他の例を示す図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る超電導磁石装置が備える超電導コイルを示す図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る超電導磁石装置における熱的な接続の状態を示す図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係る超電導磁石装置の熱的配置と回路構成の一例を示す図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る超電導磁石装置が備える超電導コイルを示す図である。図６（ａ）は、中心軸１０の方向から視た超電導コイルを示す図、図６（ｂ）は、（ａ）におけるｂ１−ｂ２線の矢視断面図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係る超電導磁石装置における熱的な接続の状態を示す図である。
【図８】本発明の第２実施形態に係る超電導磁石装置の熱的配置と回路構成の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
はじめに、本発明を適用することが可能な超電導磁石装置が備えられる磁気共鳴撮像装置の主要な構成について説明する。なお、以下の各図において共通する構成については同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００１７】
図１は、磁気共鳴撮像装置の一例を示す図である。図１（ａ）は、磁気共鳴撮像装置の斜視図、図１（ｂ）は、超電導磁石装置を示す断面図である。
図１（ａ）に示すように、磁気共鳴撮像装置１は、撮像領域９に均一な磁場を生成する超電導磁石装置２と、被検部が撮像される被検者を撮像領域９に支持する寝台８と、超電導磁石装置２や寝台８等の稼働を制御する制御部７とを備えている。図１に示す超電導磁石装置２は、所謂、垂直磁場方式、開放型の装置である。
【００１８】
磁気共鳴撮像装置１は、均一な磁場がかけられた撮像領域９におかれている被検部に、所定周波数の電磁波を照射し、被検部を構成する原子の核磁気共鳴現象を利用して被検部が断層画像化されたＭＲＩ画像を撮像する装置となっている。
【００１９】
超電導磁石装置２は、上下に対向して配置された円盤状の磁極４Ｕと、円盤状の磁極４Ｌとを有している。上下一対の磁極４Ｕ，４Ｌは、それぞれ鉄製であり、例えば、一般構造用圧延鋼材等に代表される透磁率が高い鋼材によって形成されている。各磁極４Ｕ，４Ｌの中心側には、磁場の調整を行う不図示の部材や傾斜磁場を形成するコイル等が配置されている。
【００２０】
磁極４Ｕの下方には、トーラス状のコイル格納容器５Ｕが近接して配置されている。また、磁極４Ｌの上方には、トーラス状のコイル格納容器５Ｌが近接して配置されている。コイル格納容器５Ｕ，５Ｌは、図１（ｂ）に示すように、磁極４Ｕ，４Ｌの周囲を囲んでいる。上下一対の磁極４Ｕ，４Ｌ及びコイル格納容器５Ｕ，５Ｌは、ヨーク３の上下から水平方向に張り出している張出部によって支持されている。
【００２１】
各コイル格納容器５Ｕ，５Ｌの内部には、図１（ｂ）に示すように、超電導線２４が略円環状の巻枠（ボビン）４０に捲回されてなる超電導コイルがそれぞれ格納されている。通常、コイル格納容器５Ｕ，５Ｌは、内部が真空引きされて真空容器として機能するようになっている。上下一対のコイル格納容器５Ｕ，５Ｌの間は、ＭＲＩ画像が撮像される撮像領域９となる。図１中の符号１０は、撮像領域９の中心を通る中心軸である。超電導コイルによって中心軸１０に沿って均一な静磁場が生成され、不図示の照射コイル等から高周波パルスが照射される。
【００２２】
制御部７は、表示部７１と、操作部７２とを備えている。制御部７は、信号線を介して超電導磁石装置２や寝台８と接続されている。表示部７１は、操作情報や、撮像されたＭＲＩ画像等を表示する装置である。操作部７２は、磁気共鳴撮像装置１の起動、運転、停止等を操作するために備えられており、キー、ロータリスイッチなどによってオペレータによる操作を受け付ける。
【００２３】
寝台８は、駆動部８１と、天板８２とを備えている。駆動部８１は、天板８２の水平方向の移動を駆動する装置である。天板８２は、磁気共鳴撮像装置１により被検部を撮像される被検者が横たわる場所である。撮像領域９においてＭＲＩ画像を撮像された被検者は、駆動部８１が天板８２を所定距離移動させた後、次の断層のＭＲＩ画像を撮像される。このような動作を繰り返すことによって、連続した断面を三次元的に表すＭＲＩ画像が得られる。
【００２４】
制御部７は、操作部７２が超電導磁石装置２の起動の操作を受けると、超電導磁石装置２を駆動し、撮像領域９に均一な磁場を生成させる。また、制御部７は、操作部７２が寝台８の駆動の操作を受けると、寝台８を移動させて、寝台８に横たわる被検者を撮像領域９に進入させ、所定の被検部が撮像領域９に位置するように水平移動させることができる。そして、撮像を終えると、寝台８を移動させて、寝台８に横たわる被検者を撮像領域９から退出させる。
【００２５】
図２は、磁気共鳴撮像装置の他の例を示す図である。図２（ａ）は、磁気共鳴撮像装置の斜視図、図２（ｂ）は、超電導磁石装置を示す断面図である。
図２（ａ）に示すように、磁気共鳴撮像装置１Ａは、前記の磁気共鳴撮像装置１と同様の機能を有する超電導磁石装置２Ａと、寝台８Ａと、制御部７Ａとを備えている。図２に示す超電導磁石装置２Ａは、所謂、水平磁場方式、トンネル型の装置である。
【００２６】
磁気共鳴撮像装置１Ａは、前記の磁気共鳴撮像装置１と同様に、均一な磁場がかけられた撮像領域９におかれている被検部に、所定周波数の電磁波を照射し、被検部を構成する原子の核磁気共鳴現象を利用して被検部が断層画像化されたＭＲＩ画像を撮像する装置となっている。
【００２７】
超電導磁石装置２Ａは、図２（ｂ）に示すように、トンネルを有する円筒形状の筺体５を備えている。筺体５の内部には、超電導線２４が略円環状のボビン４０に捲回されてなる超電導コイルがそれぞれ格納されている。通常、筺体５は、内部が真空引きされて真空容器として機能するようになっている。超電導コイルの中心軸１０は、トンネルの中心と略一致しており、超電導コイルの中央のトンネル内に照射領域９が位置している。
【００２８】
図１及び図２に示される形態の超電導磁石装置２，２Ａが備える超電導コイルは、超電導転移温度以下に冷却されて超電導状態とされる。本実施形態に係る超電導磁石装置は、超電導コイルを冷却する方法として、冷凍機による伝導冷却を採用した装置構成をとるものである。冷凍機と超電導線とは、熱伝導性が良好な部材によって熱的に接続される。一方で、励磁電流の通電によって生じる発熱による温度上昇を抑制する観点から、電気絶縁を図りながらも熱伝導性が良好な部材を配置している。以下、図１に示される形態の超電導磁石装置２を例にとって、超電導磁石装置の実施形態の具体的構成について説明する。
【００２９】
［第１実施形態］
はじめに、本発明の第１実施形態に係る超電導磁石装置について説明する。
【００３０】
図３は、本発明の第１実施形態に係る超電導磁石装置が備える超電導コイルを示す図である。また、図４は、本発明の第１実施形態に係る超電導磁石装置における熱的な接続の状態を示す図である。また、図５は、本発明の第１実施形態に係る超電導磁石装置の熱的配置と回路構成の一例を示す図である。
なお、図３では、中心軸１０の方向から視た超電導コイルを示している。また、図４では、図３におけるａ１−ａ２線の矢視断面と冷凍機の接続箇所とについて中間部を省略して併せて示している。
【００３１】
図３に示すように、第１実施形態に係る超電導磁石装置は、巻枠４０と、伝熱部材２７と、電気絶縁部材２８とを備えている。巻枠４０は、略円環状の第１鍔部２２を有している。第１鍔部２２の上面には、複数の荷重支持体２５が、締結部材２９によって締結固定されている。各荷重支持体２５は、他端が真空容器４８等に固定されており、巻枠４０は中心軸１０の位置を保って静止状態に支持されるようになっている。第１鍔部２２には、締結部材３０によって巻芯２１（図４参照）が締結固定されている。なお、図３において、第１鍔部２２と第２鍔部２３とは、略環状の単一部材によって形成されている。
【００３２】
第１鍔部２２は、径方向に沿って切り欠かれたスリット２６を有している。スリット２６は、円環状の第１鍔部２２について、周方向（符号１１）の形状の連続を断続させている。スリット２６が設けられることによって、励磁電流を変化させた場合に、磁場の変動により生じる渦電流が小さくなる効果が得られるようになっている。そのため、渦電流によるジュール熱の発生を抑制することができ、超電導コイルの温度上昇を低減することができる。
【００３３】
図４に示すように、第１実施形態に係る超電導磁石装置は、超電導線２４と、冷凍機４６とをさらに備えている。巻枠４０は、詳細には、超電導線２４を捲回可能な円筒状の巻芯２１と、巻芯２１の一端に設けられた第１鍔部２２と、巻芯２１の他端に設けられた第２鍔部２３とを有している。巻芯２１の材料としては、通常、ステンレス等の非磁性体が用いられる。
【００３４】
超電導線材２４は、巻芯２１の周囲にコイル状に捲回されて超電導コイルを形成している。超電導線２４の材質は、ニオブチタン（ＮｂＴｉ）、ニオブ三スズ（Ｎｂ３Ｓｎ）等の超電導体であってもよいし、二ホウ化マグネシウム（ＭｇＢ２）、ビスマス系銅酸化物超電導体（ＢＳＣＣＯ）、希土類系銅酸化物超電導体（ＲＥＢＣＯ）等の高温超電導体であってもよい。
【００３５】
超電導線２４は、第１鍔部２２と第２鍔部２３との間に挟まれた状態で捲回されている。超電導線２４は、巻芯２１に捲回された状態で絶縁性を有する樹脂に含浸されて成形されたものである。そのため、超電導線２４同士の隙間や、超電導線２４と巻芯２１や第１鍔部２２や第２鍔部２３との間には絶縁性を有する樹脂が密に充填されており、電気的な絶縁が図られると共に、熱伝達性が高められるようになっている。なお、超電導線２４と巻芯２１との間、超電導線２４と第１鍔部２２との間、超電導線２４と第２鍔部２３との間は、シリカ、セラミックス等が介在していない状態である。また、先に述べた樹脂の絶縁性は、対地絶縁を確保するほどの性能は有さずともよく、例えば超電導線２４に塗布されたコーティング材であってもよい。
【００３６】
第１鍔部２２は、図４に示すように、超電導線２４の冷却を行う冷凍機４６と熱的に接続されている。詳細には、第１鍔部２２と冷凍機４６との間が、伝熱部材２７と、電気絶縁部材２８とによって連結されている。なお、本明細書において、熱的に接続されているとは、主として固相における熱伝導や、互いに接触している固相間の熱伝達を介して伝熱可能とされている状態を意味する。本実施形態においては、電気絶縁部材２８が、第１鍔部２２と伝熱部材２７との間に介在している配置が特に採用されている。電気絶縁部材２８の形状は、第１鍔部２２に対する伝熱部材２７の対向面を覆う程度の広さであって、対地絶縁を確保するにあたって必要な沿面距離と厚みを有していればよい。
【００３７】
伝熱部材２７の一端は、締結部材３１によって第１鍔部２２に締結固定されている。伝熱部材２７の一端と第１鍔部２２との間には、電気絶縁部材２８が挟まれている。締結部材３１は、電気絶縁部材２８を貫通して第１鍔部２２に螺合しており、伝熱部材２７の一端と共に、電気絶縁部材２８を第１鍔部２２に固定している。一方、伝熱部材２７の他端は、締結部材３３によって冷凍機４６に締結固定されている。
【００３８】
伝熱部材２７は、一端が冷凍機４６が備える冷却ステージに密接している一方、他端（中心軸１０の側）が電気絶縁部材２８と面接触している。そして、電気絶縁部材２８は、第１鍔部２２と面接触している。すなわち、第１鍔部２２と冷凍機４６とは、伝熱部材２７と電気絶縁部材２８とを介して熱的に接続されている。そのため、冷凍機４６によって、第１鍔部２２が伝導冷却され、巻芯２１及び第２鍔部２３と共に超電導線２４も伝導冷却されるようになっている。
【００３９】
伝熱部材２７は、熱伝導性が良好な材質で形成されている。伝熱部材２７の材質としては、具体的には、純度が９９．９５％以上である無酸素銅又は純度が９９．００％以上である純アルミニウムが好ましい。また、純アルミニウムの純度は、９９．９０％以上であることがより好ましく、９９．９９％以上であることがさらに好ましい。これらの材料は、高い熱伝導率を有しているため、超電導コイルを冷凍機４６によって効果的に伝導冷却することができる。
【００４０】
電気絶縁部材２８は、絶縁性と高熱伝導性とを有する材質で形成されている。電気絶縁部材２８の材質としては、具体的には、窒化アルミニウム、炭化珪素、窒化珪素、窒化硼素、アルミナなどのファインセラミックスが好ましく、窒化アルミニウム又は炭化珪素がより好ましく、窒化アルミニウムが特に好ましい。これらの材料は、低い導電率と良好な熱伝導率とを兼ね備えているため、超電導コイルと冷凍機４６との間について電気的な絶縁を確保しつつ、超電導コイルを冷凍機４６によって効果的に伝導冷却することができる。
【００４１】
電気絶縁部材２８は、適宜の形状に設けることができるが、概略形状を平板状とすることが好ましい。平板のように巻枠４０の第１鍔部２２や伝熱部材２７の平面部に面接触させることが可能な形状とすると、熱伝達を良好にすることができる。なお、電気絶縁部材２８を第１鍔部２２の平面部に面接触させる構造とすることによって、巻芯２１のような曲面部に密接する曲面構造とする場合と比較して、電気絶縁部材２８の加工は容易となる。また、平面部に面接触させる構造によると、電気絶縁部材２８と巻枠４０や伝熱部材２７との熱収縮差に起因して電気絶縁部材２８が剥離したり割れを生じたりする事態を防止することができる。
【００４２】
締結部材３１は、図４においては、導電性を有する一般的な金属材料で形成されている。締結部材３１と伝熱部材２７との間には、絶縁性を有する絶縁ワッシャ３２が介装されており、絶縁ワッシャ３２によって、第１鍔部２２と伝熱部材２７との間が電気的に絶縁されている。但し、絶縁ワッシャ３２を介装するのに代えて、締結部材３１自体を絶縁性を有する材料で形成してもよい。
【００４３】
第１鍔部２２は、図４に示すように、超電導線２４と冷凍機４６との間を熱的に接続している。そのため、第１鍔部２２は、熱伝導性が良好な材質で形成される。第１鍔部２２の材質としては、具体的には、純度が９９．９５％以上である無酸素銅又は純度が９９．００％以上である純アルミニウムが好ましい。また、純アルミニウムの純度は、９９．９０％以上であることがより好ましく、９９．９９％以上であることがさらに好ましい。これらの材料は、高い熱伝導率を有しているため、超電導コイルを冷凍機４６によって効果的に伝導冷却することができる。これに対して、超電導線２４と冷凍機４６との間に介在していない第２鍔部２３については、ステンレス等の通常の非磁性体によって形成することが可能である。
【００４４】
図５に示すように、第１実施形態に係る超電導磁石装置は、ダイオード４２と、保護抵抗４３と、放射シールド４７と、真空容器４８とをさらに備えている。超電導線２４は、超電導コイルの励磁を行う際に、励磁電流を給電する電流源４１と電気的に接続される。そして、電流源４１から所定の電流値の励磁電流が通電されることによって超電導コイルが励磁される。
【００４５】
超電導線２４、巻枠４０、ダイオード４２、保護抵抗４３及び永久電流スイッチ４４は、外部からの放射熱を遮蔽する放射シールド４７によって、一括して覆われている。放射シールド４７は、冷凍機４６と熱的に接続されており、冷凍機４６によって伝導冷却されるようになっている。また、超電導線２４、巻枠４０、ダイオード４２、保護抵抗４３及び永久電流スイッチ４４は、気密性を有する真空容器４８によって、冷凍機４６や放射シールド４７と共に真空断熱下に格納されている。冷凍機４６、放射シールド４７及び真空容器４８は、基準電位に接地されている。
【００４６】
超電導線２４と永久電流スイッチ４４とは、電流源４１に対して回路上で並列に接続されている。また、保護抵抗４３は、ダイオード４２と回路上で直列に接続されており、保護抵抗４３とダイオード４２の直列回路は、電流源４１に対して回路上で並列に接続されている。保護抵抗４３は、超電導線２４や永久電流スイッチ４４をクエンチ時の発熱による熱損等から保護する抵抗体である。また、ダイオード４２は、励磁電流の通電時に、保護抵抗４３に電流が流れるのを防止している。超電導線２４及び永久電流スイッチ４４は、基準電位に接地されており、ダイオード４２の出力側は、基準電位に接地されている。
【００４７】
巻枠４０は、本実施形態においては、基準電位に接地されると共に、電流源４１に対しては開回路の状態に維持されている。巻枠４０の第１鍔部２２は、良好な熱伝導性を確保する観点から高熱伝導体によって形成されている。そこで、巻枠４０を電流源４１から電気的に絶縁すると共に、電気絶縁部材２８によって伝熱部材２７からも絶縁し、巻枠４０に励磁電流が導通してジュール熱が発生するのを防止している。
【００４８】
以上の本実施形態に係る超電導磁石装置によると、超電導コイル（超電導線２４）と巻枠４０との間の伝熱抵抗が抑えられていながら、超電導コイルと冷凍機４６とが、良好な熱伝導性を有する高熱伝導体を介して熱的に接続されているため、励磁速度をより高速に維持した場合においても、交流損失等に起因する温度上昇を良好に低減することが可能である。
【００４９】
このような効果を実現する要因を詳細に説明すると次のようになる。
本実施形態の超電導磁石装置は、超電導コイルと巻枠４０との間に対地絶縁の確保を目的とする電気絶縁部材を有さない。対地絶縁は、第１鍔部２２と伝熱部材２７との間に設置される電気絶縁部材２８によって確保され、第１鍔部２２と超電導コイルとの間は例えばモールド樹脂が存在するのみである。ここで、超電導コイルが極低温に冷却されるためには、当然ながら冷凍機４６から超電導コイルまでの伝熱経路上に存在する第１鍔部２２、伝熱部材２７および電気絶縁部材２８も極低温に冷却されなければならない。
【００５０】
本実施形態の超電導磁石装置では、電気絶縁部材２８の形状が、従来のように巻枠鍔部の相似形状であった場合と比較して小さく、したがって冷却されるべき体積量が小さいため、電気絶縁部材２８の冷却に要する時間が短くなる。伝熱部材２７および第１鍔部２２は十分に高い熱伝導率を有するため、結果として、先に述べた伝熱経路における冷却速度は従来よりも高くすることができる。
【００５１】
更に本実施形態の超電導磁石装置は、例えば無酸素銅や純アルミニウムで構成された第１鍔部２２を有し、これが超電導コイルと接触するように設置されている。この第１鍔部２２は電気絶縁部材２８と比較して熱伝導率が高いため、超電導コイルに生じる熱を速やかに吸収し、第１鍔部２２の全体に拡散する。拡散した熱量は電気絶縁部材２８および伝熱部材２７を介して吸収され、この際の吸収される速度、すなわち冷却速度は先に述べたように電気絶縁部材２８の体積量の低減によって向上されているため、超電導コイルの冷却を速やかに実現することが可能である。
【００５２】
また、第１鍔部２２は、超電導コイルが極低温に冷却された後であれば、超電導コイル内に熱が発生したときに速やかにその熱を吸収し、かつその熱容量によって温度上昇を抑制する。結果として超電導磁石装置の動作をより安定的なものとすることができる。
【００５３】
また、本実施形態の超電導磁石装置では、第１鍔部２２の平板状の表面に電気絶縁部材２８が配置されるため、例えば両者の間に押圧を印加することも容易にできる。すなわち従来のように巻枠４０、特に巻芯２１の外筒面を覆うような曲面を有する絶縁体を配置する場合と比較して、電気絶縁部材２８と巻枠４０との間における接触熱抵抗を低減し、冷凍機４６から超電導コイルまでの伝熱経路の熱抵抗を小さくすることができる。
【００５４】
以上で説明したように本実施形態の超電導磁石装置において、超電導線２４に発生した熱は、速やかに巻枠４０に伝熱するため、冷凍機４６による伝導冷却が、速い冷却速度で効率的に行われる。よって、励磁速度を維持しながらも超電導コイルの通電による温度上昇を低減することが可能な超電導磁石装置や、それを備える磁気共鳴撮像装置を提供することができる。
【００５５】
また、本実施形態においては、電気絶縁部材２８が、第１鍔部２２と伝熱部材２７との間に介在している配置が特に採用されているため、巻枠４０が、冷凍機４６のみならず、伝熱部材２７からも絶縁される。そのため、他部材と接続される可能性がある伝熱部材２７を介した巻枠４０の導通を防止し、巻枠４０の絶縁性の確保が容易となる。
【００５６】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る超電導磁石装置について説明する。
【００５７】
図６は、本発明の第２実施形態に係る超電導磁石装置が備える超電導コイルを示す図である。図６（ａ）は、中心軸１０の方向から視た超電導コイルを示す図、図６（ｂ）は、（ａ）におけるｂ１−ｂ２線の矢視断面図である。また、図７は、本発明の第２実施形態に係る超電導磁石装置における熱的な接続の状態を示す図である。また、図８は、本発明の第２実施形態に係る超電導磁石装置の熱的配置と回路構成の一例を示す図である。
なお、図７では、図６におけるａ１−ａ２線の矢視断面と冷凍機の接続箇所とについて中間部を省略して併せて示している。
【００５８】
図６に示すように、第２実施形態に係る超電導磁石装置は、巻枠４０と、伝熱部材２７と、電気絶縁部材２８とを備えている。巻枠４０は、略円環状の鍔部２２（第１鍔部２２）を有している。第１鍔部２２は、図６（ａ）において、複数の部分環状部材２２ｄが環状に連結されることによって形成されている。
【００５９】
部分環状部材２２ｄは、環状の第１鍔部２２の周方向の一部をそれぞれ構成している。円環を形成した状態に配置されている部分環状部材２２ｄ同士の接面の上方には、図６（ｂ）に示すように、連結部材３４が重ねられている。連結部材３４は、締結部材３５によって各部分環状部材２２ｄに締結固定されており、連結部材３４を介して部分環状部材２２ｄ同士が互いに連結されている。
【００６０】
連結部材３４は、熱伝導性が良好な材質で形成される。連結部材３４の材質としては、具体的には、純度が９９．９５％以上である無酸素銅又は純度が９９．００％以上である純アルミニウムが好ましい。また、純アルミニウムの純度は、９９．９０％以上であることがより好ましく、９９．９９％以上であることがさらに好ましい。これらの材料は、高い熱伝導率を有しているため、超電導コイルを冷凍機４６によって効果的に伝導冷却することができる。
【００６１】
部分環状部材２２ｄが連結されてなる第１鍔部２２は、連結部材３４を取り外すことによって周方向に分割可能である。そのため、ワインド・アンド・リアクト方式による超電導コイルの製造に好適である。ワインド・アンド・リアクト方式では、Ｎｂ３ＳｎやＭｇＢ２等の素線を、巻枠に捲回した状態で熱処理して、超電導体に変態させる。
【００６２】
ワインド・アンド・リアクト方式においては、第１鍔部２２の材料として、熱処理で融点を超えるような材料は使用することができない。つまり、ステンレス等の高融点の材料の巻枠に線材を捲回して熱処理し、熱処理後に伝導冷却に適した高熱伝導体等に置き換える必要がある。そのため、熱処理の前後の巻枠の第１鍔部のそれぞれを分割可能に設けておけば、高熱伝導体からなる第１鍔部２２への換装が容易化され、超電導線２４の巻き崩れ等についても防止することが可能となる。
【００６３】
図７に示すように、第２実施形態に係る超電導磁石装置は、超電導線２４と、冷凍機４６とをさらに備えている。第１鍔部２２は、超電導線２４の冷却を行う冷凍機４６と熱的に接続されている。詳細には、第１鍔部２２と冷凍機４６との間が、伝熱部材２７と、電気絶縁部材２８とによって連結されている。本実施形態においては、電気絶縁部材２８が、伝熱部材２７と冷凍機４６との間に介在している配置が特に採用されている。
【００６４】
伝熱部材２７の一端は、締結部材３１によって第１鍔部２２に締結固定されている。一方、伝熱部材２７の他端は、締結部材３３によって冷凍機４６の冷却ステージに締結固定されている。伝熱部材２７の他端と冷凍機４６との間には、電気絶縁部材２８が挟まれている。締結部材３３は、電気絶縁部材２８を貫通して冷凍機４６に螺合しており、伝熱部材２７の他端と共に、電気絶縁部材２８を冷凍機４６に固定している。
【００６５】
伝熱部材２７は、一端が伝熱部材２２に密接している一方、他端が電気絶縁部材２８と面接触している。そして、電気絶縁部材２８は、冷凍機４６の冷却ステージと面接触している。すなわち、第１鍔部２２と冷凍機４６とは、伝熱部材２７と電気絶縁部材２８とを介して熱的に接続されている。そのため、冷凍機４６によって、第１鍔部２２が伝導冷却され、巻芯２１及び第２鍔部２３と共に、超電導線２４も伝導冷却されるようになっている。
【００６６】
締結部材３３は、図７においては、絶縁性を有する材料によって形成されている。そのため、伝熱部材２７と冷凍機４６との間が電気的に絶縁されている。締結部材３３の材質としては、ガラス繊維強化プラスチック（ガラスＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics））、炭素繊維強化プラスチック（カーボンＦＲＰ）等の繊維強化プラスチックが好ましい。但し、絶縁性を有する材料で形成するに代えて、締結部材３３を導電性を有する一般的な金属材料等で形成し、締結部材３３と伝熱部材２７との間に絶縁性を有する絶縁ワッシャ等を介装してもよい。
【００６７】
図８に示すように、第２実施形態に係る超電導磁石装置は、ダイオード４２と、第１保護抵抗４３ａと、第２保護抵抗４３ｂと、放射シールド４７と、真空容器４８とをさらに備えている。超電導線２４は、超電導コイルの励磁を行う際に、励磁電流を給電する電流源４１と電気的に接続される。超電導線２４、巻枠４０、ダイオード４２、第１保護抵抗４３ａ、第２保護抵抗４３ｂ及び永久電流スイッチ４４は、外部からの放射熱を遮蔽する放射シールド４７によって、一括して覆われている。放射シールド４７は、冷凍機４６と熱的に接続されており、冷凍機４６によって伝導冷却されるようになっている。
【００６８】
巻枠４０は、本実施形態において、保護抵抗４３及びダイオード４２と回路上で直列に接続されており、巻枠４０とダイオード４２と保護抵抗４３の直列回路は、電流源４１や超電導線２４に対して回路上で並列に接続されている。第１保護抵抗４３ａは、巻枠４０と電流源４１との間に、第２保護抵抗４３ｂは、巻枠４０とダイオード４２との間にそれぞれ接続されている。そして、ダイオード４２の出力側は、基準電位に接地されている。
【００６９】
第１保護抵抗４３ａ及び第２保護抵抗４３ｂは、クエンチ時等に発生する過大電流が、超電導線２４や永久電流スイッチ４４から巻枠４０に導通するのを許容し、電流を熱エネルギに変換して超電導線２４等を熱損等から保護している。
【００７０】
例えば、巻枠４０の第１鍔部２２を伝熱部材２７等を介して保護抵抗４３ａ，４３ｂと電気的に接続しておくことによって、クエンチによる大電流を第１鍔部２２と伝熱部材２７とを介して外部回路に逃がしたり、熱的に接続させた冷凍機４６によって発熱を伝導冷却することが可能である。本実施形態においては、超電導線２４や永久電流スイッチ４４に対してと共に、巻枠４０に対しても並列な保護抵抗４３（図５参照）を設ける必要が必ずしも無いため、回路構成がコンパクトされる点においても有利である。
【００７１】
以上の本実施形態に係る超電導磁石装置によると、超電導コイル（超電導線２４）と巻枠４０との間の伝熱抵抗が抑えられていながら、超電導コイルと冷凍機４６とが、良好な熱伝導性を有する高熱伝導体を介して熱的に接続されているため、励磁速度をより高速に維持した場合においても、交流損失等に起因する温度上昇を良好に低減することが可能である。超電導線２４に発生した熱は、前記の実施形態と同様に速やかに巻枠４０に伝熱するため、冷凍機４６による伝導冷却が、速い冷却速度で効率的に行われる。よって、励磁速度を維持しながらも超電導コイルの通電による温度上昇を低減することが可能な超電導磁石装置や、それを備える磁気共鳴撮像装置を提供することができる。
【００７２】
また、本実施形態においては、電気絶縁部材２８が、伝熱部材２７と冷凍機４６との間に介在している配置が採用されているため、超電導コイルと冷凍機４６との絶縁が確保されているにも拘らず、超電導コイル（超電導線２４）や巻枠４０と伝熱部材２７との間については導通可能になっている。そのため、伝熱部材２７を保護抵抗４３等と電気的に接続する構成を取り得る点で有利となる。
【００７３】
なお、以上の超電導磁石装置及び磁気共鳴撮像装置の構成は、本発明の作用効果を妨げない限り種々の構成に置換、変更等することが可能である。
【００７４】
例えば、前記の超電導磁石装置においては、冷凍機４６が第１鍔部２２に対して固定されているが、第２鍔部２３に対して固定されていてもよいし、第１鍔部２２及び第２鍔部２３の両方に対して固定されていてもよい。両方に固定した場合、伝導冷却の冷却速度をより高速化させることができる。電気絶縁部材２８を介在させる位置は、伝熱部材２７を複数部材で構成し、それらが連結される中間部等としてもよい。伝熱部材２７は、剛性を有する平板状等に設けてもよいし、全部又は一部を高熱伝導体の細線からなる網状に設け、柔軟性を持たせてもよい。
【００７５】
また、前記の超電導磁石装置においては、巻枠４０が巻芯２１と第１鍔部２２と第２鍔部２３とが接合されることによって形成されているが、材質を一致させる範囲で一体的に成形してもよい。分割式の鍔部については、電気絶縁部材２８を介在させる位置に関わらず採用することができる。例えば、冷凍機に固定される鍔部に採用してもよいし、冷凍機に固定されない側の鍔部に採用してもよい。巻枠４０及び伝熱部材２７の形状や、部分環状部材２２ｄ及び連結部材３４の形状や個数については、適宜のものとすることが可能である。
【００７６】
また、磁気共鳴撮像装置の構成は、前記の垂直磁場方式の磁気共鳴撮像装置１の構成に限定されない。例えば、水平磁場方式の磁気共鳴撮像装置１Ａに本発明を適用することも可能である。また、磁気共鳴撮像装置における、超電導コイルの配置、個数は、適宜のものとすることができるし、超電導主コイルの他、超電導シールドコイル等に適用してもよい。また、荷重支持体２５の形態は、超電導コイルの支持方法、水平又は垂直の磁場方式等に応じて適宜の形態とすることができる。また、前記の回路の構成については、電気絶縁部材２８を介在させる位置に関わらず採用することができる。回路構成は、例えば、保護回路４３を放射シールド４７又は真空容器４８の外側に配置する等の種々の変更が可能である。
【符号の説明】
【００７７】
１，１Ａ  磁気共鳴撮像装置
２，２Ａ  超電導磁石装置
８  寝台
７  制御部
２１  巻芯
２２  第１鍔部
２３  第２鍔部２３
２４  超電導線
２７  伝熱部材
２８  電気絶縁部材
４０  巻枠
４６  冷凍機
【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】
2017056119.tif 000008
【図７】
2017056119.tif 000009
【図８】
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