(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導コイル及び前記超電導コイルを冷却する液体ヘリウムが収容されたコイル容器と、前記コイル容器が収容され、かつ前記コイル容器の周囲を真空状態に保持する真空容器と、前記コイル容器と前記真空容器の間に設けられ、かつ前記真空容器側からの輻射熱を遮蔽するシールドと、前記コイル容器内で蒸発したヘリウムガスを冷却して液化させる冷凍機とを備えた超電導コイル冷却装置であって、
前記真空容器の上方に設置され、かつ前記超電導コイルを冷却するコールドヘッドの先端を、液体ヘリウムが収容された前記コイル容器内に突出させた前記冷凍機と、
前記コイル容器内に収容され、かつ前記超電導コイルが巻き付けられた高熱伝導材料よりなる巻き枠と、
高熱伝導材料により伸縮自在に形成され、かつ前記冷凍機に与圧を付与することにより上面が前記巻き枠の上方に設置された高熱伝導材料よりなる冷却ベンチに面接触され、下面が前記巻き枠と熱的に連結されることにより、前記コールドヘッドの冷却熱を前記巻き枠に伝達する高熱伝導部材と、を具備し、
前記冷凍機のコールドヘッドの先端は、前記コイル容器内に突出されて前記冷却ベンチに熱的に接続されていることを特徴とする超電導コイル冷却装置。
【請求項２】
前記高熱伝導部材と前記巻き枠の間に伝熱部材を介在させると共に、前記伝熱部材と前記コイル容器間に、前記高熱伝導部材を囲むようにシールを設けて、前記コイル容器内を密閉してなる請求項１に記載の超電導コイル冷却装置。
【請求項３】
停電時前記冷凍機または前記冷凍機及び前記超電導コイルに電力を供給するバックアップ電源及び発電機を設けてなる請求項１または２に記載の超電導コイル冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はコイル容器内の冷媒が減少しても、超電導コイルの運転が引き続き可能な超電導コイル冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の超電導コイル冷却装置においては、超電導コイルを冷却する冷凍機が停電などによって停止すると、超電導コイルの温度が上がってクエンチを起こし、超電導コイルが破損するなどの不具合が発生する。
【０００３】
係る不具合を防止するため、例えば特開２０００−１２５５４２号公報で、冷凍機が停電などにより停止しても、超電導コイルが破損することなく運転を続けることが可能な超電導コイル装置が提案されている。
前記公報の超電導コイル装置は、中間シールド内にコイルと冷却板が収容されていて、冷凍機により冷却板を介してコイルを冷却するように構成されている。
【０００４】
また中間シールド内には、冷却板と流体密に接合された熱吸収部が設けられており、この熱吸収部は箱状のケーシングと、このケーシング内に設けられた再凝縮器とより構成されていて、ケーシング内には液体ヘリウムや、液体水素などの液化ガスが冷媒として収容されている。
【０００５】
そして通常運転時には、冷凍機により冷却板を介してコイルが冷却されているが、停電などにより冷凍機が停止されると、ケーシング内の液化ガスが蒸発する際の潜熱により冷却板を介してコイルが冷却されて、コイルの温度上昇が抑制されるため、コイルは超電導状態に維持され、これによって冷凍機が停止しても、比較的長時間コイルを破損することなく運転が続けられるようになっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし前記公報の超電導コイル装置では、停電などによって冷凍機が停止された場合、比較的長時間コイルを破損することなく運転を続けることができるが、中間シールド内に収容された冷媒が漏れて減少したり、無くなった場合、コイルの温度が急激に上昇してクエンチを起こし、その結果コイルが破損するなどの不具合がある。
【０００７】
本発明は係る従来の不具合を解消するためになされたもので、超電導コイルを収容したコイル容器内の冷媒が減少したり、無くなった場合でも、クエンチを起こすことなく超電導コイルの運転が引き続き可能な超電導コイル冷却装置を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的のために本発明の超電導コイル冷却装置は、超電導コイル及び前記超電導コイルを冷却する液体ヘリウムが収容されたコイル容器と、前記コイル容器が収容され、かつ前記コイル容器の周囲を真空状態に保持する真空容器と、前記コイル容器と前記真空容器の間に設けられ、かつ前記真空容器側からの輻射熱を遮蔽するシールドと、前記コイル容器内で蒸発したヘリウムガスを冷却して液化させる冷凍機とを備えた超電導コイル冷却装置であって、前記真空容器の上方に設置され、かつ前記超電導コイルを冷却するコールドヘッドの先端を、液体ヘリウムが収容された前記コイル容器内に突出させた冷凍機と、前記コイル容器内に収容され、かつ前記超電導コイルが巻き付けられた高熱伝導材料よりなる巻き枠と、前記巻き枠の上方に設置され、かつ前記コイル容器内に突出された前記コールドヘッドの先端に熱的に接続された高熱伝導材料よりなる冷却ベンチと、高熱伝導材料により伸縮自在に形成され、かつ前記冷凍機に与圧を付与することにより上面が前記冷却ベンチに面接触され、下面が前記巻き枠と熱的に連結されることにより、前記コールヘッドの冷却熱を前記巻き枠に伝達する高熱伝導部材と、から構成したものである。
【０００９】
前記構成により、コイル容器内が液体ヘリウムで満たされている場合は、液体ヘリウムの沸騰冷却で超電導コイルが冷却されているが、コイル容器内の液体ヘリウムが漏れるなどの原因で減少したり、無くなった場合でも、超電導コイルで発生した熱は、ヘリウムガスにより巻き枠へ伝達されて冷却されるため、クエンチを起こすことなく超電導コイルの運転が可能になる、
また巻き枠と冷凍機のコールドヘッドの間が伸縮自在な高熱伝導部材で熱的に連結されているため、予め冷凍機に与圧を付与することにより、冷凍機のコールドヘッドと高熱伝導部材の間に隙間を生じることなく両者を密着させることができるため、接触熱抵抗が減少し、これによって冷却効率が向上する。
【００１０】
前記目的を達成するため本発明の超電導コイル冷却装置は、高熱伝導部材と巻き枠の間に伝熱部材を介在させると共に、伝熱部材とコイル容器間に、高熱伝導部材を囲むようにシールを設けたものである。
【００１１】
前記構成により、伝熱部材とコイル容器が溶接困難な材料で形成されていても、シールによってコイル容器内を密閉することができる。
【００１２】
前記目的を達成するため本発明の超電導コイル冷却装置は、停電時前記冷凍機または冷凍機と超電導コイルに電力を供給するバックアップ電源及び発電機を設けたものである。
【００１３】
前記構成により、雷等で一時停電した場合でも、超電導コイル及び冷凍機に電力を供給することができるため、引き続き超電導コイルの運転が可能となる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施の形態を図１ないし図３に示す図面を参照して詳述する。
図１は超電導コイル冷却装置の断面図を示すもので、超電導コイル１は高熱伝導材料からなる巻き枠２に超電導導体を巻き付けることにより形成されており、この超電導コイル１を沸騰冷却するため、超電導コイル１が収納されたコイル容器４には、液体ヘリウム３が冷媒として充填されている。
【００１９】
また超電導コイル１へのガスによる伝導熱を小さくするため、超電導コイル１は真空容器５内部に収納されており、室温の真空容器５からコイル容器４に入る輻射熱を遮蔽するため、真空容器５とコイル容器４間には、シールド６が設けられている。
７は真空容器５の上部に設けられた冷凍機で、シールド６上に設置された第１ステージコールドヘッド（以後第１ヘッドと言う）７ａと、コイル容器４上に設置された第２ステージコールドヘッド（以後第２ヘッドと言う）７ｂとよりなる２段の小形ヘリウム冷凍機より構成されていて、冷却運転温度は約８０Ｋと４Ｋとなっており、第１ヘッド７ａはシールド６に熱的に接続されていると共に、第２ヘッド７ｂはコイル容器４内部に設置された高熱伝導材料よりなる冷却ベンチ８と熱的に接続されている。
【００２０】
そして冷却ベンチ８の下面と巻き枠２の上面を覆う円板状の伝熱部材１０の間に、第２ヘッド７ｂの冷却熱を巻き枠２に効率よく伝達する高熱伝導部材９が介在されている。
銅やアルミニウムなどの高熱伝導材料より形成された高熱伝導部材９は、はぼＵ字形に形成された２部材を、位相を９０度回転した状態で、互いに上下方向に連結することにより構成されていて、第２ヘッド７ｂと伝熱部材１０の接離方向に伸縮自在となっている。
【００２１】
また同じく銅やアルミニウムなどの高熱伝導材料より形成された伝熱部材１０は、巻き枠２の両端部と外周部が熱的接続されていると共に、第１ヘッド７ａと第２ヘッド２ｂを連結する連結部材７ｄが貫通するコイル容器４上面の開口部４ａには、コイル容器４内からのガスが漏れるのを封止するシール部材１１が設けられている。
【００２２】
一方冷凍機７の上部は、真空容器５の上面に開口された開口部５ａより真空容器５に上方へ突出されており、突出部にはベローズ１２が嵌挿されている。
ベローズ１２は冷凍機７を上下方向に移動自在に支持すると同時に、真空容器５内を真空状態に保持できるようになっている。
真空容器５より上方へ突出された冷凍機７の上部には、冷凍機７を駆動するモータ７ｃが設置されており、このモータ７ｃで冷凍機７のコンプレッサ１３が駆動されるようになっていると共に、コンプレッサ１３と冷凍機７のモータ７ｃ及び超電導コイル１へ電力を供給する超電導コイル用電源２０には、停電等で電力の供給が一時停止した場合でも電力を供給できるようバッテリよりなるバックアップ電源１４が接続されており、停電が長時間続き、バックアップ電源１４より電力の供給ができなくなった場合は、発電機１５が駆動されて、発電機１５よりバックアップ電源１４に電力が供給されるようになっている。
【００２３】
またコイル容器４には液体ヘリウム３を供給するための注液ポート１６が接続されており、この注液ポート１６には、コイル容器４の内圧が大気圧以下のときは弁を閉じ、コイル容器４の内圧が大気圧以上のとき弁を開く逆止弁１７が設けられていると共に、前記注液ポート１６とは別に、超電導コイル１がクエンチを起こしてコイル容器４内の圧力が異常に高圧になっときに、管路１８ａを密閉している破壊板１８ｂが破壊されて、コイル容器４内の高圧を大気に放出することにより、コイル容器４が破損するのを防止する安全弁１８と、超電導コイル１に一端が接続されたケーブル２１を真空容器５外へ延出する配線用ポート１９が接続されており、真空容器５外へ延出されたケーブル２１の他端は超電導コイル用電源２０に接続されている。
【００２４】
次に前記構成され超電導コイル冷却装置の作用を説明すると、モータ７ｃによりコンプレッサ１３が駆動されて、冷凍機７が冷却を開始すると、冷凍機７で発生された冷却熱は第１ヘッド７ａより連結部材７ｄを介して第２ヘッド７ｂへと伝達され、さらに第２ヘッド７ｂより冷却ベンチ８、高熱伝導部材９及び伝熱体１０を介して巻き枠２へと伝達されて、超電導コイル１が冷却される。
【００２５】
また超電導コイル１の巻き枠２に熱的に接続された冷却ベンチ８や、高熱伝導部材９、伝熱部材１０は、銅またはアルミニウムのような高熱伝導材料から形成されている上、高熱伝導部材９は上下方向に伸縮自在に形成されているため、予め冷凍機７に下方の与圧を加えておくことにより、冷却ベンチ８と高熱伝導部材９が接する面は、常に接触状態に維持されて両者の間に隙間が生じることがなく、また仮令隙間が生じても、この隙間にヘリウムガスまたは液体ヘリウム３浸入するので、両者間の接触熱抵抗はさらに小さくなり、これによつて冷凍機７の第２ヘッド７ｂと巻き枠２の温度差を小さくすることができる。
【００２６】
さらに巻き枠２に巻かれた超電導コイル１が発熱しても、超電導コイル１の巻き線間には隙間があって、この隙間にはヘリウムガスが充満しているので、超電導コイル１からの熱はヘリウムガスが熱伝導体となって巻き枠２へと伝導されるため、コイル容器４内の液体ヘリウム３が漏れるなどして、液体ヘリウム３の液量が減少したり、無くなっても、超電導コイル１は巻き枠２により引き続き冷却されるので、クエンチを起すことなく超電導状態を維持するができるようになる。
【００２７】
一方図２は液体ヘリウム３の代わりにヘリウムガス３ａを使用した超電導コイル冷却装置の変形例を示すもので、次にこれを説明する。
なお前記第１の実施の形態と同一部分は同一符号を付して、その説明は省略する。
この変形例では、超電導コイル１に接続されたケーブルを真空容器５の外部へ延出する配線用ポートとコイル容器４内へヘリウムガス３ａを供給するガスポート１６ａを兼用させて、このガスポート１６ａよりコイル容器４内へヘリウムガス３ａを供給するようにしている。
【００２８】
前記ガスポート１６ａには、コイル容器４へヘリウムガス３ａを供給した後、閉じることによってコイル容器４内を密封するバルブ１７ａと、コイル容器４の内圧が大気圧以下のときは弁を閉じ、コイル容器４の内圧が大気圧以上のとき弁を開く前記第１の実施の形態と同様な逆止弁１７が接続されている。
また冷却ベンチ８より巻き枠２の上面を覆う伝熱部材１０へ冷却熱を効率よく伝達する高熱伝導部材９は、コイル容器４上面に開口された開口部４ｂよりシールド６内に突出された構造となつており、このため真空容器５の内部を真空に維持するためにはコイル容器４開口部４ｂを密封する必要がある。
【００２９】
しかしステンレス鋼で形成されたコイル容器４と、銅またはアルミニュウム等の高熱伝導材料からなる伝熱体１０は溶接が困難である。
そこで図３に示すように、コイル容器４の周囲を囲むように伝熱体１０の上面にＶ溝１０ａを環状に形成し、かつこのＶ溝１０ａに沿って伝熱体１０とコイル容器４の上面間に、柔らかなインジュウム等のシール２１を介在させて、コイル容器４側より挿入したボルトなどの固着具２２を締め付けることにより、固着具２２の締め付け力でシール２１を潰して、コイル容器４と筒１０間の隙間をシールしている。
【００３０】
これによってコイル容器４をほぼ完全に密封することができると共に、固着具２２の首部に嵌挿されたばね座金２３によって固着具２２が緩むのを防止することができるため、コイル容器４内に充填されたヘリウムガスが漏れるのを長期に亘って防止することができる。
【００３１】
以上のように構成された超電導コイル装置冷却装置の作用は、前記第１の実施の形態と同様なのでその説明は省略するが、この変形例では、ヘリウムガス３ａが封入されたコイル容器４内の巻き枠２の温度が4.2Ｋのとき、ヘリウムガス３ａの絶対圧力が０,１２Ｍｐａになると、ヘリウムガス３ａは巻き枠２または伝熱体１０の表面で凝縮が起こる。
しかし、ヘリウムガス３ａの絶対圧力が０，０９５Ｍｐａのときには、ヘリウムガス３ａは凝縮せず、巻き枠２の温度が4.2Ｋであれば超電導コイル１はヘリウムガス３ａ及び超電導導体の熱伝導により十分冷却されるので、クエンチを起こすことなく超電導コイル１を運転することができる。
【００３２】
一方図４は第２の実施の形態を示すもので、次にこれを説明する。
なお前記変形例と同様に、第１の実施の形態と同一部分は同一符号を付して、その説明は省略する。
これは後述する第３の実施の形態についても同様である。
【００３３】
図４は円筒状に形成された超電導コイル１の断面図を示すもので、この超電導コイル１は高熱伝導の巻き枠２に、ニオブ・チタンよりなる超電導体１ｃを密に巻き付けることにより形成されていて、軸線が水平となるように設置されている。
超電導コイル１の収容されたコイル容器４内には、超電導体１ｃの臨界温度以上の温度で固化した固体窒素３１が充填されており、コイル容器４の一端側は、高熱伝導体よりなる均熱板３２取付けられていて、この均熱板３２に冷凍機７の第２ヘッド７ｂが接続されている。
そして冷凍機７の冷却熱は、コイル容器４の端部を一様な温度にする均熱板３２からコイル容器４へ伝達され、さらに巻き枠２から超電導コイル１に伝達されて、超電導コイル１が冷却されると同時に、コイル容器４に充満された液体窒素が冷却固化されることにより、固体窒素３１が超電導コイル１の周囲を覆うようになっている。
【００３４】
なお図４中１６ａは、液体窒素をコイル容器４に供給する際に使用する窒素ポートである。
また図５は図４の点線円で示す部分の超電導コイル１の拡大断面図で、超電導導体１ａの中心部に超電導線１ｂが設けられている。
超電導線１ｂに使用する超電導線材料には、現在臨界温度が液体窒素温度（77.4Ｋ）以上の特性をもつ高温超電導体があるが、ここではニオブ・チタンを使用しており、超電導線１ｂの外周は、銅またはアルミニュウム等の高電気伝導体からなる安定化材１ｃで覆われていると共に，超電導導体１ａの最外層はエナメル等の電気絶縁膜１ｄで被覆されている。
【００３５】
さらに超電導導体１ａを巻き枠２に巻き付ける際、隣接している超電導導体１ａとの間に隙間が生じてしまうことがあり、隣接している超電導導体１ａとの間に隙間があると、超電導導体１ａのある部分で発熱した場合、その隙間によって大きな熱抵抗が生じてしまい、その結果発熱した超電導導体１ａは冷却が不十分となって、超電導コイル１がクエンチを起すことがある。
これを防止するため従来では、隣接している超電導導体１ａとの間の隙間に、ヘリウムガスより熱伝導率が高いエポキシ樹脂を塗布しているが、エポキシ樹脂は固体窒素や固体アルゴンなどに比べて熱伝導率が低い。
【００３６】
図６は固体窒素とアルゴン、大気圧(０，１Ｍｐａ)のヘリウムガス、そしてエポキシの熱伝導率及び超電導体であるニオブ・チタンの臨界温度（約８Ｋ）を示すもので、超電導導体１ａの動作範囲（約８Ｋ以下）では、固体窒素３１や固体アルゴンは従来のエポキシ樹脂に比べて約５０倍の熱伝導率をもっている。
従って、超電導導体１ａの各巻き線間に生じた隙間に固体窒素３１または固体アルゴンを充填すれば、隙間の熱抵抗は従来のエポキシ樹脂を塗布した場合に比べて１／５０以下になる。
【００３７】
そこでこの第２の実施の形態では、超電導導体１ａの各巻き線間に生じた隙間に固体窒素３１や、固体アルゴンを充填して、超電導コイル１のある一部の超電導導体１ａで発熱した場合、固体窒素３１や固体アルゴンを介して速やかに熱を近接する超電導導体１ａに伝播させ、高熱伝導材料よりなる巻き枠２から冷凍機７の第２ヘッド７ｂに伝わるようにしたもので、これによって超電導コイル１は従来以上に熱的に安定性が高くなるため、クエンチが起きにくくなる。
【００３８】
図７及び図８は、医療用の磁気共鳴撮像装置に本発明の超電導コイル冷却装置を適用した第３の実施の形態を示すもので、次にこれを説明する。
この第３の実施の形態では、超電導コイル１は上部超電導コイル１1と下部超電導コイル１2に分離されていて、上下超電導コイル１1，１2の間に均一な磁界分布を形成するようになっており、図７の点線円で囲まれた空間に、検査を受ける人間が入るように構成されている。
上部の超電導コイル１1を収容したコイル容器４ａ内には固体窒素３１が充填されていて、固体窒素３１により超電導コイル１1が冷却されるようになっており、コイル容器４の端面に均熱板３２を介して冷凍機７の第二ヘッド７ｂが接続されている。
【００３９】
また下部超電導コイル１２を収容したコイル容器４ｂ内には液体ヘリウム３が充填されていて、液体ヘリウム３により下部超電導コイル１2が沸騰冷却されるようになっている。
コイル容器４ｂ内で蒸発したヘリウムガスは、コイル容器４ａ，４ｂ間を接続する凝縮配管３４を上昇して、冷凍機７の第２ヘッド７ｂ近傍に設置された凝縮器３３で凝縮されるようになっており、凝縮器３３内で液化された液体ヘリウム３は、再び凝縮配管３４を通って下部のコイル容器４ｂ内へと循環されるようになっている。
【００４０】
以上のように前記第３の実施の形態では、上部超電導コイル１1を固体窒素３１で冷却し，下部超電導コイル１2を液体ヘリウム３で冷却するようにしているが、その理由を次に説明する。
もし上下のコイル容器４ａ，４ｂに液体ヘリウム３を入れて、上部超電導コイル１１と下部超電導コイル１2を一台の冷凍機７で同時に冷却しようとした場合、下部のコイル容器４ｂは常に液で満たされるが、上部のコイル容器４ａは熱侵入の影響が液面変化となって現れ易くなってしまう。
【００４１】
またこの種の磁気共鳴撮像装置は、一般の病院に設置することを想定しているため、装置をコンパクトに設計する必要があるが、上部超電導コイル１1を液体ヘリウム３で冷却した場合、上部のコイル容器４ａの液面が下がると、上部超電導コイル１1が液面から露出して上部超電導コイル１1の沸騰冷却が不十分となり、その結果クエンチが起きやすくなると共に，これを防止するため液体ヘリウム３の容積を増やそうとすると、超電導コイル１全体の高さが高くなって、磁気共鳴撮像装置の小型化ができなくなってしまう。
そこで前記第３の実施の形態では、上部超電導コイル１1を固体窒素３１で冷却し、下部超電導コイル１2を液体ヘリウム３で冷却することにより、超電導コイル１の熱的安定性を向上させると同時に、超電導コイル１の高さを低く抑えることにより、磁気共鳴撮像装置の小型化を実現している。
【００４２】
なお前記各実施の形態及び変形例では、ニオブ・チタンの超電導体よりなる超電導コイルを使用した場合について説明をしたが、ニオブ・チタンの臨界温度以上の超電導特性を有するＮｂＳｎ３（ニオブサンスズ）の焼結した超電導体、またはイットリウム系、ビスマス系、その他の高温超電導体を主成分とした超電導コイルにも適用できるものである。
【００４３】
【発明の効果】
本発明は以上詳述したように、超電導コイルが巻き付けられた巻き枠を高熱伝導材料で形成すると共に、巻き枠と冷凍機のコールドヘッドの間を、高熱伝導材料よりなる伸縮自在な高熱伝導部材で熱的に連結したことから、コイル容器内が液体ヘリウムで満たされている場合は、液体ヘリウムの沸騰冷却で超電導コイルが冷却されているが、コイル容器内の液体ヘリウムが漏れるなどの原因で減少したり、無くなった場合でも、超電導コイルで発生した熱は、ヘリウムガスにより巻き枠へ伝達されて冷却されるため、クエンチを起こすことなく超電導コイルの運転を引き続き継続することができるようになる。
【００４４】
また超電導コイルの巻き枠と冷凍機のコールドヘッドの間が高熱伝導材料よりなる伸縮自在な高熱伝導部材で熱的に連結されているため、予め冷凍機に与圧を付与することにより、冷凍機のコールドヘッドと高熱伝導部材の間に隙間を生じることなく両者を密着させることができ、これによって両者間の接触熱抵抗が減少するため、冷却効率の向上大幅な向上が図れるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態になる超電導コイル冷却装置を示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態になる超電導コイル冷却装置の変形例を示す断面図である。
【図３】図２のＡで示す円内の拡大断面図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態になる超電導コイル冷却装置の断面図である。
【図５】図４のＢで示す円内の拡大断面図である。
【図６】各種材料の熱伝導率特性を示す線図である。
【図７】本発明の第３の実施の形態になる超電導コイル冷却装置の断面図である。
【図８】本発明の第３の実施の形態になる超電導コイル冷却装置の要部を示す斜視図である。
【符号の説明】
１  超電導コイル
１1  上部超電導コイル
１2  下部超電導コイル
２  巻き枠
３  液体ヘリウム
４  コイル容器
５  真空容器
６  シールド
７  冷凍機
７ａ  第１ヘッド（コールドヘッド）
７ｂ  第２ヘッド（コールドヘッド）
９  高熱伝導部材
１０  伝熱部材
２１  シール
３１  固体窒素
【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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