JP5448988B2 - 超電導マグネット - Google Patents

Description

本発明は、超電導線材が巻回されてなる超電導マグネットに関する。

医療で用いられるＭＲＩ装置などでは、大きなボア径を確保しながら装置全体を小型化する必要がある。装置全体を小型化するには、装置を構成する、（１）超電導マグネットの小型化・（２）ヘリウム槽の小型化・（３）クライオスタットの小型化、を実現する必要がある。

ここで、（２）ヘリウム槽の小型化、を実現し得る技術として、例えば、特許文献１に記載された技術がある。特許文献１には、超電導コイルに接する外径側巻枠と、この外径側巻枠を支える内径側巻枠と、からなる二重構造の巻枠が記載されている。外径側巻枠の材質は、熱伝導率の高い例えばアルミニウムとされ、内径側巻枠の材質は、熱収縮率の小さい例えばステンレス鋼とされている。熱伝導率の高い外径側巻枠を超電導コイルに接触させることで、液体ヘリウムの補充間隔を長くしてもクエンチを起こしにくくできると、特許文献１において称されている。

特開平６−５４１９号公報

特許文献１に記載された技術は、液体ヘリウムの充填量を少なくするのに適している。すなわち、特許文献１に記載された技術を用いれば、（２）ヘリウム槽の小型化、を実現し得る。しかしながら、（１）超電導マグネットの小型化、を実現しようとする観点からいうと、二重構造の巻枠では超電導マグネットがどうしても大型化してしまう。また、（３）クライオスタットの小型化、を実現しようとする観点からいっても、二重構造の巻枠ではその重量が大きくなり、支持部材の大型化など不利な点がある。さらには、二重構造の巻枠は、一般的な一重構造の巻枠に比べて構造が複雑であり製造コストが増加してしまう。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、（１）超電導マグネットの小型化・（２）ヘリウム槽の小型化・（３）クライオスタットの小型化、をいずれも実現できる簡易な構造の超電導マグネットを提供することである。

本発明は、円筒状の胴部と、所定の間隔をあけて当該胴部の外周に設けられた少なくとも一対のフランジ部と、を具備してなる巻枠と、前記一対のフランジ部間の前記胴部に巻回された超電導線材よりなる超電導コイルと、前記超電導コイルの外周に巻きつけられた金属材料からなる巻付部材と、を備え、前記巻付部材は、板状体、帯状体、あるいは断面形状が円形または矩形の線状体であって、当該巻付部材の厚みまたは直径が前記胴部の厚みよりも小さく、前記巻枠、前記超電導コイル、および前記巻付部材が、液体ヘリウムで浸漬冷却される超電導マグネットである。

なお、「巻付部材の厚みまたは直径が胴部の厚みよりも小さい」とは、以下のことを意味する。巻付部材が、板状体、または帯状体の場合には、その１枚の厚みが胴部の厚みよりも小さいことを意味する。巻付部材が、断面形状が円形の線状体の場合には、その１本の直径（断面の直径）が胴部の厚みよりも小さいことを意味する。巻付部材が、断面形状が矩形の線状体の場合には、その１本の厚み（断面の厚み、さらには、超電導コイルの外周に線状体を巻きつけたときの当該線状体のコイル径方向の厚み）が胴部の厚みよりも小さいことを意味する。

この構成によると、超電導コイルの外周に巻きつけられた金属材料からなる巻付部材が、いわゆる熱アンカーの役割（液体ヘリウムの冷熱を超電導コイルに伝達する役割）、および熱遮蔽の役割（外側の熱源から超電導コイルを遮蔽する役割）をはたし、例えば液体ヘリウムの量を少なくしてもクエンチを起こしにくくできる。すなわち、（２）ヘリウム槽の小型化、を実現できる。また、上記したとおり、いわゆる熱アンカーの役割、および熱遮蔽の役割を巻付部材がはたすので、巻枠を二重構造などにする必要がない。すなわち、（１）超電導マグネットの小型化、を実現できる。また、巻枠を二重構造にする必要がないことによる重量低減効果に加えて、巻付部材の厚みまたは直径が小さいことにより巻付部材の付加による重量増加も小さい。すなわち、クライオスタットの支持部材の大型化を招くことはなく、（３）クライオスタットの小型化、を実現できる。

また、超電導コイルの外周に金属材料からなる上記巻付部材を巻きつけてなる、という簡易な構造で、上記した３つの課題を解決できている。

また本発明において、前記巻付部材は、前記一対のフランジ部間の長さと略等しい幅を有する板状体または帯状体であることが好ましい。

この構成によると、超電導コイルの外周面全体を巻付部材で確実に覆うことができ、巻付部材の、いわゆる熱アンカーの機能および熱遮蔽性が向上する。

さらに本発明において、前記超電導コイルに対して前記巻付部材が、線状または帯状の金属材で巻き締められていることが好ましい。

この構成によると、超電導コイルと巻付部材との密着性が高まり、巻付部材の、いわゆる熱アンカーの機能がより向上する。

さらに本発明において、前記巻枠、前記超電導コイル、および前記巻付部材が、真空含浸処理により固定されていることが好ましい。

この構成によると、超電導コイルと巻付部材との密着性がより高まり、巻付部材の、いわゆる熱アンカーの機能がさらに向上する。

本発明によると、本発明の構成要件、特に、金属材料からなり、かつ厚みまたは直径が巻枠の胴部の厚みよりも小さい、超電導コイルの外周に巻きつけられた巻付部材により、（１）超電導マグネットの小型化・（２）ヘリウム槽の小型化・（３）クライオスタットの小型化、をいずれも容易に実現することができる。

本発明の第１実施形態に係る超電導マグネットを示す側断面模式図である。 図１（ａ）のＡ−Ａ断面図、および巻付部材の変形例を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る超電導マグネットを示す断面模式図である。 第３実施形態の変形例を示すための超電導マグネットの側断面模式図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。本発明の超電導マグネットは、医療で用いられるＭＲＩ装置用の超電導マグネットとして好適なものである。ただし、本発明の超電導マグネットをＭＲＩ装置以外の装置に適用してもよい。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る超電導マグネット１を示す側断面模式図である。図１（ａ）は、超電導マグネット１全体の側断面模式図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＢ部拡大図である。

図１（ａ）に示すように、超電導マグネット１は、４つの超電導コイル３ａ〜３ｄと、巻枠２とを備える。なお、ＭＲＩ装置の場合、通常、複数の超電導コイルを有する、内側の巻枠（メインのコイル）および外側の巻枠（シールドのコイル）で超電導マグネットは構成される。図１（ａ）に示した超電導マグネット１は、ＭＲＩ装置のシールドのコイル（外側のコイル）を例示したものである。なお、１つの超電導コイルと１つの巻枠とからなるＭＲＩ装置用以外の超電導マグネットについても、本発明を適用することができる。

（巻枠）
図１（ｂ）にその詳細を示したように、巻枠２は、円筒状の胴部１１と、所定の間隔をあけて胴部１１の外周に設けられた一対のフランジ部１２ａ・１２ｂとを備える。なお、本実施形態では、図１（ａ）に示したように、４つの超電導コイル３ａ〜３ｄに対応させて、５つのフランジ部１２ａ〜１２ｃが胴部１１の外周に設けられている。５つのフランジ部１２ａ〜１２ｃで、一対のフランジ部が計４組となっている。

４つの超電導コイル３ａ〜３ｄ、およびそれぞれのコイル周りの構成は、いずれも同様の構成であるため、図１（ｂ）を参照しつつ、超電導コイルおよびコイル周りの構成について説明する。

（超電導コイル）
超電導コイル３ａは、一対のフランジ部部１２ａ・１２ｂ間の胴部１１に密に巻回された超電導線材よりなる。超電導線材は、例えばニオブ・チタン（ＮｂＴｉ）合金系の極細多芯線を銅母材に埋め込んだ線材である。

巻枠２の胴部１１と超電導コイル３ａとの間には絶縁シート５が配置されている。また、フランジ部部１２ａと超電導コイル３ａとの間、およびフランジ部部１２ｂと超電導コイル３ａとの間には、絶縁部材６が配置されている。

（巻付部材）
超電導コイル３ａの外周には、断面形状が円形の線状体４ａが２層巻きつけられている。線状体４ａは、例えば銅線であり、その直径は胴部１１の厚みＴよりも小さい（後述する、板状体、帯状体などの巻付部材についても同様）。ここで、線状体４ａは、ステンレス材よりも熱伝導率の高い金属材料からなる（後述する、板状体、帯状体などの巻付部材についても同様）。具体的な線状体４ａの材料としては、純度の高い銅、アルミニウムが挙げられる。なお、アルミニウム合金、真鍮などの銅合金からなる巻付部材としてもよい。

超電導コイル３ａおよび線状体４ａを巻枠２の胴部１１に巻きつけた後、巻枠２、超電導コイル３ａ、および線状体４ａは、エポキシ樹脂・ワックスなどの含浸剤を用いて真空含浸処理により固定されることが好ましい（後述する、板状体、帯状体などの巻付部材についても同様）。なお、線状体４ａの固定は、線状体４ａに接着剤を吹き付けたり塗り付けたりしながら、線状体４ａを胴部１１に巻きつけるという方法でもよい。さらには、含浸剤や接着剤を用いず、巻枠２の胴部１１に線状体４ａを巻きつけるのみで、超電導コイル３ａの外周面に線状体４ａを固定してもよい。

ここで、図２（ａ）は、超電導コイル３ａの冷却状態を示す図である。符号７は、液体ヘリウムを示す。図２（ａ）に示したように、超電導コイル３ａは、その約１／４程度が液体ヘリウム７中に浸漬されて冷却されている。なお、液体ヘリウム７は、ヘリウム槽（不図示）に充填される。

本形態の超電導マグネット１によると、熱伝導率の高い金属材料からなる線状体４ａで超電導コイル３ａが取り囲まれているため、液体ヘリウム７中に浸っていない部分の超電導コイル３ａは、液体ヘリウム７から線状体４ａを伝わってきた冷熱で冷却される。また、線状体４ａが設けられていない場合、マグネットが励磁された状態のままヘリウム槽へ液体ヘリウムを追加補充すると、蒸発したヘリウムガスがコイルに接触して温度上昇しクエンチする可能性があるが、本形態の超電導マグネット１は、線状体４ａで超電導コイル３ａが取り囲まれているため、温かいヘリウムガスの熱を線状体４ａが遮蔽し、超電導コイル３ａの温度上昇を防止できる。すなわち、クエンチを抑制できる。

このように、本発明によると、超電導コイル３ａが例えばその約１／４程度しか液体ヘリウム７中に浸っていなくても、超電導コイル３ａの外周に巻きつけられた熱伝導率の高い線状体４ａの層が、いわゆる熱アンカーの役割（液体ヘリウム７の冷熱を超電導コイル３ａに伝達する役割）、および熱遮蔽の役割（外側の熱源から超電導コイル３ａを遮蔽する役割）をはたし、クエンチを起こしにくくできる。すなわち、超電導コイル３ａの十分な冷却効果が線状体４ａの層により得られ、小型のヘリウム槽（ヘリウム缶）で液体ヘリウム７の貯留量が少なく、その液面７ａが低くなっても問題がない。したがって、「ヘリウム槽の小型化」、を実現できる。

なお、超電導マグネットの励磁中は、たとえ装置に冷凍機を取り付けていた場合であっても冷却が追いつかず、液体ヘリウムの液面７ａが低下することがある。熱伝導率の高い線状体４ａの層は、このような励磁中の液面７ａ低下に特に有効である。

また、上記したとおり、いわゆる熱アンカーの役割、および熱遮蔽の役割を線状体４ａがはたすので、巻枠２を二重構造などにする必要がない。すなわち、「超電導マグネットの小型化」、を実現できる。また、巻枠２を二重構造にする必要がないことによる重量低減効果に加えて、巻付部材である線状体４ａの直径が胴部１１の厚みＴよりも小さいことにより巻付部材の付加による重量増加も小さい。すなわち、クライオスタットの支持部材の大型化を招くことはなく、「クライオスタットの小型化」、を実現できる。

また、超電導コイル３ａの外周に熱伝導率の高い金属材料からなる線状体４ａを巻きつけてなる、という簡易な構造で、上記した３つの効果が得られている。

さらには、超電導コイル３ａに線状体４ａを巻きつけるだけではなく、超電導コイル３ａと線状体４ａとを真空含浸処理により固定することにより、超電導コイル３ａと線状体４ａとの密着性がより高まり、線状体４ａの、いわゆる熱アンカーの機能がさらに向上する。

（線状体４ａの変形例）
図２（ｂ）は、線状体４ａの変形例を示す図である。図２（ｂ）に示すように、断面形状が正方形の線状体８ａとしてもよいし、断面形状が長方形（平角）の線状体８ｂとしてもよい。また、帯状体８ｃ（テープ状）の巻付部材としてもよい。なお、巻付部材の形状は、これらの形状に限られることはない。

（第２実施形態）
図３は、本発明の第２実施形態に係る超電導マグネット１０２を示す断面模式図である。図３（ａ）は、図１（ｂ）に相当する超電導マグネット１０２の一部拡大断面図である。図３（ｂ）は、図１（ｂ）のＣ断面図である（板状体９のみ示している）。

図３に示すように、本実施形態では、湾曲した同形状の４枚の板状体９ａ〜９ｄを巻付部材として用いている。図３（ａ）に示したように、板状体９（９ａ〜９ｄ）の幅は、フランジ部１２ａ・１２ｂ間の長さとほぼ等しい幅とされている。（板状体９（９ａ〜９ｄ）の幅は、２枚の絶縁部材６の厚みだけフランジ部１２ａ・１２ｂ間の長さよりも小さい。）また、板状体９（９ａ〜９ｄ）の厚みは、胴部１１の厚みＴよりも小さい。

４枚の板状体９ａ〜９ｄは、超電導コイル３ａの外周面に密着するよう、超電導コイル３ａの外周面に沿わされる。

なお、図３（ｂ）に示したように、板状体９は、超電導コイル３ａの外周に固定（巻きつけられた）状態において、９０度毎にスリット１４を有する形態とされているが、これに限られるものではない。例えば、１８０毎にスリットを有する２分割の板状体であってもよいし、１箇所のみにスリットを有する板状体であってもよい。

４枚の板状体９ａ〜９ｄを超電導コイル３ａの外周に配置することで、超電導コイル３ａのほぼ外周面全体を巻付部材で確実に覆うことができ、巻付部材の、いわゆる熱アンカーの機能および熱遮蔽性が向上する。

また、本実施形態では、超電導コイル３ａに対して板状体９（９ａ〜９ｄ）が、金属材料からなる断面形状が円形の線状体１０で巻き締められている。板状体９（９ａ〜９ｄ）を線状体１０で巻き締めるのは、超電導コイル３ａと板状体９（９ａ〜９ｄ）との密着性を特別な締め付け構造なしに高めることにある。板状体９（９ａ〜９ｄ）を巻き締めることにより密着性が高まり、板状体９（９ａ〜９ｄ）の、いわゆる熱アンカーの機能がより向上する。なお、線状体１０の断面形状は円形に限られるものではない。

線状体１０の材料としては、２つの選択肢がある。１つ目の選択は、例えばステンレス材などの引張強度の高い金属材料を選択することである。これにより、細い線状体１０で板状体９（９ａ〜９ｄ）を巻き締めることができ、その結果、超電導マグネット１０２の外径を全体として小さくし得る。２つ目の選択は、例えば銅・アルミニウムなどの熱伝導率の高い金属材料を選択することである。これにより、超電導コイル３ａの冷却効果をより高めることができる。

（変形例）
図４は、第３実施形態の変形例を示すための超電導マグネット１０３の側断面模式図である。なお、超電導マグネット１０３の一部のみ拡大して示している。

図４に示すように、本実施形態では、極めて薄いシート１３（帯状の金属材の１つ）で超電導コイル３ａに対して板状体９を巻き締めている。シート１３は、例えば銅材からなり、シート１３で複数回、板状体９を巻き締めている。熱伝導率の高いシート１３で板状体９を巻き締めることにより、超電導コイル３ａと板状体９との密着性を高めることができる。かつ、シート１３は、いわゆる熱アンカーの役割（液体ヘリウム７の冷熱を超電導コイル３ａに伝達する役割）も果たす。

また、シート１３の幅は、フランジ部１２ａ・１２ｂ間の長さとほぼ等しい幅とされている。（シート１３の幅は、２枚の絶縁部材６の厚みだけフランジ部１２ａ・１２ｂ間の長さよりも小さい。）これにより、板状体９の外周面全体をシート１３で覆うことができ、シート１３のいわゆる熱アンカーの機能が向上する。なお、必ずしも、板状体９の外周面全体をシート１３で覆う必要はなく、シート１３よりも幅の小さいテープ状の金属材（例えば、銅テープ）などで板状体９を巻き締めてもよい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々に変更して実施することが可能なものである。

１：超電導マグネット
２：巻枠
３ａ〜３ｄ：超電導コイル
４ａ〜４ｄ：線状体（巻付部材）
１１：胴部
１２ａ〜１２ｃ：フランジ部

Claims (4)

1. 円筒状の胴部と、所定の間隔をあけて当該胴部の外周に設けられた少なくとも一対のフランジ部と、を具備してなる巻枠と、
   前記一対のフランジ部間の前記胴部に巻回された超電導線材よりなる超電導コイルと、
   前記超電導コイルの外周に巻きつけられた、銅、銅合金、アルミニウム、またはアルミニウム合金等のステンレス材よりも熱伝導率の高い金属材料からなる巻付部材と、
   を備え、
   前記巻付部材は、板状体、帯状体、あるいは断面形状が円形または矩形の線状体であって、当該巻付部材の厚みまたは直径が前記胴部の厚みよりも小さく、
   前記巻枠、前記超電導コイル、および前記巻付部材が、前記胴部の一方の端から他方の端に至るまで、少なくとも周方向の一部が液体ヘリウムで浸漬冷却されていることを特徴とする、超電導マグネット。
2. 請求項１に記載の超電導マグネットにおいて、
   前記巻付部材は、前記一対のフランジ部間の長さと略等しい幅を有する板状体または帯状体であることを特徴とする、超電導マグネット。
3. 請求項２に記載の超電導マグネットにおいて、
   前記超電導コイルに対して前記巻付部材が、線状または帯状の金属材で巻き締められていることを特徴とする、超電導マグネット。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の超電導マグネットにおいて、
   前記巻枠、前記超電導コイル、および前記巻付部材が、真空含浸処理により固定されていることを特徴とする、超電導マグネット。

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