| 【発明の名称】 |
冷凍機用磁気シールド体 |
| 【発明者】 |
【氏名】石塚 正之
【氏名】柳谷 知之
【氏名】安原 征治
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| 【要約】 |
【課題】ＭＲＩなど磁気精度の高い低温機器にＧＭ冷凍機などの冷凍機を用いる場合、蓄冷材の移動による磁気を外部磁場から遮断して、冷凍機の内部の磁気による影響を低温機器など外部に及ぼさないようにするとともに、超電導線材１４による加工および製造を低コストで行い、シールドの程度を容易に調整可能とした冷凍機用磁気シールド体を提供すること。
【解決手段】磁気シールド体として超電導線材１４によるコイル１２を採用することに着目し、超電導線材１４を冷凍機のシリンダー部６に巻く構成を工夫したもので、磁性体から構成した蓄冷材を移動することにより冷却ステージに冷凍を発生する冷凍機のシリンダー部６に超電導線材１４を所定回数で巻き付けて構成したコイル１２を有するとともに、超電導線材１４の両端部を接続したことを特徴とする。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 ディスプレーサーを収容したシリンダー部と、このシリンダー部に設けた冷却ステージと、磁性体から構成した蓄冷材を前記ディスプレーサーによって移動することによりこの冷却ステージに冷凍を発生する冷凍機において、該蓄冷材に発生する磁気をシールドするための冷凍機用磁気シールド体であって、前記シリンダー部に超電導線材を所定回数で巻き付けて構成したコイルを有するとともに、この超電導線材の両端部を接続したことを特徴とする冷凍機用磁気シールド体。
【請求項２】 ディスプレーサーを収容したシリンダー部と、このシリンダー部に設けた冷却ステージと、磁性体から構成した蓄冷材を前記ディスプレーサーによって移動することによりこの冷却ステージに冷凍を発生する冷凍機において、該蓄冷材に発生する磁気をシールドするための冷凍機用磁気シールド体であって、前記シリンダー部を被覆可能な巻枠と、この巻枠に超電導線材を所定回数で巻き付けて構成したコイルと、を有するとともに、この超電導線材の両端部を接続したことを特徴とする冷凍機用磁気シールド体。
【請求項３】 前記コイルは、前記蓄冷材の長さ方向にこれを複数個設けたことを特徴とする請求項１あるいは２記載の冷凍機用磁気シールド体。
【請求項４】 前記巻枠は、前記蓄冷材の長さ方向にこれを複数個設けたことを特徴とする請求項２記載の冷凍機用磁気シールド体。
【請求項５】 前記コイルは、前記蓄冷材の径方向にこれを複数個重ねて設けたことを特徴とする請求項１あるいは２記載の冷凍機用磁気シールド体。
【請求項６】 前記コイルの巻数は、その両端部においてこれを増やしてあることを特徴とする請求項１あるいは２記載の冷凍機用磁気シールド体。
【請求項７】 前記コイルは、前記超電導線材の両端部を超電導接続するとともに、前記超電導線材どうしを互いに固定することを特徴とする請求項１あるいは２記載の冷凍機用磁気シールド体。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は冷凍機用磁気シールド体にかかるもので、とくに蓄冷材を用いた、たとえばＧＭ冷凍機などの冷凍機において発生する磁気をシールドするための冷凍機用磁気シールド体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】ＧＭ冷凍機などは、ディスプレーサーに蓄冷材を収容し、このディスプレーサーを上下動させることにより冷凍を発生している。この蓄冷材は、一般に磁性体である。この種の冷凍機を低温機器、たとえば、磁場を利用し、かつ磁場精度が要求されるＭＲＩ（磁気共鳴画像装置）などに取り付けて使用する場合、磁性体である蓄冷材の移動による変動磁場が問題となる。すなわち、ＭＲＩの磁場の中において冷凍機のディスプレーサー（蓄冷材）が上下動することにより、ＭＲＩの磁場に変動が起こって画像を乱してしまうという問題がある。
【０００３】図９にもとづき概説する。図９は、従来からのＧＭ冷凍機１の概略断面図であり、ＧＭ冷凍機１は、ハウジング２と、ディスプレーサー３と、蓄冷材４と、被覆用のシールド体５と、を有する。
【０００４】ディスプレーサー３は、その内部に蓄冷材４を収容し、蓄冷材４とともにハウジング２のシリンダー部６内で図中、上下動をすることにより、冷却ステージ（第２段冷却ステージ７）に所定温度の冷凍を発生する。
【０００５】蓄冷材４は、磁性体などからこれを構成するもので、たとえば磁性を有するＨｏＣｕ2あるいはＥｒ3ＮｉＣｏなどの材料からなり、この蓄冷材４がディスプレーサー３とともに上下動することにより、その周囲に磁場を発生し、ＭＲＩによる外部磁場に変動を生じてしまう。
【０００６】シールド体５は、これをＧＭ冷凍機１のシリンダー部６に取り付けるもので、ＭＲＩその他各種の低温機器による外部磁場が蓄冷材４まで侵入しないようにして外部磁場の変動を抑制する。こうしたシールド体については、たとえば特許第２６００８６９号あるいは特開平９―３２６５１３号などにその開示がある。特許第２６００８６９号においては、強磁性体または超電導体からなる磁気シールドを蓄冷材の周囲に設けているが、この磁気シールドは円筒体であって、加工が困難かつ高価であるという問題がある。特開平９―３２６５１３号においては、シート状の超電導体を筒状に巻き重ねることによりシールド体を構成するとしているが、シート状の超電導体も市販されているものではなく、上記円筒体による磁気シールドと同様に高価であるという問題がある。なお、超電導線材を用いることも開示しているが、より具体的な構成の開示がない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】本発明は以上のような諸問題にかんがみなされたもので、ＭＲＩなど磁気精度の高い低温機器にＧＭ冷凍機などの冷凍機を用いる場合の冷凍機用磁気シールド体を提供することを課題とする。
【０００８】また本発明は、蓄冷材の移動による磁気を外部磁場から遮断することができる冷凍機用磁気シールド体を提供することを課題とする。
【０００９】また本発明は、冷凍機の内部の磁気による影響を低温機器などの外部に及ぼさないようにした冷凍機用磁気シールド体を提供することを課題とする。
【００１０】また本発明は、超電導線材による加工および製造を低コストで行うことができるとともに、磁気シールドの程度を容易に調整可能とした冷凍機用磁気シールド体を提供することを課題とする。
【００１１】また本発明は、超電導線材による磁気シールド体をＧＭ冷凍機のシリンダー部に取り付ける固定方法を考慮した冷凍機用磁気シールド体を提供することを課題とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】すなわち本発明は、磁気シールド体として超電導線材によるコイルを採用することに着目し、この超電導線材を冷凍機のシリンダー部に巻く構成を工夫したもので、第一の発明は、ディスプレーサーを収容したシリンダー部と、このシリンダー部に設けた冷却ステージと、磁性体から構成した蓄冷材を上記ディスプレーサーによって移動することによりこの冷却ステージに冷凍を発生する冷凍機において、該蓄冷材に発生する磁気をシールドするための冷凍機用磁気シールド体であって、上記シリンダー部に超電導線材を所定回数で巻き付けて構成したコイルを有するとともに、この超電導線材の両端部を接続したことを特徴とする冷凍機用磁気シールド体である。
【００１３】第二の発明は、上記コイルに加えてこのコイル用の卷枠を備えたもので、ディスプレーサーを収容したシリンダー部と、このシリンダー部に設けた冷却ステージと、磁性体から構成した蓄冷材を上記ディスプレーサーによって移動することによりこの冷却ステージに冷凍を発生する冷凍機において、該蓄冷材に発生する磁気をシールドするための冷凍機用磁気シールド体であって、上記シリンダー部を被覆可能な巻枠と、この巻枠に超電導線材を所定回数で巻き付けて構成したコイルと、を有するとともに、この超電導線材の両端部を接続したことを特徴とする冷凍機用磁気シールド体である。
【００１４】上記コイルあるいは上記巻枠は、上記蓄冷材の長さ方向にこれを複数個設けることができる。
【００１５】上記コイルは、上記蓄冷材の径方向にこれを複数個重ねて設けることができる。
【００１６】上記コイルの巻数は、その両端部においてこれを増やすことができる。
【００１７】上記コイルは、上記超電導線材の両端部を超電導接続するとともに、上記超電導線材どうしを互いに固定することができる。
【００１８】上記超電導線材として、たとえば、市販されているＮｂＴｉ超電導線材（超電導丸線）を採用することにより、低コストかつ信頼性の高い上記コイルを製作することができる。
【００１９】本発明による冷凍機用磁気シールド体においては、巻枠を介して、あるいは巻枠を介さずに、超電導線材をコイルとし、このコイルにより冷凍機のシリンダー部の蓄冷材部分を被覆するようにしたので、蓄冷材の移動による磁場を消去するシールド電流がコイルに流れるとともに、ＭＲＩその他の低温機器による外部磁場が、コイルを通り、蓄冷材まで侵入することはないため、蓄冷材の移動により外部磁場が乱されることなく、互いの影響を極力おさえるようにすることができる。
【００２０】とくに第二の発明のように、巻枠を設けることにより、冷凍機とは別にコイルを製作することができ、既設の低温機器への取付けを可能とするとともに、製作工程の自由度を増すことができる。
【００２１】さらに、コイルないし巻枠を蓄冷材の長さ方向あるいは径方向に複数個配置することにより、このコイルにおける磁場の強さを調節して、任意のレベルに調整することが可能となり、それぞれの蓄冷材の特性に応じた冷凍機用磁気シールド体とすることができる。また、コイルの両端部において、その巻数を増やすことにより、とくにコイルの端部においてコイルの内部に入り込む外部磁場を減少させ、コイル内部の蓄冷材の移動による影響を極力均一に減少させることができる。なおまた、超電導線材によるコイルを形成する際に、超電導線材を粗密をもって卷くことにより、外部磁場の影響の抑制程度を調節することができる。
【００２２】当該コイルは、超電導線材の両端部を超電導接続することによりシールド機能を良好に発揮することができるとともに、超電導線材どうしを互いに固定することにより超電導線材の整列状態の乱れを回避することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】つぎに本発明の第１の実施の形態による冷凍機用磁気シールド体１０を図１および図２にもとづき説明する。ただし、図９と同様の部分には同一符号を付し、その詳述はこれを省略する。図１は、冷凍機用磁気シールド体１０の側面図であって、冷凍機用磁気シールド体１０は、円筒状の巻枠１１と、このまわりに巻き付けたコイル１２と、を有する。
【００２４】巻枠１１は、鋼材（ＳＵＳ）、銅、あるいは真鍮などの材料からこれを薄肉に構成するとともに、その両端部にフランジ部１３を形成してある。
【００２５】コイル１２は、たとえば、金属系超電導体であるＮｂＴｉ線材などの超電導線材１４を巻枠１１のフランジ部１３の間の外周面に整列巻きし、一方のフランジ部１３において同じ巻き方向で折り返し、戻ってきた端部を巻始めの端部と接続して短絡させる。すなわち、超電導線材１４の第１層目１５を巻き始め、巻枠１１の一方のフランジ部１３にまで達したところで折り返し、第２層目１６を巻いてゆく。両端部を２００ｍｍ程度を接続して短絡部分１７とする。
【００２６】この短絡部分１７の接続方法としては、必要に応じて、超電導接続あるいは半田接続を行う。図１に短絡部分１７を部分的に拡大して示すように、超電導接続は、まず、超電導フィラメント１４Ａを覆っている銅部分を硝酸などにより接続する長さ分だけ溶かし、超電導フィラメント１４Ａだけを露出させる。露出した超電導フィラメント１４Ａどうしをねじり、圧着するか、スポット溶接を行って、外側を銅パイプ１８により多い、パイプ空間を半田１９で埋める。この超電導接続では、超電導線材１４（その超電導フィラメント１４Ａ）どうしのみが接触するので、一般的な半田接続より良好な抵抗の少ない接続が可能である。
【００２７】図１に図示の状態は、理解しやすいように超電導線材１４を互いに離した状態で示してあるが、実際には超電導線材１４が乱れないように、半田あるいは樹脂などを用いて隣りのあるいは上下の層の超電導線材１４どうしを固定する。この固定処理は巻枠１１の全面にわたって行う必要はなく、幅１０ｍｍ程度を縦に接続するだけでもよい。
【００２８】当該冷凍機用磁気シールド体１０をＧＭ冷凍機１のシリンダー部６に取り付けるには、各種の方法を採用することができる。たとえば、半田を用いて巻枠１１をシリンダー部６に固定する。さらに、シリンダー部６の外周面および巻枠１１の内周面に互いにネジを切っておき、締め付けにより冷凍機用磁気シールド体１０をシリンダー部６に取り付けることもできる。なおこの場合、熱伝導の良好なグリースを締め付ける前に塗布しておき、巻枠１１とシリンダー部６との接触を良好とする。あるいは、巻枠１１を用いることなく、超電導線材１４をシリンダー部６に直接巻いて、コイル１２とすることもできる。
【００２９】こうした構成の冷凍機用磁気シールド体１０をＧＭ冷凍機１（シリンダー部６）に取り付けることにより、磁場の影響を減少させる。図２は、冷凍機用磁気シールド体１０の軸方向の長さおよび磁場（内部磁場および外部磁場）の関係を示すグラフであって、外径４９ｍｍ、内径４６ｍｍ、長さ１４０ｍｍの真鍮製の巻枠１１のまわりに、径０．４ｍｍのＮｂＴｉ製の超電導線材１４を７００ターン巻き（第１層目１５が３５０ターン、および第２層目１６が３５０ターン）、両端の短絡部分１７は通常の半田接続を行って冷凍機用磁気シールド体１０とした。この冷凍機用磁気シールド体１０をＧＭ冷凍機１のシリンダー部６に取り付けた結果、温度４．２Ｋにおいては、磁場の最大強さ５０００ガウスを冷凍機用磁気シールド体１０に印加しても、冷凍機用磁気シールド体１０の中心部は、磁場がゼロガウスの状態であった。
【００３０】ただし図２に示すように、磁気シールドする磁場が大きく変動するような場合がある。たとえば、冷凍機用磁気シールド体１０の中心でピーク磁場３０００ガウスをシールドするとき、冷凍機用磁気シールド体１０は、その巻枠１１ないしコイル１２全体が一体型であるので、シールド電流がコイル１２全体にわたって流れるため、冷凍機用磁気シールド体１０の中心からずれた位置、たとえば冷凍機用磁気シールド体１０の端部（フランジ部１３）から内方２０ｍｍの位置においても、磁場３０００ガウスをシールドする電流が流れていることになる。すなわち、端部から内方２０ｍｍの位置では、外部磁場が２８００ガウスであるため、２８００−３０００＝―２００ガウス、の磁場がかかってしまうことになる。この磁場の符号は負となり、磁場の向きは外部磁場に対して逆向きである。
【００３１】こうした場合に対応するためには、本発明による冷凍機用磁気シールド体として巻枠およびコイルをその長さ方向に分割した構成を取ることができる。たとえば図３は、本発明の第２の実施の形態による冷凍機用磁気シールド体２０の側面図であって、この冷凍機用磁気シールド体２０は、前記巻枠１１（図１）と同様の、その長さ方向における３個の第１の巻枠２１、第２の巻枠２２および第３の第３の巻枠２３と、それぞれの第１の巻枠２１、第２の巻枠２２および第３の巻枠２３に巻き付けた第１のコイル２４、第２のコイル２５および第３のコイル２６と、を有する。第１のコイル２４、第２のコイル２５および第３のコイル２６は、図１に示したコイル１２と同様に、超電導線材１４を短絡部分１７により短絡したものである。
【００３２】また図４は、本発明の第３の実施の形態による冷凍機用磁気シールド体３０の側面図であって、冷凍機用磁気シールド体３０は長さ方向の１個の巻枠３１と、巻枠３１に巻き付けた下層コイル３２と、径方向上層の中間層コイル３３および上層コイル３４と、を有する。下層コイル３２、中間層コイル３３および上層コイル３４は、図１に示したコイル１２と同様に、超電導線材１４を短絡部分１７により短絡したものである。たとえば、冷凍機用磁気シールド体３０全体として６層に巻く場合、超電導線材１４の第１層目１５および第２層目１６を短絡させて下層コイル３２とし、この一段目より径を大きくした３層（第１層目１５に相当）および４層（第２層目１６に相当）を短絡したものを中間層コイル３３とし、同様にして三段目の上層コイル３４を作製する。一段目の下層コイル３２の外側に二段目の中間層コイル３３をかぶせ、さらに中間層コイル３３の外側に三段目の上層コイル３４をかぶせる。この積層の際、外側（上層側）に行くにしたがって、かつ、冷凍機用磁気シールド体３０全体として対称になるように、下層コイル３２、中間層コイル３３および上層コイル３４の長さを順次短くしていけば、均一なシールドが可能である。
【００３３】こうした冷凍機用磁気シールド体２０（図３）あるいは冷凍機用磁気シールド体３０（図４）の構成を採用することにより、発生する磁場（シールド電流）の強さの分布を任意に調整することができる。図３の冷凍機用磁気シールド体２０のように分割してあれば、冷凍機用磁気シールド体２０の中心では３０００ガウスの磁場をシールドするためのシールド電流が流れ、たとえば中心から内方にずれた２０ｍｍの位置では、２８００ガウスの磁場を発生させるシールド電流が流れるように第１のコイル２４、第２のコイル２５および第３のコイル２６の巻き数などを調節可能となり、図１に示した一体型の冷凍機用磁気シールド体１０のような問題は起こらない。
【００３４】図５に示すように、三分割型の冷凍機用磁気シールド体２０の長さを設定して実験した結果、図２と同様の、図６に示すグラフのようになった。すなわち、冷凍機用磁気シールド体２０の端部における内部への磁場の侵入が図２に比較しておさえられ、冷凍機用磁気シールド体２０内部の磁場の均一性が確認される。
【００３５】図７に示すように、三層型の冷凍機用磁気シールド体３０の長さを設定して実験した結果、図２と同様の、図８に示すグラフのようになった。この場合も同様に、冷凍機用磁気シールド体３０の端部における内部への磁場の侵入が図２に比較してさらにおさえられ、冷凍機用磁気シールド体３０内部の磁場の均一性が確認される。
【００３６】なお図２に示すように、冷凍機用磁気シールド体１０の端部においてその内部への磁場の入り込みが見られるが、実際上この値であれば通常のＭＲＩには影響を与えない。しかしながら、影響する低温機器がある場合には、冷凍機用磁気シールド体１０の端部（フランジ部１３）における超電導線材１４の巻き数を増やすことにより、コイル１２に流れるシールド電流の強さを調節してこの問題を解決することができる。
【００３７】また、図３の冷凍機用磁気シールド体２０のように巻枠２１、２２、２３およびコイル２４、２５、２６を分割する場合には、端部どうしを突き合わせた部分において磁場の侵入が考えられるが、ＭＲＩには問題がない侵入量である。低温機器によっては、この冷凍機用磁気シールド体２０および冷凍機用磁気シールド体３０など複数個接続型においても、各１個の冷凍機用磁気シールド体（超電導線材１４によるコイル）の端部の巻き総数を増やすことにより、外部磁場の侵入をおさえることが可能である。
【００３８】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、超電導線材によるコイルを形成したので、蓄冷材の移動による磁場の乱れを抑制するために種々の微調整が低コストで可能であるとともに、蓄冷材の移動に起因する、ＭＲＩなど低温機器への磁場の影響を極力少なくすることができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００２１０７
【氏名又は名称】住友重機械工業株式会社
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| 【出願日】 |
平成１１年３月１５日（１９９９．３．１５） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００７９３６０
【弁理士】
【氏名又は名称】池澤 寛
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| 【公開番号】 |
特開２０００−２６６４１７（Ｐ２０００−２６６４１７Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年９月２９日（２０００．９．２９） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−６７７８９ |
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