JP5848766B2 - 低磁場ｎｍｒ測定用電磁石及び当該電磁石の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、低磁場NMR測定−試料の含水量の決定−に適した電磁石に関する。

本発明はまた、NMRに基づく含水量測定における適応可能なパルス間隔調節用装置にも関する。

NMR（核磁気共鳴）技術は、材料の湿気の量を決定するのに用いられてきた。たとえば特許文献1は、この型のシステムについて記載している。様々な材料の試料の含水量が、NMR緩和時間測定法を用いることによって正確かつ迅速に測定可能である。NMRに基づく湿気の量を測定する装置を広範に使用することは難しい。その理由は、要求される均一で十分な強度を有する主磁場を生成するのに、磁石が高コスト、大きな重量、及び大きなサイズとなるためである。多くの用途−たとえばバイオマス含水測定−では、所望の試料体積は1リットル以上のオーダーである。十分大きな体積向けの均一で十分な強度を有する磁場を生成する低コストの小型NMR磁石はまだ実用されていない。

大きなサイズを必要とする一の理由は、NMR用に均一な磁場を発生させるのに用いられる抵抗性電磁石は一般的に、試料体積から相対的に離れた複数の導体ワイヤ積層体で構成されるためである。そのようにして、高い均一性がある程度の数の積層体によって実現可能で、かつ、前記積層体内でのワイヤの位置設定とジャンパワイヤの位置設定が特に重要ではなくなる。しかしそのような磁石の構造の効率は電力消費の点では不十分であり、かつ、磁石は一般的に低磁場領域でさえも液体によって冷却される必要がある。それに加えて係る構成では、磁石のサイズと重量は、均一な磁場体積と比較して大きくなる。

仏国特許第2786567号明細書

本発明の目的は、NMRに基づく水又は他の物質の含有量測定を行う新規な電磁石を供することである。

本発明の実施例の目的は、現在利用可能なものよりも小さな電磁石を供することである。

本発明の実施例の目的は、測定体積内で均一な磁場を実現するため、十分な許容限界内で前記磁石を構築することを可能にする構造を有する電磁石を供することである。

本発明の実施例の目的は、測定体積内での所望のレベルの磁場の均一性を実現すると同時に、導体ワイヤの所与の磁場強度及び合計質量についての電力消費を最小にするように構造的に最適化されうる電磁石を供することである。エネルギー効率は、磁石が到達可能な最大磁場強度に直接関連する。

本発明の実施例の目的は、容易に製造及び組立が可能な電磁石を供することである。

本発明は、磁石のワイヤ積層体を少なくとも軸方向において正確に位置設定する案内溝を外側表面上に有する基本的に円筒対称な磁石フレームに基づいている。

本発明の実施例は、半径方向においてワイヤループを正確に位置設定するため、導体ワイヤの少なくとも1つの寸法を等しくすることに基づいている。

本発明の実施例は、実効的な半径方向の電流が磁場の均一性に及ぼす影響を減少させるように、ワイヤの積層体を時計回りの方向と反時計回りの方向に交互に巻くことに基づいている。

本発明の実施例は、磁石フレーム内部の試料体積での磁場均一性への不適切な効果を抑制するようにワイヤ積層体を接合するジャンパワイヤを配線することに基づいている。係る配線は、ワイヤ積層体を巻く方向を互い違いにすることによって可能となる。

最終的に磁石は、高レベルのエネルギー効率と測定/試料体積内での最適化された磁場強度を実現するように最適化された半径及び巻数のワイヤ積層体を実現する可能性を供する。

より具体的には、本発明による電磁石及び当該電磁石の製造方法は、独立請求項の特徴部の記載によって特徴付けられる。

本発明は重要な利点を与える。

本発明によって導体ワイヤ積層体を試料体積に近づけることで、エネルギー効率が改善され、かつ、磁石が小さくて軽くなる。しかし本発明によって導体ワイヤ積層体を試料体積に近づけることで、導体ワイヤの位置設定に厳しい許容限界が課せられ、かつ、十分高い磁場均一性を保証するために細かなワイヤ配線が要求される。本発明は、導体ワイヤ積層体の厳密な位置設定を保証し、かつ、磁場均一性への不適切な効果を非常に小さくするようにジャンパワイヤを配線する磁石の構造について記載している。そのように構築されることで、これまで利用できなかった試料体積、磁石のサイズと重量、エネルギー効率、及び製造容易性の組み合わせが実現されうる。エネルギー効率が改善されるため、磁石は、約1dm³の測定体積内で最大1MHzのプロトン共鳴に相当する磁場強度では強制冷却を必要としない。そのように巻くことで、試料体積内での磁場は、積層体の螺旋ワイヤの直線部での電流のみによって非常に高精度に決定され、かつ、そのワイヤの他の部分からの寄与は無視できるようになる。

上記に加えて、ワイヤ位置設定における許容度は非常に小さくなりうる。ワイヤ積層体自体だけではなくワイヤの1つの環の位置設定も、磁石の機械的構造によって正確に設定されうる。これにより十分な許容度が磁石の構造により実現されうる。これにより、品質が向上して、かつ、誤製造の危険性が減少する。

電磁石のフレームの基本的な概念を概略的に表している。 組み立てられた電磁石を表している。 単一のワイヤ積層体の概略図である。 図2aの拡大図を表している。 隣接する積層体から他の積層体へDC電流を導くジャンパワイヤの配置を図示している。 導体ワイヤの寸法の均等化を表している。 抄紙機を表している。

以降では、添付図面に表された典型的実施例の助けを借りて本発明を説明する。

磁石のフレーム1が図1に示されている。フレーム1は、定常位置に磁石を設ける底部フランジ2と、たとえば試料の湿気の量を測定する円筒体積4を有する対称な円筒体3を有する。電磁石の目的は、磁石の全体サイズと比較して大きな円筒体積4内で均一性の高い磁場を生成することである。フレーム内の円筒開口部4は、円筒形の試料体積空間を含む。円筒体積4内部で所望の均一な磁場を実現するため、対称な円筒形状が推奨される。磁石は磁石フレーム1と導体ワイヤで構成される。導体ワイヤループは、円筒体積内部での磁場の均一性を所望のレベルに保つため、フレーム1の周辺での磁石1の十分な許容度の範囲内で正確に巻かれなければならない。これを実現するため、フレーム1の本体3は、長方形の断面形状を有して(N-1)枚の分離壁6によって分離されるN本の環状溝5を有する。ここで各溝5は、長方形の断面を有するワイヤ8を巻いて構成される2つの積層体7a,7bを有するワイヤ積層体の集合体7を収容するような寸法に設定される。ワイヤは、各溝内に2つの積層体7a,7bを形成する。ワイヤは、溝底部で、積層体8を接続する1つの螺旋ループ9を形成する。積層体を接続する他の考えられ得る手段はたとえば、積層体の底部ループを相互接続するため、積層体にはんだ付けされる伝導性ワイヤの軸方向を向く部分を含む。積層体の集合7が巻かれるとき、螺旋ループ9が最初に積層体の溝5の底部に形成される。その後、積層体の溝5が埋められる、又は、所定の巻数だけ巻かれるまで、各積層体7a,7bは互いに反対方向に導体ワイヤ8を巻くことによって形成される。

ワイヤの位置設定に係る許容度は、NMR測定に用いられる磁石では十分である。十分均一な磁場を実現するため、約±0.1mmの位置の許容度が必要とされる。積層体中においては互いの上部に数十もの導体ワイヤの環状体が存在しうるので、空間位置の許容度の基準がそのワイヤの全長にわたって満たされなければならない場合、ワイヤの寸法の許容度は非常に良好でなければならない。特に厚さの許容度は重要である。市販されているリードワイヤとその被覆絶縁体の寸法の許容度は要求されている許容度に対して大きすぎるので、少なくともそのワイヤの厚さと平坦性を均等化する方法が必要とされる。

上述の要件を満たすため、ワイヤの寸法は均一化され、かつ、そのワイヤは平坦化されなければならない。これは、図4に図示されているように、2つの滑らかで正確に位置設定されたロールの間でワイヤを前進させることによって効率的に行うことができる。そのような前進による均等化及び平坦化は、金属加工産業において十分確立された手法である。本願では同一の原理が、磁石のリードワイヤの厚さを均等化させるのに適用される。通常は厚さの処理しか必要とされない。ワイヤの幅は供給された状態で適切である。均等化の代替方法はワイヤ又は絶縁体の化学エッチングである。しかしこの方法は、本願の製造方法ほど有効ではないし、有害な物質を含む。積層体中でのワイヤループの十分正確な位置設定が望ましい場合、所望の許容度を実現するため、リードワイヤの厚さは巻いている間で変化して良い。有利となるように、絶縁体が導体ワイヤに堆積された後に、リードワイヤは巻かれる。そのため絶縁体の厚さも均等化され、かつ絶縁体も平坦化される。絶縁体の許容度は通常、金属ワイヤ自体の許容度よりも大きい。

軸方向での位置の精度は、磁石フレーム1の溝5及び分離壁6によって決定される。これらはかなりの精度でフレーム上に加工されうるので、ワイヤループが巻かれている間に溝5内で押圧されるときに、ワイヤ積層体は、軸方向において正確に位置設定される。すべてのワイヤ積層体7が磁石フレーム1の周囲に巻かれた後、磁石の電気回路は、図3aと図3bに図示されているように、ジャンパワイヤによってワイヤ積層体7を接合することによって形成される。ジャンパワイヤの配線はジャンパワイヤの集合10によって行われて良い。第1積層体7aが、ジャンパワイヤの集合10を介して隣接するワイヤ積層体の集合の第1積層体7aと接続する。その接続は、積層体7aの接続用舌状体（connection tongue）11を互いに接続することによって行われる。同様に隣接するワイヤ積層体の集合の積層体7bは、ジャンパワイヤの集合10によって互いに接続される。これは図3bにて概略的に図示されている。図3bから分かるように、軸方向における正味の平均化されたジャンパワイヤ電流は、戻り電流ワイヤの電流に対して、大きさは同一だが方向は反対である。同様に隣接する溝間の積層体が反対方向に巻かれているため、隣接する導体の積層体の集合の軸方向の実効電流は互いに打ち消される。さらに半径方向でのジャンパワイヤ電流は、隣接する積層体間で互いに打ち消される。

ジャンパワイヤの配線についての一の適切な機械的構造が図3aに図示されている。図中、1つに接合する接続舌状体11,12は同一方向に曲げられることで、舌状体の各列間にギャップが生成される。戻り電流ワイヤ13は舌状体の各列間に設けられる。そのような接続構造は、上述したように、製造が容易であり、かつ、電磁的学的に利点がある。

積層体中でのワイヤループの数、積層数、及び、それらのフレーム1の対称軸からの半径方向の距離は、意図した使用法に従って、各磁石について個別に最適化される。磁石のフレームの対称軸からの溝の根元の半径方向の距離r(i)(i=1,…,N)は変化する。その距離を決定する方法は後述する。

磁石のフレームの溝Nの数、溝の幅w、磁気フレームの対称軸からの溝の根元の半径方向の距離r(i)(i=1,…,N)、及び、積層体の螺旋巻数Nw(i)(i=1,…,N)は計算により決定される。その計算では、試料体積、その試料体積内での磁場均一性の程度、磁石の全体の寸法と重量、電力消費、磁石外部での磁場の減衰、考えられ得る他の有意な基準の組み合わせが、所望の方法で重み付けられることによって最適化される。

導体ワイヤは、まっすぐに螺旋を構成する積層体内のフレームの溝に入り込むように巻かれる。これらの積層体は、以下に示す条件が満たされるように電流回路内で並列に接続される。
1.隣接する積層体内での実効的な半径方向の電流は、互いに反対方向に流れる。それにより結果として生成される磁場への電流の試料体積での寄与は抑制される。
2.積層体の相互接続は、合計の軸方向電流への隣接する積層体からの寄与が互いに打ち消されるように配置される。それにより結果として生成される磁場への電流の試料体積での意図しない寄与は抑制される。隣接する積層体は有利となるように互い違いの方向に巻かれる。
2+.積層体の相互接続は、隣接する積層体のジャンパワイヤからの合計の軸方向電流への隣接する積層体からの寄与が戻り電流ワイヤの電流によって打ち消されるように配置される。それにより結果として生成される磁場への電流の試料体積での意図しない寄与は抑制される。
3.溝を分離する壁と軸方向での十分な許容度は、螺旋積層体を真っ直ぐにして、かつ、積層体の面をフレームの対称軸に対して直交させる。分離壁は、導体ワイヤを、対称軸の方向における正しい位置に閉じこめる。

これらの条件を満たすことによって、試料体積内での磁場が、真っ直ぐな積層体の螺旋ワイヤ部での電流のみによって非常に高精度に決定され、かつ、ワイヤの他の部分での電流の寄与が無視できるように巻くことが可能となる。それに加えてワイヤの位置設定における許容度を非常に小さくすることができる。

積層体の数は2つに限定されない。積層体の数が偶数であるとき、積層体を単純に加えることによって構造は実現されうる。ここで分離壁は、各積層体の間に−たとえば3番目の積層体毎に−設けられるのではない。これにより磁石の対称軸方向での十分な空間許容度が保証される。

積層体の数が奇数であるとき、構造には多少の変化が必要となる。上述の実施例との本質的な差異は、ジャンパワイヤの一部が、積層体から磁石フレーム内部の積層体へ導かれるように配線されることである。これは、ジャンパワイヤの磁石フレームに孔を設けることによって実現されて良い。如何なる場合でも、ジャンパワイヤの構成は、上述したものと非常に相似する。さらに積層体底部で磁石フレームに抗する内部螺旋は存在せず、積層体は底部から上方にまっすぐ向かうように巻かれる。これは、製造の観点から見ると明らかな利点である。底部では、磁石内部にジャンパワイヤを導くのは難しい。

アルミニウムは、比較的熱伝導度と伝導率が高いことに加えて軽くて価格も手ごろなため、磁石フレーム及びワイヤにとって有利な材料である。熱伝導度が高いことで、磁石内での熱膨張の勾配が抑制される。当然のこととして、他の伝導性材料−たとえば従来用いられてきた銅−が用いられても良い。しかし本発明は特定の材料に限定されない。要求された精度で望ましい形態に加工又は形成されうる任意の適切な材料が用いられて良い。

長方形以外の他の断面−たとえば円又は楕円−を有する伝導性ワイヤを用いることも考えられ得る。よって環状溝の底部はワイヤの形状に従いうる。溝の壁は互いに平行で、かつ、フレームの長手軸に対して垂直である。しかしそのような実施例はいくつかの欠点を有している。試料体積がリードワイヤに近接して設けられれば、磁石の電気的効率が向上する。環状ワイヤが用いられる場合、自由大気空間がワイヤ間に残る。コイル巻の一部は、断面を一定にしようとする場合、試料体積から遠ざかるように設けられなければならない。またコイル内部での熱伝導度も減少する。

図5は抄紙機の基本構造を表している。（複数の）パルプ流が、ワイヤピット100を介して抄紙機へ供給される。（複数の）パルプ流は通常、パルプ流用の混合タンク130と機械タンク132によって生成される。機械パルプは、重量制御又は品質変化プログラムによって短い循環期間でまとめられる。混合タンク130及び機械タンク132はまた、別個の混合反応装置（図5には図示されていない）によって置き換えられて良い。機械パルプのまとめ処理は、バルブ又は他の流れ制御手段128によって各パルプ流を個別に供給することによって制御される。ワイヤピット100では、所望の一貫性を備えた短い循環期間（フォーマ110からワイヤピット100への破線）が供されるように、機械パルプは水と混合される。生成されるパルプから、洗浄装置102によって、砂（ハイドロサイクロン）、空気（脱気タンク）、又は他の粗い材料（圧力スクリーン）を除去することが可能である。パルプは、ポンプ104によってヘッドボックス106へ排出される。ヘッドボックス106の前に、必要な場合には、充填剤TA−たとえばカオリナイト、炭酸カルシウム、滑石、酸化チタン、シリカなど−及び/又は反応剤RA−たとえば無機又は天然若しくは合成の水溶性有機ポリマー−がパルプに加えられても良い。充填剤は、形成、表面特性、不透明度、輝度、及び印刷適性の改善、並びに、製造コスト削減に利用されて良い。保持剤RAは、RAが用いられている部分で、微粒土及び充填剤の保持特性を向上させ、同時にそれ自体既知の方法で脱水速度を向上させる。よって充填剤と保持剤のいずれもウエブと紙の表面構造に影響を及ぼす。

ヘッドボックス106から、パルプは、ヘッドボックス106のスライス108を介して形成フォーマ110へ供給される。フォーマ110は、長網式フォーマ又はギャップフォーマであって良い。フォーマ110では、ウエブ50は脱水され、灰、微粒土、及び遷移が短い循環期間で除去される。フォーマ110では、パルプはウエブ50としてワイヤに供給され、かつ、ウエブ50はプレス112内で予備的に乾燥及び押圧される。ウエブ50は乾燥部114内で予備的に乾燥される。少なくとも1つの測定部116〜124が存在する。測定部116〜124は、たとえばNMR測定−たとえばウエブ50の含水量の決定−を行うことのできる電磁石であって良い。

抄紙機−本願においては通常の抄紙機と特殊白板紙抄紙機の両方と、パルプ製造機を指称する−はたとえば、プリカレンダ138、コーティング部140、及び/又はポストカレンダ142をも有して良い。しかし必ずしもコーティング部140は存在しなくて良く、かつ、その場合には2つ以上のカレンダ138,142も必ずしも存在しなくて良い。コーティング部140では、コーティング色−たとえばカオリナイト、チョーク若しくは炭酸塩、でんぷん、及び/又はlatexを含んで良い−は紙の表面に塗布されて良い。コーティング色を用いることで通常、紙の粗さは減少して、光沢度が改善される。

コーティングされていない紙又はコーティングされた紙が、所望の力で押圧するロール間を進行するカレンダ138,142では、紙の表面構造−たとえば粗さ−は変化させることができる。カレンダ138,142はまた紙の厚さ及び/又は光沢にも影響を及ぼしうる。カレンダ138,142では、ウエブの特性は、そのウエブに湿気を与えることによって、又は、温度とロール間でのニップ負荷/圧力によって変化しうる。それによりウエブに加わる力が大きくなればなるほど、紙はより滑らかで光沢を持つようになる。湿気を与え、かつ、温度を上昇させることで、さらに粗さが減少して、光沢が改善される。それに加えて、抄紙機の動作は、当業者には既知であることは明らかなので、本願明細書では詳述しない。

図5は抄紙機の制御システムを図示している。品質の変化に影響を及ぼす因子は、パルプ流の量と流速、充填剤の量、保持剤の量、機械の速度、背水の量、ウエブの湿気の量、及び乾燥能率を含む。制御装置126は、バルブ128によってパルプ流のまとまりを制御し、バルブ136によって充填剤TAのまとまりを制御し、かつ、バルブ134によって保持剤RAのまとまりを制御して良い。制御装置126はまた、スライス108のサイズ、機械速度、背水の量、及びブロック114における乾燥プロセスをも制御して良い。制御装置126はまた、制御指標と品質の変化を監視する測定装置116〜120をも利用する。制御装置126はまた、ウエブ50の特性を他の場所（たとえば制御が行われる場所と同一の場所）で決定しても良い。

制御装置126は、抄紙機又はその一部の自動データ処理に基づく制御装置と考えられても良い。制御装置126は、デジタル信号を受信するか、又は、受信されたアナログ信号をデジタル信号へ変換して良い。制御装置126は、マイクロプロセッサ及びメモリを有して良く、かつ、適切なコンピュータプログラムに従って信号を処理して良い。制御装置126はたとえば、PID（比例−積分−微分）、MPC（モデル予測制御）又はGPC（一般的予測制御）制御に基づいて良い。

Claims (15)

1. 内部に体積を有するフレーム、及び、前記フレームの周囲に巻き付かれた伝導性ワイヤを有する電磁石であって、
   前記体積は試料空間で、
   互いに平行でかつ前記フレームの長手軸に対して垂直な2つの壁を有する少なくとも2つの環状の溝、
   各々がワイヤによって巻かれる少なくとも1つの積層体を有する、前記溝内に存在する少なくとも2つのワイヤ積層体の集合体であって、前記ワイヤは断面を有する、ワイヤ積層体の集合体、
   前記少なくとも2つの環状の溝を分離する前記壁のうちの少なくとも1つの壁、及び、
   前記ワイヤ積層体の集合体を相互接続するように配線されたジャンプワイヤ(10)、を有し、
   前記ジャンプワイヤが配線されることで、隣接する積層体からの軸方向電流への寄与が、戻り電流ワイヤの電流によって平均として打ち消されることで、試料体積での磁場への寄与が抑制される、
   ことを特徴とする電磁石。
2. 各々が偶数個の積層体を有する少なくとも2つのワイヤ積層体、少なくとも2つの積層体、及び、前記積層体が、反対方向に巻かれていることを特徴とする、請求項1に記載の電磁石。
3. 前記少なくとも2つの環状の溝が長方形の断面を有することを特徴とする、請求項1に記載の電磁石。
4. 前記ワイヤの少なくとも厚さが均等化されることを特徴とする、請求項1に記載の電磁石。
5. 隣接する積層体又は積層体の対において互いに反対に実効的な半径電流を流すことで、前記試料体積で発生した前記磁場への前記電流の寄与を抑制することを特徴とする、請求項1乃至4のうちのいずれか一項に記載の電磁石。
6. 前記隣接する積層体又は積層体の対は、互い違いの方向に巻かれる、請求項1乃至5のうちのいずれか一項に記載の電磁石。
7. 前記積層体の相互接続を配置することによって、前記隣接する積層体のジャンプワイヤからの合計の軸方向の電流への寄与が前記戻り電流ワイヤの電流によって打ち消されることで、前記試料体積での発生する前記磁場への前記寄与が抑制されることを特徴とする、請求項1乃至6のうちのいずれか一項に記載の電磁石。
8. 前記ワイヤ積層体が、前記フレームの対称軸に対して直交する面内に配置される、請求項1乃至7のうちのいずれか一項に記載の電磁石。
9. 電磁石の製造方法であって：
   内部に試料空間としての試料体積を有するフレームを形成する手順；
   前記フレームに伝導性ワイヤを供する手順；
   互いに平行でかつ前記フレームの長手軸に対して垂直な2つの壁を有する少なくとも2つの環状の溝を形成する手順；
   各々がワイヤによって巻かれる少なくとも1つの積層体を有する、前記溝内に存在する少なくとも2つのワイヤ積層体の集合体を巻く手順であって、前記ワイヤは断面を有し、前記壁のうちの少なくとも1つは前記少なくとも2つの環状の溝を分離する、手順；
   隣接するワイヤ積層体の集合体とジャンプワイヤとを1つに接続する手順；
   を有し、
   前記接続する手順によって、隣接する積層体での実効的な半径方向電流が互いに反対方向に流れることで、前記試料体積での生じた磁場への前記積層体の寄与が抑制される、
   ことを特徴とする方法。
10. 偶数個の積層体、少なくとも2つの積層体が存在し、
    前記ワイヤは断面を有し、かつ、
    前記積層体が反対方向に巻かれている、
    ことを特徴とする、請求項9に記載の方法。
11. 前記フレームの外側表面上に長方形の断面を有する少なくとも2つの環状溝を形成する手順、
    各々が2つの積層体を有する少なくとも2つの積層体の集合体を巻く手順、
    を有し、
    前記ワイヤは長方形の断面を有し、かつ、
    前記積層体は、前記フレームの溝上で互いに反対方向に巻かれる、
    ことを特徴とする、請求項10に記載の方法。
12. 前記ワイヤの少なくとも厚さを均等化する手順を特徴とする、請求項10又は11に記載の方法。
13. 前記積層体の相互接続を配置することによって、前記隣接する積層体のジャンプワイヤからの合計の軸方向の電流への寄与が戻り電流ワイヤの電流によって平均して打ち消されることで、前記試料体積での発生する前記磁場への前記寄与が抑制されることを特徴とする、請求項9乃至12のうちのいずれか一項に記載の方法。
14. 巻くことによって前記ワイヤの少なくとも厚さを均等化する手順を特徴とする、請求項11乃至13のうちのいずれか一項に記載の方法。
15. 前記ワイヤ上に絶縁体コーティングを塗布した後に巻くことによって前記ワイヤの少なくとも厚さを均等化する手順を特徴とする、請求項14に記載の方法。

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