JP4301351B2 - ゼロボイルオフ型超伝導磁石用の熱伝導ガスケット - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の背景】
本発明は、機械的なクライオクーラ及び生じたヘリウムガスを再凝縮させて液体ヘリウムに戻すための再凝縮器を使用する磁気共鳴断層撮影（以後は「ＭＲＩ」と呼ぶ）のために適したヘリウム冷却式の超伝導磁石アセンブリに関するものである。更に詳しく言えば、本発明は超伝導磁石のクライオクーラを再凝縮器に対して熱的に連結するための改良された簡単で効率の良いガスケットに関する。
【０００２】
公知の通り、超伝導磁石を超伝導状態にするためには、それを極低温の環境中に置くこと、たとえば液体ヘリウムのごとき低温液体を含む低温槽又は圧力容器内にそれを封入することが必要である。極低温においては、磁石中の電気抵抗が存在しなくなるため、最初に（比較的短い時間だけ）磁石コイルに接続した電源を遮断した後にも磁石コイル中に電流が流れ続け、それによって強い磁界が維持されるのである。超伝導磁石アセンブリはＭＲＩの分野において広く使用されている。
【０００３】
世界中のＭＲＩ装置に安定して供給すべき液体ヘリウムを用意して保管することは、困難で費用のかかる仕事であることが判明している。そのため、たとえば沸騰によって生じたヘリウムガスを再凝縮させることにより、液体ヘリウムの補給の必要を低減させることに多大の研究開発努力が向けられてきた。
ヘリウムガスを再凝縮させて液体ヘリウムに戻す超伝導磁石は、しばしばゼロボイルオフ（ＺＢＯ）型磁石と呼ばれる。超伝導磁石のヘリウム圧力容器内において液体ヘリウムの沸騰により生じたヘリウムガスを、クライオクーラによって冷却された再凝縮器内の通路に流して再凝縮させた後、得られた液体ヘリウムは圧力容器内の液体ヘリウム浴に戻される。この場合、再凝縮器に対して機械的冷凍機又はクライオクーラを効率良く熱的に結合することが極めて重要である。なぜなら、ＺＢＯ型超伝導磁石においてはクライオクーラの冷却能力及び動作限界に接近することが多く、従ってヘリウムガスを再凝縮させるために必要な冷却をもたらす系の熱的能力は重い負担を強いられるからである。更にまた、かかる系において要求される効率の良い熱的結合を得るためには、クライオクーラに過大な圧力を加えることによってクライオクーラに損傷を及ぼすことなく、かつ超伝導磁石アセンブリ中におけるクライオクーラの挿入及び調整を容易にしながら上記の目的を達成することも必要である。
【０００４】
本発明の場合と同じ譲受人に譲渡された１９９７年１２月３０日付けの米国特許第５７０１７４２号明細書中には、所要の結合圧力を減少させるため、熱的結合界面に変形可能なインジウムガスケットを使用することが開示されている。しかしながら、限界冷却能力にほぼ達している一部のＺＢＯ型超伝導磁石においては、クライオクーラに対する損傷の可能性を回避するために結合圧力を更に低下させながら、熱効率を更に高めて十分な冷却を確保することが必要であると判明した。そこで、本発明は上記の米国特許第５７０１７４２号の発明に対する改良を成すものである。
【０００５】
インジウムは室温では柔軟でたわみ易いが、超伝導温度では適切に圧縮するのが極めて困難であることが判明している。僅かな欠陥や厚さの変動があるだけで、良好な熱伝導を得るためガスケットに非常に高い圧力を加えることが必要となり、そのために調整ねじのねじ山が剥離したり、あるいはクライオクーラのハウジングが損傷を受けたりすることがある。多くの場合、最小の圧力を加えることにより熱界面ガスケットに沿って一様で最適の熱伝導を得ることは困難若しくは不可能であった。
【０００６】
その結果、ＺＢＯ型超伝導磁石においてヘリウムガスを効率良く再凝縮させて液体ヘリウムに戻すためには、クライオクーラと再凝縮器との間に改良された単純で効率の良い熱継手を設けることが極めて重要となる。
【０００７】
【発明の概要】
このように、上記のごとき問題を効果的に解決すると共に、所要の熱的結合圧力によってクライオクーラに損傷を及ぼすことなくクライオクーラと再凝縮器との間に効率の良い熱継手を生み出すような、ヘリウム再凝縮器を冷却するための改良されたクライオクーラ装置が特に要望されているのである。
【０００８】
本発明の実施の一態様に従えば、機械的なクライオクーラ及びヘリウムガス再凝縮器を使用すると共に、ＭＲＩの超伝導動作時に最少限の真空破壊でクライオクーラの挿入及び取出しを可能にするスリーブを具備したヘリウム冷却式のゼロボイルオフ再凝縮型超伝導磁石アセンブリが提供される。かかる超伝導磁石アセンブリは、クライオクーラと再凝縮器との間に位置しかつ両者を熱的に相互連結するガスケットを含んでいる。このガスケットは実質的に純粋なインジウムから成ると共に、互いに向かい合った弓形のより薄い外側ウェブセグメントの間に延びる複数の実質的に平行な格子線を含んでいる。上記のウェブセグメントは格子線の直径より小さい厚さを有すると共に、格子線の末端の中心部分を相互に連結している。また、スリーブ内へのクライオクーラの設置を容易にすると共に、クライオクーラと再凝縮器との間の熱界面の圧力を調整するための手段も設けられている。
【０００９】
【実施の態様の説明】
先ず図１について説明すれば、ＭＲＩ用磁石装置１０はヘリウム５のごとき低温液体を含んだヘリウム圧力容器４を具備している。ヘリウム容器４と周囲の真空容器２との間には熱的隔離用の放射遮蔽体６が配置されている。ギフォード・マクマホン型のクライオクーラであり得る二段クライオクーラ１２が真空容器２を貫通してスリーブ８内に延びている。その際、クライオクーラ１２の低温端は真空容器２内の真空を破ることなく熱界面ガスケット２９に接触するようスリーブ８内に選択的に配置することができる。クライオクーラ１２の電動機９によって発生される熱は、真空容器２の外部３７に保持される。外部のクライオクーラスリーブリング１４が真空容器２の外部に延びていて、カラー１９及びスリーブフランジ１５が真空容器２に対する外側のクライオクーラスリーブ１３の固定を可能にしている。クライオクーラ１２は、整合中間フランジ２１によってクライオクーラスリーブアセンブリ８、１８、２３の内部３２に配置され、そして真空容器２内の真空を破ることなくフランジ２１を貫通してスリーブフランジ１５に対するボルト８２及び付随する座金（図示せず）によって所定の位置に固定されている。
【００１０】
クライオクーラ１２の第１段ヒートステーション１６は、スリーブアセンブリ８、１８、２３の空洞３２内に延び、そして熱ガスケット７を介して銅製の第１段熱スリーブ又はヒートシンク１８に接触している。ヒートシンク１８は、編組銅製のたわみ熱継手２２及び２４並びに熱的隔離用の放射遮蔽体６上に設けられた銅製の熱ブロック２６及び２８を介して熱的に連結され、それによって放射遮蔽体は約５５Ｋの温度に冷却される。その結果、ヘリウム容器４と真空容器２との間の熱的隔離が達成される。たわみ熱継手２２及び２４はまた、クライオクーラ１２と放射遮蔽体６との間の機械的隔離又は振動絶縁をももたらす。
【００１１】
クライオクーラ１２の第１段ヒートステーション１６によって放射遮蔽体６を冷却することに加え、ヘリウム容器４を真空容器２から更に熱的に隔離するための超断熱３４及び３５も得られる。
クライオクーラ１２の第２段ヒートステーション又はコールドヘッド３０の底面は、インジウムガスケット２９の反対側に配置された再凝縮器３９のヒートシンク１１に対してクライオクーラを熱的に連結するためのインジウムガスケット２９に接触している。
【００１２】
ヒートシンク１１の下方には、熱電導率の高い材料（たとえば銅）で作製されたヘリウム再凝縮室３８がヒートシンク１１に対して熱的に連結された状態で延びている。かかるヘリウム再凝縮室３８はヒートシンク１１に対して熱的に接触した複数の実質的に平行な伝熱板又は伝熱面４２を含み、そして伝熱板の表面間にはヘリウム圧力容器４からのヘリウムガスを流すための通路が形成されている。
【００１３】
ヘリウムガス４０は、ＭＲＩ用磁石装置１０に極低温を付与する際における液体ヘリウムの沸騰によって液体ヘリウム浴４６の液面４４の上方に生じる。かかるヘリウムガス４０はガス通路５２、ヘリウム容器４の壁５３、及びヘリウムガス通路５０を通過し、そしてヘリウム再凝縮室又はキャニスタ３８の上方部分４１の内部に達する。再凝縮器３９内の伝熱板４２はクライオクーラ１２の第２段ヒートステーション３０によって４Ｋに冷却されている結果、伝熱板の間を通過するヘリウムガス４０は再凝縮して液体ヘリウムとなり、そしてヘリウム再凝縮室３８の下部領域４８に蓄積する。次いで、重力の作用により、再凝縮した液体ヘリウムはヘリウム戻り管路５４及び液体ヘリウム通路５８を通って液体ヘリウム浴４６に戻る。
【００１４】
ＭＲＩ用磁石装置１０の動作に際しては、液体ヘリウム浴４６はＭＲＩ業界において公知のごとくにして（６０として略示された）超伝導磁石コイルアセンブリを超伝導温度に冷却する。かかる冷却は矢印６２によって略示されるが、再凝縮を行うＺＢＯ方式のために系内のヘリウム損失は生じない。多くのＭＲＩ装置において見られるごとく周囲の大気３７中に放出されるのではなく、ヘリウムガス４０は上記のごとくヘリウム圧力容器４からヘリウム再凝縮室３８の内部に流れ、そしてクライオクーラにより冷却された伝熱板４２の間を通過して液体ヘリウムに再凝縮する。かかる液体ヘリウムは、重力の作用によって液体ヘリウム浴４６に戻る。このように、再凝縮した液体ヘリウムが液体ヘリウムとして液体ヘリウム浴に戻る閉ループ系が形成されるのである。
【００１５】
次に図２について説明すれば、熱ガスケット２９は１３本の互いに離隔した円柱状の格子線８８を含んでいる。各々の格子線８８は９９．９９％のインジウムから成り、０．０６０インチの直径を有し、かつ末端において互いに向かい合った弓形の平面的な連接セグメント又はウェブ部材９０及び９２に連結されている。連接セグメント９０及び９２は、第２段ヒートステーション３０の底面直径が２．０５インチであるクライオクーラ１２と共に使用するのに適した１．９８インチの外径を有している。格子線８８の間の空隙又は間隙８９は、格子線の直径の約１．５倍に等しい。すなわち、格子線間の空隙の幅は格子線の直径よりも広くなっている。
【００１６】
弓形の連接セグメント９０及び９２は０．０７インチの厚さを有すると共に、概して半径方向に延びかつ直径に関して互いに向かい合ったタブ９６及び９７を具備している。かかるタブ９６及び９７はクライオクーラ１２の第２段ヒートステーション又はコールドヘッド３０に設けられた軸方向の溝９８（図１参照）の中に折曲げられ、それによってガスケット２９がクライオクーラ１２の第２段ヒートステーション又はコールドヘッド３０上に容易に保持される。クライオクーラ１２の挿入及び取出しに際してガスケット２９をクライオクーラ１２上に保持するため、タブ９６及び９７を軸方向の溝９８の中にはんだ付けすれば好都合である。クライオクーラ１２の保守後にそれを再挿入するのに先立ち、変形したガスケットは新しいガスケット２９と交換することができる。
【００１７】
再び図１について説明すれば、クライオクーラ１２をクライオクーラスリーブアセンブリ８、１８、２３内に挿入した後、ボルト８２を選択的に締付けることにより、十分な圧力でクライオクーラ１２がインジウムガスケット２９に押付けられる。その結果、ガスケット２９はインジウム線８８の低温流れ降伏により変形して介在する空隙８９を満たす。このようにすれば、熱界面２９の両側に配置された温度センサ８０及び８４で検出される温度差によって示されるごとく、過度の締付け及びクライオクーラ１２又はガスケット２９の損傷の可能性なしに良好な熱的接触が確保されるのである。
【００１８】
次に図３について説明すれば、ガスケット２９を構成する格子線８８は弓形の連接セグメント９２の厚さよりも大きい直径を有すること、及び弓形の連接セグメントは隣接する格子線の中心部分に連結されていることに注意されたい。これは、ボルト８２を締付けてガスケット材料を格子線間の空隙８９中に流れさせる際、圧力下における格子線８８の変形を容易にする。ボルト８２を締付けによりクライオクーラ１２が再凝縮器３９に向かって移動すると共に、格子線８８が変形又は平坦化して格子線間の空隙を満たすのに伴い、格子線８８とコールドヘッド２４及びヒートシンク１１との間の接触領域は徐々に増加するから、格子線８８の間に捕捉された気体は介在する弓形の連接セグメント９２の上方又は下方を通って容易に逃げることができる。
【００１９】
クライオクーラ１２に加わる圧力を最小にしてクライオクーラ１２に損傷を及ぼすことなく締付けた場合、熱継手３０、２９、１１の両側において得られる温度降下又は損失は０．１５〜０．３０Ｋという望ましい許容範囲内にある。クライオクーラ１２をＺＢＯ型超伝導磁石において使用した場合、熱継手３０、２９、１１の両側における温度降下を１Ｋに抑えながら、ゼロボイルオフ条件を維持するために必要とされる十分な冷却を達成するのは不可能であることが知られていた。熱継手３０、２９、１１の熱効率を向上させることが非常に重要である理由はそこにある。
【００２０】
平坦な格子線から成るガスケット及び（又は）格子線の直径よりも小さい厚さを有するウェブ部材を含まないガスケットが熱電導率のより高い熱継手を生み出すことは先行技術によって示唆されていたかも知れないが、本発明のガスケット２９は格子線に加わる圧力を最小にしてクライオクーラ１２又は熱継手の損傷の可能性を回避しながら最適の熱伝導性が得られるように高い信頼性をもって容易に調整可能であることが判明した。
【００２１】
以上、特定の好適な実施の態様に関連して本発明を説明したが、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、構造の細部、部品の配置や組合せ、及び使用する材料の種類に関して様々な変更を加え得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従って構成されたＭＲＩ用超伝導磁石を簡略に示す断面図である。
【図２】図１に示された熱ガスケットの拡大図である。
【図３】図２の熱ガスケットの端面図である。
【符号の説明】
２ 真空容器
４ ヘリウム圧力容器
５ ヘリウム
６ 放射遮蔽体
８ スリーブ
１０ ＭＲＩ用磁石装置
１１ ヒートシンク
１２ クライオクーラ
２９ ガスケット
３０ コールドヘッド
３９ 再凝縮器
４６ 液体ヘリウム浴
８２ ボルト
８８ 格子線
８９ 空隙
９０ 連接セグメント又はウェブ部材
９２ 連接セグメント又はウェブ部材
９６ タブ
９７ タブ

Claims (12)

1. 超伝導磁石コイルを有し、磁気共鳴断層撮影用に適した液体ヘリウム冷却式のゼロボイルオフ再凝縮型超伝導磁石アセンブリにおいて、
   超伝導動作のために磁気共鳴断層撮影用の前記磁石アセンブリに極低温を付与するための液体ヘリウム浴を収容するためのヘリウム圧力容器、前記圧力容器内において生じたヘリウムガスを再凝縮させて液体ヘリウムに戻すための再凝縮器、前記再凝縮器を冷却するためのクライオクーラ、及び前記再凝縮器と前記クライオクーラとの間の熱界面を含んでいて、前記熱界面が変形可能なガスケット及び前記クライオクーラを前記再凝縮器に対して選択的に押付けるための手段を含み、前記ガスケットが前記ガスケットを横切って延びる複数の互いに離隔した格子線を含み、かつ前記格子線の末端が前記格子線間の空隙を橋渡しすると共に前記格子線の直径より小さい厚さを有するウェブ部材によって連結されていることを特徴とする超伝導磁石アセンブリ。
2. 前記格子線の直径より幅の広い空隙を挟んで前記格子線が互いに実質的に平行に配置されている結果、前記クライオクーラを前記再凝縮器に対して押付けた場合に前記格子線を圧縮することができる請求項１記載のゼロボイルオフ再凝縮型超伝導磁石アセンブリ。
3. 前記格子線間の空隙の幅が前記格子線の直径の約１．５倍に等しい請求項２記載のゼロボイルオフ再凝縮型超伝導磁石アセンブリ。
4. 前記ガスケットが実質的に純粋なインジウムから成る請求項３記載のゼロボイルオフ再凝縮型超伝導磁石アセンブリ。
5. 前記クライオクーラに対する前記ガスケットの固定を容易にするため、前記ウェブ部材から実質的に対角線方向に複数のタブが延びている請求項４記載のゼロボイルオフ再凝縮型超伝導磁石アセンブリ。
6. 前記ウェブ部材が前記熱界面における前記クライオクーラの直径より小さい直径を有する弓形の外周を規定する弓形のセグメントである請求項２記載のゼロボイルオフ再凝縮型超伝導磁石アセンブリ。
7. 前記弓形のセグメントが実質的に平面状のものであり、かつ互いに隣接した格子線の末端の中心部分を相互に連結している請求項６記載のゼロボイルオフ再凝縮型超伝導磁石アセンブリ。
8. 前記再凝縮器が前記ヒートシンクと熱的に連結されたヘリウム再凝縮室を備え、前記クライオクーラがコールドヘッドを備え、前記ガスケットが実質的に純粋なインジウムから成ると共に、前記クライオクーラのコールドヘッドと前記ヒートシンクとの間に配置されて圧縮可能である請求項７記載のゼロボイルオフ再凝縮型超伝導磁石アセンブリ。
9. 前記超伝導磁石アセンブリが、前記ヘリウム圧力容器を包囲する包囲する真空容器と、前記真空容器の真空を破ることなく前記クライオクーラを挿入して前記クライオクーラを前記ガスケットに接触させることを可能にするため前記真空容器内に設けられたスリーブとを含み、かつ前記熱界面が前記スリーブの内部に配置されて前記ガスケットに接触しかつ前記再凝縮器に対して熱的に連結されたヒートシンクを含む請求項８記載のゼロボイルオフ再凝縮型超伝導磁石アセンブリ。
10. 前記クライオクーラがコールドヘッドを含み、かつ前記コールドヘッドが前記ガスケットの前記タブを受入れて前記クライオクーラと共に前記ガスケットの挿入又は取出しを可能にする溝を有する請求項５記載のゼロボイルオフ再凝縮型超伝導磁石アセンブリ。
11. 前記クライオクーラを前記再凝縮器に対して選択的に押付けるための前記手段が前記ガスケットを圧縮する結果、前記クライオクーラと前記再凝縮器との間には約０．３０Ｋ未満の温度降下を示す熱界面が得られる請求項７記載のゼロボイルオフ再凝縮型超伝導磁石アセンブリ。
12. 前記温度降下を熱効率の尺度として表示するため、前記熱界面の両側に温度検出器が配置されている請求項１１記載のゼロボイルオフ再凝縮型超伝導磁石アセンブリ。

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