JP2008541466A - 冷却巻型に冷却管を取り付けるための装置及び方法 - Google Patents

Abstract

本発明によれば、装置（１０）のチャネル（３０）内に実質的に収容される熱伝導管（２０）を含んでおり、熱伝導管が装置に熱的及び機械的に接触し、それを通る循環冷媒を収容するように構成されている装置（１０）を冷却するための装置が提供される。本発明によれば、こうした装置を形成するための方法も提供される。本発明は、さらに、前記冷却装置を介して冷却される超伝導コイルを含むＭＲＩシステムに関するものである。

Description

本発明は、極低温冷却装置に関するものであり、とりわけ、磁気コイルを超伝導温度まで冷却するための極低温冷却装置に関するものである。

図１には、巻型１０に巻きつけられた超伝導磁気コイル１２の典型的な構成が示されている。巻型は、任意の構造材料とすることが可能であるが、ガラス繊維強化樹脂のような複合材料、または、アルミニウムのような熱伝導性材料が望ましい。コイル巻型にはステンレス鋼もよく用いられる。

巻型１０及びコイル１２を含む磁石が、極低温冷媒タンク１４内に保持されている。極低温冷媒タンク１４は、少なくとも部分的に液体ヘリウムのような液体極低温冷媒が充填されている。液体極低温冷媒は、沸騰し、磁石を極低温冷媒の沸点である定常温度に保持する。ヘリウムの場合、これは約４Ｋである。通常動作において、蒸発した極低温冷媒は、サービス・ネック２０内に配置された再凝縮冷凍機によって再凝縮されて、液体になる。

外部真空室１６によって、極低温冷媒槽が包囲されている。極低温冷媒槽１４と外部真空室１６との間のスペースは、断熱を施すために真空排気される。極低温冷媒槽１４と外部真空室１６との間のスペースに、熱遮蔽体１８を配置して、外部真空室からの熱放射によって極低温冷媒槽に対する熱流入を低減することが可能である。

極低温冷媒タンクは、比較的大量の極低温冷媒を保持する。こうした大量の極低温冷媒の貯蔵及び維持にはコストがかかる。極低温冷媒タンクの必要とされる容積によって、かなりの程度まで、磁石を含むクライオスタットの最終サイズも決まる。

本発明の目的は、超伝導磁石を冷却し、同時に、液体極低温冷媒タンクに磁石を浸す必要を低減するかまたはなくすための装置及び方法を提供することにある。

本発明では、請求項に記載の方法及び装置を提供することによってこれらの目的を実現する。

本発明の前記並びにその他の目的、特性、及び、利点については、添付の図面に関連して、単なる例証のためだけに示された、いくつかの実施形態に関する下記の説明を参照することによってより明らかになるであろう。

本発明の態様の１つによれば、極低温冷媒タンク１４が省かれている。熱伝導性材料の管が、やはり熱伝導性材料の巻型１０と熱的に接触して設けられている。

図２に示すように、巻型の各端部近くの外周を辿る、極低温冷媒管２０を設けるのが望ましい。使用時、液体極低温冷媒は極低温冷媒管を循環する。ほぼその沸点の極低温冷媒を供給するため、冷凍機が設けられている。例えば、極低温冷媒は、約４Ｋの温度の液体ヘリウムとすることが可能である。液体極低温冷媒が、極低温冷媒管２０を循環して、巻型から熱を吸収する。熱は冷凍機に伝達され、そこで除去される。冷却された巻型１０が、次に、コイル１２を冷却し、コイルをその臨界温度未満の超伝導状態に保持する。

図３には、液体極低温冷媒７８に極低温冷媒管２０を循環させるための構成の概略が例示されている。極低温冷媒管循環路には、比較的小さい極低温冷媒タンク８０が設けられている。再凝縮冷凍機８２も設けられている。動作時、極低温冷媒管２０内の液体極低温冷媒７８の一部によって、極低温冷媒管２０から、従って、巻型１０から熱が吸収される。これによって、液体極低温冷媒７８の一部は沸騰して、気体の状態になる。蒸発した極低温冷媒ガス８４は、極低温冷媒管循環路の上部に向かって上昇し、再凝縮冷凍機８２に導入される。再凝縮冷凍機８２は、極低温冷媒ガス８４を冷却して、液体極低温冷媒７８に再凝縮し、システムから熱を除去する働きをする。図３に例示のように、液体極低温冷媒は、例示の循環路のほぼ右側で沸騰し、上昇して、再凝縮冷凍機８２に達することになる。冷凍機８２によって供給される再凝縮液体極低温冷媒は、例示の管２０の左側を下降する。従って、この構成によれば、極低温冷媒の連続循環及び有効な冷却が可能になる。極低温冷媒タンク８０が必要になるが、必要とされる液体極低温冷媒７８の量は、液体極低温冷媒槽への磁石の浸漬を考慮した先行技術による極低温冷媒タンク１４に比べて、はるかに減少する。

望ましい実施形態の場合、管２０は、巻型の材料に形成されたラグまたは保持ストリップの機械的変形によって所定位置に保持されるステンレス鋼管である。いくつかの実施形態では、管を収容するため、巻型の材料にチャネルが形成される。管は、銅のような熱伝導率の高い他の材料によるものでもかまわない。

アルミニウムの巻型の場合、ステンレス鋼管の熱膨張が巻型の熱膨張と十分類似していることが分かっている。管のために選択される材料は、極低温冷媒の圧力に耐えるのに十分な機械的強度を備えなければならない。

極低温冷媒管２０が機械的変形によって保持されることになる場合、磁気コイルを巻型に巻きつけた後で、このプロセスを実施することが可能であることが好ましい。

図４には、特に好ましい実施形態が例示されている。この実施形態によれば、管２０を収容するため、巻型１０の材料にチャネル３０の機械加工が施される。チャネル３０は、管２０の断面と相補性の断面を備えるように形成することができる。巻型１０の表面には、２つのラグまたは保持ストリップ３２の機械加工も施される。図４に例示のように、これは、巻型の材料に３つの隣接チャネル３４、３０、３８の機械加工を施し、チャネル間に残された巻型の材料によってラグまたは保持ストリップ３２が形成されるようにすることによって実現可能である。

図５に例示の代替実施形態の場合、管を収容するために単一チャネル３０が形成され、保持ストリップまたはラグ３２が形成されて、巻型表面から突き出している。

管２０を収容するために形成されるチャネル３０は、機械によるかまたは手動で所定位置に管を押し込むことができ、チャネル壁との摩擦相互作用によって所定位置に管が保持されることになるように、締まりばめが好ましい。

図６に例示のように、管は、図示矢印の２つの方向において、管をおおうようにラグまたは保持ストリップ３２を互いに変形させることによって所定位置に保持される。巻型の材料は、室温において展性であるが、硬質であるように選択すべきである。あるグレードのアルミニウム及びステンレス鋼は、適切な特性を備えている。こうして、管２０は、安定位置において、巻型１０と熱的及び機械的に良好な接触状態で保持されるが、溶接またはろう付けステップを必要としない。このプロセスでは機械加工技法だけしか用いられないので、巻型の製造中に、管２０を取り付けることが可能であり、結果として、低コストのプロセスになる。

図７には、管２０をおおうようにラグまたは保持ストリップ３２を変形させた後の構造が例示されている。管２０は、巻型の材料内に埋め込まれることによって、例えば、取り扱い中の損傷から保護される。管２０は、巻型１０と熱的及び機械的にしっかりと接触するように保持される。

図８には、管２０をおおうようにラグまたは保持ストリップ３２を変形させ、それによって、管を所定位置に保持するために利用可能なツール７０が例示されている。ツール７０は、スピンドル７６に軸７４方向に取り付けられた１対の角度付き成形ホイール７２が含まれている。スピンドルは、それ自体、手動による使用のためハンドルに取り付けることもできるし、あるいは、自動または動力補助式使用のため機械に取り付けることも可能なツール本体７８に保持されている。使用時、角度付き成形ホイール７２は、管２０を保持するチャネル３０に沿って延びるラグまたは保持ストリップ３２に載せられる。ツールに対して、巻型１０の表面に対してほぼ垂直方向に、すなわち、ほぼ図６に示す上方の矢印の方向に圧力が付与される。角度付き成形ホイール７２の表面は、ラグまたは保持ストリップに付与する圧力によって、図７に示すように、ラグまたは保持ストリップ３２が変形し、互いに内側に曲がって管２０をおおうことになるような角度をなしている。

本発明による冷却管及び保持手段によれば、磁石巻型のような装置を冷却し、従って、磁気コイル自体も冷却するためのコスト効率の良い手段が得られる。こうした磁気コイル及び巻型は、核磁気共鳴または磁気共鳴画像法に用いることが可能である。本発明に従って磁石を冷却するように取り計らうことによって、必要とされる液体極低温冷媒の量を大幅に減らすことが可能になる。例えば、ＭＲＩ画像診断システム用の磁石は、図３に関連して既述の構成に従って管２０内を循環するように供給されるわずか８０−１００リットルの極低温冷媒で、本発明に基づいて冷却することが可能である。これは、一般に、極低温冷媒タンク１４内に２０００リットルの量の極低温冷媒を必要とする現行システムと比べて極めて優れている。

本発明に従って冷却される装置の場合、巻型１０及びコイル１２を包囲する極低温冷媒タンク１４が不要であり、従って、外部真空容器のサイズを縮小することが可能であり、結果として、システム全体が小さくなる。

本発明の説明は限られた数の特定の実施形態に関連して行われたが、当該技術者には明らかなように、請求項を逸脱することなく、本発明に多くの修正及び変更を加えることが可能である。

例えば、本発明は、ＭＲＩシステムに用いられる超伝導磁石を冷却するために有効に適用することができるが、冷却を必要とするいかなる装置にも適用可能である。

ラグまたは保持ストリップを変形させるための特定のツールについて解説したが、もちろん、他のツールを用いて、このタスクを実施することも可能である。

本発明の説明は、とりわけ、２つのラグまたは保持ストリップ３２による管の保持に関連して行われたが、チャネル３０の片側だけに沿ってラグまたは保持ストリップを設ける構成によって、本発明を具現化することも可能である。

クライオスタット内における超伝導磁石の典型的な構成を示す図である。 本発明に係るクライオスタット内の超伝導磁石を示す図である。 極低温冷媒管により液体極低温冷媒を循環させるための構成の概略を例示した図である。 本発明に係りチャネル内に収容される極低温冷媒管を示す図である。 本発明の異なる実施形態に係りチャネル内に収容される極低温冷媒管を示す図である。 本発明の実施形態に係りチャネル内に極低温冷媒管を保持するプロセスを例示した図である。 図６に例示のプロセスの結果としてチャネル内に保持された極低温冷媒管を例示した図である。 図６に例示のプロセスを実施するのに役立つ、本発明の態様によるツールを示す図である。

符号の説明

１０ 巻型
２０ 極低温冷媒管
３０ チャネル
３２ ラグまたは保持ストリップ
３４ チャネル
３８ チャネル
７０ ツール
７２ 角度付き成形ホイール
７６ スピンドル
７８ 液体極低温冷媒
８０ 極低温冷媒タンク
８２ 再凝縮冷凍機
８４ 極低温冷媒ガス

Claims (8)

1. 超伝導磁石構造であって、熱伝導性巻型（１０）に取り付けられた複数の超伝導コイル（１２）を備え、前記巻型が、前記巻型の材料に形成されたチャネル（３０）内に実質的に収容された熱伝導管（２０）を有する装置によって冷却され、前記熱伝導管が、前記巻型と熱的及び機械的に接触し、管内を通る循環冷媒を収容するように構成され、さらに、ラグまたは保持ストリップ（３２）が前記チャネル（３０）の少なくとも片側に沿って形成され、前記管にかぶさるように変形されて、前記チャネル内に前記管を保持するように構成されたことを特徴とする超伝導磁石構造。
2. 前記チャネルが前記管の断面と相補性の断面を有することを特徴とする請求項１に記載の構造。
3. 冷媒が前記管を通って循環するように構成された再凝縮冷凍機を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の構造。
4. 前記冷媒が液体ヘリウムであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の構造。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の超伝導磁石構造を有するＭＲＩシステム。
6. 装置内に冷却管を設けるための方法であって、
   − 前記装置の材料にチャネル（３０）を形成するステップと、
   − 前記チャネルに沿って少なくとも１つのラグまたは保持ストリップ（３２）を形成するステップと、
   − 前記チャネル内に熱伝導管（２０）を配置するステップが含まれており、
   前記方法に、さらに、前記チャネル内に熱伝導管を配置した後、
   − 前記管を前記チャネルの内面と熱的及び機械的に接触するように取り付けるため、前記管にかぶさるように前記ラグを変形させるステップが含まれることを特徴とする、
   方法。
7. 添付図面の内、図２−６において実質的に説明され、及び／又は、例示された、装置を冷却するための超伝導磁石構造。
8. 添付図面の内、図２−７において実質的に説明され、及び／又は、例示された、装置に冷却管を設けるための方法。

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