JP2009267183A

JP2009267183A - 超電導磁石

Info

Publication number: JP2009267183A
Application number: JP2008116566A
Authority: JP
Inventors: Takeo Nemoto; 武夫根本; Tomoo Chiba; 知雄千葉; Masako Tsunefuji; 正子常藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2008-04-28
Filing date: 2008-04-28
Publication date: 2009-11-12

Abstract

【課題】
本発明の課題は、冷凍機第１ステージと熱シールド間の熱抵抗を低減できる冷却構造を提案するものである。
【解決手段】
予め知らされている変形方向にフレキ伝導体と冷凍機の吸熱を受ける凹型伝導部材の方向が合わせ易い矩形の凹型伝導部材を採用することで、一方向のみの柔軟性があるフレキ伝導体を凹型伝導部材と熱シールド間に接続した。
【選択図】図２

Description

本発明はＭＲＩまたはＮＭＲ等の超電導磁石応用製品の冷却構造に関するものである。

超電導磁石の冷却構造に関する従来技術で、かつ、冷凍機を脱着できる超電導磁石については、特許出願公開番号，特開２００７−７１１１号公報に記載されている。この特許に示した超電導磁石の冷凍機は、２段式ＧＭ型冷凍機で、第１ステージと第２ステージでは熱シールドとヘリウムガス又は液を冷却したものである。また、この冷凍機のメンテナウンスのために冷凍機を着脱できるようになっている。

特開２００７−７１１１号公報

ＭＲＩ用超電導磁石は、民生品であり、超電導磁石のクエンチが起こらないことが重要である。このためには、超電導磁石を冷却している液体ヘリウムの温度が約４.２Ｋに維持できていることが必要である。熱シールドは常温の真空容器からのふく射熱を遮蔽して、液体ヘリウムへの侵入熱を小さくするためのものである。液体ヘリウム及び熱シールドは２段の冷凍機で冷却しているが液体ヘリウムを冷却する第２ステージの冷凍能力は４Ｋで１Ｗ、熱シールドを冷却する第２ステージの冷凍能力は６０Ｋで６０Ｗである。熱シールドへの侵入熱が大きいので、熱シールドの上面には反射材を積層した積層断熱材を設けて侵入熱を低減している。熱シールド温度を下げることは液体ヘリウムへの侵入熱量を低減する上で有利に働く。このため、第１ステージから熱シールド間の熱抵抗を小さくするため、特表平１１−５１２５１２号公報「電気装置の間接冷却装置」に示されているように、従来は、熱シールドを冷却するために、冷凍機の第１ステージと熱シールド間を柔軟性のあるリング状の高熱伝導体で接続していた。従来は、冷凍機の第１ステージを中心として、全ての方向に柔軟な高熱伝導体としていたため、伝熱距離を長くして柔軟性を確保していた。この柔軟性のある高熱伝導体は熱抵抗が大きくなっていた。この熱抵抗が大きくなると冷凍機第１ステージによって冷却されている熱シールドの温度が高くなるので、液体ヘリウムへの侵入熱量が増大し、液体ヘリウムの消費量が増え問題が生じる。液体ヘリウムが少なくなりすぎると超電導磁石の冷却が不十分となり、最悪の場合、超電導磁石のクエンチが発生してしまう。

本発明の目的は、冷凍機第１ステージと熱シールド間の熱抵抗を低減できる冷却構造を提案することにある。

上記目的は、液体ヘリウムと超電導コイルとを収納する液溜槽と、この液溜槽の周りに設置された熱シールドと、この熱シールドを冷却するための冷凍機とを備えた超電導磁石において、高柔軟性高熱伝導体の同一荷重で変位が最大になる方向と、前記熱シールドの熱収縮方向とを一致させ、前記高柔軟性高熱伝導体を冷凍機に接続される伝導部材と前記熱シールドの間に配置したことにより達成される。

また上記目的は、前記伝導部材の形状が矩形であり、この伝導部材の長辺に前記高柔軟性高熱伝導体を接続したことにより達成される。

また上記目的は、前記高柔軟性高熱伝導体が高熱伝導金属の網又は薄板を重ねたもの或いは薄い板で形成されていることにより達成される。

また上記目的は、前記伝増部材と前記高柔軟性高熱伝導体との接触面にグリースが塗布されていることにより達成される。

また上記目的は、冷凍機を取り付ける冷凍機ポートが真空容器とベローズと前記液溜槽と前記伝導部材とで構成され、この伝導部材を突起物のあるフランジで両側から挟み付け、この伝導部材と前記フランジとをボルトで締結したことにより達成される。

また上記目的は、前記フランジと接する前記伝導部材の表面にインジュームを設けたことにより達成される。

本発明によれば、冷凍機第１ステージと熱シールド間の熱抵抗を低減できる超電導磁石を提供できる。

図１〜図３を使って各部品の説明を行う。
図２は、ＭＲＩ用超電導磁石の冷凍機冷却構造の一部拡大断面図である。
図１はそのＡ−Ａ断面である。
図３は、ＭＲＩ全体の鳥瞰図を示したものである。
図１，図２において、超電導磁石の液溜槽１には液体ヘリウム２と超電導コイル（図なし）が収納されている。４は２段式ヘリウム冷凍機である。５は冷凍機４の第１ステージで６は第２ステージである。冷凍機４の冷凍性能は第１ステージ５の温度が６０Ｋのとき６０Ｗ、第２ステージ６の温度が４Ｋのとき１Ｗ程度以上の冷凍性能が望ましい。７は熱交換器である。熱交換器７は冷凍機４の第２ステージ６とインジューム箔（図なし）を介して熱的に接続されている。液溜槽１内の熱交換器７は蒸発したヘリウムガスを凝縮させて液化させる働きがある。なお、図１の矢印は熱伸縮方向を示している。

熱シールド８の外周には積層断熱材（図なし）が設置されている。ここでは、その他の部品が見えなくなるので積層断熱材を図に示さなかった。この冷凍機４は年１回のメンテナンスのため冷凍機を交換する。冷凍機４を取り出すためには図２に示した真空容器９に締め付けたボルト１０を取り外し、冷凍機４を引き上げる。さらに、交換用の冷凍機４を真空容器上部から挿入することによって行える。このように、冷凍機４の着脱は容易に行える事が分かる。

１１は、凸型伝導部材である。この部材１１の材質はアルミニウム又は銅等の高熱伝導材料でできている。凹型熱伝導部材１２もアルミニウム又は銅等の高熱伝導材料でできている。また、１３は柔軟性があり、高熱伝導材から成るフレキ熱伝導部材である。フレキ伝導体上部の端部はボルト１４で凹型熱伝導部材１２に取り付けられている。また、フレキ熱伝導部材１３の下部端部は熱シールド８に熱的に接続されている。熱シールド８の熱はフレキ熱伝導部材１３，凹型熱伝導部材１２，凸型伝導部材１１を経由して冷凍機の第１ステージ５に伝達される。

この中で、凹型熱伝導部材１２と凸型伝導部材１１間の接触熱抵抗を低減するには、凹型熱伝導部材１２と凸型伝導部材１１間をヘリウムガスで満たすことと、凹型熱伝導部材１２と凸型伝導部材１１間の隙間を小さくすることが重要である。

冷凍機４，真空容器９，ベローズ１５，１６そして凹型熱伝導部材１２と液溜槽１から成る空間はヘリウムガスが外部に漏れないことが重要である。また、この空間の外側は絶対圧力が１０^-4Ｐａ以下の高真空に保持されている。この真空保持のため、凹型熱伝導部材１２の上方と下方にステンレス製のベローズ１５，１６そしてこのベローズを凹型熱伝導部材１２に気密に接続するために異材継手１７を設けた。この異材継手１７の材質はベローズと容易に溶接ができるステンレス製である。この異材継手１７と凹型熱伝導部材１２との接合は良好であるためヘリウムガスがリークすることはない。ベローズ１５，１６の両端接合部の材質はすべてステンレス製であり真空リークのない溶接ができる。

ここから、ＭＲＩ用超電導磁石を表した図３を使って説明する。

図３において、上部と下部に超電導コイルを配設した超電導磁石であり、上下の超電導コイルの空間内に患者を入れて画像を採ることができるＭＲＩ用超電導磁石である。

超電導磁石の上部右側に冷凍機４が設置されている。左側は超電導コイルに流す電流供給用フランジ１８である。冷凍機は超電導磁石の中心から離れており、むしろ超電導磁石の側面近傍にある。超電導磁石前後方向に対しては、冷凍機は超電導磁石中心の位置にある。

このことから、熱シールドは冷却すると超電導磁石の中心方向（図３では左方向）に熱収縮する。熱シールドを昇温すると方向は逆になる。

図１，図２に示したフレキ熱伝導部材１３は直線状ではなく１／４円弧の形状である。この円弧は直線より同じ加重に対し変形量が大きい特徴がある。このため、柔軟性を必要とする伝導部材の形状として適している。この円弧形状のフレキ伝導部材を使用することで、直線状の伝導部材より柔軟性に優れた伝導部材と言える。

フレキ熱伝導部材１３の断面積を増やすには凹型熱伝導部材１２の長辺の長さを大きくすることで行えることは言うまでもない。この矩形の凹型熱伝導部材１２とフレキ熱伝導部材１３を組み合わせることで、一方向には柔軟性があり、フレキ伝導部材を数多く設置できるので、熱抵抗の小さな冷却構造にすることができる。

図１に示した１９は柔軟性を有するふく射カバーである。図２に示すように正面から第１ステージを見ると低温のベローズ１６が見えてしまう。そこで、フレキ熱伝導部材１３が設置されない部分には図１のように、ふく射カバー１９を設けた。このふく射カバー１９の材質はアルミニウム，銅等の高伝導材料である。また、上下左右に熱シールド８が動くのでふく射カバー１９は動き易い膜状の物が適している。もちろん、図には示していないがこのふく射カバー１９の上には積層断熱材が設置される。

図４と図５は他の形態実施例を説明するための図である。
図５は冷凍機ポート断面図である。
図４は図５のＡ―Ａ断面図である。

図４，図５において、本実施例では図２に示していた異材継手１７を設けていない。このため本実施例では異材継手１７と同じ働きをする特殊フランジ２０を設けたものである。

この特殊フランジ２０は材質がステンレス製で、凹型熱伝導部材１２と接する面に突起物２３が合わさる。この特殊フランジ２０には凹型熱伝導部材１２にボルト２１で締結できるように穴が設けられている。また、凹型熱伝導部材１２を上下方向から特殊フランジ２０挟み付け、上下の特殊フランジ２０の穴を１本のボルトで貫通させて締め付けることができる。

２２は特殊フランジ２０をボルト２１で取り付けるために凹型熱伝導部材１２に設けた穴である。このボルト２１の材質は、凹型熱伝導部材１２と線膨張係数が同じアルミ合金である。このアルミ合金にすることでヒートサイクル時の熱収縮が起きた場合でも、ボルトによる面圧を一定に保持できる効果がある。

特殊フランジ２０はベローズ１５，１６と溶接し易いようにカラー２４を設けた。フレキ熱伝導部材１３は矩形の凹型熱伝導部材１２の長辺にボルト１４で締結されている。凹型熱伝導部材１２とフレキ熱伝導部材１３の接触面にはグリースを塗って接触熱抵抗を小さくしても良い。

図４と図５に示した冷凍機ポートは、図１と図２の凹型熱伝導部材１２の異材継手１７を用いていない。異材継手は、円形の凹型熱伝導部材の素材を使って作成し、その後円形の素材を矩形に切り落として作る。このように無駄な廃材が出易くなっている。これを改善したのが、図４と図５の冷凍機ポートに利用した特殊フランジである。

極低温の世界における液体ヘリウム温度の真空リークのことを「コールドリーク」と呼ばれているが、冷凍機第１ステージの温度は最も低い温度で約４０Ｋである。従って、「コールドリーク」が生じる温度領域ではない。つまり、室温状態でヘリウムリークティテクターを使ってリークがなければ、低温に冷却してもリークが起こることは少ない。

図６は他の実施例形態における冷凍機ポート拡大拡大断面図である。
図６において、特殊フランジ２０と凹型熱伝導部材１２と接触する面で、凹型熱伝導部材１２の角にインジューム２５を設けた場合である。これは、特殊フランジ２０の突起物２３と凹型熱伝導部材１２で形成された真空シールがもれた場合に備えた第２の真空シールである。もし、ヘリウムガスが漏れると修復が困難である。このために、２重の真空シール対策が有効である。この特殊フランジ２０に応力が加わらないようにベローズ１５，１６がある。この第１ステージの温度が液体ヘリウム温度４Ｋよりかなり高い温度（約４０Ｋ）であるため、特殊フランジ２０の突起物２３を削除して、その部分を平滑面にして、インジューム２５のみで真空シールすることも可能である。

図７は他の実施例形態における冷凍機ポート断面図である。

図７において、特に図１では矩形の凹型熱伝導部材１２を示していたが、この図７では６角形の凹型熱伝導部材１２を使用している。図に示したように熱シールド８の熱ひずみによる移動方向とフレキ伝導体の柔軟性に富んだ方向を合わせて取り付ければ、凹型熱伝導部材１２，フレキ熱伝導部材１３そして熱シールド８で構成された冷却構造は冷凍機運転時の振動を熱シールドに伝得ることなく、また熱抵抗が小さいので熱を効率良く第１シールドに伝達することができる。

冷凍機の振動が直接熱シールドに伝達すれば、渦電流により発熱が伴う。また、磁場が乱されることで撮影画像が劣化し問題となる。本発明の冷却構造は、熱シールド８に冷凍機４からの振動をフレキ熱伝導部材１３で切っている。このため、撮影された画像の解像度の高い超電導磁石が提供される。

図８と図９は、本実施形態の応用例である。
図８は他の実施例形態における冷凍機ポート拡大断面図である。
図９は他の実施例形態における冷凍機ポート拡大断面図である。
図８，図９において、異材継手１７を使用した凹型熱伝導部材１２を例に示しているが、図５のように特殊フランジ２０を使ったものでも同じ効果を持つことは言うまでもない。図２に示したフレキ熱伝導部材１３は１／４円弧形状のフレキ伝導体を示した。

図８では、半円の形状したフレキ伝導体を使って柔軟性のある低熱抵抗のフレキ熱伝導部材１３を示した。特に、銅製又はアルミニウム製の網又は薄い板を積層したもの、あるいは一枚の板を用いれば、水平法の応力に対し、大きく変形するので、冷凍機４の振動を熱シールド８に伝達しにくい。

図９のフレキ熱伝導部材１３は、半円を組み合わせてＳ字形状のフレキ伝導体である。これも、図８と同様、伝熱距離は長くなるが、柔軟性に富んだフレキ伝導体といれる。

図１０は、他のＭＲＩ用超電導磁石鳥瞰図であり、図３の直立円筒型とは違う水平円筒型のＭＲＩ用超電導磁石に本発明の一実施例を示したものである。
図１０において、冷凍機４を必要上円筒の端部に設置せざるを得ない場合には、図３の直立円筒型と同様に、本発明の冷却構造を採用することによって、冷凍機第１シールドから熱シールド間の熱抵抗が小さく、超電導磁石の冷却昇温による熱変形に対応した冷却構造であり、しかも冷凍機の振動を熱シールドに伝えにくい冷却構造を提供するものである。このため、撮像画像の解像度の高い超電導磁石となっている。

以上の実施形態例によれば、凹型伝導部材の形状を矩形にすることで、予め知らされている変形方向にフレキ伝導体とその凹型伝導部材の方向を合わせることができるので、伝導距離を短くできるので熱抵抗の小さなフレキ伝導体となる。また、このフレキ伝導体と組み合わせた冷凍機第１ステージから熱シールドまでの熱抵抗も小さくすることができるので、効率の高い熱シールドの冷却が可能となった。このため、２段式冷凍機１台によって、蒸発したヘリウムガスを再液化できるので、液補給のない超電導磁石を提供することができる。また、超電導磁石がクエンチのない熱的に安定な超電導磁石が出来上がる。

以上のごとく、本発明によれば一方向のみの柔軟性を確保したフレキ伝導体は、２方向に柔軟性のあるフレキ伝導体より伝導距離を短くできるので熱抵抗の小さなフレキ伝導体となる。また、このフレキ伝導体と組み合わせた冷凍機第１ステージから熱シールドまでの熱抵抗も小さくすることができるので、効率の高い熱シールドの冷却が可能となる。

図２の冷凍機ポートのＡＡ断面図である。冷凍機ポートの断面図である。ＭＲＩ用超電導磁石鳥瞰図である。図５の冷凍機ポートのＡＡ断面図である。他の実施例形態における冷凍機ポート断面図である。他の実施例形態における冷凍機ポート拡大断面図である。他の実施例形態における冷凍機ポート断面図である。他の実施例形態における冷凍機ポート拡大断面図である。他の実施例形態における冷凍機ポート拡大断面図である。他のＭＲＩ用超電導磁石鳥瞰図である。

符号の説明

１液溜槽
２液体ヘリウム
４冷凍機
５第１ステージ
６第２ステージ
８熱シールド
１１凸型伝導部材
１２凹型熱伝導部材
１３フレキ熱伝導部材
１４ボルト
１７異材継手
１８電流供給用フランジ
１９ふく射カバー
２０特殊フランジ
２３突起物
２４カラー
２５インジューム

Claims

液体ヘリウムと超電導コイルとを収納する液溜槽と、この液溜槽の周りに設置された熱シールドと、この熱シールドを冷却するための冷凍機とを備えた超電導磁石において、
高柔軟性高熱伝導体の同一荷重で変位が最大になる方向と、前記熱シールドの熱収縮方向とを一致させ、前記高柔軟性高熱伝導体を冷凍機に接続される伝導部材と前記熱シールドの間に配置したことを特徴とする超電導磁石。
請求項１記載の超電導磁石において、
前記伝導部材の形状が矩形であり、この伝導部材の長辺に前記高柔軟性高熱伝導体を接続したことを特徴とする超電導磁石。
請求項１又は２のいずれかに記載の超電導磁石において、
前記高柔軟性高熱伝導体が高熱伝導金属の網又は薄板を重ねたもの或いは薄い板で形成されていることを特徴とする超電導磁石。
請求項１乃至３のいずれかに記載の超電導磁石において、
前記伝導部材と前記高柔軟性高熱伝導体との接触面にグリースが塗布されていることを特徴とする超電導磁石。
請求項１乃至４のいずれかに記載の超電導磁石において、
冷凍機を取り付ける冷凍機ポートが真空容器とベローズと前記液溜槽と前記伝導部材とで構成され、この伝導部材を突起物のあるフランジで両側から挟み付け、この伝導部材と前記フランジとをボルトで締結したことを特徴とする超電導磁石。
請求項５記載の超電導磁石において、
前記フランジと接する前記伝導部材の表面にインジュームを設けたことを特徴とする超電導磁石。