JP2012250033A

JP2012250033A - クライオスタット熱負荷を低減するための貫通チューブアセンブリ

Info

Publication number: JP2012250033A
Application number: JP2012119195A
Authority: JP
Inventors: Wolfgang Stautner Ernst; アーネスト・ウォルフギャング・スタウトナー; Kathleen Melanie Amm; キャスリーン・メラニー・アム; Robbi Lynn Mcdonald; ロビ・リン・マクドナルド; Anthony Mantone; アンソニー・マントーン; Jr John Scaturro; ジョン・スキャトゥロ，ジュニア; Longzhi Jiang; ロンジ・チャン; Weijun Shen; ウェイジュン・シェン
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2011-05-31
Filing date: 2012-05-25
Publication date: 2012-12-20
Also published as: US20120306492A1; GB2491463A; GB201209457D0; CN102809239A

Abstract

【課題】貫通チューブアセンブリが生じさせるクライオスタットに対する熱負荷を有利に低減させる一方で、クライオクーラの寿命を強化している貫通チューブアセンブリを提供する。
【解決手段】クライオスタット向けの貫通アセンブリは、第１の端部及び第２の端部を有すると共にその熱有効長を変更するように構成された外側壁部材であって、チューブの第１の端部は高温領域と連絡可能に結合されておりかつチューブの第２の端部はクライオスタットの冷媒容器内部に配置された冷媒と連絡可能に結合されている外側壁部材を含む。さらに本貫通アセンブリは、複数のチューブを互いの内部にネスト構造にして備えるテレスコープ式内側壁部材を含んでおり、かつ該複数のチューブのうちの各チューブは少なくとも１つの別のチューブと直列に動作可能に結合されている。
【選択図】図２

Description

本開示の実施形態はクライオスタットに関し、またより詳細にはクライオスタット内で用いるための貫通チューブアセンブリであって、貫通チューブアセンブリが生じさせるクライオスタットに対する熱負荷を低減するように構成された貫通チューブアセンブリの設計に関する。

磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）システムや核磁気共鳴（ＮＭＲ）撮像システムのための超伝導マグネットを収容するためには、例えば液体冷媒を包含した周知のクライオスタットが使用される。典型的にはクライオスタットは、内側クライオスタット容器と、複数の超伝導コイルを含んだマグネットカートリッジを囲繞するヘリウム容器と、を含む。さらにマグネットカートリッジを囲繞するヘリウム容器は典型的には、マグネットを冷却するための液体ヘリウムで満たされている。さらにこのヘリウム容器を熱放射シールドが囲繞している。さらにこの高温熱放射シールドを外側クライオスタット容器、真空容器が囲繞している。さらに外側クライオスタット容器は一般に排気されている。

さらにクライオスタットは一般に、容器壁を通過する少なくとも１つの貫通を含んでおり、該貫通はヘリウム容器に対する様々な接続を容易にするように構成されている。これらの貫通は、真空容器とヘリウム容器の間の真空を維持しながら真空容器とヘリウム容器の間の熱伝導を最小化するように設計されることに留意されたい。さらにこうした貫通は、真空容器とヘリウム容器の熱膨張及び収縮の差を補償することが望ましい。さらにこうした貫通によって、マグネットクエンチの場合にヘリウムガスのフロー経路も提供できる。

貫通があると潜在的に、室温から極低温までクライオスタットに対する熱負荷が増加する。熱負荷のメカニズムには典型的には、熱伝導、マクロ及びマイクロの熱対流、熱放射が含まれる。さらに熱負荷メカニズムにはまた、材料の熱伝導、コールドヘッドへの熱リンク、ヘリウムカラムの熱伝導、クライオスタットのサイドから上部への熱放射、及びクライオクーラへの熱接触リンクが含まれる。大気に対して開かれておりかつヘリウムガスのフローが逃げることにより冷却を受けるクライオスタット貫通と異なり、クライオスタット上の閉鎖式またはハーメチック封止式の貫通はクライオスタットにとって主要な熱入力源となる。さらに貫通には一般に、マグネットの突然のエネルギーダンプやクエンチあるいは真空不良や結氷閉塞（ｉｃｅｂｌｏｃｋａｇｅ）の場合における冷媒気体の迅速かつ安全な放出を保証するための安全手段が装備されている。

従来における初期のＮＭＲ及びＭＲＩシステムは、クライオスタットのヘリウム浴からのボイルオフを利用すると共に、このボイルオフ気体を貫通の周りまたはその中を通過させて熱交換をしていた。貫通内部に熱交換気体を存在させることは、効率のよい冷却に利用することが可能である。具体的には、設計が適正であれば、熱交換気体が存在することによって冷媒システムに対する熱負荷が実質的に最小化される。しかしＮＭＲ及びＭＲＩマグネットシステム並びに別の冷媒用途では、コストの理由から貫通を通じた気体の大気への放出が許容されない。さらにヘリウムコストのかなりの上昇のために、冷媒システムはボイルオフ気体を完全に再凝縮させている。

米国特許第７７９１２２９号

しかしながら、気体ストリームの冷却が利用可能でないことにより、貫通は全熱負荷予算をかなり増大させる。さらに、貫通に関する寄生（ｐａｒａｓｉｔｉｃ）熱負荷は、クライオスタットに対する総熱負荷の２０〜４０％程度の高さになる可能性がある。この熱負荷は、クライオクーラに対する不都合かつ高価な早期の交換や改装に繋がるので不利である。クライオクーラ交換があると次いで、例えばＭＲＩマグネットの寿命サイクルコストが増大する。

さらに、貫通チューブアセンブリにより生じるクライオスタット熱負荷を低減するために目下利用可能な別のある技法では、ヒートシンクの役割をするコールドヘッド冷却段とリンクさせたヒートステーションを用いて貫通チューブアセンブリを冷却することが必要である。しかしながら、これらの技法を用いるとコールドヘッドの冷却力が低下する。さらに別の技法は貫通チューブアセンブリが生じさせるクライオスタット熱負荷の冷却の問題に対して、貫通チューブアセンブリの物理的寸法を最小化することによって対処している。しかし貫通チューブアセンブリの寸法の最小化は、内部圧力が設計圧力よりかなり高くまで増大するに至ることによって高いクエンチレートでクライオスタットにマイナスの影響を及ぼす可能性がある。さらに従来では貫通チューブとしてべローズを用いており、べローズの回旋部によって追加の熱的長さが提供されていた。しかし、追加の熱的長さがある場合であっても、べローズからヘリウム容器までの熱伝導負荷は有意となる可能性がある。

したがって貫通チューブアセンブリが生じさせるクライオスタットに対する熱負荷を有利に低減させる一方で、クライオクーラの寿命を強化している貫通チューブアセンブリのロバストな設計を開発することが望ましい。

本技法の態様によるクライオスタット向けの貫通アセンブリを提示する。本貫通アセンブリは、第１の端部及び第２の端部を有すると共にその熱有効長を変更するように構成された外側壁部材を含んでおり、チューブの第１の端部は高温領域と連絡可能に結合されておりかつチューブの第２の端部はクライオスタットの冷媒容器内部に配置された冷媒と連絡可能に結合されている。さらに本貫通アセンブリは、複数のチューブを互いの内部にネスト構造にして備えたテレスコープ式内側壁部材を含んでおり、また該複数のチューブのうちの各チューブは少なくとも１つの別のチューブと直列と動作可能に結合されている。

本技法の別の態様によるクライオスタット向けの貫通アセンブリを提示する。本貫通アセンブリは、第１の端部及び第２の端部を有すると共にその熱有効長を変更するように構成された波形付き外側壁部材を含んでおり、チューブの第１の端部は高温領域と連絡可能に結合されておりかつチューブの第２の端部はクライオスタットの冷媒容器内部に配置された冷媒と連絡可能に結合されている。さらに本貫通アセンブリは、第１の端部及び第２の端部を有すると共に該波形付き外側壁部材の近傍に配置させた内側壁部材を含む。

本技法のさらに別の態様では、磁気共鳴撮像のためのシステムを提示する。本システムは、画像データ標本を収集するように構成された収集サブシステムを含んでおり、該収集サブシステムはその内部に患者を受け入れるように構成された超伝導マグネット及び該超伝導マグネットをその内部に包含する冷媒容器を備えたクライオスタットを含んでおり、該クライオスタットは、第１の端部及び第２の端部を有すると共にその熱有効長を変更するように構成された外側壁部材であってチューブの第１の端部は高温領域と連絡可能に結合されておりかつチューブの第２の端部はクライオスタットの冷媒容器内部に配置された冷媒と連絡可能に結合されている外側壁部材並びに該外側壁部材の近傍に配置された内側壁部材を含んでいる熱負荷最適化貫通アセンブリを含む。さらに本システムは、収集サブシステムと動作可能に関連付けされると共に収集画像データを処理するように構成された処理サブシステムを含む。

本開示に関するこれらの特徴、態様及び利点、並びにその他の特徴、態様及び利点については、同じ参照符号が図面全体を通じて同じ部分を表している添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことによってより理解が深まるであろう。

クライオスタット構造の部分断面図である。本技法の態様による図１のクライオスタット内で用いるための貫通チューブアセンブリの壁部材の一実施形態の軸方向断面像の一部を表した概要図である。本技法の態様による図１のクライオスタット内で用いるための貫通チューブアセンブリの壁部材の別の実施形態の軸方向断面像の一部を表した概要図である。

本明細書の以下で詳細に説明することにするが、クライオスタット内で用いるための貫通チューブアセンブリに関して該貫通チューブアセンブリの熱有効長を増強するように構成させた様々な実施形態を提示する。具体的には、貫通チューブアセンブリに関するこの様々な実施形態によれば、貫通チューブアセンブリの熱有効長の増強によって貫通チューブアセンブリが生じさせるクライオスタットに対する熱負荷が低減される。以下に記載する貫通アセンブリの利用によって、貫通によって生じるクライオスタット熱負荷を劇的に低減することができる。

図１を参照すると、クライオスタット１０１を含んだ磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）システムの断面像１００を表した概要図を示している。クライオスタット１０１は超伝導マグネット１０２を含む。さらにクライオスタット１０１は、マグネットカートリッジ１０２を囲繞すると共にマグネットの冷却のための冷媒１１８で満たされている環状冷媒容器１０４を含む。冷媒容器１０４はまた、クライオスタット１０１の内側壁と呼ぶこともある。クライオスタット１０１はさらに、冷媒容器１０４を囲繞している環状熱放射シールド１０６を含む。さらにクライオスタット１０１は、熱放射シールド１０６を囲繞すると共に典型的には排気されている環状真空容器または外側真空チェンバー（ＯＶＣ）１０８を含む。ＯＶＣはまた、クライオスタット１０１の外側壁と呼ぶこともある。さらにクライオスタット１０１は、冷媒容器１０４と外側真空チェンバー１０８と熱放射シールド１０６とを貫通し、これによって電気リード線向けのアクセスを提供している貫通チューブアセンブリ１１０を含む。図１に示した実施形態では貫通チューブアセンブリ１１０は、ある種の実施形態においてカバープレート１１２を有する閉鎖型の貫通アセンブリである。さらに参照番号１２６は全体として貫通チューブアセンブリ１１０内の開口部を示している。

さらに参照番号１１４は全体として貫通チューブアセンブリ１１０の壁部材を示している。壁部材１１４の第１の端部をＯＶＣ１０８と動作可能に結合させることがある一方、壁部材１１４の第２の端部を冷媒容器１０４と動作可能に結合させることがあることに留意されたい。したがって、壁部材１１４の第１の端部を約３００度ケルビン（Ｋ）の第１の温度とすることがある一方、壁部材１１４の第２の端部を約４度Ｋの温度とすることがある。

さらに冷媒容器１０４内の冷媒１１８は、ある種の実施形態においてヘリウムを含むことがある。しかしある種の別の実施形態ではその冷媒１１８は、液体水素、液体ネオン、液体窒素、あるいはこれらの組み合わせを含むことがある。本明細書において様々な実施形態を冷媒１１８としたヘリウムに関連して記載することに留意されたい。したがって、冷媒容器とヘリウム容器という用語を区別なく用いることがある。

さらに図１に示したように、ＭＲＩシステム１００はスリーブ１１６を含む。ある種の実施形態では、このスリーブ１１６内にクライオクーラ１２０を配置させることがある。クライオクーラ１２０は、冷媒容器１０４内の冷媒１１８を冷却するために利用される。さらに参照番号１２２は全体として患者ボアを示している。スキャン手技の間に患者ボア１２４内部に患者１２４が位置決めされるのが典型的である。

上で指摘したように、何らかの貫通があると室温から極低温までのクライオスタットに対する熱負荷の増加に繋がる可能性がある。本技法の態様では、図１のクライオスタット１０１などのクライオスタット内に用いられる貫通チューブアセンブリに関してクライオスタット１０１に対する熱負荷を低減するように構成された様々な実施形態を提示する。具体的には、本明細書の以下に提示する貫通チューブアセンブリは、貫通チューブアセンブリの熱有効長を増強することによってクライオスタットに対する熱負荷を低減するように構成されている。

図２には、図１のクライオスタット１０１などのクライオスタット内で用いるための例示的な貫通チューブアセンブリ２００の一実施形態を表している。具体的に図２（ａ）は、クライオスタット１０１内で用いるための貫通チューブアセンブリの壁部材２０６の一実施形態の軸方向断面像２０２の一部を表した概要図である。より具体的に図２は、貫通チューブアセンブリ２００のうち貫通チューブアセンブリの対称軸２０４の一方の側に配置された部分を表している。本技法の態様では例示的な貫通チューブアセンブリ２００は、壁部材２０６の熱有効長を増強するように構成された壁部材２０６を含んでおり、これにより貫通チューブアセンブリが生じさせるクライオスタット１０１に対する熱負荷の低減が支援される。熱有効長（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｔｈｅｒｍａｌｌｅｎｇｔｈ）という用語は一般に、壁部材２０６の熱伝導経路の長さを示すために用いている。一実施形態ではその貫通チューブアセンブリ２００は、熱伝導経路の有効長を約５０ｍｍから約３００ｍｍの範囲で増強するように構成されることがある。

本技法の態様では、貫通チューブアセンブリ２００の壁部材２０６は、貫通チューブアセンブリ２００の熱有効長を変更する（またさらに具体的には、増強する）ように構成されている。熱有効長と熱伝導経路長という用語は区別なく用いていることに留意されたい。このために図２の例示的実施形態では、壁部材２０６は外側壁部材２０８及び内側壁部材２２０を含む。

外側壁部材２０８は薄壁のチューブを含む。さらにある種の実施形態では、外側壁部材２０８は薄壁のステンレス鋼チューブである。一例として一実施形態ではその貫通チューブアセンブリは、薄壁の円形断面を有する円筒状のチューブを含むことがある。

図２に示した実施形態では、外側壁部材２０８は第１の端部２１０及び第２の端部２１２を有する。図２に関する目下企図される構成では、外側壁部材２０８の第１の端部２１０を波形付きチューブ部材２１８に結合させることがある。波形付きチューブ部材２１８は一方、第１のフランジ２１４を介してクライオスタット１０１のＯＶＣ１０８（図１参照）に結合させている。ある種の実施形態ではその第１のフランジ２１４を、ステンレス鋼またはアルミニウムを用いて形成させることがある。

さらに、外側壁部材２０８の第２の端部２１２は、クライオスタット１０１の冷媒容器１０４（図１参照）に結合させることがある。一実施形態ではその外側壁部材２０８の第２の端部２１２を、第２のフランジ２１６を用いて冷媒容器１０４に結合させることがある。一実施形態では、第２のフランジ２１２はステンレス鋼フランジを含むことがある。しかし、第２のフランジ２１６の形成のために銅及び／またはアルミニウムを用いることもある。

上で指摘したように、外側壁部材２０８の第１の端部２１０は波形付きチューブ部材２１８及び第１のフランジ２１４を介してＯＶＣ１０８に結合させている。したがって、外側壁部材２０８の第１の端部２１０は高温領域と連絡可能に結合されている。同様に、外側壁部材２０８の第２の端部２１２はクライオスタット１０１の冷媒容器１０４の内部に配置させた冷媒１１８（図１参照）と連絡可能に結合されているため、外側壁部材２０８の第２の端部２１２は低温領域に連絡可能に結合されている。さらに高温領域は、約２５０度ケルビン（Ｋ）〜約３００度Ｋの範囲の温度を有することがある。したがって、高温領域に連絡可能に結合された外側壁部材２０８の第１の端部２１０は、約２５０度Ｋ〜約３００度Ｋの範囲の温度とすることがある。

冷媒は、液体ヘリウム、液体水素、液体ネオン、液体窒素、あるいはこれらの組み合わせを含み得ることに留意されたい。さらに、外側壁部材２０８の第２の端部２１２がクライオスタット１０１の冷媒容器１０４の内部に配置させた冷媒１１８と動作可能に関連付けされているため、外側壁部材２０８の第２の端部２１２を低温領域に結合させることができる。この低温領域は、ある種の用途では使用する冷媒に基づいて約４度Ｋ〜約８０度Ｋの範囲の温度とすることがある。一例として、その冷媒が液体水素であれば、低温側の領域を約２０度Ｋの温度とすることがある。さらにその冷媒が液体ネオンであれば、低温側の領域を約２７度Ｋの温度とすることがある。さらに別の冷媒では、低温側の領域を約４度Ｋ〜約８０度Ｋの範囲の温度とすることがある。

冷媒１１８（図１参照）としてヘリウムが用いられる場合、クライオスタットの通常動作時に貫通チューブアセンブリの長さ全体わたって約３００度Ｋから約４度Ｋまでの温度勾配が存在することが理解されよう。しかしクエンチ中ではこの温度勾配が衰退し、このため貫通チューブアセンブリの長さ全体にわたって実質的に均一の温度が存在することになり、貫通チューブアセンブリの温度は約５度Ｋ〜約１５度Ｋの範囲まで低下する。温度勾配のこの消失は、貫通チューブアセンブリの応力及び歪みを増大させるので不利であると共に、マグネットのクエンチ中に外側壁部材２０８の薄壁のチューブの収縮を生じさせことになりかねない。図２の実施形態では波形付きチューブ部材２１８は、外側壁部材２０８の熱有効長の増強を支援するように構成されている。具体的には波形付きチューブ部材２１８は、クエンチ時の薄壁のチューブ２０８の収縮を補償するために利用される。より具体的には波形付きチューブ部材２１８がクエンチの際に膨張し、これにより薄壁のチューブ２０８のクエンチ時の収縮が補償されると共に、貫通チューブアセンブリ内部の軸方向応力集中が実質的に最小化される。

本技法の例示的な態様ではその壁部材２０６はテレスコープ式内側壁部材２２０を含む。テレスコープ式内側壁部材２２０は、壁部材２０６の（特に、クエンチ中における）圧力支持力を増強するように構成されている。具体的にはテレスコープ式内側壁部材２２０は、互いの内部にネスト構造にした複数のチューブを含む。具体的に一実施形態ではそのテレスコープ式内側壁部材２２０は、互いの内部にネスト構造を成した直径の異なる複数の同心性チューブを含む。図２に示した例ではテレスコープ式内側壁部材２２０は、第１のチューブ２２２、第２のチューブ２２４、第３のチューブ２２６及び第４のチューブ２２８を互いの内部に同心性にネスト構造にして含む。具体的には各チューブは、少なくとも１つの別のチューブと直列に動作可能に結合されている。一例として、第１のチューブ２２２の第２の端部は第２のチューブ２２４の第１の端部と動作可能に結合される一方、第２のチューブ２２４の第２の端部は第３のチューブ２２６の第１の端部と動作可能に結合されている。同様の方式で、第３のチューブ２２６の第２の端部を第４のチューブ２２８の第１の端部と動作可能に結合させている。さらに第４のチューブ２２８の第２の端部を外側壁部材２０８の第２の端部２１２に結合させている。チューブ２２２、２２４、２２６、２２８のこの結合によって１つの直列接続が形成される。したがってチューブ２２２、２２４、２２６、２２８は、長い１本のチューブではなく互いの内部に来るように直列にしたネスト構造を成している。さらに一実施形態ではそのチューブ２２０、２２４、２２６、２２８は、直径の異なるステンレス鋼チューブを含むことがある。しかしチューブ２２２、２２４、２２６、２２８の形成のためには、チタン合金、インコネル（Ｉｎｃｏｎｅｌ）、非金属エポキシ及び炭素繊維強化チューブ（ただし、これらに限らない）などの別の材料を用いることもある。図２の構成は互いの内部に来るようにネスト構造を成した４つの同心性チューブ２２２、２２４、２２６、２２８を含むようなテレスコープ式内側壁部材２２０を示しているが、別の数の同心性チューブを用いることも想定される。

一実施形態では、テレスコープ式内側壁部材２２０の複数の同心性チューブにおける各チューブの少なくとも１つの別のチューブに対する結合を支援するために、結合用素子またはストッパー２４６を利用することがある。さらに本技法の態様によるテレスコープ式内側壁部材２２０は一般に、押込み収納（ｃｏｌｌａｐｓｅｄ）構成（図２（ｃ）参照）で位置決めされている。しかしマグネットのクエンチの際はテレスコープ式内側壁部材２２０が図２（ｃ）の押込み収納構成から展開式構成（図２（ａ）及び図２（ｂ）参照）まで遷移する。このためにストッパー２４６は例えば、チューブ２２４、２２６及び２２８の第１の端部の近くに位置決めされている。クエンチ中にテレスコープ式内側壁部材２２０が押込み収納構成から展開式構成まで遷移する間に、内側にあるチューブは隣にある同心性チューブに対応したストッパー２４６に当たるまで滑り上がる。一例として第３のチューブ２２６は、第４のチューブ２２８に対応したストッパー２４６に当たるまで滑り上がる。ある種の別の実施形態では、チューブの互いに対する結合を支援するためにチューブのそれぞれの上に環状のリム（図２では図示せず）を用いることがある。別法として、チューブ上に垂直スロット（図２では図示せず）を設けることがある。さらにチューブの結合を支援するために、摺動式の同心性チューブ上に係合用突起（図２では図示せず）を設けることがある。

さらに複数のチューブのうちの最内側チューブの第１の端部に対して、ベント用素子２３２を結合させている。一例としてベント用素子２３２を第１のチューブ２２２の第１の端部に結合させることがある。ある種の実施形態ではそのベント用素子２３２は、バーストディスク（ｂｕｒｓｔｄｉｓｋ）を含むことがある。別法として、第１のチューブ２２２の第１の端部にバルブを結合させることがある。ある種の実施形態ではそのバーストディスクを交換式のバーストディスクとすることがある一方、そのバルブをクエンチバルブとすることがあることに留意されたい。

さらに、バーストディスク２３２の使用によって冷媒容器１０４のハーメチック式閉鎖が支援されることに留意されたい。開口部を開いたままにするのではなくバーストディスク２３２またはバルブを用いることによって冷媒容器１０４を完全に閉鎖することによれば、冷媒容器１０４の上方の空間の排気が可能となり、これによりヘリウムガスカラムが排除される。具体的には、バーストディスク２３２を用いると、貫通チューブアセンブリが生じさせるクライオスタット１０１に対する熱負荷の低減が支援される。一例として貫通チューブアセンブリの設計に基づいて、約５０ｍＷ〜１５０ｍＷの範囲における総熱冷媒予算の低減を達成することが可能である。

引き続き図２を参照すると、貫通チューブアセンブリ２００をベントライン２３６と動作可能に結合させることがある。一実施形態ではそのベントライン２３６を外側壁部材２０８の第１の端部２１０と動作可能に結合させることがある。ベントライン２３６はマグネットのクエンチ中における冷媒の流路形成を支援する。さらにベントライン２３６は一般に、ヘリウムガスなどの冷媒で満たされている。ベントライン２３６をヘリウムガスで満たすことによって、貫通チューブアセンブリが確実に周囲大気に曝露されないことが支援される。さらに、ベントライン２３６はフラップバルブ２４０を含む。さらにフラップバルブ２４０は、ベントライン２３６を空気の進入から保護するように構成されている。さらに、フラップバルブ２４０の開放及び閉鎖を支援するためにＯリング封止２４４を利用することがある。Ｏリング封止したバネ起動式フラップバルブ２４０は典型的には、図２に示したような閉じた位置にあると共にクエンチ中にのみ開放される。フラップバルブ２４０は典型的にはクエンチ中に気体フロー方向２４８に開放されることに留意されたい。

さらに一実施形態では、ベントライン２３６はベントラインポート２３８を含む。ベントラインポート２３８はベントライン２３６の排気を支援する。具体的には、ベントラインポート２３８に対して真空が引き入れられると、フラップバルブ２４０は気体フロー方向２４８と反対方向に移動する。このために、貫通チューブアセンブリ及びベントライン２３６が排気される。具体的には貫通チューブアセンブリとベントライン２３６のフラップバルブ２４０の位置に至る部分２４２とを排気させることがある。ベントラインポート２３８は、ベントライン２３６の部分２４２の排気に用いられ、次いでこの部分がフラップバルブ２４２を閉じた位置まで押すことがある。

貫通チューブアセンブリ並びにベントライン２３６を図２に示したように実現すると共に、バーストディスク２３２を用いて冷媒容器１０４をハーメチック式閉鎖することによって、貫通チューブアセンブリの排気が可能となり、これがヘリウムガスカラムを排除することによりクライオスタット１０１に対する熱負荷の低減が得られる。

さらに、内側壁部材２２０にバーストディスクを全く結合させない場合は、内側壁部材２２０の比較的小さい直径が開放のままとなり、これによりヘリウムガスカラムの形成が生じることになる。この状況では、ベントライン２３６内のフラップバルブ２４０によってベントライン２３６及び／または貫通チューブアセンブリが空気の進入から保護される。しかし、内側壁部材に結合させたバーストディスクを含まないような貫通チューブアセンブリの実施形態では、ヘリウムガスカラムによる約３００度Ｋから約４度Ｋへの熱伝導のためにクライオスタットに対する熱負荷が高くなる。

さらに、第４のチューブ２２８などのテレスコープ式内側壁部材２２０の最外側チューブを外側壁部材２０８に結合させることがあることに留意されたい。一実施形態では、第４のチューブ２２８を外側壁部材２０８の第２の端部２１２に結合させることがある。

ここで図２（ｂ）を見ると、図２（ａ）のテレスコープ式内側壁部材２２０が展開式構成となったときの軸方向断面像２５０の一部を表した概要図を表している。具体的に図２（ｂ）は、マグネットのクエンチ中のテレスコープ式内側壁部材２２０の展開式構成を表している。

ここで図２（ｃ）を参照すると、図２（ａ）のテレスコープ式内側壁部材２２０を押込み収納構成とした上面図２５２を表している。通常動作時においてテレスコープ式内側壁部材２２０は図２（ｃ）に示したような押込み収納構成にある。しかしクエンチ時には冷媒容器１０４の圧力が上昇する。冷媒容器１０４内の圧力上昇の結果として、テレスコープ式内側壁部材２２０は図２（ｃ）の押込み収納構成からクエンチ中の図２（ａ）及び図２（ｂ）の展開式構成まで遷移する。具体的にはテレスコープ式チューブ２２２、２２４、２２６、２２８は図２（ａ）に示したように膨張すると共に、貫通チューブアセンブリに結合させたベントライン２３６を通してヘリウムなどの冷媒を逃がしかつベントすることが可能である。一例として冷媒１１８は、貫通チューブアセンブリ内の開口部２３４を通って冷媒容器１０４からベントライン２３６まで逃がされベントされる。

引き続き図２を参照すると本技法の例示的な態様では、複数のチューブ２２２、２２４、２２６、２２８の直列接続によって、クエンチ中における壁部材２０６の圧力支持力（またさらに具体的には、内側壁部材２２０の圧力支持力）が増強される。具体的にはチューブ２２２、２２４、２２６、２２８の直列結合によって、内側壁部材２２０の図２（ｃ）の押込み収納構成から図２（ａ）及び図２（ｂ）の展開構成までの遷移が可能となる。クエンチ後に圧力が低下した後、チューブ２２０、２２４、２２６、２２８は自動的に押し込まれ、内側壁部材２２０が押込み収納構成まで戻される。

本明細書の上で記載したように、テレスコープ式内側壁部材２２０は複数の同心性チューブを含む。内側壁部材２２０として、押込み収納式鋼鉄製及び／またはプラスチック製カップ、押込み収納式テレスコープ、押込み収納式アンテナ、あるいはこれらの組み合わせを用いることも想定されることに留意されたい。

図２を参照して記載したようにして貫通アセンブリを実現すると（特に、クエンチ中において）長さを増強した有効熱伝導経路が提供され、これにより貫通チューブアセンブリが生じさせるクライオスタットに対する熱負荷が低減される。具体的には、図２に示したような貫通チューブアセンブリ２００のテレスコープ式内側壁部材２２０によれば、図２（ｃ）の押込み収納構成からクエンチ中の図２（ａ）及び２（ｂ）の展開構成への遷移によって貫通チューブアセンブリ２００の熱有効長が増強される。貫通チューブアセンブリ２００の壁部材２０６の熱有効長のこの増加は次いで、貫通チューブアセンブリ２００の開放表面積の増加に繋がる。このため、マグネットのクエンチ時の貫通チューブアセンブリ２００の利用可能断面積を追加の熱負荷ペナルティなしに増大させている。貫通チューブアセンブリ２００の利用可能断面積のこの増加によって次いで、熱放散の増強を容易しこれにより貫通チューブアセンブリが生じさせるクライオスタットに対する熱負荷を低減することができる。

さらに、図２を参照して記載したようにして貫通アセンブリを実現すると、内側壁部材２２０向けに薄壁のチューブの利用が可能となる。さらに内側壁部材２２０はクエンチ中にのみ強化される。さらに内側壁部材２２０は、クエンチ後は貫通チューブアセンブリの開口部２３４を部分的に閉鎖する。

ここで図３を参照すると、図１のクライオスタット１０１などのクライオスタット内で用いるように構成した貫通チューブアセンブリの例示的な壁部材３０２の別の実施形態３００を表している。具体的に図３は、クライオスタット内で用いるための貫通チューブアセンブリの壁部材３０２に関する別の実施形態の軸方向断面像の一部を表した概要図である。さらに参照番号３０４は全体として貫通チューブの対称軸を示している。

本技法の例示的な態様では、壁部材３０２は外側壁部材３０６及び内側壁部材３１８を有する。外側壁部材３０６は、第１の端部３１０及び第２の端部３１２を有する。同様の方式で内側壁部材３１８は、対応する第１の端部３１４及び第２の端部３１６を有する。外側壁部材３０６は薄壁の波形付きチューブを含む。波形付きチューブは、ある種の実施形態ではステンレス鋼から形成させることがある。ある種の別の実施形態ではその波形付きチューブはさらに、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＲＰ）を用いて形成かつ／または強化されることがある。さらに、外側壁部材３０６の第１の端部３１０を第１のフランジ３２０を介してＯＶＣ１０８（図１参照）に結合させる一方、外側壁部材３０６の第２の端部３１２を第２のフランジ３２２を介して冷媒容器１０４（図１参照）に結合させている。第１及び第２のフランジ３２０、３２２をステンレス鋼フランジとし得ることに留意されたい。別法としてその第１及び第２のフランジ３２０、３２２を銅及び／またはアルミニウムを用いて形成させることもある。

さらに内側壁部材３１８は、ベント用素子３２６が備えられた薄壁のチューブである。一実施形態ではそのベント用素子３２６は、バーストディスクを含むことがある。別法としてバーストディスク３２６ではなく、バルブを利用することがある。具体的には、バーストディスク３２６を、内側壁部材３１８の第１の端部３１４に結合させている。さらに薄壁の内側壁部材３１８は、比較的小さい直径を有することがある。一例としてある種の実施形態ではその薄壁の内側壁部材３１８は、約５０ｍｍから約１００ｍｍの範囲の直径を有することがある。さらに、薄壁の内側壁部材３１８の直径は、冷媒在庫体積及び／またはマグネットクエンチエネルギーに基づいて選択されることに留意されたい。内側壁部材３１８は、一実施形態ではステンレス鋼を用いて形成させることがある。ある種の別の実施形態ではその内側壁部材３０８は、ＧＲＰまたは炭素繊維複合材（ＣＦＣ）を用いて強化されることがある。

さらにある種の実施形態では、内側壁部材３１８をクライオスタット１０１の冷媒容器１０４に結合させることがある。さらに内側壁部材３１８は、排気可能なベントライン３３０にも結合させることがある。一実施形態ではその内側壁部材３１８を貫通アセンブリの底部プレートに結合させることがある。したがって、「固定の」内側壁部材３１８は、クエンチ後の迅速かつ簡便なバーストディスク交換を可能にするような所望の高さに維持される。さらに内側壁部材３１８の長さは、内側壁部材３１８の選択した長さによってバーストディスク３２６が室温に維持されるようにして選択される。さらに内側壁部材３１８の第２の端部３１６は、クエンチ中における入口圧力降下の低下を支援するような平滑で丸みのあるエントリ部３２８を含む。

クライオスタットの通常動作には貫通チューブアセンブリの長さ方向にわたって約３００度Ｋから約４度Ｋまでの温度勾配が存在することが理解されよう。しかしクエンチ中ではこの温度勾配が衰退し、このため貫通チューブアセンブリの長さ全体にわたって実質的に均一の温度が存在することになり、これにより貫通チューブアセンブリの温度は約５度Ｋ〜約１５度Ｋの範囲まで低下する。温度勾配のこの消失は貫通チューブアセンブリの応力及び歪みを増大させるので不利であると共に、マグネットのクエンチ中に外側壁部材３０６の収縮を生じさせことになりかねない。図３の実施形態では波形付き外側壁部材３０６は、壁部材３０２の熱有効長の増強を支援するように構成されている。具体的には波形付きチューブ部材３０６は、クエンチの際に膨張すると共に、チューブ内部の軸方向応力集中が実質的に最小化される。

クエンチの間に冷媒容器１０４の圧力は上昇する。冷媒１１８（図１参照）は丸みのあるエントリ部３２８を通って内側壁部材３１８に入る。冷媒容器１０４の圧力が上昇すると、バーストディスク３２６が開いて冷媒が逃がされ、これにより冷媒容器内の圧力蓄積が緩和される。

図２を参照しながら上で指摘したように、バーストディスク３２６を用いることによって冷媒容器１０４のハーメチック式閉鎖が支援される。開口部を開いたままにするのではなくバーストディスク３２６またはバルブを用いることによって冷媒容器１０４を完全に閉鎖することによれば、冷媒容器１０４の上方の空間の排気が可能となり、これによりヘリウムガスカラムが排除される。具体的にはバーストディスク３２６を用いると、貫通チューブアセンブリにより生じるクライオスタット１０１に対する熱負荷の低減が支援される。一例として貫通チューブアセンブリの設計に基づいて、約５０ｍＷ〜１５０ｍＷの範囲における総熱冷媒予算の低減を達成することが可能である。

引き続き図３を参照すると、貫通チューブアセンブリ３００をベントライン３３０と動作可能に結合させることがある。一実施形態ではそのベントライン３３０を外側壁部材３０６の第１の端部３１０と動作可能に結合させることがある。ベントライン２３０はマグネットのクエンチ中における冷媒の流路形成を支援する。さらに一実施形態では、ベントライン３３０はベントラインポート３３２を含む。ベントラインポート３３２はベントライン３３０の排気を支援する。さらにベントライン３３０は、Ｏリング封止したバネ起動式フラップバルブ３３４を含む。さらにフラップバルブ３３４は、ベントライン３３０を空気の進入から保護するように構成されている。フラップバルブ３３４は典型的には図３に示したように閉じた位置にある。フラップバルブ３３４は典型的にはクエンチ中に開かれることに留意されたい。参照番号３３８は全体としてＯリング封止を示している。

さらにベントライン３３０は一般に、ヘリウムガスなどの冷媒で満たされている。ベントライン３３０をヘリウムガスで満たすことによって、貫通チューブアセンブリが確実に周囲大気に曝露されないことが支援される。さらにフラップバルブ３３４は典型的には、閉じた位置にあると共にクエンチ中にのみ開放される。

しかしある種の実施形態では、貫通チューブアセンブリ及びベントライン３３０を排気させることがある。具体的には貫通チューブアセンブリとベントライン３３０のフラップバルブ３３４の位置に至る部分３３６とを排気させることがある。ベントラインポート３３２は、ベントライン３３０の部分３３６の排気に用いられ、次いでこれがフラップバルブ３３６を閉じた位置まで押すことがある。

貫通チューブアセンブリ並びにベントライン３３０を図３に示したように実現すると共に、バーストディスク３２６を用いて冷媒容器１０４をハーメチック式閉鎖することによって、貫通チューブアセンブリの排気が可能となり、これがヘリウムガスカラムを排除することによりクライオスタット１０１に対する熱負荷の低減が得られる。

さらに、内側壁部材３１８にバーストディスクを全く結合させない場合は、内側壁部材３１８の比較的小さい直径が開放のままとなり、これによりヘリウムガスカラムの形成が生じることになる。この状況では、ベントライン３３０内のフラップバルブ３３４によってベントライン３３０及び／または貫通チューブアセンブリが空気の進入から保護される。しかし、内側壁部材に結合させたバーストディスクを含まないような貫通チューブアセンブリの実施形態では、ヘリウムガスカラムにより約３００度Ｋから約４度Ｋまで熱が伝わるためクライオスタットに対する熱負荷が高くなる。

図３を参照して記載したようにして貫通アセンブリを実現すると、長さが増強された有効熱伝導経路が提供される。具体的には、図３に示したような貫通チューブアセンブリ３００の波形付き外側壁部材３０６によれば、貫通チューブアセンブリ３００の熱有効長が増強される。貫通チューブアセンブリ３００の外側壁部材３０６の熱有効長のこの増大によって一方、貫通チューブアセンブリ３００の開放表面積が増加することになる。このため、マグネットのクエンチ時における貫通チューブアセンブリ３００の利用可能断面積が追加の熱負荷ペナルティを伴わずに拡大される。

さらに図３の実施形態によれば、ＯＶＣ１０８から内側冷媒容器１０４への振動伝達の大幅な低減が可能となる。具体的には図３の実施形態では、貫通チューブアセンブリの壁部材３０２の比較的自由な動きが可能となり、これにより運搬中やクライオスタット１０１の静止位置決め時におけるＯＶＣ１０８から冷媒容器１０４への振動の伝達が低減される。さらに、波形付き外側壁部材３０６の波形部同士の間の空間を排気させることがある。したがって、直径が比較的大きな冷媒ガスカラムの使用に由来する伝達を上で指摘したようにして回避することができる。

さらに、波形付き外側壁部材３０６の長さが比較的長いため、熱伝導が実質的に最小化される。さらに内側壁部材３１８をバーストディスク３２６と共に用いることにより、貫通チューブアセンブリの圧力支持力が増強される。さらに貫通アセンブリに対して上方からアクセス可能であるため、バーストディスク３２６の容易な交換が可能になる。

本明細書の上で記載したクライオスタット内で使用するように構成された貫通チューブアセンブリの例示的な壁部材の様々な実施形態によれば、貫通チューブアセンブリの壁部材の熱有効長が増強されることによって貫通チューブアセンブリが生じさせるクライオスタットに対する熱負荷が劇的に低減される。クライオスタットに対する熱負担のこの低下によって、ライドスルー時間の増大、コールドヘッドサービス時間の延長及びコスト削減が得られるので有利である。一例としてこの貫通チューブアセンブリの簡略設計によればシステム全体のコストが低減される。さらにこの例示的な貫通チューブアセンブリを用いると、ある例ではコールドヘッドへの熱リンクが不要になる。さらに上で指摘したようにこうした貫通は、システムの熱負荷の少なくとも３０〜４０％を占める。本明細書の上で記載した例示的な貫通チューブアセンブリの利用に由来するクライオスタットに対する低熱負荷のため、クライオスタット内で要求される総ヘリウム在庫の低減の支援も可能となる。したがって本明細書の上で記載した貫通チューブアセンブリの様々な実施形態によって、好結果なクライオスタット設計にとっての主要因の１つである熱負荷を最適化した貫通が提示される。

本開示のある種の特徴についてのみ本明細書において図示し説明してきたが、当業者によって多くの修正や変更がなされるであろう。したがって添付の特許請求の範囲が、本開示の真の精神の範囲に属するこうした修正や変更のすべてを包含させるように意図したものであることを理解されたい。

１００ＭＲＩシステム
１０１クライオスタット
１０２超伝導マグネット
１０４冷媒容器
１０６熱シールド
１０８外側真空チェンバー
１１０貫通チューブアセンブリ
１１２カバープレート
１１４壁部材
１１６スリーブ
１１８冷媒
１２０クライオクーラ
１２２患者ボア
１２４患者
２００貫通チューブアセンブリ
２０２貫通チューブアセンブリの断面図
２０４貫通チューブの対称軸
２０６壁部材
２０８外側壁部材
２１０壁部材の第１の端部
２１２壁部材の第２の端部
２１４フランジ
２１６フランジ
２１８波形付きチューブ部材
２２０テレスコープ式内側壁部材
２２２第１のチューブ
２２４第２のチューブ
２２６第３のチューブ
２２８第４のチューブ
２３２バーストディスク
２３４開口部
２３６ベントライン
２３８ベントラインポート
２４０フラップバルブ
２４２ベントラインのフラップバルブに至る部分
２４４Ｏリング封止
２４６ストッパー
２４８気体フロー方向
２５０展開構成時のテレスコープ式内側壁部材の断面図
２５２押込み収納構成時のテレスコープ式内側壁部材の上面図
３００貫通チューブアセンブリ
３０２壁部材
３０４貫通チューブの対称軸
３０６外側壁部材
３１０外側壁部材の第１の端部
３１２外側壁部材の第２の端部
３１４内側壁部材の第１の端部
３１６内側壁部材の第２の端部
３１８テレスコープ式内側壁部材
３２０フランジ
３２２フランジ
３２６バーストディスク
３２８内側壁部材内の開口部
３３０ベントライン
３３２ベントラインポート
３３４フラップバルブ
３３６ベントラインのフラップバルブに至る部分
３３８Ｏリング封止

Claims

クライオスタット向けの貫通アセンブリであって、
第１の端部及び第２の端部を有すると共にその熱有効長を変更するように構成された外側壁部材であって、チューブの第１の端部は高温領域と連絡可能に結合されておりかつチューブの第２の端部はクライオスタットの冷媒容器内部に配置された冷媒と連絡可能に結合されている外側壁部材と、
複数のチューブを互いの内部にネスト構造にして備えているテレスコープ式内側壁部材であって、該複数のチューブのうちの各チューブは少なくとも１つの別のチューブと直列に動作可能に結合されている内側壁部材と、
を備える貫通アセンブリ。
前記高温領域は約２５０度Ｋ〜約３００度Ｋの範囲の温度を有する、請求項１に記載の貫通アセンブリ。
前記冷媒は、液体ヘリウム、液体水素、液体ネオン、液体窒素、あるいはこれらの組み合わせを含む、請求項１に記載の貫通アセンブリ。
複数の同心性チューブのうちの最内側チューブの第１の端部と動作可能に結合させたベント用素子をさらに備える請求項１に記載の貫通アセンブリ。
前記ベント用素子は、バーストディスク、バーストバルブあるいはこれらの組み合わせを含む、請求項４に記載の貫通アセンブリ。
前記テレスコープ式内側壁部材内の複数のチューブは、互いの内部にネスト構造となった複数の同心性チューブを含む、請求項１に記載の貫通アセンブリ。
前記テレスコープ式内側壁部材内の複数のチューブは、ステンレス鋼チューブ、ＴｉＡｌ₆Ｖ₄チューブ、アルミニウムチューブ、あるいはこれらの組み合わせを含む、請求項６に記載の貫通アセンブリ。
前記外側壁部材はさらに、外側壁部材の第１の端部に、第２の端部に、あるいはこれら第１の端部と第２の端部の両方に動作可能に結合させた波形付き区画を備える、請求項１に記載の貫通アセンブリ。
前記波形付き区画は、壁部材の熱有効長を約５０ｍｍから約３００ｍｍの範囲で変更するように構成されている、請求項８に記載の貫通アセンブリ。
前記テレスコープ式内側壁部材は、押込み収納構成となるように構成されている、請求項１に記載の貫通アセンブリ。
前記テレスコープ式内側壁部材は、クエンチ時に押込み収納構成から展開構成まで遷移するように構成されている、請求項１０に記載の貫通アセンブリ。
前記テレスコープ式内側壁部材は、クエンチ後に押込み収納構成に復帰するように構成されている、請求項１１に記載の貫通アセンブリ。
外側壁部材と動作可能に結合されると共にマグネットのクエンチ中における冷媒の流路形成を支援するように構成されたベントラインをさらに備える請求項１に記載の貫通アセンブリ。
前記ベントラインは、
ベントラインの排気を支援するように構成されたベントラインポートと、
ベントライン内への空気の進入を防止するように構成されたフラップバルブと、
を備えている、請求項１３に記載の貫通アセンブリ。
クライオスタット向けの貫通アセンブリであって、
第１の端部及び第２の端部を有すると共にその熱有効長を変更するように構成された波形付き外側壁部材であって、チューブの第１の端部は高温領域と連絡可能に結合されておりかつチューブの第２の端部はクライオスタットの冷媒容器内部に配置された冷媒と連絡可能に結合されている波形付き外側壁部材と、
第１の端部及び第２の端部を有すると共に前記波形付き外側壁部材の近傍に配置させた内側壁部材と、
を備える貫通アセンブリ。
前記内側壁部材の第１の端部と動作可能に結合されたベント用素子をさらに備える請求項１５に記載の貫通アセンブリ。
前記波形付き外側壁部材は、該外側壁部材の熱有効長を約５０ｍｍから約３００ｍｍの範囲で変更するように構成されている、請求項１５に記載の貫通アセンブリ。
前記内側壁部材はガラス強化プラスチックで強化された薄壁のチューブを含む、請求項１５に記載の貫通アセンブリ。
前記内側壁部材の第２の端部は貫通チューブアセンブリの底部プレートに結合されている、請求項１５に記載の貫通アセンブリ。
前記内側壁部材と波形付き外側壁部材の間の領域は排気された領域を含む、請求項１５に記載の貫通アセンブリ。
前記外側壁部材と動作可能に結合されると共にマグネットのクエンチ中において冷媒の流路形成を支援するように構成されたベントラインをさらに備える請求項１５に記載の貫通アセンブリ。
前記ベントラインは、
ベントラインの排気を支援するように構成されたベントラインポートと、
ベントライン内への空気の進入を防止するように構成されたフラップバルブと、
を備えている、請求項２１に記載の貫通アセンブリ。
画像データ標本を収集するように構成された収集サブシステムであって、該収集サブシステムは、
その内部に患者を受け入れるように構成された超伝導マグネットと、
前記超伝導マグネットをその内部に包含する冷媒容器を備えている、熱負荷を最適化した貫通アセンブリを備えたクライオスタットであって、
第１の端部及び第２の端部を有すると共にその熱有効長を変更するように構成された外側壁部材であって、チューブの第１の端部は高温領域と連絡可能に結合されておりかつチューブの第２の端部はクライオスタットの冷媒容器内部に配置された冷媒と連絡可能に結合されている外側壁部材と、
前記外側壁部材の近傍に配置された内側壁部材と、
を備えているクライオスタットと、
を備えている収集サブシステムと、
前記収集サブシステムと動作可能に関連付けされると共に収集した画像データを処理するように構成された処理サブシステムと、
を備える磁気共鳴撮像向けのシステム。