JP3824283B2 - 超伝導マグネット・アセンブリ - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、磁気共鳴イメージング（（magnetic resonance imaging）以下、ＭＲＩと表す。）に適したヘリウムで冷却される超伝導マグネット・アセンブリに関し、更に詳しくは、結果として生じるヘリウム・ガスを再凝縮して液体ヘリウムに戻すためのヘリウム容器内の改善され、簡略化された手段に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、超伝導マグネットは、極めて低温の環境に配置することにより、例えば低温保持装置（クライオスタット）、又は液体ヘリウム等の液体冷却剤（クライオジェン）を収容している圧力容器に封入することにより、超伝導性にすることができる。極度の低温によって、マグネット・コイルは、超伝導動作に維持される。最初（ある期間の間、例えば１０分間）、マグネット・コイルに電源を接続してコイルに電流を導入すると、電源を除いた後もコイルの電気抵抗が無いため、コイルに電流が流れ続ける。これにより、強い磁界が維持される。超伝導マグネット・アセンブリは、ＭＲＩの分野で広範な用途がある。
【０００３】
沸騰する冷却剤、例えば液体ヘリウムを補給する必要性を最小にすることにかなりの研究開発の努力が向けられてきた。液体ヘリウムを使用して低温にすることは広く実施されており、ＭＲＩ動作に対しては満足できるものであるが、全世界のＭＲＩ設備に液体ヘリウムの間断の無い供給源を設けることは難しく、費用のかかることであることがわかった。
【０００４】
従って、必要な液体ヘリウムの量を効率よく最小限にすることが望ましい。又、超伝導マグネット・アセンブリに超伝導温度を与える際に液体ヘリウムが沸騰することによる液体ヘリウム供給源に絶えず補給する必要性を最小限にするか、又は無くすことが望ましい。通常行われていることは、沸騰しているヘリウムからヘリウム・ガスを取り出し、ヘリウム供給源に周期的に補給することである。
【０００５】
液体ヘリウムを使用して超伝導マグネット・アセンブリに低温を与える際に生じるもう１つの問題は、液体ヘリウムの必要な予備供給源を４°Ｋの（即ち、絶対零度に近い）低温で貯蔵しておくことである。そして関連する問題は、貯蔵器内の液体ヘリウムの一部を超伝導マグネット内の液体ヘリウム供給源に周期的に移すことである。
【０００６】
沸騰するヘリウムから生じるヘリウムのオフ・ガスをリサイクルするために、種々の試みが行われてきた。これらの試みは完全には成功しなかった。ヘリウム・ガスを再凝縮する努力の中で生じた１つの難しさは、再凝縮装置へのアクセス及び再凝縮装置の保守の難しさであった。再凝縮装置の保守中に少しでも可能であれば、ＭＲＩを動作状態に維持することが極めて重要である。装置の保守をするために超伝導動作を中断すると、ランプダウン及びそれに続くランプアップ、並びに均一な超伝導動作とするための超伝導マグネットのシム作用により、かなりのダウン時間が生じて、超伝導マグネット・アセンブリ内のヘリウム供給源のボイルオフが生じ得るからである。このような手順は、必然的に時間及び物資を要するものであり、それらの少なからずがダウン時間の間に、高価なＭＲＩ装置を使用できないことに伴うものである。
【０００７】
ヘリウム再凝縮の１つの手段が、１９９４年１２月２９日に出願され、本発明と同じ譲り受け人に譲渡された本発明者による係属米国特許出願第０８／３６６，１８７号の発明の名称「ヘリウム再凝縮超伝導マグネット」（Helium Supercondensing Superconducting Magnet）に開示されている。
低温冷却器（クライオクーラ）、排気された外側容器、及びヘリウム容器内の低温ヘリウム・ガスの間の熱絶縁が欠如していることにより、保守時間が増加し、保守中の冷却剤の消費量が増加すると共に、再凝縮接触表面及び低温冷却システムの一方又は両方の汚染の危険性が生じた。従って、汚染を回避し得ることが重要であると共に、超伝導マグネット・アセンブリの超伝導動作を維持しつつ、且つ外側容器及び内側ヘリウム容器における真空の健全性を損なうことなく低温冷却器を取り外して保守作業を行える再凝縮装置を提供することが重要である。
【０００８】
【発明の目的】
本発明の１つの目的は、冷却剤を再凝縮する複雑でない改善された超伝導マグネット・アセンブリであって、改善された熱効率を有する超伝導マグネット・アセンブリを提供することにある。
本発明のもう１つの目的は、超伝導マグネットＭＲＩシステムの動作を中断することなく取り外し及び保守を行うことができる低温冷却器を利用している改善された再凝縮ヘリウム冷却形超伝導マグネット・アセンブリを提供することにある。
【０００９】
【発明の概要】
本発明の一形式によれば、２段の低温冷却器が、超伝導マグネット内のヘリウム容器と、それを取り囲んでいる真空容器との間の空間内に伸びており、その低温端、即ち第２の段が、再凝縮器に熱的に接続されている。再凝縮器は、液体ヘリウムより上方のヘリウム容器内に配置されており、ヘリウム容器内のヘリウム・ガスは、重力によって落下して液体ヘリウム貯蔵器に直接戻る再凝縮されたヘリウムと直接接触する。
【００１０】
更に詳しく述べると、低温冷却器の第１の段は、ヘリウム容器と真空容器との間に挿入された放射シールドに熱的に接続されており、この熱的な接続は、低温冷却器の第１の段と放射遮シールドとの間を伸びている可撓性のジョイントを介して行われている。ヘリウムの再凝縮器は、複数の再凝縮表面を含んでいる。複数の再凝縮表面は、共通の熱ヒート・シンクを介して低温冷却器の第２の段と直接に熱的に接続されており、衝突するヘリウム・ガスを再凝縮させて、液体ヘリウムに戻す。低温冷却器は、マグネット内の二重スリーブ・アセンブリ内を伸びており、超伝導マグネットを超伝導動作に維持しながら保守のために低温冷却器を取り外すことができるようにする。
【００１１】
【実施例】
図１を参照すると、ＭＲＩ超伝導マグネット・システム１が、真空容器２によって取り囲まれているヘリウム容器４を含んでいる。ヘリウム容器と真空容器との間に、熱絶縁性の放射シールド１０が挿入されている。４Ｋ低温冷却器１２（これは、２段のギフォード−マホン（Gifford-Mahon）低温冷却器であってもよい。）が、スリーブ１８、２１、１７及び２０内で真空容器２を通って伸びており、真空容器２内の真空を破壊することなく、低温冷却器をスリーブ内に選択的に位置決めしたり、又は取り除いたりすることができる。第１の段の可動スリーブ１８及び固定スリーブ１７が、低温冷却器１２の第１の段１４を取り囲んでおり、第２の段の可動スリーブ２１及び固定スリーブ２０が、低温冷却器の第２の段１６を取り囲んでいる。低温冷却器の内側の可動スリーブ１８、１３、２１及び２５、並びに固定スリーブ１７、３８、２０及び２２は、真空容器２の外側に伸びており、カラー１９を通過してスリーブ・フランジ１５に至っている。スリーブ・フランジ１５は真空容器２から低温冷却器１２を絶縁している。低温冷却器１２は、マッチング・トランジション・フランジ４６で低温冷却器スリーブ１８、２１、１７及び２０内に据え付けられており、例えば参照番号４９のようなボルト及び座金でスリーブ・フランジ１５に固定されている。
【００１２】
低温冷却器１２の第１の段のヒート・ステーション１４は、第１の段の可動スリーブ、即ちヒート・シンク１３と、固定スリーブのヒート・ステーション、即ちヒート・ステーション３８とに接触しており、ヒート・シンク１３及びヒート・ステーション３８は、可撓性の銅組み紐（ブレード）熱カップリング（結合部）３４及び３６を介して絶縁放射シールド１０に熱的に接続されている。この熱的な接続は、放射シールド上の銅熱ブロック４０を介して行われている。これにより、放射シールドは、約５０°Ｋの温度に冷却されて、ヘリウム容器４と真空容器２との間の熱絶縁が行われる。可撓性のカップリング３４及び３６は又、低温冷却器１２と放射シールド１０との間の機械的、即ち振動の絶縁を行っている。
【００１３】
低温冷却器の第２の段の固定スリーブ２０の底部、即ち内側部分にある固定スリーブの銅の第２の段のヒート・ステーション、即ちヒート・シンク２２は、第２の段の可動スリーブ２１の底部表面２５と接触していると共に、低温冷却器１２の第２の段のヒート・ステーション１６に至っており、、ヒート・シンク２２に４Ｋの温度が効率よく与えられる。
【００１４】
ヘリウム再凝縮伝熱表面、即ち再凝縮器３２は、ヘリウム容器４内に伸びていると共に、再凝縮器ヒート・シンク３０に熱的に接続されている。再凝縮器３２は、再凝縮器のヒート・シンクと熱的に接触している複数の実質的に平行な伝熱表面、即ちフィン４２を含んでいる。再凝縮器のヒート・シンクは、ヘリウム容器４より上方に配置されている第２の段のヒート・シンク２２に可撓性の銅組み紐線２３、２４及び２６を介して熱的に接続されている。
【００１５】
ＭＲＩマグネット・システム１に低温を供給する際の液体ヘリウムの沸騰により、冷却剤、即ち液体ヘリウムの供給源６の表面レベル７より上方に形成されるヘリウム・ガス５は、ヘリウム容器４内の伝熱板４２と直接接触しており、低温冷却器１２の第２の段１６への前述した熱接続により冷却されて、４Ｋに戻る。ヘリウム・ガス５は、伝熱板４２上で再凝縮して液体ヘリウムとなり、重力によって落下してヘリウム容器内の液体ヘリウム供給源に戻る。
【００１６】
その結果、ＭＲＩマグネット・システム１の動作の間に、液体ヘリウム６はＭＲＩの分野では周知のようにして、全体が参照番号５０で表されていると共にヘリウム容器４内に配置されている超伝導マグネット・コイル・アセンブリを冷却しており、この冷却全体が矢印５２で表されている。その結果、液体ヘリウム６は沸騰して、液体ヘリウムの表面レベル７より上方にヘリウム・ガス５が発生する。しかしながら、ヘリウム・ガス５は、多くのＭＲＩ装置において通常行われているように大気に排出される代わりに、ヘリウム容器４内のヘリウム再凝縮伝熱板、即ち表面４２と接触する。ヘリウム再凝縮伝熱板、即ち表面４２は、低温冷却器１２の第２の段１６によって４Ｋの温度に維持される。これにより、ヘリウム・ガスは再凝縮して液体ヘリウムに戻り、この液体ヘリウムは、重力によって落下して、液体ヘリウム供給源６へ直接戻る。このようにして、ヘリウム・ガスは再凝縮して、液体ヘリウムとして液体ヘリウム供給源に戻り、しかも加熱又はヘリウムの流れを妨害するおそれのある接続が最小限になる。
【００１７】
真空容器２からヘリウム容器４を更に熱絶縁するために、低温冷却器１２の第１の段１４による放射シールド１０の冷却の他に、放射シールド１０と真空容器２との間の空間に超熱絶縁体３５が設けられている。超熱絶縁体３５は、超伝導マグネット産業で使用されているアルミニウムで処理されたマイラ（Myler）多層絶縁体である。
【００１８】
構成要素１５、１８、１３、２１及び２５は、それぞれのジョイント（接合部）で銀はんだ付けされており、マグネット・システム１の正規の動作中に、真空内の低温冷却器１２の第１の段及び第２の段の周りに可動スリーブを形成している。スリーブ１７、３８、２０及び２２を含んでいる外側の固定スリーブ・アセンブリは、超伝導マグネット１を取り囲んでいる大気、即ち循環する空気４５から真空容器２の内部を分離するもう１つの空洞を形成している。これにより、ねじ山が切られた棒４７でナット４８を緩めるときに伸縮自在なベローズ２８を使用して、真空の健全性を破ることなく低温冷却器１２及び可動スリーブを一緒に機械的に移動させて固定スリーブから離すことにより、低温冷却器１２の第１の段１４の周りで熱ジョイント１３及び３８を分割すると共に、低温冷却器１２の第２の段の周りで熱ジョイント２５及び２２を分割することが可能になる。これにより、ヒート・シンク１３は参照番号３８から及びヒート・シンク２２は参照番号２５から、それらの間の真空空間によって熱絶縁され、その結果、超伝導マグネット１の超伝導動作を損なうおそれのあるヘリウム容器４の過大な熱漏れを生じることなく、低温冷却器１２を取り外して、保守作業を行うことができる。
【００１９】
低温冷却器１２が修理されるか、又は取り替え部品が入手できて、再組み立て、並びに可動スリーブ１５、１８、１３、２１及び２５への挿入の用意ができたときに、ヒート・シンク又はヒート・ステーション１３及び２５を室温まで暖め、拭いて、清浄にすることができる。そして全体を参照番号５６で表した外部のヘリウム・ガス供給源からヒート・シンク上に室温のヘリウム・ガス５４を吹き付けてヒート・シンクを暖めた後に、どんな凝縮体も取り除くことができる。
【００２０】
このようにして、ヒート・シンク１３及び２５は、二重の全体的に同心状のスリーブ・アセンブリによってヘリウム６から熱絶縁されており、低温冷却器１２の再挿入及び再組み立て時にジョイント１３及び１４、並びにジョイント２５及び１６での良好な熱接続を妨害するおそれのある低温冷却器１２の取り外し時のヒート・シンク１３及び２５の着氷を防止する。このようにして、液体ヘリウム６のボイルオフが無いマグネット１の継続的な超伝導動作、着氷の防止、及び低温冷却器１２の再挿入の前にヒート・シンク１３及び２５を清浄にする機能が可能となる。
【００２１】
二重低温冷却器のスリーブ・アセンブリはこのようにして、真空容器２とヘリウム容器４との間にシールされたチャンバ、即ち空洞４４を形成しており、分離されたジョイント１３とジョイント３８との間及びジョイント２２とジョイント２５との間の真空を維持しつつ、且つＭＲＩマグネット・システム１の超伝導動作を中断することなく、低温冷却器アセンブリ１２をスリーブから取り外すことができる。構成要素２５、２２、２３、２４、２６及び３０を介するヘリウム容器４内の再凝縮器３２との直接の熱的接触による大量の液体ヘリウム６のボイルオフを生じるおそれのあるＭＲＩマグネット・システムの超伝導動作を中断することなく、ＭＲＩマグネット・システム１の外部での低温冷却器１２の保守作業及び低温冷却器の交換が行われる。ＭＲＩ動作が中断すると、装置のダウン時間がかなり長くなって、ダウン時間の間に装置を使用することができなくなり、その後、液体ヘリウム供給源６に補給し、マグネット・システム１を超伝導動作までランプアップすると共に、マグネット・システム１を所要の磁界の均一度となるようにシム作用を施さなければならず、これらはすべて、かなりの時間及び著しい費用を必要とする。これらの時間及び費用が、本発明を使用することにより回避される。このように本発明によれば、定期的な所要の保守及び交換のための低温冷却器１２の取り外しが容易になると共にその取り外し時間が容易に得られると同時に、熱ジョイントの改善された接触、及びヘリウム容器４内に直接配置されている再凝縮器３２を介したヘリウムの再凝縮が得られる。
【００２２】
ヒート・シンク１３及び２５の熱接触表面を清浄にして、低温冷却器１２を再取り付けした後に、スリーブ・フランジ１５が低温冷却器１２を定位置に固定することにより、低温冷却器とヒート・シンクとの間に良好な熱表面接触が得られる。低温冷却器１２の以後の動作により、伝熱板４２はほぼ４Ｋに冷却されて、低温冷却器の保守又は交換の時間の間に蓄積されたヘリウム・ガスを含んだヘリウム・ガス４０の再凝縮が再開される。
【００２３】
二重スリーブ設計と共に、４Ｋ低温冷却器１２を使用しているヘリウム容器４内に再凝縮器３２の再凝縮フィン４２を配置することにより、マグネット１の正規の超伝導動作の間のボイルオフによるヘリウムの喪失を無くすことができると共に、低温冷却器の保守及び交換の間のヘリウムのボイルオフの量を減少させるか、又は無くすこともできる。更に、超伝導マグネット１の内部構成要素を大気４５にさらすことなく、そして保守作業中にシステムを汚染する危険性を低減させて、低温冷却器１２を低温冷却器の可動スリーブ１８及び２１から完全なシステムとして取り外すことができる。
【００２４】
本発明をいくつかの好ましい実施例について説明してきたが、本発明の要旨から逸脱することなく、構成の細部、部品の配置及び組み合わせ、並びに使用される材料の形式に多くの変更を加え得ることが理解されるはずである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を組み込んでいる超伝導ＭＲＩ超伝導マグネットの断面図である。
【符号の説明】
１ ＭＲＩ超伝導マグネット・システム
２ 真空容器
４ ヘリウム容器
５ ヘリウム・ガス
６ 液体ヘリウム供給源
７ 液体ヘリウム表面レベル
１０ 放射シールド
１２ 低温冷却器
１３、２２ ヒート・シンク
１４ 低温冷却器第１の段
１６ 低温冷却器第２の段
１７ 第１の段の固定スリーブ
１８ 第１の段の可動スリーブ
２０ 第２の段の固定スリーブ
２１ 第２の段の可動スリーブ
２３、２４、２６ 銅組み紐線
２５ 第２の段の可動スリーブの底部表面
３０ 再凝縮器ヒート・シンク
３２ 再凝縮器
３４、３６ 可撓性の銅組み紐熱ジョイント
３８ ヒート・ステーション
４２ フィン
４５ 大気
４６ マッチング・トランジション・フランジ
４８ ナット

Claims (10)

1. 冷却剤ガス再凝縮装置を含んでおり、磁気共鳴イメージングに適した液体冷却剤冷却形の超伝導マグネット・アセンブリ（１）であって、
   超伝導動作のために前記超伝導マグネット・アセンブリに低温を供給して冷却剤ガスを形成するように、液体冷却剤貯蔵器（６）を収容するための液体冷却剤容器（４）と、
   該冷却剤容器を取り囲んでいると共に、該冷却剤容器から隔設されている閉じた真空容器（２）と、
   該真空容器の外側の大気（４５）から前記再凝縮装置を熱的に絶縁する二重壁の空洞を前記閉じた真空容器内に形成するように、前記ヘリウム容器と前記真空容器との間の空間内に延在している少なくとも１つの選択的に分離可能な熱ジョイント（１３、３８；２２、２５）を含んでいる二重壁の低温冷却器スリーブ・アセンブリであって、前記壁は、固定スリーブ（１７、３８、２０、２２）と、可動スリーブ（１８、１３、２１、２５）とを形成しており、該スリーブの移動が、前記選択的に分離可能な熱ジョイントを遮断している、低温冷却器スリーブ・アセンブリと、
   該スリーブ・アセンブリに設けられた前記空洞内の低温冷却器（１２）と、
   前記冷却剤容器内に配置されていると共に、前記低温冷却器に熱的に接続されている（３０、２３、２４、２６、２２）冷却剤再凝縮器（３２）であって、該冷却剤再凝縮器は、前記冷却剤ガスを再凝縮して液体冷却剤とし、前記液体冷却剤貯蔵器に戻すように十分に低温にされており、前記空洞は、前記真空容器の一部を通って延在しており、前記選択的に分離可能な熱ジョイントは、前記マグネット・アセンブリの動作の間に、前記低温冷却器を前記再凝縮器に熱的に接続している、冷却剤再凝縮器（３２）と、
   前記選択的に分離可能なジョイントを含んでいる前記熱ジョイントを遮断すると共に、前記再凝縮器と可動な前記スリーブとの間の熱接続を前記真空容器内の真空を維持しつつ、開放する手段を含んでおり、前記低温冷却器を前記空洞から選択的に取り外すために前記マグネット・アセンブリの外側に選択的に開放可能な手段（４６、４８）とを備えた超伝導マグネット・アセンブリ（１）。
2. 前記再凝縮器は、前記低温冷却器が前記空洞内に位置決めされたときに前記低温冷却器に熱的に接続されている複数の再凝縮表面（４２）を含んでいる請求項１に記載の超伝導マグネット・アセンブリ。
3. 前記低温冷却器を前記空洞内の前記超伝導マグネットに取り外し可能なように固定すると共に、前記真空容器内の真空を維持しつつ前記低温冷却器の選択的な取り外しを可能にする結合手段（４８）が設けられており、更にベローズ（２８）を含んでおり、該ベローズの膨張が、前記二重壁のスリーブ・アセンブリの健全性を維持しつつ前記選択的に分離可能な熱ジョイントの遮断を可能にしている請求項２に記載の超伝導マグネット・アセンブリ。
4. 前記ヘリウム容器と前記真空容器との間の前記空間に放射シールド（１０）を含んでおり、前記低温冷却器は、２段低温冷却器であり、該２段低温冷却器の第１の段（１４）は、前記放射シールドに熱的に接続されており、前記２段低温冷却器の第２の段（１６）は、冷却剤ガスの前記形成を最小にするように前記再凝縮器に接続可能である請求項３に記載の超伝導マグネット・アセンブリ。
5. 前記液体冷却剤は、前記超伝導マグネットの動作の間に前記冷却剤容器を部分的に満たしており、前記再凝縮器は、再凝縮された前記冷却剤が重力により落下して前記液体冷却剤貯蔵器に戻れるように、前記冷却剤容器内で前記液体冷却剤の表面レベル（７）より上方に配置されている請求項２に記載の超伝導マグネット・アセンブリ。
6. 前記液体冷却剤は、前記超伝導マグネットの動作の間に前記冷却剤容器を部分的に満たしており、前記冷却剤ガスは、前記再凝縮器の領域内で前記液体冷却剤の表面レベルより上方に上昇している請求項４に記載の超伝導マグネット・アセンブリ。
7. ヘリウム・ガス再凝縮装置（３２）を含んでおり、磁気共鳴イメージングに適したヘリウム冷却形の超伝導マグネット・アセンブリ（１）であって、
   超伝導動作のために前記磁気共鳴イメージング用のマグネット・アセンブリに低温を供給する液体ヘリウム貯蔵器（６）を収容するためのヘリウム容器（４）と、
   該ヘリウム容器を取り囲んでいると共に、該ヘリウム容器から隔設されている真空容器（２）と、
   該真空容器内に延在している低温冷却器（１２）と、
   前記ヘリウム容器内で前記液体ヘリウム貯蔵器より上方に配置されていると共に、前記低温冷却器に熱的に接続されている（３０、２３、２４、２６、２２）再凝縮器であって、前記ヘリウム・ガスを再凝縮して液体とするように十分に低温にされている再凝縮器と、
   前記真空容器内の真空を維持しつつ前記低温冷却器の挿入及び取り外しを行うために前記真空容器の外側に選択的に開放可能な部分（４６）を有している前記真空容器を通っている実質的に閉じた二重壁の空洞（１７、３８、２０、２２及び１８、１３、２１、２５）と、
   前記外側から離れた前記空洞内のヒート・シンク（２２）であって、該ヒート・シンクは、前記真空容器の内側で前記再凝縮器に熱的に接続されていると共に、前記低温冷却器が前記空洞内に位置しているときに前記低温冷却器の低温端（２５）と直接熱的に接触するように配置されており、前記二重壁の空洞は、前記低温冷却器を取り外したときに前記真空容器内の真空を維持しつつ遮断される該二重壁の空洞内の熱ジョイント（１３、３８；２２、２５）により前記マグネット・アセンブリの外側の大気（４５）及び周囲温度から前記ヘリウム容器を熱的に絶縁している、ヒート・シンク（２２）とを備えた超伝導マグネット・アセンブリ。
8. 前記ヘリウム容器と前記真空容器との間に放射シールド（１０）を含んでおり、前記低温冷却器は、２段低温冷却器であり、該２段低温冷却器の第１の段（１４）は、可撓性の熱組み紐（３４、３６）により前記放射シールドに熱的に接続されており、前記２段低温冷却器の第２の段（１６）は、前記ヒート・シンクを介して前記ヘリウム再凝縮器に熱的に接続されている請求項６に記載の超伝導マグネット・アセンブリ。
9. 前記再凝縮器は、複数の再凝縮表面（４２）を含んでいる請求項７に記載の超伝導マグネット・アセンブリ。
10. 前記液体ヘリウムは、前記超伝導マグネットの動作の間に前記ヘリウム容器を部分的に満たしており、前記再凝縮器は、前記ヘリウム容器内で前記液体ヘリウムの表面レベル（７）より上方に配置されている請求項６に記載の超伝導マグネット・アセンブリ。

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