JP3874866B2 - 熱界面ガスケット及び熱ジョイントを形成する方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、低温冷却器を磁気共鳴イメージング・システムに取り外し可能なように結合するための直接接触熱インタフェースに関する。更に詳しくは、本発明は、超伝導マグネットで使用される放射シールドを冷却するための取り外し可能な低温冷却器の低温ヘッドで使用されるガスケットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、コイル付きマグネットは、ある特性を有する線で巻かれていれば、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冷凍剤が収容され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・コイルの抵抗は無視できるレベルまで小さくなる。最初（ある期間の間、例えば１０分間）、コイルに電源を接続してコイルに電流を入れると、電源を除去した後も無視できる抵抗のためにコイルに電流が流れ続ける。これにより、磁界が維持される。超伝導マグネットは、磁気共鳴イメージング（（magnetic resonance imaging）以後、「ＭＲＩ」と表す。）の分野で広範な用途がある。
【０００３】
例えば、ギフォード−マクマホン（Gifford-McMahon）サイクルを使用している低温冷却器は、超伝導マグネットの内部から熱を除去するために低温冷却器のヒート・ステーションで低温を達成することができる。図１はギフォード−マクマホン冷凍機システム１０の概略図である。ギフォード−マクマホン冷凍機システム１０は一般に、圧縮機１２と、両端が閉じられたシリンダ１４と、シリンダ１４内に摺動するように収容されている変位機１６と、再生用熱交換器１８と、熱交換器２０とを含んでいる。変位機は、ロッド１５の端に取り付けられている。ロッド１５は、電動機（図示していない）によって上下させられる。変位機とシリンダとの間で、シール２２が上側膨張空間２４と下側膨張空間２６との間の境界を形成している。上側膨張空間２４は接合点２８と流体連通しており（流体が通じており）、接合点２８は接合点３０と流体連通している。圧縮機１２の出口は、直列に接続されたサージ・ボリューム３２及び入口弁３４を介して接合点３０と流体連通している。圧縮機１２の入口は、直列に接続された排出弁３６及びサージ・ボリューム３８を介して接合点３０と流体連通している。接合点３０は再生用熱交換器１８の一方の側とも流体連通している。再生用熱交換器１８の他方の側は接合点４０と流体連通しており、接合点４０は、下側膨張空間２６及び熱交換器２０の出口と流体連通している。熱交換器２０の入口も下側膨張空間２６と流体連通している。ギフォード−マクマホン冷凍機に対する動作シーケンスは、次の通りである。
【０００４】
変位機１６がシリンダ１４内で変位機の最も低い位置にある状態で、入口弁３４は開かれ、圧縮機１２が駆動されて上側膨張空間２４の内側の圧力を増大させる。入口弁３４が開いて排出弁３６が閉じている間に、変位機１６はシリンダ１４内の変位機の最も上の位置に動かされる。これにより、上側膨張空間２４からのガスが再生用熱交換器１８を通して下側膨張空間２６に移される。再生用熱交換器１８を通るときに、ガスは冷却される。変位機１６がそれの最も上の位置にある状態で、入口弁３４は閉じられ、排出弁３６は開かれ、これにより、下側膨張空間２６のガスは膨張することができる。下側膨張空間２６に残っているガスは低温に下げられる。次に、この低温のガスは、変位機１６をその最も低い位置に動かすことにより、下側膨張空間２６から追い出される。この低温ガスは熱交換器２０を通って流れる。熱交換器２０内で、低温源からガスに熱が移される。次に、ガスは再生用熱交換器１８に入る。再生用熱交換器１８はガスを周囲温度近くまで暖める。
【０００５】
上述の説明は、１段の低温冷却器に関するものであるが、上述した基本的な動作原理は、ギフォード−マクマホン（Gifford-McMahon）形の多段低温冷却器、例えばＭＲＩ用の超伝導マグネット・システムで普通に使用されている２段の低温冷却器に同様に当てはまる。詳しく述べると、２段の低温冷却器は公知の超伝導マグネット・システムに組み込まれている。公知の超伝導マグネット・システムは、複数対（例えば、３対）の超伝導コイルを有している円筒形のマグネット・カートリッジと、マグネット・カートリッジを取り囲んでいると共に、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漏れの無い円環形状（ドーナツ形）の容器（「ヘリウム容器」）と、ヘリウム容器を取り囲んでいる円環形状の低温熱放射シールドと、低温熱放射シールドを取り囲んでいる円環形状の高温熱放射シールドと、低温熱放射シールドを取り囲んでいると共に、排気されている円環形状の容器（「真空容器」）とを含んでいる。この形式の超伝導マグネット・システムでは、２段の低温冷却器が高温熱放射シールド及び低温熱放射シールドに熱結合されている。熱を除去すべきＭＲＩシステムの放射シールドのような表面に低温冷却器のヒート・ステーションを接続するために、低熱抵抗を達成するために軟らかい金属界面と共に高接触力が必要とされる。
【０００６】
低温では、熱ジョイントのための界面ガスケットとして、インジウムが使用されている。代表的な超伝導マグネットの設計では、２段の低温冷却器４６の第１の段及び第２の段と低温冷却器界面スリーブ４８との間の熱界面ガスケット４２及び４４として、インジウムが使用されることが多い（図２を参照）。最大の熱コンダクタンスを得るために、インジウム・ガスケット４２及び４４に対する界面圧力は、インジウムがその降伏／流動点に達するようなものでなければならない。低温では、降伏／流動点は室温の場合に比べて著しく（４倍）高い。しかしながら、インジウムに印加することができる接触圧力の量には、低温冷却器の構造的強さに限界があるという点で、限界がある。インジウム・ガスケットに余りに大きい圧力が印加されると、低温冷却器は構造的に破損することがある。
【０００７】
２段低温冷却器の第２の段と低温冷却器の界面スリーブとの間の熱ジョイントに対する代表的な一体インジウム・ガスケット構成が図３に示されている。従来のインジウム・ガスケット４４は、円形のプレート５０と、半径方向外側に突き出ている４つのタブ５２ａ〜５２ｄとを含んでおり、タブ５２ａ〜５２ｄは、円形のプレート５０の円周の周りに等角度間隔で配置されている。インジウム・ガスケット４４は典型的には、図４に示すようにシリンダ１４の底部でタブ５２ａ〜５２ｄを上に、且つフランジ５４の周りに折り重ねた後に、タブ５２ａ〜５２ｄの端をシリンダ１４の外側円周表面にテープで巻くことにより、シリンダ１４の端に固着されている（図１を参照）。テープ５６は、間にタブ端を入れてシリンダの円周全体の周りに巻かれることが好ましい。
【０００８】
この一体インジウム・ガスケットを降伏させて、成形的に変形させるために必要な接触圧力は、低温冷却器の構造的強さを超えることがある。インジウムが降伏しない場合には、熱抵抗が高くなり過ぎて、低温冷却器の冷却能力が制限され、低温冷却器４６と低温冷却器界面スリーブ４８との間に比較的大きな温度差が生じる。従って、低温冷却器の構造的強さを超えない、より低い界面圧力でインジウムが降伏して流動するようにすると共に、界面ジョイントで必要な熱コンダクタンスを与えるインジウム・ガスケット構成を決める必要がある。
【０００９】
【発明の概要】
本発明は、従来のインジウム・ガスケットの降伏及び流動を生じるのに必要な接触圧力よりも低い接触圧力で、インジウムがその降伏／流動点に達することができるような構成を有している改善されたインジウム・ガスケットを提供する。改善されたインジウム・ガスケットは、多数の開口を有しており、これらの開口は、低温冷却器とそれの界面スリーブとの間の圧縮の間に、変形し、流れるインジウムによって満たされる。ガスケットに開口を形成することには、インジウムが降伏して流動する機械的界面圧力を小さくする効果がある。本発明によれば、インジウムは低温冷却器の所要の構造的強さを超えない機械的界面圧力で流動する。インジウムは、開口によって形成されている空の空間に流入し、溶けてそれらの開口を閉じた後に、低温冷却器とそれの界面スリーブとの間に必要な接触面積及び熱コンダクタンスを与える。その結果、超伝導マグネットの冷却の間に、界面スリーブと低温冷却器との間に比較的小さな温度差が得られる。
【００１０】
【実施例】
２段の低温冷却器を参照して、本発明の好ましい実施例を説明する。しかしながら、本発明は、１段以上の低温冷却器に同様に適用できることが理解されるはずである。
超伝導マグネットの冷却に適したギフォード−マクマホン形の２段の低温冷却器が図２に示されている。２段の低温冷却器（クライオクーラ）４６は、同軸関係で端と端とをつないで配置されている一対のシリンダ１４ａ及び１４ｂを含んでいる。上側のシリンダ１４ａの直径は、下側のシリンダ１４ｂの直径よりも大きい。シリンダの内部容積は、環状の仕切り５８によって分離されている。シリンダ１４ａは変位機１６ａを収容しており、シリンダ１４ｂは変位機１６ｂを収容している。変位機１６ａ及び１６ｂは、接続ロッド６０によって堅固に接続されていると共に、シリンダの内側を垂直に摺動可能である。変位機１６ａは駆動ロッド６２に接続されており、駆動ロッド６２は、電動機６４の駆動に応答して変位する。駆動ロッド６２の変位の間に、シリンダ１４ａ及び１４ｂは縦に並んで移動する。
【００１１】
超伝導マグネットを冷却するための２段の低温冷却器では、低温冷却器の低温ヘッド部分の第１の段及び第２の段の端にヒート・ステーションが配置されている。更に詳しく述べると、第１のヒート・ステーションは環状フランジ６６であり、環状フランジ６６は、上側シリンダ１４ａの底部外周を下側シリンダ１４ｂの上側外周に接続している。第２のヒート・ステーションは、下側シリンダ１４ｂの底部の円形の端フランジ６８である。
【００１２】
低温冷却器のフランジ７０を界面スリーブのフランジ７２に結合することにより、低温冷却器４６は低温冷却器界面スリーブ４８内に据え付けられていると共に、低温冷却器界面スリーブ４８に取り付けられている。低温冷却器界面スリーブ４８は更に、直径が上側シリンダ１４ａの直径よりも大きい上側円筒状スリーブ部４８ａと、直径が下側シリンダ１４ｂの直径よりも大きい下側円筒状スリーブ部４８ｂとを含んでいる。上側スリーブ部４８ａの底部外周は、環状の界面フランジ７４によって下側スリーブ部４８ｂの上側外周に連結されている。界面フランジ７４は、従来のヒート・パイプ手段（図示していない）によって高温熱放射シールド（図示していない）に熱的に結合されている。下側スリーブ部４８ｂの底部は、円形の界面端フランジ７６によって閉じられており、界面端フランジ７６は、従来のヒート・パイプ手段（図示していない）によって低温熱放射シールド（図示していない）に熱的に結合されている。
【００１３】
図２に示すように、シリンダ１４ａ及び１４ｂの円筒形の壁は真空ギャップによって、界面スリーブの円筒形の周囲壁４８ａ及び４８ｂから隔てられる。これとは異なり、第１のヒート・ステーション６６はインジウム・ガスケット４２によって、界面フランジ７４に熱結合されている。同様に、第２のヒート・ステーション６８はインジウム・ガスケット４４によって、界面スリーブの底部の界面端フランジ７６に熱結合されている。
【００１４】
本発明によれば、図３に示す従来のインジウム・ガスケットの降伏を生じるのに必要な接触圧力よりも低い接触圧力で、インジウムがそれの降伏／流動点に達し得るようにインジウム・ガスケットが成形される。このように成形されたインジウム・ガスケット８０の実施例が図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示されている。これは、図３に示された従来技術の構成とは２つの点で異なる。第１に、インジウム・ガスケット８０の円形のプレート８２は、多数の開口、即ち貫通孔で構成されている開放領域を厚さ方向に有している。第２に、ガスケットの圧縮の間に、ガス汚染物が空き空間から流れ出られるように、ガスケットは一方の側に溝を有している。
【００１５】
厚さ方向の開口は、背骨部（スパイン）８６から離れて且つガスケット外周に向かって両方向に伸びている平行スロット８４の２つのアレイの形態を採り得る。この構成では、ガスケットの本体は、円形のリング８８と、リング８８の直径に沿って伸びている背骨部８６と、円形リングを直径の背骨部８６に接続している２組の平行ビーム９０とを含んでいる。従って、スロット８４は２つの群、即ち、背骨部８６の一方の側に配置されているスロット８４ａと、背骨部８６の他方の側に配置されているスロット８４ｂとに分割されている。構成例では、各々のスロットの幅は、各々のウェブ９０の幅に等しい（例えば、６２ミル）。ガスケットの厚さはほぼ０．１〜０．３インチの範囲にある。スロット及びチャンネルは、インジウムの製造中にインジウム内に加熱圧縮（プレス）してもよい。その代わりに、ガスケット全体を、その中に組み込まれたスロット及びチャンネルと一緒に鋳造することもできる。
【００１６】
図５（Ａ）に示すインジウム・ガスケットは、従来のガスケット４２の代わりに低温冷却器４６の第２のヒート・ステーション６８と低温冷却器界面スリーブ４８の底部端フランジ７６との間に挿入するのに適している。しかしながら、低温冷却器４６の第１のヒート・ステーション６６と低温冷却器界面スリーブ４８の環状界面フランジ７４との間に挿入するのに適した環状のインジウム・ガスケットには、内側の円形リングと外側の円形リングとの間に伸びている開口も設けることができる。改善されたガスケット８０内の空き空間８４によって、一体ガスケット４２（図３に示す）が降伏して流動するのに必要な圧力に比べて著しく小さい機械的圧力で、インジウムはその降伏／流動点に達することができる。より低い圧力では、低温冷却器界面スリーブ４８の構造的強さを超えない。又、インジウムの降伏点を超えた後に、インジウムは空き空間８４（図５（Ａ）を参照）に流入する（直径の減少）ので、低温冷却器４６と低温冷却器界面スリーブ４８との間に必要な接触面積及び熱コンダクタンスが得られる。
【００１７】
図５（Ｂ）に示されるように、本発明の好ましい実施例によるガスケット８０は又、変形していないガスケットに形成されている複数のチャンネル９２を有している。チャンネル９２は、ガスケットの一方の側の表面に平行に走っている。これらのチャンネル９２によって、ガスケット８０の空き空間８４に霜として捕らえられたガス汚染物はガスケットの変形の間に、低温冷却器界面スリーブ４８の真空空間に漏れることができる。
【００１８】
図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示された好ましい実施例によれば、３つのチャンネル９２ａ、９２ｂ及び９２ｃがガスケットの一方の側のガスケット表面に平行に形成されている。チャンネル９２ａ、９２ｂ及び９２ｃは、互いに平行に走っていると共に、スロット８４に対して垂直に走っている。チャンネル９２ａ及び９２ｃの各々は、互いに隣接したビーム９０内に且つ円形のリング８８内に形成されている一連の整列した溝を含んでいる。このようにして、圧縮されてガスケットが変形する間に、チャンネル９２ａによってガスは、群８４ａの互いに隣接したスロットの間を流れることができ、チャンネル９２ｃによってガスは、群８４ｂの互いに隣接したスロットの間を流れることができる。他方、チャンネル９２ｂは背骨部８６の底部に沿って伸びており、その幅は、背骨部の幅よりも大きい。チャンネル９２ｂの長さは背骨部分８６の長さに等しい。従って、圧縮されてガスケットが変形する間に、チャンネル９２ｂによって一方の群のスロットから他方の群のスロットにガスが流れることができる。選択的に、チャンネル９２ｂを隣接したタブに伸ばすこともできる。
【００１９】
図３に示す一体ガスケットを試験したところ、一体ガスケットは、低温冷却器の構造的強さを超えない最大機械的界面圧力で降伏しなかった。低温冷却器界面スリーブ４８と低温冷却器４６との間の温度差が１．０°Ｋであったので、熱コンダクタンスも比較的低かった。
次に、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示された成形されたインジウム・ガスケットを取り付けたところ、よりよい結果が得られた。低温冷却器の所要の構造的強さを超えない機械的界面圧力で、インジウムは流動した。界面スリーブと低温冷却器との間の温度差は約０．１°Ｋであった。
【００２０】
説明のため、本発明の好ましい実施例を開示してきた。本発明の広い概念から逸脱しない変更及び変形は、活性シールドされた超伝導マグネットの設計の当業者には容易に考え付き得る。例えば、適当なガスケットの構成の組は図５（Ａ）に示す細かい幾何学的形状に限定されない。特許請求の範囲に記載された発明の要旨を逸脱することなく図５（Ａ）の幾何学的形状からの変形を容易に考え付き得ることは、インジウム・ガスケットの設計の当業者には明らかなことである。このような変更及び変形をすべて包含するように特許請求の範囲を記載されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の技術の教示による単一段のギフォード−マクマホン冷凍機の基本的な構成要素を示すブロック図である。
【図２】熱界面としてインジウム・ガスケットを組み込んだ２段の低温冷却器の概略の部分断面図である。
【図３】超伝導マグネット用低温冷却器に組み込まれた従来のインジウム・ガスケットの概略平面図である。
【図４】従来の方法で低温冷却器のシリンダの端に固着されている従来のインジウム・ガスケットの概略側面図である。
【図５】図５（Ａ）は本発明の好ましい実施例によるインジウム・ガスケットの概略平面図であり、図５（Ｂ）は図５（Ａ）の線５Ｂ−５Ｂに沿って見たインジウム・ガスケットの概略断面図である。
【符号の説明】
４６ 低温冷却器
４８ 低温冷却器界面スリーブ
６８ 端フランジ
７６ 界面端フランジ
８０ インジウム・ガスケット
８４ スロット
８６ 背骨部
８８ 円形リング
９０ ビーム
９２ チャンネル

Claims (8)

1. 機械的に変形可能な熱伝導インジウム材料から成っている、表面と裏面を有する略板状の基板（８０）を含んでおり、低温冷却器の低温ヘッドで使用される、熱界面ガスケットであって、前記基板は、前記表面から前記裏面まで延びる複数の開口（８４）により貫通されている熱界面ガスケット。
2. 前記複数の開口は、平行なスロットのアレイを含んでいる請求項１に記載の熱界面ガスケット。
3. 前記基板は、円形のリング（８８）と、該円形リングの直径に沿って延在している背骨部（８６）と、該背骨部を前記円形リングに接続している複数の平行なビーム（９０）とを含んでいる請求項１に記載の熱界面ガスケット。
4. 前記基板は、ガスケット圧縮の間に前記開口の間で流体が連通し得るようにする複数の溝（９２）を有している請求項３に記載の熱界面ガスケット。
5. 前記複数の開口は、前記材料を降伏させるのに十分な力の印加に応答して材料を変形させることにより前記開口が閉じるように配置されている請求項１に記載の熱界面ガスケット。
6. 超伝導マグネット・システムの第１及び第２の構成要素（４６、４８）の対向している表面（６８、７６）の間に熱ジョイントを形成する方法であって、機械的に変形可能な熱伝導インジウム材料を、複数の開口（８４）により貫通されているガスケット（８０）に作成する工程と、前記ガスケットを前記対向している表面のうちの一方の表面（６８）に接触させて配置する工程と、前記材料を降伏且つ流動させるように、前記対向している表面を十分な力で一緒に圧縮する工程とを備えており、前記開口は、前記材料が前記圧縮する工程に応答して流動して溶けたときに前記開口が閉じるように配置されていると共に構成されている熱ジョイントを形成する方法。
7. 機械的に変形可能な熱伝導インジウム材料で作成されており、低温冷却器の低温ヘッドで使用される、熱界面ガスケット（８０）であって、変形していない状態では、前記ガスケットは、複数の開口（８４）により厚さ方向に貫通されていると共に、変形した状態では、前記開口は、閉じられており、前記ガスケットは、前記材料を降伏且つ流動させるのに十分な力の前記ガスケットの平面に垂直な方向への印加に応答して、前記変形していない状態から前記変形した状態に変化している熱界面ガスケット（８０）。
8. 前記変形していない状態では、複数の部材（９０）が空き空間により隔てられている請求項７に記載の熱界面ガスケット。

Images