JP3972968B2 - 冷凍剤再凝縮システム - Google Patents
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Description
【従来の技術】
周知のように、マグネット・コイルは、そのマグネット・コイルを極めて低温の環境に配置することにより、例えばそのマグネット・コイルをクライオスタット(低温保持装置)又は圧力容器に封入して、その温度を4〜10°ケルビンのような超伝導レベルに低下させることにより、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にまで低下する。従って、最初に、ある期間の間、コイルに電源を接続してコイルに電流を流すと、電源を切った後でも、コイル抵抗が無視できるため、コイルに電流が流れ続ける。これにより、強い、定常的な磁場が維持される。超伝導マグネットは、例えば磁気共鳴イメージング(magnetic resonance imaging(以後、MRIと呼ぶ))の分野で広い用途がある。
【0002】
代表的なMRIマグネットでは、主超伝導マグネット・コイルは円筒形状の圧力容器に封入されている。圧力容器は、真空容器内に包含されていると共に、中心にイメージング中孔(ボア)を形成している。主マグネット・コイルはイメージング中孔内に強い磁場を形成する。この磁場は、正確なイメージングのために、非常に均一で且つ時間的に一定でなければならない。
【0003】
超伝導温度は普通、圧力容器内の液体冷凍剤(クライオジェン)、通常は液体ヘリウムを沸騰させることにより得られる。しかしながら、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ない供給源を設けること、並びにその貯蔵及び使用は、困難であると共に費用のかかることがわかった。その結果、機械的変位形クライオクーラ(低温冷却器)又は伝導冷却を用いて、沸騰したヘリウムを凝縮させて再循環させることにかなりの努力が向けられてきた。しかしながら、必要な量と要求される温度の冷却とを行うクライオクーラの能力は、しばしば限界的であることがあった。望ましい冷却容量を有しているクライオクーラの1つの形式は、2段クライオクーラの第2段又は低温段の圧縮機の移動するピストン内の変位材として希土類材料を使用している。Er3 Ni及びErNiCoのような希土類材料の往復移動は、磁気的遷移により4〜10°Kの超伝導温度範囲内で比較的高い熱容量を生じる。
【0004】
しかしながら、MRIの用途において強磁性遷移希土類材料を利用しているあるクライオクーラを用いることにより、MRIイメージング体積内に磁場の著しい歪み及び摂動が発生する。移動するディスプレーサ(変位機)内の希土類材料は、典型的な超伝導マグネットの局所磁場によって磁化されたときに、可変磁場強度の移動するマグネットとして作用し、その結果、超伝導マグネットのイメージング体積内に磁場の変動が発生し、これにより、このようなクライオクーラがMRI装置に利用されているときの画像の歪みが生じるものと考えられる。
【0005】
移動する希土類ディスプレーサによって発生される時間と共に変化する磁場が、主マグネット・アセンブリの種々の金属構造体内に、且つ主マグネット・コイル内に渦電流を誘導することがある。MRIマグネット・システムの目標は、イメージング中孔内のターゲット(標的)磁場の完全な忠実度であり、そのためには、イメージング中孔内の磁場が極めて均一であることが要求される。希土類クライオクーラのMRIの用途では、渦電流の存在は最も望ましくない。このような渦電流は、主磁場にある磁場を重畳させるからである。
【0006】
更に、超伝導マグネット構造の渦電流は、このような構造の有限の電気抵抗により熱を発生する。これは、渦電流のいわゆる交流加熱効果であり、適切な冷却を行う際の付加的な問題である。
バッキングコイルと、銅及び超伝導のシールドとを含んでいるMRI装置では、磁気シールド構成が用いられてきたが、上述した画質及び他の問題が、MRI装置での希土類クライオクーラの意図した使用を妨げてきた。本発明と同じ譲受人に譲渡され、1996年1月4日に出願された係属米国特許出願第08/583,186号では、超伝導シールドがMRI内の勾配コイルをシールドするために使用されている。超伝導材料が希土類クライオクーラをシールドするために提案されてきたが、銅/ニオブ−チタン(NbTi)混合合金のような提案された材料は、クライオクーラの負担となり、且つ過度の負担とさえなり得る熱を発生する。
【0007】
【発明の目的】
本発明の1つの目的は、MRI内でヘリウムを再循環させるために許容可能な且つ実用的な希土類クライオクーラを提供することにある。
本発明の更なる目的は、クライオクーラによって発生される時間と共に変化する磁場による主マグネットの磁場への侵入を排除して、均一で時間的に一定なイメージング体積磁場を可能にしながら交流熱の発生を最小にするMRI超伝導マグネットにおける希土類クライオクーラ磁気シールドを提供することにある。
【0008】
【発明の概要】
本発明の一形式によれば、機械的変位希土類クライオクーラが、MRIの超伝導動作において沸騰したヘリウムを再循環させるための冷却を行う。シールド・スリーブが、クライオクーラ・ハウジングの終端部の希土類ディスプレーサの周りに設けられている。ハウジングに近接していると共に、希土類ディスプレーサの移動によって発生された磁場に磁気的に結合されているシールド・スリーブは、ビスマスの超伝導合金から選択されている。希土類ディスプレーサの磁化及び希土類ディスプレーサの移動により発生された磁場によって、シールドに誘導される電流を超伝導電流として流すように、合金は選択されている。これらは、誘導された磁場に対抗していると共に、希土類ディスプレーサの移動によって発生された時間的及び空間的に変化する磁場からMRI主マグネット・コイルをシールドしている。更に詳しくは、スリーブ材料は、鉛−ビスマスを含んでいる。高純度高熱伝導率のアルミニウムのストリップが、スリーブの熱抵抗を減少させると共にスリーブを素早く超伝導動作を行うことができるように、鉛−ビスマス合金の表面の溝に波形パターンで配置されている。更に詳しく述べると、鉛−ビスマス合金は重量比で、およそ鉛が60部及びビスマスが40部の共晶であってもよい。スリーブは、クライオクーラが内部に配置されたMRIマグネット・ハウジングの空洞の周りに配置されているか、又は真空グリースと、銅粉末とを含んでいる熱グリースを用いることによりクライオクーラ・ハウジングの開放端の周りにぴったり嵌め込まれている。
【0009】
新規であると考えられる本発明の特徴は、特許請求の範囲に具体的に記述されている。しかしながら、本発明自体の構成及び動作の方法は本発明の更なる目的及び利点と共に、図面と関連した以下の記述を参照することにより最もよく理解され得る。図面を通して、同様の参照番号は、同様の構成部分を表している。
【0010】
【実施例】
図1に示されているように、2段のクライオクーラ10が、内部の円筒形の中孔12を形成しているハウジング8を含んでいる。円筒形の中孔12内で、機械的駆動21を介して交流駆動電動機15によって駆動される第2段のディスプレーサ14が、矢印9で示されるように往復する。駆動電動機15は、一定周波数の交流電源19によって電力供給されている。第2段のディスプレーサ14は、クライオクーラにおいて利用されているErNiCoのような希土類材料、例えばコールド・ヘッドのモデル名RDK−408として住友重機械工業によって販売されているものである。
【0011】
クライオクーラ(低温冷却器)10は、MRI超伝導マグネット30内の壁2及び4によって形成されている封止された空洞32内に挿入されている。動作について説明すると、第2段のディスプレーサ14の希土類材料は、磁気遷移のため4〜10°Kの範囲の比較的高い熱容量を有しており、これにより、クライオクーラ10は、そのクライオクーラが熱的に接続されている冷凍剤再凝縮装置33の温度を超伝導温度に低下させることができる。熱接続は分離可能な熱継手50を介して成されており、熱継手50は、クライオクーラ10上の銅の熱部材52と、MRIマグネット30内に設けられていると共に空洞32の底面を形成している銅の熱部材54とを含んでいる。これにより、マグネット30内の真空を破壊したり、又はマグネットの超伝導動作を中断することなく、クライオクーラ10を除去することができる。これにより、沸騰した冷凍剤、典型的には、主マグネット・コイル34を超伝導温度に冷却するための加圧された容器35内のヘリウム・タンク36からの液体ヘリウムの沸騰によって生じるヘリウム・ガスの再凝縮及び再循環が可能となる。本発明を適用することができる適当なヘリウム再凝縮装置が、1995年12月28日に出願され、本発明の譲り受け人に譲渡されたウィリアム・イー・チェン(William E.Chen)の米国特許出願第08/580,359号に示されている。その米国特許出願に示されているように、ヘリウム・ガスは、再凝縮表面58相互の間を通過して再凝縮され、帰路60を介して液体ヘリウムとしてMRI超伝導マグネット30の加圧容器35内の液体ヘリウム・タンクであって、全体が参照番号36として表されている液体ヘリウム・タンクに戻される。その結果、ボイルオフ・ゼロの閉ループ・ヘリウム沸騰及び再凝縮システムが得られ、外部液体ヘリウムを定期的に追加することにより沸騰したヘリウムに対して補充する必要はなくなる。再凝縮表面58は、熱部材54に設けられたスロットによって形成されており、ヘリウム・ガスは、これらのスロットを通って流れて、再凝縮される。
【0012】
ディスプレーサ14は交流駆動電動機15によって一定の周波数及び振幅で駆動され、移動するディスプレーサ内の希土類材料は、移動するマグネットとして作用し、強い変動する磁場を発生している。この強い変動する磁場は、MRI超伝導マグネット30の主マグネット・コイル34によって発生される磁場と相互作用して、MRI超伝導マグネットのイメージング体積、即ち中孔40内に磁場の変動を生じさせることがあり得る。従って、移動する第2段ディスプレーサ14によって発生される磁場を最小にすると共に又は、中央のイメージング中孔若しくは体積40内の磁場の均一性を損なわないようにしなければならない。これは、希土類クライオクーラ10をMRIイメージングでの使用に適するようにし、且つ実用的であるようにしなければならない場合に、イメージング品質の歪みを回避するためである。
【0013】
超伝導スリーブ20が、クライオクーラ10の第2段の第2段ディスプレーサ14を取り囲んでいる領域で空洞32の周りに嵌め込まれている。超伝導スリーブ20は、円筒の形状に鋳造された鉛−ビスマスであることが好ましい。鉛−ビスマス合金は、超伝導マグネットのクェンチング、即ち超伝導動作の中断の際に望ましい電流制限特性を示すことが明らかになった。急速に低下する磁場によって生じる力は、例えばニオブ−チタン合金によって生じ得る力ほど強くない。従って、シールドとマグネット・コイル34との間の力はより小さい。PbBiは、分離し得る2つの別々の相として存在するので、クェンチング及び十分な混合がPbBi超伝導シールド20の最高の臨界電流を達成するために必要である。しかしながら、鉛−ビスマス合金は高い熱抵抗をもたらすので、この高い熱抵抗によって、シールドは超伝導状態になるための十分に低い温度に達しないことがあり得る。
【0014】
超伝導シールド又はスリーブ20は、およそ鉛が60部及びビスマスが40部(重量比)の合金、並びにビスマスが48部、カドミウムが13部、鉛が26部、スズが13部の合金のような合金を利用している。このようなシールドは、交流磁場を100のオーダだけ小さくするシールドを行うことができる。
図2及び図3に示すように、高純度のアルミニウム・ストリップが超伝導スリーブ20のスロット内又は溝内に設けられており、PbBiを電気的に分路することなく、従って、シールドが温かく且つ冷却しつつあるときに渦電流を許容することなく、シールドの熱抵抗を小さくする。
【0015】
次に図2及び図3を参照すると、超伝導シールド20の外側表面6は、軸方向に伸びているスロット44内に配置された高純度(残留抵抗比RRRが8000)の複数のアルミニウム・ストリップ46を含んでいる。スロット44は、およそ幅1/8インチ(3.175mm)及び深さ1/8インチ(3.175mm)であり、スロット44は、厚さが1/4インチ(6.35mm)のスリーブ20の外周表面6の周りに等間隔に配置されている。アルミニウム・ストリップ46のビスマスは10億分の5よりも少なくなければならず、アルミニウム・ストリップ46の横断面はおよそ1.5mm×2.0mmでなければならない。鉛−ビスマスとアルミニウムとの間の異なる熱収縮及び膨張率を補償するために、アルミニウム・ストリップ46は、後で説明するように曲線状又は波状パターンで形成されている。
【0016】
アルミニウム・ストリップ46は、VAWによってUTH−1純度等級5N5という名称で販売されているような高純度アルミニウムで製造されている。図3に示すように、全体的に正弦波のパターンになるように曲げられた後に、参照番号48、48’及び48”のような頂点領域、即ち接触領域をフォームバル(formvar)のようなポリマでコーティングして、接触領域を隔離することにより、ビスマスによるアルミニウムの汚染を防止してもよい。代わりに、好ましくは、ストリップ46全体をコーティングすることもできる。保護されたアルミニウム・ストリップ46を溝44内に挿入した後に、比較的軟らかいスリーブ20の外側表面6を叩くか又は変形させて、図3に示すようなスロット44に沿って間隔を置いて配置されている保持器62をアルミニウム・ストリップ46に被せることにより、アルミニウム・ストリップ46は定位置に保持されている。代わりの保持手段として、スロット44内に直接、重アルミニウム酸化物でストリップ46を鋳造するか、又はスリーブ20の外側表面6の周りに1つ若しくはそれ以上のバンド(図示していない)を設けることも可能である。又、より高価にはなるが、アルミニウム・ストリップ46の代わりに、サファイアの棒を用いることもできる。
【0017】
スロット44内のストリップ46の波状のパターンによって、スロット44の長さに沿ってインチ(2.54cm)当たりおよそ2つの接触点を有している波形の集合体が得られる。機械的な曲げ及び叩きにより、ストリップ46の熱伝導率は低下するが、適当な熱伝導率を与えてスリーブ20を超伝導温度まで素早く冷却させるのに十分に高い値にとどまることが見出された。又、鉛−ビスマス・スリーブ20は、ニオブ・チタン/銅の混合物のような材料によって発生されるような熱を発生しないので、MRI超伝導マグネット30の、特にクライオクーラ10における冷却能力が過重負担になることはない。
【0018】
本発明は特に、大きさが0.5〜1.5テスラのMRI超伝導マグネットに適用することができる。
超伝導シールド20は、クライオクーラ10の第2段ディスプレーサ14によって発生される時間と共に変動する磁場の磁場侵入を除去すると共に、第2段ディスプレーサ14の磁気的妨害から主マグネット・コイル34を有効に磁気的にシールドする。これにより、最小の交流加熱(典型的には、2、3ミリワット未満)と、非常に長く(1,000秒よりも大)、実質的に無限大でさえある時定数とを有しているシールドが得られる。
【0019】
超伝導シールド20は連続した超伝導シートであるので、無限の数の超伝導ループを含むことができ、磁場を連続的に発生して、MRI超伝導マグネット30の主マグネット・コイル34をクライオクーラ10の磁場の摂動からシールドすると共に、クライオクーラ10の磁場の摂動がMRI中孔のイメージング体積40内の磁場に悪影響を与えないようにすることができる。これにより、主マグネット・コイル34及び付随するコイル(図示していない)は、クライオクーラ10の希土類の第2段ディスプレーサ14からの過度の磁気的妨害なしに、所望の必要な磁場の均一度及び安定度を与えることができる。
【0020】
一実施例のスリーブ20は、銅粉又ははんだを含んでいる真空グリースである熱グリースを用いて、超伝導クライオクーラ10のハウジング8の円筒形の外側表面の周りにきちんと嵌め込まれており、これにより、クライオクーラの第2段ディスプレーサ14との良好な熱接触及び磁気的結合が得られる。
本発明のある特徴のみを図示すると共に説明してきたが、当業者は多くの変形及び変更を考え得るであろう。従って、特許請求の範囲は、本発明の要旨の範囲内でこのような変形及び変更をすべて包含することが理解されるはずである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるMRI超伝導マグネットのためのゼロ・ボイルオフMRI冷凍剤再凝縮用クライオクーラの断面図である。
【図2】図1の超伝導スリーブの詳細を示す図である。
【図3】図2の線3−3に沿って見た図2の拡大断面部の図であって、超伝導スリーブ内のスロットの詳細を示している図である。
【符号の説明】
8 ハウジング
10 クライオクーラ
14 第2段ディスプレーサ
20 超伝導シールド又はスリーブ
32 空洞
33 冷凍剤再凝縮装置
44 スロット
46 ストリップ
62 保持器
Claims (11)
- 磁気共鳴イメージング超伝導マグネットのための希土類ディスプレーサを利用した機械的クライオクーラを有している冷凍剤再凝縮システムであって、
前記クライオクーラの希土類ディスプレーサを取り囲んでいるスリーブであって、前記希土類ディスプレーサの移動により発生される磁場に磁気的に結合されており、該磁場により該スリーブ内に誘導される電流を超伝導電流として流す鉛合金を含んでいるスリーブと、
該スリーブの表面に沿った高熱伝導率部材であって、前記超伝導電流の流れは、前記希土類ディスプレーサの前記移動により発生される前記磁場から前記超伝導マグネットをシールドするために、誘導される前記磁場と反対向きであり、前記高熱伝導率部材は、前記スリーブ上の溝内で波形パターンとなるように曲げられており、前記クライオクーラは、冷凍剤再凝縮手段に熱的に結合されている、高熱伝導率部材とを備えた冷凍剤再凝縮システム。 - 高熱伝導率部材が、前記スリーブの軸方向に沿って配置されている請求項1に記載の超伝導マグネット冷凍剤再凝縮器。
- 前記超伝導マグネットは内部に、閉じた空洞を含んでおり、前記クライオクーラは、前記空洞内に取り外し可能に配置されている請求項2に記載の超伝導マグネット冷凍剤再凝縮器。
- 前記スリーブは、鉛−ビスマス合金であり、前記熱伝導率部材は、前記スリーブの熱抵抗を減少させるアルミニウムのストリップである請求項2に記載の超伝導マグネット冷凍剤再凝縮器。
- 前記アルミニウムと前記スリーブとの間にポリマ界面が設けられている請求項4に記載の超伝導マグネット冷凍剤再凝縮器。
- 前記スリーブは、鉛−ビスマス合金であると共に、該スリーブの熱抵抗を減少させる複数の埋め込まれたサファイアを含んでいる請求項2に記載の超伝導マグネット冷凍剤再凝縮器。
- 前記鉛合金は、およそビスマスが40〜46部及び鉛が60〜54部を含んでいる請求項3に記載の超伝導マグネット冷凍剤再凝縮器。
- 前記スリーブは、前記空洞の周りに配置されている請求項3に記載の超伝導マグネット冷凍剤再凝縮器。
- 前記アルミニウムのストリップは、前記スリーブの外側表面上の軸方向に延びている溝に配置されていると共に、所定位置に保持されている請求項4又は5に記載の超伝導マグネット冷凍剤再凝縮器。
- 前記アルミニウムのストリップは、該アルミニウムのストリップの一部に被さっている前記スリーブの変形を含んでいる保持手段により所定位置に保持されている請求項9に記載の超伝導マグネット冷凍剤再凝縮器。
- 磁気共鳴イメージング超伝導マグネットのための希土類ディスプレーサを利用した機械的クライオクーラを有している冷凍剤再凝縮システムであって、
前記クライオクーラの希土類ディスプレーサを取り囲んでいるスリーブであって、前記希土類ディスプレーサの移動により発生される磁場に磁気的に結合されており、該磁場により該スリーブ内に誘導される電流を超伝導電流として流す鉛合金を含んでいるスリーブと、
該スリーブの表面に沿った高熱伝導率部材であって、前記超伝導電流の流れは、前記希土類ディスプレーサの前記移動により発生される前記磁場から前記超伝導マグネットをシールドするために、誘導される前記磁場と反対向きであり、前記クライオクーラは、冷凍剤再凝縮手段に熱的に結合されている、高熱伝導率部材とを備え、
前記高熱伝導率部材は、前記スリーブ上の溝内で波形パターンとなるように曲げられている、
冷凍剤再凝縮システム。
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