JP4587136B2 - 超伝導マグネット懸架アセンブリ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気共鳴イメージング装置（以下、「ＭＲＩ」という）用の超伝導マグネット・アセンブリのための懸架装置に関し、詳細には、開放設計型マグネット・アセンブリ用の懸架装置に関する。
【０００２】
【発明の背景】
周知のように、超伝導マグネットは、マグネットを極低温の環境下に置くことにより（たとえば、クライオスタット内すなわち液体ヘリウムその他の極低温用冷凍剤手段を収容した圧力容器内にマグネットを封入するなどにより）超伝導状態とすることができる。この極低温によって、電磁コイルが永久電流モードで動作する超伝導状態が保証される。すなわち、はじめに比較的短時間コイルに電源を接続してコイルに電流を通してから、超伝導動作のスイッチを閉じると、電流が流れ続けることになり、これによりコイルの電流および磁場が維持される。超伝導マグネットは、ＭＲＩの分野で広い用途が知られている。
【０００３】
マグネットの熱負荷を減少させること、および沸騰する液体ヘリウムの継続的な補充を不要とすることを目標とする多くの研究・開発の努力が行われてきている。極低温を得るために液体ヘリウムを利用することは、広く実用化されてきており、かつＭＲＩの稼働に関しては満足のゆくものである。しかし、世界中のＭＲＩ装置に対して液体ヘリウムを安定的に供給することは困難であり、またコストも高くつく。このため、超伝導材料や、ヘリウムを再凝縮させ再び利用するマグネット構造体に関し多くの研究・開発の努力が向けられようになってきた。これにより、クライオスタットと周囲温度との間を熱絶縁する必要性が生じている。
【０００４】
多くのＭＲＩ装置で見られる別の問題として、ＭＲＩ装置が、患者の撮影用にあけられた中央のボア（空洞）を有する円筒状構造体の内部に封入されたソレノイド・マグネットを利用しているということがある。しかし、こうした配置においては、患者は実際上温かいボア内に閉じこめられたようになり、患者によっては閉鎖恐怖を引き起こしかねない。患者を本質的に完全には閉じこめることがない開放設計型構造が望ましいことが、認識されるようになって久しい。しかしながら、開放設計型構造により、数多くの技術的問題や困難が提起される。問題の１つとして、従来の支持構造体より占有スペースがかなり狭くてすみ、それでいてかつ動作時に受ける大きな電磁気学的な力と熱応力の下でマグネット・アセンブリを支持することができる適当な支持構造体を提供することがある。
【０００５】
ＭＲＩマグネットの懸架装置は、マグネットの質量を支持する一方、伝熱リークを最小限とするだけの適当な剛性を提供する必要がある。質量と動的負荷とに加えて、開放設計型ＭＲＩ用懸架装置では、アラインメントの不正により生ずる可能性がある横方向の電磁気学的な力（ＥＭ力）だけでなく、マグネットの各半片で軸方向にかかる大きな本来の電磁気学的力を支持しなければならない。また、この全方向に対する剛性要件は、振動下でも磁場の安定性を提供するようなアセンブリに対しては、さらに要求条件が厳格となる。その上、懸架装置を介した伝熱リークを有意に増加させることなく、構造上の要件のすべてを満たす必要がある。４Ｋの熱負荷をマグネットの冷却容量内に納めるためには、懸架装置で良好な熱遮断をすることが不可欠である。特にヘリウムの再凝縮を行う場合には、再凝縮システム内の機械式クライオクーラは頻繁に冷却容量に達するか、あるいはその近傍にあるため、懸架装置には良好な熱遮断が不可欠である。またさらに、再凝縮システムは、アルミニウム製のヘリウム容器と懸架装と置の間で異なる熱膨張および熱収縮の差を、複雑で高価な機械加工をすることなく吸収できるように設計する必要がある。実用的で、かつ満足のいくＭＲＩ用超伝導マグネット構造体では、この重複し対立する要件をすべて満足する必要がある。
【０００６】
【発明の目的】
このように、熱絶縁および熱的隔離（アイソレーション）が良好であると共に、上記の問題を克服できる一方、良好な機械的支持を提供し強い磁気力に耐えることができる超伝導マグネット構造体および支持アセンブリが実際上必要となる。
【０００７】
【発明の詳しい記載】
先ず図１および図２について説明すると、開放設計型超伝導マグネット・アセンブリ１０は、支持構造体１６によって分離された一対の別々のソレノイド状又は円筒形状の真空容器（すなわち、超伝導マグネット６および８のハウジング）１２および１４を含む。真空容器１２および１４と、スペーサ・ポスト１６とによって形成される全体の構造体は、これらの真空容器の間に実質的な開口（すなわち、開放空間）を提供する。これらの真空容器によれば、超伝導マグネット６および８の軸３２の周囲のこの空間内すなわち撮影領域１１内に位置する患者が閉鎖されるのを回避できる。冷凍剤用圧力容器２２の内部の、全体として参照符号２４で示す複数個の主磁気コイルは、（図示しない従来のヘリウム冷却手段によって）マグネット・アセンブリ１０が超伝導温度まで冷却されて、超伝導マグネット電流の流れを開始させるると、撮影領域１１に強い磁場を生じる。再凝縮器１５は、超伝導マグネット６および８を超伝導温度まで冷却する際のヘリウムの沸騰によって生じたヘリウム・ガスを再凝縮させる。この再凝縮された液体ヘリウムは、当業界でよく知られる方式により、超伝導マグネット内に（矢印１７で示すように）流れ戻る。
【０００８】
超伝導マグネット６および８が発生させる強力な電磁力は、各超伝導マグネット内の磁気コンポーネント上に大きな軸方向の電磁気学的な力を及ぼす。またマグネットのアラインメントが不正であると、半径方向にも電磁気学的な力を及ぼす。冷凍剤用圧力容器２２と熱輻射シールド３０と真空容器１２との間を接続するマグネット支持装置が、冷凍剤容器２２と超伝導マグネット・アセンブリ１０の外部のこれより遥かに高温である（３００Ｋを超える程の）外部雰囲気との間に大きな熱抵抗を有していることは重要である。炭素繊維強化複合材料（以下「ＣＦＲＰ」という）は、軸方向および横方向（すなわち半径方向）の強度および剛性が高いため、所望の機械的特性を提供できることが知られている。適切な熱的隔離と熱抵抗を提供し、真空容器１２内の限られた半径方向スペース内に受容しがたい熱伝導を生じさせないために、円錐台状のＣＦＲＰ製支持アセンブリ４０が３つの部分を含む。第１の円錐台状の部分すなわち円錐状部分４２は、冷凍剤用圧力容器２２と熱輻射シールド３０との間に延び、これとオーバーラップする第２の円錐台状の部分すなわち円錐状部分４４は熱シールド３０および真空容器１２を接続し、また第３の部分すなわちリエントリ部分４６は円錐状部分４２および４４の間を接続している。リエントリ部分４６は、実質的に円筒形であり、かつ軸１１と同軸状である。
【０００９】
図２で最もよく示されるように、ＣＦＲＰ製支持アセンブリ４０の部分４２、４４および４６を屈曲させ互いに組み合わせることによって、単一のアセンブリすなわち単一部材を形成する。中間にある円筒状リエントリ部分４６は、支持アセンブリ４０の熱経路を延長させると共に、同一のＣＦＲＰ材料を使用することにより懸架用円錐状部分４２および４４の熱収縮と整合させる。このため、ＣＦＲＰ製支持アセンブリ４０は、軸方向および半径方向に大きな強度を提供するだけでなく、延長された一般にＺ字形の熱経路を提供する。この熱経路の延長によって、開放設計型超伝導マグネット６および８の範囲内において冷凍剤用圧力容器２２と真空容器１２との間の距離が比較的短いために起こる可能性がある受容しがたい熱伝導を回避できる。
【００１０】
ＣＦＲＰ製支持アセンブリ４０の構造の細部、並びに支持を受ける部材への取り付け方法を図３および図４に示す。
【００１１】
図３について説明すると、円錐状部分４２および４４、並びに軸方向円筒状リエントリ部分４６は、ＣＦＲＰ製のため屈曲でき、図に示すように一体に結合される。円錐台状の部分すなわち円錐状部分４２の冷凍剤用圧力容器２２への取り付けには、ＣＦＲＰ製補強部材５０と、適正なプリテンションを与えて冷凍剤用圧力容器２２の冷却収縮に整合させるためのネジ機構５４を備えるプリテンション用ＣＦＲＰ製部材５２とが含まれる。これによりＣＦＲＰ製支持アセンブリ４０内の熱応力が減少する。アルミニウム製冷凍剤用圧力容器２２は、室温から極低温まで冷却する過程で示す冷却収縮が、支持アセンブリ４０を形成するＣＦＲＰ材料と較べて、相当に大きい。室温および極低温で適正な機械的界面を提供すると共に、熱収縮の差による衝撃を最小限とするため、膨張性界面が提供される。
【００１２】
ＣＦＲＰ製補強部材５０は、室温において冷凍剤用圧力容器２２の界面より小さく製作され、補強部材５０と圧力容器２２と間に半径方向のギャップを生じさせる。補強部材５０の直径は、室温において冷凍剤用圧力容器２２の界面より小さいが、４．２Ｋなどの超伝導温度でこの両者が異なる収縮をすると、逆に冷凍剤用圧力容器２２の界面より大きくなる。ネジ機構５４を使用し、補強部材の直径を広げることによって、組立て段階でこのギャップを閉じる。この両材料の熱収縮が異なるため、冷凍剤用圧力容器２２を冷却する間に、補強部材５０のプリテンションが緩和される。この結果、熱収縮が異なるためＣＦＲＰ内に起こる熱応力は軽減される。ステンレス鋼製リング６０に、ステンレス鋼製セグメント６１をオーバーラップさせ、ＣＦＲＰ製部材４４上のステップ部を捕捉する。このジョイントは、支持アセンブリ４０を真空容器１２に取り付けるための溶接面６０を提供する。
【００１３】
図４にＣＦＲＰ製支持アセンブリ４０の軽微な変形例を示す。図４について説明すると、支持アセンブリ４１では、軸方向の円筒状部分４６と結合された、ＡＬ１１００などのセグメント化されたアルミニウム製の薄いシート５８が追加されて、これにより懸架装置支持アセンブリ４０と熱輻射シールド３０との間に機械的かつ熱的なジョイントを提供すると共に、熱遮蔽すなわち熱遮断効果を高めている。
【００１４】
本発明について、その一定の好ましい実施態様に関して記述してきたが、構造、部品の配置と組合わせ、並びに使用する材料の種類については、本発明の精神および範囲を逸脱することなく、さまざまな変更を行うことができることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による開放設計型超伝導マグネット・アセンブリを部分的に切り取った簡略側面図である。
【図２】本発明をよりよく図解するために縮尺を無視して示した、図１の単一支持構造体の簡略斜視図である。
【図３】図１および図２の支持構造体の細部を含む断面図である。
【図４】図３の一変形例の断面図である。
【符号の説明】
６、８ 超伝導マグネット
１０ 超伝導マグネット・アセンブリ
１１ 撮影領域
１２ 真空容器
１６ 支持構造体
２２ 冷凍剤用圧力容器
２４ 主電磁コイル
３０ 熱輻射シールド
３２ 軸
４０ 支持アセンブリ、
４２ 円錐状部分
４４ 円錐状部分
４６ 円筒状リエントリ円筒
５０ ＣＦＲＰ製補強部材
５２ プリテンション用ＣＦＲＰ製部材
５４ ネジ機構
５８ アルミニウム製の薄いシート
６０ ステンレス鋼製リング
６１ ステンレス鋼製セグメント

Claims (10)

1. 真空容器（１２）内に同軸に位置する冷凍剤用圧力容器（２２）と、これらの両容器の間に配置されてこれらの軸に沿って伸びる熱輻射シールド（３０）とを含む、磁気共鳴イメージングに適した超伝導マグネット（１０）において、冷凍剤用圧力容器と熱輻射シールドと真空容器との間の空間的関係を位置決めし且つ維持するための懸架装置（４０）であって、
   前記冷凍剤用圧力容器と前記熱輻射シールドとの間に伸びる第１の円錐状部分（４２）と、
   前記輻射シールドと前記真空容器との間に伸びる第２の円錐状部分（４４）と、
   前記輻射シールドに隣接していて、前記第１および第２の円錐状部分を接続するリエントリ部分（４６）とを備え、
   前記第１および第２の円錐状部分の各々が、広径の端と狭径の端を有し、前記軸（３２）の周りに一定の角度で伸びて、実質的に円錐台状の表面を形成しており、
   前記リエントリ部分（４６）が、前記第１の円錐状部分（４２）の広径の端と、前記第２の円錐状部分（４４）の狭径の端を接続することにより、前記リエントリ部分（４６）が、延長された熱経路を提供すること、を特徴とする超伝導マグネット用懸架装置。
2. 前記リエントリ部分が前記軸と実質的に同軸状であり、かつ前記両円錐状部分がオーバーラップすると共に前記リエントリ部分の端部に大体Ｚ字形構成をなすように固定されて、前記懸架装置の半径方向の熱経路を前記圧力容器と前記真空容器との間の半径方向の距離よりも大きくなるようにした、請求項１に記載の超伝導マグネット用懸架装置。
3. 前記第１および第２の円錐状部分が炭素繊維強化複合材料製である、請求項２に記載の超伝導マグネット用懸架装置。
4. セグメント化されたアルミニウム製の薄いシート（５８）が前記炭素繊維強化複合材料に結合されている、請求項３に記載の超伝導マグネット用懸架装置。
5. 前記アルミニウム製のシートが、互いに間隔をとったアルミニウム製セグメントを含んでいる、請求項４に記載の超伝導マグネット用懸架装置。
6. 前記第１および第２の円錐状部分と前記円筒が互いに結合されて単一ユニット（４０）を形成しており、該ユニットは前記圧力容器と前記真空容器の間に伸びると共に、その両端部の中間に前記熱輻射シールドを支持している、請求項２に記載の超伝導マグネット用懸架装置。
7. 前記真空容器に対する溶接に適したジョイントが前記第２の円錐状部分の外側端に設けられ、該ジョイントは、前記第２の円錐状部分の該外側端を取り囲むための互いに対向する位置にあるステンレス鋼製のリング（６０および６１）を含んでいる、請求項６に記載の超伝導マグネット用懸架装置。
8. 前記第１および第２の円錐状部分と圧力容器との間の熱応力を最低限とするために、前記第１の円錐状部分の内側端に、プリテンション用の炭素繊維強化複合材料の連結部材（５２および５４）を備える、請求項７に記載の超伝導マグネット用懸架装置。
9. 前記圧力容器がアルミニウム製である、請求項８に記載の超伝導マグネット用懸架装置。
10. 前記第２の円錐状部分の広径側の端が、前記第１の円錐状部分の狭径側の端に隣接すると共に、その内部に位置決めされている、請求項２に記載の超伝導マグネット用懸架装置。

Images